Sintesis Asam Nukleat dengan Mekanisme Replikasi DNA Model Semi Konservatif dan Transkripsi RNA pada Organisme Prokariota dan Organisme EukariotaAmbar Maresya (1306370796)Bioprocess EngineeringAbstrakAsam nukleat sebagai pambaa unit pewarisan sifat (gen) terdiri dari dua jenis yaitu, DNA (deoxyribonucleic acid) dan RNA (ribonucleic acid). Gen diwariskan dengan mekanisme sintesis asam nukleat, yaitu replikasi DNA model semi konservatif dan transkripsi RNA. Kedua mekanisme tersebut terjadi pada organisme prokariota dan eukariota. Akan tetapi, pada prosesnya terdapat beberapa perbedaan pada enzim yang bekerja serta perbedaan pada beberapa tahapan yang disebabkan oleh perbedaan struktur kedua organisme tersebut.Replikasi DNA pada prokariota memiliki satu titik awal replikasi sedangkan eukariotia memiliki beberapa titik awal replikasi. Hal tersebut terjadi karena nukleus prokariot berbentuk lingkaran. Setelah proses awal replikasi, polinukleotida ditambahkan dengan mekanisme leading strand dan lagging strand. Kedua mekanisme ini terjadi pada semua organisme. Selanjutnya adalah transkripsi RNA, transkripsi pada prokariota tidak memerlukan pemrosesan mRNA lebih lanjut, namun pada eukariota, RNA hasil sintesis belum menjadi mRNA, tetapi masih dalam bentuk per-mRNA yang harus melalui tahap pemrosesan lebih lanjut yaitu modifikasi ujung-ujung pre-mRNA dan penyambungan pre-mRNA.Kata Kunci: Sintesis asam nukleat; replikasi DNA; semi-konservatif; leading strand; lagging strand; transkripsi RNA; mRNA; pre-mRNA; prokariota; eukariota; penyambungan pre-mRNA; polimerase; ekson; intron.Sintesis Asam NukleatAsam nukleat merupakan molekul polinukleotida yang membawa informasi genetik untuk pewarisan sifat. Kedua tipe asam nukleat, DNA (deoxyribonucleic acid) dan RNA (ribonucleic acid) memungkinkan organisme hidup memproduksi komponen kompleksnya untuk diwariskan ke generasi berikutnya. DNA merupakan satu-satunya molekul yang menyediakan arahan untuk memperbanyak dirinya sendiri melalui roses replikasi DNA. DNA juga mengarahkan sintesis RNA melalui proses transkripsi, kemudian RNA dapat menyintesis polipeptida.Model Replikasi DNA

Replikasi DNA merupakaan proses sintesis atau proses pembuatan untai DNA baru berdasarkan cetakan untai DNA lama. Dalam replikasi DNA, dikenal 3 model replikasi, yaitu:1. Model konservatif: Kedua untai induk menyatu lagi setelah bertindak sebagaii cetakan untuk untai-untai baru, sehingga mengembalikan heliks ganda induk.2. Model semi-konservatif : Kedua molekul induk memisah, dan masing-masing berfungsi sebagai cetakan untuk sintesis untai baru yang komplementer. 3. Model dispersif : Setiap untai pada kedua molekul anakan mengandung campuran DNA sintesis yang lama dan baru

Gambar 1. Tiga model alternatif replikasi DNA(sumber: Campbell, A Neil and Reece, B Jane., 2008)Dalam makalah ini akan dijalaskan secara rinci mengenai proses replikasi dengan model semi konservatif yang telah dibuktikan oleh percobaan Matthew Meselon dan Franklin Stahl berdasarkan model DNA Watson dan Crick.Sintesis Replikasi DNA Awal ReplikasiReplikasi molekul DNA dimulai dari tempat khusus yang disebut titik mulai replikasi. Titik mulai replikasi merupakan bagian dari untai DNA yang memiliki sekuens nukleotida spesifik. Pada prokariota, kromosom yang dimiki berbentuk melingkar dan memiliki satu titik mula. Protein inisisai DNA mengenali sekuens ini dan melekat ke DNA, lalu memisahkan kedua DNA dan membuka gelembung replikasi. Kebalikan dengan prokariota, kromosom pada eukariota memiliki bayak titik replikasi yang dapat mencapai ribuan. Hal ini mempercepat proses replikasi DNA rantai panjang. Setelah membentuk gelembung replikasi, replikasi DNA pada prokariota dan eukariota berlangsung ke kedua arah dari titik semula. Gambar 2. Titik mula replikasi pada E.coli dan Eukariota(sumber: Campbell, A Neil and Reece, B Jane., 2008)

Pada setiap ujung gelembung replikasi terdapat garpu raplikasi yang berbentuk Y. Fungsinya adalah sebagai tempat untai induk membuka. Dalam pembukaan untai ganda, terdapat enzim-enzim yang yang berperan, yaitu Helikase yang berperan mebuka uliran heliks ganda di garpu replikasi, lalu protein pengikatan beruntai tunggal yang berperan sebagai penstabil untai DNA tak berpasangan, kemudian Topoisomerase yang berperan sebagai pengurang tegangan di depan garpu replikasiUntai tunggal DNA dari proses pembukaan heliks ganda, kini menjadi cetakan untuk rantai DNA baru. Untuk menginisiasi proses replikasi, masih diperlukan enzim pembantu inisiasi yaitu enzim primase. Enzim ini berfungsi sebagai penyintesa primer, yaitu untai pendek RNA yang merupakan rantai nukleotida awa daril DNA baru. Untai pendek RNA yang dijadikan primer memiliki ujung 3. Setelah peletakan primer, polinukleotida untuk sintesis DNA baru dapat dimulai.

Gambar 3. Protein pembentu replikasi pada garpu repllikasi. (a) Topoisomerase. (b) Primase. (c) Helikase. (d) Protein pengikatan beruntai tunggal.(sumber: Campbell, A Neil and Reece, B Jane., 2008)Sintesis Untai DNA BaruPada sintesis untai DNA Baru, enzim yang berperan sebagai pengkatalisis sintesis DNA baru dengan menambahkan polinukleotida ke rantai yang sudah ada sebelumnya adalah enzim DNA Polimerase. Pada prokariota, terdapat 2 DNA polimerase yang berperan, sedangkan pada eukariota terdapat 11 DNA polimerase yang berperan. Sebagian besar DNA Polimerase membutuhkan primer , untai cetakan DNA, serta jejeran nukleotida yang komplementer untuk ditambahkan setelah untai primer. Laju penambahan nukleotida pada bakteri adalah 500 nuklotida/detik dan 50 nukleotida/detik pada manusia.Pemanjangan AntiparalelSetiap ujung untai tunggal DNA berbeda satu sama lain, sehingga memiliki arah yang berbeda. Selain itu, kedua untai ganda pada sistem heliks ganda bersifat antiparalel, yaitu terorientasi kearah yang berlawan. Akibat dari struktur tersebut, cetakan DNA dan DNA baru juga bersifat antiparalel. Penambahan nukleotida baru dimulai pada ujung 3 ke 5 pada cetakan DNA, sehingga dapat dikatakan DNA baru tumbuh dari ujung 5 ke 3, hal ini mempengaruhi mekanisme replikasi.Terdapat 2 jenis replikasi DNA, yaitu leading strand (untai maju)dan lagging strand (untai lamban). Kedua mekanisme ini terjadi secara bersamaan. Pada leading strand, DNA polimerase III menempel pada garpu replikasi di salah satu untai cetakan dan terus-menerus menambahkan nukleotida ke untai komplementer baru dengan arah mendekati garpu replikasi. Pada mekanisme ini, hanya satu primer yang dibutuhkan.

Gambar 4. Mekanisme untai maju. (a) DNA pol III mulai menyintesis untai maju setelah primer RNA dibuat. (b) Untai maju diperpanjang dengan arah 5 ke 3.(sumber: Campbell, A Neil and Reece, B Jane., 2008)Pada mekanisme lagging strand, DNA polimerase III bekerja ke arah terbalik dari mekanisme leading strand serta bergerak menjauh dari garpu replikasi agar tetap bekerja pada arah 5 ke 3. Pada mekanisme ini, pemanjangan DNA baru terjadi dengan tersendat-sendat sebagai rangkaian dari segmen-segmen. Segmen segmen ini dinamakan fragmen Okazaki. Masing-masing fragmen baru pada untai lamban tidak bisa dimulai sebelum ada cukup banyak cetakan DNA yang membuka dan setiap fragmen memiliki satu primer. Setelah penambahan nukleotida selesai, DNA Polimerase I menggantikan untai nukleotida RNA primer dengan nukleotida versi DNA. Akan tetapi, DNA polimerase I tidak dapat menggabungkan nukleotida DNA pengganti primer RNA dengan nukleotida DNA pertama pada fragmen Okazaki. Untuk itu diperlukan enzim DNA ligase untuk menggabungkannya.

Gambar 5. Mekanisme untai lambat. (a) Primase menggabungkan RNA primer ke untai DNA cetakan. (b) DNA pol III menambahkan nukleotida DNA ke primer membentuk fragmen Okazaki 1. (c) Setelah mencapai primer RNA di sebelah kanan, DNA pol III lepas. (d) Setelah fragmen 2 mendapat primer, DNA pol III menambahkan nukleotida hingga mencapai primer fragmen 1 dan lepas. (e) DNA pol I mengganti primer RNA dengan sekuens DNA ke arah 3 untai DNA baru. (f) DNA ligase menggabungkan sekuens DNA terbaru dengan sekuens DNA fragmen 1. (g) untai lamban selesai.(sumber: Campbell, A Neil and Reece, B Jane., 2008)

Pengertian Transkripsi dan Translasi RNA Transkripsi RNA adalah sintesis RNA dibawah arahan DNA. Selain menjadi cetakan untuk sistesis DNA, untai DNA juga dapat menjadi cetakan untuk merakit sekuens nukleotida RNA komplementer. RNA berisi transkrip pengode protein dari DNA, molekul RNA tersebut adalah RNA duta (RNA Messenger, mRNA). Selanjutnya, mRNA akan mnyintesis polipeptida berdasarkan kode-kode yang telah ditranskrip dari DNA. Proses sistesis polipeptida oleh RNA disebut translasi.Transkripsi dan Translasi terjadi di semua jenis mahluk hidup. Namun ada beberapa mekanisme yang membedakan. Pada prokariot, proses transkripsi dan translasi dapat terjadi dalam satu waktu karena proses berlangsung pada tempat yang sama yaitu pada sitoplasma. Hal tersebut terjadi karena prokatit tidak memiliki nukleus berselubung membran. Pada eukariot, proses transkripsi dan translasi berlangsung di tempat yang berbeda dan di waktu yang berbeda juga. Transkripsi berlangsung di nukleus, sedangkan translasi berlangsung di ribosom. Namun sebelum dapat meningggalkan nukleus, transkrip RNA eukariot dari gen pengode protein dimodifikasi dalam berbagai cara untuk menghasilkan mRNA akhir yang fungsional.

Gambar 6. Gambaran umum perbedaan transkripsi dan translasi pada organisme (a) prokariotik (b) eukariotik(sumber: Campbell, A Neil and Reece, B Jane., 2008)

Komponen Komponen Molekular TranskripsiEnzim RNA polimerase merupakan enzim yang terlibat dalam proses transkripsi mRNA dari untai DNA cetakan. RNA polimerase berfungsi untuk membuka heliks ganda DNA dan menambah sekuens nukleotida baru untuk menyintesis RNA baru. RNA polimerase bekerja dengan arah dari 5 ke 3 dan tidak membutuhkan primer.Sekuens DNA yang menjadi tempat transkripsi dan pelekatan RNA polimerase disebut promotor. Pada bakteri, terdapat terminator yang merupakan tempat berakhirnya transkripsi. Arah transkripsi RNA disisebut arah hilir, sedangkan arah yang lainnya disebut hulu. Dengan demikian, sekuens promotor mengarah ke hulu terhadap teminator. Rentangan DNA yang ditranskripi menjadi molekul RNA disebut unit transkripsi.Perbedaan komponen molekular transkripsi pada perokariot dan eukariot terletak pada kompleksitas enzim. Pada prokariota, RNA polimerase yang dimiliki hanya satu jenis, namundapt mensintesis protein lain seperti RNA ribosom. Pada eukariota, terdapat 3 jenis RNA polimerase. RNA polimerase II berperan untuk transkripsi RNA, sedangkan RNA polimerase yang lain menyintesis RNA yang tidak ditranslasikan.Sintesis Transkrip RNAPengikatan RNA polimerase dan Inisisasi TranskripsiPromoter suatu gen mencakup titik mulai transkripsi dan membentang dari beberapa lusin pasangan basa yang menuju ke hilir dari titik mulai. Promoter juga menentukan untai DNA yang mana yang akan menjadi cetakan.Pada prokariota, RNA polimerase langsung berikatan dengan promoter. Namun, pada eukariota berbeda, karena DNA pada eukariota berikatan dengan protein histon sehingga membentuk suatu kelompok protein yanng disebut faktor transkripsi. RNA polimerase II eukariota dapat melekat pada promoter setelah faktor transkripsi berikatan dengan promoter. Keseluruhan faktor transkripsi dan RNA polimerase II disebut kompleks inisisasi transkripsi. Selain kompleks inisiasi transkripsi, pada eukariota juga terdapat sekuens TATA BOX yang berperan penting dalam pembentukan kompleks inisiasi pada promotor.

Gambar 7. Inisiasi transkripsi pada promotor eukariot.(sumber: Campbell, A Neil and Reece, B Jane., 2008)

Pemanjangan Untai RNAKetika RNA polimerase bergerak di sepanjang DNA, enzim tersebut terus membuka putaran heliks ganda. Lalu RNA polimerase akan menambahkan nukleotida ke ujung 3 RNA yang sedang tumbuh sambil terus menyusuri heliks ganda. Setelah itu, molekul RNA baru akan melepaskan diri dari untai DNA cetakan dan heliks ganda terbentuk kembali.Terminasi TranskripsiMekanisme transkripsi pada prokariot dan eukariot terdapat perbedaan. Pada prokariot, terdapat sekuens RNA baru yang ditranskripsikan DNA sebagai sinyal terminasi yang menyebabkan sisntesis RNA berhenti dan RNA polimerase lepas dari untui DNA cetakan dan RNA yang dihasilkan merupan mRNA yang dapat langsung digunakan. Pada eukariot, terdapat sekuens RNA baru yang ditranskripsikan DNA sebagai sinyal poliadenilasi yang mengodekan AAUAAA pada pre-mRNA. Kemudian, pada titik 10-35 nukleotida yang mengarah ke hilir dari dari sinyal AAUAAA, protein-protein yang berperan dalan transkripsi RNA memotong bagian tersebut hingga terlepas dari polimerase, dan pre-mRNA terlepas. Namun, polimerase terus mentranskripsikan DNA di tempat setelah pre-mRNA terlepas. Pada akhirnya RNA yang bukan pre-mRNA akan didisgesti oleh enzim-enzim di sepanjang RNA. Sementara itu, pre-mRNA mengalami suatu pemrosesan.Modifikasi RNA pada Eukariota Setelah TranskripsiPre-mRNA yang dihasilkan dari proses sintesis tidak dapat langsung keluar dari nukleus untuk menyintesis polipeptida. Untuk itu diperlukan pemrosesan RNA, yaitu modifikasi pre-mRNA dengan cara-cara yang spesifik oleh enzim-enzim di nukleus.Pengubahan Ujung-Ujung mRNAModifikasi ujung-ujung pre-mRNA sangatlah penting. Pertama, berguna untuk memfasilitasi ekspor mRNA dari nukleus. Kedua, membantu melindungi mRNA dari degradasi oleh enzim hidrolitik. Ketiga, membantu pelekatan ribosom saat translasi. Setiap ujung pre-mRNA dimodifikasi dengan cara tertentu. Ujung 5 dimodifikasi dengan menambahkan tudung 5, bentuk temodifikasi dari nukleotida guanin (G) yang ditambahkan ke ujung 5 setelah transkripsi 20 sampai 40 nukleotida pertama. Ujung 3 juga dimodifikasi sebelum mRNA keluar dari nukleus dengan cara menambahkan 50-250 nukleotida nukleotida adenin, membentuk ekor poli-A. Pada ddaerah antara tudung dan ekor, terdapat wilayah yang tidak ditranslasikan (untranslated, UTR). Sekuens tersebut akan berfungsi untuk pelekatan ribosom.

Gambar 8. Pemrosesan RNA: penambahan tudung dan ekor.(sumber: Campbell, A Neil and Reece, B Jane., 2008)

Penyambungan RNAPenyambungan RNA merupakan pembuangan beberapa bagian besar molekul RNA hasil sintesis awal. Dari 27.000 pasang basa, hanya 1.200 pasang yang digunakan untuk mengodekan protein. Berarti, dari RNA sintesis awal, banyak sekuens yang bukan sekuens pengode, wilayah-wilayah yang tidak ditranslasikan. Sekuens pengode berselang-seling dengan dengan sekuens pengode. Segmen bukan pengode disebut intron, sedangkan segmen pengode disebut ekson. Namun UTR-UTR pada ujung RNA disebut juga ekson walau tidak ditranslasikan karena ikut keluar dari nukleus. Proses penyambungan RNA dimuli dengan memotong dan membuang intron lalu menggabunggkan ekson-ekson agar dihasilkan molekul mRNA dengan sekuens pengode yang tidak terputus-putus. Sinyal untuk penyambungan RNA merupakan sekuens nukleotida pendek pada masing-masing ujung intron. Partikel small nuclear ribunocleoprotein (snRNP) mengenali situs-situs penyambungan ini. snRNP berada di dalam nukleus. Partikel ini terdiri dari small nuclear RNA (snRNA) dan protein. Beberapa snRNP bergabung dengan protein tambahan membentuk spilosom yang akan berinteraksi dengan intron dn melepaskan intron, lalu menggabungkan ekson-ekson. KesimpulanAsam nukleat terdiri dari DNA dan RNA. Asam nukleat disintesis dengan cara replikasi DNA model semi konservatif dan transkripsi RNA. Kedua proses sintesis tersebut berbeda pada organisme prokariota dan eukariota.Replikasi DNA dimulai dari titik awal replikasi yang kemudian terbentuk gelembung replikasi. Pada eukariota, titik mulai replikasi berjumlah satu, sedangkan pada eukariota titik mulai replikasi berjumlah banyak. Hal tersebut terjadi karena bentuk nukleus prokariota berbentuk melingkar, selain itu struktur eukariota lebih besar dan kompleks sehingga diperlukan titik mulai replikasi yang banyak agar replikasi cepat terselesaikan. Kemudian proses penambahan nukleotida DNA baru berlangsung setelah heliks ganda tebuka dan pelekatan primer RNA. Penambahan nukleotida berlangsung dari 5 ke 3 dan bersifat antiparalel antar kedua untai DNA. Selanjutnya penambahan nukleotoda berlangsung dengan mekanisme leading strand dan lagging strand. Pada leading strand, proses berlangsung dengan cepat, sedangkan pada lagging strand, penambahan nukleotida menggunakan fragmen okazaki dan berlangsung lamban. Pada replikasi DNA terdapat berbagai macam enzim dan protein yang terlibat seperti, DNA polimerase, helikase, topoisomerase, primase, Protein pengikatan beruntai tunggal, dan ligase. Enzim DNA polimerase pada eukariota memiliki lebih banyak tipe daripada DNA polimerase prokariota.Transkripsi RNA dimulai dari pelekatan RNA polimerase pada promoter suatu untai DNA cetakan. RNA polimerase polimerase pada eukariota memiliki lebih banyak tipe daripada RNA polimerase prokariota. Setelah RNA polimerase melekat di promotor, enzim tersebut menyusuri heliks ganda lalu terjadi pembukaan rantai ganda dan penambahan nukleotida ke arah 3. Setelah itu terjadi terminasi atau pemberhentian transkripsi. Pada terminasi prokariot, terdapat sekuens RNA yang memberi sinyal berhenti sehingga RNA polimerase dan untai RNA baru terlepas dari untai DNA cetakan dan menjadi mRNA. Akan tetapi, pada eukariot, sinyal yang diterima bukanlah sinyal untuk berhenti, melainkan sinyal poliadenilasi yang menambahkan sekuens AAUAAA. Setelah itu, molekul menjadi pre-mRNA yang akan mengalami pemrosesan pre-mRNA seperti modifikasi ujung untai dan penggabungan sekuens pengode pada pre-mRNA sebelum keluar menuju sitoplasma dari nukleus menjadi mRNA yang fungsional. Pre-mRNA terbentuk untuk menghindari degradasi saat melewati membran selubung nukleus yang hanya dimiliki oleh eukariota.ReferensiCampbell, A Neil and Reece, B Jane., 2008. Biology Eighth Edition. San Fransisco: Benajmin Cummings.Lodish, H., et al., 2007. Molecular Cell Biology sixth Edition. New York: Freeman.

1