DR. dr. Agnes O.Kwenang Sp.Biok.Bagian Biokimia

Fakultas Kedokteran UNHASSTIK Stella Maris

03 Mei 2012.

Tujuan Umum: menjelaskan arti dan peran biomolekul asam

nukleat dalam kehidupan.Tujuan Khusus:1. mengetahui fungsi asam nukleat.2. mengetahui komponen kimiawi asam

nukleat.3. menjelaskan perbedaan antara nukleosida

dan nukleotida.4. menjelaskan perbedaan struktur polimer

nukleotida, DNA dan RNA5. menjelaskan dan membedakan struktur

primer, sekunder dan tersier DNA dan RNA

Pendahuluan.Asam nukleat : pertama kali dijumpai di

nukleus.* DNA (deoxyribonucleic acid) = AND (asam

deoksi-

ribonukleat)* RNA (ribonucleic acid) = ARN (asam

ribonukleat)Penelitian: DNA pertama kali dijumpai di dalam

semua nukleus, (tidak pernah) diluar nukleus, kecuali pada beberapa organel dan kloroplas.

RNA dijumpai di sitoplsma, walaupun sebagian kecil di nukleus.

Fungsi Asam nukleat, sebagai :1. Agen genetik = pembawa pesan genetik. Organisme memproduksi organisme yang

mirip. Gregor Mendel 1822-1844 Austria: Sifat

biologi induk (ayah dan ibu) terletak didalam gen berupa zat yaitu asam nukleat yang mengemban pesan agar ibu melahirkan generasi yang mirip dengan induk.

2.Komponen kimia asam nukleat, atau unitmonomerik asam nukleat adalah suatu

nukleotida yang mampu menyimpan sejumlah energi biologi yang sewaktu waktu dapat digunakan ialah adenosine triphosphate (ATP).

3. Komponen asam nukleat berfungsi mediator fisiologi yaitu adenosine monophosphate (AMP) yang berfungsi sebagai mediator kontrol bekerjanya hormon epinefrin dan glukagon pada proses glikogenolisis dan glikogenesis.4. Turunan asam nukleat yang berfungsi sebagai koenzim pada reaksi-reaksi metabolisme yaitu Nikotinamid adenine dinukleotida(NAD), Flavin adenin dinukleotida(FAD) mengandung AMP berfungsi sebagai pengemban elektron dan koenzim A mengandung ADP sebagai pengemban radikal asil pada reaksi-reaksi asilasi.

5. Aktivator: -uridin diphosphate glucose (UDP-glukosa) (sintesis glikogen dan glikoprotein) -guanosin diphosphate mannosa (GDP-

manosa) GDP-fukosa, UDP-galaktosa dan CMP-

asam sialat (sintesis glikoprotein) -citosin tri phosphate (CTP) (sintesis CDP-cholin, CDP-ethanolamin dan CD- digliserida pada metabolisme fosfolipid.

6. pengontrol pada mekanisme aktivator dan inhibitor pada sistem reaksi-reaksi enzimatis;

- fosfofruktokinase diaktivkan oleh AMP dan diinhibisi olah ATP - fruktosa bisfosfatase diinhibisi oleh AMP - isositrat dehidrogenase diaktivkan oleh ADP dan diinhibisi oleh NADH - CDP-reduktase diaktivkan dan diinhibisi oleh ATP - dCMP-deaminase diaktivkan oleh dCTP dan diinhibisi oleh dTTP

Komponen-komponen penyusun asam nukleat, sebagai hasil proses hidrolisis sempurna asam nukleat sbb.

Asam nukleat (polimer, polinukleotida) nukleotida (monomer) nukleosida

gula pentosa + basa nitrogen heterosiklik dari turunan purin & pirimidin.

Unit monomerik asam nukleat secara utuh dibangun oleh tiga komponen kimiawi sbb.:

1. Senyawa basa N heterosiklis, yaitu basaN yang

terdiri atas basa purin dan pirimidin. Kedua basa N yang struktur molekulnya

berbeda tersebut masing-masing akan

menurunkan dua dan tiga basa N sbb.:

2. Senyawa karbohidrat, ada dua karbohidrat dari kelompok

pentosa yaitu: D-ribosa D-2-deoksiribosa.

3. Asam fosfat, H3PO4, yaitu asam fosfat yang bervalensi tiga

sbb.:

Nukleosida dan nukleotidaNukleosida.Bila dua komponen asam nukleat berikatan,

yaitu karbohidrat dan salah satu dari turunan basa N; A, G, C, T, atau U, maka terbentuklah nukleosida, yaitu turunan dari N-glikosilat atau ikatan C-N. Nukleosida merupakan satu unit molekul yang belum memiliki aktivitas biokimia secara mandiri, akan tetapi keberadaannya amat penting sebagai komponen terbesar asam nukleat.

Tergantung dari basa N-nya maka dikenal dua kelompok nukleosida, yaitu;

-kelompok basa: ribosa: Ribonukleosida deoksiribosa: Deoksiribonukleosida

Nukleotida.Adalah nukleosida yang telah mengikat asam

fosfat. Asam fosfat terikat pada komponen karbohidrat (pentosa) dengan ikatan ester asam fosfat yaitu ikatan 5’ ester fosfat. Ikatan 5’ ester fosfat itu dapat mengikat mono-, di-, dan trifosfat.

Nukleotida yang mengikat mono-, di-, dan trifosfat yang banyak ditemukan di alam;

a). Adenosin 5’-triphosphate (ATP)b). Uridin 5’-diphosphate (UDPc). Citidin 5’-triphosphate (CTP) ) Nukleotida tersebut memiliki aktivitas

biokimia secara mandiri .

Dengan demikian, nukleosida akan terbentuk bila dua komponen berikatan, antara komponen karbohidrat baik ribosa atau deoksiribosa dengan salah satu dari komponen kelima basa N; A, G, C, T, atau U, dengan ikatan N-glikosil.

Sedangkan nukleotida akan terbentuk bila nukleosida berikatan dengan komponen asam fosfat dengan ikatan 5’–ester fosfat.

ASAM NUKLEAT: adalah polimer nukleotida.Asam nukleat mempunyai dua polimer yaitu polimer

yang monomernya adalah:1. ribonukleotida-mono-P akan menurunkan asam

ribonukleotida mono–P (ARN=RNA)2. deoksiribonukleotida-mono-P akan menurunkan

asam deoksiribonukleotida mono-P (ADN=DNA) Perbedaan RNA dan DNA1. RNA, gugus gula tempat fosfat serta basa purin dan pirimidin melekat adalah ribosa, bukan 2’-deoksi ri- bosa seperti pada DNA.2. RNA, komponen pirimidinnya berbeda dengan RNA. RNA tidak memiliki timin seperti pada DNA, tetapi mengandung urasil.

3. RNA, dalam bentuk untai tunggal, DNA bentuk

heliks untai ganda. RNA dapat melipat dirinya menyerupai jepitan rambut sehingga nampak seperti untai ganda.

4. RNA berbentuk untai tunggal yang kom-plementer dengan salah satu dari kedua untai gen(DNA), kandungan guaninnya tidak selalu sama dengan kandungan sitosinnya demikian juga kandungan adeninnya tidak selalu sama dengan kandungan urasilnya.

5. RNA dapat dihidrolisis oleh alkali menjadi 2’,3’-

ester siklik (mononukleotida), senyawa yang

tidak dapat dibentuk dari DNA yang diberi basa

karena tidak adanya gugus 2’ hidroksil. Labilitas RNA terhadap alkali bermanfaat untuk kepentingan diagnosis maupun

analisis.

Struktur primer asam nukleat.Adalah struktur asam nukleat satu untai.Struktur sekunder asam nukleat.Pada sepanjang tulang punggung

senantiasa dijumpai kelima basa N yaitu A, G, C, T dan U. Secara molekuler, struktur ikatan antara basaN-basaN yang berkomplementer melalui ikatan hidrogen satu sama lain tidak sama, baik jumlah ikatan hidrogen yang terbentuk maupun jarak molekulernya berakibat kekuatan ikatan antara C dan G lebih kuat dari pada T dan A, ikatan T dan A lebih kuat dari pada ikatan antara A dan U. Merupakan pasangan abadi yang tidak akan tertukar.

Akibat pengaruh gaya elektrostatis maka bentuk

untai ganda yang anti paralel asam nukleat itu akan berstruktur spiral atau heliks searah putaran jarum jam.

Struktur asam nukleat dengan untai ganda anti paralel (double heliks) tersebut disebut struktur sekunder asam nukleat.

Contoh, diperlihatkan struktur primer asam nukleat trinukleotida yang berikatan dengan trinukleotida lain dimana ke tiga basa N-nya berkomplementer satu sama lain.

Struktur primer, sekunder asam ribonukleat (ARN).

Tampak pada gambar bagian alur yang basa N-nya berkomplementer sehingga terbentuklah struktur sekunder dan pada bagian lain dimana basa N-nya tidak berkomplementer akan terlihat struktur primer dimana basa N-nya tidak berikatan.

Struktur untai asam deoksiribo nukleotida (ADN).

Untai gandanya kompak yang ditandai oleh BM yang tinggi karena basaN-basaN-nya pada sisi untai semuanya berkomplementer.

Untai ganda tersebut di dalam larutan selalu didapatkan pada posisi struktur berpilin spiral (double helix) yang searah putaran jarum jam.

Struktur supramikro untai AND tampak jarak lekukan heliksnya pada spiral sudah diukur dalam satuan Amstrong (A).

Biokimia Asam nukleat.Ikatan diester fosfat pada untai ARN maupun

AND dapat dihidrolisis oleh enzim nuklease, ini terdiri dari; -Endonuklease, yang memotong ikatan diesterfosfat secara acak yang dimulai dari bagian mana saja dari untai.

- Eksonuklease, yang memotong ikatan diesterfosfat mulai dari ujung 3’.

Untai ARN dihidrolisis oleh ribonuklease. Untai AND dihidrolisis oleh

deoksiribonuklease. Manusia: nuklease disekresi oleh pankreas,

kemudian disalurkan ke usus halus yang akan menghidrolisis ARN dan AND asal makanan menjadi nukleotida-nukleotida.

Asam ribonukleat (ARN = RNA).Ditemukan: sekitar 90% pada sitoplasma sel dan 10% pada inti sel. Bobot kering sel mengandung: 5-10% RNA. Fungsi biologi: ada tiga macam sbb.:1). RNA penyampai pesan atau messenger ARN

(mRNA). BM: beberapa ratus ribu sampai 1.000.000. Fungsinya sebagai penyandi deret residu asam

amino pada rantai polipeptida yang dijumpai pada benang kromosom yang akan ditransfer/ dikirim ke granula ribosom.

2). ARN sebagai tempat di mana molekul protein disintesis yaitu granula ribosom karena itu

disebut ARN ribosom (rARN = rRNA). BM. 500.000 sampai 1.000.000.3). ARN sebagai pemindah/pengangkut asam amino dari satu lokasi ke rARN untuk dirakit atau

disintesis menjadi molekul protein disebut ARN transfer (tARN = tRNA). BM. 25.000 sampai >30.000.

Kromosom E.Coli disandi 90-95% mARN, sisanya rARN dan tARN.

ARN berstruktur primer yaitu untai tunggal nukleotida, mirip struktur primer protein.

Di dalam larutan untai-untai itu dapat berinteraksi, basaN-basaN akan berikatan berkomplementer satu sama lain melalui ikatan hidrogen sehingga untai tunggal tersebut membentuk untai ganda disebut jepitan rambut, ini disebut struktur sekunder ARN

Untai ARN bisa dijumpai di dalam sel, cairan protoplasma/sitoplasma maupun terkurung dalam inti sel.

Dalil pokok Genetika molekuler.Francis Crick: molekul ARN juga membawa

informasi genetik, yaitu pesan genetik dari molekul ADN sewaktu menyintesis molekul protein di granula ribosom.

Francois Jaacob dan Jaques Monod: mARN sebagai cetakan untuk menyintesis untai polipeptida dengan urutan/sukuensi residu asam amino yang khusus.

Panjang mARN amat beragam.

Sel Prokariota: satu molekul mARN dapat membawa sandi/cetakan untuk satu, dua, atau banyak untai polipeptida tunggal.

Monogenik/monosistronik: bila mARN hanya membawa sandi/cetakan untuk satu untai polipeptida.

Poligenik/polisistronik: bila mARN membawa dua atau banyak sandi/cetakan polipeptida.

Asam deoksiribonukleat (AND=DNA).Ditemukan pada sel hidup yang mampu

berkembang biak/membelah diri, pada sel eukariota dan prokariota.

Virus, walaupun bukan sel banyak mengandung AND yang hanya dibungkus oleh protein khusus.

Sel prokariota, ADN ditemukan bebas pada sitoplasma sel yang disebut plasmid / episom.

Sel eukariota, AND terikat dengan protein yang disebut histon. Histon disimpan kuat di dalam intisel yang dikenal juga sebagai benang kromosom.

Chargaff dkk. 1950:-menemukan bahwa susunan basa N pada

untai AND spesies organisme tidak sama.-berhasil ditemukan jumlah macam basa N

yang ditemukan pada beberapa spesies organisme.-penemuan ini dipakai sebagai kunci klasifikasi modern dalam biologi yaitu menentukan

jumlah basa N pada molekul asam nukleat/polinukleotida

pada sel eukariota dan prokariota.

Watson dan Crick, 1953. bila dua untai tunggal struktur primer AND dalam keadaan bebas dan berdekatan akan terbentuk untai ganda (double strand) sebagai akibat basa N yang berkomplementer kontak satu sama lain dengan membentuk ikatan hidrogen.

Struktur untai ganda AND tsb. tertata rapi membentuk struktur spiral (heliks) yang arahnya sama dengan putaran jarum jam, tetapi antiparalel.

Secara alamiah, juga ditemukan untai AND yang amat panjang dalam struktur untai ganda yang menarik dan berbentuk benang berpilin yang terdapat bebas didalam sitoplasma sel prokariota. Pada keadaan tersebut tidak dapat ditemukan ujung 5’ dan ujung 3’ pada untai tsb.

Tidak ditemukannya kedua ujung itu secara bebas sebagai akibat bereaksinya kedua ujung tersebut atau memang untai AND itu berbentuk lingkaran tertutup yang disebut struktur lingkaran relaks.

Struktur benang berpilin ADN ditemukan pada bakteri E.Coli yang disebut untai tertutup tunggal raksasa. Ujung 5’ dan 3’ nya berikatan kovalen dengan 4.000.000 pasang basa N, dengan BM 2.600.ooo.000. yang panjangnya kira-kira 700 kali panjang sel E.Coli (2mm).

Struktur benang berpilin(supercoiled) ADN E.Coli yang kedua ujung 5’ dan 3’ berikatan kovalen dan membentuk struktur lingkaran raksasa disebut struktur lingkaran relaks.

Struktur ini jarang dapat diisolasi secara utuh, ternyata benang AND mudah terpotong atau rapuh akibat adanya gaya mekanik.

Struktur lingkaran relaks tsb. Bila dalam keadaan bebas dapat berpilin lagi dan bila berpilinnya searah dengan putaran semula dikatakan berputar positif dan bila berlawanan dengan putaran semula dikatakan berputar negatif. Bila kondisi itu terjadi, maka struktur lingkaran relaks disebut super berpilin atau supercoiled. Bila berpilin negatif, akibatnya struktur lingkaran relaks dapat putus dan terbuka.

Denaturasi untai ganda heliks ADN.Terjadi denaturasi dengan perlakuan suhu

atau pH ekstrem dimana ikatan hidrogen antara basaN-basa N terputus, berakibat untai ganda heliks yang antiparalel tsb. akan terbuka.Bila tidak ada lagi ikatan hidrogen sehingga untai terlepas dan terbentuk fragmen/potongan-potongan seperti benang kusut, ini disebut keadaan ADN mengalami proses melebur atau meleleh. Kadang-kadang untai tunggal yang sudah melebur dapat kembali kekondisi semula disebut renaturasi, biasanya bila fragmen untai ganda ADN masih memiliki minimal selusin residu basa N.

Bila fragmen untai ganda melebur sempurna dalam keadaan masih panjang, renaturasi akan terjadi dalam dua tahap:

1. proses relatif lambat karena kedua untai yang

sudah berpisah itu masing-masing basaN-nya

akan mencari basa komplementernya dan itu memerlukan waktu.2. proses relatif lebih cepat karena basa N-basa

N sudah menemukan basa komplementernya.

Kesimpulan. Telah dibahas:1. Fungsi asam nukleat2. Komponen kimia asam nukleat3. Struktur nukleosida dan nukleotida4. Struktur polimer asam nukleat (ARN

dan ADN)5. Struktur primer, sekunder, ARN dan

untai ganda ADN.6.Biokimia ARN dan ADN

Kepustakaan.Hawab. H.M.,2003. Pengantar Biokimia.

Edisi 1.Malang, Jawa Timur. Bayumedia Publishing.

Murray. R.K.,dkk.2009. Harper’s Illustrated Biochemistry. Edisi 27.Biokimia Harper Alih Bahasa oleh dr. Brahm U. Pendit. Jakarta. Penerbit buku kedokteran EGC.

Schumm. D.E. 1992. Essentials of Biochemistry (Intisari Biokimia diterjemahkan oleh Dr. Moch. Sadikin Dsc). Jakarta. Binarupa Aksara.