Replikasi DNA

DNA mempunyai kemampuan untuk mengadakan replikasi yaitu memperbanyak atau menggandakan diri. Dengan kata lain, DNA mampu membentuk DNA baru yang sama persis dengan DNA awal. Replikasi DNA berlangsung pada sel-sel muda saat interfase (mitosis), yaitu saat sel siap melakukan pembelahan. Replikasi DNA adalah suatu proses penurunan sifat genetik sehingga suatu jasad hidup tetap menurunkan jenisnya. Replikasi DNA bukan merupakan proses yang sederhana, melainkan proses yang kompleks.

Dasar bangunan yang digunakan dalam replikasi DNA adalah deoksikarbonukleosida trifosfat (dNTP), meliputi deoksiadenosin trifosfat (dATP), deoksistidin trifosfat (dCTP), deoksiguanin trifosfat (dGTP), dan deoksitmidin trifosfat (dTTP). Deoknukleotida yang akan membentuk DNA baru ini membawa kelompok fosfat ekstra dan kaya energi. Replikasi diawali dengan membawa pilinan salah satu ujung DNA karena kerja enzim. Pilinan memisah menjadi benang atau untaian tunggal karena ikatan hidrogen yang lemah. Selanjutnya, masing-masing benang ini berlaku sebagai cetakan tempat menempel benang kedua berikutnya. Jadi, benang pertama menjadi cetakan benang baru dan benang kedua juga menjadi cetakan benang kedua yang baru juga.

Kedua untaian heliks ganda membuka dan masing-masing menentukan untaian anak yang baru, dengan memasangkan basanya, sementara pilinan benang rangkap ini terurai, nukleotida baru (dalam hal ini dATP, dCTP, dGTP dan dTTP), terpasang berjajar sepanjang tiap benang (untaian). Nukleotida-nukleotida ini digabungkan satu persatu, dengan cara saling melengkapi secara tepat, timin bersebrangan dengan adenin dan sitosin bersebrangan dengan guanin. Polimerase nukelotida-nukleotida ini dikatalisis oleh enzim DNA polimerase dan secara bersamaan dibebaskannya difosfat.

Karena tiap benang atau untaian baru merupakan komplemen salah satu komponen lama, untaian baru yang menempel ini mempunyai susunan tepat sama seperti untaian semula. Hasilnya adalah sepasang spiral (heliks ganda) yang identik. Dengan cara ini, sifat-sifat gen diturunkan dari satu generasi ke generasi berikutnya.

Pembentukan rantai polinukleotida baru dalam replikasi DNA dari nuleotida-nukleotida (dNTP) adalah melalui pembentukan ikatan 3’,5’-fosfodiester. Dalam hal ini, dua nukleotida membebaskan pirofosfat atau difosfat sehingga kedua nukleotida tersebut bergabung menjadi satu. Proses berlangsung terus sehingga terbentuk polinukleotida yang baru. Replikasi DNA berlangsung dengan mekanisme semi konservatif, yaitu dua pita dari heliks ganda (induk) memisahkan diri dan selama proses replikasi, masing-masing pita yang lama mendapatkan pasangan pita baru seperti pasangan yang lama. Setelah repilikasi, terbentuk dua pita DNA yang mirip.

Struktur Kimia dan Transkripsi RNA

Struktur Primer dan Sekunder RNA

Struktur primer RNA terdapat sebagai utas tunggal dan merupakan untaian rantai ribonukleotida. Untaian rantai ribonukleotida ini mempunyai struktur tulang punggung yang

terdiri dari gugus-gugus basa pirimidin atau basa purina pada struktur kimia RNA ini merupakan suatu rantai samping dan terikat pada gugus dari tulang punggung tersebut. Ikatan fosfodiester menghubungkan gugus hidroksi 3’pada nukleotida satu dengan gugus hidroksi 5’ pada nukleotida berikutnya. RNA di transkrip dalam inti sel dari DNA dan setelah meninggalkan inti ke ribosom dalam sitoplasma berperan dalam sintesis protein.

Struktur primer RNA dan struktur primer DNA adalah identik. Perbedaannya adalah pada RNA, pentosa penyusunnya adalah ribosa, sedangkan pada DNA, pentosa penyusunnya adalah 2-deoksiribosa, pada RNA terdapat basa urasil, tetapi tidak terdapat timin, sedangkan pada DNA terdapat basa timin, tetapi tidak terdapat basa urasil.

Struktur Sekunder RNA terbentuk jika struktur primernya melipat diri sehingga memperoleh ciri berutas rangkap, tetapi tidak berbentuk heliks.

Translasi dan transkripsi

Informasi yang dikodekan dalam gen ada dalam urutan basa pada satu untai heliks ganda DNA. Selama ekspresi gen, informasi yng di transkripsi dari DNA menjadi RNA, bentuk yang berbeda dari asam nukleat, yang mengambil bagian dalam sintesis protein. rNA berbeda dari DNA dalam beberapa hal : mengandung gula ribosa di tempat deoksiribosa, memiliki basa urasil (U) daripada timin (T), dan biasanya beruntai tunggal. RNA ditranskripsi dari DNA oleh enzim RNA polimerase, menggunakan aturan komplementaritas DNA-RNA : A, T, G dan C dalam pasangan DNA dengan U, A, C dan G masing-masing, pada RNA juga mengandung polaritas, dengan akhiran 5’ dan 3’. Seperti dijelaskan di bab berikutnya, polaritas baik pada DNA dan RNA adalah penting untuk gerakan polimerase selam replikasi DNA transkripsi RNA.

Ada beberapa jenis RNA yang berbeda. Messenger RNA (Mrna) merupakan RNA yang mengandung informasi yang akan diterjemahkan ke dalam urutan asam amino suatu protein. RNA ribosomal (rRNA) membentuk kompleks dengan beberapa protein untuk membentuk ribosom, yang mana urutan nukleotida Mrna diterjemahkan menjadi urutan asam amino. Sebagai RNA yang bergerak sepanjang ribosom, tiga nukleotida urutan kodon dalam mRNA basa-berpasangan dengan urutan nukleotida antikodon tiga dalam RNA transfer (tRNA). Setiap tRNA melekat pada asam amino spesifik, dan saling melengkapi antara urutan kodon dan antikodon memstikan bahwa asam amino yang benar memasuki ribosom. Berbagai RNA yang kecil juga penting dalam menghasilka mRNA dan mengendalikan transkripsi DNA dan translasi RNA.

Fungsi ekspresi protein dpt di kendalikan pada berbagai langkah dalam generasi produk protein. Pertama, transkripsi dapat diatur, sehingga gen mungkin baik ditranskripsi atau tidak ditranskripsi. Kedua, mRNA yang akan diterjemahkan akan menjadi protein dapat di atur untuk mengijinkan atau mencegah terjadi terjemahan (translasi).

Akhirnya, beberapa protein harus diubah setelah trjemahan menjadi aktif, yang berfungsi sebagai kemungkinan tambahan untuk pengaturan.

Dogma sentral menggambarkan aliran informasi genetic ; yang menyatakan bahwa DNA di transkripsi menjadi mRNA, yang kemudian di terjemahkan menjadi protein. Meskipun prinsip ini berfungsi sebagai proses yang berlaku umum selama bertahun-tahun, kita sekarang tahu bahwa beberapa virus mengandung genom RNA. Setelah memasuki sel, RNA ini diubah menjadi DNA yang kemungkinan dapat dimasukkan kedalam genom inang. Transkripsi genom virus kemudian menghasilkan genom virus baru. Saat ini tidak mekanisme yang dikenal memungkinkan urutan protein untuk mengarahkan sintesis RNA urutan tertentu.

Transkripsi Gen Eukariotik

Proses transkripsi pada eukariotik dan prokariotik serupa. RNA polimerase berikatan dengan kompleks faktor transkripsi di regio promotor, heliks terurai di dalam regio dekat titik mulai (startpoint) transkripsi, terjadi pemisahan untai DNA, sintesis transkripsi RNA dimulai, lalu transkripsi RNA memanjang, menyalin cetakan DNA. Untai DNA memisah sewaktu polimerase mendekat dan bersatu kembali sewaktu polimerase lewat. Perbedaan utama adalah bahwa eukariot memiliki mekanisme yang lebih rumit untuk mengolah transkrip, terutama prekursor RNA. Eukariot juga memiliki tiga polimerse, sedangkan prokariot memiliki satu polimerase. Perbedaan lain mencakup kenyataan bahwa mRNA eukariotik mengalami transkripsi di inti lalu bermigrasi ke sitoplasma di mana proses translasi berlangsung.

Sintesis mRNA Eukariotik

Transkripsi dan Pembentukan Cap mRNA

Pada eukariot, mRNA dihasilkan oleh RNA polimerasi II sebuah transkrip RNA inti heterogen yang besar (hnRNA). “Capping’’ transkrip primer ini terjadi selama proses transkripsi berlangsung di ujung-5’. Cap dihasilkan dari GTP, yang dihubungkan melalui tiga gugus fosfat ke gugus 5’- hidrosil nukleotida pertama, atau kadang –kadang nukleotida kedua, atau kadang-kadang nukleotida kedua, yang mengalami transkripsi. Cap ini berfungsi dalam pengikatan mRNA matang ke ribosom selama sintesis protein.

Penambahan Ekor Poli(A)

RNA polimerase terus mentranskripsikan DNA, transkrip mengalami pemutusan oleh enzim sekitar 10-20 nukleotida ke arah hilir dari urutan poliadenilasi (AAUAAA). Setelah pemutusan ini, terjadi penambahan ekor poli (A) ke transkrip.

Tidak terdapat urutan poli (T) pada cetakan DNA yang setara dengan ekor ini; urutan ekor ini ditambahkan setelah transkripsi. ATP berfungsi sebagai prekursor untuk penambahan adenin nukleotida ke ujung-3’ transkrip. Adenin nukleotida tersebut ditambahkan satu per satu, di mana poli(A) polimerase mengkatalisis setiap penambahan itu.

Pengeluaran Intron

Transkrip eukariotik eukariotik memiliki regio-regio yang dikenal sebagai ekson dan intron. Ekson terdapat pada mRNA matang. Intron dikeluarkan dan tidak dijumpai pada mRNA matang. Oleh karena itu, intron tidak ikut menentukan urutan asam amino protein. Beberapa gen mengandung 50 atau lebih intron. Intron –intron ini secara cermat dikeluarkan dan ekson-ekson disambung menjadi satu, sehingga dapat dihasilkan protein yang sesuai dan gen.

Urutan konsensus dibatas ekson/intron pada mRNA adalah AGGU (AGGT pada DNA). Urutan disisi ekson dari batas tersebut dapat bervariasi sampai suatu tingkat, tetapi hampir semua intron berawal dengan 5’GU dan berakhir dengan 3’AG. Oleh karena itu, urutan ini di tempat penyambungan kiri intron dan tempat penyambungan kanan intron bersifat konstan (invarian). Karena setiap kombinasi 5’ GU dan 3’ AG tidak menghasilkan pembentukan tempat penggabungan fungsional, jelas terdapt sifat lain dalm ekson dan/intron yang membantu menetapkan tempat penggabungan yang sesuai. Sifat tersebut, yang saat ini tidak diketahui, mungkin tidak melibatkan urutan basa basa spesifik. Namun, tersebut mungkin terbukti sebagai regio struktur sekunder.

Suatu struktur kompleks yng dikenal sebagai spliceosome memastikan bahwa ekson-ekson disambung menjadi satu dengan tingkat ketepatan yang tinggi. Ribonukleoprotein inti yang berukuran kecil (snRNP), yang disebut “snurp”, berperan dalam pembentukan spliceosome. Karena banyak mengandung urasil, snurp diidentifikasi dengan nomor yang didahului oleh huruf U.

Snurp U1 berikatan dengan taut ekson/intron pertama, U2 berikatan dengan suatu regio didalam intron yang mengandung sebuah residu adenin nukleotida. Gugus snurp lain, U4,U5, dan U6, berikatan dengan kompleks, menyebabkannya berbentuk struktur yang melengkung. Fosfat yang melekat ke G di ujung -5’ intron membentuk ikatan 2’-5’ dengan gugus 2’-hidroksil pada residu adenin nukleotida. Pemutusan terjadi diujung ekson pertama, yang tetap dipertahankan di tempatnya oleh spliceosome. Pemutusan kedua terjadi diujung -3’ intron setelah urutan AG. Intron yang berbentuk seperti sebuah tali penjerat ternak (lasso,lariat), dilepaskan dan diuraikan menjadi nukleotida. Ekson-ekson digabung menjadi satu.

Ekson sering mengkode ranah (domain) struktural atau fungsional protein yang terpisah. Di sepanjang evolusi mungkin terjadi suatu proses yang dikenal sebagai exon shuffling,sehingga dapat diciptakan protein baru serupa dengan fungsi protein lain.

Sintesis rRNA Eukariotik

Pada eukariotik, tiga dari empat rRNA dihasilkan oleh RNA polimerase I di dalam nukleolus. Gen di regio organisator (organizer) nukleolus menghasilkan sebuah transkrip besar 45S yang terurai untuk membentuk rRNA 18S, 28S,dan 5,8S. Sekitar 1.000 gen jenis ini terdapat dalam genom manusia. Gen ini berikatan dua-dua (tandem), dipisahkan oleg regio spacer yang mengandung sinyal terminasi untuk satu gen dan promotor untuk gen berikutnya. Promotor untuk gen rRNA terletak di regio pengapit 5’ (5’-flanking region) pada gen dan meluas ke regio yang mengelilingi titik mulai (startpoint).

Gen rRNA yang terangkap oleh mikrograf elektron sewaktu melakukan transkripsi memperlihatkan bahwa molekul-molekul RNA polimerase I mungkin melekat ke suatu gen pada setiap saat. Sewaktu polimerase ini bergerak ke arah ujung-3’ gen, transkrip menjadi semakin panjang. Dengan demikian, gen yang secara aktif mengalami transkripsi tampak seperti bulu dengan cabang-cabang yang lebih pendek muncul dari satu ujung yang tumbuh memanjang ke arah ujung lainnya.

Transkripsi gen rRNA, yang terletak di regio organisator (organizer) nukleolus pada genom, meghasilkan regio fibrosa pada nukleolus sewaktu dibebaskan dari DNA, prekursor 45S berikatan dengan protein, membentuk partikel ribonukleoprotein yang membentuk regio granular pada nukleolus dan menyatu dengan partikel ribonukleoprotein yang membentuk regio granular pada nukleolus. Sewaktu dibebaskan dari DNA, prekursor rRNA 45S berikatan dengan protein, membentuk partikel ribonukleoprotein yang membentuk regio granular pada nukleolus. Pengolahan tranksrip terjadi dalam regio granular. rRNA 5S, yang dihasilkan oleh RNApolimerase III dari gen yang terletak diluar nukleolus dalam nukleoplasma, bermigrasi menuju nukleolus dan menyatu dengan partikel ribonukleoprotein.

Prekursor 45S mengalami sejumlah pemutusan. Sebagian besar pemutusan terjadi di dalam regio yang memisahkan urutan yang kemudian menjadi rRNA matang. Sebagian prekursor mengandung intron di dalam regio kemudian menjadi rRNA matang. Intron ini dikeluarkan oleh reaksi penyambungan diri, dan prekursor rRNA yzng mengkatalisis penyambungan dirinya dikenal dengan nama ribozim. Dalam pembentukan ribozim sitoplasma pada sel manusia, satu bagian dari prekursor rRNA 45S menjadi rRNA 18S yang, membentuk kompleks dengan protein, membentuk subunit ribosom kecil. Segmen ini pada prekursor melipat balik dan terputus, membentuk rRNA 28S, yang melekat melalui ikatan hidrogen ke rRNA 5,8S. rRNA 5S, yang di transkripsi dari gen nonnukleolus, dan sejumlah protein berikatan dengan rRNA 28S dan 5,8S untuk membentuk subunit ribosom 60S. Subunit ribosom bermigrasi melalui pori-pori inti. Di dalam sitoplasma, subunit ini berinteraksi dengan mRNA, membentuk ribosom 80S tempat berlangsungnya sintesis protein.

Sintesis tRNA Eukariotik

Paling sedikit terdapat 20 famili tRNA di dalam sel, satu untuk setiap asam amino yang dimasukkan ke dalam rantai polipetida yang tumbuh selama sintesis protein. tRNA memiliki struktur berbentuk daun semanggi yang melipat-lipat menjadi bentuk L tiga-dimensi. Banyak basa megalami modifikasi basa transkripsi.tRNA dihasilkan oleh RNA polimerase III, yang mengenali promotor di dalam regio pengkode pada gen. Satu segmen promotor terletak antara +8 dan +19. Segmen kedua terletak 30-60 pasangan basa ke hilir dari yang pertama.

Dihasilkan suatu perkursor panjang sekitar 100 nukleotida. Prekursor ini mengambil bentuk semanggi dan selanjutnya mengalami pemutusan di ujung-5’ dan ujung-3’. Enzim yang bekerja diujung-5’ adalah Rnase P, serupa dengan Rnase P bakteri. Kedua enzim ini mengandung sebuah RNA kecil (M1) yang memiliki aktivitas katalitik, dan berfungsi sebagai endonuklease. Basa mengalami modifikasi pada saat yang sama dengan reaksi

endonukleolitik. Pada sebagian tRNA terjadi tiga modifikasi : urasil mengalami metilasi oleh S-adenosil-metionin (SAM) untuk membentuk timin; satu kali ikatan rangkap urasil mengalami reduksi untuk membentuk dihidrourasil dan sebuah residu urasil mengalami reduksi untuk membentuk megalami rotasi sehingga ikatannya dengan ribosa diubah menjadi ikatan karbon-karbon (pseudouridin). Modifikasi lain yang lebih kompleks juga terjadi.

Sebagian prekursor tRNA mengandung intron yang dikeluarkan. Intron yang dikeluarkan oleh endonuklease, meninggalkan dua belahan tRNA, yang disatukan oleh ikatan hidrogen antara pasangan antara basa di regio pangkal. Sebuah gugus 2’-fosfat atau 3’-fosfat diligasi ke 5’-hidroksil oleh sebuah RNA ligase. Untuk ikut serta dalam sintesis protein, tRNA harus memiliki sebuah urutan CCA di ujung-3’nya. Nukleotida ini ditambahkan satu pada interval empat oleh nukleotidil-transferase. Asam amino membentuk sebuah ester dengan gugus hidroksil pada residu adenin nukleotida di ujung-3’ tRNA. tRNA membawa asam amino ini ke ribosom, memastikan bahwa asam amino disisipkan pada posisi tepat dalam rantai polipeptida yang sedang tumbuh. (HAL 181-191)