Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia | LTM 1 Biologi Molekular 1

Sintesis Asam Nukleat (DNA dan RNA)

Nama : Rayhan Hafidz I.

NPM : 1306409362

Kelompok Guanin

I. Abstrak

Asam nukleat adalah suatu molekul yang ditemukan pada organisme hidup, yang bertanggungjawab dalam penyimpanan dan pembawaan informasi genetic untuk pemunculan sifat suatu organisme hidup dan pewarisannya kepada keturunan organisme tersebut. Asam nukleat memiliki dua bentuk, yaitu asam deoksiribosa (DNA) dan asam ribosa (RNA). Asam nukleat memiliki bentuk rantai polimer linier tidak bercabang, yang merupakan gabungan monomer nukleotida. Sintesis 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. Sementara sintesis RNA terjadi dibawah arahan DNA. Kedua asam nukleat menggunakan bahasa yang sama, dan informasi hanya ditranskripsi, dari satu molekul menjadi molekul lain. Sintesis RNA disebut juga dengan transkripsi DNA, sehingga terjadi proses pemindahan informasi genetik dari DNA ke RNA. Fungsi ini disebut fungsi heterokatalis DNA karena DNA mampu mensintesis senyawa lain, dimana senyawa tersebut adalah RNA. Sebuah rantai DNA digunakan untuk mencetak rantai tunggal mRNA dengan bantuan enzim RNA polimerase. .

Kata kunci: DNA, RNA, replikasi, helikase, DNA polimerase, ligase, lagging strand, leading strand, fragmen okazaki, inisiasi, elongasi, terminasi.

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia | LTM 1 Biologi Molekular 2

II. Sintesis DNA

Gambar II.1. Contoh gambar DNA

(http://www.graciouscolumn.com/file/2014/12/dna.png)

Proses sintesis DNA, atau bisa juga disebut proses replikasi DNA adalah proses pengkopian dari sel DNA induk untuk menghasilkan DNA anak yang mempunyai urutan-urutan nukleotida yang identik. Seperti yang telah diketahui, struktur DNA terbuat secara antiparallel, atau berlawanan arah. Sintesis DNA dan RNA memiliki arah pergerakan dari arah komponen 5’ (fosfat) ke komponen 3’ (hydroxil). Berikut merupakan gambar arah pergerakan tersebut:

Gambar II.2. DNA yang terbuat antiparallel dan arah sintesisnya

(http://www.synapses.co.uk/genetics/dnastrn.gif)

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia | LTM 1 Biologi Molekular 3

Gambar II.3. Gambar replikasi DNA secara umum dan menyeluruh (http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8f/DNA_replication_en.svg/450px-

DNA_replication_en.svg.png)

Pada gambar diatas terlihat proses replikasi DNA secara menyeluruh dalam satu gambar. Untuk penjelasan lengkapnya akan dibahas pada sub-bab dibawah ini yang berisi tentang masing-masing proses replikasi DNA.

1. Inisiasi.

Gambar II.4. Proses inisiasi

(http://www.sridianti.com/wp-content/uploads/2013/07/dna-replication-unwinding-300x245.jpg)

Proses replikasi DNA diawali oleh inisiasi. Replikasi dimulai pada lokasi spesifik yang disebut lokasi asal replikasi, yang memiliki urutan tertentu yang bisa dikenali oleh protein

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia | LTM 1 Biologi Molekular 4

inisiator DnaA. Protein tersebut mengikat molekul DNA di tempat asal hingga mengendur agar memudahkan proses masuknya protein-protein dan enzim-enzim yang memiliki peranan dalam replikasi DNA. Untuk membuka rantai double helix DNA menjadi rantai tunggal, diperlukan enzim helikase. Helikase membuka ikatan hidrogen antar pasangan-pasangan basa.

Setelah proses unwiding (pembukaan seperti resleting) DNA double helix oleh helikase, rantai DNA terbagi menjadi dua untaian/strand rantai tunggal DNA yang terpisah. Wilayah DNA yang dibuka enzim helikase disebut garpu replikasi. Untaian pertama bernama leading strand (3’ Strand), sedangkan untaian yang kedua bernama lagging strand (5’ strand). Kedua strand ini memiliki arah proses replikasi dan tempat komponen nukleotida bergabung yang berbeda. Setelah double helix DNA telah terpisah, protein Single-strand binding (SSB) segera datang dan menempel pada permukaan masing-masing untaian/strand. Protein tersebut berguna untuk menjaga kestabilan dari strand DNA agar tidak terbelah mengalami perubahan bentuk. Secara bersamaan, disaat enzim helikase membuka double helix DNA, protein SSB menjaga rantai agar tetap terbuka.

2. Sintesis RNA Primer dan Inisiasi DNA Polimerase III

Gambar II.5. Sintesis RNA Primer

(http://www.sridianti.com/wp-content/uploads/2013/07/dna-replication-primer-synthesis-300x128.jpg)

Pada proses ini terdapat enzim primase yang berada pada wilayah garpu replikasi. Enzim primase ini bertugas dalam membentuk RNA primer yang memiliki kode yang berkomplementer dengan untaian tunggal/single strand DNA yang baru terbentuk. Setelah terbentuknya RNA primer, DNA polimerase datang untuk membentuk untaian DNA baru dengan memperpanjang RNA primer yang tadi sudah dibentuk oleh enzim primase. DNA polimerase III hanya menambahkan nukleotida baru pada ujung 3′ untaian tunggal DNA. DNA polimerase III mensintesis DNA dengan arah dari 5′ ke 3′. Terlihat bahwa enzim primase ini memegang peranan sentral untuk memulai pembentukan pasangan DNA yang baru, karena enzim DNA polimerase tidak dapat memulai sintesis dari DNA strand untuk menambahkan nukleotida-nukleotida tanpa diawali inisiasi RNA primer.

Pembukaan double helix DNA oleh helikase dapat menyebabkan supercoiling (bentukan seperti spiral yang mengganggu) di wilayah garpu berikutnya. Disini, DNA topoisomerase

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia | LTM 1 Biologi Molekular 5

berperan dalam membuka supercoiling tersebut. DNA topoisomerase ini mengikat pada bentangan DNA tepat di depan garpu replikasi.

Gambar II.6. Proses kerja DNA polimerase III

(http://www.nature.com/scitable/content/ne0000/ne0000/ne0000/ne0000/14668888/U2.cp1.1_439542a-f1.2.jpg)

Pada gambar diatas, terlihat jelas perbedaan proses sintesis pada lagging strand dan leading strand. Fenomena ini akan dibahas secara lengkap pada kedua subbab dibawah ini.

3. Elongasi Leading Strand

Gambar II.7. Proses Sintesis Leading Strand

(http://www.sridianti.com/wp-content/uploads/2013/07/dna-replication-lagging-strand-300x245.jpg)

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia | LTM 1 Biologi Molekular 6

Seperti yang kita ketahui sebelumnya, DNA polimerase berjalan membentuk untaian pasangan DNA dari arah 5’ ke 3’. Pada leading strand, DNA polimerase III mengenali ujung 3’ dari single stand yang sudah ada, dan menambahkan nukleotida komplementernya. Lalu DNA polimerase III dapat bergerak membentuk DNA dengan memakai ujung 5’ sebagai awalan dan 3’ sebagai akhir dari sebuah RNA primer. Karena hal tersebut, nukleotida yang dibentuk pada leading strand ini pun berlangsung dan berjalan secara terus menerus, berkesinambungan dan searah sesuai dengan arah pergerakan garpu replikasi, sampai menghasilkan untaian DNA baru. Hal ini dikarenakan DNA single strand pada bagian leading strand memiliki komplementer yang searah dengan pergerakan DNA polimerase III.

4. Elongasi Lagging Strand

Gambar II.8. Proses Sintesis Lagging Strand

(http://www.sridianti.com/wp-content/uploads/2013/07/dna-replication-lagging-strand-300x245.jpg)

Pada lagging strand, DNA polimerase III mensintesis DNA secara terputus dengan menghasilkan serangkaian fragmen kecil dari DNA baru dalam arah 5 ‘ke 3′. Kondisi ini terjadi karena pola nukleotida DNA single strand pada lagging strand terbalik dari leading strand. Fragmen yang terbentuk tadi disebut fragmen Okazaki. Fragmen ini kemudian bergabung untuk membentuk sebuah rantai nukleotida yang tertinggal, atau disebut sebagai lagging strand.

Prosedurnya ialah, enzim primase menambahkan RNA primer di beberapa tempat sepanjang untai terbuka. Lalu, DNA polimerase III memperpanjang RNA primer dengan menambahkan nukleotida baru, dan terhenti pada saat bertemu fragmen yang terbentuk sebelumnya. Begitu pula dengan RNA primer selanjutnya, ia akan terbentuk dan terhenti saat

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia | LTM 1 Biologi Molekular 7

bertemu fragmen sebelumnya. Berikut ini merupakan gambar arah pembentukan pasangan DNA pada leading strand dan lagging strand:

Gambar II.9. Arah Pembentukan Pasangan DNA di leading strand (bawah) dan lagging strand (atas) (http://img.tfd.com/dorland/thumbs/fork_replication.jpg)

5. Penghapusan/Penggantian RNA Primer

Gambar II.10. Penggantian RNA Primer

(http://www.sridianti.com/wp-content/uploads/2013/07/dna-replication-primer-removal-300x130.jpg)

Setelah terbentuk komplementer dari DNA single helix yang sudah ada, RNA primer harus digantikan oleh DNA. Kewajiban atas penggantian ini dilakukan oleh enzim DNA polimerase I. DNA polimerase I mengganti DNA ke RNA juga dari 5’ ke 3’, sama dengan proses kerja DNA polimerase III.

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia | LTM 1 Biologi Molekular 8

6. Penyambungan/Ligasi

Gambar II.11. Proses Penyambungan DNA (Ligasi)

(http://www.sridianti.com/wp-content/uploads/2013/07/dna-replication-ligation-300x141.jpg)

Terdapat untaian-untaian DNA yang tertinggal dan masih mengandung celah antara fragmen Okazaki yang berdekatan setelah proses penghapusan RNA primer dan penggantian RNA primer menjadi DNA berakhir. Disini, enzim ligase bekerja untuk mengidentifikasi dan menyumbat celah tersebut dengan menciptakan ikatan fosfodiester antara 5 ‘fosfat dan 3′ gugus hidroksil fragmen yang berdekatan.

7. Terminasi

Gambar II.12. Pemutusan Replikasi DNA

(http://www.sridianti.com/wp-content/uploads/2013/07/dna-replication-termination-300x173.jpg)

Replikasi DNA akhirnya berakhir di tempat khusus untuk terminasi yang terdiri dari urutan nukleotida yang unik. Urutan yang unik ini diidentifikasi oleh protein khusus yang disebut

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia | LTM 1 Biologi Molekular 9

protein tus yang mengikat ke tempat tersebut, sehingga secara fisik ia dapat menghalangi jalur helikase. Ketika helikase bertemu protein tus tersebut, iapun segera terlepas bersamaan dengan protein SSB berada pada dekat lokasi tersebut.

III. Sintesis RNA

Transkripsi adalah sintesis RNA dibawah arahan DNA. Kedua asam nukleat menggunakan bahasa yang sama, dan informasi hanya ditranskripsi, atau disalin, dari satu molekul menjadi molekul lain. Sintesis RNA disebut juga dengan transkripsi DNA, sehingga terjadi proses pemindahan informasi genetik dari DNA ke RNA. Fungsi ini disebut fungsi heterokatalis DNA karena DNA mampu mensintesis senyawa lain yaitu RNA. Sebuah rantai DNA digunakan untuk mencetak rantai tunggal mRNA dengan bantuan enzim RNA polimerase. Enzim tersebut menempel pada kodon permulaan, umumnya adalah kodon untuk asam amino metionin. Pertama-tama, ikatan hidrogen di bagian DNA yang disalin terbuka. Akibatnya, dua utas DNA berpisah. Salah satu polinukleotida berfungsi sebagai pencetak atau sense, yang lain sebagai gen atau antisense. Misalnya pencetak memiliki urutan basa G-A-G-A-C-T, dan yang berfungsi sebagai gen memiliki urutan basa komplemen C-T-C-T-G-A. Karena pencetaknya G-A-G-A-C-T, maka RNA hasil cetakannya C-U-C-U-G-A. Jadi, RNA C-U-C-U-G-A merupakan hasil kopian dari DNA C-T-C-T-G-A (gen), dan merupakan komplemen dari pencetak. Transkripsi DNA akan menghasilkan mRNA (messenger RNA). Transkripsi merupakan proses yang memiliki selektivitas sangat tinggi. Pada kebanyakan sel mamalia hanya 1% dari urutan nukleotida DNA yang disalin menjadi urutan fungsional RNA (messenger RNA dewasa atau struktural DNA. Selektivitas terjadi pada dua tingkatan, yaitu saat hanya sebagian dari urutan DNA ditranskripsi untuk menghasilkan RNA nuklir, dan hanya sebagian kecil dari urutan nukleotida dalam RNA nuklir bertahan pada tahap-tahap proses RNA sebelum perpindahan molekul RNA ke sitoplasma. Berikut ini merupakan proses terjadinya sintesis RNA:

1. Inisiasi

Gambar III.1. RNA polimerase mencari tempat untuk inisiasi

(https://www.youtube.com/watch?v=cDwJTLnGEyw)

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia | LTM 1 Biologi Molekular 10

Sebelumnya telah dibahas proses sintesis dari RNA dibantu oleh enzim RNA polimerase. Kita telah mengetahui bahwa proses sintesis RNA berlangsung sangat selektif. Enzim RNA polimerase akan menemukan tempat yang tepat untuk memulai inisiasi di double helix DNA, mengikat DNA tersebut untuk terpisah sementara di tempat, dan menginisasi pembuatan RNA strand yang baru. Lokasi dan pengaturan penggunaan tempat awal transkripsi untuk menghasilkan mRNA membutuhkan banyak protein pada sel eukariotik dan beberapa protein pada bakteri. RNA polimerase menemukan tempat inisiasi dibantu oleh sigma factor.

Gambar III.2. RNA polimerase menemukan tempat inisiasi

(https://www.youtube.com/watch?v=cDwJTLnGEyw)

2. Elongasi

Pada saat double helix dari DNA terbuka, enzim RNA polimerase dapat mulai menambahkan monomer Ribonucleotide triphosphate pada daerah tempat transkripsi RNA. Pembentukan asam nukleat bergerak dari 5’ ke 3’, sehingga pergerakan pembentukan pada transkrip RNA juga bergerak dari 5’ ke 3’, proses inilah yang disebut dengan proses elongasi.

Gambar III.3. RNA polimerase 5’ – 3’.

(https://www.youtube.com/watch?v=cDwJTLnGEyw)

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia | LTM 1 Biologi Molekular 11

3. Terminasi

Setelah proses transkripsi RNA selesai dimana enzim RNA polimerase mencapai akhir dari tempat yang tepat untuk transkripsi sebelumnya, enzim RNA polimerase dan RNA yang baru hasil proses transkripsi dilepaskan dari DNA, dan double helix DNA kembali berikatan satu sama lain (tanpa melalui proses replikasi).

Gambar III.4. Proses Terminasi

(https://www.youtube.com/watch?v=cDwJTLnGEyw)

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia | LTM 1 Biologi Molekular 12

IV. Summary

Proses sintesis DNA, atau bisa juga disebut proses replikasi DNA adalah proses pengkopian dari sel DNA induk untuk menghasilkan DNA anak yang mempunyai urutan-urutan nukleotida yang identik. Proses replikasi DNA diawali oleh inisiasi. Proses inisiasi dilanjutkan oleh sintesis RNA Primer dan inisiasi DNA Polimerase III, yang pada leading strand dan lagging strand terdapat perbedaan pergerakannya. Setelah terbentuk komplementer dari DNA single helix yang sudah ada, RNA primer harus digantikan oleh DNA yang dilakukan oleh DNA polimerase I. DNA-DNA baru tersebut digabungkan oleh enzim ligase. Replikas DNA pun diakhiri dengan terminasi oleh protein tus. Sementara asam nukleat lain, yaitu RNA, dibentuk dari DNA. Pembentukan RNA dibantu oleh sigma factor. Basa nitrogen RNA baru merupakan komplementer dari salah satu helix DNA induk. Pergerakan dari elongasi yaitu dari 5’ ke 3’. mencapai akhir dari tempat yang tepat untuk transkripsi sebelumnya, enzim RNA polimerase dan RNA yang baru hasil proses transkripsi dilepaskan dari DNA.

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia | LTM 1 Biologi Molekular 13

V. Daftar Pustaka

Stansfield, William, Cano, Raúl, Colomé, Jaime. 2003. Schaum’s Easy Outlines: Molecular and Cell Biology. New York: McGraw-Hill

Sridianti 2014. Tahap Proses Replikasi DNA. http://www.sridianti.com/tahap-proses-replikasi-dna-7-langkah.html (Diakses pada tanggal 24 November 2015)

Anonymous, 2008. Mekanisme Replikasi DNA. http://www.ilmuku.com/file.php/1/simulasi /mp_413/materi5.html (Diakses pada tanggal 25 November 2015)

Anonymous, 2005, Transcription, Translation, and Replication. http://www.atdbio.com/content /14/Transcription-Translation-and-Replication (Diakses pada tanggal 25 Februari 2015)