1

Struktur DNA

Laporan Tugas Mandiri – Pemicu 1 – Modul Biologi Molekular 2010

untuk Diskusi Kelompok: Kamis, 25 Januari 2010

oleh Evan Regar, 0906508024

Nukleotida Sebagai Unit Monomerik DNA

Sebagai salah satu materi genetik yang terkandung di dalam tubuh manusia, DNA (Indonesia: asam deoksiribosa nukelat, disebut

juga ADN; Inggris: deoxiribosenucleic acid) merupakan unit polimer yang tersusun dari unit monomer yang dinamakan

nukleotida. Nukelotida kemudian terpolimerisasi, membentuk ikatan antara satu nukleotida dengan nukleotida lain. Struktur

nukleotida sendiri tersusun dari basa nitrogen, gula, dan gugus fosfat. Basa nitrogen yang menyusun DNA dapat dibagi menjadi

dua jenis, yakni basa purin yang terdiri atas adenin (A) dan guanin (G); serta basa pirimidin yang terdiri atas guanin (G) dan

sitosin (S). Perlu diperhatikan bahwa basa purin memiliki struktur disiklik (dua cincin), sementara pirimidin berstruktur

monosiklik (satu cincin).

Adenin (A)

N

N

NH

N

NH2

Guanin (G)

N

NH

NH

N

NH2

O

Sitosin (C)

N

NH

NH2

O

Timin (T)

NH

NH

O

O

CH3

Gambar 1 – Basa nitrogen yang menyusun unit nukelotida dari DNA

Sementara itu, gula yang menyusun nukleotida merupakan gula ribosa, yang merupakan salah satu jenis dari pentosa (gula yang

mengandung 5 atom karbon dalam strukturnya, contoh lainnya adalah xilosa, arabinosa, dan likosa), yang kehilangan gugus

hidroksil (-OH) yang terikat di atom karbon nomor 2. Oleh karena itu, struktur gula pada DNA dinamakan 2-deoksiribosa.

Ribosa

OHO

OH

OHOH

2-deoksiribosa

OHO

OH

OH

Gambar 2 – Perbandingan struktur ribosa (gula yang menyusun unit nukleotida RNA) dengan 2-deoksiribosa (gula penyusun unit

nukleotida DNA). Perhatikan bahwa atom karbon dari C nomor 2 kehilangan gugus hidroksil.

Gugus fosfat (memiliki struktur PO43-

) hadir pada struktur nukleotida dalam jumlah satu (nukleotida seperti ini disebut dengan

NMP, nucleoside monophosphate); dua (NDP, nucleoside diphosphate); atau sebanyak-banyaknya tiga (NTP, nucleoside

triphosphate).

Kaitan Struktur-Struktur Pembentuk Unit Monomerik Nukleotida

Basa nitrogen, gula, dan fosfat tidak begitu saja menyusun nukleotida. Mereka semua saling tersambung secara khas sehingga

terbentuk suatu struktur monomerik nukleotida. Struktur gula dan basa nitrogen terjalin melalui ikatan yang dinamakan β-N-

glikosida. Ikatan ini terbentuk melalui pengikatan melalui atom C nomor 1 pada struktur gula (disebut juga atom karbon anomer

pada gula) dengan atom N terdapat pada tiap-tiap basa nitrogen (pada umumnya atom N nomor 1 untuk basa pirimidin dan

atom N nomor 9 untuk basa purin). Struktur yang tersusun dari gula dan basa nitrogen dinamakan nukleosida. Nukleosida diberi

nama sesuai dengan basa nitrogen yang menempel pada struktur 2-deoksiribosa. Basa nitrogen adenin membentuk nukleosida

deoksiadenosin; guanin membentuk deoksiguanosin; timin membentuk deoksitimidin; dan sitosin membentuk deoksisitidin.

Perhatikan penambahan kata deoksi- di semua penamaan nukleosida sebagai pembeda dengan struktur nukeleosida yang

menyusun RNA.

2

Gugus fosfat (pertama) akan berikatan dengan gugus hidroksil yang terikat di atom C nomor 5 dari struktur gula. Ikatan ini

dinamakan ikatan ester. Sementara itu, gugus fosfat kedua akan membentuk ikatan dengan gugus fosfat pertama dengna ikatan

anhidrida. Demikian juga gugus fosfat ketiga dengna ikatan anhidrida dengan gugus fosfor kedua.

Dengan demikian, struktur nukelotida terdiri dari nukleosida

(gula; basa nitrogen) dan gugus fosfat.

Gambar 3 – Contoh struktur nukelotida yang tersusun atas

basa adenin. Perhatikan ikatan β-N-glikosida dan ikatan ester.

Penamaan juga menggunakan tambahan 5’ untuk

menekankan pengikatan gugus fosfat pada struktur karbon

nomor 5 dari gula 2-deoksiribosa

Kaitan Antarnukleotida (Polimerisasi)

Seperti yang

telah

dikatakan

sebelumnya,

nukelotida

penyusun DNA terkait membentuk suatu rantai (menghasilkan sebuah struktur

polimer). Bagaimana nukleotida satu dengan nukleotida di bawah atau di

atasnya terkait akan lebih mudah ditunjukkan melalui Gambar 4 di samping kiri

ini.

Perhatikan jalinan dari empat macam nukelotida, yakni G, T, A, dan C yang

kebetulan menyusun struktur polimer nukleotida hipotesis ini, secara berurutan

dari atas ke bawah. Gula yang dimiliki nukleotida G terikat dengan gugus fosfat

yang dimiliki T melalui ikatan dari atom C-3 yang dimiliki gula G dan atom C-5

yang dimiliki oleh gula T (yang tersambung melalui gugus fosfat). Demikian pula

nukleotida T dan A tersambung dengan cara yang sama dengan gugus G dan T.

Hal ini mengakibatkan konsekuensi bahwa kedua ujung di mana polimer berakhir

memiliki polaritas (atau pengutuban). Pada kasus ini, ujung yang satu mengandung gugus fosfat yang terikat pada atom C nomor

5 pada gula G, dan secara umum dinamakan ujung 5’. Sementara itu, ujung lainnya merupakan gugus –OH yang terikat pada

atom C nomor 3 pada gula C (untuk kasus ini), dan secara umum dinamakan ujung 3’. Adanya polaritas di kedua ujung ini

menyebabkan struktur polimerisasi nukleotida ini tidak dapat dibalik-balik secara sembarangan, dan harus dituliskan secara jelas,

(misal: transkripsi membaca rantai DNA dengan arah 3’ � 5’). Selain itu, adanya polaritas ini menjadi penting dalam kasus

transkripsi, karena enzim DNA-polimerase hanya bisa menghasilkan untai anakan dengan arah 5’�3’, sehingga informasi seperti

ini perlu dicantumkan untuk kejelasan.

Struktur DNA: Double-helix

Polimerisasi nukleotida seperti yang telah dibahas di atas belum menyusun struktur DNA. Hal ini disebabkan penemuan oleh

Watson dan Crick yang mengatakan bahwa struktur DNA adalah double dan helix (double helix). Kata double perlu disoroti

karena mengungkapkan bahwa struktur DNA tersusun dari dua rantai polimer nukleotida yang saling berinteraksi antara basa-

basa. Struktur ini digambarkan sebagai tangga, dengan pegangan kiri dan kanan tangga masing-masing terdiri dari satu rantai

polimer nukleotida, sementara anak-anak tangga dapat disimbolisasikan sebagai interaksi antara basa-basa nitrogen dari “kedua

pegangan tangga” yang terwujud melalui interaksi ikatan hidrogen.

3

Lebih lanjut lagi, “kedua pegangan tangga” ini tersusun dari unit nukleotida yang tidak sembarangan berinteraksi. Artinya,

nukleotida di pegangan (rantai polimer nukleotida) kiri pasti berpasangan dengan nukleotida tertentu di rantai kanan.

Terungkap bahwa nukleotida dengan basa nitrogen adenin selalu berpasangan dengan basa nitrogen timin dengan

terbentuknya dua ikatan hidrogen. Sementara itu, sitosin selalu berpasangan dengan guanin dengan terbentuknya tiga ikatan

hidrogen. Dari fakta ini, Chargaff menyatakan aturannya bahwa konsentrasi (yang otomatis menyatakan jumlah) nukleosida

deoksiadenosin selalu sama dengan deoksitimidin (A = T); sementara deoksisitidin selalu sama dengan deoksiguanosin (C = G).

Dapat disimpulkan bahwa basa purin berpasangan dengan basa pirimidin.

Ada perbedaan polaritas antara kedua pegangan tangga ini. Jika pegangan

tangga kiri berawal dari ujung 5’di sebelah atas dan ujung 3’ di sebelah bawah;

pegangan tangga kanan pasti berawal dari ujung 3’ di sebelah atas dan ujung 5’

di sebelah bawah. Demikian pula sebaliknya. Oleh karena itu, untai DNA

dinamakan sebagai antiparalel (anti = berlawanan; parallel = sejajar).

Ke-heliks-an DNA ternyata bukan hanya 1 macam. Salah satu jenis heliks yang

ditemukan lagi oleh Watson dan Crick adalah heliks B, dengan perputaran ke

kanan. Satu putaran penuh terdiri dari sekitar sepuluh pasangan basa. Bentuk

lain, yakni bentuk A banyak ditemukan pada struktur hibrid DNA-RNA (akan

ditemukan pada proses transkripsi RNA). Struktur heliks A ini lebih rapat. Selain

itu, terdapat pula bentuk Z dengan ciri khas perputaran kearah kiri dan adanya

bentuk zig-zag dari gugus-gugus fosfat yang saling berikatan.

Gambar 5 – Model heliks pada DNA. 1 putaran penuh memiliki panjang kurang

lebih 34 angstrom (1 angstrom = 10-10

m). S menggambarkan sugar atau gula dan

P menggambarkan phosphate atau gugus fosfat. Kedua ujung rantai polimer kiri

dan kanan berakhir ditandai dengan perbedaan polaritas (5’ dan 3’).

Pengemasan DNA

Pada organisme prokariotik seperti bakteri, DNA tidak dikemas secara khusus, melainkan langsung dalam bentuk telanjang

(naked form). Bentukan DNA ini langsung terlihat pada struktur kromosom bakteri yang memiliki struktur sirkuler. Kedua ujung

DNA bertemu dan membentuk struktur kromosom lingkar. Sementara itu, ditemukan dalam organisme eukariotik adanya

pengemasan DNA yang memang lebih rumit akan dibahas lebih mendalam. Salah satu alasan pengemasan DNA pada organisme

eukariotik adalah jumlah DNA yang kurang lebih 1.000 kali lebih banyak daripada jumlah DNA pada organisme prokariotik.

Pada tingkat paling awal, DNA untai ganda mengelilingi 8 protein histon yang tersusun berbentuk seperti kubus (terdiri dari

masing-masing dua protein H2A, H2B, H3, dan H4), yang kemudian di-“kunci” oleh protein histon lainnya yang dinamakan H1.

Struktur seperti ini dinamakan nukleosom. Nukleosom satu dengan nukleosom yang lain terpisah dengan DNA untai ganda yang

tidak mengelilingi histon, dengan panjang kurang lebih 20 sampai 200 pasang nukleotida (kurang lebih 68 hingga 680 angstrom).

Penampilan seperti ini mirip dengan kancing-kancing yang berada di sepanjang benang (beads-on-a-string appearance).

Nukleosom-nukleosoom ini membentuk sebuah struktur koil (kumparan) yang disebut solenoida, dengan jumlah 6 hingga 8

nukleosom tiap putaran solenoida.

Gambar 6 – Nukleosom yang terdiri dari lilitan DNA pada 8 protein histon yang dikunci oleh 1 protein histon, dihubungkan

dengan histon lain melalui DNA yang tidak melilit dengan panjang kurang lebih 20 hingga 200 pasangan nukleotida

4

Pada akhirnya, solenoid akan membentuk struktur benang-benang kromatin, yang pada saat proses pembelahan sel akan

mengalami penebalan sehingga Nampak bentuk kromosom.

Gambar 7 – Organisasi dari untai ganda DNA menjadi kromatin (kromosom)

DNA sebagai Penyimpan Informasi Genetik

DNA berfungsi sebagai bahan genetik bagi sel prokariotik maupun eukariotik, sebagai penyimpan informasi yang dibutuhkan

oleh makhluk hidup. DNA dapat diibaratkan sebagai sebuah cetak biru (blueprint), atau resep masakan yang digunakan sebagai

sumber instruksi pembuatan komponen sel, protein, dan molekul RNA. Seperti yang telah dibahas sebelumnya, DNA eukariotik

terorganisasi dengan kompleks, berikatan dengan protein histon, membentuk kromatin. Selama masa interfase, kromatin ada

yang berbentuk heterokromatin (padat, inaktif) dan eukromatin (difus, aktif). Bagian inaktif tidak dikode, sementara bagian aktif

dikode sebagai bahan informasi.

DNA eukariotik banyak mengandung struktur-struktur yang bukan merupakan bagian pengkode gen, atau dengan kata lain

bukan merupakan bagian yang fungsional dalam transkripsi. Bagian ini disebut intron, dan berperan sebagai gen struktural

nonfungsional.

Mitokondria juga mengandung DNA (dengan kandungan kurang dari 0,1% dari kandungan DNA total dalam sebuah sel).

REFERENSI

1. Koolman J, Roehm KH. Color atlas of biochemistry. Stuttgart: Thieme; 2005.

2. Marks DB, Marks AD, Smith CM. Biokimia kedokteran dasar: sebuah pendekatan klinis. Jakarta: EGC; 2000.

3. Murray RK, Granner DK, Rodwell VW. Harper’s Illustrated Biochemistry. 27th

ed. Colombus: The McGraw-Hill Companies;

2006.

“…Kami juga menyadari bahwa pembentukan pasangan spesifik yang kami dalilkan dengan segera mengisyaratkan adanya

kemungkinan mekanisme pembentukan salinan untuk bahan genetik.” – J.D. Watson dan F.H.C Crick, 25 April 1953

5