IX. Genetika Mendel

7/10 November 2011
Tatap Muka 7: Heredity II
IX. Genetika Mendel
(Mendel and the Gene Idea)
Diambil dari Campbell et al (2009), Biology 8th
Jika Anda bertemu dengan seseorang yang berambut ungu, maka Anda akan
berpikir bahwa rambut ungu tersebut tidak diwarisi dari orangtuanya. Disadari atau tidak,
Anda sebenarnya telah melakukan observasi tentang warna rambut, dan barangkali juga
sifat-sifat lain dan melihat variasi yang terdapat secara alami pada populasi. Rambut
berwarna hitam, coklat, atau merah dan tipe rambut yang lurus atau keriting merupakan
sebagian dari variasi sifat yang diturunkan. Prinsip genetika apakah yang
bertanggungjawab terhadap transmisi trait tertentu dari orang tua kepada anak-anaknya?
Penjelasan tentang hereditas pada tahun 1800an adalah hipotesis “blending”, yaitu
materi genetik yang berasal dari dua orang tua bercampur seperti bercampurnya warna biru
dan kuning yang membentuk warna hijau. Hipotesis ini memprediksi bahwa dalam
beberapa generasi, suatu populasi yang melakukan perkawinan bebas akan menghasilkan
populasi yang memiliki individu yang seragam. Namun demikian, pengamatan kita seharihari dan hasil dari percobaan pemuliaan hewan dan tumbuhan menunjukkan hasil yang
kontradiktif. Hipotesis blending, juga gagal dalam menjelaskan fenomena lain pewarisan,
seperti trait yang muncul kembali sesudah beberapa generasi.
Bentuk alternatif dari model blending adalah hipotesis pewarisan: gen. Menurut
model ini orang tua mewariskan unit keturunan (gen) yang menyimpan identitas terpisah
kepada anak-anaknya. Genetika modern diawali oleh Gregor Mendel, yang
mengembangkan teori pewarisan jauh sebelum kromosom ditemukan dan tingkah lakunya
dipahami. Pada bab ini akan dibahas percobaan Mendel dan bagaimana Mendel sampai
pada teori pewarisan. Pola pewarisan trait yang lebih kompleks dari observasi Mendel juga
akan dibahas dengan konsep kunci:
1. Mendel used the scientific approach to identify two laws of inheritance
2. Inheritance patterns are often more complex than predicted by simple Mendelian
genetics
Kompetensi yang diharapkan adalah:
________________________________________________________________________
1. Mahasiswa mampu menerangkan hukum segregasi dan hukum independent
assortment
2. Mahasiswa mampu menjelaskan bagaimana expresi fenotif pada heterozigot
berbeda dari complete dominance, incomplete dominance, dan codominance
3. Mahasiswa mampu mendefinisikan dan memberi contoh pleiotropy dan epistasis
________________________________________________________________________
120
1. Mendel used the scientific approach to identify two laws of inheritance
Mendel’s Experimental, Quantitative Approach
Salah satu alasan Mendel memilih bekerja dengan tanaman polong pea adalah
karena tanaman ini memiliki varietas yang beragam (sebagai contoh, satu varietas memiliki
bunga ungu dan varietas lain memiliki bunga putih). Variasi karakter diantara individu
seperti warna bunga disebut karakter. Tiap-tiap varian dari sebuah karakter seperti ungu
atau putih untuk warna bunga disebut trait (sifat).
Alasan lain Mendel menggunakan tanaman tersebut adalah waktu generasinya yang
pendek dan anakan yang dihasilkan dalam jumlah besar dalam satu kali perkawinan. Lebih
jauh lagi Mendel dapat mengendalikan perkawinan antar tumbuhan. Organ reproduktif dari
tanaman pea terdapat pada bunganya dan tiap bunga pea memiliki organ penghasil polen
(stamen) dan organ penghasil sel telur (karpel). Di alam, tanaman ini pada umumnya
melakukan fertilisasi sendiri: polen dari stamen membuahi karpel dari bunga yang sama,
dan sperma yang dilepaskan oleh polen membuahi sel telur yang ada dalam karpel. Untuk
memperoleh polinasi silang (fertilisasi antara tumbuhan berbeda), Mendel menghilangkan
stamen muda pada tumbuhan sebelum mampu menghasilkan polen dan kemudian
menyapukan polen dari tumbuhan lain pada bunga yang dipilih (Figure 14.2). Tiap-tiap
zigot yang dihasilkan berkembang menjadi embrio tumbuhan yang dilindungi oleh biji.
Mendel memilih untuk mengikuti karakter-karakter yang memiliki perbedaan yang
mencolok. Sebagai contoh, tumbuhan yang dipakainya hanya memiliki bunga ungu atau
bunga putih, dan tidak terdapat warna intermediate diantara dua verietas tersebut. Mendel
juga meyakinkan bahwa ekperimen yang dilakukan dimulai dengan varietas yang selama
beberapa generasi melakukan polinasi sendiri, yang hanya memproduksi varietas sama
dengan induknya. Tumbuhan seperti ini disebut true-breeding (galur murni).
121
Sebagai contoh, tumbuhan dengan warna bunga ungu adalah true-breeding jika biji yang
dihasilkan melalui self polination pada beberapa generasi juga menghasilkan tumbuhan
yang berwarna bunga ungu. Dalam percobaan breeding, Mendel melakukan polinasi silang
122
dua galur murni varietas pea yang memiliki sifat berlawanan (sebagai contoh, tumbuhan
berbunga ungu dan berbunga putih). Perkawinan atau penyilangan diantara dua varietas
galur murni ini disebut hibridisasi. Induk galur murni disebut sebagai generasi P
(generasi parental), dan anakannya disebut generasi F1 (generasi filial pertama). Hibrid F1
yang melakukan penyerbukan sendiri menghasilkan generasi F2 (generasi filial kedua).
Mendel selanjutnya mengikuti perkembangan sifat dari P, F1 dan F2.
The Law of Segregation
Jika model ”blending” benar maka hibrid F1 yang berasal dari persilangan antara
tanaman pea yang berbunga ungu dan putih akan menghasilkan pohon dengan bunga ungu
pucat, sebuah sifat intermediate antara kedua generasi P. Perhatikan Figure 14.2 yang
menunjukkan eksperimen memberikan hasil yang berbeda: semua generasi F1 memiliki
bunga ungu seungu induknya. Apa yang terjadi dengan gen tumbuhan berbunga putih pada
hibrid tersebut? Jika hilang maka tumbuhan F1 hanya dapat menghasilkan anakan
berbunga ungu pada generasi F2. Ketika Mendel membiarkan tumbuhan F1 untuk
melakukan penyerbukan sendiri dan kemudian menanam bijinya, bunga putih muncul lagi
dalam generasi F2.
Mendel menggunakan sampel berukuran besar dan mencatat hasilnya secara akurat:
705 tumbuhan F2 memiliki bunga ungu, dan 224 memiliki bunga putih. Data ini sesuai
dengan ratio tiga ungu dan satu putih (Figure 14.3). Mendel memberikan rational bahwa
faktor keturunan untuk bunga putih tidak menghilang pada tumbuhan F1, tetapi tertutup
ketika faktor keturunan bunga ungu ada. Dalam terminologi Mendel, warna bunga ungu
adalah sifat dominan dan warna putih adalah sifat resesif. Munculnya kembali tumbuhan
bunga putih pada generasi F2 merupakan bukti bahwa faktor keturunan menyebabkan
warna putih tidak larut atau tidak rusak dengan adanya faktor bunga ungu dalam hibrid F1.
Mendel mendapatkan pola keturunan yang sama dalam enam karakter lainnya yang
masing-masing diwakili oleh dua sifat yang berbeda (Tabel 14.1). Sebagai contoh, ketika
Mendel menyilangkan galur murni varietas yang memiliki biji halus bundar dengan biji
berkeriput, semua hibrid F1 menghasilkan biji bundar halus yang merupakan sifat dominan
bentuk biji. Pada generasi F2, 75% biji adalah biji bundar dan 25% biji keriput
(perbandingan 3:1 seperti disajikan Figure 14.3).
123
124
125
Mendel’s Model
Mendel mengembangkan suatu model untuk menjelaskan pola penurunan 3:1 yang
secara konsisten ditemukan dalam experimennya dalam anakan F2. Terdapat empat konsep
yang saling berhubungan yang menyususn model tersebut, dimana yang keempat adalah
law of segregation.
Pertama, alternative version of genes account for variations in inherited
characters. Gen untuk warna bunga pada tanaman pea sebagai contohnya terdapat dalam
dua versi, yaitu versi pertama untuk bunga ungu dan yang lainnya untuk bunga putih. Versi
alternative dari gen disebut allel (Figure 14.4). Pada masa sekarang konsep ini dapat
dikaitkan dengan kromosom dan DNA. Tiap-tiap gen adalah urutan tertentu nukleotida
pada tempat yang spesifik yang disebut locus pada kromosom tertentu. DNA pada locus
tersebut dapat sedikit bervariasi dalam urutan nukleotidanya demikian juga dengan
informasi yang dikandungnya. Alel bunga ungu dan alel bunga putih adalah kemungkinan
dua variasi DNA pada locus warna bunga pada salah satu kromosom tanaman pea.
Kedua, for each characters, an organism inherits two alleles, one from each
parent. Mendel menarik deduksi ini tanpa mengetahui peran kromosom. Ingatlah bahwa
tiap sel somtik pada organisme diploid memiliki dua set kromosom, tiap-tiap set diwarisi
dari tiap orang tua. Dua alel pada locus tertentu dapat bersifat identik seperti tanaman galur
murni pada generasi P atau kedua alel tersebut bisa berbeda seperti pada hybrid F1.
126
Ketiga, if the two alleles at a locus differ, then one, the dominant allele, determines
the organism’s appearance; the other, the recessive allele, has no noticeable effect on the
organism’s appearance. Tumbuhan F1-nya Mendel memiliki bunga ungu karena alel
untuk sifat tersebut dominan dan alel bunga putih resesif.
Keempat dan bagian terakhir dari model Mendel, law of segregation (hukum
segregasi), menyatakan bahwa the two alleles for a heritable character segregate
(separate) during gamete formation and end up in different gametes. Dengan demikian, sel
telur atau sel sperma hanya mendapatkan satu dari dua alel yang terdapat di dalam sel
somatik organisme yang membentuk gamet. Dalam kromosom, pemisahan ini sejalan
dengan distribusi dari dua anggota pasangan kromosom homolog ke dalam gamet yang
berbeda pada pembelahan meiosis (lihat Figure 13.7). Ingatlah bahwa jika sebuah
organisme memiliki alel yang identik untuk karakter tertentu, berarti organisme tersebut
adalah galur murni untuk karakter tersebut, sehingga alel tersebut terdapat di keseluruhan
gamet. Tetapi jika alel yang ada berbeda, maka 50% dari gamet menerima alel dominan
dan 50% menerima alel resesif.
Apakah model segregasi Mendel menentukan ratio 3:1 yang diamatinya pada
generasi F2? Untuk karakter warna bunga, model tersebut memprediksikan bahwa dua alel
yang berbeda pada individu F1 akan bersegregasi ke dalam gamet sedemikian rupa
sehingga separoh dari gamet akan memiliki alel bunga ungu dan separoh lagi akan
memiliki alel bunga putih. Selama penyerbukan sendiri, gamet dari tiap-tiap kelompok
menyatu secara random. Sel telur dengan alel bunga ungu memiliki kesempatan yang sama
untuk dibuahi oleh sperma dengan alel bunga ungu atau dengan alel bunga putih. Karena
hal yang sama dapat terjadi pada sel telur dengan warna bunga putih maka terdapat empat
kemungkinan kombinasi yang sama dari sel telur dan sperma. Figure 14.5 menggambarkan
kombinasi tersebut menggunakan Punnett square, sebuah diagram praktis untuk
memprediksi komposisi alel anakan dari penyilangan antara individu yang telah diketahui
susunan genetiknya. Ingatlah bahwa huruf besar digunakan untuk menyimbolkan alel
dominan dan huruf kecil untuk alel resesif. Pada contoh diatas, P adalah alel bunga ungu,
dan p adalah alel bunga putih.
Bagaimanakah penampilan fisik dari anakan F2? Seperempat dari tanaman
mewarisi dua alel bunga ungu sehingga memiliki bunga yang berwarna ungu. Setengah
dari anakan F2 mewarisi satu alel bunga ungu dan satu alel bunga putih; dan memiliki
bunga warna ungu. Seperempat dari anakan F2 mewarisi dua alel bunga pitih dan
mengekspresikan bunga warna putih. Mendel memperoleh ratio 3:1 untuk sifat yang
terdapat pada generasi F2.
127
128
The Law of Independent Assortment
Hukum segregasi Mendel berawal dari ekperimen dengan karakter tunggal seperti
warna bunga. Semua keturunan F1 yang dihasilkan adalah galur murni monohibrid.
Mendel mengidentifikasi hukum kedua dengan mengamati dua karakter pada waktu yang
bersamaan seperti warna biji dan bentuk biji. Figure 14.8 menggambarkan penyilangan
dihibrid yaitu penyilangan antara dihibrid F1. Hasil dari percobaan dihibrid tersebut
menjadi dasar dari law of independent assortment, yang menyatakan bahwa each pair of
alleles segregates independently of each other pair of alleles during gamete formation.
Hukum ini hanya berlaku bagi gen (pasangan alel) yang terletak pada kromosom yang
berbeda yaitu pada kromosom yang tidak homolog. Gen yang terletak berdampingan pada
kromosom yang sama cenderung untuk diwariskan secara bersama-sama dan memiliki pola
penurunan yang lebih kompleks dari pada yang dapat diprediksikan oleh hukum
independent assortment.
2. Inheritance patterns are often more complex than predicted by simple
Mendelian genetics
Extending Mendelian Genetics for a Single Gene
Penurunan karakter oleh gen tunggal menyimpang dari pola Mendel jika alel secara
keseluruhan tidak menunjukkan sifat dominan atau sifat resesif yaitu ketika gen tertentu
memiliki lebih dari dua alel atau ketika satu gen menghasilkan lebih dari satu fenotif.
Degrees of Dominance
Alel dapat menunjukkan tingkat dominansi atau resesif yang berbeda satu dengan
lainnya. Pada penyilangan pea yang dilakukan Mendel, anakan F1 selalu menunjukkan
salah satu sifat dari sifat kedua induknya karena satu alel dari pasangan alel menunjukkan
complete dominance (dominansi lengkap) terhadap alel lainnya dari pasangan tersebut.
Pada beberapa gen, tidak ada alel yang secara lengkap mendominasi, sehingga
anakan F1 memiliki fenotif diantara variasi kedua induknya. Fenomena ini disebut
incomplete dominance dan ditunjukkan oleh penyilangan tanaman snapdragon berbunga
merah dan putih dimana seluruh hibrid F1 memiliki bunga berwarna pink (Figure 14.10).
Fenotif ketiga ini muncul karena bunga dari heterozigot memiliki pigmen merah lebih
sedikit dibandingkan dengan homozigot warna merah.
129
Variasi lain dari hubungan dominansi antar alel disebut codominance. Pada variasi
ini kedua alel mempengaruhi fenotif dengan cara yang terpisah dan berbeda. Sebagai
contoh, golongan darah MN manusia ditentukan oleh alel codominan untuk dua molekul
khusus yang terletak di permukaan sel darah merah yaitu molekul M dan molekul N.
Sebuah lokus tunggal (dengan dua kemungkinan variasi alel) menentukan fenotif golongan
darah. Individu homozigot untuk alel M (MM) memiliki sel darah merah dengan molekul
M saja sedangkan individual homozigot untuk alel N (NN) hanya memiliki sel darah
merah dengan molekul N saja. Jika kedua molekul M dan N terdapat pada sel darah merah,
individu tersebut adalah heterozigot untuk alel M dan N (MN). Ingatlah bahwa fenotif MN
bukan fenotif intermediate antara M dan N.
130
Frequency of Dominant Alleles
Terdapat suatu anggapan bahwa alel dominan suatu karakter akan lebih umum
ditemukan dalam suatu populasi dari pada alel yang resesif, namum tidaklah selalu
demikian. Sebagai contoh, hanya sekitar satu dari 400 bayi di US dilahirkan dengan jari
tangan atau kaki lebih dari lima (polydactyly). Kasus polydactyly disebabkan oleh
terdapatnya alel dominan. Rendahnya frekuensi polydactyly menunjukkan bahwa alel
resesif (menghasilkan 5 jari) lebih prevalen dari pada alel dominan dalam suatu populasi.
Multiple Alleles
Sebagian besar gen memiliki lebih dari dua bentuk alel. Golongan darah ABO
manusia sebagi contohnya ditentukan oleh tiga alel dari satu gen yaitu IA, IB dan i. Satu
orang dapat memiliki golongan darah A, B, AB atau O. Huruf-huruf tersebut mengacu
pada karbohidrat yang terdapat pada permukaan sel darah merah. Darah seseorang dapat
memiliki karbohidrat A (golongan darah A), karbohidrat B (golongan darah B), keduanya
(AB) atau tidak memiliki sama sekali (O) (Figure 14.11).
131
Pleiotropy
Sebagian besar dari gen memiliki multiple effect (efek ganda) terhadap fenotifnya,
disebut pleiotropy. Pada manusia, alel pleiotropi bertanggungjawab terhadap gejala
multipel yang berhubungan dengan penyakit yang dirunkan seperti cystic fibrosis dan
sickle-cell. Pada tanaman pea, gen yang menentukan warna bunga juga mempengaruhi
warna lapisan luar biji (abu-abu atau putih).
132
Extending Mendelian genetics for Two or More Genes
Epistasis
Pada epistasis, satu gen pada satu lokus mengubah ekspresi fenotik dari gen pada
lokus lain. Sebagai contoh, pada tikus dan mamalia lain, bulu warna hitam (B) dominan
terhadap warna coklat (b). Untuk mendapatkan bulu warna coklat seekor tikus harus
memiliki genotif bb; tetapi gen kedua menentukan apakah pigmen akan didepositkan pada
bulu. Alel dominan C menghasilkan deposisi pigmen baik hitam maupun putih tergantung
dari genotif pada lokus pertama. Jika tikus tersebut adalah homozigot resesif (cc), maka
bulunya berwarna putih walaupun genotif warna menunjukkan hitam/coklat pada lokus
pertama. Dalam kasus ini gen deposisi pigmen (C/c) dikatakan epistatik terhadap gen
pengkode pigmen hitam atau coklat (B/b). Apakah yang terjadi jika tikus hitam
heterozigot disilangkan? Lihat gambar 14.12.
133
Polygenic Inheritance
Mendel mempelajari karakter yang dapat dipisahkan (contoh warna ungu dan
warna putih pada bunga) namun banyak karakter yang tidak dapat dipisahkan dengan jelas
seperti warna kulit manusia dan tinggi manusia karena karakter ini bervariasi sepanjang
continuum (memiliki gradasi). Hal tersebut dikatakan debagai quantitatif characters.
Variasi kuantitatif pada umumnya menunjukkan adanya polygenic inheritance, yaitu
suatu efek tambahan dari dua atau lebih gen terhadap satu karakter fenotif (kebalikan dari
pleiotropy dimana satu gen mempengaruhi beberapa karakter fenotif). Pigmentasi kulit
manusia ditentukan oleh paling sedikit tiga gen terpisah yang diwariskan (Figure 14.13).
134
RINGKASAN
 Gen memiliki bentuk alternatifnya (alel). Pada organisme diploid, dua alel dari suatu
gen terpisah selama pembentukan gamet: setiap sel sperma atau sel telur hanya
membawa satu alel dari setiap pasangnya. Hukum ini menjelaskan ratio 3:1 pada fenotif
monohibrid F2 yang melakukan polinasi sendiri. Setiap organisme mewarisi satu alel
dari tiap gen dari tiap orang tua. Pada organisme heterozigot, dua alel tersebut berbeda,
dan expresi dari salah satu (alel dominan) menutupi efek fenotifik dari alel yang lainnya
(alel resesif). Organisme homozigot memiliki alel identik pada gen tertentu dan disebut
sebagai galur murni.
135
 Setiap pasangan alel (untuk satu gen) terpisah ke dalam gamet secara independen
terhadap pasangan yang lainnya. Pada perkawinan silang dihibrid (individu heterozigot
untuk dua gen), keturunannya menghasilkan empat fenotif dengan ratio 9:3:3:1.
136
QUIZ
1. Dalam proses pembentukan gamet, sel telur atau sel sperma hanya memiliki satu dari
dua alel yang terdapat dalam sel. Hal ini merupakan penjelasan dari
A. law of segregation
B. dominasi alel
C. law of independent assortment
D. model Mendel
2. Fenomena incomplete dominance disebabkan oleh tidak adanya alel yang secara lengkap
mendominasi (B/S)
3. Contoh gen yang memiliki multiple alleles adalah
A. gen warna kulit manusia
B. gen warna bulu tikus
C. gen golongan darah ABO
D. semua jawab salah
4. Versi alternatif dari gen disebut lokus (B/S)
5. Replikasi DNA dimulai dari tempat yang disebut origins of replication (B/S)
137
X. Biologi Molekuler Gen
(The Molecular Basis of Inheritance)
Diambil dari Campbell et al (2009), Biology 8th
Dari semua molekul alam, asam nukleat memiliki keunikan dalam mereplikasi
dirinya sendiri dengan menggunakan monomer-monomer. Kemiripan keturunan dengan
induknya adalah berdasarkan replikasi DNA yang akurat dan transmisi DNA dari satu
generasi kepada generasi berikutnya. Informasi hereditas terkandung di dalam bahasa
kimia DNA yang mampu menggandakan diri dalam sel. Program DNA inilah yang
mengararahkan perkembangan biokimia, anatomi, fisiologi, dan dalam beberapa hal trait
tingkah laku organisme. Dalam bab ini akan dibahas bagaimana DNA bereplikasi dan
bagaimana sel melakukan reparasi terhadap DNA yang rusak. Pada bagian akhir akan
dikaji bagaimana DNA dikemas dalam bentuk kromosom. Konsep kinci yang diacu
adalah:
1. Many proteins work together in DNA replication and repair
2. A chromosome consists of a DNA molecule packed together with proteins
Sedangkan kompetensi yang diharapkan meliputi
________________________________________________________________________
1. Mahasiswa mampu mendeskripsikan struktur DNA
2. Mahasiswa mampu mendeskripsikan proses replikasi DNA
3. Mahasiswa mampu mendeskripsikan kerja dari DNA polymerase, DNA ligase,
primer, primase, helicase, topoisomerase, dan single-strand binding proteins
4. Mahasiswa mampu mendeskripsikan pengemasan kromosom
________________________________________________________________________
Struktur DNA
The DNA Double Helix
Molekul DNA memiliki dua polinukleotida yang terpilin seperti spiral
disepanjang axis imajiner membentuk double helix (Figue 5.28). Kedua rangka
gula-fosfatnya terletak dengan arah yang saling terbalik terhadap salah satu
pasangannya (suatu aransemen/ tataletak yang disebut sebagai antiparalel).
Rangka gula-fosfat terletak dibagian luar dari helix dan basa-basa nitrogen saling
berpasangan di bagian dalam helix. Kedua untai polinukleotida ini terikat oleh
ikatan hidrogen.
Hanya basa-basa tertentu dalam double helix yang kompatibel. Adenin (A)
selalu berpasangan dengan timin (T) dan guanin (G) selalu berpasangan dengan
sitosin (C). Jika urutan basa dari salah satu untai DNA dibaca maka akan
diketahui urutan basa pada untai pasangannya. Sebagai contoh, salah satu untai
memiliki urutan basa 5’-AGGTCCG-3’ maka urutan basa pada untai pasangannya
adalah 3’-TCCAGGC-5’. Sifat inilah yang memungkinkan DNA mampu melakukan
salinan yang akurat dan bertanggungjawab terhadap penurunan sifat. Pada
138
pembelahan sel, tiap-tiap untai DNA menjadi template (cetakan) untuk menyusun
untai baru. Hasilnya berupa salinan yang identik dengan molekul DNA untai ganda
yang asli. Jadi struktur DNA menjelaskan fungsi DNA dalam mentransmisikan
informasi genetik pada saat sel bereproduksi.
1. Many proteins work together in DNA replication and repair
DNA Replication: A Closer Look
Bacteria E. coli memiliki kromosom tunggal yang terdiri dari sekitar 4.6 juta
pasang nukleotida. Pada lingkungan yang menguntungkan, sel E. coli mampu menyalin
seluruh DNA-nya dan memisahkan diri untuk membentuk dua individu baru yang identik
secara genetik dalam waktu kurang dari satu jam. Tiap sel manusia memiliki sekitar enam
milyard pasang basa; dan sel manusia hanya membutuhkan waktu beberapa jam saja untuk
139
menyalin seluruh DNA-nya. Replikasi dari informasi genetik yang sangat banyak ini
dilakukan dengan kesalahan yang sangat rendah (sekitar satu diantara 10 milyard
nukleotida). Lebih dari 12 macam enzim dan protein lain terlibat dalam replikasi DNA.
Getting Started
Replikasi molekul DNA dimulai dari tempat khusus yang disebut origins of
replication (rangkaian pendek DNA yang memiliki sequence nukleotida tertentu).
Kromosom E. coli seperti pada bacteria lainnya berbentuk sirkular dan memiliki satu
origin. Protein yang mengawali replikasi DNA mampu mengenali sequence origin
kemudian menempel pada DNA, memisahkan dua untai dan membentuk replication
bubble (gelembung replikasi). Replikasi DNA selanjutnya berjalan dari dua arah sampai
seluruh DNA disalin (Figure 16.12a). Pada kromosom sel eukariot terdapat ratusan bahkan
ribuan origins of replication. Terbentuk banyak gelembung replikasi yang akhirnya akan
menyatu sehingga mempercepat penyalinan molekul DNA yang sangat panjang (Figure
16.12b).
Pada ujung gelembung replikasi terdapat replication fork (garpu replikasi) yaitu
suatu are berbentu huruf Y dimana untai DNA induk dibuka jalinanya. Beberapa macam
protein berperan dalam proses terbukanya jalinan/untaian DNA (16.13). Helicase adalah
enzim yang berperan dalam membuka pilinan dari double helix pada area replication fork
sehingga memisahkan dua untai induk DNA dan membuat untai ini sebagai untai cetakan.
Sesudah pemisahan untai induk, single-strand binding protein, mengikat untai tunggal
DNA dan menstabilkan untai ini. Terbukanya lipatan dari double helix menyebabkan
terjadinya lipatan yang lebih erat/kuat dan ketegangan pada area didepan replication fork.
Oleh karena itu topoisomerase yang berfungsi membantu mengurangi ketegangan
menggabungkan diri dengan untai DNA.
140
Dua untai DNA induk yang telah terpisah berlaku sebagai template (cetakan) untuk
mensintesa untai DNA baru. Namun demikian, enzim yang mensintesa DNA tidak dapat
memulai sintesis polinukleotida; enzim ini hanya mampu menambahkan nukleotida pada
ujung dari rantai yang sudah ada yaitu yang telah berpasangan dengan untai dari cetakan
induk. Rantai nukleotida awal yang dihasilkan selama sintesis DNA sebenarnya adalah
untai pendek dari RNA, bukan DNA. Rantai pendek RNA ini disebut primer dan primer
tersebut disintesa oleh enzim primase. Primase mengawali rantai pendek RNA dari satu
nukleotida RNA yang ditambahkan satu persatu mengikuti untai DNA induk sebagai
template-nya. Primer pada umumnya memiliki 5-10 nukleotida. Untai DNA yang baru
dimulai dari ujung 3’ primer RNA.
141
Synthesizing a New DNA Strand
Enzim DNA polimerase mengkatalisis sintesis DNA baru dengan menambahkan
nukleotida pada rantai yang telah terbentuk sebelumnya. Pada E. Coli terdapat beberapa
DNA polimerase yang berlainan tetapi hanya dua yang berperan sangat penting dalam
replikasi DNA: DNA polimerase III dan DNA polimerase I. Situasi pada sel eukariot lebih
kompleks dan paling sedikit terdapat 11 DNA polimerase yang berlainan. Namun
demikian prinsip dasar replikasi DNA antara sel prokariotik dan sel eukariot adalah sama.
Dalam bekerjanya, DNA polimerase membutuhkan primer, untai DNA template
dan nukleotida DNA. Pada E. Coli DNA polemerase III menambahkan nukleotida DNA
pada ujung primer RNA dan seterusnya menambahkan nukleotida DNA pada ujung yang
baru terbentuk sesuai dengan yang telah didiktekan oleh untai induk dari DNA template.
Laju dari perpanjangan DNA ini mencapai 500 nukleotida per detik pada bacteria dan 50
per detik pada sel manusia.
Proof reading and Repairing DNA
Ketepatan dari replikasi DNA tidak hanya tergantung dari spesifikasi pasangan
basa saja. Kekeliruan dapat terjadi terhadap salinan DNA dan kekeliruan ini dapat
mencapai satu dalam 10 milyard nukleotida. Kekeliruan yang terjadi pada awal pasangan
antara nukleotida yang dipasangkan dan nukleotida yang ada pada untai induk DNA
template dapat mencapai satu dalam 100,000 nukleotida. Selama terjadinya replikasi
DNA, DNA polimerase melakukan proofreading terhadap tiap nukleotida yang
dipasangkan dengan nukleotida untai induk segera sesudah ditambahkan pada untai baru.
Jika polimerase mendeteksi adanya pasangan nukleotida yang keliru, polimerase
memindahkan nukleotida yang tidak cocok tersebut dari untai baru, enzim ini kemudian
memulai kembali proses sintesis untai DNA baru.
Pasangan nukleotida yang keliru dapat terjadi sesudah proses replikasi. Pada
kenyataannya pemeliharaan informasi genetik dalam DNA membutuhkan reparasi.
Molekul DNA secara terus menerus terekspose pada lingkungan kimiawi dan fisik yang
membahayakan. Berbagai zat kimia reaktif (dalam lingkungan maupun secara alami di
142
dalam sel), emisi radioaktif, sinar X, sinar UV dan beberapa molekul dalam asap rokok
mampu mengubah nukleotida dan mempengaruhi pengkodean informasi genetik. Selain
itu, basa DNA seringkali melakukan perubahan kimiawi secara spontan pada kondisi sel
normal tetapi perubahan ini pada umumnya diperbaiki sebelum terjadi mutasi. Setiap sel
secara terus menerus memonitor dan memperbaiki materi genetiknya. Karena reparasi dari
DNA yang rusak penting untuk kelangsungan hidup sel, maka tidak mengherankan jika
banyak terdapat enzim yang mereparasi DNA dalam sel. Sekitar 100 enzim reparasi DNA
diketahui terdapat pada E. coli dan sekitar 130 sudah teridentifikasi sebagai enzim reparasi
DNA pada manusia.
Sebagian besar sistem sel yang bekerja memperbaiki pasangan nukleotida yang
keliru (baik karena kerusakan DNA ataupun karena kekeliruan dalam replikasi) dilakukan
menggunakan mekanisme struktur pasangan basa DNA . Segmen dari untai DNA yang
mengandung pasangan keliru dipotong oleh enzim pemotong DNA, nuklease. Area
kosong karena pemotongan tersebut diisi dengan nukleotida yang sesuuai dengan
informasi pada DNA template. Enzim yang terlibat adalah DNA polimerase dan DNA
ligase (Figure 16.18).
143
Replicating the Ends of DNA Molecules
Molekul DNA sel eukariot memiliki sequence nukleotida khusus yang disebut
telomere pada akhir dari untai DNA yang direplikasi. Telomere tidak mengandung gen
tetapi mengandung DNA dengan pengulangan nukleotida. Pada manusia, telomere
mengandung sequence enam nukleotida TTAGGG yang diulang antara 100 hingga 1000
kali. Telomere melindungi gen organisme (bersama-sama dengan protein yang berasosiasi
dengannya) (ujung untai baru DNA bergerak tidak menentu dan dapat mengakibatkan
terpisahnya molekul DNA menjadi dua untai yang kemudian mengaktifkan jalur signal
transduction yang menyebabkan berhentinya siklus sel atau mengakibatkan kematian sel).
144
2. A chromosome consists of a DNA molecule packed together with
proteins
Komponen utama genome dari sebagian besar bacteria berupa satu molekul sirkular
DNA yang memiliki dua untai. Molekul tersebut berasiosiasi dengan sejumlah kecil
protein. Kromosom eukariot tersusun atas DNA linier yang berasosiasi dengan protein
dalam jumlah besar. Pada E. coli kromosomnya tersusun atas 4.6 juta pasang nukleotida
yang terdiri atas 4,400 gen. Jumlah ini 100 kali lipat jumlah DNA yang dapat ditemukan
pada virus tetapi hanya merupakan seper seribu DNA pasda sel somatik manusia.
Jika dipanjangkan, DNA E. coli dapat mencapai satu milimeter (500 kali panjang
selnya). Dalam sel bakteria, protein tertentu menyebabkan kromosom tergulung, dan
memadat sedemikian rupa sehingga mampu menempati sebagian sitoplasma.
Kromosom eukariot masing-masing tersusun atas DNA double-helix yang pada
manusia terdiri atas kurang lebih 1.5 x 108 pasang nukleotida. Di dalam sel, DNA
eukatriot bergabung dengan sejumlah besar protein. Secara bersama-sama komponen DNA
dan protein yang disebut chromatin, mampu menempati nukleus melalui sistem
pengepakan yang rumit dan bertingkat. Figure 16.21 menyajikan tahapan tingkatan
pengepakan DNA dalam kromosom.
145
146
147
RINGKASAN



DNA polimerase melakukan proofreading terhadap DNA baru, mengganti
nukleotida yang tidak tepat. Dalam kasus pasangan basa yang keliru, enzim-enzim
mengkoreksi kekeliruan yang ada. Reparasi pemotongan nukleotida merupakan
proses umum dimana enzim memotong dan mengganti DNA yang rusak.
Ujung akhir dari DNA kromosom organisme eukariot memendek dalam setiap
siklus replikasi . Terdapatnya telomere (yaitu suatu sekuen repetitif yang terdapat di
ujung molukul DNA) mampu menunda terjadinya erosi pada gen.
Kromosom bakteria pada umumnya berbentuk molekul DNA sirkular dengan
protein. Kromatin eukariotik yang membentuk kromosom tersusun atas sebagian
besar DNA, histone, dan protein lain. Histone berikatan satu dengan lainnya dan
berikatan dengan DNA membentuk nukleosom, yang merupakan unit dasar
pengepakan DNA
QUIZ
1. Pada tahap awal replikasi DNA, pilinan dari untai ganda DNA dipisahkan oleh enzim
A. primase
B. single-strand binding protein
C. helicase
D. topoimerase
2. Protein yang bertanggungjawab terhadap pengepakan DNA pada level pertama adalah
A. nucleosome
B. binding protein
C. primase
D. histone
3. Kromatin adlah struktur pada intisel yang tersusun atas molekul DNA dan enzim-enzim
yang berasosiasi (B/S)
4. Di dalam nukleosom, molekul DNA membungkus protein ___________
a. molekul polimerase
b. ribosom
c. histone
d. timin
5. Agar sintesis polinukleotida dapat dimulai pada replikasi molekul DNA, primer harus
disintesa terlebih dahulu oleh _______ yang sebenarnya merupakan untai pendek dari
molekul ______
a. primase; DNA
b. DNA polimerase; DNA
c. RNA polimerase; RNA
d. primase; RNA
148