Molekul DNA membentuk dasar dari semua kehidupan yang diketahui karena strukturnya memungkinkannya untuk dengan mudah disalin di dalam sel hidup, memungkinkan mereka untuk bereproduksi. Informasi genetik suatu organisme terkandung di dalam DNA-nya, dan duplikasi yang akurat diperlukan untuk meneruskan informasi ini ke generasi berikutnya. Penyalinan materi genetik di dalam inti sel disebut replikasi DNA. Mekanisme terjadinya dikenal sebagai replikasi semi-konservatif, dan melibatkan pemisahan molekul menjadi dua bagian, yang masing-masing membentuk cetakan untuk molekul baru yang lengkap. Bahan yang tersedia di dalam sel kemudian ditambahkan ke templat ini untuk menyelesaikan prosesnya.
Struktur DNA
Setiap molekul DNA terdiri dari dua untai, terdiri dari gula dan gugus fosfat, dengan molekul yang dikenal sebagai basa yang membentuk hubungan di antara mereka. Ada empat basa yang berbeda: adenin (A), guanin (G), sitosin (C) dan timin (T). Setiap basa, bersama dengan gugus gula dan fosfat yang melekat padanya, dikenal sebagai nukleotida. Kedua untai disatukan oleh ikatan hidrogen antara basa; A berikatan dengan T dan C dengan G, sehingga membentuk pasangan yang disebut pasangan basa komplementer.
Untaian membentuk heliks ganda, atau dua struktur spiral paralel, sedangkan pasangan basa merentang celah di antara untaian. Molekul DNA biasanya melingkar rapat, berkali-kali, dan membentuk struktur yang dikenal sebagai kromosom. Informasi genetik lengkap, atau genom untuk suatu organisme terkandung dalam satu set kromosom; genom manusia mengandung sekitar tiga miliar pasangan basa. Replikasi DNA membentuk satu set kromosom baru, sebelum pembelahan sel. Proses replikasi dapat dipecah menjadi beberapa tahap, masing-masing dikendalikan oleh enzim.
Pemisahan
Untuk mereplikasi, untaian DNA harus dipisahkan. Ikatan hidrogen antara pasangan basa cukup kuat untuk menahan untaian bersama-sama dalam keadaan normal, tetapi cukup lemah untuk memungkinkan mereka untuk ditarik terpisah dengan mudah bila diperlukan. Karena molekul biasanya dalam keadaan sangat melingkar, kedua untai tidak akan terbelah tanpa bantuan. Enzim yang disebut girase bekerja untuk mengendurkan, atau mengurai, DNA, sementara enzim yang disebut helikase mulai membuka ritsletingnya, memutus ikatan hidrogen antara pasangan basa. Protein khusus kemudian mengikat untaian yang terpisah untuk memisahkannya dan memungkinkan replikasi terjadi.
Duplikasi
Nukleotida ada secara independen dari DNA dalam inti sel atau, dalam kasus bakteri, di dalam cairan sel. Ketika molekul DNA telah dipecah, nukleotida bebas ini berikatan dengan basa komplementer yang tidak berpasangan dari setiap untai — A ke T dan C ke G — membentuk molekul untai ganda baru. Proses ini diaktifkan oleh enzim yang dikenal sebagai DNA polimerase. Dua salinan yang dihasilkan masing-masing memiliki satu untai baru dan satu dari molekul aslinya. Inilah sebabnya mengapa replikasi DNA disebut semi-konservatif – setengah dari setiap molekul baru dan setengah disimpan dari induknya.
Proses pemisahan dan duplikasi tumpang tindih. Saat untaian terlepas, untai komplementer baru dibangun sementara pemisahan berlanjut di sepanjang heliks ganda. Molekul DNA di sebagian besar organisme sangat panjang, sehingga lebih efisien untuk pembelahan dan duplikasi terjadi di banyak tempat sekaligus. Titik-titik ini dikenal sebagai asal mula replikasi. Ketika dua asal tersebut bertemu, enzim yang disebut ligase bergabung dengan untaian baru.
Pemeriksaan kesalahan
Proses replikasi sangat akurat, tetapi kesalahan memang terjadi. Terkadang, ikatan dapat terbentuk antara kombinasi basa yang salah. Misalnya, G kadang-kadang dapat berikatan dengan T alih-alih A. Basa juga bisa ada dalam bentuk yang sedikit berbeda yang dapat berikatan dengan pasangan lain yang salah.
Biasanya, ada sekitar satu kesalahan untuk setiap 100 juta ikatan pasangan basa. Pada manusia, ini akan menghasilkan sekitar 30 kesalahan untuk setiap replikasi lengkap. Namun, ada sejumlah mekanisme pengecekan dan koreksi kesalahan yang mendeteksi dan memperbaiki kesalahan dengan sangat efektif. Misalnya, ikatan antara pasangan basa yang tidak cocok relatif tidak stabil, dan enzim polimerase yang membantu proses duplikasi juga dapat melepaskan nukleotida yang salah, memungkinkan yang baru, yang benar, untuk ditambahkan. Ini mengurangi jumlah rata-rata kesalahan per replikasi menjadi sekitar tiga.
Kesalahan Replikasi: Mutasi, Kanker, dan Evolusi
Kesalahan dalam replikasi DNA biasanya merupakan hal yang buruk di tingkat individu. Mereka dapat menyebabkan mutasi, yang umumnya tidak menguntungkan; mereka dapat menyebabkan kanker atau penyakit yang mengancam jiwa lainnya. Di sisi lain, tanpa kesalahan ini, manusia dan organisme lain seperti yang dikenal sekarang tidak akan ada di sini. Kadang-kadang, mutasi dapat memberikan keuntungan, meningkatkan peluang organisme untuk bertahan hidup cukup lama untuk bereproduksi dan meneruskan perubahan yang menguntungkan, yang kemudian akan menjadi lebih umum. Beginilah cara kerja evolusi: kesalahan replikasi memungkinkan organisme beradaptasi dengan lingkungan yang berubah dan berevolusi menjadi bentuk kehidupan baru.