Arah Replikasi DNA: Kenapa Selalu dari 5′ ke 3′?

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′?

Hipotesis: DNA Polimerase dengan Arah Replikasi DNA dari 3′ ke 5′

Kita ketahui dari penjelasan tentang repliksi DNA bahwa arah replikasi polimerase DNA dari 5′-ke-3 ‘. DNA polimerase memperpanjang ekor 3′ molekul DNA yang baru dengan membuah ikatan fosfodiester dari gugus -OH pada ujung 3’ dengan fosfat pada dNTP (lihat gambar di bawah).

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 seperti tampak pada gambar.

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. Perhatikan gambar di bawah ini:

Gambar di atas adalah situasi hipotesis dimana seandainya terdapat DNA polimerase dengan arah replikasi dari 3′ ke 5′. Dari gambar kita bisa melihat bahwa proses replikasi menjadi lebih sederhana. Pertanyaannya, 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

Penjelasan pertanyaan di atas dimulai dengan kebutuhan energi saat proses replikasi DNA. Biarkan saya jelaskan. 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). Untuk lebih memperjelas, perhatikan bagan di bawah ini:

Apabila tidak ada gugus trifosfat ini, maka reaksi pembentukan gugus fosfodiester tidak dapat dilakukan.

Sistem Proofreading pada Proses Replikasi dan Arah Replikasi

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′. Untuk lebih jelas mengenai hal ini, perhatikan gambar di bawah ini:

Kesimpulan

Bukanlah tanpa alasan apabila kita hanya menemukan 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.

Referensi

1. Alberts B. DNA replication and recombination. Nature. 2003 Jan;421(6921):431–5.
2. Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P. Molecular biology of the cell. 5th ed. New York: Garland Science; 2008. 263–328 p.
3. Dewar JM, Walter JC. Mechanisms of DNA replication termination. Nat Rev Mol Cell Biol. 2017;18(8):507–16.
4. Patel DR, Weiss RS. A tough row to hoe: when replication forks encounter DNA damage. Biochem Soc Trans. 2018;46(6):1643–51.
5. Prioleau MN, MacAlpine DM. DNA replication origins—Where do we begin? Genes Dev. 2016;30(15):1683–97.