Asam nukleat

Asam nukleat (bahasa Inggris: nucleic acid) adalah makromolekul biokimia yang kompleks, berbobot molekul tinggi, dan tersusun atas rantai nukleotida yang mengandung informasi genetik. Asam nukleat yang paling umum adalah asam deoksiribonukleat (DNA) dan asam ribonukleat (RNA). Asam nukleat ditemukan pada semua sel hidup serta pada virus. Nama asam nukleat diberikan karena awalnya ditemukan di dalam inti (nukleus) sel eukariota. Meskipun belakangan diketahui bahwa asam nukleat juga ditemukan di mitokondria dan kloroplas, serta di sitoplasma sel prokariota.

Perbandingan dua tipe asam nukleat: RNA (kiri) dan DNA (kanan), yang menunjukkan jenis pilinan dan nukleobasa yang masing-masing

Asam nukleat merupakan biopolimer, dan monomer penyusunnya adalah nukleotida. Setiap nukleotida terdiri dari tiga komponen, yaitu basa nitrogen heterosiklik (berupa purin atau pirimidin), gula pentosa, dan gugus fosfat. Jenis asam nukleat (DNA dan RNA) dibedakan oleh jenis gula dan basa nitrogen yang mereka miliki. Adenina, sitosina, dan guanina dapat ditemukan pada RNA maupun DNA, sedangkan timina dapat ditemukan hanya pada DNA dan urasil dapat ditemukan hanya pada RNA.

Asam nukleat adalah biomolekul yang penting. Molekul ini ditemukan berlimpah di semua makhluk hidup; mereka berfungsi untuk membuat, menyandikan, dan menyimpan informasi genetik di setiap sel hidup dari setiap bentuk kehidupan di Bumi. Selain itu, mereka juga mengirimkan dan mengekspresikan informasi tersebut, baik dalam operasi internal sel hingga meneruskannya ke generasi selanjutnya. Informasi disandi dan disampaikan melalui urutan asam nukleat. Urutan spesifik dalam pasangan basa DNA yang membawa informasi genetik ini disebut gen. Melalui RNA, urutan pasangan basa menghasilkan asam amino dan selanjutnya protein, yang menentukan kerangka dan menjadi bagian dari sebagian besar proses kimiawi dalam tubuh makhluk hidup.

Sejarah

Ilmuwan Swiss Friedrich Miescher menemukan asam nukleat (DNA) pada tahun 1869. Ia lalu berpendapat bahwa asam nukleat dapat terlibat dalam hereditas.

Ilmuwan Swiss Friedrich Miescher menemukan zat yang kaya fosfat dari nukleus sel darah putih pada tahun 1869, ia menyebutnya nuklein. Pada awal 1880-an Albrecht Kossel memurnikan zat tersebut dan menemukan sifatnya yang sangat asam. Ia kemudian juga mengidentifikasi nukleobasa. Pada tahun 1889, Richard Altmann menciptakan istilah asam nukleat. Pada tahun 1938 Astbury dan Bell menerbitkan pola difraksi sinar-X dari DNA. Pada tahun 1953, Watson dan Crick mengidentifikasi struktur DNA.

Keberadaan dan nomenklatur

Asam nukleat adalah nama umum untuk DNA dan RNA, yang tergolong kelompok biopolimer, dan identik dengan polinukleotida. Nama asam nukleat diberikat karena awalnya mereka ditemukan di dalam nukleus dan karena keberadaan gugus fosfat (terkait dengan asam fosfat). Meskipun pertama kali ditemukan di dalam inti sel eukariota, saat ini telah diketahui bahwa asam nukleat ditemukan di semua bentuk kehidupan, termasuk di dalam bakteri, arkea, mitokondria, kloroplas, dan virus (meskipun ada perdebatan mengenai status kehidupan virus). Semua sel hidup mengandung DNA dan RNA (kecuali beberapa sel seperti sel darah merah mamalia yang matang), sedangkan virus mengandung DNA saja atau RNA saja, dan tidak keduanya. Komponen dasar asam nukleat biologis adalah nukleotida, yang masing-masing mengandung gula pentosa (ribosa atau deoksiribosa), gugus fosfat, dan basa nukleotida. Asam nukleat juga bisa diproduksi di laboratorium melalui penggunaan enzim (DNA dan RNA polimerase) dan melalui sintesis kimia fase padat. Metode kimiawi juga memungkinkan pembentukan asam nukleat termodifikasi yang tidak ditemukan secara alamiah, misalnya asam nukleat peptida.

Komposisi dan ukuran molekul

Asam nukleat umumnya merupakan molekul yang sangat besar. Molekul DNA mungkin merupakan molekul individual terbesar yang diketahui. Molekul asam nukleat biologis diketahui memiliki rentang ukuran dari 21 nukleotida (RNA interferensi kecil) hingga kromosom besar (kromosom manusia 1 adalah molekul tunggal yang mengandung 247 juta pasangan basa).

Pada kebanyakan kasus, secara alamiah, molekul DNA berupa unting ganda sedangkan molekul RNA berunting tunggal. Namun, ada banyak pengecualian, misalnya beberapa virus memiliki genom yang terbuat dari RNA unting ganda dan virus lain memiliki genom DNA berunting tunggal, dan dalam beberapa keadaan, struktur asam nukleat dengan tiga atau empat unting dapat terbentuk.

Asam nukleat adalah polimer linier (rantai) dari nukleotida. Setiap nukleotida terdiri dari tiga komponen: nukleobasa berupa purin atau pirimidin (kadang-kadang disebut basa nitrogen atau hanya basa), gula pentosa, dan gugus fosfat. Substruktur yang hanya terdiri dari nukleobasa ditambah gula disebut nukleosida. Kedua jenis asam nukleat (DNA dan RNA) memiliki perbedaan dalam struktur gulanya: DNA mengandung 2'-deoksiribosa, sedangkan RNA mengandung ribosa (satu-satunya perbedaan antara kedua jenis gula tersebut adalah keberadaan gugus hidroksil). Selain itu, nukleobasa yang ditemukan dalam dua jenis asam nukleat juga berbeda: adenina (A), sitosina (C), dan guanina (G) ditemukan pada RNA dan DNA, timina (T) hanya ditemukan pada DNA, dan urasil (U) hanya ditemukan pada RNA.

Gula dan fosfat dalam asam nukleat terhubung satu sama lain secara berselang-seling membentuk rantai yang memanjang (disebut "tulang punggung" gula-fosfat) melalui ikatan fosfodiester. Dalam nomenklatur konvensional, karbon yang terikat pada gugus fosfat disebut karbon ujung-3 dan ujung-5 dari gula. Penamaan ini dijadikan petunjuk arah pada asam nukleat; ujung-ujung molekul asam nukleat disebut sebagai ujung-5 dan ujung-3. Nukleobasa berikatan dengan gula melalui ikatan N-glikosidik yang melibatkan cincin nitrogen nukleobasa (N-1 untuk pirimidin dan N-9 untuk purin) dan karbon 1' dari cincin gula pentosa.

Nukleosida nonstandar juga ditemukan pada RNA dan DNA, dan biasanya muncul dari modifikasi nukleosida standar di dalam molekul DNA atau saat transkripsi RNA primer (fase awal). Molekul RNA transfer (tRNA) mengandung sejumlah besar nukleosida termodifikasi.

Topologi

Asam nukleat unting ganda disusun dari urutan nukleotida yang komplementer, dengan pasangan basa Watson-Crick yang ekstensif menghasilkan struktur pilinan ganda tiga dimensi yang sangat seragam dan berulang. Sebaliknya, molekul RNA dan DNA unting tunggal tidak hanya berada dalam bentuk pilinan ganda biasa dan dapat mengadopsi struktur tiga dimensi yang sangat kompleks. Struktur kompleks ini didasarkan pada bentangan pendek urutan pasangan basa intramolekul, termasuk pasangan basa Watson-Crick dan lainnya, serta berbagai interaksi tersier yang kompleks.

Molekul asam nukleat biasanya tidak bercabang dan dapat berbentuk linier dan sirkuler. Sebagai contoh, kromosom bakteri, plasmid, DNA mitokondria, dan DNA kloroplas biasanya merupakan molekul DNA unting ganda melingkar, sedangkan kromosom inti sel eukariota biasanya berupa molekul DNA unting ganda yang linier. Sebagian besar molekul RNA berbentuk linier dan berunting tunggal, tetapi molekul melingkar dan bercabang dapat dihasilkan dari reaksi penjalinan RNA. Jumlah total pirimidin sama dengan jumlah total purin. Diameter pilinan berukuran sekitar 20Å.

Urutan

Artikel utama: Urutan asam nukleat

Satu molekul asam nukleat (baik DNA atau RNA) berbeda satu dengan yang lain, terutama dalam urutan nukleotida. Urutan nukleotida sangat penting dalam biologi karena mereka membawa instruksi akhir yang menyandikan semua molekul biologis: kumpulan molekul, struktur subseluler dan seluler, organ, hingga organisme, dan secara langsung memungkinkan kognisi, memori, dan perilaku (lihat genetika). Berbagai upaya besar telah dilakukan untuk mengembangkan metode eksperimental guna menentukan urutan nukleotida dari molekul DNA dan RNA biologis, dan saat ini ratusan juta nukleotida diurutkan setiap hari di pusat-pusat genom dan laboratorium-laboratorium yang lebih kecil di seluruh dunia. Selain memelihara basis data urutan asam nukleat di GenBank, Pusat Informasi Bioteknologi Nasional (NCBI) juga menyediakan sarana analisis dan sumber daya untuk pengambilan data di GenBank dan data biologis lainnya yang tersedia melalui situs web NCBI.

Jenis

Asam deoksiribonukleat

Artikel utama: Asam deoksiribonukleat

Asam deoksiribonukleat (DNA) adalah asam nukleat yang mengandung instruksi genetik yang digunakan dalam pengembangan dan fungsi semua makhluk hidup. Segmen DNA yang membawa informasi genetik ini disebut gen. Urutan DNA lainnya memiliki tujuan struktural atau terlibat dalam pengaturan penggunaan informasi genetik ini. Bersama dengan RNA dan protein, DNA adalah salah satu dari tiga makromolekul utama yang penting bagi semua bentuk kehidupan. DNA terdiri dari dua polimer panjang yang disusun oleh unit sederhana yang disebut nukleotida, dengan tulang punggung yang terbuat dari gula dan gugus fosfat yang digabungkan oleh ikatan ester.

Kedua unting DNA memiliki arah yang saling berlawanan. Salah satu dari empat jenis nukleobasa menempel pada setiap gula. Urutan keempat nukleobasa di sepanjang tulang punggung inilah yang menyandikan informasi berupa kode genetik, yang selanjutnya menentukan urutan asam amino sebagai penyusun protein. Pembacaan kode dilakukan dengan menyalin bentangan DNA menjadi RNA dalam proses yang disebut transkripsi. Di dalam sel, DNA diatur menjadi struktur panjang yang disebut kromosom. Selama pembelahan sel, kromosom ini digandakan dalam proses replikasi DNA, sehingga masing-masing sel memiliki kromosom yang lengkap. Organisme eukariota (hewan, tumbuhan, fungi, dan protista) menyimpan sebagian besar DNA mereka di dalam inti sel dan sebagian kecil DNA mereka dalam organel seperti mitokondria atau kloroplas. Sebaliknya, prokariota (bakteri dan arkea) hanya menyimpan DNA mereka di dalam sitoplasma. Di dalam kromosom, protein kromatin seperti histon memadatkan dan mengatur DNA. Struktur kompak ini memandu interaksi antara DNA dan protein-protein lain, membantu mengontrol bagian mana dari DNA yang ditranskripsi.

Asam ribonukleat

Artikel utama: Asam ribonukleat

Asam ribonukleat (RNA) berfungsi mengubah informasi genetik dari gen menjadi urutan asam amino yang menyusun protein. Ada tiga tipe RNA, yaitu RNA transfer (tRNA), RNA duta (mRNA), dan RNA ribosomal (rRNA). RNA duta berfungsi untuk membawa informasi urutan genetik antara DNA dan ribosom sehingga mengarahkan sintesis protein. RNA ribosomal merupakan komponen utama ribosom, dan mengkatalisis pembentukan ikatan peptida. RNA transfer berfungsi sebagai molekul pembawa asam amino yang akan digunakan dalam sintesis protein dan bertanggung jawab untuk menyandi mRNA. Selain ketiganya, banyak kelas RNA lain yang diketahui saat ini.

Asam nukleat buatan

Analog asam nukleat buatan telah dirancang dan disintesis oleh ahli kimia, termasuk asam nukleat peptida, morfolino dan asam nukleat terkunci, asam nukleat glikol, dan asam nukleat treosa. Masing-masing dari mereka berbeda dari DNA atau RNA alamiah dalam tulang punggung molekulnya.

Lihat pula

• Biologi molekuler
• Metode asam nukleat
• Metabolisme asam nukleat
• Struktur asam nukleat
• Termodinamika asam nukleat
• Sintesis oligonukleotida
• Kuantifikasi asam nukleat

Catatan dan referensi

1. Dia menyebutnya nuclein.
2. Bill Bryson, A Short History of Nearly Everything, Broadway Books, 2005, hlm. 500.
3. Dahm R (January 2008). "Discovering DNA: Friedrich Miescher and the early years of nucleic acid research". Human Genetics. 122 (6): 565–81. doi:10.1007/s00439-007-0433-0. PMID 17901982. 
4. Cox, Michael; Nelson, David (2008). Principles of Biochemistry. Susan Winslow. hlm. 288. ISBN 9781464163074. ^{[pranala nonaktif permanen]}
5. . What is DNA. Linda Clarks. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2021-02-24. Diakses tanggal 6 August 2016. 
6. Elson D (1965). "Metabolism of Nucleic Acids (Macromolecular DNA and RNA)". Annual Review of Biochemistry. 34: 449–86. doi:10.1146/annurev.bi.34.070165.002313. PMID 14321176. 
7. Dahm R (January 2008). "Discovering DNA: Friedrich Miescher and the early years of nucleic acid research". Human Genetics. nih.gov. 122 (6): 565–81. doi:10.1007/s00439-007-0433-0. PMID 17901982. 
8. Brock TD, Madigan MT (2009). Brock biology of microorganisms. Pearson / Benjamin Cummings. ISBN 978-0-321-53615-0. 
9. Hardinger, Steven; University of California, Los Angeles (2011). (PDF). ucla.edu. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2016-03-04. Diakses tanggal 2020-12-11. 
10. Mullis, Kary B. The Polymerase Chain Reaction (Nobel Lecture). 1993. (retrieved December 1, 2010) http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1993/mullis-lecture.html 2018-08-12 di Wayback Machine.
11. Verma S, Eckstein F (1998). "Modified oligonucleotides: synthesis and strategy for users". Annual Review of Biochemistry. 67: 99–134. doi:10.1146/annurev.biochem.67.1.99. PMID 9759484. 
12. Gregory SG, Barlow KF, McLay KE, Kaul R, Swarbreck D, Dunham A, et al. (May 2006). "The DNA sequence and biological annotation of human chromosome 1". Nature. 441 (7091): 315–21. Bibcode:2006Natur.441..315G. doi:10.1038/nature04727. PMID 16710414. 
13. Todorov TI, Morris MD (April 2002). National Institutes of Health. "Comparison of RNA, single-stranded DNA and double-stranded DNA behavior during capillary electrophoresis in semidilute polymer solutions". Electrophoresis. nih.gov. 23 (7–8): 1033–44. doi:10.1002/1522-2683(200204)23:7/8<1033::AID-ELPS1033>3.0.CO;2-7. PMID 11981850. 
14. Margaret Hunt; University of South Carolina (2010). "RN Virus Replication Strategies". sc.edu. dari versi asli tanggal 2011-05-14. Diakses tanggal 2023-06-07. 
15. McGlynn P, Lloyd RG (August 1999). "RecG helicase activity at three- and four-strand DNA structures". Nucleic Acids Research. 27 (15): 3049–56. doi:10.1093/nar/27.15.3049. PMC 148529 . PMID 10454599. 
16. Stryer, Lubert; Berg, Jeremy Mark; Tymoczko, John L. (2007). Biochemistry. San Francisco: W.H. Freeman. ISBN 978-0-7167-6766-4. 
17. Rich A, RajBhandary UL (1976). "Transfer RNA: molecular structure, sequence, and properties". Annual Review of Biochemistry. 45: 805–60. doi:10.1146/annurev.bi.45.070176.004105. PMID 60910. 
18. Watson JD, Crick FH (April 1953). "Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid". Nature. 171 (4356): 737–8. Bibcode:1953Natur.171..737W. doi:10.1038/171737a0. PMID 13054692. 
19. Ferré-D'Amaré AR, Doudna JA (1999). "RNA folds: insights from recent crystal structures". Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure. 28: 57–73. doi:10.1146/annurev.biophys.28.1.57. PMID 10410795. 
20. Brock TD, Madigan MT (2009). Brock biology of microorganisms. Pearson / Benjamin Cummings. ISBN 978-0-321-53615-0. 
21. Alberts, Bruce (2008). Molecular biology of the cell. New York: Garland Science. ISBN 978-0-8153-4105-5. 
22. Gilbert, Walter G. 1980. DNA Sequencing and Gene Structure (Nobel Lecture) http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1980/gilbert-lecture.html 2018-01-06 di Wayback Machine.
23. Sanger, Frederick. 1980. Determination of Nucleotide Sequences in DNA (Nobel Lecture) http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1980/sanger-lecture.html 2018-01-06 di Wayback Machine.
24. NCBI Resource Coordinators (January 2014). "Database resources of the National Center for Biotechnology Information". Nucleic Acids Research. 42 (Database issue): D7–17. doi:10.1093/nar/gkt1146. PMC 3965057 . PMID 24259429. 

Bibliografi

• Wolfram Saenger, Principles of Nucleic Acid Structure, 1984, Springer-Verlag New York Inc.
• Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter Molecular Biology of the Cell, 2007, ISBN 978-0-8153-4105-5. Fourth edition is available online through the NCBI Bookshelf: link
• Jeremy M Berg, John L Tymoczko, and Lubert Stryer, Biochemistry 5th edition, 2002, W H Freeman. Available online through the NCBI Bookshelf: link
• Astrid Sigel, Helmut Sigel and Roland K. O. Sigel, ed. (2012). Interplay between Metal Ions and Nucleic Acids. Metal Ions in Life Sciences. 10. Springer. doi:10.1007/978-94-007-2172-2. ISBN 978-94-007-2171-5. Pemeliharaan CS1: Menggunakan parameter penyunting (link)

Pranala luar

• Interview with Aaron Klug, Nobel Laureate for structural elucidation of biologically important nucleic-acid protein complexes provided by the Vega Science Trust.
• Nucleic Acids Research (Journal)
• Nucleic Acids Book (free online book on the chemistry and biology of nucleic acids)