ผลการเรียนรู้
สืบค้นข้อมูล รวบรวมข้อมูล อภิปรายและสรุปเกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมีของ DNA
จุดประสงค์การเรียนรู้
1. สืบค้นข้อมูล อภิปราย และอธิบายถึงส่วนประกอบของนิวคลีโอไทด์และจำแนกชนิดของนิวคลีโอไทด์ 2. สืบค้นข้อมูล อภิปราย และเขียนภาพแสดงการเกิดสายพอลินิวคลีโอไทด์ และโมเลกุลของDNA
ความรู้เดิม
นักเรียนทราบมาแล้วว่า "ยีนเป็นส่วนหนึ่งของ DNA และ DNA เป็นสารพันธุกรรมอยู่ที่โครโมโซม"
นักเรียนทราบมาแล้วว่า "ยีนเป็นส่วนหนึ่งของ DNA และ DNA เป็นสารพันธุกรรมอยู่ที่โครโมโซม"
คำถามก่อนเรียน
ให้นักเรียนพิจารณาคำถามต่อไปนี้ว่า “ถ้า DNA เป็นสารพันธุกรรมจริง DNA ควรจะมีโครงสร้าง และส่วนประกอบอย่างไรจึงสามารถควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตได้”
เอกสารความรู้
DNA เป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต และบางส่วนของ DNA ทำหน้าที่เป็นจีน คือสามารถควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตได้ ปัญหาต่อไปก็คือโมเลกุลของ DNA เก็บข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตไว้ได้อย่างไร จึงจะสามารถถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมไปยังรุ่นลูกหลานได้ ถ้าทราบว่าโมเลกุลของ DNA มีคุณสมบัติและโครงสร้างอย่างไรก็จะตอบคำถามนี้ได้
DNA เป็นกรดนิวคลีอิคชนิดหนึ่ง ซึ่งเป็นพอลิเมอร์(polymer) สายยาวประกอบด้วยหน่วยย่อย หรือ มอนอเมอร์(monomer) ที่เรียกว่านิวคลีโอไทด์ (nucleotide) ซึ่งแต่ละนิวคลีโอไทด์ประกอบด้วย
1. น้ำตาลเพนโทส ซึ่งมีคาร์บอน 5 อะตอม คือน้ำตาล ดีออกซีไรโบส 2. ไนโตรจีนัสเบส(nitrogenous base) เป็นโครงสร้างปะกอบด้วยวงแหวนที่มีอะตอมของ คาร์บอนและไนโตรเจน แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ
2.1 เบสพิวรีน (purine) มี 2 ชนิด คือ อะดีนีน(adenine หรือ A) และกวานีน(guanine หรือ G) 2.2 เบสไพริมิดีน(pyrimidine) มี 2 ชนิด คือ ไซโทซีน(cytocine หรือ C) และ ไทมีน(thymineหรือ T ) 3. หมู่ฟอสเฟต
2.1 เบสพิวรีน (purine) มี 2 ชนิด คือ อะดีนีน(adenine หรือ A) และกวานีน(guanine หรือ G) 2.2 เบสไพริมิดีน(pyrimidine) มี 2 ชนิด คือ ไซโทซีน(cytocine หรือ C) และ ไทมีน(thymineหรือ T ) 3. หมู่ฟอสเฟต
โครงสร้างของเบสและน้ำตาลที่เป็นองค์ประกอบของกรดนิวคลีอิค ดังภาพที่ 1
ภาพที่ 1 สูตรโครงสร้างของเบส และน้ำตาลที่เป็นองค์ประกอบของ DNA
การประกอบขึ้นเป็นนิวคลีโอไทด์นั้น ทั้งสามส่วนจะประกอบกันโดยมีน้ำตาลเป็นแกนหลัก มีไนโตรจีนัสเบส อยู่ที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 1 และหมู่ฟอสเฟตอยู่ที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 5 ดังนั้นจึงสามารถจำแนกนิวคลีโอไทด์ใน DNA ได้ 4 ชนิด ซึ่งจะแตกต่างกันตามองค์ประกอบที่เป็นเบส ได้แก่ A T C และ G ดังภาพที่ 2
ภาพที่ 2 นิวคลีโอไทด์ที่มีเบสชนิดต่างๆ ซึ่งเป็นองค์ประกอบของ DNA
จากการวิเคราะห์ส่วนประกอบทางเคมีของ DNA พบว่ามีเบส น้ำตาลดีออกซีไรโบสและหมู่ฟอสเฟตเป็นจำนวนมาก จึงเป็นไปได้ว่า DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์จำนวนมากมาเชื่อต่อกัน ปัญหาก็คือนิวคลีโอไทด์จำนวนมากนี้มาเชื่อมต่อกันเป็นโมเลกุลของ DNA ได้อย่างไร
การเชื่อมดังกล่าวเกิดการสร้างพันธะโคเวเลนส์ระหว่างหมู่ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์หนึ่งกับหมู่ไฮดรอกซิลที่อยู่ที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ของน้ำตาลในอีกนิวคลีโอไทด์หนึ่ง (ดังภาพที่ 3 ก. ข้างล่าง) เมื่อหลายๆนิวคลีโอไทด์มาเชื่อมต่อกันเกิดเป็นสายพอลินิวคลีโอไทด์ (ดังภาพที่ 3 ข. ข้างล่าง) จะเห็นว่าที่ปลายสายด้านหนึ่งจะมีหมู่ฟอสเฟตเชื่อมอยู่กับน้ำตาลดีออกซีไรโบสที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 5 เรียกปลายด้านนี้ว่าเป็นปลาย 5' (อ่านว่า 5 ไพร์ม) และอีกปลายด้านหนึ่งจะมีหมู่ไฮดรอกซิลที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ที่เป็นอิสระ เรียกปลายด้านนี้ของสาย DNA ว่าปลาย 3' ( อ่านว่า 3 ไพร์ม)
ภาพที่ 4-3 ก. การเชื่อมต่อระหว่างนิวคลีโอไทด์
ข. สายพอลีนิวคลีโอไทด์ที่เกิดจากการเชื่อมต่อระหว่างนิวคลีโอไทด์
ต่อมานักเคมีในประเทศอังกฤษ พบว่าพอลินิวคลีโอไทด์แต่ละสายจะแตกต่างกันที่จำนวนของนิวคลีโอไทด์ และลำดับของนิวคลีไทด์ในปี พ.ศ. 2492 เออร์วิน ชาร์กาฟฟ์( Erwin Chargaff) นักชีวเคมีชาวอเมริกัน ได้วิเคราะห์ปริมาณเบสที่เป็นองค์ประกอบทางเคมีของโมเลกุล DNA ในสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ พบว่าอัตราส่วนของเบส 4 ชนิด ใน DNA ที่สกัดจากสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ จะแตกต่างกัน ดังตารางข้างล่าง ขณะที่อัตราส่วนของน้ำตาลและหมู่ฟอสเฟตมีค่าค่อนข้างคงที่
ตารางที่ 4.1 แสดงผลการทดลองของชาร์กาฟฟ์
จากผลการทดลองของชาร์กาฟฟ์ ให้นักเรียนวิเคราะห์และสรุปคำถามต่อไปนี้
- ปริมาณเบส 4 ชนิดใน DNA ของสิ่งมีชีวิตต่างๆ สัมพันธ์กันอย่างไร
- อัตราส่วนของ A+T และ C+G ในโมเลกุลของ DNA ของสิ่งมีชีวิตต่างๆ มีค่าเท่ากันหรือไม่
สรุปได้ว่า
1) ไนโตรจีนัสเบสประกอบด้วยวงแหวนที่มี C และ N เป็นองค์ประกอบ
2) ไนโตรจีนัสเบสแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ เบสพิวรีน มีโครงสร้างประกอบด้วยวงแหวน 1 วง มี 2 ชนิด คือ อะดีนีน (A) และกวานีน (G) และเบสไพริมิดีน โครงสร้างประกอบด้วยวงแหวน 1 วง มี 2 ชนิด คือ ไซโทซีน (C) และไทมีน (T)
3) นิวคลีโอไทด์ประกอบด้วยน้ำตาล หมู่ฟอสเฟตและไนโตรจีนัสเบส
4) นิวคลีโอไทด์แบ่งออกเป็น 4 ชนิด คือ นิวคลีโอไทด์ที่มีเบสไทมีน นิวคลีโอไทด์ที่มีเบสอะดีนีน นิวคลีโอไทด์ที่มีเบสไซโทซีน และนิวคลีโอไทด์ที่มีเบสกวานีน นิวคลีโอไทด์แต่ละชนิดต่างกันที่ชนิดของไนโตรจีนัสเบส 5) การประกอบกันเป็นนิวคลีโอไทด์ มีน้ำตาลดีออกซีไรโบสเป็นแกนหลักมีไนโตรจีนัสเบสอยู่ที่คาร์บอน ตำแหน่งที่ 1 และมีหมู่ฟอสเฟตที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 5 6) แต่ละนิวคลีโอไทด์เชื่อมต่อกันด้วยหมู่ฟอสเฟต หมู่ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์หนึ่งจะเชื่อมต่อกับหมู่ไฮดรอกซิลของน้ำตาลเพนโทสของอีกนิวคลีโอไทด์หนึ่ง แต่ละสายของโมเลกุลพอลินิวคลีโอไทด์แตกต่างกันที่จำนวนและลำดับของนิวคลีโอไทด์ที่มาเชื่อมต่อกัน 7) สายของพอลินิวคลีโอไทด์กลุ่มที่มีจำนวนนิวคลีโอไทด์เท่ากันแต่สายของพอลินิวคลีโอไทด์จะต่างกัน เนื่องจากมีลำดับของนิวคลีโอไทด์ไม่เหมือนกัน ซึ่งนำไปสู่ความเข้าใจถึงการเกิดลักษณะต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิต 8) ปลายด้านหนึ่งของพอลินิวคลีโอไทด์จะมีคาร์บอนตำแหน่งที่ 5 ขิงน้ำตาลดีออกซีไรโบสยึดกับหมู่ฟอสเฟต เรียกปลายนี้ว่าปลาย 5' และอีกปลายหนึ่งมีคาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ของน้ำตาลดีออกซีไรโบสของนิวคลีโอไทด์ที่อยู่ปลายสุดที่ยึดกับหมู่ไฮดรอกซิล เรียกปลายนี้ว่าปลาย 3'
2) ไนโตรจีนัสเบสแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ เบสพิวรีน มีโครงสร้างประกอบด้วยวงแหวน 1 วง มี 2 ชนิด คือ อะดีนีน (A) และกวานีน (G) และเบสไพริมิดีน โครงสร้างประกอบด้วยวงแหวน 1 วง มี 2 ชนิด คือ ไซโทซีน (C) และไทมีน (T)
3) นิวคลีโอไทด์ประกอบด้วยน้ำตาล หมู่ฟอสเฟตและไนโตรจีนัสเบส
4) นิวคลีโอไทด์แบ่งออกเป็น 4 ชนิด คือ นิวคลีโอไทด์ที่มีเบสไทมีน นิวคลีโอไทด์ที่มีเบสอะดีนีน นิวคลีโอไทด์ที่มีเบสไซโทซีน และนิวคลีโอไทด์ที่มีเบสกวานีน นิวคลีโอไทด์แต่ละชนิดต่างกันที่ชนิดของไนโตรจีนัสเบส 5) การประกอบกันเป็นนิวคลีโอไทด์ มีน้ำตาลดีออกซีไรโบสเป็นแกนหลักมีไนโตรจีนัสเบสอยู่ที่คาร์บอน ตำแหน่งที่ 1 และมีหมู่ฟอสเฟตที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 5 6) แต่ละนิวคลีโอไทด์เชื่อมต่อกันด้วยหมู่ฟอสเฟต หมู่ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์หนึ่งจะเชื่อมต่อกับหมู่ไฮดรอกซิลของน้ำตาลเพนโทสของอีกนิวคลีโอไทด์หนึ่ง แต่ละสายของโมเลกุลพอลินิวคลีโอไทด์แตกต่างกันที่จำนวนและลำดับของนิวคลีโอไทด์ที่มาเชื่อมต่อกัน 7) สายของพอลินิวคลีโอไทด์กลุ่มที่มีจำนวนนิวคลีโอไทด์เท่ากันแต่สายของพอลินิวคลีโอไทด์จะต่างกัน เนื่องจากมีลำดับของนิวคลีโอไทด์ไม่เหมือนกัน ซึ่งนำไปสู่ความเข้าใจถึงการเกิดลักษณะต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิต 8) ปลายด้านหนึ่งของพอลินิวคลีโอไทด์จะมีคาร์บอนตำแหน่งที่ 5 ขิงน้ำตาลดีออกซีไรโบสยึดกับหมู่ฟอสเฟต เรียกปลายนี้ว่าปลาย 5' และอีกปลายหนึ่งมีคาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ของน้ำตาลดีออกซีไรโบสของนิวคลีโอไทด์ที่อยู่ปลายสุดที่ยึดกับหมู่ไฮดรอกซิล เรียกปลายนี้ว่าปลาย 3'
ความรู้เพิ่มเติม
จากคำถามเพิ่มเติมว่า “ถ้าพอลินิวคลีโอไทด์ที่เกิดจากการเชื่อมต่อของนิวคลีโอไทด์ทุกสายแตกต่างกันน่าจะขึ้นอยู่กับอะไร” คนที่พิสูจน์ให้ทราบคำตอบดังกล่าว คือ ชาร์กาฟฟ์
จากการทดลองของชาร์กาฟฟ์ พิสูจน์ให้เห็นว่า "ใน DNA ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด เบส A จะมีปริมาณใกล้เคียงกับเบส T และเบส C มีปริมาณใกล้เคียงกับเบส G และปริมาณของ A+T จะไม่เท่ากับปริมาณของเบส C+G" ดังตาราง
ตารางที่ 4.1 แสดงผลการทดลองของชาร์กาฟฟ์
.jpg)
จากข้อมูลที่ได้จากการทดลองของชาร์กาฟฟ์แสดงให้เห็นว่าในสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด ปริมาณของเบส 4 ชนิด จะแตกต่างกัน แต่จะมีปริมาณของเบส A ใกล้เคียงกับ T และเบส C ใกล้เคียงกับ Gเสมอ เรียกว่า กฏของชาร์กาฟฟ์ (Chargaff ´s Rule) และสิ่งมีชีวิตจะมีอัตราส่วนระหว่างเบส A:Tและอัตราส่วนระหว่างเบส G:C คงที่เสมอ จากอัตราส่วนของเบสดังกล่าว อาจเป็นไปได้ว่าเบส A จับคู่กับ T และเบส G จับคู่กับ C จากอัตราส่วนนี้ชี้ให้เห็นว่า DNA จะต้องมีการจัดเรียงตัวของนิวคลีโอไทด์ 4 ชนิด ที่ทำให้จำนวนของชนิด A เท่ากับ T และชนิด C เท่ากับ G เสมอไป
จากผลการทดลองของชาร์กาฟฟ์ ให้นักเรียนตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับ "ความสัมพันธ์ระหว่างเบสA กับ T และความสัมพันธ์ของเบส G กับ C มีผลต่อโครงสร้างของ DNA อย่างไร"
พักครับ
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น