-
I. BAHAN GENETIK DAN EKSPRESI GEN
I.1. Bahan Genetik
Pada tahun 1869, Friedrich Miesher (seorang ahli ilmu kimia yang
berasal
dari Jerman) meneliti susunan kimia nucleus sel. Hasil
penelitiannya
menunjukkan bahwa pada nucleus sel terdapat zat yang mengandung
fosfor
yang sangat tinggi dan diberi nama nuklein. Nama ini kemudian
diubah
menjadi asam nukleat. Asam nukleat ini terdiri dari 2 tipe,
yaitu asam
deoksiribonuleat (DNA) dan asam ribonukleat (RNA)
I.1.1. Struktur DNA
I.1.1.1. Ukuran dan Bentuk DNA
Hasil penelitian Watson dan Crick (1953) menunjukkan bahwa
molekul
DNA memiliki bentuk double helix yaitu pita spiral dobel yang
saling berpilin.
Adapun ukuran DNA pada makhluk hidup bervariasi antara satu
dengan
lainnya. Pada manusia panjang DNA kira-kira 1 juta m, lalat
Drosophila
melanogaster kira-kira 16.000 m, dan pada bakteri Eschericia
coli kira-kira
1100 m.
I.1.1.2. Susunan Kimia DNA
Molekul DNA tersusun atas nukleotida-nukleotida yang terdiri
dari gula
deoksiribosa, fosfat (PO4), dan basa nitrogen yang dibedakan
atas kelompok
pirimidin yang terdiri dari basa sitosin (C) dan timin (T) dan
kelompok purin
yang terdiri dari basa adenine (A) dan guanine (G). Basa sitosin
akan
berikatan dengan basa guanine, sedangkan basa timin akan
berikatan
dengan basa adenine. Basa-basa pada struktur DNA tersebut
saling
berikatan karena adanya ikatan hidogen Jarak antara satu basa
dengan basa
berikutnya adalah 3,4 Angstrom (1 Angstrom = 0,1 nm), sehingga
jarak 10
basa adalah 34 Angstrom. Adapun garis tengah DNA adalah 20
Angstrom.
Secara garis besar struktur DNA dapat dilihat pada gambar
I.1.
-
Gambar I.1. Struktur DNA
-
I.1.1.3. Lokasi dan Fungsi DNA
DNA umumnya terdapat pada inti dan terletak pada kromosom,
namun
demikian DNA dapat pula dijumpai pada mitokondria (tumbuhan dan
hewan)
dan kloroplas (tumbuhan). Adapun fungsi DNA adalah memberi
informasi
genetik, sehingga segala perintah yang ada hubungannya dengan
sifat
keturunan dilakukan oleh DNA
I.1.2. Struktur RNA
Pada makhluk prokaryotik dan eukariotik selain dijumpai DNA
juga
didapatkan asam nukleat yang lain yaitu asam ribonukleat (RNA).
Pada virus
(misalnya virus mozaik tembakau) tidak memiliki DNA dan hanya
memiliki
RNA. Secara garis besar stuktur RNA dapat dilihat pada gambar
I.2.
Gambar I.2. Struktur RNA bila dibandingkan dengan DNA
-
I.1.2.1. Ukuran dan Bentuk RNA
Pada umumnya ukuran RNA lebih pendek daripada DNA. Bentuk
RNA
adalah single strand atau pita tunggal.
I.1.2.2. Susunan Kimia RNA
Molekul RNA tersusun dari gula ribose, fosfat (PO4) dan basa
nitrogen
yang terdiri dari kelompok pirimidin yang meliputi basa sitosin
(C) dan basa
urasil (U) dan kelompok purin yang meliputi basa guanine (G) dan
basa
adenine (A)
I.1.2.3. Macam-macam RNA
a. m-RNA (messenger RNA) berfungsi menerima informasi genetik
dari
DNA dan proses ini disebut transkripsi yang berlangsung dalam
inti sel
b. t-RNA (transfer RNA) mempunyai bentuk daun semanggi (lihat
gambar
6 ). Menurut Holley (1965) yang menemukan t-RNA, pada
beberapa
bagian tampak basa-basa t-RNA memperlihatkan pasangan tetapi
tidak membentuk pilin berganda seperti pada DNA. Transfer RNA
ini
berfungsi menterjemahkan informasi genetik dari m-RNA pada
proses
translasi yang berlangsung di ribosom.
c. r-RNA (ribosom RNA) terdapat di ribosom. Molekul-molekul RNA
ini
menyusun unit kecil dan unit besar ribosom dan berperan pada
proses
translasi.
I.2. Replikasi DNA
Replikasi DNA adalah proses berlipatgandanya molekul-molekul
DNA.
Proses ini terjadi pada fase interfase dari siklus sel bersamaan
dengan proses
duplikasi kromosom. Ada 3 teori yang menjelaskan tentang
replikasi DNA, yaitu :
-
1. Semikonservatif
Dua pita spiral dari pita berpilin ganda memisahkan diri. Tiap
pita tunggal
(parental) dari pita berpilin ganda ini berlaku sebagai cetakan
(template)
untuk membentuk pasangan baru
2. Konservatif
Molekul DNA yang lama tetap, artinya pita berpilin ganda tidak
membuka
dan selanjutnya dibentuk pita pasanagan baru
3. Dispersif
Kedua pita dari pita berpilin ganda parental putus di beberapa
bagian
yang kemudian dibentuk segmen-segmen baru. Selanjutnya
potongan-
potongan DNA parental dan anakan yang baru bersambungan dan
menghasilkan pita berpilin ganda yang baru.
Dari ketiga teori replikasi DNA di atas, tampaknya replikasi DNA
semikonservatif
lebih sesuai dengan pendapat Watson dan Crick. Adapun ketiga
teori replikasi
DNA ini dapat dilihat pada gambar I.3.
Gambar I.3. Teori replikasi DNA
-
Untuk lebih jelasnya skema replikasi DNA dapat dilihat pada
gambar I.4 di
bawah ini ;
Gambar I.4. Skema terjadinya replikasi DNA
-
I.3. Kode Genetik
Kode Genetik diciptakan oleh Nirenberg, Khorana, dan Holley pada
tahun
1968 dan ketiganya memperoleh nobel atas prestasinya tersebut.
Kode genetik
ini merupakan suatu cara untuk menetapkan jumlah serta urutan
nukleotida yang
berperan dalam menentukan posisi yang tepat dari tiap asam amino
pada rantai
polipeptida yang panjang.
Banyaknya nukleotida yang menyusun sebuah kodon mengikuti rumus
4n.
Angka 4 menunjukkan 4 macam nukleotida (A,G,C,U), sedangkan
n
menunjukkan nukleotida yang menyusun kodon (yaitu suatu set
nukleotida
spesifik untuk suatu asam amino). Seperti telah kita ketahui
bersama bahwa
jumlah asam amino ada 20, dengan demikian apabila digunakan kode
singlet
yaitu kode genetik yang menggunakan kodon yang terdiri dari satu
nukleotida
saja, maka akan didapatkan 41 = 4 kodon saja yaitu A,G,C, dan U.
Berhubung
jumlah asam amino ada 20, maka kode singlet ini tidak memenuhi
syarat, karena
baru dapat mengkode 4 asam amino saja. Apabila digunakan kode
dublet, maka
baru 16 macam asam amino yang dikode. Selanjutnya apabila
digunakan kode
triplet, maka akan diperoleh 64 kodon yang dapat mengkode
seluruh asam
amino dan beberapa diantaranya dikode lebih dari satu kodon.
Berdasarkan hal
tersebut , maka kode genetik yang berlaku sampai sekarang adalah
kode triplet
yaitu satu kodon terdiri dari tiga nukleotida. Kode genetik
bersifat universal,
artinya bahwa kode ini berlaku untuk semua jenis makhluk
hidup.
Seluruh asam amino (kecuali metionin dan triptofan) dikode lebih
dari satu
kodon. Tiga asam amino, yaitu leusin, serin, dan ardinin
masing-masing dikode
oleh 6 kodon yang berlainan. Suatu keadaan yang memperlihatkan
bahwa setiap
asam amino dikode oleh lebih dari satu kodon disebut degenerasi.
Degenerasi
dalam kode genetik ini tidak secara acak melainkan ada aturan
tertentu.
Biasanya beberapa kodon yang mengkode sebuah asam amino berbeda
oleh
hanya satu basa yaitu yang ketiga dari kodon.
-
Tiga macam kodon yaitu UAA, UAG, dan UGA disebut kodon
terminator,
karena berfungsi untuk mengakhiri suatu proses sintesa protein.
Ketiga kodon
tersebut juga disebut kodon nonsense, karena tidak mengkode satu
asam
aminopun. Adapun kodon AUG berfungsi sebagai inisiator, sehingga
disebut
kodon inisiator. Secara garis besar kode genetic dapat dilihat
pada gambar I.5.
Gambar I.5. Kode genetik
I.4.Sintesa Protein
Sintesa protein merupakan transfer informasi genetik dari DNA ke
RNA
dan selanjutnya dari RNA ke protein dibagi menjadi dua tahap
yaitu proses
transkripsi dan proses translasi. Proses transkripsi merupakan
proses
penerimaan informasi genetik oleh m-RNA dari DNA dan proses
translasi
merupakan proses penterjemahan informasi genetik dari m-RNA.
-
I.4.1. Proses transkripsi
Proses transkripsi berlangsung di dalam inti sel. Proses ini
dimulai dengan
membukanya pita berpilin ganda DNA dengan bantuan enzim RNA
polymerase.
Setelah sebagian pita berpilin ganda DNA membuka, maka m-RNA
dibentuk
sepanjang salah satu pita DNA tersebut. Pita DNA ini mempunyai
urutan 3-
-5 (pita sense). Basa pada m-RNA ini komplementer dengan
basa
yang menyusun pita DNA tersebut. Apabila basa pada pita DNA
tersebut adalah
3-GCTCGACTAA-5, maka akan dicetak ke m-RNA menjadi
5-CGAGCUGAUU-
3. Pada keadaan ini m-RNA dikatakan telah menerima informasi
genetik dari
DNA. Messenger-RNA (m-RNA) yang telah menerima informasi genetik
dari
DNA kemudian meninggalkan inti sel melaui pori-pori dari membran
inti dan
menuju ke ribosom untuk proses translasi.
I.4.2.Proses translasi
Proses ini berlangsung di dalam sitoplasma. Pada proses ini
untuk dapat
menterjemahkan m-RNA menjadi asam amino diperlukan t-RNA yang
mampu
membaca kode-kode genetik dalam m-RNA. Dalam hal ini t-RNA
memiliki urutan
tiga nukleotida spesifik yang disebut antikodon yang mampu
berpasangan
secara komplementer dengan kodon-kodon yang ada pada m-RNA.
Dengan
perantaraan antikodon ini molekul t-RNA yang membawa asam amino
spesifik
akan membaca urutan kodon yang ada pada m-RNA. Selanjutnya
secara
berturut-turut t-RNA spesifik asam amino yang berikatan dengan
kodon-kodon
m-RNA akan melepaskan asam-asam amino yang dibawanya. Proses ini
terjadi
secara berkesinambungan sampai terbentuk suatu rantai
polipeptida tertentu
yang terdiri dari asam-asam amino dengan urutan tertentu.
Polipeptida yang
terbentuk dapat berupa protein fungsional atau protein
struktural.
-
Secara garis besar proses transkrisi dan translasi dapat dilihat
pada gambar I.6
dan I.7.
Gambar I.6. Proses transkripsi
-
Gambar I.7. Struktur t-RNA dan proses translasi
-
I.5. Ekspresi Gen
Berdasarkan penjelasan di atas, maka jelaslah bahwa gen
merupakan
potongan DNA yang mempunyai urutan nukleotida tertentu yang
membawa
informasi genetik. Urutan asam amino tersebut berbeda-beda untuk
tiap gen dan
hal tersebut menentukan urutan asam amino yang dibentuk.
Pada proses metabolisme diperlukan adanya enzim sebagai
perantara.
Menurut Archibald E. Garrot terbentuknya tiap enzim dikontrol
oleh satu atau
beberapa gen. Apabila gen yang dibutuhkan untuk terbentuknya
enzim tertentu
tidak ada, maka akan terjadi blok metabolisme. Berdasarkan hal
tersebut
kemudian dikenal adanya hipotesa Garrod yaitu :
Sebuah gensebuah enzim
Sebuah gen mutansebuah blok metabolisme
Selanjutnya hipotesa ini oleh G.W. Beadle and E.L. Tatum diubah
menjadi :
Sebuah gensebuah polipeptida
Hal ini dilakukan karena produk gen tidak selalu protein
fungsional (enzim), tapi
dapat pula berupa protein struktural.
Adanya blok metabolisme mengakibatkan terjadinya kesalahan
metabolisme yang oleh Garrod dinamakan kesalahan metabolisme
bawaan.
Salah satu contohnya adalah kelainan albino. Kelainan geneti ini
disebabkan
karena tidak adanya enzim yang dapat mengubah tirosin menjadi
beta-3,4
dihidroksifenilalanin untuk membentuk melanin. Keadaan ini
mengakibatkan
penderita albino tidak memiliki pigmen baik di kulit, mata,
maupun rambut.
Terjadinya blok metabolisme pada albino disebabkan karena adanya
gen resesif
yang terdapat di autosom.
Keadaan albino pada beberapa makhluk hidup dapat dilihat pada
gambar
I.8.
-
Gambar I.8. Kelainan albino pada beberapa makhluk hidup