komponen penyusun DNA

Pada tingkat yang paling dasar, semua DNA terdiri dari serangkaian molekul yang lebih kecil yang disebut nukleotida. Pada gilirannya, masing-masing nukleotida itu sendiri terdiri dari tiga komponen utama: daerah yang mengandung nitrogen dikenal sebagai basa nitrogen, molekul berbasis gula karbon disebut deoksiribosa, dan wilayah yang mengandung fosfor dikenal sebagai gugus fosfat melekat pada molekul gula (Gambar 1). Ada empat nukleotida DNA yang berbeda, masing-masing ditentukan oleh spesifik basa nitrogen: adenin (sering disingkat "A" dalam penulisan ilmiah), timin (disingkat "T"), guanin (disingkat "G"), dan sitosin (disingkat "C" ) (Gambar 2).

 

Gambar 1. Sebuah single nukleotida mengandung basa nitrogen (merah), gula molekul deoksiribosa (abu-abu), dan gugus fosfat melekat pada 5 'sisi gula (ditandai dengan abu-abu terang). Berlawanan dengan 5 'sisi dari molekul gula adalah 3' sisi (abu-abu gelap), yang memiliki gugus hidroksil bebas terpasang (tidak ditampilkan).

Gambar 2: Empat basa nitrogen yang membentuk nukleotida DNA ditunjukkan dalam warna-warna cerah: adenin (A, hijau), timin (T, red), sitosin (C, jeruk), dan guanin (G, biru).

Meskipun nukleotida berasal nama mereka dari basa nitrogen yang dikandungnya, mereka berutang banyak struktur dan ikatan kemampuan mereka untuk molekul deoksiribosa mereka. Bagian tengah molekul ini berisi lima atom karbon disusun dalam bentuk cincin, dan setiap karbon dalam cincin ini disebut dengan nomor diikuti dengan simbol utama ('). Dari karbon ini, atom karbon 5' sangat penting, karena merupakan lokasi di mana gugus fosfat melekat pada nukleotida. Secara tepat, daerah sekitarnya karbon ini atom dikenal sebagai ujung 5' dari nukleotida. Diseberang karbon 5 ', di sisi lain dari cincin deoksiribosa, adalah karbon 3', yang tidak terikat pada gugus fosfat. Ini bagian dari nukleotida biasanya disebut sebagai ujung 3'(Gambar 1). Ketika nukleotida bergabung bersama dalam seri, mereka membentuk struktur yang dikenal sebagai sebuah polinukleotida. Pada setiap titik persimpangan dalam sebuah polinukleotida, ujung 5' dari satu nukleotida menempel pada ujung 3' dari nukleotida yang berdekatan melalui sambungan disebut ikatan fosfodiester (Gambar 3). Inilah pengaturan alternating gula-fosfat yang membentuk "tulang punggung" dari molekul DNA.

Gambar 3: Semua polinukleotida mengandung tulang punggung gula-fosfat bergantian. Backbone ini terbentuk ketika ujung 3 '(abu-abu gelap) satu nukleotida menempel pada 5' fosfat akhir (abu-abu terang) dari nukleotida yang berdekatan dengan cara ikatan fosfodiester.

Bagaimana untai DNA terorganisir?
Meskipun DNA sering ditemukan sebagai polinukleotida beruntai tunggal, diasumsikan bentuk yang paling stabil saat beruntai  ganda (Double-stranded). DNA beruntai ganda terdiri dari dua polinukleotida yang diatur sedemikian rupa sehingga basa nitrogen dalam satu polinukleotida yang melekat pada basa nitrogen dalam polinukleotida lain dengan cara ikatan kimia khusus yang disebut ikatan hidrogen. Ikatan ini basa-ke-basa tidak acak, melainkan setiap A dalam satu untai selalu berpasangan dengan T dalam untai lainnya, dan masing-masing C selalu berpasangan dengan G. DNA beruntai ganda yang dihasilkan dari pola ikatan terlihat seperti sebuah tangga dengan gula-fosfat mendukung samping dan pasangan basa anak tangga.

Gambar 4: DNA beruntai ganda terdiri dari dua rantai polinukleotida yang basa nitrogen terhubung oleh ikatan hidrogen. Dalam pengaturan ini, setiap helai mencerminkan lain sebagai akibat dari orientasi anti-paralel tulang punggung gula-fosfat, serta sifat komplementer dari pasangan basa AT dan CG.

Perhatikan bahwa karena dua polinukleotida yang membentuk DNA beruntai ganda yang "terbalik" relatif satu sama lain, ujung gula-fosfat mereka anti-paralel, atau diatur dalam orientasi yang berlawanan. Ini berarti bahwa rantai gula-fosfat satu untai yang berjalan di arah, 5 'ke 3' sedangkan yang lain berjalan dalam 3 'ke 5' arah (Gambar 4). Ini juga penting untuk memahami bahwa urutan tertentu dari A, T, C, dan nukleotida G dalam DNA suatu organisme unik untuk individu itu, dan ini langkah tersebut yang mengontrol tidak hanya operasi dalam sel tertentu, tetapi dalam organisme sebagai keseluruhan.

Gambar 5: Rosalind Franklin menggunakan difraksi sinar-X untuk memperoleh citra DNA. Gambar seperti ini memungkinkan perhitungan yang tepat dari jarak molekul dalam double helix.

Di luar struktur tangga seperti dijelaskan di atas, karakteristik kunci lain DNA beruntai ganda adalah bentuk yang unik tiga dimensi. Bukti fotografi pertama bentuk ini diperoleh pada tahun 1952, ketika ilmuwan Rosalind Franklin menggunakan proses yang disebut difraksi sinar-X untuk menangkap gambar dari molekul DNA (Gambar 5). Meskipun garis hitam dalam foto ini terlihat relatif jarang, Dr Franklin ditafsirkan sebagai mewakili jarak antar nukleotida yang disusun dalam bentuk spiral yang disebut heliks.

Gambar 6: dobel helix tampak seperti tangga memutar.

Sekitar waktu yang sama, peneliti James Watson dan Francis Crick sedang mengejar model definitif untuk struktur stabil DNA dalam inti sel. Watson dan Crick akhirnya menggunakan gambar Franklin, bersama dengan bukti mereka sendiri untuk sifat beruntai ganda DNA, untuk menyatakan DNA yang benar-benar mengambil bentuk heliks ganda, struktur tangga seperti itu dipelintir sepanjang seluruh panjang (Gambar 6 ). Franklin, Watson, Crick dan semua diterbitkan artikel yang menjelaskan terkait temuan mereka dalam masalah yang sama Nature pada tahun 1953.

Gambar 7: Untuk lebih cocok dalam sel, potongan panjang DNA beruntai ganda erat dikemas ke dalam struktur yang disebut kromosom.

Bagaimana DNA dikemas dalam sel?
Kebanyakan sel sangat kecil. Sebagai contoh, satu manusia saja terdiri dari sekitar 100 triliun sel. Namun, jika semua DNA hanya dalam salah satu sel yang disusun menjadi bagian lurus tunggal, DNA yang akan lama hampir dua meter! Jadi, bagaimana hal ini banyak DNA dibuat pas dalam sel? Jawaban atas pertanyaan ini terletak pada proses yang dikenal sebagai pengemasan DNA, yang merupakan fenomena DNA cocok ke dalam bentuk kompak padat (Gambar 7).

Gambar 8: Dalam kromatin eukariotik, DNA beruntai ganda (abu-abu) melilit protein histon (merah).

Selama pengemasan DNA, potongan panjang DNA untai ganda yang erat dilingkarkan, melingkar, dan dilipat sehingga mereka cocok dengan mudah dalam sel. Eukariota mencapai prestasi ini dengan membungkus DNA mereka di sekitar protein khusus yang disebut histon, sehingga pemadatan cukup untuk muat di dalam nukleus (Gambar 8). Bersama-sama, DNA eukariotik dan protein histon yang terus bersama-sama dalam bentuk melingkar yang disebut kromatin.

Gambar 9: DNA eukariotik supercoiled.

DNA dapat lebih dikompresi melalui proses berliku-liku yang disebut supercoiling (Gambar 9). Kebanyakan prokariota tidak memiliki histon, tetapi mereka memiliki bentuk supercoiled DNA mereka diselenggarakan bersama oleh protein khusus. Dalam kedua eukariota dan prokariota, DNA ini sangat dipadatkan kemudian disusun menjadi struktur yang disebut kromosom. Kromosom mengambil bentuk yang berbeda dalam berbagai jenis organisme. Misalnya, kebanyakan prokariota memiliki kromosom melingkar tunggal, sedangkan kebanyakan eukariota memiliki satu atau lebih kromosom linear, yang sering muncul sebagai struktur berbentuk X. Pada waktu yang berbeda selama siklus hidup sel, DNA yang membentuk kromosom sel dapat erat dipadatkan menjadi struktur yang terlihat di bawah mikroskop, atau bisa didistribusikan lebih longgar dan menyerupai tumpukan tali.