Materi Bio Sel - Struktur DNA

BAB 1

STRUKTUR DNA

A.    DNA SEBAGAI  BAHAN GENETIK

Studi mengenai eksistensi asam nukleat pertama kali dilakukan oleh FRIEDRICH MIESCHER dari Jerman yang mengisolasi inti dari sel darah putih pada tahun 1869. MIESCHER menemukan bahwa di dalam inti sel tersebut terdapat senyawa yang mengandung fosfat yang kemudian dinamakan nuklein. Pada tahun 1930-an, P. LEVENE, W. JACOBS, dan kawan-kawan menunjukkan bahwa RNA tersusun atas satu gugus gula ribosa dan empat basa yang mengandung nitrogen, sementara DNA tersusun atas gugus gula yang berbeda yaitu deoksiribosa.

      Pembuktian bahwa DNA merupakan bahan genetic pertama kali dilakukan oleh FREDERICK GRIFFITH (1928) yaitu dengan eksperimen transformasi pada bakteri Streptococcus pneumonia .  Bakteri S. pneumonia tipe alami mempunyai bentuk sel bulat (sferis) yang diselubungi oleh senyawa berlendir yang disebut kapsula. Selsel tipe alami membentuk koloni mengilat yang dikenal sebagai koloni halus (smooth, S). Sel tipe alami semacam ini bersifat virulen, artinya dapat menyebabkan kematian pada mencit yang di injeksi dengan sel yang masih hidup. Selain itu diketahui ada starin mutan S. pneumonia yang kehilangan kemampuan untuk membentuk kapsula sehingga  sel-selnya berukuran kecil dan akan membentuk koloni yang kasar (rough,R). Sel mutan semacam ini bersifat avirulen, artinya tidak dapat menyebabkan kematian pada mencit yang diinjeksi oleh sel mutan.

      Eksperimen Griffith menunjukkan bahwa sel-sel yang avirulen dapat mengalami transformasi (perubahan) menjadi sel yang virulen. Hal ini dibuktikan dengan :

1.      Menginjeksi mencit menggunakan sel-sel tipe alami yang masih hidup (sel tipe S).  Diketahui kemudian bahwa  injeksi dengan sel tipe S yang hidup menyebabkan kematian mencit.

2.      Menginjeksi mencit menggunakan sel-sel tipe R yang hidup. Injeksi semacam ini ternyata tidak menimbulkan kematian mencit.

3.      Menginjeksi mencit menggunakan tipe S yang sudah mati. Injeksi semacam ini ternyata tidak menimbulkan kematian mencit.

4.      Mencampurkan sel-sel tipe S yang sudah mati dengan sel-sel  tipe R yang masih hidup dan injeksi ke dalam mencit. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa injeksi dengan sel campuran semacam ini menyebabkan kematian mencit.

5.      Mengisolasi S. pneumonia dari mencit yang sudah mati tersebut dan memperoleh sel-sel tipe S dan sel-sel tipe R yang hidup. Hal ini memberikan indikasi bahwa pencampuran sel tipe S yang mati dengan sel tipe R yang hidup telah menyebabkan perubahan (transformasi) sel tipe R yang hidup menjadi sel tipe S yang hidup.

Bukti bahwa DNA merupakan bahan yang menyebabkan terjadinya proses transpormasi pada S. pneumonia ditunjukkan oleh eksperimen yang  dilakukan oleh Oswald Avery, Colin Macleod, dan Mackyn McCarty pada tahun 1944. Mereka melakukan eksperimen serupa dengan yang dilakukan oleh Griffith, namun mereka melakukan pengujian lebih lanjut  terhadap senyawa yang menyebabkan transformasi pada S. pneumonia. Mereka melakukan ekstraksi terhadap sel virulen dan kemudian menghilangkan proteinnya. Hasil ekstraksi tersebut kemudian diperlakukan dengan bermacam-macam enzim yang mendegradasi protein (tripsin dan kemotripsin) maupun enzim yang menghancurkan RNA (RNA ase). Pengujian selanjutnya menunjukkan bahwa ekstrak sel tersebut ternyata masih dapat menyebabkan proses transformasi . Sebaliknya, ketika ekstrak sel tersebut diperlakukan dengan enzim deoksiribunuklease yang dapat menghancurkan DNA, ternyata kemampuan untuk menyebabkan proses transformasi menjadi hilang. Hasil ini memberikan indikasi bahwa senyawa yang meyebabkan transformasi adalah molekul DNA.

Bukti lebih lanjut yang memperkuat asumsi bahwa senyawa yang menyebabkan proses transformasi adalah DNA ditunjukkan oleh eksperimen yang dilakukan oleh A.D. Hershey dan Martha Chase (1952) dengan eksperimen yang dikenal sebagai Waring blender experiment . Dalam eksperimen tersebut digunakan bakteriofag T2 yang diketahui hanya terdiri atas protein dan DNA. Untuk membuktikan apakah senyawa yang bertanggung jawab terhadap perubahan sifat suatu sel berupa protein atau DNA, Hershey dan Chase melakukan pelabelan terhadap protein bakteriofage T2 dengan ³⁵S. Selain itu, pada bagian eksperimen yang lain, mereka juga melabel DNA bekteriofag dengan  ³²P. Bakteriofag yang telah dilabel tersebut kemudian digunakan untuk menginfeksi bakteri Escherchia coli . Selubung partikel Bakteriofag yang sudah menginjeksi DNA-nya ke dalam sel kemudian diambil dan dianalisis. Hasil analisis menunjukkan bahwa sebagian besar protein berlabel tetap diluar sel, sedangkan DNA berlabel ada di dalam sel. Hal ini memberikan gambaran yang jelas bahwa senyawa yang masuk ke dalam sel adalah molekul DNA.

Hasil eksperimen seperti yang dijelaskan di atas menunjukkan bahwa molekul yang merupakan bahan genetic di dalam sel adalah DNA. DNA merupakan salah satu makromolekul yang mempunyai peranan sangat penting dalam jasad hidup yang menentukan bentuk, struktur, maupun fisiologi suatu jasad.

B.     STRUKTUR DNA

      Struktur DNA pertama kali diungkapkan oleh James Watson  dan Francis Crick (1953). Watson dan Crick mengusulkan  model struktur DNA yang disebut untai ganda (double helix). Untai ganda DNA terususun oleh dua rantai polinukleotida yang berpilin. Kedua rantai mempunyai orientasi yang berlawanan (antiparalel) rantai yang satu mempunyai orientasi 5¹ ---> 3¹, sedangkan rantai yang lain berorientasi 3¹ ---> 5¹. Kedua berikatan dengan adanya ikatan hydrogen antara basa adenine (A) dengan thymine (T), dan antara guanine (G) dengan cytosine (C). Ikatan antara A-T berupa dua ikatan hydrogen, sedangkan anatra G-C berupa tiga ikatan hidrpgen sehingga iktan G-C lebih kuat. Spesifikasi pasangan basa semacam ini disebut sebagai komplementaritas. Proporsi basa A dan T serta G dan C selalu sama (hukum Chargaff).

      Kerangka gula deoksiribosa dan fosfat yang menyusun DNA terletak dibagian luar molekul, sedangkan basa purin dan pirimidin terletak disebelah dalam untaian (helix). Basa-basa purin dan pirimidin yang berpasangan terletak pada bidang datar yang sama dan tegak lurus terhadap aksis untaian DNA. Diameter untaian DNA adalah 20 A^o.  Diameter bersifat konstan karena basa purin akan selalu berpasangan dengan basa pirimidin. Pasangan –passangan basa yang berurutan berjarak 3,4 A^o satu sama lain dan berotasi sebesar 36^o . Struktur  untaian  berulang setiap 10 basa, atau dengan kata lain ada 10 pasang basa setiap putaran untaian. Untaian DNA mempunyai dua lekukan (groove) eksternal, yaitu lekukan besar (maor groove) dan lekukan kecil (minor groove). Kedua lekukan tersebut mempunyai peranan sebagai tempat melekatnya molekul protein tertentu.

      Oleh karena kedua rantai DNA tersusun secara antiparalel maka ada konvensi dalam penulisan orientasi DNA. Perlu diingat bahwa pada masing-masing rantai DNA ada ujung 5¹ – fosfat (5¹-P) dan ujung 3¹-OH. Molekul DNA yang tersusun oleh dua rantai (double-stranded) polinukleotida biasanya hanya ditulis salah satu rantainya, misalnya ATGCAATTCCGG. Dalam penulisan semacam ini ujung sebelah kiri (A) adalah ujung 5¹- P, sedangkan ujung sebalah kanan (G) adalah ujung 3¹- OH. Oleh karena itu molekul DNA tersebut dapat ditulis sebagai P-5¹- ATGCAATTCCGG-3¹-OH.