Nukleotida

Nukleotida adalah molekul organik yang berperan sebagai monomer penyusun polimer asam nukleat — asam deoksiribonukleat (DNA) dan asam ribonukleat (RNA) — keduanya adalah biomolekul penting yang menyusun makhluk hidup di bumi.

Nukleotida adalah blok bangunan asam nukleat. Nukleotida tersusun dari tiga subunit — gugus basa nitrogen heterosiklik (basa nukleotida), gula pentosa (ribosa atau deoksiribosa) dan setidaknya satu gugus fosfat.

Nukleosida adalah molekul yang tersusun dari gugus basa nitrogen heterosiklik dan gula pentosa. Karena itu, nukleotida adalah tersusun dari nukleosida dan gugus fosfat.

Nukleotida mempunyai peran penting dalam metabolisme di tingkat dasar dan selular. Nukleotida mengandung energi kimia dalam bentuk nukleotida trifosfat (adenosin trifosfat — ATP, guanosin trifosfat — GTP, sitosin trifosfat — CTG dan urasin trifosfat — UTP). Paket energi ini tersebar di sel sel badan manusia dan menyediakan energi untuk fungsi metabolisme seperti: sintesis asam amino, protein, membran sel dan organel, menggerakkan sel dan organel (intraselular dan ekstraselular), pembelahan sel melalui mitosis dan meiosis.

Selain itu, nukleotida juga berpartisipasi dalam transduksi sinyal seluler (melalui siklik guanosin monofosfat — cGMP dan siklik adenosin monofosfat —cAMP).

Nukleotida adalah salah satu subunit untuk beberapa kofaktor, seperti CoA, FAD, FMN, NAD, dan NADP⁺. Dalam sel, kofaktor ini memainkan peran penting dalam fiksasi energi (misalnya fotosintesis), metabolisme, dan transduksi sinyal seluler.

Dalam eksperimental biokimia, nukleotida bisa bereaksi dengan radionuklida untuk membentuk radionukleotida. Proses ini dinamakan radiolabel dan sangat penting untung mengeksplorasi mekanisme reaksi kimia.

Struktur

Susunan nukleotida dalam struktus asam nukleat: di bagian kiri bawah, nukleotida monofosfat; basa nitrogennya mewakili satu sis pasangan basa. Di bagian kanan atas, empat nukleotida membentuk dua pasangan basa. timina dan adenina (dihubungkan dengan dua ikatan hidrogen) dan guanina dan sitosina (dihubungkan dengan tiga ikatan hidrogen). Satu monomen nukleotida dihubungkan dengan lainnya membentuk rantai di bagian gugus gula dan fosfat, membentuk dua "rantai punggung" (struktur untai ganda) dari asam nukleat, yang ditunjukkan di bagian kiri atas.

Nukleotida tersusun dari gugus basa nitrogen heterosiklik, gula pentosa, dan satu atau lebih gugus fosfat. Kalau tiga subunit itu bergabung, nukleotida juga disebut sebagai "nukleosida monofosfat". Sumber kimia ACS Style Guide dan IUPAC Gold Book menyatakan bahwa nukleotida hanya mempunyai satu gugus fosfat, tapi pengunaan istilah umum dalam buku pelajaran molekuler biologi memperluas definisinya untuk merangkum molekul dengan dua atau tiga gugus fosfat. Karena itu, istilah "nukleosida difosfat" atau "nukleosida trifosfat" juga bisa dinyatakan sebagai nukleotida.

Basa penyusun nukleotida biasanya adalah berupa purina atau pirimidina sementara gulanya adalah pentosa (ribosa), baik berupa deoksiribosa maupun ribosa.

Basa purina itu terdiri dari adenina atau guanina, sedangkan basa pirimidina itu terdiri dari timina, sitosina atau urasil.

Kalau gulanya ribosa, nukleotida itu dinamakan "ribonukleotida", sedangkan jika gulanya deoksiribosa, nukleotida itu dinamakan "deoksiribosanukleotida".

Dalam satu nukleotida, gugus fosfat berikat dengan gugus gula melalui karbon nomor 5 (5') melalui ikatan ester kovalen. Sedangkan basa nitrogen berikat dengan gugus gula melalu karbon nomor 1 melalui ikatan yang dinamakan ikatan glikosidik.

Gugus fosfat menghubungkan satu nukleotida dengan nukleotida lain melalui ikatan ester kovalen. Ikatan ini dinamakan ikatan fosfodiester. Ikatan antara satu nukleotida dengan lainnya membentuk satu rantai panjang yang dinamakan rantai polinukleotida.

Rantai polinukleotida membentuk "rantai tulang punggung" untuk satu atau dua struktur spiral. Dalam satu rantai polinukleotida, orientasinya dari ujung 5' ke ujung 3'. Dalam DNA — yang terbentuk dari dua rantai yang membangun struktur untai ganda — orientasi satu rantai mempunyai arah berlawanan dengan rantai lain. Satu rantai mempunyai orientasi 5' ke 3', dan rantai lainnya mempunyai orientasi 3' ke 5'. Orientasi berlawan ini sangat penting dalam proses replikasi dan translasi (salinan) informasi dalam DNA karena orientasi ini memungkinkan keadaan pasangan basa dan perlengkapan di antara pasangan basa.

Tidak seperti nukleotida yang membentuk asam nukleat, nukleotida siklik tunggal itu dibentuk ketika gugus fosfat berikat dua kali dengan gugus gula yang sama, yaitu di sudut-sudut gugus hidroksil di gula tersebut. Nukleotida siklik berperan dalam metabolisme sel, dan tidak berperan dalam pembentukan rantai molekul struktur untuk asam nukleat.

Asam nukleat adalah makromolekul polimerik yang tersusun dari nukleotida, blok bangunan asam nukleat. Basa purina adenina dan guanina, dan basa pirimidina sitosina bisa ditemukan di DNA dan RNA, sedangkan basa pirimidina timina bisa ditemukan hanya di DNA dan basa pirimidina urasil bisa ditemukan hanya di RNA.

Adenina membentuk pasangan basa dengan timina melalui dua ikatan hidrogen, sedangkan guanina berpasangan dengan sitosina melalui tiga ikatan hidrogen.

Elemen struktural dari nukleotida yang paling umum — dimana satu, dua atau tiga gugus fosfat berikat dengan nukleosida (kuning, biru dan hijau) di bagian tengah. Pertama, nukleotida dinamakan nukleotida monofosfat yang terbentuk dengan menambahkan satu gugus fosfat (merah). kedua, menambahkan gugus fosfat kedua membentukkan nukleosida difosfat. Ketiga, menambahkan gugus fosfat ketida membentukkan nukleosida trifosfat. Basa nukleosida dilabel sebagai "Base" dan "glycosidic bond" (ikatan glikosidik). Lima basa nukleosida — purina dan pirimida — dicantumkan di bagian kanan (biru).

Sintesis

Nukleotida dapat disintesis in vitro atau in vivo.

In vitro, gugus pelindung bisa dipakai dalam produksi nukleotida di laboratorium. Nukleosida yang dimurnikan kemudian dilindungi untuk membentuk fosforamidit, yang selanjutnya digunakan untuk membentuk analog yang tidak ditemukan di bumi atau digunakan untuk oligonukleotida sintesisasi.

In vivo, nukleotida bisa disintesis de novo atau didaur ulang melalui jalur reaksi penyelamatan. Komponen yang digunakan dalam sintesis nukleotida de novo berasal dari prekursor biosintetik dari metabolisme karbohidrat dan asam amino, dan dari amonia dan karbon dioksida. Hati adalah organ penting yang melakukan sintesis de novo untuk semua nukleotida. Sintesis de novo untuk basa pirimidina dan purina melalui dua jalur yang berbeda. Pirimidina disintesis pertama dari aspartat dan karbamoil fosfat di dalam sitoplasma, membentuk struktur prekursor cincin umum asam orotik. Gugus ribosil yang difosforilasi kemudian digabungkan dengan struktur asam orotik tersebut, melalui ikatan kovalen. Purina disintesis pertama dari templat gula dimana sintesis ring dilakukan. Sintesis nukleotida pirimidina dan purina dijalankan oleh beberapa enzim di sitoplasma, bukan di dalam organel tertentu. Nukleotida mengalami penguraian dan bagian-bagian berguna bisa digunakan kembali dalam reaksi sintesis untuk membuat nukleotida baru.

Sintesis nukleotida pirimidina

Sintesis UMP — Skema warna: enzim, coenzim, nama substrat, ion logam, molekul anorganik

Sintesis pirimidina CTP dan UTP dilakukan di sitoplasma dan dimulai dengan pembentukan karbamoil fosfat dari glutamin dan karbon dioksida, Selanjutnya, enzim aspartat karbamoil fosfat transferase mengkatalisis reaksi kondensasi antara aspartat dan karbamoil fosfat untuk membentuk asam karbamoil aspartik, yang kemudian disiklisasi menjadi 4,5-asam dihidrotik dengan bantuan enzim dihidroorotase. 4,5-asam dihidrotik dikonversi menjadi orotat oleh enzim dihidroorotate oksidase. Reaksi ini adalah:

(S)-Dihydroorotate + O₂ → Orotate + H₂O₂

Selanjutnya, orotat digabung dengan gugus ribosil yang telah difosforilasi, melalui ikatan kovalen. Ikatan kovalen antara ribosa dan pirimidina berada di posisi karbon 1 (C₁) di gugus ribosa, yang mengandung satu pirofosfat, dan posisi nitrogen 1 (N₁), di cincin pirimidina. Orotate fosforibosyl transferase (PRPP transferase) mengkatalisasi reaksi yang menghasilkan orotidina monofosfat (OMP):

Orotate + 5-Phospho-α-D-ribose 1-diphosphate (PRPP) → Orotidine 5'-phosphate + Pyrophosphate

Orotidina 5'-monofosfat kemudian dekarboksilasi oleh orotidina-5'-fosfat dekarboksilase untuk membentuk uridina monofosfat (UMP). PRPP transferase mengkatalisasi reaksi ribosilasi dan dekarboksilasi, membentuk UMP dari asam orotik dalam kandungan PRPP. Nukleotida pirimidina lain diturunkan dari UMP. Kemudian, UMP difosforilasi oleh dua enzim kinase untuk membentuk uridina trifosfat (UTP) melalui dua reaksi berurutan dengan ATP. Pertama, difosfat membentuk UDP itu diproduksi, dan kemudian difosforilasi menjadi UTP. Kedua reaksi memakai ATP untuk energi melalui ATP hidrolisis:

ATP + UMP → ADP + UDP

UDP + ATP → UTP + ADP

Selanjutnya, CTP dibentuk oleh reaksi aminasi UTP melalui aktivitas katalisasi dari enzim CTP sintetase. Glutamin adalah donor NH₃ dan reaksi tersebut memakai energi melalui ATP hidrolisis.

UTP + Glutamine + ATP + H₂O → CTP + ADP + P_i

Sitidina monofosfat (CMP) berasal dari sitidina trifosfat (CTP) melalui kehilangan dua gugus fosfat.

Sintesis nukleotida purina

Atom yang digunakan untuk membangun nukleotida purina berasal dari berbagai sumber:

Sintesis IMP — Skema warna: enzim, coenzim, nama substrat, ion logam, molekul anorganik

Penamaan

Kode nukleotid
Kode	Ekuivalen	Komplementer
A	A	T atau U
C	C	G
G	G	C
T or U	T	A
M	A atau C	K
R	A atau G	Y
W	A atau T	W
S	C atau G	S
Y	C atau T	R
K	G atau T	M
V	A atau C or G	B
H	A atau C or T	D
D	A atau G or T	H
B	C atau G or T	V
X atau N	A atau C atau G atau T	X

Nama-nama nukleotida disingkat menjadi kode empat-huruf standar. Huruf pertama berupa huruf kecil dan menandakan bawa nukleotida yang dipertanyakan adalah sebuah ribonukleotida (r) atau deoxyribonucleotid (d). Huruf ke-2 menandakan nukleosida yang berhubungan dengan nukleobasa:

G: Guanina

A: Adenina

T: Timina

C: Sitosina

U: Urasil biasanya tidak ada dalam DNA, tetapi menggantikan timina pada RNA

Huruf ke-3 dan ke-4 menandakan panjang dari rantai fosfat yang terikat (Mono-, Di-, Tri-) dan keberadaan sebuah fosfat (P).

Sebagai contoh, deoksi-sitidin-trifosfat disingkat sebagai dCTP.

Lihat pula

Pranala luar

(Inggris) Abbreviations and Symbols for Nucleic Acids, Polynucleotides and their Constituents (IUPAC)
(Inggris) Provisional Recommendations 2004 (IUPAC)