DNA, RNA dan Protein

DNA

·         SIFAT  - SIFAT DNA

Jumlah DNA konstan dalam setiap jenis sel dan spesies. Kandungan DNA dalam sel bergantung pada sifat ploidi sel atau jumlah kromosom di dalam sel. Bentuk DNA pada sel eukariotik adalah seperti benang dan tidak bercabang, tetapi DNA pada sel prokariotik, mitokondria dan plastid berbentuk sirkuler. DNA merupakan makromolekul kompleks yang terdiri atas tiga macam molekul, yaitu :

a.       Gula deoksiribosa

b.      Asam fosfat

c.       Basa nitrogen, yang terdiri atas dua golongan yakni pirimidin dan purin. Pirimidin terdiri atas sitosin (S) dan timin (T), sedangkan purin terdiri atas adenin (A) dan guanine (G).

DNA memiliki beberapa fungsi yaitu

a.       Sebagai pembawa informasi genetik dari satu generasi ke generasi lainnya

b.      Mengontrol aktivitas dalam sel, baik secara langsung maupun tidak langsung

c.       Menentukan proses pembentukan protein (sintesis protein)

d.      Membentuk RNA

Pirimidin (sitosin dan timin) dan purin (adenine dan guanine) akan membentuk suatu rangkaian kimiawi dengan deoksiribosa sehingga terbentuk molekul yang dinamankan nukleosida atau deoksiribonukleosida. Sebelum suatu nukleosida dapat menjadi bagian dari molekul DNA, nukleosida harus bergabung dengan gugus fosfat untuk membentuk nukleotida atau deoksiribonukleosida. Pengertian mengenai nukleotida dan nukleosida dapat disederhanakan sebagai berikut.

Nukleosida                  : deoksiribosa + basa nitrogen

Nukleotida                  : nukleosida + asam fosfat

Ikatan hidrogen           : a. ikatan hydrogen antara G dan S berjumlah 3 buah

                                      b. ikatan hydrogen antara A dan T berjumlah 2 buah

Empat macam deoksiribonukleosida dan deoksiribonukleotida sebagai berikut :

·        STRUKTUR DNA

       Orang pertama yang mengemukakan gagasan mengenai struktur tiga dimensi DNA adalah W.T Atsbury.  Ia menyimpulkan bahwa DNA itu sangat padat. Polinukleotida yang menyusunnya berupa timbunan nukleotida pipih yang teratur tegak lurus terhadap sumbu memanjang. Wilkins melanjutkan kristalografi sinar X hasil Atsbury. Wilkins berhasil memisahkan serabut – serabut DNA sehingga akhirnya dapat dibuat foto melalui difraksi sinar X oleh Rosalind Franklin. Berdasarkan foto yang diambil Rosalind Franklin pada bulan April 1953, Watson dan Crick dapat segera mengambil kesimpulan bahwa struktur DNA terdiri atas dua rantai polinukleotida yang antara basa nitrogennya dihubungkan oleh ikatan hydrogen. Adenine dan timin dihubungkan oleh dua ikatan hydrogen, sedangkan sitosin dan guanine dihubungkan oleh tiga ikatan hydrogen.

       Dalam DNA terdapat pasangan basa. Setiap adenine dalam rantai DNA berkaitan dengan timin yang terdapat pada rantai yang lain. Begitu pula setiap sitosin saling melengkapi dengan guanine. DNA terdiri atas dua rantai polinukleotida yang tersusun secara double helix. Ikatan hydrogen yang menghubungkan dua rantai polinukleotida mudah putus oleh pemanasan. Keadaan tersebut dinamakan denaturasi DNA. Selain dengan pemanasan, rantai double helix DNA dapat putus karena pengaruh enzim helicase dan suasana alkali.

·        REPLIKASI DNA

       DNA sebagai pembawa informasi genetik dapat berfungsi sebagai heterokatalis, artinya DNA dapat menyintesis molekul lain, seperti membentuk RNA. DNA dapat pula berfungsi sebagai autokatalitik, artinya DNA mampu membentuk diri sendirinya. Fugsi autokatalitik DNA dilakukan melalui replikasi. Replikasi DNA akan memghasilkan DNA baru dari rantai DNA yang telah ada. Proses replikasi ini memerlukan deoksiribonukleosida fosfat dan beberapa enzim. Pada replikasi, dua rantai DNA yang saling berpilin dipisahkan melalui reaksi hidrolisis oleh enzim helikase sehingga terbentuk dua rantai tunggal mononukleotida. Setiap rantai tersebut menjadi acuan (template) pembentukan dua rantai DNA yang baru dengan bantuan enzim DNA polymerase. Bagaimanakah replikasi DNA baru dihasilkan ? DNA polymerase akan bergerak di sepanjang rantai DNA template dengan arah 5’        3’         sehingga arah pembentukan rantai DNA baru adalah 3’      5’. Satu rantai DNA yang baru terbentuk akan tersintesis secara kontinu, sedangkan satu rantai lagi terbentuk tidak kontinu (berupa potongan – potongan ). Potongan atau fragmen – fragmen DNA baru tersebut dinamakan fregmen Ozaki. Fragmen – fragmen DNA tersebut dibentuk menjadi rantai DNA baru yang utuh dengan bantuan enzim DNA ligase. 

       Ada tiga hipotesis yang menjelaskan mengenai replikasi DNA yaitu, semikonservatif, konservatif dan dispersive.

a.       Konservatif, rantai ganda DNA induk tetap utuh, tetapi keseluruhan rantai tersebut dapat mencetak rantai ganda baru.

b.      Dispersive, kedua buah rantai ganda DNA induk terputus. Segmen – segmen DNA induk dan segmen – segmen DNA yang baru bersambungan sehingga dihasilkan dua rantai ganda baru.

c.       Semikonservatif, dua rantai spiral DNA memisahkan diri. Setiap rantai tunggal menjadi pencetak untuk membentuk rantai pasangannya.

       Para ahli biologi meyakini bahwa proses replikasi yang terjadi adalah replikasi semikonservatif, sebagaimana yang telah diuraikan.

RNA

     Selain DNA, baik sel prokariotik maupun sel eukariotik mengandung RNA. RNA merupakan hasil sintesis atau transkripsi dari DNA. Beberapa virus tidak memiliki DNA, melainkan hanya RNA saja sehingga RNA-lah yang merupakan molekul genetik dan membawa segala pertanggungjawaban yang seharusnya dilakukan DNA, RNA demikian dinamakan RNA genetik.  Pada sel – sel yang menjadikan DNA sebagai substansi genetik, RNA-nya dinamakan RNA nongenetik.

·         SUSUNAN KIMIA RNA

RNA mengandung gula D-ribosa, basa nitrogen dan senyawa fosfat. Basa nitrogen purin pada RNA terdiri atas adenine (A) dan guanine (G), sedangkan pirimidinnya terdiri atas sitosinin (S) dan urasil (U). Keempat jenis nukleotida terdapat bebas dalam nukleoplasma sebagai adenosine trifosfat (ATP), guanosin trifosfat (STP), dan uridin trifosfat (UTP).

·         STRUKTUR RNA

RNA memiliki rantai tunggal yang tidak membentuk struktur heliks seperti DNA. Setiap rantai RNA merupakan polinukleotida, yakni terdiri atas banyak ribonukleotida. Tipe RNA adalah sebagai berikut :

1.      rRNA (RNA ribosom)

RNA ribosom dapat mencapai sekitar 80% dari jumlah RNA dalam sel dan banyak ditemukan dalam ribosom. Peran rRNA adalah sebagai pengatur sintesis proteindan sebagai penyusun ribosom. Molekul RNA ribosom berupa rantai tunggal tidak bercabang dan fleksibel.

2.      mRNA (RNA messenger)

mRNA dibentuk di dalam nucleus dan ukurannya sangat bervariasi. Kode genetik mRNA bergantung pada kode genetik DNA yang harus dibawa. mRNA berperan membawa kode genetik DNA dari inti sel menuju ribosom.

3.      tRNA (RNA transfer)

tRNA  berperan dalam mengangkut asam amino ke tempat sintesis protein, yaitu ribosom melalui translasi dari mRNA.

·         PERBANDINGAN DNA dan RNA

DNA	RNA
Terdapat dalam nucleus, organel sel mitokondria dan plastid.	Terdapat dalam nucleus, sitoplasma, matriks dan ribosom
Membentuk rantai ganda, membentuk heliks (lilitan)	Rantai tunggal yang tidak membentuk heliks
DNA dalam nucleus mengatur sifat hereditas dari suatu generasi ke generasi lain, DNA mitokondria dan plastid mengatur aktivitas dalam masing – masing organel	mRNA berperan dalam transkripsi, tRNA untuk transportasi, dan rRNA mengikat mRNA mengatur aktivitas dalam ribosom
Jumlah dalam sel tetap	Jumlah dalam sel berubah – ubah tergantung pada aktivitas sintesis protein
Basa nitrogen terdiri atas adenine, guanine, sitosin dan timin	Basa nitrogen terdiri atas adenine, guanine, sitosin dan urasil
Gula terdiri atas deoksiribosa	Gula terdiri atas ribose

SINTESIS PROTEIN

     Protein merupakan polimer yang berfungsi sebagai penyusun protoplasma dan struktur tubuh lainnya. Protein dapat berupa enzim atau hormone, antara lain sebagai penyusun pigmen pada tumbuhan; penyusun hemoglobin dalam darah manusia dan hewan; serta penyusun serum dalam plasma darah. Jenis dan rangkaian yang menyusun protein berbeda antara protein yang satu dan protein yang lainnya. Mekanisme sintesis protein terjadi melalui dua tahap yaitu transkripsi dan translasi. Transkripsi adalah pencetakan RNA messenger oleh DNA, sedangkan translasi  adalah penerjemahan kode oleh tRNA berupa urutan yang dikehendaki. Langkah – langkah sintesis protein sebagai berikut :

1.        Transkripsi

Menurut Moore, et al, (1995 : 233 ) dalam Oman Karmana (2006) ketika transkripsi berlangsung, salah satu rantai DNA bertindak sebagai template (acuan) pada pembuatan rantai RNA yang merupakan pasangannya. Semua gen direkam pada molekul RNA yang memiliki panjang kurang lebih sama dengan DNA template. Sebagai contoh, urutan gen DNA ATGSSTGGA akan direkam pada RNA dengan urutan UASGGASSU. Proses transkripsi hampir sama dengan replikasi DNA, tetapi terjadinya sintesis RNA dua kali lebih cepat daripada sintesis DNA. Seperti halnya pada replikasi DNA, RNA akan disintesis mulai dari ujung 5’ ke ujung 3’ sehingga rantai RNA komplementer (yang merupakan pasangan DNA template) dibentuk secara antipararel terhadap rantai DNA (arah 3’     5’). Enzim yang berperan dalam transkripsi adalah RNA polymerase. Transkripsi terjadi dalam tiga tahap yakni inisiasi, elongasi, dan terminasi. Pada tahap tahap inisiasi, RNA polymerase menempel pada promoter, yakni urutan basa nitrogen khusus pada DNA yang dapat memberikan sinyal inisiasi transkripsi. Rantai DNA yang digunakan pada proses perekaman gen hanya satu buah, dinamakan rantai sense. Sementara rantai lainnya merupakan rantai noncoding atau antisense (tidak digunakan dalam transkripsi). Hal ini dikenali dengan adanya promoter pada rantai sense. Umunya promoter memiliki urutan gen TATAAT dan TTGASA dan rantai antisense mengandung komplementernya (ATATTA dan AASTGT) yang tidak akan dikenali oleh RNA polymerase.

Tahap elongasi ditunjukkan oleh aktivitas RNA polymerase yang bergerak sepanjang rantai DNA sehingga dihasilkan rantai RNA yang di dalamnya mengandung urutan basa nitrogen pertama kali sebagai hasil perekaman (leader sequence). Setelah hasil perekaman basa nitrogen berjumlah tiga puluh buah, suatu senyawa kimia akan berikatan dengan berikatan dengan ujung 5’ RNA. Senyawa kimia tersebut berfungsi sebagai penutup (chemical cap) yang akan memberikan sinyal inisiasi tahap translasi dan berfungsi mencegah terjadinya degradasi RNA.

        Ketika memasuki tahap terminasi, proses perekaman (transkripsi) berhenti dan molekul RNA yang baru akan terpisah dari DNA template. Segera setelah molekul RNA terpisah, sebanyak 100-200 molekul asam adenilat berikatan dengan ujung 3’ RNA. Penambahan senyawa kimia tersebut menghasilkan urutan nukleotida adenine dalam jumlah yang banyak (poli A ; poli = banyak) pada ujung 3’ RNA. Akhirnya dihasilkan produk transkripsi yang lengkap dinamakan messenger RNA (mRNA).

2.             Transkripsi

        Seperti halnya transkripsi, translasi terbagi atas tiga tahap yakni insiasi, elongasi dan terminasi. mRNA yang telah terbentuk pada tahap transkripsi akan bergerak menuju sitoplasma untuk selanjutnya menjalani tahap insiasi tanslasi. Translasi terjadi pada sitoplasma dan melibatkan ribosom. Tahap inisiasi ditandai dengan pengenalan kodon AUG yang terdapat pada bagian akhir mRNA. Kodon AUG disebut juga kodon start. AUG merupakan kode pembentukan metionin. Pengenalan  kodon start dilakukan oleh subunit kecil ribosom. Kemudia, tRNA yang membawa metionin (met-tRNA ) akan bergabung melalui pembentukan ikatan pada subunit besar ribosom. Akhirnya, terbentuklah ribosom yang lengkap. Molekul tRNA pertama yang terikat pada ribosom akan menempati tempat khusus, yakni sisi P (P singkatan dari polipeptida). Dari sisi P akan terbentuk rantai polipeptida tRNA berikutnya akan berikatan dengan kodon kedua dan menempati ribosom pada sisi A (A singkatan dari asam amino). Tahap elongasi ditandai dengan masuknya tRNA pada sisi A sehingga dihasilkan rangkaian asam amino. Antara asam amino dihubungkan oleh ikatan peptida yang energinya berasal dari hidrolisis GTP. Ribosom akan bergerak ke kanan membawa tRNA yang akan menerjemahkan asam amino berikutnya pada sisi A yang kosong. Asam amino yang telah diterjemahkan bergerak ke kiri (ke sisi P) dan terjadi pemutusan ikatan dengan tRNA. Dengan demikian, rantai polipeptida akan terus terbentuk.

        Translasi akan memasuki tahap terminasi tahap terminasi apabila ribosom mencapai kodon “stop” (UAG) pada mRNA. Polipeptida akan dilepaskan dari ribosom dan sintesis protein berakhir. Kemudian, setiap subunit ribosom akan terpisah dan akan siap kembali untuk sintesis protein berikutnya.