Nukleotida

Struktur

Nukleotida tersusun dari gugus basa nitrogen heterosiklik, gula pentosa, dan satu atau lebih gugus fosfat. Kalau tiga subunit itu bergabung, nukleotida juga disebut sebagai "nukleosida monofosfat". Sumber kimia ACS Style Guide dan IUPAC Gold Book menyatakan bahwa nukleotida hanya mempunyai satu gugus fosfat, tapi pengunaan istilah umum dalam buku pelajaran molekuler biologi memperluas definisinya untuk merangkum molekul dengan dua atau tiga gugus fosfat. Karena itu, istilah "nukleosida difosfat" atau "nukleosida trifosfat" juga bisa dinyatakan sebagai nukleotida.
Basa penyusun nukleotida biasanya adalah berupa purina atau pirimidina sementara gulanya adalah pentosa (ribosa), baik berupa deoksiribosa maupun ribosa.
Basa purina itu terdiri dari adenina atau guanina, sedangkan basa pirimidina itu terdiri dari timina, sitosina atau urasil.
Kalau gulanya ribosa, nukleotida itu dinamakan "ribonukleotida", sedangkan jika gulanya deoksiribosa, nukleotida itu dinamakan "deoksiribosanukleotida".
Dalam satu nukleotida, gugus fosfat berikat dengan gugus gula melalui karbon nomor 5 (5') melalui ikatan ester kovalen. Sedangkan basa nitrogen berikat dengan gugus gula melalu karbon nomor 1 melalui ikatan yang dinamakan ikatan glikosidik.
Gugus fosfat menghubungkan satu nukleotida dengan nukleotida lain melalui ikatan ester kovalen. Ikatan ini dinamakan ikatan fosfodiester. Ikatan antara satu nukleotida dengan lainnya membentuk satu rantai panjang yang dinamakan rantai polinukleotida.
Rantai polinukleotida membentuk "rantai tulang punggung" untuk satu atau dua struktur spiral. Dalam satu rantai polinukleotida, orientasinya dari ujung 5' ke ujung 3'. Dalam DNA — yang terbentuk dari dua rantai yang membangun struktur untai ganda — orientasi satu rantai mempunyai arah berlawanan dengan rantai lain. Satu rantai mempunyai orientasi 5' ke 3', dan rantai lainnya mempunyai orientasi 3' ke 5'. Orientasi berlawan ini sangat penting dalam proses replikasi dan translasi (salinan) informasi dalam DNA karena orientasi ini memungkinkan keadaan pasangan basa dan perlengkapan di antara pasangan basa.
Tidak seperti nukleotida yang membentuk asam nukleat, nukleotida siklik tunggal itu dibentuk ketika gugus fosfat berikat dua kali dengan gugus gula yang sama, yaitu di sudut-sudut gugus hidroksil di gula tersebut. Nukleotida siklik berperan dalam metabolisme sel, dan tidak berperan dalam pembentukan rantai molekul struktur untuk asam nukleat.
Asam nukleat adalah makromolekul polimerik yang tersusun dari nukleotida, blok bangunan asam nukleat. Basa purina adenina dan guanina, dan basa pirimidina sitosina bisa ditemukan di DNA dan RNA, sedangkan basa pirimidina timina bisa ditemukan hanya di DNA dan basa pirimidina urasil bisa ditemukan hanya di RNA.

Adenina membentuk pasangan basa dengan timina melalui dua ikatan hidrogen, sedangkan guanina berpasangan dengan sitosina melalui tiga ikatan hidrogen.

Sintesis

Nukleotida dapat disintesis in vitro atau in vivo.
In vitro, gugus pelindung bisa dipakai dalam produksi nukleotida di laboratorium. Nukleosida yang dimurnikan kemudian dilindungi untuk membentuk fosforamidit, yang selanjutnya digunakan untuk membentuk analog yang tidak ditemukan di bumi atau digunakan untuk oligonukleotida sintesisasi.
In vivo, nukleotida bisa disintesis de novo atau didaur ulang melalui jalur reaksi penyelamatan. Komponen yang digunakan dalam sintesis nukleotida de novo berasal dari prekursor biosintetik dari metabolisme karbohidrat dan asam amino, dan dari amonia dan karbon dioksida. Hati adalah organ penting yang melakukan sintesis de novo untuk semua nukleotida. Sintesis de novo untuk basa pirimidina dan purina melalui dua jalur yang berbeda. Pirimidina disintesis pertama dari aspartat dan karbamoil fosfat di dalam sitoplasma, membentuk struktur prekursor cincin umum asam orotik. Gugus ribosil yang difosforilasi kemudian digabungkan dengan struktur asam orotik tersebut, melalui ikatan kovalen. Purina disintesis pertama dari templat gula dimana sintesis ring dilakukan. Sintesis nukleotida pirimidina dan purina dijalankan oleh beberapa enzim di sitoplasma, bukan di dalam organel tertentu. Nukleotida mengalami penguraian dan bagian-bagian berguna bisa digunakan kembali dalam reaksi sintesis untuk membuat nukleotida baru.

Sintesis nukleotida pirimidina

Sintesis pirimidina CTP dan UTP dilakukan di sitoplasma dan dimulai dengan pembentukan karbamoil fosfat dari glutamina dan karbon dioksida, Selanjutnya, enzim aspartat karbamoil fosfat transferase mengkatalisis reaksi kondensasi antara aspartat dan karbamoil fosfat untuk membentuk asam karbamoil aspartik, yang kemudian disiklisasi menjadi 4,5-asam dihidrotik dengan bantuan enzim dihidroorotase. 4,5-asam dihidrotik dikonversi menjadi orotat oleh enzim dihidroorotate oksidase. Reaksi ini adalah:
(S)-Dihydroorotate + O₂ → Orotate + H₂O₂
Selanjutnya, orotat digabung dengan gugus ribosil yang telah difosforilasi, melalui ikatan kovalen. Ikatan kovalen antara ribosa dan pirimidina berada di posisi karbon 1 (C₁) di gugus ribosa, yang mengandung satu pirofosfat, dan posisi nitrogen 1 (N₁), di cincin pirimidina. Orotate fosforibosyl transferase (PRPP transferase) mengkatalisasi reaksi yang menghasilkan orotidina monofosfat (OMP):
Orotate + 5-Phospho-α-D-ribose 1-diphosphate (PRPP) → Orotidine 5'-phosphate + Pyrophosphate
Orotidina 5'-monofosfat kemudian dekarboksilasi oleh orotidina-5'-fosfat dekarboksilase untuk membentuk uridina monofosfat (UMP). PRPP transferase mengkatalisasi reaksi ribosilasi dan dekarboksilasi, membentuk UMP dari asam orotik dalam kandungan PRPP. Nukleotida pirimidina lain diturunkan dari UMP. Kemudian, UMP difosforilasi oleh dua enzim kinase untuk membentuk uridina trifosfat (UTP) melalui dua reaksi berurutan dengan ATP. Pertama, difosfat membentuk UDP itu diproduksi, dan kemudian difosforilasi menjadi UTP. Kedua reaksi memakai ATP untuk energi melalui hidrolisis ATP:
ATP + UMP → ADP + UDP
UDP + ATP → UTP + ADP
Selanjutnya, CTP dibentuk oleh reaksi aminasi UTP melalui aktivitas katalisasi dari enzim CTP sintetase. Glutamina adalah donor NH₃ dan reaksi tersebut memakai energi melalui hidrolisis ATP.
UTP + Glutamine + ATP + H₂O → CTP + ADP + Pᵢ
Sitidina monofosfat (CMP) berasal dari sitidina trifosfat (CTP) melalui kehilangan dua gugus fosfat.

Degradasi Purina dan Pirimidina

Dalam tubuh manusia, cincin pirimidina (C,T, U) dapat didegradasi sepenuhnya menjadi karbon dioksida, CO₂ dan NH₃ (ekskresi urea). Cincin purina (G, A) tidak bisa didegradasi melalui jalur yang sama. Cincin purina didegradasi menjadi asam urat yang selanjutnya dikeluarkan dari tubuh. Asam urat terbentuk ketika GMP dibelah menjadi basa guanina dan ribosa. Guanina dideaminasi menjadi xantin, yang selanjutnya dioksidasi menjadi asam urat. Reaksi terakhir ini permanen. Demikian pula, asam urat bisa dibentuk ketika AMP dideaminasi untuk membentuk IMP, yang menjadi sumber gugus ribosa yang dikeluarkan untuk membentuk hipoksantin. Hipoksantin dioksidasi menjadi xantin dan selanjutnya menjadi asam urat. Guanina dan IMP bisa digunakan untuk daur ulang untuk reaksi sintesis asam nukleat di dalam kandungan PRPP dan aspartat (sebagai donor NH₃).