DNA SEBAGAI BAHAN
GENETIKATim Pengajar Pengantar Bioteknologi Pertanian
Fakultas PertanianUniversitas Gadjah Mada
SEJARAH PENEMUAN BAHAN GENETIKA
1865, Gregor Mendel menduga bahwa suatu 1865, Gregor Mendel menduga bahwa suatu bagian dari sel bertanggungjawab atas bagian dari sel bertanggungjawab atas sifat yang diturunkan dari satu generasi sifat yang diturunkan dari satu generasi ke generasi berikutnya ke generasi berikutnya
1868, Friedrich Miescher menemukan 1868, Friedrich Miescher menemukan senyawa kimia yang berasal dari inti selsenyawa kimia yang berasal dari inti sel
1879, Albrecht Kossel menemukan asam 1879, Albrecht Kossel menemukan asam nukleatnukleat
SEJARAH PENEMUAN BAHAN GENETIKA
1882, Walther Flemming menemukan 1882, Walther Flemming menemukan kromosom kromosom adalah bagian dari sel yang bagian dari sel yang ditemukan Mendelditemukan Mendel
1887, Edouard-Joseph-Louis-Marie van 1887, Edouard-Joseph-Louis-Marie van Beneden menemukan bahwa suatu jasad Beneden menemukan bahwa suatu jasad memiliki jumlah kromosom tertentumemiliki jumlah kromosom tertentu
1902, Walter Stanborough Sutton1902, Walter Stanborough Sutton menyatakan bahwa kromosom berpasangan
1910, 1910, Thomas Hunt Morgan menemukan bahwa bahan pembawa sifat adalah gen yang berada di dalam kromosom
1926, 1926, Hermann Muller menemukan bahwa sinar X dapat menginduksi mutasi
1928, Fred Griffith menemukan perubahan 1928, Fred Griffith menemukan perubahan bentuk dinding sel bentuk dinding sel Streptococcus Streptococcus pneumoniaepneumoniae
SEJARAH PENEMUAN BAHAN GENETIKA
Penemuan transformasi sel: Penelitian Griffith (1928)
1935, Andrei Nikolaevitch Belozersky 1935, Andrei Nikolaevitch Belozersky berhasil mengisolasi DNA murni berhasil mengisolasi DNA murni
1940, Erwin Chargaff menemukan bahwa 1940, Erwin Chargaff menemukan bahwa organisme berbeda memiliki nisbah 4 organisme berbeda memiliki nisbah 4 basa penyusun DNA yang berbedabasa penyusun DNA yang berbeda
SEJARAH PENEMUAN BAHAN GENETIKA
KOMPOSISI BASA PENYUSUN DNAOrganisme A G C T
Escherichia coli 24,7 26,0 25,7 23,6
Khamir 31,3 18,7 17,1 32,9
Gandum 27,3 22,7 22,8 27,1
Salmon 29,7 20,8 20,4 29,1
Ayam 28,8 20,5 21,5 29,3
Hasil Penelitian Chargaff1. DNA yang diisolasi dari berbagai jaringan organisme yang sama memiliki komposisi basa yang sama
2. Komposisi basa DNA beragam pada organisme yang berbeda
3. Komposisi basa DNA suatu spesies tidak berubah oleh umur, nutrisi, dan lingkungan
4. Jumlah residu adenin selalu setara dengan jumlah residu timin, sedangkan jumlah residu guaninn selalu setara dengan jumlah residu sitosin
1941, George1941, George Beadle dan Edward Tatum Beadle dan Edward Tatum menemukan hubungan mutasi dengan menemukan hubungan mutasi dengan kerusakan proses biokimia selkerusakan proses biokimia sel
1944, Oswald Theodore Avery, Colin 1944, Oswald Theodore Avery, Colin MacLeod dan Maclyn McCartyMacLeod dan Maclyn McCarty yang yang melanjutkan pekerjaan Griffith melanjutkan pekerjaan Griffith menemukan bahwa DNA adalah bahan menemukan bahwa DNA adalah bahan yang menyebabkan perubahan bentuk yang menyebabkan perubahan bentuk dinding sel dinding sel Streptococcus pneumoniaeStreptococcus pneumoniae
SEJARAH PENEMUAN BAHAN GENETIKA
Penelitian Avery, MacLeod, dan Penelitian Avery, MacLeod, dan McCartyMcCarty
1952, Alfred Hershey dan Martha Chase1952, Alfred Hershey dan Martha Chase melalui penelitian menggunakan P dan S radioisotop membuktikan DNA sebagai membuktikan DNA sebagai bahan pembawa informasi genetikabahan pembawa informasi genetika
1953, James Watson and Francis Crick 1953, James Watson and Francis Crick menyatakan bahwa DNA adalah benang menyatakan bahwa DNA adalah benang ganda anti paralel, berbentuk heliks ganda anti paralel, berbentuk heliks yang saling berkomplemen yang saling berkomplemen
SEJARAH PENEMUAN BAHAN GENETIKA
Penelitian Alfred Hershey dan Penelitian Alfred Hershey dan Martha ChaseMartha Chase
PenelitianPenelitianWatson dan CrickWatson dan Crick Dengan dukungan data Dengan dukungan data
difraksi sinar-X dari difraksi sinar-X dari Rosalind Franklin dan Rosalind Franklin dan Maurice Wilkins Maurice Wilkins
Dengan dukungan data Dengan dukungan data analisis kimia basa analisis kimia basa nitrogen dari Erwin nitrogen dari Erwin ChargaffChargaff
Memformulasikan Memformulasikan struktur DNAstruktur DNA
Mengelompokkan basa Mengelompokkan basa DNA menjadi purin dan DNA menjadi purin dan pirimidin pirimidin
Memformulasikan model Memformulasikan model replikasi DNAreplikasi DNA
STRUKTUR NUKLEOTIDA
Gugus fosfat
Tiga komponen pembentuk nukleotida:
Basa nitrogen(pirimidin atau purin)
Gula pentosa
PIRIMIDIN & PURIN
Pirimidin, C dimiliki oleh RNA dan DNA, tetapi
T terdapat di DNA, dan
U terdapat di RNA
Diekspresikan dengan huruf pertamanya (A, G, C, T, U).
Purin (A, G) dimiliki oleh RNA dan DNA
DEOKSIRIBONUKLEOTIDA
2'-deoksiribosa dengan basa (dalam contoh ini purin, adenin atau guanin) terikat pada atom C-1' adalah deoksiribonukleosida (dalam contoh ini deoksiadenosin dan deoksiguanosin).
Deoksiribonukleotida dinamai dengan singkatan (pada contoh ini) A, atau dA (deoksiA), atau dAMP (deoksiadenosin monofosfat)
Terfosforilasi pada atom C- 5' menjadi nukleotida (dalam contoh ini, deoksiadenilat dan deoksiguanilat)
Deoksiribonukleotida Utama
DNAMonomer nukleotida dapat berikatan satu sama lain melalui ikatan fosfodiester antara -OH di atom C nomor 3‘nya dengan gugus fosfat dari nukleotida berikutnya.
Kedua ujung poli- atau oligonukleotida yang dihasilkan menyisakan gugus fosfat di atom karbon nomor 5' nukleotida pertama dan gugus hidroksil di atom karbon nomor 3' nukleotida terakhir.
STRUKTUR DNA DNA terdiri atas dua
rangkaian heliks anti-paralel (paralel berlawanan arah) yang melilit ke kanan suatu poros.
Ukuran lilitan adalah 36 Å, yang mengandung 10.5 pasangan basa per putaran.
Kerangka yang berselang-seling antara gugus deoksiribosa dan fosfat terletak di bagian luar.
Ikatan hidrogen antara basa purin dan pirimidin terletak d bagian dalam.
STRUKTUR DNA
IKATAN HIDROGEN ANTAR RANGKAIAN BASA DNA
Watson-Crick base pairing
RANGKAIAN BENANG DNA
Basa penyusun suatu benang DNA yang antiparallel tidak sama melainkan bersifat komplemen terhadap benang pasangannya.
Basa C berpasangan dengan G, sedangkan A dengan T. Hal ini sangat bemanfaat dalam kaitan untuk penyimpanan dan pemindahan.
PERAN DNA•DNA terletak di kromosom dan kloroplas
•DNA mengandung gen, informasi yang mengatur sintesis protein dan RNA.
•DNA mengandung bagian-bagian yang menentukan pengaturan ekspresi gen (promoter, operator, dll.)
Sintesis Protein terjadi di Ribosom
PERAN RNA•Messenger RNAs (mRNA) merupakan bahan pembawa informasi genetik dari gen ke ribosom
•Ribosomal RNA (rRNA) merupakan komponen dari ribosom, mesin biologis pembuat protein
•Transfer RNAs (tRNAs) merupakan bahan yang menterjemahkan informasi dalam mRNA menjadi urutan asam amino
•RNAs memiliki fungsi-fungsi yang lain, di antaranya fungsi-fungsi katalis
RNA
Monomer nukleotida dapat berikatan satu sama lain melalui ikatan fosfodiester antara -OH di atom C nomor 3‘nya dengan gugus fosfat dari nukleotida berikutnya.
Kedua ujung poli- atau oligonukleotida yang dihasilkan menyisakan gugus fosfat di atom karbon nomor 5' nukleotida pertama dan gugus hidroksil di atom karbon nomor 3' nukleotida terakhir.
RIBONUKLEOTIDA Gula ribosa yang
berikatan dengan basa nitrogen (dalam contoh di samping adalah suatu pirimidin, urasil dan sitosin) pada atom karbon nomor 1‘nya disebut ribonukleosida (dalam contoh di samping adalah uridin dan sitidin).
Ribonukleosida yang terfosforilasi pada atom karbon nomor 5‘nya disebut ribonukleotida (dalam contoh di samping adalah uridilat atau sitidilat)
Penyampaian ribonukleotida biasanya dalam bentuk singkatan (misalnya) U, atau UMP (uridin monofosfat)
RIBONUKLEOTIDA UTAMA
PENAMAAN NUKLEOTIDA
TranslasiTranskripsi
Replikasi
DOGMA UTAMA BIOLOGI
Ringkasan tentang Replikasi DNA
Terjadi secara semikonservatif, masing-masing benang DNA berfungsi sebagai cetakan untuk sintesis DNA pasangannya
Terjadi di replikon yang terdiri dari “origin of replication” dan dua garpu replikasi (bidirectional)
Masing-masing garpu replikasi tersusun atas kompleks enzim, termasuk di dalamnya DNA polymerase Terlibat juga enzim-enzim primase, helikase,
topoisomerase
REPLIKASI DNA•Pada replikasi DNA,
masing-masing untai DNA berfungsi sebagai cetakan untuk sintesis untai pasangannya yang baru, menghasilkan dua molekul DNA.
•Cara ini disebut cara replikasi semikonservatif.
•Replikasi cara semikonservatif membutuhkan pemisahan untai DNA (pelelehan sebagian, atau denaturasi) sehingga untai tetua menjadi cetakan.
PERCOBAAN MESELSON-STAHL
SINTESIS DNA Pertumbuhan benang
DNA 3’
3’
5’
5’
Pertumbuhan garpu replikasi
Pertumbuhan benang DNA
Benang DNA ‘Leading’ and ‘Lagging’ Terjadi karena sintesis DNA terjadi
hanya pada arah 5’ ke 3’ Kedua benang DNA mengalami
proses yang berbeda Sintesis DNA pada benang ‘leading’
terjadi secara ‘continuous’+ Sintesis DNA pada benang ‘lagging’
terjadi secara discontinuous Membentuk fragmen Okazaki Fragment-fragmen kemudian akan terhubung
oleh aktivitas DNA ligaseleading
lagging
Sintesis benang DNA ‘Lagging’
Harus ada primer (i.e. 3’-OH) untuk memulai sintesis DNA
Primase berfungsi untuk membuat primer RNA
Harus menyambung fragmen-fragmen DNA
Hal ini dilaksanakan oleh enzim DNA ligase
Mesin Replikasi DNA
Fungsi primase? Fungsi helikase?
Fungsi topoisomerase? Fungsi single-stranded DNA binding proteins?
‘Origin’ dari Replikasi DNA
Replikasi DNA dimulai dari suatu urutan nukleotida spesifik yang disebut ‘origins of replication’ Dikenali oleh protein yang berfungsi
membuka lilitan benang DNA Sintesis DNA terjadi dalam dua arah
dari ‘origin’
Bidirectional DNA ReplicationDNA synthesis occurs in replicons consisting of an origin of replication and two diverging replication forks (bidirectional)
Fork movement
Fork movement
Diagram Skematik dari DNA ke RNA kemudian menjadi Protein
Gen terekspresi melalui 2 langkah:
Transkripsi: Membentuk RNA
Translasi: Sintesis Protein
Transcription
RNA polymerase catalyzes RNA synthesis uses one DNA strand as template
always the same strand for a given gene locally unwinds DNA adds free nucleotides to growing RNA strand at 3’ end
5’ to 3’ RNA synthesis template read 3’ to 5’ uses rules of base pairing to synthesize complementary RNA
molecule starts RNA chain de novo
Transcript is identical in sequence to nontemplate strand, except T’s replaced by U’s
Transcription is asymmetric – only one strand of the DNA is transcribed into RNA; the template strand
The RNA transcript has the same sequence as the nontemplate strand
RNA is synthesized in a 5’ to 3’ direction only
The template strand is read in the 3’ to 5’ direction
Either strand of the DNA can be used as the template strand for transcription
However, in any one gene only one strand of the DNA serves as the template for transcription
DNA
Multiple RNA polymerases can transcribe a gene simultaneously creating a train of RNA polymerases
RNA polymerases
Prokaryotes: single RNA polymerase Transcribes mRNA, rRNA and tRNA Transcription and translation are coupled
Eukaryotes: three RNA polymerases RNA polymerase I transcribes rRNA genes RNA polymerase II transcribes protein-encoding genes; i.e.
makes mRNA primary transcript will be processed
RNA polymerase III transcribes tRNA genes and 5S rRNA genes
Transcription and translation occur in separate compartments of the eukaryotic cell In organelles they occur in the same compartment
Translation (protein synthesis)
Information in mRNA translated into primary sequence of a protein in 4 steps: ACTIVATION INITIATION ELONGATION TERMINATION
Translation (protein synthesis)
ACTIVATION Each amino acid
activated by reacting with ATP
tRNA synthetase enzyme attaches activated amino acid to own particular tRNA
Protein synthesis: Translation initiation
Protein synthesis:elongation (2)
Protein translation:termination (3)
Protein translation: summary
Initiation
Elongation
Termination
Cell Information: Instruction Book of Life
DNA, RNA, and Proteins are examples of strings written in either the four-letter nucleotide alphabet of DNA and RNA (A C G T/U)
or the twenty-letter amino acid alphabet of proteins. Each amino acid is coded by 3 nucleotides called codon. (Leu, Arg, Met, etc.)
Terima Kasih