Substansi Genetik

Komponen terkecil penyusun makhluk hidup disebut sel. Setiap sel memiliki nukleus yang mengandung kromosom. Setiap makhluk hidup memiliki jumlah kromosom tertentu. Dalam kromosom ditemukan DNA yang berperan penting dalam menentukan sifat genetik setiap individu. Sifat genetik itu dapat diwariskan kepada generasi berikutnya. Oleh karena setiap individu memiliki DNA yang khas, maka DNA dapat digunakan untuk identifikasi makhluk hidup.

A. DNA(Deoxyribonucleic Acid) dan RNA (Ribonucleic Acid)

Substansi dasar nukleus terdiri atas nukleoprotein yang dibangun oleh senyawa protein dan asam nukleat. Ada dua jenis asam nukleat yang berkaitan dengan hereditas, yaitu DNA dan RNA. Keduanya bertanggung jawab terhadap sintesis protein serta mengontrol sifatsifat keturunan.

1. DNA (Deoxyribonucleic Acid = Asam Deoksiribo Nukleat) DNA memiliki beberapa fungsi di antaranya membawa informasi genetik, membentuk RNA, dan mengontrol aktivitas sel baik secara langsung maupun tidak langsung. DNA jugaberperan penting  dalam proses sintesis protein.

a. Struktur DNA

Molekul DNA pertama kali diisolasi oleh F. Miescher pada tahun 1869 dari sel spermatozoa. Ia tidak dapat mengenali sifat zat kimia tersebut secara pasti, kemudian menyebutnya sebagai nuklein. Nuklein ini berupa senyawa kompleks yang mengandung unsur fosfor sangat tinggi. Nuklein selanjutnya dikenal sebagai gabungan asam nukleat dan protein sehingga sering disebut nukleoprotein. Dalam kedua jenis asam nukleat ini (DNA dan RNA) terdapat dua basa nitrogen yaitu purin dan pirimidin. Keduanya ditemukan oleh Fischer pada tahun 1880. Pada penelitian selanjutnya,

Kossel menemukan dua jenis pirimidin, yaitu sitosin dan timin serta dua jenis purin, yaitu adenin dan guanin. Selain basa purin dan pirimidin, dalam asam nukleat (1910) mengenali gula berkarbon lima, yaitu ribosa dan deoksiribosa. Ia juga menyatakan adanya asam fosfat dalam asam nukleat.

W.T. Atsbury merupakan orang pertama yang mengemukakan gagasan tentang struktur tiga dimensi DNA. Ia menyimpulkan bahwa DNA sangat padat, polinukleotida penyusunnya berupa timbunan nukleosida pipih yang teratur tegak lurus terhadap sumbu memanjang. Apakah nukleotida dan nukleosida itu? Uraian berikut akan membahas kedua hal tersebut. James Watson dan Francis Crick (1953) mengemukakan suatu model struktur DNA yaitu double helix (tangga berpilin).

 

1) Gula dan fosfat sebagai rantai atau tangga utama.

2) Basa nitrogen sebagai anak tangga dengan pasangan tetap, yaitu:

a) guanin dengan sitosin (dihubungkan oleh tiga atom H),

b) timin dan adenin (dihubungkan oleh dua atom H).

Berdasarkan hasil penelitian Watson dan Crick dapat disimpulkan bahwa DNA terdiri atas gula pentosa (deoksiribosa), fosfat (PO4–), dan basa nitrogen yaitu purin meliputi guanin (G) dan adenin (A) serta pirimidin yang meliputi timin (T) dan sitosin (C = Cytosin). 

Rangkaian kimia antara deoksiribosa dengan purin dan pirimidin disebut nukleosida (deoksiribonukleosida). Nukleosida tersebut akan berikatan dengan fosfat membentuk nukleotida (deoksiribonukleotida). Gabungan dari nukleoti dan ukleotida  akan membentuk suatu DNA. Jadi, molekul DNA merupakan polimer panjang dari nukleotida yang dinamakan polinukleotida.

DNA dapat menentukan sifat genetik suatu individu setiap makhluk hidup mempunyai urutan pasangan basa yang spesifik dan berbeda dengan yang lain. Perbedaan urutan pasangan basa antarindividu dapat dilihat pada saat sequence (proses pengurutan basa) dalam analisis DNA. DNA dapat berfungsi sebagai heterokatalitik (mensintesis molekul lain seperti RNA) dan otokatalitik (replikasi diri). Berikut ini Anda akan mempelajari fungsi DNA sebagai otokatalitik.

b. Replikasi DNA

Replikasi DNA akan menghasilkan DNA baru. Ada tiga hipotesis yang menjelaskan terjadinya replikasi DNA. Hipotesis pertama menyatakan bahwa bentuk double helix DNA yang lama tetap dan langsung menghasilkan double helix yang baru disebut konservatif. Hipotesis kedua menyatakan double helix akan terputus-putus, selanjutnya segmen-segmen tersebut akan membentuk segmensegmen baru yang bergabung dengan segmen lama membentuk DNA baru. Hipotesis ini disebut dispersif. Hipotesis ketiga menyatakan dua pita spiral dari double helix memisahkan diri dan setiap pita tunggal mencetak pita pasangannya disebut semikonservatif.

Teori replikasi DNA oleh Watson dan Crick menyatakan bahwa proses replikasi terjadi secara semikonservatif. Hipotesis ini mendapat dukungan kuat dari M.S. Meselson dan F.W. Stahl. Mereka menggunakan bakteri Escherichia coli sebagai organisme percobaan. E. coli dapat hidup pada garam anorganik jika dalam garam tersebut terdapat sumber atom nitrogen untuk pembuatan protein dan asam nukleat. Meselson dan Stahl memakai ion amonium (NH4+) dalam penelitiannya. Meskipun isotop nitrogen yang paling lazim 14N, tetapi mereka menggunakan ion. 

Pertama-tama Meselson dan Stahl memelihara E. coli selama beberapa generasi dalam media yang mengandung 15NH4+. Pada akhir periode ini, mereka menemukan DNA sel lebih berat dari normal. Selanjutnya, mereka memindahkan sel-sel itu ke media yang mengandung ion amoniumnormal (14NH4+) dan  membiarkan sel tersebut hanya sekali membelah diri. DNA pada generasi baru ini memiliki berat di antara berat DNA normal dari DNA generasi sebelumnya.

Hal ini menggambarkan bahwa pengaruh dari atom nitrogen dalam DNA baru yaitu 14N dan separuh 15N. Namun, apabila bakteri itu dibiarkan membelah diri lagi dalam ion amonium normal (14NH4+) maka terbentuklah dua jenis DNA dengan berat yang berbeda. Separuh dari DNA mempunyai berat normal dan separuh DNA lainnya mempunyai berat di tengah-tengah. Hal tersebut membuktikan bahwa molekul DNA tidak mengalami pemecahan dan penyusunan kembali di antara pembelahan sel-sel, tetapi tiap pita induk tidak mengalami perubahan saat ia membentuk pita komplementer.

Berdasarkan uraian di atas maka hipotesis yang paling tepat yaitu hipotesis semikonservatif.amonium yang mengandung isotop nitrogen yang lebih berat, yaitu 15N Selain memerlukan deoksiribonukleotida, dalam proses replikasi DNA juga memerlukan beberapa enzim berikut.

1) Helikase, enzim ini berfungsi menghidrolisis rantai ganda polinukleotida menjadi dua rantai tunggal polinukleotida.

2) Polimerase, berfungsi merangkai rantai-rantai mononukleotida membentuk DNA baru.

3) Ligase, berfungsi menyambung nukleotida ulir tunggal DNA yang baru terbentuk.

Fungsi DNA sebagai heterokatalitik yaitu mensintesis molekul lain seperti RNA. RNA merupakan hasil transkripsi DNA. Sel prokariotik dan eukariotik mengandung asam inti yang disebut asam ribonukleat (RNA).

2. RNA (Ribonucleic Acid = Asam Ribonukleat) RNA tersusun seperti DNA, yaitu molekul-molekul gula D-ribosa, gugus fosfat, tetapi basa nitrogennya terdiri atas basa purin (meliputi adenin (A) dan guanin (G)) serta pirimidin (meliputi urasil (U) dan sitosin (C)).

a. Struktur RNA

Berbeda dengan DNA yang memiliki rantai ganda, RNA hanya memiliki rantai tunggal. Setiap pita RNA merupakan polinukleotida dari RNA.

b.         Tipe-Tipe RNA

Berbeda halnya dengan DNA yang terletak dalam nukleus, RNA banyak terdapat dalam sitoplasma terutama ribosom walaupun ada pula beberapa di antaranya dalam nukleus. Dalam sitoplasma, kadar RNA berubah-ubah. Hal ini dipengaruhi oleh aktivitas sintetis protein. Ketika suatu protein akan disintetis, kandungan RNA dalam sel meningkat begitu pula sebaliknya. RNA memiliki komponen gula berupa D-ribosa (pentosa). RNA juga memiliki basa nitrogen yang serupa dengan DNA, hanya saja basa timin pada pirimidin diganti dengan urasil.

RNA mempunyai tiga tipe berikut.

1) rRNA (ribosom RNA)

rRNA yaitu RNA yang terdapat dalam sitoplasma tepatnya di ribosom dan berfungsi mengatur dalam proses sintesis protein. rRNA dapat mencapai 80% dari jumlah RNA sel. Molekul rRNA berupa pita tunggal tidak bercabang dan fleksibel.

2)         mRNA (messenger RNA)

mRNA dibentuk dalam nukleus, merupakan RNA terbesar dan terpanjang. mRNA berfungsi membawa kode genetik dari DNA ke ribosom. mRNA sering disebut kodon karena urutan basa N penyusunnya merupakan kode genetik untuk sintesis protein. mRNA dicetak oleh DNA dalam inti, kemudian dikirim ke ribosom. Sintesis mRNA dicetak oleh DNA saat diperlukan saja dan tidak terus-menerus dicetak melainkan tergantung pada macam protein yang akan disintesis dalam sitoplasma.

3)         tRNA (transfer RNA)

tRNA merupakan RNA yang terdapat dalam sitoplasma dengan rantai terpendek yang bertugas menerjemahkan kodon dari mRNA. rRNA berfungsi mengangkut asam amino ke tempat sintesis protein, yaitu ribosom melalui penerjemahan kode-kode yang dibawa mRNA. DNA dan RNA memiliki komponen yang hampir sama tetapi keduanya memiliki perbedaan struktur, fungsi, dan beberapa materi penyusun.