Karakteristik Asam Nukleat

Asam nukleat penting di alam termasuk asam deoksiribonukleat, atau DNA, dan asam ribonukleat, atau RNA. Mereka disebut asam karena mereka adalah donor proton (yaitu, atom hidrogen), dan karena itu mereka membawa muatan negatif.

Secara kimia, DNA dan RNA adalah polimer, artinya mereka terdiri dari unit berulang, seringkali jumlahnya sangat banyak. Satuan ini disebut nukleotida. Semua nukleotida pada gilirannya mencakup tiga bagian kimia yang berbeda: gula pentosa, gugus fosfat, dan basa nitrogen.

DNA berbeda dari RNA dalam tiga cara utama. Salah satunya adalah gula yang membentuk "tulang punggung" struktural molekul asam nukleat adalah deoksiribosa, sedangkan pada RNA adalah ribosa. Jika Anda sama sekali akrab dengan tata nama kimia, Anda akan menyadari bahwa ini adalah perbedaan kecil dalam skema struktural keseluruhan; ribosa memiliki empat gugus hidroksil (-OH), sedangkan deoksiribosa memiliki tiga.

Perbedaan kedua adalah bahwa sementara salah satu dari empat basa nitrogen yang ditemukan dalam DNA adalah timin, basa yang sesuai dalam RNA adalah urasil. Basa nitrogen dari asam nukleat adalah yang menentukan karakteristik akhir dari ini molekul, karena bagian fosfat dan gula tidak bervariasi di dalam atau di antara molekul Tipe yang sama.

Akhirnya, DNA beruntai ganda, artinya terdiri dari dua rantai panjang nukleotida yang secara kimiawi terikat oleh dua basa nitrogen. DNA dililit menjadi bentuk "heliks ganda", seperti tangga fleksibel yang dipelintir ke arah yang berlawanan di kedua ujungnya.

Deoxyribose terdiri dari cincin lima atom, empat karbon dan oksigen, berbentuk seperti segi lima atau mungkin home plate dalam bisbol. Karena karbon membentuk empat ikatan dan oksigen dua, ini meninggalkan delapan situs pengikatan bebas pada empat atom karbon, dua per karbon, satu di atas dan satu di bawah cincin. Tiga dari tempat ini ditempati oleh gugus hidroksil (-OH), dan lima diklaim oleh atom hidrogen.

Molekul gula ini dapat berikatan dengan salah satu dari empat basa nitrogen: adenin, sitosin, guanin, dan timin. Adenin (A) dan guanin (G) adalah purin, sedangkan sitosin (C) dan timin (T) adalah pirimidin. Purin adalah molekul yang lebih besar dari pirimidin; karena dua untai dari setiap molekul DNA lengkap terikat di tengah oleh basa nitrogennya, ikatan ini harus terbentuk antara satu purin dan satu pirimidin untuk menjaga ukuran total dua basa melintasi molekul secara kasar konstan. (Ini membantu untuk merujuk pada diagram asam nukleat apa pun saat membaca, seperti yang ada di Referensi.) Seperti yang terjadi, A berikatan secara eksklusif dengan T dalam DNA, sedangkan C berikatan secara eksklusif dengan G.

Deoksiribosa yang terikat pada basa nitrogen disebut a nukleosida. Ketika gugus fosfat ditambahkan ke deoksiribosa pada karbon dua titik jauhnya dari tempat basa terpasang, nukleotida lengkap terbentuk. Kekhasan masing-masing muatan elektrokimia pada berbagai atom dalam nukleotida adalah: bertanggung jawab untuk DNA untai ganda yang secara alami membentuk bentuk heliks, dan dua untai DNA dalam molekul disebut untai komplementer.

Gula pentosa dalam RNA adalah ribosa daripada deoksiribosa. Ribosa identik dengan deoksiribosa kecuali bahwa struktur cincin terikat pada empat gugus hidroksil (-OH) dan empat atom hidrogen, bukan masing-masing tiga dan lima. Bagian ribosa dari nukleotida terikat pada gugus fosfat dan basa nitrogen, seperti DNA, dengan fosfat dan gula membentuk "tulang punggung" RNA. Basa, seperti disebutkan di atas, termasuk A, C dan G, tetapi pirimidin kedua dalam RNA adalah urasil (U) bukan dari T

Sedangkan DNA hanya berkaitan dengan penyimpanan informasi saja (gen hanyalah sebuah untai DNA yang mengkode protein tunggal), berbagai jenis RNA memiliki fungsi yang berbeda. Messenger RNA, atau mRNA, dibuat dari DNA ketika DNA untai ganda biasanya dipecah menjadi dua untai tunggal untuk tujuan transkripsi. MRNA yang dihasilkan akhirnya menuju ke bagian sel tempat pembuatan protein terjadi, membawa instruksi untuk proses ini yang disampaikan oleh DNA. Jenis RNA kedua, RNA transfer (tRNA), mengambil bagian dalam pembuatan protein. Ini terjadi pada organel sel yang disebut ribosom, dan ribosom sendiri terutama terdiri dari jenis RNA ketiga yang disebut, tepat, RNA ribosom (rRNA).

Lima basa nitrogen – adenin (A), sitosin (C), guanin (G) dan timin (T) dalam DNA dan tiga basa pertama ditambah urasil (U) dalam RNA – adalah bagian dari asam nukleat yang pada akhirnya bertanggung jawab atas keragaman produk gen di seluruh makhluk hidup sesuatu. Bagian gula dan fosfat sangat penting karena mereka menyediakan struktur dan perancah, tetapi basa adalah tempat kode dihasilkan. Jika Anda menganggap komputer laptop Anda sebagai asam nukleat atau setidaknya rangkaian nukleotida, perangkat keras (misalnya, drive disk, monitor layar, mikroprosesor) analog dengan gula dan fosfat, sedangkan perangkat lunak dan aplikasi apa pun yang Anda jalankan seperti nitrogen dasar, karena berbagai program unik yang telah Anda muat ke sistem Anda secara efektif membuat komputer Anda menjadi satu-satunya "organisme."

Seperti dijelaskan sebelumnya, basa nitrogen diklasifikasikan sebagai purin (A dan G) atau pirimidin (C, T dan U). A selalu berpasangan dalam untai DNA dengan T, dan C selalu berpasangan dengan G. Yang penting, ketika untai DNA digunakan sebagai cetakan untuk sintesis RNA (transkripsi), pada setiap titik di sepanjang molekul RNA yang sedang tumbuh, nukleotida RNA yang dibuat dari nukleotida DNA "induk" termasuk basa yang merupakan basa "induk" yang selalu terikat untuk. Ini dieksplorasi di bagian selanjutnya.

Purin terdiri dari cincin nitrogen dan karbon enam anggota dan cincin nitrogen dan karbon lima anggota, seperti segi enam dan segi lima yang berbagi sisi. Sintesis purin melibatkan penyesuaian kimiawi gula ribosa, diikuti dengan penambahan amino (-NH₂) kelompok. Pirimidin juga memiliki cincin nitrogen dan karbon enam anggota, seperti purin, tetapi tidak memiliki cincin nitrogen dan karbon lima anggota purin. Oleh karena itu, purin memiliki massa molekul yang lebih tinggi daripada pirimidin.

Sintesis nukleotida yang mengandung pirimidin dan sintesis nukleotida yang mengandung purin terjadi dalam urutan yang berlawanan dalam satu langkah penting. Dalam pirimidin, bagian basa dirakit terlebih dahulu, dan sisa molekul diubah menjadi nukleotida kemudian. Dalam purin, bagian yang akhirnya menjadi adenin atau guanin dimodifikasi menjelang akhir pembentukan nukleotida.

Transkripsi adalah pembuatan untaian mRNA dari templat DNA, membawa instruksi yang sama (yaitu, kode genetik) untuk membuat protein tertentu seperti halnya templat. Prosesnya terjadi di inti sel, tempat DNA berada. Ketika molekul DNA untai ganda memisahkan menjadi untai tunggal dan transkripsi berlangsung, mRNA yang dihasilkan dari satu untai dari pasangan DNA yang "terbuka" identik dengan DNA dari untai lain dari DNA yang tidak di-zip, kecuali bahwa mRNA mengandung U, bukan T. (Sekali lagi, mengacu pada diagram berguna; lihat Referensi.) mRNA, setelah selesai, meninggalkan nukleus melalui pori-pori di membran nukleus. Setelah mRNA meninggalkan nukleus, ia menempel pada ribosom.

Enzim kemudian menempel pada kompleks ribosom dan membantu dalam proses translasi. Translasi adalah konversi instruksi mRNA menjadi protein. Ini terjadi ketika asam amino, sub-unit protein, dihasilkan dari "kodon" tiga nukleotida pada untai mRNA. Proses ini juga melibatkan rRNA (karena translasi terjadi pada ribosom) dan tRNA (yang membantu merakit asam amino).

Untaian DNA berkumpul menjadi heliks ganda karena pertemuan faktor terkait. Salah satunya adalah ikatan hidrogen yang secara alami terjadi di berbagai bagian molekul. Saat heliks terbentuk, pasangan ikatan basa nitrogen tegak lurus terhadap sumbu heliks ganda secara keseluruhan. Setiap putaran penuh mencakup total sekitar 10 pasangan ikatan basa-basa. Apa yang mungkin disebut "sisi" DNA ketika ditata sebagai "tangga" sekarang disebut "rantai" heliks ganda. Ini hampir seluruhnya terdiri dari bagian ribosa dan fosfat dari nukleotida, dengan basa berada di dalam. Heliks dikatakan memiliki alur besar dan kecil yang menentukan bentuk akhirnya stabil.

Sementara kromosom dapat digambarkan sebagai untaian DNA yang sangat panjang, ini adalah penyederhanaan yang kasar. Memang benar bahwa kromosom tertentu, secara teori, dapat dibuka untuk mengungkapkan satu molekul DNA yang tidak terputus, tetapi ini gagal untuk menunjukkan penggulungan, penggulungan, dan pengelompokan yang rumit yang dilakukan DNA dalam perjalanan untuk membentuk a kromosom. Satu kromosom memiliki jutaan pasangan basa DNA, dan jika semua DNA direntangkan tanpa merusak heliks, panjangnya akan memanjang dari beberapa milimeter hingga lebih dari satu sentimeter. Pada kenyataannya, DNA jauh lebih padat. Protein yang disebut histon terbentuk dari empat pasang protein subunit (semuanya delapan subunit). Oktamer ini berfungsi sebagai semacam gulungan untuk heliks ganda DNA untuk membungkus dirinya sendiri dua kali, seperti benang. Struktur ini, oktamer ditambah DNA yang melilitnya, disebut nukleosom. Ketika sebuah kromosom dilepaskan sebagian menjadi untaian yang disebut kromatid, nukleosom-nukleosom ini tampak pada mikroskop sebagai manik-manik pada seutas tali. Tetapi di atas tingkat nukleosom, kompresi lebih lanjut dari materi genetik terjadi, meskipun mekanisme yang tepat tetap sulit dipahami.

DNA, RNA dan protein dipertimbangkan biopolimer karena mereka adalah urutan berulang informasi dan asam amino yang terkait dengan makhluk hidup ("bio" berarti "kehidupan"). Ahli biologi molekuler saat ini mengakui bahwa DNA dan RNA dalam beberapa bentuk mendahului munculnya kehidupan di Bumi, tetapi pada 2018, tidak ada yang menemukan jalur dari biopolimer awal ke kehidupan sederhana sesuatu. Beberapa orang berteori bahwa RNA dalam beberapa bentuk adalah sumber asli dari semua hal ini, termasuk DNA. Ini adalah "hipotesis dunia RNA." Namun, ini menyajikan semacam skenario ayam-dan-telur bagi para ahli biologi, karena molekul RNA yang cukup besar tampaknya tidak mungkin muncul dengan cara apa pun selain transkripsi. Bagaimanapun, para ilmuwan, dengan semangat yang meningkat, saat ini sedang menyelidiki RNA sebagai target untuk molekul pertama yang menggandakan diri.

Bahan kimia yang meniru konstituen asam nukleat sedang digunakan sebagai obat saat ini, dengan perkembangan lebih lanjut di bidang ini sedang berlangsung. Misalnya, bentuk urasil yang sedikit dimodifikasi, 5-fluorouracil (5-FU), telah digunakan selama beberapa dekade untuk mengobati karsinoma usus besar. Hal ini dilakukan dengan meniru basa nitrogen yang benar cukup dekat sehingga menjadi dimasukkan ke dalam DNA yang baru diproduksi. Hal ini pada akhirnya menyebabkan gangguan dalam sintesis protein.

Peniru nukleosida (yang, Anda mungkin ingat, adalah gula ribosa ditambah basa nitrogen) telah digunakan dalam terapi antibakteri dan antivirus. Terkadang, bagian basa nukleosida yang mengalami modifikasi, dan di lain waktu obat menargetkan bagian gula.