PEMBAHASAN
Definisi Replikasi DNA
DNA merupakan molekul hidup karena mampu melakukan penggandaan diri (replikasi). Fungsi ini disebut fungsi autokatalisis karena DNA mampu mensistesis dirinya sendiri. Replikasi merupakan peristiwa sintesis DNA. Replikasi DNA dapat terjadi dengan adanya sintesis rantai nukleotida baru dari rantai nukleotida lama. Prosesnya dengan menggunakan komplementasi pasangan basa untuk menghasilkan suatu molekul DNA baru yang sama dengan molekul DNA lama. Proses yang terjadi tersebut dipengaruhi oleh enzim helikase, enzim polimerase, dan ligase.
Hipotesis Replikasi DNA
Ada tiga kemungkinan terjadinya replikasi DNA, 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.
Percobaan Meselson dan 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.
Polimerase DNA
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.
Struktur DNA polimerase
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.
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.
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.
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.
Tipe polymerase DNA
Prokariotik Polimerase:
DNA Polymerase I
DNA Polymerase I (atau Pol I) adalah enzim yang berpartisipasi dalam proses replikasi DNA. Ditemukan oleh Arthur Kornberg pada tahun 1956 merupakan DNA polimerase pertama yang dikenal. Pada awalnya ditandai dalam E. coli dan di prokariota. E. coli dan di banyak bakteri lain, gen yang mengkodekan Pol I dikenal sebagai PolA. Bentuk enzim dari E.coli terdiri dari 928 asam amino, dan merupakan contoh dari enzim processive yang dapat mengkatalisis beberapa polimerisasi.
Pol I memiliki empat aktifitas enzimatik:
A 5 ' 3' aktivitas polimerase DNA (forward) DNA-Dependent, membutuhkan situs 3' primer dan untai cetakan.
A 3 ' 5' (reverse) aktivitas exonuclease yang menengahi proofreading.
A 5 ' 3' (forward) aktivitas exonuclease yang menengahi nick translation selama perbaikan DNA.
A 5 ' 3' aktivitas polimerase DNA (forward) RNA-Dependent. Pol I beroperasi pada pola RNA dengan efisiensi jauh lebih rendah (0,1-0,4%) daripada yang dilakukannya pola DNA dan kegiatan ini mungkin hanya signifikansi biologis terbatas.
Dalam proses replikasi, RNase H menghilangkan primer RNA (dibuat oleh primase) dari untai tertinggal dan kemudian Polymerase I mengisi di nukleotida yang diperlukan antara fragmen Okazaki dalam arah 5 ' 3', proofreading untuk kesalahan sebagai kelanjutannya. DNA Ligase kemudian bergabung dengan berbagai fragmen bersama-sama ke sebuah untai DNA terus menerus.
DNA polymerase II
DNA polimerase II (juga dikenal sebagai DNA Pol II atau Pol II) adalah DNA polimerase prokariotik yang dikodekan oleh gen PolB. DNA Polymerase II adalah protein 89,9 kDa dan merupakan anggota dari keluarga B polimerase DNA. Ini pada awalnya diisolasi oleh Thomas Kornberg pada tahun 1970, dan ditandai selama beberapa tahun ke depan. Fungsi Pol II masih dalam perdebatan, namun konsensus menunjukkan bahwa Pol II terlibat sebagai enzim cadangan dalam replikasi DNA prokariotik. Enzim ini memiliki 5 '-> 3' kemampuan sintesis DNA serta 3 '-> 5' aktivitas proofreading exonuclease. DNA Pol II berinteraksi dengan beberapa mitra yang mengikat dengan DNA Pol III untuk meningkatkan ketelitian dan processivity.
Mekanisme DNA pol II:
Selama replikasi DNA, pasangan basa dikenai kerusakan dalam urutan. Urutan rusak DNA dapat menyebabkan replikasi terhenti. Dalam rangka untuk memperbaiki kesalahan dalam urutan, DNA Pol II mengkatalisis perbaikan pasangan basa nukleotida. Domain N-terminal DNA Pol II bertanggung jawab untuk asosiasi dan disosiasi untai DNA untuk subunit katalitik. Ada kemungkinan besar dua situs di domain N-terminal DNA Pol II yang mengenali DNA untai tunggal. Salah satu situs bertanggung jawab untuk merekrut DNA untai tunggal DNA Pol II dan situs lain bertanggung jawab untuk disosiasi DNA untai tunggal dari DNA Pol II.
DNA polymerase III
DNA polimerase III holoenzyme adalah kompleks enzim utama yang terlibat dalam replikasi DNA prokariotik. Hal ini ditemukan oleh Thomas Kornberg (anak dari Arthur Kornberg) dan Malcolm Gefter pada tahun 1970. Kompleks memiliki processivity tinggi khususnya mengacu pada replikasi genom E.coli yang bekerja di empat polimerase DNA lainnya (Pol I, II Pol, Pol IV, dan Pol V). Menjadi holoenzyme utama yang terlibat dalam kegiatan replikasi, holoenzyme DNA Pol III juga memiliki kemampuan proofreading yang memperbaiki kesalahan replikasi dengan cara aktivitas exonuclease 3 ' 5'. DNA Pol III adalah komponen dari replisome yang terletak di cabang replikasi.
Eukariotik Polimerase:
Polimerase β
Dalam perbaikan dasar-eksisi, dasar penghapusan adalah diikuti dengan eksisi dari nukleotida abasic tunggal. DNA polymerase β kemudian berfungsi untuk mengisi nukleotida yang hilang, ini melibatkan kegiatan dalam domain N-terminal dari protein yang menghilangkan sisa fosfat 5 'setelah eksisi nukleotida, diikuti dengan reaksi polimerisasi untuk mengisi nukleotida yang hilang. Sintesis terbatas ini masuk akal dalam hal sifat biokimia DNA polymerase β, yang distributif dan tidak memiliki aktivitas proofreading. Dalam mode yang berbeda dari perbaikan dasar-eksisi (disebut 'panjang-patch'), lebih lama (2-10 nukleotida) bentangan DNA dihapus, tetapi tidak jelas apakah ini diisi oleh β , atau oleh replikatif δ dan ε epolimerase.
Polymerase α, δ, ε
Dua jenis lain dari perbaikan melibatkan polimerase DNA replikatif δ atau ε, dalam hubungannya dengan RFC dan PCNA sebagai kofaktor. Dalam perbaikan nukleotida eksisi, resynth- esis oleh polimerase berikut ini penghapusan dari cleotide oligonu- dari 24-32 mengurangi nukleotida yang rusak. Perbaikan mismatch mengoreksi daerah DNA yang mengandung nukleotida serasi (yaitu di mana A tidak dipasangkan dengan T dan G tidak dipasangkan dengan C). Segmen serasi dihapus, dan polimerase δ dan ε mungkin diperlukan untuk resynthesize beberapa ratus nukleotida di sekitar perbaikan.
Mekanisme yang berbeda diperlukan untuk perbaikan putusnya double-strand, di mana pembelahan kedua untai ganda helix resynthesis sederhana menggunakan strand yang rusak sebagai pola yang tidak dapat digunakan untuk efek perbaikan. Satu mekanisme perbaikan putusnya untai ganda melibatkan homo rekombinasi logous antara kromosom yang rusak dan salinan tidak rusak (misalnya homolog yang kromosom dalam sel diploid). Khrom yang rusak kemudian berfungsi sebagai pola untuk memungkinkan sintesis seluruh lokasi pemutusan dan karena itu akhirnya memungkinkan fragmen yang rusak bergabung kembali.
Tabel beberapa tipe polymerase:
Nama
Fungsi
Prokariotik polymerase
DNA polymerase I
Menghapus primer dan mengisi celah pada untai yang tertinggal
DNA polymerase II
Perbaikan DNA
DNA polymerase III
Enzim utama sintesis DNA
Eukariotik polymerase
DNA polymerase α
Polymerase pemula
Subunit Primase
Sintesis RNA primer
Unit DNA polymerase
Menambahkan bentangan sekitar 20 nukleotida ke primer
DNA polymerase β
Perbaikan DNA
DNA polymerase δ
Enzim utama sintesis DNA
Enzim-enzim yang Terlibat dalam Replikasi DNA
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.
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.
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.
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' 3'. Enzim ini hanya bisa menambahkan nukleotida ke ujung 3' yang sudah ada, karena itu butuh primer sehingga nukleotida dapat ditambahkan.
DNA Ligase
Enzim DNA ligase menggabungkan fragmen-fragmen Okazaki (lagging strand) saat proses replikasi. Enzim ini juga menyambungkan potongan-potongan DNA yang baru disintesis.
DNA Gyrase
DNA gyrase membantu proses unwinding.
Proses Replikasi DNA
Proses replikasi DNA:
Mula-mula, heliks ganda DNA (merah) dibuka menjadi dua untai tunggal oleh enzim helikase yang ditunjukkan oleh nomor 9.
Dengan bantuan topoisomerase yang ditunjukkan oleh nomor 11, yang berfungsi mengurangi tegangan untai DNA.
Untaian DNA tunggal dilekati oleh protein-protein pengikat untaian tunggal pada nomor 10 untuk mencegahnya membentuk heliks ganda kembali.
Primase (nomor 6) membentuk oligonukleotida RNA yang disebut primer (nomor 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).
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:
Denaturasi (pemisahan) untaian DNA induk
Inisiasi sintesis DNA
Pemanjangan untaian DNA
Ligasi fragmen-fragmen DNA
Terminasi sintesis DNA
Perbedaan Replikasi pada Prokariot dan Eukariot
Sel Prokariotik
Replikasi DNA terjadi di dalam sitoplasma
Memiliki satu daerah origin pada tiap molekul DNA
Pemutusan ikatan hidrogen antar pasangan basa dibantu oleh DNA gyrase.
Intermediet pada replikasi DNA menghasilkan dua struktur seperti garpu dan satu struktur menyerupai gelembung.
Sintesis DNA pada untai leading dan lagging dilakukan oleh DNA polimerase III.
Panjang fragmen Okazaki 1000-2000 nukleotida.
Laju replikasi sangat cepat yakni 2000bp per sekon.
Sel Eukariotik
Replikasi DNA terjadi di dalam nukleus
Memiliki beberapa titik daerah origin pada tiap kromosom
Tidak membutuhkan DNA gyrase dalam memutus ikatan hidrogen antar pasangan basa.
Intermediet pada replikasi DNA menghasilkan kelipatan struktur garpu.
Sintesis DNA pada untai leading dilakukan oleh DNA polimerase δ dan untai lagging oleh DNA polimerase α.
Panjang fragmen Okazaki 100-200 nukleotida.
Laju replikasi lambat yakni 100 nukleotida per sekon.
KESIMPULAN
Replikasi DNA adalah proses duplikasi informasi genetika yang terjadi pada saat pembelahan sel. Sifat DNA baru pada sel anak identik dengan DNA orang tuanya. Proses replikasi bersifat semikonservatif, yakni setiap DNA untai ganda baru terdiri dari untai original dan untai baru yang komplemen dengan untai original. 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. Enzim DNA polimerase berfungsi untuk 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.
MAKALAH BIOKIMIA
REPLIKASI DNA
Oleh:
Kelompok 2
Dian Fatmawati – 1303326151
Erlyna Yunestha Sansivera – 1303326151
Halimah Madinatul Islam – 1303326151
Ignasius Suto Karuno – 1303326151
KIMIA H – 2013
JURUSAN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS NEGERI MALANG
Oktober
2015