Dalam biologi molekuler, replikasi DNA adalah proses biologis menghasilkan dua replika DNA identik dari satu molekul DNA asli. Proses ini terjadi di semua organisme hidup dan merupakan dasar untuk pewarisan biologis. Sel memiliki sifat pembelahan yang berbeda, yang membuat replikasi DNA penting.
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).
DNA terdiri dari helix ganda dari dua untaian komplementer. Selama replikasi, untaian ini dipisahkan. Setiap untai dari molekul DNA asli kemudian berfungsi sebagai template untuk produksi mitranya, sebuah proses yang disebut sebagai replikasi semikonservatif. Sebagai hasil dari replikasi semi-konservatif, heliks baru akan terdiri dari untaian DNA asli serta untaian baru disintesis. Mekanisme proofreading dan pengecekan kesalahan seluler memastikan kesetiaan yang mendekati sempurna untuk replikasi DNA.
Dalam sel, replikasi DNA dimulai pada lokasi tertentu, atau asal-usul replikasi, dalam genom. Unwinding DNA pada asal dan sintesis untaian baru, diakomodasi oleh enzim yang dikenal sebagai helicase, menghasilkan replikasi garpu yang tumbuh secara bi-directional dari asalnya. Sejumlah protein dikaitkan dengan garpu replikasi untuk membantu dalam inisiasi dan melanjutkan sintesis DNA. Paling menonjol, DNA polimerase mensintesis untaian baru dengan menambahkan nukleotida yang melengkapi setiap untaian (template). Replikasi DNA terjadi selama S-tahap interfase.
Replikasi DNA (amplifikasi DNA) juga dapat dilakukan secara in vitro (artifisial, di luar sel). DNA polimerase yang diisolasi dari sel dan primer DNA buatan dapat digunakan untuk memulai sintesis DNA pada sekuens yang diketahui dalam molekul DNA template. Polymerase chain reaction (PCR), reaksi berantai ligase (LCR), dan amplifikasi termedias transkripsi (TMA) adalah contoh.
Struktur DNA
DNA ada sebagai struktur untai ganda, dengan kedua helai digulung bersama-sama untuk membentuk karakteristik double-helix. Setiap untai DNA tunggal adalah rantai dari empat jenis nukleotida. Nukleotida dalam DNA mengandung gula deoksiribosa, fosfat, dan nukleobase. Empat jenis nukleotida sesuai dengan empat nukleobase adenin, sitosin, guanin, dan timin, biasa disingkat A, C, G dan T. Adenin dan guanin adalah basa purin, sedangkan sitosin dan timin adalah pirimidin. Nukleotida ini membentuk ikatan fosfodiester, menciptakan tulang punggung fosfat-deoksiribosa dari heliks ganda DNA dengan nukleobase yang mengarah ke dalam (yaitu, menuju untai yang berlawanan). Nukleobase dicocokkan antara untaian melalui ikatan hidrogen untuk membentuk pasangan basa. Adenin berpasangan dengan timin (dua ikatan hidrogen), dan pasangan guanin dengan sitosin (tiga ikatan hidrogen).
Untaian DNA memiliki arah, dan ujung yang berbeda dari untai tunggal disebut “3 ‘(tiga-prime) akhir” dan “5’ (lima prime) akhir”. Sesuai dengan konvensi, jika urutan basa dari satu untai DNA diberikan, ujung kiri urutan adalah ujung 5 ‘, sedangkan ujung kanan urutan adalah ujung 3’. Helai helix ganda anti-sejajar dengan satu menjadi 5 ‘hingga 3’, dan untaian berlawanan 3 ‘hingga 5’. Istilah-istilah ini mengacu pada atom karbon di dalam deoksiribosa yang digantikan oleh fosfat berikutnya di rantai. Directionality memiliki konsekuensi dalam sintesis DNA, karena DNA polymerase dapat mensintesis DNA hanya dalam satu arah dengan menambahkan nukleotida ke ujung 3 ‘untai DNA.
Pasangan basa komplementer dalam DNA (melalui ikatan hidrogen) berarti bahwa informasi yang terkandung dalam setiap helai tidak berguna. Obligasi fosfoodiester (intra-strand) lebih kuat dari ikatan hidrogen (antar untai). Ini memungkinkan untaian untuk dipisahkan satu sama lain. Nukleotida pada untai tunggal dapat digunakan untuk merekonstruksi nukleotida pada untai pasangan yang baru disintesis.
Proses replikasi DNA
Proses replikasi yang merupakan proses penggandaan rantai ganda DNA dengan beberapa tahapan,yakni:
Denaturasi
Terjadi pada bagian ORIA, yang ditandai dengan pemisahan untaian DNA membentuk garpu replikasi (replication fork). Garpu replikasi akan membuka bertahap dimulai dari titik awal replikasi (ORI) dan bergerak sepanjang DNA cetakan sampai semua molekul DNA induk direplikasi. Denaturasi awal terjadi pada bagian DNA yang disebut sebagai ORI. Pemisahan untaian DNA/ ikatan hidrogen ini dilakukan oleh enzim DNA helikase yang memenuhi aturan downstream, yaitu dari arah 3’ ke 5’ DNA awal. Selain DNA helikase , terdapat enzim DNA girase yang dapat memutus ikatan hidrogen. Terpisahnya untaian ganda DNA 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.
Inisiasi / pengawalan sintesis DNA
Adalah proses permulaan sintesis untaian DNA yang sebelumnya didahului oelh sintesis molekul primer. Pada replikasi diperlukan adanya primer yang berupa molekul DNA, RNA atau protein spesifik ,sehingga diperlukan sintesis primer yang diperantarai oleh enzim DNA primase.
Elongation / Pemanjangan DNA
Adalah pemanjangan untaian DNA yang baru, yang dapat berlangsung ke dua arah yang berlawanan (bidirectional replication). Sintesis untai anak pada arah 5’–> 3’ dan 3’–> 5’ memiliki perbedaan laju pertumbuhan. Pembentukan salinan DNA baru ini diperantarai DNA Polimerase III dari titik promoter (awal) ke titik terminator (akhir), memenuhi aturan downstream :
Pertama, Arah 5’ –>3’ (searah dengan pembukaan garpu replikasi) merupakan untai cepat atau untai yang disintesis secara kontinyu atau untai utama (DNA awal/ leading strand). Pada arah 5’–>3’ untai anak langsung ditambahkan ke polinukleotida sehingga proses pertumbuhan rantai berlangsung cepat. Sintesis leading strand dimulai dengan melekatnya suatu RNA primer pada template. Kemudian pemasangan basa yang dikatalis oleh enzim polimerase. Dikenal terdapat 3 enzim polimerase pada prokariot, yakni enzim polimerase I, polimerase II, dan polimerase III. Yang berperan untuk pemasangan basa basa pada proses elongasi adalah enzim polimerase III. Proses pemanjangan rantai terus berlangsung sampai ditemukan terminus dan replikasi berhenti. Frekuensi kesalahan baca pada pemasangan basa dalam E.coli ditemukan sebesar satu pasangan basa tiap satu miliar (109) pasangan basa atau sekitar satu kesalahan per 1.000 sel per generasi. Kecilnya frekuensi kesalahan ini karena adanya mekanisme “proof reading” oleh enzim DNA polimerase III ( dan enzim DNA polimerase I).
Kedua, Arah 3’–> 5’ merupakan untai lambat atau untai yang disintesis secara pendek-pendek/ diskontinyu, seutas demi seutas (lagging strand). Pada arah 3’–>5’ ,untai anak tidak langsung ditambahkan ke polinukleotida sehingga proses pertumbuhan rantai akan berlangsung lebih lambat. Rantai yang dihasilkan membentuk fragmen yang terputus putus disebut fragmen Okazaki. Fragmen ini diperbaiki oleh enzim Ligase agar DNA baru dapat terbentuk seperti normal.
Ketiga, Ligasi Fragmen DNA, dan Keempatnya ialah terminasi sintesis DNA
Tujuan Replikasi DNA
Sel-sel tubuh yang telah tua akan rusak dan akhirnya mati, tubuh seorang anak kecil akan berkembang seiring bertambahnya umur. Itu adalah beberapa sebab tubuh selalu membentuk sel-sel baru dari sel yang telah ada. Tubuh menambah jumlah sel baru dengan melakukan pembelahan sel. Tujuan utama pembelahan sel adalah untuk mengganti sel yang telah rusak ataupun untuk pertumbuhan tubuh. Sel-sel tubuh membutuhkan nutrisi yang lengkap agar pembelahan dapat terjadi. Pembelahan sel tubuh akan menghasilkan 2 sel anak dari 1 sel induk. Semua DNA yang ada di dalam sel yang akan membelah, terlebih dahulu akan digandakan melalui peristiwa replikasi DNA.
Sel induk perlu menggandakan DNA untuk diberikan pada sel anak yang baru dibentuk. Nantinya masing-masing sel anak akan memiliki kopian DNA yang sama persis dengan yang dimiliki sel induknya. DNA di dalam sel menyimpan segala informasi genetik yang dibutuhkan sel untuk hidup dan melakukan fungsinya. Jadi tujuan replikasi DNA adalah : menyediakan kopian DNA yang akan diberikan pada sel-sel baru hasil pembelahan.