A. DNA Berperan Dalam Proses Transformasi Bakteri - BAB03 Struktur Genom

STRUKTUR MOLEKULAR BAB

  3 BAHAN GENETIK

  Beradasarkan keparalelan Hukum Mendel dengan perilaku kromosom dalam proses meiosis disimpulkan bahwa gen terletak pada kromosom (Bab 1 dan Bab 2). Pertanyaan selanjutnya bagaimanakah struktur kimia dari bahan genetik yang ada pada kromosom tersebut. Kromosom tersusun atas dua komponen yaitu DNA (asam deoksiribonukleat) dan protein. Pada awalnya para ilmuwan menduga komponen proteinlah yang merupakan bahan genetik; dengan alasan bahwa enzim (protein katalisastor) berperan dalam menjalankan reaksi kimia metabolisme. Namun kemudian sejumlah penelitian membuktikan bahwa komponen DNA pada kromosom yang merupakan bahan genetik. Pada saat sekarang diketahui bahwa ada sebagian virus yang bahan genetiknya tersusun atas RNA (asam ribonukleat). Percobaan-percobaan tersebut menunjukan bahwa (i) DNA merupakan senyawa khas kromosom, (ii) DNA berperan dalam proses transformasi genetik pada bakteri; dan (iii) Asam Nukleat yang berperanan dalam pewarisan sifat dari satu generasi ke generasi berikutnya. dan penentuan sifat virus.

  Pembuktian Asam Nukleat Bahan Genetik

A. DNA Berperan Dalam Proses Transformasi Bakteri

  Bukti DNA sebagai bahan dasar genetik pertama kali ditunjukkan pada tahun 1943 oleh Oswald T. Avery, Colin McLeod, dan McLyn McCarthy dari Rockefeller Institute, yang telah membuktikan bahwa DNA yang terlibat dalam proses transformasi bakteri.

  Transformasi bakteri itu sendiri sebelumnya telah dikemukakan oleh F. Griffith (1928), melalui percobaan pada Streptococcus pneumoniae, yaitu bakteri yang dapat menimbulkan penyakit pneumonia pada manusia, dan menyebabkan kematian pada tikus.

  Transformasi bakteri didefinisikan sebagai proses perubahan sifat bakteri akibat

  pengambilan DNA asing oleh sel bakteri tersebut secara langsung dari lingkungannya. DNA asing tersebut dapat berintegrasi dengan DNA kromosom bakteri yang mengambilnya, sehingga dapat diwariskan pada generasi berikutnya.

  70 Genetika

  Bakteri galur S hidup Tikus mati Bakteri galu R hidup

  Tikus hidup Bakteri galur S Tikus hidup dimatikan

  Bakteri galu S Tikus mati mati dicampur dalam hatinya dengan galur R hidup bakteri hidup galur S Bakteri dari tikus yang mati pada percobaan

  Tikus mati terdahulu

Gambar 3.1. Rangkaian percobaan Griffith yang menunjukkan adanya transformasi

  bakteri, perubahan bakteri galur R menjadi seperti galur S akibat adanya bahan yang berasal dari galur S masuk ke sel galur R. Griffith menunjukkan adanya proses transformasi ini melalui pencampuran satu galur bakteri yang hidup dengan galur lainnya yang telah dimatikan. Diperoleh hasil bahwa galur bakteri yang hidup itu dapat berubah sifat akibat masuknya bahan-bahan dari galur bakteri yang telah dimatikan. Dalam percobaannya, Griffith telah menyuntikkan ke dalam tikus dua galur S. pneumoniae yaitu yang berkulit halus (galur S) dan yang berkulit kasar (galur R). Kulit halus pada galur S disebabkan oleh adanya mantel lendir polisakarida yang menyelimuti bagian luar sel, sedangkan yang berkulit kasar tidak mempunyai lendir tersebut. Adanya lendir itu menyebabkan galur S tahan terhadap antibodi yang dihasilkan oleh tikus, sehingga bakteri tersebut tetap hidup dan dapat mematikan tikus. Galur R yang tidak berlendir akan terbunuh oleh antibodi yang dihasilkan oleh tikus.

  Skema percobaan Griffith ditunjukkan pada Gambar 3.1. Pada percobaan pertama tikus disuntik dengan galur S atau galur R hidup, dan diperoleh hasil galur S mematikan, tetapi galur R tidak mematikan. Dalam hati tikus yang mati terdapat sel bakteri galur R. Pada

Bab 4 Struktur Molekular Bahan Genetik

  71

  percobaan selanjutnya sebelum disuntikkan ke dalam tubuh tikus, galur R dan galur S bakteri tersebut di atas dimatikan terlebih dahulu dengan cara pemanasan. Hasilnya seperti yang telah diduga sebelumnya yaitu bahwa bakteri-bakteri tersebut tidak dapat mematikan tikus. Pada percobaan ketiga dicampurkan galur R hidup dengan galur S yang telah dimatikan, dan kemudian disuntikkan ke dalam tubuh tikus. Diperoleh bahwa tikus mati, dan ketika diperiksa hatinya penuh dengan bakteri yang berlendir seperti galur S. Bakteri yang diambil dari tikus yang mati itu ketika diinfeksikan kepada tikus lain ternyata juga mematikan.

  Galur S Ekstraksi

  DNA RNA Protein Lipid Galur R R R

  R S R R R R

Gambar 3.2. Hanya komponen DNA dari galur S yang dapat merubah galur R

  menjadi seperti galur S, berarti DNAlah yang merupakan bahan genetik yang terlibat dalam transformasi. Dari hasil rangkaian percobaan itu Griffith menarik kesimpulan bahwa telah terjadi perubahan genetik dari sel galur R yang mulanya tidak mampu membentuk lendir menjadi berkemampuan menghasilkan lendir seperti galur S. Kemampuan tersebut diperoleh karena adanya kepingan bahan genetik dari galur S yang telah dimatikan yang masuk ke dalam sel galur R. Proses masuknya bahan genetik dari pecahan galur S ke dalam sel galur R secara langsung disebut transformasi genetik.

  Pada tahun 1944, Avery, McLeod dan McCarthy berhasil membuktikan bahwa bahan genetik yang terlibat dalam proses transformasi tersebut adalah DNA. Avery dkk melakukan percobaan dengan cara mengisolasi berbagai molekul kimia dari pecahan sel galur S. Bahan- bahan yang berhasil diisolasi terdiri dari DNA, RNA, protein, polisakarida, dan lipid. Bahan-

  72 Genetika

  bahan tersebut kemudian dicampurkan dengan sel galur R, ternyata hanya DNA yang dapat merubah sel galur R menjadi sel yang bersifat seperti galur S (Gambar 3.2). Berarti DNAlah yang bertanggung jawab dalam proses transformasi bakteri.

  Struktur Dan Sifat Kimia DNA

A. Asam Nukleat Merupakan Makromolekul Asam nukleat merupakan salah satu makromolekul yang terdapat di dalam sel.

  Makromolekul ialah molekul besar (berat molekul lebih dari 1000) yang disusun oleh molekul-molekul dasar atau subunit yang lebih kecil. Dikenal empat jenis makromolekul penting untuk kehidupan, yaitu:

  1. Polinukleotida: Makromolekul dengan nukleotida sebagai molekul dasarnya. Asam nukleat merupakan senyawa polinukleotida; dan terdapat dua jenis asam nukleat yaitu Asam Deoksiribonukleat (DNA), dan Asam Ribonukleat (RNA)

  2. Polipeptida: Makromolekul yang merupakan rangkaian asam amino. Polipeptida merupakan subunit dasar penyusun molekul protein.

  Adenin Timin Guanin Sitosin Urasil Fosfat Deoksiribosa Ribosa

Gambar 3.3. Nukleotida adalah subunit penyusun rantai polinukleotida. Nukleotida disusun

  oleh Gula. Basa, dan fosfat. Terdapat lima jenis basa (Adenin, Guanin, Sitosin, Timin, Urasil) dan dua jenis gula (Ribosa dan Deoksiribosa )

Bab 4 Struktur Molekular Bahan Genetik

  73

  3. Polisakarida: Makromolekul dengan sakarida sebagai bahan dasar penyuysun rantainya.

  Polisakarida mencakup berbagai senyawa yang dilibatkan dalam reaksi metabolisme.

  4. Lemak: merupakan rangkaian asam lemak.

  Telah disebutkan bahwa nukleotida merupakan molekul dasar dari polinukleotida. Nukleotida itu sendiri disusun oleh tiga komponen utama; gula, basa, dan fosfor (Gambar 3.3). Terdapat dua jenis gula, yaitu Ribosa dan Deoksiribosa; dan dua kelompok basa, yaitu Purin dan Pirimidin. Kelompok purin terdiri dari Adenin (A) dan Guanin (G), sedangkan pirimidin terdiri dari Sitosin (C), Timin (T), dan Urasil (U). DNA dan RNA dibedakan oleh gula dan basa yang dikandungnya. Deoksiribosa dan Timin hanya dikandung oleh DNA; sedangkan Ribosa dan Urasil dikandung oleh RNA.

  Gula dengan basa membentuk ikatan antara Cl pada gula dengan N1 basa purin atau N6 basa pirimidin; dan senyawa yang dibentuknya disebut nukleosida. Selanjutnya fosfat membentuk ester dengan nukleosida tersebut melalui pembentukan ikatan pada C5 gula.

  Ujung 5’P Percabangan basa Tulang punggung gula fosfat

  Ujung 3’OH

Gambar 3.4. Rantai polinukliotida, merupakan rangkaian nukleotida; fosfat pada C5 satu

  nukleotida dihubungkan dengan C3 dari nukleotida lain sehingga akan terbentuk tulang punggung gula fosfat, dan basa sebagai cabang. Rantai nukleotida mempunyai ujung C5 fosfat dan C3-OH

  74 Genetika

  Esterfosfat-5-nukleosida ini disebut nukleotida. Berdasarkan kandungan gulanya terdapat dua jenis nukleotida, yaitu ribonukleat (dikandung oleh RNA) dan deoksiribonukleotida (yang dikandung DNA). Dalam keadaan bebas nukleotida-nukleotida berada dalam bentuk nukleotida-trifosfat. Juga dapat ditemukan dalam bentuk nukleotida difosfat serta monofosfat.

  Dalam rantai polinukleotida, nukleotida-nukleotida digabungkan satu dengan yang lainnya melalui ikatan fosfodiester yaitu antara fosfat pada C5 dari suatu nukleotida dengan C3 dari nukleotida yang lain (Gambar 3.4). Dengan aturan seperti ini, maka pada ujung rantai polinukleotida akan ditemukan fosfat pada ujung 5 dan radikal OH pada ujung 3.

B. Model Heliks Ganda DNA

  Walaupun secara kimia, DNA telah diketahui sejak beberapa dekade yang lalu, namun strukturnya baru dapat dijelaskan pada tahun 1953 oleh James D. Watson seorang pakar genetika dan biokimia Amerika, dan Francis Crick seorang pakar kedokteran Inggris. Erwin Chargaff dari Columbia University yang mengadakan penelitian terhadap kandungan DNA melaporkan pada tahun 1949 bahwa kuantitas kandungan Adenin (A) dalam DNA berbagai organisme adalah sama dengan Timin (T), sedangkan Guanin (G) sama dengan Sitosin (S). Perbedaan antara DNA dari spesies yang berlainan terletak pada kandungan A+T/G+C. Untuk lebih jelasnya pada Tabel 3.1 disajikan data hasil penelitian pada berbagai organisme.

Tabel 3.1 Komposisi Basa DNA Berbagai Organisme

  Organisme Komposisi Basa (%) Nisbah Basa A T G C A/T G/C A+T/G+C Manusia 30.9 29.4 19.9 19.8 1.05

  1.00

  1.52 Kambing

  29.3

  28.3 21.4 21.0 1.03

  1.02

  1.30 Kecambah-gandum

  27.3 27.1 22.7 22.8 1.04

  1.00

  1.19 Khamir

  31.3

  32.9 18.7 17.1 0.95 1.09 1.79 Escherichia coli 24.7 23.6 26.0 25.7 1.04 1.01 0.93 Brucella abortus 21.0 21.1 29.0 28.9 1.00 1.00 0.72 Diringkas dari Lehninger, A.L. 1982. Principle of Biochemistry, Worth Publisher, New York

  Data Chargaff ini membawa Watson dan Crick kepada kesimpulan bahwa DNA tersusun atas dua utas poliknukleotida, dan terjadi perpasangan basa antara kedua rantai tersebut dengan mengikuti aturan Chargaff, yaitu A berpasangan dengan T, dan G berpasangan dengan C. Antara dua basa yang berpasangan akan terbentuk ikatan hidrogen; antara Adenin

Bab 4 Struktur Molekular Bahan Genetik

  75 Timin Adenin Sitosin Guanin

Gambar 3.5. Dalam satu molekul DNA terdapat dua utas polinukleotida dengan basanya

  berpasangan sesuai aturan Chargaff yaitu A-T dan G-C. Pasangan A-T diikat oleh dua ikatan hidrogen, G-C oleh tiga ikatan hidrogen.

  dengan Timin terdapat dua ikatan hidrogen, dan Sitosin dengan Guanin terdapat tiga ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen ini selain mengikat juga memelihara jarak antara kedua basa. Beberapa persyaratan kimia yang dituntut oleh perpasangan basa ini ialah arah runtunan gula kedua polinukleotida harus berlawanan, sehingga ujung 5'P dari satu utas nukleotida akan berpasangan dengan ujung 3'OH dari utas pasangannya (Gambar 3.5). Perpasangan seperti ini disebut perpasangan anti paralel

  Data lain yang digunakan Watson untuk menjelaskan struktur DNA ialah hasil studi kristalografi DNA yang dilakukan oleh Rosalind Franklin dan Maurice Wilkins (1953). Berdasarkan difraksi sinar-X ditemukan adanya kisi atau celah berukuran sekitar 3.4 A , dan selanjutnya terdapat struktur yang berulang setiap 34 A (Gambar 3.6). Watson dan Crick (1953), menggabungkan data difraksi sinar-X ini dengan penemuan Chargaff, dan menyimpulkan bahwa kedua pasangan rantai polinukleotida tersebut berputar membentuk

  Film foto Celah 3.4 A Sinar terdifraksi. Lebar celah d=~1/ θ Sinar X

  Sampel DNA Celah 34 A

Gambar 3.6. Hasil difraksi sinar X oleh kristal DNA, dari Franklin dan Wilkins, yang

  

membawa Watson dan Crick kepada Struktur heliks ganda DNA. Bagian luar merupakan hasil

difraksi oleh kisi dengan celah 3.4 A dan bagian dalam hasil difraksi oleh kisi berelah 34 A .

  76 Genetika

  suatu pilinan mengelilingi satu sumbu dengan orientasi ke arah kanan. Ikatan hidrogen yang terdapat pada pasangan basa akan membentuk garis tegak lurus terhadap sumbu tersebut di atas (Gambar 3.7). Celah sebesar 3.4 A merupakan celah antara dua kisi yang terbentuk oleh ikatan hidrogen dua pasang basa yang berdampingan. Pengulangan struktur yang sama setiap

  34 A akan terjadi seandainya setiap runtunan sepuluh pasang basa terbentuk satu pilinan. Jadi antara dua jari-jari pasangan basa yang berurutan terbentuk sudut sebesar 360 , dan setelah sepuluh pasang basa akan terbentuk satu lingkaran (360 ).

  .Beberapa sifat kimia penting dari molekul DNA ialah (1) bahwa pasangan basa dari dua utasan polinukleotida diikat oleh ikatan hidrogen. Ikatan ini memberikan kelenturan kepada DNA, yaitu bahwa kedua rantai polenukleotida dapat berpisah dan bergabung kembali tanpa mengalami kerusakan. Hal ini penting bagi DNA dalam proses replikasi (perbanyakan molekul DNA) serta proses transkripsi (ekspresi gen). (2) Antara dua nukleotida dalam satu rantai polinukleotida diikat dengan ikatan kovalen. Ikatan ini sangat kuat tetapi untuk membentuknya diperlukan suatu reaksi kimia yang akan melibatkan energi. Sehingga

  Ujung 3’OH A T C G T A

  34 A Relung mayor A T G C C G

3.4 A

  Relung minor T A G C

  Ujung 3’OH Ujung 5’P

20 A

  Pasangan antiparalel Heliks ganda

Gambar 3.7. Model heliks ganda DNA menurut Watson dan Crick. Pasangan dua utas polinukleotida

  akan berpilin mengitari sebuah sumbu dengan pilihan ke kanan. Dalam satu putaran penuh terdapat 10 pasang basa, antar pasangan basa terdapat jarak 3.4 A atau 34 A untuk sepuluh pasang basa.

Bab 4 Struktur Molekular Bahan Genetik

  77

  kerusakan pada ikatan antara dua nukleotida dapat menyebabkan kerusakan fatal pada molekul DNA. (3) Fosfat merupakan molekul yang hidrofil, sehingga akan berorientasi luar, sedangkan basa-basa merupakan molekul hidrofob, sehingga akan berorientasi dalam. Dengan posisi fosfat terletak di luar dan basa terletak di dalam heliks maka dapat dicegah masuknya molekul air ke dalam DNA, sehingga dapat menghindarkan dari kerusakan akibat reaksi kimia. Sifat ini cukup untuk memelihara kestabilan molekul DNA.

C. Implikasi Genetik dari Model Heliks Ganda

  DNA sebagai bahan genetik, yang merupakan pusat pengendali sifat-sifat organisme, harus mempunyai struktur yang stabil. Kestabilan ini meliputi pertama ketahanan terhadap kerusakan akibat reaksi kimia, dan kedua kestabilan genetik yaitu tidak terjadinya perubahan selama proses replikasi.

  Secara kima di atas telah dijelaskan bahwa struktur heliks ganda dapat melindungi DNA dari kerusakan akibat reaksi kimia yang terdapat dalam sel. Secara genetika menurut Watson adanya utas ganda dalam suatu molekul DNA memberikan kemampuan kepada molekul tersebut untuk membentuk dirinya sendiri. Hal ini penting dalam proses reproduksi atau replikasi. Dalam kimia, sistem komplementasi berguna untuk mengontrol ketepatan perpasangan dua molekul. Model antiparalel antara dua utasan polinukleotida merupakan sistem komplementasi antara basa-basa dari dua rantai tersebut. Basa-basa inilah yang menjadi kunci dalam proses perbanyakan diri DNA, yang memberikan kemampuan molekul DNA untuk mencetak dirinya sendiri dan mengontrol ketepatan dari hasil cetakannya.

  Heliks ganda DNA

Gambar 3.8. Pola semikonser- vatif menurut Watson dan Crick.

  Struktur heliks ganda memung- kinkan terjadinya swaproduksi melalui proses replikasi semi- konservatif yang akan menjamin Pengudaran pilinan heliks

  kestabilan struktur dan genetik dari DNA.

  Utasan DNA Utasan DNA baru baru

  Utasan DNA Utasan DNA lama baru

  78 Genetika

  Setiap utasan rantai polinukleotida akan dapat menjadi cetakan dalam pembentukan molekul DNA baru, dan sistem komplementasi antar basa menjadi patokan dalam proses pencetakan tersebut. Karena dalam setiap molekul ada dua rantai yang merupakan komplemen satu terhadap yang lain, maka bila setiap utasan polinukleotida itu membentuk komplemennya, akan diperoleh dua molekul yang strukturnya sama dengan molekul awal (Gambar 3.8 Proses perbanyakan diri DNA seperti itu disebut proses replikasi semikonservatif.

  Genom Organisme

  Genom ialah gugus atau himpunan gen yang lengkap dari suatu organisme yang dapat mengendalikan jalannya keseluruhan metabolisme sehingga organisme tersebut dapat hidup dengan sempurna. Banyaknya gen yang terdapat dalam suatu genom berbeda dari suatu organisme ke organisme yang lain. Semakin rumit suatu organisme semakin banyak gen yang dikandung di dalam genomnya.Pada Gambar 3.9 diperlihatkan perbandingan ukuran genom berbagai organisme berdasarkan kandungan DNAnya. Virus mempunyai genom kecil yang terdiri dari sepotong asam nukleat yang mengandung beberapa gen. Bakteri mempunyai ukuran genom puluhan ribu kali lebih besar ketimbang virus. Eukaroit mempunyai genom paling besar; dalam inti eukariot diploid yang disebut genom setara dengan satu gugus kromosom haploid

A. Genom Virus

  Kebanyakan virus genomnya terdiri dari satu kromosom, terdapat sejumlah virus dengan genom lebih dari satu kromosm. Berdasarkan bahan dasar penyusunnya genom virus dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu Virus DNA dan Virus RNA. Sebagian besar virus yang menyerang tumbuhan adalah virus RNA. DNA atau RNA penyusun genom virus terdapat dalam bentuk utas tunggal (ut) atau utas ganda (ug). Jadi terdapat virus DNAug, DNAut, RNAug, dan RNAut. Khusus untuk molekul berutas tunggal (DNAut atau RNAut) terdapat dalam dua jenis utasan yaitu utas positif (+) atau utas negatif (-). Yang dimaksud dengan utas (+) ialah utasan yang basa-basanya homolog dengan basa-basa mRNA, sedang utas (-) merupakan komplemen atau antiparalel terhadap mRNA.

  Berdasarkan jenis genom serta cara reproduksinya, Baltimore (1971), mengajukan klasifikasi virus, yang dikenal sebagai klasifikasi Baltimore (Tabel 3.2). Keterangan mengenai jenis genom virus telah disampaikan pada paragraf terdahulu. Reproduksi atau perbanyakan diri virus kelas I sampai kelas V dilakukan melalui proses replikasi, yaitu proses

Bab 4 Struktur Molekular Bahan Genetik

  79

Gambar 3.9. Kandungan DNA pada genom berbagai organisme (dikutip dari

  Zubay, 1984) pembentukan molekul baru, baik DNA maupun RNA, dengan menggunakan molekul lama sebagai model cetakannya. Virus kelas VI memperbanyak diri melalui proses transkripsi balik, yaitu pembentukan DNA dengan menggunakan RNA sebagai model cetakannya, dan selanjutnya DNA yang terbentuk digunakan untuk membentuk RNA virus baru.

Tabel 3.2. Genom virus menurut klasifikasi Baltimore

  Kelas Jenis Genom Contoh

  I DNA ug fT4, fl, Adenovirus, virus herpes, SV40

  II DNA ut(+) fX174, M13, MVM

  III RNA ug Reovirus

  IV RNA ut(+) MS2, virus polio, virus penyakit kuku dan mulut ternak

  V RNA ut(-) virus rabies

  VI RNA ut(-) leukemia, virus AIDS

B. Genom Bakteri Genom bakteri terdiri dari DNA kromosom dan DNA ekstrakromosom atau plasmid.

  Karena bakteri tidak mempunyai pemisahan antara inti dan sitoplasma, maka kromosom dan plasmid kedua-duanya terdapat dalam satu ruang plasma sel yang sama. Pembeda utama yang paling mudah dilihat antara keduanya adalah dari segi ukurannya; plasmid mempunyai

  80 Genetika

  ukuran yang relatif sangat kecil dibandingkan dengan kromosom. Ukuran kromosom bakteri masih tergolong kecil bila dibandingkan dengan kromosom eukariot (lihat Gambar 3.10); dan karena kecilnya kromosom ini tidak tampak di bawah mikroskop cahaya, tetapi sebaliknya lebih mudah dipelajari secara molekular.

  B1. Kromosom

  Sebagian besar bakteri diketahui mempunyai satu kromosom yang disusun oleh satu molekul DNA berbentuk sirkular. Pada akhir dekade delapanpuluhan abad duapuluh berbagai hasil riset membuktikan adanya bakteri yang mempunyai kromosom linear, dan adanya bakteri yang mempunyai dua kromosom.

  Pembuktian pertama tentang bentuk kromosom bakteri dilakukan oleh Cairns (1960) melalui percobaan pada Escherichia coli. Cairns berhasil mengembangkan teknik isolasi DNA bakteri, dan memperoleh satu kromosom atau DNA yang utuh. Kemudian DNA tersebut dipotret dengan teknik autoradiografi. Pada prinsipnya teknik autoradiografi terdiri dari penandaan DNA dengan unsur radioisotop, dan kemudian DNA yang telah ditandai tersebut diletakkan pada film negatif. Setelah dibiarkan dalam beberapa hari, radioisotop akan menandai film tersebut. Dari jejak tanda yang terlihat dalam film dapat diketahui bahwa kromosom bakteri E. coli mempunyai bentuk sirkular, dengan panjang sekitar 1360 mm. mempunyai panjang sel sekitar 1 mm, sampai 2 mm sedangkan kromosomnya

  E. coli

  mempunyai panjang sekitar 1360 mm, yang berarti panjang kromosomnya sekitar seribu kali panjang selnya. Oleh karena itu untuk dapat berada di dalam sel molekul DNA tersebut harus dibentuk dalam suatu kemasan yang lebih kompak. Dalam sel DNA, kromosom akan berkondensasi membentuk struktur yang disebut nukleosid, yang menempati sekitar 10 persen dari volume sel bakteri. Proses kondensasi berlangsung dengan cara pelipatan dan penggulungan.

  B2. Plasmid

  Plasmid merupakan DNA ekstrakromosom yang dikenal pada bakteri, merupakan DNA berutas ganda dan berbentuk sirkular. Plasmid berukuran jauh lebih kecil dari kromosom

  6

  8

  bakteri (BM 10 – 2 x 10 ), membawa sekitar 1-3 persen genom sel. Berbeda dari kromosom keberadaan plasmid dalam sel tidak mutlak; dalam spesies yang sama suatu sel bakteri mungkin mengandung satu jenis plasmid namun bakteri lain tidak memilikinya. dari segi jumlahnya dalam suatu sel, plasmid dapat dibedakan menjadi plasmid dengan salinan yang banyak (relaxed plasmid) atau dengan salinan terbatas (stringent plasmid) Dari segi fungsinya plasmid dibagi menjadi plasmid konjugatif dan plasmid nirkonjugatif.

  

Plasmid konjugatif adalah plasmid yang berperan dalam proses konjugasi; mengandung

Bab 4 Struktur Molekular Bahan Genetik

  81

  operon tra yang berperan dalam transfer plasmid ke sel bakteri lain. Sebagai contoh dari plasmid konjugatif ialah plasmid F pada E. coli, yang berperan dalam pembentukan fili serta replikasi tipe sigma. Dengan fili bakteri F+ akan dapat melakukan kontak dengan bakteri F- dan menyalurkan DNA plasmid linear yang dihasilkan dari replikasi tipe sigma.

  Plasmid menyandikan sejumlah sifat penting yang umumnya tidak disandikan oleh gen pada kromosom bakteri. Sejumlah sifat yang diketahui disandikan oleh gen plasmid antara lain resistensi terhadap antibiotik, produksi antibiotik, degradasi senyawa aromatik, produksi haemolisin, fermentasi gula, produksi enterotoksin, resistensi terhadap logam berat, produksi bakteriosin, merangsang tumor pada tumbuhan dan produksi hidrogen sulfida.

  Agrobbacterium sp mempunyai kemampuan merangsang berkembangnya tumor pada tumbuhan. Pada bakteri ini diketahui adanya satu plasmid, yaitu plasmid Ti yang berfungsi dalam berhubungan dengan tumbuhan inang, yaitu dengan cara mentransfer satu fragmen DNA (yaitu DNA-T) ke dalam sel inang, yang kemudian akan menyebabkan tumbuhnya tumor pada inang. Kemampuan Agrobacterium mentransfer DNA T dan mengintegrasikannya kedalam kromosom tanaman, sekarang telah dimanfaatkan dalam rekayasa genetik. Juga plasmid secara umum banyak dimanfaatkan sebagai wahana atau vektor dalam rekayasa genetik.

C. Genom Eukariot

  Genom eukariot terbagi atas DNA-kromosom dan DNA-sitoplasma. Kromosom terdapat di dalam inti sel dan DNA-sitoplasma terdapat di luar inti; oleh karena itu kedua jenis DNA tersebut sering juga disebut sebagai DNA-inti dan DNA-sitoplasma. Pada sitoplasma, DNA terdapat di dalam dua organel, yaitu mitokondria dan kloroplas.

  C1. Kromosom Inti

  Telah dijelaskan pada Bab 1 bahwa dalam inti eukariot terdapat sejumlah kromosom yang terbagi ke dalam ploidi. Dalam satu ploidi terdapat satu set kromosom yang mencakum seluruh jenis gen yang terdapat xdalam genom inti. Berdasrkan tingkat ploidinya satu sel eukariot dapat merupak sel haploid, dipkoid dan poliploid. Pada sel diploid dan ploidi yang lebih tinggi, setiap jenis kromosom terdapat dalam dua atau lebih salinan

  Dalam setiap kromosom eukariot terdapat satu molekul DNA yang berukuran sangat panjang, yang berasosiasi dengan protein yang disebut histon. Protein histon disusun oleh lima jenis subunit protein, yaitu H1, H2A, H2B, H3, dan H4. Asosiasi DNA dengan histon bertujuan untuk melindungi molekul DNA dari kerusakan, misal pada saat migrasi kromosom saat mitosis atau meiosis pada waktu pembelahan sel, DNA akan dikemas dengan cara

  82 Genetika

  menggulung secara teratur sehingga ukurannya menjadi pendek dan tebal. seperti yang tampak di bawah mikroskop cahaya Di bawah mikroskop elektron, kromatin sering terlihat seperti serat yang mempunyai rangkaian manik-manik yang diikat dengan serat halus, dengan butiran manik-maniknya berukuran sekitar 100 A . Serat halus tersebut adalah DNA dan manik-maniknya adalah protein histon yang dililiti DNA. Asosiasi antara satu butiran histon dengan satu segmen DNA itu disebut nukleosom (Gambar 3.10). Setiap butiran nukleosom disusun oleh unsur inti dan subunit H1. Unsur inti disusun oleh 146 pasang basa DNA yang berasosiasi dengan delapan subunit (tetramer) dari empat jenis subunit H2A, H2B, H3, dan H4 yang masing- masing terdapat dalam dua rangkap (Gambar 3.10)

  Asosiasi terjadi melalui interaksi antara protein yang bermuatan positif, berkat

  DNA 2nm histon

  30 nm nukleosom

  6 nukleosom/lilitan DNA selonoid

  Protein histon terdiri dari 30 nm dua rangkap dari subunit H2A. H2B, H3 dan H4.

  Pada setiap butiran lipatan

  50 lilitan nukleosom berasosiasi selonoid per 300 nm satu H1 domain lipatan Protein nirhiston

  Bagian kromosom 700 nm terkondensasi Kromosom

  1400 nm pada metafse

Gambar 3.10 Asosiasi DNA dengan histon dalam kromosom eukariot. Menjelang

  

pembelahan sel akan terjadi penggulungan DNA menjadi tebal sampai membentuk

struktur kromosom yang tampak di bawah mikroskop

  .

Bab 4 Struktur Molekular Bahan Genetik

  83

  kandungan Lisin dan Arginin, dengan fosfodiester DNA yang bermuatan negatif. Kemudian kepada unsur inti nukleosom tersebut berasosiasi protein H1 serta 20 pasang basa DNA, yaitu 10pb masing-masing dihulu dan hilir DNA unsur inti nukleosom. Jadi pada satu nukleosom keseluruhannya berasosiasi 166 pb DNA, dengan 5 jenis protein histon. Antara satu nukleosom dengan yang lainnya dihubungkan oleh DNA penghubung yang mempunyai panjang sekitar 34 pb. Sehingga untuk setiap nukleosom berasosiasi 200 pb. Satu nukleosom mempunyai diameter sebesar 100 A , dan dengan pembentukan nukleosom ini terjadi pemendekan ukuran utasan DNA sekitar 7 kali dari panjang heliks bebas.

  Pada awal pembelahan sel baik secara mitosis atau meiosis, akan terjadi kondensasi DNA yang berlangsung melalui penggulungan bentuk rantai-rantai tersebut di atas. Penggulungan ini berlangsung berkat adanya H1 yang mempunyai daya tarik ionik sehingga nukleosom- nukleosom tersebut akan menempel membentuk suatu silinder dengan H1 di bagian tengah. Silinder ini disebut solenoid dengan diameter sebesar 350 A (Gambar 3.9) Dengan penggulungan solenoid ini terjadi pemendekan serat sebesar enam kali dibandingkan dengan panjang serat nukleosom, atau sekitar 40 kali panjang DNA dalam bentuk heliks bebas.

  Dari bentuk solenoid masih terjadi proses penggulungan lebih lanjut, tetapi mekanismenya masih belum sejelas pada penggulungan solenoid. Salah satu model penggulungan diajukan pada Gambar 3.9 dimana sebelum mencapai bentuk akhir kromosom masih terdapat dua kali penggulungan setelah tingkat solenoid. Mula-mula solenoid digulung dan menghasilkan tabung berlubang dengan garis tengah sekitar 300 A . Selanjutnya pada metafase saat peralihan dari bentuk kromosom ke kromatid, terjadi lagi proses penggulungan, membentuk gulungan dengan garis tengah sekitar 14000 A , yaitu bentuk akhir kromosom.

  C2. DNA Sitoplasma

  Dalam sitoplasma terdapat dua organel yang mengandung DNA, yaitu mitokondria dan kloroplas. Mitokondria merupakan organel tempat metabolisme oksidatif dan fosforilasi; dalam rangka respirasi. Sedangkan kloroplas merupakan organel tempat berlangsungnya reaksi fotosisntesis. Dlam kedua organel tersebut terdapat DNA yang mengandung gen yang masing-masing berperan untuk mendukung rsepirasi dan fotosintesis.

  DNA mitokondria terdapat wilayah nukleoid mitokondria, yang terusun atas beberapa

  salinan molekul DNA sirkular bebas histon (kromosom). Molekul DNA mitokondria mengandung 15 - 75 kilo pasangan basa, yang dapat menyandikan 16 - 80 macam protein, yang diasumsikan masing-masing mempunyai panjang rata-rata 300 asam amino. DNA mitokondria berperan menyandikan sistem enzim yang berhubungan dengan siklus Kreb. Namun sebagian dari DNA ini diperuntukan untuk menyandikan rRNA, karena itu sebagian

  84 Genetika

  besar dari protein mitokondria disandikan oleh DNA inti. Ekspresi gen mitokendria bebas dari gen inti.

  DNA kloroplas terdiri dari atas molekul DNA utas ganda sirkular. DNA ini

  menyandikan rRNA, tRNA dan sejumlah protein termasuk sejumlah besar subunit rubisco dan sejumlah protein membran (protein klorofil fotosistem I). Replikasi DNA kloroplas berjalan secara semikonservatif dan melibatkan model replikasi lingkaran berputar (rolling circle)

  Rangkuman

  Melalui kejadian transformasi genetik pada bakteri telah dibuktikan bahwa DNA merupakan unsur genetik atau penentu sifat makhluk hidup. DNA merupakan suatu makromolekul yang tersusun oleh nukleotida sebagai molekul dasarnya; sedangkan nukleotida itu sendiri disusun oleh tiga komponen yaitu gula (deoksiribonukleotida), fosfat, dan basa. Ada empat jenis basa pada DNA yaitu Sitosin, Guanin, Adenin, dan Timin. Di samping DNA ada asam nukleat lain yaitu RNA, yang dibedakan dari DNA oleh gula dan basanya. Pada RNA terdapat Ribosa sebagai pengganti Deoksiribosa, dan Urasil sebagai pengganti Timin pada DNA.

  Nukleotida yang satu dirangkaikan dengan nukleotida lain oleh ikatan 3' - 5' fosfodiester membentuk suatu rantai polinukleotida. Dalam satu molekul DNA terdapat dua utas polinukleotida yang diikat oleh ikatan hidrogen yang terbentuk antara basa-basanya. Perpasangan A-T diikat oleh dua ikatan hidrogen dan perpasangan G-C oleh tiga ikatan hidrogen. Pasangan kedua utasan tersebut berpilin membentuk heliks ganda; pada satu pilinan terdapat 10 pasang basa dengan jarak antar nukleotida sebesar 3.4 A atau satu pilinan mempunyai panjang sekitar 34 A . Pilinan heliks ganda mempunyai garis tengah 20 A .

  Struktur heliks ganda dengan gula fosfat yang terletak di bagian luar heliks dan basa di bagian dalam heliks, menjamin kestabilan struktur DNA. Kestabilan ini meliputi pertama ketahanan DNA terhadap kerusakan akibat keadaan lingkungannya, dan yang kedua kestabilan genetik yang berhubungan dengan ketepatan dalam proses replikasi. Struktur heliks-ganda memungkinkan adanya replikasi semikonservatif yang menjamin ketepatan proses replikasi. Untuk lebih menjaga kestabilan DNA, di dalam sel DNA berasosiasi dengan protein, seperti histon pada eukariot.

  Besarnya DNA yang menyusun genom beragam dari satu organisme ke organisme lain. Genom virus berkisar dari 3 x 103 sampai 105 pasang basa, bakteri dari 5 x 105 sampai 107 pasang basa, eukariot dari 107 sampai 1011 pasang basa. Genom bakteri terdiri dari kromosom dan plasmid; dan sebagian besar bakteri mempunyai satu kromosom. Genom eukariot terdiri dari gen inti yang disusun oleh sejumlah kromosom, dan gen sitoplasma yang terdapat dalam bentuk DNA mitokondria dan DNA kloroplas.

  Soal Latihan

  Pilih A bila 1&2 benar, B bila 1&3 benar, C bila 2&3, D bila 1&2&3 1) Makromolekul adalah suatu molekul besar yang tersusun oleh molekul kecil sebagai penyusunnya. Molekul di bawah ini adalah contoh dari makro molekul....

  1) Protein tersusun oleh banyak asam amino

Bab 4 Struktur Molekular Bahan Genetik

  85

  2) Polisakarida tersusun oleh banyak gula 3) Nukleotida tersusun oleh gula, basa, dan fosfat

  A, B, C, D 2) Yang bukan penyusun DNA adalah.... 1) Urasil 2) Histon 3) Sitosin

  A, B, C, D 3) Dengan adanya ikatan hidrogen antara pasangan basa DNA, maka.... 1) Pasangan heliks ganda dapat diudar dan dipilin tanpa risiko kerusakan tinggi 2) Heliks ganda dapat diudar dalam proses replikasi dan translasi 3) Heliks ganda mudah rusak karena kekuatan ikatan hidrogennya sangat lemah

  A, B, C, D 4) Pada DNA-B berukuran panjang 510 A akan terdapat.... 1) 150 pasang basa 2) 10 simpul pilinan 3) 15 simpul pilinan

  A, B, C, D 5) Perbedaan plasmid dan kromosom antara lain.... 1) Keberadaan kromosom dalam sel adalah mutlak sedangkan plasmid tidak mutlak 2) Plasmid berukuran lebih kecil dari kromosom

  3) Kromosom tidak dapat melakukan konjugasi, sedangkan semua plasmid dapat ditransfer melalui konjugasi A, B, C, D

  6) Pada eukaroit, 1) Semua DNA sitoplasma terdapat dalam mitokondria 2) Dalam satu mitokondria terdapat satu kromosom berbentuk sirkular 3) DNA mitokondria mempunyai ukuran sekitar ukuran kromosom bakteri

  A, B, C, D Adams RLP, Knowler JT, and Leader DP. 1986. The Biochemistry of Nucleic Acids. Tenth Edition. Chapman and Hall. London, New York. Albert B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K, and Watson JD. 1994. Molecular Biology of The Cell. Third Edition. Garland Publishing Inc. New York, London. Chargaff E, Visher E, Doninger R, Green C, and Missani F. 1949. The Composition of the

  Deoxyribonucleic Acid of Thymus and Spleen. J. Biol Chem. 177: 405-416 Lehninger, A.L. 1982. Principle of Biochemistry, Worth Publisher, New York Levine, L. (ed) 1971. Papers of Genetics. A book of readings. Mosby International Edition.

  The C.V. Mosby Cmpany Saint Lovis. Singer M and Berg P. 1991. Genes and Genom. University Science Books, Mill Valley

  California. Blackwell Scientific Publications. Oxford, London, Edinburgh, Melbourne, London, Berlin, Vienna

  Daftar Pustaka

  Genetika

  86

  Stryer L. 1995. Biochemistry. WH Freeman and Company. New York Watson J.D. and Crick FHC. 1953. The Structure of DNA. Cold Spring Harbour Symposia

  Quant Biol XVIII :123-131

  Watson JD and Crick FHC. 1953. Genetical Implication of The Structure of Deoxyribo- nucleic Acid. Nature 171:738-740 Zubay G and Marmur J. (Eds). 1973. Papers in Biochemical Genetics. Second Edition. Holt,

  Rinehart and Winston, Inc. New York, Chicago, San Francisco, Atlanta, Dallas, Montreal, Toronto, London. Zubay, G. 1987. Genetics. The Benjamin/Cumming Publishing Company Inc. Menlo Park.

  California.