Wikipedia

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.[1] 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.[1] 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 am ribonukleotida: kumpulan fosfat, ribosa dan nukleobes.

Struktur

sunting

Struktur am

sunting
 
Struktur adenosina 5'-monofosfat (AMP)
 
Struktur guanosina 5'-monofosfat (GMP)
 
Struktur uridina 5'-monofosfat (UMP)
 
Struktur sitidina 5'-monofosfat (CMP)

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.[1]

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

sunting

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.[2]

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.[1]

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.[3] 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).[4]

Menghubungkan nukleotida berturutan

sunting

Fungsi

sunting

Pelopor deoksiribonukleotida

sunting

Para saintis percaya bahawa RNA telah dibangunkan sebelum DNA.[5]

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.[6] 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[7]

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.[8]

Diskriminasi ribonukleotida

sunting

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.[9] 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,[10][11] menunjukkan bahawa mekanisme pengecualian tidak sempurna.[12]

Sintesis

sunting

Sintesis ribonukleotida

sunting

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, CO2 dan NH3.[13][14]

 
Sintesis IMP. Skema warna adalah seperti berikut: enzim, koenzim, nama substrat, ion logam, molekul bukan organik

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.[13]

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.[13]

 
Laluan penghasilan de novo pirimidina

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.[13]

Sintesis prebiotik ribonukleotida

sunting

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.[15] Bahan permulaan sintesis (sianamida, sianoasetilena, glikoladehid, gliseraldehid dan fosfat tak organik) dianggap sebagai molekul bahan suapan prebiotik yang munasabah.[15] Nam et al.[16] 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.[17]

Sejarah

sunting
 
Phoebus Levene

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.[18] 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.[19] 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.[20] 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.[21]

Rujukan

sunting
  1. ^ a b c d Nelson, David (2008). Lehninger Principles of Biochemistry. W H Freeman and Co. m/s. 272–273.
  2. ^ Newsholme, Eric A.; Leech, Anthony R.; Board, Mary (2008). Functional biochemistry in health & disease: metabolic regulation in health and disease (ed. 2nd). Hoboken, N.J.: Wiley. ISBN 978-0-471-98820-5.
  3. ^ Das, Debajyoti (2010). Biochemistry. Bimal Kumar Dhur of Academic Publishers.
  4. ^ Cox, Michael M.; Nelson, David L. (2008). Principles of Biochemistry. W H Freeman & Co. ISBN 978-1-4292-2263-1.
  5. ^ Chauhan, Ashok K.; Varma, Ajit, penyunting (2009). A textbook of molecular biotechnology. New Delhi: I.K. International Pub. House. ISBN 978-93-80026-37-4.
  6. ^ Cendra Mdel, M; Juárez, A; Torrents, E (2012). "Biofilm modifies expression of ribonucleotide reductase genes in Escherichia coli". PLOS ONE. 7 (9): e46350. Bibcode:2012PLoSO...746350C. doi:10.1371/journal.pone.0046350. PMC 3458845. PMID 23050019.
  7. ^ Campbell, Mary K.; Farrell, Shawn O. (2009). Biochemistry (ed. 7th). Belmont, CA: Brooks/Cole Cengage Learning. ISBN 978-0-8400-6858-3.
  8. ^ Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; Stryer, Lubert (2007). Biochemistry (ed. 6th ed., 3rd print). New York: Freeman. ISBN 978-0-7167-8724-2.
  9. ^ Kevin N. Kirouac, Zucai Suo, Hong Ling, Kevin N.; Suo, Zucai; Ling, Hong (1 April 2011). "Structural Mechanism of Ribonucleotide Discrimination by a Y-Family DNA Polymerase". Journal of Molecular Biology. 407 (3): 382–390. doi:10.1016/j.jmb.2011.01.037. PMID 21295588.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  10. ^ Nick McElhinny, SA; Kumar, D; Clark, AB; Watt, DL; Watts, BE; Lundström, EB; Johansson, E; Chabes, A; Kunkel, TA (October 2010). "Genome instability due to ribonucleotide incorporation into DNA". Nature Chemical Biology. 6 (10): 774–81. doi:10.1038/nchembio.424. PMC 2942972. PMID 20729855.
  11. ^ Nick McElhinny, SA; Watts, BE; Kumar, D; Watt, DL; Lundström, EB; Burgers, PM; Johansson, E; Chabes, A; Kunkel, TA (16 March 2010). "Abundant ribonucleotide incorporation into DNA by yeast replicative polymerases". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (11): 4949–54. Bibcode:2010PNAS..107.4949N. doi:10.1073/pnas.0914857107. PMC 2841928. PMID 20194773.
  12. ^ Kasiviswanathan, R; Copeland, WC (Sep 9, 2011). "Ribonucleotide discrimination and reverse transcription by the human mitochondrial DNA polymerase". The Journal of Biological Chemistry. 286 (36): 31490–500. doi:10.1074/jbc.M111.252460. PMC 3173122. PMID 21778232.
  13. ^ a b c d Nelson, David (2008). Lehninger Principles of Biochemistry. W H Freeman and Co. m/s. 881–894.
  14. ^ Berg, JM (2002). Biochemistry. Purine Bases can be Synthesized by de Novo or Recycled by Salvage Pathways. New York: W H Freeman. m/s. Sec. 25.2.
  15. ^ a b 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
  16. ^ 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
  17. ^ 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.
  18. ^ WATSON, JD; CRICK, FH (Apr 25, 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. ^ 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.
  20. ^ JONES, ME (September 1953). "Albrecht Kossel, a biographical sketch". The Yale Journal of Biology and Medicine. 26 (1): 80–97. PMC 2599350. PMID 13103145.
  21. ^ Levene, Phoebus (1919). The structure of yeast nucleic acid. Journal of Biological Chemistry 40(2). m/s. 415–24.
Diambil daripada "https://ms.wikipedia.org/w/index.php?title=Ribonukleotida&oldid=6088112"
  NODES
INTERN 1