BAB 8- 52 -BAB 8REPLIKASI, TRANSKRIPSI DAN TRANSLASI BAHAN GENETIKREPLIKASIReplikasi adalah sintesis perbanyakan bahan genetik, yang menghasilkan senyawa baru yang mirip dengan dirinya. Dalam proses replikasi, model cetakan yang digunakan berasal dari jenis yang sama, misalnya untuk membentuk DNA, maka modelnya adalah rantai DNA dan untuk membentuk RNA maka model yang digunakan adalah RNA. Model dan persyaratan untuk terjadinya replikasi DNA, adalah sebagai berikut:Replikasi mensyaratkan situs awalSyarat pertama agar suatu DNA dapat bereplikasi ialah terdapatnya situs awal replikasi. Situs awal replikasi ini dikenal dengan istilah titik ori (origin of replication), yang merupakan suatu ruas dengan runtutan basa tertentu. Pada kromosom bakteri diketahui ada satu titik ori, sedangkan pada kromosom eukariot terbukti mempunyai banyak titik ori. DNA yang tidak mengandung titik ori tidak akan dapat bereplikasi. Dalam proses replikasi, situs awal ini akan dikenali oleh polymerase DNA, yaitu oleh protein Dna, yang dihasilkan oleh gen dnaA. Antara DnaA dengan situs awal terdapat hubungan yang khas, yaitu melalui pengenalan runtutan basa ori oleh DnaA.Replikasi memerlukan utas gandaPersyaratan kedua untuk dapat berlangsungnya proses replikasi adalah asam nukleat harus berada dalam bentuk utas ganda. Hal ini telah dikemukan oleh Watson dan Crick (1953) pada saat mengemukakan struktur DNA, dimana implikasi genetic dari heliks ganda struktur DNA adalah memungkinkan pembentukan DNA baru secara replikasi. Adanya dua utas polinukleotida serta perpasangan anti paralel antara basa-basanya, akan mendukung proses replikasi, yaitu setiap utasan akan menjadi model dari utas pasangannya.Replikasi DNA mengikuti pola semikonservatifWatson dan Crick (1953) telah mengajukan suatu usulan pola replikasi DNA yang disebut dengan semikonservatif. Pengertaian semikonservatif adalah bahwa dalam pembentukan DNA baru, tidak kedua utas polinukleotida yang disintesis, hanya satu yang disintesis sedangkan utusan yang lainnya berasal dari molekul DNA terdahulu. Dengan pola semikonservatif ini akan terpenuhi dua hal : Pertama fungsi pewarisan, yaitu dalam replikasi satu utasan DNA tetua secara fisik akan terbawa ke dalam DNa baru, dan Kedua fungsi pemeliharaan sifat, yaitu struktur DNA baru akan sama dengan struktur DNA generasi sebelumnya. Pola replikasi yang lain adalah konservatif dan dispersif, dan sudah terbukti bahwa pola semikonservatiflah yang benar.Sintesis DNA mempunyai arah pertumbuhan 53Dalam proses sintesis DNA dua nukleotida digabungkan satu dengan yang lain dengan cara merangkaikan karbon gula kelima (C5) yang mengandung fosfat dari satu nukleotida kepada karbon gula ketiga (C3) yang mengandung OH dari nukleotida yang lain, membentuk ikatan 5-3 fosfodiester. Ada dua cara yang mungkin dalam menambahkan satu nukleotida ke dalam rantai polinukleotida yang sudah ada sebelumnya, yaitu ditambahkan pada ujung 3OH (disebut dengan pertumbuhan 5-3) atau ditambahkan pada ujung 5P (disebut dengan pertumbuhan 3-5). Tetapi secara kimia yang dapat diterima adalah pertumbuhan 5-3 yang dianut dalam proses polimerasi DNA, karena seandainya harus terjadi koreksi akibat adanya kesalahan dalam penyusunan basa maka pertumbuhan ini akan lebih efisien dalam penggunaan energi dibandingkan dengan pertumbuhan 3-5.Dalam proses polimerisasi ada kemungkinan bahwa nukleotida baru yang ditambahkan ke dalam rantai tidak cocok dengan basa utas induk, dalam hal ini koreksi harus dilakukan, yaitu dengan memotong dan membuang nukleotida yang salah sebelum melanjutkan proses polimerisasi, kegiatan ini dilakukan oleh enzim eksonuklease. Ada dua jenis enzim yang dapat memotong rantai nukleotida, yaitu endonuklease dan eksonuklease. Endonuklease melakukan pemotongan disembarang tempat yang bukan diujung rantai, sedangkan eksonuklease melakukan pemotongan pada ujung rantai. Ada dua jenis eksonuklease, yaitu eksonuklease 5-3 yang memotong nukleotida pada ujung 5 dan eksonuklease 3-5 yang memotong rantai pada ujung 3. Pemotongan rantai nukleotida dilakukan oleh endonuklease maupun eksonuklease dengan cara memutuskan ikatan antara gula dengan fosfat, sehingga akan dihasilkan gugus OH pada karbon-karbon gula yang ditinggalkan.Replikasi berjalan secara bertahap.Dalam proses replikasi terjadi dua proses, diawali dengan pengudaraan heliks ganda menjadi utasan tunggal dan membentuk percabangan replikasi dan selanjutnya adalah sintesis rantai baru dengan menggunakan utusan tunggal sebagai model yang sekaligus menjadikan utusan tunggal tersebut menjadi helik ganda yang utuh. Proses tersebut dilakukan dengan bantuan enzim-enzim yang berbeda. Terdapat tiga protein dan enzim yang berperan dalam pengudaraan/membuka utasan ganda DNA, yaitu enzim helikase, girase dan protein pelindung utas tunggal (PPUT). Helikase adalah kelompok protein yang berfungsi membuka pilinan membuka pilinan heliks ganda dengan cara menghilangkan ikatan hidrogen, dan memisahkan utasan-utasannya menjadi utas tunggal. Girase berfungsi untuk menghilangkan tegangan pada superheliks positif dengan cara membuka pilinan ke arah negatif struktur superhelik positif. Protein pelindung utas tunggal (PPUT) berfungsi melindungi utas tunggal DNA dari kemungkinan berpasangan kembali dengan utas pasangannya membentuk heliks ganda, melindungi DNA utas tunggal dari serangan berbagai nuklease, dan menghalangi terjadinya transkripsi. Protein ini akan meninggalkan utas tunggal begitu enzim polimerase RNA atau polimerase DNA mencapai tempatnya.Sintesis utasan baru DNA adalah proses penggabungan mononukleotida menjadi rantai polinukleotida dengan urutan basa tertentu. Urutan ini disesuaikan dengan urutan antiparalel terhadap basa-basa utas cetakan DNA induk. Kegiatan ini dilaksanakan oleh tiga jenis enzim, yaitu polimerase RNA, polimerase DNA dan ligase. Karena Polimerase DNA tidak mampu mengawali sintesis DNA, melainkan hanya mampu memperpanjang rantai yang sudah ada, maka untuk mengawali sistesis DNA dibentuklah RNA primer yang terdiri dari beberapa basa yang akan menjadi tempat polimerase DNA mengaitkan nukleotida DNA pertama. Terdapat dua enzim yang mensintesis RNA primer, yaitu polimerase RNA (hasil gen rpo) dan primase (dihasilkan oleh gen dnaG). Enzim polimerase DNA berfungsi untuk sintesis DNA baru dengan cara merangkaikan satu nukleotida dengan nukleotida melalui ikatan fosfodiester, sedangkan enzim ligase berfungsi menyambungkan dua fragmen rantai polinukleotida menjadi rantai yang lebih panjang. Gambar 8.1. Replikasi DNAReplikasi RNAReplikasi RNA berlangsung hanya dalam perbanyakan genom virus, sedangkan pembentukan RNA yang bukan genom virus dilakukan melalui proses transkripsi. Replikasi RNA dalam beberapa hal mempunyai persamaan dengan replikasi DNA, tetapi juga terdapat perbedaan yang cukup nyata. Perbedaan yang nyata adalah pada replikasi RNA berutas ganda mengikuti pola konservatif, sedangkan pada DNA mengikuti pola semikonservatif. Persamaannya adalah replikasi pada DNA dan RNA memerlukan adanya utas cetakan, dan sintesis rantai baru tumbuh dengan arah 5-3. replikase RNA dikatalis oleh enzim replikase atau polimerase RNA yang model cetakannya adalaha RNA. TRANSKRIPSI DAN TRANSLASI DNA-RNAEkspresi gen adalah proses penterjemahan infoemasi yang terkandung pada struktur gen menjadi proses metabolisme atau pola kehidupan organisme. Gen berperan dalam proses kehidupan melalui pengendalian pembentukan enzim dan protein. Enzim memegang peranan penting dalam kehidupan organisme, yaitu sebagai katalisator dalam menjalankan reaksi kimia dalam proses metabolisme selular.Ekspresi gen terbagi menjadi dua tahapan, yaitu transkripsi dan translasi. Transkripsi adalah proses transfer informasi genetik dari ruas DNA (gen) ke dalam molekul RNA. Proses ini merupakan proses pembentukan rantai poliribonukleotida dari berbagai monoribonukleotida, dengan melibatkan ruas DNA sebagai model cetakannya, dan dipandu oleh enzim transkriptase sebagai katalisatornya. Transkriptase adalah polimerase RNA yang khusus berperanan dalam proses transkripsi. Runtutan basa pada utusan RNA ditentukan oleh runtutan basa yang terdapat pada satu ruas DNA model cetakan. Polimerase RNA akan membaca basa-basa yang terdapat pada satu utas DNA, dan untuk setiap basa tersebut akan dicari padanan ribonukleotida yang kemudian akan dirangkaikan menjadi rantai RNA. Pembacaan oleh transkriptase akan dimulai dari tanda awal promotor dan berakhir pada terminator. Hanya ruas yang diapit oleh kedua tanda tersebut yang akan ditanskripsikan, karena gen merupakan pengendali pembentukan protein, maka gen harus terdapat pada ruas diantara promotor dan terminator. Pada satu ruas antara promotor dan terminator ini mungkin terdapat hanya satu gen atau lebih dari satu gen. Terdapat tiga proses penting dalam proses transkripsi yang menentukan ketepatan hasil transkripsi, yaitu pertama inisiasi proses transkripsi, kedua sintesis perpanjangan RNA, dan ketiga proses akhir transkripsi.- 52 -Gambar 8.2. Tahapan transkripsi: inisiasi, eleongasi dan terminasi.Jenis RNA hasil transkripsi adalah sebagai berikut:RNA duta (mRNA)RNA duta atau mRNA (messenger RNA) adalah RNA yang menjadi model cetakan dalam proses penyusunan asam amino rantai protein pada saat translasi. Dinamakan RNA duta karena molekul ini merupakan penghubung DNA dengan protein; dan kedua mRNA membawa pesan berupa informasi genetik dari DNA kepada protein. Dalam proses transkripsi rangkaian nukleotida ruas DNA menjadi cetakan dalam menyusun nukleotida mRNA, selanjutnya dalam proses translasi sintesis protein rangkaian nukleotida mRNA ini diterjemahkan menjadi rangkaian asamamino rantai polipeptida. Informasi genetik yang dibawa oleh mRNA terdapat pada runtunan basa yang dikandungnya. Setiap jenis kombinasi tiga basa yang berdampingan mengandung sandi genetik (kodon) tertentu, yang dapat diterjemahkan kembali menjadi satu jenis asam-amino dalam proses translasi. Oleh karena itu rantai mRNA dapat dipandang sebagai rangkaian kodon yang dapat diterjemahkan menjadi runtunan asam amino. Penterjemahan mRNA menjadi protein dilakukan pada ruas penyandi yang diapit oleh kodon awal (AUG) dan kodon akhir (UUA, UAG atau UGA).RNA transfer (tRNA)RNA transfer atau tRNA adalah satu jenis RNA yang mempunyai fungsi menterjemahkan kodon yang terdapat pada mRNA menjadi satu jenis asam amino, dan mengangkut asam amino ke permukaan ribosom pada saat berlangsungnya proses translasi. Kemampuan tRNA untuk menterjemahkan mRNA berkat adanya antikodon yang merupakan komplemen dari kodon mRNA. Dalam proses penterjemahan satu molekul mRNA dan dua molekul tRNA yang bermuatan asam amino akan menempel pada ribosom. Antikodon-antikodon dari kedua tRNA tersebut kemudian akan dibandingkan dengan kodon pada mRNA, dan apabila basa-basanya berpasangan antiparalel maka asam amino yang dibawa oleh kedua tRNA itu akan dirangkaikan dan inilah yang disebut sintesis rantai polipeptida.RNA ribosom (rRNA)RNA ribosom berperan dalan sisntesis rantai protein, yaitu sebagai tempat pertemuan mRNA dan tRNA yang bermuatan asam amino. Translasi adalah penterjemahan informasi genetik yang terdapat pada RNA ke dalam polipeptida. Proses translasi dapat dibagi menjadi tiga tahap, yaitu inisiasi, elongasi dan terminasi (Gambar 8.3). Semua tahapan ini memerlukan faktor-faktor protein yang membantu mRNA, tRNA dan ribosom selama proses translasi.Gambar 8.3. Tiga tahapan proses translasi, yaitu: inisiasi (atas), elongasi (tengah) dan terminasi (bawah).Inisiasi. Tahap inisiasi dari translasi diawali dengan subunit ribosom kecil mengikatkan diri pada mRNA dan tRNA inisiator khusus. Subunit ribosom kecil melekat pada segmen leader pada ujung 5 (upstream) dari mRNA. Pada arah downstream dari mRNA terdapat kodon inisiasi (AUG) yang memberikan sinyal dimulainya proses translasi. tRNA inisiator, yang membawa asam membawa metionin, melekat pada kodon inisiasi. Penyatuan mRNA, tRNA inisiator, dan subunit ribosom kecil diikuti oleh perlekatan subunit ribosom besar, menyempurnakan kompleks inisiasi translasi. Protein yang disebut faktor inisiasi dibutuhkan untuk membawa semua komponen tersebut bersama-sama. Saat penyelesaian proses inisiasi, tRNA inisiator berada pada tempat P dari ribosom, dan tempat A yang kosong siap untuk tRNA aminoasil berikutnya. Sintesis polipeptida dimulai pada ujung aminonya.Elongasi. Pada tahap elongasi, asam-asam amino ditambahkan satu per satu pada asam amino pertama. Tiap penambahan melibatkan partisipasi beberapa protein yang disebut faktor elongasi dari terjadi dalam siklus tiga tahap sebagai berikut:Pengenalan kodon. Kodon mRNA pada tempat A dari ribosom membentuk ikatan hidrogen dengan antikodon molekul tRNA yang baru masuk yang membawa asam amino yang tepat. Faktor elongasi membawa tRNA ke tempat A.Pembentukan ikatan peptida. Molekul tRNA dari subunit ribosom besar, berfungsi sebagi ribozim, mengkatalis pembentukan ikatan peptida yang menggabungkan polipeptida yang memanjang diri tempat P ke asam amino yang baru tiba di tempat A. Pada tahap ini, polipeptida memisahkan diri dari tRNA tempat perlekatannya semula, dan asam amino pada ujung karboksilnya berikatan dengan asam amino yang dibawa oleh tRNA di tempat A.Translokasi. tRNA ditempat A, sekarang terikat pada polipeptida yang sedang tumbuh, ditranslokasikan ke tempat P. Saat RNA berpindah tempat, antikodonnya tetap berikatan dengan hidrogen pada kodon mRNA; mRNA bergerak bersama-sama dengan anti kodon ini dan membawa kodon berikutnya untuk ditranslasi pada tempat A. Sementara itu, tRNA yang tadinya berada pada tempat P bergerak ke tempat E dan dari tempat ini keluar ribosom. Hal yang terpenting di sini adalah ribosom dan mRNA bergerak relatif satu sama lain, dengan arah yang sama, kdodon demi kodon. Siklus elongasi menghabiskan waktu kurang dari 1/10 detik dan terus diulang saat tiap asam amino ditambahkan pada rantai hingga polipeptidanya lengkap.Terminasi. Tahap akhir translasi adalah terminasi. Elongasi berlangjut hingga kodon stop mencapai tempat A di ribosom. Triplet basa yang istimewa ini UAA, UAG dan UGA tidak mengkodekan suatu asam amino melainkan bertindak sebagai sinyal untuk menghentikan translasi. Suatu protein yang disebut faktor pelepas (release faktor) langsung mengikatkan diri pada kodon stop ditempat A. Faktor pelepas ini menyebabkan penambahan molekul air, bukan asam amino, pada rantai polipeptida. Reaksi ini menghidrolisis polipeptida yang sudah selesai ini dari tRNA yang berda pada tempat P, melepaskan polipeptida dari ribosom. Sisa-sisa penyusunan translasi kemudian terpisah-pisah.KODE GENETIKKita tahu bahwa ada 4 nukleotida untuk menentukan 20 asam amino. Jika setiap basa nukleotida ditranslasi ke dalam asam amino, hanya 4 dari ke 20 asam amino itu yang dapat ditentukan. Apakah suatu bahasa dengan kata-kata kode dua hurut memadai? Urutan basa AG misalnya , dapat menentukan satu asam amino, dan GT dapat menentukan satu asam amino yang lain. Karena terdapat empat basa, maka akan dihasilkan 16 (=42) kemungkinan susunan, berarti masih belum cukup untuk mengkode 20 asam amino itu seluruhnya. Triplet basa nukleotida merupakan unit terkecil dengan panjang seragam yang dapat mengkodekan seluruh asam amino. Jika setiap susunan yang terdiri dari tiga basa berurutan menentukan satu asam amino, akan ada 64 (=43) kemungkinan kata kode, lebih dari cukup untuk menentukan semua asam amino tersebut. Kode genetik terdiri dari tiga pasang basa nukleotida yang berurutan, atau satu triplet. Tabel 8.1 menunjukkan 61 macam kode genetik untuk 20 jenis asam amino. Triplet basa mRNA (=kodon) UAA, UGA dan UAS tidak memberi kode untuk asam amino. Kode-kode ini khusus untuk memutuskan rantai protein (kodon stop). Selama translasi, urutan kodon disepanjang molekul mRNA dikode, atau ditranslasi menjadi urutan asam amino yang menyusun suatu rantai poplipeptida. Setiap kodon di sepanjang mRNA menentukan yang mana dari ke-20 asam amino itu yang akan dimasukkan pada posisi yang sesuai di sepanjang polipeptida. Karena kodon merupakan triplet basa, jumlah nukleotida yang menyusun pesan genetik haruslah tiga kali jumlah asam amino yang menyusun produk protein tersebut. Misalnya dibutuhkan 300 nukleotida di sepanjang untai RNA untuk mengkode polipeptida yang panjangnya mencapai 100 asam amino.Tabel 8.1. Kode genetik. kodon mRNA dibaca dalam arah 53 Basa KeduaUCAGBasa pertama (ujung 5)UUUU (Phe)Phenylalanin UCU (Ser)SerinUAU (Tyr)Tyrosin UGU (Cys)Cystein UBasa ketiga (ujung 3)UUC (Phe)UCC (Ser)UAC TyrUGC (Cys)CUUA (Leu)Leucin UCA (Ser)UAA STOPUGA STOPAUUG (Leu)UCG (Ser)UAG STOPUGG (Trp)Tryptophan GCCUU(Leu) Leucin CCU (Pro)Prolin CAU (His) Histidin CGU (Arg)Arginin UCUC (Leu)CCC (Pro)CAC (His)CGC (Arg)CCUA (Leu)CCA (Pro)CAA (Gln)Glutamin CGA (Arg)ACUG (Leu)CCG (Pro)CAG (Gln)CGG (Arg)GAAUU (Ile)Isoleucin ACU (Thr)Threonin AAU (Asn)Asparagin AGU (Ser)Serin UAUC (Ile)ACC (Thr)AAC (Asn)AGC (Ser)CAUA (Ile)ACA (Thr)AAA (Lys)Lysin AGA (Arg)Arginin AAUG (Met) Methionin/ STARTACG (Thr)AAG (Lys)AGG (Arg)GGGUU (Val) Valine GCU (Ala)Alanin GAU (Asp)As.Aspartic GGU (Gly)Glycin UGUC (Val)GCC (Ala)GAC (Asp)GGC (Gly)CGUA (Val)GCA (Ala)GAA (Glu)As. Glutamic GGA (Gly)AGUG (Val)GCG (Ala)GAG (Glu)GGG (Gly)G