Replikasi Bahan Genetik (DNA dan RNA)

Gambar 1. Struktur Kimia DNA

Bahan genetik (DNA dan RNA) pada mahluk hidup secara alami mengalami perbanyakan. Perbanyakan tersebut dikenal sebagai proses replikasi, yang merupakan salah satu tahap penting yang terlibat dalam pertumbuhan sel atau perbanyakan partikel virus. Replikasi yang terjadi merupakan tahap yang mengawali pertumbuhan sel, meskipun pertumbuhan itu sendiri adalah hasil suatu resultan dari banyak proses yang saling berkaitan. Mekanisme replikasi bahan genetik dalam sel dilengkapi dengan sistem editing yang bersifat akurat, sehingga bahan genetik yang akan diturunkan ke sel anakan mempunyai komposisi yang identik dengan sel induk. Replikasi bahan genetik yang terjadi selanjutnya diikuti dengan pembentukan sel-sel anakan yang membawa salinan bahan genetik hasil replikasi. Oleh karena itu, sistem editing yang dimiliki tersebut dapat meminimalisir kesalahan proses replikasi bahan genetik yang dapat mengakibatkan perubahan sifat pada sel anakan.

A. Hipotesis Mekanisme Replikasi DNA

Pasca Watson dan Crick berhasil menemukan model DNA yang berupa heliks ganda berpilin pada tahun 1953, berkembanglah tiga hipotesis mekanisme replikasi DNA yakni replikasi secara konservatif, semikonservatif dan dispersif (Gambar 2).

Gambar 2. (a) konservatif; (b) semikonservatif; (c) dispersif

1. Replikasi secara konservatif

Berdasarkan hipotesis konservatif, replikasi heliks ganda DNA induk membentuk salinan DNA baru tanpa terjadinya pemisahan heliks ganda DNA induk terlebih dahulu. Hasil replikasi tahap pertama membentuk dua heliks ganda DNA yang terdiri dari satu heliks ganda DNA induk dan satu heliks DNA baru. Pada replikasi kedua, masing-masing heliks ganda DNA membentuk salinan DNA baru, sehingga pada akhirnya menghasilkan empat heliks ganda DNA. Keempat DNA tersebut diantaranya, 1 heliks ganda DNA induk yang utuh dan 3 heliks ganda DNA baru. 


2. Replikasi secara semikonservatif

Hipotesis semi konservatif merupakan model replikasi DNA yang dicetuskan oleh Watson dan Crick. Berdasarkan hipotesis tersebut, heliks ganda DNA induk mengalami pemisahan sebelum bereplikasi, yakni dengan membuka-nya heliks yang kemudian membentuk 2 heliks DNA tunggal. Masing-masing heliks DNA tunggal tersebut selanjutnya bertindak sebagai template (cetakan) untuk membentuk heliks tunggal DNA baru melalui pembentukan pasangan basa komplementer dengan basa DNA induk. 

Dengan demikian dapat disimpulkan, hasil replikasi pertama adalah 2 buah DNA, yang masing-masing DNA terdiri dari 1 heliks tunggal induk dan 1 heliks tunggal DNA yang baru. Sedangkan pada replikasi kedua, masing-masing heliks ganda DNA tersebut membuka kembali sehingga diperoleh 4 buah DNA. 2 buah DNA yang terdiri dari heliks tunggal induk dan 2 buah DNA yang lainnya merupakan heliks DNA baru. 


3. Replikasi secara dispersif

Heliks ganda DNA hasil replikasi pertama maupun replikasi kedua dari heliks ganda DNA induk mengandung segmen campuran antara rantai DNA induk dan rantai DNA baru. Artinya, salinan heliks ganda DNA terdiri dari 2 heliks tunggal DNA yang masing-masing mengandung segmen (bagian atau potongan) DNA induk dan segmen DNA baru.


Kemudian pada tahun 1958, Matthew Meselson dan Franklin Stahl melakukan eksperimen lebih lanjut untuk menguji ketiga hipotesis tersebut. Berdasarkan hasil percobaan yang telah dilakukan ternyata mendukung hipotesis Watson dan Crick yaitu semi konservatif.


B. Mekanisme Dasar Replikasi DNA

Model replikasi secara semi konservatif secara khusus memberikan gambaran bahwa heliks DNA induk berperan sebagai template untuk pembentukan heliks DNA baru. Molekul DNA tersebut terdiri dari dua heliks ganda DNA yang basa nitrogen-nya saling berpasangan secara komplementer. Oleh karena itu, proses replikasi harus diawali dengan denaturasi yakni terjadinya pemutusan ikatan antar heliks DNA terhadap heliks komplementer-nya. Pemutusan heliks DNA tersebut berkaitan dengan proses pemasangan nukleotida akan terhalang jika heliks template masih dalam keadaan berikatan. Oleh karena itu tahap denaturasi tersebut merupakan tahap awal replikasi yang penting dengan tujuan agar masing-masing heliks DNA dapat bertindak sebagai template untuk pembentukan DNA baru.

1. Mekanisme Denaturasi

Tahap denaturasi yang terjadi pada awal replikasi DNA adalah proses enzimatis yang terjadi secara parsial dan bertahap. Denaturasi tersebut terjadi pada bagian DNA yang dikenal dengan ori (origin of replication) atau titik awal replikasi. Ikatan hidrogen antara basa A-T dan G-C akan terputus kemudian diikuti dengan pembukaan heliks DNA yang nantinya akan membentuk struktur replication fork (garpu replikasi). Struktur tersebut selanjutnya akan bergerak sehingga molekul DNA induk membuka secara bertahap. Masing-masing DNA induk yang sudah terbuka berfungsi sebagai template untuk penempelan nukleotida-nukleotida penyusun DNA. Nukleotida-nukleotida baru akan dipolimerisasi menjadi heliks DNA baru yang sesuai dengan urutan template DNA komplementer-nya. Proses polimerasi terjadi pada nukelotida kedua heliks DNA template sehingga pada akhir satu kali putaran replikasi akan dihasilkan dua molekul DNA yang identik.

2. Komponen-Komponen Penting Dalam Replikasi

a. DNA template

Terdiri dari DNA atau RNA yang akan direplikasi

b. Molekul Deoksi ribonukleotida

Merupakan blok pembangun molekul asam nukleat yang terdiri dari dATP (deoxyadenosine triphosphate), dTTP (deoxythymidine triphosphate), dCTP (deoxycytosine triphosphate) dan dGTP (deoxyguanosine triphosphate). Deoksi ribunukleotida terdiri dari tiga komponen yakni (1) basa purin atau pirimidin; (2) gula 5-karbon (deoksiribosa) dan (3) gugus fosfat.

c. Enzim DNA Polimerase

Merupakan enzim utama yang mengkatalis reaksi polimerisasi deoksiribonukleotida untuk menjadi heliks DNA . Dalam hal ini, DNA polimerase mempunyai kemampuan untuk membaca secara utuh heliks DNA sebagai template yang digunakan untuk membentuk heliks DNA baru. Terdapat tiga macam DNA pada bakteri Escherichia coli yakni (1) DNA polimerase I; (2) DNA polimerase II; (3) DNA polimerase III. Sedangkan pada mahluk hidup eukariot, terdapat 5 macam DNA polimerase yaitu (1) DNA polimerase α; (2) DNA polimerase δ; (3) DNA polimerase ∈; (4) DNA polimerase β dan (5) DNA polimerase Ý.

d. Enzim Primase

Merupakan enzim yang mengkatalis sintesis primer yang digunakan dalam memulai proses replikasi DNA, yakni untuk menempelkan nukleotida pertama pada untaian DNA baru. Pada bakteri E. coli kompleks enzim primase disebut primosom yang terdiri atas beberapa macam protein. 

e. Enzim Helicase

Merupakan enzim pembuka heliks ganda DNA melalui pemisahan ikatan hidrogen diantara basa komplementer ditahap awal replikasi.

f. Enzim Girase

Merupakan enzim topoisomerase tipe II yang berperan penting dalam proses replikasi, yakni sebagai pembuka supercoilled sebelum replikasi berlangsung. Enzim tersebut mempunyai kemampuan memutar heliks DNA sehingga ketegangan heliks menurun. Ketegangan heliks terjadi pada saat pembukaan heliks oleh enzim helicase yang akan menyebabkan putusnya heliks DNA. Oleh karena itu, untuk menghilangkan ketegangan tersebut dilakukan pemotongan di salah satu utas oleh enzim girase. Setelah ketegangan hilang selanjutnya enzim girase akan menyambungkan utas yang terputus tersebut.

g. Protein SSB (Single