RPP Ekspresi Gen: Transkripsi dan Translasi

RPP ekspresi gen ini memakai simulasi gratis untuk membuat langkah dari DNA ke protein menjadi konkret. Siswa menulis mRNA untuk gen pendek dengan tangan, melihat RNA polimerase membangunnya satu basa pada satu waktu, lalu mengikuti ribosom kodon demi kodon sampai berhenti. Kemudian mereka mengubah basa tunggal dan melihat mutasi mana yang berpengaruh. Anda mendapat tujuan pembelajaran, persiapan, prediksi, urutan langkah demi langkah dengan runtunan yang seharusnya dilihat siswa, lima pertanyaan untuk tautan kelas, pengayaan tentang regulasi, dan ide diferensiasi. Setiap kodon dan asam amino di bawah sudah diperiksa terhadap model simulasi itu sendiri.

Pelajaran sekilas

• Jenjang: kelas 9–12 (usia 14–18).
• Waktu: satu jam pelajaran 60 menit, atau dua jam pelajaran 40 menit dengan pengayaan.
• Pengetahuan prasyarat: struktur DNA dan pasangan basa (A–T, G–C); bahwa protein adalah rantai asam amino.
• Format: berpasangan dengan laptop atau tablet, atau seluruh kelas dengan satu proyektor. Baris runtunan lebih mudah dibaca di layar lebar.
• Simulasi: Transkripsi, translasi, dan mutasi titik. Pengayaan: Ekspresi gen – transkripsi, translasi, dan regulasi.

Tujuan pembelajaran

Di akhir pelajaran, siswa dapat:

1. Menulis mRNA yang dibuat dari untai cetakan, dengan memakai U sebagai pengganti T.
2. Memakai tabel kode genetik untuk menerjemahkan mRNA dari kodon start sampai kodon stop.
3. Menjelaskan peran RNA polimerase, ribosom, dan tRNA.
4. Menggolongkan mutasi titik sebagai silent, missense, nonsense, atau pergeseran kerangka baca, dan menjelaskan pengaruhnya pada protein.
5. (Pengayaan) Menjelaskan bagaimana faktor transkripsi menghidupkan atau mematikan gen.

Apa yang dilakukan simulasi

Gen bawaannya adalah untai cetakan 18 basa, dibaca 3'→5': TAC AAA GGC TTA CCG ACT. Layar menampilkan empat baris: untai cetakan, untai komplementer, mRNA (5'→3'), dan polipeptida. Tabel kode genetik lengkap ada di bawahnya, dan kodon yang sedang dibaca menyala.

Dengan Otomatis aktif (bawaan), simulasi maju satu langkah setiap 0,45 detik: 18 langkah transkripsi, lalu 6 langkah translasi, sekitar 11 detik seluruhnya. Matikan Otomatis dan gunakan Langkah berikutnya untuk bergerak sesuai kecepatan Anda. Keluaran menarasikan setiap langkah:

• "Siap: gen memiliki 18 nukleotida (6 kodon)"
• "Transkripsi: nukleotida 1/18 — cetakan T → mRNA A"
• "Translasi: kodon 1/6 — AUG → Met (start)"

Selama translasi, gambar menampilkan ribosom pada mRNA dan antikodon tRNA, misalnya "antikodon 3'-UAC-5'" untuk AUG. Hasilnya adalah Met–Phe–Pro–Asn–Gly, lalu kodon stop UGA: "rantai polipeptida: 5 asam amino".

Mutasi: mengklik basa cetakan mana pun menggantinya. Setiap klik berpindah ke basa berikutnya, dengan urutan A, T, G, C, melewati basa aslinya. Baris tambahan, "Asli (tanpa mutasi)", muncul sebagai pembanding, asam amino yang berubah disorot, dan satu baris di bawahnya menyebutkan jenis mutasinya. Insersi dan delesi diatur di panel nilai awal di bawah simulasi: Mutasi, Posisi mutasi pada untai cetakan dan Nukleotida pengganti / sisipan.

Dua rincian model yang perlu diketahui:

• Translasi dimulai pada AUG pertama di mana pun dalam mRNA. Jika mutasi merusak kodon start, ribosom menemukan AUG berikutnya, bahkan di luar kerangka baca.
• Pada kodon stop, gambar tetap menampilkan kotak antikodon. Di dalam sel, tidak ada tRNA yang membaca kodon stop; faktor pelepas mengakhiri translasi. Koreksi yang bagus untuk ditemukan siswa yang kuat.

Bahan dan persiapan sebelum kelas

Bahan: satu perangkat per pasangan (atau proyektor), tabel kodon yang dicetak untuk langkah tulis tangan, dan tabel catatan di bawah.

Persiapan (10 menit, sekali saja):

1. Buka simulasi. Nilai bawaannya adalah gen di atas, tanpa mutasi, dan Otomatis aktif.
2. Matikan Jalankan otomatis langkah demi langkah di nilai awal, agar gen menunggu di "Siap" dan tidak langsung berjalan begitu halaman dibuka. Lalu klik Bagikan dan buat tautan untuk setiap kelas, misalnya "Biologi · Jam ke-5". Tautan menyematkan nilai awal ini.
3. Buat tautan kedua bernama "Gen nonsense" dan atur Untai cetakan gen ke TACAAAGGCATACCGACT (langkah 6 memakainya).
4. Opsional: di tab Pertanyaan, masukkan set pertanyaan di bawah dan lampirkan pada tautan pertama.
5. Bagikan tautan, atau buka yang pertama dalam mode presentasi dan tampilkan kode QR.

Urutan pelajaran

1. Pembuka dan prediksi (7 menit)

Tanyakan: "Semua sel Anda menyimpan DNA yang sama. Namun sel otot dan sel kulit membuat protein yang berbeda. Dari mana sebenarnya protein itu berasal?" Kumpulkan beberapa jawaban. Lalu siswa mengunci dua prediksi, di kertas atau di tautan:

• P1. "Kodon mRNA mana yang dibuat dari triplet cetakan TAC? TAC / ATG / AUG / UAC"
• P2. "Satu basa dalam gen diganti basa lain. Apakah protein selalu berubah?"

Harapkan ATG (lupa urasil) atau UAC (menyalin, bukan memasangkan) di P1, dan "ya, selalu" di P2. Jangan koreksi siapa pun dulu.

2. Transkripsi dengan tangan, lalu dengan mesin (10 menit)

Pasangan menulis mRNA untuk cetakan bawaan sebelum menekan apa pun. Lalu mereka menelusuri transkripsi dengan Langkah berikutnya, memeriksa setiap basa:

Cetakan (3'→5')	TAC	AAA	GGC	TTA	CCG	ACT
mRNA (5'→3')	AUG	UUU	CCG	AAU	GGC	UGA

Tanyakan: "mRNA hampir persis sama dengan salah satu dari dua untai DNA. Yang mana, dan apa bedanya?" Sama dengan untai komplementer, dengan U menggantikan T. Periksa P1 sekarang.

3. Translasi dan tabel kode (8 menit)

Teruskan menelusuri. Untuk setiap kodon, siswa mencari asam aminonya di tabel kode dan menulis antikodon yang harus dibawa tRNA:

Kodon	AUG	UUU	CCG	AAU	GGC	UGA
Asam amino	Met (start)	Phe	Pro	Asn	Gly	stop
Antikodon (3'→5')	UAC	AAA	GGC	UUA	CCG	tidak ada

Tanyakan: "Enam kodon, tetapi hanya lima asam amino. Mengapa?" Kodon terakhir adalah sinyal stop dan tidak mengode asam amino apa pun.

4. Substitusi: survei kelas (15 menit)

Setiap pasangan mendapat tiga posisi cetakan (1–18). Untuk setiap posisi, mereka mengklik basa sekali, dua kali, dan tiga kali, dan mencatat polipeptida serta jenis mutasi setiap kali. Kumpulkan hasilnya di papan. Beberapa contoh yang akan ditemukan siswa:

Perubahan	Kodon mRNA	Polipeptida	Jenis yang ditampilkan
Posisi 5: A → T	UUU → UAU	Met–Tyr–Pro–Asn–Gly	missense
Posisi 5: A → G	UUU → UCU	Met–Ser–Pro–Asn–Gly	missense
Posisi 9: C → A	CCG → CCU	Met–Phe–Pro–Asn–Gly	silent
Posisi 1: T → A	AUG → UUG	Met–Ala (dari AUG yang lebih belakang)	kodon start hilang

Dari seluruh 54 substitusi yang mungkin pada gen ini, simulasi menghasilkan 36 missense (8 di antaranya mengubah kodon stop menjadi asam amino), 9 silent, dan 9 perubahan kodon start. Tidak ada yang nonsense: tidak ada perubahan tunggal yang mengubah kodon sebelumnya menjadi UAA, UAG, atau UGA. Delapan dari sembilan yang silent berada di posisi 6, 9, 12, dan 15, basa ketiga suatu kodon. Tanyakan: "Mengapa basa ketiga?" Kode genetik bersifat degenerasi: banyak asam amino punya beberapa kodon yang hanya berbeda pada basa terakhir. Periksa P2.

5. Pergeseran kerangka baca (7 menit)

Di panel nilai awal, pasangan mengatur Mutasi ke Insersi satu pasang nukleotida, posisi 5, basa G. Lalu mereka mencoba Delesi satu pasang nukleotida pada posisi 5:

Mutasi	Kodon mRNA yang dibaca	Polipeptida
Tidak ada	AUG UUU CCG AAU GGC UGA	Met–Phe–Pro–Asn–Gly
Sisipkan G setelah posisi 5	AUG UUC UCC GAA UGG CUG	Met–Phe–Ser–Glu–Trp–Leu
Hapus posisi 5	AUG UUC CGA AUG GCU	Met–Phe–Arg–Met–Ala

Setiap kodon setelah perubahan dibaca dalam kerangka baru, dan pada kedua kasus ribosom tidak pernah bertemu kodon stop sebelum gen berakhir. Tanyakan: "Mana yang Anda duga lebih merugikan, substitusi atau insersi? Mengapa?"

6. Mutasi nonsense (5 menit)

Buka tautan "Gen nonsense". Satu kodon berbeda dari bawaan, sehingga proteinnya Met–Phe–Pro–Tyr–Gly. Pasangan mengklik posisi 12 tiga kali:

• Sekali (A → T): kodon UAU menjadi UAA, sebuah stop. Rantainya hanya Met–Phe–Pro: mutasi nonsense.
• Dua kali (A → G): UAC, tetap Tyr. Silent.
• Tiga kali (A → C): UAG, stop lainnya. Nonsense lagi.

Satu basa, tiga hasil.

7. Pengecekan penutup (5 menit)

Gunakan pertanyaan 3–5 dari set di bawah. Lalu buka Lihat jawaban dan tampilkan kolom Prediksi dan Sesudah untuk P1 dan P2 berdampingan. Panduan penilaian formatif menjelaskan cara memakai kolom-kolom itu untuk merencanakan pelajaran berikutnya.

Set pertanyaan untuk pelajaran ini

Masukkan ini di tab Pertanyaan simulasi. Petunjuk untuk siswa yang disarankan: "Gunakan Langkah berikutnya untuk bergerak satu basa pada satu waktu. Tekan Atur ulang sebelum setiap pengujian baru. Klik basa cetakan untuk mengubahnya."

1. Pilihan ganda · Sebelumnya, sebagai prediksi · Tanyakan lagi setelah simulasi

• Pertanyaan: "Kodon mRNA mana yang dibuat dari triplet cetakan TAC?"
• Pilihan: TAC / ATG / AUG (benar) / UAC
• Penjelasan: "RNA polimerase memasangkan setiap basa cetakan dengan pasangannya: T dengan A, A dengan U, C dengan G. RNA memakai urasil (U), bukan timin (T). Jadi TAC menghasilkan AUG, kodon start untuk metionin."

2. Pilihan ganda · Sebelumnya, sebagai prediksi · Tanyakan lagi setelah simulasi

• Pertanyaan: "Satu basa dalam gen diganti basa lain. Apakah protein selalu berubah?"
• Pilihan: Ya, selalu / Tidak, kadang protein tetap sama (benar) / Tidak, satu basa tidak pernah berpengaruh / Hanya jika basa barunya A
• Penjelasan: "Kode genetik bersifat degenerasi: beberapa kodon mengode asam amino yang sama. Pada gen bawaan, mengubah CCG menjadi CCU tetap menghasilkan prolin, mutasi silent. Perubahan tunggal lainnya menukar satu asam amino (missense) atau membuat stop (nonsense)."

3. Angka · Setelah simulasi

• Pertanyaan: "Jalankan gen bawaan sampai akhir. Berapa asam amino yang dimiliki polipeptida jadi?"
• Jawaban: 5, toleransi ± 0
• Penjelasan: "mRNA punya enam kodon: AUG UUU CCG AAU GGC UGA. Lima yang pertama mengode Met, Phe, Pro, Asn, dan Gly. UGA adalah kodon stop, yang mengakhiri rantai tanpa menambah asam amino."

4. Pilihan ganda · Setelah simulasi

• Pertanyaan: "Klik posisi 9 pada untai cetakan sekali, sehingga C menjadi A. Mutasi jenis apa ini?"
• Pilihan: diam (silent) (benar) / missense / nonsense / pergeseran kerangka baca (frameshift)
• Penjelasan: "Kodon berubah dari CCG menjadi CCU. Keduanya mengode prolin, sehingga polipeptida tetap Met–Phe–Pro–Asn–Gly. Perubahan yang membiarkan protein tidak berubah adalah mutasi silent."

5. Jawaban singkat · Setelah simulasi

• Pertanyaan: "Mengapa menyisipkan satu basa di dekat awal gen biasanya mengubah protein lebih besar daripada mengganti satu basa?"
• Jawaban yang diterima (opsional): biarkan kosong dan baca sendiri jawabannya.
• Contoh jawaban: "Ribosom membaca mRNA dalam kelompok tiga tanpa celah. Basa tambahan menggeser kerangka baca, sehingga setiap kodon setelahnya berubah, dan kodon stop bisa hilang atau muncul lebih awal. Substitusi mengubah paling banyak satu kodon."

Pertanyaan 1 dan 2 adalah prediksi, ditanyakan lagi setelah simulasi. Untuk tips merumuskan pertanyaan seperti ini, lihat menulis pertanyaan yang baik untuk lab virtual.

Pengayaan: menghidupkan dan mematikan gen

Simulasi pertama menunjukkan bagaimana gen dibaca. Simulasi kedua menunjukkan bagaimana sel memutuskan apakah akan membacanya sama sekali. Di layar Ekspresi-nya, seruas DNA membawa tiga gen. Siswa menyeret molekul dari kotak peralatan dan mengikuti petunjuk di setiap langkah:

1. Seret faktor transkripsi positif ke garis putus-putus yang cocok di daerah regulator gen.
2. Seret RNA polimerase ke promotor. mRNA tumbuh dan meninggalkan DNA.
3. Seret ribosom ke ujung 5' mRNA. Polipeptida tumbuh dan melipat menjadi protein.
4. Seret protein ke kotak pengumpul. Mengumpulkan satu protein dari masing-masing tiga gen menyelesaikan layar.

Setiap gen punya aturannya sendiri. Gen 1 membutuhkan faktor A. Gen 2 membutuhkan faktor B, dan faktor negatifnya B⁻ menghalangi RNA polimerase. Gen 3 membutuhkan C1 dan C2. Tanyakan: "Mengapa gen 3 membutuhkan dua faktor?" Hal itu memungkinkan sel menghidupkan gen hanya jika dua kondisi terpenuhi. Siswa juga menemukan bahwa satu mRNA bisa ditranslasikan berkali-kali, dan bahwa enzim pengurai menghilangkannya.

Untuk siswa yang lebih tua, layar Banyak sel menjalankan gen yang sama di hingga 90 sel. Kadar protein berbeda dari sel ke sel karena peristiwa molekuler bersifat acak, tetapi keluarannya memberikan rata-rata harapan. Dengan pengaturan bawaan, keluarannya menunjukkan E[P] = 182 protein. Menggandakan laju penguraian protein dari 0,05 menjadi 0,10 per menit membuatnya menjadi setengah, 90,9. Angka sel demi sel berubah di setiap putaran, jadi tanyakan polanya, bukan nilai persisnya.

Diferensiasi

Dukungan:

• Berikan baris mRNA yang setengah terisi dan tabel kodon dengan cetakan besar.
• Gunakan hanya langkah 2–4 dan substitusi pada posisi 5 dan 9.
• Berikan awal kalimat: "Kodon berubah dari … menjadi …, sehingga asam aminonya…"

Tantangan:

• Jelaskan mengapa mengubah posisi 1 menghasilkan Met–Ala, bukan versi yang lebih pendek dari protein asli.
• Ubah kodon stop (posisi 16, A → T menghasilkan AGA, bukan UGA). Simulasi menyebutnya missense, tetapi rantai kini berjalan sampai akhir gen. Para ahli biologi menyebutnya mutasi stop-loss. Mengapa hal itu bisa merugikan?
• Rancang untai cetakan 12 basa yang mengode Met–Trp–Lys dan stop. Ketikkan ke Untai cetakan gen untuk memeriksanya.

Pembelajar bahasa Inggris: simulasi tersedia dalam enam bahasa. Buat tautan kedua dalam bahasa siswa agar label terasa akrab sementara diskusi tetap dalam bahasa Inggris.

Keselarasan dengan standar

Pelajaran ini sesuai dengan NGSS HS-LS1-1 (standar sains AS): menyusun penjelasan berdasarkan bukti tentang bagaimana struktur DNA menentukan struktur protein. Kegiatan mutasi mendukung HS-LS3-2, tentang variasi genetik yang dapat diwariskan akibat mutasi. Pelajaran ini juga sesuai dengan topik sintesis protein pada GCSE Biology (kurikulum Inggris) dan unit ekspresi gen pada AP dan IB Biology.

Untuk kegiatan biologi lainnya, lihat ide pelajaran biologi interaktif. Untuk rutinitas kelas, lihat cara memakai simulasi interaktif di kelas. Jika siswa Anda paling cocok dengan siklus terpandu, panduan RPP 5E menunjukkan cara membungkus kegiatan ini dalam fase Engage, Explore, dan Explain.

Pertanyaan umum

Mengapa cetakan dimulai dengan TAC, bukan ATG?

Simulasi menampilkan untai cetakan, dibaca 3'→5'. TAC berpasangan dengan AUG pada mRNA. Untai komplementer, ATG, punya urutan yang sama dengan mRNA, dengan T menggantikan U.

Bisakah saya memakai gen sendiri?

Bisa. Ketikkan runtunan A, T, G, dan C apa pun, dari 6 sampai 60 basa, ke Untai cetakan gen di nilai awal, dan sematkan pada tautan. Awali dengan TAC agar translasi dimulai pada kodon pertama.

Mengapa tidak ada mutasi nonsense pada gen bawaan?

Tidak ada dari lima kodon sebelum UGA yang berjarak satu basa dari kodon stop, sehingga tidak ada substitusi tunggal yang bisa mengakhiri rantai lebih awal. Gunakan tautan kedua dari langkah 6, di mana posisi 12 menghasilkan UAA atau UAG.