MAKALAH REPLIKASI DNA bab ii

MAKALAH REPLIKASI DNA

bab ii

REPLIKASI DNA

A.      Pengertian Replikasi DNA

Replikasi adalah proses duplikasi DNA secara akurat. genom manusia pada satu sel terdiri sekitar 3 milyar dan pada saat replikasi harus diduplikasi secara akurat (persis tidak boleh ada yang salah). Replikasi adalah transmisi vertical (dari sel induk ke sel anak supaya informasi genetik yang diturunkan sama dengan sel induk). Replikasi hanya terjadi pada fase S (pada mamalia), Replikasi terjadi sebelum sel membelah dan selesai sebelum fase M.

Salah satu sumber kesalahan DNA adalah pada kesalahan replikasi yang dipengaruhi oleh berbagai factor, diantaranya karena kondisi lingkungan dan kesalahan replikasi sendiri sehingga menyebabkan terjadinya mutasi. Supaya replikasi sel dari generasi ke generasi tidak terjadi kesalahan maka perlu ada repair DNA. Selain karena kesalahan replikasi, DNA juga sangat rentan terhadap bahan kimia, radiasi maupun panas (hal yang dapat menyebabkan mutasi pada DNA pada saat replikasi).

Replikasi terjadi dengan proses semikonservatif karena semua DNA double helix. Hasil replikasi DNA double strand. Kedua DNA parental strand bisa menjadi template yang berfungsi sebagai cetakan untuk proses replikasi: Semikonservaative process. Primer strand : Pada 3’ dia akan melepaskan 2P dipakai sebagai energy untuk menempelkan, tetapi pada 5’ P tidak bisa dilepas karena ketiga P dibutuhkan sehigga tidak ada energy sehingga tidak pernah terjadi sintesis dari 3’-5’, tetapi dari 5’-3’, jadi yang menambah selalu ujung 3’.

B.       Cara DNA Bereplikasi

Menurut para ahli, ada tiga kemungkinan cara DNA bereplikasi , yaitu konservatif, semikonservatif, dan dispersif.

a.    Model konservatif, yaitu dua rantai DNA lama tetap tidak berubah, berfungsi sebagai cetakan untuk dua rantai DNA baru. Replikasi ini mempertahankan molekul dari DNA lama dan membuat molekul DNA baru.

b.   Model semikonservatif, yaitu dua rantai DNA lama terpisah dan rantai baru disintesis dengan prinsip komplementasi pada masing-masing rantai DNA lama. Akhirnya dihasilkan dua rantai DNA baru yang masing-masing mengandung satu rantai cetakan molekul DNA lama dan satu rantai baru hasil sintesis.

c.    Model dispersif, yaitu beberapa bagian dari kedua rantai DNA lama digunakan sebagai cetakan untuk sintesis rantai DNA baru. Oleh karena itu, hasil akhirnya diperoleh rantai DNA lama dan baru yang tersebar pada rantai DNA lama dan baru. Replikasi ini menghasilkan dua molekul DNA lama dan DNA baru yang saling berselang-seling pada setiap untai.

Setelah berhasil membuat model struktur DNA, Watson dan Crick memprediksi bahwaDNA bereplikasi dengan cara semikonservatif. Kemudian pada tahun 1958, Matthew Meselson dan Franklin Stahl melakukan percobaan untuk menguji ketiga alternatif hipotesis replikasi DNA tersebut dengan menggunakan DNA bakteri Eschericia coli. Hasilnya ternyata mendukung model replikasi semikonservatif yang telah diprediksi oleh Watson dan Crick.

C.      Proses Replikasi DNA

Proses replikasi DNA:

1.       Mula-mula, heliks ganda DNA (merah) dibuka menjadi dua untai tunggal oleh enzim helikase yang ditunjukkan oleh nomor 9.

2.       Dengan bantuan topoisomerase yang ditunjukkan oleh nomor 11, yang berfungsi mengurangi tegangan untai DNA.

3.       Untaian DNA tunggal dilekati oleh protein-protein pengikat untaian tunggal pada nomor 10  untuk mencegahnya membentuk heliks ganda kembali.

4.       Primase (nomor 6) membentuk oligonukleotida RNA yang disebut primer (nomor 5).

5.       Molekul DNA polimerase (nomor 3 & 8) melekat pada seuntai tunggal DNA dan bergerak sepanjang untai tersebut untuk memperpanjang primer, membentuk untaian tunggal DNA baru yang disebut leading strand (nomor 2) dan lagging strand (nomor 1). DNA polimerase yang membentuk lagging strand harus mensintesis segmen-segmen polinukleotida diskontinu yang disebut fragmen Okazaki (nomor 7).

6.       Enzim DNA ligase (nomor 4) kemudian menyambungkan potongan-potongan lagging strand tersebut.

Proses replikasi dimulai ketika enzim DNA polimerase memisahkan dua untai DNA heliks ganda, seperti ritsleting terbuka. Kemudian, setiap untai DNA yang “lama” akan berfungsi sebagai cetakan yang menentukan urutan nukleotida di sepanjang untai DNA komplementer baru yang bersesuaian dengan cara mendeteksi basa komplemennya. Setelah mendapatkan pasangan yang sesuai, nukleotida yang baru tersebut disambung satu sama lain untuk membentuk tulang punggung gula-fosfat untai DNA yang baru. Jadi, setiap molekul DNA terdiri atas satu untai DNA “lama” dan satu untai DNA “baru”. Sekarang, terdapat dua molekul DNA yang sama persis dengan satu molekul DNA induk. Enzim DNA polimerase memiliki fungsi lain, yaitu mengoreksi DNA yang baru terbentuk, membetulkan setiap kesalahan replikasi, dan memperbaiki DNA yang rusak. Adanya fungsi tersebut menjadikan rangkaian nukleotida DNA sangat stabil dan mutasi jarang terjadi.

Secara umum proses replikasi DNA meliputi tahap-tahap replikasi berikut:

1.         Denaturasi (pemisahan) untaian DNA induk

2.         Inisiasi sintesis DNA

3.         Pemanjangan untaian DNA

4.         Ligasi fragmen-fragmen DNA

5.         Terminasi sintesis DNA

D.      Enzim-enzim yang Terlibat dalam Replikasi DNA

        1)      Helikase

Enzim helikase memutuskan ikatan-ikatan hidrogen yang menyatukan kedua untaian DNA sehingga terbentuk garpu atau cabang replikasi. Enzim helikase berfungsi membuka putaran segmen DNA tepat di bagian depan garpu replikasi. Enzim helikase mengikat ATP dan mengikat rantai tunggal DNA.

        2)      Topoisomerase

Enzim topoisomerase yang berperan dalam replikasi DNA adalah topoisomerase tipe II yang disebut dengan DNA girase. Enzim ini mengurangi ketegangan superheliks DNA dengan menciptakan istirahat sementara pada satu atau kedua untai DNA.

        3)      DNA Primase

Enzim DNA primase menempel pada DNA dan menyintesis RNA primer yang pendek untuk memulai atau menginisiasi sintesis pada untai pengarah. DNA beraktivitas dengan arah 5’-3’ (hanya terdiri atas 10 nukleotida). Kemudian pada ujung 3’ ditambahkan dioksiribonukleosida trifosfat (oleh enzim polimerase DNA III) satu demi satu sehingga lengkap 1000-2000 nukleotid. Nukleotida pada RNA pemula atau RNA primer dihilangkan atau diputus satu demi satu oleh aktivitas 5’-3’ exonuclease. Enzim primase juga menghentikan perkembangan garpu atau cabang replikasi untuk mencegah leading strand melampaui lagging strand. Enzim ini mengawali pembentukan DNA baru pada leading strand atau DNA fragmen Okazaki pada lagging strand oleh DNA polimerase.   

     4)      Enzim DNA polymerase

Enzim DNA polimerase merupakan enzim utama yang mengkatalisis proses polimerisasi nukleotida menjadi untaian DNA. Enzim ini menambahkan nukleotida bebas hanya pada ujung 3’ dari rantai yangbaru terbentuk, sehingga terjadinya elongasi (pemanjangan) pada rantai baru dengan arah dari ujung 5’ ke ujung 3’. DNA polimerase menggunakan gugus OH 3’ bebas pada RNA-primer untuk mensintesis DNA dengan arah 5’à 3’. Enzim ini hanya bisa menambahkan nukleotida ke ujung 3’ yang sudah ada, karena itu butuh primer sehingga nukleotida dapat ditambahkan.

      5)      DNA Ligase

Enzim DNA ligase menggabungkan fragmen-fragmen Okazaki (lagging strand) saat proses replikasi. Enzim ini juga menyambungkan potongan-potongan DNA yang baru disintesis.

      6)      DNA Gyrase

DNA gyrase membantu proses unwinding.

E.     DNA Polymerase

1.    Pengertian DNA polymerase

Polimerase DNA adalah enzim-enzim yang menciptakan molekul DNA dengan merakit nukleotida, blok bangunan DNA. Enzim ini sangat penting untuk replikasi DNA dan biasanya bekerja berpasangan untuk membuat dua untai DNA yang identik dari satu molekul DNA asli. Selama proses ini, DNA polimerase "membaca" untaian DNA yang ada untuk membuat dua helai baru yang sesuai dengan yang sudah ada.

Setiap kali sel membelah, DNA polimerase diperlukan untuk membantu menduplikasi DNA sel, sehingga salinan molekul DNA asli dapat dikirimkan ke masing-masing sel anak. Dengan cara ini, informasi genetik ditransmisikan dari generasi ke generasi. Sebelum replikasi dapat berlangsung, enzim yang disebut helikase membuka molekul DNA dari bentuk anyaman erat. Ini membuka atau "membuka ritsleting" DNA untai ganda untuk memberikan dua untai tunggal DNA yang dapat digunakan sebagai pola untuk replikasi.

DNA polimerase menambahkan nukleotida bebas baru ke ujung 3 ' membentuk untai baru, perpanjangan dalam 5' ke arah 3 '. Namun DNA polimerase tidak dapat memulai pembentukan rantai baru ini sendiri dan hanya dapat menambahkan nukleotida untuk kelompok 3'-OH yang sudah ada. Sebuah primer diperlukan, di mana nukleotida dapat ditambahkan. Primer biasanya terdiri dari RNA dan DNA basa dan yang  pertama, dua basis selalu RNA. Primer ini dibuat oleh enzim lain yang disebut primase.

Meskipun fungsi DNA polimerase sangat akurat, kesalahan yang dibuat sekitar satu dari setiap miliar pasangan basa disalin. Karena itu DNA  "mengoreksi" oleh polimerase DNA setelah disalin. Ketika kopling tidak benar, polimerase DNA berbalik arah oleh satu pasangan basa DNA. Pasangan basa yang salah kemudian dipotong dan polymerase DNA mencoba untuk memasukkan kembali nukleotida yang benar sebelum melanjutkan ke depan. Ini menjaga integritas dari untai DNA asli yang dilewatkan ke sel anak.

2.      Struktur DNA polymerase

Struktur DNA polimerase sangat kekal, yang artinya subunit katalitik mereka memiliki sedikit variasi dari satu spesies ke spesies lain, terlepas dari bagaimana domain mereka terstruktur. Struktur yang sangat kekal ini biasanya menunjukkan bahwa fungsi seluler mereka sangat penting dan tak tergantikan, karena itu memerlukan pemeliharaan yang kaku untuk memastikan manfaat evolusi mereka. Struktur DNA Polimerase diketahui melalui kristalografi menyerupai tangan kanan. DNA polimerase dianalogikan terbagi atas tiga bagian yaitu ibu jari, jari-jari tangan lainnya, serta telapak tangan.

1)      Daerah telapak tangan dari DNA polimerase tersusun atas helai beta serta situs katalis utama pada DNA polimerase. Daerah ini mengikat dua ion logam secara terpisah dari bagian enzim lainnya, biasanya ion logam yang diikat adalah ion Magnesium atau Seng. Daerah ini berperan dalam katalisis reaksi transfer gugus fosfor.

2)      Daerah jari-jari tangan lainnya dari DNA polimerase berperan penting saat suatu pasangan basa yang sesuai terbentuk antara nukleotida dengan cetakannya. Daerah ini bergerak mengurung nukleotida tersebut, kemudian memicu terjadinya reaksi katalisis dengan mendekatkan nukleotida tersebut dengan ion-ion logam katalis yang ada di daerah telapak tangan.

3)      Daerah ibu jari dari DNA polimerase tidak secara langsung terlibat dalam dalam reaksi katalisis, melainkan hanya berinteraksi dengan DNA yang baru saja terbentuk. Hal ini berfungsi untuk mempertahankan posisi primer dengan situs aktif dari enzim DNA polimerase ini tetap dekat serta membantu DNA polimerase tetap bergabung dengan substratnya. Daerah ini juga berperan dalam prosesivitas DNA polimerase.

F.     Percobaan Matthew Meselson dan Franklin Stahl

     Setelah berhasil membuat model struktur DNA, Watson dan Crick memprediksi bahwa DNA bereplikasi dengan cara semikonservatif. Kemudian pada tahun 1958, Matthew Meselson dan Franklin Stahl melakukan percobaan untuk menguji ketiga alternatif hipotesis replikasi DNA tersebut dengan menggunakan DNA bakteri Eschericia coli. Hasilnya ternyata mendukung model replikasi semikonservatif yang telah diprediksi oleh Watson dan Crick

1.      Pengenalan Origin of Replication (ORI)

Titik awal dimulainya replikasi disebut Origins of Replication (titik ORI), merupakan suatu unique sequence yang akan dikenali suatu protein inisiator. Protein Origin Recognition Complex (ORC) berperan sebagai protein inisiator yang akan mengenali sekuens ORI dan menginisiasi penempelan helicase. ORC ini akan selalu menempel pada saat proses replikasi berlangsung, penghancuran ORC oleh protein tertentu dapat menghambat proses replikasi.

2.    Inisiasi Replication Fork

Helicase yang menempel pada ORI berfungsi membuka pilinan DNA double strand menjadi dua single strand DNA terpisah sehingga membentuk struktur Replication Fork. Single Strand Binding Protein (SSBP) akan menempel pada single strand DNA yang baru terbentuk agar stabil sehingga tidak bergabung kembali (renaturasi). Pembukaan pilinan oleh helicase dimulai dari ORI menuju ke dua arah, membentuk 2 Replication Fork yang tampak sebagai Replication Bubble.

3.    Replikasi pada Leading Strand

Replikasi pada Leading strand diawali dengan aktivitas primase (DNA primase) yang mensintesis RNA primer. Setelah adanya RNA primer, sintesis DNA dapat dimulai oleh DNA polimerase secara kontinyu dari arah 5' ke 3' searah dengan pembukaan replication fork.

4.      Replikasi pada Lagging Strand

Sintesis DNA harus terjadi pada arah 5' ke 3' maka arah replikasi berlawanan arah dengan pembukaan Replication Fork atau antiparalel dengan arah Leading strand. Replikasi pada lagging strand terjadi secara tidak kontinyu. Sintesis DNA diawali dengan pembentukan RNA primer kemudian dilanjutkan sintesis DNA oleh DNA polimerase, demikian berulang-ulang setelah helicase membuka untaian double helix DNA. Oleh karena itu, pada lagging strand dijumpai fragmen-fragmen DNA yang disebut fragmen Okazaki. DNA polimerase akan menganti RNA primer dengan sekuens DNA dan meninggalkan celah antar fragmen (gap). Fragmen-fragmen tersebut akhirnya disatukan oleh Ligase sehingga membentuk untai DNA baru yang utuh dan komplementer dengan template DNA induk.