pengemasan DNA pada sel kromosom

A.    Kromosom

Gen yang menentukan sifat suatu makhluk hidup dibawa oleh struktur pembawa gen yang mirip benang dan terdapat di dalam inti sel (nukleus). Kromosom hanya dapat diamati dengan mikroskop pada saat sel sedang membelah secara mitosis atau meiosis. Di dalam inti terdapat benang-benang halus yang dapat menyerap warna yang disebut kromatin (chroma = berwarna, tin = benang). Pada tahap profase (fase awal ketika sel akan membelah diri), benang-benang kromatin memendek, menebal, dan disebut kromosom (chroma = berwarna, soma = badan). Pada keadaan demikian, kromosom lebih mudah menyerap zat warna, misalnya sudan III, hematoksilin, methylen blue, dan kalium iodida.

Kromosom tersusun atas molekul DNA yang membawa keterangan genetik, oleh karena itu kromosom mempunyai arti penting dalam genetika. Nama kromosom diberikan oleh Waldeyer pada tahun 1888, sedang Morgan dalam tahun 1933 menemukan fungsi kromosom dalam pemindahan materi-materi genetik. DNA merupakan persenyawaan kimia pembawa materi genetik. Di dalam kromosom terdapat 35% DNA dari keseluruhan kromosom. DNA merupakan molekul hidup dan dapat mengadakan replikasi (menggandakan diri). Karena mengandung molekul DNA, kromosom pun dapat menggandakan diri. Selain itu, DNA merupakan tempat penyimpanan informasi genetika yang akan diwariskan kepada keturunannya. Kromosom dikatakan sebagai benang pembawa sifat, karena sifat-sifat makhluk hidup pada dasarnya tersimpan di dalam DNA yang terdapat di dalam kromosom.

B.     Proses Pengemasan DNA

Proses pengemasan DNA dan protein terjadi pada tahap profase. Proses yang terjadi adalah sebagai berikut (Anonim, 2010):

1.     Untai DNA dipintal dalam suatu protein histon. Protein histon ini mengikat DNA menjadi suatu unit yang disebut nukleosom.

2.     Nukleosom satu dengan lainnya bergabung membentuk benang yang lebih padat dan terpintal menjadi lipatan lipatan yang disebut dengan solenoid.

3.     Solenoid satu dengan yang lainnya bergabung dan lebih padat lagi membentuk benang yang disebut kromatin.

4.     Benang benang  halus kromatin memadat membentuk lengan kromatid. Lengan kromatid berpasangan membentuk kromosom.

C.    Pengemasan DNA kromosom pada sel prokaryotik

Histon H1 letaknya  di bagian tepi nukleosom adanya molekul H1  berukuran lebih besar 20 pb disebut dengankromatosom. DNA nuklir dihubungkan dengan DNA-BINDING protein atau yang disebut histones. Beberapa nuclease perlindungan chromatin (DNA-HISTONE kompleks) mempertahankan struktur chromatin. Brown nuclease merupakan perlindungan mengadakan percobaan yang kompleks yang diperlakukan dengan suatu enzim untuk memotong DNA dan memposisikannya pada pasangannya. Ukuran DNA fragmen menandai adanya posisi dari protein yang kompleks.

Pengemasan terjadi dengan cara pelilitan DNA di sekeliling  sumbu nukleosom, Sumbu nukleosom tersusun atas empat macam histon sumbu: H2A, H2B, H3, dan H4. Keempat macam histon ini berada dalam bentuk oktamer (pada dua molekul) Protein histon sumbu bersifat basa/ bermuatan positif  (banyak  arginin & lisin).

Setiap untai DNA sepanjang 146 pb mengelilingi satu sumbu nukleosom, sedangkan bagian-bagian DNA lainnya menjadi penghubung (linker)   antara satu sumbu nukleosom dan sumbu nukleosom berikutnya. Pelilitan DNA di sekeliling sumbu nukleosom berlangsung dengan arah ke kiri atau terjadi superkoiling negatif. Pelilitan terjadi demikian kuat karena DNA bermuatan negatif, sedangkan histon sumbu bermuatan positif.  Struktur ‘Beads-On-A-String’ yang ditunjukkan di atas menghadirkan suatu pembongkaran format dari chromatin yang terjadi hanya di nucleus. Terbentuknya rangkaian heliks nukleosom  terlihat sebagai serabut dengan diameter 30 nm yang dikenal sebagai serabut 30 nm. histon H1 berfungsi menstabilkan struktur serabut 30 nm.

D.    Pengemasan DNA kromosom pada sel eukaryotik

Berbeda dengan DNA prokariot yang berbentuk sirkuler tertutup, DNA eukariot merupakan molekul linier yang sangat panjang. Panjang DNA eukariot di dalam nukleus jauh melebihi ukuran nukleus itu sendiri. Oleh karenanya, agar dapat dikemas di dalam nukleus, DNA harus dimampatkan dengan suatu cara. Derajad pemampatan (kondensasi) DNA dinyatakan sebagai nisbah pengepakan (packing ratio)-nya, yaitu panjang molekul DNA dibagi dengan panjang pengepakannya. Sebagai contoh, kromosom manusia yang terpendek, yaitu kromosom nomor 21, berisi 4,6 x 10⁷ pb DNA (sekitar 10 kali ukuran genom E. coli). Ukuran DNA kromosom ini setara dengan panjang 14.000 μm jika DNA ditarik lurus. Pada kondisi yang paling mampat, yaitu selama mitosis, kromosom tersebut panjangnya hanya sekitar 2 μm. Angka ini memberikan nisbah pengepakan sebesar 7.000 (14.000/2).

Untuk mencapai nisbah pengepakan totalnya, DNA tidak langsung dikemas ke dalam struktur terakhirnya (kromatin). Pengemasan DNA dilakukan melalui sejumlah tingkatan organisasi kromosom. Tingkatan yang pertama diperoleh ketika DNA melilit-lilit di sekeliling sumbu protein sehingga menghasilkan struktur seperti manik-manik yang disebut nukleosom. Pada tingkatan ini terdapat nisbah pengepakan sebesar 6. Tingkatan yang kedua adalah pemutaran sejumlah nukleosom membentuk struktur heliks yang disebut serabut 30 nm. Struktur serabut 30 nm dijumpai baik pada kromatin interfase maupun pada kromosom mitosis. Dengan struktur ini nisbah pengepakan DNA meningkat menjadi sekitar 40. Pengemasan terakhir terjadi ketika serabut 30 nm tersusun dalam sejumlah kala, struktur tangga, dan domain, yang memberikan nisbah pengepakan tertinggi sebesar lebih kurang 1.000 pada kromatin interfase dan 10.000 pada kromosom mitosis.

Kromosom eukariot terdiri atas suatu kompleks DNA-protein yang tersusun sangat kompak sehingga memungkinkan DNA yang ukurannya begitu panjang tersimpan di dalam nukleus. Istilah bagi struktur dasar kromosom adalah kromatin, sedangkan satuan dasar kromatin adalah nukleosom. Dengan demikian, kromatin merupakan satuan analisis kromosom yang menggambarkan struktur umum kromosom.

E.     Struktur DNA

Struktur DNA terdiri atas dua utas  benang polinukleotida yang saling berpilin membentuk heliks ganda (double helix). Seutas polinukleotida pada molekul DNA tersusun atas rangkaian nukleotida. Setiap nukleotida tersusun atas (Rifai, Mien A. 1996) :

1.      Gugusan gula deoksiribosa

2.      Gugusan  fosfat yang terikat pada atom C nomor 5 dari gula

3.      Gugusan basa nitrogen yang terikat pada atom C nomor 1 dari gula.

Sesuai dengan namanya, DNA, Deoxyribose Nucleic Acid. Penyusun utama DNA adalah gula ribose yang kehilangan satu atom oksigen (deoksiribose). Perhatikan gambar di atas, pada deoksiribose, satu atom oksigen pada salah satu atom C ribose hilang. Tiap pita/rantai double helix terbuat dari unit-unit berulang yang disebut nukleotida. Satu nukleotida terdiri dari tiga gugus fungsi; satu gula ribose, triphosphate, dan satu basa nitrogen.

Ukuran molekul DNA bervariasi antara jasad yang satu dengan jasad yang lainnya. Pada jasad prokaryot variasinya tidak sebesar pada virus bakteriofag. Bahan genetik pada proaryotik dan virus pada umumnya berupa satu molekul tunggal DNA (kecuali virus tertentu yang bahan genetiknya  RNA). Sebaliknya, bahan genetik pada eukaryotik berupa beberapa molekul kromosom yang masing-masing berupa molekul DNA berukuran besar. Ukuran DNA pada jasad eukaryotik, terutama eukaryotik tingkat tinggi, belum diketahui secara pasti karena kompleksitasnya.