REPLIKASI DNA: MEKANISME, PADA PROKARIOTA DAN EUKARIOTA - BIOLOGI - 2025

The replikasi DNA (asam deoksiribonukleat) adalah untuk menyalin genom, yaitu, semua informasi genetik dalam DNA dari suatu organisme untuk menghasilkan dua salinan identik. Genom memiliki informasi yang diperlukan untuk membangun organisme lengkap.

Sebelum pembelahan sel, terjadi replikasi DNA. Melalui meiosis, gamet diproduksi untuk reproduksi seksual. Melalui mitosis, terjadi penggantian sel (misalnya kulit dan darah) dan perkembangan (misalnya jaringan dan organ).

Sumber: I, Madprime

Mengetahui struktur DNA memungkinkan kita memahami bagaimana replikasinya terjadi. Struktur DNA terdiri dari heliks ganda, terdiri dari dua rantai antiparalel nukleotida yang berurutan, yang basa nitrogennya saling melengkapi dengan cara tertentu.

Selama replikasi, setiap untai untai ganda DNA bertindak sebagai templat untuk biosintesis untai baru. Dua rantai yang baru disintesis memiliki basa yang melengkapi basa rantai cetakan: adenin (A) dengan timin (T), dan sitosin (C) dengan guanin (G).

Berbagai enzim dan protein terlibat dalam replikasi DNA. Misalnya, membuka heliks ganda DNA, menjaga DNA tetap terbuka, dan menambahkan deoksiribonukleosida-5′-trifosfat (dNTP) untuk membentuk untai baru.

Replikasi DNA bersifat semi-konservatif

Berdasarkan struktur DNA, Watson dan Crick mengusulkan bahwa replikasi DNA terjadi secara semi-konservatif. Hal ini dibuktikan oleh Meselson dan Stahl dengan melabeli DNA Escherichia coli dengan isotop nitrogen berat, ¹⁵ N, mengikuti pola distribusi dalam media kultur dengan nitrogen ringan, ¹⁴ N selama beberapa generasi .

Meselson dan Stahl menemukan bahwa, pada generasi pertama, dua molekul DNA anak masing-masing molekul diberi label dengan rantai dengan isotop berat nitrogen dan satu lagi dengan isotop ringan. Berbeda dengan molekul DNA induk, yang kedua untaiannya diberi label dengan isotop berat, ¹⁵ N.

Pada generasi kedua, 50% molekul DNA mirip dengan generasi pertama, dan 50% lainnya hanya memiliki nitrogen ringan. Interpretasi dari hasil ini adalah bahwa heliks ganda putri memiliki rantai induk (yang berfungsi sebagai templat) dan rantai baru.

Mekanisme replikasi semi-konservatif melibatkan pemisahan untai DNA dan pasangan basa komplementer melalui pemasangan nukleotida yang berurutan, menghasilkan dua heliks ganda anak.

Replikasi baterai

Inisiasi replikasi DNA pada bakteri

DNA bakteri terdiri dari kromosom melingkar dan hanya memiliki satu situs asal replikasi. Dari situs ini, biosintesis dua rantai anak terjadi dua arah, membentuk dua garpu replikasi yang bergerak berlawanan arah dengan asalnya. Pada akhirnya, jepit rambut bertemu, menyelesaikan replikasi.

Replikasi dimulai dengan pengikatan protein DnaA ke tempat asalnya. Protein ini pada gilirannya membentuk kompleks. Kemudian protein HU dan IHF, antara lain, bergabung bersama, yang bersama-sama membengkokkan DNA, menyebabkan pemisahan dua untai DNA di daerah yang kaya timin dan adenin.

Selanjutnya, protein DNaC mengikat, yang menyebabkan DNA helikase berikatan. Mereka membantu melepaskan DNA dan memutus ikatan hidrogen, yang terbentuk di antara pasangan basa. Jadi kedua rantai tersebut dipisahkan lebih lanjut, membentuk dua rantai sederhana.

Topoisomerase II, atau DNA gyrase, bergerak di depan DNA helikase, menurunkan superkoil positif. Protein pengikat DNA untai tunggal (SSB) menjaga untaian DNA tetap terpisah. Dengan demikian, biosintesis rantai anak dapat dimulai.

Biosintesis untaian DNA anak pada bakteri

Enzim primase bertanggung jawab untuk mensintesis rantai RNA pendek yang disebut primer, yang panjangnya 10-15 nukleotida. DNA polimerase mulai menambahkan 5′-triphosphate deoxynucleosides (dNTPs) ke ujung 3′-OH dari gula primer, setelah itu untai terus tumbuh dari ujung yang sama.

Karena untai DNA antiparalel, satu primer disintesis pada untai pemimpin dan banyak primer pada untai lag. Karena itu, biosintesis rantai yang tertunda terputus-putus. Meskipun untaian DNA antiparalel, garpu replikasi hanya bergerak ke satu arah.

DNA polimerase bertanggung jawab untuk pembentukan ikatan kovalen antara nukleotida yang berdekatan dari rantai yang baru disintesis, dalam arah 5'®3 ′. Dalam E. coli, ada lima DNA polimerase: DNA polimerase I dan III melakukan replikasi DNA; dan DNA polimerase II, IV dan V bertanggung jawab untuk memperbaiki dan mereplikasi DNA yang rusak.

Sebagian besar replikasi dilakukan oleh DNA polimerase III yang merupakan holoenzim yang memiliki 10 subunit berbeda dengan berbagai fungsi dalam replikasi DNA. Misalnya, subunit alfa bertanggung jawab untuk membuat hubungan antar nukleotida.

Suatu kompleks enzim bertanggung jawab atas replikasi DNA pada bakteri

DNA helikase dan primase bergabung membentuk kompleks yang disebut primosom. Ini bergerak di sepanjang DNA, bertindak secara terkoordinasi untuk memisahkan dua untai induk, mensintesis primer setiap interval tertentu pada untai yang tertunda.

Primosom secara fisik mengikat DNA polimerase III, dan membentuk replisom. Dua DNA polimerase III bertanggung jawab untuk mereplikasi DNA pemandu dan rantai yang tertunda. Sehubungan dengan DNA polimerase III, untai yang tertunda membentuk lingkaran ke luar, yang memungkinkan penambahan nukleotida ke untai ini terjadi dalam arah yang sama dengan untai pemimpin.

Penambahan nukleotida ke rantai pemimpin terus menerus. Sedangkan dalam penundaan itu terputus-putus. Fragmen yang panjangnya 150 nukleotida, disebut fragmen Okazaki.

Aktivitas eksonuklease 5 ′ -> 3 ′ DNA polimerase I bertanggung jawab untuk menghilangkan primer dan pengisian, menambahkan nukleotida. Enzim ligase menutup celah di antara fragmen. Replikasi berakhir ketika dua kait replikasi bertemu dalam urutan terminasi.

Protein Tus mengikat urutan terminasi, menghentikan pergerakan garpu replikasi. Topoisomerase II memungkinkan pemisahan dua kromosom.

Deoksiribonukleotida trifosfat digunakan oleh DNA polimerase

Deoxynucleoside triphosphate (dNTP) mengandung tiga gugus fosfat yang terikat pada karbon 5 'deoksiribosa. DNTPs (dATP, dTTP, dGTP dan dCTP) mengikat ke rantai template mengikuti aturan AT / GC.

DNA polimerase mengkatalisis reaksi berikut: Kelompok 3 ′ hidroksil (-OH) dari untai nukleotida yang tumbuh bereaksi dengan alfa fosfat dari dNTP yang masuk, melepaskan pirofosfat anorganik (PPi). Hidrolisis PPi menghasilkan energi untuk pembentukan ikatan kovalen, atau ikatan fosfodiester, antara nukleotida rantai yang tumbuh.

Mekanisme yang menjamin ketepatan replikasi DNA

Selama replikasi DNA, DNA polimerase III membuat kesalahan sebanyak 100 juta nukleotida. Meskipun kemungkinan kesalahan sangat rendah, terdapat mekanisme yang memastikan ketepatan dalam replikasi DNA. Mekanisme tersebut adalah:

1) Stabilitas dalam pemasangan basa. Energi ikatan hidrogen antara AT / GC lebih tinggi daripada pasangan basa yang salah.

2) Struktur situs aktif DNA polimerase. DNA polimerase secara istimewa mengkatalisis persimpangan nukleotida dengan basa yang benar pada untai yang berlawanan. Pasangan basa yang buruk menyebabkan distorsi heliks ganda DNA, yang mencegah nukleotida yang salah menempati situs aktif enzim.

3) Tes membaca. DNA polimerase mengidentifikasi nukleotida salah yang tergabung dan mengeluarkannya dari untai anak. Aktivitas eksonuklease DNA polimerase memutus ikatan fosfodiester antara nukleotida di ujung 3 dari untai baru.

Replikasi DNA pada eukariota

Tidak seperti replikasi di prokariota, di mana replikasi dimulai di satu situs, replikasi di eukariota dimulai di beberapa situs asal dan garpu replikasi bergerak secara dua arah. Selanjutnya, semua jepit rambut replikasi bergabung, membentuk dua kromatid saudara yang bergabung di sentromer.

Eukariota memiliki banyak jenis DNA polimerase, yang namanya menggunakan huruf Yunani. DNA polimerase α membentuk kompleks dengan primase. Kompleks ini mensintesis primer pendek yang terdiri dari 10 nukleotida RNA diikuti oleh 20 hingga 30 nukleotida DNA.

Selanjutnya, ε atau δ DNA polimerase mengkatalisis pemanjangan untai anak dari primer. DNA polimerase ε terlibat dalam sintesis rantai pemimpin, sedangkan DNA polimerase δ mensintesis rantai terbelakang.

DNA polimerase δ memanjang fragmen Okazaki di kiri untuk mencapai primer RNA di kanan, menghasilkan flap pendek primer. Tidak seperti prokariota, di mana DNA polimerase menghilangkan primer, pada eukariota enzim endonuklease Flap menghilangkan primer RNA.

Selanjutnya, DNA ligase menyegel fragmen DNA yang berdekatan. Penyelesaian replikasi terjadi dengan disosiasi protein dari garpu replikasi.

The replikasi DNA dalam siklus sel eukariotik dan

Replikasi pada eukariota terjadi pada fase S dari siklus sel. Molekul DNA yang direplikasi disekresikan menjadi dua sel anak selama mitosis. Fase G1 dan G2 memisahkan fase S dan mitosis. Kemajuan melalui setiap fase siklus sel sangat diatur oleh kinase, fosfatase, dan protease.

Dalam fase G1 dari siklus sel, kompleks pengenalan asal (OCR) mengikat ke situs asal. Ini menginduksi pengikatan helikase MCM dan protein lain, seperti Cdc6 dan Cdt1, untuk membentuk kompleks pra-replikasi (preRC). Helikase MCM mengikat rantai pemandu.

Dalam fase S, preRC menjadi situs replikasi aktif. Protein OCR, Cdc6, dan Cdt1 dilepaskan, dan helikase MCM bergerak ke arah 3 'ke 5'. Setelah replikasi selesai, replikasi akan dimulai ulang di siklus sel berikutnya.

Replikasi ujung kromosom pada eukariota

Ujung kromosom dikenal sebagai telomere, yang terdiri dari urutan tandem berulang, dan daerah 3 'yang menonjol, dengan panjang 12 sampai 16 nukleotida.

DNA polimerase tidak dapat mereplikasi ujung 3 'untai DNA. Ini karena DNA polimerase hanya dapat mensintesis DNA pada arah 5'-3 ', dan hanya dapat memperpanjang untaian yang sudah ada sebelumnya, tanpa mampu mensintesis primer di wilayah ini. Akibatnya, telomer memendek dengan setiap putaran replikasi.

Enzim telomerase mencegah pemendekan telomer. Telomerase adalah enzim yang memiliki subunit protein dan RNA (TERC). Yang terakhir mengikat urutan berulang DNA, dan memungkinkan telomerase untuk mengikat ke ujung 3 'telomer.

Urutan RNA di belakang lokasi persimpangan berfungsi sebagai templat untuk sintesis urutan enam nukleotida (polimerisasi) di ujung untai DNA. Perpanjangan telomer dikatalisis oleh subunit telomerase, disebut telomerase reverse transcriptase (TERT).

Setelah polimerisasi, terjadi translokasi, yang terdiri dari pergerakan telomerase ke ujung baru rantai DNA, bergabung dengan enam nukleotida lainnya sampai akhir.

Fungsi polimerase DNA lain pada eukariota

DNA polimerase β memainkan peran penting dalam menghilangkan basa yang salah dari DNA, tetapi tidak terlibat dalam replikasi DNA.

Banyak DNA polimerase yang ditemukan termasuk dalam kelompok polimerase yang "mereplikasi translesion". Polimerase ini bertanggung jawab untuk mensintesis untaian komplementer di wilayah DNA yang rusak.

Ada beberapa jenis polimerase yang "mereplikasi translesion". Misalnya, DNA polimerase η dapat bereplikasi pada dimer timin, yang dihasilkan oleh sinar UV.

Replikasi DNA di archaebacteria

Replikasi DNA archaebacterial mirip dengan yang ada pada eukariota. Hal ini disebabkan sebagai berikut: 1) protein yang berpartisipasi dalam replikasi lebih mirip dengan eukariota daripada prokariota; dan 2) meskipun hanya ada satu situs replikasi seperti pada prokariota, urutannya mirip dengan situs asal eukariota.

Kesamaan dalam replikasi antara Archea dan eukariota mendukung gagasan bahwa kedua kelompok secara filogenetik lebih terkait satu sama lain daripada dengan prokariota.

Referensi

1. Brooker, RJ 2018. Analisis dan prinsip genetika. McGraw-Hill, New York.
2. Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Genetika - dari gen hingga genom. McGraw-Hill, New York.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. Aspek mendasar dari replikasi DNA. Akses InTech Open, Kroasia.
4. Lewis, R., 2015. Konsep dan aplikasi genetika manusia. McGraw-Hill, New York.
5. Pierce, BA 2005. Genetika - pendekatan konseptual. WH Freeman, New York.