DNA

Kromosom tersusun dari DNA dan protein. DNA merupakan molekul yang menyimpan informasi genetik (genom). Genom DNA tersusun atas gen gen. Dengan kata lain gen adalah fragmen DNA di dalam kromosom. Ekspresi gen merupakan proses di mana informasi yang dikode di dalam gen diterjemahkan menjadi urutan asam amino selama sintesis protein. Untuk memahami lebih jauh tentang DNA, RNA, dan sintesis protein, Anda dapat menyimak materi yang akan disajikan. Diharapkan Anda dapat mengaitkan hubungan antara DNA, gen dan kromosom.

DNA (deoxyribo nucleic acid) atau asam deoksiribosa nukleat (ADN) merupakan tempat penyimpanan informasi genetik dan merupakan makromolekul polinukleotida yang tersusun atas polimer nukleotida yang berulang-ulang, tersusun rangkap, membentuk DNA heliks ganda (double helix) dan berpilin ke kanan. Setiap nukleotida terdiri dari tiga gugus molekul, yaitu (1) gula 5 karbon (2-deoksiribosa), (2) basa nitrogen yang terdiri dari golongan purin yaitu adenin (A) dan guanin (G), serta golongan pirimidin, yaitu citosin (C) dan timin (T), serta (3) gugus fosfat. 

Baik purin ataupun pirimidin yang berikatan dengan deoksiribosa membentuk suatu molekul yang dinamakan nukleosida atau deoksiribonukleosida yang merupakan prekursor elementer untuk sintesis DNA. Prekursor merupakan suatu unsur awal pembentukan senyawa deoksiribonukleosida yang berikatan dengan gugus fosfat membentuk suatu nukleotida atau deoksiribonukleotida. DNA tersusun dari empat jenis monomer nukleotida. Adenin (A) selalu berpasangan dengan timin (T), dan citosin (C) selalu berpasangan dengan guanin (G) melalui ikatan hidrogen. Adenin dan timin membentuk dua ikatan hidrogen (A = T), sedangkan citosin dan guanin membentuk 3 ikatan hidrogen (C ≡ G).

DNA merupakan makromolekul yang struktur primernya adalah polinukleotida rantai rangkap berpilin. Struktur demikian dapat diibaratkan sebagai sebuah tangga. Anak tangganya adalah susunan basa nitrogen, dengan ikatan A = T dan G ≡ C. Kedua “ibu tangga” atau “tulang punggung tangganya” adalah gula ribosa antara mononukleotida satu dengan lainnya yang berhubungan secara kimia melalui ikatan fosfodiester. DNA heliks ganda yang panjang juga mempunyai suatu polaritas. Polaritas tersebut dikarenakan salah satu ujung rantai DNA merupakan gugus fosfat dengan rantai karbon 5’ – deoksiribosa pada ujung terminal nukleotidanya. Kemudian ujung rantai DNA lain merupakan gugus demikian, rantai polinukleotida merupakan suatu polaritas atau bidireksionalitas polinukleotida 3’ -------- 5’, dan 5’ -------- 3’. Polaritas heliks ganda berlawanan orientasi satu sama lain. Kedua rantai polinukleotida DNA yang membentuk heliks ganda berjajar secara antipararel. Jika digambarkan sebagai berikut: 

5’ – ATTGTCGAGG – 3’

3’ – TAACAGSTCC – 5’

Replikasi adalah peristiwa sintesis DNA. Replikasi DNA dapat terjadi dengan adanya sintesis rantai nukleotida baru dari rantai nukleotida lama. Prosesnya dengan menggunakan komplementasi pasangan basa untuk menghasilkan suatu molekul DNA baru yang sama dengan molekul DNA  lama. Kemungkinan terjadinya replikasi dapat melalui tiga model yaitu: model konservatif, semikonservatif, dan dipersif. 

Model konservatif, yaitu dua rantai DNA lama tetap tidak berubah, berfungsi sebagai cetakan untuk dua rantai DNA baru. Model semikonservatif, yaitu dua rantai DNA lama terpisah dan rantai baru di sintesis dengna prinsip komplementasi pada masing-masing satu rantai DNA lama tersebut. Akhirnya dihasilkan dua rantai DNA baru yang masing-masing mengandung satu rantai cetakan molekul DNA lama dan satu rantai baru hasil sintesis. Dan Model ketiga disebut sebagai model dispersif, yaitu beberapa bagian dari kedua rantai DNA lama digunakan sebagai cetakan untuk sintesis rantai DNA baru. Oleh karena itu, hasil akhirnya diperoleh rantai DNA lama dan baru yang tersebar pada rantai DNA lama dan baru.

RNA (ribonucleic acid) atau asam ribonukleat (ARN) merupakan makromolekul yang berfungsi sebagai penyimpan dan penyalur informasi. RNA merupakan rantai tunggal polinukleotida. Setiap ribonukleotida terdiri dari tiga gugus molekul, yaitu (1) gula 5 karbon (ribosa), (2) basa nitrogen yang terdiri dari golongan purin, yang sama dengan DNA, namun dengan golongan pirimidin yang berbeda yaitu citosin dan urasil, serta (3) gugus fosfat.

 Purin dan pirimidin yang berikatan dengan ribosa membentuk suatu molekul yang dinamakan nukleosida atau ribonukleosida, yang merupakan prekursor dasar untuk sintesis DNA. Ribonukleosida yang berikatan dengan gugus fosfat membentuk suatu nukleotida atau ribonukleotida. RNA tersusun atas empat jenis monomer nukleotida, seperti tampak pada gambar. 

Struktur RNA

RNA merupakan hasil transkripsi dari suatu fragmen DNA, sehingga RNA merupakan polimer yang lebih pendek dibanding DNA. 

Tipe RNA RNA terdiri dari tiga tipe, yaitu mRNA (messenger RNA) atau ARNd (ARN duta), tRNA (transfer RNA) atau ARNt (ARN transfer), dan rRNA (ribosomal RNA) atau ARNr (RNA ribosomal). 

 mRNA atau ARNd merupakan RNA yang urutan basanya komplementer (berpasangan) dengan salah satu urutan basa rantai DNA. mRNA membawa pesan atau kode genetik (kodon) dari kromosom (di dalam inti sel) ke ribosom (di sitoplasma). Kode genetik cetakan untuk menentukan spesifitas polipeptida. mRNA berupa rantai tunggal yang relatif panjang. 

rRNA atau ARNr merupakan komponen struktural yang utama di dalam ribosom. rRNA merupakan sebagian total massa ribosom pada prokariot maupun eukariot. Setiap sub unit ribosom terdiri dari 30 – 46% molekul RNAr dan 70 – 80% protein. 

tRNA atau ARNt merupakan salah satu tipe molekul RNA yang membawa asam amino satu per satu ke ribosom yang spesiifitasnya ditentukan oleh mRNA. 

Tiap tRNA mengandung suatu sekuen dengan tiga rangkaian basa pendek (antikodon). Semua ujung 3’ tRNA mengandung sekuen SSA yang terletak berseberangan dengan sekuen antikodon (lihat gambar). Suatu asam amino tertentu akan melekat pada ujung 3 tRNA. Pelekatan ini merupakan cara berfungsinya tRNA, yaitu membawa asam amino spesifik yang nantinya berguna dalam sintesis protein, yaitu pengurutan asam amino sesuai urutan kodon pada mRNA. 

Kode Genetik

Kode genetik merupakan cara pengkodean urutan nukleotida pada DNA atau RNA untuk menentukan urutan asam amino pada saat sintesis protein. Para ahli biologi menyepakati kode genetik tersusun atas tiga basa nukleotida (Triplet) misalnya AGT, GAS, SGS, dan sebagainya. Dari kombinasi basa-basa nukleotida tersebut akan menghasilkan 64 (43) macam asam amino. Jumlah asam amino ini melebihi jumlah 20 macam asam amino, sehingga didapatkan suatu “kelimpahan” dalam kode genetika, di mana terdapat lebih dari satu triplet memberi kode bagi suatu asam amino tertentu. Istilah yang diberikan oleh para ahli genetika pada kelimpahan semacam ini adalah degenerasi atau mengalami redundansi.  

Perhatikan bahwa kode itu mengandung U dan bukan T dalam susunan suatu triplet. Ini disebabkan oleh fakta triplet-triplet yang dibawa oleh molekul-molekul mRNA sebagai komponen-komponen kode genetika dan bukan sebagai rangkaian dalam DNA sendiri. Hal ini didapatkan dari penelitian terhadap mRNA yang menghasilkan pemecahan kode. Tiap triplet yang mewakili informasi bagi suatu asam amino tertentu dinyatakan sebagai kodon.

 Kode genetik bersifat degeneratif dikarenakan 18 dari 20 macam asam amino ditentukan oleh lebih dari satu kodon, yang disebut kodon sinonimus. Hanya metionin dan triptofan yang mempunyai kodon tunggal. Kodon sinonimus mempunyai perbedaan pada urutan basa ketiga.

Sintesis Protein

Ekspresi gen merupakan proses di mana informasi yang dikode di dalam gen diterjemahkan menjadi urutan asam amino selama sintesis protein. Selama ekspresi gen, informasi genetik ditransfer secara akurat dari DNA melalui RNA untuk menghasilkan polipeptida dari urutan asam amino yang spesifik. Ekspresi gen berupa sintesis protein mencakup proses dua tahap yaitu Transkripsi dan Translasi. 

A.      Transkripsi 

Transkripsi merupakan sintesis RNA dari salah satu rantai DNA, yaitu rantai cetakan atau sense, sedangkan rantai komplemennya disebut rantai antisense. Rentangan DNA yang ditranskripsi menjadi molekul RNA disebut unit transkripsi. Informasi dari DNA untuk sintesis protein dibawa oleh mRNA. RNA dihasilkan dari aktifitas enzim RNA polimerase. Enzim polimerasi membuka pilinan kedua rantai DNA hingga terpisah dan merangkaikan nukleotida RNA. Enzim RNA polimerase merangkai nukleotida-nukleotida RNA dari arah 5’ ? 3’, saat terjadi perpasangan basa di sepanjang cetakan DNA. Urutan nukleotida spesifik di sepanjang cetakan DNA. Urutan nukleotida spesifik di sepanjang DNA menandai dimana transkripsi suatu gen dimulai dan diakhiri. 

Transkripsi terdiri dari 3 tahap yaitu: inisiasi (permulaan), elongasi (pemanjangan), terminasi (pengakhiran) rantai mRNA. 

1. Inisiasi

Daerah DNA di mana RNA polimerase melekat dan mengawali transkripsi disebut sebagai promoter. Suatu promoter menentukan di mana transkripsi dimulai, juga menentukan yang mana dari kedua untai heliks DNA yang digunakan sebagai cetakan. 

2. Elongasi 

Saat RNA bergerak di sepanjang DNA, RNA membuka pilinan heliks ganda DNA, sehingga terbentuklah molekul RNA yang akan lepas dari cetakan DNA-nya. 

3. Terminasi

Transkripsi berlangsung sampai RNA polimerase mentranskripsi urutan DNA yang disebut terminator. Terminator yang ditranskripsi merupakan suatu urutan RNA yang berfungsi sebagai sinyal terminasi yang sesungguhnya. Pada sel prokariotik, transkripsi biasanya berhenti tepat pada akhir sinyal terminasi; yaitu, polimerase mencapai titik terminasi sambil melepas RNA dan DNA. Sebaliknya, pada sel eukariotik polimerase terus melewati sinyal terminasi, suatu urutan AAUAAA di dalam mRNA. Pada titik yang lebih jauh kira-kira 10 hingga 35 nukleotida, mRNA ini dipotong hingga terlepas dari enzim tersebut. 

B. Translasi 

Dalam proses translasi, sel menginterpretasikan suatu pesan genetik dan membentuk protein yang sesuai. Pesan tersebut berupa serangkaian kodon di sepanjang molekul mRNA, interpreternya adalah RNA transfer. Setiap tipe molekul tRNA menghubungkan kodon tRNA tertentu dengan asam amino tertentu. Ketika tiba di ribosom, molekul tRNA membawa asam amino spesifik pada salah satu ujungnya. Pada ujung lainnya terdapat triplet nukleotida yang disebut antikodon, yang berdasarkan aturan pemasangan basa, mengikatkan diri pada kodon komplementer di mRNA. tRNA mentransfer asam amino-asam amino dari sitoplasma ke ribosom.  

Asosiasi kodon dan antikodon harus didahului oleh pelekatan yang benar antara tRNA dengan asam amino. tRNA yang mengikatkan diri pada kodon mRNA yang menentukan asam amino tertentu, harus membawa hanya asam amino tersebut ke ribosom. Tiap asam amino digabungkan dengan tRNA yang sesuai oleh suatu enzim spesifik yang disebut aminoasil-ARNt sintetase (aminoacyl-tRNA synthetase).

Ribosom memudahkan pelekatan yang spesifik antara antikodon tRNA dengan kodon mRNA selama sintesis protein. Sub unit ribosom dibangun oleh protein-protein dan molekul-molekul RNA yang disebut RNA ribosomal.

Translasi menjadi tiga tahap (sama seperti pada transkripsi) yaitu inisiasi, elongasi, dan terminasi. Semua tahapan ini memerlukan faktor-faktor protein yang membantu mRNA, tRNA, dan ribosom selama proses translasi. Inisiasi dan elongasi rantai polipeptida juga membutuhkan sejumlah energi. Energi ini disediakan oleh GTP (guanosin triphosphat), suatu molekul yang mirip dengan ATP. 

1. Inisiasi

Tahap inisiasi dari translasi terjadi dengan adanya mRNA, sebuah tRNA yang memuat asam amino pertama dari polipeptida, dan dua sub unit ribosom. Pertama, sub unit ribosom kecil mengikatkan diri pada mRNA dan tRNA inisiator khusus (lihat gambar). Sub unit ribosom kecil melekat pada tempat tertentu di ujung 5` dari mRNA. Pada arah ke bawah dari tempat pelekatan ribosom sub unit kecil pada mRNA terdapat kodon inisiasi AUG, yang membawa asam amino metionin, melekat pada kodon inisiasi. 

2. Elongasi

Pada tahap elongasi dari translasi, asam amino – asam amino ditambahkan satu per satu pada asam amino pertama (metionin). Lihat Gambar. Kodon mRNA pada ribosom membentuk ikatan hidrogen dengan antikodon molekul tRNA yang baru masuk yang membawa asam amino yang tepat. Molekul rRNA dari sub unit ribosom besar berfungsi sebagai enzim, yaitu mengkatalisis pembentukan ikatan peptida yang menggabungkan polipeptida yang memanjang ke asam amino yang baru tiba. 

3. Terminasi

Tahap akhir translasi adalah terminasi (gambar). Elongasi berlanjut hingga kodon stop mencapai ribosom. Triplet basa kodon stop adalah UAA, UAG, dan UGA. Kodon stop tidak mengkode suatu asam amino melainkan bertindak sebagai sinyal untuk menghentikan translasi