DNA: SEJARAH, FUNGSI, STRUKTUR, KOMPONEN - BIOLOGI - 2025

The DNA (asam deoksiribonukleat) adalah biomolekul yang berisi semua informasi yang diperlukan untuk menghasilkan tubuh dan mempertahankan operasinya. Itu terdiri dari unit yang disebut nukleotida, terdiri dari gugus fosfat, molekul gula lima karbon, dan basa nitrogen.

Ada empat basa nitrogen: adenin (A), sitosin (C), guanin (G), dan timin (T). Adenin selalu berpasangan dengan timin dan guanin dengan sitosin. Pesan yang terkandung dalam untai DNA diubah menjadi RNA pembawa pesan dan ini berpartisipasi dalam sintesis protein.

DNA adalah molekul yang sangat stabil, bermuatan negatif pada pH fisiologis, yang berasosiasi dengan protein positif (histon) untuk memadatkan secara efisien dalam inti sel eukariotik. Rantai panjang DNA, bersama dengan berbagai protein terkait, membentuk kromosom.

Sejarah

Pada tahun 1953, James Watson dari Amerika dan Francis Crick dari Inggris berhasil menjelaskan struktur tiga dimensi DNA, berkat kerja kristalografi yang dilakukan oleh Rosalind Franklin dan Maurice Wilkins. Mereka juga mendasarkan kesimpulan mereka pada karya penulis lain.

Ketika DNA terpapar sinar-X, pola difraksi terbentuk yang dapat digunakan untuk menyimpulkan struktur molekul: heliks dari dua rantai antiparalel yang berputar ke kanan, di mana kedua rantai disambungkan oleh ikatan hidrogen antar basa. . Pola yang diperoleh adalah sebagai berikut:

Strukturnya dapat diasumsikan mengikuti hukum difraksi Bragg: ketika sebuah benda ditempatkan di tengah berkas sinar-X, ia akan dipantulkan, karena elektron dari benda tersebut berinteraksi dengan berkas tersebut.

Pada tanggal 25 April 1953, hasil Watson and Crick diterbitkan dalam jurnal bergengsi Nature, dalam sebuah artikel yang hanya terdiri dari dua halaman berjudul "Struktur molekul asam nukleat", yang akan merevolusi sepenuhnya bidang biologi.

Berkat penemuan ini, para peneliti menerima Penghargaan Nobel untuk pengobatan pada tahun 1962, kecuali Franklin yang meninggal sebelum melahirkan. Saat ini, penemuan ini merupakan salah satu pelopor keberhasilan metode ilmiah untuk memperoleh pengetahuan baru.

Komponen

Molekul DNA terdiri dari nukleotida, unit yang terdiri dari gula lima karbon yang terikat pada gugus fosfat dan basa nitrogen. Jenis gula yang ditemukan dalam DNA adalah jenis deoksiribosa dan karenanya disebut asam deoksiribonukleat.

Untuk membentuk rantai, nukleotida dihubungkan secara kovalen oleh ikatan jenis fosfodiester melalui gugus 3'-hidroksil (-OH) dari gula dan 5'-fosfafo dari nukleotida berikutnya.

Nukleotida tidak sama dengan nukleosida. Yang terakhir mengacu pada bagian nukleotida yang dibentuk hanya oleh pentosa (gula) dan basa nitrogen.

DNA terdiri dari empat jenis basa nitrogen: adenin (A), sitosin (C), guanin (G) dan timin (T).

Basa nitrogen diklasifikasikan menjadi dua kategori: purin dan pirimidin. Kelompok pertama terdiri dari cincin lima atom yang menempel pada cincin enam lainnya, sedangkan pirimidin hanya terdiri dari satu cincin.

Dari basa yang disebutkan, adenin dan guanin merupakan turunan dari purin. Sebaliknya, timin, sitosin, dan urasil (hadir dalam molekul RNA) termasuk dalam kelompok pirimidin.

Struktur

Molekul DNA terdiri dari dua rantai nukleotida. "Rantai" ini dikenal sebagai untai DNA.

Kedua untai dihubungkan oleh ikatan hidrogen antara basa komplementer. Basa nitrogen secara kovalen terkait dengan tulang punggung gula dan fosfat.

Setiap nukleotida yang terletak pada satu untai dapat digabungkan dengan nukleotida spesifik lainnya di untai lainnya, untuk membentuk heliks ganda yang diketahui. Untuk membentuk struktur yang efisien, A selalu berpasangan dengan T melalui dua ikatan hidrogen, dan G dengan C melalui tiga ikatan.

Hukum Chargaff

Jika kita mempelajari proporsi basa nitrogen dalam DNA, kita akan menemukan bahwa jumlah A identik dengan jumlah T dan sama dengan G dan C. Pola ini dikenal dengan hukum Chargaff.

Pasangan ini menguntungkan secara energetik, karena memungkinkan untuk mempertahankan lebar yang sama di sepanjang struktur, menjaga jarak yang sama di sepanjang molekul tulang punggung gula-fosfat. Perhatikan bahwa alas pasangan cincin dengan salah satu cincin.

Model heliks ganda

Disarankan bahwa heliks ganda terdiri dari 10,4 nukleotida per putaran, dipisahkan oleh jarak pusat ke pusat 3,4 nanometer. Proses penggulungan memunculkan pembentukan alur dalam struktur, mampu mengamati alur yang lebih besar dan lebih kecil.

Alur muncul karena ikatan glikosidik pada pasangan basa tidak berlawanan satu sama lain, sehubungan dengan diameternya. Pirimidin O-2 dan purin N-3 ditemukan pada alur minor, sedangkan alur mayor terletak pada daerah yang berlawanan.

Jika kita menggunakan analogi tangga, anak tangga terdiri dari pasangan basa yang saling melengkapi satu sama lain, sedangkan kerangka sesuai dengan dua pegangan tangan.

Ujung molekul DNA tidak sama, itulah mengapa kita berbicara tentang "polaritas". Salah satu ujungnya, 3 ', membawa gugus -OH, sedangkan ujung 5' memiliki gugus fosfat bebas.

Kedua untai terletak secara antiparalel, yang berarti bahwa mereka terletak berlawanan sehubungan dengan polaritasnya, sebagai berikut:

Selain itu urutan salah satu untai harus saling melengkapi, jika posisinya ada A, pada untai antiparalel harus ada T.

Organisasi

Dalam setiap sel manusia terdapat kurang lebih dua meter DNA yang harus dikemas secara efisien.

Untai harus dipadatkan agar dapat terkandung dalam inti mikroskopis berdiameter 6 μm yang hanya menempati 10% dari volume sel. Ini dimungkinkan berkat tingkat pemadatan berikut:

Histones

Pada eukariota terdapat protein yang disebut histon, yang memiliki kemampuan untuk mengikat molekul DNA, menjadi tingkat pemadatan pertama untai. Histon memiliki muatan positif untuk dapat berinteraksi dengan muatan negatif DNA, yang disediakan oleh fosfat.

Histon adalah protein yang sangat penting bagi organisme eukariotik sehingga praktis tidak berubah selama evolusi - mengingat bahwa tingkat mutasi yang rendah menunjukkan bahwa tekanan selektif pada molekul itu kuat. Cacat pada histon dapat menyebabkan pemadatan DNA yang rusak.

Histon dapat dimodifikasi secara biokimia dan proses ini mengubah tingkat pemadatan materi genetik.

Ketika histon "hipoasetilasi" kromatin lebih terkondensasi, karena bentuk asetat menetralkan muatan positif lisin (asam amino bermuatan positif) dalam protein.

Nukleosom dan serat 30 nm

Untai DNA terbelit menjadi histon dan membentuk struktur yang menyerupai manik-manik pada kalung mutiara, yang disebut nukleosom. Inti dari struktur ini adalah dua salinan dari setiap jenis histon: H2A, H2B, H3, dan H4. Penyatuan berbagai histon disebut "histone octamer".

Oktamer dikelilingi oleh sekitar 146 pasangan basa, berputar kurang dari dua kali. Sebuah sel diploid manusia mengandung sekitar 6,4 x 10 ⁹ nukleotida yang diatur dalam 30 juta nukleosom.

Organisasi menjadi nukleosom memungkinkan DNA dipadatkan menjadi lebih dari sepertiga panjang aslinya.

Dalam proses ekstraksi materi genetik dalam kondisi fisiologis diamati bahwa nukleosom tersusun dalam serat berukuran 30 nanometer.

Kromosom

Kromosom adalah unit fungsional keturunan, yang fungsinya membawa gen-gen seseorang. Gen adalah segmen DNA yang berisi informasi untuk mensintesis protein (atau rangkaian protein). Namun, ada juga gen yang mengkode elemen pengatur, seperti RNA.

Semua sel manusia (dengan pengecualian gamet dan sel darah) memiliki dua salinan untuk setiap kromosom, satu diwarisi dari ayah dan satu lagi dari ibu.

Kromosom adalah struktur yang terdiri dari potongan DNA linier panjang yang terkait dengan kompleks protein yang disebutkan di atas. Biasanya pada eukariota, semua materi genetik yang termasuk dalam nukleus terbagi menjadi serangkaian kromosom.

Organisasi dalam prokariota

Prokariota adalah organisme yang tidak memiliki inti. Pada spesies ini, materi genetik sangat melingkar bersama dengan protein alkali dengan berat molekul rendah. Dengan cara ini, DNA dipadatkan dan terletak di daerah pusat bakteri.

Beberapa penulis sering menyebut struktur ini sebagai "kromosom bakteri", meskipun tidak memiliki karakteristik yang sama dengan kromosom eukariotik.

Kuantitas DNA

Tidak semua spesies organisme mengandung jumlah DNA yang sama. Faktanya, nilai ini sangat bervariasi antar spesies dan tidak ada hubungan antara jumlah DNA dan kompleksitas organisme. Kontradiksi ini dikenal sebagai "paradoks nilai-C."

Alasan logisnya adalah dengan menyadari bahwa semakin kompleks suatu organisme, semakin banyak DNA yang dimilikinya. Namun, ini tidak benar pada dasarnya.

Misalnya, genom dari lungfish Protopterus aethiopicus berukuran 132 pg (DNA dapat dikuantifikasi dalam pikogram = pg) sedangkan genom manusia hanya berbobot 3,5 pg.

Harus diingat bahwa tidak semua DNA suatu organisme mengkode protein, sebagian besar terkait dengan elemen pengatur dan jenis RNA yang berbeda.

Bentuk struktural DNA

Model Watson dan Crick, yang diambil dari pola difraksi sinar-X, dikenal sebagai heliks B-DNA dan merupakan model "tradisional" dan paling terkenal. Namun, ada dua bentuk berbeda lainnya, yang disebut A-DNA dan Z-DNA.

DNA - A

Varian "A" berputar ke kanan, seperti B-DNA, tetapi lebih pendek dan lebih lebar. Bentuk ini muncul saat kelembaban relatif menurun.

A-DNA berputar setiap 11 pasang basa, alur utama menjadi lebih sempit dan lebih dalam daripada B-DNA. Sehubungan dengan alur minor, ini lebih dangkal dan lebar.

DNA - Z

Varian ketiga adalah Z-DNA. Ini adalah bentuk tersempit, dibentuk oleh sekelompok heksanukleotida yang diatur dalam dupleks rantai antiparalel. Salah satu fitur paling menonjol dari bentuk ini adalah ia berbelok ke kiri, sedangkan dua cara lainnya melakukannya ke kanan.

Z-DNA muncul ketika ada urutan pendek pirimidin dan purin yang bergantian satu sama lain. Sulkus mayor datar dan minor sempit dan lebih dalam, dibandingkan dengan B-DNA.

Meskipun dalam kondisi fisiologis molekul DNA sebagian besar dalam bentuk B-nya, keberadaan dua varian yang dijelaskan memperlihatkan fleksibilitas dan dinamisme materi genetik.

fitur

Molekul DNA berisi semua informasi dan instruksi yang diperlukan untuk pembangunan suatu organisme. Kumpulan lengkap informasi genetik dalam organisme disebut genom.

Pesan tersebut dikodekan oleh "alfabet biologis": empat basis yang disebutkan sebelumnya, A, T, G dan C.

Pesan tersebut dapat mengarah pada pembentukan berbagai jenis protein atau kode untuk beberapa elemen pengatur. Proses di mana database ini dapat mengirimkan pesan dijelaskan di bawah ini:

Replikasi, transkripsi dan terjemahan

Pesan yang dienkripsi dalam empat huruf A, T, G, dan C menghasilkan fenotipe (tidak semua kode urutan DNA untuk protein). Untuk mencapai ini, DNA harus mereplikasi dirinya sendiri di setiap proses pembelahan sel.

Replikasi DNA bersifat semi-konservatif: satu untai berfungsi sebagai templat untuk pembentukan molekul anak baru. Replikasi dikatalis oleh sejumlah enzim, antara lain DNA primase, DNA helicase, DNA ligase, dan topoisomerase.

Selanjutnya, pesan - ditulis dalam bahasa urutan dasar - harus dikirim ke molekul perantara: RNA (asam ribonukleat). Proses ini disebut transkripsi.

Untuk transkripsi terjadi, enzim yang berbeda harus berpartisipasi, termasuk RNA polimerase.

Enzim ini bertanggung jawab untuk menyalin pesan DNA dan mengubahnya menjadi molekul RNA pembawa pesan. Dengan kata lain, tujuan transkripsi adalah untuk mendapatkan pembawa pesan.

Akhirnya, terjemahan pesan menjadi molekul RNA kurir terjadi, berkat ribosom.

Struktur ini mengambil RNA pembawa pesan dan bersama-sama dengan mesin penerjemah membentuk protein yang ditentukan.

Kode genetik

Pesan tersebut dibaca dalam "triplet" atau kelompok yang terdiri dari tiga huruf yang menentukan asam amino - bahan penyusun protein. Sangat mungkin untuk menguraikan pesan dari si kembar tiga karena kode genetiknya telah terungkap sepenuhnya.

Terjemahan selalu dimulai dengan asam amino metionin, yang dikodekan oleh triplet awal: AUG. "U" mewakili urasil dasar dan merupakan karakteristik dari RNA dan menggantikan timin.

Misalnya, jika messenger RNA memiliki urutan sebagai berikut: AUG CCU CUU UUU UUA, ini diterjemahkan menjadi asam amino berikut: metionin, prolin, leusin, fenilalanin, dan fenilalanin. Perhatikan bahwa dua triplet - dalam hal ini UUU dan UUA - dapat mengkode asam amino yang sama: fenilalanin.

Karena sifat ini, dikatakan bahwa kode genetik mengalami degenerasi, karena asam amino dikodekan oleh lebih dari satu urutan triplet, kecuali asam amino metionin, yang menentukan awal terjemahan.

Proses dihentikan dengan triplet stop atau stop spesifik: UAA, UAG, dan UGA. Mereka masing-masing dikenal dengan nama oker, kuning dan opal. Ketika ribosom mendeteksinya, mereka tidak dapat lagi menambahkan asam amino lagi ke rantai.

Sifat kimia dan fisik

Asam nukleat bersifat asam dan larut dalam air (hidrofilik). Pembentukan ikatan hidrogen antara gugus fosfat dan gugus hidroksil pentosa dengan air dapat terjadi. Itu bermuatan negatif pada pH fisiologis.

Larutan DNA sangat kental, karena kapasitas ketahanan deformasi heliks ganda, yang sangat kaku. Viskositas menurun jika asam nukleat beruntai tunggal.

Mereka adalah molekul yang sangat stabil. Secara logis, karakteristik ini pasti sangat diperlukan dalam struktur yang membawa informasi genetik. Dibandingkan dengan RNA, DNA jauh lebih stabil karena tidak memiliki gugus hidroksil.

DNA dapat didenaturasi oleh panas, yaitu untaian terpisah ketika molekul terkena suhu tinggi.

Jumlah panas yang harus diberikan bergantung pada persentase G - C molekul, karena basa ini dihubungkan oleh tiga ikatan hidrogen, yang meningkatkan ketahanan terhadap pemisahan.

Mengenai penyerapan cahaya, mereka memiliki puncak pada 260 nanometer, yang meningkat jika asam nukleat beruntai tunggal, karena cincin nukleotida terbuka dan ini bertanggung jawab untuk penyerapan.

Evolusi

Menurut Lazcano et al. 1988 DNA muncul dalam tahap transisi dari RNA, menjadi salah satu peristiwa terpenting dalam sejarah kehidupan.

Penulis mengusulkan tiga tahap: periode pertama di mana ada molekul yang mirip dengan asam nukleat, kemudian genom terdiri dari RNA dan sebagai tahap terakhir genom DNA pita ganda muncul.

Beberapa bukti mendukung teori dunia primer berdasarkan RNA. Pertama, sintesis protein dapat terjadi jika DNA tidak ada, tetapi tidak jika RNA hilang. Selanjutnya, molekul RNA dengan sifat katalitik telah ditemukan.

Mengenai sintesis deoksiribonukleotida (ada dalam DNA), mereka selalu berasal dari reduksi ribonukleotida (ada dalam RNA).

Inovasi evolusioner molekul DNA pasti membutuhkan keberadaan enzim yang mensintesis prekursor DNA dan yang berpartisipasi dalam transkripsi balik RNA.

Dengan mempelajari enzim saat ini, dapat disimpulkan bahwa protein ini telah berevolusi beberapa kali dan bahwa transisi dari RNA ke DNA lebih kompleks daripada yang diyakini sebelumnya, termasuk proses transfer dan hilangnya gen serta penggantian non-ortologis.

Pengurutan DNA

Sekuensing DNA terdiri dari menjelaskan urutan untai DNA dalam hal empat basa yang menyusunnya.

Pengetahuan tentang urutan ini sangat penting dalam ilmu biologi. Ini dapat digunakan untuk membedakan antara dua spesies yang secara morfologis sangat mirip, untuk mendeteksi penyakit, patologi atau parasit dan bahkan memiliki penerapan forensik.

Pengurutan sanger dikembangkan pada tahun 1900-an dan merupakan teknik tradisional untuk memperjelas urutan. Terlepas dari usianya, itu adalah metode yang valid dan banyak digunakan oleh para peneliti.

Metode Sanger

Metode ini menggunakan DNA polimerase, enzim yang sangat andal yang mereplikasi DNA dalam sel, mensintesis untai DNA baru menggunakan yang sudah ada sebelumnya sebagai panduan. Enzim membutuhkan primer untuk memulai sintesis. Primer adalah molekul kecil DNA yang melengkapi molekul yang akan diurutkan.

Dalam reaksinya, nukleotida ditambahkan yang akan dimasukkan ke dalam untai DNA baru oleh enzim.

Selain nukleotida "tradisional", metode ini mencakup serangkaian dideoksinukleotida untuk masing-masing basa. Mereka berbeda dari nukleotida standar dalam dua karakteristik: secara struktural, mereka tidak memungkinkan DNA polimerase untuk menambahkan lebih banyak nukleotida ke untai anak dan mereka memiliki penanda fluoresen yang berbeda untuk setiap basa.

Hasilnya adalah variasi molekul DNA dengan panjang berbeda, karena dideoksinukleotida digabungkan secara acak dan menghentikan proses replikasi pada tahap yang berbeda.

Variasi molekul ini dapat dipisahkan menurut panjangnya dan identitas nukleotida terbaca melalui pancaran cahaya dari label fluoresen.

Pengurutan Generasi Berikutnya

Teknik pengurutan yang dikembangkan dalam beberapa tahun terakhir memungkinkan analisis besar-besaran terhadap jutaan sampel secara bersamaan.

Di antara metode yang paling menonjol adalah pyrosequencing, sequencing dengan sintesis, sequencing dengan ligasi, dan sequencing generasi selanjutnya oleh Ion Torrent.

Referensi

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., dkk. (2002). Biologi Molekuler Sel. Edisi ke-4. New York: Ilmu Garland. Struktur dan Fungsi DNA. Tersedia di: ncbi.nlm.nih.gov/
2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., dkk. (2002). Biologi Molekuler Sel. Edisi ke-4. New York: Ilmu Garland. DNA Kromosom dan Kemasannya dalam Serat Kromatin. Tersedia di: ncbi.nlm.nih.gov
3. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biokimia. Edisi ke-5. New York: WH Freeman. Bagian 27.1, DNA Dapat Mengasumsikan Berbagai Bentuk Struktural. Tersedia di: ncbi.nlm.nih.gov
4. Fierro, A. (2001). Sejarah singkat penemuan struktur DNA. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Asal dan Evolusi DNA dan Mesin Replikasi DNA. Dalam: Database Biosains Madame Curie. Austin (TX): Landes Bioscience. Tersedia di: ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Transisi evolusioner dari RNA ke DNA di sel awal. Jurnal evolusi molekuler, 27 (4), 283-290.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, dkk. (2000). Biologi Sel Molekuler. Edisi ke-4. New York: WH Freeman. Bagian 9.5, Mengatur DNA Seluler menjadi Kromosom. Tersedia di: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Dasar biokimia. New York: John Willey and Sons.