Fungsi DNA sebagai Materi Genetik

Fungsi DNA sebagai Materi Genetik

DNA sebagai materi genetik pada sebagian besar organisme harus dapat menjalankan tiga macam fungsi pokok berikut ini:

1.      DNA harus mampu menyimpan informasi genetik dan dengan tepat dapat meneruskan informasi tersebut dari tetua kepada keturunannya, dari generasi ke generasi. Fungsi ini merupakan fungsi genotipik, yang dilaksanakan melalui replikasi.

2.      DNA harus mengatur perkembangan fenotipe organisme. Artinya, materi genetik harus mengarahkan pertumbuhan dan diferensiasi organisme mulai dari zigot hingga individu dewasa. Fungsi ini merupakan fungsi fenotipik, yang dilaksanakan melalui ekspresi gen.

3.      DNA sewaktu-waktu harus dapat mengalami perubahan sehingga organisme yang bersangkutan akan mampu beradaptasi dengan kondisi lingkungan yang berubah⁽¹⁾.

Pengertian dan Model Replikasi

Replikasi merupakan peristiwa sintesis DNA (autokatalisis) karena DNA mampu mensintesis diri sendiri. Replikasi DNA dapat terjadi dengan adanya sintesis rantai nukleotida baru dari rantai nukleotida lama melalui proses menggunakan komplementasi pasangan basa untuk menghasilkan suatu molekul DNA baru yang sama dengan suatu molekul DNA lama, proses yang terjadi tersebut dipengaruhi oleh enzim helikase, enzim polimerase,dan ligase. Replikasi DNA bersifat semikoservatif, yaitu kedua untai tunggal DNA bertindak sebagai cetakan untuk pembuatan untai-untai DNA baru, seluruh untai tunggal cetakan dipertahankan dan untai yang baru dibuat dari nukleotida- nukleotida⁽¹⁾.

Sebelum mekanisme reprikasi DNA dapat dibuktikan secara eksperimental oleh Matthew Meselson dan Frankrin Stahl pada tahun 1958, ada tiga hipotesis yang berkembang mengenai mekanisme reprikasi DNA.

1.      Model konservatif, yaitu dua rantai DNA lama tetap tidak berubah, berfungsi sebagai cetakan untuk dua rantai DNA baru. Replikasi ini mempertahankan molekul dari DNA lama dan membuat molekul DNA baru. Pada replikasi konservatif seluruh tangga berpilin DNA awal tetap dipertahankan dan akan mengarahkan pembentukan tangga berpilin baru. Pada replikasi semikonservatif tangga berpilin mengalami pembukaan terlebih dahulu sehingga kedua untai polinukleotida akan saling terpisah. Namun, masing-masing untai ini tetap dipertahankan dan akan bertindak sebagai cetakan (template) bagi pembentukan untai polinukleotida baru. Sementara itu, pada replikasi dispersif kedua untai polinukleotida mengalami fragmentasi di sejumlah tempat. Kemudian, fragmen-fragmen polinukleotida yang terbentuk akan menjadi cetakan bagi fragmen nukleotida baru sehingga fragmen lama dan baru akan dijumpai berselang-seling di dalam tangga berpilin yang baru.

2.      Model semikonservatif, yaitu dua rantai DNA lama terpisah dan rantai baru disintesis dengan prinsip komplementasi pada masing-masing rantai DNA lama. Akhirnya dihasilkan dua rantai DNA baru yang masing-masing mengandung satu rantai cetakan molekul DNA lama dan satu rantai baru hasil sintesis.

3.      Model dispersif, yaitu beberapa bagian dari kedua rantai DNA lama digunakan sebagai cetakan untuk sintesis rantai DNA baru. Oleh karena itu, hasil akhirnya diperoleh rantai DNA lama dan baru yang tersebar pada rantai DNA lama dan baru Replikasi ini menghasilkan dua molekul DNA lama dan DNA baru yang saling berselang-seling pada setiap untai⁽²⁾.

Komponen-komponen Penting dalam Replikasi

Replikasi bahan genetik ditentukan oleh beberapa komponen utama yaitu:

1.      DNA cetakan, yaitu molekul DNA atau RNA yang akan direplikasi.

2.      Molekul deoksiribonukleotida, yaitu dATP, dTTP, dCTP, dan dGTP. Deoksiribonukleotida terdiri atas tiga komponen yaitu basa purin atau pirimidin, gula 5-karbon(deoksiribosa) dan gugus fosfat.

3.      Enzim DNA polimerase, yaitu enzim utama yang mengkatalisis proses polimerisasinukleotida menjadi untaian DNA.Enzim DNA polimerase memiliki fungsi lain, yaitu mengoreksi DNA yang baru terbentuk, membetulkan setiap kesalahan replikasi, dan memperbaiki DNA yang rusak. Adanyafungsi tersebut menjadikan rangkaian nukleotida DNA sangat stabil dan mutasi jarang terjadi.

4.      Enzim primase, yaitu enzim yang mengkatalisis sintesis primer untuk memulai replikasi DNA.

5.      Enzim pembuka ikatan untaian induk, yaitu enzim helikase dan enzim gyrase.

6.      Molekul protein yang menstabilkan untaian DNA yang sudah terbuka, yaitu protein SSB (single strand binding protein).

7.      Enzim DNA ligase, yaitu suatu enzim yang berfungsi untuk menyambung fragmen-fragmen DNA.

8.      DNA  Polimerase I  dan  DNA  ligase – dua enzim yang menyatukan fragmen okazaki. DNA polimerase I mempunyai aktivitas katalitik yang menghilangkan primer RNA dan diganti  dengan  DNA.  DNA  ligase  mengkatalisis  penyambungan  kovalen  fragmen.

9.      Leading strand untai DNA pada garpu replikasi yang kontinyu.

10.  Lagging stand untai DNA pada garpu replikasi yang berreplikasi per potong.

11.  Primosome – Kompleks yang berisi primase dan helikase, membantu inisiasi replikasi DNA  dengan  mensintesis  RNA  primer  dan  memanjangkan  dengan  mengurai  untai bersama kompleks replikasi

12.  Sliding clamp – dimer protein yang mengelilingi untai DNA dan membantu penempelan DNA polimerase ke untai DNA⁽³⁾.

Replikasi DNA

Sebelum sel membelah, DNA harus direplikasi dalam fase S dari siklus sel. Proses replikasi melibatkan enzim polymerase. Proses ini melibatkan pembukaan utas ganda DNA, sehingga memungkinkan terjadinya perpasangan basa untuk membentuk utas baru. Pembentukan utas komplementer terjadi melalui perpasangan basa antara A dengan T dan G dengan C. Dalam replikasi DNA, setiap utas DNA lama berperan sebagai cetakan untuk membentuk DNA baru⁽³⁾.

Model DNA Watson dan Crick menyatakan bahwa saat double heliks bereplikasi, masing-masing dari kedua molekul anak akan mempunyai satu untai lama yang erasal dari satu molekul induk dan satu untai yang baru. Model replikasi ini disebut model semikonservatif. Model lainnya adalah model konservatif dimana molekul induk tetap dan molekul baru disintesis sejak awal. Model ketiga disebut model dispersif yaitu bahwa keempat untai DNA, setelah replikasi double heliks, mempunyai campuran anatara DNA baru dan DNA lama⁽³⁾.

Pengujian yang dilakukan oleh Meselson dan Stahl menunjukkan bahwa replikasi DNA terjadi secara semikonservatif. Daerah penggandaan bergerak sepanjang DNA induk membentuk replication fork. Pada daerah ini, kedua utas DNA yang baru, disintesis dengan bantuan sekelompok enzim, salah satunya adalah DNA polimerase. Sintesis DNA tidaklah berjalan secara kontinu pada kedua utas cetakan. Hal ini karena kedua utas DNA tersusun sejajar berlawanan arah atau antiparalel. Maka utas DNA baru akan tumbuh dari 5′ - 3′ sedang yang lainnya dari 3′ - 5′ pada cetakan. Sintesis dari 3′ - 5′ tidak mungkin dilakukan karena tidak ada DNA polymerase untuk arah 3′ - 5′.

Replikasi DNA pada cetakan 3′ - 5′ terjadi seutas demi seutas dengan arah 5′ - 3′ yang berarti replikasi berjalan meninggalkanreplication fork. Utas-utas pendek tersebut kemudian dihubungkan oleh enzim ligase DNA. Dalam replikasi DNA terdapat utas DNA yang disintesis secara kontinu yang terjadi pada cetakan 5′ - 3′. Utas DNA yang disintesis secara kontinu ini disebut utas utama atau leading strand. Sedangkan utas DNA baru yang disintesis pendek-pendek seutas-demi seutas disebut utas lambat atau lagging strand. Utas-utas pendek atau fragmen-fragmen pendek yang terbentuk disebut fragmen Okazaki⁽³⁾.

Sintesis pada leading strand memerlukan molekul primer pada permulaan replikasi Setelah replication fork terbentuk, polymerase akan bekerja secara kontinu sampai utas DNA baru selesai direplikasi. Pada sintesis lagging strand, diperlukan enzim lain primase DNA. Setelah utas DNA terbuka untuk melakukan replikasi, dan setelah terbuka pada lagging strand, utas harus dijaga agar tetap terbuka. Jadi dalam proses replikasi DNA melibatkan beberapa protein baik berupa enzim maupun non-enzim yaitu :

Polimerase DNA : enzim yang berfungsi mempolimerisasi nukleotida-nukleotida

Ligase DNA : enzim yang berperan menyambung DNA utas lagging

Primase DNA : enzim yang digunakan untuk memulai polimerisasi DNA pada

lagging strand

Helikase DNA : enzim yang berfungsi membuka jalinan DNA double heliks

Single strand DNA-binding protein : mestabilkan DNA induk yang terbuka

Transkripsi

Transkripsi DNA merupakan proses pembentukan RNA dari DNA sebagai cetakan. Proses transkripsi menghasilkan mRNA, rRNA dan tRNA. Pembentukan RNA dilakukan oleh enzim RNA polymerase. Proses transkripsi terdiri dari 3 tahap yaitu :

1.                  Inisiasi : enzim RNA polymerase menyalin gen, sehingga pengikatan RNA polymerase terjadi pada tempat tertentu yaitu tepat didepan gen yang akan ditranskripsi. Tempat pertemuan antara gen (DNA) dengan RNA polymerase disebut promoter. Kemudian RNA polymerase membuka double heliks DNA. Salah satu utas DNA berfungsi sebagai cetakan.

2.                  Elongasi : Enzim RNA polymerase bergerak sepanjang molekul DNA, membuka double heliks dan merangkai ribonukleotida ke ujung 3′ dari RNA yang sedang tumbuh.

3.                  Terminasi : terjadi pada tempat tertentu. Proses terminasi transkripsi ditandai dengan terdisosiasinya enzim RNA polymerase dari DNA dan RNA dilepaskan⁽¹⁾.

mRNA pada eukariota mengalami modifikasi sebelum ditranslasi, sedangkan pada prokariota misalnya pada bakteri, mRNA merupakan transkripsi akhir gen. mRNA yang baru ditranskrip ujung 5′nya adalah pppNpN, dimana N adalah komponen basa-gula nukleotida, p adalah fosfat. mRNA yang masak memiliki struktur 7mGpppNpN, dimana 7mG adalah nukleotida yang membawa 7 metil guanine yang ditambahkan setelah transkripsi. Pada ujung 3′ terdapat pNpNpA(pA)npA. Ekor poli A ini ditambahkan berkat bantuan polymerase poli (A),tetapi mRNA yang menyandikan histon,tidak memiliki poli A.

Hasil transkripsi merupakan hasil yang memiliki intron (segmen DNA yang tidak menyandikan informasi biologi) dan harus dihilangkan, serta memiliki ekson yaitu ruas yang membawa informasi biologis. Intron dihilangkan melalui proses yang disebut splicing. Proses splicing terjadi di nukleus.

Splicing dimulai dengan terjadinya pemutusan pada ujung 5′, selanjutnya ujung 5′ yang bebas menempelkan diri pada suatu tempat pada intron dan membentuk struktur seperti laso yang terjadi karena ikatan 5′-2′fosfodiester. Selanjutnya tempat pemotongan pada ujung 3 terputus sehingga dua buah ekson menjadi bersatu⁽³⁾.

tRNA adalah molekul adaptor yang membaca urutan nukleotida pada mRNA dan mengubahnya menjadi asam amino. Struktur molekul tRNA adalah seperti daun semanggi yang terdiri dari 5 komponen yaitu

1.                  Lengan aseptor: merupakan tempat menempelnya asam amino,

2.                  Lengan D atau DHU: terdapat dihidrourasil pirimidin,

3.                  Lengan antikodon: memiliki antikodon yang basanya komplementer dengan basa pada mRNA

4.                  Lengan tambahan

5.                  Lengan TUU: mengandung T, U dan C

Translasi

Pada prokariota yang terdiri dari satu ruang, proses transkripsi dan translasi terjadi bersama-sama. Translasi merupakan proses penerjemahan kodon-kodon pada mRNA menjadi polipeptida. Dalam proses translasi, kode genetic merupakan aturan yang penting. Dalam kode genetic, urutan nukleotida mRNA dibawa dalam gugus tiga - tiga. Setiap gugus tiga disebut kodon. Dalam translasi, kodon dikenali oleh lengan antikodon yang terdapat pada tRNA.

Mekanisme translasi adalah:

1.  Inisiasi. Proses ini dimulai dari menempelnya ribosom sub unit kecil ke mRNA. Penempelan terjadi pada tempat tertentu yaitu pada 5′-AGGAGGU-3′, sedang pada eukariot terjadi pada struktur tudung (7mGpppNpN). Selanjutnya ribosom bergeser ke arah 3′ sampai bertemu dengan kodon AUG. Kodon ini menjadi kodon awal.      Asam amino yang dibawa oleh tRNA awal adalah metionin. Metionin adalah asam            amino yang disandi oleh AUG. pada bakteri, metionin diubah menjadi Nformil      metionin. Struktur gabungan antara mRNA, ribosom sub unit kecil dan tRNA-         Nformil metionin disebut kompleks inisiasi. Pada eukariot, kompleks inisiasi terbentuk dengan cara yang lebih rumit yang melibatkan banyak protein initiation factor.

2.   Elongation. Tahap selanjutnya adalah penempelan sub unit besar           pada sub unit kecil menghasilkan dua tempat yang terpisah . Tempat pertama adalah tempat P (peptidil) yang ditempati oleh tRNA-Nformil metionin. Tempat kedua adalah tempat A (aminoasil) yang terletak pada kodon ke dua dan kosong. Proses elongasi terjadi saat tRNA dengan antikodon dan asam amino yang tepat masuk ke tempat A. Akibatnya kedua tempat di ribosom terisi, lalu terjadi ikatan peptide antara kedua asam amino. Ikatan tRNA dengan Nformil metionin lalu lepas, sehingga kedua asam amino yang berangkai berada pada tempat A. Ribosom kemudian bergeser sehingga asam amino-asam amino-tRNA berada pada tempat P dan tempat A menjadi kosong. Selanjutnya tRNA dengan antikodon yang tepat dengan kodon ketiga akan masuk ke tempat A, dan proses berlanjut seperti sebelumnya.

3.Terminasi. Proses translasi akan berhenti bila tempat A bertemu kodon akhir yaitu UAA, UAG, UGA. Kodon-kodon ini tidak memiliki tRNA yang membawa antikodon yang sesuai. Selanjutnya masuklah release factor (RF) ke tempat A dan melepaska rantai polipeptida yang terbentuk dari tRNA yang terakhir. Kemudian ribosom berubah menjadi sub unit kecil dan besar⁽⁴⁾.

DAFTAR PUSTAKA

1.      Yuwono,triwibowo,.2005,Biologi Molekular.Erlangga, Jakarta (133-146)

2.      Marks,Dawn B,dkk,. 2000,Biokim Kedokteran Dasar: Sebuah Pendekatan Klinis                    Penerbit Kedokteran EGC, Jakarta  (219,222)

3.      Campbell NA, Reece JB, & Mitchell LG. 1999.  Biologi Edisi Kelima JIlid 1.  Terjemahan Rahayu Lestari, Erlangga, Jakarta. (322)

4.      Brookes, Martin,.2005,Genetika,Erlangga,Jakarta