DNA เป็นสารพันธุกรรมของสารสิ่งมีชีวิต และบางส่วนของ DNA ยังทำหน้าที่เป็นยีน คือ สามารถควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตได้ โดย DNA เป็นกรดนิวคลีอิกชนิดหนึ่ง ซึ่งเป็นพอลิเมอร์ (polymer) สายยาว ประกอบด้วยหน่วยย่อย หรือมอนอเมอร์ (monomer) ที่เรียกว่า นิวคลีโอไทด์ (nucleotide) โครงสร้างของ DNA ของสิ่งมีชีวิตต่างๆ มีลักษณะคล้ายกัน คือ ประกอบด้วยโพลีนิวคลีโอไทด์มากกว่า 1 สาย มีลักษณะเป็นเกลียวหลายๆ รอบ แต่ละรอบจะมีระยะห่างเท่าๆ กัน
องค์ประกอบทางเคมีของ DNA
DNA เป็นกรดนิวคลีอิกชนิดหนึ่ง ซึ่งเป็นพอลิเมอร์ (polymer) สายยาว ประกอบด้วยหน่วยย่อยหรือมอนอเมอร์ (monomer) ที่เรียกว่า นิวคลีโอไทด์ (nucleotide) แต่ละคลีนิวโอไทด์จะประกอบด้วย
1. น้ำตาลเพนโทส ซึ่งมีคาร์บอน 5 อะตอม คือ น้ำตาลดีออกซีไรโบส (deoxyribose)
2. ไนโตรจีนัสเบส (nitrogenous base) เป็นโครงสร้างประกอบด้วยวงแหวน ที่มีอะตอมของคาร์บอนและไนโตรเจนแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ เบสพิวรีน (purine) มี 2 ชนิด คือ อะดีนีน (adenine หรือ A) และกวานีน (guanine หรือ G) และเบสไพริมิดีน (pyrimidine) มี 2 ชนิดเช่นกัน คือ ไซโทซีน (cytosine หรือ C) และ ไทมีน (tymine หรือ T)
3. หมู่ฟอสเฟต (PO43-)
การประกอบขึ้นเป็นคลีนิวโอไทด์นั้น ทั้งสามส่วนประกอบกันโดยมีน้ำตาลเป็นแกนหลัก มีไนโตรจีนัสเบสอยู่ที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 1 และหมู่ฟอสเฟตมีคาร์บอนอยู่ที่ตำแหน่งที่ 5 ดังนั้น นิวคลีโอไทด์ใน DNA จึงมี 4 ชนิด ซึ่งจะแตกต่างกันตามองค์ประกอบที่เป็นเบส ได้แก่ A T Cและ G
จากการวิเคราะห์ส่วนประกอบทางเคมีของ DNA พบว่า มีเบสน้ำตาลดีออกซีไรโบสและหมู่ฟอสเฟตเป็นจำนวนวนมาก จึงเป็นไปได้ว่า DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์จำนวนมากมาเชื่อมต่อกัน
นิวคลีโอไทด์จำนวนมากนี้มาเชื่อมต่อกันเป็นโมเลกุลของ DNA ได้ โดยการเชื่อมดังกล่าวเกิดจากการสร้างพันธะโควาเลนซ์ หรือพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ (phosphodiester bond) ระหว่างหมู่ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์หนึ่ง กับหมู่ไฮดรอกซิลอยู่ที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ของน้ำตาลในนิวคลีโอไทด์หนึ่ง เมื่อหลายๆ นิวคลีโอไทด์มาเชื่อมต่อกันจึงเกิดเป็นสายพอลินิวคลีโอไทด์
จะเห็นว่า สายด้านหนึ่งมีจะมีหมู่ฟอสเฟตเชื่อมอยู่กับน้ำตาลดีออกซีไรโบสที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 5 เรียกปลายด้านนี้ว่าเป็น ปลาย 5´ (อ่านว่า 5 ไพร์ม) และปลายอีกด้านหนึ่งจะมีหมู่ไฮดรอกซิลที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ที่เป็นอิสระ เรียกปลายด้านนี้ของสาย DNA ว่า ปลาย 3´ (อ่านว่า 3 ไพร์ม )
ต่อมานักเคมีในประเทศอังกฤษพบว่า พอลิคลีนิวโอไทด์แต่ละสายจะแตกต่างกันที่จำนวนของนิวคลีโอไทด์และลำดับของนิวคลีโอไทด์ ในปี ค.ศ. 1950 เออร์วิน ชาร์กาฟฟ์ ได้ศึกษาเบสใน DNA พบว่าใน DNA มีเบสทั้งหมด 4 ชนิด แบ่งได้เป็น 2 กลุ่มคือ
1. เบสไพริมิดีน (pyrimidine) ประกอบด้วยไซโทซีน (cytosine - C) และไทมีน (thymine - T)
2. เบสพิวรีน (purine) ประกอบด้วยอะดีนีน (adenine - A) และกัวนีน (guanine - G)
นอกจากนี้ ชาร์กาฟฟ์ยังศึกษาปริมาณของเบสทั้ง 4 ชนิดนี้ด้วย และพบว่าปริมาณของ A เท่ากับ T และ C เท่ากับ G เสมอ สรุปเป็นกฎของชาร์กาฟ (Chargaff’s rule) ได้ว่า
1. อัตราส่วนระหว่างเบส A:T และ G:C จะใกล้เคียงกับ 1 เสมอ
2. ปริมาณของเบส A ใกล้เคียงกับ T และปริมาณของเบส C จะใกล้เคียงกับ G ผลรวมเบส 4 ชนิดจะเท่ากับ 100%
3. เบส A จับคู่กับเบส T และเบส G จับคู่กับเบส C
4. สิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดจะมีปริมาณของเบสทั้ง 4 ชนิดแตกต่างกัน
โครงสร้างของ DNA
ในปี ค.ศ. 1952 มอริซ วิลคินส์ และโรสลินด์ แฟรงคลิน ต่างทำการทดลองเพื่อหาโครงสร้างของ DNA ด้วยเทคนิค X-ray crystallography ซึ่งเป็นการฉายรังสีเอกซ์ผ่านผลึก DNA เมื่อรังสีเอกซ์หักเหจะทำให้เกิดภาพบนแผ่นฟิล์ม
จากการทดลองนี้ทำให้เรารู้ว่า โครงสร้างของ DNA จากสิ่งมีชีวิตต่างๆ มีลักษณะคล้ายกัน โดย DNA ประกอบด้วยโพลีนิวคลีโอไทด์มากกว่า 1 สาย มีลักษณะเป็นเกลียวหลายๆ รอบ แต่ละรอบจะมีระยะห่างเท่าๆ กัน
ใน ค.ศ. 1952 เจมส์ วัตสัน (James Watson) และฟรานซิส คริก (Francis Crick) เสนอแบบจำลองของ DNA ที่สมบูรณ์ที่สุด โดยรวบรวมข้อมูลต่างๆ จากผลการทดลองของเออร์วิน ชาร์กาฟฟ์ ที่แสดงให้เห็นว่า DNA มีเบส A เท่ากับ T และ เบส C เท่ากับ G และจากภาพถ่าย DNA จากเทคนิคเอกซ์เรย์ดิฟแฟรกชันของ มอริซ วิลคินส์ และโรสลินด์ แฟรงคลิน ในปี ค.ศ. 1952 มาเป็นข้อเสนอแบบจำลองของ DNA ว่า
1. DNA มีโครงสร้างเป็นบันไดเวียนคู่ (double helix) ตามเข็มนาฬิกา มีหมู่ฟอสเฟตกับน้ำตาล (sugar-phosphate backbone) เป็นราวบันได มีเบสของแต่ละสายพอลินิวคลีโอไทด์เป็นขั้นบันได
2. DNA ประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายเรียงสลับทิศกัน (antiparallel) คือ ปลาย 3’ จะจับกับปลาย 5’ ของพอลินิวคลีโอไทด์อีกสาย
3. เบสในแต่ละสายของ DNA จะเป็นเบสคู่สมกัน (complementary base pair) เบส A คู่กับเบส T และเบส C คู่กับเบส G เบสคู่สมจะยึดกันด้วยพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond)
โครงสร้างของ DNA 0จึงประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์จำนวนมาก แม้ว่า DNA จะมีนิวคลีโอไทด์เพียง 4 ชนิด แต่โมเลกุลอาจประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์หลายพันคู่ จนถึงนับแสนคู่ ตัวอย่างเช่น ถ้า DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ 2 โมเลกุลเรียงกัน จะสามารถจัดเรียงให้แตกต่างกันได้ 16 แบบ (42) ดังนั้น ถ้าโมเลกุล DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์จำนวนมาก การเรียงลำดับของเบสก็จะแตกต่างกันมากด้วยเช่นเดียวกัน
พัดชา วิจิตรวงศ์
