Substansi Genetika

Kromosom

Sel 

Sel dalam tubuh manusia terdiri atas nukleus dan sitoplasma. Nukleus merupakan inti dari sel tersebut sedangkan sitoplasma berwujud suatu cairan yang mengelilingi nukleus. Di dalam inti sel terdapat benang-benang halus yang disebut dengan kromatin. Ketika sebuah sel hendak melakukan pembelahan, benang-benang tersebut dipinta lmenjadi kromosom. Kromosom terdiri atas protein dan DNA yang merupakan letak dari berbagai informasi genetika.

Unit Dasar DNA

Kromosom terdiri atas DNA yang menyimpan informasi genetika. Proses pengemasan DNA menjadi sebuah kromosom adalah sebagai berikut :

1.    Untaian DNA diikat dengan salah satu protein bernama protein Histondengan protein Non-histon sebagai perekatnya. Bola–bola tersebut dinamakan nukleosom.

2.       Unit nukleosom tersebut memadat dan memintal menjadi benang solenoid.

3.       Benang–benang solenoid tersusun memadat membentuk kromatin.

4.       Benang kromatin tersusun memadat menjadi lengan kromatid dan sepasang lengan kromatid dikenal dengan kromosom.

Bagian – BagianKromosom

1.       Kromatid

Kromatid merupakan salah satu lengan yang terdapat pada kromosom. Kedua kromatid melekat satu sama lain pada bagian sentromer membentuk kromosom. Kromatid dikena juga dengan istilah kromonema (tahap awal pemintalan kromatid).

2.       Kromomer

Kromomer merupakan akumulasi materi kromatin yang berbentuk manik-manik. Kromomer dapat terlihat jelas pada kromosom politen yang merupakan kromosom dengan DNA yang telah mengalami replikasi berulang kali tanpa ada pemisahan dan terletak berdampingan membentuk kawat.

3.       Sentromer

Sentromer merupakan bagian lekukan (konstriksi) pada kromosom. Pada sentromer terdapat kinetokor yang merupakan bagian pelekatan benang–benang spindel pada proses pembelahan dan letak bertemunya kedua lengan kromosom.

4.       Satelit

Satelit berbentuk bulatan pada ujung lengan kromatid. Satelit terbentuk oleh sebab terdapatnya konstriksi (pelekukan) sekunder pada daerah tersebut.

5.       Telomer

Telormer merupakan letak paling ujung sebuah kromosom. Telormer ini berfungsi untuk menjaga stabilitas agar DNA pada ujung kromosom tidak terurai.

Berdasarkan letak sentromernya kromosom dibedakan menjadi

1.       Kromosom Metasentrik

Sentromerter letak pada bagian tengah kromatid.

2.       Kromosom Submetasentrik

Sentromer tidak terletak pada bagian tengah kromatid.

3.       Kromosom Akrosentrik

Sentromer terletak di antara ujung dan bagian tengah kromatid.

4.       Kromosom Telosentrik

Sentromer terletak di ujung kromatid.

Tipe dan JumlahKromosom

Setiap mahluk hidup memiliki tipe dan jumlah kromosom yang berbeda-beda. Perbedaan tersebut dapat terlihat melalui mikroskop cahaya. Setiap kromosom akan meniptakan pola tersendiri ketika diberikan suatu zat warna. Tampilah visual kromosom tersebut dinamakan dengan kariotipe. Kromosom dengan panjang, posisi sentromer, dan pola pewarnaan yang sama disebut dengan kromosom homolog. Kromosom dalam individu merupakan hasil pewarisan dari induknya berupa pasangan kromosom sang induk. Pada manusia dengan 46 kromosom (selsomatik), 23 kromosom berasal dari sang ayah dan 23 lainnya berasal dari sang ibu. Kromosom yang menentukan jenis kelamin sebuah individu (kromosom X dan Y) dikenal dengan istilah genosom atau kromosom seks. Betina aka nmemiliki kromosom homolog X (XX), sedangkan jantan akan memiliki kromosom X dan Y (XY). Kromosom lain yang tidak menentukan jenis kelamin dinamakan autosom.

Ketika mamalia betina maupun manusia mewariskan dua buah kromosom X, satu dari kromosom X tersebut tidaklah aktif selama perkembangan embrionik dan memadat, disebut Barr body. Barr body terletak memanjang dan terlihat berada di dalam sel somatik betina pada tahap interfase. Kromosom X yang membentuk Barr body biasanya tidak dapat diekspresikan. Kromosom Barr body akan diaktifkan kembali dalam sel–sel ovarium yang menghasilkan ovum.

Berikut merupakan perbedaan jumlah kromosom yang dimiliki oleh manusia dan hewan.

Hewan	JumlahKromosom	Individu
		Betina	Jantan
LalatBuah Nyamuk Manusia Orang Utan Simpanse Gorila Katak Cacing Tanah Kuda TikusPutih	8 6 46 48 48 48 26 36 64 40	3A +XX 2A +XX 22A +XX 23A +XX 23A +XX 23A +XX 12A +XX 17A +XX 31A +XX 19A +XX	3A +XY 2A +XY 22A +XY 23A +XY 23A +XY 23A +XY 12A +XY 17A +XY 31A +XY 19A +XY

DNA menyimpan berbagai informasi genetis yang kemudian akan diwariskan. Total informasi genetis yang tersimpan dalam DNA disebut genom. Genom di dalam DNA terdiri atas gen – gen. Tiap gen memiliki satu unit informasi. Gen tersebut akan merepresentasikan suatu sifat genetik. Gen merupakan fragmen DNA dalam suatu kromosom.

Gen

W. Johannsen merupakan seorang ilmuwan yang pertama kali mengemukakan istilah gen (1909). Gen merupakan suatu unit instruksi untuk menghasilkan suatu sifat herediter tertentu. Gen terdiri atas DNA yang telah terikat dengan protein Histon. Pada kromosom, gen terletak pada suatu bagian seperti manik – manik yang berjejer pada banang yang disebut dengan lokus. Pada sel diploid, sifat herediter setiap karakter diwakili oleh 2 lokus yang berpasangan. Hal tersebut disebabkan oleh terdapatnya kromosom homolog pada sel diploid. Pada sistem penulisannya letak gen tersebut digambarkan oleh garis horizontal yang terdapat pada suatu garis vertikal panjang. Gen – gen tersebut diwakili oleh huruf latin kecil atau besar pada setiap garis horizontalnya. Huruf besar akan mewakili karakter dominan suatu sifat, sedangkan huruf kecil akan mewakili karakter resesif.

Alel

Istilah alel dikenalkan oleh W. Bateson dan E.R. Saunders (1902). Alel dapat didefinisikan sebagai versil alternatif gen yang menunjukan adanya suatu variasi. Gen yang sealel (mewakili satu jenis sifat yang sama) pada pasangan kromosom homolog, akan ditulis dengan dua huruf yang sama. Perbedaan karakter yang ditunjukan oleh kedua gen tersebut (dominan atau resesif) akan ditunjukan dengan huruf besar dan huruf kecil. Huruf besar akan menunjukan karakter dominan, dan huruf kecil akan menunjukan karakter resesif. Jika karakter kedua alel tersebut sama, maka keadaan tersebut diberi nama homozigot (alel identik). Jika karakter kedua alel tersebut berbeda, keadaan tersebut diberi nama heterozigot (alel yang berbeda untuk sebuah gen).

Karakter dominan dan resesif akan menimbulkan sifat – sifat genetik yang mungkin saja tidak selalu terlihat oleh tampak luar fisik suatu organisme. Suatu penampakan fisik yang terlihat oleh mata disebut dengan fenotip dan penyusun genetiknya disebut genotip.

DNA

DNA (deoxyribonucleic acid) merupakan tempat penyimpanan informasi genetik. Pada awalnya proteinlah yang diperaya merupakan tempat penyimpanan informasi genetik hingga penelitian Oswald Avery, Colin MacLeod, dan Macyln McCarty membuktikan bahwa DNA lah yang membawa informase genetika tersebut.

Struktur DNA

Frances Crick dan James Watson menemukan model molekul DNA yang berstruktur heliks ganda pada tahun 1953. Struktur tersebut dikenal dengan heliks ganda Watson-Crick. DNA tersusun atas polimer nukleotida berulang – ulang dan tersusu rangkap. Setiap nukleotida terdiri atas tiga gugus molekul :

1.       Gula 5 karbon (2-deoksiribosa)

2.       Basa nitrogen, terdiri atas :

a.       Golongan Purin (Adenine dan Guanine)

b.      Golongan Pirimidin (Cytosine dan Thymine)

3.       Gugus fosfat

Purin dan Pirimidin akan berikatan dengan deoksiribosa yang kemudian membentuk suatu molekul nukleosida. Nukleosida ini adalah prekursor elementer (unsur awal) untuk sintesis DNA. Prekursor adalah unsur awal pembentuk nukleosida yang kemudian akan berikatan dengan gugus fosfat membentuk nukleotida. DNA terdiri atas empat jenis monomer nukleotida.

Keempat basa nitrogen tidak memiliki jumlah yang sama rata dalam suatu DNA, tetapi jumlah adenin akan selalu sama dengan timin dan jumlah guanin akan selalu sama dengan jumlah sitosin. Ketentuan ini dinamakan dengan ketentuan Chargaff.

Pada DNA, adenin akan lelau berpasangan dengan timin dan sitosin akan selalu berpasangan dengan guanin dengan ikatan hidrogen. Adenin akan membentuk dua ikatan hidrogen dengan timin sedangkan ikatan guanin dan sitosin akan membentuk tiga ikatan hidrogen. Stabilitas DNA heliks akan ditentukan oleh susunan basa dan ikatan hidrogen DNA tersebut. Struktur dari DNA tersebut berpilin seperti tangga. Keempat basa nitrogen tersebut adalah anak tangga sedangkan gula ribosa berperan sebgai “tulang punggung” atau “ibu tangga”. Antar mononukleotida satu dengan lainnya dihubungkan dengan ikatan fosfodiester.

Pada struktur heliks ganda, DNA memiliki polaritas. Polaritas tersebut diakibatkan oleh ujung – ujung rantai DNA yang terdiri atas gugus fosfat dengan karbon 5’-deoksiribosa pada ujung terminal nukleotidanya, sedangkan ujung rantai lainnya merupakan gugus hidroksil dengan karbon 3’-deoksiribosa. Perbedaan tersebut menciptakan suatu sifat polaritas.

Replikasi DNA

Proses replikasi DNA terjadi bersamaan ketika suatu sel membelah secara mitosis. Sebelum proses pembelahan sel tersebut dimulai, DNA harus terlebih dahulu direplikasi. Replikasi DNA dapat terjadi dengan adanya sintesis rantai nukleotida baru dari rantai yang lama. Terdapat tiga model replikasi DNA :

1.       Model Konservatif

Pada model konservatif, dua rantai DNA lama akan tetap tanpa mengalami perubahan dan berfungsi menjadi cetakan untuk membentuk rantai DNA yang baru.

2.       Model Semikonservatif

Pada model semikonservatif, dua rantai DNA lama akan berpisah dan tiap – tiap rantai lama tersebut akan mengalami sintesis dengan prinsip komplementasi sehingga tercipta dua rantai DNA.

3.       Model Dispersif

Pada model dispersif beberapa bagian rantai DNA lama akan terpisah dan akan digunakan sebagai cetakan untuk membuat rantai DNA yang baru. Pada rantai DNA yang lama dan baru akan tersebar rantai DNA yang lama dan yang baru.

Dari ketiga model replikasi DNA tersebut, model semikonservatif merupakan model yang tepat untuk proses replikasi DNA.

RNA

RNA (ribonucleic acid) merupakan makromolekul dengan fungsi sebagai penyimpan dan penyalur informasi genetik. Salah satu contoh RNA sebagai penyimpan informasi genetik adalah pada virus. Selain itu, RNA juga dapat berfungsi sebagai enzim (ribozim) yang dapat mengakatalis formasi RNA dengan molekul RNA lain.

Struktur RNA

Berbeda dengan makromolekul DNA, RNA berstruktur rantai tunggal. RNA juga terdiri dari tiga gugus molekul :

1.       5 karbon (ribosa)

2.       Basa nitrogen, terdiri atas :

a.       Golongan purin : Adenine dan Guanine

b.      Golongan pirimidin Thymine dan Urasil

3.       Gugus fosfat

Sama halnya dengan DNA, purin dan pirimidin berikatan dengan ribosa, membentuk nukleosida yang adalah prekursor dasar untuk sintesis DNA. Nukleosida atau ribonukleosida berikatan dengan gugus fosfat, mebentuk nukleotida atau ribonukleotida. RNA adalah hasil transkripsi dari DNA, menyebabkan RNA memiliki struktur lebih pendek daripada DNA.

Tipe RNA

RNA terdiri dari berbagai tipe yang memiliki fungsinya masing – masing yang berbeda :

1.       RNAd

RNAd dikenal dengan sebutan RNA duta. RNAd memiliki urutan basa yang berpasangan dengan salah satu urutan basa rantai DNA. RNAd memiliki tugas untuk membawa pesan berupa kode – kode genetik yang ditandai dengan urutan basa nitrogen (kodon) dari kromosom ke ribosong (di luar inti sel atau di sitoplasma). Kode – kode tersebut akan menjadi cetakan untuk menentukan urutan asam amino pada rantai polipeptida.

2.       RNAr

RNAr adalah komponen struktural utama pada ribosom (30 – 46%).

3.       RNAt

RNAt merupakan RNA yang membawa asam amino ke dalam ribosom. Pada ujung RNAt terdapat tiga rangkaian basa pendek (antikodon). Asam amino akan berikatan dengan ujung RNAt yang berseberangan dengan ujung antikodon tersebut.

Perbedaan DNA dan RNA

Berikut merupakan tabel perbedaan antara makromolekul DNA dan RNA

Parameter	DNA	RNA
Komponen             Gula             Basa nitrogen : -          Purin -          Pirimidin	Deoksiribosa Adenin, Guanin Timin, Sitosin	Ribosa Adenin, Guanin Urasil, Sitosin
Bentuk	Double helix	Rantai pendek, tunggal, tidak berpilin
Letak	Di dalam nukleus, kloroplas, mitokondria	Di dalam nukleus, sitoplasma, kloroplas, mitokondria
Kadar	Tetap	Tidak tetap

Kode Genetik

Suatu rantai DNA yang terbagi menjadi ribuan potongan yang lebih pendek disebut dengan gen. Setiap gen akan membawa informasi yang dibutuhkan untuk pembuatan protein yang disebut dengan kode genetik. Kode genetik tersebut adalah suatu cara pengkodean urutan nukleotida DNA atau RNA yang akan menentukan urutan asam amino sehingga tercipta suatu protein baru pada sintesis protein.

Basa nitrogen pada DNA akan menentukan susunan asam amino. Keempat basa nitrogen tersebut akan menghasilkan asam amino yang kita ketahui terdapat 20 jenis asam amino yang berbeda. Untuk membentuk satu jenis asam amino akan dibutuhkan susunan triplet atau tiga rangkap basa nukleotida sehingga dapat menghasilkan 64 macam asam amino. Kelimpahan ini memiliki istilah degenerasi atau redundansi. Menurut para ahli, triplet RNAd lah yang berperan sebagai komponen kode genetika, bukan DNA. Setiap triplet yang mewakili informasi bagi suatu asama amino dikenal dengan sebutan kodon.

Perlu diketahui bahwa 18 – 20 jenis asam amino ditentukan oleh lebih dari satu kodon. Kodon tersebut memiliki istilah kodon sinonimus. Metionin dan triptofan adalah asam amino yang memiliki kodon tunggal. Kodon sinonimus memiliki perbedaan yang terletak pada basa nitrogen ketiga. Jika basa nitrogen ketiga tersebut sama – sama merupakan pirimidin (ex. UAU dan UAC), maka asam amino yang dihasilkan pun sama (tirosin). Hal tersebut juga berlaku pada jenis kodon sinonimus dimana basa nitrogen ketiganya merupakan purin. Sedangkan, jika basa kedua dari kodon sinonimus adalah purin, kodon tersebut akan mengarah pada asam amino yang polar.

Sintesis Protein

Untuk mengekspresikan genotip ke fenotip perlu melalui berbagai tahapan. Suatu ekspresi fenotip akan dihasilkan oleh aktivitas enzim. Enzim yang berbeda akan menghasilkan sifat fenotip yang berbeda. Perbedaan enzim tersebut ditentukan oleh jumlah jenis dan susunan asam amino. Pembentukan asam amino tersebut akan ditentukan oleh gen dan DNA.

Ekspresi gen merupakan proses penerjemahan susunan gen menjadi suatu asam amino. DNA yang merupakan penyimpan informasi genetik akan ditranskripsi menjadi RNA. RNA kemudian akan menerjemahkan kode – kode tersebut ke dalam suatu bentuk polipeptida dengan urutan asam amino yang sangat spesifik dengan DNA sebagai sumber informasinya.

Eskpresi gen akan mengalami dua tahapan. Tahapan pertama yang disebut dengan transkripsi merupakan suatu tahap dimana informasi kode genetik pada DNA disalin hingga menghasilkan rantai molekul RNA. Tahapan kedua yang disebut dengan translasi merupakan proses sintesis (pembentukan) polipeptida dengan urutan kode spesifik yang telah ada pada rantai molekul RNA. Proses ini akan membutuhkan pergerakan ribosom di sitoplasma di sepanjang rantai molekul RNA.

Transkripsi

Rantai cetakan DNA disebut dengan sense, sedangkan rantai DNA komplementer disebut dengan antisense. RNA akan mencetak kode – kode genetik DNA yang disebut dengan unit transkripsi. RNA yang dihasilkan oleh enzim polimerasi. Pada proses transkripsi, enzim polimerasi akan membuka pilinan DNA dan bergerak mencetak urutan basa nitrogen DNA dari arah 5’ à 3’ dan mensintesis RNA yang merupakan cetakan dari DNA tersebut. Transkripsi terjadi pada RNAd, RNAt, dan RNAr, tetapi hanya basa nitrogen pada RNAd saja yang akan diterjemahkan menjadi asam amino. Transkripsi terdiri atas tiga tahap :

1.       Inisiasi

Inisiasi merupakan proses saat RNA polimerasi melekat dan mengawali transkripsi. Daerah pelekatan tersebut dinamakan sebagai promoter. Promoter akan menentukan dimana transkripsi dimulai dan rantai DNA mana yang akan dicetak.

2.       Elongasi

Elongasi adalah proses saat RNA polimerasi berjalan pada molekul DNA. Pilinan heliks yang terbuka saat RNA polimerase berjalan berkisar 10 – 20 basa sekaligus. Enzim RNA polimerase akan menambahkan nukleotida ke ujung 3’ dari molekul RNA yang sedang disintesis di sepanjang heliks ganda DNA. Setelah proses sintesis selesai, heliks ganda terbentuk kembali dan RNA baru tercipta. Laju dati transkripsi ini berkisar 60 nukleotida per detik pada sel eukariotik.

3.       Terminasi

Proses terminasi merupakan proses penghentian sintesis RNA. Pada titik terminator, RNA polimerase akan berhenti mentranskripsi urutan DNA. Pada sel prokariotik proses transkripsi akan berhenti ketika RNA polimerase menemukan titik terminator, sedangkan pada sel eukariotik, RNA akan terus melewatinya hingga sampai pada titik sejauh 10 – 35 nukleotida, barulah sintesis RNA berhenti.

Translasi

Pada proses translasi, kode – kode genetik yang telah dibawa oleh RNAd akan diterjemahkan menjadi suatu protein oleh RNAt. RNAt akan membawa asam – asam amino yang sesuai untuk kemudian disusun secara spesifik membentuk suaut molekul polipeptida. Setiap molekul RNAt akan membawa satu jenis asama amino spesifik pada ujungnya yang sesuai dengan triple nukleotida pada ujung RNAt lainnya yang disebut antikodon. Antikodon tersebut akan berpasangan dengan kodon yang telah dicetak oleh molekul RNAd. Setiap RNAt memiliki asam amino yang berbeda – beda, disesuaikan dengan suatu enzim spesifik yang disebut aminoasil-RNAt sintetase. Ribosom akan mempermudah proses pelekatan spesifik antikodon RNAt dengan kodon RNAd. Ribosom ini tersusun atas subunit besar dan subunit kecil. Subunit inidibangun oleh protein dan molekul RNAr. Sama seperti proses transkripsi, pada proses translasi terdapat tiga tahap penerjemahan kode yang dibantu oleh sejumlah energi yang disediakan oleh GTP atau guanosin triphosphat (mirip dengan ATP).

1.       Inisiasi

Pada tahap Inisiasi, subunit ribosom kecil akan mengikatkan diri pada RNAd dan RNAt inisiator. Subunit tersebut akan melekat di ujung 5’ RNAd. Pada subunit kecil RNAd, terdapat kodon inisiasi (start codon) yang merupakan kodon awal yang akan memberikan sinyal dimulainya proses penerjemahan oleh RNAt inisiator akan membawa asam amino metionin, melekat pada kodon inisiai AUG. Kodon inisiasi ini merupakan syarat penting dari dimulainya proses penerjemahan ini. Triple AUG ini dikenal dengan sebutan start codon.

2.       Elongasi

Pada tahap elongasi asam amino ditambahkan satu per satu. Molekul RNAr akan berperan sebagai enzim yang mengkatasil pembentukan ikatan peptida yang menggabungkan polipeptida yang memanjang ke asam amino yang baru tiba. Kemudian, polipeptida yang merekat pada RNAt yang sebelumnya melepaskan diri dan saling berikatan dengan polipeptida yang baru masuk. Ketika RNAd berpindah tempat, antikodonnya tetap berikatan dengan kodon RNAt. RNAd bergerak bersama dengan antikodon, bergesar untuk proses translasi. RNAt yang telah kehilangan asam aminonya akan keluar dari ribosom dengan bantuan energi GTP. RNAd bergerak melalui ribosom dari ujung 5’ – 3’. Begitupun dengan ribosom yang bergerak dari 5’ – 3’. Siklus ini menghabiskan waktu kurang dari 1/10 detik hingga polipeptidanya lengkap.

3.       Terminasi

Terminasi merupakan tahap akhir dari translasi. Elongasi akan terus bekerja hingga mereka sampai pada stop codon berupa UAA atau UAG atau UGA.