Pengaruh Medan dan Tegangan Listrik pada Elektroforesis dalam Proses PCR (Polymerase Chain Reaction)

1. PENGARUH MEDAN DAN TEGANGAN LISTRIK
PADA ELKTROFORESIS DALAM PROSES PCR
(POLYMERASE CHAIN REACTION)
Makalah Mata Kuliah Fisika Dasar II
oleh:
Muchamad Zain Nur Ichsan 1141820028
Muhamad Imam Khairy 1141820029
Muhammad Azhari Ramadhan 1141820030
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
INSTITUT TEKNOLOGI INDONESIA
TANGERANG
2019

2. ii
KATA PENGANTAR
Makalah Mata Kuliah Fisika Dasar II yang berjudul Pengaruh Medan
Listrik pada Elektroforesis dalam Proses PCR (Polymerase Chain
Reaction) ini disusun untuk melengkapi tugas dan nilai semester II di
Institut Teknologi Indonesia – Tangerang. Telah diintruksikan bahwa
secara berkelompok, mahasiswa mencari aplikasi dari pelajaran yang
telah diterima. Salah satunya yaitu tentang medan dan tegangan listrik.
Adapun isi laporan ini meliputi: pendahuluan mengenai latar belakang,
pentingngnya masalah, dan tujuan, tinjauan pustaka, mekanisme,
pembahasan, kesimpulan dan saran, serta daftar pustaka.
Puji syukur tim penyusun panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa
karena atas berkat dan rahmatnya laporan ini dapat diselesaikan tepat
pada waktunya. Tidak lupa ucapan terimakasih kepada Bpk. Dr. Marzuki
Silalahi sebagai Dosen Fisika Dasar II di Institut Teknologi Indonesia –
Tangerang.
Pada kesempatan ini tim penyusun masih membuka kritik dan saran.
Sehingga kritik dan saran tersebut dapat menjadi suatu acuan untuk
memperbaiki makalah ini. Makalah ini masih jauh dari sempurna, karena
kesempurnaan hanya milik Tuhan.
Tim penyusun amat berharap kepada seluruh pembaca makalah ini
dapat membantu dalam pemahaman mengenai salah satu aplikasi medan
dan tegangan listrik yang salah satunya yaitu pada elektroforesis.
Tangerang, April 2019 Penyusun

3. iii
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ................................................................................................ii
DAFTAR ISI.............................................................................................................iii
BAB I ....................................................................................................................... 1
PENDAHULUAN..................................................................................................... 1
A. Latar Belakang............................................................................................. 1
B. Pentingnya Masalah..................................................................................... 2
C. Tujuan....................................................................................................... 2
BAB II ...................................................................................................................... 3
TINJAUAN PUSTAKA............................................................................................. 3
A. PCR (Polymerase Chain Reaction) ............................................................. 3
B. Elektroforesis................................................................................................ 4
C. Medan Listrik ............................................................................................ 5
D. Tegangan Listrik....................................................................................... 6
BAB III ..................................................................................................................... 8
MEKANISME........................................................................................................... 8
BAB IV................................................................................................................... 10
PEMBAHASAAN................................................................................................... 10
BAB V.................................................................................................................... 13
PENUTUP ............................................................................................................. 13
A. Kesimpulan................................................................................................. 13
B. Saran.......................................................................................................... 13
DAFTAR PUSTAKA.............................................................................................. 14

4. 1
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Seiring dengan berkembangnya zaman, semakin pesat juga
perkembangan di bidang ilmu pengetahuan. Tak terkecuali dengan
aplikasi dari berbagai ilmu. Dalam pengaplikasian tersebut banyak
menggunakan prinsip-prinsip yang dapat dijelaskan dari berbagai jenis
ilmu eksak ataupun sebenarnya mereka memang berkaitan satu sama
lain. Salah satunya adalah teknik identifikasi suatu DNA menggunakan
metode PCR (Polymerase Chain Reaction) yang disempurnakan
menggunakan teknik elektroforesis. Keduanya merupakan pengaplikasian
dari ilmu biologi molekuler dan fisika. Biologi molekular atau biologi
molekul merupakan salah satu cabang biologi yang merujuk kepada
pengkajian mengenai kehidupan pada skala molekul. Ini termasuk
penyelidikan tentang interaksi molekul dalam benda hidup dan kesannya,
terutama tentang interaksi berbagai sistem dalam sel, termasuk interaksi
DNA, RNA, dan sintesis protein, dan bagaimana interaksi tersebut diatur.
Bidang ini bertumpang tindih dengan bidang biologi (dan kimia) lainnya,
terutama genetika dan biokimia. Sedangkan ilmu fisika sendiri itu
merupakan sains atau ilmu alam yang mempelajari materi beserta gerak
dan perilakunya dalam lingkup ruang dan waktu, bersamaan dengan
konsep yang berkaitan seperti energi dan gaya. Salah satu ilmu sains
paling dasar, tujuan utama fisika adalah memahami bagaimana alam
semesta berkerja. Dalam makalah ini akan ditekankan bagaimana ilmu
fisika yaitu medan dan listrik bekerja pada tahapan elektroforesis dalam
rangkaian proses PCR (Polymerase Chain Reaction).

5. 2
B. Pentingnya Masalah
Setelah melalui proses PCR (Polymerase Chain Reaction), dimana
suatu DNA spesifik telah diduplikat menjadi jutaan kali lipat dalam 30-40
siklus, DNA perlu diidentifikasi dengan bukti bahwa terjadi atau tidak
terjadinya penduplikatan tersebut. Bukti tersebut dapat dimunculkan
melalui proses elektroforesis yang menggunakan medan dan tegangan
listrik sebagai prinsip utamanya.
C. Tujuan
Adapun tujuan dari dari penelitian ini, antara lain:
1. Mengetahui aplikasi hubungan dari ilmu fisika dan ilmu biologi molekuler.
2. Mengetahui mekanisme medan dan tegangan listrik yang bekerja pada
elektroforesis.

6. 3
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
A. PCR (Polymerase Chain Reaction)
PCR (Polymerase Chain Reaction) pertama kali
ditemukan oleh Kary Mullis dan koleganya pada
tahun 1983. Tujuan dari PCR adalah
menggandakan atau memperbanyak sebuah
bagian spesifik dari DNA menjadi berkali-kali lipat
secara in vitro, sehingga bagian spesifik DNA yang
diinginkan dapat diidentifikasi. PCR merupakan
metode yang sangat sensitif, sehingga dari satu
pasang molekul DNA dapat diperbanyak menjadi
jutaan kali lipat setelah 30-40 siklus PCR
(Campbell, 2002).
Siklus kerja PCR terdiri dari tiga tahap, yaitu denaturasi, annealing,
dan polimerisasi. Denaturasi berlangsung dengan suhu sekitar 93-95O
C.
Seluruh reaksi enzimatik dihentikan pada tahap denaturasi. Selain itu,
ikatan hidrogen antar basa nitrogen juga ikut rusak pada tahap denaturasi.
Rantai ganda DNA terpisah menjadi untai tunggal yang disebut sebagai
DNA template. Semakin panjang untaian rantai DNA, semakin lama
waktu yang diperlukan untuk tahap denaturasi (Passarge, 2007).
Annealing adalah proses pelekatan yang berlangsung dengan suhu
sekitar 50-70O
C. Annealing merupakan tahap penempelan sekuen primer
ke untai DNA template. Primer adalah oligonukleotida sintetik yang
melekat pada sekuen sisi yang akan diamplifikasi. Primer berfungsi untuk
mengapit daerah spesifik pada DNA yang akan digandakan serta
menginisiasi replikasi DNA. Tahap annealing dilakukan pada suhu yang
lebih rendah bertujuan agar primer yang berupa oligonukleida dapat
melekat dengan situs yang terdapat pada DNA template (Passarge,
2007).
Gambar 1. PCR
(Polymerase Chain Reactor)

7. 4
Polimerisasi adalah proses pemanjangan yang berlangsung dengan
suhu sekitar 70-75O
C. Taq DNA polimerase dibutuhkan dalam tahap
polimerisasi, taq polymerase berasal dari bakteri Thermus aquaticus yang
dapat bertahan pada suhu tinggi. Peran Taq polimerase dapat
menggantikan fungsi enzim DNA polimerase. Enzim polimerase
memanjangkan primer oligonukleotida dari 5’ menuju 3’ dengan
menggunakan cetakan dari DNA template. Hasil dari tahap polimerisasi
menghasilkan dua untai DNA ganda baru, masing-masing DNA ganda
tersusun atas untai baru dan untai lama yang bergabung (Passarge,
2007).
B. Elektroforesis
Elektroforesis adalah satu teknik
pemisahan senyawa berdasarkan
kecepatan migrasi yang bermuatan
listrik di bawah pengaruh medan listrik.
Elektroforesis digunakan untuk
menentukan komposisi protein dari
suatu produk makanan. Elektroforesis
juga dapat digunakan untuk menentukan
ketulenan suatu ekstrak protein. Kegunaan elektroforesis yang lainnya
adalah untuk menentukan berat molekul, kemurnian molekul pada suatu
bahan, mendeteksi suatu pemalsuan bahan, mendeteksi kerusakan suatu
bahan seperti protein dalam pengolahan dan penyimpanan, untuk
memisahkan spesies-spesies yang berbeda secara kualitatif, serta
pemurnian suatu protein.
Elektroforesis gel memisahkan makromolekul berdasaran laju
perpindahannya melewati suatu gel di bawah pengaruh medan listrik.
Elektroforesis gel memisahkan suatu campuran molekul DNA menjadi
pita-pita yang masing-masing terdiri atas molekul DNA dengan panjang
yang sama. Laju perpindahan tersebut bergantung pada ukuran
molekulnya. Sampel molekul ditempatkan ke dalam sumur pada gel yang
Gambar 2. Elektroforesis

8. 5
ditempatkan di dalam larutan penyangga yaitu TAE (Tris HCl-Acetic acid-
EDTA) dan tegangan istrik yang dialirkan sebesar 80 Volt (Campbell,
2002).
Molekul-molekul sampel akan bergerak di dalam matriks gel ke arah
salah satu kutub listrik sesuai muatannya. RNA dan DNA arah
pergerakannya menuju elektroda positif. Hal tersebut disebabkan oleh
muatan negatif pada rangka gula fosfat yang dimilikinya. Gel yang
digunakan adalah agarosa yang berasal dari ekstrak rumput laut yang
telah dimurnikan. Marka atau penanda (marker) yang digunakan pada
proses running merupakan campuran molekul dengan ukuran berbeda-
beda yang dapat digunakan untuk menentukan ukuran molekul dalam pita
sampel. Ukuran DNA dapat ditentukan dengan menyertakan marka atau
penanda yang digunakan pada proses running. Hal ini dilakukan dengan
tujuan agar molekul sampel berpendar dalam sinar ultraviolet.
Penghilangan warna dilakukan dengan cara gel dimasukkan ke dalam
aqua destilata selama 5 hingga 7 menit (Mikkelsen dan Corton, 2004).
C. Medan Listrik
Medan listrik adalah efek yang
ditimbulkan oleh keberadaan muatan
listrik, seperti elektron, ion, atau proton,
dalam ruangan yang ada di sekitarnya.
Medan listrik memiliki satuan N/C atau
dibaca Newton/coulomb. Medan listrik
umumnya dipelajari dalam bidang fisika
dan bidang-bidang terkait, dan secara tak langsung juga di bidang
elektronika yang telah memanfaatkan medan listrik ini dalam kawat
konduktor (kabel).
Rumus matematika untuk medan listrik dapat diturunkan melalui
Hukum Coulomb, yaitu gaya antara dua titik muatan.
𝐹 = 𝑘
𝑞1. 𝑞2
𝑟2
Gambar 3. Medan Listrik

9. 6
Menurut persamaan ini, gaya pada salah satu titik muatan berbanding
lurus dengan besar muatannya. Medan listrik didefinisikan sebagai suatu
konstan perbandingan antara muatan dan gaya.
𝐹 = 𝑞𝐸
𝐸 = 𝑘
𝑞
𝑟2
Maka, medan listrik bergantung pada posisi. Suatu medan, merupakan
sebuah vektor yang bergantung pada vektor lainnya. Medan listrik dapat
dianggap sebagai gradien dari potensial listrik. Jika beberapa muatan
yang disebarkan menghasiklan potensial listrik, gradien potensial listrik
dapat ditentukan.
D. Tegangan Listrik
Tegangan listrik adalah perbedaan potensial listrik antara dua titik
dalam rangkaian listrik, dan dinyatakan dalam satuan volt. Besaran ini
mengukur energi potensial dari sebuah medan listrik yang mengakibatkan
adanya aliran listrik dalam sebuah konduktor listrik. Tergantung pada
perbedaan potensial listriknya, suatu tegangan listrik dapat dikatakan
sebagai ekstra rendah, rendah, tinggi atau ekstra tinggi. Secara definisi
tegangan listrik menyebabkan objek bermuatan listrik negatif tertarik dari
tempat bertegangan rendah menuju tempat bertegangan lebih tinggi.
Sehingga arah arus listrik konvensional di dalam suatu konduktor mengalir
dari tegangan tinggi menuju tegangan rendah.
Secara sederhana, sirkuit elektronik dapat dianalogikan sebagai aliran
air dalam pipa yang didorong oleh pompa air. Perbedaan tekanan air dari
satu titik dekat pompa dan titik lain di ujung pipa dapat dianalogikan
dengan potensial tegangan listrik. Jika pompa mulai bekerja tekanan air
dalam pipa pada titik di dekat pompa menjadi lebih tinggi sehingga air
dalam pipa mulai terdorong dari satu titik (dekat pompa) menuju titik yang
lain (ujung pipa). Pergerakan air ini (yang disebabkan perbedaan tekanan)
mampu melakukan usaha, misalnya memutar turbin. Begitu pula dalam
sirkuit elektronik, perbedaan potensial tegangan (misalnya dihasilkan oleh

10. 7
baterai) mampu melakukan usaha pula, misalnya memutar motor listrik.
Jika dalam analogi, air pompa tidak bekerja, maka tidak ada perbedaan
tekanan dan air tidak mengalir. Begitu pula untuk sirkuit elektronik, jika
baterai, misalnya, habis, maka tidak ada perbedaan potensial tegangan
listrik dan motor listrik tidak akan berputar.

11. 8
BAB III
MEKANISME
Gambar 4. Mekanisme Elektroforesis
Elektroforesis dilakukan pada
media gel agarose dengan cairan
buffer TAE. Keduanya diletakan
pada area medan listrik pada alat
elektroforesis. Dibuat lubang pada
gel agarose untuk meletakan
molekul sampel. Alat dinyalakan
dengan tegangan 80-100 Volt untuk
menghasilkan medan listrik yang
sesuai. Alat akan bekerja selama
waktu yang telah ditentukan.
Molekul sampel yang merupakan
berjuta duplikat DNA mempunyai
pasangan elektron bebas yang
Kutub (-)
Kutub (+)
Molekul sampel bermuatan (-)
Gel Agarose
Cairan Buffer TAE
Arah
Pergerakan
Elektron
Gambar 5. Molekul sampel bergerak setelah
proses elektroforesis selesai
Gambar 6. Molekul sampel dilihat di dalam alat
menggunakan sinar ultraviolet

12. 9
menjadikannya sebagai molekul yang
bermuatan negatif. Karena bermuatan
negatif maka molekul akan bergerak
ke arah kutub positif. Molekul sampel
yang bergerak itu dapat diketahui oleh
sebuah marka yang sebelumnya
ditambahkan dan dilihat di ruangan
gelap disinari ultraviolet sehingga
akan berpendar. Dimana pegerakan
tersebut menandakan bahwa molekul sampel mengandung DNA tertentu
yang ingin kita tahu secara kualitatif.
Gambar 7. Pembacaan molekul sampel
menggunakan sinar ultraviolet

13. 10
BAB IV
PEMBAHASAAN
DNA (deoxyribonucleicacid) adalah
biomolekul yang menyandi dan menyimpan
informasi genetika setiap organisme. DNA
tersusun atas polimer dari nukleotida yang
berulang-ulang membentuk rantai double
helix berpilin ke kanan dan berfungsi sebagai
pewaris sifat serta sintesis protein. Setiap
nukleotida terdiri dari tiga gugus molekul,
yaitu gula 5 karbon (deoksiribosa), gugus
fosfat, dan basa nitrogen dari golongan purin,
yaitu Adenin dan Guanin serta golongan
pirimidin, yaitu Timin dan Sitosin (Passarge,
2007).
RNA adalah hasil transkripsi dari suatu fragmen DNA, sehingga RNA
merupakan polimer yang jauh lebih pendek disbanding DNA. RNA
(ribonucleic acid) atau asam ribonukleat merupakan makromolekul yang
berfungsi sebagai penyimpan dan penyalur informasi genetik. RNA
sebagai penyimpan informasi genetik misalnya pada materi genetik virus,
terutama golongan retrovirus. RNA sebagai penyalur informasi genetik
misalnya pada proses translasi untuk sintesis protein. RNA juga dapat
berfungsi sebagai enzim (ribozim) yang dapat mengkalis formasi RNA-nya
sendiri atau molekul RNA lain.
RNA merupakan rantai tunggal polinukleotida. Setiap ribonukleotida
terdiri dari tiga gugus molekul, yaitu:
1. 5 karbon.
2. Basa nitrogen yang terdiri dari golongan purin yang sama dengan
DNA, yaitu Adenin (A) dan Guanin (G) serta golongan pirimidin yang
berbeda, yaitu sitosin (C) dan Urasil (U).
Gambar 8. DNA
(Deoxyribonucleidacid)

14. 11
3. Gugus fosfat.
Gugus fosfat pada pada rantai RNA ini mempengaruhi bahwa semua
keseluruhan DNA merupakan molekul yang bermuatan negatif. Sehingga
saat elektroforesis molekul yang benar-benar mengandung DNA akan
bergerak menuju kutub positif.
Pada alat elektroforesis terdapat komponen-komponen listrik yang
dapat mempengaruhi jalannya proses elektroforesis, antara lain:
1. Medan Listrik
Medan listrik yang terjadi di elektroforesis dapat mempengaruhi
jalannya elektroforesis. Semakin besar medan listrik makan semakin peka
juga molekul sampel untuk bergerak. Selanjutnya medan listrik ini
dipengaruhi penempatan gel agarose di area elektroforesis. Semakin
dekat gel agarose dengan kutub positif maka medan listrik yang dialami
akan semakin besar. Hal ini dapat dibuktikan melalui rumus medan listrik.
𝐸 = 𝑘
𝑞
𝑟2
Keterangan:
E = Kuat Medan Listrik (N/C)
k = Konstanta (9x109 Nm2/C2)
q = Muatan Listrik (C)
r = Jarak dari titik ke kuatan sumber medan listrik (m)
2. Tegangan Listrik
Untuk menghasilkan medan listrik, sebuah medium yaitu gel agarose
perlu dialiri arus listrik, alat menggunakan penentuan tegangan listrik
karena media gel agarose merupakan suatu hambatan. Adanya arus listrik
dan hambatan akan menimbukan suatu nilai yaitu potensial listrik yang
tidak lain adalah tegangan listrik. Semaking besar tegangan listrik maka
semakin besar arus listrik maka semakin cepat muatan bermigrasi
sehingga proses elektroforesis semakin cepat. Namun tegangan yang
terlalu tinggi dapat merusak tatanan struktur DNA. Hubungan tegangan,
arus, hambatan, dan muatan listrik dapat dibuktikan melalui rumus berikut.

15. 12
𝑉 = 𝐼𝑅
𝐼 =
𝑞
𝑡
Keterangan:
V = Tegangan Listrik (V)
I = Arus Listrik (A)
R = Hambatan (Ω)
q = Muatan Listrik (C)
t = Waktu (s)

16. 13
BAB V
PENUTUP
A. Kesimpulan
Setelah dilakukan proses PCR (Polymerase Chain Reaction), DNA
yang sudah diduplikasi peerlu diidentifikasi ada atau tidaknya. Hal ini
dapat dilakukan menggunakan teknik elektroforesis. Teknik elektroforesis
ini banyak menggunakan prinsip listrik statis dalam fisika dan dapat
dijelaskan khususnya menggunakan prinsip medan dan tegangan listrik.
B. Saran
Teknik identifikasi pada elektroforesis perlu dikembangkan lagi menjadi lebih
efektif, sensitif, serta lebih teliti dalam hasil yang diberikan.

17. 14
DAFTAR PUSTAKA
Campbell, N.A., J. B. Reece & L. G. Mitchell. 2002. BIOLOGI. Ed ke-5.
Erlangga. Jakarta.
Passarge, Ebernard. 2007. Color Atlas of Genetics. Thieme. New York.
Mikkelsen, S. R. Corton, E. 2004. Bioanalytical Chemistry. John Wiley &
Sons. New Jersey.
Wikipedia. 2018. https://id.wikipedia.org/wiki/Medan_listrik. Diakses pada
12 April 2019 pukul 20.44.
Wikipedia. 2019 https://id.wikipedia.org/wiki/Tegangan_listrik. Diakses
pada 12 April 2019 pukul 20.44.