DNAสายพันธุ์ทุกชีวิต

ลำดับตอนที่ #3 : โครงสร้าง DNA

     ศิลปะอย่างหนึ่งที่ผู้คนชื่นชอบและหลงไหลกันมากในDNA นั้นก็คือโครงสร้างของมัน   ซึ่งมีความพิเศษในตัวอย่างไม่เหมือนใคร  เป็นศิลปะอันงดงามที่มีอยู่ในทุกชีวิต
         ต้นคริสต์ศตวรรษที่  20  นักเคมีชาวเยอรมัน  ชื่อ  เอ โคสเซล  (A. Kossel)  และ เอ ที เลวีน (A. T. Levene)  ได้เริ่มต้นศึกษาเกี่ยวกับกรดนิวคลีอิกอย่างจริงจัง  หลังจากที่มิเชอร์ได้ค้นพบสารเคมีชนิดนี้มาแล้วเมื่อ ค. ศ. 1869  โดยโคสเซลได้ศึกษาเกี่ยวกับคุณสมบัติและองค์ประกอบของกรดนิวคลีอิก  และพบว่ากรดนิวคลีอิกมี  2  ชนิด  คือ  กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก หรือ  DNA  และกรดไรโบนิวคลีอิก  หรือ  RNA  ซึ่งพบว่ากรดนิวคลีอิกประกอบด้วยสารต่างๆ  ที่เป็นหน่วยพื้นฐาน  3 ชนิด คือ

1. นิวคลีโอไทด์เบส  (Nucleotide  Base)  หรือ ไนโตรจีนัสเบส  (Nitrogenous Base)  หรือเรียกสั้นๆ ว่า  เบส (Base)  เป็นหน่วยพื้นฐานที่ประกอบด้วยสารอินทรีย์ที่มีธาตุไนโตรเจนเป็ฯองค์ประกอบซึ่งแบ่งออกเป็น  2  ประเภทตามความแตกต่างกันในเชิงองค์ประกอบและโครงสร้าง  ดังนี้

1)    พิวรีน  (Purine)  โครงสร้างหลักประกอบด้วย   โครงสร้างเป็ฯรูปวงแหวน  2 วง  สารประกอบพิวรีนแบ่งตามสมบัติทางเคมีและธาตุที่เป็นองค์ประกอบได้  2 ชนิดคือ  เบสอะดีนีน (Adenine หรือ A )  กับเบสกวานีน (Guanine หรือ G)

2) ไพริมิดีน  (Pyrimidine)  โครงสร้างหลักประกอบด้วย  โครงสร้างรูปวงแหวน 1 วง  สารประกอบไพริมิดีน  แบ่งตามสมบัติทางเคมีและธาตุที่เป็นองค์ประกอบได้  2  ชนิด  คือ  ไทมีน (Thymine หรือ T)  และไซโทซีน (Cytosine หรือ C)

จากการค้นพบเบสทั้ง  4  ชนิด  ซึ่งเป็นองค์ประกอบของกรดคลีอิกนี่เอง  ทำให้โคสเซลได้รับรางวัลโนเบลใน ค.ศ. 1910  และทำให้มีผู้หันมาสนใจศึกษาเกี่ยวกับกรดนิวคลีอิกมากขึ้น

2. สารประกอบพวกคาร์โบไฮเดรตที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบอยู่  5  อะตอมเลวีนได้ศึกษาส่วนประกอบของกรดนิวคลีอิกจากเซลล์พืชและเซลล์สัตว์ตามวิธีการศึกษาของโคสเซล  พบว่าในกรดนิวคลีอิกนั้นนอกจากจะพบสารประกอบไนโตรเจนทั้ง 4 ชนิดแล้วยังพบน้ำตาลที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ  5  อะตอม  คือน้ำตาลเพนโทส  (Pentose Sugar)  ซึ่งมีลักษณะแตกต่างจากสารประกอบคาร์โบไฮเดรตที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ  6 อะตอม เลวีนยังพบว่าน้ำตาลเพนโทสแบ่งออกเป็น  2  ประเภท  คือ  น้ำตาลไรโบส  (Ribose)  พบมากในเซลล์ของยีสต์และพืช  กรดนิวคลีอิกที่มีน้

ำตาลไรโบสเป็นองค์ประกอบเรียกว่า  กรดไรโบสนิวคลีอิก  (Ribonucleic Acid หรือ  RNA )  อีกพวกหนึ่ง  คือ  น้ำตาลดีออกซีไรโบส  (Deoxyribose)  ซึ่งส่วนใหญ่ได้จากเซลล์สัตว์  กรดนิวคลีอิกที่มีน้ำตาลดีออกซีไรโบสเป็นองค์ประกอบเรียกว่า  กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก  (Deoxyribonucleic Acid  หรือ DNA)  

       จากการศึกษาต่อมาพบว่ากรดนิวคลีอิกทั้ง  2  ชนิด  คือ  DNA  และ  RNA  แตกต่างกันตรงส่วนที่เป็นน้ำตาลกับชนิดของเบส  คือ  DNA  ประกอบด้วยดีออกซีไรโบสและเบสพวกอะดีนีน (A)  กวานีน (G) ไซโทซีน (C)  และไทมีน (T)  ส่วนRNA  จะมีน้ำตาลไรโบสและมีพวกเบสพวกไพริมิดีนอีกชนิดหนึ่ง  คือ  ยูราซิล  (Uracil หรือ U)  แทนที่จะเป็นไทมีน

3. สารประกอบฟอสเฟต  กรดนิวคลีอิกนอกจากจะมีเบสและน้ำตาลแล้วยังมีหมู่ฟอสเฟต (PO42-)  ซึ่งมีธาตุฟอสฟอรัสเป็นองค์ประกอบ  หมุ่ฟอสเฟตทำให้โมเลกุลของกรดนิวคลีอิกมีสมบัติเป็นกรดถึงแม้จะมีเบสอยู่ด้วยก็ตาม

สารประกอบทั้ง  3 ชนิด  คือ  น้ำตาลที่มีคาร์บอน  5 อะตอม  สารประกอบไนโตรจีนัสเบส  และหมุ่ฟอสเฟตจะประกอบเข้ากันเป็นหน่วยโครงสร้างพื้นฐานที่เรียกว่า  นิวคลีโอไทด์  (Nucleotide)  ซึ่งแบ่งออกเป็น  4 ชนิด  ตามประเภทของกลุ่มเบส  ที่เป็นองค์ประกอบ  คือ  A, T, G, C  ในกรณีที่เป็นโมเลกุลของ  DNA  หรือ  A, U, G, C  ในกรณีที่เป็นโมเลกุลของ  RNA  โครงสร้างพื้นฐานของหน่วยนิวคลีโอไทด์ในโมเลกุลของ  DNA  มีลักษณะดังภาพ

        ใน ค.ศ. 1953  นักชีววิทยาชื่อ  เจ  ดี วัตสัน (J. D. Watson)  กับนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อ   เอฟ เอช ซี คริก (F. H. C. Crick)  แห่งมหาวิทยาลัยเคมหริดจ์  ได้ร่วมกันเสนอโครงสร้างของโมเลกุล  DNA  ว่าประกอบด้วยสายพอลินิวคลีโอไทด์ (Polynucleotide)   2 สาย  ปิดหมุนขนานควบคคู่กันไป  ในการจับเกาะของพอลินิวคลีโอไทด์ทั้งสองสอยเกิดอย่างเป็นระเบียบหรือมีแบบแผนแน่นอนคืออะดีนีน  (A)  จะจับเกาะกับไทมีน (T) และมีพันธะไฮโดรเจน  2  พันธะเป็นตัวเชื่อม  ส่วนกวานีน (G)  จะจับเกาะกับไซโทซีน (C)  โดยมีพันธะโฮโดรเจน  3  พันธะยึดเกาะสายทั้งสองของพอลินิวคลีโอไทด์จะพันเป็นเกลียว  โดยความยาวของแต่ละเกลียวประมาณ  34  อังสตรอม (Aº)  แต่ละเกลียวจะมีประมาณ 10 นิวคลีโอไทด์  และนิวเคลียสแต่ละเกลียวจะมีประมาณ  10  นิวคลีโอไทด์  และนิวคลีโอไทด์ในแต่ละสายจะอยู่ห่างกัน  3 – 4 อังสตรอม  (Aº)  ระหว่างนิวคลีโอไทด์ของสายเดียวกันจะเชื่อมกันด้วยหมู่ฟอสเฟต