makalah belajar dan pembelajaran

A.      Pengertian Paradigma Pembelajaran

Paradigma berasal dari kata Etimologis dan Terminologis yang artinya sebagai berikut:

Etimologis : model teori ilmu pengetahuan atau kerangka berpikir

Terminologis : pandangan mendasar para ilmuan tentang apa yang menjadi pokok persoalan yang semestinya dipelajari oleh suatu cabang ilmu pengetahuan.

Sehingga dapat disimpulkan bahwa paradigma adalah model atau kerangka berpikir beberapa komunitas ilmuan tentang gejala-gejala dengan pendekatan fragmentarisme yang cenderung terspesialisasi berdasarkan langkah-langkah ilmiah menurut bidangnya masing-masing.

Macam-Macam Paradigma Ilmu Pengetahuan

1. Paradigma Kualitatif

Proses penelitian berdasarkan metodologi yang menyelidiki fenomena sosial untuk menemukan teori dari lapangan secara deskriptif dengan menggunakan metode berpikir induktif

2. Paradigma Deduksi – Induksi

Paradigma deduksi (penelitian dengan pendekatan kuantitatif) :

a). analisis data

b). kesimpulan

  Paradigma induksi (penelitian dengan pendekatan kualitatif) :

a)    pengumpulan data

b)    observasi

c)    hipotesis

d)   kesimpulan

3. Paradigma Piramida

  Kerangka berpikir atau model penyelidikan ilmiah yang tahapannya menyerupai piramida, dibagi menjadi:

a. Piramida berlapis : semakin ke atas berarti tujuan semakin tercapai, yaitu ditemukannya teori baru

b. Piramida ganda : piramida yang dibuat berlandaskan piramida yang sudah ada

c. Piramida terbalik : piramida yang dibuat berdasarkan teori yang sudah ada

4. Paradigma Siklus Empiris

Kerangka berpikir atau model penyelidikan ilmiah berupa siklus. Tujuan : memudahkan pembentukan pola pikir bagi ilmuan atau peneliti untuk melakukan kegiatan ilmiah

5. Paradigma Rekonstruksi Teori

Model penyelidikan ilmiah yang berusaha merancang kembali teori atau metode yang telah ada dan digunakan dalam penelitian. Agar model rekonstruksi teori dapat diterapkan dengan baik, pemilihan dan penguasaan teori tertentu yang dianggap relevan dengan penelitian sangat menunjang keberhasilan teorinya.

Konstruktivisme yang dahulu hanya dipahami sebagai salah satu aliran pendidikan, kini mendasari filosofi pembelajaran berbasis kompetensi. Dinyatakan bahwa pengetahuan baru dapat “dipindahkan” dari seorang pengajar kepada pembelajar jika pengetahuan itu dikonstruksi sendiri oleh si pembelajar. Dalam proses mengonstruksi ada interaksi yang sangat intens dan diperlukan keaktivan pembelajar. Dengan demikian, pembelajaran akan berlangsung dalam konteks “makna”, yakni pembelajaran yang mampu membuat kesan mendalam bagi pembelajar, yang bermanfaat, dan benar-benar menghadirkan semangat untuk lebih baik lagi.

Dalam kelas KBK, tugas dosen adalah membantu mahasiswa mencapai tujuannya. Maksudnya, dosen lebih banyak berurusan dengan strategi dari pada memberi informasi. Tugas dosen mengelola sebagai sebuah tim yang bekerja bersama untuk menemukan sesuatu yang baru bagi anggota kelas (mahasiswa). Dengan menggunakan media peta konsep pengetahuan baru sangat mungkin dikonstruksi secara bersama-sama antara dosen dengan mahasiswa. Sedangkan berdasarkan KTSP, dosen melaksanakan pembelajaran berdasarkan Rencana Pelaksanaan Pembelajaran (RPP) yang dibuatnya, bukan berdasarkan buku paket. Dua hal ini menghendaki pembelajaran yang dilaksanakan diciptakan atas kreativitas dosen. Termasuk ke dalamnya, kreativitas menciptakan media pembelajaran.

Belajar konsep-konsep berarti berhubungan dengan kata-kata. Pada kondisi ini berarti yang aktif adalah belahan otak sebelah kiri. Akan tetapi, dengan hanya melibatkan otak kiri dalam belajar ibarat mencoba lari dengan sebelah kaki dengan tangan diikat ke pergelangan kaki. Agar tercapai hasil yang optimal dalam belajar berarti kedua belahan otak harus digunakan secara bersama-sama. Otak belahan kanan akan bekerja ketika memperhatikan warna, mengikuti irama lagu favorit atau menggunakan imajinasi. Kondisi ideal belajar ini akan dapat terwujud dengan menggunakan media peta konsep.

Paradigma baru pembelajaran tidak hanya menuntut dosen memikirkan apa yang hendak diajarkan kepada pembelajar, tetapi lebih penting dari itu dosen dituntut untuk memikirkan bagaimana cara mengajarkannya . Banyak pernyataan yang dikemukakan para praktisi dan pakar pembelajaran tentang hal ini. Eric Jensen, penulis Super Teaching dan penemu super camp, yakin bahwa dua unsur utama yang mempengaruhi proses belajar adalah keadaan dan strategi. Yang ketiga tentunya isi. “Keadaan” menciptakan suasana yang tepat untuk belajar. “Strategi” menunjukkan gaya atau metode presentasi. “Isi” adalah topiknya. Dalam setiap mata pelajaran yang baik, Anda akan mendapatkan ketiganya (Dryden & Vos, 2004). Strategi dalam unsur pembelajaran di atas mencakup metode penyampaian dan media yang digunakan. Hernowo mengatakan: “ Dosen, pada masa kini, sudah tidak lagi layak jika hanya duduk atau berdiri dan berkata-kata”. Ia menegaskan: “… kesadaran bahwa bagaimana mengajarkan adalah sama penting dengan apa yang akan diajarkan” (2004). Dengan demikian, adanya asumsi bahwa: … “asalkan suatu bidang ilmu telah dikuasai secara mantap, maka kemampuan mengajarkannya akan datang dengan sendirinya ( Suhardjono, 1994) tentu tidak lagi berlaku.

B.     Media pembelajaran

Media pembelajaran adalah alat bantu dan sekaligus sumber belajar ( Djamarah dan Zain, 2002 ). Apabila sumber belajar yang dipilih dan digunakan itu dipersiapkan dengan cermat maka ia dapat memenuhi tujuan pembelajaran tertentu. Kemp ( 1994), mengemukakan salah satu atau beberapa tujuan pembelajaran yang dapat dicapai itu, seperti:

a. Memberi dorongan kepada mahasiswa dengan menarik perhatian dan merangsang minat mereka terhadap pelajaran.

b. Melibatkan mahasiswa secara langsung dan bermakna dalam memperoleh pengalaman belajar.

c. Memberikan saham dalam membentuk sikap dan mengembangkan apresiasi mahasiswa.

d. Menjelaskan dan mengilustrasikan bahan ajar pengetahuan dan keterampilan kerja.

e. Memberikan kesempatan untuk melakukan swa-analisis dalam kinerja dan tingkah laku perseorangan.

Sejalan dengan itu, Admin (2000)  menambahkan: 1) memberikan pengetahuan untuk tujuan belajar, 2) merangsang diskusi, 3) mengarahkan kegiatan mahasiswa, 4) menguatkan belajar sebagai kegunaan media dalam pembelajaran. Seyogianya media pembelajaran yang digunakan dosen dapat mencapai tujuan-tujuan di atas, sebagaimana yang telah diinyaratkan pula dalam PP RI Nomor 19 tahun 2005, Standar Nasional Pendidikan pada standar proses yang menyatakan bahwa:

“Proses pembelajaran pada satuan pendidikan diselenggarakan secara interaktif, inspiratif, menyenangkan, menantang, memotivasi peserta didik untuk berpartisipasi aktif, serta memberikan ruang yang cukup bagi prakarsa,kreativitas, dan kemandirian sesuai dengan bakat, minat, dan perkembangan fisik serta psikologis peserta didik.

Pada dasarnya untuk mengembangkan penguasaan konsep yang baik hakikat belajar yang dialami mahasiswa hendaknya dalam konteks “mengonstruksi”. Dalam proses membangun atau mengonstruksi pengetahuan, akan muncul pelbagai pelibatan sang diri yang sedang belajar dengan pengetahuan yang sedang dipelajarinya. Pembangunan yang sukses adalah jika seorang mahasiswa mendapatkan makna ( Hernowo, 2004). Salah satu cara yang dapat mendorong mahasiswa untuk belajar secara “bermakna” adalah dengan penggunaan peta konsep sebagai media pembelajaran yang dapat menunjukkan konsep ilmu secara sistematis, yaitu dibentuk mulai dari inti permasalahan sampai pada bagian pendukung yang mempunyai hubungan satu sama lain, sehingga dapat membentuk pengetahuan dan mempermudah pemahaman suatu topik perkuliahan ( Pandley, 1994).

C.      Peta konsep

Sebagaimana diungkapkan DePorter, dkk. (2000)  bahwa metode mencatat yang baik harus membantu kita mengingat perkataan dan bacaan, meningkatkan pemahaman terhadap materi, membantu  mengorganisasi  materi, dan mem-berikan wawasan baru. Peta konsep (Concept Maps) memungkinkanterjadinya semua itu.   Peta konsep dikembangkan Tony Buzan pada tahun 1970-an merupakan teknik memetakan konsep  atau teknik mencatat informasi yang disesuaikan dengan  cara otak memproses informasi yang memfungsikan otak kanan dan otak kiri secara sinergis (bersamaan dan saling melengkapi) sehingga informasi lebih banyak dan lebih mudah diingat ( DePorter, dkk. 2000 dan DePorter dan Hernacki, 2002). Svantesson (2004) mengatakan teknik ini dapat digunakan untuk membuat ringkasan buku dan ringkasan kuliah serta ketika membutuhkan  struktur.

Pencatatan dengan peta konsep memungkinkan komponen Teori Elaborasi terlaksana secara optimal. Untuk melaksanakan elaborasi-elaborasi, dosen menambahkan cabang-cabang pada konsep yang hendak dielaborasi. Cara mencatat ini digunakan dosen pada saat presentasi untuk membuat catatan di white board sekaligus sebagai teknik pengaktif strategi kognitif mahasiswa, dan mahasiswa menggunakannya pula sebagai sistematika pelaporan tugas meringkas materi/ bahan ajar pada tugas terstruktur, serta sebagai teknik  mencatat materi presentasi di dalam kelas.         Metode mencatat peta konsep ini  sejalan dengan Teori Elaborasi. Keduanya  dijalankan secara terintegrasi dan di antaranya ada jalinan saling mendukung.

Pemilihan model elaboratif dan peta  konsep untuk perkuliahan perlu dipertimbangkan karena pada aplikasinya dapat terimplikasi berbagai aspek paradigma baru pendidikan. Dengan model ini, beberapa prinsip pembelajaran  yang diperlukan sebagai penunjang keberhasilan perkuliahan  dapat berjalan secara optimal, diantaranya 1) Peran dosen sebagai fasilitator terlaksana secara optimal, seperti melalui penyediaan bahan ajar secara lengkap, bantuan pembuatan laporan tugas dengan kerangka peta konsep; 2)  Mahasiswa mengikuti perkuliahan dengan kemampuan awal yang memadai, karena telah membaca bahan ajar yang diberikan seminggu sebelum perkuliahn dilangsungkan: 3) Pengonstruksian pengetahuan ilakukan oleh mahasiswa, 4)  mahasiswa membuat catatan dengan terlebih dahulu memahami bahan yang diringkas; 5) pembelajaran lebih terpusat pada mahasiswa ( student center learning ), karena mahasiswa membaca dan mempelajari sendiri materi, mengerjakan tugas, dan berperan  aktif dalam pembelajaran; 6)Penstrukturan materi kuliah yang tidak lagi mengikuti urutan pada buku teks, akan lebih menggiring pembelajaran pada pencapaian kompetensi yang akan dibina secara optimal.

Secara teoritis dan banyak data emperis telah membuktikan bahwa model elaborasi dan peta konsep dapat meningkatkan prestasi belajar, efisien dalam pemakaian waktu dan menarik bagi pembelajar atau mahasiswa. Kendatipun demikian, model ini tetap perlu dicobakan, misalnya melalui penelitian tindakan kelas. Tindakan ini akan dapat mengukuhkan model ini sebagai model yang sesuai untuk pembelajaran teori, bahkan untuk mata kuliah yang bertipe sama selain dapat melakukan tindakan penyempurnaan berdasarkan temuan-temuan di lapangan.

Petakonsep berbentuk suatu gambar keseluruhan dari suatu topik. Gagasan utama diletakkan di tengah-tengah halaman dan sering dilengkapi dengan lingkaran, persegi, atau bentuk lain.Dari gagasan utama, ditambahkan cabang-cabang untuk setiap point atau gagasan utama. Jumlahnya bervariasi tergantung dari jumlah gagasan atau segmen. Tiap-tiap cabang dikembangkan untuk detail dengan menuliskan kata kunci atau frase dan dapat pula berupa singkatan.Sedangkan simbol-simbol dan ilustrasi-ilustrasi dapat ditambahkan untuk menambatkan ingatan yang lebih baik. Ditambahkan pula bahwa peta konsep terbaik adalah peta konsep yang warna-warni dan menggunakan banyak gambar dan simbol; biasanya tampak seperti karya seni  ( DePorter, dkk. 2000, DePorter dan Hernacki, 2002, Svantersson, 2004).  Berikut ini adalah contoh peta konsep dengan topik Peta Pikiran.

D.      Pemakaian Peta Konsep dalam Pembelajaran

Penggunaan peta konsep sebagai media pendidikan pertama kali adalah dalam pengajaran sistematika dalam pelajaran Biologi di tahun 1977 ( Novak, 1977). Sejak itu, media peta konsep berkembang dan telah dipergunakan dalam pembelajaran sain ( Pandley, dkk.,1994). Adapun mengenai efektivitas peta konsep untuk mewujudkan pembelajaran yang berhasil di berbagai tingkat pendidikan di Indonesia sudah banyak dilaporkan. Dilaporkan oleh Aleks Mayumis bahwa penggunaan strategi peta konsep bagi siswa SLTP pada mata pelajaran matematika dapat meningkatkan hasil belajar ( September, 2003 ). Pengajaran dengan menggunakan media peta konsep efektif digunakan dalam mencapai ketuntasan hasil belajar matematika di sekolah  menengah.

 Penggunaan peta konsep dalam mata kuliah Strategi Belajar Mengajar Matematika sebagaimana dilaporkan dapat meningkatkan proses dan hasil belajar mahasiswa. Peningkatan proses terutama terjadi dari: a) penilaain yang lebih positif dari mahasiswa terhadap pembelajaran, b) terjadi perubahan kebiasaan menyalin, kemampuan bertanya, dan kegiatan diskusi. Peningkatan hasil belajar mahasiswa terutama pada: a) peningkatan nilai rata-rata, b) hasil belajar lebih homogen ( Mayumis,Juni 2003).

Media pembelajaran peta konsep telah dinyatakan cocok untuk berbagai bidang pengajaran ( DePoter,dkk.,2000). Ia pun cocok untuk materi berupa konsep, prosedur, dan prinsip. Ketiga jenis materi ini senantiasa mendukung pencapaian kompetensi sastra dalam pembelajaran. Misalnya, mahasiswa membutuhkan pemahaman terhadap konsep alur sebelum melakukan kegiatan apresiasi sastra menafsir alur sebuah cerita. Prosedur atau langkah-langkah persiapan membacakan puisi tentu sudah harus dikuasai mahasiswa sebelum mahasiswa melakukan apresiasi membacakan puisi. Demikian juga dengan prinsip pendekatan mimetik , sudah semestinya diketahui mahasiswa sebelum menghubungkan nilai-nilai budaya yang ada di dalam karya sastra dengan nilai-nilai budaya yang ada dalam realitas hidup sehari-hari. Materi pembelajaran sastra tersebut hampi semuanya abstrak. Oleh sebab itu, sangatlah dibutuhkan media untuk pencapaian pemahamannya.

Pada dasarnya untuk mengembangkan penguasaan konsep yang baik hakikat belajar yang dialami mahasiswa hendaknya dalam konteks “mengonstruksi”. Dalam proses membangun atau mengonstruksi pengetahuan, akan muncul pelbagai pelibatan sang diri yang sedang belajar dengan pengetahuan yang sedang dipelajarinya. Pembangunan yang sukses adalah jika seorang mahasiswa mendapatkan makna ( Hernowo, 2004). Salah satu cara yang dapat mendorong mahasiswa untuk belajar secara “bermakna” adalah dengan penggunaan peta konsep sebagai media pembelajaran yang dapat menunjukkan konsep ilmu secara sistematis, yaitu dibentuk mulai dari inti permasalahan sampai pada bagian pendukung yang mempunyai hubungan satu sama lain, sehingga dapat membentuk pengetahuan dan mempermudah pemahaman suatu topik pelajaran ( Pandley, 1994).

E.       Teknik Membuat Peta Konsep

Langkah yang dilakukan dalam membuat media peta konsep adalah dengan memikirkan apa yang menjadi ‘pusat’ topik yang akan diajarkan, yaitu sesuatu yang dianggap sebagai konsep inti, kemudian menuliskan kata atau istilah, kelompok kata , singkatan, atau rumus yang memiliki arti, yaitu yang mempunyai hubungan dengan konsep inti , sehingga akhirnya membentuk satu peta hubungan integral dan saling terkait antara konsep atas – bawah –samping ( Nakhleh, 1994). Sedangkan simbol-simbol dan ilustrasi-ilustrasi dapat ditambahkan untuk mendapatkan ingatan yang lebih baik. Ditambahkan pula bahwa peta konsep terbaik adalah peta konsep yang warna-warni; menggunakan banyak gambar dan symbol; biasanya tampak seperti karya seni ( DePoter, dkk. 2000, DePoter dan Hernacki 2002, Svantersson, 2004)). Sebagaimana dilaporkan buletin Kontak bahwa pemakaian warna dalam belajar dapat meningkatkan daya ingat dan pemahaman sebesar 47% ( Buletin Kontak, t.t.).peta konsep dilaksanakan dengan langkah-langkah sebagai berikut:

1)    Penyajian kerangka mata kuliah. Kerangka mata kuliah disampaikan pada perkuliahan intensif pertama saat melakukan kontrak perkuliahan.  Penyampaiannya dalam bentuk peta konsep. Seperti peta konsep berikut:

ATOM

Konsep-konsep dasar atom

Ingin mengetahui keberadaan atom

Sistem atom

3

Unsur-Unsur Pembangun atom

Sifat atom

Hakikat atom

4

1

2

5

Bagian atom

Kritik atom

8

7

6

 

                                                    

Pada pertemuan ini, dilakukan pembekalan strategi kognitif mahasiswa berupa keterampilan pembuatan catatan dengan peta konsep. Konsep peta konsep  dielaborasi sedemikian rupa secara persuasif dengan elaborasi kontekstual  dan elaborasi analogi. Materi untuk pertemuan kedua diberikan secara lengkap kepada mahasiswa. Mahasiswa ditugaskan membaca dan mempelajarinya secara mandiri, kemudian meringkasnya dalam bentuk peta konsep secara berkelompok. Mahasiswa diberi tahu bahwa walaupun peta konsep dilaporkan secara berkelompok tetapi setiap mahasiswa harus memiliki peta konsep setiap topik materi kuliah.  Pada tahap awal,  tugas meringkas materi kuliah dalam bentuk peta konsep diberikan secara terbimbing, yakni topik dan cabang-cabang peta konsep sepenuhnya diberikan dosen, mahasiswa ditugaskan melengkapi ranting-rantingnya saja dan dilakukan secara berkelompok. Kerangka peta konsep sebagai bantuan  yang  diberikan berbentuk seperti ini:

Konsep-konsep dasar atom

Pengertian atom

Manfaat atom

Hakikat Sastra

3

Kaidah atom

Ciri-ciri atom

2

4

5

Wilayah atom

1

7

6

Bidang Studi kimia

 

 Secara bertahap bantuan ini dikurangi. Pembuatan ringkasan materi secara mandiri dilakukan mahasiswa apabila keterampilan ini telah dikuasai. Agar hasil pembelajaran lebih optimal, sebaiknya peta konsep diiringi dengan pembuatan daftar istilah beserta pengertiannya.

2) Elaborasi tahap pertama. Elaborasi tahap pertama adalah elaborasi bagian satu atau cabang pertama dari topik Teori Sastra, yakni konsep-konsep dasar atom. Berdasarkan tugas yang telah disampaikan kepada mahasiswa pada pertemuan pertama,  pada pertemuan kedua setiap mahasiswa telah memiliki ringkasan  dalam bentuk peta konsep. Pengonstruksian  konsep-konsep dasar sastra dan studi sastra  dilaksanakan secara kolaboratif antara mahasiswa dengan dosen serta kolaborasi antarmahasiswa. Penulisan peta konsep di white board  pada  awal semester dilakukan dosen. Bila keterampilan mahasiswa sudah memungkinkan,  mahasiswalah yang menuliskannya. Elaborasi tiap-tiap cabang dari topik “konsep-konsep dasaratom” dilakukan secara optimal dengan ragam elaborasi yang relevan. Elaborasi diakhiri dengan  rangkuman dan pensintesis internal. Apabila semua cabang pada topik yang dibahas selesai dielaborasi, dosen memberikan materi untuk perkuliahan berikutnya dengan tugas yang sama.

3) Pertemuan ketiga, setelah elaborasi tahap pertama, dilakukan peninjauan terhadap peta konsep materi pembelajaran elaborasi tahap pertama  Setelah ini, dilakukan elaborasi cabang berikutnya  (elaborasi tahap kedua) sampai elaborasi dirasa mencukupi. Perkuliahan ini diakhiri  dengan rangkuman dan pensintesis  eksternal.

4) Pertemuan keempat dimulai dengan peninjauan semua materi yang telah dipelajarisambil memberikan Feed back. Pembelajaran dilanjutkan denganelaborasi sampai pada tingkat yang mencukupi sesuai dengan kompetensi yang akan dibina. Tetap menggunakan peta konsep, baik oleh dosen maupun mahasiswa. Sepanjang pembelajaran dosen senantiasa mengaktifkan strategi kognitif mahasiswa, dengan peninjauan peta konsep yang dibuat mahasiswa serta pembekalan strategi kognitif lain yang dibutuhkan mahasiswa.

5)  Perkuliahan seperti tahap keempat di atas berlangsung sampai pertemuan semingg sebelum Ujian Tengah Semester (UTS) dilaksanakan.

6) Seminggu sebelum UTS, mahasiswa menciptakan peta konsep yang mencakup seluruh materi yang telah dipelajari. Mahasiswa membuatnya secara berulang-ulang sampai hafal. tidak melihat lagi peta konsep yang asli.

F.       Mengajarkan Teknik Mencatat Peta Konsep

Membuat catatan, merupakan keterampilan belajar untuk belajar. Agar berhasil belajar, setiap mahasiswa harus memilikinya. Ia tergolong sebagai kategori kapabilitas belajar tingkat ketiga, yakni strategi kognitif, pada taksonomi yang dibuat Gagne, yaitu: 1) informasi verbal, 2) keterampilan intelektul, 3) strategi kognitif, 4) sikap, dan 5) keterampilan motorik ( dalam Degeng, 1989 ). Teknik mencatat peta konsep dalam pembelajaran tentu merupakan hal baru bagi mahasiswa. Oleh karena itu, kewajiban dosenlah untuk mengajarkan membuat dan menggunakannya kepada mahasiswa.

Strategi kognitif diajarkan dosen kepada mahasiswa secara terintegrasi dengan penyajian pelajaran, tidak perlu diajarkan secara terpisah ( Pannen, 1997 ). Pada tahap awal, dosen mengajarkannya dengan teknik pemodelan, yakni menggunakannya pada saat penyajian materi. Mahasiswa dapat mengikutinya dengan jalan mencontoh. Secara bertahap mahasiswa diajarkan, misalnya: dimulai dengan melengkapi cabang atau ranting peta konsep suatu materi yang dipelajarinya. Secara bertahap bantuan dikurangi, sehingga akhirnya mahasiswa dapat membuat peta konsep sebagai ringkasan materi kuliah yang diperoleh di dalam kelas dan bentuk pelaporan tugas mengakses dan melaporkan materi kuliah.

Suatu keterampilan dapat dikuasai mahasiswa apabila mahasiswa memiliki pengetahuan tentang keterampilan itu. Mengajarkan peta konsep kepada mahasiswa berkaitan pula dengan perubahan sikap. Dalam hal ini, mahasiswa merespon positif teknik mencatat dengan peta konsep. Sikap ini dapat ditumbuhkan dosen dengan jalan menyampaikan keunggulan teknik mencatat peta konsep. Informasi dari Buzan ini ( 2007:17) dapat digunakan.

Apabila anda telah mengetahui tentang peta konsep, maka anda mulai melihat bagaimana Peta Konsep ( Concept Maps ) bisa membuat hidup anda lebih mudah dan tambah menyenangkan. Ada formula rahasia paling ampuh untuk:

1.    Mengingat-ingat Membuat catatan dengan lebih mudah

2.    Memunculkan ide Menghemat waktu

3.    Berkonsentrasi Memanfatkan waktu sebaik mungkin

4.    Menghadapi ujian dengan mudah

struktur Molekul

Struktur Molekul

Asam nukleat merupakan salah satu makromolekul yang memegang peranan sangat penting dalam kehidupan organisme karena di dalamnya tersimpan informasi genetik. Asam nukleat sering dinamakan juga polinukleotida karena tersusun dari sejumlah molekul nukleotida sebagai monomernya. Tiap nukleotida mempunyai struktur yang terdiri atas gugus fosfat, gula pentosa, dan basa nitrogen atau basa nukleotida (basa N).

Ada dua macam asam nukleat, yaitu asam deoksiribonukleat atau deoxyribonucleic acid (DNA) dan asam ribonukleat atau ribonucleic acid (RNA). Dilihat dari strukturnya, perbedaan di antara kedua macam asam nukleat ini terutama terletak pada komponen gula pentosanya. Pada RNA gula pentosanya adalah ribosa, sedangkan pada DNA gula pentosanya mengalami kehilangan satu atom O pada posisi C nomor 2’ sehingga dinamakan gula 2’-deoksiribosa (Gambar 2.1.b).

Perbedaan struktur lainnya antara DNA dan RNA adalah pada basa N-nya. Basa N, baik pada DNA maupun pada RNA, mempunyai struktur berupa cincin aromatik heterosiklik (mengandung C dan N) dan dapat dikelompokkan menjadi dua golongan, yaitu purin dan pirimidin. Basa purin mempunyai dua buah cincin (bisiklik), sedangkan basa pirimidin hanya mempunyai satu cincin (monosiklik). Pada DNA, dan juga RNA, purin terdiri atas adenin (A) dan guanin (G). Akan tetapi, untuk pirimidin ada perbedaan antara DNA dan RNA. Kalau pada DNA basa pirimidin terdiri atas sitosin (C) dan timin (T), pada RNA tidak ada timin dan sebagai gantinya terdapat urasil (U). Timin berbeda dengan urasil hanya karena adanya gugus metil pada posisi nomor 5 sehingga timin dapat juga dikatakan sebagai 5-metilurasil.

Gambar 2.1. Komponen-komponen asam nukleat

a)      gugus fosfat b)      gula pentosa  c)      basa N

Di antara ketiga komponen monomer asam nukleat tersebut di atas, hanya basa N-lah yang memungkinkan terjadinya variasi. Pada kenyataannya memang urutan (sekuens) basa N pada suatu molekul asam nukleat merupakan penentu bagi spesifisitasnya. Dengan perkataan lain, identifikasi asam nukleat dilakukan berdasarkan atas urutan basa N-nya sehingga secara skema kita bisa menggambarkan suatu molekul asam nukleat hanya dengan menuliskan urutan basanya saja.

Nukleosida dan nukleotida

Penomoran posisi atom C pada cincin gula dilakukan menggunakan tanda aksen (1’, 2’, dan seterusnya), sekedar untuk membedakannya dengan penomoran posisi pada cincin basa. Posisi 1’ pada gula akan berikatan dengan posisi 9 (N-9) pada basa purin atau posisi 1 (N-1) pada basa pirimidin melalui ikatan glikosidik atau glikosilik (Gambar 2.2).  Kompleks gula-basa ini dinamakan nukleosida.

Di atas telah disinggung bahwa asam nukleat tersusun dari monomer-monomer berupa nukleotida, yang masing-masing terdiri atas sebuah gugus fosfat, sebuah gula pentosa, dan sebuah basa N. Dengan demikian, setiap nukleotida pada asam nukleat dapat dilihat sebagai nukleosida monofosfat. Namun, pengertian nukleotida secara umum sebenarnya adalah nukleosida dengan sebuah atau lebih gugus fosfat. Sebagai contoh, molekul ATP (adenosin trifosfat) adalah nukleotida yang merupakan nukleosida dengan tiga gugus fosfat.

Jika gula pentosanya adalah ribosa seperti halnya pada RNA, maka nukleosidanya dapat berupa adenosin, guanosin, sitidin, dan uridin. Begitu pula, nukleotidanya akan ada empat macam, yaitu adenosin monofosfat, guanosin monofosfat, sitidin monofosfat, dan uridin monofosfat. Sementara itu, jika gula pentosanya adalah deoksiribosa seperti halnya pada DNA, maka (2’-deoksiribo)nukleosidanya terdiri atas deoksiadenosin, deoksiguanosin, deoksisitidin, dan deoksitimidin.

Ikatan fosfodiester

Selain ikatan glikosidik yang menghubungkan gula pentosa dengan basa N, pada asam nukleat terdapat pula ikatan kovalen melalui gugus fosfat yang menghubungkan antara gugus hidroksil (OH) pada posisi 5’ gula pentosa dan gugus hidroksil pada posisi 3’ gula pentosa nukleotida berikutnya. Ikatan ini dinamakan ikatan fosfodiester karena secara kimia gugus fosfat berada dalam bentuk diester (Gambar 2.2).  

Gambar 2.2. Ikatan fosfodiester dan ikatan glikosidik pada asam nukleat

Oleh karena ikatan fosfodiester menghubungkan gula pada suatu nukleotida dengan gula pada nukleotida berikutnya, maka ikatan ini sekaligus menghubungkan kedua nukleotida yang berurutan tersebut. Dengan demikian, akan terbentuk suatu rantai polinukleotida yang masing-masing nukleotidanya satu sama lain dihubungkan oleh ikatan fosfodiester.

Kecuali yang berbentuk sirkuler, seperti halnya pada kromosom dan plasmid bakteri, rantai polinukleotida memiliki dua ujung. Salah satu ujungnya berupa gugus fosfat yang terikat pada posisi 5’ gula pentosa. Oleh karena itu, ujung ini dinamakan ujung P atau ujung 5’.  Ujung yang lainnya berupa gugus hidroksil yang terikat pada posisi 3’ gula pentosa sehingga ujung ini dinamakan ujung OH atau ujung 3’. Adanya ujung-ujung tersebut menjadikan rantai polinukleotida linier mempunyai arah tertentu.

Pada pH netral adanya gugus fosfat akan menyebabkan asam nukleat bermuatan negatif. Inilah alasan pemberian nama ’asam’ kepada molekul polinukleotida meskipun di dalamnya juga terdapat banyak basa N. Kenyataannya, asam nukleat memang merupakan anion asam kuat atau merupakan polimer yang sangat bermuatan negatif.

Sekuens asam nukleat

Telah dikatakan di atas bahwa urutan basa N akan menentukan spesifisitas suatu molekul asam nukleat sehingga biasanya kita menggambarkan suatu molekul asam nukleat cukup dengan menuliskan urutan basa (sekuens)-nya saja. Selanjutnya, dalam penulisan sekuens asam nukleat ada kebiasaan untuk menempatkan ujung 5’ di sebelah kiri atau ujung 3’ di sebelah kanan. Sebagai contoh, suatu sekuens DNA dapat dituliskan 5’-ATGACCTGAAAC-3’ atau suatu sekuens RNA dituliskan 5’-GGUCUGAAUG-3’.

Jadi, spesifisitas suatu asam nukleat selain ditentukan oleh sekuens basanya, juga harus dilihat dari arah pembacaannya. Dua asam nukleat yang memiliki sekuens sama tidak berarti keduanya sama jika pembacaan sekuens tersebut dilakukan dari arah yang berlawanan (yang satu 5’→ 3’, sedangkan yang lain 3’→ 5’).  

Struktur tangga berpilin (double helix) DNA

Dua orang ilmuwan, J.D.Watson dan F.H.C.Crick, mengajukan model struktur molekul DNA yang hingga kini sangat diyakini kebenarannya dan dijadikan dasar dalam berbagai teknik yang berkaitan dengan manipulasi DNA. Model tersebut dikenal sebagai tangga berplilin (double helix). Secara alami DNA pada umumnya mempunyai struktur molekul tangga berpilin ini.

Model tangga berpilin menggambarkan struktur molekul DNA sebagai dua rantai polinukleotida yang saling memilin membentuk spiral dengan arah pilinan ke kanan.  Fosfat dan gula pada masing-masing rantai menghadap ke arah luar sumbu pilinan, sedangkan basa N menghadap ke arah dalam sumbu pilinan dengan susunan yang sangat khas sebagai pasangan – pasangan basa antara kedua rantai. Dalam hal ini, basa A pada satu rantai akan berpasangan dengan basa T pada rantai lainnya, sedangkan basa G berpasangan dengan basa C. Pasangan-pasangan basa ini dihubungkan oleh ikatan hidrogen yang lemah (nonkovalen). Basa A dan T dihubungkan oleh ikatan hidrogen rangkap dua, sedangkan basa G dan C dihubungkan oleh ikatan hidrogen rangkap tiga. Adanya ikatan hidrogen tersebut menjadikan kedua rantai polinukleotida terikat satu sama lain dan saling komplementer. Artinya, begitu sekuens basa pada salah satu rantai diketahui, maka sekuens pada rantai yang lainnya dapat ditentukan.

Oleh karena basa bisiklik selalu berpasangan dengan basa monosiklik, maka jarak antara kedua rantai polinukleotida di sepanjang molekul DNA akan selalu tetap. Dengan perkataan lain, kedua rantai tersebut sejajar. Akan tetapi, jika rantai yang satu dibaca dari arah 5’ ke 3’, maka rantai pasangannya dibaca dari arah 3’ ke 5’. Jadi, kedua rantai tersebut sejajar tetapi berlawanan arah (antiparalel).

      Gambar 2.3. Model struktur tangga berpilin DNA

                                          P = fosfat     S =gula

                                          A = adenin, G = guanin, C = sitosin, T =timin 

Jarak antara dua pasangan basa yang berurutan adalah 0,34 nm. Sementara itu, di dalam setiap putaran spiral terdapat 10 pasangan basa sehingga jarak antara dua basa yang tegak lurus di dalam masing-masing rantai menjadi 3,4 nm. Namun, kondisi semacam ini hanya dijumpai apabila DNA berada dalam medium larutan fisiologis dengan kadar garam rendah seperti halnya yang terdapat di dalam protoplasma sel hidup. DNA semacam ini dikatakan berada dalam bentuk B atau bentuk yang sesuai dengan model asli Watson-Crick. Bentuk yang lain, misalnya bentuk A, akan dijumpai jika DNA berada dalam medium dengan kadar garam tinggi. Pada bentuk A terdapat 11 pasangan basa dalam setiap putaran spiral. Selain itu, ada pula bentuk Z, yaitu bentuk molekul DNA yang mempunyai arah pilinan spiral ke kiri. Bermacam-macam bentuk DNA ini sifatnya fleksibel, artinya dapat berubah dari yang satu ke yang lain bergantung kepada kondisi lingkungannya.

Modifikasi struktur molekul RNA

Tidak seperti DNA, molekul RNA pada umumnya berupa untai tunggal sehingga tidak memiliki struktur tangga berpilin. Namun, modifikasi struktur juga terjadi akibat terbentuknya ikatan hidrogen di dalam untai tunggal itu sendiri (intramolekuler).

Dengan adanya modifikasi struktur molekul RNA, kita mengenal tiga macam RNA, yaitu RNA duta atau messenger RNA (mRNA), RNA pemindah atau transfer RNA (tRNA), dan RNA ribosomal (rRNA). Struktur mRNA dikatakan sebagai struktur primer, sedangkan struktur tRNA dan rRNA dikatakan sebagai struktur sekunder. Perbedaan di antara ketiga struktur molekul RNA tersebut berkaitan dengan perbedaan fungsinya masing-masing.

Sifat-sifat Fisika-Kimia Asam Nukleat

Di bawah ini akan dibicarakan sekilas beberapa sifat fisika-kimia asam nukleat. Sifat-sifat tersebut adalah stabilitas asam nukleat, pengaruh asam, pengaruh alkali, denaturasi kimia, viskositas, dan kerapatan apung.

Stabilitas asam nukleat

Ketika kita melihat struktur tangga berpilin molekul DNA atau pun struktur sekunder RNA, sepintas akan nampak bahwa struktur tersebut menjadi stabil akibat adanya ikatan hidrogen di antara basa-basa yang berpasangan. Padahal, sebenarnya tidaklah demikian. Ikatan hidrogen di antara pasangan-pasangan basa hanya akan sama kuatnya dengan ikatan hidrogen antara basa dan molekul air apabila DNA berada dalam bentuk rantai tunggal. Jadi, ikatan hidrogen jelas tidak berpengaruh terhadap stabilitas struktur asam nukleat, tetapi sekedar menentukan spesifitas perpasangan basa. 

  Penentu stabilitas struktur asam nukleat terletak pada interaksi penempatan (stacking interactions) antara pasangan-pasangan basa. Permukaan basa yang bersifat hidrofobik menyebabkan molekul-molekul air dikeluarkan dari sela-sela perpasangan basa sehingga perpasangan tersebut menjadi kuat. 

Pengaruh asam

Di dalam asam pekat dan suhu tinggi, misalnya HClO₄ dengan suhu lebih dari 100ºC, asam nukleat akan mengalami hidrolisis sempurna menjadi komponen-komponennya. Namun, di dalam asam mineral yang lebih encer, hanya ikatan glikosidik antara gula dan basa purin saja yang putus sehingga asam nukleat dikatakan bersifat apurinik.

Pengaruh alkali

Pengaruh alkali terhadap asam nukleat mengakibatkan terjadinya perubahan status tautomerik basa. Sebagai contoh, peningkatan pH akan menyebabkan perubahan struktur guanin dari bentuk keto menjadi bentuk enolat karena molekul tersebut kehilangan sebuah proton. Selanjutnya, perubahan ini akan menyebabkan terputusnya sejumlah ikatan hidrogen sehingga pada akhirnya rantai ganda DNA mengalami denaturasi. Hal yang sama terjadi pula pada RNA. Bahkan pada pH netral sekalipun, RNA jauh lebih rentan terhadap hidrolisis bila dibadingkan dengan DNA karena adanya gugus OH pada atom C nomor 2 di dalam gula ribosanya.

Denaturasi kimia

Sejumlah bahan kimia diketahui dapat menyebabkan denaturasi asam nukleat pada pH netral. Contoh yang paling dikenal adalah urea (CO(NH₂)₂) dan formamid (COHNH₂). Pada konsentrasi yang relatif tinggi, senyawa-senyawa tersebut dapat merusak ikatan hidrogen. Artinya, stabilitas struktur sekunder asam nukleat menjadi berkurang dan rantai ganda mengalami denaturasi.

Viskositas

DNA kromosom dikatakan mempunyai nisbah aksial yang sangat tinggi karena diameternya hanya sekitar 2 nm, tetapi panjangnya dapat mencapai beberapa sentimeter. Dengan demikian, DNA tersebut berbentuk tipis memanjang. Selain itu, DNA merupakan molekul yang relatif kaku sehingga larutan DNA akan mempunyai viskositas yang tinggi. Karena sifatnya itulah molekul DNA menjadi sangat rentan terhadap fragmentasi fisik. Hal ini menimbulkan masalah tersendiri ketika kita hendak melakukan isolasi DNA yang utuh.

Kerapatan apung

Analisis dan pemurnian DNA dapat dilakukan sesuai dengan kerapatan apung (bouyant density)-nya. Di dalam larutan yang mengandung garam pekat dengan berat molekul tinggi, misalnya sesium klorid (CsCl) 8M, DNA mempunyai kerapatan yang sama dengan larutan tersebut, yakni sekitar 1,7 g/cm³.  Jika larutan ini disentrifugasi dengan kecepatan yang sangat tinggi, maka garam CsCl yang pekat akan bermigrasi ke dasar tabung dengan membentuk gradien kerapatan. Begitu juga, sampel DNA akan bermigrasi menuju posisi gradien yang sesuai dengan kerapatannya. Teknik ini dikenal sebagai sentrifugasi seimbang dalam tingkat kerapatan (equilibrium density gradient centrifugation) atau sentrifugasi isopiknik.

Oleh karena dengan teknik sentrifugasi tersebut pelet RNA akan berada di dasar tabung dan protein akan mengapung, maka DNA dapat dimurnikan baik dari RNA maupun dari protein. Selain itu, teknik tersebut juga berguna untuk keperluan analisis DNA karena kerapatan apung DNA (ρ) merupakan fungsi linier bagi kandungan GC-nya.  Dalam hal ini,  ρ = 1,66 + 0,098% (G + C).

Gambar 2.4.  Sentrifugasi seimbang dalam tingkat kerapatan

Sifat-sifat Spektroskopik-Termal Asam Nukleat

Sifat spektroskopik-termal asam nukleat meliputi kemampuan absorpsi sinar UV, hipokromisitas, penghitungan konsentrasi asam nukleat, penentuan kemurnian DNA, serta denaturasi termal dan renaturasi asam nukleat. Masing-masing akan dibicarakan sekilas berikut ini.

Absorpsi UV

Asam nukleat dapat mengabsorpsi sinar UV karena adanya basa nitrogen yang bersifat aromatik; fosfat dan gula tidak memberikan kontribusi dalam absorpsi UV. Panjang gelombang untuk absorpsi maksimum baik oleh DNA maupun RNA adalah  260 nm atau dikatakan λ_maks = 260 nm. Nilai ini jelas sangat berbeda dengan nilai untuk protein yang mempunyai λ_maks = 280 nm.  Sifat-sifat absorpsi asam nukleat dapat digunakan untuk deteksi, kuantifikasi, dan perkiraan kemurniannya.

Hipokromisitas

Meskipun λ_maks untuk DNA dan RNA konstan, ternyata ada perbedaan nilai yang bergantung kepada lingkungan di sekitar basa berada. Dalam hal ini, absorbansi pada λ 260 nm (A₂₆₀) memperlihatkan variasi di antara basa-basa pada kondisi yang berbeda. Nilai tertinggi terlihat pada nukleotida yang diisolasi, nilai sedang diperoleh pada molekul DNA rantai tunggal (ssDNA) atau RNA, dan nilai terendah dijumpai pada DNA rantai ganda (dsDNA). Efek ini disebabkan oleh pengikatan basa di dalam lingkungan hidrofobik. Istilah klasik untuk menyatakan perbedaan nilai absorbansi tersebut adalah hipokromisitas. Molekul dsDNA dikatakan relatif hipokromik (kurang berwarna) bila dibandingkan dengan ssDNA. Sebaliknya, ssDNA dikatakan hiperkromik terhadap dsDNA.

Penghitungan konsentrasi asam nukleat

Konsentrasi DNA dihitung atas dasar nilai A₂₆₀-nya. Molekul dsDNA dengan konsentrasi 1mg/ml mempunyai A₂₆₀ sebesar 20, sedangkan konsentrasi yang sama untuk molekul ssDNA atau RNA mempunyai A₂₆₀ lebih kurang sebesar 25. Nilai A₂₆₀ untuk ssDNA dan RNA hanya merupakan perkiraan karena kandungan basa purin dan pirimidin pada kedua molekul tersebut tidak selalu sama, dan nilai A₂₆₀  purin tidak sama dengan nilai A₂₆₀ pirimidin. Pada dsDNA, yang selalu mempunyai kandungan purin dan pirimidin sama, nilai A₂₆₀ -nya sudah pasti.

Kemurnian asam nukleat

Tingkat kemurnian asam nukleat dapat diestimasi melalui penentuan nisbah A₂₆₀ terhadap A₂₈₀. Molekul dsDNA murni mempunyai nisbah  A₂₆₀ /A₂₈₀ sebesar 1,8. Sementara itu, RNA murni mempunyai nisbah  A₂₆₀ /A₂₈₀  sekitar 2,0.  Protein, dengan λ_maks = 280 nm, tentu saja mempunyai nisbah A₂₆₀ /A₂₈₀  kurang dari 1,0.  Oleh karena itu, suatu sampel DNA yang memperlihatkan nilai A₂₆₀ /A₂₈₀ lebih dari 1,8 dikatakan terkontaminasi oleh RNA. Sebaliknya, suatu sampel DNA yang memperlihatkan nilai A₂₆₀ /A₂₈₀  kurang dari 1,8 dikatakan terkontaminasi oleh protein.

Denaturasi termal dan renaturasi

Di atas telah disinggung bahwa beberapa senyawa kimia tertentu dapat menyebabkan terjadinya denaturasi asam nukleat. Ternyata, panas juga dapat menyebabkan denaturasi asam nukleat. Proses denaturasi ini dapat diikuti melalui pengamatan nilai absorbansi yang meningkat karena molekul rantai ganda (pada dsDNA dan sebagian daerah pada RNA) akan berubah menjadi molekul rantai tunggal.

Denaturasi termal pada DNA dan RNA ternyata sangat berbeda. Pada RNA denaturasi berlangsung perlahan dan bersifat acak karena bagian rantai ganda yang pendek akan terdenaturasi lebih dahulu daripada bagian rantai ganda yang panjang. Tidaklah demikian halnya pada DNA. Denaturasi terjadi sangat cepat dan bersifat koperatif karena denaturasi pada kedua ujung molekul dan pada daerah kaya AT akan mendestabilisasi daerah-daerah di sekitarnya.

Suhu ketika molekul asam nukleat mulai mengalami denaturasi dinamakan titik leleh atau melting temperature (T_m). Nilai T_m merupakan fungsi kandungan GC sampel DNA, dan berkisar dari 80 ºC hingga 100ºC untuk molekul-molekul DNA yang panjang.

DNA yang mengalami denaturasi termal dapat dipulihkan (direnaturasi) dengan cara didinginkan. Laju pendinginan berpengaruh terhadap hasil renaturasi yang diperoleh. Pendinginan yang berlangsung cepat hanya memungkinkan renaturasi pada beberapa bagian/daerah tertentu. Sebaliknya, pendinginan yang dilakukan perlahan-lahan dapat mengembalikan seluruh molekul DNA ke bentuk rantai ganda seperti semula. Renaturasi yang terjadi antara daerah komplementer dari dua rantai asam nukleat yang berbeda dinamakan hibridisasi.

Superkoiling DNA

Banyak molekul dsDNA berada dalam bentuk sirkuler tertutup atau closed-circular (CC), misalnya DNA plasmid dan kromosom bakteri serta DNA berbagai virus. Artinya, kedua rantai membentuk lingkaran dan satu sama lain dihubungkan sesuai dengan banyaknya putaran heliks (Lk) di dalam molekul DNA tersebut.

Sejumlah sifat muncul dari kondisi sirkuler DNA. Cara yang baik untuk membayangkannya adalah menganggap struktur tangga berpilin DNA seperti gelang karet dengan suatu garis yang ditarik di sepanjang gelang tersebut. Jika kita membayangkan suatu pilinan pada gelang, maka deformasi yang terbentuk akan terkunci ke dalam sistem pilinan tersebut. Deformasi inilah yang disebut sebagai superkoiling.

Interkalator

Geometri suatu molekul yang mengalami superkoiling dapat berubah akibat beberapa faktor yang mempengaruhi pilinan internalnya. Sebagai contoh, peningkatan suhu dapat menurunkan jumlah pilinan, atau sebaliknya, peningkatan kekuatan ionik dapat menambah jumlah pilinan. Salah satu faktor yang penting adalah keberadaan interkalator seperti etidium bromid (EtBr). Molekul ini merupakan senyawa aromatik polisiklik bermuatan positif yang menyisip di antara pasangan-pasangan basa. Dengan adanya EtBr molekul DNA dapat divisualisasikan menggunakan paparan sinar UV.