Penjelasan Struktur DNA dan fungsinya

Apakah manusia, bunga mawar, dan bakteri memiliki kesamaan? Masing-masing hal – bersama dengan setiap organisme lain di Bumi – berisi petunjuk molekuler untuk hidup, yang disebut asam deoksiribonukleat atau DNA. Dikodekan dalam DNA ini merupakan petunjuk untuk sifat-sifat yang beragam seperti warna mata seseorang, aroma mawar, dan cara di mana bakteri menginfeksi sel paru-paru.

Asam nukleat adalah bahan organik yang ada di semua organisme dalam bentuk DNA atau RNA. Asam nukleat ini dibentuk oleh kombinasi basa nitrogen, molekul gula, dan gugus fosfat yang dihubungkan oleh ikatan berbeda dalam serangkaian urutan. Struktur DNA menentukan susunan genetik dasar tubuh kita. Faktanya, ini mendefinisikan susunan genetik dari hampir semua kehidupan di bumi.

DNA ditemukan di hampir semua sel hidup. Namun, lokasi yang tepat dalam sel tergantung pada apakah sel yang memiliki organel-yang terikat membran khusus yang disebut inti. Organisme terdiri dari sel-sel yang mengandung inti diklasifikasikan sebagai eukariota, sedangkan organisme terdiri dari sel-sel yang tidak memiliki inti diklasifikasikan sebagai prokariota. Pada eukariota, DNA terletak di dalam inti, tetapi dalam prokariota, DNA terletak langsung di dalam sitoplasma sel, karena tidak ada nukleus yang tersedia.

Pengertian

Tapi apa, tepatnya DNA itu? Singkatnya, DNA adalah molekul kompleks yang terdiri dari banyak komponen, sebagian yang diwariskan dari organisme orang tua kepada keturunannya selama proses reproduksi. Meskipun DNA setiap organisme adalah unik, semua DNA terdiri dari molekul berbasis nitrogen yang sama. Jadi bagaimana DNA berbeda dari organisme dengan organisme lain? Ini hanyalah urutan di mana molekul-molekul yang lebih kecil diatur agar berbeda antara individu-individu. Pada gilirannya, pola pengaturan ini akhirnya menentukan karakteristik unik masing-masing organisme, berkat set molekul yang “membaca” pola dan merangsang proses kimia dan fisik diperlukan proses hal ini.

DNA merupakan sekelompok molekul yang bertanggung jawab untuk membawa dan mentransmisikan materi keturunan atau instruksi genetik dari orang tua ke keturunannya. ”

Ini juga berlaku untuk virus karena sebagian besar entitas ini memiliki RNA atau DNA sebagai materi genetiknya. Misalnya, beberapa virus mungkin memiliki RNA sebagai materi genetiknya, sementara yang lain memiliki DNA sebagai materi genetik. Human Immunodeficiency Virus (HIV) mengandung RNA, yang kemudian diubah menjadi DNA setelah menempel pada sel inang.

Selain bertanggung jawab atas pewarisan informasi genetik pada semua makhluk hidup, DNA juga memainkan peran penting dalam produksi protein. DNA inti adalah DNA yang terkandung di dalam inti setiap sel dalam organisme eukariotik. Ia mengkode sebagian besar genom organisme, sedangkan DNA mitokondria dan DNA plastid menangani sisanya.

DNA yang ada di mitokondria sel disebut sebagai DNA mitokondria. Itu diwarisi dari ibu ke anak. Pada manusia, ada sekitar 16.000 pasangan basa DNA mitokondria. Demikian pula, plastida memiliki DNA sendiri, dan memainkan peran penting dalam fotosintesis.

Aturan Chargaff

Ketika Watson dan Crick berangkat pada tahun 1940-an untuk menentukan struktur DNA, sudah diketahui bahwa DNA terdiri dari serangkaian empat jenis molekul yang berbeda, yang disebut basa atau nukleotida: adenin (A), sitosin (C), timin (T), guanine (G). Watson dan Crick juga mengetahui aturan Chargaff’s, yang merupakan serangkaian pengamatan tentang jumlah relatif setiap nukleotida yang ada di hampir semua ekstrak DNA. Chargaff telah mengamati bahwa untuk spesies tertentu, kelimpahan A sama dengan T, dan G sama dengan C. Ini penting untuk model Watson & Crick.

Struktur DNA

Struktur DNA dapat dianggap seperti tangga yang bengkok. Struktur ini digambarkan sebagai heliks ganda, seperti yang diilustrasikan pada gambar di atas. Ini adalah asam nukleat, dan semua asam nukleat terdiri dari nukleotida. Molekul DNA terdiri dari unit yang disebut nukleotida, dan setiap nukleotida terdiri dari tiga komponen berbeda, seperti gula, gugus fosfat, dan basa nitrogen.

Bahan penyusun dasar DNA adalah nukleotida, yang terdiri dari gugus gula, gugus fosfat, dan basa nitrogen. Gugus gula dan fosfat menghubungkan nukleotida bersama untuk membentuk setiap untai DNA. Adenin (A), Timin (T), Guanin (G) dan Sitosin (C) adalah empat jenis basa nitrogen.

komponen struktur dna
komponen struktur dna

Keempat basa nitrogen ini berpasangan dengan cara berikut: A dengan T, dan C dengan G. Pasangan basa ini penting untuk struktur heliks ganda DNA, yang menyerupai tangga bengkok.

Urutan basa nitrogen menentukan kode genetik atau instruksi DNA.

Di antara ketiga komponen struktur DNA tersebut, gula merupakan salah satu yang membentuk tulang punggung molekul DNA. Ini juga disebut deoksiribosa. Basa nitrogen dari untaian yang berlawanan membentuk ikatan hidrogen, membentuk struktur seperti tangga.

Molekul DNA terdiri dari 4 basa nitrogen yaitu adenin (A), timin (T), sitosin (C) dan Guanin (G) yang pada akhirnya membentuk struktur nukleotida. A dan G adalah purin dan C dan T adalah pirimidin.

Tulang punggung struktur dna

Dua untai DNA berjalan berlawanan arah. Untaian ini disatukan oleh ikatan hidrogen yang ada di antara dua basa komplementer. Untaiannya dipelintir secara heliks, di mana setiap untai membentuk kumparan tangan kanan dan sepuluh nukleotida membentuk satu putaran.

Pitch masing-masing heliks adalah 3,4 nm. Oleh karena itu, jarak antara dua pasangan basa yang berurutan (yaitu, basa berikatan hidrogen dari untaian yang berlawanan) adalah 0,34 nm.

Apa komponen menyusun DNA?

Pada tingkat yang paling dasar, semua DNA terdiri dari serangkaian molekul yang lebih kecil yang disebut nukleotida. Pada gilirannya, masing-masing nukleotida itu sendiri terdiri dari tiga komponen utama: daerah yang mengandung nitrogen dikenal sebagai basa nitrogen, molekul berbasis gula karbon disebut deoksiribosa, dan wilayah yang mengandung fosfor dikenal sebagai gugus fosfat melekat pada molekul gula (Gambar 1).

Ada empat nukleotida DNA yang berbeda, masing-masing ditentukan oleh spesifik basa nitrogen: adenin (sering disingkat “A” dalam penulisan ilmiah), timin (disingkat “T”), guanin (disingkat “G”), dan sitosin (disingkat “C” ) (Gambar 2).

Gambar 1. nukleotida mengandung basa nitrogen, gula molekul deoksiribosa, dan gugus fosfat melekat pada 5 ‘sisi gula. Berlawanan dengan 5 ‘sisi dari molekul gula adalah 3’ sisi, yang memiliki gugus hidroksil bebas terpasang.
 
Gambar 2: Empat basa nitrogen yang membentuk nukleotida DNA ditunjukkan dalam warna-warna cerah: adenin (A, hijau), timin (T, red), sitosin (C, jeruk), dan guanin (G, biru).
 

Meskipun nukleotida berasal nama mereka dari basa nitrogen yang dikandungnya, mereka berutang banyak struktur dan kemampuan ikatan mereka untuk molekul deoksiribosa mereka. Bagian tengah molekul ini berisi lima atom karbon disusun dalam bentuk cincin, dan setiap karbon dalam cincin ini disebut dengan nomor diikuti dengan simbol utama (‘). Dari karbon ini, atom karbon 5′ sangat penting, karena merupakan lokasi di mana gugus fosfat melekat pada nukleotida.

Secara tepat, daerah sekitarnya karbon atom ini dikenal sebagai ujung 5’ dari nukleotida. Diseberang karbon 5 ‘, di sisi lain dari cincin deoksiribosa, adalah karbon 3′, yang tidak terikat pada gugus fosfat. Ini bagian dari nukleotida biasanya disebut sebagai ujung 3′ (Gambar 1).

Ketika nukleotida bergabung bersama dalam rangkaian, mereka membentuk struktur yang dikenal sebagai sebuah polinukleotida. Pada setiap titik persimpangan dalam sebuah polinukleotida, ujung 5′ dari satu nukleotida menempel pada ujung 3’ dari nukleotida yang berdekatan melalui sambungan disebut ikatan fosfodiester (Gambar 3). Inilah pengaturan perulangan gula-fosfat yang membentuk “tulang punggung” dari molekul DNA.

Gambar 3: Semua polinukleotida mengandung tulang punggung gula-fosfat bergantian. Tulang punggung ini terbentuk ketika ujung 3 ‘(abu-abu gelap) satu nukleotida menempel pada 5’ fosfat akhir (abu-abu terang) dari nukleotida yang berdekatan dengan cara ikatan fosfodiester.

Bagaimana untai DNA terorganisir?

Meskipun DNA sering ditemukan sebagai polinukleotida beruntai tunggal, diasumsikan bentuk yang paling stabil saat beruntai  ganda (Double-stranded). DNA beruntai ganda terdiri dari dua polinukleotida yang diatur sedemikian rupa sehingga basa nitrogen dalam satu polinukleotida yang melekat pada basa nitrogen dalam polinukleotida lain dengan cara ikatan kimia khusus yang disebut ikatan hidrogen.

Ikatan ini basa-ke-basa tidak acak, melainkan setiap A dalam satu untai selalu berpasangan dengan T dalam untai lainnya, dan masing-masing C selalu berpasangan dengan G. DNA beruntai ganda yang dihasilkan dari pola ikatan terlihat seperti sebuah tangga dengan gula-fosfat mendukung samping dan pasangan basa anak tangga.

gambar struktur dna
Gambar 4: DNA beruntai ganda terdiri dari dua rantai polinukleotida yang basa nitrogen terhubung oleh ikatan hidrogen. Dalam pengaturan ini, setiap helai mencerminkan lain sebagai akibat dari orientasi anti-paralel tulang punggung gula-fosfat, serta sifat komplementer dari pasangan basa AT dan CG.

Perhatikan bahwa karena dua polinukleotida yang membentuk DNA beruntai ganda yang “terbalik” relatif satu sama lain, ujung gula-fosfat mereka anti-paralel, atau diatur dalam orientasi yang berlawanan. Ini berarti bahwa rantai gula-fosfat satu untai yang berjalan di arah, 5 ‘ke 3’ sedangkan yang lain berjalan dalam 3 ‘ke 5’ arah (Gambar 4). Ini juga penting untuk memahami bahwa urutan tertentu dari A, T, C, dan nukleotida G dalam DNA suatu organisme unik untuk individu itu, dan ini langkah tersebut yang mengontrol tidak hanya operasi dalam sel tertentu, tetapi dalam organisme sebagai keseluruhan.

dna
Gambar 5: Rosalind Franklin menggunakan difraksi sinar-X untuk memperoleh citra DNA. Gambar seperti ini memungkinkan perhitungan yang tepat dari jarak molekul dalam double helix.

Di luar struktur tangga seperti dijelaskan di atas, karakteristik kunci lain DNA beruntai ganda adalah bentuk yang unik tiga dimensi. Bukti fotografi pertama bentuk ini diperoleh pada tahun 1952, ketika ilmuwan Rosalind Franklin menggunakan proses yang disebut difraksi sinar-X untuk menangkap gambar dari molekul DNA (Gambar 5). Meskipun garis hitam dalam foto ini terlihat relatif jarang, Dr Franklin ditafsirkan sebagai mewakili jarak antar nukleotida yang disusun dalam bentuk spiral yang disebut heliks.

Gambar 6: dobel heliks tampak seperti tangga memutar.
 

Sekitar waktu yang sama, peneliti James Watson dan Francis Crick sedang mengejar model definitif untuk struktur stabil DNA dalam inti sel. Watson dan Crick akhirnya menggunakan gambar Franklin, bersama dengan bukti mereka sendiri untuk sifat beruntai ganda DNA, untuk menyatakan DNA yang benar-benar mengambil bentuk heliks ganda, struktur tangga seperti itu dipelintir sepanjang seluruh panjang (Gambar 6 ). Franklin, Watson, Crick dan semua diterbitkan artikel yang menjelaskan terkait temuan mereka dalam masalah yang sama Nature pada tahun 1953.

Gambar 7: Untuk lebih cocok dalam sel, potongan panjang DNA beruntai ganda erat dikemas ke dalam struktur yang disebut kromosom.

Bagaimana DNA dikemas dalam sel?

Kebanyakan sel sangat kecil. Sebagai contoh, satu manusia saja terdiri dari sekitar 100 triliun sel. Namun, jika semua DNA hanya dalam salah satu sel yang disusun menjadi bagian lurus tunggal, DNA yang akan lama hampir dua meter! Jadi, bagaimana hal ini banyak DNA dibuat pas dalam sel? Jawaban atas pertanyaan ini terletak pada proses yang dikenal sebagai pengemasan DNA, yang merupakan fenomena DNA cocok ke dalam bentuk kompak padat (Gambar 7).

Gambar 8: Dalam kromatin eukariotik, DNA beruntai ganda (abu-abu) melilit protein histon (merah).

Selama pengemasan DNA, potongan panjang DNA untai ganda yang erat dilingkarkan, melingkar, dan dilipat sehingga mereka cocok dengan mudah dalam sel. Eukariota mencapai prestasi ini dengan membungkus DNA mereka di sekitar protein khusus yang disebut histon, sehingga pemadatan cukup untuk muat di dalam nukleus (Gambar 8). Bersama-sama, DNA eukariotik dan protein histon yang terus bersama-sama dalam bentuk melingkar yang disebut kromatin.

Gambar 9: DNA eukariotik supercoiled.

DNA dapat lebih dikompresi melalui proses berliku-liku yang disebut supercoiling (Gambar 9). Kebanyakan prokariota tidak memiliki histon, tetapi mereka memiliki bentuk supercoiled DNA mereka diselenggarakan bersama oleh protein khusus. Dalam kedua eukariota dan prokariota, DNA ini sangat dipadatkan kemudian disusun menjadi struktur yang disebut kromosom. Kromosom mengambil bentuk yang berbeda dalam berbagai jenis organisme. Misalnya, kebanyakan prokariota memiliki kromosom melingkar tunggal, sedangkan kebanyakan eukariota memiliki satu atau lebih kromosom linear, yang sering muncul sebagai struktur berbentuk X. Pada waktu yang berbeda selama siklus hidup sel, DNA yang membentuk kromosom sel dapat erat dipadatkan menjadi struktur yang terlihat di bawah mikroskop, atau bisa didistribusikan lebih longgar dan menyerupai tumpukan tali.

Fungsi DNA

DNA adalah materi genetik yang membawa semua informasi keturunan. Gen adalah segmen kecil DNA, sebagian besar terdiri dari 250 – 2 juta pasangan basa. Kode gen untuk molekul polipeptida, di mana urutan tiga basa nitrogen berarti satu asam amino.

Rantai polipeptida selanjutnya terlipat dalam struktur sekunder, tersier dan kuaterner untuk membentuk protein yang berbeda. Karena setiap organisme mengandung banyak gen dalam DNA-nya, berbagai jenis protein dapat dibentuk. Protein adalah molekul fungsional dan struktural utama di sebagian besar organisme. Selain menyimpan informasi genetik, DNA terlibat dalam:

  • Proses replikasi: Mentransfer informasi genetik dari satu sel ke anak perempuannya dan dari satu generasi ke generasi berikutnya dan distribusi DNA yang sama selama pembelahan sel
  • Mutasi: Perubahan yang terjadi pada urutan DNA
  • Transkripsi
  • Metabolisme Seluler
  • Sidik Jari DNA
  • Terapi gen

Replikasi DNA

Replikasi DNA adalah proses penting yang terjadi selama pembelahan sel. Ia juga dikenal sebagai replikasi semi-konservatif, di mana DNA membuat salinan dirinya sendiri.

Replikasi DNA terjadi dalam tiga tahap:

Langkah 1: Inisiasi

Replikasi DNA dimulai pada titik yang dikenal sebagai asal replikasi. Kedua untai DNA dipisahkan oleh DNA helikase. Ini membentuk garpu replikasi.

Langkah 2: Elongasi

DNA polimerase III membaca nukleotida pada untai cetakan dan membuat untai baru dengan menambahkan nukleotida komplementer satu demi satu. Misalnya, jika membaca Adenine pada untai template, itu akan menambahkan Timin pada untai komplementer.

Saat menambahkan nukleotida ke untai tertinggal, celah terbentuk di antara untaian. Celah ini dikenal sebagai fragmen Okazaki. Celah atau torehan ini ditutup dengan ligase.

Langkah 3: Terminasi

Urutan penghentian hadir berlawanan dengan asal replikasi menghentikan proses replikasi. Protein TUS (zat pemanfaatan terminus) mengikat urutan terminator dan menghentikan pergerakan DNA polimerase. Ini menyebabkan penghentian.