Replikasi DNA adalah dasar dari pewarisan biologis pada semua makhluk hidup. Proses ini menimbulkan dua replika identik dari molekul DNA asli.
Replikasi DNA dimulai pada lokasi spesifik dalam genom dan pelepasan DNA terjadi dengan bantuan enzim helikase dan girase. Sintesis untai baru berlangsung dalam arah 5′-3 ‘oleh enzim DNA polimerase.
Sintesis untaian baru adalah dua arah. Salah satu untai dikenal sebagai untai awal dan yang lainnya adalah untai lagging di mana ada kebutuhan primer RNA untuk memulai proses. Dua salinan DNA yang disintesis didistribusikan secara merata ke dua sel baru yang terbentuk setelah pembelahan sel.
Butuh beberapa eksperimen menarik oleh Frederick Griffith, Avery, MacLeod, McCarty, Alfred Hershey, Martha Chase dll, untuk menemukan bahwa DNA adalah materi herediter. Dengan dasar ini, dan penelitian oleh beberapa ilmuwan seperti Rosalind Franklin, struktur molekul ini akhirnya dipecahkan oleh James Watson dan Francis Crick.
Kode kimia Sederhana dari molekul DNA menimbulkan kompleksitas besar dari semua organisme hidup. Tetapi bahkan lebih memikat adalah kemampuannya dalam mereplikasi diri dan menghasilkan molekul lain yang serupa dengan dirinya sendiri.
Diberikan di bawah ini adalah penjelasan singkat dari struktur DNA serta langkah-langkah yang dilalui oleh molekul DNA untuk membuat salinan dirinya dengan akurasi yang luar biasa.
Struktur DNA
Bahan bangunan DNA adalah molekul yang disebut nukleotida, yang terdiri dari gula deoksiribosa (gula 5-karbon), sebuah basa nitrogen yang melekat pada gula, dan gugus fosfat. Ada empat jenis molekul nukleotida tergantung pada jenis basa nitrogen terpasang. Keempat nukleotida (dan basa nitrogen masing-masing) adalah:
- Adenosin (Adenin)
- Timidin (Timin)
- Guanosin (Guanin)
- Sitidin (Sitosin)
Sitosin dan timin adalah pirimidin, sejenis molekul heterosiklik beranggota enam. Di sisi lain, adenin dan guanin adalah purin, yang merupakan molekul dua cincin yang terdiri dari cincin pirimidin dan cincin imidazol.
Ini nukleotida dihubungkan melalui gugus fosfat dan gugus gula untuk membentuk untai tunggal dari molekul DNA. Gugus fosfat satu nukleotida dan gugus hidroksil dari nukleotida yang berdekatan terhubung melalui ikatan fosfodiester.
Gugus Gula dan gugus fosfat membentuk tulang punggung masing-masing untai DNA. Setiap untai memiliki ujung 5 ‘ fosfat dan ujung 3’ hidroksil.
Helix ganda DNA terdiri dari dua untai komplementer yang berjalan anti-sejajar satu sama lain. Satu untai berjalan di arah 5’→ 3′, sedangkan lainnya berjalan ke arah anti-paralel 3 ‘→ 5’. Ini untai melekat satu sama lain melalui ikatan hidrogen yang terjadi antara purin dan pirimidin dengan untai yang berlawanan.
Pasangan adenin dengan timin melalui ikatan ganda (A = T), sedangkan pasangan guanin dengan sitosin melalui ikatan rangkap tiga (G ≡ C). DNA berputar pada jarak tertentu karena sudut ikatan dari molekul tulang punggung DNA. Ini membentuk struktur heliks bukannya tangga lurus. A = T dan G ≡ C pasangan basa membentuk anak tangga heliks ini.
Langkah-langkah dalam Replikasi DNA
Proses replikasi DNA merupakan suatu masalah yang kompleks, dan melibatkan rangkaian protein dan enzim yang secara kolektif merakit nukleotida dalam urutan yang telah ditentukan.
Dalam menanggapi isyarat molekul yang diterima selama pembelahan sel, molekul-molekul ini melakukan replikasi DNA, dan mensintesis dua untai baru menggunakan helai yang ada sebagai template atau ‘cetakan’. Masing-masing menghasilkan dua, molekul DNA yang identik terdiri dari satu untai baru dan salah satu DNA lama. Oleh karena itu proses replikasi DNA disebut sebagai semi-konservatif.
Rangkaian peristiwa yang terjadi selama replikasi DNA prokariotik telah dijelaskan di bawah ini.
1. Inisiasi
Replikasi DNA dimulai pada lokasi spesifik disebut sebagai asal replikasi, yang memiliki urutan tertentu yang bisa dikenali oleh protein yang disebut inisiator DnaA.
Mereka mengikat molekul DNA di tempat asal, sehingga mengendur untuk perakitan protein lain dan enzim penting untuk replikasi DNA. Sebuah enzim yang disebut helikase direkrut ke lokasi untuk unwinding (proses penguraian/seperti membuka resleting) heliks dalam alur tunggal.
Helikase melepaskan ikatan hidrogen antara pasangan basa, dengan cara yang tergantung energi. Titik ini atau wilayah DNA yang sekarang dikenal sebagai garpu replikasi (Garpu replikasi atau cabang replikasi adalah struktur yang terbentuk ketika DNA bereplikasi).
Setelah heliks yang terbuka, protein yang disebut untai tunggal mengikat protein (SSB) mengikat daerah terbuka dan mencegah mereka untuk menempel kembali. Proses replikasi sehingga dimulai, dan garpu replikasi dilanjutkan dalam dua arah yang berlawanan sepanjang molekul DNA.
2. Sintesis Primer
Sintesis baru, untai komplementer DNA menggunakan untai yang ada sebagai template yang dibawa oleh enzim yang dikenal sebagai DNA polimerase. Selain replikasi mereka juga memainkan peran penting dalam perbaikan DNA dan rekombinasi.
Namun, DNA polimerase tidak dapat memulai sintesis DNA secara independen, dan membutuhkan 3′ gugus hidroksil untuk memulai penambahan nukleotida komplementer. Ini disediakan oleh enzim yang disebut DNA primase yang merupakan jenis DNA dependent-RNA polimerase.
Ini mensintesis bentangan pendek RNA ke untai DNA yang ada. Ini segmen pendek disebut primer, dan terdiri dari 9-12 nukleotida. Hal ini memberikan DNA polimerase platform yang diperlukan untuk mulai menyalin sebuah untai DNA. Setelah primer terbentuk pada kedua untai, DNA polimerase dapat memperpanjang primer ini menjadi untai DNA baru.
Pembukaan resleting DNA dapat menyebabkan supercoiling (bentukan seperti spiral yang mengganggu) di wilayah garpu berikutnya. Ini superkoil DNA dibuka oleh enzim khusus yang disebut topoisomerase yang mengikat ke bentangan DNA depan garpu replikasi. Ini menciptakan memotong pada untai DNA dalam rangka untuk meringankan supercoil tersebut.
3. Sintesis leading strand
DNA polimerase dapat menambahkan nukleotida baru hanya untuk ujung 3′ dari untai yang ada, dan karenanya dapat mensintesis DNA dalam arah 5′ → 3′ saja. Tapi untai DNA berjalan di arah yang berlawanan, dan karenanya sintesis DNA pada satu untai dapat terjadi terus menerus. Hal ini dikenal sebagai untaian pengawal (leading strand).
Di sini, DNA polimerase III (DNA pol III) mengenali 3′ OH ujung RNA primer, dan menambahkan nukleotida komplementer baru. Saat garpu replikasi berlangsung, nukleotida baru ditambahkan secara terus menerus, sehingga menghasilkan untai baru.
4. Sintesis lagging Strand (untai tertinggal)
Pada untai berlawanan, DNA disintesis secara terputus dengan menghasilkan serangkaian fragmen kecil dari DNA baru dalam arah 5 ‘→ 3’. Fragmen ini disebut fragmen Okazaki, yang kemudian bergabung untuk membentuk sebuah rantai terus menerus nukleotida. Untai ini dikenal sebagai lagging Strand (untai tertinggal) sejak proses sintesis DNA pada untai ini hasil pada tingkat yang lebih rendah.
Di sini, primase menambahkan primer di beberapa tempat sepanjang untai terbuka. DNA pol III memperpanjang primer dengan menambahkan nukleotida baru, dan jatuh ketika bertemu fragmen yang terbentuk sebelumnya. Dengan demikian, perlu untuk melepaskan untai DNA, lalu bergeser lebih lanjut kebagian atas untuk memulai perluasan primer RNA lain. Sebuah penjepit geser memegang DNA di tempatnya ketika bergerak melalui proses replikasi.
5. Penghapusan Primer
Meskipun untai DNA baru telah disintesis primer RNA hadir pada untai baru terbentuk harus digantikan oleh DNA. Kegiatan ini dilakukan oleh enzim DNA polimerase I (DNA pol I). Ini khusus menghilangkan primer RNA melalui ‘5→ 3’ aktivitas eksonuklease nya, dan menggantikan mereka dengan deoksiribonukleotida baru dengan 5 ‘→ 3’ aktivitas polimerase DNA.
6. Ligasi
Setelah penghapusan primer selesai untai tertinggal masih mengandung celah antara fragmen Okazaki berdekatan. Enzim ligase mengidentifikasi dan menyumbat celah tersebut dengan menciptakan ikatan fosfodiester antara 5 ‘fosfat dan 3’ gugus hidroksil fragmen yang berdekatan.
7. Terminasi (pemutusan)
Replikasi ini terhenti di lokasi terminasi khusus yang terdiri dari urutan nukleotida yang unik. Urutan ini diidentifikasi oleh protein khusus yang disebut tus yang mengikat ke situs tersebut, sehingga secara fisik menghalangi jalur helikase. Ketika helikase bertemu protein tus itu jatuh bersama dengan untai tunggal protein pengikat terdekat.
