กรดนิวคลีอิก (Nucleic acid)

           เป็นสารชีวโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่คล้ายโปรตีน  ประกอบด้วยธาตุคาร์บอน  ไฮโดรเจน  ออกซิเจนไนโตรเจน และฟอสฟอรัส  กรดนิวคลีอิกพบทั้งในเซลล์พืชและสัตว์ร่างกายสามารถสร้างกรดนิวคลีอิกได้จากกรดอะมิโนและคาร์โบไฮเดรต  กรดนิวคลีอิกทำหน้าที่เก็บและถ่ายทอดข้อมูลทางพันธุ์กรรมของสิ่งมีชีวิตจากรุ่นหนึ่งไปยังรุ่นต่อไปให้แสดงลักษณะต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิต นอกจากนี้ ยังทำหน้าที่ควบคุมการเจริญเติบโตและกระบวนการต่างๆ ของสิ่งมีชีวิต

          กรดนิวคลีอิกพบครั้งแรกโดย Friedrich Miescher  ในปี ค.ศ. 1870  และตั้งชื่อว่า นิวคลีอิน (nuclein) ต่อมาเมื่อพบว่ามีสภาพเป็นกรด จึงได้ชื่อว่า กรดนิวคลีอิก 

          ในปี ค.ศ. 1947 Erwin Chargaff  นักชีวเคมีชาวอเมริกันและเพื่อนร่วมงาน ได้ศึกษาองค์ประกอบทางเคมีของ DNA  ที่ได้มาจากสิ่งมีชีวิตหลายชนิดและพบว่าความสัมพันธ์ของคู่เบส คือ  Adenine = Thymine  และ Cytosine = Guanine  แสดงว่า  Adenine จับคู่กับ Thymine  และ Cytosine จับคู่กับ Guanine 

          ในปี ค.ศ.1950-1953 M.H.F. Wilkins นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ และ Rosalind Franklin เพื่อนร่วมงาน ได้ศึกษาโครงสร้างของ DNA  โดยอาศัยการหักเหของรังสีเอ็กซ์ (X-ray diffraction) พบว่ามีการจัดเรียงตัวเหมือนกัน และอยู่ในสภาพที่เป็นเกลียว (helix) โดยที่แต่ละรอบของเกลียวมีระยะเท่าๆ กัน 

Maurice Wilkins                    Rosalind Franklin                          ภาพจากX-ray Diffraction

ที่มา : http://www.biotec.or.th/biotechnology-th/newsdetail.asp?id=2789

          ในปี ค.ศ. 1953 J.D. Watson  นักชีววิทยาชาวอเมริกัน และ F.H.C.Crick  นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้รวบรวมหลักฐานข้อมูลต่างๆ เกี่ยวกับ DNA จาก E.Chargaff  และ Wilkins แล้วสรุปเป็นโครงสร้างสามมิติ  ดูเพิ่มเติม : http://ecurriculum.mv.ac.th/...

James Dewey Watson และ F.H.Crick  และ Rosalind Franklin

นักวิทยาศาสตร์ที่สำคัญทั้ง 3 ท่านที่ไขความลับเกลียวคู่ของ DNA

ที่มา : http://www.biotec.or.th/biotechnology-th/newsdetail.asp?id=2789

          ในเดือน ธันวาคม 1962  9 ปีต่อมาทั้งJames Dewey Watson  F.H.Crick  และ M.H.F. Wilkins ต่างก็ได้รับรางวัลโนเบล สาขาการแพทย์

ที่มา : http://www.biotec.or.th/biotechnology-th/newsdetail.asp?id=2789

          กรดนิวคลีอิก  ประกอบด้วยหน่วยย่อที่เรียกว่า นิวคลีโอไทด์  (nucleotide)  มีส่วนประกอบ  3 ส่วน ดังนี้

          1. เบสไนโตรเจน

          2. น้ำตาลเพนโทส 

          3. หมู่ฟอสเฟต

    เบสในกรดนิวคลีอิก

          เบสไนโตรเจน (Nitrogenous base) เป็นเบสที่มีไนโตรเจนประกอบในโมเลกุล  มี 2 กลุ่ม คือ

              1. เบสพีวรีน (purine base) ประกอบด้วยคาร์บอน 5 อะตอมและไนโตรเจน 4 อะตอมจัดเรียงตัวเป็นวงแหวนหกเหลี่ยมและเชื่อมต่อกับวงแหวนห้าเหลี่ยมอิมิดาโซล (imidazole ring) ได้แก่   Adenine กับ Guanine

              2. เบสไพริมิดีน (pyrimidine) ประกอบด้วยคาร์บอนอะตอม 4 อะตอมและไนโตรเจนอีก 2 อะตอม จัดเรียงกันเป็นวงแหวนรูปหกเหลี่ยม ได้แก่ Thymine, Cytosine และ Uracil

          เบสทั้งสองชนิดสามารถดูดกลืนแสงได้ดีที่สุดที่ 260 nm เราจึงใช้สมบัติในการศึกษาการเลี่ยนแปลงโครงสร้างของกรดนิวคลีอิก

โครงสร้างของไนโตรเจนเบส

     น้ำตาลในกรดนิวคลีอิก

          น้ำตาลเพนโทส (pentose) เป็นน้ำตาลที่มี  จำนวนอะตอมของคาร์บอน 5 อะตอม  C = 5  มี 2 ชนิด คือ

          1. น้ำตาลไรโบส (Ribose sugar)  สูตร C₅H₁₀O₅  คาร์บอนตำแหน่งที่ 2 มีหมู่ -OH

          2. น้ำตาลดีออกซีไรโบส  (Deoxyribose sugar)  สูตร C₅H₁₀O₄  คาร์บอนตำแหน่งที่ 2 มีหมู่  H  แทน -OH ทำให้ O หายไป 1 อะตอม

ที่มา : http://www.mun.ca/biology/scarr/Deoxyribose_versus_Ribose.html

  กรดฟอสฟอริกในกรดนิวคลีอิก

 H₃PO₄ ---> H₂PO₄^- + H⁺

      ↓

                    HPO₄^2-  + H⁺

     ↓

                 PO₄^3-  + H⁺

สมการแสดงการแตกตัวของกรดฟอสฟอริก  

           กรดฟอสฟอริกเป็นกรดที่แตกตัวให้โปรตอนได้สามครั้ง โดยแตกตัวให้ dihydrogenphosphate, hydrogenphosphate และ phosphate ตามลำดับ การแตกตัวครั้งที่ 2 และ 3 เป็นการแตกตัวแบบกรดอ่อน คือ แตกตัวไม่สมบูรณ์ ดังนั้นการที่กรดฟอสฟอริกจะอยู่ในรูป dihydrogenphosphate, hydrogenphosphate หรือ phosphate นั้นขึ้นกับ pH ของสิ่งแวดล้อมที่กรดอยู่

   นิวคลีโอไทด์ (Nucleotide)

          ซึ่งเป็นหน่วยย่อยที่สุดของกรดนิวคลีอิก ประกอบด้วย น้ำตาล  เบสที่มีไนโตรเจน และหมู่ฟอสเฟต  เนื่องจากประกอบด้วยเบส 5 ชนิด ทำให้ได้นิวคลีโอไทด์ 5 ชนิด  ดังนี้

DNA                                                   RNA

โครงสร้างของนิวคลีโอไทด์

โครงสร้างของนิวคลีโอไทด์ 5 ชนิด

    นิวคลีโอไซด์  (Nucleosides)

          สารที่ประกอบขึ้นจากองค์ประกอบเพียงสองอย่าง คือเบสและน้ำตาลเพนโทสเท่านั้น สารทั้งสองเชื่อมต่อกันด้วยพันธะ ß -N- glycosidic โดยใช้คาร์บอนตำแหน่งที่ 1' ของน้ำตาลเชื่อมกับ ไนโตรเจนตำแหน่งที่ 9 ของพิวรีน หรือไนโตรเจนตำแหน่งที่ 1 ของไพริมิดีน

           ความสัมพันธ์ระหว่าง nucleotide กับ nucleoside อาจจำอย่างง่ายๆ เป็นสมการก็ได้คือ

pentose + purine(pyrimidine) = nucleoside

nucleoside + phosphate = nucleotide

โครงสร้างของนิวคลีโอไซด์

โครงสร้างของนิวคลีโอไซด์ที่มีหมู่ฟอสเฟตแตกต่างกัน

โครงสร้างของ Adenosidetriphosphate (ATP)

   พันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ (Phosphodiester Bond)

         การสร้างพันธะของนิวคลีโอไทด์  เกิดจากการสร้างพันธะของน้ำตาลเพนโทส ซึ่งเป็นตัวเชื่อมระหว่างกรดฟอสฟอริก ด้วยพันธะเอสเทอร์ที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 5 ของน้ำตาล ส่วนเบสไนโตรเจนนั้นจะมาเชื่อมต่อกับน้ำตาลเพนโทสที่คาร์บอนตำแหน่งที่  1 ด้วยพันธะ glycosidic ระหว่างโมเลกุลของนิวคลีโอไทด์จะมีการเชื่อมกันระหว่างหมูฟอสเฟตของโมเลกุลนิวคลีโอไทด์ที่ 1 กับ คาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ของอีกโมเลกุลหนึ่ง ทำให้ได้ ปลาย 5' (5' end) และ 3' (3' end)

โครงสร้างสายพอลินิวคลีโอไทด์

   ชนิดของกรดนิวคลีอิก

กรดนิวคลีอิกแบ่งออกเป็น 2 ชนิดใหญ่ๆ คือ

          1. DNA (deoxyribonucleic acid) เป็นสารพันธุกรรมเป็นพอลิเมอร์ของดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ (deoxyribonucleotide) ซึ่งต่อเชื่อมกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ แต่ละนิวคลีโอไทด์ (nucleotide) ประกอบด้วย น้ำตาลดีออกซีไรโบส (2-deoxyribose) หมู่ฟอสเฟตและเบสไนโตรเจน(nitrogenous base) DNA พบในนิวเคลียสและไมโทคอนเดรียของเซลล์

การสร้างพันธะของพอลินิวคลีโอไทด์ใน DNA

  โครงสร้างสามมิติของ DNA

          1. DNA  ประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย และมีทิศทางตรงกันข้าม (antiparaellel)

          2.  พิลินิวคลีโอไทด์บิดเป็นเกลียวคู่ (double helix) คล้ายบันไดเวียน โดยมีระยะห่างระหว่างสาย เท่ากับ 2 nm

          3.  สายของพอลินิวคลีโอไทด์มีน้ำตาลดีออกซีไรโบสและหมู่ฟอสเฟตเป็นโครงสร้างหลัก (backbone) และมีเบสอยู่ด้านใน

          4.  เบสจะตั้งฉากกับโครงสร้างหลักและเรียงตัวในพื้นราบเดียวกัน และจับคู่กับเบสของอีกสายหนึ่งด้วยพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond)  โดสย A=T  และ  C≡G

          5.  การสร้างพันธะในสายพอลินิวคลีโอไทด์สายเดียวกัน โดย หมู่ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์โมเลกุลที่ 1 สร้างพันธะฟอสโฟเอสเทอร์กับคาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ของนิวคลีโอไทด์โมเลกุลที่ 2 และ หมู่ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์โมเลกุลที่ 2 สร้างพันธะฟอสโฟเอสเทอร์กับคาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ของนิวคลีโอไทด์โมเลกุลที่ 3 ต่อไปเรื่อยๆ ทำให้ปลายด้านที่เป็นหมูฟอสเฟตจับกับคาร์บอนตำแหน่งที่ 5 เป็น ปลาย 5' (5' end)  และปลายด้านที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ว่า ปลาย 3' (3' end)

          6.  ระยะห่างของตำแหน่งเบสในแต่ละนิวคลีโอไทด์ เท่ากับ 0.34 nm  เกลียว 1 รอบ ประกอบด้วยคู่เบส 10 คู่ ระยะห่างเท่ากับ 3.4 nm

          7.  การที่พอลีนิวคลีโอไทด์ 2 สายมาพันเป็นเกลียวทำให้เกิดร่อง  2 ร่อง คือ major groove และ miner groove

พันธะไฮโดรเจนในพอลินิวคลีโอไทด์ของ DNA

          2. RNA (ribonucleic acid) เป็นพอลิเมอร์ของไรโบนิวคลีโอไทด์ (ribonucleotide) แต่ละนิวคลีโอไทด์  ประกอบด้วย น้ำตาลไรโบส (ribose) หมู่ฟอสเฟตและเบสไนโตรเจน RNA ทำหน้าที่ถ่ายทอดข้อมูลทางพันธุกรรมจาก DNA นำไปสร้างเป็นโปรตีนและเอนไซม์ RNA ส่วนใหญ่พบในไซโทพลาซึมของเซลล์

โครงสร้าง RNA

(ที่มา : http://www.ktf-split.hr/)

  มี 3 ชนิด คือ

               2.1  messenger RNA : m-RNA เป็น RNA ที่มีขนาดปานกลาง ตามปกติ RNA มีจำนวนนิวคลีโอไทด์ประมาณ 73-3,000 หน่วย แต่มีปริมาณน้อยที่สุดคือมีไม่ถึง 5% ของ RNA ทั้งหมดในเซลล์ m-RNA เป็นตัวกลางนำข้อความทางพันธุกรรมจาก DNA ในนิวเคลียสไปยังไรโบโซมในไซโตพลาสซึมเพื่อใช้ในการสังเคราะห์โปรตีน การเรียงลำดับของนิวคลีโอไทด์จะมีเบสที่คู่สมกับ DNA    m-RNA แต่ละชนิดจะมีความยาวไม่เท่ากัน ในยูคาริโอต m-RNA ถูกสังเคราะห์ขึ้นในนิวเคลียส โดยเอนไซม์ อาร์เอนเอโพลีเมอเรส แล้วจึงถูกขนส่งออกไปสู่ไซโตพลาซึม

การทำงานของ mRNA

               2.2 transfer RNA : t-RNA มีหน้าที่ขนย้ายกรดอะมิโนต่างๆ ไปยังไรโบโซมในขณะที่มีการสังเคราะห์โปรตีน โดยจะมี tRNA อย่างน้อยหนึ่งตัวต่อกรดอะมิโนแต่ละชนิด tRNA เป็นโพลีนิวคลีโอไทด์สายเดี่ยว ประกอบด้วยไรโบนิวคลีโอไทด์ประมาณ 73-93 ตัว และมีเบสที่ไม่ค่อยพบ (unusual base) ประมาณ 7-15 ตัวต่อโมเลกุล เบสพวกนี้เป็นอนุพันธ์ของ A U C และ G ที่ถูกเติมหมู่เมธิล 1หรือ 2 หมู่ โครงสร้างระดับที่หนึ่งของ tRNA ทุกชนิดจะมีลำดับของนิวคลีโอไทด์แตกต่างกันแต่โครงสร้างระดับที่สองจะเหมือนกัน คือเป็นรูปคล้ายดอกจิก โดยที่ปลาย 5’ ของ tRNA จะมีหมู่ฟอสเฟต เบสตัวสุดท้ายทางปลายนี้มักจะเป็น G ส่วนเบสทางปลาย 3’ ของ tRNA จะเป็น CCA เสมอ ซึ่งหมู่ 3’ –OH ของอะดีนีนนิวคลีโอไทด์ที่อยู่ปลายของโมเลกุลสามารถจับกับกรดอะมิโนเกิดเป็นอะมิโนเอซิล tRNA โครงสร้างทั่วไปของ tRNA มีแขน 5 แขน คือ

     -แขนที่ 1 เป็นแขนรับ (acceptor arm) หรือแขนกรดอะมิโน (amino acid arm) ประกอบด้วยปลาย 5’ และปลาย CCA 3’ –OH                         ทำหน้าที่รับกรดอะมิโนไว้เพื่อขนย้ายต่อไป
     - แขนที่ 2 เป็นแขนแอนติโคดอน (antidon arm) มีเบส 3 ตัว เป็นแอนติโคดอนที่จะจับคู่กับเบสของ mRNA
     - แขนที่ 3 เป็นแขนดี (D arm) หรือแขนไดไฮโดรยูริดีน (dihydrouridine arm ; DHU arm) มีเบสที่ถูกดัดแปลงคือ ไดไฮโดรยูริดีนอยู่
     - แขนที่ 4 เป็นแขนทียูซี (TUC arm) ซึ่งจะพบเบส T, pseudouridine และ C อยู่ที่แขนนี้เสมอ
     - แขนที่ 5 เป็นแขนพิเศษ (extra arm) เป็นแขนที่มีขนาดแตกต่างกันไปแล้วแต่ละชนิดของ tRNA

จากการศึกษาผลึกของ tRNA ด้วยรังสีเอ็กซ์ พบว่ารูปร่างที่แท้จริงของ tRNA จะมีโครงสร้างคล้ายรูปตัวแอล

การศึกษา การเรียนการสอน

คำสำคัญ: atp  dna  rna  nucleic acid  nucleotide  นิวคลีโอไทด์

สัญญาอนุญาต: สงวนสิทธิ์ทุกประการ