SUBSTANSI GENETIKA

Dalam sebuah keluarga dimana terdapat anggota keluarga yaitu bapak dan ibu sebagai orang tua serta anak-anaknya, dan apabila kita memperhatikan dengan seksama antara orang tua dan anak terdapat kemiripan atau ciri-ciri yang hampir sama. Hal ini disebabkan sifat yang diwariskan kedua orangtua kepada anaknya, walaupun demikian tidak ada individu yang benar-benar identik. Adanya sifat yang hampir sama antara anak dengan orangtuanya menunjukan adanya peran dari bahan atau materi genetika.

Genetika berasal dari bahasa latin genos yang berarti suku bangsa atau asal-usul. Jadi genetika sendiri bisa diartikan sebagai ilmu yang mempelajari tentang bagaimana sifat hereditas (keturunan) bisa diwariskan dimana substansi genetika meliputi materi atau bahan pembawa sifat genetik yaitu kromosom yang terdiri dari protein dan asam nukleat, asam nukleat sendiri terdiri dari DNA dan RNA dan pada DNA terdapat gen yang merupakan substansi terkecil yang menyimpan informasi genetika serta mengatur metabolisme tubuh.

 

Substansi genetika yang mengatur metabolisme tubuh.

A.  KROMOSOM

Setiap mahkluk hidup memiliki berjuta-juta sel dan setiap sel memiliki nukleus yang memiliki inti sel. Dalam nukleus terdapat kromosom. Kromosom merupakan suatu struktur berbentuk padat yang terdiri dari dua komponen yaitu protein dan asam nukleat (DNA dan RNA), dimana di DNA terdapat gen yang mengatur metabolisme dalam tubuh.

Gambar Kromosom, letak dan bagian-bagiannya.

Istilah kromosom pertama kali diperkenalkan oleh Weldeyer (1888), kromosom berasal dari kata Chroma : berwarna, dan Soma : badan, kromosom terlihat dengan jelas bila diamati dengan mikroskop pada tahap metafase ketika sel mengalami pembelahan. Proses pengemasan DNA dan protein terjadi pada tahap profase dimana untai DNA dipintal dalam suatu protein histon menjadi suatu unit yang disebut nukleosom, nukleosom kemudian bergabung membentuk solenoid yang berbentuk lipatan-lipatan dan membentuk benang, solenoid yang satu dan yang lainnya kemudian bergabung membentuk struktur benang halus yang padat yang disebut kromatin, kromatin mudah menyerap warna.

Pada tahap selanjutnya benang-benang kromatin merapat, memendek, membesar dan membentuk struktur kromosom. Protein penyusun kromasom terdiri atas protein histon, selain itu terdapat juga protein nonhiston. Protein-protein ini menggulung kromosom menjadi padat dan mempertahankan keutuhan kromatin.

Kromosom pada organisme prokariotik ada yang hanya berupa RNA saja seperti pada virus mozaik pada tembakau. Kromosom juga dapat ditemukan hanya berupa DNA saja misalnya pada virus T.

1.   Ukuran Kromosom

Ukuran kromosom pada setiap jenis makhluk hidup berbeda-beda, panjang kromosom berkisar antara 0,2 – 50 mikron dan memiliki diameter 0,2 – 20 mikron. Pada kromosom manusia panjangnya sekitar 6 mikron, pada tumbuhan kromosom umumnya berukuran besar dari kromosom hewan dimana kromosom tumbuhan dapat memiliki panjang 50 mikron dan biasanya semakin panjang kromosomnya maka jumlahnya akan semakin sedikit.

2.   Bagian dan Struktur Kromosom

Secara umum kromosom terdiri dari bagian-bagian kromosom yaitu seagai berikut.

a.   Kromatid, adalah salah satu bagian dari dua lengan hasil replikasi dimana kromatid yang berpasangan membentuk kromosom.

b.   Kromonema, merupakan tahap awal kromatid yang merupakan benang-benang spiral yang terlihat selama tahap profase atau seringkali pada tahap metafase.

c.   Kromomer, merupakan struktur manik-manik yang merupakan akumulasi materi kromatin yang kadang terlihat pada tahap interfase, merupakan nukleosom dari kromonema .

d.   Sentromer, merupakan bagian yang menyempit dan merupakan daerah pelekukan pada kromosom, pada sentromer terdapat kinetokor yang merupakan tempat melekatnya benang-benang spindel selama pembelahan inti dan tempat melekatnya lengan kromosom.

e.   Satelit, adalah bagian kromosom yang berbentuk bulat pada ujung lengan kromatid, satelit biasanya terbentuk karena adanya pelekukan sekunder di daerah tersebut, satelit tidak selalu ada pada setiap kromosom.

f.     Telomer, adalah bagian terujung kromosom yang menjaga agar DNA di daerah tersebut tidak terurai.

Berdasarkan pada letak sentromernya kromosom dapat dibedakan atas empat macam yaitu:

a.   Metasentris, sentromer terletak di tengah kromosom sehingga kromosom terbagi menjadi dua lengan yang sama panjang dan berbentuk seperti huruf V.

b.   Submetasentris, sentromer terletak di submedian salah satu ujung kromosom, sehingga kromosom terbagi menjadi dua lengan yang tak sama panjang, lengan yang tak sama panjang mempunyai bentuk seperti huruf L.

c.   Akrosentris, sentromer terletak di bagian subterminal (dekat ujung kromosom), sehingga kromosom berbentuk lurus seperti batang dengan satu lengan sangat pendek dan satunya lagi sangat panjang.

d.   Telosentris, sentromer terletak di ujung kromosom sehingga kromosom hanya mempunyai satu lengan. Manusia tidak memiliki kromosom dalam bentuk ini.

Macam-macam bentuk kromosom berdasarkan letak sentromernya.

Berdasarkan jumlah sentromernya kromosom dibagi menjadi tiga yaitu:

a.   Monosentris, adalah kromosom yang hanya memiliki sebuah sentromer.

b.   Disentris, adalah kromosom yang memiliki dua sentromer.

c.   Polisentris, adalah kromosom yang memiliki banyak sentromer.

1.   Tipe dan Jumlah Kromosom

Dalam sel tubuh makhluk hidup biasanya kromosom berpasangan yang disebut kromsom homolog yang bersifat diploid (2n) karena memiliki 2 set kromosom, sedangkan kromosom dalam sel kelamin tidak berpasangan dan bersifat haploid (n) dengan 1 set kromosom.

Kromosom terbagi menjadi 2 tipe yaitu :

a.   Autosom (kromosom tubuh), yaitu kromosom biasa yang tidak berperan dalam menentukan jenis kelamin.

b.   Gonosom (kromosom seks), yaitu sepasang kromosom yang menentukan jenis kelamin, gonosom dibedakan menjadi 2 macam yaitu kromosom-X dan kromosom-Y.

Dalam setiap nukleus sel manusia terdapat 46 kromosom atau 23 pasang kromosom, dimana terdiri dari 44 (22 pasang) Autosom, dan 2 (sepasang) gonosom. Penulisan simbol kromosom manusia yaitu = 44A + XY (atau = 22AA + XY) dengan kromosom pada sel telur 22A + X dan pada sel sperma 22A + X atau 22A + Y. Pengaturan kromosom berdasarkan panjang, jumlah, dan bentuk kromosom disebut kariotipe, sedangkan hasil pengaturannya disebut kariogram.

Kariogram pada Manusia.

Jumlah kromosom dalam satu spesies sama, tapi berbeda bagi spesies yang lain. Berikut perbedaan jumlah kromosom dari beberapa organisme.

A.  GEN

Istilah Gen pertama kali diperkenalkan oleh W. Johansen. Seorang ahli dari Amerika bernama Thomas Hunt Morgan melakukan percobaan pada lalat buah (Drosophila melanogaster) mengemukakan faktor keturunan yang dinamakan gen tersimpan dalam lokus(lokasi) di kromosom.

Gen merupakan unit substansi genetik terkecil yang mengandung informasi genetika dan merupakan suatu unit instruksi yang mengatur pewarisan sifat yang akan diturunkan pada suatu organisme. Gen bertanggungjawab mengontrol satu sifat khusus dan secara kimiawi gen merupakan sepenggal DNA. Genom merupakan total seluruh informasi genetis yang disimpan dalam DNA.

Gen terletak dalam lokus kromosom secara teratur pada satu deretan, lokus adalah lokasi yang diperuntukan bagi gen dalam kromosom, lokus sendiri merupakan istilah yang diperkenalkan Morgan untuk kromomer. Gen memiliki fungsi antara lain :

1.   Mengatur perkembangan dan proses metabolisme individu.

2.   Mengandung informasi genetik yang akan disampaikan dari satu generasi ke generasi berikutnya.

3.   Mengontrol pembuatan polipeptida.

Gen biasa dituliskan dalam bentuk huruf, dimana huruf kapital untuk gen pembawa sifat dominan dan huruf kecil untuk gen pembawa sifat resesif.

B.  ALEL

Alel berasal dari bahasa latin allelon yang berarti bentuk lain. Istilah alel diperkenalkan oleh W. Bateson dan E. R Saunders. Alel yaitu gen-gen yang terletak bersesuian pada pasangan kromosom homolog. Alel dapat diartikan sebagai variasi alternatif gen yang menjelaskan adanya variasi pada pewarisan suatu sifat.

Alel dapat memiliki fungsi atau sifat yang sama dan saling mendukung atau berlawanan. Alel yang memiliki sifat yang sama disebut alel homozigot (identik), sedangkan alel yang memiliki sifat yang tidak sama disebut alel heterozigot. Apabila dalam lokus yang sama terdapat lebih dari satu alel maka disebut alel ganda.

C.  ASAM NUKLEAT

Kromosom terdiri dari asam nukleat dan protein. Asam nukleat terdiri dari dua macam yaitu DNA dan RNA.

1.   DNA (Deoxyribonucleic acid)

DNA adalah materi genetik tempat menyimpan informasi genetik. DNA terdapat di nukleus (inti) sel yaitu di dalam kromosom, selain itu DNA juga dapat ditemukan di luar nukleus seperti dalam mitokondria dan sentriol. DNA tersusun atas banyak nukleotida (polinukleotida),dan setiap nukleotida terdiri dari atas:

a.   Gugusan gula deoksiribosa (gula pentosa yang kehilangan satu atom oksigen).

b.   Asam fosfat (penghubung dua gugusan gula).

c.    Basa nitrogen (dari golongan purin yaitu adenin dan guanin, sedangkan dari golongan pirimidin yaitu sitosin dan timin).

a.   Struktur DNA

Model struktur DNA pertama kali dikemukakan oleh Jamee Watson dan Francis Crick. Struktur DNA dibuat berdasarkan hasil analisis foto difraksi sinar X. Struktur DNA merupakan dua rantai polinukleotida (banyak nukleotida) yang saling terpilin dan membentuk double helix. Dalam rantai tersebut, sitosin (C) selalu dihubungkan dengan guanin (G) oleh tiga ikatan hidrogen, Adenin (A) selalu dihubungkan dengan timin (T) oleh dua ikatan hidrogen. Hal ini menyebabkan keempat basa nitrogen tidak memiliki jumlah yang sama dalam suatu DNA, tetapi jumlah adenin akan selalu sama dengan timin dan jumlah guanin akan selalu sama dengan jumlah sitosin (ketentuan Chargaff).

Susunan DNA “ Double Helix”

Basa nitrogen membentuk rangkaian persenyawaan kimia dengan deoksiribosa menjadi suatu molekul yang disebut nukleosida atau deoksiribonukleosida. Nukleosida ini berperan sebagai prekursor elementer (unsur awal) untuk sintesis DNA. Akan tetapi, sebelum suatu nukleosida membentuk suatu molekul DNA, nukleosida harus bergabung dengan gugus fosfat untuk membentuk suatu nukleotida atau deoksiribonukleotida.

Ket  :

-      Nukleosida terdiri atas deoksiribosa dan basa nitrogen

-      Nukleotida terdiri atas nukleosida dengan fosfat

Struktur DNA yang berupa rantai polinukleotida.

a.   Replikasi DNA

DNA dapat bersifat heterokatalitik dan autokatalitik. DNA bersifat heterokatalitik karena mampu membentuk RNA melalui sintesis protein. DNA bersifat autokatalitik karena dapat melakukan replikasi menghasilkan DNA baru. Ada tiga hipotesis tentang replikasi DNA.

1)   Replikasi konservatif, yaitu rantai double helix DNA lama tetap, kemudian menghasilkan cetakan rantai double helix DNA yang baru.

2)   Replikasi semikonservatif, yaitu rantai double helix DNA lama memisahkan diri dan setiap pita tunggal mencetak pita tungga pasangannya.

3)   Replikasi dispersif, yaitu rantai Double helix DNA terputus-putus, kemudian segmen-segmen tersebut akan membentuk segmen baru yang akan bergabung dengan segmen lama untuk membentuk DNA baru.

Macam-macam Replikasi DNA.

Dari ketiga hipotesis diatas model replikasi semikonservatif banyak didukung oleh banyak ahli sebagai hipotesis replikasi DNA yang paling tepat. Beberapa enzim yang berperan dalam replikasi DNA sebagai berikut.

a.   Helikase, berfungsi untuk menghidrolisis rantai ganda polinukleotida menjadi dua rantai tunggal mononukleotida.

b.   Polimerase, berfungsi untuk merangkai rantai-rantai mononukleotida untuk membentuk DNA baru.

c.    Ligase, berfungsi untuk menyambung ulir tunggal DNA yang baru terbentuk.

1.   RNA (Ribonucleid Acid)

Selain DNA sebagian besar makhluk hidup juga memiliki jenis asam nukleat yang lain yaitu RNA. Kebanyakan RNA merupakan hasil transkripsi dari suatu fragmen DNA, dan memiliki rantai yang lebih pendek dari DNA.

RNA juga dapat berfungsi sebagai penyimpan dan penyalur informasi genetik. Pada beberapa organisme seperti pada virus mozaik tembakau (Tobacco Mozaic Virus), dan virus influenza tidak memiliki DNA, maka peran DNA dapat digantikan RNA. Jadi RNA terbagi menjadi RNA yang dapat menyimpan informasi genetik dan RNA biasa.

a.   Struktur RNA

Berbeda dengan DNA dengan dua rantai polinukleotida yang terpilin dan membentuk double helix. RNA memiliki struktur berupa rantai tunggal polinukleotida yang tersusun atas molekul gula D-ribosa (pentosa), gugus fosfat, dan basa nitrogen. Basa nitrogen dalam RNA terdiri atas basa purin yang meliputi Adenin (A) dan guanin (G) serta basa pirimidin yang meliputi urasil (U) dan sitosin (C).

Struktur RNA yang merupakan rantai tunggal.

a.   Tipe RNA

Ada tiga tipe RNA sebagai berikut.

1)   rRNA (Ribosomal RNA) atau ARN Ribosom

rRNA memiliki fungsi yang penting dalam proses sintesis protein. rRNA dapat mencapai 80% dari jumlah RNA sel. rRNA dibuat didalam nukleus dan terdapat di dalam sitoplasma. rRNA berfungsi untuk mempermudah perekatan yang spesifik antara antikodon tRNA dengan kodon mRNA selama sintesis protein.

2)   mRNA (Messeger RNA)atau ARN Duta

mRNA dibentuk di dalam nukleus dan berfungsi membawa kode genetik (kodon) dari RNA ke ribosom.mRNA berupa rantai tunggal yang relatif panjang.

3)   tRNA (Transfer RNA) atau Rantai Terpendek

tRNA terdapat dalam sitoplasma dan berfungsi menerjemahkan kodon dari m RNA menjadi asam amino. Asam amino dibawa oleh tRNA ke ribosom. Pada salah satu ujung tRNA terdapat tiga rangkaian basa pendek disebut antikodon. Suatu asam amino tertentu akan melekat pada ujung tRNA yang berseberangan dengan ujung antikodon. Pelekatan ini merupakan cara agar tRNA berfungsi. Pengurutan asam amino sesuai dengan urutan kodon pada mRNA.

Tabel perbedaan DNA dengan RNA.

1.   KODE GENETIK

Telah kita ketahui DNA adalah materi genetik tempat menyimpan dan membawa informasi genetik dan informasi genetik tersebut terdapat pada basa nitrogen yang terdapat dalam DNA. Informasi yang terdapat pada rangkaian basa nitrogen pada DNA dikenal dengan kode genetik.

Kode genetik adalah cara pengkodean urutan nukleotida pada DNA atau RNA untuk menentukan urutan asam amino pada proses sintesis protein. Informasi pada kode genetik ditentukan oleh basa nitrogen pada rantai DNA yang akan menentukan susunan asam amino. Namun, para ahli genetika memandang bahwa komponen-komponen kode genetik berupa molekul-molekul mRNA.

Terdapat empat macam basa nitrogen yaitu Adenin (A), urasil (U), sitosin (C), dan guanin (G) pada molekul mRNA, dan dari keempat basa nitrogen tersebut dapat disusun menjadi 64 (enampuluh empat) kombinasi triplet kodon. Kelimpah jumlah ini dikenal dengan istilah degenerasi atau redundansi.

Kode genetik beberapa Asam Amino

Ket :

U                :  Urasil                     Pro         : Prolin                       Cys        : Sistein

C                : Sitosin                    Thr         : Treonin                    Arg         : Arginin

A                 : Adenin                   Ala         : Alanin                      Ser         : Serin

G                : Guanin                    Tyr         : Tirosin                       Gly         : Glisin

Phe             : Fenilalanin            Term      : Kodon terminasi     Asp        : Asam aspartat

Leu             : Leusin                    His         : Histidin                    Glu         : Asam glutamat

Ileu             : Isoleusin                 GluN      : Glutamin

Met             : Metionin                 AspN     : Asparagin

Val              : Valin                       Lys         : Lisin

Ser             : Serin                       Glu         : Glutamin

Kode genetik bersifat degeneratif karena 18 dari 20 macam asam ditentukan oleh lebih dari satu kodon yang disebut kodon sinonimus. Hanya metionin dan triptofan saja yang memiliki kodon tunggal.

4.   SINTESIS PROTEIN

Semua aktivitas sel dikendalikan oleh aktivitas nukleus (inti sel), pengendalian ini berkaitan dengan aktivitas nukleus dalam memproduksi protein. Protein ini merupakan penyusun utama dari semua organel sel maupun dalam penggandaan kromosom. Protein yang dihasilkan seperti protein struktural yang digunakan dalam penyusunan membran sel ataupun protein fungsional yang digunakan sebagai biokatalisator dalam proses sintesis dalam sel seperti enzim.

Protein merupakan polipeptida (gabungan dari beberapa asam amino), maka untuk membentuk suatu protein diperlukan bahan dasar berupa asam amino. Di dalam sel asam amino dirangkai menjadi polipeptida dengan bantuan enzim tertentu.

Pada saat sintesis protein terjadi proses penerjemahan gen menjadi urutan asam amino yang disebut Ekspresi Gen. Ada dua tahap dalam sintesis protein. Tahap pertama, kode genetik dalam DNA disalin menghasilkan suatu rantai molekul RNA. Proses ini disebut transkripsi dan berlangsung di dalam inti sel. Tahap kedua merupakan sintesis polipeptida dengan urutan spesifik berdasarkan rantai RNA yang dibuat pada tahap pertama. Proses ini disebut translasi.

1.   Transkripsi

Sintesis RNA dari salah satu rantai DNA yang disebut sense (rantai cetakan). Sementara itu, rantai DNA komplemennya disebut rantai antisense. Rentangan DNA yang ditranskripsi menjadi molekul RNA disebut unit transkripsi. Transkripsi terdiri dari tiga tahap yaitu inisiasi, elongasi, dan terminasi.

a.   Inisiasi (Permulaan)

Inisiasi dimulai dari promoter. Promoter yaitu daerah DNA tempat melekatnya RNA polimerase. Suatu promoter mencakup titik awal (start point) transkripsi yaitu adanya nukleotida yang menunjukan dimulainya sintesis protein (kodon start). Promoter berfungsi untuk menentukan tempat dimulainya transkripsi dan menentukan satu rantai DNA yang akan digunakan sebagai cetakan.

b.   Elongasi (Pemanjangan)

Elongasi terjadi saat RNA bergerak di sepanjang DNA, pilihan ganda DNA terbuka secara berurutan. Enzim RNA polimerisasi menambahkan nulkleotida dari molekul RNA yang sedang tumbuh di sepanjang rantai DNA. Setelah sintesis RNA selesai, rantai DNA terbentuk kembali dan molekul RNA baru terlepas dari cetakannya.

c.   Terminasi (Pengakhiran)

Transkripsi berlangsung hingga DNA polimerase mentranskripsi urutan DNA yang dinamakan terminator. Terminator adalah urutan DNA yang berfungsi menghentikan transkripsi (kodon terminasi). Hal ini terjadi pada sel prokariotik, sedangkan pada sel eukariotik RNA polimerase terus melewati titik terminasi dan setelah sekitar 10 – 35 nukleotida, RNA yang terbentuk terlepas dari enzim tersebut.

Tahapan pada Transkripsi.

1.   Translasi

Dalam translasi, terjadi pelekatan antara tRNA dengan asam amino. Tiap asam amino digabungkan dengan tRNA yang sesuai dengan enzim aminoasil-tRNA sintetase. Ribosom memudahkan pelekatan yang spesifik antara antikodon tRNA dengan kodon mRNA selama sintesis protein. Ada tiga tahap dalam translasi sebagai berikut.

a.   Inisiasi

Ribosom kecil mengikatkan diri pada mRNA dan tRNA inisiator. Ribosom melekat pada salah satu ujung mRNA. Di dekat pelekatan tersebut terdapat kodon start AUG (yang membawa kode untuk membentuk asam amino metionin). Kodon ini memberikan sinyal dimulainya proses translasi.

Inisiasi pada proses translasi.

b.   Elongasi

Selanjutnya terbentuk asam amino-asam amino yang berikatan dengan metionin. Molekul rRNA dari ribosom besar berfungsi sebagai enzim. Enzim itu mengkatalis pembentukan ikatan peptida yang mengabungkan polipeptida ke asam amino yang dibawa tRNA. Setelah itu tRNA keluar dari ribosom. Ribosom dan mRNA bergerak dengan arah yang sama, kodon demi kodon. Peristiwa ini berlangsung sampai terbentuk polipeptida.

 

Elongasi pada proses translasi.

c.   Terminasi

Elongasi akan berhenti setelah ribosom mencapai kodon stop. Triplet basa kodon stop yaitu UAA, UAG, atau UGA. Kodon stop bertindak sebagai sinyal untuk menghentikan translasi. Selanjutnya, polipeptida yang terbentuk lepas dari ribosom.

Terminasi pada proses translasi.