5. โครงสร้างของ DNA
ความรู้เดิม
ผลการทดลองของชาร์กาฟฟ์ ที่แสดงให้เห็นว่า อัตราส่วนระหว่างเบส A T C และ G คงที่เสมอ
คำถามก่อนเรียน
“เป็นไปได้หรือไม่ว่าเบส A จับคู่กับเบส T และแบส C จับคู่กับเบส G ถ้าเป็นดังที่กล่าวแล้ว โครงสร้างของ DNA น่าจะเป็นอย่างไร”
เอกสารความรู้ เรื่อง โครงสร้างของ DNA
จากการวิเคราะห์อัตราส่วนระหว่างเบสของโมเลกุลของ DNA มาแล้ว นักเรียนทราบหรือไม่ว่าโมเลกุลของ DNA จะมีโครงสร้างเป็นอย่างไร
ปี พ.ศ. 2493-2494 เอ็ม เอช เอฟ วิลคินส์ (M. H.F. Wilkins) และ โรซาลินด์ แฟรงคลิน (Rosalind Franklin) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้ศึกษาโครงสร้างของDNA ในสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ โดยใช้เทคนิคเอกซ์เรย์ดิฟแฟรกชัน (X-ray diffraction) โดยการฉายรังสีเอกซ์ผ่านผลึก DNA การหักเหของรังสีเอกซ์ทำให้เกิดภาพบนแผ่นฟิล์ม ได้ภาพถ่ายที่ชัดเจนมาก ดังภาพที่ 2 จากภาพถ่ายนี้นักฟิสิกส์แปลผลได้ว่าโครงสร้างของ DNA จากสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ มีลักษณะที่คล้ายกันมาก คือประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์มากกว่า 1 สาย มีลักษณะเป็นเกลียว เกลียวแต่ละรอบมีระยะห่างเท่าๆกัน จากผลการศึกษาทำให้เข้าใจโครงสร้างทางกายภาพของ DNA
ปี พ.ศ. 2493-2494 เอ็ม เอช เอฟ วิลคินส์ (M. H.F. Wilkins) และ โรซาลินด์ แฟรงคลิน (Rosalind Franklin) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้ศึกษาโครงสร้างของDNA ในสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ โดยใช้เทคนิคเอกซ์เรย์ดิฟแฟรกชัน (X-ray diffraction) โดยการฉายรังสีเอกซ์ผ่านผลึก DNA การหักเหของรังสีเอกซ์ทำให้เกิดภาพบนแผ่นฟิล์ม ได้ภาพถ่ายที่ชัดเจนมาก ดังภาพที่ 2 จากภาพถ่ายนี้นักฟิสิกส์แปลผลได้ว่าโครงสร้างของ DNA จากสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ มีลักษณะที่คล้ายกันมาก คือประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์มากกว่า 1 สาย มีลักษณะเป็นเกลียว เกลียวแต่ละรอบมีระยะห่างเท่าๆกัน จากผลการศึกษาทำให้เข้าใจโครงสร้างทางกายภาพของ DNA
ภาพที่ 1 โรซาลินด์ แฟรงคลิน
ภาพที่ 2 ภาพที่เกิดจากการหักเหของรังสีเอกซ์ผ่านผลึก DNA
ปี พ.ศ. 2496 เจ ดี วอตสัน (J.D. Watson) นักชีวเคมีชาวอเมริกัน และ เอฟ คริก (F. Crick) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ได้เสนอแบบจำลองโครงสร้างโมเลกุลของ DNA ที่สมบูรณ์ที่สุด โดยรวบรวมข้อมูลต่างๆ จากโครงสร้างทางเคมีของส่วนประกอบของโมเลกุล DNA จากผลการทดลองของชาร์กาฟฟ์ที่แสดงให้เห็นว่าDNA มีเบส A เท่ากับ T และเบส C เท่ากับ G และภาพจากเทคนิคเอกซ์เรย์ดิฟแฟรกชันของผลึก DNA โดยนักฟิสิกส์ นำความรู้ที่ได้มารวมกันเป็นแนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างของ DNA
จากข้อมูลของชาร์กาฟฟ์ทำให้วอตสันและคลิกพยายามหาพันธะเคมีที่จะเชื่อมพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายให้ติดกัน ต่อมาได้พบว่าพันธะดังกล่าวคือพันธะไฮโดรเจน ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างคู่เบส แม้ว่าจะไม่แข็งแรง แต่เมื่อมีจำนวนมากก็จะมีความแข็งแรงพอที่จะยึดสายพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายให้เข้าคู่กันได้ และจากการศึกษาโครงสร้างของเบสทั้ง 4 ชนิด พบว่าระหว่างเบส A กับ T สามารถเกิดพันธะไฮโดรเจนได้ 2 พันธะ และระหว่างเบส C และ Gเกิดได้ 3 พันธะ
จากข้อมูลของชาร์กาฟฟ์ทำให้วอตสันและคลิกพยายามหาพันธะเคมีที่จะเชื่อมพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายให้ติดกัน ต่อมาได้พบว่าพันธะดังกล่าวคือพันธะไฮโดรเจน ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างคู่เบส แม้ว่าจะไม่แข็งแรง แต่เมื่อมีจำนวนมากก็จะมีความแข็งแรงพอที่จะยึดสายพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายให้เข้าคู่กันได้ และจากการศึกษาโครงสร้างของเบสทั้ง 4 ชนิด พบว่าระหว่างเบส A กับ T สามารถเกิดพันธะไฮโดรเจนได้ 2 พันธะ และระหว่างเบส C และ Gเกิดได้ 3 พันธะ
ภาพที่ 3 เจ ดี วอตสัน (J.D. Watson) นักชีวเคมีชาวอเมริกัน และ เอฟ คริก
ภาพที่ 4 พันธะไฮโดรเจนระหว่างเบสที่เข้าคู่กัน
หลังจากนั้นวอตสันและคริกจึงสร้างแบบจำลอง DNA ตามแนวคิด โดยให้พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายเรียงสลับทิศกันปลาย 3´ ของสายหนึ่งเข้าคู่กับปลาย 5´ ของอีกสายหนึ่ง เบส A ของสายหนึ่งตรงกับเบส Tของอีกสายหนึ่ง และเบส C ของสายหนึ่งตรงกับเบส G ของอีกสายหนึ่งเสมอ จากนั้นจึงเสนอโครงสร้างโมเลกุลของ DNA ว่าประกอบด้วยพอลินิวคลีไทด์ 2 สาย เบสในแต่ละสายของ DNA ที่เป็นเบสคู่สม (complementary base pair) ยึดกันด้วยพันธะไฮโดรเจนโดยมีเบส A จับคู่กับเบส Tและเบส C จับคู่กับเบสG โดยมีทิศทางจากปลาย 5´ ไปยังปลาย 3´ แต่สวนทางกันและพันกันเป็นเกลียวคู่ (double helix) เวียนขวาตามเข็มนาฬิกา เกลียวแต่ละรอบห่างเท่าๆกันและมีคู่เบสจำนวนเท่ากันโครงสร้างเกลียวคู่ทำให้โครงสร้างของ DNA มีลักษณะคล้ายบันไดเวียน โดยมีน้ำตาลดีออกซีไรโบสจับกับหมู่ฟอสเฟตเป็นราวบันได(backbones) และบันไดแต่ละขั้นคือ คู่เบส 1 คู่ ดังภาพที่ 5
ภาพที่5 โครงสร้างของ DNA
จากภาพโครงสร้างของ DNA พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย อยู่ห่างกัน 20 อังสตรอม(Å) เกลียวแต่ละรอบยาว 34 อังสตรอม แต่ละนิวคลีไทด์มีระยะห่างกัน 3.4 อังสตรอม
VCD - DNA
นักเรียนได้ศึกษามาแล้วว่าโครงสร้างของ DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์จำนวนมาก แม้ว่า DNAจะมีนิวคลีโอไทด์เพียง 4 ชนิด แต่โมเลกุลของ DNA มีความแตกต่างกันได้หลายชนิด แต่ละโมเลกุลอาจประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์หลายพันคู่จนถึงแสนคู่ ตัวอย่างเช่นถ้า DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ 2 โมเลกุลเรียงกัน จะสามารถจัดเรียงให้แตกต่างกันได้ 16 แบบ (42) ดังนั้นถ้าโมเลกุล DNA ประกอบด้วยนิวคลีไทด์จำนวนมาก การเรียงลำดับของเบสก็จะแตกต่างกันมากด้วยเช่นเดียวกัน
ลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งๆ มีหลายลักษณะ และลำดับเบสของ DNA ซึ่งเกิดจากเบสชนิดต่างๆ กันนั้นมีหลายรูปแบบก็น่าจะมากพอที่จะทำหน้าที่ควบคุมหรือกำหนดลักษณะพันธุกรรมต่างๆได้ สิ่งที่น่าสนใจก็คือ DNA กำหนดและควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตได้อย่างไร
แนวการวิเคราะห์ปัญหา
จากประเด็นคำถาม “เป็นไปได้หรือไม่ว่าเบส A จับคู่กับเบส T และแบส C จับคู่กับเบส G ถ้าเป็นดังที่กล่าวแล้วโครงสร้างของ DNA น่าจะเป็นอย่างไร” ที่กำหนดและผลจากการสืบค้นข้อมูลนักเรียนสามารถสรุปได้ว่า วิลคินส์และแฟลงคลินศึกษาโครงสร้างของ DNA จากการฉายรังสีเอกซ์ผ่านผลึกDNA จะเกิดการหักเหของรังสีเอกซ์ทำให้เกิดภาพบนแผ่นฟิล์ม วินคินส์และแฟลงคลิน ใช้ประจักษ์พยานมาแปลข้อมูลทำให้ทราบว่า
1. สิ่งมีชีวิตชนิดต่าง ๆ มีโครงสร้างของ DNA คล้ายกันมาก
2. DNA ประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์มากกว่า 1 สาย
3. พอลินิวคลีโอไทด์มีลักษณะเป็นเกลียว
4. เกลียวของพอลินิวคลีโอไทด์แต่ละรอบมีระยะห่างเท่ากัน
1. สิ่งมีชีวิตชนิดต่าง ๆ มีโครงสร้างของ DNA คล้ายกันมาก
2. DNA ประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์มากกว่า 1 สาย
3. พอลินิวคลีโอไทด์มีลักษณะเป็นเกลียว
4. เกลียวของพอลินิวคลีโอไทด์แต่ละรอบมีระยะห่างเท่ากัน
วอตสันและคริกได้สร้างแบบจำลองโมเลกุลของ DNA โดยนำข้อมูลจากการค้นพบของนิวคลีโอไทด์และแฟลงคลิน และการสืบค้นที่เกี่ยวกับโครงสร้างของ DNA นำมาสร้างแบบจำลองของ DNAดังนี้
1. สร้างพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย โดยปลาย 3' ของพอลินิวคลีโอไทด์สายหนึ่งจับกับปลาย 5' ของสายพอลินิวคลีโอไทด์อีกสายหนึ่ง แต่ละสายมีทิศทางจากปลาย 5' ไปยังปลาย 3' เรียงสลับทิศทางกัน
2. ให้เบส A จับกับเบส T และเบส C จับกับบเส G
3. เบส A ยึดกับเบส T ด้วยพันธะไฮโดรเจน 2 พันธะ เบส C ยึดกับเบส G ด้วยพันะไฮโดรเจน 3 พันธะ
4. พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย พันกันบิดเป็นเกลียวคู่ คล้ายบันไดเวียน โดยมีน้ำตาลดีออกซีไรโบสจับหมู่ฟอสเฟตคล้ายเป็นราวบันได
5. เกลียวแต่ละรอบห่างเท่ากัน 34 A° และคู่เบสแต่ละคู่ห่างกัน 3.4 A° และพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายห่างกัน 20 A°
1. สร้างพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย โดยปลาย 3' ของพอลินิวคลีโอไทด์สายหนึ่งจับกับปลาย 5' ของสายพอลินิวคลีโอไทด์อีกสายหนึ่ง แต่ละสายมีทิศทางจากปลาย 5' ไปยังปลาย 3' เรียงสลับทิศทางกัน
2. ให้เบส A จับกับเบส T และเบส C จับกับบเส G
3. เบส A ยึดกับเบส T ด้วยพันธะไฮโดรเจน 2 พันธะ เบส C ยึดกับเบส G ด้วยพันะไฮโดรเจน 3 พันธะ
4. พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย พันกันบิดเป็นเกลียวคู่ คล้ายบันไดเวียน โดยมีน้ำตาลดีออกซีไรโบสจับหมู่ฟอสเฟตคล้ายเป็นราวบันได
5. เกลียวแต่ละรอบห่างเท่ากัน 34 A° และคู่เบสแต่ละคู่ห่างกัน 3.4 A° และพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายห่างกัน 20 A°
บูรณาการภาษาอังกฤษ
This is what they already knew from the work of many scientists, about the DNA molecule:
1. DNA is made up of subunits which scientists called nucleotides.
2. Each nucleotide is made up of a sugar, a phosphate and a base.
3. There are 4 different bases in a DNA molecule:
adenine (a purine)
cytosine (a pyrimidine)
guanine (a purine)
thymine (a pyrimidine)
The number of purine bases equals the number of pyrimidine basesThe number of adenine bases equals the number of thymine bases
The number of guanine bases equals the number of cytosine bases
The basic structure of the DNA molecule is helical, with the bases being stacked on top of each other
Working with nucleotide models made of wire, Watson and Crick attempted to put together the puzzle of DNA structure in such a way that their model would account for the variety of facts that they knew described the molecule. Once satisfied with their model, they published their hypothesis, entitled "Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid" in the British journal Nature (April 25, 1953. volume 171:737-738.) It is interesting to note that this paper has been cited over 800 times since its first appearance!
Here are their words:
"...This (DNA) structure has two helical chains each coiled round the same axis...Both chains follow right handed helices...the two chains run in opposite directions. ..The bases are on the inside of the helix and the phosphates on the outside..."
"The novel feature of the structure is the manner in which the two chains are held together by the purine and pyrimidine bases... The (bases) are joined together in pairs, a single base from one chain being hydrogen-bonded to a single base from the other chain, so that the two lie side by side...One of the pair must be a purine and the other a pyrimidine for bonding to occur. ...Only specific pairs of bases can bond together. These pairs are: adenine (purine) with thymine (pyrimidine), and guanine (purine) with cytosine (pyrimidine)."
"...in other words, if an adenine forms one member of a pair, on either chain, then on these assumptions the other member must be thymine; similarly for guanine and cytosine. The sequence of bases on a single chain does not appear to be restricted in any way. However, if only specific pairs of bases can be formed, it follows that if the sequence of bases on one chain is given, then the sequence on the other chain is automatically determined."
and
"...It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material."
And with these words, the way was made clear for tremendous strides in our understanding of the structure of DNA and, as a result our ability to work with and manipulate the information-rich DNA molecule.
Source: Pamela Peters, Ph.D., Access Excellence, Genentech, Inc.
ความรู้เพิ่มเติม
จากความรู้ที่สรุปมาตอนต้นให้นักเรียนพิจารณาปัญหา และช่วยกันอภิปรายปัญหาต่อไปนี้
1. แต่ละโมเลกุลของ DNA มีจำนวนนิวคลีโอไทด์เท่ากันหรือไม่
2. การจัดเรียงตัวของเบสในแต่ละพอลินิวคลีโอไทด์ใน DNA จะเหมือนกันหรือไม่อย่างไร
ข้อสรุปจากประเด็นคำถามดังกล่าวสรุปได้ว่า
"แต่ละโมเลกุลของ DNA มีจำนวนนิวคลีโอไทด์ไม่เท่ากัน บางชนิดมีประมาณพันคู่ บางชนิดมีประมาณแสนคู่ ดังนั้นถ้า DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์มากเช่นนี้ การเรียงตัวของเบสน่าจะแตกต่างกันมากด้วย"
ความรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับโครงสร้างของ DNA ในธรรมชาติ ว่า “โครงสร้างของ DNA ที่พบในธรรมชาติ ส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปเกลียวคู่ มีลักษณะเป็นเส้นยาว 2 ปลาย หรือมีลักษณะเป็นวง เป็นเส้นDNA ที่มีโครงสร้างเป็นเส้นยาวเกลียวคู่ มีรูปแบบต่าง ๆ สำหรับโครงของ DNA แบบ B (B-form) เป็นเกลียวเวียนขวา และมีส่วนที่คล้ายราวบันไดที่มีขอบเสมอกัน (ดังภาพจากบทเรียนอิเล็กทรอกนิกส์) พบในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตทั่ว ๆ ไป มีลักษณะคล้ายแบบจำลอง DNA ที่วอตสันและคลิกเสนอไว้ ส่วนโครงสร้าง DNA แบบ Z (Z-form) จะเป็นเกลียวบิดซ้าย และมีส่วนที่คล้ายราวบันไดที่มีขอบไม่สม่ำเสมอกัน พบในพอลินิวคลีโอไทด์ที่สังเคราะห์ในหลอดทดลองแต่ไม่พบในเซลล์ นอกจากนี้ยังพบว่ามี DNA สายเดี่ยวในไวรัสพวกแบคเทอริโอฟาจ (bacteriophage) ซึ่งเป็นไวรัสที่มีความจำเพาะในการเข้าไปทำลายแบคทีเรียได้
1. แต่ละโมเลกุลของ DNA มีจำนวนนิวคลีโอไทด์เท่ากันหรือไม่
2. การจัดเรียงตัวของเบสในแต่ละพอลินิวคลีโอไทด์ใน DNA จะเหมือนกันหรือไม่อย่างไร
ข้อสรุปจากประเด็นคำถามดังกล่าวสรุปได้ว่า
"แต่ละโมเลกุลของ DNA มีจำนวนนิวคลีโอไทด์ไม่เท่ากัน บางชนิดมีประมาณพันคู่ บางชนิดมีประมาณแสนคู่ ดังนั้นถ้า DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์มากเช่นนี้ การเรียงตัวของเบสน่าจะแตกต่างกันมากด้วย"
ความรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับโครงสร้างของ DNA ในธรรมชาติ ว่า “โครงสร้างของ DNA ที่พบในธรรมชาติ ส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปเกลียวคู่ มีลักษณะเป็นเส้นยาว 2 ปลาย หรือมีลักษณะเป็นวง เป็นเส้นDNA ที่มีโครงสร้างเป็นเส้นยาวเกลียวคู่ มีรูปแบบต่าง ๆ สำหรับโครงของ DNA แบบ B (B-form) เป็นเกลียวเวียนขวา และมีส่วนที่คล้ายราวบันไดที่มีขอบเสมอกัน (ดังภาพจากบทเรียนอิเล็กทรอกนิกส์) พบในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตทั่ว ๆ ไป มีลักษณะคล้ายแบบจำลอง DNA ที่วอตสันและคลิกเสนอไว้ ส่วนโครงสร้าง DNA แบบ Z (Z-form) จะเป็นเกลียวบิดซ้าย และมีส่วนที่คล้ายราวบันไดที่มีขอบไม่สม่ำเสมอกัน พบในพอลินิวคลีโอไทด์ที่สังเคราะห์ในหลอดทดลองแต่ไม่พบในเซลล์ นอกจากนี้ยังพบว่ามี DNA สายเดี่ยวในไวรัสพวกแบคเทอริโอฟาจ (bacteriophage) ซึ่งเป็นไวรัสที่มีความจำเพาะในการเข้าไปทำลายแบคทีเรียได้
แบบฝึกกิจกรรม เรื่อง โครงสร้างของ DNA
ชื่อ – สกุล ..........................................................................................ชั้น.....................เลขที่...............
1. โครงสร้างของ DNA ที่มีลักษณะเป็น 2 สาย โดยมีการจับคู่กันของคู่เบสของสาย DNA แต่ละสาย มีผลดีต่อ DNA อย่างไร ?
2. แรงยึดระหว่างเบส A กับ T และ C กับ G คู่ใดมีความแข็งแรงมากกว่ากัน เพราะเหตุใด ?
3. ใน 1 เกลียว ของ DNA ประกอบด้วยคู่เบสกี่คู่ ?
4. โมเลกุลของ DNA ประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย ถ้าสายพอลินิวคลีโอไทด์สายหนึ่ง มีลำดับเบสเป็น 5/ A C G T C A G 3/ พอลินิวคลีโอไทด์ของสายที่เป็นคู่กันจะมีลำดับเบสเป็นอย่างไร?
5. DNA ที่ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ 3 โมเลกุล จะเรียงลำดับนิวคลีโอไทด์ให้แตกต่างกันได้กี่แบบ
พักผ่อน
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น