Ribonukleotida

Dalam biokimia, ribonukleotida ialah nukleotida yang mengandungi ribosa sebagai komponen pentosanya. Ia dianggap sebagai pelopor molekul asid nukleik . Nukleotida ialah blok binaan asas DNA dan RNA. Ribonukleotida sendiri adalah blok binaan monomer asas buat RNA. Deoksiribonukleotida, dibentuk melalui penurunan ribonukleotida dengan enzim ribonukleotida reduktase (RNR), menjadi blok binaan penting untuk DNA. Terdapat beberapa perbezaan antara deoksiribonukleotida DNA dan ribonukleotida RNA. Nukleotida berturut-turut dihubungkan bersama melalui ikatan fosfodiester.

Ribonukleotida juga digunakan dalam fungsi sel yang lain. Monomer khas ini digunakan dalam kedua-dua pengawalan sel dan isyarat sel seperti yang dilihat dalam adenosina monofosfat (AMP). Tambahan pula, ribonukleotida boleh ditukar kepada adenosina trifosfat (ATP), mata wang tenaga dalam organisma. Ribonukleotida boleh ditukar kepada adenosin monofosfat siklik (AMP siklik) untuk mengawal selia hormon dalam organisma. Dalam organisma hidup, bes yang paling biasa untuk ribonukleotida ialah adenina (A), guanina (G), sitosina (C) dan urasil (U). Bes nitrogen dikelaskan kepada dua sebatian induk, purina dan pirimidina.

 Struktur 

 Struktur am 
Struktur umum ribonukleotida terdiri daripada kumpulan fosfat, kumpulan gula ribosa, dan nukleobes, di mana nukleobes boleh sama ada adenina, guanina, sitosina atau urasil. Tanpa kumpulan fosfat, komposisi nukleobes dan gula dikenali sebagai nukleosida. Nukleobes nitrogen yang boleh ditukar ganti diperolehi daripada dua sebatian induk: purina dan pirimidina. Nukleotida ialah sebatian heterosiklik, iaitu, ia mengandungi sekurang-kurangnya dua unsur kimia yang berbeza sebagai ahli gelangnya.

Kedua-dua RNA dan DNA mengandungi dua asas purina utama, adenina (A) dan guanina (G), dan dua pirimidina utama. Dalam kedua-dua DNA dan RNA, salah satu daripada pirimidina ialah sitosina (C). Walau bagaimanapun, DNA dan RNA berbeza dalam pirimidina utama kedua. DNA mengandungi timina (T) manakala RNA mengandungi urasil (U). Terdapat beberapa kes yang jarang berlaku di mana timina berlaku dalam RNA dan urasil dalam DNA.

Berikut ialah 4 ribonukleotida utama (ribonukleosida 5'-monofosfat) yang merupakan unit struktur RNA.
Nukleotida Simbol Nukleosida Adenilat (adenosina 5'-monofosfat) A, AMP Adenosina Guanilat (guanosina 5'-monofosfat) G, GMP Guanosina Uridilat (uridina 5'-monofosfat) U, UMP Uridina Sitidilat (sitidina 5'-monofosfat) C, CMP Sitidina

 Deoksiribonukleotida DNA berbanding ribonukleotida RNA 
Dalam ribonukleotida, komponen gula ialah ribosa manakala dalam deoksiribonukleotida, komponen gula ialah deoksiribosa. Daripada kumpulan hidroksil pada karbon kedua dalam cincin ribosa, ia digantikan oleh atom hidrogen.

Kedua-dua jenis pentosa dalam DNA dan RNA berada dalam bentuk β-furanosa (cincin lima anggota tertutup), dan ia mentakrifkan identiti asid nukleik. DNA ditakrifkan dengan mengandungi asid nukleik 2'-deoksi-ribosa manakala RNA ditakrifkan dengan mengandungi asid nukleik ribosa.

Dalam sesetengah keadaan, DNA dan RNA mungkin mengandungi beberapa asas kecil. Bentuk pemetilan bes utama adalah paling biasa dalam DNA. Dalam DNA virus, beberapa bes mungkin terhidroksimetilasi atau terglukosilasi. Dalam RNA, bes kurang lazim atau diubah suai berlaku lebih kerap. Beberapa contoh termasuk hipoxantina, dihidrourasil, urasil bermetil, sitosina dan guanina, serta pseudouridina nukleosida yang diubah suai. Nukleotida dengan kumpulan fosfat dalam kedudukan selain daripada karbon 5' juga telah diperhatikan. Contohnya termasuk ribonukleoside 2',3'-monofosfat kitaran yang merupakan perantara boleh diasingkan, dan ribonukleosida 3'-monofosfat yang merupakan produk akhir hidrolisis RNA oleh ribonuklease tertentu. Variasi lain termasuk adenosina 3',5'-monofosfat siklik (cAMP) dan guanosina 3',5'-monofosfat siklik (cGMP).

 Menghubungkan nukleotida berturutan 

 Fungsi 

 Pelopor deoksiribonukleotida 
Para saintis percaya bahawa RNA telah dibangunkan sebelum DNA.

Pengurangan ribonukleotida kepada deoksiribonukleotida dimangkinkan oleh ribonukleotida reduktase. Ribonukleotida reduktase (RNR) ialah enzim penting dalam semua organisma hidup kerana ia bertanggungjawab dalam langkah terakhir dalam sintesis empat deoksiribonukleotida (dNTP) yang diperlukan buat replikasi dan pembaikan DNA. Tindak balas juga memerlukan dua protein lain: tioredoksin dan tioredoksin reduktase. Ribonukleosida difosfat (NDP) diturunkan oleh tioredoksin kepada deoksiribonucleosida difosfat (dNTP).

Tindak balas umum ialah: ribonukleosida difosfat + NADPH + H+ -> deoksiribonukleosida difosfat + NADP+ + H2O

Untuk menggambarkan persamaan ini, dATP dan dGTP masing-masing disintesis daripada ADP dan KDNK. Mereka mula-mula diturunkan oleh RNR, dan kemudian difosforilasi oleh kinase difosfat nukleosida kepada dATP dan dGTP. Ribonukleotida reduktase dikawal oleh interaksi alosterik. Sebaik sahaja dATP mengikat ribonukleotida reduktase, aktiviti pemangkin keseluruhan enzim berkurangan, kerana ia menandakan banyaknya deoksiribonukleotida. Perencatan maklum balas ini diterbalikkan apabila ATP mengikat.

 Diskriminasi ribonukleotida 
Semasa sintesis DNA, polimerase DNA mesti memilih menjauhi ribonukleotida yang wujud lebih banyak berbanding dengan deoksiribonukleotida. Selektiviti ini penting kerana replikasi DNA perlu tepat untuk mengekalkan genom organisma. Telah ditunjukkan bahawa tapak aktif polimerase DNA keluarga Y bertanggungjawab untuk mengekalkan selektiviti yang tinggi melawan ribonukleotida. Kebanyakan polimerase DNA juga dilengkapi untuk mengecualikan ribonukleotida dari tapak aktifnya melalui sisa rantai sisi yang besar yang boleh menyekat kumpulan 2'-hidroksil cincin ribosa secara sterik. Walau bagaimanapun, banyak polimerase DNA replikatif dan pembaikian nukleus menggabungkan ribonukleotida ke dalam DNA, menunjukkan bahawa mekanisme pengecualian tidak sempurna.

 Sintesis 

 Sintesis ribonukleotida 
Ribonukleotida boleh disintesis dalam organisma daripada molekul yang lebih kecil melalui laluan de novo atau dikitar semula melalui laluan penyelamat. Dalam kes laluan de novo, kedua-dua purina dan pirimidina disintesis daripada komponen yang diperoleh daripada asid amino pelopor, ribosa-5-fosfat,  dan NH3.
Biosintesis de novo nukleotida purina agak kompleks, dan terdiri daripada beberapa tindak balas enzim. Dengan menggunakan struktur gula gelang lima sebagai asas, cincin purina dibina beberapa atom pada satu masa dalam proses 11 langkah yang membawa kepada pembentukan inosinat (IMP). Pada asasnya, IMP ditukar kepada nukleotida purina yang diperlukan dalam sintesis asid nukleik.

Laluan bermula dengan penukaran ribosa-5-fosfat (R5P) kepada fosforibosil pirofosfat (PRPP) oleh enzim ribose-fosfat difosfokinase (PRPS1). PRPP kemudiannya ditukar kepada 5-fosforibosilamina (5-PRA) ketika glutamina mendermakan kumpulan amino kepada C-1 PRPP. Dalam tindak balas pemeluwapan, enzim GAR sintetase, bersama-sama dengan glisina dan ATP, mengaktifkan kumpulan glisina karboksilase 5-PRA untuk membentuk glisinamida ribonukleotida (GAR). Koenzim N10-formil-THF, bersama-sama dengan enzim GAR transformilase kemudian mendermakan unit satu karbon kepada kumpulan amino ke glisina GAR, diikuti dengan penambahan glutamina oleh enzim FGAR amidotransferase, yang membawa kepada pembentukan ribonukleotida formilglisinamidina (FGAM). Dehidrasi FGAM oleh enzim FGAM siklase mengakibatkan penutupan cincin imidazola sebagai 5-aminoimidazola ribonukleotida (AIR). Kumpulan karboksil dilekatkan pada AIR oleh N5-CAIR sintetase untuk membentuk N5-karboksiaminoimidazola ribonukleotida (N5-CAIR), yang kemudiannya ditukar kepada karboksiamino-imidazola ribonukleotida (CAIR) dengan enzim N5-CAIR mutase. Enzim SAICAR sintetase, bersama-sama kumpulan amino daripada aspartat membentuk ikatan amida untuk menghasilkan N-suksinil-5-aminoimidazola-4-karboksamida ribonukleotida (SAICAR). Meneruskan laluan itu, penyingkiran rangka karbon aspartat oleh SAICAR liase menghasilkan 5-aminoimidazola-4-karboksamida ribonukleotida (AICAR). Enzim AICAR transformilase membantu dalam pemindahan karbon terakhir daripada N10-formiltetrahidrofolat, membentuk N-formilaminoimidazola-4-karboksamida ribonukleotida (FAICAR). Akhir sekali, penutupan struktur cincin kedua dilakukan oleh sintase IMP untuk membentuk IMP, di mana pengubahsuaian lanjutan IMP akan membawa kepada pembentukan nukleotida puria.
Sintesis nukleotida pirimidin adalah proses yang lebih mudah. Pembentukan cincin pirimidin bermula dengan penukaran aspartat kepada N-karbamoilaspartat dengan menjalani tindak balas pemeluwapan dengan karbamoil fosfat. Dihidroorotase dan dihidroorotase dehidrogenase kemudian menukar N-karbamoilaspartat kepada orotat. Orotat diikat secara kovalen dengan fosforibosil pirofosfat (PRPP) oleh orotat fosforibisol-transferase yang menghasilkan orotidina monofosfat (OMP). OMP mengikuti dengan dekarboksilasi oleh dekarboksilase orotidilat untuk membentuk struktur ribonukleotida, uridilat (UMP). UMP kemudiannya boleh ditukar kepada uridina-5'-trisfosfat (UTP) dengan dua tindak balas kinase. Pembentukan sitidina-5'-trisfosfat (CTP) daripada UTP boleh dicapai oleh sitidilat sintetase oleh perantara asil fosfat.

 Sintesis prebiotik ribonukleotida 
Untuk memahami bagaimana kehidupan timbul, pengetahuan diperlukan tentang laluan kimia yang membenarkan pembentukan blok binaan utama kehidupan di bawah keadaan prebiotik yang munasabah. Menurut hipotesis dunia RNA, ribonukleotida terapung bebas terdapat dalam sup primitif. Ini adalah molekul asas yang digabungkan secara bersiri untuk membentuk RNA. Molekul sekompleks RNA mesti timbul daripada molekul kecil yang kereaktifannya dikawal oleh proses fizika-kimia. RNA terdiri daripada nukleotida purina dan pirimidina, kedua-duanya diperlukan untuk pemindahan maklumat yang boleh dipercayai, dan dengan itu pemilihan semula jadi Darwin dan evolusi. Sintesis ribonukleotida pirimidina yang diaktifkan telah ditunjukkan di bawah keadaan prebiotik yang munasabah.Powner MW, Gerland B, Sutherland JD. Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions. Nature. 2009 May 14;459(7244):239-42. doi: 10.1038/nature08013. PMID: 19444213 Bahan permulaan sintesis (sianamida, sianoasetilena, glikoladehid, gliseraldehid dan fosfat tak organik) dianggap sebagai molekul bahan suapan prebiotik yang munasabah. Nam et al.Nam I, Nam HG, Zare RN. Abiotic synthesis of purine and pyrimidine ribonucleosides in aqueous microdroplets. Proc Natl Acad Sci U S A. 2018 Jan 2;115(1):36-40. doi: 10.1073/pnas.1718559115. Epub 2017 Dec 18. PMID: 29255025; PMCID: PMC5776833 menunjukkan pemeluwapan langsung nukleobes dengan ribosa untuk memberikan ribonukleosida dalam titisan mikro akueus, satu langkah penting yang membawa kepada pembentukan RNA. Di samping itu, proses prebiotik yang munasabah untuk mensintesis pirimidina dan ribonukleotida purina menggunakan kitaran basah-kering telah dibentangkan oleh Becker et al.Becker S, Feldmann J, Wiedemann S, Okamura H, Schneider C, Iwan K, Crisp A, Rossa M, Amatov T, Carell T. Unified prebiotically plausible synthesis of pyrimidine and purine RNA ribonucleotides. Science. 2019 Oct 4;366(6461):76-82. doi: 10.1126/science.aax2747. PMID: 31604305.

 Sejarah 
Sebelum kertas utama James Watson dan Francis Crick yang memperincikan struktur DNA daripada imej kristalografi sinar-X Rosalind Franklin, terdapat beberapa ahli sains sejarah yang turut menyumbang kepada penemuannya. Friedrich Miescher, seorang doktor Switzerland, pertama kali mengasingkan dan mengenal pasti bahan nukleik pada 1869 daripada nukleus sel darah putih yang kemudiannya dipanggil "nuklein", membuka jalan kepada penemuan DNA. Mengikuti kerja Mieschers ialah ahli biokimia Jerman Albrecht Kossel pada 1878 yang mengasingkan komponen bukan protein "nuklein", dan menemui lima nukleobes yang terdapat dalam asid nukleik: adenine, sitosina, guanina, timina dan urasil. Walaupun beberapa fakta asas diketahui tentang asid nukleik disebabkan penemuan awal ini, struktur dan fungsinya kekal sebagai misteri.

Hal ini kekal sehingga penemuan nukleotida pada 1919 oleh Phoebus Levene, ahli biokimia Rusia-Lithuania yang membuka semula pintu penemuan DNA. Levene mula-mula mengenal pasti komponen karbohidrat yang terdapat dalam RNA ragi sebenarnya adalah ribosa. Walau bagaimanapun, sehingga penemuannya bahawa komponen karbohidrat dalam asid nukleik timus juga merupakan gula tetapi kekurangan satu atom oksigen, dipanggil deoksiribosa, barulah penemuannya dihargai secara meluas oleh komuniti saintifik. Akhirnya, Levene dapat mengenal pasti susunan yang betul di mana komponen RNA dan DNA disatukan, unit fosfat-gula-asas, yang kemudiannya dipanggil nukleotida . Walaupun susunan komponen nukleotida difahami dengan baik oleh Levene, struktur susunan nukleotida di angkasa dan kod genetiknya masih kekal menjadi misteri semasa tahun-tahun awal kerjayanya.

 Rujukan 

Kategori:Ribosida
Kategori:RNA