BIOSINTESIS DNA DAN REGULASI

TUGAS BIOLOGI MOLEKULER

                “BIOSINTESIS DNA DAN REGULASI”     

Disusun oleh:

Lutfan Suyudi                        (115130100111005)

Evris Hikmat                          (115130100111014)

Putik Chiptadining Larasati  (115130101111001)

Ni Made Artari Dewi              (115130101111006)

Adi Nalurika                           (115130101111011)

Yessy Puspitasari                    (115130101111021)

Widya Alif Suandini              (115130107111003)

Chandra Afyan Pratama       (115130107111009)

PKH A 2011

PROGRAM KEDOKTERAN HEWAN

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

MALANG

2013

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

DNA sebagai bahan genetic karena DNA dapat mewariskan sifat-sifat organisme induk, sudah diidentifikasi pada pertengahan abad 20. Genom adalah sepotong DNA/segment DNA yang menyandi protein mengandung semua informasi genetic yang dimilikinya. Dengan penemuan ini ditemukan bagaimana informasi genetic diwariskan dan diekspresikan.

Mekanisme molekuler dari pewarisan melibatkan proses yang dikenal sebagai replikasi, dimana rantai DNA induk berfungsi sebagai cetakan untuk sintesis salinan DNA (Baumforth and Crocker, 2003).

Ekspresi gen di dalam sel memerlukan dua proses, transkripsi dimana DNA berfungsi sebagai “template” dan ditranskripsikan menjadi mRNA dan translasi dimana informasi pada RNA akan diterjemahkan menghasilkan protein. Pengaturan ekspresi gen pada sel eukariotik hanya memungkinkan ekspresi sebagian kecil genom dalam suatu waktu, sehingga sel dapat menjalani perkembangan dan differensiasi. Ini memerlukan suatu pengaturan melalui mekanisme yang rumit. Untuk suatu gen spesifik, pengaturan dapat terjadi secara bersamaan di berbagai factor bekerja bersamaan untuk merangsang dan menghambat ekspresi suatu gen.

1.2 Rumusan Masalah

1. Apakah pengertian dari DNA?

2. Apakah pengertian dari biosintesis atau replikasi DNA?

3. Bagaimana mekanisme replikasi DNA?

4. Bagaimana proses replikasi dan perbaikan DNA?

5. Apakah pengertian dari regulasi DNA dan apa yang terjadi dalam keadaan ini?

1.3 Tujuan

1. Untuk mengetahui pengertian dari DNA

2. Untuk mengetahui pengertian dari biosintesis atau replikasi DNA

3. Untuk mengetahui bagaimana mekanisme replikasi DNA

4. Untuk mengetahui bagaimana proses replikasi dan perbaikan DNA

5. Untuk mengetahui pengertian dari regulasi DNA dan apa yang terjadi dalam keadaan ini

BAB II

ISI

Biosintesis DNA adalah proses perakitan alami dari DNA. Biosintesis DNA terjadi sebelum pembelahan sel (khususnya pada eukariot). Biosintesis DNA sangat penting dalam pembelahan sel karena setiap sel anakan harus memiliki materi genetik yang sama, materi genetik yang tidak sesuai akan menyebabkan sel menjadi abnormal. Biosintesis DNA juga disebut replikasi DNA karena dalam prosesnya memerlukan DNA template untuk merakit DNA baru. Ada perbedaan antara proses biosintesis DNA prokariot dan eukariot walaupun secara garis besar sama.

I.         PENGERTIAN DNA

DNA (deoxyribonucleic acid) atau asam deoksiribosa nukleat (ADN) merupakan tempat penyimpanan informasi genetik. DNA merupakan makromolekul polinukleotida yang tersusun atas polimer nukleotida yang berulang-ulang, tersusun rangkap, membentuk DNA heliks ganda dan berpilin ke kanan. Setiap nukleotida terdiri dari tiga gugus molekul, yaitu:

1. Gula 5 karbon (2-deoksiribosa)
2. Basa nitrogen yang terdiri dari golongan purin serta golongan pirimidin
3.  Gugus fosfat

II.      REPLIKASI DNA (SINTESIS DNA)

Replikasi adalah peristiwa sintesis DNA. Replikasi DNA adalah proses penggandaan rantai ganda DNA. Pada sel, replikasi DNA terjadi sebelum pembelahan sel. Prokaryota terus-menerus melakukan replikasi DNA. Sedangkan pada eukaryota waktu terjadinya replikasi DNA sangat teratur, 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 (Cooper GM and Hausman RE, 2004).

Biosintesis DNA pada prokariot diinisiasi oleh protein (enzim) yang berikatan pada suatu daerah pada DNA yang bernama DnaA box. Terikatnya protein (dalam hal ini DnaA) pada DnaA box menyebabkan daerah tersebut terpilin sehingga daerah DnaB box meleleh (ikatan hidrogen antara basa nitrogen terlepas). Daerah tersebut kemudian diisi oleh hexameric helicase (6 protein DnaB) yang nantinya membentuk garpu replikasi. Proses tersebut bergantung pada rasio ATP pada ADP karena ATP diperlukan untuk melelehkan DnaB box.

Inisiasi biosintesis DNA pada eukariot hanya terjadi pada waktu tertentu dan lebih rumit daripada prokariot. Pra-inisiasi biosintesis DNA pada eukariot dimulai dengan tidak adanya aktivitas CDK (cyclin dependent-kinase) pada sel (Dhulipala, et all, 2006). Kemudian terbentuk pre-initiatio replication complex (pre-RC) yang awalnya akan terdiri dari origin recognition complex (ORC) yang berikatan dengan origin (daerah DNA template untuk replikasi). Kemudian terdapat protein Cdc6/Cdc18 dan Cdt1 yang berguna untuk mengkoordinasi pengikatan mini chromosome maintenance (MCM).

Berikatannya MCM dengan pre-RC akan menginisiasi terjadinya replikasi. Setelah inisiasi dan aktivasi, maka DNA mengalami elongasi. Pada tahap ini terjadi baru terjadi sintesis DNA. Replikasi terjadi pada kedua cabang garpu replikasi. Replikasi terjadi dengan dua jenis strand yang menunjukkan proses yang berbeda (leading strand dan lagging strand). Hal ini terjadi karena sintesis harus terjadi dari 5’ ke 3’ (5’ dan 3’ menunjukkan atom C pada gula deoxyribosa dengan posisi relative dari helicase). Leading strand adalah cabang dari garpu replikasi dimana sintesis terjadi langsung dari 5’ ke 3’ sehingga sintesis DNA baru oleh polymerase terjadi secara langsung.

Proses replikasi diperlukan ketika sel akan membelah diri. Pada setiap sel kecuali sel gamet, pembelahan diri harus disertai dengan replikasi DNA agar semua sel turunan memiliki informasi genetik yang sama. Pada dasarnya proses replikasi memanfaatkan fakta bahwa DNA terdiri dari dua rantai dan rantai yang satu merupakan “konjugat” dari rantai pasangannya. Dengan mengetahui susunan satu rantai maka susunan rantai pasangan dapat dengan mudah dibentuk. Ada beberapa teori yang mencoba menjelaskan bagaimana proses replikasi DNA terjadi. Salah satu teori yang paling populer menyatakan bahwa pada masing-masing DNA baru yang diperoleh pada akhir proses replikasi; satu rantai tunggal merupakan rantai DNA dari rantai DNA sebelumnya, sedangkan rantai pasangannya merupakan rantai yang baru disintesis. Rantai tunggal yang diperoleh dari DNA sebelumnya tersebut bertindak sebagai “cetakan” untuk membuat  rantai pasangannya.

Replikasi DNA hanya berlangsung sekali untuk setiap sekali pembelahan sel, replikasi DNA harus terpadu dengan pembelahan sel. Replikasi DNA harus mendahului pembelahan sel agar sebelum proses pembelahan sel berlangsung, telah tersedia material genetik untuk dialihkan kepada masing- masing gen turunan.

Kemungkinan terjadinya replikasi dapat melalui tiga model, yaitu:

1. Model konservatif, yaitu dua rantai DNA lama tetap tidak berubah, berfungsi sebagai cetakan untuk dua rantai DNA baru.
2. Model semikonservatif, yaitu dua rantai DNA lama terpisah dan rantai baru disintesis dengan prinsip komplementasi pada masing-masing rantai DNA lama tersebut.
3. Model dispersif, yaitu beberapa bagian dari kedua rantai DNA lama digunakan sebagai cetakan untuk sintesis rantai DNA baru.

III.        MEKANISME REPLIKASI DNA

Proses replikasi diawali dengan pembukaan untaian ganda DNA pada titik-titik tertentu disepanjang rantai DNA. Proses pembukaan rantai DNA ini dibantu oleh enzim helikase yang dapat mengenali titik-titik tersebut dan enzim girase yang mampu membuka pilinan rantai DNA. Setelah cukup ruang terbentuk, akibat pembukaan untaian ganda ini DNA polimerase masuk dan mengikat diri pada kedua rantai DNA yang sudah terbuka secara lokal tersebut. Proses pembukaan rantai ganda tersebut berlangsung disertai dengan pergeseran DNA polimerase mengikuti arah membukanya rantai ganda. Monomer DNA ditambahkan di kedua sisi rantai yang membuka setiap kali DNA polimerase bergeser. Hal ini berlanjut sampai seluruh rantai telah benar-benar terpisah. Proses replikasi DNA merupakan proses yang rumit namun teliti. Proses sintesis rantai DNA baru memiliki suatu mekanisme yang mencegah terjadinya kesalahan pemasukan monomer yang dapat berakibat fatal. Karena mekanisme inilah kemungkinan terjadinya kesalahan sintesis amat kecil.

IV.        REPLIKASI DAN PERBAIKAN DNA

Selama replikasi DNA, pemasangan basa memungkinkan untai DNA yang ada bertindak sebagai cetakan untuk untai komplementer yang baru. Berikut adalah konsep dasar replikasi DNA:

Sebelum melakukan replikasi, molekul induk mempunyai dua untai DNA komplementer. Setiap basa dipasangkan oleh ikatan hidrogen dengan pasangan spesifiknya, A-T dan G-C (Lapenna and Giordano, 2009).

Langkah pertama replikasi adalah pemisahan kedua untai DNA.

Setiap untai yang “lama” berfungsi sebagai cetakan yang menentukan uraian nukleotida di daerah yang spesifik di sepanjang permukaan cetakan berdasarkan aturan pemasangan basa. Nukleotida baru tersebut disambung satu sama lain untuk membentuk tulang belakang gula-fosfat dari untai baru. Setiap molekul DNA sekarang terdiri dari satu untai “lama” dan satu untai “baru”.

Satu tim besar yang terdiri dari enzim dan protein lain menjadi pelaksana replikasi DNA. Replikasi dimulai di pangkal replikasi. Cabang replikasi bentuk Y terbentuk pada ujung-ujung berlawanan dari gelembung replikasi dimana kedua untai DNA berpisah. DNA polimerase mengkatalis sintesis untai-untai DNA baru, bekerja dalam arah 5’  3’. Sintesis DNA pada cabang replikasi menghasilkan leading strand yang kontinyu dan segmen-segmen pendek, diskontinyu dari lagging strand. Fragmen-fragmen ini kemudian disambung oleh DNA ligase. Sintesis DNA harus bermula pada ujung dari suatu primer yang merupakan segmen pendek RNA. Enzim mengoreksi DNA selama replikasinya dan memperbaiki kerusakan pada DNA yang ada. Pada perbaikan salah pasang, protein mengoreksi DNA yang bereplikasi dan memperbaiki kesalahan dalam pemasangan basa. Pada perbaikan eksisi, enzim perbaikan memperbaiki DNA yang dirusak agen fisis dan kimiawi.

Ujung-ujung molekul DNA linear dari kromosom-kromosom eukaryotik disebut telomer, memendek pada setiap replikasi. Enzim telomerase, terdapat di dalam sel tertentu dapat memperpanjang kembali ujung-ujung ini.

V.                REGULASI DNA

Regulasi (pengaturan ekspresi) DNA (diawali dari penemuan operon laktosa pada prokariota), perakitan teknik PCR, transformasi genetik, teknik peredaman gen (termasuk interferensi RNA), dan teknik mutasi terarah (seperti Tilling). Sejalan dengan penemuan-penemuan penting itu, perkembangan di bidang biostatistika, bioinformatika dan robotika/automasi memainkan peranan penting dalam kemajuan dan efisiensi kerja bidang ini.

Regulasi pada prokariot

Regulasi   ekspresi   gen   banyak   dimengerti   melalui   mekanisme   yang dipelajari  pada  bakteri.  Sistem  regulasi  yang  pertama  dimengerti  ialah  system regulasi operon laktosa pada bakteri E. coli oleh Jacob dan Monod. Regulasi ini berperan dalam mengatur produksi enzim β−galaktosidase, ketika bakteri harus memilih menggunakan laktosa atau glukosa sebagai sumber karbonnya (Xiao, et all, 2003).

Berikut ini akan dijelaskan dua sistem regulasi yang paling umum dilakukan pada bakteri, yaitu sistem operon laktosa (operon lac) dan sistem operon triptopan (operon  trp).  Pada  operon  lac  ekspresi  gen  diatur  pada  tingkat  promotor,  yaitu mengatur   kontak   antara   promotor   dengan   enzim   transkriptase   (pengendali transkripsi). Pada operon trp ekspresi diatur dengan cara menghentikan transkripsi bila produk trankripsi, yaitu  triptofan, sudah mencapai kuantitas yang dibutuhkan.

1. Sistem Regulasi Operon laktosa

Laktosa adalah gula bisakarida, yaitu gula yang tersusun atas dua molekul gula  sederhana,  yaitu  glukosa  dan  galaktosa.  Laktosa  dapat  diuraikan  menjadi glukosa dan galaktosa dengan bantuan enzim β−galaktosidase.

Bakteri E. coli dalam hidupnya dapat memanfaatkan baik laktosa maupun glukosa   tergantung   gula   mana   yang   tersedia   dilingkungan.   Bakteri   E.   coli mempunyai kemampuan mensisntesis β−galaktosidase sehingga bila laktosa yang dimanfaatkan   sebagai   sumber   karbon   maka   bakteri   tersebut   akan   mampu mengubah laktosa menjadi glukosa dan galaktosa. Namun bila tersedia laktosa dan glukosa  maka  bakteri  akan  memilih  glukosa  sebagai  sumber  karbon,  karena glukosa    merupakan    gula    yang    lebih    langsung    dimanfaat    dalam    proses metabolisme.

Kemampuan  bakteri  untuk  memilih  laktosa  dan  glukosa  sebagai  sumber karbon  telah  memunculkan  pertanyaan  apakah  bakteri  akan  tetap  mensintesis β−galaktosidase seandainya glukosa yang jadi pilihan. Jawabannya ialah bahwa bakteri mampu   mengatur ekspresi gen penyandi β−galaktosidase sesuai dengan pilihan sumber karbon yaitu laktosa atau glukosa.

Kehadiran laktosa pada media tumbuh akan mendorong terjadinya ekspresi operon  laktosa  atau  terjadi  sintesis  β−galaktosidase.  Berarti  kehadiran  laktosa harus mampu melepaskan protein regulator dari promotor agar terjadi ekspresi gen lac-Z,  untuk  menghasilkan  β−galaktosidase.  Dalam  sistem  regulasi  ini  laktosa  yang diambil oleh bakteri dapat berinteraksi dengan protein regulator dan asosiasi yang    akan    mengubah    konfigurasi    molekul    protein    regulator.    Perubahan konfigurasi  pada  protein  represor  menyebabkan  protein  tersebut  menjadi  tidak mampu berasosiasi dengan operator. Dengan tidak adanya inhibitor pada promotor maka transkriptase menjadi tidak terhalang untuk melakukan inisiasi transkripsi, dan terjadi ekspresi gen-gen pada operon laktosa.

2. Sistem Regulasi Operon trp

Pada operon trp terdapat lima gen struktural yaitu trp-E, trp-D. trp-C, trp-B, dan trp-A, dan satu gen pengawal yaitu trp-L yang berfungsi dalam regulasi. Gen trp-E sampai trp-A keseluruhannya menyandikan enzim yang berperan dalam satu lintasan  metabolisme  triptofan.  Trp-L  merupakan  gen  yang  paling  dekat  pada promotor. Regulasi  ekspresi  operon  trp  berbeda  dengan  regulasi  operon  lac;  pada operon lac regulasi  dilakukan  pada  tingkat  inisiasi atau pada tingkat promotor, sedangkan regulasi operon trp berlangsung pada tingkat RNA hasil transkripsi. Pada  operon  trp  satu  gen  pengawal  (trp-L)  yang  terletak  tepat  di  belakang promotor,  berfungsi  sebagai  regulator.  Inisiasi  transkripsi,  pada  promotor,  akan berjalan tanpa hambatan dan transkriptase masuk ke ruas trp-L. Regulasi berlangsung pada saat enzim transkriptase berada pada ruas trp-L, yang akan menentukan apakah transkripsi akan berhenti pada trp-L atau dilanjutkan ke ruas gen yang ada di belakangnya (trp-E sampai trp-A).

Regulasi pada eukariot bersel ganda

Bagian terbesar dari eukariot adalah mahluk bersel banyak. Regulasi ekspresi gen  berjalan  pada  berbagai  tingkatan,  mulai  dari  tingkat  gen  sampai  tingkat jaringan. Regulasi ini berjalan sehubungan dengan proses diferensiasi sel, dalam rangka pembentukan berbagai jaringan dan organ, dan juga berjalan karena ada kebutuhan tertentu, yang berhubungan dengan siklus biologi.

BAB III

PENUTUP

DNA heliks ganda tereplikasi menjadi 2 DNA heliks ganda, di mana ke-2 DNA heliks ganda mewarisi masing-masing 1 pita DNA induk. Oleh karena itu tipe replikasi DNA adalah semikonservatif. Replikasi DNA dimulai dari tempat yang disebut awal replikasi (origin of replication).

Replikasi DNA dimulai dengan terbukanya pita DNA heliks ganda di daerah awal replikasi. Dengan terputusnya ikatan antarbasa, maka enzim DNA polimerase dapat bekerja menyintesis pasangan basa baru. Dengan demikian, masing-masing pita DNA berperan sebagai cetakan (template) bagi DNA anakan. Replikasi DNA bergerak 2 arah (biodireksi) dengan enzim DNA polimerase berbeda untuk masing-masing arah. Replikasi berakhir ketika kedua enzim DNA polimerase bertemu (sekitar 180° dari awal replikasi).  Masing-masing DNA polimerase menyintesis 2 pita DNA anakan dengan cetakan 2 pita induknya. Karena DNA polimerase bergerak satu arah (dari 3’ ke 5’ DNA induk atau 5’ ke 3’ DNA anakan), maka terjadi 2 tipe sintesis pita DNA anakan yaitu pita menerus (leading strand) dan pita sendat (lagging strand). Pita menerus adalah pita DNA anakan yang dicetak tanpa putus. Pita sendat adalah pita DNA anakan yang dicetak terputus-putus. Urutan replikasi DNA adalah pemisahan 2 pita DNA induk, sintesis RNA primer, sintesis DNA anakan, pengantian RNA primer dengan DNA, dan penyambungan pita DNA anakan (menjadi pita sirkuler).

DAFTAR PUSTAKA

Baumforth and Crocker. 2003. Molecular and Immunological Aspects of Cell Proliferation, in Molecular Biology in Cellular Pathology. Wiley.

            (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/0470867949.ch6/summary)

Cooper GM and Hausman RE. 2004. The Cell: A Molecular Approach, Fifth Edition, ASM Press and Sinauer Associates, Inc.

Dhulipala, V.C., Welshons, W.V., and Reddy, C.S., 2006. Cell Cycle Proteins in Normal and Chemically Induced Abnormal Secondary Palate Development: a Review, Human Exp. Toxicol. 25: 675-682.

Lapenna, S., and Giordano, A. 2009. Cell Cycle Kinases as Therapeutic Targets for Cancer, Nat. Rev. Drug Discov. 8(7): 547-566.

Xiao, Z., Chen, Z., Gunasekera, A.H., Sowin, T.J., Rosenberg, S.H., Fesik, S., and Zhang, H. 2003. Chk1 Mediates S and G2 Arrest Through Cdc25A Degradation in Response to DNA-Damaging Agents, J. Biol. Chem. 278(24): 21767-21773.