Asid deoksiribonukleik (DNA) merupakan komponen kimia utama kromosom dan merupakan bahan yang menghasilkan gen. Ia kadang kala dipanggil molekul warisan, kerana DNA boleh mewariskan sifat sifat organisma induk (iaitu ibubapa). Dalam proses pembiakan, DNA bereplikasi dan hasilnya dipindahkan kepada zuriat.

Dalam bakteria, organisma sel prokaryotik, dan organisma mudah yang lain, DNA tersebar di dalam keseluruhan sel. Dalam sel rumit atau sel eukaryotik yang membentuk tumbuhan, haiwan dan organisma pelbagai-sel yang lain, kebanyakan DNA terdapat di dalam nukleus sel. Organelle penghasil tenaga seperti kloroplas dan mitokondria dan kebanyakan virus juga mengandungi DNA.

Sejarah

DNA pertama kali berhasil dimurnikan pada tahun 1868 oleh ilmuwan Swiss Friedrich Miescher di Tubingen, Jerman, yang menamainya nuclein berdasarkan lokasinya di dalam inti sel. Namun demikian, penelitian terhadap peranan DNA di dalam sel baru dimulai pada awal abad 20, bersamaan dengan ditemukannya postulat genetika Mendel. DNA dan protein dianggap dua molekul yang paling memungkinkan sebagai pembawa sifat genetik berdasarkan teori tersebut.

Dua eksperimen pada dekad 40-an membuktikan fungsi DNA sebagai bahan genetik. Dalam penelitian oleh Avery dan rakan-rakannya, ekstrak dari sel bakteria yang satu gagal men-transform sel bakteria lainnya kecuali jika DNA dalam ekstrak dibiarkan utuh. Eksperimen Hershey dan Chase membuktikan hal yang sama dengan menggunakan pencari jejak radioaktif (radioactive tracers).

Misteri yang belum dapat diungkai ketika itu adalah: bagaimanakah struktur DNA sehingga ia mampu bertugas sebagai bahan genetik? Persoalan ini dijawab oleh Francis Crick dan koleganya James Watson berdasarkan hasil difraksi sinar-x DNA oleh Maurice Wilkins dan Rosalind Franklin. Crick, Watson, dan Wilkins mendapat hadiah Nobel Kedoktoran pada 1962 atas penemuan ini. Franklin, kerana sudah mati pada waktu itu, tidak dapat dianugerahi hadiah ini.

Struktur

DNA merupakan polimer yang terdiri dari tiga komponen utama, iaitu gugus fosfat, gula deoksiribosa, dan basa nitrogen. Sebuah unit monomer DNA yang terdiri dari ketiga komponen tersebut dinamakan nukleotida, sehingga DNA tergolong sebagai polinukleotida.

Rantai DNA memiliki lebar 22–24 Å, sementara panjang satu unit nukleotida 3,3 Å[1]. Walaupun unit monomer ini sangatlah kecil, DNA dapat memiliki jutaan nukleotida yang terangkai seperti rantai. Misalnya, kromosom terbesar pada manusia terdiri atas 220 juta nukleotida.

Rangka utama untai DNA terdiri dari gugus fosfat dan gula yang berselang-seling. Gula pada DNA adalah gula pentosa (berkarbon lima), iaitu 2-deoksiribosa. Dua gugus gula terhubung dengan fosfat melalui ikatan fosfodiester antara atom karbon ketiga pada cincin satu gula dan atom karbon kelima pada gula lainnya. Salah satu perbezaan utama DNA dan RNA adalah gula penyusunnya; gula RNA adalah ribosa.

DNA terdiri atas dua untai yang berpilin membentuk struktur heliks ganda. Pada struktur heliks ganda, orientasi rantai nukleotida pada satu untai berlawanan dengan orientasi nukleotida untai lainnya. Hal ini disebut sebagai antiparalel. Masing-masing untai terdiri dari rangka utama, sebagai struktur utama, dan basa nitrogen, yang berinteraksi dengan untai DNA satunya pada heliks. Kedua untai pada heliks ganda DNA disatukan oleh ikatan hidrogen antara basa-basa yang terdapat pada kedua untai tersebut. Empat basa yang ditemukan pada DNA adalah adenin (dilambangkan A), sitosin (C, dari cytosine), guanin (G), dan timin (T). Adenin berikatan hidrogen dengan timin, sedangkan guanin berikatan dengan sitosin.

Model DNA

Model Struktur DNA yang dicadangkan oleh James Watson dan Francis Crick (1953) adalah seperti berikut.

Asid nukliek terdiri daripada subunit-subunit kecil nukleotida iaitu :-

* kumpulan fosfat
* nukleotida tanpa kumpulan fosfat dikenali sebagai nukleotida
* kumpulan gula pentosa, gula ribosa dan deoksiribosa
* bes nitrogen purin dan pirimidina

4 komponen bes nitrogen pada DNA iaitu :-

1. Adenina (A)
2. Timina (T)
3. Sitosina (C)
4. Guanina (G)

* Pada RNA timina diganti dengan Urasil (U).
* Purin (ada 2 cincin) terdiri daripada adenina dan guanina.
* Pirimidina (1 cincin) terdiri daripada sitosina, timina dan urasil.

Ciri-ciri utama model Watson dan Crick ialah

1. DNA terdiri daripada 2 bebenang polinukleotida yang bergelung untuk menghasilkan bentuk heliks ganda dua.

2. Dua bebangan polinukleotida itu terdapat dalam arah yang bertentangan (5’-3’ dengan 3’-5).

3. DNA mempunyai tulang belakang gula-fosfat ikatan fosfodiester dan pada bahagian tengahnya terdapat pasangan-pasangan bes A-T dan G-C. Pasangan ini diikat oleh ikatan hidrogen.

4. Dupleks DNA mempunyai diameter 20 Å. Pasangan bes pada DNA disusun dalam jarak 3.4 Å antara satu sama lain. Satu pusingan penuh heliks berjarak 34 Å dan mengandungi 10 bes.

5. Segmen molekul DNA mempunyai alur major yang berselang dengan alur minor.

Pandangan keseluruhan tentang struktur molekul

Walaupun kadang kala dikenali sebagai “molekul warisan”, perca DNA sebagaimana dikenali oleh orang ramai bukannya satu molekul. Sebaliknya DNA adalah sepasang molekul yang berpaut seperti sulur paut untuk membentuk heliks berkembar.

Setiap molekul merupakan seurat DNA: rantaian nukleotida yang bersambung secara kimia, setiap satunya mengandungi gula, fosfat dan satu dari empat jenis aromatik berasaskan Nitrogen (Nitrogenous base). Oleh kerana utasan DNA terdiri daripada sub-unit nukleotida, DNA adalah polimer.

Kepelbagaian asas beerti terdapat empat jenis nuleeotida, yang biasanya dikenali dengan asas mereka. Ini adalah adenina (A), timina (T), sitosina (C), and guanina (G).

Dalam helix DNA berkembar, dua utas polynucleotide bergabung melalui pasangan asas “base pair / pasangan secucuk asas, yang terdiri daripada ikatan hidrogen. Setiap asas cenderung untuk membentuk ikatan hidrogen hanya dengan pasangannya. — A kepada T dan C kepada G — jadi pengenalpastian pada asas satu untaian menentukan asas pada untaian pasangan. Oleh itu keseluruhan urutan utama nucleotide bagi setiap utaian menurut kepada yang lain, dan apabiladipisahkan, setiap satu mampu bertindak sebagai acuan kepada mana salinan kepada yang asal yang lengkap dapat dislin dengan sempurna.

Disebabkan berpasangan menyebabkan asas nukleotida untuk menghadap teras heliks, kumpulan nukleotida gula dan fosfat selari di luar, dan dua rantaian yang dibentuk kadang kala dipanggil tulang belakang heliks. Malah, ikatan kimia antara fosfat dan gula yang mengikat setiap nukleotida kepada untaian DNA seterusnya.

Satu nukleotida terdiri dari gula,basa dan fosfat.ikatan antara citosin dan guanin berupa 2 rantai hidrogen, sedangkan untuk adenin dan timin hanya berupa satu ikatan rantai hiodrogen. rantai DNA yang satu merupakan komplemen bagi rantai yang lainnya dengan arah 5′-3′ dan 3′-5′.DNA dapat bereplikasi, ada 3 model replikasi DNA yaitu konservativ,semi konservativ,dan dispersiv, tetapi yang sering dipakai adalah yang model semi konservativ. Struktur DNA pada eukariot berbentuk linier sedangkan pada prokariot berbentuk sirkuler. karena rantai DNA sangat panjang maka nanti akan mengalami pengepakan dengan bantuan protein histon.sebenarnya letak DNA diantara kromosom adalah sebagai berikut : kromosom menipis menjadi benang kromatin yang terdiri dari rangkaian nukleosom.satu nukleosom terdiri dari 8 protein histon

Peranan turutan

Di dalam gen, urutan nukleotida sepanjang untaian DNA menentukan protein, yang akan dihasilkan oleh organism atau “gambaran gen (gene expression) pada satu atau beberapa titik pada hayatnya menggunakan maklumat urutan ini. Kaitan antara urutan nukleotida dan urutan asid amino protein ditentukan oleh hukum selular (cellular) mudah terjemahan, dikenali keseluruhannya sebagai kod genetik. Membaca sepanjang urutan “pengkod protein”, setiap urutan tiga nukleotida berikutnya (dikenali sebagai kodon) menentukan atau “mengkodkan” satu asid amino.

Dalam kebanyakan spesies organisma, hanya sebahagian kecil dari seluruh urutan genom kelihatan mengandungi kod protein. Fungsi yang selebihnya menjadi spekulasi. Ianya diketahui bahawa urutan nukleotida tertentu mempunyai kecenderungan untuk protein pengikat DNA, yang memainkan pelbagai peranan luas, khususnya melalui penyalinan terkawal dan transkripsi. Urutan ini selalunya dipanggil urutan pengawal(regulatory sequence), dan penyelidik menjangkakan bahawa setakat ini mereka hanya mengenal pasti hanya sebahagian kecil daripada sepenuhnya. “Sampah DNA” mewakili urutan yang masih belum kelihatan mengandungi gen atau mempunyai fungsi.

Urutan juga menentukan bahagian DNA yang cenderung kepada belahan oleh enzim pendam, peralatan utama (quintessential tools) bagi kejuruteraan genetik. Kedudukan tapak belahan (cleavage sites) sepanjang genom seseorang menentukan cap jari DNA seseorang.

Ciri-ciri mekanikal berkaitan dengan biologi

Ikatan hidrogen antara untaian heliks berkembar cukup lemah sehinggakan ia dapat diuraikan dengan mudan oleh enzim. Enzim dikenali sebagai helicase mengurai untaian-untaian DNA untuk memudahkan kemajuan enzim pembaca urutan seperti Polimerasa DNA. Uraian ikatan memerlukan helicases membelah secara kimia tulang belakang fosfat salah satu untaian agar ia dapat berpusing mengelilingi yang lain. Untaian juga dapat diuraikan dengan pemanasan perlahan, seperti digunakan dalam PCR, bergantung ia mempunyai kurang daripada 10,000 pasangan asas ((10 pasangan kilobase (kilobase pairs), atau 10 kbp). Pembelitan untaian DNA menyebabkan bahagian panjang sukar dipisahkan.

Apabila hujung untaian DNA heliks berkembar bersambung membentuk bulatan, seperti dalam DNA plasmid, untaian adalah kusut topologi. Ini bererti ia tidak dapat dipisahkan melalui pemanasan perlahan sahaja atau sebarang proses yang tidak membabitkan memutuskan untaian. Tugas menguraikan untaian DNA bersambung secara topologi dilakukan oleh enzim yang dikenali sebagai topoisomerase. Sesetengah enzim menguraikan bulatan DNA dengan membelah dua untaian agar segmen untaian berkembar yang lain dapat lalu. Penguraian diperlukan untuk penyalinan bulatan DNA dan juga untuk pelbagai jenis gabungan dalam DNA lurus.

Heliks DNA boleh membentuk satu dari tiga jenis geometri yang berlainan sedikit, yang mana bentuk “B” digambarkan oleh James D. Watson dan Francis Crick dipercayai didapati secara meluas di dalam sel. Ianya adalah selebar 2 nanometer dan mengunjur 3.4 nanometer setiap 10 bp urutan. Ini juga merupakan anggaran panjang urutan dalam mana helix mebuat satu pusingan di sekeliling teras (axis). Kekerapan pusingan ini (dikenali sebagai nada helix (helical pitch)) bergantung kepada tenaga tindih (stacking forces) yang setiap asas kenakan pada jirannya dalam rantaian DNA.

Kesempitan heliks berkembar menjadikannya mustahil untuk dikesan melalui mikroskop elektron biasa, kecuali melalui pewarna pekat. Pada masa yang sama, DNA di kebanyakan sel boleh jadi sepanjang makroskopik (macroscopic) — anggaran 5 centimeter panjang untuk untaian dalam kromosom manusia. Olehitu, sel mestilah memampatkan atau membungkus DNA untuk dibawa bersama. Ini adalah salah satu fungsi kromosom, yang mengandungi protein berbentuk gelung yang dikenali sebagai histone, yang mana DNA bergelung disekelilingnya.

Penggunaan DNA dalam teknologi

DNA dalam forensik

Ilmuwan forensik dapat menggunakan DNA yang terletak dalam darah, semen, kulit, liur atau rambut yang tersisa di tempat kejadian kejahatan untuk mengidentifikasi kemungkinan tersangka, sebuah proses yang disebut fingerprinting genetik atau pemrofilan DNA (DNA profiling). Dalam pemrofilan DNA panjang relatif dari bahagian DNA yang berulang seperti short tandem repeats dan minisatelit, dibandingkan. Pemprofilan DNA dikembangkan pada 1984 oleh genetikawan Inggeris Alec Jeffreys dari Universiti Leicester, dan pertama kali digunakan untuk mendakwa Colin Pitchfork pada 1988 dalam kes pembunuhan Enderby di Leicestershire, Inggeris. Banyak juri membolehkan yang didakwa dari kejahatan tertentu untuk menyediakan sebuah contoh DNA untuk dimasukkan ke dalam database komputer. Hal ini telah membantu penyiasat menyelesaikan kes lama di mana pelanggar tidak diketahui dan hanya contoh DNA yang diperolehi dari tempat kejadian (terutama dalam kes perkosaan antara orang yang tak dikenali). Kaedah ini adalah salah satu teknik paling boleh dipercayai untuk mengidentifikasi seorang pelaku kejahatan, tetapi tidak selalu sempurna, misalnya bila tidak ada DNA yang dapat diperolehi, atau bila tempat kejadian terkontaminasi oleh DNA dari banyak orang.

DNA dalam komputasi

DNA memainkan peranan penting dalam ilmu komputer, baik sebagai masalah riset dan sebagai sebuah cara komputasi.

Riset dalam algoritma pencarian string, yang menemukan kejadian dari urutan huruf di dalam urutan huruf yang lebih besar, dimotivasi sebahagian oleh riset DNA, di mana algoritma ini digunakan untuk mencari urutan tertentu dari nukleotida dalam sebuah urutan yang besar. Dalam aplikasi lainnya seperti pengedit teks (editor text), bahkan algoritma sederhana untuk masalah ini biasanya mencukupi, tetapi urutan DNA menyebabkan algoritma-algoritma ini untuk menunjukkan sifat kes-mendekati-terburuk kerana jumlah kecil dari watak yang berbeza.

Teori Pengkalan Data (database) juga telah dipengaruhi oleh riset DNA, yang memiliki masalah khusus untuk menaruh dan memanipulasi urutan DNA. Database yang dikhususkan untuk riset DNA disebut database genomik, dan harus menangani sejumlah tentangan teknikal yang unik yang dihubungkan dengan operasi pembandingan kira-kira, pembandingan urutan, mencari pola yang berulang, dan pencarian homologi.

.

Rujukan:

– Mandelkern M, Elias J, Eden D, Crothers D (1981). “The dimensions of DNA in solution”. J Mol Biol 152 (1): 153-61.
– Gregory S, et. al. (2006). “The DNA sequence and biological annotation of human chromosome 1”. Nature 441 (7091): 315-21.
– DNA: The Secret of Life, by James D. Watson.