DASAR MOLEKULER PENURUNAN SIFAT

BAB 16

DASAR MOLEKULER PENURUNAN SIFAT

DNA merupakan molekul paling terkenal saat ini, sebab molekul ini merupakan substansi penurunan sifat.

1.        Usaha Pencarian Materi Genetik Mengarah Pada DNA

Begitu kelompok T. H. Morgan menunjukan bahwa gen berada dalam kromosom, kedua komponen kimiawi kromosom DNA dan protein menjadi kandidat- kandidat materi genetic tersebut. Sampai tahun 1940-an, dugaan bahwa protein adalah materi genetic tersebut semakin kuat, terutama karena para ahli biokimia telah mengidetifikasikan protein sebagai satu kelas makro molekul dengan heterogenitas dan spesifitas fungsi yang besar, persyaratan wajib heredeter.

Bukti Bahwa DNA Dapat Mentransformasi Bakteri

Kita dapat merunut penemuan peran genetic DNA ini hingga ke tahun 1928. Frederick Griffith, seorang petugas kesehatan asal Inggris, sedang mempelajari Streptococcus pneumoniae, suatu bakteri yang menyebabkan penyakit pneumonia pada mamalia. Griffith memiliki dua strain (varietas) dari bakteri tersebut satunya patogenik (menyebabkan penyakit) dan yang lainnya tidak berbahaya. Ia menemukan bahwa ketika tersebut dengan bakteri hidup dari strain yang tidak berbahaya, beberapa dari sel hidup tersebut berubah menjadi patogenik. Griffith menyebut fenomena inni transformasi, sekarang didefinisikan sebagai perubahan genotype dan fenotipe yang disebabkan oleh anismasi DNA eksternal oleh suatu sel. Penggunaan kata transformasi di sini jangan dikacaukan dengan konversi atau perubahan sel hewan menjadi sel kanker.

Penelitian Griffith ini menjadi titik awal bagi sebuah penelitian untuk mencari identitas substansi pentransformasi yang dilakukan oleh ahli bakteriologi Amerika Oswald Avery. Ia memurnikan berbagai macam zat kimia. Hanya DNA yang mampu melakukannya. Akhirnya, pada tahun 1944, Avery dan koleganya Maclyn McCarty dan Colin MacLeod mengumumkan bahwa agen pentransformasi tersebut adalah DNA. Penemuan mereka disambut dengan banyak keraguan, karena masih melekat bahwa protein adalah kandidat yang lebih baik sebagai materi genetic. Tetapi alas an utama kerafuan tersebut adalah fakta bahwa begitu sedikit yang diketahui tentag DNA. Tidak ada yang dapat membayangkan bagaimana DNA dapat membawa informasi genetic.

Bukti Bahwa DNA Virus Dapat Memprogram Sel

Bukti tambahan bahwa DNA meruakan materi genetic datang dari studi- studi mengenai virus yang mengifeksi bakteri. Virus jauh lebih sederhana daripada sel. Suatu virus tidak lebih dari DNA (atau daripada RNA) yang diselubungi oleh suatu lapisan pelindung yang terbuat dari protein. Untuk bereproduksi, suatu virus harus menginfeksi sebuah sel dan mengambil alih perangkat metabolism sel itu.

Virus yang menginfeksi bakteri digunakan secara luas sebagai alat penelitian dalam genetika molekuler. Virus ini dinamakan bakteriofaga. Alfred Hershey dan Martha Chase menemukan bahwa DNA merupakan materi genetic dari suatu faga yang dikenal sebagai T2. Salah satu dari banyak faga yang menginfeksi bakteri E. Coli, yang umumnya hidup di dalam usus mamalia. Ahli biologi telah mengetahui bahwa T2, hamper seluruhnya terdiri dari DNA dan protein. Mereka juga sudah tahu bahwa faga ini dapat dengan cepat mengubah E. Coli menjadi pabrik pembuat T2 yang melepas faga- faga ketika sel itu pecah. Tetapi komponen virus mana protein atau DNA yag bertanggung jawab? Hershey dan Chase menjawab pertanyaan ini dengan melakukan sebuah percobaan yang menunjukan bahwa haya satu dari kedua komponen T2 yang benar- benar masuk ke dalam E. Coli selama infeksi.

Hershey dan Chase menemukan bahwa ketika bakteri- bakteri ii telah terinfeksi dengan faga T2 yang mengandung protein- protein berlabel radioaktif, sebagian besar radioaktivitasnya ditemukan di dalam supernatant, yang mengandung partikel- partikel virus (tetapi bukan bakteri). Hasil ini menunjukan bahwa protein faga ini tidak memasuki sel inang. Hershey dan Chase menyimpulkan bahwa DNA dari virus ini masuk ke dalam sel inang, sementara sebagian besar protein tetap berada di luar.

Bukti Tambahan Bahwa DNA Adalah Materi Genetik Sel

Bukti- bukti tambahan tak langsung menunjukan bahwa DNA merupakan materi genetic pada eukariota. Sebelum mengalai mitosis, sel eukariotik dengan teat menggandakan kandungan DNA-nya, dan selama mitoseis, DNA ini akan terdistribusi tepat sama ke kedua sel anaknya. Selain itu, kromosom diploid mempunyai DNA dua kali lebih banyak dari pada kromosom haploid yang ditemukan di dalam gamet- gamet organism yang sama.

Bukti Tambahan Bahwa DNA Adalah Materi Genetik Sel

Bukti- bukti tambahan tak langsung menunjukan bahwa DNA merupakan materi genetic pada eukariota. Sebelum mengalami mitosis, sel eukariotik dengan tepat menggandakan kandungan DNA-nya, dan selama mitosis, DNA ini akan terdistribusi tepat sama ke kedua sel anaknya. Selain itu, kromosom diploid mempunyai DNA dua kali lebih banyak dari pada kromosom haploid yang ditemukan di dalam gamet- gamet organism yang sama.

Bukti tambahan lain datang dari laboratorium ahli biokimia Erwin Chargaff. Sebelumnya sudag diketahui bahwa DNA merupakan suatu polimer yang terdiri dari nukleotida, setiap nukleotida terdiri dari tiga komponen; satu basa nitrogen; satu gula pentose yag disebut deoksiribosa, dan satu gugus fosfat. Chargaff menganalisis komposisi basa DA dari sejumlah organism yang berbeda. Pada tahun 1947, ia melaporkan bahwa komposisi DNA berbeda- beda antara satu spesies dengan spesies lainnya.

Watson dan Crick Menemukan Heliks Ganda Dengan Cara Membuat Model- Model yang Sesuai dengan Data Sinar – X

Pada saat sebagian besar ahli biologi yakin bahwa DNA merupakan materi genetic, terjadi perlombaan untuk menentukan bagaimana struktur DNA dapat menjelaskan peran DNA dalam penurunan sifat. Di awal tahun 1950-an, susunan ikatan- ikatan kovalen dalam suatu polimer asam nukleat sudah diketahui dengan pasti, dan kompetisi ini di fokuskan dalam usaha menemukan struktur tiga dimensi DNA.

James Watson yang berkebangsaan Amerika dan Francis Crick yang berkebangsaan Inggris. Kerjasama singkat tap terkenal yang telah memecahkan teka- teki DNA ini dimulai tidak lama setelah Watson muda berkunjung ke Univerisitas Cambridge, di mana Crick sedang mempelajari struktur protein dengan teknik yang disebut kristalografi sinar – X. foto- foto yang dihasilkan dengan metode kristalografi sinar-X sebenarnya bukanlah gambar molekul. Bintik- bintik dan bercak- bercak dalam dihasilkan oleh sinar-X yang berdifraksi pada saat melintas melewati DNA. Watson dan Crick membuat model DNA mereka berdasarkan data yang didapay dari foro difraksi sinar-X milik Franklin. Mereka menginterprestasikan pola bintik pada foto sinar-X tersebut untuk menunjukan bahwa bentuk DNA ini adalah heliks. Berdasarkan ingatan Watson tentang foto tersebut, ia dan Crick menyimpulkan bahwa heliks tersebut mempunyai lebar yang seragam, 2 nanometer (nm), dengan basa- basa nitrogennya menupuk dengan jarak pemisah 0,34nm. Lebar dari heliks menunjukan bahwa eliks ini terdiri dari dua untai, berbeda dengan model tiga untai yang diajukan oleh Linus Pauling. Keberadaan dua rantai tersebut menjelaskan istilah yang dewasa ini sudah biasa kita denar, heliks ganda.

Setelah gagal membuat model yang memuaskan yang menempatkan rantai gula- fosfat di bagian dalam dalam molekul, Watson mencoba menempatkan rantai- rantai ini di bagian luar dan memaksa basa- basa nitrogen meliuk- liuk menuju bagian dalam heliks ganda.

Data sinar-X franklin mengindikasikan bahwa heliks membentuk satu putaran penuh setiap 3,4nm panjang heliks. Karena basa0 basa tersebut tertumpuk hanya dengan jarak pemisah 0,34nm, maka akan terdapat 10 lapis pasangan basa, atau anak tangga pada tangga untuk setiap putaran heliks.

Basa- basa nitrogen heliks ganda ini berpasangan dalam kombinasi yang spesifik: adenine (A) dengan timin (T), dan guanine (G) dengan sitosin (C). Watson dan Crick menemukan unsure penting DNA ini terutama dengan proses trial and error.

Watson dan Crick beralasan bahwa pasti ada kekhususan tambahan lain mengenai pemasangan yang ditentukan oleh struktur basa- basa itu. Setiap basa memiliki gugus- gugus samping kimiawi yang dapat membentuk ikatan hydrogen dengan pasangannya yang sesuai: Adenin dapat membentuk tiga ikatan hydrogen dengan timin dan hanya dengan timin; Guanin membentuk tiga ikatan dengan sitosin dan hanya dengan sitosin. Notasi pendeknya, A berpasangan dengan T, dan G berpasangan dengan C.

Model Watson- Crick ini menjelaskan aturan- aturan Chargaff. Di mana saja satu untai molekul DNA memiliki sebuah A, untaian pasangannya pasti mempunyai sebuah T. Dan sebuah G pada satu untai selalu berpasangan dengan sebuah C pada untai komplementernya.

Pada bukan April 1953, Watson dan Crick menyentak kalangan ilmiah sedunia dengan suatu artikel. Artikel tersebut melaporkan model molekuler mereka untuk DNA: heliks ganda, yang sejak itu menjadi symbol biologi molekuler. Keindahan model tersebut adalah strukturnya mekanisme replikasi DNA.

2.        Replikasi dan Perbaikan DNA

Hubungan antara struktur dan fungsi, satu dari tema biologi, hadir dalam wujud heliks ganda. Ide bahwa terdapat pemasangan yang spesifik antar basa- basa nitrogen menjadi cahaya inspirasi yang menuntun Watson dan Crick dalam menemukan heliks ganda yang benar.

Perhatikan bahwa jika anda menutup salah satu dari kedua untai DNA dengan kertas selembar, tetap dapat menentukan urutan basa nitrogen dengan melihat untaian yang tidak bisa tertutup dan menggunaka aturan- aturan pemasangan basa. Kedua untaian bersifat komplementer; setiap untai menyimpan informasi yang diperlukan untuk menyusun kembali pasangan untaian lainnya. Ketika sebuah sel menyalin satu molekul DNA, setiap untai berfungsi sebagai pola cetakan untuk menyusun nekleotida- nukleotida menjadi satu untaian komplementer yang baru. Sekali waktu, nukleotida- nukleotida ini berjejer di sepanjang untai pola cetakan berdasarkan aturan pemasangan basa. Kemudia berikatan membentuk untaian baru. Di tempat yang sebelumnya hanya ada satu molekul DNA untai ganda pada awal proses, sekarang ada dua, setiap untai merupakan replica molekul aduknya. Mekanisme penyalinan tersebut analog dengan penggunaan negative foto untuk membuat gambar positif, yang kemudian dapat digunakan kembali untuk membuat negative lainya, demikian seterusnya.

Model repluukasi DNA ini tetap belum diuji. Dalam kosepnya, eksperimen yang harus dilakukan sederhana, tetapi sulit dilakukan. Model DNA Watson dan Crick memprediksi bahwa ketika suatu helis ganda bereplikasi, masing- masing dari kedua molekul anaknya akan mempunyai satu untai yang lama, berasal dari molekul induk, dan satu untai yang baru. Model replikasi yang konservatif ini dapat dibedakan dari model replikasi yang konservatif, dimana molekul induk tetap utuh dan molekul yang baru seluruhnya terbentuk dari awal. Di akhir tahun 1950-an, Mathew Meselson dan Franklin Sthal melakukan percobaan untuk mennguji ketiga alternative hipotesis replikasi DNA tersebut. Hasil percobaan mereka ternyata mendukung model semikonservasi, seperti yang telah diprediksi oleh Watson dan Crick

3.        Selama Replikasi DNA, Pemasangan Basa Memungkinkan Untai DNA yang Ada Bertindak Sebagai Cetakan Untuk Untai Komplementer yang Baru

Bakteri E. Coli dapat menyalin seluruh DNA ini dan membelah diri membentuk dua sel anak yang sama persis secara genetic dalam waktu kurang dari satu jam. Replikasi informasi genetic dalam jumlah yang sangat besar itu tercapai dengan sangat sedikit kesalah hanya sekitar satu kesalahan per miliar nukleotida.

Permulaan: Pangkal Replikasi

Replikasi molekul DNA dimulai pada tempat- tempat khusus yang disebut pangkal replikasi. Kromosom bakteri, yang berbentuk melingkar, mempunyai satu pangkal, yaitu satu bagian DNA yang mempunyai urutan nekleotida yang sesifik. Protein yang mempunyai urutan replikasi DNA mengenali urutan ini dan menempel pada DNA, memisahkan kedua untai urutan ini dan membuka sebuah “gelembung” replikasi. Replikasi DNA kemudian berjalan dalam dua arah sampai seluruh molekul tersebut disalin. Berbeda dengan kromosom bakteri, setiap kromosom eukariotik mempunyai ratusan atau ribuan pangkal replikasi. Gelembung- gelembung relikasi terbentuk dan akhirnya menyatu, sehingga mempercepat penyalinan molekul DNA yang sangat panjang ini.

Pemanjangan Unit Rantai DNA

Pemanjangan DNA baru pada cabang replikasi dikatalisis oleh enzim- enzim yang disebut DNA polymerase. Saat nukleotida- nukleotida berjejer dengan basa- basa komplementer sepanjang untaian pola cetakan DNA nukleotida- nukleotida ini ditamabahkan oleh polimarase, satu demi satu, ke ujung yang baru tumbuh dari untai DNA yang baru. Laju pemanjangannya kurang lebih 500 nukleotida per detik pada bakteri dan 50 per detik pada manusia.

Apakah sumber energy yang menggerakan poli merisasi nukleotida menjadi untai DNA baru? Nukleotida- nukleotida yang menjadi substrat untuk untai DNA polymerase sebenarnya adalah nukleosida trifosfat, yaitu nukleotida- nukleotida dengan tiga gugus fosfat.

Permasalahan Untai DNA Antipralel

Masih ada lagi mengenai skenarrio sintesis DNA pada cabang replikasi. Sampai saat ini, kami telah mengabaikan satu unsur penting heliks ganda: kedua untai DNA-nya adalah antiparalel; artinya, tulang belakang gula fosfat mereka bergerak kearah yang berlawanan.

Untuk memanjangkan untai baru DNA yang lain, polymerase harus bekerja di sepanjang cetakan jauh dari cabang replikasi. Untai DNA yang disintesis dalam arah ini disebut lagging strand. Prosesnya analog dengan metode menjahit yang di sebut stik balik.

Memprimerkan Sintesis DNA

Terdapat suatu batasan penting lainnya untuk DNA polymerase. Polymerase ini dapat menambahkan suatu nikleotida hanya kepada satu polinukleotida yang sudah ada yang telah berpasangan dengan untai komplementer.

Protein Lain yang Dapat Membantu Replikasi DNA

Tiga jenis protein yang berfungsi dala sintetis DNA adakah DNA polymerase, DNA ligase, DNA primase.  Terdapat jenis protein lainhnya sejenis enzim dua diantaranya hilakse dan protein pengikat untai tuggal.

4.        Enzim Mengoreksi DNA Selama Replikasinya dan Memperbaiki Kerusakan Pada DNA yang Ada

Meskipun kesalahan dalam molekul DNA yang sudah sempurna hanya satu dalam satu milyar nukleotida tetap terjadi perbaikan. Salah satu pebaikan DNA dengan diisi oleh enzim. Enzim yang terlibat dalam pengisian celah ini adalah DNA polymerase dan DNA ligase. Perbaikan DNA tipe ini disebut dengan perbaikan eksisi. Salah satu fungsi enzim perbaikan DNA pada sel kulit kita adalah memperbaiki kerusakan genetic yang disebabkan oleh sinar ultraviolet.

5.        Ujung- Ujung Molekul DNA Menimbulkan Satu Masalah Khusus

Sebagia besar proses perbaikan DNA melibatkan DNA polymerase, tetapi enzim ini tidak mampu memperbaiki “cacat yang diakibatkan oleh keterbatasan mereka sendiri”. Ujung- ujung molekul DNA linear dari kromosom- kromosom eukariotik, disebut telomere, memendek pada setiap replikasi. Enzim telomerase, terdapat di dalam sel tertentu, dapat memperpanjang kembali ujung- ujung ini.