REPLIKASI, TRANSKRIPSI DAN TRANSLASI (SINTESIS PROTEIN)

REPLIKASI, TRANSKRIPSI DAN TRANSLASI (SINTESIS PROTEIN)

Pengertian DNA

DNA, Deoxyribose Nucleic Acid adalah asam nukleotida, biasanya dalam bentuk heliks ganda yang mengandung instruksi genetik yang menentukan perkembangan biologis dari seluruh bentuk kehidupan sel. DNA berbentuk polimer panjang nukleotida, mengkode barisan residu asam amino dalam protein dengan menggunakan kode genetik, sebuah kode nukleotida triplet. 

DNA seringkali dirujuk sebagai molekul hereditas karena ia bertanggung jawab untuk penurunan sifat genetika dari kebanyakan ciri yang diwariskan. Pada manusia, ciri-ciri ini misalnya dari warna rambut hingga kerentanan terhadap penyakit. Selama pembelahan sel, DNA direplikasi dan dapat diteruskan ke keturunan selama reproduksi. 

DNA bukanlah suatu molekul tunggal, nampaknya ia adalah sepasang molekul yang digandeng oleh ikatan hidrogen: DNA tersusun sebagai untai komplementer dengan ikatan hidrogen di antara mereka. Masing-masing untai DNA adalah rantai kimia ?batu bata penyusun, yakni nukleotida, yang terdiri dari empat tipe: Adenine (A), Cytosine (C), Guanine (G) dan Thymine (T). DNA mengandung informasi genetika yang diwariskan oleh keturunan dari suatu organisme; informasi ini ditentukan oleh barisan pasangan basa. Sebuah untai DNA mengandung gen, sebagai ?cetak biru? organisme. DNA membuat genom organisme.

Struktur DNA 

DNA adalah polimer, lebih tepatnya, suatu himpunan dua polimer yang terbelit. Tiap-tiap monomer yang menyusun polimer ini adalah nukleotida yang terdiri dari tiga elemen: fosfat, gula dan basa. Gula dan fosfat dari seluruh nukleotida seluruhnya sama, tetapi nukleotida dapat dibedakan dengan meninjau komponen basanya menjadi empat tipe, termasuk dua kategori, purin: Adenine (A) dan Guanine (G) yang memiliki dua siklus organik dan pirimidin: Cytosine (C) dan Thymine (T), yang memiliki satu siklus organik. Satu pengamatan penting yang menuntun Watson dan Crick ke penemuan terkenal dari struktur heliks ganda DNA adalah, basa cenderung berpasangan melalui ikatan hidrogen, dan pasangan yang terbentuk oleh purin dan pirimidin memiliki ukuran yang hampir sama, sehingga pasangan-pasangan demikian membentuk struktur dua rantai nukleotida berikatan hidrogen yang sangat teratur. Untuk memahami mengapa dua rantai nukleotida terkait membentuk heliks ganda, maka harus ditinjau interaksi antara grup penyusun nukleotida.

Gambar Struktur DNA

(Sumber : http://biosman1sbw.wordpress.com/2010/08/30/struktur-dna/)

Terdapat dua kelas interaksi dasar yang menstabilkan struktur heliks ganda : 

• Ikatan hidrogen antara basa-basa komplementer; 
• Interaksi tumpukan (stacking interaction) dari plateu pasangan basa. Barisan pasangan basa dalam DNA mengkode informasi untuk mensintesa protein, adalah polimer yang terdiri dari 20 asam amino berbeda. Dalam kaitan dengan gen, DNA mengandung daerah tak terkode yang peranannya belum sepenuhnya dipahami. Selama replikasi DNA, yang terjadi selama pembelahan sel, misalnya, molekul dikopi dengan cara membukanya seperti ritsleting. Transkripsi DNA adalah pembacaan gen tunggal untuk mensintesa protein.

Model DNA 

DNA adalah entitas yang sangat dinamis dan srtukturnya tidak beku. Pernapasan (breathing), DNA terkandung dalam pembukaan temporer pasangan-pasangan basa [2]. Dalam pemodelan gerak fungsional DNA, dianalogikan dengan gerak mekanis. Terdapat banyak variasi model yang mendeskripsikan gerak DNA: kontinyu dan diskrit, spiral dan tak spiral, gerak tiruan dari setiap atau hampir setiap atom, model homogen dan model-model yang memasukkan keberadaan barisan basa. 

Gambar Model DNA

(Sumber : http://www.nimble2.com/dna.gif).

Model batang elastis dicirikan oleh tiga tipe gerak internal: gerak longitudinal, gerak rotasi atau berpilin, dan gerak transversal. Model DNA tingkat kedua memasukkan perhitungan bahwa molekul DNA terdiri dari dua rantai polinukleotida, dapat dimodelkan dengan dua batang elastis yang berinteraksi lemah di antara mereka serta tergulung ke dalam spiral ganda. Analogi diskrit dari model demikian mewakili dua rantai dari cakram yang terkait oleh pegas longitudinal dan transversal serta kekakuan pegas longitudinal yang jauh lebih kuat ketimbang pegas transversal.

Model DNA tingkat ketiga memperhitungkan tiap-tiap rantai terdiri dari tiga subunit: gula, fosfat dan basa. Model DNA tingkat keempat diwakili oleh model kisi DNA dan mendeskripsikan gerak atom yang menyusun sel kisi. Solusi tipe model DNA tingkat keempat ini dapat diselesaikan dengan aproksimasi (harmonik) linier. Model DNA tingkat kelima mensimulasi struktur dan gerak DNA dengan akurasi maksimum dalam model dinamika molekuler. 

Untuk mendeskripsikan gerak internal DNA, digunakan model aproksimasi berbeda. Model yang paling sederhana dari DNA, katakanlah, model batang elastis dan versi diskritnya. Untuk mendeskripsikan dinamika internal dari batang elastis, cukup dengan menuliskan tiga pasang persamaan diferensial: satu persamaan untuk gerak longitudinal, satu persamaan untuk gerak puntiran (torsional) dan satu persamaan untuk gerak transversal. Untuk mendeskripsikan versi diskrit diperlukan 3N persamaan. 

Model yang lebih kompleks, dengan meninjau molekul DNA yang terdiri dari dua rantai polinukleotida. Model pertama terdiri dari dua batang elastis yang secara lemah berinteraksi dan melilit satu sama lain untuk menghasilkan heliks ganda. Model kedua adalah versi diskritnya. Untuk mendeskripsikan model yang terdiri dari dua batang elastis yang berinteraksi lemah (dengan mengabaikan helisitas struktur DNA), diperlukan enam persamaan diferensial tergandeng: dua persamaan untuk gerak longitudinal, dua persamaan untuk gerak torsional dan dua persamaan untuk gerak transversal dalam kedua batang. Deskripsi model untuk versi diskritnya terdiri dari 6N persamaan tergandeng

Model berikutnya dengan memasukkan dalam perhitungan bahwa masing-masing rantai polinukleotida terdiri dari tiga tipe grup atom (basa, gula dan fosfat). Dalam model-model DNA tersebut di atas, grup berbeda ditunjukkan dengan bentuk geometri yang berbeda, dan untuk penyederhanaan helisitas struktur DNA diabaikan. 

Pembentukan keadaan terbuka DNA dihubungkan dengan deviasi sudut basa dari keadaan kesetimbangan. Proses ini dideskripsikan dengan menggunakan formalisme Hamiltonian. 

Dalam skema penguraian DNA, dua rantai gula-fosfat digambarkan oleh dua garis panjang, sementara basa ditandai dengan banyak garis pendek. Kusutan (kink) berhubungan dengan daerah lokal dengan pasangan basa yang terbuka. Solusi tipe kink mendeskripsikan deformasi lokal (pembukaan pasangan-pasangan basa) bergerak sepanjang molekul DNA. 

Sintesis Protein 

Replikasi

• Replikasi : proses perbanyakan bahan genetik (genom : DNA dan RNA)
• Proses yg mengawali pertumbuhan sel
• Replikasi akan diikuti oleh pembentukan sel-sel anakan yg membawa duplikat bhn genetik hasil replikasi.
• Komposisi bahan genetik sel anakan sangat identik dengan komposisi genetik sel induk. Fungsi replikasi ini merupakan fungsi genotipik.
• Kesalahan dlm replikasi bhn genetik dpt mengakibatkan perubahan pd sifat sel-sel anakan
• Perbedaan struktural molekul bahan genetik (DNA) menyebabkan perbedaan mekanisme replikasi pada prokariot dan eukariot
• Replikasi pd prokariot dimulai dari satu situs awal replikasi (ORI) dan berlangsung ke dua arah menuju daerah terminasi Replikasi pd eukariot dimulai dari banyak ORI, bergerak ke dua arah 

Gambar Replikasi DNA

(Sumber : http://www.forumsains.com/biologi/bagaimana-dna-mengatur-sifat/)

Ada 3 hipotesis mengenai replikasi DNA yaitu semikonservatif, konservatif dan dispersif

1. Hipotesis semikonservatif : setiap molekul untai ganda DNA anakan terdiri atas satu untai-tunggal DNA induk dan satu untai tunggal DNA hasil sintesis baru.
2. Konservatif : DNA untai ganda induk tetap bergabung sedangkan kedua untaian DNA anakan terdiri atas molekul hasil sintesis baru.
3. Dispersif : molekul DNA induk mengalami fragmentasi sehingga DNA anakan terdiri atas campuran molekul lama (induk) dan molekul hasil sintesis baru

(Sumber : http://dc383.4shared.com/doc/xpuHcay6/preview.html)

Diantara ketiga cara replikasi DNA yang diusulkan tersebut, hanya cara semikonservatif yang dapat dibuktikan kebenarannya melalui percobaan yang dikenal dengan nama sentrifugasi seimbang dalam tingkat kerapatan atau equilibrium density-gradient centrifugation.

Model replikasi semikonservatif memberikan gambaran bahwa untaian DNA induk berperan sbg cetakan (template) bagi pembentukan untaian DNA baru . Dengan demikian, salah satu bagian yg sangat penting dlm proses replikasi DNA adalah denaturasi awal untaian DNA yg mrpk proses enzimatis. Denaturasi awal terjadi pd bagian DNA yg disebut ORI. Untaian DNA membuka membentuk struktur yg disebut garpu replikasi (replication fork).

Garpu replikasi akan bergerak sehingga molekul DNA induk membuka secara bertahap . Masing-masing untaian DNA yang sudah terpisah, berfungsi sebagai cetakan untuk penempelan nukleotida-nukleotida yg akan menyusun molekul DNA baru. Sekuens basa nitrogen DNA baru sesuai dengan sekuens basa cetakan DNA komplementernya.

Replikasi DNA berlangsung dlm tahapan : 1) denaturasi (pemisahan) untaian DNA induk; 2). peng”awal”an (inisiasi) sintesis DNA; 3). Pemanjangan untaian DNA; 4). Ligasi fragmen DNA; 5) peng”akhir”an (terminasi) sintesis DNA.

Sintesis untaian DNA yg baru akan dimulai segera setelah ke dua untaian DNA induk terpisah membentuk garpu replikasi. 

• Pemisahan dilakukan oleh enzim DNA helikase. 
• Kedua untaian DNA induk menjadi cetakan dlm orientasi 5’-P ke arah 3’-OH 
• Jadi, ada dua untaian DNA cetakan yg orientasinya berlawanan 
• Garpu replikasi akan membuka secara bertahap 
• Sintesis untaian DNA baru yang searah dg pembukaan garpu replikasi akan dpt dilakukan dilakukan tanpa terputus (kontinyu) : untaian DNA awal (leading strand) 
• Sebaliknya, tahap demi tahap (diskontinyu) : untaian DNA lambat (lagging strand) 
• Mekanisme replikasi DNA berlangsung secara semidiskontinyu karena ada perbedaan mekanisme dlm proses sintesis kedua untaian DNA 
• Fragmen-fragmen DNA hasil replikasi diskontinyu (fragmen Okazaki) akan disambung (ligasi) dengan enzim DNA ligase 

Polimerisasi DNA hanya dpt dimulai jika tersedia molekul primer : molekul yg digunakan untuk mengawali proses polimerisasi untai DNA 

• Primer : molekul DNA, RNA atau protein spesifik 
• Pada transkripsi : tidak diperlukan primer. 
• Dlm replikasi DNA in vivo, primer berupa molekul RNA berukuran 10-12 nukleotida 
• In vitro, misal pada Polymerase Chain Reaction (PCR) : diperlukan DNA sebagai molekul primer 
• Fungsi primer : menyediakan ujung 3’-OH yg akan digunakan untuk menempelkan molekul DNA pertama dlm proses polimerisasi 
• Sintesis RNA primer dilakukan oleh kompleks protein yg disebut primosom (primase+bbrp protein lain) 
• Diperlukan lebih dari 1 primer untuk proses sintesis pada untaian DNA lambat (lagging strand) 
• Pd. prokariot, polimerisasi dikatalisis DNA polimerase III 
• Dissosiasi enzim ini dari DNA cetakan terjadi saat bertemu dengan ujung 5’-P RNA primer yg menempel pd bagian lain 

RNA primer pd fragmen Okazaki, didegradasi oleh aktivitas eksonuklease yg ada pd enzim DNA polimerase I. 

(Sumber : http://biologigonz.blogspot.com/2009/11/sintesa-protein-2.html)

• Bagian RNA yg terdegradasi, diisi oleh molekul DNA, meskipun antar fragmen masih ada celah (takik = nick) 
• Celah terbentuk karena belum ada ikatan fosfodiester antara ujung 3’-OH pd nukleotida terakhir yg disintesis oleh DNA polimerase I dengan ujung 5’-P fragmen DNA yg ada didekatnya 
• Takik ini akan disambung oleh DNA ligase dengan menggunakan NAD atau ATP sebagai sumber energi 
• Pada untai DNA awal (leading strand) : hanya diperlukan satu molekul primer pd titik awal replikasi 
• Untaian DNA baru disintesis dengan aktivitas DNA polimerase III secara kontinyu. 
• Replikasi dapat berlangsung ke dua arah yg berlawanan : replikasi dua arah (bidirectional replication) 
• Replikasi 2 arah terjadi pada prokariot maupun eukariot 
• Replikasi pada plasmid colE1 : satu arah 
• Proses pemisahan untaian DNA dilakukan oleh enzim DNA helikase 
• Selain helikase, enzim lain yg berperan dlm pemisahan untaian DNA adalah enzim DNA girase.
• DNA girase adalah salah satu enzim topoisomerase : suatu enzim yg dpt mengubah topologi molekul DNA yakni dengan memutus ikatan hidrogen 
• Protein SSb menjaga agar bagian DNA yg sudah terpisah tidak berikatan lagi sehingga dpt digunakan sebagai cetakan 
• Protein ini mempunyai sifat kooperatif, artinya pengikatan satu molekul protein pd untai tunggal DNA akan meningkatkan kekuatan ikat (affinity) molekul yg lain beberapa ribu kali.

Transkripsi 

Transkripsi : proses penyalinan kode-kode genetik yang ada pada urutan DNA menjadi molekul RNA. Merupakan proses yan mengawali ekspresi sifat-sifat genetik yang nantinya muncul sebagai fenotip. RNA: selalu “single stranded” . Pada proses transkripsi hanya 1 untai DNA yang disalin DNA  ®  RNA. Sintesis RNA : 5’  ®  3’.

Gambar Transkripsi DNA

(Sumber : http://oblktirupifabiounsoed.wordpress.com/2009/03/29/gambaran-umum-materi-olimpiade-biologi/c7177btrans cription/)

Inisiasi Transkripsi 

Pembentukan kompleks promoter tertutup. Pembentukan kompleks promoter terbuka. Penggabungan beberapa nukleotida awal (sekitar 10 nukeotida). Perubahan konformasi RNA polimerase karena subunit/faktor σ dilepaskan dari kompleks holoenzim.

• Mekanisme transkripsi pada eukariot pada dasarnya menyerupai mekanisme pada prokariot 
• Proses transkripsi diawali (diinisiasi) oleh proses penempelan faktor-faktor transkripsi dan kompleks enzim RNA polimerase pd daerah promoter 
• Berbeda dg prokariot, RNA polimerase eukariot tidak menempel secara langsung pada DNA di daerah promoter, melainkan melalui perantaraan protein-protein lain, yg disebut faktor transkripsi (transcription factor = TF) .
• TF dibedakan 2, yaitu : 1) TF umum dan 2) TF yg khusus untuk suatu gen n TF umum dlm mengarahkan RNA polimerase II ke promoter adalah TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, TFIIH, TFIIJ

Produk Transkripsi 

mRNA (messenger RNA) : salinan kode genetik pada DNA’ yang pada proses translasi akan diterjemahkan menjadi urutan asam amino yang menyusun suatu polipeptida atau protein tertentu. tRNA (transfer RNA) : berperanan membawa asam amino spesifik yang akan digabung pada proses translasi (sintesis protein). rRNA (ribosomal RNA) : digunakan untuk menyusun ribosom sebagai tempat sintesis protein . 

Faktor transkripsi 

• Diperlukan untuk sintesis semua mRNA 
• Mengenali urutan promoter basal spesifik 
• Menentukan situs inisiasi transkripsi 
• Menginstruksikan RNA polimerase II ke tempat tersebut 
• Bersama-sama dengan RNA polimerase dan promoter basal membentuk Kompleks inisiasi Transkripsi 
• Pada prokariot, proses transkripsi dan translasi berlangsung hampir secara serentak, artinya sebelum transkripsi selesai dilakukan, translasi sudah dpt dimulai 
• Pada eukariot, transkripsi berlangsung di dlm nukleus , sedangkan translasi berlangsung di dlm sitoplasma (ribosom) 
• Dengan demikian, ada jeda waktu antara transkripsi dengan translasi, yg disebut sebagai fase pasca-transkripsi 
• Pd fase ini, terjadi proses : 1). Pemotongan dan penyambungan RNA (RNA-splicing); 2). Poliadenilasi (penambahan gugus poli-A pada ujung 3’mRNA); 3). Penambahan tudung (cap) pada ujung 5’ mRNA dan 4). Penyuntingan mRNA 

Translasi

Translasi adalah proses penerjemahan kode genetik oleh tRNA ke dalam urutan asam amino. Translasi menjadi tiga tahap (sama seperti pada transkripsi) yaitu inisiasi, elongasi, dan terminasi. Semua tahapan ini memerlukan faktor-faktor protein yang membantu mRNA, tRNA, dan ribosom selama proses translasi. Inisiasi dan elongasi rantai polipeptida juga membutuhkan sejumlah energi. Energi ini disediakan oleh GTP (guanosin triphosphat), suatu molekul yang mirip dengan ATP.

Gambar Langkah-langkahTranslasi

(Sumber : http://biology.unm.edu/ccouncil/Biology_124/Summaries/T&T.html)

Inisiasi

Tahap inisiasi terjadi karena adanya tiga komponen yaitu mRNA, sebuah tRNA yang memuat asam amino pertama dari polipeptida, dan dua sub unit ribosom.

mRNA yang keluar dari nukleus menuju sitoplasma didatangi oleh ribosom, kemudian mRNA masuk ke dalam “celah” ribosom. Ketika mRNA masuk ke ribosom, ribosom “membaca” kodon yang masuk. Pembacaan dilakukan untuk setiap 3 urutan basa hingga selesai seluruhnya. Sebagai catatan ribosom yang datang untuk mebaca kodon biasanya tidak hanya satu, melainkan beberapa ribosom yang dikenal sebagai polisom membentuk rangkaian mirip tusuk satu, di mana tusuknya adalah “mRNA” dan daging adalah “ribosomnya”. Dengan demikian, proses pembacaan kodon dapat berlangsung secara berurutan. Ketika kodon I terbaca ribosom (misal kodonnya AUG), tRNA yang membawa antikodon UAC dan asam amino metionin datang. tRNA masuk ke celah ribosom.

Ribosom di sini berfungsi untuk memudahkan perlekatan yang spesifik antara antikodon tRNA dengan kodon mRNA selama sintesis protein. Sub unit ribosom dibangun oleh protein-protein dan molekul-molekul RNA ribosomal.

Elongasi

Pada tahap elongasi dari translasi, asam amino-asam amino ditambahkan satu per satu pada asam amino pertama (metionin). Ribosom terus bergeser agar mRNA lebih masuk, guna membaca kodon II. Misalnya kodon II UCA, yang segera diterjemahkan oleh tRNA berarti kodon AGU sambil membawa asam amino serine. Di dalam ribosom, metionin yang pertama kali masuk dirangkaikan dengan serine membentuk dipeptida.

Ribosom terus bergeser, membaca kodon III. Misalkan kodon III GAG, segera diterjemahkan oleh antikodon CUC sambil membawa asam amino glisin. tRNA tersebut masuk ke ribosom. Asam amino glisin dirangkaikan dengan dipeptida yang telah terbentuk sehingga membentuk tripeptida. Demikian seterusnya proses pembacaan kode genetika itu berlangsung di dalam ribobom, yang diterjemahkan ke dalam bentuk asam amino guna dirangkai menjadi polipeptida.

Kodon mRNA pada ribosom membentuk ikatan hidrogen dengan antikodon molekul tRNA yang baru masuk yang membawa asam amino yang tepat. Molekul mRNA yang telah melepaskan asam amino akan kembali ke sitoplasma untuk mengulangi kembali pengangkutan asam amino. Molekul rRNA dari sub unit ribosom besar berfungsi sebagai enzim, yaitu mengkatalisis pembentukan ikatan peptida yang menggabungkan polipeptida yang memanjang ke asam amino yang baru tiba.

Terminasi

Tahap akhir translasi adalah terminasi. Elongasi berlanjut hingga kodon stop mencapai ribosom. Triplet basa kodon stop adalah UAA, UAG, dan UGA. Kodon stop tidak mengkode suatu asam amino melainkan bertindak sinyal untuk menghentikan translasi. Polipeptida yang dibentuk kemudian “diproses” menjadi protein.

Referensi

• Wikipedia Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Dna, 2006.
• Michel Peyrard, Nonlinear Dynamics and Statistical Physics of DNA, 2004
• Riznichenko Galina Yur?evna, Mathematical Models in Biophysics, http://www.biophysics.org/education/galina.pdf, May 22, 2006.
• Ludmila V. Yakushevich, Is DNA a Nonlinear Dynamical System where Solitary Conformational Waves are Possible?, J. Biosci., Vol.26, No.3, September 2001, 305-313, Indian Academy of Sciences.
• Korespondensi dengan Ika Nurlaila, tidak dipublikasikan. 
• Substansi Genetika,  http://desybio.wordpress.com/tag/2-translasi/.
• Translasi Genetik, Wikipedia Encyclopedia, http://id.wikipedia.org/wiki/Translasi_(genetik)

REPLIKASI, TRANSKRIPSI DAN TRANSLASI (SINTESIS PROTEIN)

Pengertian DNA

DNA, Deoxyribose Nucleic Acid adalah asam nukleotida, biasanya dalam bentuk heliks ganda yang mengandung instruksi genetik yang menentukan perkembangan biologis dari seluruh bentuk kehidupan sel. DNA berbentuk polimer panjang nukleotida, mengkode barisan residu asam amino dalam protein dengan menggunakan kode genetik, sebuah kode nukleotida triplet. 

DNA seringkali dirujuk sebagai molekul hereditas karena ia bertanggung jawab untuk penurunan sifat genetika dari kebanyakan ciri yang diwariskan. Pada manusia, ciri-ciri ini misalnya dari warna rambut hingga kerentanan terhadap penyakit. Selama pembelahan sel, DNA direplikasi dan dapat diteruskan ke keturunan selama reproduksi. 

DNA bukanlah suatu molekul tunggal, nampaknya ia adalah sepasang molekul yang digandeng oleh ikatan hidrogen: DNA tersusun sebagai untai komplementer dengan ikatan hidrogen di antara mereka. Masing-masing untai DNA adalah rantai kimia ?batu bata penyusun, yakni nukleotida, yang terdiri dari empat tipe: Adenine (A), Cytosine (C), Guanine (G) dan Thymine (T). DNA mengandung informasi genetika yang diwariskan oleh keturunan dari suatu organisme; informasi ini ditentukan oleh barisan pasangan basa. Sebuah untai DNA mengandung gen, sebagai ?cetak biru? organisme. DNA membuat genom organisme.

Struktur DNA 

DNA adalah polimer, lebih tepatnya, suatu himpunan dua polimer yang terbelit. Tiap-tiap monomer yang menyusun polimer ini adalah nukleotida yang terdiri dari tiga elemen: fosfat, gula dan basa. Gula dan fosfat dari seluruh nukleotida seluruhnya sama, tetapi nukleotida dapat dibedakan dengan meninjau komponen basanya menjadi empat tipe, termasuk dua kategori, purin: Adenine (A) dan Guanine (G) yang memiliki dua siklus organik dan pirimidin: Cytosine (C) dan Thymine (T), yang memiliki satu siklus organik. Satu pengamatan penting yang menuntun Watson dan Crick ke penemuan terkenal dari struktur heliks ganda DNA adalah, basa cenderung berpasangan melalui ikatan hidrogen, dan pasangan yang terbentuk oleh purin dan pirimidin memiliki ukuran yang hampir sama, sehingga pasangan-pasangan demikian membentuk struktur dua rantai nukleotida berikatan hidrogen yang sangat teratur. Untuk memahami mengapa dua rantai nukleotida terkait membentuk heliks ganda, maka harus ditinjau interaksi antara grup penyusun nukleotida.

Gambar Struktur DNA

(Sumber : http://biosman1sbw.wordpress.com/2010/08/30/struktur-dna/)

Terdapat dua kelas interaksi dasar yang menstabilkan struktur heliks ganda : 

• Ikatan hidrogen antara basa-basa komplementer; 
• Interaksi tumpukan (stacking interaction) dari plateu pasangan basa. Barisan pasangan basa dalam DNA mengkode informasi untuk mensintesa protein, adalah polimer yang terdiri dari 20 asam amino berbeda. Dalam kaitan dengan gen, DNA mengandung daerah tak terkode yang peranannya belum sepenuhnya dipahami. Selama replikasi DNA, yang terjadi selama pembelahan sel, misalnya, molekul dikopi dengan cara membukanya seperti ritsleting. Transkripsi DNA adalah pembacaan gen tunggal untuk mensintesa protein.

Model DNA 

DNA adalah entitas yang sangat dinamis dan srtukturnya tidak beku. Pernapasan (breathing), DNA terkandung dalam pembukaan temporer pasangan-pasangan basa [2]. Dalam pemodelan gerak fungsional DNA, dianalogikan dengan gerak mekanis. Terdapat banyak variasi model yang mendeskripsikan gerak DNA: kontinyu dan diskrit, spiral dan tak spiral, gerak tiruan dari setiap atau hampir setiap atom, model homogen dan model-model yang memasukkan keberadaan barisan basa. 

Gambar Model DNA

(Sumber : http://www.nimble2.com/dna.gif).

Model batang elastis dicirikan oleh tiga tipe gerak internal: gerak longitudinal, gerak rotasi atau berpilin, dan gerak transversal. Model DNA tingkat kedua memasukkan perhitungan bahwa molekul DNA terdiri dari dua rantai polinukleotida, dapat dimodelkan dengan dua batang elastis yang berinteraksi lemah di antara mereka serta tergulung ke dalam spiral ganda. Analogi diskrit dari model demikian mewakili dua rantai dari cakram yang terkait oleh pegas longitudinal dan transversal serta kekakuan pegas longitudinal yang jauh lebih kuat ketimbang pegas transversal.

Model DNA tingkat ketiga memperhitungkan tiap-tiap rantai terdiri dari tiga subunit: gula, fosfat dan basa. Model DNA tingkat keempat diwakili oleh model kisi DNA dan mendeskripsikan gerak atom yang menyusun sel kisi. Solusi tipe model DNA tingkat keempat ini dapat diselesaikan dengan aproksimasi (harmonik) linier. Model DNA tingkat kelima mensimulasi struktur dan gerak DNA dengan akurasi maksimum dalam model dinamika molekuler. 

Untuk mendeskripsikan gerak internal DNA, digunakan model aproksimasi berbeda. Model yang paling sederhana dari DNA, katakanlah, model batang elastis dan versi diskritnya. Untuk mendeskripsikan dinamika internal dari batang elastis, cukup dengan menuliskan tiga pasang persamaan diferensial: satu persamaan untuk gerak longitudinal, satu persamaan untuk gerak puntiran (torsional) dan satu persamaan untuk gerak transversal. Untuk mendeskripsikan versi diskrit diperlukan 3N persamaan. 

Model yang lebih kompleks, dengan meninjau molekul DNA yang terdiri dari dua rantai polinukleotida. Model pertama terdiri dari dua batang elastis yang secara lemah berinteraksi dan melilit satu sama lain untuk menghasilkan heliks ganda. Model kedua adalah versi diskritnya. Untuk mendeskripsikan model yang terdiri dari dua batang elastis yang berinteraksi lemah (dengan mengabaikan helisitas struktur DNA), diperlukan enam persamaan diferensial tergandeng: dua persamaan untuk gerak longitudinal, dua persamaan untuk gerak torsional dan dua persamaan untuk gerak transversal dalam kedua batang. Deskripsi model untuk versi diskritnya terdiri dari 6N persamaan tergandeng

Model berikutnya dengan memasukkan dalam perhitungan bahwa masing-masing rantai polinukleotida terdiri dari tiga tipe grup atom (basa, gula dan fosfat). Dalam model-model DNA tersebut di atas, grup berbeda ditunjukkan dengan bentuk geometri yang berbeda, dan untuk penyederhanaan helisitas struktur DNA diabaikan. 

Pembentukan keadaan terbuka DNA dihubungkan dengan deviasi sudut basa dari keadaan kesetimbangan. Proses ini dideskripsikan dengan menggunakan formalisme Hamiltonian. 

Dalam skema penguraian DNA, dua rantai gula-fosfat digambarkan oleh dua garis panjang, sementara basa ditandai dengan banyak garis pendek. Kusutan (kink) berhubungan dengan daerah lokal dengan pasangan basa yang terbuka. Solusi tipe kink mendeskripsikan deformasi lokal (pembukaan pasangan-pasangan basa) bergerak sepanjang molekul DNA. 

Sintesis Protein 

Replikasi

• Replikasi : proses perbanyakan bahan genetik (genom : DNA dan RNA)
• Proses yg mengawali pertumbuhan sel
• Replikasi akan diikuti oleh pembentukan sel-sel anakan yg membawa duplikat bhn genetik hasil replikasi.
• Komposisi bahan genetik sel anakan sangat identik dengan komposisi genetik sel induk. Fungsi replikasi ini merupakan fungsi genotipik.
• Kesalahan dlm replikasi bhn genetik dpt mengakibatkan perubahan pd sifat sel-sel anakan
• Perbedaan struktural molekul bahan genetik (DNA) menyebabkan perbedaan mekanisme replikasi pada prokariot dan eukariot
• Replikasi pd prokariot dimulai dari satu situs awal replikasi (ORI) dan berlangsung ke dua arah menuju daerah terminasi Replikasi pd eukariot dimulai dari banyak ORI, bergerak ke dua arah 

Gambar Replikasi DNA

(Sumber : http://www.forumsains.com/biologi/bagaimana-dna-mengatur-sifat/)

Ada 3 hipotesis mengenai replikasi DNA yaitu semikonservatif, konservatif dan dispersif

1. Hipotesis semikonservatif : setiap molekul untai ganda DNA anakan terdiri atas satu untai-tunggal DNA induk dan satu untai tunggal DNA hasil sintesis baru.
2. Konservatif : DNA untai ganda induk tetap bergabung sedangkan kedua untaian DNA anakan terdiri atas molekul hasil sintesis baru.
3. Dispersif : molekul DNA induk mengalami fragmentasi sehingga DNA anakan terdiri atas campuran molekul lama (induk) dan molekul hasil sintesis baru

(Sumber : http://dc383.4shared.com/doc/xpuHcay6/preview.html)

Diantara ketiga cara replikasi DNA yang diusulkan tersebut, hanya cara semikonservatif yang dapat dibuktikan kebenarannya melalui percobaan yang dikenal dengan nama sentrifugasi seimbang dalam tingkat kerapatan atau equilibrium density-gradient centrifugation.

Model replikasi semikonservatif memberikan gambaran bahwa untaian DNA induk berperan sbg cetakan (template) bagi pembentukan untaian DNA baru . Dengan demikian, salah satu bagian yg sangat penting dlm proses replikasi DNA adalah denaturasi awal untaian DNA yg mrpk proses enzimatis. Denaturasi awal terjadi pd bagian DNA yg disebut ORI. Untaian DNA membuka membentuk struktur yg disebut garpu replikasi (replication fork).

Garpu replikasi akan bergerak sehingga molekul DNA induk membuka secara bertahap . Masing-masing untaian DNA yang sudah terpisah, berfungsi sebagai cetakan untuk penempelan nukleotida-nukleotida yg akan menyusun molekul DNA baru. Sekuens basa nitrogen DNA baru sesuai dengan sekuens basa cetakan DNA komplementernya.

Replikasi DNA berlangsung dlm tahapan : 1) denaturasi (pemisahan) untaian DNA induk; 2). peng”awal”an (inisiasi) sintesis DNA; 3). Pemanjangan untaian DNA; 4). Ligasi fragmen DNA; 5) peng”akhir”an (terminasi) sintesis DNA.

Sintesis untaian DNA yg baru akan dimulai segera setelah ke dua untaian DNA induk terpisah membentuk garpu replikasi. 

• Pemisahan dilakukan oleh enzim DNA helikase. 
• Kedua untaian DNA induk menjadi cetakan dlm orientasi 5’-P ke arah 3’-OH 
• Jadi, ada dua untaian DNA cetakan yg orientasinya berlawanan 
• Garpu replikasi akan membuka secara bertahap 
• Sintesis untaian DNA baru yang searah dg pembukaan garpu replikasi akan dpt dilakukan dilakukan tanpa terputus (kontinyu) : untaian DNA awal (leading strand) 
• Sebaliknya, tahap demi tahap (diskontinyu) : untaian DNA lambat (lagging strand) 
• Mekanisme replikasi DNA berlangsung secara semidiskontinyu karena ada perbedaan mekanisme dlm proses sintesis kedua untaian DNA 
• Fragmen-fragmen DNA hasil replikasi diskontinyu (fragmen Okazaki) akan disambung (ligasi) dengan enzim DNA ligase 

Polimerisasi DNA hanya dpt dimulai jika tersedia molekul primer : molekul yg digunakan untuk mengawali proses polimerisasi untai DNA 

• Primer : molekul DNA, RNA atau protein spesifik 
• Pada transkripsi : tidak diperlukan primer. 
• Dlm replikasi DNA in vivo, primer berupa molekul RNA berukuran 10-12 nukleotida 
• In vitro, misal pada Polymerase Chain Reaction (PCR) : diperlukan DNA sebagai molekul primer 
• Fungsi primer : menyediakan ujung 3’-OH yg akan digunakan untuk menempelkan molekul DNA pertama dlm proses polimerisasi 
• Sintesis RNA primer dilakukan oleh kompleks protein yg disebut primosom (primase+bbrp protein lain) 
• Diperlukan lebih dari 1 primer untuk proses sintesis pada untaian DNA lambat (lagging strand) 
• Pd. prokariot, polimerisasi dikatalisis DNA polimerase III 
• Dissosiasi enzim ini dari DNA cetakan terjadi saat bertemu dengan ujung 5’-P RNA primer yg menempel pd bagian lain 

RNA primer pd fragmen Okazaki, didegradasi oleh aktivitas eksonuklease yg ada pd enzim DNA polimerase I. 

(Sumber : http://biologigonz.blogspot.com/2009/11/sintesa-protein-2.html)

• Bagian RNA yg terdegradasi, diisi oleh molekul DNA, meskipun antar fragmen masih ada celah (takik = nick) 
• Celah terbentuk karena belum ada ikatan fosfodiester antara ujung 3’-OH pd nukleotida terakhir yg disintesis oleh DNA polimerase I dengan ujung 5’-P fragmen DNA yg ada didekatnya 
• Takik ini akan disambung oleh DNA ligase dengan menggunakan NAD atau ATP sebagai sumber energi 
• Pada untai DNA awal (leading strand) : hanya diperlukan satu molekul primer pd titik awal replikasi 
• Untaian DNA baru disintesis dengan aktivitas DNA polimerase III secara kontinyu. 
• Replikasi dapat berlangsung ke dua arah yg berlawanan : replikasi dua arah (bidirectional replication) 
• Replikasi 2 arah terjadi pada prokariot maupun eukariot 
• Replikasi pada plasmid colE1 : satu arah 
• Proses pemisahan untaian DNA dilakukan oleh enzim DNA helikase 
• Selain helikase, enzim lain yg berperan dlm pemisahan untaian DNA adalah enzim DNA girase.
• DNA girase adalah salah satu enzim topoisomerase : suatu enzim yg dpt mengubah topologi molekul DNA yakni dengan memutus ikatan hidrogen 
• Protein SSb menjaga agar bagian DNA yg sudah terpisah tidak berikatan lagi sehingga dpt digunakan sebagai cetakan 
• Protein ini mempunyai sifat kooperatif, artinya pengikatan satu molekul protein pd untai tunggal DNA akan meningkatkan kekuatan ikat (affinity) molekul yg lain beberapa ribu kali.

Transkripsi 

Transkripsi : proses penyalinan kode-kode genetik yang ada pada urutan DNA menjadi molekul RNA. Merupakan proses yan mengawali ekspresi sifat-sifat genetik yang nantinya muncul sebagai fenotip. RNA: selalu “single stranded” . Pada proses transkripsi hanya 1 untai DNA yang disalin DNA  ®  RNA. Sintesis RNA : 5’  ®  3’.

Gambar Transkripsi DNA

(Sumber : http://oblktirupifabiounsoed.wordpress.com/2009/03/29/gambaran-umum-materi-olimpiade-biologi/c7177btrans cription/)

Inisiasi Transkripsi 

Pembentukan kompleks promoter tertutup. Pembentukan kompleks promoter terbuka. Penggabungan beberapa nukleotida awal (sekitar 10 nukeotida). Perubahan konformasi RNA polimerase karena subunit/faktor σ dilepaskan dari kompleks holoenzim.

• Mekanisme transkripsi pada eukariot pada dasarnya menyerupai mekanisme pada prokariot 
• Proses transkripsi diawali (diinisiasi) oleh proses penempelan faktor-faktor transkripsi dan kompleks enzim RNA polimerase pd daerah promoter 
• Berbeda dg prokariot, RNA polimerase eukariot tidak menempel secara langsung pada DNA di daerah promoter, melainkan melalui perantaraan protein-protein lain, yg disebut faktor transkripsi (transcription factor = TF) .
• TF dibedakan 2, yaitu : 1) TF umum dan 2) TF yg khusus untuk suatu gen n TF umum dlm mengarahkan RNA polimerase II ke promoter adalah TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, TFIIH, TFIIJ

Produk Transkripsi 

mRNA (messenger RNA) : salinan kode genetik pada DNA’ yang pada proses translasi akan diterjemahkan menjadi urutan asam amino yang menyusun suatu polipeptida atau protein tertentu. tRNA (transfer RNA) : berperanan membawa asam amino spesifik yang akan digabung pada proses translasi (sintesis protein). rRNA (ribosomal RNA) : digunakan untuk menyusun ribosom sebagai tempat sintesis protein . 

Faktor transkripsi 

• Diperlukan untuk sintesis semua mRNA 
• Mengenali urutan promoter basal spesifik 
• Menentukan situs inisiasi transkripsi 
• Menginstruksikan RNA polimerase II ke tempat tersebut 
• Bersama-sama dengan RNA polimerase dan promoter basal membentuk Kompleks inisiasi Transkripsi 
• Pada prokariot, proses transkripsi dan translasi berlangsung hampir secara serentak, artinya sebelum transkripsi selesai dilakukan, translasi sudah dpt dimulai 
• Pada eukariot, transkripsi berlangsung di dlm nukleus , sedangkan translasi berlangsung di dlm sitoplasma (ribosom) 
• Dengan demikian, ada jeda waktu antara transkripsi dengan translasi, yg disebut sebagai fase pasca-transkripsi 
• Pd fase ini, terjadi proses : 1). Pemotongan dan penyambungan RNA (RNA-splicing); 2). Poliadenilasi (penambahan gugus poli-A pada ujung 3’mRNA); 3). Penambahan tudung (cap) pada ujung 5’ mRNA dan 4). Penyuntingan mRNA 

Translasi

Translasi adalah proses penerjemahan kode genetik oleh tRNA ke dalam urutan asam amino. Translasi menjadi tiga tahap (sama seperti pada transkripsi) yaitu inisiasi, elongasi, dan terminasi. Semua tahapan ini memerlukan faktor-faktor protein yang membantu mRNA, tRNA, dan ribosom selama proses translasi. Inisiasi dan elongasi rantai polipeptida juga membutuhkan sejumlah energi. Energi ini disediakan oleh GTP (guanosin triphosphat), suatu molekul yang mirip dengan ATP.

Gambar Langkah-langkahTranslasi

(Sumber : http://biology.unm.edu/ccouncil/Biology_124/Summaries/T&T.html)

Inisiasi

Tahap inisiasi terjadi karena adanya tiga komponen yaitu mRNA, sebuah tRNA yang memuat asam amino pertama dari polipeptida, dan dua sub unit ribosom.

mRNA yang keluar dari nukleus menuju sitoplasma didatangi oleh ribosom, kemudian mRNA masuk ke dalam “celah” ribosom. Ketika mRNA masuk ke ribosom, ribosom “membaca” kodon yang masuk. Pembacaan dilakukan untuk setiap 3 urutan basa hingga selesai seluruhnya. Sebagai catatan ribosom yang datang untuk mebaca kodon biasanya tidak hanya satu, melainkan beberapa ribosom yang dikenal sebagai polisom membentuk rangkaian mirip tusuk satu, di mana tusuknya adalah “mRNA” dan daging adalah “ribosomnya”. Dengan demikian, proses pembacaan kodon dapat berlangsung secara berurutan. Ketika kodon I terbaca ribosom (misal kodonnya AUG), tRNA yang membawa antikodon UAC dan asam amino metionin datang. tRNA masuk ke celah ribosom.

Ribosom di sini berfungsi untuk memudahkan perlekatan yang spesifik antara antikodon tRNA dengan kodon mRNA selama sintesis protein. Sub unit ribosom dibangun oleh protein-protein dan molekul-molekul RNA ribosomal.

Elongasi

Pada tahap elongasi dari translasi, asam amino-asam amino ditambahkan satu per satu pada asam amino pertama (metionin). Ribosom terus bergeser agar mRNA lebih masuk, guna membaca kodon II. Misalnya kodon II UCA, yang segera diterjemahkan oleh tRNA berarti kodon AGU sambil membawa asam amino serine. Di dalam ribosom, metionin yang pertama kali masuk dirangkaikan dengan serine membentuk dipeptida.

Ribosom terus bergeser, membaca kodon III. Misalkan kodon III GAG, segera diterjemahkan oleh antikodon CUC sambil membawa asam amino glisin. tRNA tersebut masuk ke ribosom. Asam amino glisin dirangkaikan dengan dipeptida yang telah terbentuk sehingga membentuk tripeptida. Demikian seterusnya proses pembacaan kode genetika itu berlangsung di dalam ribobom, yang diterjemahkan ke dalam bentuk asam amino guna dirangkai menjadi polipeptida.

Kodon mRNA pada ribosom membentuk ikatan hidrogen dengan antikodon molekul tRNA yang baru masuk yang membawa asam amino yang tepat. Molekul mRNA yang telah melepaskan asam amino akan kembali ke sitoplasma untuk mengulangi kembali pengangkutan asam amino. Molekul rRNA dari sub unit ribosom besar berfungsi sebagai enzim, yaitu mengkatalisis pembentukan ikatan peptida yang menggabungkan polipeptida yang memanjang ke asam amino yang baru tiba.

Terminasi

Tahap akhir translasi adalah terminasi. Elongasi berlanjut hingga kodon stop mencapai ribosom. Triplet basa kodon stop adalah UAA, UAG, dan UGA. Kodon stop tidak mengkode suatu asam amino melainkan bertindak sinyal untuk menghentikan translasi. Polipeptida yang dibentuk kemudian “diproses” menjadi protein.

Referensi

• Wikipedia Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Dna, 2006.
• Michel Peyrard, Nonlinear Dynamics and Statistical Physics of DNA, 2004
• Riznichenko Galina Yur?evna, Mathematical Models in Biophysics, http://www.biophysics.org/education/galina.pdf, May 22, 2006.
• Ludmila V. Yakushevich, Is DNA a Nonlinear Dynamical System where Solitary Conformational Waves are Possible?, J. Biosci., Vol.26, No.3, September 2001, 305-313, Indian Academy of Sciences.
• Korespondensi dengan Ika Nurlaila, tidak dipublikasikan. 
• Substansi Genetika,  http://desybio.wordpress.com/tag/2-translasi/.
• Translasi Genetik, Wikipedia Encyclopedia, http://id.wikipedia.org/wiki/Translasi_(genetik)