Ikatan fosfodiester terjadi ketika tepatnya dua gugus hidroksil dalam asam fosfat bereaksi dengan gugus hidroksil pada molekul lain untuk membentuk dua ikatan ester.
Ikatan fosfodiester adalah pusat dari semua kehidupan di Bumi karena mereka membentuk tulang punggung untaian asam nukleat. Dalam DNA dan RNA, ikatan fosfodiester adalah hubungan antara atom karbon pada posisi 3' dari satu molekul gula dan atom karbon pada posisi 5' dari atom lain, deoksiribosa dalam DNA dan ribosa dalam RNA.Ikatan kovalen yang kuat terbentuk antara gugus fosfat dan dua cincin karbohidrat berkarbon 5 (pentosa) di atas dua ikatan ester.
Gugus fosfat dalam ikatan fosfodiester bermuatan negatif. Karena gugus fosfat memiliki pKa mendekati 0, mereka bermuatan negatif pada pH 7. Gaya tolakan ini memaksa fosfat untuk mengambil sisi berlawanan dari untaian DNA dan dinetralkan oleh protein (histon), ion logam seperti magnesium, and poliamina.
Agar ikatan fosfodiester terbentuk dan nukleotida bergabung, bentuk tri-fosfat atau di-fosfat dari blok-blok pembangun nukleotida terpecah untuk menghasilkan energi yang dibutuhkan untuk menggerakkan reaksi yang dikatalisis oleh enzim. Ketika satu fosfat atau dua fosfat yang dikenal sebagai pirofosfat terlepas dan mengkatalisasi reaksi, ikatan fosfodiester terbentuk.
Hidrolisis ikatan fosfodiester dapat dikatalisasi oleh aksi fosfodiesterase yang berperan penting dalam memperbaiki sekuens DNA.
Hubungan fosfodiester antara dua ribonukleotida dapat dipatahkan oleh hidrolisis basa, sedangkan hubungan antara dua deoksiribonukleotida lebih stabil dalam kondisi ini. Kemudahan relatif hidrolisis RNA adalah efek dari keberadaan gugus hidroksil pada posisi 2'.
Gangguan molekul DNA dan RNA
Beberapa agen dapat memutus ikatan fosfodiester. Di antara yang lebih umum adalah peroksida dan berbagai ion logam (mis., Fe2+, Cu2+). Radiasi pengion juga secara efisien menghasilkan putusnya untai tersebut. DNase yang terdapat dalam sel mungkin juga terkadang dapat memutuskan ikatan fosfodiester. Kerusakan untai ganda, yaitu, dua untaian dari untai tunggal yang berlawanan satu sama lain, dapat disebabkan dari paparan semua bentuk radiasi pengion. Pemutusan untai tunggal dapat diperbaiki dengan DNA ligase, meskipun kadang-kadang dibutuhkan enzim tambahan.
Spesi oksigen reaktif (ROS) mampu membelah ikatan fosfodiester yang menahan basa dalam RNA dan DNA bersama-sama dan memecah struktur rantai RNA dan DNA. ROS mengoksidasi basa purin dan pirimidin serta mencegah pemasangan basa yang tepat. Posisi karbon 8 dari purin adalah situs yang sangat sensitif untuk oksidasi oleh ROS; pembentukan 8-hidroksiguanin atau 8-hidroksiadenin, 8-hidroksi-deoksiguanin atau 8-hidroksi-deoksiadenin adalah masing-masing merupakan pijakan bagi serangan ROS pada RNA atau DNA. ROS dapat menyebabkan deaminasi, yaitu, menghilangkan gugus amino dari adenin atau guanin untuk membentuk hipoksantin atau xantin, masing-masing, atau menghilangkan gugus amino dari sitosin untuk membentuk urasil. Reaksi ini mengubah pasangan basa yang benar dalam DNA. Reaksi-reaksi tersebut merupakan penyebab utama terjadinya mutasi.
Aktivitas enzim
Fosfodiesterase adalah enzim yang mengkatalisis hidrolisis ikatan fosfodiester, misalnya ikatan dalam molekul AMP siklik atau GMP siklik.
Enzim yang memainkan peran penting dalam perbaikan kerusakan DNA oksidatif adalah 3'-fosfodiesterase.
Selama replikasi DNA, terdapat lubang di antara fosfat pada tulang belakang yang ditinggalkan oleh DNA polimerase I. DNA ligase dapat membentuk ikatan fosfodiester antara nukleotida.
