replikasi dna

REPLIKASI DNA
Definisi Replikasi
Bahan genetik yang ada pada setiap jasad akan mengalami proses perbanyakan sebagai
salah satu tahapan sangat penting dalam proses pertumbuhan sel atau perbanyakan partikel virus.
Proses perbanyakan bahan genetik dikenal sebagai proses replikasi. Replikasi bahan genetik dapat
dikatakan sebagai proses yang mengawali pertumbuhan sel, meskipun sebenarnya pertumbuhan
merupakan suatu resultan banyak proses yang saling berkaitan satu sama lain. Sel mempunyai
mekanisme replikasi bahan genetik yang dilengkapi dengan system penyutingan (editing) yang
sangat akurat sehingga bahan genetik yang diturunkan kepada sel anakan (progeny) mempunyai
komposisi yang sangat identik dengan komposisi bahan genetik sel induk. Replikasi bahan genetik
diikuti oleh pembentukan sel-sel anakan yang membawa duplikat bahan genetik hasil replikasi.
Sehingga kesalahan dalam proses replikasi bahan genetik dapat mengakibatkan perubahan pada
sifasifat sel anakan.
Mekanisme replikasi bahan genetik sangat kompleks dan melibatkan banyak protein yang
masing-masing mempunyai peranan spesifik. Protein-protein yang terlibat di dalam proses replikasi
bahan genetik dikode oleh gen-gen yang terdapat di dalam bahan genetik itu sendiri. Oleh karena
itu, ada kaitan fungsional yang sangat erat dan tidak terpisahkan antara proses replikasi bahan
genetik dengan proses ekspresi genetik dan metabolisme sel secara keseluruhan. Hambatan yang
terjadi pada proses metabolisme, misalnya penghambatan produksi energy, dapat pula
mempengaruhi proses replikasi karena replikasi juga memerlukan pasokan energy.
Hipotesis Mekanisme Replikasi DNA
Sebelum mekanisme replikasi DNA dapat dibuktikan secara eksperimental oleh Matthew dan
Franklin Sthal pada tahun 1958, ada tiga hipotesis yang berkembang mengenai mekanisme replikasi
DNA, antara lain model replikasi secara:
1. Semikonservatif yang dikemukakan oleh Watson dan Crick, dimana setiap molekul untaian
ganda DNA anakan terdiri atas satu untaian-tunggal DNA induk dan satu untaian-tunggal
DNA hasil sintesis baru.
2. Konservatif. Molekul DNA untaian-ganda induk tetap bergabung sedangkan kedua untaian
DNA anakan terdiri atas molekul hasil sintesis baru.
3. Dispersif, menyatakan bahwa molekul DNA induk mengalami fragmentasi sehingga DNA
anakan terdiri atas campuran molekul lama (berasal dari DNA induk) dan molekul hasil
sintesis baru.
Gambar macam-macam hipotesis mekanisme replikasi DNA
Pembuktian Replikasi Semikomservatif oleh Mattew Meselson dan Franklin
Stahl
Hipotesa tentang replikasi semikonservatif diusulkan oleh Watson dan Crick setelah
publikasi paper mereka tentang stuktur DNA; teori tersebut dibuktikan percobaan yang didesign
oleh Mattew Meselson dan Franklin Stahl pada tahun 1958. Meselson dan Stahl menumbuhkan sel
Escherichia coli selama beberapa generasi pada medium dimana sumber nitrogen (NH4Cl)
mengandung 15N, isotop nitrogen terberat disamping isotop normal, yakni 14N. DNA yang terisolasi
dari sel ini memiliki densitas 1% lebih besar dari pada DNA normal DNA[14N]. Meskipun
perbedaannya kecil, campuran [15N]DNA berat dengan [14N]DNA ringan dapat dipisahkan dengan
sentrifugasi untuk keseimbangan pada garadien densitas klorida sesium.
Sel E.coli yang berkembang pada medium 15N ditransfer ke medium baru yang hanya
mengandung isotop 14N, dimana sel-sel tersebut dibiarkan berkembang sampai populasi sel menjadi
berlipat ganda. DNA yang terisolasi dari generasi pertama sel membentuk pita tunggal pada gradient
CsCl pada posisi yang mengindikasikan bahwa DNA helik ganda dari sel turunan merupakan hibrida
yang mengandung satu strand 14N baru dan satu stran 15N inang.
Hasil ini menumbangkan replikasi konservatif, hipotesis lain dimana satu turunan molekul
DNA akan terdiri dari dua strand DNA hasil sintesa baru dan yang lainnya akan mengandung dua
strand inang, sementara tidak akan dihasilakan molekul DNA hybrid pada percobaan Meselson-Stahl.
Hipotesis replikasi semikonservatif kemudian mendukung langkah selanjutnya pada percobaan. Pada
medium 14N, sel dibiarkan mengganda, dan produk hasil DNA dari lingkaran kedua replikasi ini
menunjukan dua pita, satu memiliki densitas yang sama dengan DNA ringan dan yang lainnya
memiliki densitas DNA hybrid yang diamati sel pertama menggandakan diri. Hasil eksperimen seperti
gambar dibawah ini:
Meskipun demikian, bukti-bukti baru menunjukkan adanya penyimpangan dari teori
replikasi semacam ini. Diketahui bahwa mekanisme replikasi DNA pada virus tertentu, misalnya virus
ϕX174, yang genomnya berupa DNA untaian-tunggal, melibatkan tahapan proses replikasi DNA
dengan mekanisme yang berbeda yaitu dengan model konservatif, meskipun hanya pada tahapan
tertentu.
Mekanisme Replikasi DNA Semi-Konservatif
Tahapan mekanisme replikasi DNA semikonservatif secara garis besar adalah:
1. pemisahan (denaturation, denaturasi) untaian DNA induk,
2. peng-“awal”-an (initiation, inisiasi) sintesis DNA,
3. pemanjangan (elongation, elongasi) untaian DNA,
4. ligasi (ligation) fragmen-fragmen DNA, dan
5. peng-“akhir”-an (termination, terminasi) sintesis DNA.
Gambar mekanisme replikasi DNA semikonservatif
Penjelasan tahapan replikasi DNA semikonservatif secara SINGKAT
keterangan: (1) Lagging strand; (2) Leading strand; (3) DNA polimerase; (4) Enzim DNA ligase; (5)
Primer; (6) Primase; (7) Fragmen Okazaki (8) Molekul DNA polymerase;
(9) Enzim helikase; (10) Protein pengikat untaian tunggal; (11) Topoisomerase
1. Heliks ganda DNA (merah) dibuka menjadi dua untai tunggal oleh enzim helikase (9) dengan
bantuan topoisomerase (11) yang mengurangi tegangan untai DNA.
2. Untaian DNA tunggal dilekati oleh protein-protein pengikat untaian tunggal (10) untuk
mencegahnya membentuk heliks ganda kembali.
3. Primase (6) membentuk oligonukleotida RNA yang disebut primer (5)
4. Molekul DNA polimerase (3) & (8) melekat pada seuntai tunggal DNA dan bergerak
sepanjang untai tersebut memperpanjang primer, membentuk untaian tunggal DNA baru
yang disebut leading strand (2) dan lagging strand (1).
5. DNA polimerase yang membentuk lagging strand
polinukleotida diskontinu (disebut fragmen Okazaki (7)).
mensintesis
segmen-segmen
6. Enzim DNA ligase (4) kemudian menyambungkan potongan-potongan lagging strand.
Penjelasan tahapan replikasi DNA semikonservatif Secara Rinci
1. Inisiasi
DNA dalam sel-sel eukaryotik memiliki ARCs (autonomously replicating sequence) yang
berperan sebagai asal muasal replikasi dan mereka saling berlawanan dari asal bakterial (ORI). ARCs
terdiri atas 11 pasangan landasan rentetan tambah dua atau tiga rentetan nucleotida pendek
tambahan dengan 100 hingga 200 pasangan landasan sepanjang area DNA. Grup utama dari enam
protein, secara kolektif dikenal dikenal sebagai ORC (Origin Recognition Complex), mengikat asal
muasal replikasi, menandai replikasi DNA dengan tepat pada saat waktu yang sesuai melalui siklus
sel. Pengenalan situs awal replikasi, oleh suatu protein komponen polymerase DnaA yang dihasilkan
oleh gen dnaA.
2. Terbentuknya Garpu Replikasi.
Garpu replikasi atau cabang replikasi (replication fork) ialah struktur yang terbentuk ketika
DNA bereplikasi. Garpu replikasi ini dibentuk akibat enzim helikase yang memutus ikatan-ikatan
hidrogen yang menyatukan kedua untaian DNA, membuat terbukanya untaian ganda tersebut
menjadi dua cabang yang masing-masing terdiri dari sebuah untaian tunggal DNA. Masing-masing
cabang tersebut menjadi “cetakan” untuk pembentukan dua untaian DNA baru berdasarkan urutan
nukleotida komplementernya. DNA polimerase membentuk untaian DNA baru dengan
memperpanjang oligonukleotida (RNA) yang dibentuk oleh enzim primase dan disebut primer.
3. Pemanjangan Untaian DNA.
DNA polimerase membentuk untaian DNA baru dengan menambahkan nukleotida dalam hal
ini, deoksiribonukleotida ke ujung 3′ hidroksil bebas nukleotida rantai DNA yang sedang tumbuh.
Dengan kata lain, rantai DNA baru (DNA “anak”) disintesis dari arah 5′→3′, sedangkan DNA
polimerase bergerak pada DNA “induk” dengan arah 3′→5′. Namun demikian, salah satu untaian
DNA induk pada garpu replikasi berorientasi 3′→5′, sementara untaian lainnya berorientasi 5′→3′,
dan helikase bergerak membuka untaian rangkap DNA dengan arah 5′→3′. Oleh karena itu, replikasi
harus berlangsung pada kedua arah berlawanan tersebut.
4. Pembentukan Leading strand.
Pada replikasi DNA, untaian pengawal (leading strand) ialah untaian DNA disintesis dengan
arah 5′→3′ secara berkesinambungan. Pada untaian ini, DNA polimerase mampu membentuk DNA
menggunakan ujung 3′-OH bebas dari sebuah primer RNA dan sintesis DNA berlangsung secara
berkesinambungan, searah dengan arah pergerakan garpu replikasi.
5. Pembentukan Lagging strand.
Lagging strand ialah untaian DNA yang terletak pada sisi yang berseberangan dengan leading
strand pada garpu replikasi. Untaian ini disintesis dalam segmen-segmen yang disebut fragmen
Okazaki. Panjang fragmen okazaki mencapai sekitar 2.000 nukleotides panjang dalam sel-sel
bakterial dan sekitar 200 panjang nukelotides dalam sel-sel eukaryotic. Pada untaian ini, primase
membentuk primer RNA. DNA polimerase dengan demikian dapat menggunakan gugus OH 3′ bebas
pada primer RNA tersebut untuk mensintesis DNA dengan arah 5′→3′. Fragmen primer RNA tersebut
lalu disingkirkan (misalnya dengan RNase H dan DNA Polimerase I) dan deoksiribonukleotida baru
ditambahkan untuk mengisi celah yang tadinya ditempati oleh RNA. DNA ligase lalu
menyambungkan fragmen-fragmen Okazaki tersebut sehingga sintesis lagging strand menjadi
lengkap.
DNA polymerases tidak mampu ‘mengisi’ ikatan covalent yang hilang. Celah yang tersisa
direkat oleh DNA ligase. Enzim ini mengkatalis pembentukan ikatan phosphodiester antara 3’ – OH
dari salah satu helaian dari 5’-P dari helaian yang lain.DNA ligase diaktifkan oleh AMP (adenosine
monophosphate) sebagai ‘cofactor’ (faktor pengendali). Dalam E.coli, AMP dibawa dari nucleotide
NAD+. Dalam sel-sel eukaryotik, AMP ditandai dari ATP. Ligase-ligase tidak dilibatkan dalam
pemanjangan rantai; melainkan, mereka berperan pemasang enzim-enzim untuk perekatan ‘celah’
melalui molekul DNA.
6. Modifikasi Post-Replikasi DNA
Setelah DNA direplikasikan, dua helaian tersintesis terbaru dipasangkan ke modifikasi
enzimatik. Perubahan-perubahan ini biasanya melibatkan penambahan molekul-molekul tertentu
untuk mengkhususkan titik-titik sepanjang helix ganda. Pada cara ini, tags sel, atau label-label, DNA,
sehingga ini bisa membedakan material genetiknya sendiri dari berbagai DNA asing yang mungkin
bisa masuk ke dalam sel. Modifikasi post-replikasi DNA mungkin juga mempengaruhi cara molekul
diikat. DNA merupakan faktor utama modifikasi dengan penambahan kelompok methyl ke beberapa
adenine dan residu-residu cytosine. Grup methyl ditambahkan oleh DNA methylasess setelah
nucleotides telah digabungkan dengan DNA polymerases.
Penambahan methyl ke cytosine membentuk 5-methylcytosine dan methylasi dari adenine
membentuk 6-methyladine. Methyladine lebih umum daripada methylcytosine dalam sel-sel
bakterial, di mana dalam sel-sel eukaryotik, grup methyl paling banyak ditambahkan ke cytosine.
Methylase muncul hanya pada beberapa rentetan nucleotide khusus. Dalam sel-sel eukaryotik,
sebagai contoh, methylasi secara umum muncul pada saat cytosine berdampingan ke guanine di sisi
3’-OH (5’ P-CG-3’OH).Pola methylasi bersifat spesifik untuk spesies yang diberikan, berperan seperti
tanda tangan untuk DNA spesies tersebut. Hal ini patut diperhatikan karena grup methy melindungi
DNA melawan perlawanan enzim-enzim tertentu disebut ‘restriction endonucleases’ Oleh karena itu
DNA asing melalui sebuah sel dicerna dengan ‘restriction endonucleases’. Dalam sel tertentu,
‘restriction endonucleases’ bisa memotong DNA di titik khusus tertentu di mana DNA methylase
menambah sebuah grup methyl.
Pola methylasi melindungi DNA dari cernaan oleh sel yang memiliki endonucleases tapi tidak
melawan pembatasan enzim-enzim yang diproduksi sel-sel spesies yang lain. Pembatasan ini
menyederhanakan pertukaran DNA antar sel dari spesies yang diproduksi sel-sel spesies yang
berbeda. Methylasi DNA pada titik-titik tertentu mungkin akan berakhir pada konversi terdekat dari
B-DNA ke bentuk-bentuk Z-DNA. Dalam bentuk B-DNA, grup-grup hydropholic methyl dari alur
utama, menghasilkan pengaturan yang tepat. Dengan mengubahnya ke bentuk Z, grup-grup methyl
membentuk area hydropholik yang membantu menstabilkan DNA. Konversi lokal ini (dari B-DNA ke
Z-DNA) mungkin mempengaruhi fungsi beberapa gen.
Enzim-enzim yang berperan dalam proses replikasi DNA
No.
Nama Enzim
Keterangan Fungsi
1
Helikase (DnaB)
memutuskan
ikatan-ikatan
hidrogen
yang
menyatukan kedua untaian DNA sehingga terbentuk
garpu/cabang replikasi
2
Topoisomerase
mengurangi ketegangan superheliks DNA dengan
menciptakan istirahat sementara pada satu atau
kedua untai DNA
3
Primase
mensintesis RNA-primer
menghentikan perkembangan garpu/cabang replikasi
untuk mencegah leading strand melampaui lagging
strand
mengawali pembentukan DNA baru pada leading
strand atau DNA fragmen Okazaki pada lagging strand
oleh DNA Polimerase
4
DNA polimerase
enzim utama yang mengkatalisi proses polimerisasi
nukleotida menjadi untaian DNA
menambahkan nukleotida bebas hanya pada ujung 3'
dari rantai yang baru terbentuk, sehingga terjadinya
elongasi (pemanjangan) pada rantai baru dengan
arah dari ujung 5' ke ujung 3'
menggunakan gugus OH 3' bebas pada RNA-primer
untuk mensintesis DNA dengan arah 5'→3'
hanya bisa menambahkan nukleotida ke ujung 3' yang
sudah ada, karena itu butuh primer sehingga
nukleotida dapat ditambahkan
5
DNA ligase
menggabung
fragmen-fragmen
strand) saat proses replikasi
okazaki (lagging
menyambung potongan-potongan DNA yang baru
disintesis