STRUKTUR MOLEKUL DNA Kemampuan sel tunggal atau DNA phage memperbanyak dirinya dalam sel induk dalam waktu yang singkat melahirkan pertanyaan tentang apa dan bagaimana struktur tiga dimensi molekul DNA. Pertanyaan ini dijawab dijawab dengan gemilang oleh beberapa peneliti utama yang semuanya sedang dalam proses persaingan dramatis dan menegangkan, paling tidak oleh empat kelompok bebuyutan: Linus Pauling, dan Delbrück di California Institute of Technology Pasadena Amerika Serikat; James Dewey Watson dan Francis Crick di Laboratorium Cavendis, Cambridge University, Cambridge Inggris; serta, Maurice Wilkins dan Rosalind E. Franklin di laboratorium fisika Wheatstone King’s College London. Walaupun kompetisi ini dimenangkan oleh kelompok Cavendis, namun tanpa bukti foto sinar X kristal DNA serta interpretasi gemilang oleh si cantik Rosalind E. Franklin bahwa gugus fosfatnya berada pada bagian terluar dari struktur tiga dimensi DNA, proposal Crick dan Watson masih harus mengalami pengujian berat. Laporan Crick dan Watson termuat dalam majalah terkemu Nature 25 April 1953, sebagiannya dikutip sebagai berikut: "Kami ingin mengemukakan struktur yang sangat berbeda dari garam DNA. Struktur ini memiliki dua rantai heliks masing-masing memilin pada poros yang sama. Kami telah membuat beberapa asumsi kimia biasa yaitu bahwa setiap rantai terdiri dari gugus fosfat diester yang menyambung residu-residu ß-Ddeoksiribofuranosa dengan ikatan-ikatan 3′,5′. Kedua rantai itu (namun bukan basa basanya) dikaitkan dengan suatu pasangan tegak lurus (perpendicular) terhadap poros serat. Kedua rantai mengikuti pilinan tangan-kanan, namun karena berpasangan, urutan atom-atom pada kedua rantai itu berada pada arah yang berlawanan. Setiap rantai secara kasar mengikuti model I dari Furberg (Furberg, 1952); yaitu bahwa basa-basanya berada di dalam pilinan, dan gugus fosfat berada di bagian luar. Terdapat satu residu (basa nitrogen) pada setiap rantai tiap 3.4 Angstrong dengan arah Z. Kami mengasumsikan sudut dengan besaran 36o antara tiap residu pada rantai yang sama, sehingga struktur pilinan berulang setelah 10 residu disetiap rantainya, yaitu setelah 34 Angstrong. Jarak atom fosfor dari poros serat adalah 10 Angstrong. Karena gugus fosfat berada pada bagian luar, kation-kation menggapainya dengan mudah….Kenampakan yang baru dari struktur DNA yang kami ajukan ialah bahwa kedua rantai dipasangkan bersama-sama oleh basa-basa purin dan pirimidin. Ruang dari basa-basa ini tegak-lurus terhadap poros serat. Mereka disambung bersama dalam pasangan, p asangan, basa yang satu dari satu rantai terikat dengan basa yang lain pada rantai lain oleh ikatan-ikatan hidrogen, sehingga keduanya berdampingan dengan kordinat-kordinat-Z. Satu dari pasangan basa haruslah purin dan yang lain adalah pirimidin agar terjadi ikatan. Ikatan hidrogen tersusun sebagai berikut: posisi purin 1 dengan posisi pirimidin 1; posisi purin 6 dengan posisi pirimidin pirimidin 6. Jika di asumsikan bahwa basa-basa ini berada dalam struktur dengan bentuk tautomerik yang paling masuk akal (yaitu dengan konfigurasi keto ketimbang konfigurasi enol) maka diperoleh bahwa hanya pasangan-pasangan khusus basa-basa yang dapat membentuk ikatan. Pasangan-pasangan ini adalah Adenin Adenin (purin) berpasangan dengan Timin (pirimidin), dan Guanin (purin) berpasangan dengan Citosin Citosin (pirimidin). (pirimidin). Dengan kata lain, jika adenin adalah anggota dari sepasang basa pada rantai pertama, maka pada rantai yang lain pasangannya haruslah timin; hal yang sama untuk guanin dan citosin. Telah dibuktikan bahwa perbandingan jumlah adenin terhadap timin dan guanin terhadap
citosin selalu sangat dekat dengan kesatuan asam nukleat deoksiribosa (lihat Tabel 1.1: Aturan Chargaff). Hubungan pasangan khusus basa-basa ini secara langsung memberi rekaan kepada mekanisme penjiplakan bahan-bahan genetis". DNA dalam analogi tangga dan anak tangga seperti nampak pada foto 1.1. Dua tiang penyangga tangga merupakan rangka molekul berpilin ganda yang terdiri dari urutan sili berganti deoxiribosa – fosafat. Kedua tiang penyangga utama tersebut memiliki arah yang berlawanan (lihat arah anak panah). Anak tangga tersusun dari pasangan-pasangan asam nukleat, yang berpasangan menurut aturan Chargaff: C berpasangan dengan G dan T berpasangan dengan A. Pasangan-pasangan asam nukleat tersebut tertarik satu sama lain melalui ikatan hidrogen yang dibentuk antara dua pasangan yang bercocokkan.
Gambar 1.1. DNA dalam Analogi Tangga dan Anak Tangga
Tabel 1.1. Aturan Chargaff Jumlah basa Adenin (A) hampir mendekati basa Timin (T) dan jumlah basa Guanin (G) hampir mendekati Citosin (C).
Temuan Watson dan Crick memastikan bahwa DNA adalah polimer yang terdiri dari satuan-satuan deoksiribonukleotida. Satu nukleotida terdiri dari masing-masing satu basa nitrogen, gula dan satu atau lebih gugus fosfat. Gula yang dibawah oleh deoksiribonukleotida dalam DNA adalah deoksiribosa. Awalan deoksi- menunjukan bahwa jenis gula ini tidak memiliki atom oksigen yang ada pada senyawa induknya (ribosa). Basa nitrogen adalah turunan dari purin dan pirimidin. Purin dalam DNA adalah adenin (A) dan guanin (G) sedangkan pirimidin adalah thimin (T) dan Citosin (C). Jadi, mengikuti aturan Cargaff, A berpasangan dengan T dan C berpasangan dengan G dalam rantai yang berlawanan dan antiparalel. Hanya melalui ikatan hidrogen dari pasangan basa nitrogen ini maka jarak tetap dari pilinan ganda dipertahankan.DNA Terdiri Dari Pasangan Rangkaian Nukleotida Yang Terpilin 12.1
5. DNA Terdiri Dari Pasangan Rangkaian Nukleotida Yang Terpilin Gen – gen yang berderet pada kromosom masing – masing mempunyai tugas khas sendiri – sendiri dengan waktu “bereaksi” yang khusu pula.faktor yang disebut penentu
pada zaman mendel akhirnya diketahui struktur kimianya yang disebut DNA. Percobaan transformasi dalam bakteri diplococcus pneumonia (pneumococcus) yang dilakukan oleh Griffith pada tahun 1928 telah memberikan keyakinan bahwa DNA benar – benar merupakan bahan genetic.
a) Struktur DNA
Penemu DNA dan RNA adalh seorang ahli kimia berkebangsaan jerman, Frederich Miescher (1869), yang menyelidiki susunan kimia dari nucleus, zat yang mengandung fosfor sangat tinggi dalam nucleus tersebut mula – mula disebut nukleat. Dengan penelitian lebih lanjut diketahui bahwa asam nukleat tersusun atas nukleotida – nukleotida sehingga merupakan polinukleotida. Satu nukleotida terdiri dari nukleosida dan fosfat (PO4 - ) . sedangkan nukleosida terdiri dari sebuah gula pentose dan sebuah basa nitrogen (purin / pirimidin). Jadi nukleosida adalah nukleotida yang tanpa fosfat, sedang nukleotida adalah nukleosida + fosfat + basa nitrogen.
Asam Deoksiribo Nukleat merupakan molekul kompleks yang dibentuk oleh tiga macam molekul, yaitu: 1. Gula pentose (deoksiribosa) 2. Fosfat (PO4-) 3. Basa nitrogen , yaitu:
a. Purin : guanine (G) dan adenine (A) b. Pirimidin : Timin (T) dan sitosin (S) Rumus Bangun Basa Nitrogen
Jadi satu molekul nukleotida yang terdiri dari ikatan gula basa dan fosfat yang menyusun DNA dapat berbentuk: 1. Adenin nukleosida = adenine deoksiribosa fosfat 2. Guanine nukleosida = guanine deoksiribosa fosfat 3. Sitosin nukleosida = sitosin deoksiribosa fosfat 4. Timin nukleosida = timin deoksiribosa fosfat
Berdasarkan hasil penelitian Franklin dan M.H.F wilkins pada D NA dengan menggunakan sinar X , J.D Watson dan F.H.C Crick (1953) mengemukakan suatu model gen, yang terkenal dengan nama double helix(ukir rangkap / tangga berpilin). Mereka akhirnya mendapatkan hadiah nobel pada tahun 1962. Struktur kimia gen (DNA) menurut Watson – crick yang berupa tangga berpilin /ulir rangkap tersususn atas: 1. Gula dan fosfat sebagai induk tangga 2. Basa nitrogen, dengan pasangan tetapnya sebagai anak tangga: G dengan S dihubungkan oleh ikatan lemah 3 atom H (Hidrogen). T dengan A dihubungkan oleh ikatan lemah 2 atom H (hydrogen).
(a) Struktur ulir rangkap(tangga berpilin) (b) susunan pasangan basa DNA (c) Struktur DNA jika tidak mengulir (berpilin)
b) Replikasi DNA
Kemampuan DNA untuk membentuk DNA baru yang sama persis dengan DNA asal (replikasi) disebut kemampuan autokatalik. Sedangkan kemampuan DNA membentuk molekul kimia lain dari salah satu atau sebagaian rantainya disebut kemampuan heterokatalitik. Peristiwa reolikasi DNA pertama – tama diselidikipada tahun 1957 oleh taylor dan kawan – kawan dengan menggunakan nitrogen radioaktif N15 yang dilembagakandalam timidin. Timidin ialah senyawa antara timin dan deoksiribosa, percobaan taylor dan kawan – kawan ini diperkuat oleh penelitian meselson dan stahl (1958) dengan memberikan N dlam bentuk N15O3 pada bakteri Escherichia coli, yang hasilnya ternyata sel – sel anakan yang terjadi mengandung bahan radioaktif itu pula. Cara replikasi DNA berdasarkan percobaan meselson dan sthal ini disebut dengan cara semikonservatif yang banyak diterima oleh sebagian besar ahli biologi. Tiga hipotesis tentang terjadinya replikasi DNA adalah sebagai berikut. 1) Teori konservatif : menyatakan bahwa ulir rangkap (double helix) yang lama tetap (tidak berubah), dan langsung terbentuk ulir rangkap baru. 2) Teori dispersive : menyatakan bahwa ulir rangkap terputus – putus. Lalu potongan – potongan tersebut memisah dan membentuk potongan – potongan baru yang akan bersambung dengan potongan – potongan lama; sehingga kembali menjadi 2 DNA yang sama persis. 3) Teori semi konservatif ; menyatakan bahwa dua pita dari ulir rangkapp memisahkan diri dan tiap – tiap pita yang lama mendapatkan pasangan pita baru seperti pasangannya yang lama, sehingga terbentuklah dua DNa yang sama persis. Gambar; Tiga macam cara replikasi DNA: (a) teori konservatif, (b) teori dispersive, dan (c) teori semi konservatif. Replikasi DNA berlangsung pada sel – sel muda , saat interfase (mitosis) . proses replikasi DNA ini melibatkan beberapa enzim antara lain sebagai berikut: 1. Helikase untuk mempermudah membuka ulir rangkap DNA menjadi dua buah ulir tunggal. 2. Polymerase, untuk menggabungkan deoksiribo nukleosida trifosfat. 3. Ligase, untuk menyambung bagian – bagian ulir tunggal DNA yang baru terbentuk.
skema replikasi DNA secara semikonservatif
