Replikasi DNA adalah bagian penting dari pembelahan sel dan pertumbuhan organisme. Proses replikasi DNA menggunakan untaian DNA sebagai templat untuk membuat untai DNA baru.
Replikasi DNA adalah proses yang sangat cepat dan akurat. Rata-rata, sekitar satu kesalahan dibuat untuk setiap 10 miliar nukleotida yang direplikasi. Proses Replikasi DNA mencakup lebih dari selusin jenis enzim dan protein lain untuk berjalan dengan benar.
Struktur DNA
Molekul DNA dibuat dari serangkaian molekul yang lebih kecil yang disebut ‘nukleotida’. Nukleotida terhubung bersama untuk membentuk untai linier DNA. Setiap nukleotida terdiri dari gula, basa, dan gugus fosfat.
Nukleotida mengandung satu dari empat basa nitrogen yang berbeda – adenin, timin, guanin atau sitosin. Basa dari masing-masing nukleotida dari satu untai ikatan DNA ke basa untai DNA lain untuk membentuk heliks ganda DNA.
Keempat basa yang berbeda masing-masing memiliki basa pelengkap yang mereka ikat. Adenin dan timin hanya saling mengikat satu sama lain, sedangkan guanin dan sitosin hanya akan saling mengikat. Oleh karena itu, dua helai heliks ganda merupakan kebalikan dari satu sama lain dalam hal urutan basanya.
Proses replikasi DNA
Awal replikasi DNA
Proses replikasi DNA dimulai di situs tertentu di sepanjang untaian DNA yang disebut ‘asal replikasi’. Asal replikasi adalah bagian pendek pada molekul DNA yang mengandung set nukleotida tertentu.
Sel prokariotik seringkali hanya memiliki satu asal replikasi untuk cincin DNA mereka. Sel eukariotik di sisi lain dapat memiliki ratusan hingga ribuan asal.
Prosesnya dimulai oleh seperangkat protein yang mengenali set nukleotida pada asal replikasi. Protein-protein ini mampu memisahkan dua helai heliks ganda DNA dan membuat ‘gelembung’ di antara dua helai.
Replikasi DNA bergerak di kedua arah sepanjang dua untai DNA. Gelembung bertambah besar ketika beberapa protein lain terus mengendur, meluruskan dan memisahkan dua untai DNA.
Saat kedua untai terpisah, protein pengikat menempel pada untai tunggal DNA dan mencegah mereka dari ikatan kembali bersama. Kedua untai kemudian dapat digunakan sebagai templat untuk membangun dua untai DNA baru.
Untai baru DNA dimulai dengan segmen pendek dari molekul yang disebut RNA. Segmen pendek dikenal sebagai primer RNA dan biasanya panjangnya sekitar 5-10 nukleotida. Untai DNA baru dimulai dengan menempelkan nukleotida DNA ke primer RNA.
Membangun molekul DNA
Enzim yang disebut ‘DNA polimerase’ mendorong proses membangun untai DNA baru. DNA polimerase mengontrol penambahan nukleotida DNA ke untai DNA baru. DNA Polimerase bertanggung jawab untuk menambahkan nukleotida yang benar dengan basa komplementer pada untai cetakan DNA.
Sebagai contoh, nukleotida dengan basa timin perlu ditambahkan ke nukleotida dengan basa adenin komplementer.
Sel eukariotik memiliki berbagai enzim DNA polimerase yang berbeda. Saat ini lebih dari 10 DNA polimerase berbeda telah ditemukan. Namun, hanya ada satu DNA polimerase yang diketahui dalam sel prokariotik.
DNA polimerase mampu menambahkan nukleotida pada tingkat yang sangat mengesankan. Pada bakteri E. coli, untaian DNA baru dibangun pada kecepatan sekitar 500 nukleotida baru per detik. Sel manusia tidak secepat itu tetapi masih dapat menambahkan sekitar 50 nukleotida per detik ke untai DNA yang berkembang.
Untai DNA awal (leading strand) dan Untai DNA lambat (lagging strand)
Dua ujung primer RNA berbeda dan nukleotida hanya dapat ditambahkan ke satu ujung. Karenanya, untai DNA baru hanya dapat tumbuh dalam satu arah.
Seiring gelembung dalam heliks ganda tumbuh, dua untai DNA baru dibangun dengan arah yang berlawanan. Setiap untai baru dibangun ke arah salah satu dari dua garpu di tepi gelembung.
Dari primer RNA, enzim DNA polimerase dapat membangun untai DNA baru secara terus-menerus menuju garpu. Untai DNA yang direplikasi ini yang tumbuh terus-menerus ke arah garpu dikenal sebagai ‘untai primer’.
Ketika gelembung tumbuh, nukleotida baru terekspos di belakang primer RNA pada asal replikasi yang juga perlu direplikasi. Karena nukleotida hanya dapat ditambahkan ke salah satu ujung primer RNA, nukleotida baru tidak dapat ditambahkan ke arah yang berlawanan dari asal replikasi.
DNA polimerase harus mereplikasi untai templat di belakang asal replikasi. Ini dicapai dengan menambahkan segmen pendek nukleotida ke bagian yang baru dibuka dari garpu menuju asal replikasi. Bagian dari untai DNA di balik asal replikasi dikenal sebagai ‘untai lambat’ atau lagging strand.
Helai lagging dibagi menjadi beberapa segmen pendek. Segmen pendek ini dikenal sebagai fragmen Okazaki, dinamai sesuai dengan salah satu ilmuwan yang menemukannya. Untaian lagging terbagi menjadi fragmen Okazaki karena tidak dapat terus tumbuh begitu mencapai asal replikasi atau awal fragmen Okazaki sebelumnya.
Setiap fragmen Okazaki dimulai dengan primer RNA-nya sendiri. Dua enzim, sebuah polimerase dan ligase DNA, menggantikan primer RNA pada awal setiap fragmen Okazaki. Ini mengubah untaian lagging menjadi untai DNA yang berkelanjutan.
Kesalahan dalam replikasi DNA
Pada pasangan awal basa dengan untai cetakan DNA, ada sekitar satu kesalahan untuk setiap 100.000 nukleotida yang dipasangkan. Enzim Polimerase mengoreksi untai DNA baru terhadap untai cetakan dan memperbaiki kesalahan. Perbaikan ini mengurangi kesalahan menjadi sekitar satu kesalahan untuk setiap 10 miliar nukleotida. Proses yang sangat akurat.
Satu dari 10 miliar kesalahan ada ketika polimerase salah menggantikan kesalahan dengan nukleotida salah lainnya. Kesalahan langka ini adalah penyebab mutasi genetik dan kanker.
Telomer
Telomer adalah bagian pendek di ujung untai DNA yang semakin pendek setiap pengulangan untai DNA. Telomer tidak mengandung informasi untuk gen spesifik tetapi merupakan jaring pengaman untuk sedikit masalah dengan replikasi DNA dalam sel eukariotik.
Ingat bahwa replikasi DNA dimulai dengan perlekatan primer RNA dan DNA polimerase hanya dapat menambahkan nukleotida ke salah satu ujung primer RNA. Setiap kali untai DNA direplikasi, bagian DNA di belakang primer RNA tidak dapat direplikasi.
Ini adalah masalah hanya untuk sel eukariotik yang memiliki untaian linear. Sel prokariotik memiliki cincin DNA tunggal sehingga semua DNA mereka dapat direplikasi.
Telomer memberikan solusi untuk masalah ini. Mereka adalah bagian pendek di ujung untai DNA yang biasanya mengandung satu urutan basa yang berulang.
Urutan diulang antara 100-1000 kali dan tidak mengandung informasi genetik. Memiliki telomere di ujung untaian DNA mencegah hilangnya informasi genetik melalui replikasi DNA yang tidak sempurna.
Telomer menjadi lebih pendek setiap kali DNA direplikasi. Pemendekan telomer dianggap terlibat dalam proses penuaan untuk kedua jenis sel dan seluruh organisme.
Seiring bertambahnya usia seseorang, DNA dari semua sel mereka akan melalui banyak replikasi. Jika sebuah sel telah melalui replikasi yang terlalu banyak, mungkin seluruh telomer akan hilang dan sel tersebut kemungkinan akan terbunuh.
Mutasi
Kesalahan dalam replikasi DNA dikenal sebagai mutasi. Jika kesalahan tidak diperbaiki dan tetap ada di untai DNA baru maka setiap kali untai DNA direplikasi kesalahan akan direplikasi. Jika kesalahan terjadi pada sel sperma atau sel telur, mutasi dapat diturunkan ke generasi berikutnya.
Sebagian besar mutasi berbahaya tetapi beberapa dapat bermanfaat. Banyak mutasi dapat memengaruhi kinerja suatu sel dan seringkali sel mutan akan mati sebelum dapat bereplikasi lagi.
Mutasi adalah satu-satunya cara bahan genetik baru diproduksi. Lebih dari milyaran tahun, mutasi menguntungkan yang langka telah mengambil kehidupan dari organisme bersel tunggal yang sederhana hingga beragam spesies yang kompleks dan spektakuler. Mutasi adalah bagian kunci dari evolusi.
Tingkat mutasi pada manusia
DNA manusia memiliki total enam miliar pasangan basa. Dengan tingkat kesalahan sekitar satu kesalahan untuk setiap 10 miliar basa, sekitar 0,6 kesalahan akan terjadi untuk setiap replikasi DNA sel.
Manusia yang sudah dewasa memiliki sekitar 37 triliun sel di tubuhnya. Pada saat manusia sudah dewasa sel mereka akan direplikasi lebih dari 37 triliun kali.
Dengan sekitar 0,6 kesalahan per replikasi, manusia yang sudah dewasa akan memiliki sekitar 22 triliun mutasi pada DNA mereka. Untungnya, sebagian besar dari ini hilang dan tidak pernah berdampak pada kehidupan kita. Jarang mutasi menjadi masalah. Tak perlu dikatakan, kita semua adalah mutan!