Biologi Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1

17Genom Sel dan Virus

Dua meter DNA terlipat ke dalam sebuah inti berlebar enam mikrometer, dan terlipat sedemikian sehingga mana pun dari dua puluh ribu gennya dapat ditemukan lalu dibaca dalam beberapa menit. Sebuah bakteri melipat satu setengah milimeter ke dalam sebuah sel yang seribu kali lebih pendek, dan menyalinnya tiap dua puluh menit. Sebuah virus membawa beberapa ribu huruf dalam sebuah cangkang protein lalu membacanya dengan sebuah sel yang bukan miliknya. Bab ini memerikan genom — seluruh DNA sebuah organisme — sebagai sebuah benda fisik: bagaimana DNA bakteri, sel eukariot, organel dan virus tersusun, apa yang dikandungnya selain gen, dan mengapa banyaknya begitu sedikit mengatakan tentang organisme yang membawanya.

17.1 Genom bakteri

Definisi 17.1 (Genom, kromosom, nukleoid)

Yang disebut genom sebuah sel adalah keseluruhan DNA-nya: informasi bagi tiap protein dan RNA yang dapat dibuatnya, serta urutan yang mengendalikan kapan keduanya dibuat. Sebuah kromosom adalah satu molekul DNA beserta protein yang menatanya. Sebuah bakteri biasanya memiliki satu kromosom, melingkar, sepanjang satu sampai sepuluh juta pasangan basa (E. coli: $4.6 \times 10^{6}$ , sepanjang $1.5\,\mathrm{mm}$ ), yang terlipat ke dalam sebuah kawasan sitoplasma, yaitu nukleoid, tanpa membran di sekelilingnya. Selain kromosomnya banyak bakteri membawa plasmid: lingkaran kecil berisi beberapa ribu sampai beberapa ratus ribu pasangan, dalam satu sampai ratusan salinan, yang bereplikasi sendiri dan membawa gen pilihan — ketahanan antibiotik, racun, mesin untuk memindahkan dirinya ke sel lain.

Proposisi 17.2 (Bagaimana sebuah bakteri melipat kromosomnya)

Sebuah DNA melingkar yang ujungnya tak dapat berputar dapat dipilin seperti sebuah karet gelang: pilinan lebih. Enzim yang disebut topoisomerase memotong, melewatkan lalu menyegel kembali untainya untuk menambah atau menyingkirkan putaran; girase memakai ATP untuk memasukkan pilinan lebih negatif, yang mengurangi lilitan heliksnya dan membuatnya sekaligus lebih padat serta lebih mudah dibuka. Kromosom E. coli tertata menjadi sekitar lima puluh gelung, yang masing-masing berpilin lebih sendiri-sendiri dan ditambatkan pada sebuah teras protein, sehingga $1.5\,\mathrm{mm}$ -nya menempati sebuah nukleoid selebar sekitar satu mikrometer — pemampatan seribu kali — sementara gelung mana pun dapat diurai untuk dibaca atau disalin tanpa mengganggu selebihnya. Protein basa yang kecil (serupa histon, meskipun tak berkerabat dengan histon) menekuk dan menjembatani DNA-nya di seluruh bagian.

Sebuah kromosom melingkar dalam keadaan kendur, berpilin lebih, dan tertata menjadi gelung. Pilinan lebih memampatkan molekulnya serta menimbun energi yang membantu membukanya; gelungnya membuat satu kawasan dapat diurai pada satu waktu.

Contoh 17.3 (Sebuah genom yang padat)

Dari $4.6\,\mathrm{Mb}$ kromosom E. coli, $88\,\%$ menyandi protein: sekitar $4300$ gen yang masing-masing sekitar $1000$ pasangan, terkemas kepala ke ekor dengan seratus pasangan di antaranya, banyak di antaranya berkelompok menjadi operon yang ditranskripsikan bersama (Bab 20). Sebuah plasmid $5\,\mathrm{kb}$ dapat membawa tiga gen dan hadir dalam lima puluh salinan; gen ketahanan yang dibawanya dapat menyebar ke seluruh bakteri sebuah bangsal rumah sakit dalam beberapa minggu, lewat konjugasi, lebih cepat daripada yang dapat dimunculkan mutasi mana pun.

17.2 Genom eukariot: kromatin

Definisi 17.4 (Nukleosom, kromatin)

Dalam sebuah inti eukariot DNA-nya digulung pada protein: $147\,$ pasangan basa membuat 1.7 putaran mengelilingi sebuah oktamer berisi delapan histon (masing-masing dua H2A, H2B, H3, H4, yaitu protein kecil yang kaya lisina dan arginina yang menetralkan fosfatnya), sehingga membentuk sebuah nukleosom selebar $11\,\mathrm{nm}$ ; nukleosomnya menyusul satu sama lain tiap sekitar $200\,$ pasangan, seperti manik pada seutas tali, dengan histon kelima, H1, yang menyegel tiap maniknya. Kromatin ini melipat lebih jauh: menjadi sebuah serat $30\,\mathrm{nm}$ , menjadi gelung berisi puluhan ribu pasangan yang ditambatkan pada sebuah perancah protein, dan — pada pembelahannya — menjadi batang padat kromosom metafase, sepuluh ribu kali lebih pendek daripada DNA telanjangnya. Eukromatin adalah bentuk interfase yang lebih longgar, kaya gen dan ditranskripsikan; heterokromatin bentuk yang memadat dan miskin gen yang tetap padat (di sekeliling sentromer, pada ujungnya, dan pada sebuah kromosom X yang dipadamkan).

Tingkat pengemasan DNA eukariot, dari heliksnya sampai kromosom metafasenya. Tiap tingkatnya melipatgandakan pemampatannya; seluruhnya mencapai sepuluh ribu.

Kiri: kromosom satu sel manusia, yang dibentangkan dari sebuah sel yang ditahan pada metafase. Kanan: kromosom yang sama yang dipilah menurut ukuran dan pita menjadi sebuah kariotipe — dua puluh dua pasang dan XY, empat puluh enam seluruhnya. Kariotipe: National Human Genome Research Institute, domain publik.

Definisi 17.5 (Kariotipe, sentromer, telomer)

Yang disebut kariotipe adalah perangkat kromosom sebuah sel, yang dipilah menurut ukuran dan pola pitanya: manusia memiliki 23 pasang (22 autosom dan XY atau XX), $6.4 \times 10^{9}$ pasangan basa seluruhnya, sepanjang $2.2\,\mathrm{m}$ ; kromosom terbesarnya memegang $250\,\mathrm{Mb}$ , terkecilnya $50\,$ . Tiap kromosom lurus membawa sebuah sentromer, yaitu kawasan tersempit tempat kedua salinannya tetap bergabung sesudah replikasi dan tempat gelendongnya melekat (Bab 18), serta dua telomer, yaitu urutan berulang pada ujungnya yang melindunginya agar tidak dikira DNA yang patah dan agar tidak memendek pada tiap replikasinya.

Proposisi 17.6 (Ukuran genom tidak mengukur kerumitan)

organisme	genom (Mb)	gen penyandi protein
E. coli	4.6	$4300$
khamir	12	$6000$
lalat buah	140	$14\,000$
manusia	3200	$20\,000$
jagung	2300	$40\,000$
ikan paru	$130\,000$	$\approx20\,000$
Paris japonica (sejenis bakung)	$150\,000$	$\approx30\,000$

Ukuran genom beragam seribu kali di antara eukariot tanpa hubungan dengan banyaknya gen maupun kerumitan organismenya (paradoks nilai C): seekor ikan paru membawa empat puluh kali DNA manusia dan tidak lebih banyak gennya. Selisihnya bukanlah gennya melainkan DNA di antaranya.

17.3 Apa yang dikandung sebuah genom

Definisi 17.7 (Anatomi sebuah gen)

Yang disebut gen adalah sebentang DNA yang ditranskripsikan menjadi sebuah RNA yang berfungsi — biasanya sebuah pesan bagi satu protein. Sebuah gen eukariot penyandi protein terdiri atas sebuah promotor, yaitu urutan di hulunya tempat transkripsinya dimulai dan dikendalikan; ekson, yaitu bagian yang disimpan dalam pesan matangnya; intron, yaitu bagian yang ditranskripsikan lalu dipotong keluar (Bab 19); kawasan tak tertranslasi pada tiap ujung pesannya; dan sebuah pengakhir. Sebuah gen manusia rata-rata $27\,\mathrm{kb}$ dengan delapan ekson yang seluruhnya $1.5\,\mathrm{kb}$ : sembilan belas per dua puluh sebuah gen yang lazim adalah intron. Gen bakteri tidak berintron.

Sebuah gen eukariot: sebuah promotor, ekson (disimpan) yang berselang-seling dengan intron (disingkirkan sesudah transkripsinya). Digambar pada skala yang dimampatkan — dalam gen yang nyata intronnya akan dua puluh kali lebih panjang daripada eksonnya.

Proposisi 17.8 (Cacah isi genom manusia)

Dari $3.2\,\mathrm{Gb}$ -nya: sekitar $1.5\,\%$ menyandi protein; $25\,\%$ berupa intron; $45\,\%$ adalah sisa unsur yang dapat berpindah — yaitu urutan yang menyalin dirinya ke tempat baru, sebagian besarnya sudah lama mati (unsur Alu saja, $300\,\mathrm{bp}$ , hadir dalam sejuta salinan, sepersepuluh genomnya); $8\,\%$ berupa ulangan pendek yang berderet (DNA satelit, pada sentromer dan telomernya); selebihnya adalah urutan bukan penyandi yang khas yang mencakup promotor, penguat dan gen RNA yang mengendalikan pengungkapannya. Banyak gen termasuk dalam keluarga yang muncul lewat penggandaan (globin, reseptor penciuman — seribu jumlahnya), dan genomnya memegang ribuan pseudogen, yaitu salinan mati yang tak lagi bekerja. Sebuah genom bukanlah sebuah rancangan melainkan sebuah catatan.

Genom manusia terbuat dari apa. Ekson yang menyandi protein hanya sekeping tipis; separuh genomnya adalah puing unsur yang dahulu menyalin dirinya sendiri.

Contoh 17.9 (Membaca ukuran sebuah genom)

Sebuah genom $4.6\,\mathrm{Mb}$ tanpa intron dan sedikit ulangan memegang $4300$ gen; sebuah genom $3200\,\mathrm{Mb}$ dengan intron panjang dan separuh panjangnya berupa ulangan memegang $20\,000$ ; sebuah genom $130\,000\,\mathrm{Mb}$ memegang dua puluh ribu yang sama. Ukurannya mengukur seberapa banyak yang telah menumpuk dalam DNA bukan penyandi sebuah garis keturunan, dan seberapa mangkus penyingkirannya, bukan seberapa banyak yang dikerjakan organismenya.

17.4 Genom organel dan virus

Definisi 17.10 (Genom organel)

Mitokondria dan kloroplas menyimpan sisa kromosom leluhur bakterinya (Bab 6): sebuah lingkaran kecil — $16.6\,\mathrm{kb}$ dan 37 gen dalam mitokondria manusia, $120\text{ to }160\,\mathrm{kb}$ dan sekitar 100 gen dalam kloroplas — dalam banyak salinan tiap organelnya, yang menyandi sebagian proteinnya sendiri dan RNA ribosomnya. Selebihnya proteinnya datang dari gen intinya. Pada sebagian besar hewan genom mitokondrianya diwarisi hanya dari ibunya, bersama sitoplasma sel telurnya.

Definisi 17.11 (Virus)

Yang disebut virus adalah sebuah genom dalam sebuah cangkang protein, yaitu kapsid — kadang terbungkus sebuah membran, yaitu selubung, yang diambil dari sebuah sel inang — yang berbiak hanya di dalam sebuah sel, dengan memakai ribosom, energi dan prazat sel itu. Genomnya dapat berupa DNA atau RNA, berutas ganda atau tunggal, lurus atau melingkar, satu molekul atau beberapa: dari $5\,\mathrm{kb}$ (beberapa gen) sampai $1.2\,\mathrm{Mb}$ (seribu gen, pada virus raksasa). Di luar sebuah sel sebuah virus tidak berbuat apa-apa: ia bukan sel, tidak bermetabolisme, dan hidup hanya dalam arti bahwa ia membawa informasi dan berevolusi. Bakteriofag adalah virus bakteri.

Bakteriofag yang melekat pada sebuah bakteri: kepala bersegi banyak yang memegang DNA-nya, ekor yang akan menjadi jalan penyuntikannya. Satu sel akan melepas seratus fag baru dalam setengah jam.

Proposisi 17.12 (Kedua daur fag $\lambda$ )

Fag $\lambda$ menyuntikkan $48.5\,\mathrm{kb}$ DNA-nya (Bab 11) ke dalam E. coli, tempat DNA itu melingkar. Dua nasib lalu mengikuti. Dalam daur litik gen fagnya ditranskripsikan polimerase inangnya, DNA-nya direplikasi seratus kali, protein kapsidnya dibuat lalu dirakit, DNA-nya dikemas ke dalamnya, dan sebuah enzim melarutkan dindingnya: selnya pecah, sehingga melepas seratus fag, empat puluh menit sesudah infeksinya. Dalam daur lisogenik DNA fagnya disisipkan ke dalam kromosom inangnya lalu dibungkam sebuah penekan buatannya sendiri: profag itu disalin bersama kromosomnya selama beberapa generasi, tak terlihat, sampai kerusakan DNA inangnya mengangkat penekanannya dan daur litiknya berlanjut. Pilihannya adalah sebuah sakelar molekul, salah satu yang pertama dipahami (Bab 20).

Fag : daur litik (merah) atau lisogenik (hijau), dan induksi yang mengubah yang kedua menjadi yang pertama. — Fag $\lambda$ : daur litik (merah) atau lisogenik (hijau), dan induksi yang mengubah yang kedua menjadi yang pertama.

Contoh 17.13 (Virus bergenom RNA)

Influenza membawa delapan ruas RNA berutas tunggal beserta polimerasenya sendiri untuk menyalinnya, sebab sel tidak memiliki enzim yang menyalin RNA; polimerasenya membuat satu kekeliruan tiap $10\,000$ basa dan virusnya berubah tiap musim. Sebuah retrovirus (HIV) membawa RNA dan sebuah transkriptase balik yang menyalinnya menjadi DNA, yang disisipkan ke dalam kromosom inangnya seperti sebuah profag — sebuah infeksi yang menetap. Mekanismenya, dan tanggapan kekebalan terhadapnya, menjadi bagian jilid Tahun ke-3; di sini keduanya menandai rentang apa yang dapat menjadi sebuah genom.

17.5 Latihan

Latihan 17.1 ★

Bandingkan genom bakteri dan genom eukariot: banyak dan bentuk kromosomnya, letaknya, protein yang menatanya, dan kerapatan gennya.

Solusi

Solusi Latihan 17.1.

Bakteri: satu kromosom melingkar (ditambah plasmid) dalam sebuah nukleoid tanpa membran, yang dimampatkan pilinan lebih dan protein basa yang kecil, sekitar $90\,\%$ menyandi. Eukariot: beberapa kromosom lurus dalam sebuah inti, yang digulung pada histon menjadi kromatin, beberapa persen menyandi.

Latihan 17.2 ★

Perikan sebuah nukleosom dan berikan faktor pemampatan tiap tingkat pelipatan kromatinnya.

Solusi

Solusi Latihan 17.2.

147 pasangan basa yang digulung 1.7 kali mengelilingi sebuah oktamer histon (masing-masing dua H2A, H2B, H3, H4), yang disegel H1, satu tiap 200 pasangan. Manik pada seutas tali $\times 6$ ; serat $30\,\mathrm{nm}$ $\times 40$ ; gelung $\times 1000$ ; kromosom metafase $\times 10\,000$ .

Latihan 17.3 ★

Dari gambar cacah isinya, berapa fraksi genom manusia yang menyandi protein, dan apa golongan terbesarnya?

Solusi

Solusi Latihan 17.3.

$1.5\,\%$ ; unsur yang dapat berpindah beserta sisanya, $45\,\%$ .

Latihan 17.4 ★

Apa itu virus, dan dalam arti apa ia tidak hidup?

Solusi

Solusi Latihan 17.4.

Sebuah genom (DNA atau RNA) dalam sebuah kapsid protein, kadang berselubung, yang berbiak hanya di dalam sebuah sel dengan mesin sel itu. Di luar sebuah sel ia tak bermetabolisme, tak tumbuh, tak menanggapi — sebuah partikel yang lembam; ia “hidup” hanya dalam hal membawa informasi yang diwariskan dan berevolusi.

Latihan 17.5 ★★

Hitunglah panjang kromosom E. coli dan banyaknya putaran seukuran nukleosom yang akan dibutuhkannya seandainya ia eukariot; jelaskan bagaimana bakterinya memampatkannya sebagai gantinya.

Solusi

Solusi Latihan 17.5.

$4.6 \times 10^{6}\times 0.34 = 1.56\,\mathrm{mm}$ ; $4.6 \times 10^{6}/200 = 23\,000$ nukleosom. Sebagai gantinya: pilinan lebih negatif oleh girase dan pelipatan menjadi sekitar lima puluh gelung pada sebuah teras protein, dengan protein basa yang kecil menekuk DNA-nya — seribu kali, menjadi sebuah nukleoid selebar satu mikrometer.

Latihan 17.6 ★★

Sebuah gen manusia $27\,\mathrm{kb}$ memiliki $1.5\,\mathrm{kb}$ ekson dalam delapan keping. Hitunglah panjang rata-rata ekson dan intronnya serta fraksi transkrip primernya yang dibuang.

Solusi

Solusi Latihan 17.6.

Ekson $1500/8 = 190\,\mathrm{bp}$ ; intron $25\,500/7 = 3640\,\mathrm{bp}$ ; $25.5/27 = 94\,\%$ transkripnya dibuang.

Latihan 17.7 ★★

Dengan memakai tabelnya, hitunglah gen tiap megabasa bagi E. coli, khamir, lalat buah, manusia dan ikan paru. Beri tanggapan atas kecenderungannya.

Solusi

Solusi Latihan 17.7.

E. coli 930 gen tiap Mb; khamir 500; lalat 100; manusia 6; ikan paru 0.15. Kerapatan gennya turun empat orde besar sementara cacah gennya naik lima kali: DNA tambahannya bukan gen.

Latihan 17.8 ★★

Unsur Alu berpanjang $300\,\mathrm{bp}$ dan hadir dalam sejuta salinan. Berapa fraksi genom yang berupa Alu? Bila tiap salinannya muncul lewat retrotransposisi (sebuah RNA yang disalin balik menjadi DNA lalu disisipkan), berapa banyak penyisipan tiap generasi yang akan menghasilkan sejuta salinan dalam $60$ juta tahun pada 20 tahun tiap generasi?

Solusi

Solusi Latihan 17.8.

$10^6\times 300 = 3 \times 10^{8}\,\mathrm{bp}$ : $9\,\%$ genomnya. $60\times 10^6/20 = 3 \times 10^{6}$ generasi: satu penyisipan baru tiap tiga generasi, rata-rata, di suatu tempat pada garis keturunannya.

Latihan 17.9 ★★

Jelaskan mengapa genom mitokondria diwarisi dari pihak ibu, dan apa siratannya bagi penelusuran nenek moyang.

Solusi

Solusi Latihan 17.9.

Sel telurnya menyumbangkan sitoplasmanya beserta mitokondrianya; mitokondria sperma yang sedikit itu dikucilkan atau dimusnahkan sesudah pembuahannya. Karena itu DNA mitokondrianya beralih tanpa tercampur dari ibu ke anak, dan mutasi yang menumpuk padanya menelusuri garis keturunan pihak ibu mundur menembus waktu.

Latihan 17.10 ★★★

Fag $\lambda$ dalam keadaan lisogenik disalin sekali tiap generasi inangnya; dalam keadaan litik ia membuat seratus salinan dalam $40\,\mathrm{min}$ . Dalam sebuah biakan yang cukup makanan yang berlipat dua tiap $20\,\mathrm{min}$ , bandingkan kedua siasatnya sepanjang dua jam; dalam sebuah biakan yang kelaparan yang tidak membelah, bandingkan lagi. Mengapa sakelarnya menanggapi keadaan inangnya?

Solusi

Solusi Latihan 17.10.

Biakan yang cukup makanan, dua jam: lisogeni memberikan $2^6 = 64$ salinan (satu tiap pembelahan inangnya); lisis memberikan 100 fag dalam $40\,\mathrm{min}$ , dan keturunannya $100^3 = 10^6$ dalam dua jam bila inangnya berlimpah — lisis menang jauh. Biakan yang kelaparan: lisogeni memberikan satu salinan, yang aman di dalam sebuah sel yang hidup; lisis memberikan 100 fag tanpa sel yang dapat diinfeksinya, yang lalu meluruh. Sakelarnya membaca keadaan inangnya karena siasat terbaik bergantung pada tersedia atau tidaknya inang baru.

Latihan 17.11 ★★★

Sebuah sel ikan paru membawa $130\,\mathrm{Gb}$ : hitunglah panjang DNA-nya, banyaknya nukleosom dan massa histon tiap selnya, serta waktu mereplikasinya pada laju garpu manusia ( $50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ tiap garpu) dengan satu titik awal tiap $100\,\mathrm{kb}$ . Apa yang dituntut sebuah genom besar dari sebuah sel?

Solusi

Solusi Latihan 17.11.

$1.3 \times 10^{11}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 44\,\mathrm{m}$ (haploid); $6.5 \times 10^{8}$ nukleosom; histonnya $6.5 \times 10^{8}\times 108\,000\times 1.66\times 10^{-24} = 117\,\mathrm{pg}$ . Titik awalnya: $1.3 \times 10^{6}$ , yang masing-masing mereplikasi $50\,\mathrm{kb}$ pada tiap sisinya pada $50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ : $1000\,\mathrm{s}$ — waktunya bukan masalah, asalkan titik awalnya cukup banyak; biayanya adalah nukleotidanya ( $130\,\mathrm{pg}$ DNA tiap pembelahan), histonnya, waktu membuatnya, serta sebuah inti dan sel yang berkali-kali lebih besar, dan itulah sebabnya sel semacam itu membelah dengan lambat.

Latihan 17.12 ★★★

“Genom adalah sebuah catatan, bukan sebuah rancangan.” Bahaslah dalam satu paragraf dengan pseudogen, unsur yang dapat berpindah, keluarga gen dan paradoks nilai C.

Solusi

Solusi Latihan 17.12.

Sebuah rancangan akan memuat apa yang dibutuhkan dan tidak lebih; sebuah catatan memuat apa yang terjadi. Pseudogen adalah bangkai gen yang tergandakan yang mati oleh mutasi; unsur yang dapat berpindah adalah parasit yang menyalin dirinya sendiri selama berpuluh juta tahun dan tak pernah disingkirkan; keluarga gen memperlihatkan penggandaan yang diikuti perbedaan; dan paradoks nilai C memperlihatkan bahwa banyaknya DNA mencerminkan riwayat penumpukan dan kehilangan sebuah garis keturunan alih-alih kebutuhannya. Seleksi menjaga gennya tetap bekerja lalu membiarkan selebihnya melayang: apa yang kita baca dalam sebuah genom sebagian besarnya adalah sejarah.

17.6 Soal: Dua Meter dalam Enam Mikrometer

Soal 17.1

Soal akhir pekan — sebuah inti manusia yang diukur dari heliksnya sampai kromosomnya: panjang, volume, nukleosom, histon dan nisbah pengemasannya pada tiap tingkat, berakhir pada pemampatan total metafasenya

Sebuah inti diploid manusia adalah bola bergaris tengah $6\,\text{µ}\mathrm{m}$ yang memegang $6.4 \times 10^{9}$ pasangan basa pada 46 kromosom; kromosom terbesarnya membawa $250\,\mathrm{Mb}$ , terkecilnya $50\,$ . Ambil $0.34\,\mathrm{nm}$ tiap pasangan, $2\,\mathrm{nm}$ bagi garis tengah heliksnya, $650\,\mathrm{Da}$ tiap pasangan, $200$ pasangan tiap nukleosom, sebuah oktamer histon $108\,\mathrm{kDa}$ , dan $1.66 \times 10^{-24}\,\mathrm{g}$ tiap dalton.

Bagian I — Panjang dan volume.

Hitunglah total panjang DNA dalam intinya.
Hitunglah banyaknya putaran heliks ganda yang dikandungnya.
Hitunglah panjang DNA kromosom terbesar dan terkecilnya.
Hitunglah volume intinya.
Hitunglah volume DNA-nya sebagai sebuah tabung, dan fraksi intinya yang ditempatinya.
Hitunglah massa DNA dalam intinya dalam pikogram.
Intinya memuat sekitar $25\,\mathrm{pg}$ protein. Berapa fraksi massa intinya yang berupa DNA, bila airnya $80\,\%$ inti itu (massa jenis $1.1\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$ )?

Bagian II — Nukleosom.

Hitunglah banyaknya nukleosom dalam intinya.
Hitunglah massa histonnya lalu bandingkan dengan massa DNA-nya.
$200\,$ pasangan satu nukleosom menjangkau $68\,\mathrm{nm}$ heliks tetapi menempati sebuah manik sepanjang $11\,\mathrm{nm}$ . Hitunglah faktor pemampatan “manik pada seutas tali”-nya.
Serat $30\,\mathrm{nm}$ memegang enam nukleosom tiap $11\,\mathrm{nm}$ panjangnya. Hitunglah faktor pemampatannya terhadap DNA telanjang.
Hitunglah panjang serat $30\,\mathrm{nm}$ bagi seluruh genomnya, lalu bandingkan dengan garis tengah intinya.
Tiap nukleosom harus dibongkar lalu dirakit kembali ketika DNA-nya direplikasi atau ditranskripsikan. Berapa banyak nukleosom yang dirakit kembali dalam fase S ( $8\,\mathrm{h}$ )? Tiap sekon?

Bagian III — Gelung dan kromosom.

Gelung berisi $75\,\mathrm{kb}$ serat $30\,\mathrm{nm}$ menggantung dari sebuah perancah. Hitunglah panjang serat dalam satu gelung dan banyaknya gelung dalam genomnya.
Sebuah kromatid metafase kromosom terbesarnya sepanjang $10\,\text{µ}\mathrm{m}$ . Hitunglah faktor pemampatan dari DNA telanjang sampai kromosom metafasenya.
Hitunglah volume kromatid itu sebagai sebuah tabung bergaris tengah $0.7\,\text{µ}\mathrm{m}$ , dan fraksinya yang berupa DNA.
Ke-46 kromosom pada metafase, yang masing-masing sebuah batang berkerapatan sama: hitunglah total volumenya lalu bandingkan dengan inti interfasenya.
Jelaskan mengapa kromatin interfase tidak dapat dikemas serapat kromatin metafase.

Bagian IV — Menemukan sebuah gen.

Sebuah protein harus menemukan satu sisi $20\,\mathrm{bp}$ dalam genomnya. Bila ia menguji satu sisi acak tiap milisekon, berapa lama pencariannya? Apa yang dikatakan hal ini tentang bagaimana sisinya ditemukan?
$20\,000\,$ gen genomnya rata-rata $27\,\mathrm{kb}$ . Berapa fraksi genomnya yang berada di dalam gen? Berapa fraksinya yang menyandi, pada $1.5\,\mathrm{kb}$ ekson tiap gen?
Tiap kromosom menempati wilayahnya sendiri dalam intinya. Hitunglah volume wilayah kromosom terbesarnya bila wilayahnya sebanding dengan kandungan DNA-nya, dan kepekatan DNA di dalamnya dalam pasangan basa tiap mikrometer kubik.
Sebuah inti ikan paru dengan kerapatan DNA yang sama akan bervolume berapa bagi $260\,\mathrm{Gb}$ (diploid)? Bergaris tengah berapa?
Hitunglah banyaknya oktamer histon yang harus dibuat sebuah sel dalam fase S dan asam amino yang dikandungnya ( $1000\,$ residu tiap oktamer). Bandingkan dengan $3 \times 10^{9}\,$ residu protein yang dibuat sebuah sel dalam sehari.
Jelaskan dalam dua kalimat mengapa bakteri dapat tanpa nukleosom dan eukariot tidak.
Nyatakan hasilnya: faktor pemampatan total dari heliksnya sampai kromosom metafasenya, dan faktor pada tiap tingkatnya.

Solusi

Solusi Soal 17.1.

1. $6.4 \times 10^{9}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 2.18\,\mathrm{m}$ . 2. $6.4 \times 10^{9}/10 = 6.4 \times 10^{8}$ putaran. 3. $2.5 \times 10^{8}\times 0.34 = 8.5\,\mathrm{cm}$ ; $1.7\,\mathrm{cm}$ . 4. $\frac{4}{3}\pi\times 3^3 = 113\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ . 5. $\pi\times(1\,\mathrm{nm})^2\times 2.18\,\mathrm{m} = 6.8 \times 10^{-18}\,\mathrm{m}^{3} = 6.8\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ : $6\,\%$ intinya. 6. $6.4 \times 10^{9}\times 650\times 1.66\times 10^{-24} = 6.9 \times 10^{-12}\,\mathrm{g} = 6.9\,\mathrm{pg}$ . 7. Massa intinya $113\times 10^{-12}\,\mathrm{mL}\times 1.1 = 124\,\mathrm{pg}$ ; DNA $5.6\,\%$ darinya, protein $20\,\%$ . 8. $6.4 \times 10^{9}/200 = 3.2 \times 10^{7}$ . 9. $3.2 \times 10^{7}\times 108\,000\times 1.66\times 10^{-24} = 5.7\,\mathrm{pg}$ : kira-kira sama dengan DNA-nya. 10. $68/11 = 6.2$ . 11. Enam nukleosom, $1200\,\mathrm{bp}$ $= 408\,\mathrm{nm}$ heliks, dalam $11\,\mathrm{nm}$ : faktor $37$ . 12. $2.18/37 = 5.9\,\mathrm{cm}$ serat — sepuluh ribu kali garis tengah intinya, terlipat di dalamnya. 13. Semuanya $3.2 \times 10^{7}$ , ditambah sebanyak itu pula yang baru pada salinan keduanya: $6.4 \times 10^{7}$ dalam $28\,800\,\mathrm{s}$ , sekitar $2200$ tiap sekon. 14. $75\,000\times 0.34/37 = 690\,\mathrm{nm}$ serat tiap gelung; $6.4 \times 10^{9}/75\,000 = 85\,000$ gelung. 15. $8.5\,\mathrm{cm}/10\,\text{µ}\mathrm{m} = 8500$ . 16. $\pi\times 0.35^2\times 10 = 3.85\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ ; DNA $\pi\times 10^{-6}\times 0.085\,\mathrm{m} = 0.27\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ : $7\,\%$ — selebihnya adalah histon serta protein perancah dan air. 17. Total DNA $6.4 \times 10^{9}$ pasangan pada kerapatan yang sama ( $2.5 \times 10^{8}$ pasangan dalam $3.85\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ , tiap kromatid; dua kromatid tiap kromosom): $2\times 6.4\times 10^9/2.5\times 10^8\times 3.85 = 197\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ , lebih besar daripada inti interfasenya karena kromosomnya kini berupa batang dengan ruang di antaranya. 18. Kromatin interfase harus dibaca dan disalin: polimerase beserta faktornya memerlukan jalan masuk ke DNA-nya, sehingga sebagian besarnya tinggal sebagai serat $30\,\mathrm{nm}$ yang terbuka dan gelung; kromatin metafase bersifat lembam dan dapat dikemas untuk diangkut. 19. $6.4 \times 10^{9}$ sisi pada $10^3$ tiap sekon: $6.4 \times 10^{6}$ sekon, yakni 74 hari. Protein tidak mencari secara acak: ia mengikat DNA-nya secara tak khas lalu meluncur sepanjangnya, dan banyak salinan mencari serentak, sehingga sebuah sisi ditemukan dalam beberapa sekon. 20. $20\,000\times 27\,\mathrm{kb} = 540\,\mathrm{Mb}$ , $17\,\%$ dari $3.2\,\mathrm{Gb}$ ; yang menyandi $20\,000\times 1.5 = 30\,\mathrm{Mb}$ , $0.9\,\%$ (sekitar 1.5% bila gen yang lebih pendek dihitung lebih saksama). 21. $113\times 2\times 250/6400 = 8.8\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ (dua salinan); $5 \times 10^{8}/8.8 = 5.7 \times 10^{7}\,\mathrm{bp}/\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ , sama dengan seluruh intinya. 22. $2.6 \times 10^{11}/5.7 \times 10^{7} = 4600\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ : garis tengah $21\,\text{µ}\mathrm{m}$ , empat puluh kali volume inti manusia. 23. $3.2 \times 10^{7}$ oktamer, $3.2 \times 10^{10}$ residu — sepersepuluh sintesis protein harian selnya, yang dibelanjakan bagi pengemasannya. 24. Kromosom sebuah bakteri seribu kali lebih pendek dan pilinan lebih dalam gelung sudah cukup untuk memuatkannya ke dalam satu mikrometer; sebuah eukariot harus melipat panjang sepuluh ribu kali intinya dan memerlukan hierarki pengemasan, yang nukleosomnya adalah tingkat pertamanya. 25. Sekitar $8500$ ( $8.5\,\mathrm{cm}$ menjadi $10\,\text{µ}\mathrm{m}$ ), yang dibangun sebagai $\times 6$ (nukleosom), $\times 6$ lagi (serat $30\,\mathrm{nm}$ , $\times 37$ seluruhnya), $\times 27$ lagi (gelung, $\times 1000$ seluruhnya), dan $\times 8$ lagi (pemadatan metafase).

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 479 istilah di glosarium