Nukleotida

Nukleotida adalah senyawa organik yang terdiri atas sebuah nukleosida dan sebuah gugus fosfat. Ia berperan sebagai monomer yang menyusun polimer berupa asam nukleat, yaitu asam deoksiribonukleat (DNA) dan asam ribonukleat (RNA); keduanya adalah biomolekul penting yang menyusun makhluk hidup di Bumi. Nukleotida diperoleh dari makanan dan juga disintesis dari nutrien umum di hati.

Nukleotida adalah blok pembangun asam nukleat. Nukleotida tersusun dari tiga subunit, yaitu sebuah gugus basa nitrogen heterosiklik (basa nukleotida atau nukleobasa), sebuah gula pentosa (ribosa atau deoksiribosa) dan setidaknya satu gugus fosfat. Empat jenis nukleobasa pada DNA yaitu guanina (G), adenina (A), sitosina (C), dan timina (T); pada RNA, urasil (U) yang digunakan alih-alih timina.

Nukleotida berperan penting dalam metabolisme di tingkat dasar dan selular. Nukleotida mengandung energi kimia dalam bentuk nukleotida trifosfat, yaitu adenosina trifosfat (ATP), guanosina trifosfat (GTP), sitidina trifosfat (CTG), dan uridina trifosfat (UTP). Paket energi ini tersebar di sel-sel tubuh dan menyediakan energi untuk fungsi metabolisme seperti sintesis asam amino, protein, membran sel, dan organel, pergerakan sel dan organel (intraselular dan ekstraselular), pembelahan sel melalui mitosis dan meiosis. Selain itu, nukleotida juga berpartisipasi dalam persinyalan sel melalui guanosina monofosfat siklik (cGMP) dan adenosina monofosfat siklik (cAMP), serta merupakan 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 biokimia eksperimental, nukleotida bisa bereaksi dengan radionuklida untuk membentuk radionukleotida. Proses ini dinamakan radiolabel dan sangat penting untuk mengeksplorasi mekanisme reaksi kimia.

Struktur

Susunan nukleotida dalam struktur 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.

Sebuah nukleotida tersusun atas tiga subunit kimiawi yang berbeda: molekul gula dengan lima atom karbon (disebut pentosa), sebuah gugus basa nitrogen heterosiklik (disebut basa nukleotida atau nukleobasa), serta paling tidak satu gugus fosfat.^[1] Gabungan gula pentosa dan nukleobasa disebut nukleosida. Saat ketiga subunit itu bergabung, nukleotida juga disebut sebagai "nukleosida monofosfat". Sumber kimia ACS Style Guide dan IUPAC Gold Book^[2] menyatakan bahwa nukleotida hanya mempunyai satu gugus fosfat, tapi pengunaan istilah umum dalam buku pelajaran biologi molekuler 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, koenzim, nama substrat, ion logam, molekul anorganik

Sintesis pirimidina CTP dan UTP dilakukan di sitoplasma dan dimulai dengan pembentukan karbamoil fosfat dari glutamina 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 hidrolisis ATP:

ATP + UMP → ADP + UDP

UDP + ATP → UTP + ADP

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

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, koenzim, nama substrat, ion logam, molekul anorganik

	Asal biosintesis atom-atom yang membentuk cincin purina N₁ berasal dari gugus amina Asp C₂ dan C₈ berasal dari formate N₃ dan N₉ disumbangkan dari group amina berasal dari Gln C₄, C₅ dan N₇ diturunkan dari Gly C₆ berasal dari HCO₃⁻ (CO₂)

Sintesis de novo untuk nukleotida purina dijalankan dengan prekursors yang dimasukkan ke dalam cincin purina melalui jalur 10 langkah ke senyawa perantara IMP, nukleotida dari basa hipoksantin. AMP dan GMP selanjutnya disintesis dari senyawa prenantara ini melalui jalur terpisah dua langkah. Karena itu, gugus purin pada awalnya terbentuk sebagai bagian dari ribonukleotida, dan bukan sebagai basa bebas.

Enam enzim terlibat dalam reaksi sintesis IMP. Di antara enzim itu, tiga enzim mempunyai peran multifungsi:

GART (reaksi 2, 3 dan 5)
PAICS (reaksi 6 dan 7)
ATIC (reaksi 9 dan 10)

Jalur reaksi termulai dengan pembentukan PRPP. PRPS1 adalah enzim yang mengaktifkan R5P, yang dibentuk oleh jalur pentosa fosfat, menjadi PRPP yang dibuat reaksi dengan ATP. Reaksi ini tidak biasa karena gugus pirofosforil ditransfer langsung dari ATP ke C₁ dari R5P, dan senyawa yang terbentuk mempunyai konfigurasi α di C₁. Reaksi ini juga berbagi dengan jalur sintesis asam amino Trp, His dan nukleotida pirimidina. Reaksi ini sangat diatur karena reaksi ini berada di dalam metabolisme utama dan memakai banyak energi.

Dalam reaksi pertama yang unik hanya untuk sintesis nukleotida purina, PPAT mengkatalisis perpindahan gugus pirofosfat (PP_i) dari PRPP melalui gugus nitrogen amida disumbangkan oleh glutamina (N), glisina (N dan C), asam aspartat (N), asam folat (C₁) atau karbon dioksida. Ini adalah langkah berkomitmen dalam sintesis purina. Reaksi ini terjadi dengan inversi konfigurasi di ribosa C₁, yang kemudian membentuk β-5-fosforibosilamine (5-PRA) dan meneguhkan bentuk anomerik nukleotida mendatang.

Selanjutnya, glisina dimasukkan dengan energi dari hidrolisis ATP dan gugus karboksil membuat ikatan amina dengan NH₂ dari sebelumnya. Satu-karbon unit dari koenzim asam folat N₁₀-formyl-THF kemudia ditambahkan ke gugus amina dari glisina yang disubtitusi, diikuti dengan penutupan cinicin imidazole. Kemudian, gugus NH₂ kedua ditransfer dari glutamina ke karbon pertama dari gugus glisina. Karboksilasi satu-karbon unit kedua dari gugus glisina ditambahkan secara bersama. Gugus karbon baru ini kemudian dimodifikasi dengan menambahkan gugus NH₂ ketiga, kali ini ditransfer dari residu aspartat. Akhirnya, satu-karbon unit kedua dari formil THF ditambahkan ke gugu nitrogen dan cincin itu ditutupkan secara kovalen untuk membentuk gugus prekursor purina umum inosin monofosfat (IMP).

Inosin monofosfat dikonversi ke adenosin monofosfat melalui dua langkah. Pertama, hidrolisis GTP menyediakan energi untuk menambahkan aspartat ke IMP oleh enzim adenilosuccinate sintase, menggantikan oksigen karbonil dengan nitrogen dan membentuk senyawa perantara adenilosuccinate. Kemudia, fumarat dibelah untuk membentuk adenosin monofosfat. Langkah ini dikatalisis oleh enzim adenilosuccinate liase.

Inosin monofosfate dikonversi ke guanosin monofosfate melalui reaksi oksidasi IMP membentuk xantilat, diikuti dengan penyisipan gugus amina di C₂. NAD⁺ adalah akseptor elektron di reaksi oksidasi ini. Transfer gugus amida didorong oleh energi dari hidrolisis ATP.

Degradasi Purina dan Pirimidina

Dalam tubuh manusia, cincin pirimidina (C,T, U) dapat didegradasi sepenuhnya menjadi karbon dioksida, CO₂ dan NH₃ (ekskresi urea). Cincin purina (G, A) tidak bisa didegradasi melalui jalur yang sama. Cincin purina didegradasi menjadi asam urat yang selanjutnya dikeluarkan dari tubuh. Asam urat terbentuk ketika GMP dibelah menjadi basa guanina dan ribosa. Guanina dideaminasi menjadi xantin, yang selanjutnya dioksidasi menjadi asam urat. Reaksi terakhir ini permanen. Demikian pula, asam urat bisa dibentuk ketika AMP dideaminasi untuk membentuk IMP, yang menjadi sumber gugus ribosa yang dikeluarkan untuk membentuk hipoksantin. Hipoksantin dioksidasi menjadi xantin dan selanjutnya menjadi asam urat. Guanina dan IMP bisa digunakan untuk daur ulang untuk reaksi sintesis asam nukleat di dalam kandungan PRPP dan aspartat (sebagai donor NH₃).

Penamaan

Kode nukleotida
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 deoxiribonukleotida (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.