Ribonukleotida

Dalam biokimia, ribonukleotida adalah nukleotida yang mengandung ribosa sebagai komponen pentosanya. Senyawa ini dianggap sebagai prekursor molekuler asam nukleat. Nukleotida merupakan unit penyusun dasar DNA dan RNA. Ribonukleotida itu sendiri merupakan unit monomer dasar penyusun RNA. Deoksiribonukleotida, yang terbentuk melalui reduksi ribonukleotida oleh enzim reduktase ribonukleotida (RNR), merupakan unit penyusun penting bagi DNA.^[1] Terdapat beberapa perbedaan antara deoksiribonukleotida DNA dan ribonukleotida RNA. Nukleotida-nukleotida yang berurutan dihubungkan satu sama lain melalui ikatan fosfodiester.

Ribonukleotida juga dimanfaatkan dalam fungsi seluler lainnya. Monomer-monomer khusus ini digunakan baik dalam regulasi sel maupun persinyalan sel, sebagaimana terlihat pada adenosina monofosfat (AMP). Selain itu, ribonukleotida dapat diubah menjadi adenosina trifosfat (ATP), yaitu currency energi bagi organisme. Ribonukleotida juga dapat diubah menjadi adenosina monofosfat siklik (cAMP) untuk mengatur hormon dalam organisme.^[1] Pada organisme hidup, basa yang paling umum ditemukan pada ribonukleotida adalah adenina (A), guanina (G), sitosina (C), atau urasil (U). Basa bernitrogen ini diklasifikasikan ke dalam dua senyawa induk yakni purina dan pirimidina.

Sejarah

Sebelum makalah penting karya James Dewey Watson]] dan Francis Crick—yang merinci struktur DNA berdasarkan citra kristalografi sinar-X karya Rosalind Franklin—diterbitkan, terdapat beberapa ilmuwan lain yang juga berkontribusi pada penemuan tersebut.^[2] Salah satunya adalah Friedrich Miescher, seorang dokter asal Swiss; pada tahun 1869, ia menjadi orang pertama yang mengisolasi dan mengidentifikasi substansi nukleat dari inti sel darah putih—yang kemudian ia sebut sebagai "nuklein"—sehingga membuka jalan bagi penemuan DNA.^[3] Setelah penelitian Miescher, seorang biokimiawan Jerman yakni Albrecht Kossel pada tahun 1878 mengisolasi komponen non-protein dari "nuklein" dan menemukan lima basa nukleotida yang terdapat dalam asam nukleat: adenina, sitosina, guanina, timina, dan urasil.^[4] Meskipun beberapa fakta mendasar mengenai asam nukleat telah diketahui berkat penemuan-penemuan awal tersebut, struktur dan fungsinya masih menjadi misteri.

Penemuan nukleotida pada tahun 1919 oleh Phoebus Levene, seorang biokimiawan asal Rusia-Lituania, membuka kembali jalan menuju penemuan DNA. Levene pertama kali mengidentifikasi bahwa komponen karbohidrat yang terdapat dalam RNA khamir sebenarnya adalah ribosa. Namun, penemuannya baru mendapat apresiasi luas dari komunitas ilmiah setelah ia menemukan bahwa komponen karbohidrat dalam asam nukleat timus juga merupakan gula, tetapi kekurangan satu atom oksigen—yang kemudian disebut sebagai "deoksiribosa". Pada akhirnya, Levene berhasil mengidentifikasi urutan yang tepat dalam penyusunan komponen RNA dan DNA, yaitu unit fosfat-gula-basa, yang kemudian ia sebut sebagai "nukleotida". Meskipun urutan komponen nukleotida telah dipahami dengan baik oleh Levene, struktur susunan nukleotida dalam ruang dan kode genetiknya masih tetap menjadi misteri pada masa-masa awal kariernya.^[5]

Struktur

Struktur umum

Baik RNA maupun DNA mengandung dua basa purina utama, yaitu adenina (A) dan guanina (G), serta dua basa pirimidina utama. Pada DNA maupun RNA, salah satu basa pirimidinanya adalah sitosina (C). Namun, DNA dan RNA berbeda dalam hal basa pirimidina utama yang kedua. DNA mengandung timina (T), sedangkan RNA mengandung urasil (U). Terdapat beberapa kasus langka di mana timina ditemukan dalam RNA, dan urasil ditemukan dalam DNA.^[1]

Berikut adalah 4 ribonukleotida utama (ribonukleosida 5'-monofosfat) yang merupakan unit struktural RNA.

Nukleotida	Simbol	Nukleosida
Adenilat (adenosina 5'-monofosfat)	A, AMP	Adenosina
Guanilat (guanosina 5'-monofosfat)	G, GMP	Guanosina
Uridilat (uridina 5'-monofosfat)	U, UMP	Uridina
Sitidilat (sitidina 5'-monofosfat)	C, CMP	Sitidina

Deoksiribonukleotida DNA versus ribonukleotida RNA

Pada ribonukleotida, komponen gulanya adalah ribosa; sedangkan pada deoksiribonukleotida, komponen gulanya adalah deoksiribosa. Gugus hidroksil pada karbon kedua cincin ribosa digantikan oleh atom hidrogen.^[6]

Kedua jenis pentosa dalam DNA dan RNA berada dalam bentuk β-furanosa (cincin beranggota lima yang tertutup) dan menentukan identitas asam nukleat tersebut. DNA didefinisikan sebagai asam nukleat yang mengandung 2'-deoksiribosa, sedangkan RNA didefinisikan sebagai asam nukleat yang mengandung ribosa.^[1]

Dalam beberapa kasus, DNA dan RNA dapat mengandung basa minor. Bentuk metilasi dari basa utama adalah yang paling umum ditemukan pada DNA. Pada DNA virus, beberapa basa mungkin mengalami hidroksimetilasi atau glukosilasi. Pada RNA, basa minor atau basa yang termodifikasi lebih sering ditemukan. Beberapa contohnya meliputi hipoksantin, dihidrourasil, bentuk metilasi dari urasil, sitosina, dan guanina, serta nukleosida termodifikasi pseudouridina.^[7] Nukleotida dengan gugus fosfat pada posisi selain karbon 5' juga telah diamati. Contohnya meliputi ribonukleosida 2',3'-siklik monofosfat yang merupakan intermediat yang dapat diisolasi; serta ribonukleosida 3'-monofosfat yang merupakan produk akhir hidrolisis RNA oleh ribonuklease tertentu. Variasi lainnya mencakup adenosina 3',5'-monofosfat siklik (cAMP) dan guanosin 3',5'-monofosfat siklik (cGMP).^[8]

Menghubungkan nukleotida yang berurutan

Ribonukleotida dihubungkan satu sama lain untuk membentuk untaian RNA melalui ikatan fosfodiester. Gugus fosfat 5' dari satu nukleotida dihubungkan dengan gugus hidroksil 3' dari nukleotida berikutnya, membentuk "tulang punggung" yang terdiri dari residu fosfat dan pentosa yang berselang-seling. Tidak terdapat ikatan fosfodiester pada setiap ujung polinukleotida.^[9] Ikatan fosfodiester antar-ribonukleotida dibentuk oleh enzim polimerase RNA. Rantai RNA disintesis dari ujung 5' ke ujung 3' ketika gugus hidroksil-3' dari ribonukleotida terakhir dalam rantai tersebut bertindak sebagai nukleofil dan melakukan serangan nukleofilik terhadap gugus 5'-trifosfat dari ribonukleotida yang masuk, sehingga melepaskan pirofosfat sebagai produk sampingan.^[10] Akibat sifat fisik nukleotida, tulang punggung RNA bersifat sangat hidrofilik dan polar. Pada pH netral, asam nukleat memiliki muatan listrik yang tinggi karena setiap gugus fosfat membawa muatan negatif.^[11]

Baik DNA maupun RNA tersusun dari nukleosida fosfat—yang juga dikenal sebagai "monomer mononukleotida"—yang secara termodinamika lebih sulit untuk bergabung dibandingkan asam amino. Jika dihidrolisis, ikatan fosfodiester akan melepaskan sejumlah besar energi bebas. Oleh karena itu, asam nukleat cenderung terhidrolisis secara spontan menjadi mononukleotida. Prekursor untuk RNA adalah GTP, CTP, UTP, dan ATP; ATP sendiri merupakan sumber energi utama dalam reaksi transfer gugus.^[12]

Fungsi

Prekursor deoksiribonukleotida

Para ilmuwan meyakini bahwa RNA terbentuk sebelum DNA.^[13]

Reduksi ribonukleotida menjadi deoksiribonukleotida dikatalisis oleh reduktase ribonukleotida. Reduktase ribonukleotida (RNR) merupakan enzim esensial bagi semua makhluk hidup karena enzim ini berperan dalam tahap akhir sintesis keempat jenis deoksiribonukleotida (dNTP) yang diperlukan untuk replikasi dan perbaikan DNA.^[14]

Reaksi umumnya adalah:
Ribonukleosida difosfat + NADPH + H⁺ → Deoksiribonukleosida difosfat + NADP⁺ +  H₂O ^[15]

Sebagai ilustrasi persamaan ini, dATP dan dGTP disintesis masing-masing dari ADP dan GDP. Senyawa-senyawa tersebut pertama-tama direduksi oleh RNR, kemudian difosforilasi oleh nukleosida difosfat kinase menjadi dATP dan dGTP. Aktivitas ribonukleotida reduktase dikendalikan melalui interaksi alosterik. Ketika dATP berikatan dengan reduktase ribonukleotida, aktivitas katalitik keseluruhan enzim menurun karena hal tersebut menandakan melimpahnya jumlah deoksiribonukleotida. Hambatan umpan balik ini akan hilang saat ATP berikatan dengan enzim tersebut.^[16]

Diskriminasi ribonukleotida

Selama sintesis DNA, DNA polimerase harus menyeleksi dan menolak ribonukleotida, yang keberadaannya jauh lebih melimpah dibandingkan deoksiribonukleotida. Selektivitas ini sangat penting karena replikasi DNA harus berlangsung akurat demi menjaga genom organisme. Telah terbukti bahwa sisi aktif DNA polimerase famili-Y berperan dalam mempertahankan selektivitas tinggi terhadap ribonukleotida.^[17] Sebagian besar DNA polimerase juga dilengkapi dengan mekanisme untuk mencegah masuknya ribonukleotida ke sisi aktifnya melalui residu rantai samping berukuran besar yang secara sterik dapat menghalangi gugus 2'-hidroksil pada cincin ribosa. Namun, banyak DNA polimerase nukleus yang terlibat dalam replikasi dan perbaikan DNA tetap memasukkan ribonukleotida ke dalam untaian DNA,^[18][19] yang mengindikasikan bahwa mekanisme pengecualian tersebut tidaklah sempurna.^[20]

Sintesis

Sintesis ribonukleotida

Ribonukleotida dapat disintesis di dalam organisme dari molekul-molekul yang lebih kecil melalui jalur de novo atau didaur ulang melalui jalur salvage. Pada jalur de novo, baik purina maupun pirimidina disintesis dari komponen yang berasal dari prekursor asam amino, ribosa-5-fosfat, CO₂, dan NH₃.^[21][16]

Asal-usul biosintetik atom-atom cincin purina N1 berasal dari gugus amina Asp C2 dan C8 berasal dari format N3 dan N9 disumbangkan oleh gugus amida Gln C4, C5 dan N7 berasal dari Gly Gly C6 berasal dari HCO−3(CO2)

Biosintesis de novo nukleotida purina tergolong cukup kompleks dan melibatkan serangkaian reaksi enzimatik. Dengan menggunakan struktur gula beranggota lima sebagai dasar, cincin purina dibangun secara bertahap—atom demi atom—melalui proses sebelas langkah yang menghasilkan inosinat (IMP). Pada dasarnya, IMP kemudian diubah menjadi nukleotida purina yang diperlukan untuk sintesis asam nukleat.^[1]

Jalur ini dimulai dengan konversi Ribosa-5-Fosfat (R5P) menjadi fosforibosil pirofosfat (PRPP) oleh enzim ribosa-fosfat difosfokinase (PRPS1). PRPP kemudian diubah menjadi 5-fosforibosilamina (5-PRA) saat glutamina mendonasikan gugus amino ke atom C-1 PRPP. Melalui reaksi kondensasi, enzim GAR sintetase—bersama dengan glisina dan ATP—mengaktifkan gugus karboksil glisina pada 5-PRA untuk membentuk glisinamida ribonukleotida (GAR). Koenzim N10-formil-THF, bersama dengan enzim GAR transformilase, kemudian mendonasikan unit satu-karbon ke gugus amino pada bagian glisina dari GAR; langkah ini diikuti oleh penambahan glutamina melalui kerja enzim FGAR amidotransferase, yang menghasilkan pembentukan formilglisinamidina ribonukleotida (FGAM). Dehidrasi FGAM oleh enzim siklase FGAM menyebabkan penutupan cincin imidazola, membentuk 5-aminoimidazola ribonukleotida (AIR). Gugus karboksil ditambahkan ke AIR oleh enzim sintase N5-CAIR untuk membentuk N5-karboksiaminoimidazola ribonukleotida (N5-CAIR), yang kemudian diubah menjadi karboksiamino-imidazola ribonukleotida (CAIR) oleh enzim mutase N5-CAIR. Enzim sintetase SAICAR, dengan memanfaatkan gugus amino dari aspartat, membentuk ikatan amida untuk menghasilkan N-suksinil-5-aminoimidazola-4-karboksamida ribonukleotida (SAICAR). Melanjutkan tahapan jalur tersebut, pelepasan kerangka karbon aspartat oleh enzim liase SAICAR menghasilkan 5-aminoimidazol-4-karboksamida ribonukleotida (AICAR). Enzim transformilase AICAR membantu tahap akhir transfer gugus karbon dari N10-formiltetrahidrofolat, yang menghasilkan N-formilaminoimidazola-4-karboksamida ribonukleotida (FAICAR). Terakhir, penutupan struktur cincin kedua dilakukan oleh IMP sintase untuk membentuk IMP; selanjutnya, IMP akan diproses lebih lanjut hingga terbentuk nukleotida purina.^[1]

Sintesis nukleotida pirimidina merupakan proses yang jauh lebih sederhana. Pembentukan cincin pirimidina diawali dengan konversi aspartat menjadi N-karbamoilaspartat melalui reaksi kondensasi dengan karbamoil fosfat. Selanjutnya, dihidroorotase dan dihidroorotat dehidrogenase mengubah N-karbamoilaspartat menjadi orotat. Orotat dihubungkan secara kovalen dengan fosforibosil pirofosfat (PRPP) oleh enzim orotat fosforibosiltransferase, yang menghasilkan orotidina monofosfat (OMP). OMP kemudian mengalami dekarboksilasi oleh orotidilat dekarboksilase untuk membentuk struktur ribonukleotida uridilat (UMP). UMP kemudian dapat diubah menjadi uridina-5'-trifosfat (UTP) melalui reaksi yang melibatkan dua enzim kinase. Pembentukan sitidina-5'-trifosfat (CTP) dari UTP dapat dilakukan oleh sitidilat sintetase melalui perantara asil fosfat.^[1]

Sintesis ribonukleotida secara prebiotik

Untuk memahami bagaimana kehidupan bermula, diperlukan pengetahuan mengenai jalur kimia yang memungkinkan terbentuknya blok penyusun utama kehidupan dalam kondisi prebiotik yang masuk akal. Menurut hipotesis dunia RNA, ribonukleotida yang bebas (tidak terikat) terdapat dalam "sup purba". Molekul-molekul inilah yang bergabung secara berurutan membentuk RNA. Molekul sekompleks RNA pastilah berasal dari molekul-molekul kecil yang reaktivitasnya diatur oleh proses fisikokimia. RNA tersusun atas nukleotida purina dan pirimidina; keduanya diperlukan untuk transfer informasi yang andal, yang dengan demikian memungkinkan terjadinya seleksi alam Darwinian dan evolusi. Sintesis ribonukleotida pirimidina teraktivasi telah berhasil ditunjukkan dalam kondisi prebiotik yang masuk akal. Bahan awal untuk sintesis tersebut (sianamida, sianoasetilena, glikolaldehida, gliseraldehida, dan fosfat anorganik) dianggap sebagai molekul bahan baku prebiotik yang masuk akal.^[22] Nam dkk. menunjukkan kondensasi langsung antara basa nitrogen (nukleobasa) dengan ribosa untuk menghasilkan ribonukleosida di dalam tetesan mikro berair, yang merupakan langkah kunci menuju pembentukan RNA.^[23] Selain itu, sebuah proses prebiotik yang masuk akal untuk mensintesis ribonukleotida pirimidina dan purina menggunakan siklus basah-kering telah dipaparkan oleh Becker dkk.^[24]

Lihat juga

• Ribonukleosida atau ribosida

Referensi

Templat:Nucleobases, nucleosides, and nucleotides