องค์ประกอบทางเคมีของ DNA

องค์ประกอบทางเคมีของ DNA

คำถามนำ

     DNA มีโครงสร้างและส่วนประกอบอย่างไร จึงสามารถควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตได้

 

               DNA เป็นสารพันธุกรรมสิ่งมีชีวิต และบางส่วนของ DNA ทำหน้าที่เป็นยีน คือสามารถควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตได้ <ปัญหาต่อไปก็คือโมเลกุลของ DNA เก็บข้อมูลทางพันธุกรรมไว้ได้อย่างไร จึงจะสามารถถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมไปยังรุ่นลูกหลานได้ ถ้าทราบว่าโมเลกุลของ DNA มีสมบัติและโครงสร้างอย่างไรก็จะสามารถตอบคำถามนี้ได้

              DNA เป็นกรดนิวคลีอิกชนิดหนึ่ง ซึ่งเป็น พอลิเมอร์ (polymer) สายยาวประกอบด้วยหน่วยย่อย หรือ มอนอเมอร์ (monomer) ที่เรียกว่า นิวคลีโอไทด์ ซึ่งแต่ละนิวคลีโอไทด์ประกอบด้วย

               1.  น้ำตาลเพนโทส ซึ่งมีคาร์บอน 5 อะตอม คือ น้ำตาลดีออกซีไรโบส

               2.  ไนโตรจีนัสเบส (nitrogenous base) เป็นโครงสร้างประกอบด้วยวงแหวนที่มีอะตอมของคาร์บอนและไนโตรเจน แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ เบสพิวรีน (purine) มี 2 ชนิด คือ อะดีนิน (adenine หรือ A) และกวานีน (guanine หรือ G) และ เบสไพริมิดีน (pyrimidine) มี 2 ชนิด คือ ไซโทซีน (cytosine หรือ C) และไทมีน (thymine หรือ T)

               3.  หมู่ฟอสเฟต (PO43-)

       โครงสร้างของเบสและน้ำตาลที่เป็นองค์ประกอบของกรดนิคลีอิก ดังภาพที่ 17-7
                                    

ภาพที่ 17-7 lสูตรโครงสร้างของเบส และน้ำตาลที่เป็นองค์ประกอบของ DNA 

               -  เบสพิวรีนและเบสไพริมิดีนมีโครงสร้างแตกต่างกันอย่างไร

               การประอกบขึ้นกับนิวคลีโอไทด์นั้น ทั้งสามส่วนจะประกอบกันโดยมีน้ำตาลเป็นแกนหลัก มีไนโตรจีนัส-เบส อยู่ที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 1 และหมู่ฟอสเฟตอยู่ที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 5 ดังั้นนิวคลีโอไทด์ใน DNA จึงมี 4 ชนิด ซึ่งแตกต่างกันตามอลค์ประกอบที่เป็นเบส ได้แก่ A T C และ G ดังภาพที่ 17-8
                                         

ภาพที่ 17-8 นิวคลีโอไทด์ที่มีเบสชนิดต่างๆ ซึ่งเป็นองค์ประกอบของ DNA 

-  นิวคลีโอไทด์แต่ละชนิดแตกต่างกันอย่างไร

               จากการวิเคราะห์ส่วนประกอบทางเคมีของ DNA พบว่ามีเบสน้ำตาลดีออกซีไรโบสและหมู่ฟอสเฟตเป็นจำนวนมาก จึงเป็นไปได้ว่า DNA ประอกบด้วยนิวคลีโอไทด์จำนวนมากมาเชื่อมต่อกัน ปัญหาก็คือนิวคลีโอไทด์จำนวนมากนี้มาเชื่อมต่อกันเป็นโมเลกุลของ DNA ได้อย่างไร

               การเชื่อมดังกล่าวเกิดจากการสร้างพันธะโคเวเลนซ์ระหว่างหมู่ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์หนึ่งกับหมู่ไฮดร-อกซิลที่อยู่ที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ของน้ำตาลในอีกนิวคลีโอไทด์หนึ่ง ดังภาพที่ 17-9 ก. เมื่อหลายๆนิวคลีโอไทด์มาเชื่อมต่อกันเกิดเป็นสายพอลินิวคลีโอไทด์ดังภาพที่ 17-9 ข.

               จะเห็นว่าที่ปลายสายด้านหนึ่งจะมีหมู่ฟอสเฟตเชื่อมอยู่กับน้ำตาลดีออกซีไรโบสที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 5 เรียกปลายด้านนี้ว่า เป็นปลาย 5' (อ่านว่า 5 ไพร์ม) และปลายอีกด้านหนึ่งจะมีหมู่ไฮดรอกซิลที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ที่เป็นอิสระ เรียกปลายด้านนี้ของสาย DNA ว่า ปลาย 3' (อ่านว่า 3 ไพร์ม)
                                               

                                   ภาพที่ 17-9 ก. การเชื่อมต่อระหว่างนิวคลีโอไทด์

ข. สายพอลินิวคลีโอไทด์ที่เกิดจากการเชื่อมต่อระหว่างนิวคลีโอไทด์      

                ต่อมานักเคมีในประเทศอังกฤษ พบว่าพอลินิวคลีโอไทด์แต่ละสายจะแตกต่างกันที่จำนวนของนิวคลีโอไทด์และลำดับของนิวคลีโอไทด์

               ในปี พ.ศ. 2492 เออร์วิน ชาร์กาฟฟ์ (Erwin Chargaff) นักชีวเคมีชาวอเมริกัน ได้วิเคราะห์ปริมาณเบสที่เป็นองค์ประกอบทางเคมีของโมเลกุล DNA ในสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ พบว่าอัตราส่วนของเบส 4 ชนิด ใน DNA ที่สกัดจากสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ จะแตกต่างกันแสดงในตารางที่ 17.3 ขณะที่อัตราส่วนของน้ำตาลและหมู่ฟอสเฟตมีค่าค่อนข้างคงที่

 

ตารางที่ 17-3 ผลการทดลองของชาร์กาฟฟ์

ชนิดของสิ่งมีชีวิต

ชนิดของเบส (ร้อยละ)

<อัตราส่วน

อะดีนีน (A)

ไทมีน (T)

กวานีน (G)

<ไซโทมีน (C)

A:C

G:C

ยีสต์

แมลงหวี่

ผึ้ง

เม่นทะเล

ปลาแซลมอน

หนู

คน (เซลล์ตับ)

31.3

27.3

34.4

32.8

29.7

28.6

30.7

32.9

27.6

33.0

32.1

29.1

28.4

31.2

18.7

22.5

16.2

17.7

20.8

21.4

19.3

17.1

22.5

16.4

18.4

20.4

21.5

18.8

0.95

0.99

1.04

1.02

1.02

0.01

0.98

1.09

1.00

0.99

0.96

1.02

1.00

1.03

 

        -  ปริมาณเบส 4 ชนิด ใน DNA ของสิ่งมีชีวิตต่างๆสัมพันธ์กันอย่างไร

        -  อัตราส่วนของ A+T และ C+G ในโมเลกุลของ DNA ของสิ่งมีชีวิตต่างๆมีค่าเท่ากันหรือไม่

               ข้อมูลที่ได้จากการทดลองของชาร์กาฟฟ์แสดงให้เห็นว่าในสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด ปริมาณของเบส 4 ชนิด จะแตกต่างกัน แต่ตะมีปริมาณของเบส A ใกล้เคียงกับ T และเบส C ใกล้เคียงกับ G เสมอ เรียกว่า กฎของชาร์กาฟฟ์ (Chargaff ’s Rule) และสิ่งมีชีวิตจะมีอัตราส่วนระหว่างเบส A:T  และอัตราส่วนระหว่างเบส 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