PENDAHULUAN Baha Bahan n gene geneti tik k yang ang ada ada pada pada seti setiap ap jasa jasad d akan akan meng mengal alam amii pros proses es perbanyakan sebagai salah satu tahapan sangat penting dalam proses pertumbuhan sel atau atau perban perbanya yakan kan partik partikel el virus. virus. Proses Proses perban perbanya yakan kan bahan bahan geneti genetik k dikena dikenall 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 tertentu, genomny genomnyaa berupa berupa molekul molekul NA. !enom yang berupa berupa molekul molekul NA ini juga akan direpl direplika ikasi si meskip meskipun un dengan dengan melalu melaluii tahapa tahapan n yang yang sediki sedikitt berbed berbedaa diband dibanding ing dengan replikasi genom yang berupa molekul DNA.
eplikasi eplikasi bahan genetik genetik dapat dikatakan dikatakan sebagai sebagai proses proses yang mengawali mengawali pertumbuhan sel, meskipun sebenarnya pertumbuhan merupakan suatu resultan banyak proses yang saling berkaitan satu sama rain. Sel mempunyai mekanisme replikasi bahan genetik yang dilengkapi dengan sistem penyuntingan "editing# yang sangat akurat sehingga bahan genetik yang diturunkan kepada sel anakan "progeni# mempuny mempunyai ai komposisi komposisi yang sangat identik identik dengan dengan komposisi komposisi bahan genetik genetik sel induk. induk. eplik eplikasi asi bahan bahan generik generik diikut diikutii oleh oleh pemben pembentuk tukan an sel$sel sel$sel anakan anakan yang yang membawa membawa duplikat duplikat bahan genetik genetik hasil replikasi. replikasi. %leh karena itu, kesalahan kesalahan dalam proses replikasi bahan genetik dapat mengakibatkan perubahan pada si&at si&at sel anakan.
1
Mekanisme replikasi bahan genetik sangat kompleks dan melibatkan banyak protein yang masing$masing mempunyai peranan spesi&ik. Protein$protein yang terlibat di dalam proses reprikasi bahan genetik dikode oleh gen$gen yang terdapat di dalam bahan genetik itu sendiri. %leh karena itu, ada kaitan &ungsional yang sangat sangat erat dan tidak tidak terpisah terpisahkan kan antara antara proses proses replik replikasi asi bahan bahan genetik genetik dengan dengan proses ekspresi genetik dan metabolisme sel se'ara keseluruhan. (ambatan yang terjadi pada proses metabolisme, misalnya penghambatan produksi energi. Dapat pula memengaruhi proses reprikasi karena reprikasi juga memerlukan pasokan energi.
Se'ar Se'araa umum umum,, repli replika kasi si baha bahan n gene geneti tik k meru merupa pakan kan pros proses es peng pengko kopi pian an rangkaian molekul bahan genetik "DNA atau NA# sehingga dihasilkan molekul anakan yang sangat identik. Meskipun konsep dasar replikasi antara struktur bahan geneti genetik k yang yang satu dengan dengan lainny lainnyaa adalah adalah serupa, serupa, namun namun diketa diketahui hui ada banyak banyak perbedaan dalam hal mekanisme rin'inya. Sebagai 'ontoh, bahan genetik yang berupa molekul NA mempunyai mekanisme replikasi rin'i yang berbeda dengan replikasi molekul DNA. Pada kelompok virus, misalnya, replikasi bahan genetiknya terjadi di dalam sel inang yang sebenarnya merupakan jasad hidup yang lain dari jasad virus itu sendiri. (al ini dapat terjadi karena virus merupakan jasad parasit obligat. Di lain pihak, replikasi DNA pada prokariot dan eukariot terjadi dalam sel jasad hidup yang bersangkutan. Selain itu perbedaan struktural molekul bahan geneti genetik k misaln misalnya ya antara antara DNA lingkar lingkar "circular DNA# DNA# dengan dengan DNA linear linear juga juga berimplikasi pada perbedaan mekanisme replikasi.
2
Mekanisme replikasi bahan genetik sangat kompleks dan melibatkan banyak protein yang masing$masing mempunyai peranan spesi&ik. Protein$protein yang terlibat di dalam proses reprikasi bahan genetik dikode oleh gen$gen yang terdapat di dalam bahan genetik itu sendiri. %leh karena itu, ada kaitan &ungsional yang sangat sangat erat dan tidak tidak terpisah terpisahkan kan antara antara proses proses replik replikasi asi bahan bahan genetik genetik dengan dengan proses ekspresi genetik dan metabolisme sel se'ara keseluruhan. (ambatan yang terjadi pada proses metabolisme, misalnya penghambatan produksi energi. Dapat pula memengaruhi proses reprikasi karena reprikasi juga memerlukan pasokan energi.
Se'ar Se'araa umum umum,, repli replika kasi si baha bahan n gene geneti tik k meru merupa pakan kan pros proses es peng pengko kopi pian an rangkaian molekul bahan genetik "DNA atau NA# sehingga dihasilkan molekul anakan yang sangat identik. Meskipun konsep dasar replikasi antara struktur bahan geneti genetik k yang yang satu dengan dengan lainny lainnyaa adalah adalah serupa, serupa, namun namun diketa diketahui hui ada banyak banyak perbedaan dalam hal mekanisme rin'inya. Sebagai 'ontoh, bahan genetik yang berupa molekul NA mempunyai mekanisme replikasi rin'i 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. (al ini dapat terjadi karena virus merupakan jasad parasit obligat. Di lain pihak, replikasi DNA pada prokariot dan eukariot terjadi dalam sel jasad hidup yang bersangkutan. Selain itu perbedaan struktural molekul bahan geneti genetik k misaln misalnya ya antara antara DNA lingkar lingkar "circular DNA# DNA# dengan dengan DNA linear linear juga juga berimplikasi pada perbedaan mekanisme replikasi.
2
REPLIKASI DNA, TRANSKRIPSI DNA DNA & TRANSLASI TRANSLASI RNA
1. Penge Pengert rtian ian Replika Replikasi si
eplikasi merupakan peristiwa sintesis DNA "autokatalisis# karena DNA mampu mampu mensintesis mensintesis diri sendiri. sendiri. eplikasi eplikasi DNA dapat terjadi dengan adanya sintesis rantai nukl nukleo eoti tida da
baru aru
dari ari
rant rantai ai
nukl nukleo eoti tid da
lam lama
melal elalu ui
prose rosess
meng engguna gunak kan
komplementasi pasangan basa untuk menghasilkan suatu molekul DNA baru yang sama dengan dengan molek molekul ul DNA lama, lama, proses proses yang yang terjadi terjadi tersebu tersebutt dipeng dipengaru aruhi hi oleh oleh en)im en)im helikase, en)im polimerase, dan ligase "Ne'el, *++#. epl eplik ikas asii DNA DNA bers bersi& i&at at semikonservatif , yaitu aitu kedu keduaa unta untaii tung tungga gall DNA DNA bertindak sebagai 'etakan untuk pembuatan untai$untai DNA baru- seluruh untai tunggal 'etakan dipertahankan dan untai yang baru dibuat dari nukleotida$nukleotida "Ne'el, *++#.
2. Koponen Koponen Pentin Penting g !ala !ala Replikasi Replikasi
eplikasi bahan genetik ditentukan oleh beberapa komponen utama yaitu "Amir, dkk , *++#/ . DNA "etakan, yaitu molekul DNA atau NA yang yang akan direplikasi. *. #olek$l !eoksiri%on$kleoti!a yaitu dA0 dA0P, d00P d00P, d10P d10P, dan d!0P d!0P.. Deoksi Deoksi !eoksiri%on$kleoti!a, yaitu ribonukleotida terdiri atas tiga komponen yaitu basa purin atau pirimidin, gula 2$ karbon "deoksiribosa# dan gugus &os&at.
3
3. Eni DNA polierase, yaitu en)im utama yang mengkatalisis proses polimerisasi nukleotida menjadi untaian DNA. 4n)im DNA polimerase memiliki &ungsi lain, yaitu mengoreksi DNA yang baru terbentuk, membetulkan setiap kesalahan replikasi, dan memperbaiki DNA yang rusak. Adanya &ungsi tersebut menjadikan rangkaian nukleotida DNA sangat stabil dan mutasi jarang terjadi "Desy, *++#. 5. Eni priase, yaitu en)im yang mengkatalisis sintesis primer untuk memulai replikasi DNA. 2. 4n)im pembuka ikatan untaian induk, yaitu eni 'elikase dan eni girase. 6. Molekul protein yang menstabilkan untaian DNA yang sudah terbuka, yaitu protein SS( " single strand binding protein). 7. Eni DNA ligase, yaitu suatu en)im yang ber&ungsi untuk menyambung &ragmen$
&ragmen DNA
). #o!el Replikasi
*a%ar 1. 0iga kemungkinan terjadinya replikasi DNA "Pray, *++8#
Ada 3 'ara terjadinya replikasi DNA dalam sel eukariot, yaitu "Desy, *++#/ 1. #o!el konser+ati , yaitu dua rantai DNA lama tetap tidak berubah, ber&ungsi
sebagai 'etakan untuk dua rantai DNA baru. eplikasi ini mempertahankan molekul
4
dari DNA lama dan membuat molekul DNA baru "Desy, *++#. Pada replikasi konservati& seluruh tangga berpilin DNA awal tetap dipertahankan dan akan mengarahkan pembentukan tangga berpilin baru. Pada replikasi semikonservati& tangga berpilin mengalami pembukaan terlebih dahulu sehingga kedua untai polinukleotida akan saling terpisah. Namun, masing$masing untai ini tetap dipertahankan dan akan bertindak sebagai 'etakan (template) bagi pembentukan untai polinukleotida baru. Sementara itu, pada replikasi dispersi& kedua untai polinukleotida mengalami &ragmentasi di sejumlah tempat. 9emudian, &ragmen$ &ragmen polinukleotida yang terbentuk akan menjadi 'etakan bagi &ragmen nukleotida baru sehingga &ragmen lama dan baru akan dijumpai berselang$seling di dalam tangga berpilin yang baru "Susanto, *++8#. 2. #o!el seikonser+ati , yaitu dua rantai DNA lama terpisah dan rantai baru
disintesis dengan prinsip komplementasi pada masing$masing rantai DNA lama. Akhirnya dihasilkan dua rantai DNA baru yang masing$masing mengandung satu rantai 'etakan molekul DNA lama dan satu rantai baru hasil sintesis "Desy, *++#. ). #o!el !ispersi , yaitu beberapa bagian dari kedua rantai DNA lama digunakan
sebagai 'etakan untuk sintesis rantai DNA baru. %leh karena itu, hasil akhirnya diperoleh rantai DNA lama dan baru yang tersebar pada rantai DNA lama dan baru. eplikasi ini menghasilkan dua molekul DNA lama dan DNA baru yang saling berselang$seling pada setiap untai"Desy, *++#. (ipotesis :atson ;1ri'k mengusulkan bahwa tiap untaian sulur ganda DNA digunakan sebagai suatu 'etakan bagi replikasi DNA keturunan atau anak yang bersi&at
5
komplementer. Dengan 'ara ini, dua dupleks keturunan molekul ; molekul DNA yang sama dengan DNA induk akan terbentuk, masing ; masing mengandung satu untaian utuh dari DNA induk. (ipotesis ini telah dibuktikan dalam per'obaan yang 'ermat dilakukan oleh Matthew Meselson dan
, sebagai ganti atom N yang biasa yaitu, isotop yang banyak dijumpai 5 N. Dengan demikian, sekuruh komponen nitrogen sel yang tumbuh pada medium ini, termasuk bom pada DNA$nya menjadi sangat diperkaya oleh 2
N. DNA yang diisolasi dari sel menunjukkan densitas kira ; kira ? lebih berat
daripada "5 N# DNA normalnya. Meskipun ini hanya merupakan perbedaan ke'il, 'ampuran DNA "2 N# berat dan " 5 N# ringan di dalam larutan sesium klorida pekat dapat dipisahkan dengan sentri&ugasi. Sesium klorida digunakan karena larutan molekul ini menunjukkan berat jenis yang mendekati DNA. Bila suatu larutan 1s1l disentri&ugasi untuk waktu yang lama pada ke'epatan tinggi, larutan tersebut men'apai suatu keseimbangan dengan 1s1l membentuk gradient densitas yang berkesinambungan. %leh karena gaya sedimentasi, konsentrasi 1s1l pada dasar tabung lebih tinggi dan karena itu, larutan menjadi lebih pekat daripada di bagian atas. Spesimen DNA yang dilarutkan di dalam 1s1l akan men'apai posisi keseimbangan pada tabung dimana densitasnya akan setara dengan larutan 1s1l. 9arena " 2 N# DNA sedikit lebih pekat daripada "5 N# DNA, " 2 N# DNA akan men'apai posisi keseimbangan yang lebih rendah pada gradient 1s1l daripada "5 N# DNA "@ehninger, et.al., *++2#.
6
Meselson dan Stahl memindahkan sel ; sel E.coli yang tumbuh pada media 2 N, dimana seluruh untaian DNA menjadi =berat>, ke dalam media segar dengan N( 51l yang mengandung isotop 5 N normal. Media segar menunjukkan sel ; sel ini tumbuh dalam media 5 N sehingga men'apai sebanyak dua kalinya. DNA kemudian diisolasi dari sel ; sel dan densitasnya dianalisa dengan prosedur pengendapan yang telah disebutkan di atas. DNA hanya membentuk suatu pita tunggal pada gradient 1s1l pada pertengahan densitas antara DNA =ringan> normal yang mengandung 5 N dan DNA =berat> dari pertumbuhan sel ; sel, khusus pada 2 N. (al ini merupakan hasil yang tepat diharapkan bila ulur pada DNA dari sel ; sel keturunan mengandung satu untaian 5 N baru dan satu untaian 2 N lama dari DNA induk, yang se'ara skematis dapat dilihat pada gambar * "@ehninger, et.al., *++2#.
7
*a%ar 2. (asil eksperimen Meselson dan Stahl untuk menentukan replikasi DNA
yang terjadi di alam "Pray, *++# Bila sel ; sel dibiarkan meningkat lagi dua kali jumlah pada media 5 N, DNA yang diisolasi memperlihatkan dua pita, satu menunjukkan densitas yang setara dengan DNA ringan yang normal dan lainnya menunjukkan densitas DNA baru yang terlihat setelah sel pertama jumlahnya mejadi dua kali, Meselson dan Stahl dengan demikian tiba pada kesimpulan bahwa tiap dupleks DNA keturunan pada dua generasi sel ; sel mengandung satu untaian induk dan satu untaian yang baru dibuat, tepat dengan pernyataan hipotesis :atson$1ri'k. enis replikasi ini disebut seikonser+ati , karena hanya satu untaian induk dipertahankan pada tiap DNA keturunan. Pengamatan mereka dengan jelas meniadakan replikasi konservati&, dimana satu dupleks DNA keturunan
8
mempunyai dua untaian baru. (al ini juga meniadakan suatu mekanisme dispersi& dimana tiap untaian keturunan DNA mengandung potongan pendek dari kedua induk dan DNA baru yang bergabung bersama se'ara a'ak "@ehninger, et.al., *++2#.
-. #ekanise Dasar Replikasi DNA
Model replikasi DNA se'ara semikonservati& menunjukkan bahwa DNA anakan terdiri atas pasangan untaian DNA induk dan untaian DNA hasil sintesis baru. Model ini memberikan gambaran bahwa untaian DNA induk berperanan sebagai 'etakan "template# bagi pembentukan untaian DNA baru. Seperti diketahui, molekul DNA untai$ganda terdiri atas dua untai molekur DNA yang berpasangan se'ara komplementer yaitu antara basa nukleotida A dengan 0, dan antara 1 dengan !. %leh karena itu, proses replikasi DNA harus diawali dengan pemutusan "denaturasi# ikatan antara untaian DNA yang satu dengan untaian komplementernya. (al ini dimaksudkan agar masing$masing untaian DNA tersebut dapat bertindak sebagai 'etakan, sebab proses pemasangan nukleotida$nukleotida baru dengan 'etakannya akan terhalangi jika kedua untai itu masih berada dalam keadaan berikatan. Dengan demikian, salah satu bagian yang sangat 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 en)imatis. %leh karena molekul DNA adalah biomolekul yang sangat vital bagi jasad, maka denaturasi DNA terjadi se'ara parsial dan bertahap. Denaturasi awal terjadi pada bagian DNA yang dikenal sebagai ori "origin o& repli'ation# atau titik awal replikasi. lkatan hidrogen antara A$0 dan 1$! akan terputus dan diikuti dengan pembukaan untaian DNA. ntaian DNA membuka membentuk struktur yang disebut sebagai garpu replikasi "repli'otion &ork#. !arpu replikasi akan bergerak sehingga molekul DNA induk membuka se'ara bertahap. Masing$masing untaian DNA induk yang sudah terpisah satu sama lain ber&ungsi sebagai 'etakan untuk
9
penempelan nukleotida$nukleotida yang akan menyusun molekul DNA baru. Nukleotida$nukleotida baru akan dipolimerisasi menjadi untaian DNA baru dengan urutan sesuai dengan urutan 'etakan DNA komplemennya. Basa nukleotida A dipasangkan dengan basa 0 yang ada pada 'etakannya, sedangkan basa 1 dipasangkan dengan basa !. %leh karena itu, untaian DNA baru yang terbentuk merupakan komplemen untaian DNA induk. Proses polimerisasi nukleotida terjadi pada kedua untaian DNA 'etakan sehingga pada akhir satu kali putaran replikasi akan dihasilkan dua molekur DNA baru yang identik. Masing$masing molekul DNA untai$ganda yang terbentuk terdiri atas untai DNA induk dan untai DNA baru hasil polimerisasi selama proses replikasi. Dalam putaran replikasi berikutnya akan terjadi proses yang serupa sehingga DNA anakan menjadi DNA induk untuk replikasi berikutnya.
. Ta'apan Replikasi
Proses replikasi dalam molekul DNA dimulai pada suatu titik yang disebut dengan Origin of Replication "%ri#. Pada titik ini, DNA akan membentuk seperti gelembung ke'il, dimana ikatan hidrogen antara basa$basa terputus dan pasangan basanya terpisah. (eliks mulai membuka uliran "Ma, et.al., 8#. 0ahapan replikasi DNA pada sel eukariot adalah sebagai berikut "Anonymous , *+#/ . Cnisiasi dalam proses replikasi DNA terjadi adalah pemutusan ikatan hidrogen antara basa$basa nitrogen dari dua untai yang antiparalel. Pemutusan ikatan tersebut terjadi pada rantai yang kaya akan ikatan A$0. (al tersebut dikarenakan ikatan antara adenin dan timin yang hanya merupakan ikatan rangkap dua, sedangkan pada ikatan antara sitosin dan guanin adalah ikatan rangkap tiga. (elikase adalah en)im yang ber&ungsi
10
untuk membuka untai ganda DNA. 0itik awal dimana terjadinya splitting disebut sebagai origin of replication. Struktur yang dihasilkan disebut dengan replication fork .
*a%ar ). 0ahap pemutusan ikatan hydrogen pada basa ; basa nitrogen *. Salah satu hal penting dalam tahapan replikasi DNA adalah pengikatan primase NA
pada titik awal rantai induk 3$2. Primase NA dapat menarik nukleotida NA yang berikatan dengan nukleotida DNA dari untai 3$2 dikarenakan ikatan hidrogen antar basanya. Nukleotida NA adalah primer " starter # untuk ikatan nukleotida DNA.
*a%ar -. 0ahap pembentukan NA primer 3. 0ahapan elongasi berbeda untuk 'etakan 2$3 dan 3$2, yaitu/ a. 1etakan 2$3 1etakan 2$3 disebut sebagai leading strand karena DNA polimerase E dapat
memba'a 'etakan dan se'ara kontinu menambah nukleotida "komplemen dari 'etakan nukleotida, sebagai 'ontoh adenin berlawanan dengan timin#.
11
b. 1etakan 3$2 1etakan 3$2 tidak dapat diba'a dengan DNA polimerase E. eplikasi dari 'etakan ini rumit dan DNA barunya disebut lagging strand . Pada lagging strand NA primase menambah lebih banyak NA primer. DNA polimerase E memba'a 'etakan. arak antara dua NA primer disebut sebagai fragmen Okazaki.
*a%ar . 0ahap pembentukan leading strand dan lagging strand
*a%ar /.
12
NA primer penting untuk DNA polimerase E berikatan dengan nukleotida pada bagian ujung 3. ntai baru dielongasi dengan mengikat lebih banyak DNA nukleotida. 5. Pada lagging strand DNA Polimerase C $ eksonuklease memba'a &ragmen dan memindahkan NA Primer. arak didekatkan dengan adanya pengaruh DNA polymerase "menambahkan nukleotida komplementer pada jarak tersebut# dan DNA ligase "menambahkan &os&at pada gap antara &os&at dan gula#.
*a%ar 0. 0ahap pemba'aan &ragmen oleh DNA polimerase C$eksonuklease 2. @angkah terakhir dari tahapan replikasi DNA adalah terminasi. 0ahapan ini terjadi
ketika DNA polymerase men'apai titik akhir untai. 9ita dapat dengan mudah memahami bahwa pada akhir tahapan lagging strand , ketika NA primer dipindahkan tidak mungkin bagi DNA polimerase untuk mengisi kekosongan tersebut "karena tidak ada primer#. Sehingga, ujung dari untai induk dimana primer terakhir tidak direplikasi. jung dari DNA linear terdiri dari DNA noncoding yang berulang ; ulang dan disebut telomere. Sebagai hasilnya, bagian dari telomere dipindahkan pada tiap siklus replikasi DNA. 6. eplikasi DNA tidak sempurna sebelum terjadi mekanisme perbaikan terhadap kesalahan$kesalahan yang mungkin terjadi selama replikasi. 4n)im seperti nuklease
13
akan memindahkan nukleotida yang salah dan DNA polimerase akan mengisi kekosongan "gap# tersebut.
*a%ar . DNA hasil replikasi
.1. Pe%ent$kan leading strand
Pada replikasi DNA, untaian pengawal "leading strand # ialah untaian DNA yang disintesis dengan arah 2FG3F se'ara berkesinambungan. Pada untaian ini, DNA polimerase mampu membentuk DNA menggunakan ujung 3F$%( bebas dari sebuah primer NA dan sintesis DNA berlangsung se'ara berkesinambungan, searah dengan arah pergerakan garpu replikasi "Ne'el, *++#.
.2. Pe%ent$kan lagging strand
Lagging strand ialah untaian DNA yang terletak pada sisi yang berseberangan dengan leading strand pada garpu replikasi. ntaian ini disintesis dalam segmen$ segmen yang disebut fragmen Okazaki. Pada untaian ini, primase membentuk primer
14
NA. DNA polimerase dengan demikian dapat menggunakan gugus %( 3F bebas pada primer NA tersebut untuk mensintesis DNA dengan arah 2FG3F.
.). *arp$ replikasi
!arpu replikasi atau 'abang replikasi "replication fork # ialah struktur yang terbentuk ketika DNA bereplikasi. !arpu replikasi ini dibentuk akibat en)im helikase yang memutus ikatan$ikatan hidrogen yang menyatukan kedua untaian DNA, membuat terbukanya untaian ganda tersebut menjadi dua 'abang yang masing$masing terdiri dari sebuah untaian tunggal DNA. Masing$masing 'abang tersebut menjadi H'etakanH untuk pembentukan dua untaian DNA baru berdasarkan urutan nukleotida komplementernya. DNA
polimerase
membentuk
untaian
DNA
baru
dengan
memperpanjang
oligonukleotida "NA# yang dibentuk oleh en)im primase dan disebut primer "Ne'el, *++#. DNA polimerase membentuk untaian DNA baru dengan menambahkan nukleotida dalam hal ini, deoksiribonukleotida ke ujung 3F$hidroksil bebas nukleotida rantai DNA yang sedang tumbuh. Dengan kata lain, rantai DNA baru "DNA HanakH# disintesis dari arah 2FG3F, sedangkan DNA polimerase bergerak pada DNA HindukH dengan arah 3FG2F. Namun demikian, salah satu untaian DNA induk pada garpu
15
replikasi berorientasi 3FG2F, sementara untaian lainnya berorientasi 2FG3F, dan helikase bergerak membuka untaian rangkap DNA dengan arah 2FG3F. %leh karena itu, replikasi harus berlangsung pada kedua arah berlawanan tersebut "Ne'el, *++#.
/. Replikasi DNA pa!a Sel E$kariot
Pada eukariot, proses replikasi DNA adalah sama dengan replikasi dari bakteri atau DNA prokariotik dengan beberapa modi&ikasi ke'il. Pada eukariot, molekul DNA lebih besar daripada di prokariot dan tidak melingkar, juga banyak tempat untuk memulai replikasi "Anonymous *, *+#. Pada eukariot replikasi DNA hanya terjadi pada &ase S di dalam inter&ase. ntuk memasuki &ase S diperlukan regulasi oleh sistem protein kompleks yang disebut siklin dan kinase tergantung siklin atau cyclindependent protein kinases "1D9s#, yang akan diaktivasi oleh sinyal pertumbuhan yang men'apai permukaan sel. Beberapa 1D9s akan melakukan &os&orilasi dan mengakti&kan protein$protein yang diperlukan untuk inisiasi pada masing$masing %C. Berhubung dengan kompleksitas struktur kromatin, &ork replikasi pada eukariot bergerak hanya dengan ke'epatan 2+ pb tiap detik. Sebelum melakukan penyalinan, DNA harus dilepaskan dari nukleosom pada &ork replikasi sehingga gerakan &ork replikasi akan diperlambat menjadi sekitar 2+ pb tiap detik. Dengan ke'epatan seperti ini diperlukan waktu sekitar 3+ hari untuk menyalin molekul DNA kromosom pada kebanyakan mamalia. Sederetan sekuens tandem yang terdiri dari *+ hingga 2+ replikon mengalami inisiasi se'ara bersamaan pada waktu tertentu selama
16
&ase S. Deretan yang mengalami inisiasi paling awal adalah eukromatin, sedangkan deretan yang agak lambat adalah heterokromatin "Susanto, *++8#. DNA sentromir dan telomir bereplikasi paling lambat. Pola sema'am ini men'erminkan aksesibilitas struktur kromatin yang berbeda$beda terhadap &aktor inisiasi. Seperti halnya pada prokariot, satu atau beberapa DNA helikase dan SSB yang disebut dengan protein replikasi A atau repli'ation protein A "P$A# diperlukan untuk memisahkan kedua untai DNA "Susanto, *++8#. Proses replikasi DNA eukariot sama dengan replikasi DNA prokariotik ke'uali untuk aspek$aspek dibawah ini "Anonymous 3, *+#/ . DNA eukariot mempunyai beberapa tempat =Origin Of Replication>, maka beberapa replikasi &ork menghasilkan banyak gelembung sepanjang DNA. eplikasi &ork dibentuk pada urutan mereplikasi se'ara otonom "AS# yang mengandung bp dikenal dengan origin replication element "%4#. *. Polimerase DNA E dan I adalah en)im$en)im replikasi DNA dalam sel eukariotik. Polimerase DNA E mempunyai aktivitas polimerase 2F 3 F dan sintesis primer pada lagging strand kemudian diperpanjang dengan multisubunit DNA polymerase. Polimerase DNA J mengoreksi aktivitas eksonuklease 32 dan melaksanakan keduanya dan sintesis lagging strand dalam suatu kompleks bakteri dimer DNA polimerase CCC. K polimerase DNA menghilangkan &ragmen utama dari %ka)aki pada @agging strand. Polimerase DNA L bertanggung jawab untuk replikasi DNA mt. 3. 0elomere, struktur di ujung kromosom eukariotik linear, terdiri dari banyak salinan tandem urutan oligonukleotida pendek dengan 0!y dalam satu untai dan 1yA di untai komplementer, di mana dan y biasanya dalam rentang sampai 5. 0elomerase
17
mengandung NA yang ber&ungsi sebagai template untuk sintesis untai 0!y dari telomer. 9omponen protein dari telomerase bertindak sebagai reverse transkripsi selular untuk sintesis NA dan DNA. Setelah perpanjangan untai 0!y oleh telomerase, pelengkap untai 1yA disintesis oleh DNA polimerase selular, dimulai dengan sebuah primer NA. 0. Replikasi DNA pa!a Sel Prokariot
Suatu kromosom mengandung satu molekul DNA yang biasanya sangat besar, misalnya beberapa kromosom bakteri tersusun oleh sebanyak 5 + 6 pasang basa. Selain itu dalam banyak hal, DNA berbentuk tertutup atau struktur lingkar. Beberapa kromosom bakteri berbentuk linier. (anya sedikit diketahui mengenai kromosom bakteri linier "Ngili, *++#. Dari penelitian genetika telah diketahui bahwa inisiasi replikasi terjadi pada sisi tertentu yang disebut sisi inisiasi atau origin o& the 'hromosome "ori 1#. rutan nukleotida dalam daerah ini mengikat pada berbagai protein untuk menginisiasi kedua garpu "Ngili, *++#. eplikasi kromosom bakteri bisa dibagi ke dalam tiga tahap/ inisiasi, elongasi, dan terminasi. Cnisiasi yakni pembentukan garpu$garpu replikasi pada molekul awal. 4longasi menggambarkan perkembangan garpu$garpu ini mengelilingi kromosom, serentak dengan sintesis DNA atau pertumbuhan rantai. 0erminasi yakni penggabungan garpu$garpu yang saling mendekati, menghasilkan dua kromosom sempurna yang dapat berpisah satu sama lain "Ngili, *++#.
18
eplikasi kromosom bakteri sepanjang 2.+++ kb memakan waktu sekitar 5+ menit dan terjadi dalam seluruh siklus pembelahan bakteri. Maka, setiap garpu mereplikasikan sekitar 2+ kb DNA per menit. "Dalam sel eukariot, replikasi DNA terbatas pada bagian siklus pembelahan sel mitosis yang disebut &ase S, yang bisa berlangsung selama beberapa jam#. @aju 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 'epat daripada yang ditumbuhkan dalam medium miskin dimana pembentukannya mungkin tiga sampai empat kali lebih lama "Ngili, *++#. Seperti diketahui, replikasi suatu replikon bisa dibagi ke dalam tiga tahap yakni inisiasi, elongasi, dan terminasi. Selama &ase elongasi, pertumbuhan rantai DNA berlangsung pada garpy replikasi. Cni adalah tahap yang bagus untuk meneliti beberapa en)im penting dan protein lain yang terlibat dalam replikasi. Proses seperti ini yang terjadi dalam bakteri 4.'oli adalah yang paling dipahami, dan berman&aat sebagai prototipe untuk sistem lain. Beberapa en)im dan protein terlibat didalamnya "Ngili, *++#. 4n)im yang bertanggung jawab untuk sintesis rantai DNA baru pada garpu replikasi yakni en)im DNA polimerase. 4n)im ini memakai untai DNA tunggal yang terbuka gulungannya sebagai templat. 0erdapat tiga ma'am DNA polimerase dalam 4.'oli, yakni DNA polimerase C,CC, dan CCC. DNA polimerase C adalah yang paling melimpah, dan DNA polimerase CCC adalah yang paling sedikit. 9edua en)im ini
19
mempunyai peran penting dalam keseluruhan proses replikasi DNA. Peranan polimerase CC belum diketahui dengan jelas "Ngili, *++#.
20
Protein DnaA membentuk struktur kompleks yang terdiri atas 3+ hingga 5+ buah molekul, yang masing$masing akan terikat pada molekul A0P. Daerah ori akan mengelilingi kompleks DnaA$A0P tersebut. Proses ini memerlukan kondisi superkoiling negati& DNA "pilinan kedua untai DNA berbalik arah sehingga terbuka#. Superkoiling negati& akan menyebabkan pembukaan tiga sekuens repetiti& sepanjang 3 pb yang kaya dengan A0 sehingga memungkinkan terjadinya pengikatan protein DnaB, yang merupakan en)im helikase, yaitu en)im yang akan menggunakan energi A0P hasil hidrolisis untuk bergerak di sepanjang kedua untai DNA dan memisahkannya "Ngili, *++#. ntai DNA tunggal hasil pemisahan oleh helikase selanjutnya diselubungi oleh protein pengikat untai tunggal atau single$stranded binding protein "SSB# untuk melindungi DNA untai tunggal dari kerusakan &isik dan men'egah renaturasi. 4n)im DNA primase kemudian akan menempel pada DNA dan menyintesis NA primer yang pendek untuk memulai atau menginisiasi sintesis pada untai pengarah. Agar replikasi dapat terus berjalan menjauhi ori, diperlukan en)im helikase selain DnaB. (al ini karena pembukaan heliks akan diikuti oleh pembentukan putaran baru berupa superkoiling positi&. Superkoiling negati& yang terjadi se'ara alami ternyata tidak 'ukup untuk mengimbanginya sehingga diperlukan en)im lain, yaitu topoisomerase tipe CC yang disebut dengan DNA girase. 4n)im DNA girase ini merupakan target serangan antibiotik sehingga pemberian antibiotik dapat men'egah berlanjutnya replikasi DNA bakteri "Ngili, *++#.
21
Seperti telah dijelaskan di atas, replikasi DNA terjadi baik pada untai pengarah maupun pada untai tertinggal. Pada untai tertinggal suatu kompleks yang disebut primosom akan menyintesis sejumlah NA primer dengan interval .+++ hingga *.+++ basa. Primosom terdiri atas helikase DNA B dan DNA primase "Ngili, *++#. Primer baik pada untai pengarah maupun pada untai tertinggal akan mengalami elongasi dengan bantuan holoen)im DNA polimerase CCC. 9ompleks multisubunit ini merupakan dimer, separuh akan bekerja pada untai pengarah dan separuh lainnya bekerja pada untai tertinggal. Dengan demikian, sintesis pada kedua untai akan berjalan dengan ke'epatan yang sama.Masing$masing bagian dimer pada kedua untai tersebut terdiri atas subunit a, yang mempunyai &ungsi polimerase sesungguhnya, dan subunit e, yang mempunyai &ungsi penyuntingan berupa eksonuklease 3;2. Selain itu, terdapat subunit b yang menempelkan polimerase pada DNA "Ngili, *++#. Begitu primer pada untai tertinggal dielongasi oleh DNA polimerase CCC, mereka akan segera dibuang dan 'elah yang ditimbulkan oleh hilangnya primer tersebut diisi oleh DNA polimerase C, yang mempunyai aktivitas polimerase 2; 3, eksonuklease 2 ; 3, dan eksonuklease penyuntingan 3 ; 2. 4ksonuklease 2$3 membuang primer, sedangkan polimerase akan mengisi 'elah yang ditimbulkan. Akhirnya, &ragmen$ &ragmen %ka)aki akan dipersatukan oleh en)im DNA ligase. Se'ara in vivo, dimer holoen)im DNA polimerase CCC dan primosom diyakini membentuk kompleks berukuran besar yang disebut dengan replisom. Dengan adanya replisom sintesis DNA akan berlangsung dengan ke'epatan ++ pb tiap detik "Ngili, *++#.
22
9edua garpu replikasi akan bertemu kira$kira pada posisi 8+1 dari ori. Di sekitar daerah ini terdapat sejumlah terminator yang akan menghentikan gerakan garpu replikasi. 0erminator tersebut antara lain berupa produk gen tus, suatu inhibitor bagi helikase DnaB. 9etika replikasi selesai, kedua lingkaran hasil replikasi masih menyatu. Pemisahan dilakukan oleh en)im topoisomerase CO. Masing$masing lingkaran hasil replikasi kemudian disegregasikan ke dalam kedua sel hasil pembelahan "Ngili, *++#.
. Per%e!aan Replikasi DNA pa!a Sel E$kariot !an Prokariot
EUKARIT eplikasi DNA terjadi di nukleus eplikasi DNA terjadi pada &ase S "&ase
PRKARIT eplikasi DNA terjadi di nukleus eplikasi terjadi pada semua &ase dalam siklus
sintesis# dalam &ase inter&ase pada siklus sel 0erdapat 2 ma'am DNA polimerisasi yang
sel 0erdapat 3 ma'am DNA polimerisasi yang
terlibat dalam proses replikasi 0erdapat banyak titik awal replikasi "ori#
terlibat dalam proses replikasi 0itik awal replikasi "ori# lebih sedikit dibanding
Pergerakan garpu replikasi pada replikasi
eukariot Pergerakan garpu replikasi pada replikasi
eukariot bergerak lebih lambat
prokariot bergerak lebih 'epat dibanding pada eukariot
23
Selanjutnya gelembung replikasi akan
eplikasi terjadi kedua arah. Selanjutnya
bertemu, dan sintesis DNA anak selesai
gelembung replikasi akan bertemu, dan sintesis DNA anak selesai
Ta%el 1. Perbedaan eplikasi DNA pada Sel 4ukariot dan Prokariot "Amir, dkk., *++#
24
. Transkripsi
0ranskripsi DNA merupakan proses pembentukan NA dari DNA sebagai 'etakan. Proses transkripsi menghasilkan mNA, rNA dan tNA.
Pembentukan NA
dilakukan oleh en)im NA polymerase. Proses transkripsi terdiri dari 3 tahap yaitu /
. Cnisiasi / en)im NA polymerase menyalin gen, sehingga pengikatan NA polymerase terjadi pada tempat tertentu yaitu tepat didepan gen yang akan ditranskripsi. 0empat pertemuan antara gen "DNA# dengan NA polymerase disebut promoter. 9emudian NA polymerase membuka double heliks DNA. Salah satu utas DNA ber&ungsi sebagai 'etakan. Nukleotida promoter pada eukariot adalah 5′-GNNCAATCT-3′ da 5′- TATAAAT-3′!
"im#ul N
meu$ukka ukleotida %#i&a #erupa A' T' G' C(! )ada prokariot' uruta promotor*a adalah 5′-TTGACA-3′ da 5′-TATAAT-3′!
*. 4longasi / 4n)im NA polymerase bergerak sepanjang molekul DNA, membuka double heliks dan merangkai ribonukleotida ke ujung 3 dari NA yang sedang tumbuh. 3. 0erminasi / terjadi pada tempat tertentu. Proses terminasi transkripsi ditandai dengan terdisosiasinya en)im NA polymerase dari DNA dan NA dilepaskan. mNA pada eukariota mengalami modi&ikasi sebelum ditranslasi, sedangkan pada prokariota misalnya pada bakteri, mNA merupakan transkripsi akhir gen. mNA yang baru ditranskrip ujung 2nya adalah pppNpN, dimana N adalah komponen basa$gula nukleotida, p adalah &os&at. mNA yang masak memiliki
25
struktur 7m!pppNpN, dimana 7m! adalah nukleotida yang membawa 7 metil guanine yang ditambahkan setelah transkripsi.
Pada ujung 3 terdapat
pNpNpA"pA#npA. 4kor poli A ini ditambahkan berkat bantuan polymerase poli "A#. tetapi mNA yang menyandikan histon, tidak memiliki poli A.
(asil transkripsi merupakan hasil yang memiliki intron "segmen DNA yang tidak menyandikan in&ormasi biologi# dan harus dihilangkan, serta memiliki ekson yaitu ruas yang membawa in&ormasi biologis. Cntron dihilangkan melalui proses yang disebut spli'ing. Proses splicing terjadi di nukleus.
Spli'ing dimulai dengan terjadinya pemutusan pada ujung 2, selanjutnya ujung 2 yang bebas menempelkan diri pada suatu tempat pada intron dan membentuk struktur seperti laso yang terjadi karena ikatan 2$*&os&odiester.
Selanjutnya
tempat
pemotongan pada ujung 3 terputus sehingga dua buah ekson menjadi bersatu. rNA dan tNA merupakan hasil akhir dari proses transkripsi, sedangkan mNA akan mengalami translasi.
tNA adalah molekul adaptor yang memba'a urutan nukleotida pada mNA dan mengubahnya menjadi asam amino. Struktur molekul tNA adalah seperti daun semanggi yang terdiri dari 2 komponen yaitu
. @engan aseptor/ merupakan tempat menempelnya asam amino, *. @engan D atau D(/ terdapat dihidrourasil pirimidin,
26
3. @engan antikodon/ memiliki antikodon yang basanya komplementer dengan basa pada mNA 5. @engan tambahan 2. @engan 0/ mengandung 0, dan 1
3. Translasi RNA
Pada prokariota yang terdiri dari satu ruang, proses transkripsi dan translasi terjadi bersama$sama. 0ranslasi merupakan proses penerjemahan kodon$kodon pada mNA menjadi polipeptida. Dalam proses translasi, kode genetik merupakan aturan yang penting. Dalam kode genetik, urutan nukleotida mNA dibawa dalam gugus tiga ; tiga. Setiap gugus tiga disebut kodon. Dalam translasi, kodon dikenali oleh lengan antikodon yang terdapat pada tNA.
Mekanisme translasi adalah/
. Cnisiasi. Proses ini dimulai dari menempelnya ribosom sub unit ke'il ke mNA. Penempelan terjadi pada tempat tertentu yaitu pada 2$A!!A!!$3, sedang pada eukariot terjadi pada struktur tudung "7m!pppNpN#. Selanjutnya ribosom bergeser ke arah 3 sampai bertemu dengan kodon A!. 9odon ini menjadi kodon awal. Asam amino yang dibawa oleh tNA awal adalah metionin. Metionin adalah asam amino yang disandi oleh A!. pada bakteri, metionin diubah menjadi N&ormil metionin. Struktur gabungan antara mNA, ribosom sub unit ke'il dan tNA$N&ormil metionin disebut kompleks inisiasi.
27
Pada eukariot, kompleks inisiasi terbentuk dengan 'ara yang lebih rumit yang melibatkan banyak protein initiation &a'tor. *. 4longation. 0ahap selanjutnya adalah penempelan sub unit besar pada sub unit ke'il menghasilkan dua tempat yang terpisah . 0empat pertama adalah tempat P "peptidil# yang ditempati oleh tNA$N&ormil metionin. 0empat kedua adalah tempat A "aminoasil# yang terletak pada kodon ke dua dan kosong. Proses elongasi terjadi saat tNA dengan antikodon dan asam amino yang tepat masuk ke tempat A. Akibatnya kedua tempat di ribosom terisi, lalu terjadi ikatan peptide antara kedua asam amino. Ckatan tNA dengan N&ormil metionin lalu lepas, sehingga kedua asam amino yang berangkai berada pada tempat A. ibosom kemudian bergeser sehingga asam amino$asam amino$tNA berada pada tempat P dan tempat A menjadi kosong. Selanjutnya tNA dengan antikodon yang tepat dengan kodon ketiga akan masuk ke tempat A, dan proses berlanjut seperti sebelumnya. 3. 0erminasi. Proses translasi akan berhenti bila tempat A bertemu kodon akhir yaitu AA, A!, !A.
9odon$kodon ini tidak memiliki tNA yang
membawa antikodon yang sesuai. Selanjutnya masuklah release &a'tor "<# ke tempat A dan melepaska rantai polipeptida yang terbentuk dari tNA yang terakhir. 9emudian ribosom berubah menjadi sub unit ke'il dan besar.
28
KESI#PULAN
eplikasi merupakan peristiwa sintesis DNA "autokatalisis# karena DNA mampu mensintesis diri sendiri. Ada tiga hipotesis mengenai repikasi DNA yaitu hipotesis replikasi se'ara konservati&, hipotesis replikasi se'ara semikonservati&, dan hipotesis replikasi se'ara disperti&. eplikasi DNA bersi&at semikoservati&, yaitu kedua untai tunggal DNA bertindak sebagai 'etakan untuk pembuatan untai$untai DNA baru, seluruh untai tunggal 'etakan dipertahankan dan untai yang baru dibuat dari nukleotida$ nukleotida. Proses replikasi DNA berlangsung melalui beberapa tahapan dasar yaitu "# denaturasi "pemisahan# untaian DNA induk, "*# peng$=awal>$an "initiation, inisiasi# sintesis DNA, "3# pemanjanan untaian DNA, "5# ligasi &ragmen$&ragmen DNA, dan "2# peng$=akhir>$an "termination, terminasi# sintesi DNA. 0ranskripsi DNA merupakan proses pembentukan NA dari DNA sebagai 'etakan. Proses transkripsi menghasilkan mNA, rNA dan tNA. Pembentukan NA dilakukan oleh en)im NA polymerase. Sedangkan translasi merupakan proses penerjemahan kodon$kodon pada mNA menjadi polipeptida. Dalam proses translasi, kode genetik merupakan aturan yang penting. Dalam kode genetik, urutan nukleotida mNA dibawa dalam gugus tiga ; tiga. Setiap gugus tiga disebut kodon.
Dalam translasi, kodon dikenali oleh lengan
antikodon yang terdapat pada tNA.
29
DA4TAR PUSTAKA
Amir, <. M.- Malik, A.- Darmawati-
Anonymous , *+, S04PS %< DNA 4P@C1A0C%N, http/QQwww.dnarepli'ation.in&oQ stepso&dnarepli'ation.php, diakses pada tanggal * Maret *+
Anonymous *, *+, 4P@C1A0C%N DNA 49AR%0, http/QQwww.mole'ular$plant$ biote'hnology.in&oQDNA$r,epli'ation$and$repairQeukaryoti'$DNA$repli'ation,
diakses
tanggal * Maret *+ Anonymous 3, *+, DNA 4P@C1A0C%N CN P%9AR%04S AND 49AR%04S, http/QQwww.tutorvista.'omQbiologyQdna$repli'ation$in$prokaryotes$and$eukaryotes, diakses tanggal * Maret *+ unaidi, :., *++, 4P@C9ASC DNA, http/QQme'k)o)p.blogspot.'omQ*++Q+Qreplikasi$ dna$html, diakses pada tanggal * Maret *+ @ehninger, [email protected] Nelson, D.@. and 1o, M.M., *++2, @4(NCN!4S PCN1CP@4S %< BC%1(4MCS0R, :(
30
