Percobaan Frederick Griffith Dan Struktur Dna & Rna

PERCOBAAN FREDERICK GRIFFITH STRUKTUR DNA DAN RNA RESUME Disusun untuk memenuhi tugas matakuliah Genetika Lanjut yang dibina oleh Prof. Dr. Aloysius Duran Corebima, M.Pd

Oleh: Kelompok 2/Kelas D 1. Mar’atus Sholihah 2. Fatia Rosyida

(140341807359) (140341807181)

UNIVERSITAS NEGERI MALANG PASCASARJANA PROGRAM STUDI PENDIDIKAN BIOLOGI JANUARI 2015

1

A. Percobaan Frederick Griffith Frederick Griffith menemukan fenomena tentang transformasi dengan menggunakan

Streptococcus

pneumoniae.

Transformasi

adalah

model

rekombinasi (pertukaran atau transfer genetik antar organisme atau dari satu organisme ke organisme lain) yang terjadi di beberapa, tapi tidak semua, jenis bakteri. Streptococcus pneumoniae merupakan organisme hidup dengan variasi genetik yang dapat dikenali dengan adanya fenotip yang berbeda. Ada dua fenotip pada percobaan transformasi Griffith ini, yaitu: 1. Memiliki atau tidak memiliki kapsula polisakarida yang menyelubungi sel bakteri 2. Tipe kapsul berdasarkan komposisi molekuler spesifik dari polisakarida yang ada dalam kapsul. Bakteri yang diselaputi kapsula membentuk permukaan halus sehingga disebut dengan koloni atau galur S (tipe S). Bakteri tipe S ini bersifat virulen yang mengakibatkan penyakit pneumonia pada mamalia seperti tikus dan manusia. Kapsula ini mengakibatkan sifat virulen karena bakteri dengan kapsula sulit untuk dihancurkan oleh sistem pertahan tubuh inang. Bakteri virulen dapat mengalami mutasi menjadi bakteri avirulen karena tidak memiliki kapsula. Bakteri yang tidak diselaputi dengan kapsula mempunyai permukaan sel yang kasar sehingga disebut dengan koloni atau galur R (tipe R). Ada beberapa tipe kapsul yang menyelaputi sel bakteri berdasarkan tipe antigennya, yaitu tipe I, II, III, dan seterusnya. Perbedaan tipe kapsula dapat diidentifikasi secara imunologi. Misalnya jika sel tipe II diinjeksikan ke dalam darah kelinci, maka sistem imun kelinci akan memproduksi antibodi yang spesifik dengan sel tipe II. Percobaan Griffith menggunakan galur IIIS yang merupakan virulen hidup, galur IIR yang merupakan avirulen hidup, dan galur IIIS yang telah dimatikan dengan pemanasan. Percobaan Griffith terdiri dari 4 kelompok, yaitu: 1. Menginjeksikan galur IIIS hidup ke dalam tubuh tikus Tikus mengalami kematian. 2. Menginjeksikan galur IIIS yang telah dimatikan ke dalam tubuh tikus  Tikus tidak mengalami kematian. 3. Menginjeksikan galur IIR hidup kedalam tubuh tikus Tikus tidak mengalami kematian.

2

4. Menginjeksikan galur IIR hidup dan IIIS yang telah dimatikan ke dalam tubuh tikus  Tikus mengalami kematian. Galur IIR dan galur IIIS yang telah mati diinjeksikan ke dalam tubuh tikus mengakibatkan kematian beberapa tikus. Setelah dilakukan analisis pada darah tikus yang mati tersebut didapatkan bakteri yang ditemukan adalah bakteri yang identik dengan galur IIIS yang telah dimatikan dalam pemanasan.

Gambar 1. Percobaan Griffith Menggunakan Streptococcus pneumoniae

Patogen dari S. pneumoniae diperoleh atau diakibatkan karena kapsul polisakarida dari galur tipe IIIS. Hasil ini sangat penting karena sel tipe R yang tidak berkapsula dapat mengalami mutasi menjadi sel tipe S yang berkapsula. Akan tetapi ketika mutasi yang terjadi pada sel tipe IIR, maka sel yang dihasilkan adalah tipe IIS bukan IIIS. Dengan demikian transformasi dari sel avirulen tipe IIR menjadi sel tipe IIIS tidak dapat dikatakan sebagai peritiwa mutasi, melainkan karena beberapa komponen virulen dari sel tipe IIIS mengubah sel tipe IIR menjadi sel tipe IIIS. Berdasarkan percobaan dan penjelasan tersebut dapat dikatakan bahwa bakteri galur IIIS yang telah dimatikan memiliki peran dalam mengkonversi bakteri avirulen IIR menajdai IIIS. Peristiwa konversi tersebut disebut dengan transformasi, dimana terdapat beberapa bahan komponen kapsula polisakarida atau beberapa senyawa yang dibutuhkan untuk sintesis kapsula yang menjadi bahan utama untuk terjadinya transformasi meskipun kapsula itu sendiri tidak

3

dapat menyebabkan pneumonia. Bahan atau komponen kapsula polisakarida yang ditransformasi ke sel IIR menimbulkan reaksi enzimatis yang berakhir dengan sintesis kapsula polisakarida tipe IIIS sehingga menjadi bersifat virulen. Mekanisme transformasi S. pneumoniae sama dengan transformasi pada B. subtilis. S. pneumoniae dan B. subtilis akan mengambil DNA dari sumber manapun. Bakteri yang mampu mengambil DNA dari luar disebut bakteri kompeten dan protein yang memediasi proses transformasi disebut protein "competence" (Com). Bakteri mengembangkan kemampuannya selama fase akhir pertumbuhan mereka saat siklus densitas sel tinggi tetapi sebelum pembelahan sel berhenti. Proses dimana sel-sel menjadi kompeten dapat dipahami dengan baik pada B. subtilis, dimana peptida kecil yang disebut "competence pheromones" disekresikan oleh sel-sel dan terakumulasi pada densitas sel yang tinggi. Konsentrasi tinggi dari feromon menginduksi ekspresi gen yang mengkode protein yang diperlukan untuk berlangsungnya transformasi. Protein ComEA dan ComG mengikat DNA untai ganda pada permukaan sel kompeten. DNA yang terikat ditarik ke dalam sel melalui ComFA DNA translocase (enzim yang bergerak atau "translocates" DNA), salah satu untai DNA terdegradasi oleh deoksiribonuklease (enzim yang mendegradasi DNA), dan untai lainnya dilindungi dari degradasi oleh lapisan protein DNA-binding untai tunggal dan Protein RecA (protein yang diperlukan untuk rekombinasi). Dengan bantuan RecA dan protein lain yang memediasi rekombinasi, untai tunggal dari transformasi DNA menyatu dengan kromosom sel penerima menjadi DNA heterodupleks, berpasangan dengan untai komplementer DNA dan mengganti untaian yang sama. Untai penerima diganti kemudian terdegradasi. Jika donor dan sel-sel penerima membawa alel yang berbeda dari gen, rekombinan yang dihasilkan akan memiliki satu alel helix ganda dalam satu untai dan alel lainnya di untai kedua. Sebuah DNA helix ganda jenis ini disebut heterodupleks; dan akan menjadi dua homoduplexes ketika bereplikasi. Molekulmolekul DNA diambil oleh sel-sel yang kompeten selama transformasi biasanya hanya 0,2 sampai 0,5 persen dari kromosom yang lengkap. Oleh karena itu, kecuali dua gen yang cukup dekat bersama-sama, mereka tidak akan pernah hadir pada molekul yang sama pada transformasi DNA. Transforman ganda untuk dua

4

gen (katakanlah, a ke a+, dan b ke b+, menggunakan donor dari a+ b+ dan penerima ab) akan membutuhkan dua peristiwa transformasi bebas (pengambilan dan integrasi dari satu molekul DNA membawa a+ dan molekul lain membawa b +). Probabilitas dua peristiwa independen tersebut terjadi bersama-sama dan akan setara dengan produk probabilitas yang terjadi sendiri. Jika, sebaliknya, dua gen yang dekat terkait erat, mereka dapat dilakukan pada satu molekul dari transformasi DNA, dan transforman ganda dapat dibentuk pada frekuensi tinggi. Frekuensi yang mana memiliki dua penanda genetik yang “cotransformed” sehingga dapat digunakan untuk memperkirakan seberapa jauh bagian mereka berada dari kromosom inang. Bakteri kompeten dapat mengikat DNA eksogen dan mengangkutnya kedalam sel.

DNA eksogen terikat pada komplek reseptor melalui protein kompeten ComEA dan ComG. DNA ditarik melalui chanel penyusun dari protein ComEC pada membran menggunakan ComFA DNA Translocase, satu untai DNA terdegradasi oleh deoxyribonuclease. Untai DNA yang bertahan distabilkan oleh untai tunggal DNA binding protein dan protein RecA

Untai tunggal dari DNA donor disatukan kedalam kromosom sel resipien yang memproduksi DNA heterodupleks dengan alel beda dalam dua untai. Gambar 2. Proses Transformasi pada B. subtilis

B. Struktur DNA dan RNA Asam nukleat, komponen utama dari nuklein Miescher itu, adalah makromolekul terdiri dari subunit disebut nukleotida. Setiap nukleotida tersusun atas (1) fosfat, (2) gula berkarbon lima/pentosa, (3) basa nitrogen. Pada DNA, gulanya berupa 2-deoxyribose (deoxyribose nucleic acid) sedangkan RNA, gulanya adalah ribosa (ribose nucleic acid). Empat basa yang berbeda umumnya ditemukan dalam DNA: adenin (A), guanine (G), timin (T), dan sitosin (C). RNA juga biasanya mengandung adenin, guanin, sitosin dan namun memiliki basis yang berbeda, urasil (U), di tempat timin. Adenin dan guanin merupakan basa

5

yang bercincin ganda yang dinamakan purin sedangkan timin, urasil, dan sitosin basa dengan cincin tunggal yang dinamakan pirimidin. DNA dan RNA mengandung empat subunit yang berbeda, atau nukleotida: dua nukleotida purin dan dua nukleotida pirimidin (Gambar 3).

Gambar 3 Struktur Kimia Gula, Purin dan Pirimidin

6

Dalam polynukleotida seperti DNA dan RNA, subunit ini tergabung dalam rantai panjang (Gambar 4). RNA biasanya ada sebagai polimer untai tunggal yang terdiri dari urutan panjang nukleotida. DNA biasanya molekul untai ganda yang terdiri dari dua untai polimer urutan panjang nukleutida.

Gambar 4. Struktur Polinukleotida

1. Struktur DNA Double Helix Menurut James Watson dan Francis Crick menyimpulkan struktur DNA double-helix. Model double helix pada struktur DNA didasarkan atas beberapa bukti yakni: a. Ketika Erwin Chargaff dan rekan menganalisis komposisi DNA dari berbagai organisme yang berbeda, mereka menemukan bahwa konsentrasi timin selalu sama dengan konsentrasi adenin dan konsentrasi sitosin selalu sama dengan konsentrasi guanin (Tabel 1). Data mereka juga menunjukkan bahwa konsentrasi total pirimidin (timin ditambah sitosin) selalu sama dengan konsentrasi total purin (adenin ditambah guanin).

7

Tabel 1. Kosentrasi basa nitrogen pada DNA

b. Ketika

sinar

X

difokuskan

melalui

molekul murni, sinar yang dibelokkan oleh atom dari molekul dalam pola tertentu, yang

disebut

pola

difraksi,

yang

memberikan informasi tentang organisasi komponen molekul. Pola difraksi sinar-X ini dapat direkam pada film X-ray-sensitif seperti pola cahaya dapat direkam dengan kamera dan film yang sensitif terhadap cahaya. Watson dan Crick menggunakan

Gambar 5. Hasil Difraksi X-ray

DNA X-ray data difraksi pada struktur DNA (Gambar 5) yang disediakan oleh Maurice Wilkins, Rosalind Franklin dan

rekan kerja mereka. Data ini menunjukkan bahwa DNA adalah sangat teratur, dua untai struktur dengan mengulangi substruktur spasi setiap 0,34 nanometer (1 nm = 109 meteran) Berdasarkan data kimia Chargaff, Wilkins dan data difraksi sinar-X Franklin, disimpulkan bahwa model DNA Watson dan Crick mengusulkan bahwa DNA ada sebagai double helix yang mana dua rantai polinukleotida menggulung satu sama lain dengan bentuk spiral(Gambar 6). Masing-masing dari dua rantai polinukleotida dalam double helix terdiri dari urutan nukleotida dihubungkan oleh ikatan fosfodiester, bergabung gugus deoksiribosa yang berdekatan. Dua polynukleotida di dalam konfigurasi heliks dihubungkan dengan ikatan hidrogen. Antara basa yang saling berlawanan. Hasilnya pasangan basa yang saling

8

bertumpuk antara dua rantai saling tegak lurus terhadap sumbu molekul sehingga berbentuk tangga spiral.

Gambar 7. Struktur basa nitrogen DNA Double Helix

Gambar 6. Struktur DNA Double Helix Gambar 6. Struktur Double Helix DNA

9

Pasangan basa spesifik yaitu adenin selalu dipasangkan dengan timin , dan guanin selalu dipasangkan dengan sitosin. Dengan demikian , semua pasangan basa terdiri dari satu purin dan pirimidin satu. Ciri spesifik pasangan basa dari ikatan hidrogen berada dalam konfigurasi normal (Gambar 7). Dalam konfigurasinya, adenin dan timin membentuk dua ikatan hidrogen sedangkan guanin dan sitosin membentuk tiga ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen tidak akan terbentuk ketika adenin berpasangan dengan sitosin atau timin berpasangan dengan guanin. Pasangan basa dalam DNA ditumpuk sekitar 0,34 nm terpisah, dengan 10 pasangan basa setiap putaran (360o) dari double helix . Tulang punggung merupakan gula-fosfat dari dua untai komplementer yang antiparalel. Ikatan fosfodiester pada untai satu dimulai dari atom karbon 3’ pada satu nukleotida dan atom karbon 5’ pada nukleotida dibawahnya, sedangkan pada komplemennnya dimulai dari atom karbon ke 5 ke atom karbon ke 3. Polaritas yang berlawanan antara untai DNA dan komplemennya ini memegang peranan penting dalam replikasi, transkripsi, dan rekombinasi. Stabilitas DNA double helix terbentuk karena adanya ikatan hydrogen antara basa, meskipun sifatnya lemah (lebih lemah daripada ikatan kovalen) dan sebagai ikatan hidrofobik antara pasangan basa yang berdekatan. Sisi planar dari pasangan basa relatif nonpolar sehingga cenderung menjadi hidrofobik (tidak larut air). Karena tidak larut dalam air, sisi hidrofobik ini memberi kontribusi cukup besar untuk stabilitas DNA yang berada pada protoplasma sel-sel hidup. Gambar 8 menunjukkan bahwa dua alur (groove) DNA tidak identik, alur utama lebih luas (major groove) dari alur yang lain (minor groove) pada struktur DNA double helix.

10 Gambar 8. Dua alur (groove) DNA tidak identik

2. Bentuk Alternatif dari Double Helix Struktur

double

helix

yang

dikemukakan oleh Watson-Crick hanya mendeskripsikan

B-DNA.

B-DNA

merupakan konformasi DNA dalam kondisi fisiologis (dalam larutan dengan konsentrasi garam rendah). Struktur DNA berubah sesuai fungsinya dalam

lingkungan.

Konformasi yang tepat dari molekul

DNA

tertentu atau segmen molekul DNA akan tergantung pada sifat molekul yang berinteraksi dengan DNA tersebut. B-DNA

intraseluler

memiliki

rata-rata 10,4 pasang nukleotida tiap putaran,

bukan

10

seperti

pada

penjelasan sebelumnya. Dalam konsentrasi garam tinggi atau dalam keadaan dehidrasi, DNA yang ada adalah A-DNA, yang merupakan heliks putar kanan seperti B-DNA, tetapi dengan 11 pasang nukleotida tiap putaran. A-DNA lebih pendek daripada B-DNA, dengan diameter ketebalan double helix 2,3 nm. UrutanDNAtertentu dalam bentukdouble-heliks putar kiri disebut Z-DNA (Z adalah struktur tulang punggung DNA yang berbentuk zig zag). Z-DNA ditemukan dengan analisis difraksi sinar X dari kristal yang dibentuk oleh oligomer DNA yang terdiri dari pasangan G-C dan C-G. Z-DNA terjadi pada double helix yang memiliki banyak G-C dan terdiri dari residu purin dan primidin. Selain struktur unik heliks putar kiri, Z-DNA berbeda dengan konformasi A DNAdan B DNA karena memiliki 12 pasang basa tiap putaran, diameternya 1,8 nm dan memiliki alur (groove) tunggal, tetapi fungsinya pada sel hidup masih belum jelas. Perbandingan antara B-DNA, A-DNA, dan Z-DNA dapat dilihat pada tabel berikut. Tabel 2. Perbedaan anatar Bentuk Alternatif DNA

11

C. Pertanyaan 1. Bagaimana transformasi pada S. pneumonia tipe IIR sehingga dapat bersifat seperti S. pneumonia tipe IIIS dan menyebabkan pneumonia pada tikus? Jawaban: DNA yang membawa kode genetik untuk kapsul IIIS bertransformasi ke dalam S. pneumonia tipe IIR, sehingga S. pneumonia tipe IIR mengandung gen yang mengkode kapsul IIIS dan dapat mensintesis kapsul IIIS dan dapat bersifat virulen serta menyebabkan tikus menderita pneumonia dan mengalami kematian. 2. Mengapa pasangan basa pada DNA selalu spesifik basa A selalu dengan basa T, sedangkan basa G selalu dengan basa S? jawaban: karena pada konfigurasinya, adenin dan timin membentuk akan dua ikatan hidrogen sedangkan guanin dan sitosin akan membentuk tiga ikatan hidrogen. Seingga Ikatan hidrogen tidak akan terjadi ketika adenin berpasangan dengan sitosin atau timin berpasangan dengan guanin. Karena antara basa A dan basa S tidak punya site untuk berikatan begitupun basa S dengan T. 3. Jelaskan apa yang menyebabkan adanya perbedaan bentuk DNA? Jawaban: perbedaan bentuk DNA karena bentuk DNA itu menyesuaikan dengan fungsi DNA dalam lingkungan. Contonya DNA B adalah DNA yang terdapat pada lingkungan dengan kadar garam rendah, sedangkan DNA A tidak terdapat pada kondisi lingkungan yang kadar garamnya tinggi. D. Daftar Pustaka Gardner, E. J. 1991. Principle of Genetics. Newyork: John Willey & Sons, inc. Snustad and Simmons. 2012. Principles of Genetics, Sixth Edition. United States: John Wiley and Sons, Inc.

12