REPLIKASI
Asam nukleat merupakan salah satu makromolekul yang
memegang peranan sangat penting dalam kehidupan organisme karena di dalamnya
terdapat informasi genetik. Mengapa dinamakan asam nukleat karena
keberadaan umumnya didalam inti sel (nukleus). Asam nukleat disebut juga polinukleotida karena
tersusun dari sejumlah molekul nukleotida sebagai monomernya. Asam
nukleat adalah suatu polimer nukleotida yang berperan dalam penyimpanan serta
pemindahan informasi genetik (polinukleotida). Asam nukleat terdiri dari Asam deoksiribonukleat (DNA) dan Asam ribonukleat (RNA).
Setiap nukleotida mempunyai struktur yang terdiri
atas gugus fosfat, gula pentosa, dan basa nitrogen atau basa nukleotida (basa N). Asam nukleat terdiri dari Asam deoksiribonukleat (DNA) dan Asam
ribonukleat (RNA). Asam nukleat ditemukan pada semua sel hidup
serta pada virus.
Struktur
DNA merupakan polimer yang terdiri dari tiga komponen utama, yaitu gugus
fosfat, gula deoksiribosa, dan basa nitrogen. Sebuah unit monomer DNA yang
terdiri dari ketiga komponen tersebut dinamakan nukleotida, sehingga DNA
tergolong sebagai polinukleotida. Rantai DNA memiliki lebar 22–24 Å, sementara
panjang satu unit nukleotida 3,3 Å. Walaupun unit monomer ini sangatlah kecil,
DNA dapat memiliki jutaan nukleotida yang terangkai seperti rantai.
Replikasi merupakan proses pelipatgandaan DNA. Pada replikasi DNA, rantai
DNA baru dibentuk berdasarkan urutan nukleotida pada DNA yang digandakan.
Proses replikasi ini diperlukan ketika sel akan membelah diri. Pada setiap sel,
kecuali sel gamet, pembelahan diri harus disertai dengan replikasi DNA supaya
semua sel turunan memiliki informasi genetik yang sama.
Pada dasarnya, proses replikasi memanfaatkan fakta bahwa DNA terdiri dari
dua rantai dan rantai yang satu merupakan “konjugat” dari rantai pasangannya.
Dengan kata lain, dengan mengetahui susunan satu rantai, maka susunan rantai
pasangan dapat dengan mudah dibentuk.
Jenis Replikasi DNA
- Replikasi konservatif
Pada replikasi konservatif seluruh tangga berpilin DNA awal tetap
dipertahankan dan akan mengarahkan pembentukan tangga berpilin baru
- Replikasi semikonservatif
Tangga berpilin mengalami pembukaan terlebih dahulu sehingga kedua untai
polinukleotida akan saling terpisah. Namun, masing-masing untai ini tetap dipertahankan
dan akan bertindak sebagai cetakan (template) bagi pembentukan untai
polinukleotida baru
- Replikasi dispersif
Kedua untai polinukleotida mengalami fragmentasi di sejumlah tempat.
Kemudian, fragmen-fragmen polinukleotida yang terbentuk akan menjadi cetakan
bagi fragmen nukleotida baru sehingga fragmen lama dan baru akan dijumpai
berselang-seling di dalam tangga berpilin yang baru.
- Replikasi semikonservatif
Proses Terjadinya
Replikasi DNA
Di antara ketiga cara replikasi DNA yang diusulkan tersebut, hanya cara
semikonservatif yang dapat dibuktikan kebenarannya melalui percobaan yang
dikenal dengan nama sentrifugasi seimbang dalam tingkat kerapatan atau equilibrium
density-gradient centrifugation.
Percobaan ini dilaporkan hasilnya pada tahun 1958 oleh M.S. Meselson dan
F.W. Stahl. Model replikasi semikonservatif memberikan gambaran bahwa untaian
DNA induk berperan sebagai cetakan (template) bagi pembentukan untaian
DNA baru, dengan demikian, salah satu bagian yang sangat penting dalam proses
replikasi DNA adalah denaturasi awal untaian DNA yang merupakan proses
enzimatis. Denaturasi awal terjadi pada bagian DNA yang disebut ORI. Untaian
DNA membuka membentuk struktur yang disebut garpu replikasi (replication
fork). Garpu replikasi akan bergerak sehingga molekul DNA induk membuka
secara bertahap. Masing-masing untaian DNA yang sudah terpisah, berfungsi
sebagai cetakan untuk penempelan nukleotida-nukleotida yang akan menyusun
molekul DNA baru. Sekuens basa nitrogen DNA baru sesuai dengan sekuens basa cetakan
DNA komplementernya.
Replikasi DNA
berlangsung dalam tahapan :
1) Denaturasi
(pemisahan) untaian DNA induk
2) Inisiasi sintesis
DNA
3) Pemanjangan
untaian DNA
4) Ligasi fragmen
DNA
5) Terminasi
sintesis DNA
Sintesis untaian DNA yang baru akan dimulai segera setelah ke dua untaian
DNA induk terpisah membentuk garpu replikasi. Pemisahan dilakukan oleh enzim DNA
helikase. Kedua untaian DNA induk menjadi cetakan dalam orientasi 5’-P ke
arah 3’-OH. Jadi, ada dua untaian DNA cetakan yang orientasinya berlawanan.
Garpu replikasi akan membuka secara bertahap.
Sintesis untaian DNA baru yang searah dengan pembukaan garpu replikasi akan
dapat dilakukan dilakukan tanpa terputus (kontinyu) terhadap untaian DNA awal (leading
strand). Sebaliknya, tahap demi tahap (diskontinyu), dilakukan terhadap
untaian DNA lambat (lagging strand). Mekanisme replikasi DNA berlangsung
secara semidiskontinyu karena ada perbedaan mekanisme dalam proses sintesis
kedua untaian DNA. Fragmen-fragmen DNA hasil replikasi diskontinyu (fragmen
Okazaki) akan disambung (ligasi) dengan enzim DNA ligase.
Polimerisasi DNA hanya dapat dimulai jika tersedia untai DNA molekul
primer. Dalam replikasi DNA in vivo, molekul primer berupa molekul RNA
berukuran 10-12 nukleotida. In vitro, misal pada Polymerase Chain
Reaction (PCR) diperlukan DNA sebagai molekul primer. Fungsi molekul primer
menyediakan ujung 3’-OH yang akan digunakan untuk menempelkan molekul DNA
pertama dalam proses polimerisasi. Sintesis RNA primer dilakukan oleh kompleks
protein yg disebut primosom (primase + beberapa protein lain). Diperlukan lebih
dari 1 primer untuk proses sintesis pada untaian DNA lambat (lagging strand).
Pada prokariot, polimerisasi dikatalisis DNA polimerase III. Dissosiasi
enzim ini dari DNA cetakan terjadi saat bertemu dengan ujung 5’-P DNA primer
yang menempel pada bagian lain. DNA primer pada fragmen Okazaki, didegradasi
oleh aktivitas eksonuklease yang ada pada enzim DNA polimerase. Bagian RNA yang
terdegradasi, diisi oleh molekul DNA, meskipun antar fragmen masih ada celah.
Celah terbentuk karena belum ada ikatan fosfodiester antara ujung 3’-OH pada
nukleotida terakhir yang disintesis oleh DNA polimerase dengan ujung 5’-P
fragmen DNA yang ada didekatnya. Celah ini akan disambung oleh DNA ligase
dengan menggunakan NAD atau ATP sebagai sumber energi. Pada untai DNA awal (leading
strand) hanya diperlukan satu molekul primer pada titik awal replikasi.
Untaian DNA baru disintesis dengan aktivitas DNA polimerase III secara
kontinyu.
A.
Replikasi DNA prokariot
Replikasi DNA
kromosom prokariot, khususnya bakteri, sangat berkaitan dengan siklus
pertumbuhannya. Daerah ORI pada E. coli, misalnya, berisi empat buah tempat
pengikatan protein inisiator DnaA, yang masing-masing panjangnya 9 pb. Sintesis
protein DnaA ini sejalan dengan laju pertumbuhan bakteri sehingga inisiasi
replikasi juga sejalan dengan laju pertumbuhan bakteri.
Pada laju
pertumbuhan sel yang sangat tinggi, DNA kromosom prokariot dapat mengalami
reinisiasi replikasi pada dua ORI yang baru terbentuk, sebelum putaran
replikasi yang pertama berakhir. Akibatnya, sel-sel hasil pembelahan akan
menerima kromosom yang sebagian telah bereplikasi.
Protein DNA
membentuk struktur kompleks yang terdiri atas 30 hingga 40 buah molekul, yang
masing-masing akan terikat pada molekul ATP. Daerah ORI akan mengelilingi
kompleks DnaA-ATP tersebut. Proses ini memerlukan kondisi superkoiling negatif
DNA (pilinan kedua untai DNA berbalik arah sehingga terbuka).
Superkoiling negatif
akan menyebabkan pembukaan tiga sekuens repetitif sepanjang 13 pb yang kaya
dengan ATP sehingga memungkinkan terjadinya pengikatan protein DnaB, yang
merupakan enzim helikase, yaitu enzim yang akan menggunakan energi ATP hasil
hidrolisis untuk bergerak di sepanjang kedua untai DNA dan memisahkannya.
Untai DNA tunggal
hasil pemisahan oleh helikase selanjutnya diselubungi oleh protein pengikat
untai tunggal atau single-stranded binding protein (SSB) untuk
melindungi DNA untai tunggal dari kerusakan fisik dan mencegah renaturasi.
Enzim DNA primase kemudian akan menempel pada DNA dan menyintesis RNA primer
yang pendek untuk memulai atau menginisiasi sintesis pada untai pengarah.
Agar replikasi dapat
terus berjalan menjauhi ORI, diperlukan enzim helikase selain DnaB. Hal ini
karena pembukaan heliks akan diikuti oleh pembentukan putaran baru berupa
superkoiling positif. Superkoiling negatif yang terjadi secara alami ternyata
tidak cukup untuk mengimbanginya sehingga diperlukan enzim lain, yaitu topoisomerase
tipe II yang disebut dengan DNA girase. Enzim DNA girase ini
merupakan target serangan antibiotik sehingga pemberian antibiotik dapat
mencegah berlanjutnya replikasi DNA bakteri.
Seperti telah
dijelaskan di atas, replikasi DNA terjadi baik pada untai pengarah maupun pada
untai tertinggal. Pada untai tertinggal suatu kompleks yang disebut primosom
akan menyintesis sejumlah RNA primer dengan interval 1.000 hingga 2.000 basa.
Primosom terdiri atas helikase DnaB dan DNA primase.
Primer baik pada
untai pengarah maupun pada untai tertinggal akan mengalami elongasi dengan
bantuan holoenzim DNA polimerase III. Kompleks multisubunit ini merupakan
dimer, separuh akan bekerja pada untai pengarah dan separuh lainnya bekerja
pada untai tertinggal. Dengan demikian, sintesis pada kedua untai akan berjalan
dengan kecepatan yang sama.
Masing-masing bagian
dimer pada kedua untai tersebut terdiri atas subunit a, yang mempunyai fungsi
polimerase sesungguhnya, dan subunit e, yang mempunyai fungsi penyuntingan
berupa eksonuklease 3’ 5’. Selain itu, terdapat subunit b yang menempelkan
polimerase pada DNA.
Begitu primer pada
untai tertinggal dielongasi oleh DNA polimerase III, mereka akan segera dibuang
dan celah yang ditimbulkan oleh hilangnya primer tersebut diisi oleh DNA
polimerase I, yang mempunyai aktivitas polimerase 5’3’, eksonuklease 5’3’, dan
eksonuklease penyuntingan 3’5’. Eksonuklease 5’3’ membuang primer, sedangkan
polimerase akan mengisi celah yang ditimbulkan. Akhirnya, fragmen-fragmen
Okazaki akan dipersatukan oleh enzim DNA ligase. Secara in vivo, dimer
holoenzim DNA polimerase III dan primosom diyakini membentuk kompleks berukuran
besar yang disebut dengan replisom. Dengan adanya replisom sintesis DNA akan
berlangsung dengan kecepatan 900 pb tiap detik.
Kedua garpu replikasi akan bertemu
kira-kira pada posisi 180°C dari ori. Di sekitar daerah ini terdapat sejumlah
terminator yang akan menghentikan gerakan garpu replikasi. Terminator tersebut
antara lain berupa produk gen tus, suatu inhibitor bagi helikase DnaB. Ketika
replikasi selesai, kedua lingkaran hasil replikasi masih menyatu. Pemisahan
dilakukan oleh enzim topoisomerase IV. Masing-masing lingkaran hasil replikasi
kemudian disegregasikan ke dalam kedua sel hasil pembelahan.
B.
Replikasi DNA eukariot
Pada eukariot replikasi DNA hanya terjadi pada fase S di dalam interfase.
Untuk memasuki fase S diperlukan regulasi oleh sistem protein kompleks yang
disebut siklin dan kinase tergantung siklin atau cyclin-dependent protein
kinases (CDKs), yang berturut-turut akan diaktivasi oleh sinyal pertumbuhan
yang mencapai permukaan sel. Beberapa CDKs akan melakukan fosforilasi dan
mengaktifkan protein-protein yang diperlukan untuk inisiasi pada masing-masing
ORI.
Berhubung dengan kompleksitas struktur kromatin, garpu replikasi pada
eukariot bergerak hanya dengan kecepatan 50 pb tiap detik. Sebelum melakukan
penyalinan, DNA harus dilepaskan dari nukleosom pada garpu replikasi sehingga
gerakan garpu replikasi akan diperlambat menjadi sekitar 50 pb tiap detik.
Dengan kecepatan seperti ini diperlukan waktu sekitar 30 hari untuk menyalin
molekul DNA kromosom pada kebanyakan mamalia.
Sederetan pasangan sekuens yang terdiri atas 20 hingga 50 replikon
mengalami inisiasi secara serempak pada waktu tertentu selama fase S. Deretan
yang mengalami inisasi paling awal adalah eukomatin, sedangkan deretan
yang agak lambat adalah heterokromatin. DNA sentromir dan telomir
bereplikasi paling lambat. Pola semacam ini mencerminkan aksesibilitas struktur
kromatin yang berbeda-beda terhadap faktor inisiasi.
Seperti halnya pada prokariot, satu atau beberapa DNA helikase dan SSB yang
disebut dengan protein replikasi A atau replication protein A (RP-A)
diperlukan untuk memisahkan kedua untai DNA. Selanjutnya, tiga DNA polimerase
yang berbeda terlibat dalam elongasi. Untai pengarah dan masing-masing fragmen
untai tertinggal diinisiasi oleh RNA primer dengan bantuan aktivitas primase
yang merupakan bagian integral enzim DNA polimerase a. Enzim ini akan
meneruskan elongasi replikasi tetapi kemudian segera digantikan oleh DNA
polimerase d pada untai pengarah dan DNA polimerase e pada untai tertinggal.
Baik DNA polimerase d maupun e mempunyai fungsi penyuntingan. Kemampuan DNA
polimerase d untuk menyintesis DNA yang panjang disebabkan oleh adanya antigen
perbanyakan nuklear sel atau proliferating cell nuclear antigen (PCNA), yang
fungsinya setara dengan subunit b holoenzim DNA polimerase III pada E. coli.
Selain terjadi penggandaan DNA, kandungan histon di dalam sel juga mengalami
penggandaan selama fase S.
Mesin replikasi yang terdiri atas semua enzim dan DNA yang berkaitan dengan
garpu replikasi akan diimobilisasi di dalam matriks nuklear. Mesin-mesin
tersebut dapat divisualisasikan menggunakan mikroskop dengan melabeli DNA yang
sedang bereplikasi. Pelabelan dilakukan menggunakan analog timidin, yaitu
bromodeoksiuridin (BUdR), dan visualisasi DNA yang dilabeli tersebut dilakukan
dengan imunofloresensi menggunakan antibodi yang mengenali BUdR.
Ujung kromosom linier tidak dapat direplikasi sepenuhnya karena tidak ada
DNA yang dapat menggantikan RNA primer yang dibuang dari ujung 5’ untai
tertinggal. Dengan demikian, informasi genetik dapat hilang dari DNA. Untuk
mengatasi hal ini, ujung kromosom eukariot (telomir) mengandung beratus-ratus
sekuens repetitif sederhana yang tidak berisi informasi genetik dengan ujung 3’
melampaui ujung 5’. Enzim telomerase mengandung molekul RNA pendek, yang sebagian
sekuensnya komplementer dengan sekuens repetitif tersebut. RNA ini akan
bertindak sebagai cetakan (templat) bagi penambahan sekuens repetitif pada
ujung 3’.
Hal yang menarik adalah bahwa aktivitas telomerase mengalami penekanan di
dalam sel-sel somatis pada organisme multiseluler, yang lambat laun akan
menyebabkan pemendekan kromosom pada tiap generasi sel. Ketika pemendekan
mencapai DNA yang membawa informasi genetik, sel-sel akan menjadi layu dan
mati. Fenomena ini diduga sangat penting di dalam proses penuaan sel. Selain
itu, kemampuan penggandaan yang tidak terkendali pada kebanyakan sel kanker
juga berkaitan dengan reaktivasi enzim telomerase.
Replikasi bahan
genetik
Replikasi bahan genetik memerlukan beberapa komponen utama yaitu DNA
cetakan
- Molekul deoksi ribonukleotida : dATP, dTTP, dCTP, dan dGTP
- Enzim DNA polimerase : enzim utama yg mengkatalisa polimerisasi nukleotida menjadi untaian DNA
- Enzim primase : mengkatalisis sintesis primer untuk memulai replikasi DNA
- Enzim helikase : pembuka ikatan untaian DNA induk. Dibantu oleh enzim girase
- Protein SSB (single strand binding protein) : menstabilkan untaian DNA yg sudah terbuka
- Enzim DNA ligase : menyambung fragmen-fragmen DNA
DAFTAR PUSTAKA
Campbell
NA, Reece BJ, Mitchell LG. 2002. Biologi. Jakarta: Erlangga
Dale
JW & Park SF. 2004. Molecular Genetics of Bacteria. Chichester.: John
Willey & Sons Ltd
Waldron
I & Doherty J. 2010. From Gene to Protein- Transcription and Translation.
Departement of Biology, University of Pennsylvania
Yowono
T. 2005. Biologi Molekuler. Jakarta: Erlangga
Diajukan untuk melengkapi tugas
dasar0dasar bioteknologi
REPLIKASI
Oleh
kelompok :
Cut
Shavrina Devinta Fauzi
Dewi
Ardiyanti Dalimunthe
Sismeli
widiya Sari Selian
Raihan
Amelia Putri
Riyandara
kusuma
Mhd.
Taufiq Lubis
Teuku
Rafsanjani
M.
Yovan Khalis
T.
nasri P. Alam
Nora
Usrina
Novita
Sari
Rino
Bahri
Rini
Asbi
FAKULTAS
KEDOKTERAN HEWAN
UNIVERSITAS
SYIAH KUALA
DARUSSALAM,
BANDA ACEH
2013
Tidak ada komentar:
Posting Komentar