Biology · Buku 3 · Bachelor Year 1

Biologi Universitas — Tahun 1

Biologi Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1

11Nukleotida dan Asam Nukleat

Tuangkan etanol dingin ke atas larutan sel yang telah dipecah dan muncullah awan putih berupa serat yang dapat digulung pada sebatang kaca: DNA, molekul yang membawa tiap petunjuk organismenya, tampak oleh mata telanjang. Dua meter DNA terlipat dalam tiap inti sel manusia; seluruhnya tertulis dalam abjad empat huruf, dibaca pada satu arah, dan disalin dengan memisahkan dua untai yang saling cocok seperti tangan dan sarungnya. Bab ini memerikan nukleotida — huruf, mata uang energi dan koenzim sekaligus — rantai yang dibentuknya, heliks ganda beserta buktinya, apa yang terjadi ketika heliks itu dilelehkan lalu dipulihkan, dan RNA yang membawa pesannya ke dalam sel.

11.1 Nukleotida

Definisi 11.1 (Nukleotida)

Yang disebut nukleotida tersusun dari tiga bagian: sebuah basa bernitrogen — sebuah purin (adenina A, guanina G: dua cincin bergabung) atau sebuah pirimidin (sitosina C, timina T, urasil U: satu cincin); sebuah gula berkarbon lima, ribosa dalam RNA atau 2′'-deoksiribosa dalam DNA (yang kehilangan hidroksil pada karbon 2′2'); dan satu sampai tiga gugus fosfat pada karbon 5′5' gulanya. Basanya terpaut pada karbon 1′1'; karbon gulanya dinomori dengan aksen agar berbeda dari karbon basanya. Basa ditambah gula adalah sebuah nukleosida (adenosina, guanosina, sitidina, timidina, uridina); dengan fosfat ia menjadi sebuah nukleotida (AMP, ADP, ATP dan kerabatnya).

Bagian-bagian sebuah nukleotida: sebuah basa pada karbon 1' sebuah pentosa, fosfat pada karbon 5'. Hidroksil 3' adalah tempat nukleotida berikutnya sebuah rantai akan melekat; kedudukan 2' membedakan RNA (OH) dari DNA (H).
Bagian-bagian sebuah nukleotida: sebuah basa pada karbon 1′1' sebuah pentosa, fosfat pada karbon 5′5'. Hidroksil 3′3' adalah tempat nukleotida berikutnya sebuah rantai akan melekat; kedudukan 2′2' membedakan RNA (OH) dari DNA (H).

Proposisi 11.2 (Nukleotida mengerjakan tiga tugas)

Selain menjadi monomer DNA dan RNA, nukleotida adalah mata uang energi sel — ATP dan GTP, yang ikatan fosfoanhidridanya (Bab 8) membayar sintesis, pengangkutan dan gerak; koenzimnya — NAD+\mathrm{NAD^+}, NADP+\mathrm{NADP^+} dan FAD, yang membawa elektron dalam respirasi dan fotosintesis (Bab 15), serta koenzim A, yang membawa gugus asil; dan pembawa pesannya — AMP siklik, yang meneruskan isyarat hormon di dalam sel. Semuanya adalah nukleotida adenina atau dibangun atasnya: molekul yang sama yang mengeja pesannya juga menenagai pelaksanaannya.

11.2 Rantai polinukleotida

Definisi 11.3 (Ikatan fosfodiester, kekutuban)

Nukleotida disambung menjadi sebuah polinukleotida lewat ikatan fosfodiester: fosfat pada karbon 5′5' sebuah nukleotida bertaut pada hidroksil 3′3' nukleotida berikutnya. Karena itu rantainya memiliki tulang punggung gula–fosfat, yang seragam dan bermuatan negatif (satu muatan tiap fosfat), yang basanya menjulur sebagai sebuah urutan; dan ia berarah: sebuah ujung 5′5' yang membawa fosfat bebas dan sebuah ujung 3′3' yang membawa hidroksil bebas. Urutannya ditulis dan dibaca 5′→3′5' \to 3', yaitu arah rantainya disintesis. DNA (asam deoksiribonukleat) memakai deoksiribosa dan basa A, G, C, T; RNA (asam ribonukleat) memakai ribosa dan A, G, C, U.

Sebuah rantai empat nukleotida. Fosfat 5' tiap nukleotida tersambung pada hidroksil 3' nukleotida di atasnya lewat sebuah ikatan fosfodiester; rantainya berjalan dari sebuah ujung 5' ke sebuah ujung 3' dan basanya menggantung pada tulang punggung yang seragam.
Sebuah rantai empat nukleotida. Fosfat 5′5' tiap nukleotida tersambung pada hidroksil 3′3' nukleotida di atasnya lewat sebuah ikatan fosfodiester; rantainya berjalan dari sebuah ujung 5′5' ke sebuah ujung 3′3' dan basanya menggantung pada tulang punggung yang seragam.

Contoh 11.4 (RNA rapuh, DNA awet)

Hidroksil 2′2' ribosa dapat menyerang ikatan fosfodiester di sebelahnya: dalam basa lemah RNA terhidrolisis menjadi nukleotida dalam beberapa jam, sedangkan DNA, yang tidak memiliki hidroksil itu, selamat dari pendidihan dalam basa dan telah diperoleh kembali secara utuh dari tulang berumur puluhan ribu tahun. Urasil dalam RNA adalah timina tanpa gugus metil; DNA memakai timina agar sitosina, yang perlahan kehilangan gugus aminonya menjadi urasil, dapat dikenali sebagai rusak lalu diperbaiki — sebuah urasil dalam DNA selalu sebuah kekeliruan.

11.3 Heliks ganda

Proposisi 11.5 (Kaidah Chargaff)

Dalam DNA organisme mana pun jumlah adenina sama dengan jumlah timina dan jumlah guanina sama dengan jumlah sitosina (A=TA = T, G=CG = C, sehingga purin == pirimidin), sedangkan rasio (G+C)/(A+T)(G + C)/(A + T) beragam dari spesies ke spesies (dari 25 %25\,\% sampai 75 %75\,\% G+CG + C).

Bukti eksperimental. Chargaff (1950) menghidrolisis DNA dari banyak organisme dan memisahkan basanya lewat kromatografi, lalu mengukur masing-masing lewat serapan ultraungunya. Kesamaannya berlaku dalam batas galat percobaan bagi tiap DNA; kadar G+CG + C-nya tidak, dan sama pada tiap jaringan satu organisme. ∎

Teorema 11.6 (Heliks ganda Watson–Crick)

DNA adalah dua rantai polinukleotida yang terpilin mengelilingi sebuah sumbu bersama menjadi heliks ganda tangan kanan: tulang punggung gula–fosfatnya di luar, basanya di dalam, pipih dan bertumpuk tegak lurus terhadap sumbunya. Kedua rantainya bersifat antiparalel (yang satu berjalan 5′→3′5' \to 3' ke atas, yang lain ke bawah) dan saling melengkapi: berhadapan dengan tiap A ada sebuah T, yang dipegang dua ikatan hidrogen, dan berhadapan dengan tiap G sebuah C, yang dipegang tiga; tiap pasangan basa semacam itu sama lebarnya, sehingga heliksnya seragam apa pun urutannya. Dalam bentuk B yang lazim heliksnya selebar 2 nm2\,\mathrm{nm}, naik 0.34 nm0.34\,\mathrm{nm} tiap pasangan basa dan 3.4 nm3.4\,\mathrm{nm} tiap putaran berisi sepuluh pasangan, serta memperlihatkan sebuah lekuk besar yang lebar dan sebuah lekuk kecil yang sempit tempat tepi basanya terpapar pada protein.

Bukti eksperimental. Gambar difraksi sinar-X serat DNA karya Franklin (1952) memperlihatkan tanda silang sebuah heliks dengan pengulangan 3.4 nm3.4\,\mathrm{nm} sepanjang sumbunya, sebuah pantulan kuat pada 0.34 nm0.34\,\mathrm{nm} (satuan pipih yang bertumpuk), dan garis tengah 2 nm2\,\mathrm{nm}; fosfatnya, sebagai atom terberat, harus berada di luar. Watson dan Crick (1953) mendapati bahwa sebuah purin yang berpasangan dengan sebuah pirimidin — dan hanya A dengan T serta G dengan C — memberikan pasangan yang sama lebarnya yang cocok dengan garis tengah 2 nm2\,\mathrm{nm}, sehingga menerangkan kaidah Chargaff, dan bahwa dua rantai antiparalel yang berpasangan demikian membangun heliks teratur berukuran seperti seratnya. Modelnya meramalkan bahwa tiap rantai menjadi cetakan bagi rantai yang lain; peragaan replikasi semikonservatif oleh Meselson dan Stahl (yang diingat kembali dari jilid Sekolah Menengah, dan pada Bab 18) membenarkannya. ∎

Kiri: sebuah model heliks ganda; kedua tulang punggungnya melilit pasangan basa yang bertumpuk, sehingga menyisakan sebuah lekuk besar dan sebuah lekuk kecil. Kanan: sepuluh pasangan basa yang sama yang diurai menjadi sebuah tangga: untai antiparalel, pasangan yang saling melengkapi dengan lebar yang sama, 0.34\, nm tiap pasangan dan 3.4\, nm tiap putaran.
Kiri: sebuah model heliks ganda; kedua tulang punggungnya melilit pasangan basa yang bertumpuk, sehingga menyisakan sebuah lekuk besar dan sebuah lekuk kecil. Kanan: sepuluh pasangan basa yang sama yang diurai menjadi sebuah tangga: untai antiparalel, pasangan yang saling melengkapi dengan lebar yang sama, 0.34\, nm tiap pasangan dan 3.4\, nm tiap putaran.
Kiri: sebuah model heliks ganda; kedua tulang punggungnya melilit pasangan basa yang bertumpuk, sehingga menyisakan sebuah lekuk besar dan sebuah lekuk kecil. Kanan: sepuluh pasangan basa yang sama yang diurai menjadi sebuah tangga: untai antiparalel, pasangan yang saling melengkapi dengan lebar yang sama, 0.34 nm0.34\,\mathrm{nm} tiap pasangan dan 3.4 nm3.4\,\mathrm{nm} tiap putaran.

Contoh 11.7 (Membaca sebuah untai)

Bila salah satu untainya berbunyi 5′5'-ATGGCATTC-3′3', pasangannya, yang ditulis 5′→3′5' \to 3', adalah 5′5'-GAATGCCAT-3′3': lengkapi tiap basanya, lalu balikkan urutannya. Sembilan pasangan, 3.1 nm3.1\,\mathrm{nm} heliks, dua puluh dua ikatan hidrogen (lima G–C, empat A–T). Sebuah kromosom manusia berisi 2.5×1082.5 \times 10^{8} pasangan sepanjang 8.5 cm8.5\,\mathrm{cm} dalam bentuk ini dan harus dilipat seratus ribu kali agar muat dalam sebuah inti (Bab 17).

Proposisi 11.8 (Apa yang memegang heliksnya)

Ikatan hidrogen antara basa yang berpasangan memberikan kekhasannya; penumpukan basa yang pipih satu di atas yang lain — sentuhan van der Waals dan efek hidrofob yang menjauhkan basanya dari air — memberikan sebagian besar kemantapannya; tulang punggungnya yang bermuatan negatif saling menolak, dan heliksnya hanya mantap dengan hadirnya ion positif (Mg2+\mathrm{Mg^{2+}}, Na+\mathrm{Na^+} yang fisiologis, atau protein basa kromatinnya) yang menyekat muatan itu. Sebuah pasangan G–C, dengan tiga ikatan hidrogen dan penumpukan yang lebih kuat, memegang lebih baik daripada sebuah pasangan A–T.

11.4 Peleburan dan hibridisasi

Definisi 11.9 (Denaturasi, suhu leleh)

Pemanasan, atau pH yang ekstrem, memisahkan kedua untai DNA: denaturasi (peleburan), sebuah transisi bekerja sama sepanjang beberapa derajat, yang titik tengahnya adalah suhu leleh TmT_m. Ia diikuti efek hiperkromik: untai tunggal menyerap sekitar 40 %40\,\% lebih banyak cahaya ultraungu pada 260 nm260\,\mathrm{nm} daripada basa yang sama yang bertumpuk dalam sebuah heliks. TmT_m naik bersama kadar G+CG + C (0.4 ∘C0.4\,{}^{\circ}\mathrm{C} tiap persen), bersama kepekatan garamnya, dan bersama panjangnya; dalam garam 0.15 mol/L0.15\,\mathrm{mol}/\mathrm{L} sebuah DNA panjang berkadar G+CG + C 50 %50\,\% meleleh dekat 90 ∘C90\,{}^{\circ}\mathrm{C}. Bila didinginkan perlahan, untainya menemukan pasangannya lalu membentuk kembali heliksnya: renaturasi, atau hibridisasi bila untainya berasal dari sumber yang berbeda.

Kurva peleburan dua DNA dalam garam yang sama. Serapannya naik 40\,\% seiring terpisahnya untainya, sepanjang beberapa derajat; titik tengahnya, T_m, lebih tinggi bagi DNA yang lebih kaya pasangan G–C.
Kurva peleburan dua DNA dalam garam yang sama. Serapannya naik 40 %40\,\% seiring terpisahnya untainya, sepanjang beberapa derajat; titik tengahnya, TmT_m, lebih tinggi bagi DNA yang lebih kaya pasangan G–C.

Metode 11.10 (Mengukur asam nukleat lewat serapan)

  1. Basa menyerap cahaya ultraungu dengan puncak pada 260 nm260\,\mathrm{nm}. Dalam sebuah kuvet 1 cm1\,\mathrm{cm}, serapan 1.01.0 sepadan dengan 50 µg/mL50\,\text{µ}\mathrm{g}/\mathrm{mL} DNA untai ganda (40 µg/mL40\,\text{µ}\mathrm{g}/\mathrm{mL} RNA, 33 µg/mL33\,\text{µ}\mathrm{g}/\mathrm{mL} DNA untai tunggal).
  2. Rasio A260/A280A_{260}/A_{280} adalah 1.81.8 bagi DNA murni dan 2.02.0 bagi RNA murni; protein menyerap pada 280 nm280\,\mathrm{nm} dan menurunkannya.
  3. Untuk mengikuti peleburannya, rekamlah A260A_{260} sambil memanaskan perlahan; titik tengah kurvanya adalah TmT_m dan curamnya adalah ukuran keseragaman cuplikannya.
  4. Untuk mendeteksi sebuah urutan, denaturasikan cuplikannya lalu tambahkan sebuah untai tunggal bertanda yang melengkapinya (sebuah pelacak); ia berhibridisasi hanya di tempat pasangannya berada, dan tandanya menandai tempat itu — pada sebuah gel, pada sebuah kromosom, di dalam sebuah jaringan.
DNA yang diendapkan etanol dingin dari sebuah lisat sel lalu digulung pada sebatang kaca: beberapa miligram molekul itu, tampak sebagai serat karena masing-masing berpanjang jutaan pasangan basa.
DNA yang diendapkan etanol dingin dari sebuah lisat sel lalu digulung pada sebatang kaca: beberapa miligram molekul itu, tampak sebagai serat karena masing-masing berpanjang jutaan pasangan basa.

Contoh 11.11 (Sebuah pelacak menemukan sebuah gen)

Sebuah pelacak dua puluh nukleotida yang melengkapi satu gen, pada 5 ∘C5\,{}^{\circ}\mathrm{C} di bawah TmT_m-nya sendiri, mengikat pasangan persisnya dan tak ada yang lain dalam tiga miliar pasangan basa: satu ketakcocokan dalam dua puluh menurunkan TmT_m beberapa derajat dan hibrid yang tak cocok itu meleleh. Kekhasan pemasangan basa, yang dilipatgandakan atas dua puluh kedudukan, adalah sandaran tiap uji DNA, dari uji kebapakan sampai pendeteksian patogen.

11.5 RNA

Definisi 11.12 (Berbagai RNA)

RNA biasanya berutas tunggal, dan melipat balik pada dirinya sendiri di mana pun ada bentangan pendek yang saling melengkapi, menjadi jepit rambut, gelung dan tonjolan — sebuah struktur sekunder — yang lalu berkemas menjadi sebuah bentuk. Tiga golongan membawa aliran informasi genetik (Bab 19): RNA pembawa pesan (mRNA), salinan sebuah gen yang dibaca ribosom; RNA pemindah (tRNA), sekitar 75 75\, nukleotida yang terlipat menjadi daun semanggi, yang membawa sebuah asam amino pada ujung 3′3'-nya dan sebuah antikodon yang berpasangan dengan pesannya; RNA ribosom (rRNA), yaitu teras struktural sekaligus katalitik ribosomnya, empat perlima RNA sebuah sel. Banyak RNA lain mengatur, menyambung dan menuntun (jilid Tahun ke-3).

Sebuah RNA pemindah dalam struktur sekunder daun semangginya: satu untai berisi sekitar 75 nukleotida yang berpasangan dengan dirinya sendiri menjadi empat tangkai. Asam aminonya dibawa pada ujung 3'; antikodonnya pada ujung yang berlawanan membaca pesannya.
Sebuah RNA pemindah dalam struktur sekunder daun semangginya: satu untai berisi sekitar 75 nukleotida yang berpasangan dengan dirinya sendiri menjadi empat tangkai. Asam aminonya dibawa pada ujung 3′3'; antikodonnya pada ujung yang berlawanan membaca pesannya.

Catatan 11.13 (RNA dapat menjadi katalis)

Sebagian RNA adalah enzim (ribozim): ikatan peptida tiap protein dibentuk RNA ribosom, bukan sebuah protein, dan sebagian RNA memotong serta menyambung dirinya sendiri. Sebuah molekul yang sekaligus membawa informasi dan mengatalisis reaksi adalah bahan yang mungkin menyusun sistem hidup pertama; dunia DNA–protein lalu menjadi pembagian kerja yang belakangan, dengan RNA tetap di pusatnya.

11.6 Latihan

Latihan 11.1 ★

Sebutkan ketiga bagian sebuah nukleotida dan kedua perbedaan antara sebuah ribonukleotida dan sebuah deoksiribonukleotida.

Solusi

Solusi Latihan 11.1.

Sebuah basa bernitrogen, sebuah pentosa, satu sampai tiga fosfat. RNA: ribosa (dengan hidroksil 2′2') dan urasil; DNA: 2′2'-deoksiribosa dan timina.

Latihan 11.2 ★

Tuliskan untai pelengkap 5′5'-GGATCCTA-3′3' dalam arah 5′→3′5' \to 3', dan hitunglah ikatan hidrogennya.

Solusi

Solusi Latihan 11.2.

5′5'-TAGGATCC-3′3'. Pasangannya: G–C, G–C, A–T, T–A, C–G, C–G, T–A, A–T: empat G–C (12 ikatan) dan empat A–T (8): 20 ikatan hidrogen.

Latihan 11.3 ★

Sebuah DNA memuat 22 %22\,\% adenina. Berikan persentase T, G dan C, serta kadar G+CG + C-nya.

Solusi

Solusi Latihan 11.3.

T 22 %22\,\%; G dan C berbagi sisa 56 %56\,\%: 28 %28\,\% masing-masing; G+C=56 %G + C = 56\,\%.

Latihan 11.4 ★

Dari gambar peleburannya, berapa TmT_m sebuah DNA berkadar G+CG + C 50 %50\,\% pada keadaan yang sama, dan seberapa besar serapannya naik saat meleleh?

Solusi

Solusi Latihan 11.4.

Di antara kedua kurvanya, pada 0.4 ∘C0.4\,{}^{\circ}\mathrm{C} tiap persen: sekitar 85 ∘C85\,{}^{\circ}\mathrm{C}. Serapannya naik 40 %40\,\%.

Latihan 11.5 ★★

Hitunglah panjang kromosom E. coli (4.6×1064.6 \times 10^{6} pasangan basa) dalam milimeter, banyaknya putarannya, dan faktor pemampatan yang dituntut agar ia muat dalam sebuah sel 2 µm2\,\text{µ}\mathrm{m}.

Solusi

Solusi Latihan 11.5.

4.6×106×0.34 nm=1.56 mm4.6 \times 10^{6}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 1.56\,\mathrm{mm}; 460 000460\,000 putaran; 1560/2=7801560/2 = 780 kali lipat dalam panjangnya (kromosomnya terlipat menjadi gelung dan pilinan lebih).

Latihan 11.6 ★★

Jelaskan mengapa kedua untai DNA harus antiparalel, dengan memakai geometri tulang punggung gula–fosfatnya dan tuntutan bahwa tiap pasangan basa harus sama lebarnya.

Solusi

Solusi Latihan 11.6.

Basanya berpasangan dengan tepinya saling menghadap, dan gula masing-masing terpaut pada sisi pasangan yang sama hanya bila kedua tulang punggungnya berjalan berlawanan arah; dengan untai yang sejajar kedua gulanya akan duduk pada tepi yang berlawanan dan lebar pasangannya, beserta letak tulang punggungnya, akan beragam menurut urutannya. Untai antiparalel dengan pasangan purin–pirimidin memberikan 2 nm2\,\mathrm{nm} yang tetap sebagaimana dituntut pola seratnya.

Latihan 11.7 ★★

Sebuah larutan DNA memiliki A260=0.35A_{260} = 0.35 dalam kuvet 1 cm1\,\mathrm{cm} dan A280=0.20A_{280} = 0.20. Hitunglah kepekatannya lalu beri tanggapan atas kemurniannya. Berapa banyak pasangan basa dalam 1 mL1\,\mathrm{mL}, bila massa rata-rata sebuah pasangan adalah 650 Da650\,\mathrm{Da}?

Solusi

Solusi Latihan 11.7.

0.35×50=17.5 µg/mL0.35\times 50 = 17.5\,\text{µ}\mathrm{g}/\mathrm{mL}. A260/A280=1.75A_{260}/A_{280} = 1.75: pada dasarnya DNA murni (1.8), mungkin dengan sedikit protein. Dalam 1 mL1\,\mathrm{mL}: 17.5×10−6/(650×1.66×10−24)=1.6×101617.5\times 10^{-6}/(650\times 1.66\times 10^{-24}) = 1.6 \times 10^{16} pasangan basa.

Latihan 11.8 ★★

Jelaskan efek hiperkromiknya dan mengapa kurva peleburan sebuah DNA murni curam sedangkan kurva sebuah campuran DNA dari banyak spesies melebar.

Solusi

Solusi Latihan 11.8.

Basa yang bertumpuk saling melindungi dan menyerap lebih sedikit; memisahkan untainya memaparkan tiap basa pada cahayanya dan serapannya naik 40 %40\,\%. Sebuah DNA murni meleleh dalam beberapa derajat dari TmT_m tunggalnya, secara bekerja sama; sebuah campuran memuat DNA dengan banyak kadar G+CG + C, masing-masing dengan TmT_m-nya sendiri, sehingga jumlah kurvanya terbentang sepanjang puluhan derajat.

Latihan 11.9 ★★

Sebuah pelacak dua puluh nukleotida memiliki Tm=62 ∘CT_m = 62\,{}^{\circ}\mathrm{C} dengan pasangan persisnya; satu ketakcocokan menurunkan TmT_m sekitar 5 ∘C5\,{}^{\circ}\mathrm{C}. Pada suhu berapa hibridisasinya sebaiknya dilakukan agar urutan persisnya terdeteksi dan ketakcocokan tunggalnya ditolak? Apa yang terjadi pada 45 ∘C45\,{}^{\circ}\mathrm{C}?

Solusi

Solusi Latihan 11.9.

Tepat di bawah 62 ∘C62\,{}^{\circ}\mathrm{C} dan di atas 57 ∘C57\,{}^{\circ}\mathrm{C}, misalnya 60 ∘C60\,{}^{\circ}\mathrm{C}: hibrid yang sempurna bertahan, yang tak cocok meleleh. Pada 45 ∘C45\,{}^{\circ}\mathrm{C} hibrid dengan sampai tiga ketakcocokan tetap mantap dan pelacaknya juga menyalakan urutan yang berkerabat.

Latihan 11.10 ★★★

Kaidah Chargaff berlaku bagi DNA untai ganda tetapi tidak bagi RNA maupun bagi DNA virus kecil tertentu. Jelaskan apa yang dikatakan tiap kekecualian itu tentang struktur asam nukleat tersebut.

Solusi

Solusi Latihan 11.10.

Kaidahnya mengikuti pemasangan basa antara dua untai yang saling melengkapi. RNA, yang berutas tunggal, tidak memiliki pasangan yang mengekang susunannya, sehingga A≠UA \neq U pada umumnya; virus kecil yang dimaksud bergenom DNA untai tunggal, yang juga tidak perlu menaati kaidah itu — dan kegagalannya menaatinya adalah salah satu petunjuk pertama bahwa mereka berutas tunggal.

Latihan 11.11 ★★★

Dua ikatan hidrogen memegang sebuah pasangan A–T, namun sebuah heliks berisi seribu pasangan A–T mantap pada 60 ∘C60\,{}^{\circ}\mathrm{C} sedangkan sepasang tunggal sama sekali tidak terbentuk. Jelaskan dengan gagasan Bab 8 (ikatan lemah, kerja sama, penumpukan), lalu sebutkan apa siratannya bagi kesetiaan sebuah pelacak.

Solusi

Solusi Latihan 11.11.

Tiap pasangan sendirian bernilai beberapa kilojoule tiap mol, kurang daripada guncangan termalnya, dan terbentuk lalu putus dalam mikrosekon. Dalam sebuah heliks pasangannya terbentuk bersama-sama: tiap pasangan bertumpuk pada pendahulunya dan pasangan pertamanya membibitkan selebihnya, sehingga energinya berjumlah dan peluang semuanya putus sekaligus dapat diabaikan — kerja sama. Penumpukannya menyumbang sebanyak ikatan hidrogennya. Bagi sebuah pelacak hal ini berarti bahwa kemantapannya tumbuh bersama panjangnya dan turun tajam pada tiap ketakcocokan, yang memutus rentetan kerja samanya: kekhasan adalah sifat seluruh bentangannya.

Latihan 11.12 ★★★

“Struktur DNA adalah penjelasan pewarisan sifat.” Bahaslah dalam satu paragraf: apa yang langsung dijelaskan heliks ganda (penyalinan, mutasi sebagai perubahan urutan), apa yang tidak dijelaskannya sendirian (bagaimana urutannya menjadi sebuah protein), dan mengapa model Watson dan Crick diterima sebelum ada uji biokimia apa pun atasnya.

Solusi

Solusi Latihan 11.12.

Heliksnya langsung menerangkan penyalinan: tiap untai menentukan untai yang lain, sehingga memisahkannya lalu memasangkan nukleotida baru pada masing-masing memberikan dua molekul yang serupa; sebuah mutasi adalah basa yang keliru yang tertetapkan dalam satu salinan lalu disalin dengan setia sesudahnya. Ia sendirian tidak menyatakan bagaimana sebuah urutan empat basa menentukan sebuah protein — itu memakan waktu sedasawarsa (kode, mRNA, tRNA, ribosom). Modelnya diterima karena ia cocok dengan tiap pengukurannya (Chargaff, ukuran sinar-X, massa jenisnya) tanpa sisa, dan karena penjelasannya tentang pewarisan sifat begitu hemat sehingga pilihan lain — sebuah kebetulan — menjadi tak masuk akal; Meselson dan Stahl lalu membenarkan penyalinan yang diramalkannya.

11.7 Soal: Genom Sebuah Virus

Soal 11.1

Soal akhir pekan — DNA bakteriofag λ\lambda yang diukur, ditimbang, dihitung, dilelehkan dan dikemas ke dalam kapsidnya, berakhir pada suhu lelehnya dan panjang konturnya

Genom bakteriofag λ\lambda adalah satu DNA untai ganda yang lurus berisi 48 50248\,502 pasangan basa dengan kadar G+CG + C 49.9 %49.9\,\%. Ia dikemas ke dalam sebuah kapsid ikosahedral bergaris tengah dalam 55 nm55\,\mathrm{nm}. Ambil 0.34 nm0.34\,\mathrm{nm} tiap pasangan basa, 2.0 nm2.0\,\mathrm{nm} bagi garis tengah heliksnya, 650 Da650\,\mathrm{Da} tiap pasangan basa, dan Tm=81.5+16.6log⁡10[Na+]+0.41 (% G+C)−500/LT_m = 81.5 + 16.6\log_{10}[\mathrm{Na^+}] + 0.41\,(\%\,G{+}C) - 500/L dalam derajat Celsius, dengan [Na+][\mathrm{Na^+}] dalam mol/L\mathrm{mol}/\mathrm{L} dan LL panjangnya dalam pasangan basa.

Bagian I — Diukur dan ditimbang.

  1. Hitunglah panjang kontur molekulnya dalam mikrometer.
  2. Hitunglah banyaknya putaran heliksnya.
  3. Hitunglah massa molarnya dalam dalton.
  4. Hitunglah massa satu molekulnya dalam gram.
  5. Hitunglah banyaknya gugus fosfatnya dan dengan itu muatan bersih molekulnya.
  6. Hitunglah banyaknya nukleotida tiap basanya (A, T, G, C).
  7. Hitunglah total banyaknya ikatan hidrogen yang memegang kedua untainya.

Bagian II — Dilelehkan.

  1. Hitunglah TmT_m dalam natrium 0.1 mol/L0.1\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}.
  2. Hitunglah TmT_m dalam natrium 0.01 mol/L0.01\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}, lalu jelaskan mengapa garam memantapkan heliksnya.
  3. Genom λ\lambda memuat sebuah kawasan berisi 1000 1000\, pasangan berkadar G+CG + C 35 %35\,\% dan satu berkadar 62 %62\,\%. Hitunglah TmT_m tiap kawasan itu dalam natrium 0.1 mol/L0.1\,\mathrm{mol}/\mathrm{L} lalu perikan bentuk kurva peleburan seluruh molekulnya.
  4. Sebuah larutan DNA λ\lambda memiliki A260=0.50A_{260} = 0.50 sebelum peleburannya. Berapa kepekatannya, dan berapa A260A_{260}-nya sesudah peleburannya lengkap?
  5. Berapa banyak molekul λ\lambda dalam 1 mL1\,\mathrm{mL} larutan itu?
  6. Kedua ujung genom λ\lambda adalah juluran untai tunggal berisi 12 nukleotida yang saling melengkapi, yang membuat molekulnya melingkar di dalam inangnya. Hitunglah TmT_m-nya (pakailah L=12L = 12) lalu sebutkan mengapa lingkarannya tetap bertahan pada 37 ∘C37\,{}^{\circ}\mathrm{C} di dalam selnya.

Bagian III — Dikemas.

  1. Hitunglah volume DNA-nya sebagai sebuah tabung.
  2. Hitunglah volume dalam kapsidnya.
  3. Berapa fraksi kapsidnya yang diisi DNA itu? Bandingkan dengan kemasan terapat tabung sejajar (91 %91\,\%).
  4. DNA itu membawa 97 00097\,000 muatan negatif dalam sebuah bola 55 nm55\,\mathrm{nm}. Jelaskan apa yang harus menyertai DNA itu masuk ke dalam kapsidnya, dan mengapa DNA yang terkemas mengerahkan tekanan pada cangkangnya (puluhan atmosfer) yang membantu menyuntikkannya ke dalam sebuah bakteri.
  5. Molekulnya harus dibengkokkan menjadi gelung berjari-jari sebanding dengan kapsidnya. DNA menahan pembengkokan di bawah jari-jari sekitar 50 nm50\,\mathrm{nm}. Beri tanggapan.

Bagian IV — Dibaca.

  1. Satu untai genomnya diawali 5′5'-GGGCGGCGACCT-3′3'. Tuliskan untai pelengkapnya 5′→3′5' \to 3'.
  2. Bila sebuah gen berisi 12001200 pasangan basa ditranskripsikan menjadi sebuah mRNA, berapa panjang mRNA itu dalam nukleotida dan, pada 330 Da330\,\mathrm{Da} tiap nukleotida, berapa massanya?
  3. Genomnya memiliki 75 75\, gen dalam 48 50248\,502 pasangan. Berapa fraksi genomnya yang menyandi bila gen rata-ratanya 600600 pasangan? Bandingkan dengan genom manusia (1.5 %1.5\,\%).
  4. Genomnya direplikasi dalam 20 min20\,\mathrm{min} pada 37 ∘C37\,{}^{\circ}\mathrm{C} oleh enzim inangnya. Hitunglah lajunya dalam pasangan basa tiap sekon bila replikasinya mulai pada satu titik awal lalu berjalan ke dua arah.
  5. Berapa banyak ikatan hidrogen yang diputus tiap sekon pada kedua garpunya selama replikasi (pakailah rata-rata tiap pasangan dari pertanyaan 7)?
  6. Sebuah mutasi mengubah satu pasangan G–C menjadi A–T. Seberapa besar TmT_m seluruh molekulnya berubah? Dapatkah peleburan mendeteksinya?
  7. Nyatakan hasilnya: suhu leleh DNA λ\lambda dalam natrium 0.1 mol/L0.1\,\mathrm{mol}/\mathrm{L} dan panjang konturnya, serta pemampatan yang memuatkannya ke dalam kapsidnya.
Solusi

Solusi Soal 11.1.

1. 48 502×0.34=16 490 nm=16.5 µm48\,502\times 0.34 = 16\,490\,\mathrm{nm} = 16.5\,\text{µ}\mathrm{m}. 2. 48 502/10=485048\,502/10 = 4850 putaran. 3. 48 502×650=3.15×107 Da48\,502\times 650 = 3.15 \times 10^{7}\,\mathrm{Da}. 4. 3.15×107×1.66×10−24=5.2×10−17 g3.15 \times 10^{7}\times 1.66\times 10^{-24} = 5.2 \times 10^{-17}\,\mathrm{g}. 5. Dua tiap pasangan: 97 00497\,004 fosfat, muatan bersih −97 004 e-97\,004\,e. 6. G+C=0.499×97 004=48 405G + C = 0.499\times97\,004 = 48\,405: G=C=24 203G = C = 24\,203; A=T=24 299A = T = 24\,299. 7. 3×24 203+2×24 299=121 2073\times24\,203 + 2\times24\,299 = 121\,207. 8. 81.5+16.6×(−1)+0.41×49.9−500/48502=81.5−16.6+20.5−0.01=85.4 ∘C81.5 + 16.6\times(-1) + 0.41\times 49.9 - 500/48502 = 81.5 - 16.6 + 20.5 - 0.01 = 85.4\,{}^{\circ}\mathrm{C}. 9. 81.5−33.2+20.5=68.8 ∘C81.5 - 33.2 + 20.5 = 68.8\,{}^{\circ}\mathrm{C}. Ion positif menyekat tolakan antara kedua tulang punggung yang bermuatan negatif; dengan garam lebih sedikit untainya lebih menolak dan terpisah pada suhu yang lebih rendah. 10. 35 %35\,\%: 81.5−16.6+14.4−0.5=78.8 ∘C81.5 - 16.6 + 14.4 - 0.5 = 78.8\,{}^{\circ}\mathrm{C}; 62 %62\,\%: 81.5−16.6+25.4−0.5=89.8 ∘C81.5 - 16.6 + 25.4 - 0.5 = 89.8\,{}^{\circ}\mathrm{C}. Seluruh molekulnya meleleh bertahap: kawasan yang kaya A–T membuka lebih dahulu, yang kaya G–C paling akhir, sehingga kurvanya berupa kenaikan lebar berbahu alih-alih satu tangga tajam. 11. 0.50×50=25 µg/mL0.50\times 50 = 25\,\text{µ}\mathrm{g}/\mathrm{mL}; sesudah peleburan A260=0.70A_{260} = 0.70. 12. 25×10−6/5.2×10−17=4.8×101125\times 10^{-6}/5.2\times 10^{-17} = 4.8 \times 10^{11} molekul. 13. 81.5−16.6+0.41×50−500/12=81.5−16.6+20.5−41.7=43.7 ∘C81.5 - 16.6 + 0.41\times 50 - 500/12 = 81.5 - 16.6 + 20.5 - 41.7 = 43.7\,{}^{\circ}\mathrm{C} (rumusnya kasar bagi bentangan sependek itu). Pada 37 ∘C37\,{}^{\circ}\mathrm{C} ujungnya berpasangan tetapi akan membuka tutup; di dalam selnya sebuah enzim (ligase) menyegel kedua takiknya secara kovalen, dan lingkarannya tidak lagi bergantung pada kedua belas pasangan itu. 14. π×(1.0)2×16 490=5.2×104 nm3\pi\times(1.0)^2\times16\,490 = 5.2 \times 10^{4}\,\mathrm{nm}^{3}. 15. 43π×27.53=8.7×104 nm3\frac{4}{3}\pi\times 27.5^3 = 8.7 \times 10^{4}\,\mathrm{nm}^{3}. 16. 60 %60\,\%: dua pertiga kemasan tabung terapat yang mungkin — DNA-nya tergulung menjadi kumparan yang nyaris berhablur. 17. Ion lawan (poliamina, Mg2+\mathrm{Mg^{2+}}) harus menetralkan sebagian besar muatannya atau tolakannya tak akan teratasi; tolakan yang tersisa dan energi pembengkokan yang tersimpan dalam kumparan yang rapat itu mendorong ke luar pada cangkangnya, dan ketika ekornya membuka tekanan ini menggerakkan bagian pertama genomnya masuk ke dalam bakterinya. 18. Gelung dalam sebuah kapsid 55 nm55\,\mathrm{nm} berjari-jari 10 to 25 nm10\text{ to }25\,\mathrm{nm}, di bawah 50 nm50\,\mathrm{nm} tempat DNA membengkok dengan bebas: membengkokkannya memakan energi, yang dibayar motor pengemasnya (ATP) dan tersimpan sebagai tekanan pada pertanyaan 17. 19. 5′5'-AGGTCGCCGCCC-3′3'. 20. 12001200 nukleotida; 1200×330=4.0×105 Da1200\times 330 = 4.0 \times 10^{5}\,\mathrm{Da}. 21. 75×600=45 00075\times 600 = 45\,000 pasangan, 93 %93\,\% menyandi — sebuah genom yang padat; genom manusia enam puluh kali kurang padat gennya. 22. Dua garpu, yang masing-masing menyalin 24 25124\,251 pasangan dalam 1200 s1200\,\mathrm{s}: 20 20\, pasangan tiap sekon tiap garpu (polimerase inangnya sanggup 1000 1000\,; waktunya ditentukan seluruh daurnya, bukan polimerasenya). 23. 121 207/48 502=2.5121\,207/48\,502 = 2.5 ikatan tiap pasangan; dua garpu pada 20 pasangan tiap sekon: 100 ikatan hidrogen tiap sekon — dan sebanyak itu pula terbentuk kembali di belakangnya. 24. Satu pasangan dalam 48 50248\,502 mengubah G+CG + C sebesar 0.002 %0.002\,\% dan TmT_m sebesar 0.001 ∘C0.001\,{}^{\circ}\mathrm{C}: tak terdeteksi dengan melelehkan seluruh molekulnya; hanya sebuah pelacak pendek yang menjangkau tempatnya yang akan memperlihatkannya. 25. Tm=85 ∘CT_m = 85\,{}^{\circ}\mathrm{C} dalam natrium 0.1 mol/L0.1\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}; panjang kontur 16.5 µm16.5\,\text{µ}\mathrm{m}, tiga ratus kali garis tengah kapsidnya, terkemas di dalamnya pada 60 %60\,\% volumenya.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 479 istilah di glosarium