Nukleotida dan Asam Nukleat Kimia Biologi 2010 1

Nukleotida dan Asam Nukleat Molekul biologik mengandung basa nitrogen heterosiklik Peran biokimia pada metabolisme seluler Terutama asam nukleat sbg elemen herediter dan transfer informasi genetik

Transfer Informasi dalam sel DNA : gudang informasi genetik dalam sel RNA : berperan dalam ekspresi dari informasi melalui transkripsi dan translasi 3

Asam nukleat terdiri dari campuran basa nitrogen, gula pentosa (2 deoksi-D-ribosa) untuk deoksiribonukleat/DNA atau D-ribosa untuk asam ribonukleat/RNA, dan ortofosfat

Dua jenis basa nitrogen Pelajari struktur dasarnya Pirimidin Sitosin (DNA, RNA) Urasil (RNA) Thimin (DNA) Purin Adenin (DNA, RNA) Guanin (DNA, RNA) 4

Cincin pirimidin bentuk planar Cincin purin bentuk planar dg sedikit berkerut antara struktur imidazol dan pirimidinnya Relatif tidak larut dalam air

Sifat dari Pirimidin dan Purin Pergeseran tautomerism keto-enol (pirimidin & purin sbg pasangan taoutomerik) Disosiasi asam/basa (sangat penting menentukan apakah nitrogen berperan sbg donor/aseptor ikatan H) Absorbansi kuat sinar ultraviolet (berguna untuk analisis kualitatif & kuantitatif) Ikatan hidrogen antara basa pirun dan pirimidin penting untuk fungsi biologis asam nukelat spt dalam formasi double hlix DNA 5

Aromatisasi dari sistim cincin pirimidin dan purin dan sifat kaya elektron dari –OH dan –NH2 mampu pergeseran keto-enol tautometrisasi Sitosin: pada pH7, pKa N3: 4.5

Tautomerisasi dari urasil pirimidin Pergeseran keto  enol Bentuk laktam predominasi pada pH neutral: pKa N-1 dan N-3 >8

Disosiasi konstanta proton (pKa) Nukleotida pKa Basa-N pK1 Fosfat pK2 Fosfat 5’AMP 3.8 (N-1) 0.9 6.1 5’GMP 9.4 (N-1) 2.4 (N-7) 0.7 5’CMP 4.5 (N-3) 0.8 6.3 5’UMP 9.5 (N-3) 1.0 6.4

Tautomerisasi dari adenin purin

Nilai pKa menentukan atom hidrogen berasosiasi dengan berbagai cincin N pada pH 7. Penting menentukan N tsb berperan sbg donor/aseptor ikatan H.

Formasi ikatan H grup adalah: Ikatan H antara basa purin dan pirimidin merupakan dasar dari fungsi biologis asam nukleat spt formasi struktur heliks DNA Formasi ikatan H grup adalah: grup amino dari C, A, Gl cincin N posisi 3 pirimidin dan posisi1 purin; atom oksigen yang elektronegativitas kuat pada posisi 4 U & T, posisi 2 C, posisi 6 G

Sifat lain pirimidin dan purin adalah absorbansi UV yg kuat. Sifat ini berguna untuk analisis kuantitatif dan kualitatif nukleatida dan asam nukleat

Ikatan suatu basa dengan gula Nukleosida Ikatan suatu basa dengan gula Adalah struktur asam nukleat, pirimidin atau purin yang bertautan dengan gula, pentosa bentuk cincin furanosa Ribonukleosida: pentosa D-ribosa (pada RNA) Deoksiribonukleosia: 2-deoksi-D-ribosa (pada DNA)

Ikatan glikosidik Basa berikatan dengan gula melalui ikatan glikosidik, ikatan ini melibatkan atom karbon karbonil pada gula, yang dg struktur siklik bergabung pada atom O pada cincin Nukleosida purin tautan beta glikosidik N-9 basa C-1 gula. Nukleosida pirimidin tautan beta glikosidik N-1 basa C-1 gula.

Purin:Ikatan beta-glikosidik (N9C1) Pirimidin:Ikatan beta-glikosidik (N1C1)

Struktur Ribonukleotida: AMP, GMP, CMP, UMP

Nukleosida Basa berikatan via ikatan glikosidik Karbon dari ikatan glikosidik adalah anomerik Penamaan nukleosida: idin utk pirimidin  sitidin, uridin, timidin; osin utk purin adenosin, guanosin. Anomerik adalah ikatan glikosidik yang melibatkan atom carbon carbonil dari gula, dimana sikliknya berikatan dgnan cincin O atom. Gula membuat lebih hidrofilik, nukleosida relatif stabil dalam alkali. Mol pirimidin resisten terhadap hidrolisis asam, tetapi nukleosida purin mudah dihidrolisis asam utk hasilakn basa bebas dan pentosa. Adenosin: mempunyai aktivitas fisiologis, sbg autokoid atau hormon lokal dan neuromodulator dilatasi p d, kontraksi s m c, pelepas nderotransmiter dan metbolisme lemak. Obat supraventrikular takhikardia: adenocard, karena dapat mempengaruhi sinoatrial node utk memperlambat denyut jantung. Juga kafein memblokir tempat kerja adenosin ekstraseluler dg reseptor neuronalnya. Pada saat begadang adenosin tinggi, kemudian merangsang ngantuk, saat tidur adenosin turun. 7

Nukleosida . Penambahan gula membuat nukleosida menjadi lebih hidrofilik dibandingkan dg basa bebasnya Relatif stabil dalam alkali Nukleosida pirimidin resisten terhadap hidrolisis asam, tetapi nukleosida purin mudah dihidrolisis asam utk bebaskan basa dan pentosanya Anomerik adalah ikatan glikosidik yang melibatkan atom carbon carbonil dari gula, dimana sikliknya berikatan dgnan cincin O atom. Gula membuat lebih hidrofilik, nukleosida relatif stabil dalam alkali. Mol pirimidin resisten terhadap hidrolisis asam, tetapi nukleosida purin mudah dihidrolisis asam utk hasilakn basa bebas dan pentosa. Adenosin: mempunyai aktivitas fisiologis, sbg autokoid atau hormon lokal dan neuromodulator dilatasi p d, kontraksi s m c, pelepas nderotransmiter dan metbolisme lemak. Obat supraventrikular takhikardia: adenocard, karena dapat mempengaruhi sinoatrial node utk memperlambat denyut jantung. Juga kafein memblokir tempat kerja adenosin ekstraseluler dg reseptor neuronalnya. Pada saat begadang adenosin tinggi, kemudian merangsang ngantuk, saat tidur adenosin turun. 7

Rotasi pada ikatan glikosidik secara sterik dihambat: syn vs anti konformasi

Nukleotida Dihasilkan bila asam fosforik diesterifikasi pada suatu grup OH gula dari nukleosida Cincin ribosa nukleosida mempunya 3 grup –OH pada C-2’, C-3’, C-5’ 2’ deoksiribosa hanya dua Sebagian besar ribonukleotida dalam sel adalah grup 5’fosfat

Struktur dari ribonukleotida yang umum: AMP, GMP, CMP, UMP

Nukleotida Karena nilai pK1  proton dari asam fosforik adalah < 1 nukleotida mempunya sifat asam. Sifat asiditas ini memberi nama asam adenilat, asam guanilat, asam sitidilat & asam uridilat. pK2 sekitar 6, jadi pada pH 7 atau lebih, muatan total pada nukleosida monofosfat adalah -2. 6

Nukleotida siklik Adalah siklik fosfodiester 3’,5’cAMP 3’,5’cGMP Penting utk regulator metabolisme

Formasi ADP dan ATP dg penambahan grup fosfat melalui ikatan fosforik anhidrida

Fungsi Nukleotida Nucleosida 5'-trifosfat adalah pembawa energi Basanya berperan sbg unit pengenalan (simbol informasi) Nukleotida sikliknya sbg molekul sinyal dan regulator metabolisme selular serta reproduksi ATP adalah “nilai uang” dari energi untuk sel GTP sumber energi utama untuk sintesis protein CTP metabolit esensial untuk sintesis fosfolipid UTP membentuk intermediate dg gula sbg substrat dari biosintesis KH kompleks dan polisakarida 9

Basa nukletodia berperan sebagai simbol informasi, yang berperan dalam reaksi biokimia adalah fosfat atau grup transfer pirofosfat

Asam Nukleat Adalah polinukleotida Polimer linear berikatan pada 3' dg 5' melalui jembatan fosfodiester Asam ribonukleat (RNA=Ribonucleic acid) dan asam deoksiribonukleat (DNA= deoxyribonucleic acid) Membaca sekuens selalu dari 5' ke 3' 10

RNA DNA Ikatan 3’-5’ fosfodiester utk membentuk rantai polinukleotida

Shorthand notation

Kelas asam nukleat DNA – mempunyai hanya satu peran biologik, tetapi peran sentral. Informasi utk semua makromolekul fungsional termasuk DNAnya sendiri terdapat dalam DNA RNA – ada beberapa bentuk. Peran utama adalah transfer informasi dari DNA ke protein. ribosomal RNA – dasar dari struktur dan fungsi ribosome messenger RNA – membawa pesan transfer RNA – membawa asam amino DNA peran utama membuat informatsi untuk semua makromolekul termasuk DNAnya 11

Peran RNA dalam metabolisme proses dan modifikasi tRNA, rRna dan mRNA regulasi ekspresi gen menjaga fungsi spt organel (housekeeping)

DNA Double Helix Adalah molekul rangkap dg dua rantai polinukleotida saling bertautan satu sama lain melalui pasangan basa tertentu. Kedua rantai tersebut dalam keadaan komplementer Adenin dengan Timin melalui dua ikatan hidrogen; (interchain hydrogen bond) Guanin dengan Sitosin melalui tiga ikatan hidrogen 12

Stabilisasi oleh ikatan hidrogen! DNA Double Helix Stabilisasi oleh ikatan hidrogen! Erwin Chargaff (1940) menemukan pasangan basa A dan T, G dan C, selalu 1:1; residu pirimidin dan purin selalu sama. Pada saat itu, tidak dimengerti implikasinya Temuannya disebut: Chargaff rules: [A] =[T], [C]:[G]; [pirimidin]:[purin] 12

DNA Double Helix Rosalind Franklin's: data difraksi X-ray fiber  penting James Watson dan Francis Crick (Cambridge University 1953): berdasarkan postulat Chargaff dan Franklin menyatakan bahwa DNA merupakan complementary double helix 12

Sifat antiparalel dari DNA double heliks

The Watson-Crick’s base pairs A:T & G:C Jarak antara rantai ke rantai (backbone) A:T = 1.11 nm G:C= 1.08 nm

“We have found the secret of life” (Francis Crick)

DNA mengandung 2 jenis informasi sekuens basa dari gen yang mengkode sekuens As suatu protein dan sekuens nukleotida dari mol RNA spt rRNA dan tRNA Jaringan pengatur gen yang mengkontrol ekspresi gen pengkode protein

Isi dinding sel E. coli dikeluarkan dg merusak dinding selnya

Struktur DNA Diameter 2 nm Panjang DNA molekul E. coli: 1.6 x 106 nm (1.6 mm) Panjang E. coli hanya: 2000 nm (0.002 mm) Kompak dan berlipat 13

RNA Terdiri dari rantai poliribonukleotida dg susunan basa adenin, guanin, urasil, & sitosin Ditemukan dalam inti sel dan sitoplasma sel Bentuknya seperti lekukan tangkai atau jepit rambut 13

Messenger RNA Membawa informasi yang terkode dalam gen ke tempat sintesis protein Informasi tsb ditranslasi menjadi sekuens polipeptida. Prokaryot: satu mRNA mengandung informasi sintesis utk banyak protein. Eukaryot: satu mRNA mengkode hanya utk satu protein, tetapi strukturnya terdiri dari intron (intervening sequence) dan exon (coding regions). 14

Sifat mRNA pada prokaryot saat transkripsi dan translasi

Sifat mRNA pada Eukaryot saat transkripsi dan translasi

Ribosomal RNA Ribosom tempat sintesis protein terjadi. Ribosom sekitar 65% sRNA, 1/3 protein rRNA berperan sbg suatu cetakan untuk protein ribosom. Jenis rRNA berdasarkan koef sedimentasi. Sedimentation coefficients: ukuran untuk kecepatan agar sedimen dalam gaya sentrifulgal, Svedbergs (S) 1 S = 10-13 detik 16

Ribosom Ribosom terdiri dari 2 subunit yang berdisosiasi bila konsentrasi Mg2+ kurang dari 10-3 M Prokaryot: 70S Eukaryot: 80S 16

Transfer RNA Rantai polinukleotida yang kecil: 73 - 94 residu Masing-masing asam amino mempunyai sedikitnya satu tRNA yang unik, yang membawa Aa ke ribosom Semua tRNA mempunyai suatu sekuens nukletodia 3'-terminal yang terbaca: CCA-. Molekul aminoasil tRNA adalah substrat utk sintesis protein. 17

Perbedaan DNA & RNA Dua perbedaan kimia: DNA mengandung 2-deoksiribosa bukan ribosa DNA mengandung timin bukan urasil Karena perbedaan tsb, DNA lebih stabil Hal ini berkaitan dg perannya dalam informasi herediter 18

Perbedaan DNA & RNA Kenapa DNA mempunyai Timin daripada Urasil? Sitosin dapat secara spontan deaminasi menjadi urasil Enzim perbaikan melihatnya sebagai ‘mutasi’ dan menggantikan Urasil tsb dg sitosin Tetapi bagaimana cara enzim perbaikan tsb mengenali U yang benar dengan U yang mutan? Oleh karena itu, menggunakan timin (5-methyl-U) sbg pengganti urasil. 18

Why does DNA contain thymine? DNA & RNA Differences? Why does DNA contain thymine? Cytosine spontaneously deaminates to form uracil Repair enzymes recognize these "mutations" and replace these Us with Cs But how would the repair enzymes distinguish natural U from mutant U? Nature solves this dilemma by using thymine (5-methyl-U) in place of uracil 18

Deaminasi spontan: sitosin menjadi urasil

5-metil U = timidin

DNA: C = G, U = A Bila C konversi jadi U, maka perubahan herediter bisa terjadi  perubahan menjadi U=A Terjadi mutasi, untuk mencegah perubahan permanen, dilakukan perbaikan dg ‘proofread’ Bila ada U dari C, maka diperlakukan sbg C

Mengapa DNA 2'-deoksi dan RNA tidak? Perbedaan DNA & RNA ? Mengapa DNA 2'-deoksi dan RNA tidak? Grup Vicinal -OH (2' and 3') pada RNA membuatnya lebih peka terhadap hidrolisis DNA, tanpa 2'-OH menjadi lebih stabil Hal ini penting –materi genetik haruslah lebih stabil RNA dibuat utk digunakan dan diuraikan 19

Hidrolisis asam nukleat RNA resisten terhadap asam yang diencerkan DNA mengalami depurinasi oleh asam yang diencerkan DNA tidak peka terhadap basa RNA terhidrolisis oleh basa yang diencerkan 20

Vicinal grup OH RNA peka terhadap serangan nukleofilik shg hidrolisis dari ikatan fosfodiester.

Enzim Restriksi Bakteri mempunyai kemampuan untuk membatasi suatu serangan dari DNA asing dg cara "restriction enzymes" Tipe II dan III restriction enzymes membelah rantai DNA pada tempat tertentu Enzym dapat mengenal 4, 6 atau lebih basa pada tempat pembelahannya Enzim yang kenal suatu sekuens 6 basa disebut "six-cutter" 21

Type II Restriction Enzymes No ATP requirement Recognition sites in dsDNA usually have a 2-fold axis of symmetry Cleavage can leave staggered or "sticky" ends or can produce "blunt” ends 22

Type II Restriction Enzymes Names use 3-letter italicized code: 1st letter - genus; 2nd,3rd - species Following letter denotes strain EcoRI is the first restriction enzyme found in the R strain of E. coli 23