ASAM NUKLEAT: KARAKTERISTIK, FUNGSI, STRUKTUR - BIOLOGI - 2025

The asam nukleat yang biomolekul besar dibentuk oleh unit atau monomer yang disebut nukleotida. Mereka bertanggung jawab atas penyimpanan dan transmisi informasi genetik. Mereka juga berpartisipasi dalam setiap langkah sintesis protein.

Secara struktural, setiap nukleotida terdiri dari gugus fosfat, gula lima karbon dan basa nitrogen heterosiklik (A, T, C, G dan U). Pada pH fisiologis, asam nukleat bermuatan negatif, larut dalam air, membentuk larutan kental, dan cukup stabil.

Sumber: pixabay.com

Ada dua jenis utama asam nukleat: DNA dan RNA. Komposisi kedua asam nukleat serupa: di keduanya kita menemukan serangkaian nukleotida yang dihubungkan oleh ikatan fosfodiester. Namun, dalam DNA kami menemukan timin (T) dan di RNA urasil (U).

DNA lebih panjang dan berada dalam konformasi heliks ganda dan RNA terdiri dari untai tunggal. Molekul-molekul ini ada di semua organisme hidup, dari virus hingga mamalia besar.

Perspektif sejarah

Penemuan asam nukleat

Penemuan asam nukleat dimulai pada tahun 1869 ketika Friedrich Miescher mengidentifikasi kromatin. Dalam eksperimennya, Miescher mengekstraksi bahan agar-agar dari intinya dan menemukan bahwa zat ini kaya akan fosfor.

Awalnya, materi yang bersifat misterius ini disebut sebagai "nuklein". Percobaan selanjutnya pada nuklein menyimpulkan bahwa ia tidak hanya kaya akan fosfor, tetapi juga karbohidrat dan basa organik.

Phoebus Levene menemukan bahwa nuklein adalah polimer linier. Meskipun sifat kimia dasar asam nukleat telah diketahui, tidak dianggap ada hubungan antara polimer ini dan bahan keturunan makhluk hidup.

Penemuan fungsi DNA

Pada pertengahan 1940-an, tidak meyakinkan bagi ahli biologi saat itu bahwa molekul yang bertugas mentransmisikan dan menyimpan informasi organisme berada dalam molekul dengan konformasi yang sederhana seperti DNA - terdiri dari empat monomer yang sangat mirip (nukleotida) setiap.

Protein, polimer yang terdiri dari 20 jenis asam amino, pada saat itu tampaknya merupakan kandidat yang paling masuk akal untuk menjadi molekul keturunan.

Pandangan ini berubah pada tahun 1928, ketika peneliti Fred Griffith menduga bahwa nuklein terlibat dalam faktor keturunan. Akhirnya, pada tahun 1944 Oswald Avery berhasil menyimpulkan dengan bukti kuat bahwa DNA mengandung informasi genetik.

Jadi, DNA berubah dari molekul yang membosankan dan monoton, yang hanya terdiri dari empat blok bangunan, menjadi molekul yang memungkinkan penyimpanan informasi dalam jumlah besar, dan yang dapat mengawetkan dan mengirimkannya dengan cara yang tepat, tepat, dan efisien.

Penemuan struktur DNA

Tahun 1953 adalah tahun revolusioner untuk ilmu biologi, saat peneliti James Watson dan Francis Crick menjelaskan struktur DNA yang benar.

Berdasarkan analisis pola refleksi sinar-X, hasil Watson dan Crick menunjukkan bahwa molekul tersebut adalah heliks ganda, di mana gugus fosfat membentuk tulang punggung luar dan basa menjorok ke dalam.

Analogi tangga umumnya digunakan, di mana pegangan tangan sesuai dengan gugus fosfat dan anak tangga ke basa.

Penemuan sekuensing DNA

Dalam dua dekade terakhir, kemajuan luar biasa dalam biologi telah terjadi, yang dipimpin oleh pengurutan DNA. Berkat kemajuan teknologi, saat ini kita memiliki teknologi yang diperlukan untuk mengetahui urutan DNA dengan presisi yang cukup tinggi - yang kami maksud dengan "urutan" adalah urutan basa.

Awalnya, menjelaskan urutannya adalah acara yang mahal dan butuh waktu lama untuk menyelesaikannya. Saat ini tidak menjadi masalah untuk mengetahui urutan seluruh genom.

karakteristik

Isi daya dan kelarutan

Sesuai dengan namanya, sifat asam nukleat adalah asam dan merupakan molekul dengan kelarutan tinggi dalam air; artinya, mereka hidrofilik. Pada pH fisiologis, molekul bermuatan negatif, karena adanya gugus fosfat.

Akibatnya, protein yang terkait dengan DNA kaya akan residu asam amino dengan muatan positif. Asosiasi DNA yang benar sangat penting untuk pengemasannya dalam sel.

Viskositas

Viskositas asam nukleat tergantung pada apakah itu pita ganda atau tunggal. DNA pita ganda membentuk larutan dengan viskositas tinggi, karena strukturnya kaku, menahan deformasi. Selain itu, mereka adalah molekul yang sangat panjang dalam kaitannya dengan diameternya.

Sebaliknya, ada juga larutan asam nukleat pita tunggal, yang dicirikan dengan viskositas rendah.

Stabilitas

Karakteristik lain dari asam nukleat adalah stabilitasnya. Secara alami, molekul dengan tugas yang sangat diperlukan seperti penyimpanan warisan harus sangat stabil.

Relatif, DNA lebih stabil daripada RNA, karena tidak memiliki gugus hidroksil.

Ada kemungkinan bahwa sifat kimiawi ini memainkan peran penting dalam evolusi asam nukleat dan dalam pemilihan DNA sebagai bahan keturunan.

Menurut transisi hipotetis yang diajukan oleh beberapa penulis, RNA digantikan oleh DNA dalam proses evolusi. Namun, saat ini ada beberapa virus yang menggunakan RNA sebagai materi genetik.

Penyerapan sinar ultraviolet

Penyerapan asam nukleat juga tergantung pada apakah itu pita ganda atau pita tunggal. Puncak serapan cincin dalam strukturnya adalah 260 nanometer (nm).

Ketika untai DNA pita ganda mulai terpisah, penyerapan pada panjang gelombang yang disebutkan meningkat, karena cincin yang menyusun nukleotida terbuka.

Parameter ini penting bagi ahli biologi molekuler di laboratorium, karena dengan mengukur serapan mereka dapat memperkirakan jumlah DNA yang ada dalam sampel mereka. Secara umum, pengetahuan tentang sifat-sifat DNA berkontribusi pada pemurnian dan perawatannya di laboratorium.

Klasifikasi (jenis)

Dua asam nukleat utama adalah DNA dan RNA. Keduanya merupakan komponen dari semua makhluk hidup. DNA adalah singkatan dari asam deoksiribonukleat dan RNA untuk asam ribonukleat. Kedua molekul memainkan peran mendasar dalam faktor keturunan dan sintesis protein.

DNA adalah molekul yang menyimpan semua informasi yang diperlukan untuk perkembangan suatu organisme, dan dikelompokkan menjadi unit fungsional yang disebut gen. RNA bertanggung jawab untuk mengambil informasi ini dan, bersama dengan protein kompleks, menerjemahkan informasi dari rantai nukleotida menjadi rantai asam amino.

Untai RNA bisa beberapa ratus atau beberapa ribu nukleotida, sedangkan untai DNA melebihi jutaan nukleotida dan dapat divisualisasikan di bawah cahaya mikroskop optik jika diwarnai dengan pewarna.

Perbedaan struktur dasar antara kedua molekul akan dirincikan pada bagian selanjutnya.

RNA

Di dalam sel, ada berbagai jenis RNA yang bekerja sama untuk mengatur sintesis protein. Tiga tipe utama RNA adalah messenger, ribosomal, dan transfer.

Messenger RNA

Messenger RNA bertanggung jawab untuk menyalin pesan yang ada di DNA dan membawanya ke sintesis protein yang terjadi dalam struktur yang disebut ribosom.

RNA ribosom atau ribosom

RNA ribosom ditemukan sebagai bagian dari mesin penting ini: ribosom. Dari ribosom, 60% terdiri dari RNA ribosom dan sisanya ditempati oleh hampir 80 protein berbeda.

Transfer RNA

Transfer RNA adalah sejenis adaptor molekuler yang mengangkut asam amino (bahan penyusun protein) ke ribosom, untuk digabungkan.

RNA kecil

Selain ketiga tipe dasar ini, ada sejumlah RNA tambahan yang baru-baru ini ditemukan yang memainkan peran penting dalam sintesis protein dan ekspresi gen.

RNA inti kecil, disingkat snRNA, berpartisipasi sebagai entitas katalitik dalam penyambungan (proses yang terdiri dari penghilangan intron) dari messenger RNA.

RNA nukleol kecil atau snoRNA terlibat dalam pemrosesan transkrip RNA pra-ribosom yang merupakan bagian dari subunit ribosom. Ini terjadi di nukleolus.

RNA dan microRNA yang mengganggu pendek adalah urutan RNA kecil yang peran utamanya adalah modulasi ekspresi gen. MicroRNA dikodekan dari DNA, tetapi terjemahannya menjadi protein tidak berlanjut. Mereka beruntai tunggal dan dapat melengkapi RNA pesan, menghambat terjemahannya menjadi protein.

Struktur dan komposisi kimia

Asam nukleat adalah rantai polimer panjang yang terdiri dari unit monomer yang disebut nukleotida. Masing-masing terdiri dari:

Sebuah gugus fosfat

Ada empat jenis nukleotida dan mereka memiliki struktur yang sama: gugus fosfat yang terhubung dengan pentosa melalui ikatan fosfodiester. Kehadiran fosfat memberi molekul karakter asam. Gugus fosfat terdisosiasi pada pH sel, sehingga bermuatan negatif.

Muatan negatif ini memungkinkan asosiasi asam nukleat dengan molekul yang muatannya positif.

Sejumlah kecil nukleosida dapat ditemukan di dalam sel dan juga dalam cairan ekstraseluler. Ini adalah molekul yang terdiri dari semua komponen nukleotida, tetapi tidak memiliki gugus fosfat.

Menurut nomenklatur ini, nukleotida adalah nukleosida yang memiliki satu, dua atau tiga gugus fosfat yang diesterifikasi pada hidroksil yang terletak di karbon 5 '. Nukleosida dengan tiga fosfat terlibat dalam sintesis asam nukleat, meskipun mereka juga memenuhi fungsi lain di dalam sel.

Sebuah pentosa

Pentosa adalah karbohidrat monomerik yang terdiri dari lima atom karbon. Dalam DNA, pentosa adalah deoksiribosa, yang ditandai dengan hilangnya gugus hidroksil pada karbon 2 '. Dalam RNA, pentosa adalah ribosa.

Basa nitrogen

Pentosa pada gilirannya terikat pada basa organik. Identitas nukleotida disediakan oleh identitas basa. Ada lima jenis yang disingkat inisial: adenin (A), guanin (G), sitosin (C), timin (T), dan urasil (U).

Hal yang umum dalam literatur kami menemukan bahwa lima huruf ini digunakan untuk merujuk pada seluruh nukleotida. Namun, secara tegas, ini hanya bagian dari nukleotida.

Tiga yang pertama, A, G dan C, sama-sama ada pada DNA dan RNA. Sedangkan T unik untuk DNA dan urasil terbatas pada molekul RNA.

Secara struktural, basa adalah senyawa kimia heterosiklik, cincinnya terdiri dari molekul karbon dan nitrogen. A dan G dibentuk oleh sepasang cincin yang menyatu dan termasuk dalam kelompok purin. Basa yang tersisa milik pirimidin dan strukturnya terdiri dari satu cincin.

Hal yang umum terjadi pada kedua jenis asam nukleat ini kita menemukan serangkaian basa yang dimodifikasi, seperti gugus metil tambahan.

Ketika peristiwa ini terjadi, kami mengatakan bahwa basa dimetilasi. Pada prokariota, adenin termetilasi biasanya ditemukan, dan pada prokariota dan eukariota, sitosin mungkin memiliki gugus metil tambahan.

Bagaimana polimerisasi terjadi?

Seperti yang kami sebutkan, asam nukleat adalah rantai panjang yang terdiri dari monomer - nukleotida. Untuk membentuk rantai, ini dihubungkan dengan cara tertentu.

Ketika nukleotida berpolimerisasi, gugus hidroksil (-OH) yang ditemukan pada karbon 3 'gula dari salah satu nukleotida membentuk ikatan ester dengan gugus fosfat dari molekul nukleotida lain. Selama pembentukan ikatan ini, terjadi penghilangan molekul air.

Jenis reaksi ini disebut "reaksi kondensasi", dan sangat mirip dengan reaksi yang terjadi ketika ikatan peptida dalam protein terbentuk di antara dua residu asam amino. Ikatan antara setiap pasangan nukleotida disebut ikatan fosfodiester.

Seperti pada polipeptida, rantai asam nukleat memiliki dua orientasi kimiawi di ujungnya: satu adalah ujung 5 'yang mengandung gugus hidroksil bebas atau gugus fosfat pada karbon 5' dari gula terminal, sedangkan di ujung 3 ' ´ kami menemukan gugus hidroksil bebas karbon 3´.

Mari kita bayangkan bahwa setiap blok DNA adalah satu set Lego, dengan salah satu ujungnya disisipkan dan dengan lubang bebas tempat penyisipan blok lain dapat terjadi. Ujung 5 'dengan fosfat akan menjadi ujung yang akan disisipkan dan ujung 3' dianalogikan dengan lubang bebas.

Nukleotida lainnya

Di dalam sel, kita menemukan jenis nukleotida lain dengan struktur yang berbeda dari yang disebutkan di atas. Meskipun ini bukan bagian dari asam nukleat, mereka memainkan peran biologis yang sangat penting.

Di antara yang paling relevan kami memiliki riboflavin mononukleotida, yang dikenal sebagai FMN, koenzim A, dinukleotida adenin, dan nikotinamin, antara lain.

Struktur RNA

Struktur linier polimer asam nukleat sesuai dengan struktur utama molekul-molekul ini. Polinukleotida juga memiliki kemampuan untuk membentuk susunan tiga dimensi yang distabilkan oleh gaya non-kovalen - mirip dengan lipatan yang ditemukan pada protein.

Meskipun komposisi primer DNA dan RNA sangat mirip (kecuali perbedaan yang disebutkan di atas), susunan strukturnya sangat berbeda. RNA biasanya ditemukan sebagai rantai nukleotida tunggal, meskipun dapat memiliki pengaturan yang berbeda.

Transfer RNA, misalnya, adalah molekul kecil yang terdiri dari kurang dari 100 nukleotida. Struktur sekundernya yang khas berupa semanggi dengan tiga lengan. Artinya, molekul RNA menemukan basa komplementer di dalamnya dan dapat melipat dirinya sendiri.

RNA ribosom adalah molekul yang lebih besar yang mengambil konformasi tiga dimensi yang kompleks dan menunjukkan struktur sekunder dan tersier.

Struktur DNA

Heliks ganda

Tidak seperti RNA linier, susunan DNA terdiri dari dua untai yang saling terkait. Perbedaan struktural ini sangat penting untuk menjalankan fungsi spesifiknya. RNA tidak mampu membentuk heliks jenis ini karena hambatan sterik yang dipaksakan oleh gugus OH tambahan yang terdapat pada gula.

Dasar saling melengkapi

Ada saling melengkapi antara basa-basa. Artinya, sebagai konsekuensi dari ukuran, bentuk dan komposisi kimianya, purin harus berpasangan dengan pirimidin melalui ikatan hidrogen. Untuk alasan ini, dalam DNA alami kita menemukan bahwa A hampir selalu berpasangan dengan T dan G dengan C, membentuk ikatan hidrogen dengan pasangannya.

Pasangan basa antara G dan C dihubungkan oleh tiga ikatan hidrogen, sedangkan pasangan A dan T lebih lemah, dan hanya dua ikatan hidrogen yang menyatukannya.

Untaian DNA dapat dipisahkan (ini terjadi baik di dalam sel maupun dalam prosedur laboratorium) dan panas yang dibutuhkan bergantung pada jumlah GC dalam molekul: semakin besar, semakin banyak energi yang dibutuhkan untuk memisahkannya.

Orientasi untai

Karakteristik lain dari DNA adalah orientasi kebalikannya: sementara untaian berjalan pada arah 5'-3 ', pasangannya berjalan pada arah 3'-5'.

Konformasi alami dan di laboratorium

Struktur atau konformasi yang biasa kita temukan di alam disebut DNA B. Hal ini ditandai dengan memiliki 10,4 nukleotida untuk setiap belokan, dipisahkan oleh jarak 3,4. DNA B belok ke kanan.

Pola belitan ini menghasilkan munculnya dua alur, satu lebih besar dan satu lebih kecil.

Dalam asam nukleat yang terbentuk di laboratorium (sintetis) konformasi lain dapat ditemukan, yang juga muncul dalam kondisi yang sangat spesifik. Ini adalah DNA A dan DNA Z.

Varian A juga berbelok ke kanan, meski lebih pendek dan agak lebar dari biasanya. Molekul mengambil bentuk ini saat kelembapan menurun. Itu berputar setiap 11 pasang basa.

Varian terakhir adalah Z, bercirikan sempit dan dengan berbelok ke kiri. Ini dibentuk oleh sekelompok heksanukleotida yang dikelompokkan menjadi dupleks rantai antiparalel.

fitur

DNA: molekul keturunan

DNA adalah molekul yang dapat menyimpan informasi. Kehidupan yang kita kenal di planet kita bergantung pada kemampuan untuk menyimpan dan menerjemahkan informasi semacam itu.

Bagi sel, DNA adalah semacam perpustakaan tempat semua instruksi yang diperlukan untuk pembuatan, pengembangan, dan pemeliharaan organisme hidup ditemukan.

Dalam molekul DNA kita menemukan organisasi entitas fungsional diskrit yang disebut gen. Beberapa dari mereka akan dibawa ke protein, sementara yang lain akan memenuhi fungsi pengaturan.

Struktur DNA yang kami uraikan pada bagian sebelumnya adalah kunci untuk menjalankan fungsinya. Helix harus dapat memisahkan dan bergabung dengan mudah - properti utama untuk replikasi dan peristiwa transkripsi.

DNA ditemukan pada prokariota di situs tertentu di sitoplasma mereka, sedangkan pada eukariota terletak di dalam nukleus.

RNA: molekul multifungsi

Berperan dalam sintesis protein

RNA adalah asam nukleat yang kita temukan dalam berbagai tahap sintesis protein dan dalam regulasi ekspresi gen.

Sintesis protein dimulai dengan transkripsi pesan terenkripsi dalam DNA menjadi molekul RNA kurir. Selanjutnya, utusan harus menghilangkan bagian-bagian yang tidak akan diterjemahkan yang dikenal dengan nama intron.

Untuk menerjemahkan pesan RNA menjadi residu asam amino, diperlukan dua komponen tambahan: RNA ribosom yang merupakan bagian dari ribosom, dan RNA transfer, yang akan membawa asam amino dan bertanggung jawab untuk memasukkan asam amino yang benar ke dalam rantai peptida. Dalam pelatihan.

Dengan kata lain, setiap jenis utama RNA memainkan peran penting dalam proses ini. Bagian dari DNA ke RNA pembawa pesan dan akhirnya ke protein inilah yang oleh para ahli biologi disebut "dogma sentral biologi".

Namun, karena sains tidak dapat didasarkan pada dogma, ada kasus berbeda di mana premis ini tidak terpenuhi, seperti retrovirus.

Peran dalam regulasi

RNA kecil yang disebutkan di atas berpartisipasi secara tidak langsung dalam sintesis, mengatur sintesis RNA pembawa pesan dan berpartisipasi dalam regulasi ekspresi.

Misalnya, di dalam sel terdapat RNA pembawa pesan berbeda yang diatur oleh RNA kecil, yang memiliki urutan yang melengkapi ini. Jika RNA kecil menempel pada pesan, itu dapat membelah pembawa pesan, sehingga mencegah terjemahannya. Ada banyak proses yang diatur dengan cara ini.

Referensi

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Biologi sel esensial. Ilmu Garland.
2. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biokimia. Edisi ke-5. WH Freeman.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2000). Sel: Pendekatan molekuler. Sinauer Associates.
4. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Undangan ke biologi. Macmillan.
5. Fierro, A. (2001). Sejarah singkat penemuan struktur DNA. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
6. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Asal dan Evolusi DNA dan Mesin Replikasi DNA. Dalam: Database Biosains Madame Curie. Austin (TX): Landes Bioscience.
7. Karp, G. (2009). Biologi sel dan molekuler: konsep dan eksperimen. John Wiley & Sons.
8. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Transisi evolusioner dari RNA ke DNA di sel awal. Jurnal evolusi molekuler, 27 (4), 283-290.
9. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Biologi sel molekuler. Macmillan.
10. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biokimia. Panamerican Medical Ed.
11. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Dasar biokimia. New York: John Willey and Sons.