Reaksi-Reaksi Spesifik Pada Nukleotida

Nukleotida

Nukleotida adalah senyawa kaya energi yang mendorong proses metabolisme (terutama biosintesis) di semua sel. Mereka juga berfungsi sebagai sinyal kimia, tautan kunci dalam sistem seluler yang merespons hormon dan rangsangan ekstraselular lainnya, dan merupakan komponen struktural sejumlah kofaktor enzim dan intermediet metabolik. Asam nukleat, asam deoksiribonukleat (DNA) dan asam ribonukleat (RNA), adalah repositori molekuler untuk informasi genetik. Struktur setiap protein, dan pada akhirnya setiap konstituen sel, adalah produk informasi yang diprogram ke dalam urutan nukleotida dari asam nukleat sel.

Nukleotida Memiliki Basa Karakteristik dan Pentosa

Nukleotida memiliki tiga komponen karakteristik: (1) basa nitrogen, (2) pentosa, dan (3) fosfat (Gambar 12-la). Basa nitrogen adalah turunan dari dua senyawa induk, pirimidin dan purin (Gambar 12-lb). Basa dan pentosa yang ditemukan pada nukleotida umum adalah senyawa heterosiklik. Atom karbon dan nitrogen dalam struktur induk secara konvensional diberi nomor untuk memudahkan penamaan dan identifikasi dari banyak senyawa turunan. Konvensi untuk cincin pentosa mengikuti aturan yang diuraikan dalam Bab 11, tetapi di pentoses nukleotida nomor karbon diberi prime (') penunjukan (Gambar 12-la) untuk membedakan mereka dari atom bernomor basa nitrogen.

Basa ini bergabung secara kovalen (pada N-1 pirimidin dan N-9 purin) dalam hubungan N-glikosidik dengan 1 'karbon pentosa, dan fosfat diesterifikasi ke karbon 5'. Ikatan N-glikosidik terbentuk oleh penghilangan unsur-unsur air (gugus hidroksil dari pentosa dan hidrogen dari dasar), seperti dalam pembentukan ikatan O-glikosidik (lihat Gambar 11-11). Tanpa gugus fosfat, molekul disebut nukleosida.

DNA dan RNA keduanya mengandung dua basis purin utama, adenin (A) dan guanin (G). DNA dan RNA juga mengandung dua pirimidin utama; pada kedua jenis asam nukleat salah satunya adalah eytosine (C). Satu perbedaan penting antara basis DNA dan RNA adalah sifat pirimidin utama kedua: thymine (T) dalam DNA dan uracil (U) dalam RNA. Hanya jarang timin terjadi pada RNA atau uracil dalam DNA. Struktur dari lima basis utama ditunjukkan pada Gambar 12-2, dan nomenklatur nukleotida dan nukleosida yang sesuai dirangkum dalam Tabel 12-l.

Dua jenis pentosa ditemukan dalam asam nukleat. Unit deoksiribonukleotida DNA yang berulang mengandung 2'-deoksi-n-ribosa, dan unit ribonukleotida RNA mengandung n-ribosa. Dalam nukleotida, kedua jenis pentosa berada dalam bentuk β-furanose (tertutup lima anggota cincin) (Gambar 12-3).

Gambar 12-4 memberikan struktur dan nama dari empat deoksiribonukleotida utama (deoksiribonukleosida 5'-monofosfat), unit struktural DNA, dan empat ribonukleotida utama (ribonukleosida 5'-monofosfat), unit struktural RNA. Sekuens panjang spesifik dari nukleotida A, T, G, dan C dalam DNA menyandikan informasi genetik. Meskipun nukleotida yang mengandung salah satu dari basa utama ini paling umum, baik DNA dan RNA juga mengandung beberapa basa minor (Gambar 12-5). Dalam DNA yang paling umum adalah metnyatea Iorms dari basa utama, tetapi di beberapa basa DNA virus tertentu mungkin hidroksimetilasi atau glukosilasi. Basis yang berubah atau tidak biasa dalam molekul DNA ini dalam banyak kasus merupakan sinyal khusus untuk mengatur atau melindungi informasi genetik. Basa-basa kecil dari banyak tipe juga ditemukan dalam RNA, terutama pada tRNA.

Gambar 12-4 (a) Unit deoksiribonukleotida DNA dalam bentuk bebas pada pH 7,0. Dalam DNA mereka biasanya dilambangkan sebagai A, G, T, dan C, dan kadang-kadang sebagai dA, dG, dT, dan dC. Dalam bentuk bebasnya nukleotida ini biasanya disingkat dAMP, dGMP, dTMP, dan dCMP. (b) Unit ribonukleotida RNA. Semua singkatan mengasumsikan bahwa gugus fosfat berada pada posisi 5 '. Bagian nukleosida dari masing-masing molekul berwarna merah. Dalam hal ini dan ilustrasi berikut, cincin karbon tidak ditunjukkan dalam basis purin dan pirimidin, sebagaimana juga konvensi untuk pentosa.

Gambar 12-5 Beberapa pangkalan purin dan pirimidin minor. (A) Basa minor ditemukan dalam DNA. 5-Methylcytosine terjadi pada DNA hewan dan tumbuhan yang lebih tinggi, N6-methyladenine dalam DNA bakteri, dan 5-hydroxymethylcytosine pada bakteri yang terinfeksi dengan bakteriofag tertentu. (b) Beberapa basis minor tRNA. Perhatikan bahwa pseudouracil identik dengan urasil; perbedaannya adalah titik keterikatan pada ribose-uracil dilekatkan melalui N-1, titik perlekatan normal untuk pirimidin, dan pseudourasil dilekatkan melalui C-5.

Nomenklatur yang digunakan untuk pangkalan kecil bisa membingungkan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12-4 dan 12-5, banyak dari basa minor (seperti hypoxanthine) memiliki nama umum, sama seperti basis utama. Untuk bentuk-bentuk tersubstitusi dari basa-basa ini, ketika substitusi melibatkan atom dalam cincin purin atau pirimidin, konvensi biasa (digunakan di sini) hanya untuk menunjukkan posisi cincin substitusi dengan bilangannya (misalnya, 5-metilcytosine, 7-methylguanine , dan 5-hydroxymethylcytosine pada Gambar. 12-5). Jenis atom yang dilekatkan substituen (N, C, O, dll.) Tidak diidentifikasi. Perubahan konvensi ketika atom yang diganti adalah eksosiklik, dalam hal ini jenis atom diidentifikasi dan posisi cincin yang dilampirkan dilambangkan dengan superscript. Nitrogen amino yang menempel pada C-6 dalam adenin menjadi N6; sama, oksigen karbonil dan gugus amino pada C-6 dan C-2 guanin menjadi O6 dan N2, masing-masing. Contoh basa yang disubstitusi pada atom eksosiklik adalah N6-methyladenine, dan N2-methylguanine, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12-5.

Sel juga mengandung nukleotida dengan gugus fosfat pada posisi selain pada karbon 5 '(Gambar 12-6). Ribonukleosida 2 ', 3'-siklik fosfat adalah intermediet dan ribonukleosida 3'-fosfat adalah produk akhir dari hidrolisis RNA oleh ribonuklease tertentu. Variasi lain diwakili oleh adenosine 3 ', 5'-cyclic monophosphate (cAMP) dan guanosine 3', 5'-cyclic monophosphate (cGMP).

Obligasi Fosfodiester Mengaitkan Nukleotida Berturut di Asam Nukleat

Nukleotida berturut-turut baik DNA dan RNA secara kovalen dihubungkan melalui "jembatan" kelompok-fosfat. Secara khusus, gugus 5'-hidroksil dari satu unit nukleotida bergabung dengan kelompok 3'-hidroksil dari nukleotida berikutnya dengan hubungan fosfodiester (Gambar 12-7). Dengan demikian tulang punggung kovalen asam nukleat terdiri dari residu fosfat dan pentosa yang bergantian, dan basa-basa yang khas dapat dianggap sebagai kelompok-kelompok samping yang bergabung ke tulang punggung secara berkala. Juga perhatikan bahwa tulang punggung dari DNA dan RNA adalah hidrofilik. Kelompok hidroksil dari residu gula membentuk ikatan hidrogen dengan air. Gugus fosfat dalam tulang punggung kutub memiliki pK mendekati 0 dan terionisasi penuh dan bermuatan negatif pada pH 7; dengan demikian DNA adalah asam. Biaya negatif ini umumnya dinetralkan oleh interaksi ionik dengan muatan positif pada protein, ion logam, dan poliamina.

Semua hubungan fosfodiester dalam untaian DNA dan RNA memiliki orientasi yang sama sepanjang rantai (Gambar 12-7), memberikan setiap asam nukleat linear untai polaritas tertentu dan ujung 5 'dan 3' yang berbeda. Dengan definisi ujung 5 'tidak memiliki nukleotida pada posisi 5', dan ujung 3 'tidak memiliki nukleotida pada posisi 3' (Gbr. 12-7). Kelompok lain (paling sering satu atau lebih fosfat) dapat hadir pada satu atau kedua ujung.

Tulang punggung kovalen DNA dan RNA tunduk pada hidrolisis nonenzimik ikatan fosfodiester yang lambat. Dalam tabung reaksi, RNA dihidrolisis dengan cepat di bawah kondisi alkali, tetapi DNA tidak; gugus 2'-hidroksil dalam RNA (absen dalam DNA) terlibat langsung dalam proses. Cyclic 2 ', 3'-monophosphate adalah produk pertama dari aksi alkali pada RNA, dan cepat dihidrolisis lebih lanjut untuk menghasilkan campuran 2'- dan 3'-nukleosida monofosfat (Gambar 12-8).

Urutan nukleotida asam nukleat dapat direpresentasikan secara skematik, seperti yang digambarkan (di kanan) oleh segmen DNA yang memiliki lima unit nukleotida. Kelompok-kelompok fosfat dilambangkan dengan (P) dan masing-masing deoksiribose oleh garis vertikal. Karbon dalam deoksiribosa direpresentasikan dari 1 'di atas sampai 5' di bagian bawah garis vertIcal (meskipun gula selalu dalam bentuk tertutup cincin / 3-furanose dalam asam nukleat). Garis penghubung antara nukleotida (melalui (Pi)) ditarik secara diagonal dari tengah (3 ') dari deoksiribosa dari satu nukleotida ke dasar (5') dari yang berikutnya. Dengan konvensi, struktur untai tunggal asam nukleat selalu ditulis dengan ujung 5 'di sebelah kiri dan ujung 3' di sebelah kanan; yaitu, dalam arah 5 '→ 3'. Beberapa representasi yang lebih sederhana dari pentadeoxyribonucleotide yang diilustrasikan adalah pA-C-G-T-AoH, pApCpGpTpA, dan pACGTA. Asam nukleat pendek disebut sebagai oligonukleotida. Definisi "pendek" agak sewenang-wenang, tetapi istilah oligonukleotida sering digunakan untuk polimer yang mengandung 50 atau lebih sedikit nukleotida. Asam nukleat yang lebih panjang disebut polinukleotida.

Permasalahan
1, DNA dan RNA juga mengandung dua pirimidin utama; pada kedua jenis asam nukleat salah satunya adalah eytosine (C), tolong jelaskan perbedaan sifat pirimidin antara DNA dan RNA ?
2. begaimana Urutan nukleotida asam nukleat dapat direpresentasikan secara skematik
3. bagaimana "jembatan" kelompok-fosfat menghubungkan DNA dan RNA ?
4. begaimana pengaruh senyawa heterosiklik pada Nukleotida ?