Replikasi DNA adalah salah satu proses yang paling mendasar dalam biologi molekuler. Ini adalah mekanisme di mana sel menggandakan informasi genetiknya untuk mempersiapkan pembelahan sel dan pertumbuhan. Dalam artikel ini, kita akan menjelajahi proses replikasi DNA secara mendalam, mengungkapkan mengapa ini penting, dan bagaimana hal itu terjadi di dalam sel.
Dogma Sentral
Dogma sentral DNA adalah proses fundamental dalam biologi molekuler yang menjelaskan aliran informasi genetik dalam sel. Dogma sentral ini berisikan tentang proses di mana informasi diubahnya DNA diubah menjadi produk fungsional berupa protein. Dogma sentral dalam prosesnya dimulai dari DNA yang akan membentuk RNA melalui proses transkripsi, dan terakhir RNA akan membentuk protein melalui proses transalasi.
Hipotesis Model Replikasi DNA
1. Semikonservatif
Model replikasi semikonservatif adalah model replikasi DNA yang paling diterima. Model ini menyatakan bahwa setiap untai DNA induk bertindak sebagai cetakan untuk sintesis untai DNA baru yang komplementer. Proses ini terjadi dengan cara untai DNA induk membuka / lepas satu sama lain karena ikatan hidrogennya dipecah atau dipotong dan masing-masing untai bertindak sebagai cetakan untuk sintesis untai baru yang komplementer sehingga mendapatkan 2 DNA yang berupa satu untai asli dan satu untai baru.
Berikut adalah langkah-langkah replikasi DNA secara semikonservatif:
- DNA induk membuka dan masing-masing untai DNA bertindak sebagai cetakan.
- Nukleotida-nukleotida yang sesuai dengan basa-basa DNA induk berikatan dengan cetakan.
- Polimerase DNA menyambungkan nukleotida-nukleotida tersebut menjadi untai DNA baru.
- Proses replikasi DNA berlanjut hingga terbentuk dua salinan DNA yang identik.
Model replikasi semikonservatif ini didukung oleh percobaan Meselson dan Stahl pada tahun 1958. Dalam percobaan ini, mereka menggunakan bakteri E. coli yang dibiakkan dalam medium yang mengandung nitrogen-15 (15N). Setelah beberapa generasi, bakteri tersebut ditransfer ke medium yang mengandung nitrogen-14 (14N).
Pada awal percobaan, DNA bakteri E. coli mengandung 15N di kedua untai DNA-nya. Setelah beberapa generasi, bakteri tersebut mulai bereplikasi di medium yang mengandung 14N. Pada tahap ini, DNA bakteri E. coli mulai mengandung dua jenis untai DNA, yaitu untai yang mengandung 15N dan untai yang mengandung 14N.
Hasil percobaan Meselson dan Stahl menunjukkan bahwa DNA bakteri E. coli bereplikasi secara semikonservatif. Hal ini karena DNA bakteri E. coli yang mengandung 15N pada awalnya akan menghasilkan dua salinan DNA, yaitu satu salinan yang mengandung 15N di kedua untai DNA-nya dan satu salinan yang mengandung 15N di satu untai DNA dan 14N di untai DNA lainnya.
Percobaan Meselson dan Stahl ini merupakan bukti kuat yang mendukung model replikasi semikonservatif DNA. Model ini kemudian diterima secara luas oleh para ilmuwan dan menjadi model replikasi DNA yang paling banyak dipelajari.
2. Dispersif
Model ini menyatakan bahwa DNA induk terputus menjadi beberapa bagian, kemudian pada setiap potongan tersebut dibentuk DNA baru.
Berikut adalah langkah-langkah model replikasi DNA dispersif:
- DNA induk terputus menjadi beberapa bagian. Bagian-bagian ini dapat berupa fragmen pendek atau panjang.
- Pada setiap potongan DNA, dibentuk DNA baru. DNA baru ini disintesis oleh enzim DNA polimerase.
- DNA baru tersambung satu sama lain membentuk dua salinan DNA.
3. Konservatif
Model replikasi DNA konservatif adalah model replikasi DNA yang menyatakan bahwa DNA induk tetap utuh, dan digunakan sebagai cetakan untuk sintesis dua salinan DNA baru.
Berikut adalah langkah-langkah model replikasi DNA konservatif:
- DNA induk membuka pilinan heliksnya.
- Enzim DNA helikase memisahkan kedua untai DNA induk.
- Setiap untai DNA induk bertindak sebagai cetakan untuk sintesis untai DNA baru.
- Enzim DNA polimerase mensintesis untai DNA baru yang komplementer dengan untai DNA induk.
- DNA ligase menyambungkan ujung-ujung DNA baru.
Hasil dari replikasi DNA konservatif adalah dua salinan DNA yang identik dengan DNA induk. DNA Induk tetap dipertahankan dan untaian baru dengan mempertahankan aslinya.
Tahapan Replikasi DNA
1. Insiasi
Inisiasi replikasi DNA terjadi pada daerah tertentu pada DNA induk yang disebut ori (origin of replication). Ori adalah daerah yang memiliki struktur yang unik dan dikenali oleh enzim helikase. Ori umumnya terletak di tengah-tengah kromosom.
Setelah ori teridentifikasi, enzim helikase akan mulai bekerja untuk membuka pilinan heliks DNA induk. Hal ini menyebabkan terbentuknya garpu replikasi, yaitu daerah di mana kedua untai DNA induk terpisah.
Enzim helikase bekerja dengan cara memecah ikatan hidrogen antara basa nitrogen pada kedua untai DNA. Ikatan hidrogen ini sangat kuat, sehingga enzim DNA helikase bekerja dengan cara menggunakan energi dari hidrolisis ATP. Enzim DNA helikase bekerja dari satu ujung DNA ke ujung lainnya.
Saat pilinan heliks DNA induk terbuka, untai-untai DNA akan terpapar ke lingkungan sel. Hal ini memungkinkan enzim-enzim lain yang terlibat dalam replikasi DNA untuk mengakses untai DNA induk.
Selama replikasi DNA, Single-strand binding protein (SSB) mengikat untai ssDNA yang baru disintesis dan mencegahnya menyatu kembali ke untai induk. Ini memungkinkan DNA polimerase untuk terus menyintesis DNA tanpa terganggu. SSB mengikat ssDNA dengan membungkusnya dan menstabilkan molekul. Ini mencegah ssDNA membentuk struktur sekunder, seperti loop hairpin dan simpul. SSB juga membantu mencegah ssDNA terdegradasi oleh enzim.
Pada pemisahan untaian ini pada garpu replikasi memiliki regangan yang kuat. Namun hal ini dicegah dengan enzim Topoisomerase. Enzim topoisomerase berperan penting dalam replikasi DNA dengan cara menghilangkan stres torsi yang disebabkan oleh pembukaan untai DNA induk. Stres torsi ini terjadi karena untai DNA induk yang terikat erat harus dipisahkan untuk memungkinkan DNA polimerase untuk menyintesis untai DNA baru.
2. Sintesis Primer
Sintesis primer adalah proses sintesis untai DNA pendek yang terbuat dari RNA yang disebut primer. Primer berfungsi sebagai titik awal bagi DNA polimerase untuk memulai sintesis untai DNA baru.
Pada untai DNA pengarah, DNA polimerase dapat menyintesis untai DNA baru secara kontinu. Hal ini karena DNA polimerase dapat bergerak sepanjang untai DNA pengarah dari arah 5' ke arah 3'. Namun, pada untai DNA tertinggal, DNA polimerase hanya dapat menyintesis untai DNA baru secara parsial. Hal ini karena untai DNA tertinggal terus bergerak menjauh dari DNA polimerase.
Untuk mengatasi hal ini, enzim primase akan menyintesis primer RNA pendek pada untai DNA tertinggal. Primer RNA ini berfungsi sebagai titik awal bagi DNA polimerase untuk melanjutkan sintesis untai DNA baru.
Setelah primer RNA disintesis, enzim DNA polimerase akan menyambung primer RNA dengan nukleotida DNA. Setelah itu, enzim ligase akan menyambung ujung 3' dari untai DNA baru.
Berikut adalah penjelasan lebih detail tentang sintesis primer di dalam elongasi replikasi DNA:
- Enzim primase akan menyintesis primer RNA pendek pada untai DNA tertinggal. Primer RNA ini terdiri dari beberapa nukleotida RNA.
- DNA polimerase akan mengenali primer RNA dan memulai sintesis untai DNA baru. DNA polimerase akan menambahkan nukleotida DNA ke ujung 3' dari primer RNA, dengan urutan nukleotida yang sama dengan untai DNA induk.
3. Pembentukan Leading dan Lagging Strand
- Leading strand
Leading strand adalah untai DNA yang disintesis secara kontinu. DNA polimerase akan bergerak sepanjang untai DNA induk dari arah 5' ke arah 3'. DNA polimerase akan menambahkan nukleotida DNA ke ujung 3' dari untai DNA baru, dengan urutan nukleotida yang sama dengan untai DNA induk.
Pembentukan leading strand terjadi dengan cepat dan efisien. Hal ini karena DNA polimerase dapat bergerak sepanjang untai DNA induk tanpa berhenti.
- Lagging strand
Lagging strand adalah untai DNA yang disintesis secara terputus-putus. DNA polimerase akan bergerak sepanjang untai DNA induk dari arah 5' ke arah 3'. Namun, untai DNA tertinggal terus bergerak menjauh dari DNA polimerase atau dengan kata lain untai template berlawanan arag dengan arah replikasi. Karena hal tersebutlah muncul fragmen yang terpisah pisah. Fragmen tersebut adalah fragmen okazaki.
Untuk mengatasi hal ini, enzim primase akan menyintesis primer RNA pendek pada untai DNA tertinggal. Primer RNA ini berfungsi sebagai titik awal bagi DNA polimerase untuk melanjutkan sintesis untai DNA baru.
Setelah primer RNA disintesis, DNA polimerase akan menyambung primer RNA dengan nukleotida DNA. Setelah itu, enzim ligase akan menyambung ujung 3' dari untai DNA baru.
Pembentukan lagging strand terjadi lebih lambat daripada leading strand. Hal ini karena DNA polimerase harus berhenti untuk menyintesis primer RNA pada untai DNA tertinggal dan dilanjutkan penyambungan dengan DNA polimerase secara berulang ulang.
4. Penghapusan Primer
Penghapusan primer adalah proses penghapusan primer RNA dari untai DNA baru. Primer RNA adalah untai RNA pendek yang disintesis oleh enzim primase pada untai DNA tertinggal.
Primer RNA diperlukan untuk memulai sintesis untai DNA baru pada untai DNA tertinggal. Setelah primer RNA disintesis, enzim DNA polimerase akan menambahkan nukleotida DNA ke ujung 3' dari primer RNA, dengan urutan nukleotida yang sama dengan untai DNA induk.
Setelah sintesis untai DNA baru selesai, primer RNA harus dihapus agar untai DNA baru menjadi lengkap dan utuh. Penghapusan primer dilakukan oleh enzim DNA polimerase I.
Enzim DNA polimerase I memiliki aktivitas eksonuklease 3'-->5'. Aktivitas eksonuklease ini memungkinkan enzim DNA polimerase I untuk menghapus nukleotida RNA dari ujung 3' dari untai DNA baru.
Setelah primer RNA dihapus, enzim DNA polimerase I akan mengisi celah yang tersisa dengan nukleotida DNA.
5. Perekatan oleh Enzim Ligase
Perekatan oleh enzim ligase adalah tahap terakhir dalam replikasi DNA. Tahap ini ditandai dengan penyambungan ujung 3' dari untai DNA baru. Penyambungan ini dilakukan oleh enzim ligase.
Enzim ligase adalah enzim yang dapat membentuk ikatan fosfodiester antara dua molekul nukleotida. Ikatan fosfodiester adalah ikatan yang menghubungkan dua nukleotida dalam untai DNA.
Pada untai DNA tertinggal setelah RNA primer diganti untaian DNA, sintesis untai DNA dari bentukan polimerase I masih terbentuk terputus-putus seakan akan tidak continue.
Dengan proses perekatan oleh enzim ligase memastikan bahwa untai DNA baru menjadi lengkap, contine dan utuh.
Perbedaan Replikasi DNA di Sel Prokariotik dan Sel Eukariotik
Sel Prokariotik
- Memiliki ORI tunggal
- Kromosomnya berbentuk sirkular
- Fragmen okazakinya lebih panjang
Sel Eukariotik
- Memiliki banyak ORI
- Kromosomnya berbentuk linier
- Fragmen okazakinya lebih pendek
Replikasi DNA adalah proses yang luar biasa penting dalam kehidupan semua makhluk hidup. Ini adalah kunci untuk perkembangan, pertumbuhan, dan pewarisan genetik. Memahami bagaimana replikasi DNA terjadi membantu kita menghargai kompleksitas dan keindahan kehidupan.
Posting Komentar