Biologi Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1

18Replikasi DNA dan Mitosis

Kira-kira tiap delapan jam, sebuah sel pelapis usus menyalin enam miliar pasangan basa dengan sekitar satu kekeliruan tiap semiliar, lalu memilah kedua salinannya ke dalam dua sel anak sehingga masing-masing memperoleh tepat empat puluh enam kromosom — bukan empat puluh lima, bukan empat puluh tujuh. Penyalinannya dikerjakan sebuah mesin yang membaca satu untai lalu membangun pasangannya pada lima puluh huruf tiap sekon dari puluhan ribu titik awal sekaligus; pemilahannya dikerjakan sebuah gelendong mikrotubul yang menarik kedua salinan tiap kromosomnya terpisah dengan ketepatan satu kekeliruan tiap seratus ribu pembelahan. Bab ini memerikan garpu replikasi beserta enzimnya, masalah ujungnya, daur sel yang mengatur waktu replikasi serta pembelahannya, dan mitosis, yaitu pembelahannya sendiri.

18.1 Replikasi semikonservatif

Proposisi 18.1 (Tiap untai menjadi cetakan)

DNA direplikasi secara semikonservatif: kedua untai heliksnya terpisah, dan masing-masing berperan sebagai cetakan tempat sebuah untai pelengkap yang baru dibangun, sehingga tiap molekul anaknya adalah satu untai lama yang berpasangan dengan satu untai baru.

Bukti eksperimental. Meselson dan Stahl (1958; diingat kembali dari jilid Sekolah Menengah) menumbuhkan E. coli pada nitrogen berat, memindahkannya ke nitrogen ringan, lalu memisahkan DNA-nya menurut massa jenis: sesudah satu generasi seluruh DNA-nya bermassa jenis pertengahan, sesudah dua generasi separuhnya pertengahan dan separuhnya ringan — tepat ramalan satu untai lama dan satu untai baru tiap molekulnya, dan bukan ramalan skema mana pun yang lain. Cairns (1963) menandai kromosom bakteri yang sedang bereplikasi dengan tritium lalu memotretnya lewat autoradiografi: lingkaran dengan sebuah “gelembung” replikasi yang kedua garpunya bergerak berlawanan arah dari satu titik awal. Kornberg (1956) memurnikan sebuah enzim yang mensintesis DNA dalam tabung uji dari keempat nukleosida trifosfatnya dan sebuah cetakan, menurut urutan cetakannya. ∎

Definisi 18.2 (Garpu replikasi dan enzimnya)

Replikasi mulai pada sebuah titik awal — satu pada kromosom bakteri, puluhan ribu pada sebuah genom eukariot — tempat heliksnya dibuka dan dua garpu replikasi bergerak menjauh ke arah yang berlawanan. Pada tiap garpunya: sebuah helikase mengurai heliksnya (satu ATP tiap pasangan basa), protein pengikat untai tunggal menjaga untai yang terpisah itu tetap terpisah, dan sebuah topoisomerase di depan garpunya melepaskan pilinan yang ditimbun penguraiannya. DNA polimerase hanya menambahkan nukleotida pada hidroksil $3'$ sebuah rantai yang sudah ada, sehingga tiap untai baru tumbuh $5' \to 3'$ dan tak satu pun dapat memulai dari ketiadaan: sebuah primase lebih dahulu menaruh sebuah primer RNA pendek yang lalu diperpanjang polimerasenya. Pada cetakan yang dibaca $3' \to 5'$ untai barunya tumbuh sinambung ke arah garpunya: untai pemimpin. Pada cetakan yang lain untai barunya harus tumbuh menjauhi garpunya, dalam keping berisi $1000\text{ to }2000\,$ nukleotida pada bakteri dan $100\text{ to }200\,$ pada eukariot, yaitu fragmen Okazaki, yang masing-masing berprimer sendiri: untai tertinggal. Sebuah polimerase kedua mengganti primernya dengan DNA dan sebuah ligase menyegel fragmennya menjadi satu untai.

Sebuah garpu replikasi. Helikasenya membuka dupleks induknya; untai pemimpinnya disalin sinambung ke arah garpunya, untai tertinggalnya mundur dalam fragmen Okazaki, sebab polimerase hanya membangun pada arah 5' 3'. — Sebuah garpu replikasi. Helikasenya membuka dupleks induknya; untai pemimpinnya disalin sinambung ke arah garpunya, untai tertinggalnya mundur dalam fragmen Okazaki, sebab polimerase hanya membangun pada arah $5' \to 3'$ .

Proposisi 18.3 (Kesetiaan)

Pemasangan basa sendirian akan memberikan sekitar satu kekeliruan tiap $10^5$ ; polimerasenya mengoreksi — sebuah keaktifan eksonuklease $3' \to 5'$ menyingkirkan nukleotida yang salah pasang sebelum yang berikutnya ditambahkan — sehingga kekeliruannya menjadi satu tiap $10^7$ ; dan sesudah garpunya lewat, sebuah sistem perbaikan salah pasang menemukan salah pasang yang tersisa, mengenali untai barunya, lalu memperbaikinya: satu kekeliruan tiap $10^9$ sampai $10^{10}$ pasangan basa tiap replikasi. Sebuah sel manusia yang menyalin $6.4 \times 10^{9}$ pasangan membuat segelintir mutasi tiap kali ia membelah; sebuah bakteri, satu tiap seribu pembelahan.

Contoh 18.4 (Kecepatan dan titik awalnya)

Sebuah garpu bakteri bergerak $1000\,$ pasangan basa tiap sekon: dua garpu menyalin $4.6\,\mathrm{Mb}$ E. coli dalam $40\,\mathrm{min}$ , dan dalam medium kaya, tempat selnya membelah tiap dua puluh menit, sebuah putaran baru mulai sebelum yang terakhir selesai. Sebuah garpu eukariot, yang diperlambat kromatinnya, bergerak $50\,$ tiap sekon: menyalin sebuah kromosom manusia $250\,\mathrm{Mb}$ dari satu titik awal akan memakan waktu sebulan, sehingga genomnya disalin dari sekitar $40\,000$ titik awal dalam delapan jam, dalam urutan yang tertentu bagi tiap jenis selnya.

18.2 Ujungnya

Proposisi 18.5 (Masalah replikasi ujung dan telomerase)

Pada sebuah kromosom lurus untai tertinggalnya tak dapat dilengkapi sampai ujung sekali: ketika primer terakhirnya disingkirkan tak ada hidroksil $3'$ di hulunya untuk mengisi celahnya, dan tiap replikasinya akan memendekkan kromosomnya sebesar $50\text{ to }100\,$ nukleotida. Eukariot mengakhiri kromosomnya dengan telomer, yaitu ribuan salinan sebuah ulangan pendek (TTAGGG pada vertebrata) yang tidak membawa gen, dan sel kelamin serta sel punca membawa telomerase, sebuah enzim dengan cetakan RNA-nya sendiri yang menambahkan ulangan pada ujung $3'$ -nya, sehingga memulihkan apa yang hilang oleh replikasinya. Sebagian besar sel tubuh tidak memilikinya: telomernya memendek pada tiap pembelahan, dan sesudah sekitar lima puluh pembelahan dalam biakan sel itu berhenti membelah. Bakteri, yang kromosomnya melingkar, tidak memiliki ujung.

Masalah replikasi ujungnya (atas) dan pemecahannya (bawah). Untai tertinggalnya tertinggal pendek pada ujung kromosomnya; telomerase menambahkan ulangan pada ujung 3' cetakannya sehingga kehilangannya jatuh pada urutan yang tidak membawa gen. — Masalah replikasi ujungnya (atas) dan pemecahannya (bawah). Untai tertinggalnya tertinggal pendek pada ujung kromosomnya; telomerase menambahkan ulangan pada ujung $3'$ cetakannya sehingga kehilangannya jatuh pada urutan yang tidak membawa gen.

18.3 Daur sel

Definisi 18.6 (Daur sel)

Daur sel sebuah sel eukariot memiliki empat fase. G $_1$ (jeda 1): selnya tumbuh dan membuat enzim replikasinya; S (sintesis): ia mereplikasi DNA-nya, sehingga tiap kromosomnya menjadi dua kromatid saudari yang serupa dan bergabung pada sentromernya; G $_2$ : ia tumbuh lebih jauh dan memeriksa salinannya; M: mitosis, yaitu pembelahan intinya, yang diikuti sitokinesis, yaitu pembelahan sitoplasmanya. G $_1$ , S dan G $_2$ bersama-sama adalah interfase, ketika kromosomnya terentang dan aktif; sebuah sel yang berhenti membelah meninggalkan daurnya dari G $_1$ ke sebuah keadaan istirahat, G $_0$ . Sebuah sel manusia yang membelah memakan waktu sekitar $24\,\mathrm{h}$ : G $_1$ $10\,\mathrm{h}$ , S $8\,\mathrm{h}$ , G $_2$ $4\,\mathrm{h}$ , M $1\,\mathrm{h}$ ; sebuah khamir, $90\,\mathrm{min}$ ; sebuah embrio katak awal, tiga puluh menit tanpa jeda sama sekali.

Kandungan DNA sebuah inti sepanjang satu daur sel 24\, h. Kandungan itu berlipat dua selama fase S, dari q (2n kromosom berkromatid satu) menjadi 2q (2n kromosom berkromatid dua), lalu kembali ke q pada tiap sel anaknya pada akhir mitosisnya; banyaknya kromosom tak pernah berubah. — Kandungan DNA sebuah inti sepanjang satu daur sel $24\,\mathrm{h}$ . Kandungan itu berlipat dua selama fase S, dari $q$ (2n kromosom berkromatid satu) menjadi $2q$ (2n kromosom berkromatid dua), lalu kembali ke $q$ pada tiap sel anaknya pada akhir mitosisnya; banyaknya kromosom tak pernah berubah.

Proposisi 18.7 (Titik pemeriksaan)

Daurnya digerakkan maju sebuah keluarga protein kinase, yang diaktifkan bergiliran oleh protein yang disebut siklin yang arasnya naik turun sepanjang daurnya, dan ia ditahan pada titik pemeriksaan sampai syaratnya terpenuhi: pada akhir G $_1$ , selnya berkomitmen untuk mereplikasi hanya bila ia cukup besar, cukup makanan dan diberi isyarat untuk membelah, serta bila DNA-nya tidak rusak; pada akhir G $_2$ , ia masuk ke mitosis hanya ketika replikasinya lengkap; dalam mitosis, kromatidnya terpisah hanya ketika tiap kromosomnya terpaut pada gelendongnya dari kedua sisinya. Kerusakan menghentikan daurnya dan, bila tak dapat diperbaiki, memicu kematian selnya. Mesin molekul kendali ini menjadi bagian jilid Tahun ke-3; kegagalannya adalah kanker.

18.4 Mitosis

Definisi 18.8 (Mitosis)

Mitosis membagikan kromosom yang telah direplikasi sehingga tiap inti anaknya menerima satu kromatid tiap kromosomnya — dengan cacah dan gen yang sama dengan induknya. Tahapnya:

profase: kromosomnya memadat menjadi batang yang tampak, masing-masing berisi dua kromatid saudari yang dipegang bersama sepanjang tubuhnya oleh protein kohesin; kedua sentrosomnya bergerak menjauh dan gelendong mitosis dari mikrotubul tumbuh di antaranya;
prometafase: selubung intinya rusak; mikrotubul gelendongnya melekat pada kinetokor tiap kromatidnya, yaitu sebuah struktur protein pada sentromernya, dari kutub yang berlawanan;
metafase: kromosomnya berjajar pada khatulistiwa gelendongnya, masing-masing tertarik dari kedua kutubnya;
anafase: kohesinnya dipotong, kromatid saudarinya terpisah lalu ditarik ke kutub yang berlawanan seiring memendeknya mikrotubulnya (anafase A) dan menjauhnya kutubnya (anafase B);
telofase: kromosomnya mengurai, dan sebuah selubung inti terbentuk kembali mengelilingi tiap perangkatnya.

Sitokinesis lalu membelah sitoplasmanya: pada sel hewan sebuah cincin kerut dari aktin dan miosin menjepit selnya menjadi dua; pada sel tumbuhan vesikel dari Golgi melebur pada khatulistiwanya menjadi sebuah pelat sel yang tumbuh ke luar menjadi dinding baru.

Sel ujung akar bawang dalam interfase, profase, metafase, anafase, telofase, dan sesudah sitokinesis dengan dinding barunya melintang di tengahnya. Kromosomnya hanya tampak selama memadat, dari profase sampai telofase.

Empat tahap mitosis pada sebuah sel hewan. Profase: kromosomnya memadat seiring terbentuknya gelendong dari kedua sentrosomnya. Metafase: tiap kromosomnya duduk pada khatulistiwanya, terpaut dari kedua kutubnya. Anafase: kromatid saudarinya ditarik terpisah. Telofase: dua inti terbentuk kembali dan lekuknya membelah selnya.

Sebuah sel biakan pada metafase, mikrotubulnya ditandai hijau dan kromosomnya biru: gelendongnya menjangkau selnya dari kutub ke kutub dan kromosomnya membentuk sebuah pelat melintasi khatulistiwanya.

Proposisi 18.9 (Apa yang dilestarikan mitosis)

Mitosis adalah pembelahan yang melestarikan cacah kromosomnya: sebuah sel berkromosom 2n (46 pada manusia) memberikan dua sel berkromosom 2n. Kandungan DNA-nya bergerak dari $2q$ (sesudah replikasi) ke $q$ pada tiap sel anaknya; banyaknya kromosom tak pernah berubah, sebab sebuah kromosom dihitung menurut sentromernya, dan tiap kromatid, begitu terpisah, adalah sebuah kromosom. Karena itu tiap sel sebuah tubuh serupa secara genetik dengan sel telur asalnya, kecuali mutasi yang dimasukkan penyalinannya. Pembelahan yang membagi dua cacah kromosomnya, yaitu meiosis, menjadi bagian jilid Tahun ke-2.

Metode 18.10 (Membaca sebuah percobaan daur sel)

Ukurlah DNA tiap selnya (sebuah zat warna yang pendarannya sebanding dengan DNA-nya, sel demi sel): sel pada $q$ berada dalam G $_1$ , pada $2q$ dalam G $_2$ atau M, di antaranya dalam S. Fraksinya memberikan lamanya: bagian sebuah fase dari daurnya adalah bagiannya dari selnya.
Berikan sebuah denyut nukleotida bertanda (bromodeoksiuridina): hanya sel dalam fase S yang menyerapnya; fraksi yang bertanda adalah fraksi S-nya, dan mengikuti tandanya sampai mitosis memberikan lama G $_2$ -nya.
Hitunglah gambaran mitosis pada sebuah sayatan yang terwarnai: indeks mitosis, yaitu fraksi sel dalam M, adalah fraksi daurnya yang ditempati M — $4\,\%$ bagi daur $24\,\mathrm{h}$ dengan mitosis satu jam.
Hambatlah satu langkah (sebuah obat yang membongkar mikrotubul menahan sel pada metafase; obat yang menghambat sintesis DNA menahannya dalam S) lalu hitunglah apa yang menumpuk.

Contoh 18.11 (Perputaran)

Epitel usus halus diperbarui tiap empat hari, kulit tiap bulan, sel darah merah tiap empat bulan dari sumsumnya, yang menghasilkan dua juta tiap sekon; sebuah sel hati membelah kira-kira sekali setahun dan sebuah neuron tak pernah. Sel sebuah tumor telah kehilangan titik pemeriksaannya: mereka membelah ketika seharusnya tidak, menoleransi kromosom yang salah pilah, dan menimbun mutasi yang membuat mereka membelah lebih cepat lagi. Kemoterapi memanfaatkan perbedaan itu: obat yang meracuni gelendong atau polimerasenya membunuh sel yang paling banyak membelah.

18.5 Latihan

Latihan 18.1 ★

Jelaskan mengapa satu untai pada sebuah garpu disalin sinambung dan untai yang lain dalam keping.

Solusi

Solusi Latihan 18.1.

Polimerase hanya menambahkan nukleotida pada sebuah ujung $3'$ , sehingga untai baru tumbuh $5' \to 3'$ ; kedua cetakannya antiparalel, sehingga pada sebuah garpu satu untai baru dapat tumbuh ke arah garpunya secara sinambung sedangkan yang lain harus tumbuh menjauhinya, dengan memulai lagi dalam keping seiring terpaparnya cetakan baru.

Latihan 18.2 ★

Sebutkan enzim dan protein pada sebuah garpu replikasi dan tugas masing-masing.

Solusi

Solusi Latihan 18.2.

Helikase, yang mengurai heliksnya; protein pengikat untai tunggal, yang menahan untainya tetap terpisah; topoisomerase, yang melepaskan pilinan di depannya; primase, yang menaruh primer RNA; DNA polimerase, yang memperpanjang primernya lalu mengoreksi; sebuah polimerase kedua, yang mengganti primernya; dan ligase, yang menyegel fragmennya.

Latihan 18.3 ★

Dari gambar kandungan DNA-nya, bacalah kandungan DNA dalam G $_1$ , G $_2$ dan sesudah mitosis, serta banyaknya kromosom pada masing-masing.

Solusi

Solusi Latihan 18.3.

G $_1$ : $q$ , 2n kromosom berkromatid satu. G $_2$ : $2q$ , 2n kromosom berkromatid dua. Sesudah mitosis: $q$ tiap sel anak, 2n kromosom masing-masing.

Latihan 18.4 ★

Urutkan tahap mitosis dan berikan peristiwa penentu masing-masing.

Solusi

Solusi Latihan 18.4.

Profase (pemadatan, gelendongnya terbentuk), prometafase (selubungnya rusak, kinetokornya melekat), metafase (penjajaran pada khatulistiwanya), anafase (kromatidnya terpisah), telofase (selubungnya terbentuk kembali), lalu sitokinesis.

Latihan 18.5 ★★

Hitunglah banyaknya fragmen Okazaki yang dibuat saat menyalin genom manusia ( $6.4 \times 10^{9}$ pasangan, fragmen berisi $150\,$ ), dan banyaknya primer, penyingkiran primer serta penyambungan yang disiratkannya.

Solusi

Solusi Latihan 18.5.

Separuh genomnya adalah sintesis untai tertinggal: $6.4 \times 10^{9}/150 = 4.3 \times 10^{7}$ fragmen; sebanyak itu pula primer, penyingkiran dan penyambungannya.

Latihan 18.6 ★★

Hitunglah laju kekeliruan tiap genom manusia tiap replikasi bagi sebuah polimerase sendirian ( $10^{-5}$ ), dengan pengoreksian ( $10^{-7}$ ) dan dengan perbaikan salah pasang ( $10^{-9}$ ). Berapa banyak mutasi yang diberikan masing-masing tiap pembelahan?

Solusi

Solusi Latihan 18.6.

$6.4 \times 10^{9}\times 10^{-5} = 64\,000$ ; $\times 10^{-7}$ : 640; $\times 10^{-9}$ : sekitar 6 mutasi tiap pembelahan.

Latihan 18.7 ★★

Sebuah sel tubuh kehilangan $80\,$ nukleotida telomer tiap pembelahan dan mulai dengan $10\,\mathrm{kb}$ ; ia berhenti membelah pada $5\,\mathrm{kb}$ . Berapa banyak pembelahan yang dapat dilakukannya? Mengapa sebuah sel kanker memerlukan telomerase?

Solusi

Solusi Latihan 18.7.

$5000/80 = 62$ pembelahan. Sebuah tumor harus membelah tanpa batas; tanpa telomerase telomernya akan habis dan selnya akan terhenti atau mati, sehingga hampir semua kanker mengaktifkan kembali enzim itu.

Latihan 18.8 ★★

Sebuah jaringan memiliki $5\,\%$ selnya dalam mitosis dan $30\,\%$ dalam fase S; mitosisnya berlangsung satu jam. Hitunglah lama daurnya dan lama fase S-nya.

Solusi

Solusi Latihan 18.8.

Daurnya $= 1\,\mathrm{h}/0.05 = 20\,\mathrm{h}$ ; S $= 0.30\times 20 = 6\,\mathrm{h}$ .

Latihan 18.9 ★★

Sebuah sel memiliki 2n $= 8$ . Berikan banyaknya kromosom, kromatid dan kandungan DNA-nya (dalam $q$ ) pada G $_1$ , G $_2$ , metafase, dan tiap sel anak sesudah telofase.

Solusi

Solusi Latihan 18.9.

G $_1$ : 8 kromosom, 8 kromatid, $q$ . G $_2$ : 8, 16, $2q$ . Metafase: 8, 16, $2q$ . Sel anak: 8, 8, $q$ .

Latihan 18.10 ★★★

E. coli memerlukan $40\,\mathrm{min}$ untuk mereplikasi kromosomnya tetapi membelah tiap $20\,\mathrm{min}$ dalam medium kaya. Jelaskan bagaimana, lalu hitunglah berapa banyak titik awal dan garpu yang dimuat sebuah sel pada saat pembelahannya.

Solusi

Solusi Latihan 18.10.

Putaran baru mulai tiap $20\,\mathrm{min}$ pada titik awalnya sebelum putaran sebelumnya berakhir: replikasinya bertindih, dan sebuah sel yang baru lahir sudah memiliki DNA yang sebagian tereplikasi. Pada pembelahannya kromosom yang menyelesaikan putarannya dimulai $40\,\mathrm{min}$ lebih dahulu, sebuah putaran kedua yang dimulai $20\,\mathrm{min}$ lebih dahulu garpunya berada di tengah, dan putaran ketiga baru saja mulai: 4 titik awal dan 6 garpu pada sel yang membelah itu.

Latihan 18.11 ★★★

Kolkisin membongkar mikrotubul. Ramalkan apa yang terjadi pada sebuah sel yang membelah yang diperlakukan dengannya, pada cacah kromosomnya bila ia lalu masuk kembali ke interfase, dan mengapa obat itu dipakai untuk membuat kariotipe.

Solusi

Solusi Latihan 18.11.

Tak ada gelendong yang terbentuk: kromosomnya memadat tetapi tak dapat berjajar maupun terpisah, dan selnya terhenti pada titik pemeriksaan gelendongnya dalam keadaan serupa metafase. Bila ia tergelincir kembali ke interfase tanpa membelah ia berkromosom 4n (tetraploid). Sel yang terhenti dengan kromosom yang memadat dan terpisah justru itulah yang dibutuhkan sebuah kariotipe: obatnya dipakai untuk menimbunnya.

Latihan 18.12 ★★★

“Mitosis adalah penyalinan genomnya yang diikuti sebuah penghitungan.” Bahaslah dalam satu paragraf: apa yang dijamin replikasinya, apa yang dijamin gelendongnya, titik pemeriksaan di antaranya, dan apa yang gagal pada sebuah sel yang salah memilah sebuah kromosom.

Solusi

Solusi Latihan 18.12.

Replikasinya menjamin bahwa tiap kromosom menjadi dua kromatid yang serupa, sampai satu kekeliruan tiap semiliar; gelendongnya menjamin bahwa tiap sel anak menerima satu dari tiap pasangnya, dengan memautkan tiap kromosom dari kedua kutubnya dan menahan anafasenya sampai tiap kromosomnya tertarik. Titik pemeriksaan G $_2$ -nya memastikan penyalinannya selesai sebelum penghitungannya mulai; titik pemeriksaan gelendongnya memastikan penghitungannya siap sebelum pemisahannya. Sebuah sel yang salah memilah berakhir dengan satu kromosom terlalu banyak atau terlalu sedikit (aneuploidi): sebuah salinan yang benar sampai hurufnya, yang diantarkan ke alamat yang keliru — yang membunuh sebagian besar sel semacam itu dan menjadi ciri sebagian besar kanker.

18.6 Soal: Menyalin Sebuah Genom Manusia

Soal 18.1

Soal akhir pekan — sebuah fase S delapan jam: garpunya yang diukur waktunya, titik awalnya yang dihitung, fragmen dan primernya yang ditotal, kekeliruannya yang diperhitungkan, dan sebuah bakteri yang dibandingkan, berakhir pada cacah titik awal minimumnya

Sebuah sel manusia mereplikasi $6.4 \times 10^{9}$ pasangan basa dalam sebuah fase S $8\,\mathrm{h}$ . Sebuah garpu eukariot bergerak $50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ ; sebuah garpu bakteri $1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ . Fragmen Okazaki berisi $150\,$ nukleotida pada eukariot dan $1500\,$ pada bakteri. Tiap nukleotida yang ditambahkan memakan biaya dua setara ATP (prazat trifosfatnya). Laju kekeliruan tiap basa: $10^{-5}$ bagi polimerasenya sendirian, $10^{-7}$ dengan pengoreksian, $10^{-9}$ dengan perbaikan salah pasang.

Bagian I — Garpu dan titik awalnya.

Berapa banyak pasangan basa yang disalin satu garpu dalam $8\,\mathrm{h}$ ?
Sebuah titik awal mengirim dua garpu. Berapa banyak pasangan basa yang disalin satu titik awal dalam $8\,\mathrm{h}$ ?
Hitunglah cacah minimum titik awal yang dibutuhkan untuk menyalin genomnya dalam $8\,\mathrm{h}$ bila semuanya menyala pada awalnya.
Hitunglah jarak rata-rata titik awal itu sepanjang DNA-nya, dalam kilobasa dan dalam mikrometer.
Sesungguhnya titik awalnya menyala sepanjang fase S dan sekitar $40\,000$ dipakai. Hitunglah jarak rata-ratanya dan jarak rata-rata yang sesungguhnya ditempuh satu garpu.
Berapa lama kromosom terbesarnya ( $250\,\mathrm{Mb}$ ) akan disalin dari satu titik awal di tengahnya?
Jelaskan mengapa cacah titik awalnya, bukan kecepatan garpunya, yang disetel evolusi untuk memendekkan fase S-nya.

Bagian II — Fragmen dan primernya.

Hitunglah banyaknya fragmen Okazaki yang dibuat dalam satu fase S.
Hitunglah banyaknya primer RNA yang ditaruh, termasuk satu tiap untai pemimpin tiap titik awalnya.
Hitunglah banyaknya penyambungan yang dibutuhkan.
Hitunglah total nukleotida yang dipolimerkan (kedua untai seluruh genomnya).
Hitunglah setara ATP yang dibelanjakan bagi pemolimerannya, dan laju rata-ratanya dalam ATP tiap sekon sepanjang fase S-nya.
Bandingkan dengan perputaran ATP sebuah sel yang beristirahat sekitar $10^9$ tiap sekon: berapa fraksi energi selnya yang pergi ke pemolimerannya?

Bagian III — Kekeliruannya.

Hitunglah banyaknya kekeliruan tiap fase S pada ketiga laju kekeliruannya.
Urutan penyandi sebuah gen adalah $1.5\,\mathrm{kb}$ . Dengan mesin yang lengkap, berapa peluang sebuah gen tertentu memperoleh sebuah mutasi dalam satu pembelahan?
Sel seseorang menjalani sekitar $10^{16}$ pembelahan seumur hidup. Berapa banyak mutasi seluruhnya, pada $10^{-9}$ ? Mengapa tubuhnya menoleransi hal ini?
Sebuah mutasi melumpuhkan perbaikan salah pasangnya. Berapa kali lipat laju mutasinya naik, dan apa akibatnya bagi risiko kanker seumur hidup?

Bagian IV — Bakterinya. E. coli: $4.6\,\mathrm{Mb}$ , satu titik awal, dua garpu.

Hitunglah waktu mereplikasi kromosomnya.
Dalam medium kaya selnya membelah tiap $20\,\mathrm{min}$ . Berapa banyak putaran replikasi yang sedang berjalan sekaligus, dan berapa banyak titik awal yang dibawa sebuah sel yang baru lahir?
Hitunglah banyaknya fragmen Okazaki tiap putaran dan tiap sekon.
Hitunglah kekeliruannya tiap putaran pada $10^{-9}$ dan fraksi sel anak yang membawa sebuah mutasi baru.
Sebuah biakan berisi $10^9$ sel tiap mililiter membelah sekali. Berapa banyak mutasi baru yang muncul dalam satu mililiter, dan berapa banyak yang mengenai sebuah gen $1\,\mathrm{kb}$ tertentu?
Jelaskan mengapa ketahanan antibiotik dapat ditemukan pada hampir tiap biakan besar sebuah galur yang peka.
Bandingkan kedua organismenya: pasangan basa, titik awal, kecepatan garpu, lama fase S, dan rancangan yang membuat genom yang lebih besar dapat disalin dalam waktu yang sebanding.
Nyatakan hasilnya: cacah minimum titik awal bagi sebuah fase S manusia $8\,\mathrm{h}$ , serta cacah dan jarak yang sesungguhnya.

Solusi

Solusi Soal 18.1.

1. $50\times 28\,800 = 1.44 \times 10^{6}\,\mathrm{bp}$ . 2. $2.88 \times 10^{6}\,\mathrm{bp}$ . 3. $6.4 \times 10^{9}/2.88 \times 10^{6} = 2220$ titik awal. 4. $2.9\,\mathrm{Mb}$ , yakni $2.9\times 10^6\times 0.34\,\mathrm{nm} = 0.98\,\mathrm{mm}$ DNA antara titik awalnya. 5. Jaraknya $6.4 \times 10^{9}/40\,000 = 160\,\mathrm{kb}$ ; tiap garpu menempuh sekitar $80\,\mathrm{kb}$ , kerja setengah jam. 6. $125\,\mathrm{Mb}$ tiap garpu pada $50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ : $2.5 \times 10^{6}$ s, yakni 29 hari. 7. Kecepatan garpunya dibatasi kimianya dan kromatinnya (perlambatan dua puluh kali terhadap bakteri); titik awalnya dapat dilipatgandakan tanpa batas, sehingga fase S-nya dipendekkan dengan menambah titik awal, bukan dengan memacu garpunya. 8. Sintesis tertinggalnya meliputi separuh genomnya, $3.2 \times 10^{9}$ nukleotida: $2.1 \times 10^{7}$ fragmen (kedua garpu tiap titik awalnya masing-masing memiliki sebuah untai tertinggal, dan kedua paruhnya berjumlah senilai satu genom). 9. $2.1 \times 10^{7} + 2\times40\,000 = 2.1 \times 10^{7}$ primer. 10. Sekitar $2.1 \times 10^{7}$ penyambungan (satu tiap fragmen) ditambah satu tiap pertemuan garpunya. 11. $2\times6.4 \times 10^{9} = 1.28 \times 10^{10}$ nukleotida. 12. $2.56 \times 10^{10}$ ATP; sepanjang $28\,800\,\mathrm{s}$ , $8.9 \times 10^{5}$ tiap sekon. 13. Sekitar $0.1\,\%$ perputaran ATP selnya: pemolimerannya murah; yang mahal adalah membuat nukleotida dan histonnya. 14. $64\,000$ , 640 dan 6.4 kekeliruan. 15. $1500\times 10^{-9} = 1.5 \times 10^{-6}$ : satu gen tiap tujuh ratus ribu tiap pembelahan. 16. $10^{16}\times 6.4 = 6.4 \times 10^{16}$ mutasi — tiap perubahan tunggal genomnya yang mungkin, berkali-kali, yang tersebar di antara $10^{13}$ selnya: hampir semuanya jatuh pada DNA bukan penyandi atau pada sel yang ditanggalkan, dan sebuah sel yang bermutasi adalah satu di antara miliaran; hanya beberapa gabungan dalam satu sel yang penting. 17. Seratus kali ( $10^{-7}$ ): urutan mutasi yang membuat sebuah kanker, yang memakan waktu berdasawarsa untuk menumpuk pada $10^{-9}$ , menumpuk jauh lebih cepat — cacat bawaan pada perbaikan salah pasang menyebabkan kanker usus besar pada awal masa dewasa. 18. $2.3 \times 10^{6}$ pasangan tiap garpu pada $1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ : $2300\,\mathrm{s}$ , $38\,\mathrm{min}$ . 19. Sekitar dua putaran yang bertindih; sebuah sel yang baru lahir membawa dua titik awal (yang masing-masing sudah tereplikasi sekali) dan garpu yang berada di tengah: kromosomnya sebagian sudah tereplikasi saat lahir. 20. $4.6 \times 10^{6}/1500 = 3070$ fragmen tiap putaran, sekitar 1.3 tiap sekon. 21. $4.6 \times 10^{6}\times 10^{-9} = 4.6 \times 10^{-3}$ kekeliruan tiap putaran: sekitar satu sel anak dari 200 membawa sebuah mutasi baru. 22. $10^9\times4.6 \times 10^{-3} = 4.6 \times 10^{6}$ mutasi baru tiap mililiter; sebuah gen $1\,\mathrm{kb}$ tertentu terkena $4.6 \times 10^{6}\times 1000/4.6 \times 10^{6} = 1000$ kali. 23. Dengan seribu mutasi bebas pada gen mana pun tiap mililiter tiap pembelahan, tiap perubahan tunggal yang mungkin — termasuk yang memberikan ketahanan — sudah hadir dalam sebuah biakan besar sebelum antibiotiknya dikenakan; obatnya memilih, ia tidak menciptakan. 24. Manusia: $6.4 \times 10^{9}$ pasangan, $40\,000$ titik awal, $50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ , $8\,\mathrm{h}$ . Bakteri: $4.6 \times 10^{6}$ pasangan, satu titik awal, $1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ , $40\,\mathrm{min}$ . Sebuah genom seribu kali lebih besar, yang disalin garpu dua puluh kali lebih lambat, hanya dalam dua belas kali waktunya: selisihnya adalah puluhan ribu titik awal yang bekerja serentak. 25. Sekitar $2200$ titik awal paling sedikit, seandainya semuanya menyala sekaligus; sesungguhnya sekitar $40\,000$ , satu tiap $160\,\mathrm{kb}$ , yang menyala berurutan sehingga tiap garpunya menempuh sekitar $80\,\mathrm{kb}$ .

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 479 istilah di glosarium