ANABOLISME ASAM NUKLEAT PDF

Preview

Summary

Makalah Biokimia Komparatif ANABOLISME ASAM NUKLEAT HEWAN DAN TUMBUHAN TIRTA SETIAWAN G851130101 Dosen: Prof. Dr. drh. Maria Bintang, MS SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013 PENDAHULUAN 1. Sel Hewan dan Sel Tumbuhan Secara umum hewan dan tumbuhan termasuk ke dalam multisellular d...

Description

Accelerat ing t he world's research.

ANABOLISME ASAM NUKLEAT Tirta Setiawan

Related papers ASAM NUKLEAT Sona Yudha Diliana Bioenerget ik dan Met abolisma R.Adit ias Hermawan Pirimidin t eknologi pangan universit as sahid Lisya Rachmaningrum

Download a PDF Pack of t he best relat ed papers 

Makalah Biokimia Komparatif

ANABOLISME ASAM NUKLEAT HEWAN DAN TUMBUHAN

TIRTA SETIAWAN G851130101

Dosen: Prof. Dr. drh. Maria Bintang, MS

SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013

PENDAHULUAN

1. Sel Hewan dan Sel Tumbuhan Secara umum hewan dan tumbuhan termasuk ke dalam multisellular dan selnya tergolong kedalam sel Eukariot. Sel hewan dan sel tumbuhan memiliki organel yang hampir serupa. Berikut merupakan gambar penampang melintang sel hewan dan tumbuhan seperti terlihat pada gambar 1.

Gambar 1. Sel hewan dan tumbuhan 2. Asam Nukleat Asam nukleat adalah biopolimer yang berbobot molekul tinggi dengan unit monomernya mononukleotida. Asam nukleat terdapat pada semua sel hidup dan bertugas untuk menyimpan dan mentransfer genetik, kemudian menerjemahkan informasi ini secara tepat untuk mensintesis protein yang khas bagi masing-masing sel. Asam nukleat, jika unit-unit pembangunnya deoksiribonukleotida , disebut asam deoksiribonukleotida (DNA) dan jika terdiriatas unit-unit ribonukleaotida disebut asam ribonukleaotida (RNA). Asam Nukleat juga merupakan senyawa majemuk yang dibuat dari banyak nukleotida. Nukleotida mengandung ribosa, maka asam nukleat yang terjadi adalah RNA (Ribnucleic acid = asam ribonukleat) yang berguna dalam sintesis protein. Nukleotida mengandung deoksiribosa, maka asam nukleat yang terjadi adalah DNA (Deoxyribonucleic acid = asam deoksiribonukleat) yang merupakan bahan utama pembentukan inti sel. Dalam asam nukleat terdapat 4 basa nitrogen yang berbeda yaitu 2 purin dan 2 primidin. Baik dalam RNA maupun DNA purin selalu adenin dan guanin. Dalam RNA pirimidin selalu sitosin dan urasil, dalam DNA pirimidin selalu sitosin dan timin. 2

Asam-asam nukleat terdapat pada jaringan tubuh sebagai nukleoprotein, yaitu gabungan antara asam nukleat dengan protein. Asam nukleat dari jaringanjaringan tersebut, dapat diekstraksi dari nukleoprotein menggunakan larutan garam. Setelah nukleoprotein terlarut, dapat diuraikan atau dipecah menjadi protein-protein dan asam nukleat dengan menambah asam-asam lemah atau alkali secara hati-hati, atau dengan menambah NaCl hingga jenuh akan mengendapkan protein. Cara lain untuk memisahkan asam nukleat dari protein ialah menggunakan enzim pemecah protein, misal tripsin. Ekstraksi terhadap jaringan-jaringan dengan asam triklorasetat, dapat pula memisahkan asam nukleat. Denaturasi protein dalam campuran dengan asam nukleat itu dapat pula menyebabkan terjadinya denaturasi asam nukleat itu sendiri. Asam nukleat itu mengandung pentosa, maka bila dipanasi dengan asam sulfat akan terbentuk furfural. Furfural ini akan memberikan warna merah dengan anilina asetat atau warna kuning dengan pbromfenilhidrazin. Apabila dipanasi dengan difenilamina dalam suasana asam, DNA akan memberikan warna biru. Pada dasarnya reaksi-reaksi warna untuk ribosa dan deoksiribosa dapat digunakan untuk keperluan identifikasi asam nukleat. 3. Jenis-jenis Asam Nukleat Asam nukleat dalam sel ada dua jenis yaitu DNA (deoxyribonucleic acid ) dan RNA (ribonucleic acid ) atau asam ribonukleat. Baik DNA maupun RNA berupa anion dan pada umumnya terikat oleh protein dan bersifat basa. Misalnya DNA dalam inti sel terikat pada histon. Senyawa gabungan antara protein dan asam nukleat disebut nukleoprotein. Molekul asam nukleat merupakan polimer seperti protein tetapi unit penyusunnya adalah nukleotida. Salah satu contoh nukleotida asam nukleat bebas adalah ATP yang berfungsi sebagai pembawa energi. A. Struktur Asam Deoksiribonukleat (DNA) Asam ini adalah polimer yang terdiri atas molekul-molekul deoksiribonukleotida yang terikat satu sama lain sehingga membentuk rantai polinukleotida yang panjang. Molekul DNA yang panjang ini terbentuk oleh ikatan antara atom C nomor 3 dengan atom C nomor 5 pada molekul deoksiribosa dengan perantaraan gugus fosfat. Secara kimia DNA mengandung karakter/sifat sebagai berikut: 1. Memiliki gugus gula deoksiribosa. 2. Basa nitrogennya guanin (G), sitosin (C), timin (T) dan adenin (A). 3. Memiliki rantai heliks ganda anti paralel 4. Kandungan basa nitrogen antara kedua rantai sama banyak dan berpasangan spesifik satu dengan lain. Guanin selalu berpasangan dengan sitosin ( G –C), dan adenin berpasangan dengan timin (A - T), sehingga jumlah guanin selalu sama dengan jumlah sitosin. Demikian pula adenin dan timin.

3

Sumber 2010 Encyclopedia Britannica, Inc. Gambar 2. Struktur Sebagian dari DNA B. Struktur Asam Ribonukleat (RNA) Asam ribonukleat adalah suatu polimer yang terdiri atas molekul-molekul ribonukleotida. Seperti DNA asam ribonukleat terbentuk oleh adanya ikatan antara atom C nomor 3 dengan atom C nomor 5 pada molekul ribosa dengan perantaraan gugus fosfat. Rumus strukturnya sama dengan gambar 2 tetapi gulanya adalah ribosa ( atom C nomor 2 mengikat gugus OH) RNA memiliki sifat spesifik yang berbeda dengan sifat kimia DNA, yakni dalam hal: 1. Gula pentosanya adalah ribosa 2. RNA memiliki ribonukleotida guanin(G), sitosin (C), adenin (A) dan Urasil (U) pengganti Timin pada DNA. 3. Untai fosfodiesternya adalah untai tunggal yang bisa melipat membentuk jepit rambut seperti untai ganda.Beda dengan DNA bentuk molekulnya heliks ganda.

4

4. persentasi kandungan basa tidak harus sama, pasangan adenin tidak harus sama dengan urasil, dan sitosin tidak harus sama dengan guanin. Ada tiga jenis RNA yaitu tRNA (transfer RNA), mRNA ( messenger RNA ) dan rRNA (ribosomal RNA). Ketiga macam RNA ini mempunyai fungsi yang berbeda-beda, tetapi ketiganya secara bersama-sama mempunyai peranan penting dalam sintesis protein. Struktur asam nukleat dapat dilihat/tertulis dalam bentuk struktur primer, sekunder, dan tersier. Struktur primer terbentuk bila gugus fosfat satu nukleotida berikatan ester dengan gugus hidroksil nukleotida lain melalui ikatan kovalen. Penggabungan berbagai nukleotida ini membentuk rantai panjang (polinukleotida). Dua ciri penting semua polinukleotida adalah: 1) Ikatan fosfodiester polinukleotida antara unit-unit monomer selalu antara karbon 3’ dari satu monomer dan karbon 5’ dari yang berikutnya. Jadi 2 ujung DNA dari rantai polinukleotida linear tersebut akan berlawanan. Satu ujung secara normal akan melakukan reaksi dengan fosfat 5’ dan yang lain bereaksi dengan gugus hidroksil 3’. 2) Rantai polinukleotida mempunyai kekhasan, ditentukan melalui urutan basanya. A C G T T 3’ 3’ 3’ 3’ 3’ P P P P OH 5’

5’

5’

5’

5’

Gambar 3. A,G,T,C adalah jenis nukleotida; P=fosfor, 5’ dan 3’ ujung nukleotida; semua ikatan fosfodiester adalah 3’--5’; molekul memiliki gugus P pada ujung 5’ dan gugus – OH pada ujung 3’. Penulisan sederhana DNA dan RNA dimulai ujung 5’ fosfat bebas ke ujung 3’ – OH bebas sebagai berikut : DNA : 5’A-G-T-C-A-G -T-T-C- G-G-T-C-A-G 3’ RNA : 5’U-C-A-G-U-C-A-A-G-C-C-A-G-U-C 3’ Struktur sekunder DNA ditemukan oleh James D. Watson dan F.H.C Crick (1953). Mereka menyusun pola difraksi sinar X yang menunjukkan model polideoksiribonukleotida berbentuk heliks ganda.

Gambar 4.

A

B

Model DNA heliks ganda (tiga dimensi) oleh Watson & Crick. Basa - basa (merahhijau) dan bagian tulang punggung gula-fosfat (biru-kuning)

C 5

Gambar 4 menjelaskan bahwa (A) pita pada diagram menunjukkan tulang belakang gula-fosfat dari dua untai DNA. Heliks ini adalah heliks ”tangan kanan”, berlekuk keatas dengan arah kekanan. Kedua untaian diikat bersama oleh ikatan hidrogen (digambarkan garis titik-titik) diantara basa nitrogen, yang berpasangan dibagian dalam heliks ganda. (B) menunjukkan sebagian struktur kimia, dengan dua untai yang diuraikan, perhatikan bahwa untaian memiliki orientasi arah yang berlawanan. (C) pasangan basa nitrogen yang terikat kuat tampak jelas pada model komputer (tiga dimensi). Daya tarik menarik antara pasangan basa yang berpotongan mempunyai peranan penting dalam mempertahankan molekul. Struktur sekunder RNA adalah kumparan acak tunggal dan beberapa bagian berbentuk heliks yang menunjukkan pasangan basa. Struktur sekunder RNA bermacam-macam sesuai jenis RNA-nya. Jenis mRNA dapat berbentuk heliks, tRNA berbentuk seperti huruf t dan rRNA berbentuk acak. Banyak DNA secara alami mempunyai struktur tersier. Salah satu contohnya adalah struktur sirkular yang dapat berbentuk acak (berlilitan) dan sirkular terbuka. Pelilitan merupakan struktur DNA yang tertutup secara kovalen karena untai polinukleotidanya tetap utuh. Struktur ini tidak mempunyai ujung 5’ atau 3’ bebas. Jika salah satu untai polinukleotida putus,maka heliks ganda akan kembali kebentuk normalnya sebagai sirkulasi terbuka. Contoh DNA tersier adalah DNA virus ST-40, DNA plasmid bakteri, dan lain-lain. Struktur DNA ini mempunyai sifat sangat khas dan bermanfaat untuk rekayasa gen.

Gambar 5. Struktur DNA heliks ganda, basa nitogen (berwarna), gugus fosfat dan gula ( warna hitam) Pada gambar 5, terlihat antara basa-basa yang terdapat pada rantai molekul terbentuk ikatan hidrogen, yakni ikatan antara atom-atom hidrogen dan nitrogen. Pasangan Adenin dengan Timin terbentuk dengan dua ikatan hidrogen ( A=T), sedangkan Guanin dengan Sitosin terbentuk dengan tiga ikatan hidrogen ( G ≡ C).

6

4. Nukleotida Nukleotida memiliki peranan yang sangat penting untuk banyak fungsi dan kinerja sel yaitu mencakup membangun informasi genetik, ekspresi gen, metabolisme energi, kode-kode pada aktivitas sel serta biosintesis. Biosintesis mencakup banyak jenis diantaranya biosintesis karbohidrat, protein, lemak bahkan asam nukleat itu sendiri. Pada sel, paling banyak ditemukan 5’-triphoshates. ATP sebagian besar merupakan nukleotida, banyak ditemukan dalam konsentrasi mM pada jenis sel yang berbeda meskipun beberapa nukleotida kemungkinan banyak menunjukkan konsentrasi yang rendah (cAMP). Nukleotida memiliki peran yaitu: 1. Pembangun Kompleks asam nukleat (DNA dan RNA) 2. Mengatur dalam penyimpanan energi, kontraksi otot, tranpor aktif dan mengatur pertukaran ion 3. Pengaktif senyawa antara pada proses biosintesis (UDP-glukosa, Sadenosilmetionin (SAM)) 4. Komponen dari koenzim (NAD+, NADP+, FAD, FMN and CoA) 5. Pengatur proses metabolisme: a. Second messengers (cAMP, cGMP) b. Donor Pospat (PO32-) pada proses pemutusan rantai pospat (ATP) c. Pengatur proses adenilation dan uridililation dengan beberapa enzim Tiap nukleotida dibangun oleh sebuah basa purin atau basa pirimidin, sebuah gula ribosa atau gula deoksiribosa dan sebuah pospat: Nukleotida Basa Purin atau pirimidin

O -

O

P

Ikatan -glikosidik antara C-1 dari gula dan N9 dari purin dan N1 pada pirimidin

5'

O

O

O-

H

4'

H

2' H H(OH)

3'

H O

pospat

1'

gula pentosa Nukleosida

gambar 6. Komponen utama nukleotida NOMENKLATURE DARI BASA NUKLEOTIDA, NUKLEOTIDA DAN NUKLEOSIDA O

O

H2N

6

7 N

5

9N H

4

N

1

N

N

N

N

O

N

NH

NH

NH

8 2 N

N H

N H

N

N H

N

3 Purin

guanin

hipoxantine

adenin NH2

NH2

N

N H

N H

O

xantin

O

O

4 5

N

6

3

H3C

N

NH

NH

7

2 N H

1

pirimidin

N H

ssitosin

O

N H

timin

O

N H

urasil

O

Basa nukleotida Adenin Guanin Timin Sitosin Uracsil Hipoxantin Xantin

Nukleotida 5’-monofosfat

nukleosida

Adenosin 5’-monopospat (adenilat, AMP) Guanosin 5’- monopospat (guanilat, GMP) Timidin 5’- monopospat (timidilat, TMP) sitidin 5’- monopospat (sitidilat, CMP) Uridin 5’- monopospat (uridilat, UMP) Inosin 5’- monopospat (inosinat, IMP) Xantosin 5’- monopospat (xantilat , XMP)

Adenosin Guanosin Timidin sitidin Uridin Inosin Xantosin

Sumber atau bahan dasar Biosintesis nukleotida pada sel: 1) Salvage Pathway, Biodegradasi dari asam nukleat menghasilkan basa-basa purin bebas yang bisa di digunakan kembali dengan 5 pospat-1ribosil piropospat (PRPP) membentuk nukleotida monoposphat. adenin f osf oribosi l transferase

Adeni late + PPi

Adenin + PRPP

Hipoxantin-guanin fosforibosil transferase (HGPRT)

Guani late + PPi

Guanin + PRPP Hypoxant in + PRPP

Inosinat + PPi

fosfat ribosa 2-

O3PO

CH2

-

O

O

-

O P

O OH

O

O-

P O

O

OH

PRPP

Gambar 7. Katabolisme asam Nukleat 2) De Novo, secara umum sintesis secara de novo mengarah pada perakitan menyeluruh secara kecil-kecilan dari struktur yang sederhana menjadi satu struktur hasil yang satu kesatuan. Dalam konteks asam nukleat struktur sederhana meliputi, gugus gula, gugus amina, gugus – gugus kecil lainnya dan struktur hasil merupakan basa nukleotida meliputi, adenin, guanin, sitosin, timin dan uracil

8

PEMBAHASAN Nukleosida trifosfat merupakan dasar pembentukan dari DNA dan RNA selalu melibatkan dasar proses sepeti pembentukan sukrosa dan pembentukan fosfolipid. Jalur Uridin trifosfat (UTP) dan citidin trifosfat (CTP) di bahas secara rinci oleh Ross pada tahun 1981. Suatu reaksi yang menggambarkan tentang produksi ribonukleotida yaitu pada pembentukan cetakan awal RNA. Deoksi ribonukleotida, sebagian kecil dari DNA diproduksi oleh sel melalui reduksi dari ribonukletida. Tanaman memliki kesamaan sistem dengan hewan, yaitu menggunakan enzim nukleotida difosfat reduktase (NDP). (Dey 1996) Seperti halnya sistem pada bakteia dan hewan, pada tanaman nukleotida purin dan pirimidin merupakan unsur dasar bawaan yang diturunkan dari asam nukleat dan koenzim yang melakukan regulasi, selalu melibatkan pembentukan tiamin, riboflavin, asam folat, histidin atau banyak sebagai bahan dasar sitokinin, alkaloid purin dan selanjutnya senyawa N meliputi penumpukan N atau pengeluaran N (Wink 2010). Bedasarkan dua literatur diatas, metabolisme khususnya biosintesis asam nukleat secara prinsip sama, namun untuk parameter lain seperti, sintetis protein, siklus transfer energi dan kerja beberapa enzimnya memiliki perbedaan, karena perbedaan sumber makanan pasti membutuhkan enzim yang berbeda. Berikut perbedaan sel hewan dan sel tumbuhan, Tabel 1. Perbedaan sel tumbuhan dan sel hewan Ciri Dinding sel Bentuk sel Butir plastida Asal energi Vakuola Sentriol Flagel

Sel Tumbuhan Ada Tetap Ada Fotosintesis Vakuola besar (Sentral) Tidak ada Tidak ada

Sel Hewan Tidak ada Bervariasi Tidak ada Makanan Lisosom kecil Ada Ada

Adanya sentriol pada sel hewan berfungsi sebagai pengatur pergerakan kromosom saat pembelahan, absennya organel ini dan karena dinding sel tebal maka dapat dipastikan sel tumbuhan sukar untuk melakukan pembelahan sel. Pembahasan Biosintesis Asam Nukleat meliputi: Sintesis Basa – basa Nukleotida Purin dan Pirimidin, Sintesis Rantai DNA dan RNA serta Replikasi DNA 1. SINTESIS BASA-BASA NUKLEOTIDA Basa purin dan pirimidin ditemukan di dalam nukleotida dan dalam asam nukleat. Basa-basa tersebut dibentuk secara de novo oleh jalur yang menggunakan asam amino sebagai prekursor dan menghasilkan nukleotida. Sebagian besar sintesis de novo terjadi di hati, dan basa bernitrogen serta nukleosida kemudian diangkut ke jaringan lain oleh sel darah merah. Otak juga membentuk nukleotida dalam jumlah yang bermakna. Biosintesis purin dan pirimidin diatur dan dikoordinasikan dengan ketat oleh mekanisme umpan-balik yang menjamin agar waktu dan jumlah produksi 9

kedua zat tersebut selalu sesuai dengan kebutuhan fisiologisnya yang bervariasi. Penyakit genetik metabolisme purin mencakup gout, sindrom Lesch-Nyhan, defisiensi purin nukleotida fosforilase. Jaringan tubuh dapat menyintesis purin dan pirimidin dari zat-zat antara amfibolik. Asam nukleat dan nukleotida yang dimakan bersifat nonesensial secara dietetik diuraikan disaluran cerna menjadi mononukleotida sehingga dapat diserap atau diubah menjadi basa purin dan pirimidin (salvage pathway). Basa purin kemudian dioksidasi menjadi asam urat yang dapat diabsorpsi atau diubah menjadi basa purin atau pirimidin. Basa purin kemudian dioksidasi menjadi asam urat yang akan diabsorbsi maupun diekskresikan dalam urine. Jika hanya sedikit atau tidak ada purin/pirimidin dalam makanan untuk dijadikan asam nukleat ,senyawa yang disuntikkan dapat digunakan untuk membentuk asam nukleat. Oleh karena itu, penggbungan (3H) timidin (senyawa yang disuntikkan) menjadi DNA ini dapat digunakan untuk mengukur laju sintesis DNA. A. Pembentukan Nukleotida Purin Pembentukan Nukleotida Purin, 5-fosforibosil-1-pirofosfat (PRPP) adalah sumber gugus ribosa. Senyawa ini disintesis dari ATP dan ribosa 5’-fosfat, yang dibentuk dari glukosa melalui jalur pentosa fosfat. Basa purin dibentuk diatas gugus ribosa. Dalam reaksi pertama, PRPP bereaksi dengan glutamin membentuk fosforibosilamin, reaksi ini, yang menghasilkan nitrogen 9 cincin purin, dikatalisis oleh PRPP glutamil amidotransferase, suatu enzim yang dihambat oleh tiga produk jalur, IMP, AMP, dan GMP. Ketiga nukleosida ini juga menghambat sintesis PRPP sehingga memperlambat produksi nukleotida purin dengan menurunkan kadar substrat PRPP. ). Kemudian, karbon 8 disediakan oleh metenil tetrahidrofolat, nitrogen 3 oleh glutamin, karbon 6 oleh CO2, nitrogen 1 oleh aspartat, dan karbon 2 oleh formil tetrahidrofolat. Gambar 8A, memperlihatkan sumber masing-masing atom cincin purin.

Gambar 8. Biosintesis purin. A. Reaksi dalam jalur biosintesis. B.Asal atom pada basa purin. RR = ribonukleotida reduktase; FH4 = tetrahiddrofosfat.

10

Dalam reaksi kedua, keseluruhan gugus glisin ditambahkan ke prekursor yang sedang tumbuh. Glisin menyediakan karbon 4 dan 5 serta nitrogen 7 pada cincin purin gambar 9.

Gambar 10. Langkah pertama dalam biosintesis purin. Basa purin dibentuk pada gugus ribosa. Produk jalur ini (IMP, MP, dan GMP) menghambat reaksi. ketersediaan substrat PRPP adalah penentu kecepatan reaksi ini. Gambar 9 penggabungan glisin ke dalam prekursor purin.

Nukleotida purin pertama yang dibentuk oleh jalur ini adalah inosin monofosfat (IMP). Nukleotida ini mengandung basa hipoxantin yang disatukan oleh ikatan Nglikosidat dari nitrogen 9 cincin purin ke karbon 1 pada ribosa gambar 9. IMP berfungsi sebagai titik cabang, serta nukleotida adenin dan guanin dibentuk dari IMP gambar 8. Adenosin monofosfat (AMP) berasal dari IMP melalui penambahan sebuah gugus amino dari aspartat ke karbon 6 cincin purin dalam reaksi yang memerlukan GTP. Guanosin monofosfat (GMP) berasal dari IMP melalui pemindahan sebuah gugus amino dari amida glutamin ke karbon 2 cincin purin. Dalam hal ini, reaksi membutuhkan ATP. AMP dan GMP masing-masing menghambat pembentukannya sendiri dari IMP.

Gambar.11 Struktur inosin monofosfat (IMP).

. 11

AMP dan GMP dapat mengalami fosforilasi ke tingkat difosfat dan trifosfat dan digunakan untuk proses yang memerlukan energi di dalam sel. Purin nukleosida trifosfat juga digunakan sebagai prekursor untuk sintesis RNA. Pada sintesis DNA, gugus ri...