Isi
DNA adalah salah satu dari sedikit kombinasi huruf pada inti dari disiplin ilmu yang tampaknya memicu tingkat pemahaman yang signifikan bahkan pada orang dengan sedikit paparan biologi atau ilmu pengetahuan pada umumnya. Kebanyakan orang dewasa yang mendengar frasa "Ada dalam DNA-nya" segera mengenali bahwa suatu sifat tertentu tidak dapat dipisahkan dari orang yang digambarkan; bahwa karakteristiknya entah bagaimana merupakan bawaan lahir, tidak pernah hilang dan mampu dipindahkan kepada orang-orang itu, anak-anak dan seterusnya. Ini tampaknya benar bahkan di benak mereka yang tidak tahu apa arti "DNA", yaitu "asam deoksiribonukleat."
Manusia bisa saja terpesona dengan konsep mewarisi sifat-sifat dari orang tua mereka dan meneruskan sifat mereka sendiri kepada anak-anak mereka. Wajar bagi orang untuk merenungkan warisan biokimia mereka sendiri, bahkan jika sedikit yang bisa membayangkannya dalam istilah formal seperti itu. Pengakuan bahwa faktor-faktor kecil yang tak terlihat di dalam diri kita masing-masing mengatur bagaimana anak-anak terlihat dan bahkan berperilaku telah hadir selama ratusan tahun. Tetapi tidak sampai pertengahan abad ke-20 sains modern mengungkapkan secara terperinci tidak hanya apa molekul yang bertanggung jawab atas warisan, tetapi juga seperti apa mereka.
Asam deoksiribonukleat memang merupakan warna biru genetik yang dipelihara semua makhluk hidup di dalam selnya, jari mikroskopis unik yang tidak hanya menjadikan setiap manusia individu yang unik (kembar identik yang dikecualikan untuk tujuan saat ini) tetapi mengungkapkan banyak hal penting. informasi tentang setiap orang, dari kemungkinan berhubungan dengan orang tertentu lainnya dengan kemungkinan mengembangkan penyakit tertentu di kemudian hari atau menularkan penyakit tersebut kepada generasi mendatang. DNA telah menjadi tidak hanya titik sentral alami dari biologi molekuler dan ilmu kehidupan secara keseluruhan, tetapi juga merupakan komponen integral dari ilmu forensik dan rekayasa biologi.
Penemuan DNA
James Watson dan Francis Crick (dan lebih jarang, Rosalind Franklin dan Maurice Wilkins) secara luas dikreditkan dengan penemuan DNA pada tahun 1953. Namun, persepsi ini keliru. Secara kritis, para peneliti ini benar-benar membuktikan bahwa DNA ada dalam bentuk tiga dimensi dalam bentuk heliks ganda, yang pada dasarnya adalah tangga yang diputar ke berbagai arah di kedua ujungnya untuk menciptakan bentuk spiral. Tetapi para ilmuwan yang gigih dan terkenal ini "hanya" membangun karya susah payah dari para ahli biologi yang bekerja keras mencari informasi umum yang sama sejauh tahun 1860-an, eksperimen yang sama inovatifnya dengan hak mereka sendiri seperti halnya dengan Watson, Crick dan lainnya di era penelitian pasca-Perang Dunia II.
Pada tahun 1869, 100 tahun sebelum manusia melakukan perjalanan ke bulan, seorang ahli kimia Swiss bernama Friedrich Miescher berusaha mengekstraksi komponen protein dari leukosit (sel darah putih) untuk menentukan komposisi dan fungsinya. Apa yang dia gali diekstraksi disebutnya "nuklein," dan meskipun ia tidak memiliki instrumen yang diperlukan untuk mempelajari apa yang akan dapat dipelajari oleh ahli biokimia masa depan, ia dengan cepat mengetahui bahwa "nuklein" ini terkait dengan protein tetapi bukan dirinya sendiri protein, yang mengandung jumlah fosfor yang tidak biasa, dan bahwa zat ini tahan terhadap degradasi oleh faktor-faktor kimia dan fisik yang sama yang mendegradasi protein.
Akan lebih dari 50 tahun sebelum pentingnya pekerjaan Mieschers yang sebenarnya menjadi jelas. Pada dekade kedua 1900-an, seorang ahli biokimia Rusia, Phoebus Levene, adalah orang pertama yang mengusulkan bahwa, apa yang kita sebut nukleotida hari ini, terdiri dari bagian gula, bagian fosfat dan bagian basa; bahwa gula itu ribosa; dan bahwa perbedaan antara nukleotida berhutang pada perbedaan antara basa mereka. Model "polinukleotida" -nya memiliki beberapa kekurangan, tetapi menurut standar saat itu, itu sangat tepat sasaran.
Pada tahun 1944, Oswald Avery dan rekan-rekannya di Universitas Rockefeller adalah peneliti pertama yang secara formal menyarankan bahwa DNA terdiri dari unit-unit herediter, atau gen. Menindaklanjuti pekerjaan mereka dan Levene, ilmuwan Austria Erwin Chargaff membuat dua penemuan kunci: satu, bahwa urutan nukleotida dalam DNA bervariasi antara spesies organisme, bertentangan dengan apa yang Levene usulkan; dan dua, bahwa dalam organisme apa pun, jumlah total basa nitrogen adenin (A) dan guanin (G) yang digabungkan, terlepas dari spesies, pada dasarnya selalu sama dengan jumlah total sitosin (C) dan timin (T). Ini tidak cukup mengarahkan Chargaff untuk menyimpulkan bahwa A berpasangan dengan T dan C berpasangan dengan G dalam semua DNA, tetapi kemudian membantu mendukung kesimpulan yang dicapai oleh orang lain.
Akhirnya, pada tahun 1953, Watson dan rekan-rekannya, mendapat manfaat dari cara-cara meningkatkan visualisasi struktur kimia tiga dimensi dengan cepat, menyatukan semua temuan ini dan menggunakan model-model kardus untuk memastikan bahwa heliks ganda cocok dengan segala sesuatu yang diketahui tentang DNA dengan cara apa pun. yang lain bisa.
DNA dan Ciri-Ciri Warisan
DNA diidentifikasi sebagai bahan herediter dalam makhluk hidup jauh sebelum strukturnya diklarifikasi, dan seperti yang sering terjadi dalam sains eksperimental, penemuan vital ini sebenarnya terkait dengan tujuan utama para peneliti.
Sebelum terapi antibiotik muncul pada akhir 1930-an, penyakit menular merenggut lebih banyak nyawa manusia daripada sekarang, dan mengungkap misteri organisme yang bertanggung jawab adalah tujuan penting dalam penelitian mikrobiologi. Pada tahun 1913, Oswald Avery yang disebutkan di atas mulai bekerja yang akhirnya mengungkapkan kandungan polisakarida (gula) yang tinggi dalam kapsul spesies bakteri pneumokokus, yang telah diisolasi dari pasien pneumonia. Avery berteori bahwa ini merangsang produksi antibodi pada orang yang terinfeksi. Sementara itu, di Inggris, William Griffiths sedang melakukan pekerjaan yang menunjukkan bahwa komponen mati dari satu jenis pneumococcus penyebab penyakit dapat dicampur dengan komponen hidup dari pneumococcus tidak berbahaya dan menghasilkan bentuk penyebab penyakit dari jenis yang sebelumnya tidak berbahaya; ini membuktikan bahwa apa pun yang dipindahkan dari kematian ke bakteri yang hidup diwariskan.
Ketika Avery mengetahui hasil Griffiths, ia mulai melakukan percobaan pemurnian dalam upaya untuk mengisolasi bahan yang tepat dalam pneumokokus yang diwariskan, dan ditempatkan di atas asam nukleat, atau lebih khusus lagi, nukleotida. DNA sudah sangat diduga memiliki apa yang kemudian dikenal sebagai "prinsip transformasi," sehingga Avery dan yang lainnya menguji hipotesis ini dengan memaparkan materi herediter ke berbagai agen. Mereka yang diketahui merusak integritas DNA tetapi tidak berbahaya bagi protein atau DNA, yang disebut DNAase, cukup dalam jumlah tinggi untuk mencegah penularan sifat-sifat dari satu generasi bakteri ke generasi berikutnya. Sementara itu, protease, yang mengurai protein, tidak mengalami kerusakan seperti itu.
Hasil kerja Averys dan Griffiths adalah bahwa, sekali lagi, sementara orang-orang seperti Watson dan Crick telah dipuji atas kontribusi mereka pada genetika molekuler, membangun struktur DNA sebenarnya merupakan kontribusi yang cukup terlambat untuk proses belajar tentang ini. molekul yang spektakuler.
Struktur DNA
Chargaff, meskipun dia jelas tidak menggambarkan struktur DNA secara penuh, memang menunjukkan bahwa, selain (A + G) = (C + T), dua untai yang diketahui termasuk dalam DNA selalu terpisah jarak yang sama. Ini mengarah pada dalil itu purin (termasuk A dan G) selalu terikat dengan pirimidin (termasuk C dan T) dalam DNA. Ini masuk akal tiga dimensi, karena purin jauh lebih besar dari pirimidin, sementara semua purin pada dasarnya berukuran sama dan semua pirimidin pada dasarnya berukuran sama. Ini menyiratkan bahwa dua purin yang diikat menjadi satu akan memakan lebih banyak ruang di antara untai DNA daripada dua pirimidin, dan juga bahwa setiap pasangan purin-pirimidin yang diberikan akan mengkonsumsi jumlah ruang yang sama. Menempatkan semua informasi ini mengharuskan A mengikat, dan hanya untuk, T dan bahwa hubungan yang sama berlaku untuk C dan G jika model ini terbukti berhasil. Dan sudah.
Basis (lebih lanjut tentang ini nanti) saling mengikat di bagian dalam molekul DNA, seperti anak tangga di tangga. Tapi bagaimana dengan untaian, atau "sisi," sendiri? Rosalind Franklin, bekerja dengan Watson dan Crick, berasumsi bahwa "tulang punggung" ini terbuat dari gula (khususnya gula pentosa, atau yang memiliki struktur cincin lima atom) dan kelompok fosfat yang menghubungkan gula. Karena ide pasangan-basa yang baru diklarifikasi, Franklin dan yang lainnya menjadi sadar bahwa dua untai DNA dalam molekul tunggal adalah "saling melengkapi," atau pada dasarnya merupakan bayangan cermin satu sama lain pada tingkat nukleotida mereka. Ini memungkinkan mereka untuk memperkirakan radius perkiraan bentuk bengkok dari DNA dalam tingkat akurasi yang solid, dan analisis difraksi sinar-X mengkonfirmasi struktur heliks. Gagasan bahwa heliks adalah heliks ganda adalah perincian besar terakhir tentang struktur DNA, pada tahun 1953.
Nukleotida dan Basa Nitrogen
Nukleotida adalah subunit berulang dari DNA, yang merupakan kebalikan dari mengatakan DNA adalah polimer nukleotida. Setiap nukleotida terdiri dari gula yang disebut deoksiribosa yang mengandung struktur cincin pentagonal dengan satu oksigen dan empat molekul karbon. Gula ini terikat pada gugus fosfat, dan dua titik di sepanjang cincin dari posisi ini, juga terikat pada basa nitrogen. Kelompok-kelompok fosfat menghubungkan gula bersama-sama untuk membentuk tulang punggung DNA, dua untaian yang memutar di sekitar basa nitrogen-terikat di tengah heliks ganda. Heliks membuat satu putaran 360 derajat lengkap setiap 10 pasangan basa.
Gula yang terikat hanya dengan basa nitrogen disebut a nukleosida.
RNA (asam ribonukleat) berbeda dari DNA dalam tiga cara utama: Pertama, pirimidin urasil diganti untuk timin. Dua, gula pentosa lebih ribosa daripada deoksiribosa. Dan ketiga, RNA hampir selalu beruntai tunggal dan datang dalam berbagai bentuk, yang pembahasannya di luar ruang lingkup artikel ini.
Replikasi DNA
DNA "membuka ritsleting" menjadi dua untaian pelengkap ketika tiba saatnya untuk membuat salinan. Saat ini terjadi, untaian anak perempuan terbentuk di sepanjang untaian orang tua tunggal. Salah satu untaian anak tersebut terbentuk terus menerus melalui penambahan nukleotida tunggal, di bawah aksi enzim DNA polimerase. Sintesis ini mengikuti arah pemisahan untai DNA induk. Untai putri lainnya terbentuk dari polinukleotida kecil yang disebut Fragmen Okazaki yang sebenarnya terbentuk dalam arah yang berlawanan dari unzipping untaian induk, dan kemudian bergabung bersama oleh enzim Ligase DNA.
Karena kedua untaian anak perempuan juga saling melengkapi satu sama lain, basa mereka akhirnya terikat bersama untuk membuat molekul DNA beruntai ganda yang identik dengan induk.
Pada bakteri, yang bersel tunggal dan disebut prokariota, satu salinan DNA bakteri (juga disebut genomnya) berada di sitoplasma; tidak ada nukleus. Dalam organisme eukariotik multiseluler, DNA ditemukan dalam nukleus dalam bentuk kromosom, yang sangat melingkar, terkulai dan terkondensasi secara spasial molekul DNA hanya sepersejuta meter panjangnya, dan protein yang disebut histones. Pada pemeriksaan mikroskopis, bagian-bagian kromosom yang menunjukkan "gulungan" histone bergantian dan untaian DNA sederhana (disebut kromatin pada tingkat organisasi ini) sering disamakan dengan manik-manik pada tali. Beberapa DNA eukariotik juga ditemukan dalam organel sel yang disebut mitokondria.