ASAM NUKLEAT. Tim dosen kimor 2

ASAM NUKLEAT

Tim dosen kimor 2

ASAM NUKLEAT

 Asam nukleat merupakan suatu polimer dari nukleotida yang terdiri dari gula pentosa, basa nitrogen (nukleobasa) dan gugus fosfat.

 Asam nukleat merupakan suatu polimer dari 4 monomer (nukleotida) yang berbeda (dilihat dari basa nitrogen yang terikat).

 Ada dua jenis asam nukleat:

1. DNA (deoxyribonucleid acid) 2. RNA (ribonucleid acid)

ASAM NUKLEAT

1869

• Friedrich Miescher mengisolasi suatu zat yang saat itu belum diketahui dari nukleus sel nanah, yang kemudian disebut sebagai nuklein/nukleat. Nama ini kemudian diubah menjadi asam nukleat, karena asam ikut menyusunnya.

1879

• Albrecht Kossel menemukan asam nukleat yang tersusun oleh suatu gugus gula, gugus fosfat, dan gugus basa.

1951

• James Watson, Francis Crick, dan Maurice Wilkins menemukan model DNA dan memperoleh hadiah nobel

NUKLEOSIDA DAN NUKLEOTIDA

 Nukleosida : pentosa +basa

 Nukleotida : pentosa + basa + asam fosfat

NUKLEOSIDA DAN NUKLEOTIDA

Nukleotida

Nukleosida P : Gugus fosforik

G : Gula pentose

B : Basa nitrogen heterosiklik

GULA PENTOSA

 Ada 2 jenis gula pentosa yang ditemukan pada asam nukleat, yaitu:

1. D-ribose

2. 2-deoxy-D-ribosa

 Dalam nukleotida penomoran atom karbon pada gula pentosa menggunakan tanda prime (‘).

GULA PENTOSA

 Gula pentosa penyusun nukleotida memiliki bentuk β-D-furanosa.

 Basa nitrogen heterosiklik terikat secara kovalen dengan pentosa dalam ikatan N-ß-glikosil. Ikatan N-ß-glikosil terjadi antara karbon 1’ pada pentosa dengan nitrogen nomor 1 pada pirimidin dan nitrogen nomor 9 pada purin.

 Gugus fosfat terikat pada karbon 5’ gula pentosa melalui mekanisme esterifikasi sehingga dinamakan ikatan fosfoester.

GULA PENTOSA

BASA NITROGEN

 Basa nitrogen heterosiklik yang menyusun nukleotida yaitu:

1. Purin 2. Pirimidin

BASA NITROGEN

 Pasangan basa nitrogen penyusun DNA dan RNA adalah

BASA NITROGEN

 Aturan pasangan basa ikatan adenin dengan timin saja dan guanin dengan sitosin saja (dalam DNA) dapat dipahami dengan jelas dengan melihat secara cermat struktur basa nitrogen tersebut.

 Purin memiliki cincin imidazol yang melekat pada cincin pirimidin dalam struktur umumnya.

Sekarang dalam double-strand DNA hanya memiliki ruang yang cukup antara dua untai untuk menampung purin dan pirimidin. Dua purin tidak akan muat di antara untaian sementara dua pirimidin akan terlalu jauh untuk terikat. Oleh karena itu purin harus membuat ikatan hidrogen dengan pirimidin lain.

 Adenin memiliki dua kemungkinan situs untuk membuat ikatan hidrogen, N1 dan gugus amino. Untuk membuat ikatan hydrogen dengan keduanya, diperlukan hidrogen yang terikat pada atom elektronegatif serta atom elektronegatif dalam konfigurasi tertentu.

Kondisi ini dipenuhi oleh timin dan bukan sitosin. Jadi N1 adenin berikatan dengan

hidrogen dari N3 timin dan hydrogen gugus amino berikatan dengan gugus okso C4 dari timin.

 Menerapkan analisis serupa dengan guanin, hanya sitosin yang dapat membuat ikatan hidrogen dengannya dalam double-strand DNA yang memungkinkan struktur DNA seperti yang terlihat. Oleh karena itu adenin membuat ikatan hidrogen dengan timin dan guanin membuat ikatan hidrogen dengan sitosin.

BASA NITROGEN

 Basa nitrogen pada asam nukleat saling berpasangan antara purin dan pirimidin dan dihubungkan dengan ikatan hidrogen.

BASA NITROGEN DAPAT BERPOSISI SYN-

ATAU ANTI- TERHADAP GULA PENTOSA

FOSFAT

 Ikatan fosfodiester terjadi ketika tepatnya dua gugus hidroksil dalam asam fosfat bereaksi dengan gugus hidroksil pada molekul lain untuk membentuk dua ikatan ester.

 Molekul nukleotida akan membentuk asam nukleat dengan membentuk ikatan fosfodiester dimana gugus 5’-fosfat pada unit nukleotida akan berikatan dengan gugus 3’hidroksil pada unit nukleotida lainnya.

 Ujung nukleotida yang memiliki posisi 5’ dinamakan 5’-end sedangkan ujung lainnya yang memiliki posisi 3’ dinamakan 3’-end.

 Berdasarkan konvensi, rantai single asam nukleat selalu digambarkan

dengan 5’-end pada kiri dan 3’-end pada kanan sehingga arahnya 5’3’.

FOSFAT

 Reaksi Pembentukan Ikatan Fosfodiester

FOSFAT

FOSFAT

 Ikatan fosfodiester pada DNA dan RNA

FOSFAT

 Ribonukleosida dan deoksinukleosida dalam sel tidak hanya berbentuk 5’- monofosfat (NMP)tetapi juga dapat berbentuk 5’-difosfat (NDP) dan 5’- trifosfat (NTP).

JENIS RIBONUKLEOSIDA DAN

DEOXYNUKLEOSIDA 5'-FOSFAT

Nomenklatur Nukleotida dan Asam

Nukleat

Nomenklatur Nukleotida dan Asam

Nukleat

Nomenklatur Nukleotida dan Asam

Nukleat

DNA (DEOXYRIBONUCLEID ACID)

 DNA adalah material genetik yang membawa karakter/sifat pada makhluk hidup.

 Organisme menterjemahkan informasi spesifik berupa jenis asam amino yang akan menyusun protein dari nukleotida yang menyusun DNA.

 Kode pada DNA terdiri dari banyak kombinasi 4 jenis basa nitrogen pada nukleotida (purin: adenin dan guanin serta pirimidin: sitosin dan timin).

 Informasi yang diterjemahkan dari DNA akan digunakan pada setiap metabolisme pada organisme.

 Rantai tunggal DNA selalu memiliki gugus 5’ fosfat bebas pada satu ujung dan gugus 3’ hidroksil pada ujung lainnya.

 Molekul DNA pada organisme berupa dua rantai double heliks.

 Jika suatu rantai DNA memiliki kode GTCCAT maka susunannya adalah 5’

pGpTpCpCpApT – OH 3’ atau dapat juga ditulis 5’- GTCCAT-3’

ERWIN CHARGAFF’S DATA (1950-51)

HASIL PENELITIAN CHARGAFF

 Asam nukleat yang diisolasi dari berbagai jaringan organisme yang sama memiliki komposisi basa yang sama.

 Komposisi basa Asam nukleat beragam pada organisme yang berbeda

 Komposisi basa Asam nukleat suatu spesies tidak berubah oleh umur, nutrisi, dan lingkungan

 Jumlah residu adenin selalu setara dengan jumlah residu timin, sedangkan jumlah residu guaninn selalu setara dengan jumlah residu sitosin

KESIMPULAN PENELITIAN CHARGAFF

 Asam nukleat merupakan bahan penentu sifat mahluk hidup

 Asam nukleat diturunkan/ditransfer dari induk ke keturunannya

ROSALIND FRANKLIN (1952): X-RAY CRYSTALLOGRAPHY

 Rosalind Franklin membuat struktur tiga dimensi berdasarkan studi X-ray Diffraction

JAMES WATSON DAN FRANCIS CRICK (1953): DOUBLE HELIKS

 Double heliks terjadi karena adanya ikatan.

 Dua basa nitrogen yang ada pada dua rantai membentuk pasangan basa.

 Model DNA Watson and Crick menyatakan bahwa adenine membentuk dua ikatan hidrogen dengan timin dan guanin membentuk tiga ikatan hydrogen dengan sitosin.

MODEL DNA

(a) Model DNA Rosalind Franklin (b) Model DNA Watson and Crick

DNA DOUBLE HELIKS

 Molekul dupleks DNA merupakan antiparalel dimana satu rantai 3’ ke 5’ dan rantai lainnya 5’ ke 3’.

 Pasangan basa membentuk ikatan hidrogen yang secara individual lemah (nonkovalen), tetapi jika digabungkan menjadi ikatan yang kuat.

 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.

DNA DOUBLE HELIKS

 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.

 Basa nitrogen menghadap ke arah dalam sumbu pilinan dengan susunan yang

sangat khas sebagai pasangan-pasangan basa antara kedua rantai.

 Basa bisiklik (purin) selalu berpasangan

dengan basa monosiklik (pirmidin) sehingga jarak antara kedua rantai polinukleotida di sepanjang molekul DNA akan selalu tetap.

DNA DOUBLE HELIKS

 Struktur double heliks molekul DNA dapat berubah karena pemanasan dan pendinginan

RNA (RIBONUCLEID ACID)

 Struktur molekul RNA umumnya tersusun atas rantai polinukleotida tunggal (single helix) sehingga tidak memiliki struktur tangga berpilin. Namun,

modifikasi struktur juga terjadi akibat terbentuknya ikatan hidrogen di dalam untai tunggal itu sendiri (intramolekuler).

 Gula pentosa yang dimiliki RNA adalah D-ribose.

 Memiliki 4 basa nitrogen: purin (adenin dan guanin) serta pirimidin (sitosin dan urasil.

 Adenin berpasangan dengan Urasil (A=U) dan Guanin berpasangan dengan Sitosin (G≡C)

 Dengan adanya modifikasi struktur molekul RNA maka RNA dibagi menjadi 3 macam, yaitu:

1. messenger RNA (mRNA) 2. transfer RNA (tRNA)

3. ribosomal RNA (rRNA)

RNA (RIBONUCLEID ACID)

 Struktur mRNA dikatakan sebagai struktur primer, sedangkan struktur tRNA dan rRNA dikatakan sebagai struktur sekunder.

 Struktur sekunder RNA terjadi dimana antar basa nitrogen penyusunnya memiliki ikatan hidrogen.

 Molekul RNA pada sitoplasma yang menjadi template sintesis protein dinamakan dengan messenger RNA (mRNA).

 Molekul ribosomal RNA (rRNA) berkontribusi pada formasi dan fungsi ribosom.

 transfer RNA (tRNA) melakukan translasi informasi RNA menjadi polimer asam amino.

RNA (RIBONUCLEID ACID)

Struktur primer RNA

RNA (RIBONUCLEID ACID)

(a) Struktur sekunder RNA (b) Struktur tRNA

SIFAT-SIFAT FISIKA-KIMIA ASAM NUKLEAT

 Stabilitas asam nukleat

 Pengaruh asam

 Pengaruh alkali

 Denaturasi kimia

 Viskositas

 Kerapatan apung

STABILITAS ASAM NUKLEAT

 Ikatan hidrogen di antara basa-basa yang berpasangan pada asam nukleat tidak membuat struktur asam nukleat tersebut menjadi stabil.

 Penentu stabilitas struktur asam nukleat terletak pada interaksi

penempatan (stacking interactions) antara pasangan-pasangan basa.

Permukaan basa yang bersifat hidrofobik menyebabkan molekul-molekul air dikeluarkan dari sela-sela perpasangan basa sehingga perpasangan tersebut menjadi kuat.

 Di dalam asam pekat dan suhu tinggi, misalnya HClO4 dengan suhu lebih dari 100ºC, asam nukleat akan mengalami hidrolisis sempurna menjadi komponen komponennya. Namun, di dalam asam mineral yang lebih

encer, hanya ikatan glikosidik antara gula dan basa purin saja yang putus sehingga asam nukleat dikatakan bersifat apurinik.

PENGARUH ASAM

PENGARUH ALKALI

 Pengaruh alkali terhadap asam nukleat mengakibatkan terjadinya

perubahan status tautomerik basa. Sebagai contoh, peningkatan pH akan menyebabkan perubahan struktur guanin dari bentuk keto menjadi bentuk enolat karena molekul tersebut kehilangan sebuah proton. Selanjutnya, perubahan ini akan menyebabkan terputusnya sejumlah ikatan hidrogen sehingga pada akhirnya rantai ganda DNA mengalami denaturasi. Hal yang sama terjadi pula pada RNA. Bahkan pada pH netral sekalipun, RNA jauh lebih rentan terhadap hidrolisis bila dibadingkan dengan DNA karena adanya gugus OH pada atom C nomor 2 di dalam gula ribosanya.

DENATURASI KIMIA

 Sejumlah bahan kimia diketahui dapat menyebabkan denaturasi asam nukleat pada pH netral. Contoh yang paling dikenal adalah urea

(CO(NH2)2) dan formamid (COHNH2). Pada konsentrasi yang relatif tinggi, senyawa-senyawa tersebut dapat merusak ikatan hidrogen. Artinya,

stabilitas struktur sekunder asam nukleat menjadi berkurang dan rantai ganda mengalami denaturasi.

VISKOSITAS

 DNA kromosom dikatakan mempunyai nisbah aksial yang sangat tinggi karena diameternya hanya sekitar 2 nm, tetapi panjangnya dapat

mencapai beberapa sentimeter. Dengan demikian, DNA tersebut

berbentuk tipis memanjang. Selain itu, DNA merupakan molekul yang

relatif kaku sehingga larutan DNA akan mempunyai viskositas yang tinggi.

Karena sifatnya itulah molekul DNA menjadi sangat rentan terhadap

fragmentasi fisik. Hal ini menimbulkan masalah tersendiri ketika kita hendak melakukan isolasi DNA yang utuh

KERAPATAN APUNG

 Analisis dan pemurnian DNA dapat dilakukan sesuai dengan kerapatan apung (bouyant density)-nya. Di dalam larutan yang mengandung garam pekat dengan berat molekul tinggi, misalnya sesium klorid (CsCl) 8M, DNA mempunyai kerapatan yang sama dengan larutan tersebut, yakni sekitar 1,7 g/cm3. Jika larutan ini disentrifugasi dengan kecepatan yang sangat tinggi, maka garam CsCl yang pekat akan bermigrasi ke dasar tabung dengan membentuk gradien kerapatan. Begitu juga, sampel DNA akan bermigrasi menuju posisi gradien yang sesuai dengan kerapatannya. Teknik ini dikenal sebagai sentrifugasi seimbang dalam tingkat kerapatan

(equilibrium density gradient centrifugation) atau sentrifugasi isopiknik. Oleh karena dengan teknik sentrifugasi tersebut pelet RNA akan berada di dasar tabung dan protein akan mengapung, maka DNA dapat dimurnikan baik dari RNA maupun dari protein. Selain itu, teknik tersebut juga berguna

untuk keperluan analisis DNA karena kerapatan apung DNA (ρ)

merupakan fungsi linier bagi kandungan GCnya. Dalam hal ini, ρ = 1,66 + 0,098% (G + C).

KERAPATAN APUNG

Sentrifugasi seimbang dalam tingkat kerapatan

DOGMA SENTRAL PADA SINTESIS PROTEIN

1. Replikasi DNA 2. Transkripsi RNA 3. Translasi Protein

REPLIKASI DNA

 Proses perbanyakan/

duplikasi bahan genetik.

 Bahan genetik sel hasil replikasi sangat identik dengan komposisi

genetik sel induk

Transkripsi RNA

Proses penyalinan kode-kode genetik yang ada pada urutan DNA menjadi molekul RNA.

TRANSLASI PROTEIN

Translasi adalah proses penerjemahan kode genetik oleh tRNA ke dalam urutan asam amino.

PERBEDAAN DNA DAN RNA

No. Perbedaan DNA RNA

1. Lokasi Inti sel dan sedikit di

mitokondria Sitoplasma, sedikit di inti sel dan ribosom

2. Bentuk Rantai Double heliks Heliks tunggal 3. Komponen Gula 2-deoxy-D-ribosa D-ribosa

4. Basa Nitrogen Adenin, sitosin,

guanine dan timin Adenin, sitosin, guanine dan urasil

5. Fungsi Menyimpan dan

menurunkan informasi genetik dalam jangka waktu yang panjang.

Membawa dan menerjemahkan kode genetik untuk pembuatan protein.

6. Perambatan DNA dapat membuat dirinya sendiri dengan cara replikasi yang dibantu oleh enzim DNA polymerase

RNA tidak bisa mereplikasi dirinya sendiri. RNA disintesis oleh DNA dengan bantuan enzim RNA polimerase saat dibutuhkan,

digunakan, didegradasi, dan didaur ulang karena sifatnya yang tidak stabil terhadap basa.

7. Ukuran pita Panjang Pendek

8. Kadar Konstan Berubah-ubah

PERAN ASAM NUKLEAT

 DNA mengandung gen, informasi yang mengatur sintesis protein dan RNA.

 DNA mengandung bagian-bagian yang menentukan pengaturan ekspresi gen.

 Ribosomal RNA (rRNA) merupakan komponen dari ribosom, mesin biologis pembuat protein

 Messenger RNAs (mRNA) merupakan bahan pembawa informasi genetik dari gen ke ribosom.

 Transfer RNAs (tRNAs) merupakan bahan yang menterjemahkan informasi dalam mRNA menjadi urutan asam amino

 RNAs memiliki fungsi-fungsi yang lain, di antaranya fungsi-fungsi katalis.

TERIMA KASIH