Bentuk dan Struktur Fisik DNA

DNA merupakan bahan genetik pada semua organisme kecuali beberapa virus tertentu yang mempunyai RNA sebagai bahan genetiknya. Bersamaan dengan pembuktian bahwa DNA merupakan bahan genetik, penelitian tentang struktur asam nukleat sangat intensif dilakukan karena diharapkan pengetahuan ini dapat menjelaskan hubungan antara struktur dan fungsi dari bahan genetik seperti dapat melakukan replikasi, merupakan penyimpan informasi, dapat diekspresikan, dan dapat mengalami perubahan (mutasi).

Antara tahun 1940 dan 1953 banyak ahli yang tertarik untuk mengetahui struktur DNA termasuk di dalamnya adalah: Erwin Chargaff, Maurice Wilkins, Rosalind Franklin, Linus Pauling, Francis Crick, dan James Watson. Di antara usaha pencarian struktur DNA ini, pada tahun 1953 Watson dan Crick mengemukakan model struktur molekul DNA yang sampai saat ini diakui kebenarannya.

Berdasarkan Tabel 1, struktur DNA seperti yang dikemukakan oleh Watson dan Crick dapat dikelompokkan pada tipe B. Molekul DNA tipe B mempunyai lekukan besar dan lekukan kecil. Dibandingkan dengan tipe A, lekukan besar pada tipe B lebih mudah mengikat protein tertentu karena lekukan besar pada tipe A lebih dalam. Bentuk A lebih menyerupai konformasi bagian untai-ganda molekul RNA (misalnya pada tRNA). Molekul hibrid DNA-RNA juga cenderung mempunyai bentuk tipe A.

DNA tipe Z adalah satu-satunya DNA yang untaiannya mempunyai orientasi putar-kiri (left-handed). Molekul DNA tipe semacam ini mempunyai kerangka gula-fosfat yang berbentuk zigzag (sehingga disebut Z). Pada awalnya diduga bahwa DNA Z tidak akan ditemukan secara in vivo karena tipe ini hanya akan stabil dalam kondisi kadar garam yang tinggi. Akan tetapi bukti-bukti menunjukkan bahwa DNA Z dapat menjadi stabil dalam kondisi fisiologis normal jika basa cytosine mengalami metilasi menjadi 5-methylcytosine. Dengan teknik antibodi fluoresen (fluorescent antibody) dapat dibuktikan bahwa DNA tipe Z ada pada bagian tertentu kromosom Drosophila. Bukti lain juga menunjukkan bahwa DNA Z dapat ditemukan secara in vivo, yaitu dengan ditemukannya suatu protein pada jaringan Drosophila yang hanya dapat berikatan dengan DNA Z sintetik, tetapi tidak dapat berikatan dengan DNA tipe B.

1. Nukleotida

Asam nukleat merupakan molekul polimer, polinukleotida, yang tersusun dari monomer nukleotida. Dengan demikian maka nukleotida merupakan unit dasar penyusun asam nukleat. Nukleotida tersusun dari tiga komponen yang penting, yaitu: basa nitrogen, gula pentosa yang mempunyai lima karbon, dan gugus fosfat. Ada dua jenis basa nitrogen penyusun nukleotida yaitu: basa purin yang berstruktur cincin ganda, dan basa pirimidin yang berstruktur cincin tunggal. Basa purin yang terdapat di dalam nukleotida ada dua tipe yaitu: adenin (A) dan guanine (G), sedangkan 3 tipe basa pirimidin biasa terdapat di nukleotida adalah: sitosin (C), timin (T), dan urasil (U). DNA mengandung basa nitrogen A, G, C. Basa T hanya terdapat di DNA,

Gula pentosa yang terdapat di dalam molekul RNA adalah ribosa, sedangkan yang terdapat di molekul DNA adalah deoksiribosa. Deoksiribosa mirip dengan ribosa, hanya saja pada atom C2′ pada deoksiribosa kekurangan gugus hidroksil dibandingkan dengan ribosa. Basa purin atau pirimidin yang bergabung dengan gula pentosa (ribose atau deoksiribosa) membentuk molekul nukleosida. Jika gugus fosfat bergabung dengan nukleosida, maka membentuk nukleotida. Berdasarkan gula pentosanya, terdapat dua macam nukleosida yaitu: ribonukleosida yang mengandung gula ribosa, dan deoksiribonukleosida yang mengandung gula deoksiribosa. Nukleosida dan nukleotida dinamai berdasarkan pada basa nitrogen yang spesifik. Ikatan di antara tiga komponen penyusun nukleotida adalah san gat spesifik. C1′ dari gula pentosa berikatan dengan basa nitrogen. Bila basanya purin, maka C1′ pentosa berikatan dengan N9 purin, dan bila basanya pirimidin, C1′ berikatan dengan N1 pirimidin.

Pada molekul nukleotida, gugus fosfat dapat diikat pada C2′, C3′, C5′ dari pentosa. Bila satu gugus fosfat diikatkan pada nukleosida akan membentuk nukleosida monofosfat, bila dua fosfat, menjadi nukleosida difosfat, dan bila tiga fosfat menjadi nukleosida trifosfat. Bila nukleotida tersusun dari gula ribosa, basa adenin dan tiga gugus fosfat maka disebut dengan adenosine trifosfat (ATP). Sedangkan nukleotida yang tersusun oleh gula deoksiribosa, basa adenin dan tiga gugus fosfat disebut dengan deoksiadenosin trifosfat (dATP). Pada molekul nukleotida di sini, gugus fosfat diikat pada C5′ dari pentosa.

2. Polinukleotida

Nukleotida yang satu diikatkan dengan nukleotida yang lain membentuk rantai polinukleotida dengan ikatan kovalen fosfodiester. Ikatan ini terbentuk antara gugus hidroksil (OH) pada C3′ dari satu nukleotida dengan gugus fosfat pada C5′ dari nukleotida lainnya, sehingga membentuk ikatan fosfodiester 3′- 5′. Nukleotida yang baru dapat ditambahkan pada gugus OH dari C3’pada rantai nukleotida yang sedang tumbuh.

Jadi, penambahan nukleotida pada rantai polinukleotida selalu terletak pada gula yang melibatkan gugus fosfat, sedangkan basa nitrogennya bebas, sehingga bentuk polinukleotida merupakan rantai yang tersusun dari tulang punggung yang berupa gula-fosfat dengan nitrogen sebagai percabangannya. Menurut Watson dan Crick, DNA mempunyai utas ganda, dan kedua utas tersebut saling berpilin. Masing-masing utas tersusun dari rantai polinukleotida. Antara polinukleotida yang satu dengan polinukleotida yang lainnya diikat dengan ikatan-ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen, yang merupakan ikatan yang lemah, terbentuk antara dua basa nitrogen.

Basa guanin (G) selalu berikatan dengan basa sitosin (C) dan basa adenin (A) selalu berikatan dengan timin (T). Perpasangan ini didasarkan pada penelitian Chargaff, sehingga biasa disebut dengan aturan chargaff. Chargaff telah mengisolasi DNA dari beberapa organisme, dan mendapatkan bahwa banyaknya basa purin selalu sama dengan banyaknya basa pirimidin, banyaknya A selalu sama dengan T, dan jumlah G sama dengan jumlah C atau (A+G)/(T+C)=1. Jumlah G+C tidak sama dengan A+T, atau perbandingan (G+C)/(A+T) tidak sama dengan satu tetapi bervariasi tergantung dari organismenya. Antara basa G dan C dapat terbentuk 3 ikatan hidrogen, dan antara A dan T dihubungkan dengan 2 ikatan hidrogen, sehingga ikatan antara G-C lebih kuat dibandingkan dengan A-T. Oleh sebab itu DNA yang banyak mengandung G dan C lebih sulit didenaturasi (dirusak atau diuraikan) dibandingkan dengan DNA yang banyak mengandung A dan T.

Utas ganda DNA berpilin searah dengan jarum jam ke arah kanan. Dalam satu putaran terdapat 10 pasang nukleotida. Panjang satu putaran 34 Ao sehingga pasangan nukleotida yang satu dengan pasangan nukleotida yang berikutnya berjarak 3,4 Ao. DNA utas ganda berpilin berdiameter 20 Ao. Utas ganda yang berpilin ini menciptakan suatu celah. Dalam satu putaran terdapat satu celah lebar (major groove) dan satu celah sempit (minor groove). Struktur DNA yang demikian, yang umumnya dijumpai disebut dengan B-DNA. Dari hasil penelitian selanjutnya ternyata ditemukan adanya modifikasi dari struktur B-DNA. A-DNA mempunyai arah pilinan sama dengan B-DNA tetapi lebih kompak, yang berdiameter 23 Ao, dan dalam satu putaran terdapat 11 pasang nukleotida. Struktur lainnya adalah Z-DNA yang mempunyai arah pilinan ke kiri (berlawanan dengan arah jarum jam), yang mempunyai diameter 18 Ao dan setiap putaran terdapat 12 pasang nukleotida.