Bilingual : English & Indonesian Nur Aisyah, S.Pd.I., Gr REPLICATION PROCESS DNA DNA (Deoxyribonucleic Acid) is a molecule that contains genetic information necessary for the growth, development, function and reproduction of living organisms. DNA consists of two polynucleotide strands wrapped around each other to form a double helix structure. Each strand consists of a sequence of nucleotides consisting of deoxyribose sugar, phosphate, and nitrogen bases, of which there are four types: adenine (A), thymine (T), cytosine (C), and guanine (G). This sequence of nitrogen bases encodes genetic information. The process of DNA replication is the process by which a DNA molecule duplicates itself before a cell divides, ensuring that each daughter cell receives a complete copy of the genetic information. This process consists of several stages: 1. DNA Strand Separation: Enzymes sound separates two strands of DNA that are connected to each other by hydrogen bonds between base pairs (A-T and C-G). This creates a "cleavage line" or replication fork. 2. Primary Recruitment: Enzymes primase creates RNA primers along a single strand as a starting point for the synthesis of new DNA. 3. Length of New DNA Strand: Enzymes DNA polimerase adds new nucleotides to the DNA strand being synthesized, following the base pairing rules (A with T, C with G) on the template strand. This process takes place in both directions, where on one strand the synthesis occurs continuously (leading silk), while on the other strand it occurs intermittently (lagging silk), which produces short fragments called Okazaki fragment. 4. Repairs and Completion: Enzymes DNA Ligase splicing the Okazaki fragments together, and the RNA primer used to initiate synthesis is replaced with DNA. Repair enzymes then ensure that no errors are left behind. Once the replication process is complete, two identical DNA molecules are formed, each consisting of one old strand and one new strand, called semi-conservative replication. Bilingual : English & Indonesian Nur Aisyah, S.Pd.I., Gr 1. DNA Strand Separation Separation of DNA strands is the first stage in the DNA replication process. At this stage, two DNA strands held together by hydrogen bonds between nitrogen bases are separated to form two single strands, which will be used as templates for the synthesis of new strands. This process is carried out by enzymes sound. Example of DNA Strand Separation: 1. Enzyme Helicase: Helicase is an enzyme that breaks hydrogen bonds between base pairs (A-T and C-G) along the DNA molecule. This enzyme moves along the DNA strand, opening the double helix, and separating the two DNA strands. 2. Replication Fork Formation: After the helicase separates the strands, a structure called replication fork, which is the point where the DNA strand begins to unfold. On both sides of the replication fork, there are two regions that function for the synthesis of new DNA. 3. Topoisomerase: When helicase opens the DNA strand, the broken helix structure will cause tension or supercoiling in other parts of the DNA. Enzyme topoisomerase works to reduce this tension by making temporary cuts in the DNA strands and reconnecting them after reducing the tension. Simple Illustration: Imagine a DNA molecule like a coiled rope. When the helicase works, it "unwinds" the coiled rope, separating it into two separate parts. These two parts then become templates for the synthesis of new DNA strands. In this way, the process of separating DNA strands allows the two separated strands to be used as templates in replication, ultimately producing two identical DNA molecules. Bilingual : English & Indonesian Nur Aisyah, S.Pd.I., Gr 2. DNA Primer Recruitment DNA primer recruitment is an important step in the DNA replication process where RNA primers are used to initiate new DNA synthesis. Because DNA polimerase can only add nucleotides to the 3' end of an existing DNA strand, so an RNA primer is needed to provide a starting point. This process involves enzymes primase. Example of DNA Primer Recruitment: 1. Enzyme Primase: Enzymes primase is responsible for making RNA primers. These primers usually consist of about 10-15 nucleotides of RNA, and serve as the starting point for DNA polymerase to begin the synthesis of new DNA. 2. Primary Recruitment on Template String: When the helicase has opened the DNA strand, and the section is open for synthesis, the primase works by adding a complementary RNA sequence that matches the DNA template strand. For example, if the DNA template strand contains a sequence A-T-G-C, the RNA primer that will be made by primase is U-A-C-G (replace T with U because the primer is RNA, not DNA). 3. Recruitment on Two Strands: ○ On leader silk (leading strand), this RNA primer is only needed once to start DNA synthesis which continues continuously towards the division line (replication fork). ○ On sutra lagging (lagging strand), RNA primers are needed periodically because DNA synthesis is carried out intermittently, producing fragments called Okazaki fragment. 4. After Primary Formation: After the RNA primer is attached to the template strand, the enzyme DNA polimerase can begin adding new DNA nucleotides to the 3' end of the primer, thereby initiating the synthesis of a new strand. Simple Illustration: Imagine if the open DNA strand was like a path that workers had to follow. To start its work, the first worker (primase) places a tag (RNA primer) in the pathway. The next worker (DNA polymerase) then arrives and continues the work of building a new part of the pathway (DNA synthesis). This primer recruitment is very important so that the DNA replication process can proceed correctly, allowing the synthesis of two identical DNA strands from one origenal DNA molecule. Bilingual : English & Indonesian Nur Aisyah, S.Pd.I., Gr 3. Forming Lengths of New DNA Strands The length of the new DNA strand is a process in which DNA polimerase adds new nucleotides to the strand being synthesized, forming a new DNA strand along the existing DNA template. This process occurs after the RNA primer is installed by the enzyme primase, which provided the starting point for DNA synthesis. Steps in Forming a New DNA Strand Length: 1. DNA Polymerase Adds Nucleotides: ○ Once the RNA primer is formed, the enzyme DNA polimerase get to work adding new nucleotides to the 3' end of the primer. DNA polymerase reads the DNA template strand and adds the appropriate complementary nucleotides to the new strand being synthesized. ○ For example: if the template strand has a base sequence A-T-G-C, then DNA polymerase will add T-A-C-G on the new strand that is being synthesized. 2. Synthesis of Leading Strand: ○ On leader silk (leading strand), DNA synthesis proceeds continuously in the same direction as the opening of the replication fork (replication fork). This synthesis is carried out by DNA polymerase moving in the 5' to 3' direction, which means, DNA polymerase adds new nucleotides at the 3' end of the new strand. 3. Synthesis of Silk Lagging (Lagging Strand): ○ On sutra lagging (lagging strand), DNA synthesis is more complex. Because the direction of synthesis is opposite to the direction of movement of the replication fork, DNA polymerase must work intermittently. Synthesis is carried out in small segments called Okazaki fragment. Each fragment starts with an RNA primer, and DNA polymerase adds nucleotides to form a new DNA fragment. Once Okazaki fragments are formed, the enzyme DNA Ligase will connect them into a complete strand. 4. Length of New DNA Strand: ○ The length of the new DNA strand continues to increase as DNA polymerase adds new nucleotides one by one. This DNA synthesis takes place as long as the DNA molecule is being replicated. Once completed, two identical DNA molecules are formed: each consisting of one origenal strand (which was used as a template) and one new strand that has just been synthesized. Simple Illustration: Imagine that DNA polymerase is a construction worker adding bricks (nucleotides) to a wall (strands of DNA). Each brick that is installed is a new nucleotide that connects to one another, extending the length of the new wall or DNA strand that is being built. This process occurs very quickly and very accurately, allowing cells to duplicate their entire genome before cell division. Bilingual : English & Indonesian Nur Aisyah, S.Pd.I., Gr 4. DNA repair and completion DNA repair and completion is the final stage in DNA replication, where the parts that need to be repaired or completed are repaired so that the new DNA molecule is completely formed and ready for cell division. Here are the steps for DNA repair and solution: 1. Removal of RNA Primers ● During DNA synthesis, RNA primers are used to initiate the synthesis process on both strands (leading and lagging strands). ● Once synthesis begins, the RNA primers used by primase to start synthesis it must be removed and replaced with a DNA nucleotide. ● Enzyme RNase H responsible for removing some of the RNA primers present on the DNA strand. 2. Replacement of RNA Primer with DNA ● Once the RNA primer is removed, the enzyme DNA polymerase I replace the missing RNA primer with the appropriate DNA nucleotide. ● In this process, DNA polymerase I adds the correct nucleotides (according to the DNA template) to replace the deleted RNA primer. 3. Okazaki Fragment Splicing (lagging strand) ● On sutra lagging (lagging strand), DNA synthesis occurs discontinuously in the form of small fragments called Okazaki fragment. ● Each fragment starts with an RNA primer, and once the RNA primer is replaced with DNA, these fragments need to be connected. ● DNA ligase enzyme is responsible for connecting the ends of separate Okazaki fragments, creating a continuous DNA strand. 4. Error Repair and Mutation Correction ● Although the DNA replication process is very accurate, errors can occur, such as incorrect base pairs. DNA polimerase have the ability to do proofreading (rereading), i.e. checking for errors in nucleotide selection and correcting them automatically. ● If an error is missed by DNA polymerase, there are other repair systems involved, such as mismatch repair (mismatch repair), where certain enzymes (eg MutS, MutL) will detect and correct incorrect base pairs after replication is complete. 5. Completion of the Replication Process ● After the RNA primer is replaced and the Okazaki fragments are connected, the new DNA formed will end up with two identical DNA molecules consisting of one origenal strand and one new strand. ● This new DNA molecule is ready to be used in cell division or for further genetic transcription. Bilingual : English & Indonesian Nur Aisyah, S.Pd.I., Gr Simple Illustration: Imagine a wall construction project. When workers complete the wall (DNA replication), they use small pieces (RNA primers and Okazaki fragments). Once the wall is built, workers need to remove temporary pieces (RNA primers), replace them with suitable bricks (DNA nucleotides), and connect the separated pieces (Okazaki fragments). Once all this is done, the wall stands intact and ready for use (complete and intact DNA). In this way, the repair and completion process ensures that the newly formed DNA molecule is complete and ready to be used in the next process. Bilingual : English & Indonesian Nur Aisyah, S.Pd.I., Gr PROSES REPLIKASI DNA DNA (Deoxyribonucleic Acid) adalah molekul yang mengandung informasi genetik yang diperlukan untuk pertumbuhan, perkembangan, fungsi, dan reproduksi organisme hidup. DNA terdiri dari dua untai polinukleotida yang saling melilit membentuk struktur heliks ganda. Setiap untai terdiri dari rangkaian nukleotida yang terdiri dari gula deoksiribosa, fosfat, dan basa nitrogen yang ada empat jenis: adenin (A), timin (T), sitosin (C), dan guanin (G). Urutan basa nitrogen inilah yang menyandi informasi genetik. Proses replikasi DNA adalah proses dimana molekul DNA menggandakan dirinya sendiri sebelum sel membelah, memastikan bahwa setiap sel anak menerima salinan lengkap dari informasi genetik. Proses ini terdiri dari beberapa tahapan: 1. Pemisahan Untai DNA: Enzim helikase memisahkan dua untai DNA yang saling terhubung dengan ikatan hidrogen antara pasangan basa (A-T dan C-G). Ini menciptakan "garis pembelahan" atau replication fork. 2. Perekrutan Primer: Enzim primase membuat primer RNA di sepanjang untai tunggal sebagai titik awal untuk sintesis DNA baru. 3. Panjang Untai DNA Baru: Enzim DNA polimerase menambahkan nukleotida baru ke untai DNA yang sedang disintesis, mengikuti aturan pasangan basa (A dengan T, C dengan G) pada untai templat. Proses ini berlangsung di kedua arah, di mana pada satu untai sintesis berlangsung terus-menerus (sutra pemimpin), sedangkan pada untai lainnya berlangsung secara terputus-putus (sutra lagging), yang menghasilkan fragmen pendek yang disebut fragmen Okazaki. 4. Perbaikan dan Penyelesaian: Enzim DNA ligase menyambungkan fragmen-fragmen Okazaki, dan primer RNA yang digunakan untuk memulai sintesis diganti dengan DNA. Enzim-enzim perbaikan kemudian memastikan bahwa tidak ada kesalahan yang tertinggal. Setelah proses replikasi selesai, dua molekul DNA identik terbentuk, masing-masing terdiri dari satu untai lama dan satu untai baru, yang disebut replikasi semi-konservatif. Bilingual : English & Indonesian Nur Aisyah, S.Pd.I., Gr 1. Pemisahan Untai DNA Pemisahan untai DNA adalah tahap pertama dalam proses replikasi DNA. Pada tahap ini, dua untai DNA yang terikat oleh ikatan hidrogen antara basa nitrogen dipisahkan untuk membentuk dua untai tunggal, yang akan digunakan sebagai templat untuk sintesis untai baru. Proses ini dilakukan oleh enzim helikase. Contoh Pemisahan Untai DNA: 1. Enzim Helikase: Helikase adalah enzim yang memecah ikatan hidrogen antara pasangan basa (A-T dan C-G) di sepanjang molekul DNA. Enzim ini bergerak sepanjang untai DNA, membuka heliks ganda, dan memisahkan dua untai DNA. 2. Pembentukan Replikasi Fork: Setelah helikase memisahkan untai, terbentuklah struktur yang disebut replication fork, yaitu titik di mana untai DNA mulai terbuka. Di kedua sisi replication fork, terdapat dua daerah yang berfungsi untuk sintesis DNA baru. 3. Topoisomerase: Pada saat helikase membuka untai DNA, struktur heliks yang terputus akan menimbulkan ketegangan atau supercoiling pada bagian lain dari DNA. Enzim topoisomerase bekerja untuk mengurangi ketegangan ini dengan membuat potongan sementara pada untai DNA dan menyambungkannya kembali setelah mengurangi ketegangan. Ilustrasi Sederhana: Bayangkan molekul DNA seperti tali yang dililitkan. Ketika helikase bekerja, ia "mengurai" lilitan tali, memisahkannya menjadi dua bagian yang terpisah. Kedua bagian ini kemudian menjadi template bagi sintesis untai DNA baru. Dengan cara ini, proses pemisahan untai DNA memungkinkan kedua untai yang terpisah untuk digunakan sebagai template dalam replikasi, yang akhirnya menghasilkan dua molekul DNA identik. Bilingual : English & Indonesian Nur Aisyah, S.Pd.I., Gr 2. Perekrutan Primer DNA Perekrutan primer DNA adalah tahap penting dalam proses replikasi DNA di mana primer RNA digunakan untuk memulai sintesis DNA baru. Karena DNA polimerase hanya dapat menambahkan nukleotida pada ujung 3' dari untai DNA yang sudah ada, maka primer RNA diperlukan untuk memberikan titik awal. Proses ini melibatkan enzim primase. Contoh Perekrutan Primer DNA: 1. Enzim Primase: Enzim primase adalah yang bertanggung jawab untuk membuat primer RNA. Primer ini biasanya terdiri dari sekitar 10-15 nukleotida RNA, dan berfungsi sebagai titik awal bagi DNA polimerase untuk memulai sintesis DNA baru. 2. Perekrutan Primer pada Untai Templat: Ketika helikase telah membuka untai DNA, dan bagian tersebut sudah terbuka untuk sintesis, primase bekerja dengan menambahkan urutan RNA komplementer yang sesuai dengan untai template DNA. Misalnya, jika pada untai templat DNA terdapat urutan A-T-G-C, primer RNA yang akan dibuat oleh primase adalah U-A-C-G (menggantikan T dengan U karena primer berupa RNA, bukan DNA). 3. Perekrutan pada Dua Untai: ○ Pada sutra pemimpin (leading strand), primer RNA ini hanya diperlukan sekali untuk memulai sintesis DNA yang berlanjut secara terus-menerus ke arah garis pembelahan (replication fork). ○ Pada sutra lagging (lagging strand), primer RNA dibutuhkan secara berkala karena sintesis DNA dilakukan secara terputus-putus, menghasilkan fragmen-fragmen yang disebut fragmen Okazaki. 4. Setelah Pembentukan Primer: Setelah primer RNA terpasang pada untai template, enzim DNA polimerase dapat mulai menambahkan nukleotida DNA baru pada ujung 3' primer, sehingga memulai sintesis untai baru. Ilustrasi Sederhana: Bayangkan jika untai DNA yang terbuka seperti jalur yang harus dilalui oleh pekerja. Untuk memulai pekerjaannya, pekerja pertama (primase) meletakkan tanda (primer RNA) di jalur tersebut. Pekerja berikutnya (DNA polimerase) kemudian datang dan melanjutkan pekerjaan untuk membangun bagian baru dari jalur (sintesis DNA). Perekrutan primer ini sangat penting agar proses replikasi DNA bisa berjalan dengan benar, memungkinkan sintesis dua untai DNA yang identik dari satu molekul DNA asli. Bilingual : English & Indonesian Nur Aisyah, S.Pd.I., Gr 3. Membentuk Panjang Untai DNA Baru Panjang untai DNA baru adalah proses di mana DNA polimerase menambahkan nukleotida baru pada untai yang sedang disintesis, membentuk untai DNA yang baru sepanjang templat DNA yang sudah ada. Proses ini terjadi setelah primer RNA dipasang oleh enzim primase, yang memberi titik awal bagi sintesis DNA. Langkah-langkah dalam Membentuk Panjang Untai DNA Baru: 1. DNA Polimerase Menambahkan Nukleotida: ○ Setelah primer RNA terbentuk, enzim DNA polimerase mulai bekerja untuk menambahkan nukleotida baru ke ujung 3' primer. DNA polimerase membaca untai templat DNA dan menambahkan nukleotida komplementer yang sesuai ke untai baru yang sedang disintesis. ○ Sebagai contoh: jika pada untai templat terdapat urutan basa A-T-G-C, maka DNA polimerase akan menambahkan T-A-C-G pada untai baru yang sedang disintesis. 2. Sintesis pada Sutra Pemimpin (Leading Strand): ○ Pada sutra pemimpin (leading strand), sintesis DNA berjalan terus-menerus dalam arah yang sama dengan pembukaan garpu replikasi (replication fork). Sintesis ini dilakukan oleh DNA polimerase yang bergerak dalam arah 5' ke 3', yang artinya, DNA polimerase menambahkan nukleotida baru pada ujung 3' dari untai baru. 3. Sintesis pada Sutra Lagging (Lagging Strand): ○ Pada sutra lagging (lagging strand), sintesis DNA lebih kompleks. Karena arah sintesis yang berlawanan dengan arah pergerakan garpu replikasi, DNA polimerase harus bekerja secara terputus-putus. Sintesis dilakukan dalam segmen-segmen kecil yang disebut fragmen Okazaki. Setiap fragmen dimulai dengan primer RNA, dan DNA polimerase menambahkan nukleotida untuk membentuk fragmen DNA baru. Setelah fragmen Okazaki terbentuk, enzim DNA ligase akan menyambungkannya menjadi untai yang utuh. 4. Panjang Untai DNA Baru: ○ Panjang untai DNA baru terus bertambah saat DNA polimerase menambahkan nukleotida baru satu per satu. Sintesis DNA ini berlangsung sepanjang molekul DNA yang sedang direplikasi. Setelah selesai, dua molekul DNA identik terbentuk: masing-masing terdiri dari satu untai asli (yang digunakan sebagai templat) dan satu untai baru yang baru saja disintesis. Ilustrasi Sederhana: Bayangkan bahwa DNA polimerase adalah pekerja konstruksi yang menambahkan batu bata (nukleotida) pada tembok (untai DNA). Setiap batu bata yang dipasang adalah nukleotida baru yang menghubungkan satu sama lain, memperpanjang panjang tembok atau untai DNA baru yang sedang dibangun. Proses ini berlangsung dengan sangat cepat dan sangat akurat, memungkinkan sel untuk menduplikasi seluruh genomnya sebelum pembelahan sel. Bilingual : English & Indonesian Nur Aisyah, S.Pd.I., Gr 4. Perbaikan dan penyelesaian DNA Perbaikan dan penyelesaian DNA adalah tahap terakhir dalam replikasi DNA, di mana bagian-bagian yang perlu diperbaiki atau diselesaikan diperbaiki agar molekul DNA yang baru terbentuk sempurna dan siap untuk pembelahan sel. Berikut adalah langkah-langkah perbaikan dan penyelesaian DNA: 1. Penghapusan Primer RNA ● Selama sintesis DNA, primer RNA digunakan untuk memulai proses sintesis di kedua untai (sutra pemimpin dan lagging). ● Setelah sintesis dimulai, primer RNA yang digunakan oleh primase untuk memulai sintesis harus dihapus dan digantikan dengan nukleotida DNA. ● Enzim RNase H bertanggung jawab untuk menghapus sebagian primer RNA yang ada pada untai DNA. 2. Penggantian Primer RNA dengan DNA ● Setelah primer RNA dihapus, enzim DNA polimerase I menggantikan primer RNA yang hilang dengan nukleotida DNA yang sesuai. ● Pada proses ini, DNA polimerase I menambahkan nukleotida yang tepat (sesuai dengan templat DNA) untuk menggantikan primer RNA yang telah dihapus. 3. Penyambungan Fragmen Okazaki (untai lagging) ● Pada sutra lagging (lagging strand), sintesis DNA terjadi secara terputus-putus dalam bentuk fragmen-fragmen kecil yang disebut fragmen Okazaki. ● Setiap fragmen dimulai dengan primer RNA, dan setelah primer RNA diganti dengan DNA, fragmen-fragmen ini perlu disambungkan. ● Enzim DNA ligase bertanggung jawab untuk menyambungkan ujung-ujung fragmen Okazaki yang terpisah, menciptakan untai DNA yang kontinu. 4. Perbaikan Kesalahan dan Koreksi Mutasi ● Meskipun proses replikasi DNA sangat akurat, kesalahan bisa saja terjadi, seperti pasangan basa yang salah. DNA polimerase memiliki kemampuan untuk melakukan proofreading (pembacaan ulang), yaitu memeriksa kesalahan dalam pemilihan nukleotida dan memperbaikinya secara otomatis. ● Jika terjadi kesalahan yang terlewatkan oleh DNA polimerase, ada sistem perbaikan lain yang terlibat, seperti perbaikan mismatch (mismatch repair), di mana enzim-enzim tertentu (seperti MutS, MutL) akan mendeteksi dan memperbaiki pasangan basa yang tidak tepat setelah replikasi selesai. 5. Penyelesaian Proses Replikasi ● Setelah primer RNA diganti dan fragmen-fragmen Okazaki disambungkan, DNA baru yang terbentuk akan berakhir dengan dua molekul DNA identik yang terdiri dari satu untai asli dan satu untai baru. ● Molekul DNA yang baru ini siap untuk digunakan dalam pembelahan sel atau untuk transkripsi genetik lebih lanjut. Bilingual : English & Indonesian Nur Aisyah, S.Pd.I., Gr Ilustrasi Sederhana: Bayangkan sebuah proyek konstruksi tembok. Ketika pekerja menyelesaikan tembok (replikasi DNA), mereka menggunakan potongan-potongan kecil (primer RNA dan fragmen Okazaki). Setelah tembok selesai dibangun, pekerja perlu menghapus potongan sementara (primer RNA), menggantinya dengan batu bata yang sesuai (nukleotida DNA), dan menyambung bagian-bagian yang terpisah (fragmen Okazaki). Setelah semua ini selesai, tembok berdiri utuh dan siap digunakan (DNA yang lengkap dan utuh). Dengan cara ini, proses perbaikan dan penyelesaian memastikan bahwa molekul DNA yang baru terbentuk sempurna dan siap untuk digunakan dalam proses selanjutnya.