DNA สารพันธุกรรม บทที่ 2 สารพันธุกรรม

ประเด็นคำถาม

1.  สารพันธุกรรมหมายถึงอะไร เป็นอะไรได้บ้า2.  รหัสพันธุกรรมหมายถึงอะไร3.  DNA สองสายมีทิศทางสวนทางกัน มีผลต่อการจับคู่เบสอย่างไร และมีผลต่อการทำงานของมันอย่างไร
4.  องค์ประกอบของ DNA ต่างกับ RNA อย่างไร และมีผลต่อโครงสร้างหรือไม่ อย่างไร

1.  สารพันธุกรรม

สารพันธุกรรมส่วนใหญ่เป็น DNA สายคู่ มีไวรัสบางชนิดเท่านั้นที่มีสารพันธุกรรมเป็น DNA สายเดี่ยวบ้าง เป็น RNA บ้าง ในที่นี้เราจะพูดถึงโครงสร้างของทั้ง DNA และ RNA ที่ทำหน้าที่เป็นยีน และจะพูดถึงเบสของ DNA (A, T, G, C) และของ RNA (A, U, G, C) และการจับคู่เบสอย่างจำเพาะ รวมทั้งสันหลัง (backbone) โดยประกอบด้วยน้ำตาลและฟอสเฟต ซึ่งฟอสเฟตนี้มีประจุเป็นลบที่ pH ปกติของร่างกาย

การเรียงตัวของเบสใน DNA และ RNA แต่ละสายนั้น นับจากข้าง 5' มาหา 3' และการวางตัวโดยทั่วไปจะวางตัวเป็นเกลียวอยู่แล้วตามธรรมชาติ หากมีการจับคู่เบสสันหลังในบริเวณคู่เบส มักมีการเวียนขวาเป็นส่วนใหญ่

รูปร่างของ DNA 2 สายมีได้หลายแบบ ชนิดที่รู้จักกันดีคือ แบบ A, B และ Z ทั้งนี้ DNA อาจจะมีตั้งแต่ 1 สาย 2 สาย หรือมากกว่านั้นก็ได้

DNA โดยทั่วไปมีลักษณะเป็นเกลียวคู่ ประกอบด้วยน้ำตาลดีออกซีไรโบส หมู่ฟอสเฟต และเบสจับกันด้วยพันธะโควาเลนท์ รวมเรียกว่านิวคลีโอไทด์ (ภาพที่ 2-1) นิวคลีโอไทด์หลายโมเลกุลเรียงต่อกันด้วยพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ เกิดเป็นโพลีนิวคลีโอไทด์ (polynucleotide) โพลีนิวคลีโอไทด์แต่ละสายเรียงตัวจาก 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 จับกับ G เบสที่จับคู่กันเหล่านี้เรียกว่า เบสคู่สม (complementary base) (ภาพที่ 2-4)

ภาพที่ 2-1 โครงสร้างของนิวคลีโอไทด์ซึ่งประกอบด้วยน้ำตาลดีออกซีไรโบส หมู่ฟอสเฟตและเบส

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 2-5 โครงสร้าง B-DNA ที่เสนอโดยวัตสันและคณะ (ซ้าย) ร่องทั้ง 2 ขนาดของ DNA (ขวา)

ภาพที่ 2-6 DNA แบบ A ,B และ Z

2.  DNA ที่ไม่ใช่เกลียวคู่

การจับกันของคู่เบสในสาย DNA สามารถจับกันได้มากกว่า 2 เบส โดยพบว่ามีการจับคู่กันเป็น 3 และ 4 เบสได ้ทำให้เกิดสาย DNA บริเวณนั้นเป็น 3 สาย และ 4 สาย โดยสร้างสาย DNA 1 สายให้ไปจับกับ DNA เกลียวคู่ด้วยกันเป็น DNA 3 สาย (ภาพที่ 2-7) เราสามารถใช้ประโยชน์จากการจับกันนี้ยับยั้งการแสดงออกของยีนได้(จะกล่าวถึงในบทที่ 3)
สำหรับ DNA 4 สาย พบบริเวณส่วนปลายของแท่งโครโมโซมที่เรียกว่า เทโลเมียร์ เป็นตำแหน่งที่มีการซ่อมแซมเบสที่ขาดหายไปจากการสังเคราะห์ DNA สาย lagging (จะกล่าวถึงในบทที่ 3) โดยมีการจับคู่ของทั้ง 4 เบสในระนาบเดียวกัน DNA ทั้ง 4 สาย สามารถเรียงตัวได้ทั้งแบบทิศทางเดียวกันและสวนทิศกัน (ภาพที่ 2-8)

ภาพที่ 2-7 โครงสร้าง DNA 3 สาย (ซ้าย) การจับกันของเบส 3 ตัว ภายในสาย (ขวา)

ภาพที่ 2-8 โครงสร้าง DNA 4 สาย (ซ้าย) การจับกันของเบส 4 ตัว ภายในสาย (ขวา)

ขอแนะนำกิจกรรมเสริมเพื่อใช้เสริมการเรียนรู้ เกี่ยวกับโครงสร้างสามมิติของ DNA เกลียวคู่อย่างมีมิติที่ถูกต้อง โดยการหัดสร้างแบบจำลองเกลียวคู่ด้วยตนเอง

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

3.  ลักษณะพิเศษที่ต่างจากแบบจำลอง DNA ทั่วไป

สำหรับ RNA ก็มีโครงสร้างคล้าย DNA คือประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์เรียงต่อกันด้วยพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์เป็นโพลีนิวคลีโอไทด์ แต่องค์ประกอบของนิวคลีโอไทด์แตกต่างกันที่น้ำตาล และ เบส โดยน้ำตาลใน RNA เป็น ไรโบส ส่วนเบสใน RNA มียูราซิล (U) มาแทนไทมีน (T) (ภาพที่ 2-9) นอกจากนั้น RNA ยังเป็นโพลีนิวคลีโอไทด์สายเดี่ยว (ภาพที่ 2-10) ซึ่งต่างจาก DNA ซึ่งส่วนใหญ่เป็นเกลียวคู่

ภาพที่ 2-9 เบสที่พบใน RNA จะมีองค์ประกอบคล้ายของ DNA แต่ต่างกันตรงมียูราซิลมาแทนไทมีน

ภาพที่ 2-10 โครงสร้าง RNA ที่เป็นโพลีนิวคลีโอไทด์สายเดี่ยว
4.  ประเภทของ RNA
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 ขึ้นอยู่กับการจับกันของเบสคู่ในสาย 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

1.  การคลายเกลียวของ DNA เพื่อทำการลอกแบบตัวเองนั้น เกิดขึ้นภายในนิวเคลียสที่แทบไม่มีพื้นที่ได้อย่างไร
2.  การสร้าง DNA สายใหม่เกิดขึ้นได้อย่างไร
3.  การสร้าง m-RNA (แมสเซนเจอร์อาร์เอนเอ) สายเดี่ยวโดยใช้ DNA หนึ่งในสองสายเป็นแบบนั้น เลือกสายได้อย่างไร เริ่มขึ้นอย่างไร และจบลงได้อย่างไร
4.  เริ่มจาก m-RNA จะมีการสร้างโปรตีนได้อย่างไร จะเริ่มและจบอย่างไร
5.  หากเกิดความเสียหายกับ DNA จะมีการซ่อมแซมให้เป็นปกติได้อย่างไร

ยีนซึ่งเป็นดีเอนเอเกลียวคู่นั้น ก่อนเกิดการลอกแบบเพื่อสร้าง DNA สายใหม่ หรือคัดลอกเพื่อให้เป็น RNA จะต้องมีการคลายเกลียวออก การคลายเกลียวของ DNA ในนิวเคลียสซึ่งขดกันอยู่อย่างแออัดยัดเยียดนี้เป็นการสร้างปัญหาให้แก่สิ่งมีชีวิต จึงต้องมีกลไกการคลายเกลียวและคืนเกลียวอย่างพิเศษ คือ

1.  คู่สายของ DNA ปลายเปิดขึ้นโดยเอนไซม์เฮลิเคส (helicase) และต้องมีการตัดสายบางส่วนโดยเอนไซม์โทโปไอโซเมอเรส (topoisomerase) เพื่อระบายการขดตัว
2.  DNA ส่วนที่ถูกง้างขึ้นมานี้จะมีการสร้างสายใหม่ ซึ่งเกิดจากการรวมตัวของนิวคลีโอไทด์เดี่ยว (mononucleotide) โดยเอนไซม์ ดีเอนเอโพลีเมอเรส (DNA polymerase) เพื่อสร้าง DNA และ อาร์เอนเอโพลีเมอเรส (RNA polymerase) เพื่อสร้าง RNA
หากจะมีการต่อ DNA ให้ยาวขึ้น สายโพลีนิวคลีโอไทด์ที่สร้างขึ้นใหม่อาจจะต้องใช้เอนไซม์ชื่อ ไลเกส (ligase)