STRUKTUR ASAM NUKLEAT(Laras Ragil Kuncoro Putri, 1206212363)

ABSTRAKAsam nukleat merupakan biopolimer yang terdapat pada semua sel hidup dan berfungsii untuk menyimpan dan mentransfer genetik, kemudian menterjemahkan informasi genetik tersebut untuk membentuk protein yang khas. Mononukleotida adalah monomer pembentuk asam nukleat. Terdapat dua basa nitrogen di dalam asam nukleat yaitu basa pirimidin dan purin. Asam nukleat terdiri dari dua jenis yaitu deoksiribonukleotida (DNA) dan ribonuklotida (RNA). DNA dan RNA adalah polimer linear nukleotida yang terbentuk melalui ikatan fosfodiester. Struktur DNA dan RNA berbeda, DNA memiliki bentuk heliks ganda dan merupakan komponen utama pembentuk inti sel, sedangkan RNA memiliki rantai tunggal dan berfungsi dalam sintesa protein. Sel prokariotik dan sel eukariotik memiliki DNA dan RNA yang berbeda.Kata kunci: Nukleotida, nukleosida, pentosa, DNA, RNA, basa nitrogen, fosfodiester.

A. Komponen Asam Nukleat

Asam nukleat merupakan makromolekul yang membawa informasi genetik dan bertanggungjawab dalam transfer informasi untuk sintesis protein. Asam nukleat adalah biopolimer yang memiliki bobot molekul yang tinggi dengan mononukleotida sebagai monomer penyusunnya. Asam nukleat terdiri dari dua jenis berdasarkan gula pentosa yang menyusunnya yaitu DNA (dioksiribonukleotida) dan RNA (ribonukleotida). DNA tersusun atas gula pentosa dioksiribosa, sedangkan RNA tersusun atas gula pentosa ribosa.

Nukleotida terdiri dari tiga komponen yaitu basa nitrogen yang terikat dengan gula pentosa yaitu purin dan pirimidin, gula pentosa yaitu deoksiribosa dan ribosa, serta fosfat yang teresterifikasi oleh gula pentosa pada karbon-5.

Basa nitrogen bergabung secara kovalen dalam ikatan N-glikosil dengan atom karbon-1 pada pentosa dan asam fosfat berikatan ester dengan atom karbon-5. Basa nitrogen adalah turunan dari senyawa heterosiklik induk, yaitu pirimidin dan purin. Basa pirimidin utama yang terkandung dalam DNA adalah sitosin (C) dan timin (T), dan basa pirimidin yang berikatan dengan atom karbon-1 adalah N-1. Sedangkan basa purin utama yang terkadung dalam DNA adalah adenin (A) dan guanin (G), dan basa purin yang berikatan denga atom karbon-1 pada pentosa adalah N-9. Pada RNA basa pirimidin utama adalah sitosin (C) dan urasil (U), dan basa purin utama adalah adenin (A) dan guanin (G). Basa pirimidin dan purin adalah molekul yang hampir pipih dan relatif tidak larut di dalam air.

Gambar 1. Struktur basa purin dan pirimidin(Sumber: http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/nitrogenous+base)

Purin dan pirimidin dapat melalui sebuah pergeseran keto-enol tautomeric. Tautomer keto disebut dengan lactam, sedangkan tautomer enol disebut lactim. Tautomer lactam terdapat dalam bentuk predominan pada pH netral.

Gambar 2. lactam-lactim tautomerism pada urasil(Sumber: www.mikeblaber.org/oldwine/BCH4053/Lecture18/Lecture18.htm)

Pada asam nukleat terdapat dua jenis pentosa yaitu 2-deoksi-D-ribosa yang secara berulang terkandung dalam unit deoksiribonukleotida pada DNA, serta D-ribosa yang terkandung dalam ribonukleotida pada RNA. Dua jenis pentosa ini terdapat pada nukleotida dalam bentuk -fluranosa.

Gambar 3. Struktur gula pentosa(Sumber: http://chemistry.tutorvista.com/biochemistry/nucleic-acids.html?view=simple)

Molekul nukleotida terdiri atas nukleosida yang mengikat asam fosfat. Kombinasi purin dan pirimidin dengan pentosa disebut dengan nukleosida. Basa purin atau pirimidin terikat pada pentosa oleh ikatan glikosidik, yaitu ikatan pada atom karbon-1. Pada pengikatan glikosidik ini sebuah molekul air yang dihasilkan terjadi dari atom hidrogen pada atom N-9 dari basa purin dengan gugus OH pada atom C-1 dari pentosa. Sedangkkan untuk basa pirimidin gugus OH pada atom C-1 berikatan dengan atom H pada atom N-1. Beberapa nukleosida yang terbentuk dari basa purin atau pirimidin dengan ribosa adalah adenosin, guanosin, uridin, timidin, dan sitidin. Apabila pentosa yang berikatan adalah deoksiribiosa maka nama nukleosida menjadi deoksiadenosin, deoksisistidin, deoksisitidin, dan deoksitimidin.Nukleosida yang terdapat dalam bentuk ester fosfat disebut dengan nukleotida. Nukleotida adalah molekul bebas yang berikatan dengan sesama nukleotida membentuk asam nukleat. Antar nukleotida pada DNA dan RNA terikat secara kovalen melalui jembatan gugus fosfat. Jembatan ini terbentuk oleh penggabungan antara gugus 5-hidroksil pada pentosa unit nukleotida yang satu dengan gugus 3-hidroksil pada pentosa nukleotida berikutnya dalam ikatan fosfodiester. Sehingga tulang punggung (struktur) kovalen asam nukleat terdiri dari gugus fosfat dan pentosa secara bergantian sedangkan basa spesifiknya dapat dipandang sebagai gugus samping yang bergabung dengan tulang punggung ini pada interval yang teratur. Struktur kovalen DNA maupun RNA bersifat sangat polar karena gugus fosfat bersifat asam dan bermuatan negatif pada pH sel. Sedangkan basa pirimidin dan purin relatif tidak larut dalam air dan bersifat hidrofobik. Polaritas untaian DNA dan RNA bersifat spesifik, karena semua ikatan fosfodiester memiliki arah yang sama di sepanjang rantai ujung 5 dan ujung 3. Beberapa contoh nukleotida dengan ribosa sebagai gula pentosa adalah sebagaii berikuta. Adenin nukleotida atau adenosinmonofosfat (AMP)b. Guanin nukleotida atau guaninmonofosfat (GMP)c. Hipoksantin nukleotida atau inosnmonofosfat (IMP)d. Urasil nukleotida atau uridinmonofosfat (UMP)e. Sitidin nukleotida atau sitidinmonofosfat (SMP)f. Timin nukleotida atau timidinmonofosfat (TMP)

Apabila pentosanya adalah deoksiribosa, maka nama nukleotida bagian depan ditambah denga deoksi, misalnya deoksiadenosin-monofosfat (dAMP), deoksiguanosin-monofosfat (dGMP), dan lain-lain.Berikut ini adalah ilustrasi mengenai nukleosida dan nukleotida.

Gambar 4. Struktur nukleotida dan nukleosida(Sumber: http://web.pdx.edu/~newmanl/ChapterOutlines/Chapter09.html)

B. Struktur DNA (asam dioksiribonukleotida)

DNA merupakan polinukleotida dimana residu fosfat dari tiap nukleotida membentuk ikatan diester antara deoksiribosa. Basa pirimidin utama yang terkandung dalam DNA adalah sitosin (C) dan timin (T), dan basa purin utama yang terkadung dalam DNA adalah adenin (A) dan guanin (G). Selain membawa keempat basa utama atau mayor, DNA juga terdiri atas beberapa basa minor DNA. Basa minor ini biasanya terdapat dalam bentuk termetilasi, tetapi pada beberapa DNA virus, basa tertentu dapat mengalami hidroksimentilasi, atau glukosilasi.

DNA berbentuk dobel heliks yang memiliki dua rantai nukleotida yang saling mengelilingi satu sama lain (berpilin) dan terpadat 10 pasang basa tiap satu putaran, panjang satu putara 34 sehingga pasangan nukleotida yang satu dengan yang lain berjarak 3,4 . Rantai dobel heliks ini memiliki diameter 20 dan terdapat celah mayor dan celah minor. DNA yang berbentuk melingkar juga dapat mengalami superkoil, yaitu DNA berputar pada arah berlawanan dan menimbulkan suatu simpul putar pada molekul DNA lingkaran sehingga DNA berpilin pada molekul itu sendiri. DNA linear tidak dapat melakukan superkoil kecuali apabila kedua ujung DNA ini bergabung membentuk DNA melingkar.

(Lehninger, 1994, p.137 )Pada tahun 1953, James Watson, seorang ahli genetika dan Francis Crick, seorang dokter dari Inggris, bekerja bersama-sama di Universitas Cambridge mengemukakan model tiga dimensi struktur DNA yang menjelaskan sinar X dan pasangan basa yang khas pada DNA. Struktur ini terdiri dari dua rantai DNA helix yang berputar mengelilingi sumbu yang sama untuk membentuk helix ganda yang berarah ke kanan. Pada helix ini kedua rantai atau untai ini bersifat antiparale, yaitu jembatan fosfodiester antar nukleotidanya terletak pada arah yang berlawanan. Tulang punggung hidrofiliknya, yang terdiri dari deoksiribosa dan gugus fosfat yang bermuatan negatif, berada di sebelah luar heliks ganda, menghadap ke air yang ada disekelilingnya. Basa purin dan pirimidin hidrofobik kedua untai disusun di dalam heliks ganda, sehingga molekul basa yang hampir-hampir datar terletak amat berdekatan dan tegak lurus terhadap sumbu panjang heliks ganda ini. Ruang di antara kedua untai ini membentuk suatu lekuk besar dan lekuk kecil di antara kedua untai. Basa salah satu untai berpasangan pada bidang yang sama dengan basa untai lain. Hanya pasangan basa tertentu saja yang dapat dengan tepat mengisi struktur ini. Pasangan basa yang memenuhi syarat ini selalu merupakan purin dan pirimidin, khususnya, pasangan A-T dan G-C, yang merupakan pasangan basa yang ditemukan oleh Chargaff terdapat pada kesetaraan yang tepat pada spesimen DNA. Tambahan pula, basa di setiap pasangan cukup dekat pada sisi untuk saling mengadakan ikatan hidrogen. Sangat penting bagi kita untuk memperlihatkan bahwa ada tiga ikata hidrogen yang dapat terbentuk di antara G dan C, dilambangkan sebagai GC, tetapi, hanya ada dua yang terbentuk di antara A dan T, dilambangkan oleh AT. Pasangan basa lain tidak dapat mengis struktur heliks ganda ini. Sepasang basa yang disusun oleh dua purin (A dan G) akan terlalu besar untuk dapat memasuki struktur dalam heliks yang berukuran seperti ini, dan basa pasanga C-T akan terlalu terpisah jauh untuk membentuk ikatan hidrogen yang stabil. Selanjutnya, A tidak dapat membentuk ikatan hidrogen dengan C atau G dengan T dan tidak pula dapat masuk ke dalam heliks ini.

Gambar 5. Struktur DNA double heliks(Sumber: http://ghr.nlm.nih.gov/handbook/basics/dna)

Struuktur DNA dobel heliks dipertahankan oleh dua gaya yaitu ikatan hidrogen diantara pasangan basa komplementer dan interaks hidrofobik yang menyebabkan basa-basa tersusun didalam dobel heliks.

Pada tahun 1949-1953 Edwn Chargaff melakukan pemisahan dan analisis kuantitatif keempat basa DNA yang diisolasi dari berbagai organisme. Berdasarkan data yang terkumpul, Edwin Chargaff mendapatka kesimpulan sebagai berikuta. Komposisi basa DNA bervariasi antara spesies satu dengan spesies yang lain.b. Sampel DNA yang diisolasi dari berbagai jaringan pada spesies yang sama mempunyai komposisi basa yang sama.c. Komposisi DNA suatu spesies tidak berubah oleh perubahan usia, keadaan nutrisi maupun perubahan lingkungan.d. Hampir semua DNA yang diteliti mempunyai jumlah residu adenin yang sama dengan jumlah residu timin, dan jumlah residu guanin yang sama dengan jumlah residu sitosin, kemudian hal ini disebut sebagai aturan Chargaff.e. DNA yang diekstraksi dari spesies-spesies dengan hubungan kekerabatan yang dekat mempuyai komposisi basa yang hampir sama.

Terdapat tiga struktur DNA yang telah diketahui selama ini yaitu struktur primer, struktur sekunder, dan struktur tersier.

a. Struktur primer

DNA tersusun dari monomer-monomer nukleotida. Setiap nukleotida terdiri dari satu basa nitrogen berupa senyawa purin atau pirimidin , satu gula pentosa berupa 2-deoksi-D-ribosa dalam bentuk furaosa, dan satu molekul fosfat. Penulisan urutan basa dimulai dari kiri yaitu ujung 5 bebas (tidak terikat dengan nukleotida lain) menuju ujung dengan gugus 3-hidroksil bebas atau dengan arah 53 (Darnell, et al., dalam T. Milanda, 1994).

Gambar 6. Struktur DNA primer(Sumber:http://pustaka.unpad.ac.id/wp-content/uploads/2011/09/pustaka_unpad_pcr.pdf)

b. Struktur sekunder

Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan James D.Watson dan Francis H.C. Crick, struktur DNA sekunder berbentuk heliks ganda yang tersusun dari dua untai polinukleotida secara antiparalel, berputar ke kanan dan melingkari suatu sumbu. Unit gula fosfat berada diluar molekul DNA dan basa komplementer berada di dalam molekul.

Gambar 7. Struktur DNA sekunder(Sumber: http://pustaka.unpad.ac.id/wp-content/uploads/2011/09/pustaka_unpad_pcr.pdf)

Dua ikatan glikosidik yang mengikat pasangan basa pada cincin gula tidak persis berhadapan. Akibatnya, jarak antara unit-unit gula fosfat yang berhadapan sepanjang heliks ganda tidak sama dan membentuk celah yang berbeda, yaitu celah mayor dan celah minor (Marks, et al., 1996; Robert K. Murray, el al., 2000)

c. Struktur tersier

Struktur tersier DNA berupa konformasi DNA sirkular dan konformasi DNA linear. DNA sirkular terjadi karena kedua untai polinukleotida membentuk struktur tertutup yang tidak berujung. DNA linear memiliki ujung-ujung rantai yang bebas. DNA sirkular sering mengalami superkoil.

Gambar 8. (a) Struktur DNA sirkular (b) Struktur DNA linear(Sumber: http://pustaka.unpad.ac.id/wp-content/uploads/2011/09/pustaka_unpad_pcr.pdf)Molekul DNA memiliki ukuran yang panjang dan tidak bercabang. Berikut ini adalah tabel ukuran dari molekul DNA.Tabel 1. Ukuran beberapa macam molekul DNAOrganismeRata-rata jumlah pasangan basa per kromosom (ribu)Panjang (cm)Jumlah kromosom (haploid)Bentuk

Simian virus 40 (SV40)5,10,000171Sirkular

Bakteriofag X1745,40,000181Sirkular rantai tunggal

Bakterifag 460,00151Linear

E. coli4.0000,131Sirkular

Yeast1.0000,03317

Drosophila melanogastre41.0001,44

Homo sapiens125.0004,123

Sumber: Emil L. Smith, et al, 1983, p.145

DNA memiliki 3 bentuk yaitu DNA-A, DNA-B, dan DNA-Z. Berikut ini adalah gambar dari ketiga bentuk tersebut.Dibawah kondisi yang dikenakan gaya atau pilinan dalam DNA, atau dibawah kondisi hidrasi rendah, DNA dapat menjadi beberapa konformasi helikal, seperti A-DNA, B-DNA, dan Z-DNA. Bola biru dan putih adalah gula pentosa and phosphate. Bola merah sebagai pasagan basa G dan C. Bola kuning sebagai pasangan basa A dan T. Berikut ini akan diberikan tabel perbedaan antara ketiga bentuk ini.

Gambar 9. Struktur Sekunder tRNA (Sumber: http://www.uic.edu/classes/phys/phys461/phys450/ANJUM04/)

Tabel 2. Perbedaan bentuk DNA-A, DNA-B, dan DNA-ZA-DNAB-DNAZ-DNA

Right-handedRight-handedLeft-handed

Short and broadLong and thinLonger and thin

Diameter ()25.523.718.4

Rise/base pair ()2.33.43.8

Helix pitch ()253447

Base pair/helical turm111012

Sumber: http://www.uic.edu/classes/phys/phys461/phys450/ANJUM04/ Sel prokariotik memiliki kromosom yang merupakan satu molekul besar DNA yang berkaitan erat membentuk nukleoid. Selain itu, sel prokariot memiliki DNA lebih banyak jika dibandingkan dengan DNA virus. Pada Eukariotik kromosom mengandung sejumlah DNA yang mana masing-masing DNA berukuran lebih besar dari satu molekul DNA dalam prokariot. Dalam nukleus sel eukariot, molekul DNA bergabung dengan protein kemudian dikelompokkan membentuk serabut kromatin. Sel eukariot mengandung lebih banyak DNA dibandingkan dengan sel prokariot. DNA sel eukariot berbentuk linear, tidak melingkar. Pengepakan DNA pada sel prokariotik menggunakan sejumlah kecil protein yang membantu DNA untuk memilin dan merapat, sedangkan pada sel eukariotik, serabut kromatin berkaitan erat dengan protein yang dinamakan histon, yang berfungsi untuk mengepak dan menyusun DNA menjadi unit-unit struktural yang disebut nukleosom.DNA sel prokariotik biasanya hanya memiliki satu perangkat DNA per sel, dimana molekul DNA hanya mengandung satu perangkat setiap gen. Susunan gen di dalam DNA sel eukariotik jauh lebih kompleks dibandingkan dengan sel prokariotik jika ditunjau dari segi struktur dan fungsinya. Semua kromosom sel eukariotik mengandung DNA berulang, dan jumlah urutan bervariasi dari satu spesies eukariotik dengan spesies yang lain.

C. Struktur RNA (asam ribonukleotida)RNA tersusun atas pentosa berupa ribosa yang berikatan dengan basa nitrogen dan gugus fosfat, sehingga terbentuk ribonukleotida. Asam ribonukleat terdiri dari benang panjang ribonukleotida dan merupakan rantai tunggal. Sebagian besar RNA di dalam sel berada pada sitoplasma sel. Molekul RNA lebih pendek dari molekul DNA, namun pada sebagian besar sel memiliki RNA jauh lebih banyak daripada DNA. Pada RNA basa pirimidin utama adalah sitosin (C) dan urasil (U), dan basa purin utama adalah adenin (A) dan guanin (G) dengan panjang molekul 70 hingga 10.000 pb. Terdapat tiga jenis RNA berdasarkan komposisi, ukuran, sifat fungsional, dan lokasinya di dalam sel. RNA pada sel prokariot dan eukariot terdiri atas tiga golongan utama yaitu mRNA (messenger RNA), rRNA (ribosom RNA), dan tRNA (transfer RNA).Messenger RNA memliki urutan nukleotida yang bersifat komplementer dengan pesan genetik yang terkandung dalam potongan spesifik untai cetakan DNA (kodon). mRNA memiliki basa adenin, guanin, sitosin dan urasil, selain itu mRNA disintesis di dalam sel pada proses transkripsi. mRNA membawa inforasi genetik dari DNA untuk sintesis protein. Umur mRNA pendek,setelah itu akan mengalami degradasi/resintesis. Sel eukariotik dapat mengandung molekul RNA lebih dari 104 yang masing-masing menjadi satu jenis atau lebih rantai polipeptida. Transfer RNA terdiri dari satu untai ribonukleotida dan merupakan molekul yang kecil,, tetapi dalam konformasinya begitu berlipat-lipat. tRNA mengandung basa adenin, guanin,dan urasil yang termetilasi. Setiap tRNA mengadung urutan trinukleotida spesifik, yang dinamakan antikodon, yang bersifat komplementer dengan kodon. Jumlah tRNA hanya sedikit dari total RNA di dalam sel. tRNA berfungsi untuk mengangkut asam amino spesifik ke ribosom untuk proses sintesis protein. Terdapat struktur sekunder dan struktur tersier pada tRNA. Struktir sekunder merupakan single strand yang terlipat ke dalam struktur clover-leaf dengan 3 cekungan dan sebuah acceptor stem (ujung 3), dimana pada acceptor stem inilah asam amino terikat.

Gambar 9. Struktur Sekunder tRNA (Sumber: http://www.uic.edu/classes/phys/phys461/phys450/ANJUM04/)

Basa dalam struktur tRNA tersier terkadang membuat ikatan hidrogen dengan lebih dari satu partner. Ikatan hidrogen ekstra ini mengimbangi distorsi pada saat strand RNA terlipat dan membantu menstabilkan struktur tersier.Ribosom RNA merupakan komponen utama ribosom dan menyusun sampai 65% berat ribosom. rRNA memiliki julamh terbesar dari total RNA di dalam sel yaitu sekitar 80%. rRNA mengandung basa adenin,guanin,sitosin, dan urasil. Terdapat 3 jenis rRNA pada sel prokariot dan 4 jenis rRNA pada sel eukariot yang berperan penting dalam struktur dan fungsi biosintetik ribosom.Gambar 10. Struktur Tersier tRNA (Sumber: http://www.uic.edu/classes/phys/phys461/phys450/ANJUM04/ )

SUMMARYAsam nukleat adalah biopolimer yang tersusun atas nukleotida sebagai monomernya. Nukleotida terdiri dari tiga komponen yaitu basa nitrogen, pentosa, dan fosfat. Terdapat dua jenis basa yaitu purin (adenin dan guanin) dan pirimidin (urasil, timin, dan sitosin. Terdapat dua jenis asam nukleat dalam suatu sel jika ditinjau dari gula pentosa penyusunnya, yaitu DNA dan RNA. DNA tersusun atas gula pentosa deoksiribosa, sedangkan RNA tersusun atas gula pentosa ribosa. Nukleotida tersusun atas nukleosida yang berikatan dengan fosfat, sedangkan nukleosida itu sendiri adalah kombinasi antara gula pentosa dengan basa purin atau pirimidin. Antar nukleotida terhubung melalui ikatan fosfodiester dimana ikatan ini menghubungkan gugus 5-hidroksil pada pentosa unit nukleotida yang satu dengan gugus 3-hidroksil pada pentosa unit nukleotida berikutnya. Basa pirimidin yang terkandung dalam DNA adalah sitosin dan timin, sedangkan pada RNA adalah sitosin dan urasil. Basa purin yang terkandung dalam DNA dan RNA adalah sama yaitu adenin dan guanin. Terdapat tiga jenis DNA yaitu DNA primer, DNA sekunder, da DNA tersier. Dan untuk RNA terdapat tiga jenis yaitu mRNA, tRNA, dan rRNA.

DAFTAR PUSTAKAEmil L. Smith, Robert L. Hill, I. Robert Lehman, Robert J. Lefkowitz, Philip Handler, Abraham White, 1983. Principles of Biochemistry: General Aspects. 7th ed. United States of America.Lehninger, Albert L. 1994. Principles of Biochemistry (diterjemahkan oleh Maggy Thenawidjaya).Jakarta: ErlanggaKusuma, Sri Agung Fitri. 2010. PCR. Available at: [Accessed 14 January 2014]Yulianto, R., Bagaskara, RK., Tambunan S., P, Dony E., F, Rizki Eka F., D, Nike R., F, Ghani I., Widowati, A., Ermawati, A, Sri Ria V. 2011. Makalah Biokimia Asam Nukleat (Nucleic Acid). Availabel at: [Accessed 14 January 2014] n.p, n.d, http://www.uic.edu/classes/phys/phys461/phys450/ANJUM04/