BAB XI NUKLEOTIDA DAN ASAM NUKLEAT Tujuan Instruksional Khusus: Setelah mengikuti kuliah pokok bahasan metabollsme lipid mahasiswa dapat: 1) memahami dan menjelaskan tentang struktur, sifat fisik dan kimiawi nukleotida, DNA dan RNA 2) memahami dan menjelaskan tentang fungsi biologis DNA sebagai pembawa informasi genetik yang tersimpan dalam gen dan terkemas dalam kromosom. Subpokok Bahasan 1: Struktur daar nukleotida, DNA dan RNA. A. Nukleotida dan asam nukleat 1. Komponen Nukleotida dan Asam Nukleat Ada tiga komponen utama penyusun nukleotida dan asam nukleat, yaitu a. basa nitrogen, terdiri dari dua senyawa induk yaltu purin (adenin dan guanin) dan pirimidin (timin, sitosin dan urasil) b. gula pentosa, dapat berupa ribosa dan deoksiribosa, atom C-1 mengikat basa nitrogen dengan ikatan glikosil c. gugus fosfat, teresterifikasi pada atom C-5 pentosa d. Gambar Xl.1. Nukleosida dan nukteotida Universitas Gadjah Mada 1
2. Nomenklatur Nukleotida dan Asam Nukleat Nukleotida memiliki karakteristik pada jenis basa dan pentosanya sehingga dikelompokkan berdasarkan jenis komponennya tersebut. Nomenklatur (tata nama) nukleotida dan asam nuki eat seperti terlihat pada tabel 1 Tabel 1. Nomenklatur nukleotida dan asam nukleat Basa Nukleosida Nukleotida Asam nukleat Purin Adenine Adenosin Deoksiadenosin Adenilat Deoksiadenilat RNA DNA Guanin Guanosin Deoksiguanosin Guanilat Deoksiguanilat RNA DNA Pirimidin Sitosin Sitidin Deoksisitidin Sitidilat Deoksisitidilat RNA DNA Timin Timidin atau Timidilat atau DNA Deoksitimidin Deoksitimidilat Urasil Uridin Uridilat RNA penyusunnya, memiliki gugus fosfat. Beberapa nukleotida mengikat fosfat secara spesifik. Sedangkan tata nama asam nukleat yang merupakan polimer nukleotida, ditentukan oleh jenis nukleotidanya. Jenis nukleotida ada 5 macam yakni: 1) ATP 2) GTP 3) CTP 4) TTP 5) UTP Universitas Gadjah Mada 2
Gambar XI.2. Jenis nukleotida (A adenin, T timin, G guanin, C sitosin, U 3. Struktur Asam Nukleat Rangkaian nukleotida pada DNA dan RNA dihubungkan dengan jembatan gugus tat (ikatan fosfodiester). Jembatan tersebut menghubungkan gugus hidroksi C-5 (5 ) pentosa suatu nukleotida dengan gugus hidroksi pada C-3 (3 ) pentosa nukleotida yang lain. Aturan menuliskan rantai tunggal asam nukleat dimulai dari gugus akhir 5 di sebelah kiri dan gugus akhir 3 disebelah kanan. Universitas Gadjah Mada 3
Contoh : 5 -ACTGTAAATGCC-3 Gambar XI2. Struktur kimia DNA jalin ganda Berdasarkan jumlah nukeotidanya, asam nukleat dapat berupa oligonukleotida (kurang dari 50 nukleotida) dan polinukleotida (Iebih dari 50 nukleotida) Struktur asam nukleat dipengaruhi oleh sifat-sifat basa nukleotidanya: 1. Purin dan pirimidin merupakan senyawa yang mempunyai kemampuan untuk berkonjugasi, hal ini disebabkan kemampuan basa tersebut membentuk tautomemya pada ph yang bervariasi. Misal, urasil ph 7 akan didominasi dengan struktur Iaktam, sedang ph yang rendah didominasi bentuk Iainnya. 2. Semua basa N pada asam nukleat menyerap cahaya pada panjang gelombang sekitar 260 nm. Universitas Gadjah Mada 4
3. Basa purin dan pinmidin bersifat hidrofobik dan relatif tidak larut dalam air pada ph sel (mendekati netral). Pada ph alkalis atau asam, basa N tersebut bermuatan dan kelarutannya dalam air akan meningkat. 4. Sifat hidrofobik pada basa N menyebabkan kecenderungan untuk tarik menarik antara basa N melalui ikatan Van der Waals dan dipole-dipole sehingga meminimalkan kontak dengan molekul air. Hal ini penting untuk menjaga stabilitas struktur tiga dimensi asam nukleat. 5. Adanya ikatan antara basa N dari asam nukleat akan menyebabkan absorbsi panjang gelombang relatif lebih rendah dan pada larutan nukleotida bebas dengan konsentrasi yang sama. Sifat ini disebut sebagai efek hipokromik. 6. Gugus fungsional yang terpenting pada basa N adalah cincin N, gugus karbonil dan gugus eksosiklik amino. 7. Ikatan hydrogen yang melibatkan gugus amno dan karbonil juga merupakan interaksi basa N yang penting. Pola ikatan yang penting yang ditemukan oleh Watson dan Crick (1953) yakni Adenin akan berikatan dengan Timin atau Urasil, sedangkan Guanin akan berikatan dengan Sitosin. Ikatan yang membentuk pasarigan basa yang spesifik tersebut memungk/nkan terjadfnya proses dupilkasi informasi genetik melaui sintesis rarital asam nukleat baru yang komplemenn dengan rantai asam nukleat yang lama. A. DNA DNA berfungsi sebagai pemyimpan informasi genetik. DNA memiliki komposisi N yang berbeda-beda Berdasarkan penelitian Erwin Chargaff dkk (1940) hasilkan 4 hal yang berkaitan dengan komposisi basa N pada DNA: a. Komposisi bass N DNA umumny bervariasi dari satu spesies dengan spesies yang lain. b. DNA suatu spesimen yang diisolasi dari jaringan yang berbeda dari suatu spesies yang sama mempunyai komposisi basa N yang sama. c. Komposisi basa N pada DNA suatu spesies tidak berubah akibat umur organisme, status nutrisi atau perubahan lingkungan. d. Semua DNA (tidak tergantung spesiesnya) mempunyai jumlah residu adenin (A) yang sama dengan ressidu timin (A = T), sedang jumlah residu guanin akan sama dengan residu sitosin (G = C). Jumlah punin sama dengan jumlah pinimidin atau A + G = T + C (rumusan Chargaff) DNA mempunyai struktur jalin ganda (double helix). Sifat-sifat spesifik dari basa N pada DNA menentukan struktur rangkaian DNA. DNA membentuk jalin ganda heliks yang Universitas Gadjah Mada 5
berputar ke arah kanan pada porosnya dengan pola yang teratur berupa 2 periode uliran (koil). Periode pertama uliran berjarak 0,34 nm, sedangkan uliran kedua berjarak 3,6 nm. Adanya pola uliran tersebut menyebabkan terbentuknya struktur cekungan besar (major groove) dan cekungan kecil (minor groove). Dua rangkaian DNA yang membentuk jalin ganda tersebut mempunyai arah ikatan fosfodiester 5, 3 yang benlawanan (antiparalel) yakni 5,3 dan 3,5. DNA dapat membentuk 3 struktur yang berbeda. DNA mempunyai struktur yang fleksibel tergantung dari posisi ikatan fosfodiester yang menghubungkan gula dan fosfat. Ada tiga struktur DNA, yaitu: a. Bentuk A, mempunyai jarak uliran (koil) 0,23 m per pasangan basa, tersusun oleh 11 pasang basa, dan arah uliran ke kanan b. Bentuk B, merupakan stnuktur umum DNA, mempunyai jarak uliran 0,34 nm per pasangan basa, tersusun oleh 10,5 pasang basa dan arah uliran ke kanan. c. Bentuk Z, hanya dijumpai pada DNA yang berperan spesifik, jarak uliran 0,38 nm per pasangan basa, tersusun 12 pasang basa dan anah ulinan ke kiri. Urutan basa N berupa adenin yang muncul Iebih dari 4 kali pada salah satu rantai DNA akan menyebabkan struktur yang melengkung, misalnya 6 adenin membentuk sudut 18. Lengkungan tersebut berfungsi untuk mengikat protein. Urutan DNA spesifik yang sering dijumpai adalah urutan palindrom yakni urutan basa N pada salah satu rantai DNA yang dibaca ke arah kanan akan sama dengan urutan basa N dan rantai DNA yang lain yang dibaca ke arah kin. Urutan spesifik tersebut merupakan sasaran bekerjanya enzim endonuklease (enzim yang memotong rantai DNA). Urutan spesifik lainnya akan membentuk berbagai struktur DNA, misalnya struktur jepit rambut (hairpin), struktur cruciform atau struktur triple helix. B. RNA (Asam ribo nukleat) RNA merupakan senyawa asam nukleat terbanyak kedua setelah DNA. RNA umumnya berupa jalin tunggal (stnuktur primer). mrna menupakan senyawa pembawa kode untuk membentuk rangkaian polipeptida yang berperan sebagai perantara yang mengubah infonmasi genetik menjadi protein fungsional. Pada organisme prokaniotik satu molekul mrna mengkode satu atau beberapa polipeptida (polisistronik), sedang pada eukanotik satu molekul mrna meñgkode satu polipeptida (monosistronik). Universitas Gadjah Mada 6
Banyak molekul RNA yang mempunyai struktur sekunder yang lebih komplek dani DNA. Struktur sekunder RNA disebabkan adanya rangkaian yang saling komplemen pada basa nukleotidanya. Salah satu RNA yang membentuk struktun kompleks adalah transfer RNA (trna) yang berperan untuk mengikat asam amino yang akan dirangkaikan pada polipeptida. Universitas Gadjah Mada 7
Gambar XI.3. Struktur kimia RNA (a)struktur kompleks rrna (b) dan trna (c). 4. Sifat Kimiawi Asam nukleat Pada kondisi ph yang ekstem atau pada suhu diatas 80-90 C, jalin ganda DNA atau RNA dapat mengalami denaturasi, yakni lepasnya ikatan hidrogen antara basa yang berpasangan. Universitas Gadjah Mada 8
Jika suhu kembali normal (kurang dari 60 C) dan ph 7, rangkaian DNA atau RNA yang mengalami denaturasi dapat bergabung kembali membentuk jalin ganda melalui proses annealing. Proses denaturasi atau melting untuk masing-masing DNA mempunyai nilai tengah temperatur tm yang berbeda, tergantung dan PH dan jumlah pasangan G = C Subpokok Bahasan 2: Fungsi biologis nukleotida dan asam nukleat 1. DNA sebagai pembawa informasi genetic a. Gen dan kromosom b. Ukuran dan urutan DNA c. DNA superkoil d. Kromatin dan struktur nukleoid Universitas Gadjah Mada 9
Gambar XI4. Kromosom pada organisme eukaryotik (a) dan prokaiyotik (b) Fungsi lain Nukleotida Nukeotida mempunyai beberapa peranan yaitu: a. merupakan senyawa yang kaya energi yang sangat diperlukan dalam proses metabolisme (ATP, ADP) b. berperan sebagai signal kimiawi yang menghubungkan respon sel terhadap hormon maupun menangkap stimulus dan luar sel (camp) c. komponen struktural dan beberapa koenzim (NAD, NADH) Universitas Gadjah Mada 10
LATIHAN SOAL lsilah titik-titik di bawah ini! Monomer asam nukleat adalah 1) yang terdiri dari 3 komponen yaitu 2), 3) dan 4) Antara monomer-monomer tersebut dihubungkan dengan ikatan 5) Basa yang dimiliki oleh RNA adalah 6), 7) 8)dan 9) Deoksiribonukleosida adenin disebut 10) Sekuen yang terdapat pada 2 untai ganda DNA bersifat 11) dimana timin selalu berpasangan dengan 12) dan sitosin selalu berpasangan dengan 13) DNA kromosom pada eukariot dikemas oleh protein 14) Temperatur tinggi (90 C) menyebabkan untai ganda DNA terpisah menjadi untai tunggal pada proses 15), yang ditunjukkan dengan lepasnya ikatan 16) antara basa yang berpasangan. Untai tunggal ini kan bergabung kembali melalui proses 17) Universitas Gadjah Mada 11
DAFTAR REFERENSI Buku Acuan: Boyer, R. 1999. Concept in Biochemistry. Brooks Cole Publishing Company. Horton, H.R., Moran LA, Rawn J.D. and Scrimgeor, KG. 1996. Principle of Biochemistry. Second Edition. Prentice-Hall International, Inc. Lehninger, AL., Nelson, D.L., Cox, MM. 1993. Principle of Biochemistry. Second Edition. Worth Publisher. Nelson, DL. and Cox, M.M. 2000. Lehninger: Principles of Biochemistry. Third Edition. Worth Publisher. Sumber Gambar: Understand! Biochemistry. Lehninger: Principles of Biochemistry 3/6 Version. 1999. The Mona Group, LLC. SENARAI (GLOSSARY) Nukleotida. Suatu nukleotida terdiri atas basa + gula + fosfat yang terikat secara kovalen. Pada DNA dimana gula adalah deoksiribosa, unit mi disebut deoksinukleotida. Nukleosida. Suatu nukleosida adalah pirimidin atau purin yang terikat secara kovalen pada komponen gula. Pada DNA, komponen gulanya adalah deosiribosa sehingga unit ini disebut deoksinukleosida. Ada empat macam deoksinukleosida yaitu deoksiadenosin, deoksiguanosin, deoksitimidin dan deoksisitidin DNA untai ganda. Pada DNA untai ganda, dua untai DNA diikat satu sama lain dengan basa pada bagian dalam dan gula-fosfat pada bagian luar. Kedua rantai saling berikatan dengan adanya ikatan hydrogen antara pasangan basa; Adenin selalu berpasangan dengan timin dan guanine selalu berpasangan dengan sitosin. Asam nukleat merupakan molekul pembawa informasi genetik, terdiri dari rangkaian nukleotida yang menyusuri asam deoksiribonukleat (DNA) dan asam nibonukleat (RNA). Universitas Gadjah Mada 12