Replikasi DNA

MURTIARNI PUTRI 06101010025 REPLIKASI DNA 2012 06.27 Replikasi DNA merupakan proses penggandaan / duplikat rantai DNA menghasilkan DNA yang yang baru. Terdapat Terdapat tiga hipotesis mengenai replikasi DNA DNA yaitu : 1. Hipotesis Hipotesis pertam pertama, a, menyataka menyatakan n bahwa pada pada proses proses replikasi replikasi DNA, DNA, DNA yang lama lama akan tetap dan langsung menghasilkan double helix yang baru, disebut dengan konservatif. 2. Hipotesis Hipotesis kedua kedua yaitu, yaitu, menyataka menyatakan n bahwa double double helix akan akan terputus terputus – putus dan dan selanjutn selanjutnya ya segmen segmen – segmen segmen tersebut tersebut akan membentuk segmen-segmen segmen-segmen baru yang bergabung dengan segmen-segmen lama dan akan membentuk DNA yang baru. Hipotesis ini disebut dispersif. 3. Hipote Hipotesis sis ketiga ketiga yaitu, yaitu, menyat menyataka akan n bahwa bahwa dua pita pita spi spiral ral dari double double helix akan memisa memisahka hkan n diri diri dan setiap setiap pita pita tungga tunggall mencet mencetak ak pita pita pasang pasangann annya, ya, dis disebu ebutt dengan semi konservatif.  Teori mengenai replikasi DNA oleh Watson dan Crick menyatakan bahwa proses replikasi DNA terjadi secara semikonservatif. Hipotesis ini mendapat dukungan kuat dari ari M.S. M.S.M Mese eselso lson dan dan F.W F.W. Sta Stahl. hl. Merek ereka a mela melaku kuk kan perc perco obaan baan denga engan n menggunakan baktei Escherichia coli sebagai organisme percobaan. Replikasi heliks DNA dimulai dengan pemisahan kedua untaian DNA yang saling melengkapi. Setiap untaian kemudian bertindak sebagai cetakan untuk pembentukan sebuah sebuah molekul molekul DNA baru melalui melalui penambahan penambahan deoksiribonukleosid trifosfat  secara berurutan berurutan.. Nukleotid Nukleotid yang harus ditambahkan ditambahkan pada setiap setiap tahapan tahapan dipilih dipilih melalui melalui suatu proses yang mengharuskannya membentuk perpasangan basa komplementer deng dengan an nukl nukleo eoti tid d beri beriku kutn tnya ya dala dalam m unta untaian ian indu induk, k, sehi sehing ngga ga deng dengan an demi demiki kian an membentuk sebuah untaian DNA baru yang saling melengkapi dengan untaian induk. Pada akhirnya informasi genetik diduplikasi secara keseluruhan sehingga terbentuklah dua buah buah heliks heliks rangka rangkap p DNA yang yang lengka lengkap, p, masing masing-- masing masing mempun mempunyai yai urutan urutan nukleotid nukleotid yang identik identik dengan dengan urutan urutan pada heliks DNA induk yang bertindak bertindak sebagai cetakan. Karena setiap molekul DNA turunan tersusun dari sebuah untaian asli dan sebuah untaian bentukan baru. Enzim yang berperan dalam proses replikasi DNA : 1. Enzi Enzim m Heli Helica case se Enzim ini berfungsi untuk memotong untaian DNA yang doble heliks pada proses replikasi DNA menggunakan enegi kimia. 2. Enzi Enzim m top topoi oiso some mera rase se Berf Berfun ungs gsii untu untuk k memb memban antu tu helic helicas ase e untu untuk k memo memoto tong ng unta untaia ian n DNA DNA deng dengan an mengurangi tegangan untaian DNA. 3. Enzi Enzim m DNA DNA polim polimer eras ase e Berfungsi untuk memperpanjang untaian DNA baru. 4. Enzi Enzim m Lig Liga ase Berfungsi untuk melekatkan fragmen-fragmen okazaki. 5. Enzi Enzim m Pri Prime mera rase se Enzim yang memungkinkan akses pembentukan RNA primer.  Tahapan replikasi DNA : 1. Stru Strukt ktur ur DNA DNA yang yang dobl doble e heli helix x dipu diputu tuska skan n ikat ikatan anny nya a oleh oleh enzi enzim m DNA DNA heli helica case se membentuk membentuk DNA dengan dengan untaian untaian tunggal. tunggal. Proses Proses awal pemutusan pemutusan atau titik awal awal

2. 3. 4.

5.

6.

replikasi ini disebut dengan ORI ( The Origin of Replication ). Dan akan membentuk percabangan untaian struktur DNA ( replication fork ). Struktur DNA tunggal yang terbentuk distabilkan oleh protein-protein pengikat DNA yag disebut Single Srand Biding protein ( SSB ). Helikase pada proses sintesis DNA yang baru akan berikatan dengan enzim primerase untuk memungkinkan akses pembentukan RNA primer. Enzim polimerase akan memulai replikasi DNA dan akan memperpanjang untaian DNA yang terbentuk, yaitu leadding strand ( DNA yang disintesis secara kontinu dan lagging strand (DNA yang disintesis dalam framen yang pendek ( 1-5kb) yang disebut fragmen Okazaki. leading strand dan lagging strand selama selama replikasi DNA. DNA polimerase memenjangkan untaian hanya dalam arah 5’-3’. Sedangkan lagging strand harus tumbuh kontinu dengan arah 3’-5’. Enzim ligase kemudian berperan dalam menyambungkan fragmen-fragmen tersebut.

Kesalahan-kesalahan dalam replikasi DNA menyebab mutasi. Salah satu ciri yang paling mengesankan dalam replikasi DNA adalah ketelitiannya. Dalam proses tersebut terdapat beberapa mekanisme pengoreksi yang bertugas membuang nukleotid yang salah posisi; akibatnya, urutan nukleotid dalam sebuah molekul DNA disalin dengan kesalahan kurang dari satu untuk setiap 109 nukleotid yang ditambahkan. Bagaimanapun, jarang sekali mesin replikasi melewatkan beberapa buah nukleotid, atau justru menambahkan nukleotid lebih dari semestinya, atau memasangkan sebuah  T padahal semestinya adalah C, atau memasangkan sebuah A padahal seharunya G. Setiap perubahan seperti ini dalam urutan DNA adalah sebuah kesalahan genetik disebut mutasi, yang akan terus disalindan di transmisikan ke semua generasi sel berikutnya, karena urutan DNA yang salah secar lugu akan diangga sebagai urutan yang benar. Akibat yang ditimbulkan oleh kesalahan semacam ini bisa besar, karena perubahan sebuah nukleotid tunggal saja dapat menimbulkan pengaruh-pengaruh yang tidak sepele terhadap sel, tergantung dari di bagian mana mutasi telah terjadi. Para pakar genetika menyakini bahwa gen-gen menentukan struktur setiap protein. Dengan demikian, mutasi dalam sebuah gen yang disebabkan oleh berubahnya urutan DNA, myngkin menagkibatkan tidak aktifnya protein yang sangat penting dan ini menyebabkan sel yang bersangkutan mati. Sebuah mutasi mungkindapat terjadi di bagian tidak penting sehingga tidak menimbulkan pengaruh sama sekali, mutasi ini disebut dengan silent mutasi. Kesalahan pemasangan awal antara nukleotida yang baru masuk dan nukleotida yang sudah ada di untai cetakan 100.000 kali lebih umum terjadi suatu tingkat kesalahn sebesar 1 dalam 10.000 pasangan basa. Salah satu mekanisme perbaikan DNA, perbaikan salah pasang ( mismatch repair ), memperbaiki kesalahan-kesalahan yang terjadi ketika DNA disalin. Selama replikasi DNA, DNA polimerase sendirilah yang melakukan perbaikan salah pasang. Polimerase ini mengoreksi setiap nukleotida terhadap cetakannya begitu nukleotida ditambahkan pada untaian. Selain perbaikan kasalahan replikasi, pemeliharaan informasi genetik yang dikode dalam DNA juga menuntut perbaikan kerusakan pada DNA yang ada. Molekul-molekul DNA selalu terancam oleh agen fisis dan kimiawi yang bisa melukai. Zat-zat kimia reaktif, emisi radioaktif, sinar X, dan cahaya ultraviolet dapat mengubah nukleotida dengan cara yang dapat berpengaruh pada informasi genetik yang terkode, umumnya berpengaruh buruk. Seperti halnya perbaikan salah pasang, kebanyakan mekanisme perbaikan DNA rusak memanfaatkan struktur pasangan basa yang dimiliki DNA. Biasanya, satu

segman dari untai yang mengandung kerusakan dipotong habis dan dibuang( dieksisi, excised ) oleh suatu enzim pemotong DNA yaitu Nuklease. Dan celah yang terbentuk diisi dengan nukleotida-nukleotida yang pasangannya sesuai dengan nukleotida yang terdapat dalam untai yang tidak rusak. Enzim yang terlibat dalam pengisian celah ini adalah DNA polimerase dan DNA ligase. Perbaikan DNA tipe ini disebut perbaikan eksisi ( excision repair ).

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’. Perbedaan Replikasi DNA dan Trankripsi DNA Enzim yang berperan dalam proses transkripsi dan replikasi berbeda Pada proses transkripsi, enzim yang berperan RNA polymerase. transkripsi DNA : terjadi pada saat akan terjadi sintesis protein (ekspresi gen); yang dipakai cetakan hanya salah satu untai DNA(3’-5’) replikasi DNA : sebelum fase mitosis (fase S) dalam siklus sel; kedua untai induk dipakai sebagai cetakan untuk di replikasi. DNA polymerase Pada proses replikasi DNA terdapat enzim sentral, yaitu DNA polymerase. Pada proses replikasi, DNA polymerase hanya bisa menempel pada gugus OH (hidroksil) dimana gugus OH hanya ada pada ujung 3’ sedangkan ujung 5’ adalah ujung fosfat.

(ciri utama DNA polymerase). Ciri kedua: DNA polymerase tidak bisa mensintesis/ menempelkan DNA ke pasangan-nya kalau tidak ada primer (lokomotif). Sifat dari DNA polymerase dia hanya bisa mensintesis DNA dari arah 5’-3’ sehingga pertumbuhan dari 5’-3’ karena penambahan pada ujung 3’, dimana pada ujung 3’ ada ujung hidroksil. Ciri lain DNA polymerase: membutuhkan primer, tidak bisa mensintesis DNA tanpa adanya primer, primer yang dipakai adalah RNA (sekitar 4-5 basa dan dilanjutkan DNA). DNA yang dibutuhkan adalah DNA primase untuk meletakkan RNA pada tempatnya. DNA primase untuk mensintesis RNA sebagai lokomotif (4-5 basa). Bila lokomotif sudah jadi maka akan di-take over oleh DNA polymerase, dan yang ditambahkan adalah DNA. Pada Proses replikasi di butuhkan titik awal (replication origin) biasa di singkat ORI. Contoh pada plasmid (prokariot), terdapat proses replikasi yang dimulai pada replication origin dan mengembang sampai dihasilkan 2 plasmid yang sama persis.  Tetapi pada eukariot (mamalia) lebih kompleks tetapi tetap membutuhkan replication origin. Pada mamalia ada beberapa replication origin (replication bubble) yang akan bergabung satu sama lain. DNA harus terbuka dahulu baru bisa digandakan. Origin replication disebut sebagai unique sequence yang merupakan pertanda sebagai tempat proses/titik mulai terjadinya replikasi, dimana ada protein tertentu yang akan mengenali sequence. Pada bakteri (prokariot) hanya butuh satu titik ORI (origin of  replication) sedangkan pada mamalia (eukariot) butuh beberapa ORI karena kalau hanya 1 ORI akan butuh waktu 3 minggu untuk mereplikasi 3 milyard DNA. Sehingga pada mamalia ada 30.000 titik ORI yang bekerja secara bersamaan sehingga fase S untuk replikasi hanya butuh beberapa jam saja. Untuk replikasi perlu sequence tertentu yaitu yang disingkat (ACS) merupakan urutan basa yang sangat terjaga karena urutan basa tersebut dikenali oleh protein Origin Recognition Complex (ORC) sehingga bila ORC mengenali sequence maka replikasi dapat dimulai. ORI lebih global sedangkan ACS sudah pada sequence (pada urutan basa tertentu). Replikasi terjadi pada fase S sedangkan transkripsi bisa terjadi pada fase S atau G1 dimana terjadi sintesis protein maka bisa terjadi transkripsi. Saat awal akan di mulainya repliaksi, pada G1 akhir ORC mengenali sequence ACS, kemudian ada molekul lain, juga helikase yang membentuk pre-replicative complex (pre-RC). selanjutnya pada fase S degradasi fosporilasi ORC, degradasi fosforilasi Cdc6 maka terbentuk bubble replication. Helikase membuka pilinan, topoisomerase yang memotong pada titik tertentu. secara singkat dalam siklus sel : Pada fase G2/M sudah ada 2 copy. Pada fase G1 persiapan, S proses replikasi, G2/M sudah selesai

Proses replikasi DNA Pertama adanya replication origin, kemudian pembukaan local DNA helix dan adanya RNA primer synthesis. Replikasi:> ORC menempel pada ACS (ORI) :> sehingga pilinan membuka dengan bantuan helikase. Helikase akan menempel untuk membuka pilinan (helix). DNA double helix (bentuk terpilin). Untuk mereplikasi bila bentuknya terpilin tidak akan pernah bisa sehingga perlu dibuka pilinannya. Bila membuka pilinan pada salah satu ujung maka ujung yang lain akan semakin kuat pilinannya sehingga perlu daerah tertentu yang dipotong untuk membuka pilinan tesebut yang dilakukan

oleh helikase. Perlu DNA primase untuk membuat RNA primer sintesis, karena DNA polymerase tidak bisa mensintesis tanpa ada primer. Kemudian terjadi proses replikasi. Karena arah DNA anti parallel maka perlu Leading-strand dan lagging strand. Dari ORI didapatkan 2 replication fork. Ada ORI dan helikase yang membuka pilinan terus sampai terbentuk replication bubble. Proses replikasi yang di perlukan utama: 1. ORI 2. Helikase 3. Replication bubble Selanjutnya perlu primase untuk membuka primary. Merah RNA, Biru DNA. Bubble semakin besar, replikasi berlanjut dan 1 ORI akan membentuk 2 replication fork. Replication fork pada plasmid  Terdapat 2 parental strand (run occusite direction) yang bersifat antiparalel: 5’-3’ dan 3’-5’. DNA polymerase hanya mensintesis/mempolimerasi dari arah 5’-3’. Satu strain bisa secara kontinyu disintesis yaitu yang 5’-3 (leading strain). Sementara yang 3’-5’ tidak bisa dibentuk, tetapi tetap harus dibentuk dengan 5’-3’, sehingga perlu satu strain yang terbentuk dari small discontinue peaces yang disebut sebagai lagging strain. Small peaces disebut okazaki fragmen. Pada leading strand karena arahnya sudah dari 5’-3’ maka tinggal menambah saja. Sedangkan pasangannya (lagging strain) karena arahnya 3’-5’ maka hanya diam, tetapi pada titik tertentu akan ditambahkan primase lagi dan akan mensintesis lagi dari arah 5’-3’ (okazaki fragmen: fragmen2 potongan kecil yang terjadi pada saat replikasi pada lagging strain)-> Pada lagging strand arahnya dari 3’-5’ Okazaki fragment: fragment potongan kecil pada saat replikasi yang terjadi pada lagging strand template. Yang terjadi pd Okazaki fragment (OF): kita punya RNA primer sehingga di OF ada RNA-DNA hybrid. Tetapi RNA harus dibuang oleh RNase H. Setelah itu untuk menggantikan RNA dibutuhkan polymerase delta (delta) yang bisa bersifat exonuclease tetapi juga bisa bersifat endonuclease, yaitu mereplace atau menempatkan dNTP. Pada saat RNA dibuang maka akan digantikan dengan DNA polymerase delta yang baru sampai hilang sama sekali. Tetapi masih belum lengkap karena masih ada celah sehingga perlu DNA ligase untuk menempelkan. Akhirnya diperoleh 2 strain yang sama persis. Protein yang dibutuhkan dalam replication fork yaitu: Helicase: fungsinya untuk membuka (unwinding) parental DNA • •

•

Single-stranded DNA-binding protein: untuk menstabilisasi unwinding, untuk mencegah DNA yang single-stranded agar tetap stabil (tidak double straded lagi).  Topoisomerase: untuk memotong (breakage) pada tempat-tempat tertentu.

DNA Polimerase yang memiliki DNA single-strand binding protein monomer yang bertugas untuk mencegah supaya DNA tidak hanya menempel dengan lawannya tetapi juga bisa membentuk hairpins. Karena sudah terbuka sehingga ada basa-basa tertentu yang saling berpasangan sehingga terbentuk hairpins. Supaya tidak terbentuk hairpins maka didatangkan single strand binding protein supaya tetap lurus dan tidak berbelok-belok.  Topoisomerase, cirinya memotong DNA pada tempat tertentu sehingga mudah untuk memutar karena sudah dipotong. Tugasnya adalah memasangkan kembali DNA yang terpotong.

Protein aksesori : Brace protein, : Replication factor C (RFC), supaya DNA polimerasenya menempelnya stabil (tidak mudah terlepas dari DNA template). Sliding-clamps protein, supaya kedudukannya stabil dan tidak goyang2. Proses pada leading dan lagging strand berlangsung secara bersamaan, tetapi proses pada lagging bertahap. Ada DNA polimerase dan sliding clamps. Sintesis terjadi pada leading strand terlebih dahulu. Pada tahap tertentu DNA primase akan ditambahkan sehingga clamps-nya datang lagi. Setelah proses replikasi selesai maka RNA akan segera dibuang digantikan dengan DNA yang baru. Perangkat untuk replikasi: DNA polimerasi, brace, clamp, DNA helicase, singlestrand binding protein, primase, topoisomerase. Setelah direplikasi ujung DNA harus ada telomere (ujung DNA). Bila tidak ada telomere maka kromosom akan saling menempel sehingga kromosom tidak 46 tetapi dalam bentuk gandeng2 (tidak diketahui). Chromosome end: Pada lagging strand, di akhir replikasi ujungnya akan dihilangkan, RNA juga akan dihilangkan, sehingga hasil replikasi menjadi lebih pendek. Hal ini terjadi karena menggunakan primer RNA untuk proses replikasi, dan RNA primer setelah replikasi harus dibuang dan tidak bisa digantikan. Untuk mengatasinya maka diadakan telomerase yang dibuat berkali-kali. (slide 76: TTGGGGTTGGGTTGGGG). Telomer dibuat oleh enzim telomerase. Telomer: ujung yang merupakan non coding DNA sehingga kalau memendek tidak akan menjadi masalah karena tidak mengkode apapun. Telomer diadakan untuk mengantisipasi pada saat replikasi karena DNA akan memendek. EXTENDS 3’ PRIMARY GENE --> TELOMERE, dan enzim yang membuatnya : telomerase. Semua sel selain stem sel tidak punya telomere. Pada saat sel replikasi maka akan selalu memendek. Sampai pada suatu titik tertentu yang merupakan signal bagi sel untuk berhenti membelah. Karena kemampuan sel untuk membelah dibatasi oleh panjangnya telomerase. Pada saat telomere memendek sampai batas tertentu maka akan memberikan sinyal bagi sel untuk berhenti membelah. Sedangkan pada stem sel yang memiliki telomerase, maka kemampuan membelahnya tidak terbatas karena pada saat telomere habis maka telomerase akan membentuk telomere baru. Hal ini yang dimanfaatkan oleh sel kanker karena sel kanker memiliki telomerase sehingga sel kanker dapat terus membelah. Manusia memiliki kemampuan replikasi sel yang terbatas karena keterbatasan telomere, shg bila telomere habis sel akan berhenti membelah.