Siklus Sel,
Replikasi dan
Perbaikan DNA
Adinda Diajeng
Sekarmadji_1012023001
Jeannicha Zhalfa Adiana_1012023010 Nia Rahmawati_1012023007
DNA:
SIKLUS SEL
Pengertian Siklus sel
- Siklus sel adalah fungsi sel yang paling mendasar berupa duplikasi akurat sejumlah besar asam
deoksiribonukleat atau lebih dikenal dengan singkatan DNA (bahasa Inggris: deoxyribonucleic acid) di dalam kromosom, yang kemudian memisahkan hasil duplikasi tersebut hingga terjadi dua sel baru yang identik.
- Siklus sel yang berlangsung kontinu dan berulang (siklik), disebut proliferasi. Keberhasilan sebuah proliferasi membutuhkan transisi unidireksional dan teratur dari satu fase siklus sel menuju fase berikutnya. Jenjang
reaksi kimia organik yang terjadi seyogianya diselesaikan sebelum jenjang berikutnya dimulai. Sebagai contoh, dimulainya fase mitosis sebelum selesainya tahap replikasi DNA akan menyebabkan sel tereliminasi.
- Jenjang reaksi yang terjadi di dalam siklus sel sangat mirip dengan relasi substrat-produk dari sebuah lintasan metabolik. Produk dari sebuah jenjang reaksi akan berfungsi sebagai substrat di jenjang berikutnya. Demikian pula dengan laju reaksi jenjang yang pertama akan menjadi batas maksimal laju reaksi di jenjang berikutnya.
- Transisi antara jenjang reaksi ditentukan oleh lintasan pengendali ekstrinsik dan intrinsik yang terdiri atas beberapa cekpoin, sebagai konfirmasi selesainya reaksi di suatu jenjang sebelum jenjang berikutnya dimulai.
Kedua lintasan kendali dapat memiliki cekpoin yang sama.
- Lintasan kendali instrinsik akan menentukan setiap tahap berjalan sebagaimana mestinya. Fase S, G2, dan M di dalam sel mamalia dikendalikan oleh lintasan ini, sehingga waktu yang diperlukan untuk fase tersebut tidak jauh bervariasi antara satu sel dengan sel lain.
- Lintasan kendali ekstrinsik akan berfungsi sebagai respon terhadap kondisi di luar sel atau telisik defisiensi sel. Defisiensi lintasan kendali intrinsik sering kali menyebabkan kanker. Penyimpangan protein yang
mengendalikan cekpoin siklus fase sering ditemukan pada penderita kanker.
- Sederhananya, siklus sel adalah siklus kehidupan sebuah sel. Siklus ini bertujuan untuk perkembangan dan pertumbuhan dari sel itu sendiri. Siklus sel diawali dengan pembelahan sebuah sel induk (mother cell) dan diakhiri dengan terbentuknya sel anak (daughter cells) atau kematian sel.
- Tujuan Siklus Sel:
Reproduksi, Pertumbuhan, Perkembangan, Perbaikan, dan Regenerasi - Fase yang Terjadi di Siklus Sel
1. Fase S (Sintesis) Hasil replikasi kromosom yang telah utuh segera dipilah bersama dengan dua nuklei masing-masing guna proses mitosis pada fase M.
2. Fase M (Mitosis) Interval waktu fase M kurang lebih satu jam. Tahap ini terjadi pembelahan sel, baik
pembelahan biner atau pembentukan tunas. Pada mitosis, sel membelah dirinya membentuk dua sel anak yang terpisah. Dalam fase M terjadi beberapa jenjang fase, yaitu:
1. Profase 2. Prometafase 3.Metafase 4.Anafase 5.Telofase 6. Sitokinesis
3. Fase G (Gap)Fasa G yang terdiri atas G1 dan G2 adalah fase sintesis zat yang diperlukan pada fase berikutnya.
Pada sel mamalia, interval fase G2 sekitar 2 jam, sedangkan interval fase G1 sangat bervariasi antara enam jam hingga beberapa hari. Sel yang berada di fase G1 terlalu lama, dikatakan berada di fase G0 atau “quiescent”.
Pada fase ini, sel tetap menjalankan fungsi metabolisnya dengan aktif, tetapi tidak lagi melakukan proliferasi secara aktif. Sebuah sel yang berada pada fase G0 dapat memasuki siklus sel kembali atau tetap berada di fase tersebut hingga terjadi apoptosis. Pada umumnya, sel orang dewasa berada di fase G0. Sel tersebut dapat masuk kembali ke fase G1 oleh stimulasi antara lain perubahan kepadatan sel, mitogen atau faktor
pertumbuhan, serta asupan nutrisi
4. InterfaseInterfase Aktivitas seluler yang terjadi di cekpoin tidak dapat berlangsung tanpa enzim intraselular yang disebut dengan cyclin-dependent kinase (CDK). Holoenzim CDK aktif terdiri atas sub-unit katalitik dan sub- unit kendali siklin. Tiap siklin disintesis pada tahap terkait dari fase siklus sel.
1. Transisi G0 ke G1Fase transisi dari fase G0 ke fase G1 disebut dengan fase prima atau fase kompetensi replikatif, pada hepatosit, fase prima dipicu oleh sekresi sitokina IL-6 dan TNF-α oleh sel Kupffer yang menyebabkan hepatosit kehilangan sebagian massanya. Potensi proliferasi hepatosit setelah kehilangan sebagian massanya. Berbagai protein disintesis pada fase G1 setelah sel meninggalkan fase G0, beberapa ribosom baru dibuat untuk mempercepat sintesis protein.
2. Transisi ke Fase STransisi ke fase S dari fase G1 dikendalikan oleh dua buah cekpoin, yaitu “kompetensi” dan
“restriksi” yang terletak sekitar 12 dan 2 jam sebelum fase S dimulai. Paling tidak diperlukan tiga faktor pertumbuhan untuk melewati dua cekpoin ini, yaitu PDGF, EGF, dan IGF-1.
- Pencerap faktor pertumbuhan merupakan protein kompleks yang terbentak seluas membran sel dengan domain yang dapat mengenali faktor pertumbuhan di dalam periplasma dengan sangat khusus. Ligasi yang terjadi dengan ligan akan menginduksi transmisi sinyal ke dalam sitoplasma melalui aktivasi enzim tirosina kinase.
- PauseMuteFullscreenRegulasi yang lain adalah deaktivasi CDK oleh fosforilasi domain pengikat ATP oleh enzim kinase yang lain. Deaktivasi tersebut dapat diaktivasi kembali oleh fosfatase dari jenis CDC25.
Keberadaan protein inhibitor CDK juga merupakan bentuk regulasi terhadap CDK. Satu jenis penghambat CDK termasuk p21CIP1, p27KIP1, dan p57KIP2; sedangkan jenis yang lain menghambat siklin D/CDK4 atau siklin-6 CDK, antara lain p16INK4, p15INK4B, p18INK4C, dan p19INK4D.
- Sintesis, aktivitas dan degradasi penghambat ini berada dalam regulasi yang merespon sinyal mitogenik dan antimitogenik, seperti sinyal parakrin dari TGF-β. Regulasi terhadap CDK di atas menentukan kecepatan
terpicunya transisi fase dalam siklus sel, setelah CDK teraktivasi, transisi ke fase berikutnya akan segera terjadi, walaupun jenjang reaksi pada fase berlangsung, belum selesai.
• DNA: Replikasi dan Perbaikan DNA
A. Replikasi DNA
Replikasi DNA merupakan suatu proses biologis yang esensial untuk pertumbuhan, perkembangan, dan pemeliharaan organisme. Proses ini terjadi pada tahap tertentu dari siklus sel dan melibatkan beberapa langkah. Berikut adalah proses Replikasi DNA:
● Pemecahan Ikatan Hidrogen: Replikasi dimulai dengan pemecahan ikatan hidrogen antara pasangan basa nitrogen pada rantai DNA yang berputar ganda. Enzim yang disebut helikase membantu membuka dan memisahkan kedua untai DNA ini.
● Pembentukan Cetakan: Setelah untai DNA terbuka, enzim polimerase RNA membentuk cetakan RNA kecil yang komplementer terhadap untai DNA. Cetakan RNA ini disebut primer.
● Pembentukan Rantai Komplementer: Enzim polimerase DNA menggunakan primer RNA sebagai titik awal dan menambahkan nukleotida baru untuk membentuk rantai komplementer yang sesuai dengan untai DNA yang berfungsi sebagai cetakan.
• DNA: Replikasi dan Perbaikan DNA
● Pembentukan Fragmen Okazaki: Proses replikasi DNA terjadi secara semikonservatif, yang berarti bahwa salah satu dari dua rantai baru yang dihasilkan adalah salinan langsung dari rantai lama (parental). Karena DNA polimerase hanya dapat menambahkan nukleotida ke ujung 3' dari fragmen yang ada, sintesis DNA dilakukan dalam arah 5' ke 3'. Oleh karena itu, pada rantai yang berlawanan arah helikase, sintesis DNA terjadi dalam fragmen kecil yang disebut fragmen Okazaki.
● Penggabungan Fragmen Okazaki: Enzim lain, seperti ligase, berfungsi untuk menggabungkan fragmen Okazaki menjadi satu rantai kontinu.
● Pembentukan Rantai Terlepas: Setelah sintesis DNA selesai, RNA primer dihapus dan digantikan oleh nukleotida DNA oleh enzim lain.
Kemudian, sel-sel lain akan memastikan bahwa DNA telah direplikasi dengan benar.
Replikasi DNA biasanya terjadi selama fase S (synthesis) dari siklus sel, dan hasilnya adalah dua molekul DNA identik yang terbentuk dari satu molekul DNA asal. Proses ini sangat penting untuk menjaga kestabilan genetik dan pewarisan sifat dari satu generasi ke generasi berikutnya.
• Kita ketahui dari
pembahasan sebelumnya
bahwa arah replikasi DNA
dimulai dari ujung 5′ ke arah
3′. Semua DNA polimerase
yang diketahui di alam
bekerja dari 5′ ke 3′. Kenapa
hal ini terjadi? Mengapa
tidak ada DNA polimerase
yang bekerja dari 3′ ke 5′?
Arah replikasi DNA dari ujung template 3′
ke 5′. DNA polimerase menambah nukleotida baru di ujung 3′
dari strand DNA yang baru.
Arah kerja dari DNA polimerase ini hanya dari 5′ ke 3′ dan tidak ada DNA polimerase yang bekerja dari arah sebaliknya. Akibat atau konsekuensi dari hal tersebut adalah kompleksitas replikasi DNA di lagging strand dari DNA
Replikasi DNA pada lagging strand lebih kompleks
Dari sudut pandang efisiensi tampaknya tidak terlalu baik. Seandainya ada DNA polimerase yang bisa menjalankan replikasi dari arah 3′ ke 5′
mungkin proses replikasi di lagging strand menjadi lebih sederhana.
Kondisi hipotesis arah replikasi DNA dimana dihipotesiskan terdapat DNA polimerase dengan arah
reaksi dari 3′ ke 5′
• Apabila alam selalu
memilih efisiensi, kenapa
hanya ada DNA polimerase
dengan arah 5′ ke 3′ saja?
•Reaksi Replikasi DNA Membutuhkan Energi dari Gugus Molekul Firofosfat
Dalam polimerase 5 ‘sampai 3′, gugus OH di ujung 3’ dari DNA yang telah disintesis dapat melakukan serangan nukleofilik SN2 pada nukleotida yang masuk karena posisi beta dan gamma fosfat dari nukleotida yang masuk memiliki ikatan kimia dengan energi besar.
Kita mungkin berpikir sulit untuk memutuskan ikatan oksigen-fosfor dalam nukleotida masuk. Tetapi, gugus fosfat yang merupakan kation divalen membantu mengubah distribusi muatan ikatan.
Hal tersebut akan memudahkan reaksi antara gugus -OH di ujung 3′
dengan gugus fosfat pada nukleotida yang baru (deoxyribonucleotide triphosphate = dNTP).
Reaksi elongasi DNA
Apabila tidak ada gugus trifosfat ini, maka reaksi pembentukan gugus fosfodiester tidak dapat dilakukan.
• Sistem Proofreading pada Proses Replikasi dan Arah Replikasi
Hubungan antara arah replikasi DNA dengan gugus fosfat ini akan menjadi lebih terlihat pada proses perbaikan atau proofreading dari DNA. Proses ini dilakukan langsung oleh DNA polimerase.
Proses replikasi bukanlah proses yang sempurna. Kesalahan proses penyalinan bisa terjadi dan sebab itu memerlukan proofreading atau perbaikan salinan DNA.
#Proses proofreading atau perbaikan DNA saat proses replikasi
• Sistem Proofreading pada Proses Replikasi dan Arah Replikasi
Pada saat terjadi masuknya nukleotida baru yang salah, maka nukleotida tersebut akan dibuang. Selanjutnya setelah dibuang maka akan masuk nukleotida perbaikannya.
Pada kondisi pertumbuhan atau elongasi DNA dari arah 5′ ke 3′, pada saat nukleotida yang salah dibuang, maka ujung 3′ akan tetap tersisa gugus -OH.
Hal ini masih memungkinkan dNTP yang memiliki gugus trifosfat untuk masuk dan beraksi membentuk ikatan fosfodiester.
#Proses proofreading atau perbaikan DNA saat proses replikasi
• Bagaimana jika proses replikasi dengan arah sebaliknya yaitu dari 3′ ke 5′
Saat pemanjangan atau elongasi DNA, maka ujung dari 5′
berupa gugus firofosfat. Pada saat terjadi kesalahan, maka nukleotida yang salah akan dibuang dan ujungnya adalah berupa gugus monofosfat.
Gugus monofosfat ini harus disambung dengan ujung -OH pada dNTP. Namun, gugus monofosfat ini tidak memiliki cukup energi untuk membentuk ikatan fosfodiester.
Akibatnya, setelah proses pembuangan nukleotida oleh
eksonuklease dari DNA polimerase, maka proses elongasi
akan seketika berhenti.
! Sistem Proofreading Hanya Mungkin dengan Arah Replikasi DNA dari 5′ ke-3′
Dengan demikian, jelas bahwa DNA polimerase tidak bisa memproses replikasi dengan arah replikasi DNA dari 3′ ke 5′. Hal ini akan menyebabkan tidak berjalannya proses proofreading atau apabila ada perbaikan DNA maka replikasi akan terhenti.
Hal tersebut tentu bukan menjadi
jalan yang baik dan efisien sehingga
di alam tidak pernah ditemukan
terdapat DNA polimerase yang
memiliki aktivitas replikasi dari 3′ ke
5′.
Nah!
DNA polimerase di alam yang hanya
mampu melakukan reaksi polimerisasi
DNA dari 5′ ke 3′. Alasan utama
adalah bahwa proofreading atau
perbaikan DNA hanya akan bekerja
dengan baik apabila DNA polimerase
bekerja dengan arah 5′ ke 3′ dan tidak
sebaliknya.
DNA bukanlah substansi yang lemah, telah dilengkapi dengan mekanisme tertentu yang mampu menetralisasi “gangguan-gangguan” yang terjadi sehingga tidak membawa efek negatif. Mekanisme yang dimiliki DNA
tersebut adalah mekanisme DNA repair (perbaikan DNA) yang terjadi pada fase tertentu dalam siklus sel. Kerusakan DNA juga banyak terjadi pada saat replikasi, maka dari itu proses perbaikan DNA dilakukan di akhir proses
replikasi. Menurut Murray et.al. (2003), kerusakan DNA dapat disebabkan oleh pengaruh agen lingkungan, fisik dan kimia sehingga dapat
diklasifikasikan dalam 4 jenis kerusakan, yaitu:
1. Pengubahan basa tunggal terdiri dari: depurinasi mrpkn hilangnya purin dasar dari tulang punggung DNA, deaminasi sitosin menjadi urasil,
alkilasi basa serta penyisipan dan penghapusan nukleotida.
2. Pengubahan 2 basa terdiri dari: dimer timin-timin yang diinduksi oleh cahaya UV dan hubungan-silang preparat alkilasi bifungsional.
3. Pemutusdan rantai terdiri dari radiasi ionisasi, disintegrasi radioaktif pada unsur tulang punggung dan pembentukan radikal bebas yang oksidatif.
4. Hubungan saling meliputi antara basa-basa dalam untai yang sama atau berlawanan dan antara DNA dengan molekul protein (misal, Histon).
PERBAIKAN DNA
KERUSAKAN
a) Kerusakan Endogenous, yang disebabkan oleh oksigen reaktif yang dihasilkan
DNA
dari metabolisme normal terutama pada proses oksidatif deaminasi.
b) Kerusakan Exogenous disebabkan dari faktor-faktor eksternal seperti: cahaya UV (200-300nm) dari radiasi matahari, radiasi frekuensi lainnya, termasuk foto sinar-x dan sinar gamma, hidrolisis panas atau gangguan, kanker kemoterapi dan radioterapi serta virus.
Ketika sel kehilangan kemampuannya untuk memperbaiki DNA yang rusak, secara efektif, ada 3 kemungkinan respons:
1. Sel mungkin menjadi tua, tidak aktif secara permanen. Penuaan dapat terjadi pada sel kanker secara in vivo maupun in vitro, menghentikan mitosis dan mencegah sel berevolusi lebih lanjut.
2. Sel mungkin menjadi apoptosis. Kerusakan DNA yang cukup dapat memicu kaskade sinyal apoptosis, memaksa sel memasuki kematian sel terprogram.
3. Sel tersebut dapat menjadi ganas, yaitu mengembangkan karateristik abadi dan memulai pembelahan yang tidak terkendali.
Jalur kerusakan dan perbaikan DNA seluler
yang menyebabkan penuaan, apoptosis, atau
kanker.
Semua sel memiliki mekanisme perbaikan DNA. Didalam sel
dikenal mekanisme pembetulan atau reparasi yang dapat
memperbaiki kesalahan atau perubahan yang ada pada satu atau dua rantai DNA. Ada 4 jenis mekanisme perbaikan DNA:
Perbaikan Eksisi (Excision Repair);
Perbaikan dengan Eksisi Basa (Base Excision) dan Perbaikan dengan Eksisi Nukleotida
(Nucleotide Excision); Perbaikan Kesalahan-Pencocokan (Mismatch Repair); Perbaikan Untai Ganda yang Terputus.
MEKANISME
PERBAIKAN
1. PERBAIKAN EKSISI (EXCISION REPAIR)/PERBAIKAN GELAP
• Perbaikan dengan cara memotong kerusakan yang disebabkan oleh
radiasi ultraviolet. Misalnya dilakukan untuk memperbaiki keadaan adanya dimer pirimidin dalam suatu rantai.
Dimer menyebabkan perubahan struktur di dalam rantai DNA dan dapat menghambat DNA untuk melakukan replikasi dan transkripsi
2. PERBAIKAN DENGAN EKSISI
A. PERBAIKAN DENGAN EKSISI BASA (BASE EXCISION)
• Terdapat kerusakan spontan, kimia, atau radiasi terhadap basa tunggal akibat kelabilan ikatan N-glikosidat purin
terhadap suhu 37 °C
berlangsung dengan kecepatan 5.000- 10.000/sel/hari. Basa sitosin, adenin dan guanin di dalam DNA masing-masing secara spontan akan
membentuk urasil, hipoxantin atau xantin. Nukleotida
semacam ini dapat disebut dengan basa abnormal.
MEKANISME PERBAIKAN
• Mekanisme perbaikan dengan eksisi nukleotida dilakukan untuk
memperbaiki kerusakan DNA yang lebih besar dengan panjang 30 basa dan melibatkan lebih banyak protein
dibandingkan perbaikan kesalahan pencocokan atau eksisi basa.
MEKANISME PERBAIKAN
B. PERBAIKAN DENGAN EKSISI NUKLEOTIDA (NUCLEOTIDE EXCISION)
sel memperlihatkan aktivitas proses perbaikan dengan eksisi nukleotida. enzim urasil DNA Glikosilase membuang urasil yang terbentuk melalui proses deaminasi (pembuangan gugus amino, -NH dari senyawa) secara spontan di dalam DNA.
• Selama replikasi DNA, DNA polimerase sendirilah yang melakukan perbaikan salah pasang. Polimerase ini mengoreksi setiap nukleotida terhadap cetakannya begitu nukleotida ditambahkan pada untaian.
Enzim polimerase dapat menimbulkan kekeliruan dan menyisipkan 2 hingga 5 basa tambahan yang tidak berpasangan, misalkan:
seharusnya timin berpasangan dengan adenin, bukan timin berpasangan dengan guanin.
• Enzim perbaikan akan mengenali untai yang mengandung nukleotida yang salah atau keliru dan memerlukan perbaikan. Jika ditemukan kesalahan-pencocokan, enzim endonuklease akan memotong untai tunggal pada rangkaian GATC yang diarahkan oleh metil. Enzim yang mencakup ligase, polimerase, dan SSB (Single Strand Binding,
berfungsi untuk menstabilkan untaian DNA yang sudah terbuka pada proses replikasi) akan mengeluarkan dan mengganti untai tersebut.
3. PERBAIKAN KESALAHAN-
PECOCOKAN (MISMATCH REPAIR
MEKANISME PERBAIKAN
• Menurut Murray et. al. (2003), untai ganda yang terputus disebabkan karena adanya radiasi pengionan, kemoterapi dan radikal bebas yang oksidatif. Mekanisme perbaikan ini dapat diselesaikan dengan
menggunakan sinapsis, pembukaan lilitan, penyegarisan dan ligasi atau penyambungan. Dalam perbaikan untai ganda yang terputus ini terdapat dua buah protein yang terlibat, yaitu Ku dan protein kinase bergantung-DNA (DNA PK, DNA dependent protein kinase).
Protein Lu dan DNA-PK bergabung mendekatkan kedua untai dan membuka lilitannya. Fragmen yg sudah
disegariskan membentuk pasangan basa.
DNA yg sudah didekatkan dan dibuka lilitannya membentuk pasangan basa. Ekor nukleotida tmbhn dibuang oleh enzim eksonuklease dan celah yg terbentuk diisi serta
ditutup oleh enzim DNA ligase.
MEKANISME PERBAIKAN
4. PERBAIKAN UNTAI GANDA YANG
TERPUTUS
PERBAIKAN SELAIN EKSISI, MISMATCH, DAN PERBAIKAN GELAP??
Menurut Kuchel dan Ralston (2006), ada sejumlah tipe mekanisme perbaikan selain eksisi atau perbaikan gelap dan perbaikan
mismatch, yaitu:
• Fotoreaktivasi.
Pada mekanisme perbaikan ini, melibatkan sebuah enzim tunggal yang tergantung cahaya untuk membuang DNA yang mengalami kerusakan. Mekanisme ini terjadi pada jasad prokariotik, misalnya pada bakteri E. coli. Enzim itu dikodekan oleh gen phr.
• Perbaikan SOS.
Mekanisme perbaikan ini merupakan replikasi rawan-kesalahan (error prime) yang memperbaiki kerusakan-kerusakan pada DNA. Tipe
perbaikan SOS bisa dikarenakan oleh kerusakan DNA dalam tingkat tinggi. Pada baktei E. coli sistem SOS diatur oleh gen-gen recA dan umu yang mengubah fidelitas atau ketepatan enzim DNA polimerase.
THANK
YOU
