The ikatan fosfodiester yang ikatan kovalen yang terjadi antara dua atom oksigen dari gugus fosfat dan gugus hidroksil dua molekul yang berbeda. Dalam jenis ikatan ini, gugus fosfat bertindak sebagai "jembatan" ikatan yang stabil antara dua molekul melalui atom oksigennya.
Peran mendasar dari ikatan fosfodiester di alam adalah pembentukan rantai asam nukleat, baik DNA maupun RNA. Bersama dengan gula pentosa (deoksiribosa atau ribosa, tergantung kasusnya), gugus fosfat merupakan bagian dari struktur pendukung biomolekul penting ini.
Ikatan fosfodiester pada kerangka DNA (Sumber: File: Phosphodiester bond.png, File: PhosphodiesterBondDiagram.png: Pengguna: G3pro (bicara) Pengguna: G3pro di en.wikipedia.org Karya turunan: Pengguna: Merops (bicara) Karya turunan: Pengguna : Deneapol (bicara) Karya turunan: Pengguna: KES47 (bicara) Teks tweak: Incnis Mrsi (bicara) Teks tweak: DMacks (bicara)) Karya turunan: Pengguna: Miguelferig (bicara) dengan ionisasi, melalui Wikimedia Commons)
Rantai nukleotida DNA atau RNA, seperti protein, dapat mengasumsikan konformasi tiga dimensi berbeda yang distabilkan oleh ikatan non-kovalen, seperti ikatan hidrogen antara basa komplementer.
Namun, struktur primer diberikan oleh urutan linier nukleotida yang secara kovalen dihubungkan melalui ikatan fosfodiester.
Bagaimana ikatan fosfodiester terbentuk?
Seperti ikatan peptida pada protein dan ikatan glikosidik antara monosakarida, ikatan fosfodiester dihasilkan dari reaksi dehidrasi di mana molekul air hilang. Berikut skema umum salah satu reaksi dehidrasi ini:
HX 1 -OH + HX 2 -OH → HX 1 -X 2 -OH + H 2 O
Ion fosfat berhubungan dengan basa konjugat yang terdeprotonasi sempurna dari asam fosfat dan disebut fosfat anorganik, yang singkatannya dilambangkan sebagai Pi. Ketika dua gugus fosfat dihubungkan bersama, ikatan fosfat anhidrat terbentuk, dan molekul yang dikenal sebagai pirofosfat anorganik atau PPi diperoleh.
Ketika ion fosfat terikat pada atom karbon dalam molekul organik, ikatan kimianya disebut ester fosfat, dan spesies yang dihasilkan adalah monofosfat organik. Jika molekul organik berikatan dengan lebih dari satu gugus fosfat, maka difosfat organik atau trifosfat akan terbentuk.
Jika satu molekul fosfat anorganik terikat pada dua gugus organik, maka digunakan ikatan fosfodiester atau "diester fosfat". Penting untuk tidak mengacaukan ikatan fosfodiester dengan ikatan fosfoanhidro berenergi tinggi antara gugus fosfat dalam molekul seperti ATP, misalnya.
Perbedaan antara fosfat dan fosforil (Sumber: Strater, via Wikimedia Commons)
Hubungan fosfodiester antara nukleotida yang berdekatan terdiri dari dua hubungan fosforester yang terjadi antara hidroksil pada posisi 5 'dari satu nukleotida dan hidroksil pada posisi 3' dari nukleotida berikutnya dalam untai DNA atau RNA.
Bergantung pada kondisi lingkungan, ikatan ini dapat dihidrolisis baik secara enzimatis maupun non-enzimatis.
Enzim terlibat
Pembentukan dan pemutusan ikatan kimia sangat penting untuk semua proses vital seperti yang kita ketahui, dan kasus ikatan fosfodiester tidak terkecuali.
Di antara enzim terpenting yang dapat membentuk ikatan ini adalah DNA atau RNA polimerase dan ribozim. Enzim fosfodiesterase mampu menghidrolisisnya secara enzimatis.
Selama replikasi, proses penting untuk proliferasi sel, dalam setiap siklus reaksi, dNTP (deoxynucleotide triphosphate) yang melengkapi basis template dimasukkan ke dalam DNA melalui reaksi transfer nukleotida.
Polimerase bertanggung jawab untuk membentuk ikatan baru antara 3'-OH dari untai cetakan dan α-fosfat dari dNTP, berkat energi yang dilepaskan dari pemutusan ikatan antara fosfat α dan β dari dNTP, yang dihubungkan dengan ikatan fosfoanhidro.
Hasilnya adalah perpanjangan rantai dengan satu nukleotida dan pelepasan molekul pirofosfat (PPi) s. Telah ditentukan bahwa reaksi ini membutuhkan dua ion magnesium divalen (Mg 2+ ), yang keberadaannya memungkinkan stabilisasi elektrostatis dari nukleofil OH - untuk mencapai pendekatan ke arah sisi aktif enzim.
PK a dari ikatan fosfodiester mendekati 0, jadi dalam larutan air ikatan ini terionisasi sepenuhnya, bermuatan negatif.
Ini memberi molekul asam nukleat muatan negatif, yang dinetralkan berkat interaksi ionik dengan muatan positif dari residu asam amino protein, ikatan elektrostatis dengan ion logam, atau asosiasi dengan poliamina.
Dalam larutan air, ikatan fosfodiester dalam molekul DNA jauh lebih stabil daripada molekul RNA. Dalam larutan basa, ikatan dalam molekul RNA ini dipecah oleh perpindahan nukleosida intramolekul di ujung 5 'oleh oksanion 2'.
Fungsi dan contoh
Seperti disebutkan, peran paling relevan dari ikatan ini adalah partisipasinya dalam pembentukan tulang punggung molekul asam nukleat, yang merupakan salah satu molekul terpenting di dunia seluler.
Aktivitas enzim topoisomerase, yang secara aktif berpartisipasi dalam replikasi DNA dan sintesis protein, bergantung pada interaksi ikatan fosfodiester di ujung 5 'DNA dengan rantai samping residu tirosin di situs aktifnya. enzim.
Molekul yang berpartisipasi sebagai pembawa pesan kedua, seperti cyclic adenosine monophosphate (cAMP) atau cyclic guanosine triphosphate (cGTP), memiliki ikatan fosfodiester yang dihidrolisis oleh enzim spesifik yang dikenal sebagai fosfodiesterase, yang partisipasinya sangat penting untuk banyak proses pensinyalan. seluler.
Gliserofosfolipid, komponen fundamental dalam membran biologis, terdiri dari molekul gliserol yang dilekatkan melalui ikatan fosfodiester ke gugus "kepala" kutub yang menyusun wilayah hidrofilik molekul.
Referensi
- Fothergill, M., Goodman, MF, Petruska, J., & Warshel, A. (1995). Analisis Struktur-Energi Peran Ion Logam dalam Hidrolisis Ikatan Fosfodiester oleh DNA Polymerase I. Jurnal American Chemical Society, 117 (47), 11619-11627.
- Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (edisi ke-5th). Freeman, WH & Company.
- Nakamura, T., Zhao, Y., Yamagata, Y., Hua, YJ, & Yang, W. (2012). Menonton DNA polimerase η membuat ikatan fosfodiester. Nature, 487 (7406), 196-201.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Prinsip Lehninger Biokimia. Omega Editions (edisi ke-5)
- Oivanen, M., Kuusela, S., & Lönnberg, H. (1998). Kinetika dan mekanisme pemecahan dan isomerisasi ikatan fosfodiester RNA oleh asam dan basa bronsted. Ulasan Kimia, 98 (3), 961-990.
- Pradeepkumar, PI, Höbartner, C., Baum, D., & Silverman, S. (2008). Pembentukan Hubungan Nukleopeptida yang Dikatalis DNA. Angewandte Chemie International Edition, 47 (9), 1753–1757.
- Soderberg, T. (2010). Kimia Organik Dengan Penekanan Biologis Volume II (Vol. II). Minnesota: Sumur Digital Universitas Minnesota Morris. Diperoleh dari www.digitalcommons.morris.umn.edu