Pentingnya Molekul DNA

DNA adalah salah satu dari sedikit kombinasi huruf pada inti disiplin ilmu yang tampaknya memicu a tingkat pemahaman yang signifikan bahkan pada orang dengan sedikit paparan seumur hidup terhadap biologi atau ilmu pengetahuan di umum. Kebanyakan orang dewasa yang mendengar ungkapan "Ada dalam DNA-nya" segera menyadari bahwa sifat tertentu tidak dapat dipisahkan dari orang yang dideskripsikan; bahwa karakteristik itu entah bagaimana bawaan sejak lahir, tidak pernah hilang dan mampu ditransfer ke anak-anak orang itu dan seterusnya. Hal ini tampaknya berlaku bahkan di benak mereka yang tidak tahu apa yang dimaksud dengan "DNA", yaitu "asam deoksiribonukleat."

Dapat dimengerti bahwa manusia terpesona dengan konsep mewarisi sifat-sifat dari orang tua mereka dan mewariskan sifat-sifat mereka sendiri kepada keturunan mereka. Wajar bagi orang untuk merenungkan warisan biokimia mereka sendiri, bahkan jika hanya sedikit yang dapat membayangkannya dalam istilah formal seperti itu. Pengakuan bahwa faktor-faktor kecil yang tidak terlihat di dalam diri kita masing-masing mengatur bagaimana anak-anak orang terlihat dan bahkan berperilaku pasti telah ada selama ratusan tahun. Tetapi baru pada pertengahan abad ke-20 sains modern mengungkapkan dengan sangat rinci tidak hanya molekul yang bertanggung jawab atas pewarisan, tetapi juga seperti apa bentuknya.

Asam deoksiribonukleat memang cetak biru genetik yang dipelihara semua makhluk hidup di dalam sel mereka, sidik jari mikroskopis unik yang tidak hanya membuat setiap manusia individu satu-of-a-kind literal (kembar identik dikecualikan untuk tujuan sekarang) tetapi mengungkapkan banyak informasi penting tentang setiap orang, dari kemungkinan terkait dengan orang tertentu lainnya dengan kemungkinan mengembangkan penyakit tertentu di kemudian hari atau menularkan penyakit tersebut ke masa depan generasi. DNA tidak hanya menjadi titik sentral alami dari biologi molekuler dan ilmu kehidupan secara keseluruhan, tetapi juga merupakan komponen integral dari ilmu forensik dan rekayasa biologi.

James Watson dan Francis Crick (dan lebih jarang, Rosalind Franklin dan Maurice Wilkins) secara luas dikreditkan dengan penemuan DNA pada tahun 1953. Persepsi ini, bagaimanapun, adalah keliru. Secara kritis, para peneliti ini sebenarnya menetapkan bahwa DNA ada dalam bentuk tiga dimensi dalam bentuk a heliks ganda, yang pada dasarnya adalah tangga yang diputar ke arah yang berbeda di kedua ujungnya untuk membuat spiral bentuk. Tetapi para ilmuwan yang gigih dan sering dipuji ini "hanya" membangun kerja keras para ahli biologi yang bekerja keras untuk mencari informasi umum yang sama. sejauh tahun 1860-an, eksperimen yang sama inovatifnya dengan eksperimen Watson, Crick, dan lainnya dalam penelitian pasca-Perang Dunia II zaman.

Pada tahun 1869, 100 tahun sebelum manusia melakukan perjalanan ke bulan, seorang ahli kimia Swiss bernama Friedrich Miescher berusaha untuk mengekstrak komponen protein dari leukosit (sel darah putih) untuk menentukan komposisinya dan fungsi. Apa yang dia ekstrak dia sebut "nuklein," dan meskipun dia tidak memiliki instrumen yang dibutuhkan untuk mempelajari apa yang akan menjadi ahli biokimia masa depan. mampu belajar, dia segera mengetahui bahwa "nuklein" ini terkait dengan protein tetapi bukan protein itu sendiri, yang mengandung jumlah fosfor, dan bahwa zat ini tahan terhadap degradasi oleh faktor kimia dan fisik yang sama yang terdegradasi protein.

Perlu lebih dari 50 tahun sebelum pentingnya karya Miescher pertama kali menjadi jelas. Pada dekade kedua tahun 1900-an, seorang ahli biokimia Rusia, Phoebus Levene, adalah orang pertama yang mengusulkan itu, apa yang kita sebut nukleotida hari ini, terdiri dari bagian gula, bagian fosfat dan basa bagian; bahwa gula itu ribosa; dan bahwa perbedaan antara nukleotida disebabkan oleh perbedaan antara basa mereka. Model "polinukleotida" miliknya memiliki beberapa kekurangan, tetapi menurut standar saat itu, model tersebut sangat tepat sasaran.

Pada tahun 1944, Oswald Avery dan rekan-rekannya di Universitas Rockefeller adalah peneliti pertama yang diketahui secara resmi menyatakan bahwa DNA terdiri dari unit herediter, atau gen. Menindaklanjuti pekerjaan mereka dan juga Levene, ilmuwan Austria Erwin Chargaff membuat dua penemuan kunci: satu, bahwa urutan nukleotida dalam DNA bervariasi antar spesies organisme, bertentangan dengan apa yang dimiliki Levene diusulkan; dan dua, bahwa dalam organisme apa pun, jumlah total basa nitrogen adenin (A) dan guanin (G) digabungkan, terlepas dari spesiesnya, hampir selalu sama dengan jumlah total sitosin (C) dan timin (T). Ini tidak cukup membuat Chargaff menyimpulkan bahwa A berpasangan dengan T dan C berpasangan dengan G di semua DNA, tetapi kemudian membantu menopang kesimpulan yang dicapai oleh orang lain.

Akhirnya, pada tahun 1953, Watson dan rekan-rekannya, mendapat manfaat dari cara-cara yang meningkat pesat dalam memvisualisasikan struktur kimia tiga dimensi, menempatkan semua temuan ini bersama-sama dan menggunakan model kardus untuk menetapkan bahwa heliks ganda cocok dengan semua yang diketahui tentang DNA dengan cara yang tidak ada yang lain bisa.

DNA diidentifikasi sebagai materi herediter dalam makhluk hidup jauh sebelum strukturnya diklarifikasi, dan sebagai sering terjadi dalam sains eksperimental, penemuan penting ini sebenarnya tidak disengaja untuk tujuan utama para peneliti tujuan.
Sebelum terapi antibiotik muncul pada akhir 1930-an, penyakit menular merenggut lebih banyak nyawa manusia daripada mereka lakukan hari ini, 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 polisakarida tinggi (gula) dalam kapsul spesies bakteri pneumokokus, yang telah diisolasi dari pneumonia pasien. 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 penyebab penyakit pneumococcus dapat dicampur dengan komponen hidup dari pneumococcus yang tidak berbahaya dan menghasilkan bentuk penyebab penyakit dari yang sebelumnya jenis yang tidak berbahaya; ini membuktikan bahwa apa pun yang berpindah dari bakteri mati ke bakteri hidup dapat diwariskan.

Ketika Avery mengetahui hasil Griffith, dia mulai melakukan eksperimen pemurnian dalam upaya untuk mengisolasi bahan yang tepat dalam pneumokokus yang diwariskan, dan ditempatkan pada asam nukleat, atau lebih khusus, nukleotida. DNA sudah diduga kuat memiliki apa yang kemudian populer disebut "mengubah". prinsip-prinsip," jadi Avery dan yang lainnya menguji hipotesis ini dengan memaparkan materi turun-temurun ke a berbagai agen. Mereka yang diketahui merusak integritas DNA tetapi tidak berbahaya bagi protein atau DNA, yang disebut DNAase, adalah cukup dalam jumlah tinggi untuk mencegah transmisi sifat dari satu generasi bakteri ke lanjut. Sementara itu, protease, yang mengurai protein, tidak menyebabkan kerusakan seperti itu.

Pesan yang dapat dibawa pulang dari karya Avery dan Griffith adalah, sekali lagi, sementara orang-orang seperti Watson dan Crick patut dipuji atas kontribusi mereka. untuk genetika molekuler, membangun struktur DNA sebenarnya merupakan kontribusi yang cukup terlambat untuk proses belajar tentang molekul spektakuler ini.

Chargaff, meskipun dia jelas tidak menggambarkan struktur DNA secara lengkap, memang menunjukkan bahwa, di Selain (A + G) = (C + T), dua untai yang diketahui termasuk dalam DNA selalu berjarak sama selain. Hal ini menyebabkan postulat bahwa purin (termasuk A dan G) selalu terikat pada pirimidin (termasuk C dan T) dalam DNA. Ini masuk akal tiga dimensi, karena purin jauh lebih besar daripada pirimidin, sementara semua purin pada dasarnya berukuran sama dan semua pirimidin pada dasarnya berukuran sama. Ini menyiratkan bahwa dua purin yang terikat bersama akan memakan lebih banyak ruang di antara untaian DNA dari dua pirimidin, dan juga bahwa setiap pasangan purin-pirimidin yang diberikan akan mengkonsumsi jumlah yang sama dari ruang. 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 itu sudah.

Basa (lebih lanjut tentang ini nanti) mengikat satu sama lain di bagian dalam molekul DNA, seperti anak tangga di tangga. Tapi bagaimana dengan untaian, atau "sisi" itu sendiri? Rosalind Franklin, bekerja dengan Watson dan Crick, berasumsi bahwa "tulang punggung" ini terbuat dari gula (khususnya gula pentosa, atau gula dengan struktur cincin lima atom) dan gugus fosfat yang menghubungkan gula. Karena gagasan pasangan basa yang baru diklarifikasi, Franklin dan yang lainnya menjadi sadar bahwa kedua untai DNA— dalam satu molekul adalah "komplementer," atau pada dasarnya bayangan cermin satu sama lain pada tingkat nukleotida. Ini memungkinkan mereka untuk memprediksi radius perkiraan bentuk DNA yang terpelintir dalam tingkat akurasi yang solid, dan analisis difraksi sinar-X mengkonfirmasi struktur heliks. Gagasan bahwa heliks adalah heliks ganda adalah detail utama terakhir tentang struktur DNA yang masuk ke tempatnya, pada tahun 1953.

Nukleotida adalah subunit berulang 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. Gugus fosfat menghubungkan gula bersama-sama untuk membentuk tulang punggung DNA, dua untai yang berputar di sekitar basa nitrogen-berat terikat di tengah heliks ganda. Heliks membuat satu putaran 360 derajat lengkap sekitar sekali setiap 10 pasangan basa.

Gula yang hanya terikat pada basa nitrogen disebut a nukleosida.

RNA (asam ribonukleat) berbeda dari DNA dalam tiga cara utama: Pertama, pirimidin urasil menggantikan timin. Dua, gula pentosa adalah ribosa daripada deoksiribosa. Dan tiga, RNA hampir selalu beruntai tunggal dan hadir dalam berbagai bentuk, yang pembahasannya berada di luar cakupan artikel ini.

DNA "dibuka" menjadi dua untai komplementernya ketika tiba saatnya untuk membuat salinan. Saat ini terjadi, untaian anak terbentuk di sepanjang untaian induk tunggal. Satu untai anak seperti itu terbentuk terus menerus melalui penambahan nukleotida tunggal, di bawah aksi enzim DNA polimerase. Sintesis ini hanya mengikuti arah pemisahan untai DNA induk. Untai anak lainnya terbentuk dari polinukleotida kecil yang disebut Fragmen Okazaki yang sebenarnya terbentuk dalam arah yang berlawanan dari pelepasan untaian induk, dan kemudian disatukan oleh enzim DNA ligase.

Karena dua untai anak juga saling melengkapi satu sama lain, basa mereka akhirnya terikat bersama untuk membuat molekul DNA untai ganda identik dengan induknya.

Pada bakteri, yang bersel tunggal dan disebut prokariota, satu salinan DNA bakteri (juga disebut genomnya) berada di sitoplasma; tidak ada nukleus. Pada organisme eukariotik multiseluler, DNA ditemukan dalam nukleus dalam bentuk kromosom, yaitu: molekul DNA yang sangat melingkar, tergulung, dan terkondensasi secara spasial yang panjangnya hanya sepersejuta meter, dan protein dipanggil histones. Pada pemeriksaan mikroskopis, bagian-bagian kromosom yang menunjukkan histon "spools" bergantian dan sederhana untaian DNA (disebut kromatin pada tingkat organisasi ini) sering disamakan dengan manik-manik pada a tali. Beberapa DNA eukariotik juga ditemukan di organel sel yang disebut mitokondria.