Gen dan Kromosom

Gen terdiri atas asam deoksiribonukleat (DNA). DNA mengandung kode, atau cetak biru, yang digunakan untuk menyintesis suatu protein atau suatu molekul asam ribonukleat (RNA). Ukuran gen bervariasi, bergantung pada ukuran protein atau RNA yang dikodekannya.

Struktur dari setiap molekul DNA berbentuk heliks ganda panjang yang menyerupai tangga spiral yang berisi jutaan anak tangga. Anak tangga tersebut terdiri atas pasangan-pasangan dari 4 jenis molekul yang disebut basa (nukleotida). Dalam setiap anak tangga, basa adenin (A) dipasangkan dengan basa timin (T), atau basa guanin (G) dipasangkan dengan basa sitosin (C). Setiap molekul DNA yang sangat panjang digulung di dalam salah satu kromosom.

Struktur DNA

DNA (asam deoksiribonukleat) adalah bahan genetik sel, yang terkandung dalam kromosom di dalam inti sel dan mitokondria. Kecuali untuk sel tertentu (misalnya, sel sperma dan sel telur), inti sel mengandung 23 pasang kromosom. Kromosom mengandung banyak gen. Suatu gen adalah suatu segmen DNA yang menyediakan kode untuk membangun suatu molekul protein atau RNA. Molekul DNA berbentuk heliks ganda panjang yang digulung yang menyerupai tangga spiral. Di dalamnya, 2 untai, terdiri atas gula (deoksiribosa) dan molekul fosfat, dihubungkan oleh pasangan dari 4 molekul yang disebut basa, yang membentuk anak-anak tangga. Pada anak tangga tersebut, adenin dipasangkan dengan timin dan guanin dipasangkan dengan sitosin. Setiap pasangan basa disatukan oleh ikatan hidrogen. Suatu gen terdiri dari suatu urutan basa. Urutan 3 kode basa untuk asam amino (asam amino adalah molekul unit penyusun protein) atau informasi lainnya.

Protein tersusun atas rantai panjang asam amino yang saling dihubungkan satu demi satu. Ada 20 asam amino berbeda yang dapat digunakan dalam sintesis protein—sebagian harus berasal dari makanan (asam amino esensial), dan sebagian dibuat oleh enzim dalam tubuh. Saat rantai asam amino disatukan, rantai itu melipat sendiri untuk menciptakan struktur 3 dimensi yang kompleks. Bentuk struktur terlipat itulah yang menentukan fungsinya dalam tubuh. Karena pelipatan tersebut ditentukan oleh urutan asam amino yang tepat, setiap urutan yang berbeda menghasilkan protein yang berbeda. Beberapa protein (seperti hemoglobin) mengandung beberapa rantai terlipat yang berbeda. Petunjuk untuk menyintesis protein dikodekan di dalam DNA.

Informasi disandikan dalam DNA berdasarkan urutan basanya (A, T, G, dan C). Kode ditulis dalam triplet. Artinya, basa disusun dalam kelompok-kelompok berisi 3 basa. Urutan 3 basa tertentu dalam DNA mengkodekan instruksi yang spesifik, seperti penambahan 1 asam amino ke dalam rantai. Misalnya, GCT (guanin, sitosin, timin) mengkodekan penambahan asam amino alanin, dan GTT (guanin, timin, timin) mengkodekan penambahan asam amino valin. Dengan demikian, urutan asam amino dalam protein ditentukan oleh urutan pasangan basa triplet dalam gen untuk protein tersebut pada molekul DNA. Proses mengubah informasi genetik berkode menjadi protein melibatkan proses transkripsi dan translasi.

Transkripsi adalah proses ketika informasi yang disandikan dalam DNA ditransfer (ditranskripsikan) ke asam ribonukleat (RNA). RNA adalah rantai panjang basa seperti untai DNA, kecuali bahwa basa urasil (U) menggantikan basa timin (T). Dengan demikian, RNA mengandung informasi berkode triplet seperti halnya DNA.

Ketika transkripsi dimulai, bagian dari heliks ganda DNA akan terbuka dan terurai. Salah satu untai DNA yang tidak digulung bertindak sebagai cetakan yang menjadi acuan pembentukan untai RNA komplementer. Untai RNA komplementer disebut RNA duta (mRNA). mRNA terpisah dari DNA, meninggalkan inti sel, dan bergerak ke dalam sitoplasma sel (bagian sel di luar nukleus). Di sana, mRNA melekat pada ribosom, yang merupakan struktur kecil dalam sel tempat terjadinya sintesis protein.

Dengan translasi, kode mRNA (dari DNA) memberi tahu ribosom urutan dan jenis asam amino untuk dihubungkan. Asam amino dibawa ke ribosom oleh tipe RNA yang jauh lebih kecil yang disebut RNA transfer (tRNA). Setiap molekul tRNA membawa satu asam amino untuk dimasukkan ke dalam rantai protein yang berkembang, yang dilipat ke dalam struktur 3 dimensi yang kompleks di bawah pengaruh molekul terdekat yang disebut molekul kaperon.

Ada banyak jenis sel dalam tubuh seseorang, seperti sel jantung, sel hati, dan sel otot. Sel-sel ini memiliki tampilan dan cara kerja yang berbeda dan menghasilkan zat kimia yang sangat berbeda. Akan tetapi, setiap sel adalah keturunan dari satu sel telur yang dibuahi dan dengan demikian mengandung DNA yang pada dasarnya sama. Sel memperoleh tampilan dan fungsi yang sangat berbeda karena gen yang berbeda diekspresikan dalam sel yang berbeda (dan pada waktu yang berbeda dalam sel yang sama). Informasi tentang kapan suatu gen harus diekspresikan juga dikodekan dalam DNA. Ekspresi gen bergantung pada jenis jaringan, usia seseorang, adanya sinyal kimia tertentu, dan berbagai faktor dan mekanisme lainnya. Pengetahuan tentang faktor-faktor dan mekanisme lain yang mengontrol ekspresi gen ini berkembang dengan cepat, tetapi banyak dari faktor dan mekanisme ini masih kurang dipahami.

Mekanisme ketika gen saling mengontrol satu sama lain terbilang sangat rumit. Gen memiliki penanda kimia untuk menunjukkan tempat ketika transkripsi harus dimulai dan berakhir. Berbagai zat kimia (seperti histon) di dalam dan di sekitar DNA menghambat atau mengizinkan transkripsi. Selain itu, satu untai RNA yang disebut RNA antisense dapat berpasangan dengan suatu untai komplementer mRNA dan menghambat translasi.

Sel bereproduksi dengan membelah diri menjadi 2. Karena setiap sel baru membutuhkan satu set lengkap molekul DNA, maka molekul DNA dalam sel asli harus mereproduksi (mereplikasi) dirinya sendiri selama pembelahan sel. Replikasi terjadi dengan cara yang serupa dengan transkripsi, kecuali bahwa seluruh molekul DNA untai ganda terurai dan terpisah jadi 2. Setelah terpisah, basa pada setiap untai berikatan dengan basa komplementer (A dengan T, dan G dengan C) yang mengambang di dekatnya. Ketika proses ini selesai, terdapat 2 molekul DNA untai ganda yang identik.

Untuk mencegah kesalahan selama replikasi, sel memiliki fungsi “proofreading” untuk membantu memastikan bahwa basa dipasangkan dengan benar. Ada juga mekanisme kimia untuk memperbaiki DNA yang tidak disalin dengan benar. Akan tetapi, akibat miliaran pasangan basa yang terlibat dalam proses sintesis protein,, dan rumitnya proses ini, maka kesalahan bisa saja terjadi. Kesalahan tersebut dapat terjadi karena berbagai alasan (termasuk paparan radiasi, obat-obatan, atau virus) atau tanpa alasan yang jelas. Variasi kecil dalam DNA sangat umum terjadi dan dialami oleh kebanyakan orang. Sebagian besar variasi tidak mempengaruhi salinan gen berikutnya. Kesalahan yang diduplikasi dalam salinan berikutnya disebut mutasi.

Mutasi yang diturunkan adalah mutasi yang dapat diwariskan ke keturunan. Mutasi dapat diwariskan hanya jika memengaruhi sel-sel reproduksi (sel sperma atau sel telur). Mutasi yang tidak memengaruhi sel reproduksi dapat memengaruhi keturunan sel yang bermutasi (misalnya, menjadi kanker) tetapi tidak diwariskan ke anak biologis.

Mutasi dapat bersifat unik bagi individu atau keluarga, dan mutasi yang paling berbahaya jarang terjadi. Mutasi yang menjadi begitu umum sehingga memengaruhi lebih dari 1% populasi disebut polimorfisme (misalnya, darah manusia tipe A, B, AB, dan O). Sebagian besar polimorfisme memiliki sedikit atau tidak memiliki efek pada fenotipe (struktur dan fungsi aktual tubuh seseorang).

Mutasi dapat melibatkan segmen kecil atau besar pada DNA. Bergantung pada ukuran dan lokasinya, mutasi dapat tidak memiliki efek nyata atau dapat mengubah urutan asam amino dalam protein atau menurunkan jumlah protein yang dihasilkan. Jika protein tersebut memiliki urutan asam amino yang berbeda, maka bisa saja memiliki fungsi berbeda atau tidak berfungsi sama sekali. Protein yang tidak ada atau tidak berfungsi sering kali berbahaya atau berakibat fatal. Misalnya, dalam fenilketonuria, mutasi menyebabkan defisiensi atau tidak adanya enzim fenilalanin hidroksilase. Defisiensi ini memungkinkan asam amino fenilalanin (yang diserap dari makanan) terakumulasi dalam tubuh, yang pada akhirnya menyebabkan disabilitas intelektual yang parah.

Dalam kasus yang jarang terjadi, mutasi menyebabkan perubahan yang menguntungkan. Misalnya, dalam kasus gen sel bulan sabit, ketika seseorang mewarisi 2 salinan gen abnormal, orang tersebut akan mengalami penyakit sel bulan sabit. Namun, jika seseorang mewarisi hanya 1 salinan gen sel bulan sabit (disebut pembawa), maka orang tersebut jadi memiliki perlindungan terhadap malaria (infeksi darah). Meskipun perlindungan terhadap malaria dapat membantu pembawa bertahan hidup, penyakit sel bulan sabit (pada orang yang memiliki 2 salinan gen) menyebabkan gejala dan komplikasi yang dapat memperpendek rentang hidup.

Seleksi alam mengacu pada konsep bahwa mutasi yang mengganggu kelangsungan hidup di lingkungan tertentu cenderung tidak diteruskan ke keturunan (dan dengan demikian menjadi kurang umum dalam populasi), sedangkan mutasi yang meningkatkan kelangsungan hidup secara progresif menjadi lebih umum. Dengan demikian, mutasi menguntungkan, meskipun awalnya jarang terjadi, pada akhirnya menjadi umum. Perubahan lambat yang terjadi seiring waktu yang disebabkan oleh mutasi dan seleksi alam dalam populasi kawin silang secara kolektif disebut evolusi.

Kecuali untuk sel tertentu (misalnya sel sperma dan sel telur), inti sel setiap sel manusia normal mengandung 23 pasang kromosom, dengan total 46 kromosom. Biasanya, setiap pasangan terdiri dari 1 kromosom dari ibu dan 1 kromosom dari ayah.

Terdapat 22 pasang kromosom nonseks (autosom) dan 1 pasang kromosom seks. Kromosom nonseks berpasangan, untuk tujuan praktis, identik dalam hal ukuran, bentuk, dan posisi serta jumlah gen. Karena setiap anggota dari sepasang kromosom nonseks mengandung 1 dari masing-masing gen yang sesuai, dalam artian terdapat cadangan untuk gen pada kromosom tersebut.

Pasangan kedua puluh tiga adalah kromosom seks (X dan Y).

Sepasang kromosom seks menentukan apakah janin akan berjenis kelamin laki-laki atau perempuan. Laki-laki memiliki satu kromosom X dan satu kromosom Y. X pada laki-laki berasal dari ibunya dan Y berasal dari ayahnya. Perempuan memiliki dua kromosom X, satu dari ibu dan satu dari ayah. Dengan cara tertentu, kromosom seks memiliki fungsi berbeda dibandingkan kromosom nonseks.

Kromosom Y yang lebih kecil membawa gen yang menentukan jenis kelamin laki-laki serta beberapa gen lainnya. Kromosom X mengandung lebih banyak gen daripada kromosom Y, banyak di antaranya memiliki fungsi selain menentukan jenis kelamin dan tidak memiliki padanan pada kromosom Y. Pada laki-laki, karena tidak ada kromosom X kedua, maka gen ekstra pada kromosom X ini tidak dipasangkan dan hampir semuanya diekspresikan. Gen pada kromosom X disebut sebagai gen terpaut seks, atau terpaut X.

Biasanya, pada kromosom nonseks, gen pada kedua pasangan kromosom mampu diekspresikan sepenuhnya. Namun, pada wanita, sebagian besar gen pada salah satu dari dua kromosom X dimatikan melalui proses yang disebut inaktivasi X (kecuali dalam sel telur di ovarium). Inaktivasi X terjadi di awal kehidupan janin. Dalam beberapa sel, X dari ayah menjadi tidak aktif, dan dalam sel lain, X dari ibu menjadi tidak aktif. Dengan demikian, satu sel dapat mengekspresikan gen dari ibu orang tersebut dan sel lainnya mengekspresikan gen dari ayah orang tersebut. Karena inaktivasi X, tidak adanya satu kromosom X biasanya menyebabkan abnormalitas yang relatif kecil (seperti sindrom Turner). Dengan demikian, hilangnya kromosom X jauh lebih tidak berbahaya dibandingkan hilangnya kromosom nonseks (lihat Gambaran Umum Abnormalitas Kromosom Seks).

Kromosom X Inaktif

Gambar

Milik Drs. L. Carrell dan H. Williard, Fakultas Kedokteran Universitas Case Western Reserve.

Jika perempuan mengalami kelainan berupa adanya lebih dari dua kromosom X, maka kromosom tambahan tersebut cenderung tidak aktif. Dengan demikian, memiliki satu atau beberapa kromosom X tambahan menyebabkan abnormalitas perkembangan yang jauh lebih sedikit dibandingkan dengan memiliki satu atau beberapa kromosom nonseks tambahan. Misalnya, wanita dengan tiga kromosom X (sindrom tiga X) sering tidak menunjukkan abnormalitas fisik atau mental. Di sisi lain, pria yang memiliki lebih dari satu kromosom Y (lihat Sindrom XYY) dapat mengalami kelainan fisik dan mental.

Ada beberapa jenis abnormalitas kromosom. Seseorang dapat memiliki jumlah kromosom abnormal atau memiliki area abnormal pada satu atau beberapa kromosom. Kebanyakan dari abnormalitas tersebut dapat didiagnosis sebelum kelahiran (lihat Pengujian abnormalitas kromosom dan gen).

Jumlah kromosom nonseks yang tidak normal biasanya menyebabkan abnormalitas yang parah. Misalnya, menerima kromosom nonseks tambahan dapat berakibat fatal terhadap janin atau menyebabkan abnormalitas seperti sindrom Down, yang umumnya terjadi akibat seseorang yang memiliki 3 salinan kromosom 21. Tidak adanya kromosom nonseks berakibat fatal pada janin dan dapat menyebabkan keguguran.

Bisa terjadi adanya area besar pada kromosom yang tidak normal, biasanya karena seluruh bagian tertinggal (disebut delesi) atau ditempatkan secara keliru pada kromosom lain (disebut translokasi). Misalnya, leukemia mieloid kronis terkadang disebabkan oleh translokasi bagian kromosom 9 pada kromosom 22. Abnormalitas ini dapat diwariskan atau disebabkan oleh mutasi baru.

Mitokondria adalah struktur kecil di dalam sel yang menyintesis molekul yang digunakan untuk energi. Sebagian besar sel memiliki mitokondria (antara 80 hingga sekitar 2.000 per sel). Sel-sel yang lebih aktif secara metabolik (seperti sel-sel di jantung dan hati, yang menjalankan banyak fungsi yang berbeda dan membutuhkan banyak tenaga) memiliki lebih banyak mitokondria. Sel lain (misalnya sel darah merah) sama sekali tidak memiliki mitokondria.

Tidak seperti struktur lain di dalam sel, setiap mitokondria mengandung kromosom melingkarnya sendiri. Kromosom ini mengandung DNA (DNA mitokondria) yang mengandung 37 gen yang mengkodekan 13 protein, berbagai RNA, dan beberapa enzim. DNA mitokondria biasanya hanya berasal dari ibu orang tersebut karena, secara umum, ketika sel telur dibuahi, hanya mitokondria dari sel telur yang menjadi bagian dari embrio yang berkembang. Mitokondria dari sel sperma biasanya tidak menjadi bagian dari embrio yang berkembang.