asam nukleat besar biomolekul yang 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 kita menemukan timin (T) dan RNA urasil (U).
DNA lebih panjang dan dalam konformasi heliks ganda, dan RNA terdiri dari untai tunggal. Molekul-molekul ini ada di semua organisme hidup, dari virus hingga mamalia besar.
Indeks artikel
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 inti dan menemukan bahwa zat ini kaya akan fosfor.
Awalnya, bahan yang bersifat misterius ditetapkan sebagai “nuklein”. Eksperimen selanjutnya pada nuklein menyimpulkan bahwa itu tidak hanya kaya fosfor, tetapi juga karbohidrat dan basa organik.
Phoebus Levene menemukan bahwa nuklein adalah polimer linier. Meskipun sifat-sifat kimia dasar asam nukleat telah diketahui, tetapi tidak dianggap ada hubungan antara polimer ini dengan materi herediter makhluk hidup.
Penemuan fungsi DNA
Pada pertengahan 1940-an, para ahli biologi tidak yakin pada saat itu bahwa molekul yang bertanggung jawab untuk mentransmisikan dan menyimpan informasi organisme berada dalam molekul dengan konformasi sesederhana DNA – masing-masing terdiri dari empat monomer (nukleotida) yang sangat mirip.
Protein, polimer yang terdiri dari 20 jenis asam amino, pada saat itu tampaknya merupakan kandidat yang paling masuk akal untuk menjadi molekul hereditas.
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.
Dengan demikian, DNA berubah dari molekul yang membosankan dan monoton, yang hanya terdiri dari empat blok struktural, menjadi molekul yang memungkinkan penyimpanan sejumlah besar informasi, dan yang dapat melestarikan dan mengirimkannya dengan cara yang tepat, tepat, dan efisien.
Penemuan struktur DNA
Tahun 1953 merupakan tahun revolusioner bagi ilmu biologi, karena 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 menonjol ke dalam.
Analogi tangga umumnya digunakan, di mana pegangan tangan sesuai dengan gugus fosfat dan anak tangga dengan basa.
Penemuan sekuensing DNA
Dalam dua dekade terakhir telah terjadi kemajuan luar biasa dalam biologi, yang dipimpin oleh pengurutan DNA. Berkat kemajuan teknologi, saat ini kita memiliki teknologi yang diperlukan untuk mengetahui urutan DNA dengan presisi yang cukup tinggi – dengan “urutan” yang kita maksud adalah urutan basa.
Awalnya menjelaskan urutannya adalah peristiwa yang mahal dan membutuhkan waktu lama untuk diselesaikan. Saat ini bukan masalah untuk mengetahui urutan seluruh genom.
Karakteristik
Muatan dan kelarutan
Seperti namanya, sifat asam nukleat adalah asam dan merupakan molekul dengan kelarutan tinggi dalam air; yaitu, 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 oleh 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 karakteristik kimia ini memainkan peran penting dalam evolusi asam nukleat dan dalam pemilihan DNA sebagai materi herediter.
Menurut transisi hipotetis yang diusulkan oleh beberapa penulis, RNA digantikan oleh DNA dalam perkembangan evolusioner. Namun, saat ini ada beberapa virus yang menggunakan RNA sebagai materi genetik.
Penyerapan sinar UV
Penyerapan asam nukleat juga tergantung pada apakah itu pita ganda atau pita tunggal. Puncak serapan cincin dalam strukturnya adalah 260 nanometer (nm).
Saat untai DNA pita ganda mulai terpisah, penyerapan pada panjang gelombang yang disebutkan di atas meningkat, karena cincin yang membentuk nukleotida terbuka.
Parameter ini penting bagi ahli biologi molekuler di laboratorium, karena dengan mengukur penyerapan 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 (tipe)
Dua asam nukleat utama adalah DNA dan RNA. Keduanya adalah komponen dari semua makhluk hidup. DNA singkatan dari asam deoksiribonukleat dan RNA untuk asam ribonukleat. Kedua molekul memainkan peran mendasar dalam hereditas dan sintesis protein.
DNA adalah molekul yang menyimpan semua informasi yang diperlukan untuk pengembangan suatu organisme, dan itu dikelompokkan ke dalam unit fungsional yang disebut gen. RNA bertanggung jawab untuk mengambil informasi ini dan, bersama dengan kompleks protein, menerjemahkan informasi dari rantai nukleotida ke rantai asam amino.
Untaian RNA dapat memiliki panjang beberapa ratus atau beberapa ribu nukleotida, sedangkan untai DNA melebihi jutaan nukleotida dan dapat divisualisasikan di bawah cahaya mikroskop optik jika diwarnai dengan pewarna.
Kita akan merinci perbedaan struktural dasar antara kedua molekul di bagian selanjutnya.
RNA
Dalam sel, ada berbagai jenis RNA yang bersama-sama bekerja untuk mengatur sintesis protein. Tiga jenis utama RNA adalah messenger, ribosom, dan transfer.
Messenger RNA
Messenger RNA bertanggung jawab untuk menyalin pesan yang ada dalam DNA dan mengangkutnya ke sintesis protein yang terjadi dalam struktur yang disebut ribosom .
RNA ribosomal atau ribosomal
RNA ribosom ditemukan sebagai bagian dari mesin penting ini: ribosom . Dari ribosom, 60% terdiri dari RNA ribosom dan sisanya ditempati oleh hampir 80 protein yang berbeda.
Mentransfer RNA
Transfer RNA adalah sejenis adaptor molekuler yang mengangkut asam amino (blok pembangun 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 nuklir kecil, disingkat snRNA, berpartisipasi sebagai entitas katalitik dalam penyambungan (proses menghilangkan intron) dari messenger RNA.
RNA nukleolar kecil atau snoRNA terlibat dalam pemrosesan transkrip RNA pra-ribosom yang akan membentuk bagian dari subunit ribosom. Ini terjadi di nukleolus.
RNA pendek dan mikroRNA adalah sekuens RNA kecil yang peran utamanya adalah modulasi ekspresi gen. MicroRNAs 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:
Gugus fosfat
Ada empat jenis nukleotida dan mereka memiliki struktur yang sama: gugus fosfat yang dihubungkan dengan pentosa melalui ikatan fosfodiester. Kehadiran fosfat memberikan molekul karakter asam. Gugus fosfat terdisosiasi pada pH sel, sehingga bermuatan negatif.
Muatan negatif ini memungkinkan asosiasi asam nukleat dengan molekul yang muatannya positif.
Di dalam sel dan juga dalam cairan ekstraseluler kita dapat menemukan sejumlah kecil nukleosida. 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 pada 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 monomer 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 diberikan oleh identitas basa. Ada lima jenis yang disingkat dengan inisialnya: adenin (A), guanin (G), sitosin (C), timin (T), dan urasil (U).
Adalah umum bahwa dalam literatur kita menemukan bahwa lima huruf ini digunakan untuk merujuk pada keseluruhan nukleotida. Namun, sebenarnya, ini hanya bagian dari nukleotida.
Tiga yang pertama, A, G, dan C, sama untuk DNA dan RNA. Sementara T unik untuk DNA dan urasil terbatas pada molekul RNA.
Secara struktural, basa adalah senyawa kimia heterosiklik, yang cincinnya terdiri dari molekul karbon dan nitrogen. A dan G terdiri dari sepasang cincin yang menyatu dan termasuk dalam kelompok purin. Basa yang tersisa milik pirimidin dan strukturnya terdiri dari cincin tunggal.
Adalah umum bagi kedua jenis asam nukleat untuk menemukan serangkaian basa yang dimodifikasi, seperti gugus metil tambahan.
Ketika peristiwa ini terjadi, kita katakan bahwa basa tersebut termetilasi. Pada prokariota, adenin termetilasi biasanya ditemukan, dan pada prokariota dan eukariota, sitosin mungkin memiliki gugus metil tambahan.
Bagaimana polimerisasi terjadi?
Seperti yang kita 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 terdapat pada karbon 3 gula dari salah satu nukleotida membentuk ikatan ester dengan gugus fosfat dari molekul nukleotida lain. Selama pembentukan ikatan ini, pelepasan molekul air terjadi.
Jenis reaksi ini disebut “reaksi kondensasi”, dan sangat mirip dengan apa 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 kimia pada ujungnya: satu adalah ujung 5 ‘yang mengandung gugus hidroksil bebas atau gugus fosfat pada karbon 5’ gula terminal, sedangkan pada ujung 3 kita menemukan gugus hidroksil bebas dari karbon 3´.
Mari kita bayangkan bahwa setiap blok DNA adalah blok dari permainan Lego, dengan satu ujung yang dimasukkan dan dengan lubang bebas di mana penyisipan blok lain dapat terjadi. Ujung 5 ‘dengan fosfat akan menjadi ujung yang akan disisipkan dan 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 tidak akan menjadi bagian dari asam nukleat, mereka memainkan peran biologis yang sangat penting.
Di antara yang paling relevan kita memiliki riboflavin mononukleotida, yang dikenal sebagai FMN, koenzim A, adenin dinukleotida dan nikotinamin, antara lain.
struktur RNA
Struktur linier polimer asam nukleat sesuai dengan struktur utama 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 utama DNA dan RNA cukup mirip (kecuali untuk perbedaan yang disebutkan di atas), konformasi strukturnya sangat berbeda. RNA umumnya ditemukan sebagai rantai tunggal nukleotida, meskipun dapat mengambil pengaturan yang berbeda.
RNA transfer, 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 dalam dan dapat melipat 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 disajikan gulanya.
Saling melengkapi
Ada saling melengkapi antara basis. 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 mengikatnya.
Untaian DNA dapat dipisahkan (ini terjadi baik di dalam sel maupun dalam prosedur laboratorium) dan panas yang dibutuhkan tergantung pada jumlah GC dalam molekul: semakin besar, semakin banyak energi yang dibutuhkan untuk memisahkannya.
Orientasi untai
Karakteristik lain dari DNA adalah orientasinya yang berlawanan: sementara untai berjalan ke arah 5′-3 ‘, pasangannya berjalan ke 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 putaran, dipisahkan oleh jarak 3,4. DNA B berbelok ke kanan.
Pola lilitan 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 yang natural. Molekul mengambil bentuk ini ketika kelembaban menurun. Berputar setiap 11 pasangan basa.
Varian terakhir adalah Z yang bercirikan sempit dan berbelok ke kiri. Ini terdiri dari sekelompok heksanukleotida yang dikelompokkan menjadi dupleks rantai antiparalel.
Fitur
DNA: molekul hereditas
DNA adalah molekul yang dapat menyimpan informasi. Kehidupan, seperti yang kita ketahui di planet kita, bergantung pada kemampuan untuk menyimpan dan menerjemahkan informasi tersebut.
Untuk sel, DNA adalah semacam perpustakaan di mana 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 kita uraikan di bagian sebelumnya adalah kunci untuk menjalankan fungsinya. Heliks harus dapat memisahkan dan bergabung dengan mudah – properti kunci untuk peristiwa replikasi dan transkripsi.
DNA ditemukan pada prokariota di situs tertentu dalam sitoplasma mereka, sedangkan pada eukariota terletak di dalam nukleus.
RNA: molekul multifungsi
Peran 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 messenger. Selanjutnya, utusan harus menghilangkan bagian yang tidak akan diterjemahkan, yang dikenal sebagai intron.
Untuk menerjemahkan pesan RNA ke residu asam amino, dua komponen tambahan diperlukan: RNA ribosom yang merupakan bagian dari ribosom, dan RNA transfer, yang akan membawa asam amino dan akan bertugas memasukkan yang benar. asam amino dalam rantai peptida.Dalam pelatihan.
Dengan kata lain, setiap jenis utama RNA memainkan peran penting dalam proses ini. Perjalanan dari DNA ke RNA pembawa pesan dan akhirnya ke protein inilah yang oleh para ahli biologi disebut sebagai “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 messenger RNA dan berpartisipasi dalam regulasi ekspresi.
Misalnya, di dalam sel terdapat RNA pembawa pesan yang berbeda yang diatur oleh RNA kecil, yang memiliki urutan komplementer untuk ini. Jika RNA kecil dilampirkan ke pesan, ia dapat memotong pembawa pesan, sehingga mencegah terjemahannya. Ada beberapa proses yang diatur dengan cara ini.
Referensi
- Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Biologi sel esensial . Ilmu Garland.
- Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biokimia. edisi ke-5. WH Freeman.
- Cooper, GM, & Hausman, RE (2000). Sel: Pendekatan molekuler . Rekan Sinauer.
- Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Undangan biologi . Macmillan.
- Fierro, A. (2001). Sejarah singkat penemuan struktur DNA. Rev Méd Clínica Las Condes , 20 , 71-75.
- Forterre, P., Filee, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Asal dan Evolusi DNA dan Mesin Replikasi DNA. Dalam: Database Madame Curie Bioscience [Internet]. Austin (TX): Landes Bioscience.
- Karp, G. (2009). Biologi sel dan molekuler: konsep dan eksperimen . John Wiley & Sons.
- Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Transisi evolusioner dari RNA ke DNA pada sel awal. Jurnal evolusi molekuler , 27 (4), 283-290.
- Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Biologi sel molekuler . Macmillan.
- Voet, D., & Voet, JG (2006). Biokimia . Ed. Medis Panamerika.
- Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Dasar biokimia. New York: John Willey and Sons.
