Pengertian replikasi DNA adalah proses dimana DNA membuat salinan dirinya sendiri selama pembelahan sel.
Struktur DNA
DNA atau asam deoksiribonukleat adalah sejenis molekul yang dikenal sebagai asam nukleat. Ini terdiri dari gula deoksiribosa 5-karbon, fosfat, dan basa nitrogen. DNA beruntai ganda terdiri dari dua rantai asam nukleat spiral yang dipilin menjadi bentuk heliks ganda. Pemuntiran ini memungkinkan DNA menjadi lebih kompak.
Agar sesuai dengan nukleus, DNA dikemas ke dalam struktur yang digulung rapat yang disebut kromatin. Chromatin mengembun membentuk kromosom selama pembelahan sel. Sebelum replikasi DNA, kromatin mengendur memberikan mesin replikasi sel akses ke untai DNA.
Sebelum sel membelah, DNA-nya direplikasi (digandakan.) Karena dua untai molekul DNA memiliki pasangan basa komplementer, urutan nukleotida dari setiap untai secara otomatis memberikan informasi yang diperlukan untuk menghasilkan pasangannya. Jika dua untai molekul DNA dipisahkan, masing-masing dapat digunakan sebagai pola atau template untuk menghasilkan untaian komplementer. Setiap template dan pelengkap barunya bersama-sama membentuk heliks ganda DNA baru, identik dengan aslinya.
Sebelum replikasi dapat terjadi, panjang heliks ganda DNA yang akan disalin harus dibatalkan. Selain itu, kedua untaian harus dipisahkan, seperti dua sisi ritsleting, dengan memecah ikatan hidrogen lemah yang menghubungkan pasangan basa. Begitu untaian DNA dilepaskan, mereka harus dipisahkan untuk mengekspos basis sehingga mitra nukleotida baru dapat mengikat hidrogen pada mereka.
Enzim DNA polimerase kemudian bergerak sepanjang untaian DNA yang terbuka, bergabung dengan nukleotida yang baru tiba menjadi untaian DNA baru yang melengkapi templat.
Replikasi terjadi berbeda pada untaian anti paralel DNA.
Prosesnya dimulai dengan untai DNA pendek yang mengikat dengan memasangkan basa nukleotidanya dengan basa DNA yang akan direplikasi. “Primer” ini memiliki molekul gula terbuka di ujungnya. Dari sana, DNA polimerase dapat terus mensintesis untai komplementer yang tumbuh. Untaian DNA ini disebut untai terkemuka.
Pada sisi komplementer molekul DNA, primer akan memiliki fosfat bukan gula pada ujungnya yang terpapar; nukleotida baru hanya dapat bergabung dengan ujung gula. Untuk mengatasi masalah ini, untai ini disintesis dalam potongan-potongan kecil ke belakang dari arah replikasi secara keseluruhan. Untai ini disebut untai yang tertinggal. Segmen-segmen pendek dari DNA yang baru dirakit dari mana untai yang tertinggal dibangun disebut fragmen Okazaki. Sebagai hasil replikasi dan nukleotida ditambahkan ke ujung gula dari fragmen Okazaki, mereka datang untuk saling bertemu. Semuanya kemudian dijahit bersama oleh enzim lain yang disebut DNA ligase.
Replikasi terjadi secara bersamaan di banyak tempat di sepanjang untai DNA.
Karena DNA manusia sangat panjang (dengan lebih dari 80 juta pasangan basa dalam kromosom), ia membuka di beberapa tempat sepanjang panjangnya sehingga proses replikasi berlangsung secara simultan di ratusan tempat sepanjang rantai. Akhirnya daerah-daerah ini berjalan bersama untuk membentuk rantai yang lengkap. Pada manusia, DNA disalin pada sekitar 50 pasangan basa per detik. Proses ini akan memakan waktu satu bulan (bukan jam sebenarnya) tanpa banyak tempat di kromosom di mana replikasi dapat dimulai.
Replikasi DNA luar biasa akurat.
DNA polimerase membuat sangat sedikit kesalahan, dan sebagian besar yang dibuat dengan cepat dikoreksi oleh polimerase DNA dan enzim lain yang “mengoreksi” nukleotida yang ditambahkan ke untaian DNA baru. Jika nukleotida yang baru ditambahkan tidak saling melengkapi dengan yang ada pada untai cetakan, enzim-enzim ini menghapus nukleotida dan menggantinya dengan yang benar. Dengan sistem ini, DNA sel disalin dengan kurang dari satu kesalahan dalam satu miliar nukleotida. Ini sama dengan seseorang menyalin 100 kamus besar (1000 halaman) kata kata, dan simbol untuk simbol, dengan hanya satu kesalahan untuk seluruh proses!
Proses replikasi DNA
Sebelum gen bisa dilalui dari sel induk ke keturunannya, salinan genom harus dibuat dalam proses yang disebut replikasi. Untuk kromosom melingkar, seperti yang ada di bakteri dan archaea, replikasi dimulai pada asal replikasi dan hasil dalam dua arah dari titik itu, secara bersamaan. Replikasi DNA merupakan proses dimana DNA membuat salinan sendiri selama pembelahan sel. Replikasi DNA adalah proses penggandaan rantai ganda DNA.
Pada sel, replikasi DNA terjadi sebelum pembelahan sel. Prokariota terus-menerus melakukan replikasi DNA. Pada eukariota, waktu terjadinya replikasi DNA sangatlah diatur, yaitu pada fase S siklus sel, sebelum mitosis atau meiosis I.
Penggandaan tersebut memanfaatkan enzim DNA polimerase yang membantu pembentukan ikatan antara nukleotida-nukleotida penyusun polimer DNA. Proses replikasi DNA dapat pula dilakukan in vitro dalam proses yang disebut reaksi berantai polimerase (PCR).
Garpu Replikasi
Garpu replikasi atau cabang replikasi (replication fork) ialah struktur yang terbentuk ketika DNA bereplikasi. Garpu replikasi ini dibentuk akibat enzim helikase yang memutus ikatan-ikatan hidrogen yang menyatukan kedua untaian DNA, membuat terbukanya untaian ganda tersebut menjadi dua cabang yang masing-masing terdiri dari sebuah untaian tunggal DNA.
Masing-masing cabang tersebut menjadi “cetakan” untuk pembentukan dua untaian DNA baru berdasarkan urutan nukleotida komplementernya. DNA polimerase membentuk untaian DNA baru dengan memperpanjang oligonukleotida yang dibentuk oleh enzim primase dan disebut primer.
DNA polimerase membentuk untaian DNA baru dengan menambahkan nukleotida—dalam hal ini, deoksiribonukleotida—ke ujung 3′-hidroksil bebas nukleotida rantai DNA yang sedang tumbuh. Dengan kata lain, rantai DNA baru disintesis dari arah 5’→3′, sedangkan DNA polimerase bergerak pada DNA “induk” dengan arah 3’→5′.
Namun demikian, salah satu untaian DNA induk pada garpu replikasi berorientasi 3’→5′, sementara untaian lainnya berorientasi 5’→3′, dan helikase bergerak membuka untaian rangkap DNA dengan arah 5’→3′. Oleh karena itu, replikasi harus berlangsung pada kedua arah berlawanan tersebut.
Pembentukan leading strand
Pada replikasi DNA, untaian pengawal (leading strand) ialah untaian DNA yang disintesis dengan arah 5’→3′ secara berkesinambungan. Pada untaian ini, DNA polimerase mampu membentuk DNA menggunakan ujung 3′-OH bebas dari sebuah primer RNA dan sintesis DNA berlangsung secara berkesinambungan, searah dengan arah pergerakan garpu replikasi.
Pembentukan lagging strand
Lagging strand ialah untaian DNA yang terletak pada sisi yang berseberangan dengan leading strand pada garpu replikasi. Untaian ini disintesis dalam segmen-segmen yang disebut fragmen Okazaki. Pada untaian ini, primase membentuk primer RNA. DNA polimerase dengan demikian dapat menggunakan gugus OH 3′ bebas pada primer RNA tersebut untuk mensintesis DNA dengan arah 5’→3′.
Fragmen primer RNA tersebut lalu disingkirkan (misalnya dengan RNase H dan DNA Polimerase I) dan deoksiribonukleotida baru ditambahkan untuk mengisi celah yang tadinya ditempati oleh RNA. DNA ligase lalu menyambungkan fragmen-fragmen Okazaki tersebut sehingga sintesis lagging strand menjadi lengkap.
Dinamika pada garpu replikasi
Bukti-bukti yang ditemukan belakangan ini menunjukkan bahwa enzim dan protein yang terlibat dalam replikasi DNA tetap berada pada garpu replikasi sementara DNA membentuk gelung untuk mempertahankan pembentukan DNA ke dua arah. Hal ini merupakan akibat dari interaksi antara DNA polimerase, sliding clamp, dan clamp loader.
Sliding clamp pada semua jenis makhluk hidup memiliki struktur serupa dan mampu berinteraksi dengan berbagai DNA polimerase prosesif maupun non-prosesif yang ditemukan di sel. Selain itu, sliding clamp berfungsi sebagai suatu faktor prosesivitas. Ujung-C sliding clamp membentuk gelungan yang mampu berinteraksi dengan protein-protein lain yang terlibat dalam replikasi DNA (seperti DNA polimerase dan clamp loader).
Bagian dalam sliding clamp memungkinkan DNA bergerak melaluinya. Sliding clamp tidak membentuk interaksi spesifik dengan DNA. Terdapat lubang 35A besar di tengah clamp ini. Lubang tersebut berukuran sesuai untuk dilalui DNA dan air menempati tempat sisanya sehingga clamp dapat bergeser pada sepanjang DNA. Begitu polimerase mencapai ujung templat atau mendeteksi DNA berutas ganda (lihat di bawah), sliding clamp mengalami perubahan konformasi yang melepaskan DNA polimerase.
Clamp loader merupakan protein bersubunit banyak yang mampu menempel pada sliding clamp dan DNA polimerase. Dengan hidrolisis ATP, clamp loader terlepas dari sliding clamp sehingga DNA polimerase menempel pada sliding clamp. Sliding clamp hanya dapat berikatan pada polimerase selama terjadinya sintesis utas tunggal DNA.
Jika DNA rantai tunggal sudah habis, polimerase mampu berikatan dengan subunit pada clamp loader dan bergerak ke posisi baru pada lagging strand. Pada leading strand, DNA polimerase III bergabung dengan clamp loader dan berikatan dengan sliding clamp.