Embedded Files
Urutan asam amino dari setiap protein dalam sel, dan urutan nukleotida dari setiap RNA, ditentukan oleh urutan nukleotida dalam DNA sel. Segmen dari molekul DNA yang mengandung informasi yang dibutuhkan untuk sintesis suatu produk biologis yang fungsional, baik itu protein maupun RNA, disebut sebagai gen. Sebuah sel biasanya memiliki ribuan gen, dan tidak mengherankan jika molekul DNA cenderung berukuran sangat besar. Penyimpanan dan transmisi informasi biologis adalah satu-satunya fungsi DNA yang diketahui.
RNA memiliki fungsi yang lebih beragam, dan terdapat beberapa kelas RNA dalam sel. Ribosomal RNA (rRNA) merupakan komponen ribosom, yaitu kompleks yang menjalankan sintesis protein. Messenger RNA (mRNA) berfungsi sebagai perantara, membawa informasi genetik dari satu atau beberapa gen ke ribosom, tempat protein yang sesuai dapat disintesis. Transfer RNA (tRNA) adalah molekul adaptor yang secara akurat menerjemahkan informasi dalam mRNA menjadi urutan asam amino yang spesifik.
1. Nukleotida dan Asam Nukleat Tersusun Atas Basa dan Gula Pentosa yang Khas
1. Nukleotida dan Asam Nukleat Tersusun Atas Basa dan Gula Pentosa yang Khas
Nukleotida memiliki tiga komponen utama:
(1) basa nitrogen (mengandung nitrogen),
(2) gula pentosa, dan
(3) gugus fosfat
Gambar 1. Struktur Nukleotida secara umum yang terdiri dari gula pentosa, gugus fosfat, dab basa nitrogennya
Gambar 2. Senyawa induk basa pirimidin dan purin
Molekul tanpa gugus fosfat disebut nukleosida. Basa nitrogen merupakan turunan dari dua senyawa induk, yaitu pirimidin dan purin. Basa dan pentosa dalam nukleotida umum adalah senyawa heterosiklik. Atom karbon dan nitrogen pada struktur induk diberi nomor untuk memudahkan penamaan dan identifikasi berbagai turunan. Pada cincin pentosa, penomoran karbon diberi tanda apostrof (misalnya 1') untuk membedakan dari penomoran pada basa nitrogen.
Basa dalam nukleotida terikat secara kovalen pada atom karbon 1' dari pentosa melalui ikatan N-glikosidik (N-1 pada pirimidin dan N-9 pada purin), sedangkan gugus fosfat teresterifikasi pada karbon 5'. Ikatan N-glikosidik terbentuk dengan cara pelepasan elemen air (gugus hidroksil dari gula dan hidrogen dari basa), mirip dengan pembentukan ikatan O-glikosidik.
DNA dan RNA sama-sama mengandung dua basa purin utama: adenin (A) dan guanin (G) yang terlihat pada gambar 3, serta dua basa pirimidin utama (gambar 4). Pada DNA dan RNA, salah satu pirimidinnya adalah sitosin (C), tetapi basa pirimidin lainnya berbeda: DNA mengandung timin (T), sedangkan RNA mengandung urasil (U). Timin sangat jarang ditemukan dalam RNA, begitu juga urasil dalam DNA.
Gambar 3. Nama umum basa purin
Gambar 4. Nama umum basa pirimidin
Tabel 1. Nomenklatur nukleotida, nukleosida dan asam nukleat
Asam nukleat memiliki dua jenis gula pentosa. Unit deoksiribonukleotida dalam DNA mengandung 2-deoksi-D-ribosa, sedangkan unit ribonukleotida dalam RNA mengandung D-ribosa. Dalam nukleotida, kedua jenis pentosa berbentuk β-furanosa (cincin lima anggota yang tertutup). Seperti terlihat pada Gambar 5, cincin pentosa ini tidak planar, tetapi memiliki berbagai konformasi yang umumnya disebut sebagai bentuk “berkerut” (puckered).
Gambar 5. Bentuk gula pentosa dalam bentuk planar (aldehida) dan cincin (β-furanosa)
Gambar 6 menunjukkan struktur dan nama dari empat deoksiribonukleotida utama (deoksiribonukleosida 5'-monofosfat), unit struktural DNA, dan Gambar 7 menunjukkan struktur dan nama dari empat ribonukleotida utama (ribonukleosida 5'-monofosfat), unit struktural RNA. Urutan spesifik A, T, G, dan C dalam DNA merupakan tempat penyimpanan informasi genetik.
Gambar 6. Struktur dan nama deoksiribonukleotida
Gambar 7. Struktur dan nama ribonukleotida
Baik DNA maupun RNA mengandung basa minor (lihat Gambar 8 dan 9). Dalam DNA, basa minor yang paling umum adalah bentuk metilasi dari basa utama; dalam DNA virus tertentu, beberapa basa mungkin mengalami hidroksimetilasi atau glukosilasi. Basa yang diubah atau tidak umum dalam molekul DNA sering berperan dalam mengatur atau melindungi informasi genetik. Berbagai jenis basa minor juga ditemukan dalam RNA, terutama pada tRNA.
Gambar 8. Basa minor DNA
Gambar 9. Basa minor RNA
Penamaan basa minor bisa membingungkan. Seperti basa utama, banyak yang memiliki nama umum—misalnya hipoksantin, yang dalam bentuk nukleosida disebut inosin (Gambar 9). Ketika atom pada cincin purin atau pirimidin digantikan, konvensi penamaannya adalah dengan mencantumkan posisi atom cincin tersebut, contohnya: 5-metilsitosin, 7-metilguanin, dan 5-hidroksimetilsitosin. Jenis atom tempat substituen melekat (seperti N, C, atau O) tidak dicantumkan.
Namun, konvensi berubah jika atom pengganti berada di luar cincin (ekso-siklik). Dalam hal ini, jenis atom disebutkan dan posisi pada cincin ditandai dengan superskrip. Misalnya, nitrogen amino yang terikat pada C-6 dari adenin ditulis sebagai N⁶, dan pada guanin, oksigen karbonil dan nitrogen amino pada C-6 dan C-2 ditulis sebagai O⁶ dan N². Contohnya termasuk N⁶-metiladenosin dan N²-metilguanosin.
Sel juga mengandung nukleotida dengan gugus fosfat pada posisi lain selain karbon 5' (lihat Gambar 10). Ribonukleosida 2',3'-siklik monofosfat merupakan senyawa antara yang dapat diisolasi, sedangkan ribonukleosida 3'-monofosfat adalah hasil akhir dari hidrolisis RNA oleh beberapa ribonuklease.
Gambar 10. Beberapa jenis adenosin monofosfat
2. Ikatan Fosfodiester Menghubungkan Nukleotida Secara Berurutan dalam Asam Nukleat
2. Ikatan Fosfodiester Menghubungkan Nukleotida Secara Berurutan dalam Asam Nukleat
Gambar 11. Ikatan fosfodiester dalam rangka kovalen pada DNA dan RNA
Nukleotida-nukleotida dalam DNA dan RNA dihubungkan secara kovalen melalui "jembatan" gugus fosfat, di mana gugus fosfat pada posisi 5′ dari satu nukleotida terikat dengan gugus hidroksil pada posisi 3′ dari nukleotida berikutnya, membentuk ikatan fosfodiester (lihat Gambar 8–7). Dengan demikian, rangka kovalen dari asam nukleat terdiri atas gugus fosfat dan residu pentosa yang berselang-seling, sementara basa nitrogen bertindak sebagai gugus samping yang menempel pada tulang punggung tersebut secara berkala.
Tulang punggung dari DNA dan RNA bersifat hidrofilik. Gugus hidroksil dari gula membentuk ikatan hidrogen dengan air. Gugus fosfat, yang memiliki pKa mendekati 0, akan terionisasi sempurna dan bermuatan negatif pada pH 7. Muatan negatif ini umumnya dineutralisasi oleh interaksi ionik dengan muatan positif dari protein, ion logam, atau poliamina.
Semua ikatan fosfodiester dalam rantai memiliki orientasi yang sama (lihat Gambar 8–7), memberikan polaritas tertentu dan ujung 5′ serta 3′ yang berbeda pada setiap untai asam nukleat. Ujung 5′ secara definisi tidak memiliki nukleotida pada posisi 5, dan ujung 3′ tidak memiliki nukleotida pada posisi 3. Pada kedua ujung, dapat juga terdapat gugus lain (paling umum satu atau lebih gugus fosfat).
Tulang punggung kovalen dari DNA dan RNA dapat mengalami hidrolisis non-enzimatis pada ikatan fosfodiester. Dalam tabung reaksi, RNA mudah terhidrolisis dalam kondisi basa, sedangkan DNA tidak. Hal ini karena RNA memiliki gugus hidroksil 2′ yang tidak dimiliki DNA. Produk awal dari aksi basa pada RNA adalah nukleotida siklik 2′,3′-monofosfat, yang kemudian dihidrolisis lebih lanjut menjadi campuran nukleosida monofosfat 2′ dan 3′ (lihat Gambar 12).
Gambar 12. Hidrolisis RNA pada kondisi basa
Urutan nukleotida dalam asam nukleat dapat digambarkan secara skematis, seperti pada segmen DNA dengan lima unit nukleotida di halaman berikutnya. Gugus fosfat disimbolkan dengan huruf P, dan tiap deoksiribosa disimbolkan dengan garis vertikal, dari karbon 1′ di atas hingga karbon 5′ di bawah (namun perlu diingat bahwa gula selalu berada dalam bentuk cincin tertutup β-furanosa dalam asam nukleat). Garis penghubung antar nukleotida digambarkan miring dari bagian tengah (C-3′) deoksiribosa nukleotida pertama ke bagian bawah (C-5′) nukleotida berikutnya.
Gambar 13. Skema urutan nukleotida pada asam nukleat
Sesuai konvensi, struktur untai tunggal asam nukleat selalu dituliskan dari ujung 5′ di sebelah kiri ke ujung 3′ di sebelah kanan, yaitu dalam arah 5′ → 3′. Representasi sederhana dari pentadeoksiribonukleotida ini bisa dituliskan sebagai:
pA-C-G-T-AOH
pApCpGpTpA
pACGTA
Asam nukleat pendek disebut oligonukleotida. Batasan "pendek" ini bersifat relatif, tetapi umumnya polimer dengan 50 atau lebih sedikit nukleotida digolongkan sebagai oligonukleotida. Jika lebih panjang, maka disebut sebagai polinukleotida.
3. Sifat Basa Nukleotida Mempengaruhi Struktur Tiga Dimensi Asam Nukleat
3. Sifat Basa Nukleotida Mempengaruhi Struktur Tiga Dimensi Asam Nukleat
Pirimidin dan purin bebas merupakan senyawa yang bersifat basa lemah, sehingga disebut sebagai basa. Mereka memiliki beragam sifat kimia yang memengaruhi struktur dan pada akhirnya fungsi dari asam nukleat. Basa purin dan pirimidin yang umum ditemukan dalam DNA dan RNA adalah molekul yang sangat terkonjugasi (lihat Gambar 3 & 4), suatu sifat yang berdampak penting terhadap struktur, distribusi elektron, dan penyerapan cahaya dari asam nukleat. Resonansi antar atom dalam cincin memberikan karakter ikatan rangkap parsial pada sebagian besar ikatannya. Akibatnya, molekul pirimidin bersifat planar (datar), sedangkan purin hampir planar, dengan sedikit kelengkungan.
Basa purin dan pirimidin bebas dapat memiliki dua atau lebih bentuk tautomerik, tergantung pada pH. Sebagai contoh, urasil dapat berada dalam bentuk laktam, laktim, dan laktim ganda (lihat Gambar 14). Struktur yang ditunjukkan dalam Gambar 3 & 4 merupakan bentuk tautomer yang dominan pada pH 7,0. Karena adanya resonansi, semua basa nukleotida menyerap cahaya ultraviolet (UV), dan asam nukleat memiliki penyerapan kuat pada panjang gelombang sekitar 260 nm (lihat Gambar 15).
Gambar 14. Bentuk laktan, laktim dan laktim ganda pada Urasil
Gambar 15. Spektrum penyerapan gelombang cahaya pada nukleotida
Basa purin dan pirimidin bersifat hidrofobik dan relatif tidak larut dalam air pada pH sel yang mendekati netral. Namun pada pH yang sangat asam atau basa, basa-basa ini akan bermuatan dan kelarutannya dalam air meningkat. Salah satu mode interaksi penting antar basa dalam asam nukleat adalah interaksi tumpukan hidrofobik (base stacking), di mana dua atau lebih basa tersusun sejajar seperti tumpukan koin. Tumpukan ini juga melibatkan interaksi van der Waals dan dipol-dipol antar basa. Interaksi ini membantu meminimalkan kontak antara basa dan air, serta sangat berperan dalam menstabilkan struktur tiga dimensi asam nukleat.
Gambar 16. Pola ikatan hidrogen oleh Watson dan Crick (1953)
Kelompok fungsi paling penting dalam basa purin dan pirimidin adalah atom nitrogen cincin, gugus karbonil, dan gugus amino eksosiklik. Ikatan hidrogen yang melibatkan gugus amino dan karbonil merupakan bentuk kedua dari interaksi penting antar basa dalam molekul asam nukleat. Ikatan hidrogen antar basa memungkinkan asosiasi komplementer antara dua (kadang tiga atau empat) untai asam nukleat.
Pola pengikatan ikatan hidrogen yang paling penting adalah yang didefinisikan oleh James D. Watson dan Francis Crick pada tahun 1953, di mana adenin (A) berpasangan secara spesifik dengan timin (T) (atau urasil/U dalam RNA), dan guanin (G) dengan sitosin (C) (lihat Gambar 16). Dua tipe pasangan basa ini mendominasi dalam DNA dan RNA untai ganda, dan bentuk tautomer seperti yang ditampilkan dalam Gambar 3 & 4 bertanggung jawab atas pola ini. Pasangan basa spesifik ini memungkinkan proses penggandaan informasi genetik, yang akan dibahas lebih lanjut dalam bab ini.
Page updated
Google Sites
Report abuse