สารพันธุกรรมส่วนใหญ่เป็น DNA สายคู่ มีไวรัสบางชนิดเท่านั้นที่มีสารพันธุกรรมเป็น DNA สายเดี่ยวบ้าง เป็น RNA บ้าง ในที่นี้เราจะพูดถึงโครงสร้างของทั้ง DNA และ RNA ที่ทำหน้าที่เป็นยีน และจะพูดถึงเบสของ DNA (A, G, C, T) และของ RNA (A, G, C, U) และการจับคู่เบสอย่างจำเพาะ รวมทั้งสันหลัง (backbone) โดยประกอบด้วยน้ำตาลและฟอสเฟต ซึ่งฟอสเฟตนี้มีประจุเป็นลบที่ pH ปกติของร่างกาย
การเรียงตัวของเบสใน DNA และ RNA แต่ละสายนั้น นับจากข้าง 5' มาหา 3' และการวางตัวโดยทั่วไปจะวางตัวเป็นเกลียวอยู่แล้วตามธรรมชาติ หากมีการจับคู่เบสสันหลังในบริเวณคู่เบส มักมีการเวียนขวาเป็นส่วนใหญ่ แต่อาจเวียนซ้ายบ้างก็ได้
รูปร่างของ DNA 2 สายมีได้หลายแบบ ชนิดที่รู้จักกันดีคือ แบบ A, B และ Z ทั้งนี้ DNA อาจจะมีตั้งแต่ 1 สาย 2 สาย หรือมากกว่านั้นก็ได้
DNA โดยทั่วไปมีลักษณะโครงสร้างเป็นเกลียวคู่ ประกอบด้วยน้ำตาลดีออกซีไรโบส หมู่ฟอสเฟต และเบส จับกันด้วยพันธะโควาเลนท์ รวมเรียกว่านิวคลีโอไทด์ (nucleotide) (ภาพที่ 2.1) นิวคลีโอไทด์หลายโมเลกุลเรียงต่อกันด้วยพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ (phosphodiester bond) เกิดเป็นโพลีนิวคลีโอไทด์ (polynucleotide) โพลีนิวคลีโอไทด์แต่ละสายจะเรียงตัวจาก 5'-3' สวนทิศกัน โดยยึดตำแหน่งของน้ำตาลเป็นหลัก (ภาพที่ 2.2) มีน้ำตาลดีออกซีไรโบสและหมู่ฟอสเฟตเป็นโครงหลักของแต่ละสาย และมีเบส 4 ชนิด (ภาพที่ 2.3) เชื่อมระหว่างสาย เบสดังกล่าวได้แก่อะดีนีน (Adenine; A) กวานีน (Guanine; G) ไซโตซีน (Cytosine; C) และไทมีน (Thymine; T) การจับกันของคู่เบสระหว่างสาย DNA อาศัยพันธะไฮโดรเจน โดยมี A จับกับ T และ C กับกับ G เบสที่จับคู่กันเหล่านี้เรียกว่า เบสคู่สม (complementary base) (ภาพที่ 2.4)
ภาพที่ 2.1 โครงสร้างของนิวคลีโอไทด์ซึ่งประกอบด้วยน้ำตาลดีออกซีไรโบส หมู่ฟอสเฟตและเบส
คำถาม : |
ท่านคิดว่าพันธะไฮโดรเจนที่เชื่อมคู่เบสระหว่าง
DNA 2 สายเข้าด้วยกัน เพียงพอหรือไม่ที่จะทำให้ DNA เป็นเกลียวคู่อยู่ได้
หรือมีพันธะอื่นอีกที่เข้ามาเกี่ยวข้อง |
ภาพที่ 2.2 โครงสร้างของ DNA เกลียวคู่
ภาพที่ 2.3 เบส 4 ชนิดที่เป็นองค์ประกอบของนิวคลีโอไทด์
 |
 |
ภาพที่ 2.4 การจับกันของเบสระหว่างสาย DNA |
|
โครงสร้าง DNA แบบเกลียวคู่เวียนขวา (right-handed double helix DNA) ที่เสนอโดยวัตสันและคณะ ประกอบด้วยโพลีนิวคลีโอไทด์ 2 สายเวียนเกลียวไปทางขวาสวนทิศกัน ในแต่ละเกลียวมีเบสจับกัน 10 คู่ระนาบ แต่ละคู่ที่อยู่เป็นขั้นบันไดห่างกัน 0.34 นาโนเมตร และทำมุม 36 องศากับเบสคู่ถัดไป การพันเกลียวทำให้เกิดร่อง 2 ขนาด คือร่องขนาดใหญ่ (major groove) และร่องขนาดเล็ก (minor groove) เป็นตำแหน่งเกาะของชีวโมเลกุลหลายชนิด DNA ลักษณะนี้จัดเป็นแบบ B (ภาพที่ 2.5) โครงสร้างเกลียวคู่ของ DNA สามารถเกิดได้ถึง 6 แบบ คือแบบ A, B, C, D, E ซึ่งเป็นเกลียวเวียนขวาและ แบบ Z ซึ่งเป็นเกลียวเวียนซ้าย DNA ที่พบได้ในสิ่งมีชีวิตมี 3 แบบคือแบบ A-DNA, B-DNA และ Z-DNA (ภาพที่ 2.6) แต่ที่พบได้บ่อยคือแบบ B
| |
 |
 |
 |
ภาพที่ 2.6 DNA แบบ A ,B และ Z
โครงสร้างของ DNA นอกจากจะเป็นเกลียวคู่แล้ว อาจมีโครงสร้างเป็นเกลียวสาม หรือเกลียวสี่ได้อีกด้วย เนื่องจากการจับกันของคู่เบสในสาย DNA สามารถจับกันได้มากกว่า 2 เบส โดยสาย DNA 1 สาย จับกับ DNA เกลียวคู่ได้เป็น DNA 3 สาย (ภาพที่ 2.7) การจับกันแบบนี้สามารถยับยั้งการแสดงออกของยีนได้ (จะกล่าวถึงในบทที่ 3)
ภาพที่ 2.7 โครงสร้าง DNA 3 สาย (ซ้าย) การจับกันของเบส 3 ตัว ภายในสาย (กลาง, ขวา)
สำหรับ DNA 4 สาย จะพบในยูคารีโอตบริเวณส่วนปลายของแท่งโครโมโซมที่เรียกว่า 'เทโลเมียร์ (telomere)' เป็นตำแหน่งที่มีการซ่อมแซมเบสที่ขาดหายไปจากการสังเคราะห์ DNA สาย lagging โดยใช้เอนไซม์เทโลเมอเรส (telomerase enzyme) และใช้ RNA เป็นต้นแบบ ตรงเทโลเมียร์นี้จะพบเบสกัวนีน (G) เรียงซ้ำๆ กัน สาย DNA 4 สายจะรวมกันโดยมีการจับกันระหว่างเบสกัวนีน 4 ตัว ที่อยู่ในระนาบเดียวกัน (ภาพ 2.8)
ภาพที่ 2.8 โครงสร้าง DNA 4 สาย (ซ้าย) การจับกันของเบส 4 ตัว ภายในสาย (ขวา)
คำถาม : |
ทำไมจึงพบโครงสร้างของ
DNA ได้หลายรูปแบบ เช่น เกลียวคู่ เกลียวสาม เกลียวสี่ เกลียวเวียนขวา
เกลียวเวียนซ้าย และนอกเหนือจากที่ยกตัวอย่างมานี้ มี DNA ลักษณะใดอีกบ้าง |
ในปัจจุบันมีการใช้เทคโนโลยีระดับนาโนในการสังเคราะห์ DNA โดยนำ DNA หลายสายที่มีปลายเหนียว (sticky end) ซึ่งมีเบสที่เข้าคู่กันได้มาเชื่อมต่อกัน โดยการเชื่อมต่อกันนี้สามารถเกิดได้หลายแบบ หลายทิศทาง ขึ้นอยู่กับลำดับเบสของ DNA แต่ละสายที่มาต่อกัน ทำให้ได้ DNA ที่มีรูปทรงต่าง ๆ เช่น รูปตาข่าย 2 มิติ (2-D lattice) รูปลูกบาศก์ (a cube) รูปทรงเหลี่ยมแปดหน้า (a truncated octahedral) เป็นต้น
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
นอกจากนี้ ยังมีการนำ DNA ที่มีรูปร่างแตกต่างๆ เช่น B-DNA (เกลียวเวียนขวา), Z-DNA (เกลียวเวียนซ้าย), B-DNA 3-arm branched junction (เกลียวเวียนขวามี 3 แยก), Z-DNA 3-arm branched junction (เกลียวเวียนซ้ายมี 3 แยก) มาประกอบรวมกัน ทำให้ได้ DNA ที่มีรูปร่างแตกต่างกันหลายแบบ ดังรูปข้างล่างนี้
 |
 |
..ขอแนะนำกิจกรรมเสริมเพื่อใช้เสริมการเรียนรู้ เกี่ยวกับโครงสร้างสามมิติของ DNA เกลียวคู่อย่างมีมิติที่ถูกต้อง โดยการหัดสร้างแบบจำลองเกลียวคู่ด้วยตนเอง โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อ
- เพื่อให้ครู อาจารย์และนักเรียน นักศึกษา สามารถมีโครงสร้างของดีเอนเอเกลียวคู่แบบบีอย่างถูกต้องในมิติที่สำคัญ
ไว้ใช้ในการเรียนการสอนได้ในทุกโรงเรียน และสถาบัน เป็นการส่งเสริมการเรียนรู้ด้วยตนเอง
- เพื่อให้ผู้เรียนใช้ในฝึกสร้างแบบจำลองดีเอนเอเกลียวคู่ด้วยตนเอง
และเสริมสร้างความเข้าใจในเนื้อหาวิชาได้อย่างแท้จริง
..เป็นชุดแบบจำลอง DNA เกลียวคู่ ที่มีมิติถูกต้อง ทำง่าย ราคาถูก ประกอบด้วยองค์ประกอบต่าง ๆ ที่ทำจากแผ่นพลาสติกที่มีคู่เบส เพื่อสร้างแบบจำลอง DNA เกลียวคู่เวียนขวาอย่างถูกต้องในมิติที่สำคัญทั้งหมด พร้อมคู่มือการสร้างแบบจำลองที่แบ่งเป็นขั้นตอนอย่างชัดเจน ที่ผู้ประกอบสามารถติดตามได้โดยง่าย
. ผลที่ได้เมื่อประกอบเสร็จ จะเป็น DNA เกลียวคู่แบบบีทำด้วยแผ่นพลาสติกใส ซึ่งมีคู่เบสที่มีมิติต่างๆ ที่ถูกต้อง มีสันหลังเป็นเกลียวที่มีมิติถูกต้องถูกต้องทั้ง 2 สาย ซึ่งสวนทางกัน และมีร่องใหญ่และร่องเล็กของสันหลังในสัดส่วนที่ถูกต้องด้วย สิ่งที่สำคัญคือสามารถมองเห็นการเรียงตัวของเบส และการจับคู่เบสได้อย่างชัดเจนจากทั้ง 2 ปลาย และการบิดของคู่เบสซึ่งอยู่ติดกันตามเข็มนาฬิกาอย่างชัดเจน
...ทั้งนี้เพื่อใช้อธิบายการทำหน้าที่ต่างๆของ DNA รวมทั้งการจับกับโปรตีนควบคุมและเอนไซม์ต่างๆได้อย่างละเอียดได้ด้วย
ลักษณะพิเศษที่ต่างจากแบบจำลอง DNA ทั่วไป
- เห็นเบสที่ตั้งซ้อนกันทุกคู่ได้โดยง่ายและชัดเจน
- ทำให้เห็นอย่างง่ายว่า การวางแบบจำลองกลับทิศทางบนล่างไม่ทำให้ดีเอ็นเอเปลี่ยนรูปร่างไป ซึ่งแบบจำลองทั่วไปทำไม่ได้
สำหรับ RNA ก็มีโครงสร้างคล้าย DNA คือประกอบด้วยนิวคลีโอไทด ์ที่เรียงเชื่อมต่อกันด้วยพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ได้เป็นโพลีนิวคลีโอไทด์ แต่องค์ประกอบของนิวคลีโอไทด์แตกต่างกันที่น้ำตาล และ เบส โดยน้ำตาลใน RNA เป็นไรโบส ส่วนเบสใน RNA มียูราซิล (U) มาแทนไทมีน (T) (ภาพที่ 2.9) นอกจากนั้น RNA ส่วนใหญ่ยังเป็นโพลีนิวคลีโอไทด์สายเดี่ยว (ภาพที่ 2.10) ซึ่งต่างจาก DNA ซึ่งส่วนใหญ่เป็นเกลียวคู่
ภาพที่ 2.9 เบสที่พบใน RNA จะมีองค์ประกอบคล้ายของ DNA แต่ต่างกันตรงมียูราซิลมาแทนไทมีน
|
|
||
|
||
|
ภาพที่ 2.10 โครงสร้าง RNA ที่เป็นโพลีนิวคลีโอไทด์สายเดี่ยว
...RNA แบ่งเป็น 3 ประเภทคือ เมสเซ็นเจอร์อาร์เอนเอ (messenger RNA ; mRNA) ทรานสเฟอร์อาร์เอนเอ (transfer RNA ; tRNA) และ ไรโบโซมอลอาร์เอนเอ (ribosomal RNA ; rRNA) RNA ทั้ง 3 ประเภทนี้แม้ว่าโดยทั่วไปจะเป็นโพลีนิวคลีโอไทด์สายเดี่ยว แต่ก็มีบางส่วนของสายที่เบสซึ่งเป็นคู่สมกันวกเข้ามาจับกัน ทำให้เห็น RNA แต่ละประเภทมีรูปร่างต่างๆ ขึ้นอยู่กับการจับกันของเบสคู่สมในสาย RNA นั้น
....mRNA
(ภาพที่ 2.11) เป็น RNA หลักที่มีเบสเกี่ยวข้องกับการสร้างโปรตีนโดยทำงานร่วมกับ
tRNA และ rRNA
.... tRNA (ภาพที่ 2.12) เป็น RNA ที่ช่วยนำกรดอะมิโนไปสร้างสายโปรตีนซึ่งเกิดขึ้นบน mRNA และไรโบโซม
.... rRNA (ภาพที่ 2.13) เป็น RNA ที่อยู่ในไรโบโซม ช่วยในการยึดจับ tRNA และ mRNA
ภาพที่ 2.11 mRNA
ภาพที่ 2.12 tRNA
ภาพที่ 2.13 rRNA
ในปัจจุบันมีการศึกษาพบว่า นอกจากอาร์เอ็นเอทั้ง 3 ประเภทที่กล่าวมาแล้ว (mRNA tRNA และ rRNA) ยังมีอาร์เอ็นเอประเภทอื่นอีก คือ siRNA, shRNA และ miRNA
............siRNA (short interfering RNA) เป็น RNA เกลียวคู่สายสั้นๆ ที่มี 21-23 นิวคลีโอไทด์ และตรงบริเวณปลาย 3 ของแต่ละสายจะมีเบสยื่นออกมา 2 ตัว (3' overhang) (ภาพที่ 2.14 ซ้าย) RNA ชนิดนี้พบในยูคาริโอต โดยค้นพบครั้งแรกในหนอนตัวกลมใ Caenorhabditis elegans ใมีบทบาทในการยับยั้งการแสดงออกของยีน ซึ่งจะกล่าวต่อไปในบทที่ 3
............shRNA (short hairpin RNA) มีโครงสร้างเป็น stem-loop มี 25-29 นิวคลีโอไทด์ ตรงปลาย 3 จะมีเบสยูราซิล 2 ตัวยื่นออกมา (3 overhang) (ภาพที่ 2.14 ขวา) นิวคลีโอไทด์ที่อยู่ตรง loop นี้ จะถูกตัดออกภายหลัง ทำให้เหลือประมาณ 21 นิวคลีโอไทด์ ซึ่งมีโครงสร้างเหมือนกับ siRNA ดังนั้น มันจึงมีความสามารถในการยับยั้งการแสดงออกของยีนได้เช่นเดียวกับ siRNA
.............miRNA (micro RNA) เป็น RNA สายเดี่ยวเส้นสั้นๆ ที่มี 19 - 23 นิวคลีโอไทด์ มีบทบาทในการควบคุมการแสดงออกของยีนเช่นเดียวกับ siRNA และ shRNA
|
|
ภาพที่ 2.14 ตัวอย่างโครงสร้างของ siRNA (ซ้าย) และ shRNA (ขวา)
RNA บางชนิด สามารถทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ได้ เช่นไรโบไซม์ (ribozyme) และ ไรโบนิวคลีเอส พี (RNase P)
ไรโบไซม์ (ribozyme) เป็นอาร์เอนเอที่ทำหน้าที่ตัด intron ในสาย mRNA แล้วเชื่อม exon เข้าด้วยกัน พบในนิวเคลียส ไมโทคอนเดรีย และคลอโรพลาสต์ของสิ่งมีชีวิตจำพวกยูคาริโอต (eukaryote) ยกเว้นสัตว์มีกระดูกสันหลัง (vertebrate) และแบคทีเรียบางชนิด
ไรโบไซม์ถูกค้นพบครั้งแรกในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว จำพวกโปรโตซัวที่มีซิเลีย (ciliated protozoa) ที่มีชื่อว่า Tetrahymena thermophila โดยนักเคมีชาวอเมริกันชื่อ โทมัส เซ็ค (Thomas Cech)
ไรโบไซม์ที่เซ็คค้นพบนี้ เป็น primary transcription ของ rRNA ซึ่งจะมีการตัด intron ขนาด 419 นิวคลีโอไทด์ออกจากโมเลกุลของตัวมันเอง หรือที่เรียกว่า self-splicing group 1 intron ต่อจากนั้นมันจะเชื่อม exon ที่เหลือเข้าด้วยกัน ทำให้ได้ rRNA ที่ทำงานได้
ภาพที่ 2.15 โครงสร้างของไรโบไซม์ที่พบใน Tetrahymena thermophila
ในปัจจุบันมีการค้นพบไรโบไซม์ที่ทำให้เกิดปฏิกิริยา self-splicing ของ rRNA เช่นเดียวกันนี้หลายชนิด เช่น hammerhead ribozyme, hairpin ribozyme, hepatitis delta virus ribozyme และ Varkud satellite ribozyme
ใใ ..........ไรโบนิวคลีเอส พี (RNaseP, ribonuclease P) ทำหน้าที่ตัดอินตรอน (intron) ออกจากโมเลกุลของพรี-ทรานสเฟอร์อาร์เอ็นเอ (pre-tRNA)ให้เป็นทรานสเฟอร์อาร์เอ็นเอ (tRNA)ที่สามารถทำงานได้ RNA ชนิดนี้ถูกค้นพบในแบคทีเรีย โดยนักชีววิทยาระดับโมเลกุล ชาวแคนาดา ชื่อซิดนี่ ฮัลท์แมน (Sidney Altman)
ภาพที่ 2.16 แสดงภาพจำลองของไรโบนิวคลีเอส พี (RNaseP) เมื่อจับกับ pre-tRNA (สีเขียว)
คำถาม : |
ท่านคิดว่าสิ่งมีชีวิตที่เกิดขึ้นในโลกเป็นพวกแรก
มีสารพันธุกรรมเป็น DNA หรือ RNA เพราะเหตุใด |
ที่มา : www.whfreeman.com/lodish
