Mengungkap Struktur DNA

Pada tahun 1869, seorang ahli kimia Jerman, Friedrich Miescher, menemukan substansi yang saat ini disebut dengan DNA. Friedrich Miescher mengisolasi subtansi yang berwarna putih dari inti sel manusia dan inti sel sperma ikan. Dia berasumsi telah menemukan senyawa baru di sel karena perbandingan nitrogen dan fosfor dalam senyawa tersebut berbeda dengan senyawa lain yang telah diketahui. Friedrich Miescher memberi nama  “nuclein” pada senyawa baru yang telah ditemukan tersebut karena sangat berkaitan dengan nucleus (inti sel). Nuclein sedikit asam, sehingga senyawa tersebut selanjutnya lebih dikenal dengan asam nukleat.

Sekitar 50 tahun setelah ditemukan, seorang ahli biokimia yang bernama P. A. Levene berhasil menemukan penyusun dari asam nukleat. Levene mengungkapkan bahwa asam nukleat tersusun dari gugus fosfat (PO₄), Gula karbon, dan basa nitrogen. Basa nitrogen terdiri dari purin (Adenin (A), Guasin (G)) dan pirimidin (Timin (T) , Sitosin (C)). Pada RNA Timin digantikan dengan basa Urasil. Gula karbon yang pada DNA adalah Deoxyribose sedangkan  pada RNA adalah Ribose. Tiap-tiap gugus fosfat (PO₄), Gula karbon, dan basa nitrogen membentuk suatu struktur yang disebut dengan nukleotida.

Nukleotida penyusun DNA maupun RNA terdiri dari gugus fosfat, gula karbon dan basa nitrogen (adein, guanin, sitosin timin, urasil). Sumber : Biology: Peter H. Raven et al

Gula karbon pada DNA maupun RNA terdiri dari 5 atom karbon. Empat atom karbon dan 1 oksigen

saling berikatan membentuk cincin. Gugus fosfat berikatan dengan atom karbon ke-5 dari gula karbon sedangkan basa nitrogen berikatan dengan atom karbon ke-1 dari gula karbon dan terdapat pula gugus hidroksil (-OH) yang berikatan dengan atom karbon ke-3 dari gula karbon.

Atom karbon pada nukleotida diberi nomer 1 sampai 5, dihitung searah jarum jam dimulai dari atom oksigen. Sumber : Biology: Peter H. Raven et al

Adanya gugus fosfat dan gugus hidroksil (-OH) pada asam nukleat memungkinkan nukleotida saling berikatan membentuk rantai panjang. Gugus fosfat dan gugus hidroksil (-OH) bereaksi dengan melepaskan 1 molekul air (H2O) membentuk ikatan kovalen yang disebut dengan ikatan fosfodiester. Disebut ikatan fosfodiester karena gugus fosfat terikat oleh sepasang gugus ester.

Gugus fosfat dan gugus hidroksil 2 nukleotida saling berikatan membentuk ikatan fosfodiester. Sumber : Biology: Peter H. Raven et al

Levene awalnya menyatakan bahwa jumlah basa nitrogen dari suatu DNA jumlahnya sama. Namun setelah mengulangi analisis kimia dengan menggunakan teknologi yang lebih sensitif, Levenemendapatkan hasil yang menunjukkan bahwa proporsi dari 4 basa nitrogen (C, G, T, A) pada suatu DNA tidak sama.

Hasil penelitian lebih detail tentang proporsi basa nitrogen dalam suatu DNA didapatkan oleh Erwin Chargaff. Hasil penelitian tersebut dikenal hukum Chargaff yang isinya menyatakan :

1. perbandingan basa Adenin (A) akan selalu sama dengan basa Timin (T), perbandingan basa Guanin (G) akan selalu sama dengan basa Sitosin (C)

2. Perbandingan Purin akan selalu sama dengan pirimidin.

Hukum Chargaff dapat dijelaskan oleh hasil penelitian dari Rosalind Franklin, seorang ahli kimia Inggris yang menggunakan difraksi sinar-X untuk mengetahui pola dari DNA. Jika suatu senyawa atau molekul ditembak dengan sinar-X, setiap berkas sinar-X yang mengenai atom akan dibelokkan atau terdifraksi dan pola difraksi tersebut kemudian direkam pada film fotografi. Film Fotografi yang dihasilkanselanjutnya dianalisis dengan seksama untuk mengetahui struktur tiga dimensi dari suatu senyawa.

Penggunaan difraksi sinar-X tersebut dapat dilakukan pada senyawa-seyawa yang telah dikristalkan, namun DNA secara alami tidak bisa terkristalisasi. Oleh karena itu, Rosalind Franklin melakukan penelitian di laboratorium ahli biokimia Inggris, Maurice Wilkins untuk mengubah DNA dalam bentuk fiber (serat). Menggunakan DNA yang berbentuk serat tersebut akhirnya Rosalind Franklin berhasil menggunakan difraksi sinar-X untuk mengetahui struktur DNA, hasilnya Rosalind Franklin menyatakan bahwa DNA berbentuk sebuah heliks dengan diameter sekitar 2 nm dan 1 putaran heliks lengkap setiap 3,4 nm.

a). Rosalind Franklin; b) film fotografi hasil difraksi sinar-X; c) Struktur 3 dimensi DNA yang diajukan oleh Rosalind Franklin. Sumber : Biology: Peter H. Raven et al

Berdasarkan hasil penelitian dari Rosalind Franklin, James Watson Francis Crick, dua peneliti muda dari Universitas Cambridge berusaha menganalisis struktur DNA. Watson dan Crick mencoba berbagai kemungkinan untuk menyusun rangkain nukleotida hingga akhirnya menemukan struktur double heliks. Disebut double heliks karena 2 untaian nukleotida yang saling berikatan membentuk struktur heliks dengan diameter 2 nm dan kedua untaian nukleotida tersusun antiparallel yaitu 1 untaian nukleotida berjajar dari arah ujung 5’ ke ujung 3’ dan 1 untaian nukleotida yang lain nukleotida berjajar dari arah ujung 3’ ke ujung 5’.

Basa nitrogen dari 2 untaian nukleotida saling berikatan dengan pasangan masing-masing. Jarak antar ikatan basa nitrogen adalah 0,34 nm. Basa Adenin (A) berikatan dengan basa Timin (T) dan  basa Guanin (G) berikatan dengan basa Sitosin (C). Oleh karena itu, Hukum Chargaff dapat dijelaskan menggunakan model struktur DNA dari Watson-Crick tersebut karena jumlah basa T akan selalu sama dengan jumlah basa A dan jumlah basa G akan selalu sama dengan jumlah basa C. 

Struktur doubel helix pada DNA; adenin berikatan dengan timin, guanin berikatan dengan sitosin, membentuk ikatan hidrogen. Sumber : Biology: Peter H. Raven et al