ACARA II

Simulasi dan Visualisasi DNA

Struktur molekul DNA. Atom karbon berwarna hitam, oksigen

merah, nitrogen biru, fosfor hijau, dan hidrogen putih. Asam

deoksiribonukleat, lebih dikenal dengan DNA (bahasa Inggris:

deoxyribonucleic acid), adalah sejenis asam nukleat yang tergolong

biomolekul utama penyusun berat kering setiap organisme. Di dalam sel,

DNA umumnya terletak di dalam inti sel. Secara garis besar, peran DNA di

dalam sebuah sel adalah sebagai materi genetik; artinya, DNA

menyimpan cetak biru bagi segala aktivitas sel. Ini berlaku umum bagi

setiap organisme. Di antara perkecualian yang menonjol adalah beberapa

jenisvirus

SrukturDNA

DNA merupakan polimer yang terdiri dari tiga komponen utama,

yaitu gugus fosfat, gula deoksiribosa, dan basa nitrogen. Sebuah unit

monomer DNA yang terdiri dari ketiga komponen tersebut dinamakan

nukleotida, sehingga DNA tergolong sebagai polinukleotida. Rantai DNA

memiliki lebar 22–24 Å, sementara panjang satu unit nukleotida 3,3 Å.

Walaupun unit monomer ini sangatlah kecil, DNA dapat memiliki jutaan

nukleotida yang terangkai seperti rantai. Misalnya, kromosom terbesar

yang terdapat pada manusia terdiri atas 220 juta nukleotida.

Struktur untai komplementer DNA menunjukkan pasangan basa

(adenin dengan timin dan guanin dengan sitosin) yang membentuk DNA

beruntai ganda. Rangka utama untai DNA terdiri dari gugus fosfat dan

gula yang berselang-seling. Gula pada DNA adalah gula pentosa

(berkarbon lima), yaitu 2-deoksiribosa. Dua gugus gula terhubung dengan

fosfat melalui ikatan fosfodiester antara atom karbon ketiga pada cincin

satu gula dan atom karbon kelima pada gula lainnya. Salah satu

perbedaan utama DNA dan RNA adalah gula penyusunnya; gula RNA

adalah ribosa.DNA terdiri atas dua untai yang berpilin membentuk struktur

heliks ganda. Pada struktur heliks ganda, orientasi rantai nukleotida pada

satu untai berlawanan dengan orientasi nukleotida untai lainnya. Hal ini

disebut sebagai antiparalel. Masing-masing untai terdiri dari rangka

utama, sebagai struktur utama, dan basa nitrogen, yang berinteraksi

dengan untai DNA satunya pada heliks. Kedua untai pada heliks ganda

DNA disatukan oleh ikatan hidrogen antara basa-basa yang terdapat pada

kedua untai tersebut. Empat basa yang ditemukan pada DNA adalah

adenin (dilambangkan A), sitosin (C, dari cytosine), guanin (G), dan timin

(T). Adenin berikatan hidrogen dengan timin, sedangkan guanin berikatan

dengan sitosin.

Replikasi DNA

Pada replikasi DNA, rantai DNA baru dibentuk berdasarkan urutan

nukleotida pada DNA yang digandakan. Replikasi merupakan proses

pelipatgandaan DNA. Proses replikasi ini diperlukan ketika sel akan

membelah diri. Pada setiap sel, kecuali sel gamet, pembelahan diri harus

disertai dengan replikasi DNA supaya semua sel turunan memiliki

informasi genetik yang sama. Pada dasarnya, proses replikasi

memanfaatkan fakta bahwa DNA terdiri dari dua rantai dan rantai yang

satu merupakan "konjugat" dari rantai pasangannya. Dengan kata lain,

dengan mengetahui susunan satu rantai, maka susunan rantai pasangan

dapat dengan mudah dibentuk. Ada beberapa teori yang mencoba

menjelaskan bagaimana proses replikasi DNA ini terjadi. Salah satu teori

yang paling populer menyatakan bahwa pada masing-masing DNA baru

yang diperoleh pada akhir proses replikasi; satu rantai tunggal merupakan

rantai DNA dari rantai DNA sebelumnya, sedangkan rantai pasangannya

merupakan rantai yang baru disintesis. Rantai tunggal yang diperoleh dari

DNA sebelumnya tersebut bertindak sebagai "cetakan" untuk membuat

rantai pasangannya.

Proses replikasi memerlukan protein atau enzim pembantu; salah

satu yang terpenting dikenal dengan nama DNA polimerase, yang

merupakan enzim pembantu pembentukan rantai DNA baru yang

merupakan suatu polimer. Proses replikasi diawali dengan pembukaan

untaian ganda DNA pada titik-titik tertentu di sepanjang rantai DNA.

Proses pembukaan rantai DNA ini dibantu oleh beberapa jenis protein

yang dapat mengenali titik-titik tersebut, dan juga protein yang mampu

membuka pilinan rantai DNA. Setelah cukup ruang terbentuk akibat

pembukaan untaian ganda ini, DNA polimerase masuk dan mengikat diri

pada kedua rantai DNA yang sudah terbuka secara lokal tersebut. Proses

pembukaan rantai ganda tersebut berlangsung disertai dengan

pergeseran DNA polimerase mengikuti arah membukanya rantai ganda.

Monomer DNA ditambahkan di kedua sisi rantai yang membuka setiap kali

DNA polimerase bergeser. Hal ini berlanjut sampai seluruh rantai telah

benar-benar terpisah.

Proses replikasi DNA ini merupakan proses yang rumit namun teliti.

Proses sintesis rantai DNA baru memiliki suatu mekanisme yang

mencegah terjadinya kesalahan pemasukan monomer yang dapat

berakibat fatal. Karena mekanisme inilah kemungkinan terjadinya

kesalahan sintesis amatlah kecil. DNA mempunyai fungsi-fungsi yang

sangat penting bagi tubuh kita. Hal tersebut dikarenakan DNA merupakan

molekul kehidupan utama di dalam sel makhluk hidup. Fungsi-fungsi

tersebutadalah:

1. Tempat menyimpan dan menyalurkan informasi genetik suatu makhluk

hidup

2. Fungsi heterokatalis, yaitu fungsi untuk melaksanakan pengaturan

pembuatan molekul-molekul lain yang penting dalam tubuh dan fungsi

autokatalis, yaitu fungsi DNA untuk mereplikasi dirinya sendiri

Transkripsi

Proses transkripsi, yaitu perubahan urutan basa molekul DNA

menjadi urutan basamolekul RNA. Dengan perkataan lain, transkripsi

merupakan proses sintesis RNA menggunakan salah satu untai molekul

DNA sebagai cetakan (templat)nya.

Transkripsi mempunyai ciri-ciri kimiawi yang serupa dengan

sintesis/replikasi DNA, yaitu:

1. Adanya sumber basa nitrogen berupa nukleosida trifosfat. Bedanya

dengan sumber basa untuk sintesis DNA hanyalah pada molekul gula

pentosanya yang tidak berupa deoksiribosa tetapi ribosa dan tidak

adanya basa timin tetapi digantikan oleh urasil. Jadi, keempat nukleosida

trifosfat yang diperlukan adalah adenosin trifosfat (ATP), guanosin trifosfat

(GTP), sitidin trifosfat (CTP), dan uridin trifosfat (UTP). 2. Adanya untai

molekul DNA sebagai cetakan. Dalam hal ini hanya salah satu di antara

kedua untai DNA yang akan berfungsi sebagai cetakan bagi sintesis

molekul RNA. Untai DNA ini mempunyai urutan basa yang komplementer

dengan urutan basa RNA 48 hasil transkripsinya, dan disebut sebagai pita

antisens.

Sementara itu, untai DNA pasangannya, yang mempunyai urutan

basa sama dengan urutan basa RNA, disebut sebagai pita sens.

Meskipun demikian, sebenarnya transkripsi pada umumnya tidak terjadi

pada urutan basa di sepanjang salah satu untai DNA. Jadi, bisa saja

urutan basa yang ditranskripsi terdapat berselang-seling di antara kedua

untai DNA. 3. Sintesis berlangsung dengan arah 5’→ 3’ seperti halnya

arah sintesis DNA. 4. Gugus 3’- OH pada suatu nukleotida bereaksi

dengan gugus 5’- trifosfat pada nukleotida berikutnya menghasilkan ikatan

fosofodiester dengan membebaskan dua atom pirofosfat anorganik (PPi).

Reaksi ini jelas sama dengan reaksi polimerisasi DNA. Hanya saja enzim

yang bekerja bukannya DNA polimerase, melainkan RNA polimerase.

Perbedaan yang sangat nyata di antara kedua enzim ini terletak pada

kemampuan enzim RNA polimerase untuk melakukan inisiasi sintesis

RNA tanpa adanya molekul primer. Secara garis besar transkripsi

berlangsung dalam empat tahap, yaitu pengenalan promoter, inisiasi,

elongasi, dan teminasi. Masing-masing tahap akan dijelaskan secara

singkat sebagai berikut.

Pengenalan promoter

Agar molekul DNA dapat digunakan sebagai cetakan dalam

sintesis RNA, kedua untainya harus dipisahkan satu sama lain di tempat-

tempat terjadinya penambahan basa pada RNA. Selanjutnya, begitu

penambahan basa selesai dilakukan, kedua untai DNA segera menyatu

kembali. Pemisahan kedua untai DNA pertama kali terjadi di suatu tempat

tertentu, yang merupakan tempat pengikatan enzim RNA polimerase di

sisi 5’ (upstream) dari urutan basa penyandi (gen) yang akan ditranskripsi.

Tempat ini dinamakan promoter.

Inisiasi

Setelah mengalami pengikatan oleh promoter, RNA polimerase akan

terikat pada suatu tempat di dekat promoter, yang dinamakan tempat awal

polimerisasi atau tapak inisiasi (initiation site). Tempat ini sering

dinyatakan sebagai posisi +1 untuk gen yang akan ditranskripsi.

Nukleosida trifosfat pertama akan diletakkan di tapak inisiasi dan sintesis

RNA pun segera dimulai.

Elongasi

Pengikatan enzim RNA polimerase beserta kofaktor-kofaktornya pada

untai DNA cetakan membentuk kompleks transkripsi. Selama sintesis

RNA berlangsung kompleks transkripsi akan bergeser di sepanjang

molekul DNA cetakan sehingga nukleotida demi nukleotida akan

ditambahkan kepada untai RNA yang sedang diperpanjang pada ujung 3’

nya. Jadi, elongasi atau polimerisasi RNA berlangsung dari arah 5’ ke 3’,

sementara RNA polimerasenya sendiri bergerak dari arah 3’ ke 5’ di

sepanjang untai DNA cetakan.

Terminasi

Berakhirnya polimerisasi RNA ditandai oleh disosiasi kompleks

transkripsi atau terlepasnya enzim RNA polimerase beserta kofaktor-

kofaktornya dari untai DNA cetakan. Begitu pula halnya dengan molekul

RNA hasil sintesis. Hal ini terjadi ketikaRNA polimerase mencapai urutan

basa tertentu yang disebut dengan terminator. Terminasi transkripsi dapat

terjadi oleh dua macam sebab, yaitu terminasi yanghanya bergantung

kepada urutan basa cetakan (disebut terminasi diri) dan terminasi yang

memerlukan kehadiran suatu protein khusus (protein rho). Di antara

keduanya terminasi diri lebih umum dijumpai. Terminasi diri terjadi pada

urutan basa palindrom yang diikuti oleh beberapa adenin (A). Urutan

palindrom adalah urutan yang sama jika dibaca dari dua arah yang

berlawanan. Oleh karena urutan palindom ini biasanya diselingi oleh

beberapa basa tertentu, maka molekul RNA yang dihasilkan akan

mempunyai ujung terminasi berbentuk batang dan kala (loop).

Inisiasi transkripsi tidak harus menunggu selesainya transkripsi

sebelumnya. Hal ini karena begitu RNA polimerase telah melakukan

pemanjangan 50 hingga 60 nukleotida, promoter dapat mengikat RNA

polimerase yang lain. Pada gen-gen yang ditranskripsi dengan cepat

reinisiasi transkripsi dapat terjadi berulang-ulang sehingga gen tersebut

akan terselubungi oleh sejumlah molekul RNA dengan tingkat

penyelesaian yang berbeda-beda.

Translasi

Pada proses translasi mRNA yang sudah keluar dari inti sel dan

telah melalui proses splicing (penyambungan) akan bergabung dan

menempel pada ribosom, di mana proses translasi berlangsung. Selain

mRNA, proses translasi dibantu oleh tRNA yang berperan dalam mengikat

asam amino pada salah satu ujungnya dan membawa asam – asam

amino tersebut, menuju ke ribosom untuk disusun menjadi urutan

nukleotida – nukleotida yang sesuai dengan cetakan yang ada pada

kodon mRNA.

Tidak semua molekul tRNA identik atau sama. Kuncinya adalah

bahwa setiap tRNA mempunyai anti kodon yang akan membawa asam –

asam amino tertentu dan sesuai (matching) dengan urutan kodon – kodon

yang terdapat pada mRNA (template), tRNA yang membawa asam –

asam amino tersebut, akan diterjemahkan menjadi polipeptida atau

protein yang dikehendaki. Ketika satu molekul tRNA sampai pada

ribosom, ia akan memasangkan asam amino yang dibawanya untuk

dipasangkan dengan asam amino pasangannya yang ada pada cetakan

kodon mRNA,dimulai dari start kodon sampai pada kodon stop salah satu

ujungnya.

Daftar Pustaka

Boyer, R. F. 1993. Modern experimental biochemistry. The Benjamin

Clummings Publishing Company, Inc., California

Brock, D. Thomas., Michael, T. M., John, M. M., J. Parker. 1994. Biology

of microorganism. Prentice Hall, New Jersey

Campbell, N.A., J.B. Reece, & L.G. Mitchell. 2002. Biologi 5th ed. Terj.

dari Biology, oleh Lestari, R., E.I.M. Adil, N. Anita, Andi, W.F.

Wibowo & W. Manalu. Erlangga, Jakarta

Campbell, N.A., J. B. Reece & L. G. Mitchell. 2004. Biologi. 5th ed. Terj.

dari BIOLOGY oleh Lestari, R, dkk. Penerbit Erlangga, Jakarta

Mader, S. S. 1993. Biology. Wm. C Brown Publishers, Lowa

Pierce, B. A. 2005. Genetics: A conceptual approach. 2nd ed. W.H.

Freeman & Company, New York

Prawirohartono, slamet. 2007. Biologi. Yogyakarta : Bumi Aksara

Raven, P.H. & G.L. Johnson. 2002. Biology, 6th ed. Mc Graw Hill. New

York

Sadava, D., G. H. Orians, H. C. Heller, & W. K. Purves. 2004. Life: The

science of biology. Sinauer Associates, Inc., Massachussets

Starr, C. & R. Taggart. 1998. Biology: The Unity and Diversity of Life. 8th

ed. Wadsworth Publishing Company, Inc., California

Suryo. 1999. Genetika. Gajah Mada University Press, Yogyakarta

Suryo, H. 2004. Genetika strata 1. 9th ed. Gadjah mada University Press,

Yogyakarta