BIOKIMIA PANGAN 14 (STKIP MUHAMMADIYAH SORONG 2012)

3 Struktur DNA

Representasi dari struktur double-helix (heliks ganda) DNA telah menjadi umum dalam pers populer serta dalam literatur ilmiah. Ketika double helix diusulkan oleh James Watson dan Francis Crick pada tahun 1953, memicu banyak kegiatan penelitian, yang mengarah ke kemajuan besar dalam biologi molekuler.

Penentuan struktur heliks ganda dibasakan terutama pada model bangun dan pola difraksi sinar-X. Informasi dari pola sinar-X ditambahkan informasi dari analisis kimia yang menunjukkan bahwa jumlah A selalu sama dengan jumlah T, dan bahwa jumlah G selalu sama jumlah C. Kedua baris bukti yang digunakan untuk menyimpulkan bahwa DNA terdiri dari dua rantai polinukleotida melilit satu sama lain membentuk heliks. Ikatan hidrogen antara basa pada rantai berlawanan menentukan penyelarasan helix, dengan basa pasangan yang berbaring di bidang tegak lurus dengan sumbu heliks. Rantai gula- induk fosfat adalah bagian luar heliks (Gambar. 7). Rantai berjalan arah pada antiparalel, satu 3 'ke 5' dan 5 lainnya 'ke 3'.

Gambar. 7 Double helix. Sebuah lengkap pergantian helix mencakup sepuluh pasangan basa, yang mencapai jarak dari 34 Å (3,4 nm). Pasangan basa individu diberi jarak terpisah 3,4 Å (0,34 nm). Tempat di mana alur lintas menyembunyikan pasangan basa yang memperpanjang tegak lurus. Diameter dalam adalah 11 Å (1,1 nm), dan diameter luar adalah 20 Å (2,0 nm). Dalam garis besar silinder dari helix ganda adalah dua alur, satu kecil dan yang besar. Keduanya cukup besar untuk menampung rantai polipeptida. Tanda-tanda negative samping helai mewakili banyak kelompok fosfat bermuatan negatif sepanjang seluruh panjang masing-masing untai.

Pola difraksi sinar-X DNA menunjukkan struktur heliks dan berdiameter. Kombinasi bukti dari difraksi sinar-X dan analisis kimia mengarah pada kesimpulan bahwa pasangan basa yang saling melengkapi, yang berarti bahwa pasangan adenin dengan timin dan guanin dengan sitosin berpasangan. Karena perpasangan basa komplementer terjadi di sepanjang heliks ganda keseluruhan, dua rantai juga disebut sebagai untai komplementer. Tahun 1953, studi tentang komposisi basa DNA dari banyak spesies sudah menunjukkan bahwa, dalam eksperimen kesalahan, persentase mol adenin dan timin (mol zat ini sebagai persentase dari total) adalah sama; sama ditemukan kasus dengan guanin dan sitosin. Pasangan basa adenin-timin (A-T) memiliki dua ikatan hidrogen antara basa yang saling berkenaan, sebuah pasangan basa guanin-sitosin (G-C) memiliki tiga ikatan hidrogen (Gambar. 8).

Gambar. 8 Pasangan Basa. Pasangan basa adenin- timin (A-T) memiliki dua ikatan hidrogen,
sedangkan guanin-sitosin (G-C) pasangan basa memiliki tiga ikatan hidrogen.

Diameter bagian dalam rantai induk gula-fosfat dari helix ganda sekitar 11 Å (1,1 nm). Jarak antara titik-titik lampiran satu basa dengan dua helai rantai induk gula-fosfat adalah sama untuk dua pasangan basa (A-T dan G-C), sekitar 11 Å (1,1 nm), yang memungkinkan untuk double helix dengan rantai induk mulus dan tidak ada tonjolan terbuka. Pasangan basa lain dari A-T dan G-C adalah mungkin, tetapi mereka tidak memiliki pola ikatan hidrogen yang benar (pasang A-C atau G-T) atau dimensi yang tepat (pasang purin-purin atau pirimidin-pirimidin) untuk memungkinkan untuk double helix halus (Gambar. 8). Diameter luar heliks adalah
20 Å (2 nm). Panjang satu putaran lengkap heliks sepanjang sumbu adalah 34 Å (3,4
nm) dan berisi 10 pasangan basa.

Atom-atom yang membentuk dua rantai polinukleotida heliks ganda tidak sepenuhnya mengisi silinder imajiner di sekitar double helix, mereka meninggalkan ruang kosong yang dikenal sebagai alur. Ada alur besar (mayor) dan alur yang lebih kecil (minor) dalam heliks ganda; keduanya bisa situs di mana racun atau polipeptida mengikat DNA (lihat Gambar.7). Pada keadaan netral, pH fisiologis, setiap gugus fosfat dari rantai induk membawa muatan negatif. Ion bermuatan positif, seperti Na⁺ atau Mg²⁺, dan polipeptida dengan sisi rantai bermuatan positif harus dikaitkan dengan DNA untuk menetralkan muatan negatif.
DNA eukariotik, misalnya, dikomplekskan dengan histon, protein yang muatan positif, dalam inti sel.

Bentuk DNA yang kita bahas sejauh ini disebut B-DNA. hal ini dianggap sebagai bentuk utama yang terjadi di alam. Namun, struktur sekunder lainnya dapat terjadi, tergantung pada kondisi seperti sifat ion positif yang terkait dengan DNA dan urutan khusus basa. Salah satu
bentuk lain adalah A-DNA, yang memiliki 11 pasangan basa untuk setiap pergantian helix-nya
Pasangan basa itu tidak tegak lurus dengan sumbu heliks tetapi terletak pada sudut sekitar
20° sampai tegak lurus (Gambar. 9). Sebuah fitur berbagi penting dari A-DNA dan B-DNA adalah bahwa keduanya benar-kanan/finger heliks, yaitu arah heliks ke atas dalam arah di mana jari-jari kanan kanan menggulung saat jempol menunjuk ke atas (Gambar. 10). Bentuk Sebuah DNA pada awalnya ditemukan di sampel DNA dehidrasi, dan banyak peneliti percaya bahwa bentuk A adalah persiapan artefak DNA. DNA: RNA hibrida bisa mengadopsi formasi A
karena 2'-hidroksil pada ribosa mencegah sebuah helix RNA untuk mengadopsi pada bentuk B; RNA: RNA hibrida juga dapat ditemukan dalam bentuk A.

Gambar. 9. Perbandingan dari A, B, dan bentuk Z DNA. (a) Pandangan samping. (b) pandangan atas. Kedua bagian termasuk model spacefilling dihasilkan komputer (bawah). Bagian atas setiap bagian yang sesuai menunjukkan gambar bola-dan-tongkat. Dalam bentuk A, pasangan basa memiliki ditandai baling-twist dengan terhadap sumbu heliks. Dalam B bentuk, pasangan basa terletak pada bidang yang dekat dengan tegak lurus dengan sumbu heliks. Z-DNA adalah heliks kiri dan dalam hal ini berbeda dengan A-DNA dan B-DNA, yang keduanya benar- heliks kanan.

Bentuk varian lain dari double helix, Z-DNA, adalah kiri, melainkan putaran di arah jari-jari kanan kiri (Gambar. 10). Z-DNA diketahui terjadi di alam, paling sering ketika ada urutan dari purin-balik pirimidin, seperti dCpGpCpGpCpG. Urutan dengan sitosin alkohol di posisi
nomor 5 dari cincin pirimidin juga dapat ditemukan dalam bentuk Z. Itu mungkin memainkan peran dalam regulasi ekspresi gen. Bentuk Z dari DNA juga merupakan subjek penelitian aktif para ahli biokimia. Bentuk Z DNA dapat dianggap sebagai turunan dari bentuk B-DNA, diproduksi dengan membalik satu sisi  rantai induk 180° tanpa harus istirahat baik rantai induk atau ikatan hidrogen dari basa komplementer. Gambar. 11 yang menunjukkan bagaimana ini
mungkin terjadi. Bentuk Z DNA mendapatkan namanya dari tampilan zigzag dari rantai induk fosfodiester bila dilihat dari samping.

Gambar. 10 heliks kanan dan kiri terkait satu sama lain dengan cara yang sama sebagai hak
dan tangan kiri.

Gambar. 11 Pembentukan Z-DNA. Bagian ZDNA dapat terbentuk di tengah bagian dari B-DNA dengan rotasi pasangan basa, seperti ditunjukkan oleh panah melengkung.

Gambar. 12 liku spiral. Dua pasangan basa dengan 32 ° dari tangan kanan putaran heliks; tepi minorgroove tertarik dengan garis tebal.

Bentuk B DNA telah lama dianggap normal dari bentuk fisiologis DNA. Diperkirakan dari sifat ikatan hidrogen antara purin dan pirimidin dan kemudian yang ditemukan secara eksperimental. Meskipun mudah untuk fokus sepenuhnya pada pasangan basa dan urutan basa dalam DNA, fitur lainnya dari struktur DNA sama pentingnya. Bagian-bagian cincin DNA
pangkalan sangat hidrofobik dan berinteraksi satu sama lain melalui ikatan hidrofobik awan elektron -pi mereka. Proses ini biasanya disebut sebagai penumpukan basa, dan bahkan DNA beruntai tunggal cenderung membentuk struktur dimana basa dapat stack. Dalam standar B-DNA, masing-masing pasangan basa diputar 32° terhadap posisi satu sebelumnya (Gambar. 12). Bentuk ini sangat cocok untuk pasangan basa maksimal, namun tetapi tidak optimal untuk tumpang tindih maksimal satu basa. Selain itu, tepi basa yang terkena alur kecil harus datang dalam kontak dengan air dalam bentuk ini. Banyak pangkalan memutar dengan cara khas, yang disebut baling-liku (Gambar. 13). Dalam bentuk ini, jarak pasangan basa kurang optimal, namun
susunan basa lebih optimal, dan air dihilangkan kontak dari kecil-alur dengan basa. Selain memutar, pangkalan juga bergeser ke samping, yang memungkinkan mereka untuk berinteraksi lebih baik dengan basa di atas dan di bawah mereka. Liku/twist dan geser tergantung pada basa yang ada, dan para peneliti telah mengidentifikasi bahwa unit basa untuk mempelajari struktur DNA sebenarnya adalah dinukleotida dengan pasang pelengkapnya. Hal ini disebut langkah dalam nomenklatur struktur DNA. Sebagai contoh, pada Gambar. 13, kita melihat langkah AG/CT, yang cenderung untuk mengadopsi struktur berbeda dari langkah GC/GC. Karena semakin banyak yang dipelajari tentang struktur DNA, jelas bahwa struktur B-DNA standar, sedangkan model yang baik, tidak benar-benar menggambarkan daerah setempat DNA sangat baik. Banyak ikatan protein DNA mengenali struktur keseluruhan dari urutan DNA, yang tergantung pada urutan tetapi bukan urutan DNA itu sendiri.

Gambar. 13 Balin-baling-liku pasangan basa. Perhatikan bagaimana ikatan hidrogen antara basa adalah terdistorsi oleh gerakan ini, namun tetap utuh. Alur-kecil tepi basa berbayang.

Penelitian terakhir telah terlibat struktur silang DNA, heliks rangkap tiga,
dan Z-DNA dalam proses kehidupan (Gambar. 14a). Saran yang telah dibuat bahwa
DNA quadruplex ada dan ia memainkan peran dalam menghentikan transkripsi (Gambar.14b).

Gambar. 14 bentuk Varian DNA. (a) silang, tripleks, dan Z-DNA (atas ke bawah). (b) Sebuah quadruplex terbentuk ketika basa guanin diulang menyelaraskan dua untai DNA. Gambar milik K.M. Vasquez. Dari G. Wang dan K.M. Vasquez, Penelitian Mutasi © 2006 Elsevier.

Molekul DNA memiliki panjang jauh lebih besar dari diameternya, tidak sepenuhnya kaku dan dapat melipat kembali pada dirinya sendiri dengan cara yang sama dengan protein karena mereka melipat menjadi struktur tersier mereka. Double helix yang kita dibahas sejauh ini adalah bebas, yang berarti bahwa ia tidak memiliki liku di dalamnya, selain yang heliks berputar sendiri. Selanjutnya memutar dan melingkar, atau supercoil, dari helix ganda.

Contoh supercoil akan kita yang pertimbangkan untuk dibahas adalah kasus DNA prokariotik. Jika rantai induk gula-fosfat dari DNA prokariotik membentuk kovalen berikat lingkaran, struktur ini masih bebas. Beberapa tikungan/lekukan tambahan ditambahkan jika
DNA dibelokkan sedikit sebelum ujung bergabung untuk membentuk lingkaran. Sebuah
regangan diperkenalkan dalam struktur molekul, dan DNA mengasumsikan konformasi baru
untuk mengkompensasi unwinding. Jika, karena unwinding, heliks ganda kiri memperoleh liku kiri ekstra heliks (a supercoil), DNA melingkar dikatakan negatif superkoil (Gambar.15).

Gambar. 15 superkoil DNA topologi. Helix ganda DNA dapat diperkirakan sebagai dua untai tali, tangan kanan melingkar. Jika salah satu ujung tali diputar berlawanan, alur mulai terpisah (supercoiling negatif). Jika tali dipelintir searah jarum jam (mode dalam tangan kanan), tali menjadi overwound (supercoiling positif). Mendapatkan bagian dari yg memakai tangan kanan multistrand tali.

Di bawah kondisi yang berbeda, memungkinkan untuk membentuk kanan kanan, atau positif superkoil, struktur yang ada overwinding dari lingkaran tertutup heliks ganda. Perbedaan antara bentuk superkoil positif dan negatif terletak pada kanan dan kiri-kanan mereka, yang, pada gilirannya, tergantung pada overwinding atau underwinding dari helix ganda.

Enzim yang mempengaruhi supercoiling DNA telah diisolasi dari varietas
organisme. Sirkular DNA alami adalah negatif superkoil kecuali selama replikasi, ketika menjadi positif superkoil. Regulasi seluler dari proses ini sangat penting. Enzim yang terlibat dalam mengubah keadaan superkoil DNA disebut topoisomerase, dan mereka terbagi ke dalam dua kelas.

Kelas I topoisomerase memotong rantai induk fosfodiester satu untai DNA, melewati ujung lain melalui, dan kemudian reseal rantai induk.

Kelas II topoisomerase memotong kedua untai DNA, melewati beberapa DNA yang tersisa helix antara potongan akhir, dan kemudian reseal.

Dalam kedua kasus, superkoil dapat ditambahkan atau dilepaskan. Enzim ini memainkan peran penting dalam replikasi dan transkripsi, dimana pemisahan untaian helix menyebabkan supercoil. DNA topoisomerase girase adalah bakteri yang memperkenalkan superkoil negatif menjadi DNA. Mekanisme ini ditunjukkan pada Gambar. 16. Enzim adalah tetramer. Memotong kedua untai DNA, sehingga merupakan kelas II topoisomerase. Supercoil telah teramati dalam eksperimen di alami DNA. Bukti sangat kuat diperoleh dari mikrograf elektron yang jelas menunjukkan struktur melingkar di sirkular DNA dari sejumlah sumber yang berbeda, termasuk bakteri, virus, mitokondria, dan kloroplas. Ultrasentrifugasi dapat digunakan untuk mendeteksi DNA superkoil karena sedimen lebih cepat dari bentuk bebas. Para ilmuwan telah mengenal untuk beberapa waktu bahwa DNA prokariotik biasanya melingkar, tetapi supercoiling adalah subjek yang relatif penelitian baru. Pemodelan komputer telah membantu para ilmuwan memvisualisasikan banyak aspek memutar dan knotting DNA superkoil dengan mendapatkan gambar perubahan "stop-aksi" sangat cepat.

Gambar. 16. Sebuah model untuk aksi bakteri DNA gyrase (topoisomerase II).

Supercoiling dari DNA nuklir eukariota (seperti tumbuhan dan hewan) lebih rumit daripada supercoiling dari DNA sirkular dari prokariota. DNA eukariotik dikomplekskan dengan sejumlah protein, terutama dengan basa protein yang memiliki rantai samping berlimpah bermuatan positif pada fisiologis (Netral) pH. Elektrostatik tarik antara fosfat bermuatan negatif
kelompok pada DNA dan kelompok bermuatan positif pada protein nikmat pembentukan kompleks semacam ini. Bahan yang dihasilkan disebut kromatin.

Dengan demikian, perubahan topologi yang disebabkan oleh supercoiling harus ditampung oleh komponen protein histon kromatin. Protein utama dalam kromatin adalah histon, yang ada adalah lima jenis utama, yang disebut H1, H2A, H2B, H3, dan H4. Semua protein ini mengandung sejumlah besar residu basa asam amino, seperti lisin dan arginin. Dalam struktur kromatin, DNA terikat erat untuk semua jenis histon kecuali H1. Protein H1 adalah relatif mudah untuk melepas dari kromatin, tetapi memisahkan histon lain dari kompleks lebih sulit. Protein lain dari histon juga dikomplekskan dengan DNA dari eukariota, tetapi mereka bukan sebagai suatu yang melimpah atau juga dipelajari sebagai histon. Dalam mikrograf elektron, kromatin menyerupai manik-manik pada string (Gambar.17). Penampilan ini mencerminkan komposisi molekul protein kompleks-DNA. Setiap "manik" adalah nukleosom, yang terdiri dari DNA dibungkus sekitar inti histon. Inti protein adalah octamer, yang mencakup dua molekul dari setiap jenis histon H1 tapi; komposisi octamer adalah (H2A)₂ (H2B)₂ (H3)₂ (H4)₂. Porsi "string" disebut daerah spacer, mereka terdiri dari DNA yang dikomplekskan untuk beberapa protein histon H1 dan nonhistone. Sebagai kumparan DNA sekitar histon di nukleosom, sekitar 150 pasangan basa dalam kontak dengan protein; wilayah spacer adalah sekitar 30 sampai 50 pasangan basa. Histon dapat dimodifikasi oleh asetilasi, metilasi, fosforilasi, dan ubiquitinilasi. Ubiquitin merupakan protein yang terlibat dalam degradasi protein lainnya. Memodifikasi histon perubahan DNA mereka dan protein mengikat karakteristik, dan bagaimana perubahan ini mempengaruhi transkripsi dan replikasi adalah subjek aktif penelitian .

Ringkasan

■ Double helix adalah struktur sekunder dominan DNA. Rantai induk gula-fosfat, yang berjalan dalam arah yang antiparalel pada dua helai, terletak di bagian luar heliks. Pasang basa, satu pada setiap untai, diadakan sejalan dengan ikatan hidrogen.

■ Pasangan basa terletak pada bidang tegak lurus dengan sumbu heliks biasa bentuk heliks ganda, tapi ada variasi dalam struktur.

■ Struktur tersier DNA tergantung pada supercoil. Dalam prokariota, DNA melingkar memutar lingkaran sebelum disegel, sehingga menimbulkan supercoiling. Pada eukariota, DNA superkoil dikomplekskan dengan protein dikenal sebagai histon.

  Referensi:

  Mary K. Campbell, Shawn O. Farrell (2009)"BIOCHEMISTRY 6th EDITION", Thomson Higher Education 10 Davis Drive Belmont, CA 94002-3098 USA, ISBN-13: 978-0-495-39041-1