Pokok bahasan di dalam bab ini menguraikan struktur molekul dan komponen
asam nukleat, termasuk macam-macam ikatan kimia yang menghubungkan komponen-
komponen tersebut. Selain itu, dijelaskan pula perbedaan struktur antara DNA dan RNA,
serta sifat-sifat fisika-kimia dan spektroskopik-termal asam nukleat, khususnya DNA.
Dengan mempelajari pokok bahasan ini akan diperoleh gambaran mengenai perubahan
struktur yang terjadi pada asam nukleat yang dimanipulasi, dan juga mekanisme
manipulasi asam nukleat yang pada dasarnya berkaitan dengan sifat-sifat fisika-
kimianya.
Setelah mempelajari pokok bahasan di dalam bab ini mahasiswa diharapkan
mampu menjelaskan:
1. struktur molekul dan komponen-komponen asam nukleat, termasuk macam-macam
ikatan kimia yang terdapat di dalamnya,
2. perbedaan struktur antara DNA dan RNA,
3. cara pembacaan sekuens suatu molekul asam nukleat,
4. sifat-sifat fisika-kimia asam nukleat, dan
5. sifat-sifat spektroskopik-termal asam nukleat
Pengetahuan awal yang diperlukan oleh mahasiswa agar dapat mempelajari pokok
bahasan ini dengan lebih baik adalah sejarah penemuan asam nukleat beserta percobaan-
percobaan yang membuktikan bahwa DNA merupakan materi genetik pada sebagian
besar organisme dan RNA merupakan materi genetik pada virus tertentu. Pengetahuan
tersebut telah diperoleh melalui mata kuliah Genetika pada semester VI. Adapun urutan
bahasan di dalam bab ini adalah struktur molekul asam nukleat, sifat-sifat fisika-kimia
asam nukleat, dan sifat-sifat spektroskopik-temal asam nukleat.
Struktur Molekul
Asam nukleat merupakan salah satu makromolekul yang memegang peranan
sangat penting dalam kehidupan organisme karena di dalamnya tersimpan informasi
genetik. Asam nukleat sering dinamakan juga polinukleotida karena tersusun dari
sejumlah molekul nukleotida sebagai monomernya. Tiap nukleotida mempunyai struktur
15
yang terdiri atas gugus fosfat, gula pentosa, dan basa nitrogen atau basa nukleotida
(basa N).
Ada dua macam asam nukleat, yaitu asam deoksiribonukleat atau
deoxyribonucleic acid (DNA) dan asam ribonukleat atau ribonucleic acid (RNA).
Dilihat dari strukturnya, perbedaan di antara kedua macam asam nukleat ini terutama
terletak pada komponen gula pentosanya. Pada RNA gula pentosanya adalah ribosa,
sedangkan pada DNA gula pentosanya mengalami kehilangan satu atom O pada posisi C
nomor 2’ sehingga dinamakan gula 2’-deoksiribosa (Gambar 2.1.b).
Perbedaan struktur lainnya antara DNA dan RNA adalah pada basa N-nya. Basa N,
baik pada DNA maupun pada RNA, mempunyai struktur berupa cincin aromatik
heterosiklik (mengandung C dan N) dan dapat dikelompokkan menjadi dua golongan,
yaitu purin dan pirimidin. Basa purin mempunyai dua buah cincin (bisiklik), sedangkan
basa pirimidin hanya mempunyai satu cincin (monosiklik). Pada DNA, dan juga RNA,
purin terdiri atas adenin (A) dan guanin (G). Akan tetapi, untuk pirimidin ada
perbedaan antara DNA dan RNA. Kalau pada DNA basa pirimidin terdiri atas sitosin
(C) dan timin (T), pada RNA tidak ada timin dan sebagai gantinya terdapat urasil (U).
Timin berbeda dengan urasil hanya karena adanya gugus metil pada posisi nomor 5
sehingga timin dapat juga dikatakan sebagai 5-metilurasil.
O- 5’ CH2OH 5’ CH2OH
O O
O- - P - O
4’ 1’ 4’ 1’
O H H H H
gugus fosfat H 3’ 2’ H H 3’ 2’ H
OH OH OH H
a) gula ribosa gula 2-deoksiribosa
b)
NH2 O NH2 O
6 N 6 N 4 4
N 1 5 7 HN 1 5 7 N 3 5 HN 3 5 R
8 8
2 4 2 4 2 6 2 6
9 H2N 9 O O
3 NH 3 NH 1 1
N N NH NH
adenin guanin sitosin timin (jika R = CH3)
urasil (jika R = H)
c)
Gambar 2.1. Komponen-komponen asam nukleat
a) gugus fosfat
b) gula pentosa
c) basa N
16
Di antara ketiga komponen monomer asam nukleat tersebut di atas, hanya basa N-
lah yang memungkinkan terjadinya variasi. Pada kenyataannya memang urutan
(sekuens) basa N pada suatu molekul asam nukleat merupakan penentu bagi
spesifisitasnya. Dengan perkataan lain, identifikasi asam nukleat dilakukan berdasarkan
atas urutan basa N-nya sehingga secara skema kita bisa menggambarkan suatu molekul
asam nukleat hanya dengan menuliskan urutan basanya saja.
Nukleosida dan nukleotida
Penomoran posisi atom C pada cincin gula dilakukan menggunakan tanda aksen
(1’, 2’, dan seterusnya), sekedar untuk membedakannya dengan penomoran posisi pada
cincin basa. Posisi 1’ pada gula akan berikatan dengan posisi 9 (N-9) pada basa purin
atau posisi 1 (N-1) pada basa pirimidin melalui ikatan glikosidik atau glikosilik
(Gambar 2.2). Kompleks gula-basa ini dinamakan nukleosida.
Di atas telah disinggung bahwa asam nukleat tersusun dari monomer-monomer
berupa nukleotida, yang masing-masing terdiri atas sebuah gugus fosfat, sebuah gula
pentosa, dan sebuah basa N. Dengan demikian, setiap nukleotida pada asam nukleat
dapat dilihat sebagai nukleosida monofosfat. Namun, pengertian nukleotida secara
umum sebenarnya adalah nukleosida dengan sebuah atau lebih gugus fosfat. Sebagai
contoh, molekul ATP (adenosin trifosfat) adalah nukleotida yang merupakan nukleosida
dengan tiga gugus fosfat.
Jika gula pentosanya adalah ribosa seperti halnya pada RNA, maka nukleosidanya
dapat berupa adenosin, guanosin, sitidin, dan uridin. Begitu pula, nukleotidanya akan
ada empat macam, yaitu adenosin monofosfat, guanosin monofosfat, sitidin monofosfat,
dan uridin monofosfat. Sementara itu, jika gula pentosanya adalah deoksiribosa seperti
halnya pada DNA, maka (2’-deoksiribo)nukleosidanya terdiri atas deoksiadenosin,
deoksiguanosin, deoksisitidin, dan deoksitimidin.
Ikatan fosfodiester
17
Selain ikatan glikosidik yang menghubungkan gula pentosa dengan basa N, pada
asam nukleat terdapat pula ikatan kovalen melalui gugus fosfat yang menghubungkan
antara gugus hidroksil (OH) pada posisi 5’ gula pentosa dan gugus hidroksil pada posisi
3’ gula pentosa nukleotida berikutnya. Ikatan ini dinamakan ikatan fosfodiester karena
secara kimia gugus fosfat berada dalam bentuk diester (Gambar 2.2).
O- ikatan glikosidik
O- P O 5’ 1’ G
O 3’
O ikatan glikosidik C
ikatan 3’-5’fosfodiester O- P O 5’ 1’
O 3’
O ikatan glikosidik
ikatan 3’-5’fosfodiester O- P O 5’ 1’ A
O 3’OH
Gambar 2.2. Ikatan fosfodiester dan ikatan glikosidik pada asam nukleat
Oleh karena ikatan fosfodiester menghubungkan gula pada suatu nukleotida
dengan gula pada nukleotida berikutnya, maka ikatan ini sekaligus menghubungkan
kedua nukleotida yang berurutan tersebut. Dengan demikian, akan terbentuk suatu rantai
polinukleotida yang masing-masing nukleotidanya satu sama lain dihubungkan oleh
ikatan fosfodiester.
Kecuali yang berbentuk sirkuler, seperti halnya pada kromosom dan plasmid
bakteri, rantai polinukleotida memiliki dua ujung. Salah satu ujungnya berupa gugus
fosfat yang terikat pada posisi 5’ gula pentosa. Oleh karena itu, ujung ini dinamakan
ujung P atau ujung 5’. Ujung yang lainnya berupa gugus hidroksil yang terikat pada
posisi 3’ gula pentosa sehingga ujung ini dinamakan ujung OH atau ujung 3’. Adanya
ujung-ujung tersebut menjadikan rantai polinukleotida linier mempunyai arah tertentu.
Pada pH netral adanya gugus fosfat akan menyebabkan asam nukleat bermuatan
negatif. Inilah alasan pemberian nama ’asam’ kepada molekul polinukleotida meskipun
di dalamnya juga terdapat banyak basa N. Kenyataannya, asam nukleat memang
merupakan anion asam kuat atau merupakan polimer yang sangat bermuatan negatif.
Sekuens asam nukleat
18
Telah dikatakan di atas bahwa urutan basa N akan menentukan spesifisitas suatu
molekul asam nukleat sehingga biasanya kita menggambarkan suatu molekul asam
nukleat cukup dengan menuliskan urutan basa (sekuens)-nya saja. Selanjutnya, dalam
penulisan sekuens asam nukleat ada kebiasaan untuk menempatkan ujung 5’ di sebelah
kiri atau ujung 3’ di sebelah kanan. Sebagai contoh, suatu sekuens DNA dapat dituliskan
5’-ATGACCTGAAAC-3’ atau suatu sekuens RNA dituliskan 5’-GGUCUGAAUG-3’.
Jadi, spesifisitas suatu asam nukleat selain ditentukan oleh sekuens basanya, juga
harus dilihat dari arah pembacaannya. Dua asam nukleat yang memiliki sekuens sama
tidak berarti keduanya sama jika pembacaan sekuens tersebut dilakukan dari arah yang
berlawanan (yang satu 5’→ 3’, sedangkan yang lain 3’→ 5’).
Struktur tangga berpilin (double helix) DNA
Dua orang ilmuwan, J.D.Watson dan F.H.C.Crick, mengajukan model struktur
molekul DNA yang hingga kini sangat diyakini kebenarannya dan dijadikan dasar dalam
berbagai teknik yang berkaitan dengan manipulasi DNA. Model tersebut dikenal sebagai
tangga berplilin (double helix). Secara alami DNA pada umumnya mempunyai struktur
molekul tangga berpilin ini.
Model tangga berpilin menggambarkan struktur molekul DNA sebagai dua rantai
polinukleotida yang saling memilin membentuk spiral dengan arah pilinan ke kanan.
Fosfat dan gula pada masing-masing rantai menghadap ke arah luar sumbu pilinan,
sedangkan basa N menghadap ke arah dalam sumbu pilinan dengan susunan yang sangat
khas sebagai pasangan - pasangan basa antara kedua rantai. Dalam hal ini, basa A pada
satu rantai akan berpasangan dengan basa T pada rantai lainnya, sedangkan basa G
berpasangan dengan basa C. Pasangan-pasangan basa ini dihubungkan oleh ikatan
hidrogen yang lemah (nonkovalen). Basa A dan T dihubungkan oleh ikatan hidrogen
rangkap dua, sedangkan basa G dan C dihubungkan oleh ikatan hidrogen rangkap tiga.
Adanya ikatan hidrogen tersebut menjadikan kedua rantai polinukleotida terikat satu
sama lain dan saling komplementer. Artinya, begitu sekuens basa pada salah satu rantai
diketahui, maka sekuens pada rantai yang lainnya dapat ditentukan.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar