Struktur dan Fungsi DNA

Penemuan struktur DNA oleh Watson dan Crick pada tahun 1953 merupakan peristiwa besar dalam dunia sains, yang melahirkan disiplin ilmu baru dan memengaruhi arah perkembangan banyak bidang yang telah ada sebelumnya. Pemahaman kita saat ini mengenai penyimpanan dan pemanfaatan informasi genetik sel didasarkan pada hasil penelitian yang dimungkinkan oleh penemuan ini. Gambaran umum tentang bagaimana informasi genetik diproses oleh sel kini menjadi syarat dasar untuk membahas topik apa pun dalam biokimia.

Dalam bagian ini, fokus kita adalah pada struktur DNA itu sendiri, peristiwa-peristiwa yang mengarah pada penemuannya, serta pemahaman terkini yang lebih rinci. Struktur RNA juga akan diperkenalkan.

Seperti halnya struktur protein, kadang-kadang berguna untuk menggambarkan struktur asam nukleat berdasarkan tingkatan hierarkis kompleksitas, yaitu:

• Struktur primer: struktur kovalen dan urutan nukleotida dalam asam nukleat.

• Struktur sekunder: bentuk-bentuk reguler dan stabil yang dibentuk oleh sebagian atau seluruh nukleotida dalam molekul asam nukleat. Seluruh struktur yang dibahas dalam bab ini termasuk dalam struktur sekunder.

• Struktur tersier: lipatan kompleks dari kromosom besar dalam kromatin eukariotik atau nukleoid bakteri.

1. DNA Menyimpan Informasi Genetik

Penelitian biokimia terhadap DNA dimulai oleh Friedrich Miescher, yang melakukan studi kimia sistematis pertama terhadap inti sel. Pada tahun 1868, Miescher berhasil mengisolasi suatu zat yang mengandung fosfor dari inti sel nanah (sel leukosit) yang diperoleh dari perban bekas operasi, dan ia menamainya “nuklein”. Ia menemukan bahwa nuklein terdiri dari bagian yang bersifat asam—yang kini kita kenal sebagai DNA—dan bagian yang bersifat basa, yaitu protein. Miescher kemudian menemukan zat asam serupa di kepala sel sperma ikan salmon. Meskipun ia berhasil memurnikan sebagian nuklein dan mempelajari sifat-sifatnya, struktur kovalen (primer) DNA (seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8–7) belum diketahui secara pasti hingga akhir tahun 1940-an.

2. Molekul DNA Memiliki Komposisi Basa yang Khas

Petunjuk penting dalam mengungkap struktur DNA berasal dari penelitian Erwin Chargaff dan rekan-rekannya pada akhir tahun 1940-an. Mereka menemukan bahwa empat basa nukleotida dalam DNA terdapat dalam perbandingan yang berbeda-beda pada DNA dari organisme yang berbeda, namun jumlah beberapa basa memiliki hubungan yang erat. Data yang dikumpulkan dari DNA berbagai spesies ini mengarah pada kesimpulan aturan Chargaff sebagai berikut:

1. Komposisi basa DNA umumnya bervariasi antar spesies.

2. DNA yang diisolasi dari jaringan berbeda dalam satu spesies memiliki komposisi basa yang sama.

3. Komposisi basa DNA dalam satu spesies tidak berubah oleh usia, kondisi nutrisi, atau lingkungan yang berubah.

4. Dalam semua DNA seluler, terlepas dari spesiesnya:

   • Jumlah adenosin (A) selalu sama dengan jumlah timin (T) → A = T

   • Jumlah guanosin (G) selalu sama dengan jumlah sitosin (C) → G = C

   • Dengan demikian, jumlah purin (A + G) = jumlah pirimidin (T + C)

Hubungan kuantitatif ini, yang dikenal sebagai "Aturan Chargaff", kemudian dikonfirmasi oleh banyak peneliti lain. Aturan ini menjadi kunci dalam menentukan struktur tiga dimensi DNA, dan memberikan petunjuk bagaimana informasi genetik dikodekan dalam DNA dan diwariskan dari satu generasi ke generasi berikutnya.

Tantangan berikutnya adalah merumuskan model tiga dimensi DNA yang tidak hanya menjelaskan data difraksi sinar-X tersebut, tetapi juga kesetaraan pasangan basa A = T dan G = C yang ditemukan oleh Chargaff, serta sifat kimia DNA lainnya.

Pada tahun 1953, Watson dan Crick mengusulkan model struktur DNA tiga dimensi yang menjelaskan semua data yang tersedia. Model ini terdiri atas dua rantai heliks DNA yang melilit pada sumbu yang sama membentuk heliks ganda berpilin ke kanan. Tulang punggung DNA yang terdiri dari deoksiribosa dan gugus fosfat bersifat hidrofilik dan menghadap ke luar, sementara cincin furanosa pada setiap deoksiribosa berada dalam konformasi C-2 endo.

Inilah dasar dari aturan Chargaff (A = T, G = C), dan juga menjelaskan mengapa semakin tinggi rasio pasangan G≡C, semakin sulit memisahkan kedua untai DNA.

Jarak antar pasangan basa yang bertumpuk secara vertikal adalah 3,4 Å, dan dalam satu putaran lengkap heliks terdapat sekitar 10 pasangan basa, menghasilkan jarak pengulangan sekunder sekitar 34 Å. Dalam larutan air, DNA memiliki 10,5 pasangan basa per putaran heliks.

Ketika Watson dan Crick membangun model mereka, mereka harus memutuskan apakah kedua untai DNA harus sejajar atau antiparalel. Orientasi antiparalel menghasilkan model yang paling meyakinkan, dan bukti eksperimental dari kerja DNA polimerase serta analisis sinar-X kemudian mengonfirmasi hal ini.

Model struktur ini segera menyarankan mekanisme pewarisan informasi genetik. Fitur pentingnya adalah komplementaritas dua untai DNA, yang memungkinkan proses replikasi:

1. Kedua untai dipisahkan

2. Setiap untai lama digunakan sebagai cetakan untuk mensintesis untai baru yang komplementer, mengikuti aturan pasangan basa.

Eksperimen selanjutnya berhasil membuktikan prediksi ini dan memulai revolusi dalam pemahaman kita tentang pewarisan sifat biologis.

4. DNA Dapat Berbentuk Dalam Beberapa Struktur Tiga Dimensi

Variasi struktur dalam DNA mencerminkan tiga hal:

1. Konformasi berbeda dari gula deoksiribosa,

2. Rotasi pada ikatan-ikatan yang menyusun rangka fosfodeoksiribosa (lihat Gambar 22a),

3. Rotasi bebas pada ikatan C-1 dan basa melalui ikatan N-glikosidik (lihat Gambar 22b).

Karena keterbatasan ruang (sterik), purin dalam nukleotida purin hanya bisa berada dalam dua konformasi stabil terhadap deoksiribosa, yaitu sin dan anti. Sementara itu, pirimidin umumnya hanya berada dalam konformasi anti karena adanya gangguan sterik antara gula dan gugus karbonil pada C-2 pirimidin.

Struktur DNA Watson-Crick juga dikenal sebagai DNA bentuk B (B-DNA). Bentuk B merupakan struktur yang paling stabil untuk molekul DNA dengan urutan acak di bawah kondisi fisiologis, dan karena itu menjadi standar acuan dalam studi sifat DNA.

5. Urutan DNA Tertentu Mengadopsi Struktur yang Tidak Biasa

Salah satu jenis urutan DNA yang cukup umum adalah palindrom, yaitu kata atau frasa yang tetap sama jika dibaca dari depan maupun belakang (misalnya: ROTATOR atau KATAK). Dalam DNA, istilah ini merujuk pada urutan basa dengan pengulangan terbalik dan simetri dua arah pada dua untai DNA (lihat gambar di atas). Urutan ini bersifat saling komplementer dalam satu untai, sehingga dapat membentuk struktur jepit rambut (hairpin) atau struktur silang (cruciform) (lihat gambar di bawah).

Jika pengulangan terbalik terjadi dalam satu untai saja, maka disebut cermin (mirror repeat). Mirror repeat tidak dapat membentuk struktur jepit rambut atau cruciform karena tidak memiliki pasangan komplementer dalam untai yang sama. Jenis-jenis urutan ini ditemukan hampir di semua molekul DNA besar, mulai dari hanya beberapa pasangan basa hingga ribuan. Seberapa sering struktur cruciform benar-benar terbentuk dalam sel masih belum diketahui, meskipun telah terbukti terjadi secara in vivo pada E. coli.

Urutan self-complementary (komplementer dengan dirinya sendiri) dapat menyebabkan untai tunggal DNA atau RNA melipat membentuk struktur kompleks yang terdiri dari banyak hairpin.

Beberapa struktur DNA yang tidak biasa melibatkan tiga atau bahkan empat untai DNA. Variasi struktur ini penting untuk dipelajari karena sering muncul di lokasi tempat berlangsungnya peristiwa penting dalam metabolisme DNA, seperti replikasi, rekombinasi, dan transkripsi.

Basa nukleotida yang terlibat dalam pasangan basa Watson-Crick (lihat Gambar 16) juga dapat membentuk ikatan hidrogen tambahan, terutama dengan gugus fungsi yang berada di alur besar (major groove). Misalnya, sitosin (yang terprotonasi) dapat berpasangan dengan guanin dalam pasangan G≡C, dan timin dapat berpasangan dengan adenin dalam pasangan A=T (lihat gambar di bawah). Posisi N-7, O6, dan N6 dari purin yang terlibat dalam ikatan hidrogen pada struktur DNA tripel (triplex DNA) disebut sebagai posisi Hoogsteen, dan pasangan basa non-Watson-Crick ini disebut pasangan Hoogsteen, sesuai nama Karst Hoogsteen yang pertama kali mengemukakan potensi pasangan ini pada tahun 1963. 

Pasangan Hoogsteen memungkinkan pembentukan DNA tripel. Struktur tripel ini paling stabil (Gambar 27a, b) pada pH rendah karena pasangan tripel C≡G•C memerlukan sitosin terprotonasi. Dalam tripel ini, pKa sitosin berubah dari nilai normal 4,2 menjadi sekitar 7,5. Tripel ini juga lebih mudah terbentuk pada urutan panjang yang hanya terdiri dari pirimidin atau purin pada satu untai. Beberapa tripel DNA mengandung dua untai pirimidin dan satu purin; yang lain mengandung dua purin dan satu pirimidin.

Empat untai DNA juga dapat saling berpasangan membentuk tetrapleks (quadruple helix), tetapi ini hanya terjadi pada urutan DNA yang sangat kaya akan guanin (lihat Gambar 27c, d). Struktur ini dikenal sebagai tetrapleks guanin (G-tetrapleks) dan sangat stabil dalam berbagai kondisi. Orientasi untai dalam tetrapleks ini dapat bervariasi seperti ditunjukkan pada Gambar 27e.

Simak video di bawah ini untuk mempermudah pemahaman anda tentang struktur dan fungsi DNA!