IQBAL TAUFIQQURRACHMAN 9

C12 Replikasi DNA Lecture Notes : SGBM

Theme : Replikasi DNA

Oleh : DR.rer.physiol dr. Septelia Inawati Wanandi

A. Pendahuluan

Dalam suatu fungsi kehidupan, setiap organisme akan

melakukan replikasi DNA untuk memberikan salinan DNA yang

sesuai kepada sel anakan. Maka dari itu perlu dipelajari bagaimana

proses replikasi DNA yang terjadi pada sel prokariota dan

eukariota.

Model replikasi dari DNA telah tiga model yang dikemukakan

antara lain adalah model konservatif, semi-konservatif, dan

dispersif. Tetapi dalam kenyataannya, model yang diterima adalah

model semi-konservatif. Macam-macam model replikasi DNA

dapat dilihat di kanan.

B. Replikasi DNA pada Prokariota

Prokariota merupakan mikroorganisme uniseluler yang

dibedakan dengan eukariota berdasarkan keberadaan membran

inti sel, di mana prokariota tidak memiliki membran inti sel

sehingga materi genetiknya pun bergerak bebas di sitosolnya.

Selain itu, prokariota juga memiliki mini-DNA sirkular yang disebut

dengan plasmid. Dalam pelaksanaan prosesnya, replikasi DNA

pada prokariota ada yang mengatakan secara unidirectional (satu

arah) ada yang bilang bidirectional (dua arah).

Sebelum mengetahui bagaimana proses dari replikasi DNA

pada prokariota, tentu harus diketahui apa saja hal-hal yang

dibutuhkan untuk melakukan replikasi DNA, antara lain :

1. DNA polimerase I dan III

- DNA Polimerase III

Merupakan enzim yang melakukan polimerisasi rantai DNA

dengan cepat.

- DNA Polimerase I

Merupakan enzim yang dapat mengganti primer RNA yang

telah disintesis oleh RNA primase menjadi DNA sekaligus

melihat apakah ada kesalahan dalam pemasangan basa

nitrogen (fungsi dari eksonuklease) sehingga memainkan

peran dalam “proofreading”.

Gambar 12. 1 Model Replikasi DNA

Gambar 12. 2 Replikasi DNA pada

Prokariota

IQBAL TAUFIQQURRACHMAN 10

C12 Replikasi DNA 2. RNA primase

Merupakan enzim yang menyintesis primer RNA di bagian

lagging strand untuk menyediakan –OH pada 3’ agar dapat

membentuk DNA.

3. DNA helikase

Enzim yang membuka dsDNA menjadi ssDNA dengan

memotong ikatan hidrogen pada DNA. Selain dengan enzim

ini, untuk membuka dsDNA menjadi ssDNA dapat dilakukan

peningkatan suhu. Pembukaan ulir ganda ini membentuk garpu

replikasi (replication fork).

4. DNA ligase

Enzim yang berfungsi dalam penyambungan DNA pengganti

primer RNA dan menyambungkan fragmen-fragmen Okazaki.

5. DNA girase

Enzim topoisomerase yang berfungsi untuk mengurangi

tegangan di depan garpu replikasi dan membuka ikatan kuat

pada struktur supercoil DNA.

6. Single Stranded Binding Protein (SSBP)

Protein yang berfungsi dalam pengikatan ssDNA yang telah

terlepas agar tidak kembali berikatan lagi membentuk dsDNA.

7. Protein inisiator (dnaB) pada E. Coli

Berikut adalah mekanisme dari replikasi DNA pada prokariota :

1. Unwinding struktur supercoil yang mengganggu proses replikasi

DNA dengan enzim girase (mengkatalis pembentukan struktur

supercoil negatif) dan membutuhkan ATP

2. Kemudian, pembukaan rantai DNA sirkuler ini membentuk

garpu replikasi (replication fork) dengan bantuan enzim helikase

(pada E. Coli dalam pelaksanaan fungsi ini, ada dua yang

berperan yaitu dnaB helikase1 dan protein dnaC) yang

memerlukan ATP

3. Bagian tempat asal replikasi ini terbentuk dan disebut dengan

OriC

4. Selanjutnya adalah pengikatan Single Stranded Binding Protein

(SSBP) pada dua ssDNA agar terjadi pembentukan dsDNA lagi

1 dnaB helikase dapat inaktif jika bakteri terinfeksi oleh suatu bakteriofage sehingga terjadi pengikatan protein

bakteriofage dengan dnaB dan dilanjutkan dengan pengikatan ke protein O (protein pengikat Ori). dnaB dapat

kembali aktif jika ada heat shock protein (HPS) antara lain dnaK, dnaJ, dan GrpE.

Catatan Tambahan :

Enzim helikase bakteri berperan

dalam pembukaan lagging

strand sementara untuk

pembukaan leading strand

menggunakan Rep protein.

IQBAL TAUFIQQURRACHMAN 11

C12 Replikasi DNA 5. Selanjutnya adalah penempelan DNA polimerase III di bagian

ujung 5’ dan melakukan polimerisasi ke ujung 3’ tanpa

membutuhkan primer, rantai ini disebut leading strand karena

menyintesis DNA tanpa adanya hambatan

6. Masalah terjadi di bagian rantai yang akan menyintesis DNA

dengan arah 3’ ke 5’ karena sintesis harus tetap dilakukan

dengan arah 5’ ke 3’ sehingga terjadi pembentukan DNA secara

terhambat

7. Ditambah lagi, polimerisasi DNA ini harus didahului dengan

pembentuk primer (suatu RNA) oleh enzim RNA primase agar

tersedia ujung –OH di 3’ agar dapat dilakukan polimerisasi DNA

8. Setelah tersedia primer, barulah dilanjutkan dengan polimerisasi

DNA oleh enzim DNA polimerasi III

9. Karena pembuatannya tersendat-sendat bagian ini disebut

dengan lagging strand dan menghasilkan fragmen-fragmen

DNA kecil yang disebut dengan fragmen Okazaki

10. Ada teori juga bahwa di lagging strand ini akan terbentuk suatu

loop sehingga pembentukan lagging strand akan tetap searah

5’ ke 3’

11. Setelah itu, karena ini merupakan proses replikasi DNA, maka

perlu diadakan penggantian primer yang merupakan RNA tadi

dengan DNA

12. Hal tersebut dibantun dengan enzim DNA polimerase I

13. Selain mengubah RNA jadi DNA, DNA polimerase I juga

berfungsi untuk mengawasi apakah ada kesalahan dalam

pemasangan basa nitrogen sehingga DNA polimerase I

berperan sebagai eksonuklease

14. Setelah selesai, dilakukan penyatuan oleh enzim ligase

15. Kemudian cetakan DNA telah siap digunakan

Gambar 12.3 Replikasi DNA pada bakteri E. coli

IQBAL TAUFIQQURRACHMAN 12

C12 Replikasi DNA C. Replikasi DNA pada Eukariota

Dalam proses replikasi DNA pada eukariota sebenarnya sama

saja dengan prokariota hanya perbedaannya adalah di eukariota

tidak terdapat protein inisiator sepert pada prokariota. Selain itu,

garpu replikasi yang dibentuk banyak (lebih dari satu) sementara

prokariota hanya membuat satu garpu replikasi. Dan sistemnya

tidak beda. Untuk itu langsung saja berikut langkah dari replikasi

DNA pada eukariota :

1. Unwinding struktur supercoil yang mengganggu proses

replikasi DNA dengan enzim topoisomerase (mengkatalis

pembentukan struktur supercoil negatif) dan membutuhkan

ATP

2. Kemudian, pembukaan rantai DNA ini membentuk garpu

replikasi (replication fork) dengan bantuan enzim helikase yang

membutuhkan ATP

3. Selanjutnya adalah pengikatan Single Stranded Binding Protein

(SSBP) pada dua ssDNA agar terjadi pembentukan dsDNA lagi

4. Selanjutnya adalah penempelan DNA polimerase III di bagian

ujung 5’ dan melakukan polimerisasi ke ujung 3’ tanpa

membutuhkan primer, rantai ini disebut leading strand karena

menyintesis DNA tanpa adanya hambatan

5. Masalah terjadi di bagian rantai yang akan menyintesis DNA

dengan arah 3’ ke 5’ karena sintesis harus tetap dilakukan

dengan arah 5’ ke 3’ sehingga terjadi pembentukan DNA secara

terhambat

6. Ditambah lagi, polimerisasi DNA ini harus didahului dengan

pembentuk primer (suatu RNA) oleh enzim RNA primase agar

tersedia ujung –OH di 3’ agar dapat dilakukan polimerisasi DNA

7. Setelah tersedia primer, barulah dilanjutkan dengan polimerisasi

DNA oleh enzim DNA polimerasi III

8. Karena pembuatannya tersendat-sendat bagian ini disebut

dengan lagging strand dan menghasilkan fragmen-fragmen

DNA kecil yang disebut dengan fragmen Okazaki

9. Ada teori juga bahwa di lagging strand ini akan terbentuk suatu

loop sehingga pembentukan lagging strand akan tetap searah

5’ ke 3’

10. Setelah itu, karena ini merupakan proses replikasi DNA, maka

perlu diadakan penggantian primer yang merupakan RNA tadi

dengan DNA

11. Hal tersebut dibantun dengan enzim DNA polimerase I

12. Selain mengubah RNA jadi DNA, DNA polimerase I juga

berfungsi untuk mengawasi apakah ada kesalahan dalam

Gambar 12.4 Replikasi DNA Eukariota

IQBAL TAUFIQQURRACHMAN 13

C12 Replikasi DNA pemasangan basa nitrogen sehingga DNA polimerase I

berperan sebagai eksonuklease

13. Setelah selesai, dilakukan penyatuan oleh enzim ligase

14. Kemudian cetakan DNA telah siap digunakan

D. Perbaikan DNA

DNA dapat mengalami kerusakan untuk itu perlu diperbaiki

agar tetap bisa menjalankan fungsi kehidupan. Kesalahan pada

DNA dapat terjadi secara spontan maupun dengan adanya induksi

(seperti mutasi). Berikut mekanisme perbaikan DNA :

1. Fotoreaktivasi

Terdapat DNA yang rusak kemudian karena ada rangsang

cahaya barulah enzim tunggal membuang atau membalikkan

DNA yang rusak oleh sebuah enzim.

2. Eksisi atau Perbaikan Gelak (Dark Repair)

Dalam pelaksanaannya, melibatkan empat mekanisme, antara

lain :

- Endonuklease spesifik (UV endonuklease) membuat

patahan untai tunggal di ujung 5’ tempat pembentukan

dimer

- Aktivitas eksonuklease (DNA Polimerase I) dari 5’ ke 3’

membuang nukleotida-nukleotida di tempat yang rusak

- DNA polimerase I menyintesis DNA ulang dari 5’ ke 3’

Gambar 12.5 Replikasi DNA Eukariota

Gambar 12.6 Eksisi DNA

IQBAL TAUFIQQURRACHMAN 14

C12 Replikasi DNA - Polinukleotida ligase menyambung patahan tadi

3. Perbaikan Mismatch

- Mengecek pasangan basa yang tidak cocok (unmatched)

- Dilakukan eksisi pada proses kedua dari tahapan

mekanisme eksisi

- Selanjutnya ada gen untuk memperbaiki mismatch

4. Perbaikan SOS

Proses ini melibatkan pembetulan kerusakan-kerusakan pada

DNA tanpa mengembalikan sekuens basa awal yang dipicu oleh

kerusakan DNA tingkat tinggi.

E. Replikasi Pada Ujung-Ujung Molekul DNA

1. Polimerasi di leading strand tidak masalah

2. Masalah ada di lagging strand

3. DNA Polimerase dapat melakukan polimerasi jika ada

nukleotida sebelumnya

4. Di lagging strand tidak ada nukleotida yang bisa

menggantikan RNA primer yang telah dibuang karena

tidak ada ujung 3’ untuk polimerasi DNA

5. Membuat molekul anak semakin pendek

6. Hal ini mengakibatkan gen-gen esensial menghilang

7. Tapi dihalangi dengan adanya enzim telomerase untuk

pemanjang telomer (ujung DNA)

8. Semakin pendek telomer menandakan usianya semakin

tua (dalam proses aging)

Gambar 12.7 Replikasi pada Telomer