DAFTAR ISI
BAB I PENDAHULAN 1.1 Latar Belakang………………………………… Belakang…………………………………………………………… …………………………….. ….. 1 1.2 Rumusan Masalah……………………………… Masalah………………………………………………………… ……………………………. …. 2 1.3 Tujuan…………………………… Tujuan……………………………………………………… …………………………………………… ………………… 2 1.4 Manfaat……………………… Manfaat…………………………………………………… ……………………………………………….. ………………….. 3
BAB II ISI Genetik….…………………………………….. 4 2.1 Fungsi DNA sebagai Materi Genetik…. 2.2 Pengertian dan Model Replikasi………………………… Replikasi……………………………………………… …………………… 4 2.3 Komponen-komponen Komponen-komponen Penting dalam Replikasi……………………………… 9 2.4 Mekanisme Dasar Replikasi DNA…………………………………………… 10 2.5 Tahapan Replikasi…………………………… Replikasi……………………………………………………… ………………………………. ……. 11 2.6 Replikasi Replikasi DNA pada Sel Eukariot……………………………………………. Eukariot……………………………………………. 17 2.7 Replikasi DNA pada p ada Sel Prokariot…………………………………………… Prokariot…………………………………………… 19 2.8 Perbedaan Replikasi DNA pada Sel S el Eukariot dan Prokariot…………………. 24
BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan……………………… Kesimpulan………………………………………………… ……………………………………………. …………………. 25
DAFTAR PUSTAKA…………………………………………………………….. 26
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
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. Studi awal mengenai proses perbanyakan bahan genetik dilakukan pada jasad yang genomnya berupa molekul DNA. Meskipun demikian, perlu
diingat
bahwa
pada
jasad
tertentu,
khususnya
kelompok
virus
rertenru,genomnya berupa molekul RNA. Genom yang berupa molekul RNA ini juga akan direplikasi direplikasi meskipun dengan melalui tahapan yang sedikit berbeda berbeda dibanding dengan replikasi genom yang berupa molekul DNA. Replikasi bahan genetik dapat dikatakan sebagai proses yang mengawali pertumbuhan sel, meskipun sebenarnya pertumbuhan merupakan suatu resultan banyak proses yang saling berkaitan satu sama rain. Sel mempunyai mekanisme replikasi bahan genetik yang direngkapi dengan sistem penyuntingan (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 generik diikuti oleh pembentukan sel-sel anakan yang membawa duplikat bahan genetik hasil replikasi. Oleh karena itu, kesalahan dalam proses replikasi bahan genetik dapat mengakibatkan perubahan pada sifat sifat 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 reprikasi 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 teriadi pada proses metabolisme, misalnya penghambatan produksi energi. dapat pula memengaruhi proses reprikasi karena reprikasi juga memerlukan pasokan energy. Secara umum, replikasi bahan genetik merupakan proses pengkopian rangkaian molekul bahan genetik (DNA atau RNA) sehingga dihasilkan molekul anakan yang sangat identik. Meskipun konsep dasar replikasi antara struktur bahan genetik yang satu dengan lainnya adalah serupa, namun diketahui ada banyak perbedaan dalam hal mekanisme rincinya. Sebagai contoh, bahan genetik yang berupa molekul RNA mempunyai mekanisme replikasi rinci yang berbeda dengan replikasi molekul DNA. Pada kelompok virus, misalnya, replikasi bahan genetiknya terjadi di dalam sel inang yang sebenarnya merupakan jasad hidup yang lain dari jasad virus itu sendiri. Hal ini dapat terjadi karena virus merupakan jasad parasit obligat. Di lain pihak, replikasi DNA pada prokaryot dan eukaryot terjadi dalam sel jasad hidup yang bersangkutan. Selain itu perbedaan struktural molekul bahan genetik misalnya antara DNA lingkar (circular DNA) dengan DNA linear juga berimplikasi pada perbedaan mekanisme replikasi. 1.2 Rumusan masalah
1. Apa yang dimaksud dengan replikasi dan hipotesis apa yang menjelaskan model replikasi DNA? 2. Bagaimana tahapan dasar replikasi DNA? 3. Bagaimana perbedaan replikasi DNA pada sel prokariotik dan eukariotik?
1.3 Tujuan
1. Untuk mengetahui pengertian replikasi dan hipotesis yang menjelaskan model replikasi DNA.
2. Untuk memahami tahapan dasar replikasi DNA. 3. Membandingkan perbedaan replikasi DNA pada sel prokariotik dan eukariotik.
1.4 Manfaat
Adapun manfaat dari pembuatan makalah ini adalah sebagai bahan informasi untuk mengembangkan ilmu pengetahuan mengenai replikasi DNA.
BAB II ISI 3.1 Fungsi DNA sebagai Materi Genetik
DNA sebagai materi genetik pada sebagian besar organisme harus dapat menjalankan tiga macam fungsi pokok berikut ini: 1. DNA harus mampu menyimpan informasi genetik dan dengan tepat dapat meneruskan informasi tersebut dari tetua kepada keturunannya, dari generasi ke generasi. Fungsi ini merupakan fungsi genotipik, yang dilaksanakan melalui replikasi. 2. DNA harus mengatur perkembangan fenotipe organisme. Artinya, materi genetik harus mengarahkan pertumbuhan dan diferensiasi organisme mulai dari zigot hingga individu dewasa. Fungsi ini merupakan fungsi fenotipik, yang dilaksanakan melalui ekspresi gen. 3. DNA sewaktu-waktu harus dapat mengalami perubahan sehingga organisme yang bersangkutan akan mampu beradaptasi dengan kondisi lingkungan yang berubah. 3.2 Pengertian dan Model Replikasi
Replikasi merupakan peristiwa sintesis DNA (autokatalisis) karena DNA mampu mensintesis diri sendiri. Replikasi DNA dapat terjadi dengan adanya sintesis rantai nukleotida baru dari rantai nukleotida lama melalui proses menggunakan komplementasi pasangan basa untuk menghasilkan suatu molekul DNA baru yang sama dengan suatu molekul DNA lama, proses yang terjadi tersebut dipengaruhi oleh enzim helikase, enzim polimerase,dan ligase. Replikasi DNA bersifat semikoservatif, yaitu kedua untai tunggal DNA bertindak sebagai
cetakan untuk pembuatan untai-untai DNA baru, seluruh untai tunggal cetakan dipertahankan dan untai yang baru dibuat dari nukleotida- nukleotida. Sebelum mekanisme reprikasi DNA dapat dibuktikan secara eksperimental oleh Matthew Meselson dan Frankrin Stahl pada tahun 1958, ada tiga hipotesis yang berkembang mengenai mekanisme reprikasi DNA. 1. 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. Pada replikasi konservatif seluruh tangga berpilin DNA awal tetap dipertahankan dan akan mengarahkan pembentukan tangga berpilin baru. Pada 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. Sementara itu, pada 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 berselangseling di dalam tangga berpilin yang baru. 2. 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 masingmasing mengandung satu rantai cetakan molekul DNA lama dan satu rantai baru hasil sintesis. 3. 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.
Tiga hipotesis mengenai replikasi DNA
Pada tahun 1958 Matthew Meselson dan Franklin Stahl berhasil menunjukkan secara empiris bahwa replikasi DNA berlangsung dengan mekanisme secara semikonservatif. Meselson dan Stahl melakukan eksperimen untuk mengetahui mekanisme replikasi DNA dengan menggunakan bakteri Escherichia coli. Pertama kali, bakteri E. coli ditumbuhkan dalam medium yang mengandung nitrogen "berat" yaitu isotop
15
N selama beberapa generasi. Dengan
cara demikian maka molekul DNA induk mempunyai label berupa isotop berat sehingga molekulnya mempunyai densitas yang lebih tinggi dibanding DNA normal. Sel-sel yang molekul DNA-nya sudah berlabel tersebut kemudian dipindahkan ke dalam medium baru yang mengandung isotop nitrogen yang "ringan", yaitu
14
N. Pada selang waktu tertentu setelah dipindahkan ke medium
baru, sampel sel dipanen dan DNA-nya diisolasi. DNA hasil isolasi tersebut kemudian disentrifugasi dengan ultrasentrifugasi gradien CsCl untuk menentukan densitas molekul DNA-nya. Hasil pengukuran densitas DNA yang diisolasi pada generasi E. coli yang berbeda menunjukkan ada perbedaan satu sama lain. Pada generasi pertama, semua DNA mempunyai densitas molekul hibrid, yaitu densitas yang dihasilkan oleh gabungan molekul DNA yang mengandung
15
N dan
Perlu diingat bahwa sebelum dipindahkan ke medium yang mengandung (yaitu generasi ke 0), kedua untaian DNA induk mengandung isotop
15
14
N.
14
N
N. Pada
generasi kedua, densitas molekul DNA terdiri atas dua kelompok yaitu yang mempunyai densitas molekul hibrid dan yang mempunyai densitas lebih rendah dibanding dengan densitas molekul hibrid. Kelompok kedua tersebut terdiri atas molekul DNA yang kedua untaiannya mengandung isotop adalah skema eksperimen Meselson dan Stahl.
14
N. Di bawah ini
Hasil eksperimen Meselson dan Stahl tersebut dengan jelas menunjukkan bahwa molekul DNA anakan terdiri atas satu untai DNA induk dan satu untai DNA hasil sintesis baru sehingga sesuai dengan model replikasi secara semikonservatif. Hasil eksperimen tersebut kemudian dikonfirmasi lagi dengan eksperimen kedua. Dalam eksperimen ini, molekul DNA hibrid didenaturasi 0
dengan pemanasan pada suhu 100 c, kemudian disentrifugasi dalam gradient CsCl. DNA yang sudah didenaturasi tersebut menghasilkan dua pita DNA yang terdiri atas untai-tunggal DNA yang mengandung
15
N dan untai-tunggal
14
N.
Berdasarkan atas eksperimen seperti yang dijelaskan di atas, dapat diambil kesimpulan bahwa replikasi DNA berlangsung secara semikonservatif. Meskipun demikian, bukti-bukti baru menunjukkan adanya penyimpangan dari teori replikasi semacam ini. Diketahui bahwa mekanisme replikasi DNA pada virus tertentu misalnya virus фX1 74, yang genomnya berupa DNA untai-tunggal, melibatkan tahapan proses replikasi DNA dengan mekanisme yang berbeda yaitu dengan model konservatif, meskipun hanya pada tahapan tertentu. 3.3 Komponen-komponen Penting dalam Replikasi
Replikasi bahan genetik ditentukan oleh beberapa komponen utama yaitu: 1. DNA cetakan, yaitu molekul DNA atau RNA yang akan direplikasi. 2. Molekul deoksiribonukleotida, yaitu dATP, dTTP, dCTP, dan dGTP. Deoksiribonukleotida terdiri atas tiga komponen yaitu basa purin atau pirimidin, gula 5-karbon(deoksiribosa) dan gugus fosfat. 3. Enzim DNA polimerase, yaitu enzim utama yang mengkatalisis proses polimerisasinukleotida
menjadi
untaian
DNA.Enzim
DNA
polimerase
memiliki fungsi lain, yaitu mengoreksi DNA yang baru terbentuk, membetulkan setiap kesalahan replikasi, dan memperbaiki DNA yang rusak. Adanyafungsi tersebut menjadikan rangkaian nukleotida DNA sangat stabil dan mutasi jarang terjadi 4. Enzim primase, yaitu enzim yang mengkatalisis sintesis primer untuk memulai replikasi DNA. 5. Enzim pembuka ikatan untaian induk, yaitu enzim helikase dan enzim girase 6. Molekul protein yang menstabilkan untaian DNA yang sudah terbuka, yaitu protein SSB (single strand binding protein). 7. Enzim DNA ligase, yaitu suatu enzim yang berfungsi untuk menyambung fragmen-fragmen DNA
3.4 Mekanisme Dasar Replikasi DNA
Model replikasi DNA secara semikonservatif menunjukkan bahwa DNA anakan terdiri atas pasangan untaian DNA induk dan untaian DNA hasil sintesis baru. Model ini memberikan gambaran bahwa untaian DNA induk berperanan sebagai cetakan (template) bagi pembentukan untaian DNA baru. Seperti diketahui, molekul DNA untai-ganda terdiri atas dua untai molekur DNA yang berpasangan secara komplementer yaitu antara basa nukleotida A dengan T, dan antara C dengan G. Oleh karena itu, proses replikasi DNA harus diawali dengan pemutusan (denaturasi) ikatan antara untaian DNA yang satu dengan untaian komplementernya. Hal ini dimaksudkan agar masing-masing untaian DNA tersebut dapat bertindak sebagai cetakan, sebab proses pemasangan nukleotidanukleotida baru dengan cetakannya akan terhalangi jika kedua untai itu masih berada dalam keadaan berikatan. Dengan demikian, salah satu bagian yang santat penting dalam proses replikasi DNA adalah denaturasi antara untaian DNA yang satu dengan untaian komplementernya. Denaturasi yang terjadi pada saat awal replikasi DNA adalah proses enzimatis. Oleh karena molekul DNA adalah biomolekul yang sangat vital bagi jasad, maka denaturasi DNA terjadi secara parsial dan bertahap. Denaturasi awal terjadi pada bagian DNA yang dikenal sebagai ori (origin of replicotion) atau titik awal replikasi. lkatan hidrogen antara A-T dan C-G akan terputus dan diikuti dengan pembukaan untaian DNA. Untaian DNA membuka membentuk struktur yang disebut sebagai garpu replikasi (replicotion fork). Garpu replikasi akan bergerak sehingga molekul DNA induk membuka secara bertahap. Masingmasing untaian DNA induk yang sudah terpisah satu sama lain berfungsi sebagai cetakan untuk penempelan nukleotida-nukleotida yang akan menyusun molekul DNA baru. Nukleotida-nukleotida baru akan dipolimerisasi menjadi untaian DNA baru dengan urutan sesuai dengan urutan cetakan DNA komplemennya. Basa
nukleotida A dipasangkan dengan basa T yang ada pada cetakannya, sedangkan basa C dipasangkan dengan basa G. Oleh karena itu, untaian DNA baru yang terbentuk merupakan komplemen untaian DNA induk. Proses polimerisasi nukleotida terjadi pada kedua untaian DNA cetakan sehingga pada akhir satu kali putaran replikasi akan dihasilkan dua molekur DNA baru yang identik. Masingmasing molekul DNA untai-ganda yang terbentuk terdiri atas untai DNA induk dan untai DNA baru hasil polimerisasi selama proses replikasi. Dalam putaran replikasi berikutnya akan terjadi proses yang serupa sehingga DNA anakan menjadi DNA induk untuk replikasi berikutnya. 3.5 Tahapan Replikasi
Replikasi DNA berlangsung dalam beberapa tahap yaitu: (1) denaturasi (pemisahan) untaian DNA induk, (2) peng- “awal”-an (initiation, inisiasi) sintesis DNA, (3) pemanjanan untaian DNA, (4) ligasi fragmen-fragmen DNA, dan (5) peng-“akhir”-an (termination, terminasi) sintesi DNA. Sintesis untaia DNA yang baru akan dimulai segera setelah kedua untaian DNA induk terpisah membentuk garpu replikasi. Proses replikasi dalam molekul DNA dimulai pada suatu titik yang disebut dengan Origin of Replication (Ori). Pada titik ini, DNA akan membentuk seperti gelembung kecil, dimana ikatan hidrogen antara basa-basa terputus dan pasangan basanya terpisah. Heliks mulai membuka uliran, kedua untaian DNA yang baru disintesis dengan arah geometris yang berlawanan. Tahapan replikasi DNA pada sel eukariot adalah sebagai berikut: 1. Tahapan pertama (inisiasi) dalam proses replikasi DNA adalah proses permulan sintesis untaian DNA yang sebelumnya didahului oleh sintesis molekul primer. Proses inisiasi berlangsung dengan mekanisme yang berbeda antara suatu jasad dengan jasad yang lain. Dalam proses repliasi DNA terjadi pemutusan ikatan hidrogen antara basa-basa nitrogen dari dua untai yang antiparalel. Pemutusan ikatan tersebut terjadi pada rantai yang kaya akan
ikatan A-T. Hal tersebut dikarenakan ikatan antara adenin dan timin yang hanya merupakan ikatan rangkap dua, sedangkan pada ikatan antara sitosin dan guanin adalah ikatan rangkap tiga. Helikase adalah enzim yang berfungsi untuk membuka untai ganda DNA. Titik awal dimana terjadinya splitting disebut sebagai origin of replication. Struktur yang dihasilkan disebut dengan Replication Fork .
Gambar; Tahap pemutusan ikatan hydrogen pada basa – basa 2. Salah satu hal penting dalam tahapan replikasi DNA adalah pengikatan primase RNA pada titik awal rantai induk 3’-5’. Primase RNA dapat menarik nukleotida RNA yang berikatan dengan nukl eotida DNA dari untai 3’-5’ dikarenakan ikatan hidrogen antar basanya. Nukleotida RNA adalah primer (starter ) untuk ikatan nukleotida DNA.
Gambar; Tahap pembentukan RNA primer
3. Tahapan elongasi berbeda untuk cetakan 5’-3’ dan 3’-5’, yaitu: a. Cetakan 5’-3’ Cetakan 5’-3’ disebut sebagai untaian DNA awal (leading strand) karena DNA polimerase α dapat membaca cetakan dan secara kontinu menambah nukleotida (komplemen dari cetakan nukleotida, sebagai contoh adenin berlawanan dengan timin). b. Cetakan 3’-5’ Cetakan 3’-5’ tidak dapat dibaca dengan DNA polimerase α. Replikasi dari cetakan ini rumit dan DNA barunya disebut untaian DNA lambat (lagging strand). Pada lagging strand RNA primase menambah lebih
banyak RNA primer. DNA polimerase α membaca cetakan. Pada untaian DNA lambat polimerisasi dilkukan fregmen demi fregmen. Jarak antara dua RNA primer disebut sebagai fragmen Okazaki.
Gambar; Tahap pembentukan leading strand dan lagging strand
Gambar; Fragmen Okazaki
RNA primer penting untuk DNA polimerase α berikatan dengan nukleotida pada bagian ujung 3’. Untai baru dielongasi dengan mengikat lebih banyak DNA nukleotida. 4. Pada lagging strand DNA Polimerase I - eksonuklease membaca fragmen dan memindahkan RNA Primer. Jarak didekatkan dengan adanya pengaruh DNA polymerase (menambahkan nukleotida komplementer pada jarak tersebut) dan DNA ligase (menambahkan fosfat pada gap antara fosfat dan gula).
Gambar; Tahap pembacaan fragmen oleh DNA polimerase I-eksonuklease 5. Langkah terakhir dari tahapan replikasi DNA adalah terminasi. Tahapan ini terjadi ketika DNA polymerase mencapai titik akhir untai. Kita dapat dengan mudah memahami bahwa pada akhir tahapan lagging strand , ketika RNA primer dipindahkan tidak mungkin bagi DNA polymerase untuk mengisi kekosongan tersebut (karena tidak ada primer). Sehingga, ujung dari untai induk dimana primer terakhir tidak direplikasi. Ujung dari DNA linear terdiri dari DNA noncoding yang berulang – ulang dan disebut telomere. Sebagai hasilnya, bagian dari telomere dipindahkan pada tiap siklus replikasi DNA. 6. Replikasi DNA tidak sempurna sebelum terjadi mekanisme perbaikan terhadap kesalahan-kesalahan yang mungkin terjadi selama replikasi. Enzim seperti nuklease akan memindahkan nukleotida yang salah dan DNA polimerase akan mengisi kekosongan (gap) tersebut.
Gambar; DNA hasil replikasi
Pembentukan leading strand
Pada replikasi DNA, untaian pengawal (leading strand ) ialah untaian DNA yang disintesis dengan arah 5'→3' secara berkesinambungan. Pada untaian
ini, DNA polymerase mampu membentuk DNA menggunakan ujung 3'-OH bebas dari
sebuah
primer
RNA
dan
sintesis
DNA
berlangsung
secara
berkesinambungan, searah dengan arah pergerakan garpu replikasi. 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. 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.
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 . 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. 3.6 Replikasi DNA pada Sel Eukariot
Pada eukariot, proses replikasi DNA adalah sama dengan replikasi dari bakteri atau DNA prokariotik dengan beberapa modifikasi kecil. Pada eukariot, molekul DNA lebih besar daripada di prokariot dan tidak melingkar, juga banyak tempat untuk memulai replikasi.
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 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, fork replikasi pada eukariot bergerak hanya dengan kecepatan 50 pb tiap detik. Sebelum melakukan penyalinan, DNA harus
dilepaskan dari nukleosom pada fork replikasi sehingga gerakan fork 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 sekuens tandem yang terdiri dari 20 hingga 50 replikon mengalami inisiasi secara bersamaan pada waktu tertentu selama fase S. Deretan yang mengalami inisiasi paling awal adalah eukromatin, 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. Proses replikasi DNA eukariot sama dengan replikasi DNA prokariotik kecuali untuk aspek-aspek dibawah ini: 1. DNA eukariot mempunyai beberapa tempat “Origin Of Replication”, maka beberapa replikasi fork menghasilkan banyak gelembung sepanjang DNA. Replikasi fork dibentuk pada urutan mereplikasi secara otonom (ARS) yang mengandung 11 bp dikenal dengan origin replication element (ORE). 2. Polimerase DNA α dan β adalah enzim-enzim replikasi DNA dalam sel eukariotik. Polimerase DNA α mempunyai aktivitas polimerase 5'→ 3 ' dan sintesis
primer
pada
lagging
strand
kemudian
diperpanjang
dengan
multisubunit DNA polymerase. Polimerase DNA δ mengoreksi aktivitas eksonuklease 3’→5’ dan melaksanakan keduanya dan sintesis lagging strand dalam suatu kompleks bakteri dimer DNA polimerase III. ε polymerase DNA menghilangkan fragmen utama dari Okazaki pada Lagging strand. Polimerase DNA γ bertanggung jawab untuk replikasi DNA mt.
3. Telomere, struktur di ujung kromosom eukariotik linear, terdiri dari banyak salinan tandem urutan oligonukleotida pendek dengan TxGy dalam satu untai dan CyAx di untai komplementer, di mana x dan y biasanya dalam rentang 1 sampai 4. Telomerase mengandung RNA yang berfungsi sebagai template untuk sintesis untai TxGy dari telomer. Komponen protein dari telomerase bertindak sebagai reverse transkripsi selular untuk sintesis RNA dan DNA. Setelah perpanjangan untai TxGy oleh telomerase, pelengkap untai CyAx disintesis oleh DNA polimerase selular, dimulai dengan sebuah primer RNA.
3.7 Replikasi DNA pada Sel Prokariot
Suatu kromosom mengandung satu molekul DNA yang biasanya sangat besar, misalnya beberapa kromosom bakteri tersusun oleh sebanyak 4 x 10
6
pasang basa. Selain itu dalam banyak hal, DNA berbentuk tertutup atau struktur lingkar. Beberapa kromosom bakteri berbentuk linier. Hanya sedikit diketahui mengenai kromosom bakteri linier. Dari penelitian genetika telah diketahui bahwa inisiasi replikasi terjadi pada sisi tertentu yang disebut sisi inisiasi atau origin of the chromosome (ori C). Urutan nukleotida dalam daerah ini mengikat pada berbagai protein untuk menginisiasi kedua garpu.
Enzim/protein yang berperanan dalam inisiasi replikasi DNA pada prokaryot.
Replikasi kromosom bakteri bisa dibagi ke dalam tiga tahap: inisiasi, elongasi, dan terminasi. Inisiasi yakni pembentukan garpu-garpu replikasi pada molekul
awal.
Elongasi
menggambarkan
perkembangan
garpu-garpu
ini
mengelilingi kromosom, serentak dengan sintesis DNA atau pertumbuhan rantai. Terminasi
yakni
penggabungan
garpu-garpu
yang
saling
mendekati,
menghasilkan dua kromosom sempurna yang dapat berpisah satu sama lain. Replikasi kromosom bakteri sepanjang 5.000 kb memakan waktu sekitar 40 menit dan terjadi dalam seluruh siklus pembelahan bakteri. Maka, setiap garpu mereplikasikan sekitar 50kb DNA per menit. (Dalam sel eukariot, replikasi DNA terbatas pada bagian siklus pembelahan sel mitosis yang disebut fase S, yang bisa berlangsung selama beberapa jam). Laju replikasi DNA dikoordinasikan dengan
laju pembelahan sel. Maka, kultur bakteri yang tumbuh dalam medium kaya akan memiliki waktu pembentukan yang pendek dan harus menjalankan replikasi kromosom lebih cepat daripada yang ditumbuhkan dalam medium miskin dimana pembentukannya mungkin tiga sampai empat kali lebih lama. Seperti diketahui, replikasi suatu replikon bisa dibagi ke dalam tiga tahap yakni inisiasi, elongasi, dan terminasi. Selama fase elongasi, pertumbuhan rantai DNA berlangsung pada garpy replikasi. Ini adalah tahap yang bagus untuk meneliti beberapa enzim penting dan protein lain yang terlibat dalam replikasi. Proses seperti ini yang terjadi dalam bakteri E.coli adalah yang paling dipahami, dan bermanfaat sebagai prototipe untuk sistem lain. Beberapa enzim dan protein terlibat didalamnya. Enzim yang bertanggung jawab untuk sintesis rantai DNA baru pada garpu replikasi yakni enzim DNA polimerase. Enzim ini memakai untai DNA tunggal yang terbuka gulungannya sebagai templat. Terdapat tiga macam DNA polimerase dalam E.coli, yakni DNA polimerase I,II, dan III. DNA polimerase I adalah yang paling melimpah, dan DNA polimerase III adalah yang paling sedikit. Kedua enzim ini mempunyai peran penting dalam keseluruhan proses replikasi DNA. Peranan polimerase II belum diketahui dengan jelas. Fase elongasi dari replikasi DNA dalam bakteri tampak melibatkan banyak enzim dan protein, yang sebagian bergabung dengan kompleks fungsional terpisah seperti holoenzim DNA polimerase III. Inisiasi replikasi juga menggunakan beberapa protein, dan mutasi pada gennya sangat membantu dalam mengidentifikasi protein-protein ini. Mutasi yang mempengaruhi replikasi disebut mutasi DNA. Banyak mutasi yang telah diidentifikasi pada E.coli mengkode untuk berbagai protein yang berkaitan dengan pertumbuhan rantai DNA pada garpu replikasi. Sebagai contoh,
gen dnaG mengode untuk primase (protein Dna G). Namun sebagian mengkode protein dengan melibatkan inisiasi siklus replikasi pada ori C. Contoh untuk gen seperti ini misalnya dnaA, B dan C. 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 DnaA 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 AT 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 DNA B 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. 3.8 Perbedaan Replikasi DNA pada Sel Eukariot dan Prokariot
BAB III PENUTUP 3. 1 Kesimpulan
1. Replikasi merupakan peristiwa sintesis DNA (autokatalisis) karena DNA mampu mensintesis diri sendiri. Ada tiga hipotesis mengenai repikasi DNA yaitu hipotesis replikasi secara konservatif, hipotesis replikasi secara semikonservatif, dan hipotesis replikasi secara dispertif. 2. Replikasi DNA bersifat semikoservatif, yaitu kedua untai tunggal DNA bertindak sebagai cetakan untuk pembuatan untai-untai DNA baru, seluruh untai tunggal cetakan dipertahankan dan untai yang baru dibuat dari nukleotida- nukleotida. 3. Proses replikasi DNA berlangsung melalui beberapa tahapan dasar yaitu (1) denaturasi (pemisahan) untaian DNA induk, (2) peng- “awal”-an (initiation, inisiasi) sintesis DNA, (3) pemanjanan untaian DNA, (4) ligasi fragmenfragmen DNA, dan (5) peng-“akhir”-an (termination, terminasi) sintesi DNA. 4. Terdapat perbedaan replikasi DNA pada sel eukariot dan prokariot. Salah satunya adalah DNA eukariot mempunyai tempat “Origin Of Replication
”
yang lebih banyak dibanding DNA prokariot.
DAFTAR PUSTAKA
Amir, F. M.; Malik, A.; Darmawati; Fikri R. M. 2010. REPLIKASI DNA. http://www.scribd.com/doc/32301253/Replikasi-Dna
,
diakses pada tanggal
15 Mei 2012 Anonim. 2011. DNA REPLICATION IN PROKARYOTES AND EUKARYOTES . http://www.tutorvista.com/biology/dna-replication-in-prokaryotes-and-eukaryotes , diakses pada tanggal
15 Mei 2012 Brookes, Martin. 2005. Genetika. Jakarta: Erlangga Junaidi,W. 2009. REPLIKASI DNA. http://meckzozp.blogspot.com/2009/01/replikasidna-html , diakses pada tanggal 15 Mei 2012 Saraswati, D. 2010. SUBSTANSI GENETIKA. http://substansigenetika.net/wp/tag/2replikasi-dna, diakses pada tanggal 15 Mei 2012 Yuwono, triwibowo. 2005. Biologi Molekuler. Jakarta: Erlangga
