DNA, gen & protein
Bagaimana urutan huruf DNA dibaca sel untuk membuat protein?
Jenjang yang disarankan: SMP, SMA, kuliah.
Penjelasan untuk SD
Di dalam hampir setiap sel tubuhmu ada DNA. DNA seperti buku resep yang sangat panjang. Resep-resep di dalamnya memberi tahu sel cara membuat protein, bahan yang membangun tubuh dan “pekerja” yang menjalankan banyak tugas.
Buku resep DNA hanya ditulis dengan empat “huruf”: A, T, G, dan C. Dengan menyusun empat huruf itu dalam urutan yang berbeda-beda, terbentuklah resep untuk rambut, kulit, mata, dan semua bagian tubuh.
Kamu mendapat setengah buku resep dari ayah dan setengah dari ibu. Karena itu kamu mirip keduanya, tetapi tetap unik. Hanya kembar identik yang memiliki DNA hampir sama persis.
Semua makhluk hidup, dari bakteri, jamur, pohon, sampai gajah, memakai huruf DNA yang sama. Ini salah satu tanda bahwa semua kehidupan berkerabat.
Poin kunci
- DNA seperti buku resep di dalam sel.
- Resep DNA dipakai sel untuk membuat protein.
- DNA ditulis dengan empat huruf: A, T, G, C.
- Setengah DNA dari ayah, setengah dari ibu.
Aktivitas
Bersama guru, ekstraksi DNA dari stroberi atau pisang: haluskan buah dengan air sabun dan sedikit garam, saring, lalu tuangkan alkohol dingin perlahan di atasnya (alkohol dipegang guru). Benang putih yang muncul adalah gumpalan DNA dari banyak sel.
Penjelasan untuk SMP
DNA (asam deoksiribonukleat) berbentuk heliks ganda, seperti tangga yang terpilin. Strukturnya dijelaskan oleh James Watson dan Francis Crick pada 1953, dengan bantuan data difraksi sinar-X dari Rosalind Franklin. Setiap anak tangga adalah pasangan basa nitrogen: A selalu berpasangan dengan T, dan G selalu berpasangan dengan C.
Istilah penting:
- Gen: bagian DNA yang membawa petunjuk untuk membuat satu protein (atau satu jenis RNA).
- Kromosom: gulungan panjang DNA dan protein di dalam inti sel.
- Genom: seluruh DNA suatu makhluk hidup. Genom manusia terdiri atas sekitar 3 miliar pasang basa dan sekitar 20.000 gen penyandi protein.
Alur informasi genetik: DNA → RNA → protein.
- Transkripsi (di dalam inti sel): urutan DNA suatu gen disalin menjadi mRNA.
- Translasi (di ribosom): mRNA dibaca tiga basa sekaligus. Setiap tiga basa (kodon) menentukan satu asam amino. Asam amino dirangkai menjadi protein.
Replikasi: sebelum sel membelah, DNA menggandakan dirinya. Kedua untai dipisahkan, lalu setiap untai menjadi cetakan untuk untai baru, sehingga dihasilkan dua salinan DNA yang sama.
Mutasi adalah perubahan urutan DNA. Mutasi dapat terjadi karena kesalahan saat replikasi atau karena sinar ultraviolet, radiasi, dan zat kimia tertentu seperti yang terdapat dalam asap rokok. Banyak mutasi tidak berpengaruh, sebagian merugikan, dan sebagian kecil menguntungkan.
Karena DNA setiap orang sedikit berbeda, tes DNA dapat dipakai untuk mengenali seseorang atau memastikan hubungan keluarga.
Poin kunci
- DNA heliks ganda; A berpasangan dengan T, G dengan C.
- Gen adalah bagian DNA yang membawa petunjuk membuat protein.
- DNA → (transkripsi) → mRNA → (translasi di ribosom) → protein.
- Mutasi adalah perubahan urutan DNA; tidak semuanya merugikan.
Aktivitas
Buat model DNA dari sedotan dan manik-manik empat warna (A, T, G, C). Tulis urutan satu untai, lalu minta teman melengkapi pasangannya. Setelah itu “transkripsikan” ke mRNA di kertas (ganti T dengan U).
Penjelasan untuk SMA
Struktur DNA: dua untai antiparalel (satu berarah 5′→3′, pasangannya 3′→5′) dengan tulang punggung gula deoksiribosa–fosfat. Basa berpasangan melalui ikatan hidrogen: A–T dengan dua ikatan dan G–C dengan tiga ikatan.
Replikasi semikonservatif (dibuktikan Meselson dan Stahl, 1958): helikase membuka heliks, primase membuat primer RNA pendek, lalu DNA polimerase menambahkan nukleotida hanya ke ujung 3′. Karena itu untai pengarah (leading) disintesis bersambung, sedangkan untai tertinggal (lagging) disintesis dalam potongan pendek (fragmen Okazaki) yang disambung ligase. DNA polimerase juga memeriksa dan memperbaiki kesalahan (proofreading).
Transkripsi: RNA polimerase menempel pada promotor, lalu menyintesis mRNA dari untai cetakan. Pada eukariota, pre-mRNA diproses: diberi tudung 5′ dan ekor poli-A, serta mengalami splicing, yaitu intron dibuang dan ekson disambung.
Translasi: ribosom membaca mRNA per kodon. tRNA membawa asam amino dan mengenali kodon melalui antikodon. Kodon AUG adalah kodon awal sekaligus penyandi metionin; UAA, UAG, UGA adalah kodon henti. Ada 64 kodon untuk 20 asam amino, sehingga sebagian besar asam amino disandi lebih dari satu kodon. Kode genetik hampir universal pada semua makhluk hidup.
Jenis mutasi gen:
- Substitusi: satu basa diganti. Bisa diam (asam amino tidak berubah), salah arti (asam amino berubah; pada sel sabit GAG → GTG sehingga glutamat menjadi valin), atau tanpa arti (terbentuk kodon henti lebih awal).
- Insersi atau delesi satu atau dua basa menggeser kerangka baca (frameshift), sehingga semua kodon sesudahnya berubah.
Mutasi kromosom meliputi delesi, duplikasi, inversi, dan translokasi.
Pengaturan ekspresi gen: semua sel tubuh memiliki DNA yang sama, tetapi menghidupkan gen yang berbeda. Pada bakteri, operon lac hanya aktif bila ada laktosa. Pada eukariota, faktor transkripsi dan daerah pengatur (enhancer) menentukan kapan dan di sel mana gen aktif. Epigenetika mempelajari perubahan ekspresi gen tanpa perubahan urutan DNA, misalnya melalui metilasi DNA dan modifikasi histon.
Poin kunci
- Replikasi semikonservatif; untai tertinggal dibuat sebagai fragmen Okazaki.
- Splicing membuang intron; satu kodon = tiga basa; AUG kodon awal.
- Substitusi bisa diam, salah arti, atau tanpa arti; insersi/delesi menggeser kerangka baca.
- Ekspresi gen diatur; epigenetika mengubah ekspresi tanpa mengubah urutan.
Aktivitas
Gunakan Laboratorium Kode Genetik: ketik urutan DNA, amati mRNA dan protein yang terbentuk. Buat mutasi substitusi, sisipan, dan delesi di posisi berbeda, lalu jelaskan mengapa sebagian mutasi tidak mengubah protein sedangkan yang lain mengubah semuanya.
Penjelasan untuk kuliah
Organisasi genom: DNA eukariota dililitkan pada oktamer histon membentuk nukleosom (sekitar 147 pasang basa per nukleosom), lalu dipadatkan lebih jauh menjadi eukromatin yang aktif dan heterokromatin yang padat. Hanya sekitar 1–2% genom manusia yang menyandi protein; sebagian besar sisanya adalah daerah pengatur, gen RNA fungsional, intron, sekuens berulang, dan elemen transposabel (hampir separuh genom). Elemen transposabel pertama kali ditemukan Barbara McClintock pada jagung.
Regulasi berlapis: remodeling kromatin, interaksi enhancer–promotor jarak jauh melalui pelipatan DNA, splicing alternatif (satu gen dapat menghasilkan beberapa protein), microRNA yang menghambat translasi atau mempercepat penguraian mRNA, serta modifikasi protein setelah translasi. Contoh epigenetika yang mapan adalah inaktivasi kromosom X dan pencetakan genomik. Klaim pewarisan epigenetik lintas generasi pada manusia masih diperdebatkan dan perlu dibaca kritis.
Perbaikan DNA: perbaikan salah pasang (mismatch repair), perbaikan eksisi nukleotida untuk dimer timin akibat sinar UV (cacatnya menyebabkan xeroderma pigmentosum), serta rekombinasi homolog untuk putusnya untai ganda (melibatkan BRCA1/BRCA2). Kegagalan perbaikan mempercepat penumpukan mutasi.
Pengecualian dogma sentral: transkripsi balik pada retrovirus dan telomerase (RNA → DNA), replikasi RNA pada virus RNA, serta prion yang menyebarkan bentuk lipatan protein tanpa asam nukleat.
Genomik: Proyek Genom Manusia menyelesaikan draf pada awal 2000-an, dan konsorsium Telomere-to-Telomere menerbitkan urutan yang hampir lengkap pada 2022. Teknologi berkembang dari sekuensing Sanger ke sekuensing generasi berikutnya (bacaan pendek, masif) dan sekuensing bacaan panjang. Data urutan disimpan di basis data publik seperti GenBank (NCBI) dan dianalisis dengan alat bioinformatika, misalnya BLAST untuk mencari kemiripan urutan. Di mode Akademik Biotaloka, halaman spesies menautkan ke NCBI dan GenBank.
Evolusi molekuler: duplikasi gen menyediakan bahan bagi fungsi baru (misalnya keluarga gen globin), dan perbedaan urutan yang menumpuk secara kira-kira teratur dipakai sebagai jam molekuler.
Poin kunci
- Hanya sekitar 1–2% genom manusia menyandi protein.
- Regulasi berlapis: kromatin, enhancer, splicing alternatif, microRNA.
- Sistem perbaikan DNA mencegah penumpukan mutasi.
- Transkripsi balik, replikasi RNA, dan prion adalah pengecualian dogma sentral.
Aktivitas
Cari gen HBB (beta-globin) manusia di NCBI. Temukan kodon yang berubah pada anemia sel sabit, lalu jalankan BLAST dengan potongan urutannya untuk melihat gen serupa pada spesies lain. Diskusikan apa yang dapat dan tidak dapat disimpulkan dari kemiripan urutan.