Struktur DNA

1. Pendahuluan

Sifat genetis mahluk hidup dikendalikan oleh gen. Istilah gen pertama kali dikemukan oleh W. Johanssen (1909) yang diketahui sebagai faktor hereditas mahluk hidup. Faktor hereditas tersebut terletak di dalam lokus kromosom berupa substansi kimia berupa asam nukleat (DNA dan RNA). Secara fungsional, gen berperan penting dalam menjaga keutuhan bentuk dan fungsi kehidupan organisme. 

2. DNA (Deoxyribosa Nucleic Acid)

DNA termasuk ke dalam asam nukleat berupa molekul makro yang tersusun dari rantai nukleotida monomerik. Molekul ini dapat ditemukan di dalam sel dan virus yang membawa informasi genetik atau berpera dalam pembetukan struktur di dalam sel. Terdapat tiga struktur DNA yang diketahui saat ini, antara lain struktur primer, sekuder dan tersier.

a. Struktur Primer

DNA tersusun dari monomer-monomer nukleotida, yang setiap nukleotida terdiri dari satu basa nitrogen yaitu purin dan pirimidin, satu gula pentosa berupa 2'-deoksi-D-ribosa dalam bentuk furanosa serta satu molekul fosfat. Nukleotida-nukleotida dalam DNA dihubungkan oleh ikatan fosfodiester, yakni ikatan yang terjadi antara carbon katida dari satu nukleotida. Basa nitrogen penyusun nukleotida dapat dikelompokkan menjadi dua, yakni (1) Purin, basa nitrogen yang mempunyai struktur dua cincin, yang termasuk diantaranya adalah Adenin (A) dan Guanin (Gambar 1); (2) Pirimidin, basa nitrogen yang mempunyai struktur berupa satu cincin, yang termasuk diantaranya adalah Sitosin (C) dan Timin (T) (Gambar 2).

Gambar 1. Struktur Purin

Gambar 2. Struktur Pirimidin

Gambar 3. Gula Pentosa Deoksiribosa

Gambar 4. Grup Fosfat

Basa purin dan pirimidin dapat membentuk ikatan kimia dengan gula pentosa. Pada gambar 3 di atas, gula pentosa dapat dinomori dengan 1', 2', 3', 4 dan 5'.  Karbon pertama (1') pada gula pentosa akan berikatan dengan atom nitrogen di posisi N9 pada Purin (Gambar 1) dan di posisi N1 pada Pirimidin (Gambar 2). Grup fosfat akan berikatan denga karbon 5' dari struktur gula pentosa. Dimulai grup fosfat yang berikatan dengan karbon 5' selanjutnya diberikan nama fosfat alpha (α), beta (β) dan gamma (γ). Struktur yang dibentuk oleh ikatan fosfat disebut nukleotida trifosfat, yang nantinya akan membentuk DNA atau RNA (Gambar 4). Grup fosfat yang diperlukan untuk membentuk nukelotida adalah fosfat dari grup yang memiliki 1, 2 atau 3 fosfat seperti AMP (nucleotides adenosine monophosphate), ADP (adenoside diphosphate) dan ATP (adenosine triphosphate).

Gambar 5. Struktur Rantai Polinukleotida

Dalam proses pembentukan rantai nukleotida, hanya fosfat alpha yang akan berikatan dengan karbon 3'. Polinukleotida terbentuk melalui serangkaian ikatan fosfat 5' ke 3', sehingga DNA sering kali disebut berorientasi dari akhiran 5' ke akhiran 3' (Gambar 5). Ikatan fosfodiester yang ditunjukkan pada gambar 5, merupakan hasil dari ikatan grup fosfat dengan gula pentosa pada karbon 5' dan 3' dari gula berikutnya.


b. Struktur Sekunder

DNA sebagai bahan genetik terletak pada komposisi basa nitrogen-nya. Berawal dari penemuan Edwin Chargaff pada tahun 1949-1953, terkait analisis kuantitatif  keempat basa yang berhasil diisolasi dari berbagai organisme diperoleh beberapa kesimpulan penting, diantaranya:
1. Setiap spesies memiliki komposisi basa DNA yang bervariasi
2. DNA yang diisolasi dari berbagai jaringan spesies yang sama mempunyai komposisi DNA yang sama pula
3. Komposisi DNA pada suatu spesies tidak berubah karena perubahan usia, nutrisi maupun lingkungannya
4. Hampir semua DNA yang dilakukan penelitian mempunyai jumlah residu adenin yang sama dengan timin (A=T), dan residu guanin sama dengan sitosin (G=C), sehingga A+T=G+C yang disebut dengan aturan Chargaff.
5. DNA yang diekstraksi dari berbagai organisme yang memiliki kekerabatan dekat mempunyai komposisi basa yang hampir sama.

Pada tahun 1953, James D. Watson dan Francis H.C Crick telah berhasil menguraikan struktur sekunder DNA yang berbentuk heliks ganda melalui analisis pola difraksi sinar X dan membangun model strukturnya. Heliks ganda tersebut tersusun dari dua rantai polinukleutida secara anti-pararel dengan arah 5' ke 3', berputar ke arah kanan dan melingkari satu sumbu. Unit gula posfat berada di luar molekul DNA dengan basa-basa komplementer yang berpasangan di dalam molekul. dengan basa-basa komplementer yang berpasangan di dalam molekul. Ikatan hidrogen di antara pasangan basa memegangi kedua untai heliks tersebut. Kedua untai melingkar sedemikian rupa sehingga keduanya tidak dapat dipisahkan kembali apabila putaran masing-masing untai dibuka.

Gambar 6. (A): Struktur sekunder DNA dan (B): Struktur primer DNA

Beberapa hal terkait penyusun DNA adalah sebagai berikut:

• Rantai DNA yang berbentuk heliks ganda dengan basa yang saling berpasangan dalam posisi mendatar.
• Rantai gula dan posfat membentuk rangka luar dari heliks
• Basa-basa yang melekat pada gula pentosa menonjol ke dalam pusat heliks
• Jarak antara 2 untai adalah 1,1 nm yang diisi oleh basa nitrogen
• Jarak antara 2 basa adalah 3, 4 A
• Setiap putaran dalam heliks mempunyai jarak 34 A
• Kedua untai (rantai polinukleotida) anti-pararel yang mempunyai arah berlawanan dengan rantai pasangannya, yakni suatu untai berakhir dengan gugus 5 posfat sedangkan rantai pasangannya berakhir dengan gugus 3 OH (hidroksil)
• Antara satu basa nitrogen dengan basa nitrogen lainnya dihubungkan oleh ikatan hidrogen. 
• Jarak di antara kedua rantai hanya memungkinkan pemasangan basa purin (lebih besar) dengan basa pirimidin (lebih kecil).
• Adenin berpasangan dengan Timin membentuk dua ikatan hidrogen, sedangkankan Guanin berpasangan dengan Citosin membentuk tiga ikatan hidrogen.
• Dua ikatan glikosidik yang mengikat pasangan basa pada cincin gula pentosa, tidak persis berhadapan sehingga berakibat jarak antara unit-unit gula posfat yang berhadapan di sepanjang heliks ganda tidak sama dan membentuk dua celah yang berbeda, yaitu celah mayor dan celah minor (Gambar 6A). 

Daftar Pustaka:

Stryer, L. 1988, Biochemistry, thrid edition. Stanford University, W.H. Freeman and Company, New York

Wolf, L.S., 1993, Molecular and cellular Biology. California: Wardsworth Publishing Company