Struktur dan Topologi DNA

DNA adalah makromolekul asam nukleat yang membawa dan mewariskan informasi genetik pada makhluk hidup. Ia menjadi bagian dalam kromosom yang bersemayam di dalam sel maupun virus. Struktur kompleks DNA berbentuk untai ganda double helix pertama kali dijelaskan oleh James D. Watson dan Fransis H. Crick tahun 1953. Saat ini, rupanya beberapa virus memiliki DNA yang beruntai tunggal (single-stranded) bukan ganda. Berikut saya mencoba meringkas sedikit buku Molecular Biology of the Gene karangan Watson et al. edisi ke-7.

Rantai polinukleotida

DNA disusun oleh dua rantai polinukleotida yang twisting satu sama lain secara double helix. Polinukleotida disusun oleh banyak nukleotida. Nukleotida ibarat tulang punggung DNA, tersusun oleh nukleosida dan residu fosfat.

Nukleosida terdiri dari gula dan basa. Gulanya yaitu 2′-deoxyribose, disebut demikian karena di posisi 2′ gula ini gak ada gugus hidroksil-nya (gak ada C-OH nya). Sedangkan basa, baik purin atau pirimidin, berikatan dengan gula 2′-deoxyribose di posisi 1′.

Residu fosfat, yaitu asam fosfat, menempel dengan nukleosida di posisi 5′ si gula tadi, berikatan dengan gugus hidroksilnya atom C kelima si gula. Ikatan ini bakal melepaskan molekul air dan membentuk 5′ phosphomonoester. Ikatan si gula sama si fosfat ini dikenal dengan nama ikatan phosphoester.

Struktur kimia nukleotida

Nah, nantinya si nukleotida ini bakal gabung sama nukleotida lainnya, membentuk rantai polinukleotida. Jadi, si fosfat yang nempel di posisi 5′ gulanya tadi, nempel lagi sama gulanya si nukleotida lain di posisi 3′. Seperti yang tadi juga, si fosfat berikatan sama gugus hidroksilnya atom C ketiga si gula punyanya nukleotida yang lain.

Karena si fosfat sekarang sudah berikatan sama dua gula, satu di posisi 5′ gula dia sendiri dan satu di posisi 3′ gula punya yang lain, maka ikatan ini sekarang namanya jadi ikatan phosphodiester. So, karena arah rantai ikatan antar nukleotida ini dari 5′ ke 3′, arah DNA biasanya ditulis 5′->3′.

Double helix DNA

Basa

Basa DNA ada dua, purin dan pirimidin. Keduanya disusun oleh atom-atom karbon dan nitrogen. Bentuknya datar dan punya cincin. Basa purin yaitu adenine dan guanine, sementara primidin yaitu cytosine dan thymine. Purin punya dua cincin, sementara pirimidin satu cincin.

Basa Nukleotida

Dilihat dari struktur kimianya, basa purin dan pirimidin punya dua status tautomerik. Basa adenin dan cytocine umumnya berbentuk amino, bukan imino, sementara basa guanine dan thymine umumnya berbentuk keto, bukan enol (lihat gambar). Adanya peluang terbentuknya model tautomerik lain sering jadi sumber masalah saat sintesis DNA.

Status tautomerik basa

Double helix

Seperti kita tahu, dua buah rantai polinukleotida bakalan twisting membentuk double helix. Cuma, arah rantainya berlawanan, atau anti paralel. Arah 5′->3′ yang satu ke utara, satu ke selatan, namun mereka saling deket-deketan. Deketannya itu karena ada si basa tadi.

Ikatan pasangan basa sangat spesifik. Adenine (A) hanya akan deketan sama thymine (T), sementara guanine (G) deketan sama cytosine (C), sehingga si DNA jadi stabil. Kenapa gitu, karena secara strukutur molekulnya ada kecocokan sehingga terbentuk ikatan hidrogen yang memadai antara pasangan molekul-molekul basa tersebut. Pasangan A:T dapat membentuk 2 ikatan hidrogen, sementara G:C 3 ikatan hidrogen. Tidak hanya itu, ikatan van der waals antar molekul juga ikut menstabilkan pasangan basa tersebut. Namun rupanya, kadang-kadang pasangan basa ini bisa flipping alias copot dari pasangannya karena satu dan lain hal, misalnya karena pengaruh enzim tertentu.

Nah, karena pasangan basa selalu sama, jika suatu rantai DNA ditulis kode sekuensnya berdasarkan basanya, misal 5′-ATGTC-3′, maka pasangan DNA pasti komplemen, yaitu 3′-TACAG-5′.

Dalam satu twist DNA, terdapat sekitar 10.5 bp (pasangan basa/ base pair). Antara pasangan basa yang satu dengan yang sebelumnya berputar ~36 derajat.

Struktur kimia DNA double helix

Secara geometri, jika dua basa berdekatan, maka dua gula yang dibawa kedua basa tadi akan ikut berhadapan kan. Nah, kedua gula ini membentuk sudut, sisi satunya bersudut besar (240 derajat), sisi satunya bersudut kecil (120 derajat). Pada sudut yang besar ini terdapat 4 struktur atom yang nongol, sementara di sudut kecil cuma 3 (lihat gambar). Sudut yang besar disebut major groove, sementara sudut yang kecil disebut minor groove.

Dilihat lebih jauh lagi, rupanya double helix bentuknya beraneka ragam, setidaknya ada 3 bentuk. Bentuk A, lebih gendut, punya 11 bp setiap belokan. Bentuk B, lebih langsing, 10 bp per belokan dan yang ini lebih sering. Yang lainnya bentuk Z, zigzag .

Bermacam bentuk DNA double helix

Denaturasi dan reasosiasi DNA

Meski double helix dan berpasangan, DNA bisa terpisah dari pasangannya dan bergabung lagi. Ikatan hidrogen yang menghubungkan dua rantai DNA adalah ikatan lemah. Ikatan ini dapat lepas jika suhu dipanaskan atau pH dinaikkan. Proses ini disebut denaturasi.

Pemisahan DNA ini sifatnya reversibel, menempel lagi kalau suhu perlahan diturunkan (reasosiasi). Selain itu hibrid atau kembaran DNA dapat dibuat di antara rantai DNA yang sudah dipisahin, proses ini disebut hibridisasi.

DNA bisa menyerap sinar UV maksimal pada panjang gelombang 260 nm. Jika suatu DNA dipanaskan dan beri sinar UV, maka semakin tinggi suhu pemanasan semakin tinggi pula sinar ultraviolet 260 nm yang diserap atau absorbansinya (hiperkromisitas). Jika nilai absorbansi dibandingkan terhadap suhu dalam suatu grafik, maka akan ada range antar suhu awal denaturasi dengan akhir denaturasi. Titik tengahnya disebut suhu leleh, atau melting temperature (Tm), yakni suhu dimana separoh DNA sudah terpisah.

Grafik suhu saat denaturasi DNA

Makin kuat ikatan hidrogen suatu DNA, maka tentu Tm nya akan lebih tinggi. Ikatan hidrogen G:C sebanyak 3 buah tentu lebih kuat dibandingkan dengan A:T yang hanya 2 buah. Artinya, semakin tinggi G:C content semakin tinggi pula Tm nya.

DNA pada umumnya berbentuk linear, alias kayak tali dengan pangkal dan ujung. Namun DNA juga bisa berbentuk sirkular, dimana ujung dan pangkalnya nyambung. DNA sirkuler ini banyak ditemukan pada bakteri, dan disebut plasmid.

Topologi DNA

Struktur DNA itu fleksibel banget. DNA linear bisa bebas menyesuaikan mau berapa banyak putaran yang mau dibuat. Tapi kalau DNA nya sirkuler, ada jumlah maksimal buat DNA tersebut berputar.

Pada DNA sirkuler, atau cccDNA (covalently closed circular DNA), jika kita ingin memisahkan dua untai nukleotida yang melingkar tanpa secara permanen memutuskan ikatan apa pun di tulang punggung gula-fosfat nya, tentu kita harus melewati satu untai melalui untai lainnya berulang kali. Berapa kali satu untai harus melewati untai lainnya agar dua untai sepenuhnya terpisah satu sama lain disebut linking number (Lk).

Secara geometris, linking number adalah penjumlahan dua komponen geometris, yaitu twist dan writhe. Nilainya selalu bilangan bulat. Twist itu sama dengan berapa banyak jumlah putaran heliks yang ada, nilainya selalu bulat. Sedangkan writhe itu sama dengan berapa kali untaian double helix itu menyilang sesamanya. Nilai writhe bisa negatif atau positif, tergantung ke arah mana putarannya. Susah membayangkan?

Misalnya anggap kita lagi pegang dua tali karet, warna merah dan biru. Ketika kita menjalin dua tali tersebut menjadi satu untai berlawanan dengan arah jarum jam, maka jumlah putaran jalinnya disebut twist. Kemudian bayangkan ujung dan pangkal tali yang sudah dijalin jadi satu tadi dihubungkan membentuk gelang. Nah ketika kedua tali tersebut sudah menyatu dan jadi karet gelang, banyangkan kita mau membungkus kantong plastik berisi bakso pakai karet gelang tersebut. Jumlah putaran yang kita buat saat menutup kantong itu disebut writhe. Kalau kita putar searah jarum jam maka writhe nya positif, kalau kita putar berlawanan arah jarum jam maka writhe nya negatif.

Maka secara logika, linking number itu pasti selalu konstan, dan merupakan gabungan antara twist dan writhe. Semakin positif writhe-nya (semakin kita puntir searah jarum jam), maka semakin berkurang twist-nya, sebaliknya, semakin negatif writhe-nya (semakin kita puntir berlawanan arah jarum jam), semakin bertambah twist-nya. Jadi, rumusnya:

Lk = Tw + Wr

Ket: Lk = Linking Number; Tw = Twist; Wr = Writhe

Contoh:
1) Jumlah twist = 36 dan writhe = 0, maka linking number-nya = 36+(0) = 36.
2) Jumlah twist = 36 dan writhe =-4, maka linking number-nya = 36+(-4) = 32
3) Jumlah twist = 36 dan writhe =+4, maka linking number-nya = 36+(+4)= 40.

Contoh ilustrasi linking number, twist dan writhe

Topoisomerase dapat mengubah topologi DNA

Tadi kita tahu bahwa bagaimanapun suatu DNA sirkuler akan selalu punya Lk yang konstan, baik saat relaksasi atau dipuntir habis-habisan Lk nya tetap bakalan sama. Nah, bagaimana kalau kita potong satu bagian nukleotidanya lalu kita puntir terpisah? Tentu Lk nya bakal berubah, karena bisa saja twistnya atau writhenya berubah. Di dalam sel, aktifitas tersebut ternyata ada. Si “gunting” yang memotong DNA ini adalah enzim topoisomerase.

Menurut cara kerjanya, topoisomerase itu dibagi jadi dua. Topoisomerase tipe I dan tipe II.

Topoisomerase tipe I bekerja dengan cara memotong satu untai nukleotida saja, lalu untai yang lain “numpang lewat” tepat di potongan tersebut, lalu baru yang terpotong tadi bakal tersambung kembali. Ini simpel banget, gak butuh energi ATP.

Topoisomerase tipe I

Topoisomerase tipe II bekerja dengan memotong dua untai nukleotida sekaligus di titik yang sama, alias si double helixnya dipotong betul di satu titik. Lalu, double helix puntiran yang lain “numpang lewat” di potongan tersebut, dan tersambung lagi. Proses ini butuh energi ATP.

Topoisomerase tipe II

Nah, apa yang terjadi kalau di suatu sel punya beberapa DNA sirkuler? Yup, enzim ini bisa saja menggabungkan dua gelang DNA sirkuler atau memisahkannya. Kalau tadinya ada dua gelang DNA sirkuler bergabung jadi satu ikat, maka proses ini disebut catenation. Sebaliknya, kalau tadinya ada dua gelang DNA yang terikat lalu terpisah, proses ini disebut decatenation.

Efek-efek lain enzim topoisomerase

Semua sel, baik prokariot maupun eukariot punya kedua tipe tipoisomerase ini. Pada prokariot misalnya, mereka punya enzim topoisomerasi tipe II yang dinamai DNA gyrase.

Lalu bagaimana enzim topoisomerase bisa memotong DNA? Jadi, enzim topoisomerase ini dibantu oleh residu thyrosine. Residu thyrosine ini menempel di sisi aktif topoisomerase. Nantinya, bagian thyrosine ini berikatan secara kovalen dengan ikatan phosphodiester di backbone DNA target membentuk phosphotyrosine linkage. Akibatnya, backbone DNA tadi putus. Bagian DNA yang putus satunya lagi meninggalkan gugus OH bebas.

Bagaimana DNA bisa gabung lagi? Jadi nantinya prosesnya jadi kebalikan, gugus OH bebas menyerang phospotyrosine linkage sehingga topoisomerase-residu thyrosine lepas dan DNA bergabung kembali.

Skema cara kerja topoisomerase

Satu atau lebih cccDNA yang punya panjang yang sama namun Lk yang berbeda dengan aslinya disebut DNA topoisomer. Topoisomer ini dapat dipisahkan satu sama lain dengan elektroforesis gel agarose. Semakin besar whrite nya, maka semakin padat DNA tersebut. Semakin padat suatu DNA maka makin cepat melintasi gel agarose saat dialiri arus, sehingga saat dibaca maka DNA ini terletak di ladder paling kecil.

Elektroforesis gel agarose pada topoisomer

Wallahu’alam.

Referensi: Watson et al. 2013. Molecular Biology of the Gene, 7th edition. New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press.

Cover image: https://daily.jstor.org/

Give a comment

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s