REPLIKASI : DEFINISI DAN PROSES

Mengapa DNA bereplikasi?

    DNA memiliki dua kemampuan, yaitu kemampuan autokatalis dan kemampuan heterokatalis.

1. Kemampuan autokatalis adalah kemampuan DNA untuk membentuk DNA baru yang sama persis dengan DNA asal (replikasi)

2. Kemampuan heterokatalitik adalah kemampuan DNA membentuk molekul kimia lain dari salah satu atau sebagian rantainya, contohnya adalah protein.

Mari kita belajar proses replikasi....

    Ketika sel membelah secara mitosis atau meiosis, Kromosom akan di bagikan kepada sel anak sama besar padahal kromosom yang dimiliki oleh sel hanya satu set saja. Oleh karena itu agar sel anak mendapatkan kromosom dalam jumlah yang tepat seperti induknya, kromsom terlebih dahulu harus disintesis atau digandakan.  Proses duplikasi DNA disebut replikasi DNA.    Replikasi mengikuti beberapa langkah yang melibatkan banyak enzim replikasi. Dalam sel eukariotik, seperti sel hewan dan sel tumbuhan, replikasi DNA terjadi pada fase S interfase selama siklus sel. Proses replikasi DNA sangat penting untuk pertumbuhan, perbaikan, dan reproduksi sel dalam organisme.

Sebelum belajar mengenai proses replikasi mari kita review dahulu struktur DNA...

Struktur DNA

    DNA adalah makromolekul yang struktur primernya adalah polinukleotida yang diumpamakan seperti “tangga tali berpilin”. Menurut Watson and Crick struktur kimia DNA berupa tangga berpilin yang tersusun atas:

1) Gula dan fosfat sebagai induk atau ibu tangga

2) Basa nitrogen, sebagai anak tangga dengan pasangan tetap, yaitu guanin dengan sitosin (dihubungankan oleh 3 atom H) dan Timin dengan adenin (dihubungkan 2 atom H).

3) Asam fosfat

 

TEORI REPLIKASI

Proses replikasi dapat terjadi melalui 3 model, yaitu replikasi konservatif, semi konservatif dan Dispersif.

1. Replikasi konservatif: replikasi dimana rantai DNA lama tidak melakukan pemisahan tetapi DNA lama dapat mensintesis DNA baru secara langsung.

2.Replikasi semikonservatif : replikasi dimana rantai DNA lama terpisah dan masing-masing rantai menjadi cetakan untuk terbentuknya rantai yang baru.

3.Replikasi dispersif : replikasi dimana rantai DNA lama terputus menjadi potongan-potongan dan potongan tersebut akan bergabung secara acak dengan benang DNA yang baru terbentuk.

    Ketika sel akan melakukan proses pembelahan maka DNA memiliki kemampuan untuk melakukan replikasi dan terjadi pada saat interfase pada sel eukariotik.  Replikasi yang dilakukan oleh sel adalah replikasi semi konservatif. DNA rantai lama berpisah dan masing-masing DNA tersebut menjadi cetakan untuk terbentuknya rantai DNA baru, jadi dua rantai DNA baru yang terbentuk terdiri dari satu untai DNA lama dan satu untai DNA baru.

 

TAHAPAN REPLIKASI

Tahap 1 : pembentukan garpu replikasi

    Replikasi DNA dilakukan dengan menggunakan model semi konservatif. Jadi sebelum DNA bereplikasi, heliks ganda DNA harus terlebih dahulu dilepaskan dan dipisahkan. Ada dua enzim yang sangat penting untuk proses ini: DNA helikase dan Topoisomerase. DNA memiliki dua untai yang masing-masing dihubungkan oleh basa nitrogen. Adenin selalu berpasangan dengan Timin dan Guanin selalu berpasangan dengan sitosin. Untuk melepaskan untaian dari DNA tersebut dibutuhkan enzim helicase. Enzim ini akan memutuskan ikatan hidrogen diantara basa-basa nitrogen yang saling berikatan. Enzim helicase memutuskan dua rantai DNA dan membentuk Replication Fork atau garpu replikasi.

    Di depan garpu replikasi terdapat enzim lain yang disebut topoisomerase. Topoisomerase ini berfungsi untuk mengurangi ketegangan pada DNA dan mencegah penggulungan berlebih saat helikase melepaskan DNA. Bayangkan saat Anda memegang tali dan ambil kedua ujungnya lalu tarik terpisah. Banyak ketegangan akan mulai menumpuk dan mencegah Anda memisahkan kedua helai lebih jauh.

    Setelah DNA untaiannya, maka terdapat dua untai DNA. Untai pertama adalah Leading Strand (5 ke 3') dan untai ke dua adalah Lagging strand (3' ke 5').

Sumber gambar : DNA Replication - (molecularlifesimplified.com)

  

Tahap : Pemasangan primer

    Leading strand adalah yang paling sederhana untuk ditiru. Setelah untai DNA dipisahkan, sepotong pendek RNA yang disebut primer berikatan dengan ujung 3′ untai. Primer selalu mengikat sebagai titik awal replikasi. Primer dihasilkan oleh enzim DNA primase.    

Tahap 2 : tahap pemanjangan/Replikasi

    Setelah titik awal replikasi di ikat oleh primer kemudian datanglah Enzim yang dikenal sebagai DNA polimerase bertanggung jawab menciptakan untai baru melalui proses yang disebut pemanjangan. DNA polimerase berikatan dengan untai di lokasi primer dan mulai menambahkan pasangan basa baru yang melengkapi untai selama replikasi.

    Karena DNA polimerase hanya dapat mensintesis DNA pada arah 5′ hingga 3′, hanya satu untai yang disintesis secara kontinyu. Ini disebut leading strand. Untai lainnya disebut lagging strand dan disintesis secara terputus-putus. Dalam heliks ganda DNA, saat helikase membuka ritsleting DNA menjadi dua untai tunggal, satu untai akan berjalan 5′ hingga 3′ sedangkan untai lainnya akan berada pada arah 3′ hingga 5′.

    Untai  3′ sampai 5′ akan membutuhkan untai komplementer yang berjalan 5′ sampai 3′. Untai baru ini akan menjadi lagging strand dan akan disintesis sebagai segmen-segmen yang tidak terhubung. Segmen ini disebut sebagai fragmen okazaki.

    Lagging strand memulai replikasi dengan mengikat beberapa primer. Setiap primer hanya berjarak beberapa basa. DNA polimerase kemudian menambahkan potongan DNA, yang disebut fragmen Okazaki, ke untai di antara primer. Proses replikasi ini terputus-putus karena fragmen-fragmen yang baru dibuat terputus-putus.

    

Tahap 3 : Penghapusan primer dan penggantian nukleotida

    Setelah untaian kontinu dan terputus-putus terbentuk, enzim yang disebut eksonuklease menghilangkan semua primer RNA dari untaian aslinya. Primer ini kemudian diganti dengan basa yang sesuai. Eksonuklease lain “mengoreksi” DNA yang baru terbentuk untuk memeriksa, menghilangkan dan mengganti kesalahan apa pun.

Tahap 4 : Penggabungan fragmen okazaki

    Enzim lain yang disebut DNA ligase menggabungkan fragmen Okazaki menjadi satu untai tunggal. Ujung untaian induk terdiri dari rangkaian DNA berulang yang disebut telomer. Telomer bertindak sebagai penutup pelindung di ujung kromosom untuk mencegah fusi kromosom di dekatnya. Jenis enzim DNA polimerase khusus yang disebut telomerase mengkatalisis sintesis urutan telomer di ujung DNA. Setelah selesai, untai induk dan untai DNA komplementernya melingkar menjadi bentuk heliks ganda yang sudah dikenal. Pada akhirnya, replikasi menghasilkan dua molekul DNA, masing-masing dengan satu untai dari molekul induk dan satu untai baru.

 

Sumber gambar : DNA Replication - (molecularlifesimplified.com)

Enzim Replikasi

Dalam proses replikasi ini dibutuhkan banyak enzim yang terlibat untuk mengkatalis beberapa reaksi di proses ini. Enzim yang berpartisipasi dalam proses replikasi DNA eukariotik meliputi:

• DNA helikase - melepaskan dan memisahkan DNA beruntai ganda saat bergerak sepanjang DNA. Ini membentuk garpu replikasi dengan memutus ikatan hidrogen antara pasangan basa nitrogen dalam DNA.
• DNA primase - sejenis RNA polimerase yang menghasilkan primer RNA. Primer adalah molekul RNA pendek yang bertindak sebagai templat titik awal replikasi DNA.
• DNA polimerase - mensintesis molekul DNA baru dengan menambahkan nukleotida ke untai DNA terdepan dan tertinggal.
• Topoisomerase - melepaskan dan memundurkan untaian DNA untuk mencegah DNA menjadi kusut atau superkoil.
• Eksonuklease - sekelompok enzim yang menghilangkan basa nukleotida dari ujung rantai DNA.
• DNA ligase - menyatukan fragmen DNA dengan membentuk ikatan fosfodiester antara nukleotida.  

PERBEDAAN ANTARA LEADING STRAND DAN LAGGING STRAND 

LEADING STRAND	LAGGING STRAND
Salah satu dari rantai DNA yang membentuk garpu replikasi yang terbentuk terus menerus	Salah satu dari rantai DNA yang membentuk garpu replikasi yang terbentuk tidak terus menerus
Tumbuh terus menerus	Tumbuh dengan membentuk fragmen-fragmen yang disebut Fragmen Okazaki
Rantai membuka dari arah 3’ ke 5’	Rantai membuka dari arah 5’ ke 3’
Pembentukan rantai arah 5’ ke 3’	Pembentukan rantai arah 3’ ke 5’
Membutuhkan satu primer untuk memulai pembentukan rantai	Membutuhkan banyak primer setiap akan terbentuknya fragmen okazaki
Rantai baru mulai tumbuh pada awal replikasi	Rantai baru mulai tumbuh sedikit lebih lama dibandingkan dengan leading strand
Tidak membutuhkan DNA Ligase	Membutuhkan DNA ligase untuk menyambung fragmen okazaki