หนวยท 6 กรดนวคลอก (Nucleic acid)

เนอหาสาระ

1. หนวยโมเลกลยอยในกรดนวคลอก 2. โครงสรางและหนาทของ DNA 3. โครงสรางและหนาทของ RNA 4. คณสมบตของกรดนวคลอก 5. การสลายกรดนวคลอก 6. การเสยสภาพธรรมชาตของกรดนวคลอก 7. นวคลอคโปรตน 8. หนาทของกรดนวคลอก

แนวคด

กรดนวคลอก เปนสารพนธกรรมของเซลล ควบคมลกษณะการถายทอดลกษณะพนธกรรม การสงเคราะหโปรตน และกระบวนการตางๆของสงมชวต จงถอวาเปนสารประกอบทมความส าคญตอสงมชวต กรดนวคลอก เปนโปลเมอรของนวคลโอไทด (nucleotide) ประกอบดวยนวคลโอไซด(nucleoside) ซงเปนโมเลกลของเบสยดเกาะกบน าตาล จบกบหมฟอสเฟตอกตอหนง ดงนนในโมเลกลของกรดนวคลอกจงประกอบดวยหมเบส น าตาล และฟอสเฟต เบสทอยในนวคลโอไซด มอย 2 ชนด ไดแก อนพนธของพรมดน(pyrimidine derivaive) ไดแก ไซโตซน(Cytosineหรอ C ) ไธมน(Thymine หรอ T ) ยราซล(Uracil หรอ U )กบเบสของอนพนธพวรน(purine derivative)ไดแก อะดนน(adenine หรอ A) กวนน(guanine หรอ G ) น าตาลทยดเกาะกบเบส คอน าตาลไรโบส หรอน าตาลดออกซ”รโบส (ซงเปนน าตาลเพนโตส) แลวแตวาจะเปนกรดไรโบนวคลอก หรอกรดออกซไรโบนวคลอก

69

จดประสงคการเรยนร

1. รจกสารประกอบทท าหนาทเปนสารพนธกรรมของสงมชวต 2. บอกไดถงหนวยโมเลกลยอยของกรดนวคลอก 3. บอกไดถงโครงสรางและหนาทของ DNA 4. บอกไดถงโครงสรางและหนาทของ RNA 5. อธบายคณสมบตบางประการของกรดนวคลอกได 6. บอกผลตผลทไดจากการสลายกรดนวคลอกได 7. อธบายลกษณะการเสยสภาพธรรมชาตของกรดนวคลอกได 8. บอกความหมายของค าวา “นวคลโอโปรตนได

70

หนวยท 6

กรดนวคลอก ( Nucleic acid )

ความน า

กรดนวคลอก เปนสารอนทรยทท าหนาทเปนสารพนธกรรม ( Genetic material ) ของเซลและเปนตวชวยในการสรางโปรตนชนดตาง ๆ กรดนวคลอคแบงไดเปนสองชนดใหญ ๆ คอ กรดไรโบนวคลอก (Ribonucleic acid, RNA) และกรดดออกซไรโบนวคลอก(Deoxyribonucleic acid,DNA) กรดนวคลอกเปนสารประกอบโพลนวคลโอไทด (Polynucleotide) ประกอบดวยหนวยโครงสรางยอย คอ นวคลโอไทด (Nucleotide) ทเชอมตอกนดวยพนธะฟอสโฟไดเอสเธอร (Phosphodiester)

1. หนวยโมเลกลยอยในกรดนวคลอก

1. ไนโตรจนสเบส (Nitrogenous base) ม 2 ชนดคอ ไพรมดน(pyrimidine) และ พวรน (purine) พวรนเปนอนพนธของพรมดน มอย 5 ชนด เปนไพรมดน 3 ชนดไดแก ไซโตซน(Cytosine) ไทมน(Thymine) ยราซล(Uracil) และพวรน 2 ชนด คอ อะดนน(Adinine) กวานน(Guanine)

ภาพท 6.1 ไพรมดน เบส

ภาพท 6.2 พวรน เบส

71

1. น าตาลเพนโทส คอน าตาลทมคารบอน 5 อะตอมไดแก น าตาลไรโบส (Ribose sugar) น าตาลดออกซไรโบส (Deoxyribose sugar)

ภาพท 6.3 แสดงน าตาลไรโบส และน าตาลดออกซไรโบส

3. หมฟอสเฟต ( Phosphate Group )

ภาพท 6.4 แสดงหมฟอสเฟต

1.1 นวคลโอไซดและนวคลโอไทด

1.1 Nucleoside และ Nucleotide Nucleic acid ประกอบดวยหนวยโครงสรางยอย คอ Nucleotide มากมาย

หรอกลาวอกอยางหนงวา Nucleio acid คอ Polynucleotide นนเอง Nucleotide เหลานจดเรยงเปนล าดบดวยพนธะฟอสโฟไดเอสเทอร ( ซงจะไดกลาวตอไปน ) หนวย Nucleotide แตละหนวย ประกอบดวย เบส น าตาล และ Phosohate group ( รปท 3 ) แตถา Nucleotide นนถาถกเอา Phosphate group ออก สวนทเหลอเรยกวา Nucloside

72

ภาพท 6.5 แสดงโครงสรางของ Nucleotide และ Nucleoside การเรยกชอ Nucleoside จะเรยกตามชอของเบสนนๆ เชน Adenosine Guanosine หรอ Deoxyadenosine ถาน าตาลนนเปนน าตาล Deoxy และเรยก Adenosine-5 –monophosphate (AMP) ใน Nucleotide หรอ ถามหม Phosphate 3 หม กจะเรยก Adenosine-5 – triphosphate (ATP) เปนตน 1.2 พนธะฟอสโฟไคเอสเทอร และการเกดโพลเมอร พนธะทเชอมโยงระหวางนวคลโอไทดแตละหนวย คอ พนธะ 3, 5 – Phosphodiester เกดขนระหวางหมฟอสเฟตคารบอนต าแหนงท 5 (C-5) ของน าตาลในนวคลโอไทดหนงกบหม - OH ของคารบอนต าแหนงท 3 (C-3) ของน าตาลในนวคลโอไทดถดไป ท าใหนวคลโอไทดทงสองเชอมตอกนไดโดยมหมฟอสเฟตอยตรงกลาง และมพนธะเอสเทอรทงสองขาง แรงยดเหนยวทเกดขนในลกษณะน เรยกวา Phosphodiester linkage

ภาพท 6.6 แสดงการเกด Phosphodiester linkage ในสายโพลนวคลโอไทด

73

ดงนน โครงสรางของกรดนวคลอคจงมลกษณะเปนสายน าตาล -ฟอสเฟต (Sugar-phosphate

backbone) และมเบสตาง ๆ ยนออกดานขาง ปลายของนวคลโอไทดตวเรมตนจะมฟอสเฟสอยทต าแหนางท 5 (C-5) ของน าตาลตวแรก ปลายนจงเรยกวาปลาย 5 สวนอกปลายหนงจะม 3 –OH ของน าตาลตวสดทาย ซงไมเชอมตอกบหมฟอสเฟต ปลายนเรยกวาปลาย 3 อาจเขยนโครงสรางยอของโพลนวคลโอไทด โดยเขยนเฉพาะฟอสเฟตและเบสเทานน โดยฟอสเฟตทตอกบอะตอมคารบอนต าแหนงท 3 (C-3) เขยนอยทางดานขวา และฟอสเฟตทตออยกบอะตอมคารบอนต าแหนงท 5 (C-5) เขยนอยทางดานซายของเบล (รปท 5) และถาเปนน าตาลดออกซ กใชสญลกษณ d น าหนาชอน าตาลนน ๆ

ภาพท 6.7 แสดงการเขยนโครงสรางอยางยอของโพลนวคลโอไทด (ปลาย 5 จะเขยนไวทางดานซายมอ)

2. โครงสรางและหนาทของ DNA

โครงสรางของ DNA มลกษณะเปนเกลยวค (Double helix) เกดจากสายโพลนวคลโอไทดสายเดยวทบด หรอขดคลายบนไดเวยนทเรยก อลฟาเฮลกซ (X – helix) สองสายมาพนกนเปนเกลยวค โดยทปลายของสายโพลนวคลโอไทดจะอยตรงขามกน สวนทเปนน าตาลและฟอสเฟตจะท าหนาทเปนแกนอยขางนอก เบสตาง ๆ จะยนเขาไปในเกลยวแลวจบคกนระหวางเบสคสม (Commplementary bases) ทงสองสายดวยพนธะไฮโดรเจน (รปท 6 ก) โครงสรางของ DNA เกลยวคทแสดงในรป 6 ข เปนเกลยว DNA แบบ บ (B – DNA) ซงมลกษณะเปนเกลยวเวยนขวามระยะหนงรอบเกลยว เทากบ 3.4 nm. และมเบสคสมประมาณ 10 คตอรอบ

74

ก ข

ภาพท 6.8 แสดงโครงสรางของ DNA

ก. การจบคสมของเบส A กบ T และ G กบ C ข. ดเอนเอเกลยวค

ลกษณะเบสในโมเลกลของ DNA โดยทวไปมดงน 1) เบสทเปนองคประกอบของ DNA จะมเฉพาะ A,G,T และ C ไมม U 2) การจบคเบสเปนการจบคเบสแบบวทสน-ครก (Watson-Crick base pairing) คอ

เบสเพยวรน A จบคกบไพรมดน T และ G จบกบ ฉ ดวยพนธะไฮโดรเจนจ านวนพนธะจะเปน 2 และ 3 พนธะ ตามล าดบ ดงนน DNA ทมเบส G และ C มากจะเสถยรกวา DNA ทมเบส A กบ T มากเพราะพนธะระหวาง G-C ม 3 พนธะ

3) ปรมาณของเบสเพยวรนจะเทากบเบสไพรมดน (A+G=T+C) โดยเฉพาะ A=T และ G=C หรออตราสวน A:T=1 และอตราสวน G:C=1 เชนกน

จากการศกษา DNA ในสงมชวตหลายชนดพบวามขนาดแตกตางกนตงแต ขนาดเลก เชน DNA ของไวรส ไปจนถงขนาดใหญ เชน DNA ในโครโมโซมของคน ท าหนาทควบคมพนธกรรม การเจรญเตบโตของสงมชวตซงจะไดกลาวในบทตอไป

75

3. โครงสรางและหนาทของ RNA

RNA เปนกรดนวคลอคทมโครงสรางคลายกนกบ DNA คอ ประกอบดวยนวคลโอไทดเชอมโยงดวยพนธะฟอสโฟไดเอสเทอร สวนประกอบทส าคญทตางไปจาก DNA ไดแกน าตาลไรโบส (ดออกซไรโบสใน DNA) และเบสยราซล (เบสไธมนใน DNA) และตามปกต RNA จะมโครงสรางเปนเสนเดยว (Single stranded) ท าหนาทเปนตวกลางในการถายทอดลกษณะพนธกรรม ซงจะไดกลาวในบทตอไป และในเซลบางชนด RNA อาจเปนสารพนธกรรมดวย

ภาพท 6.9 โครงสรางของ RNA

RNA แบงออกไดเปน 3 ชนด คอ

1. Messenger RNA (mRNA) มขนาดใหญทสด เปนตวกลางน าขอความทางพนธ กรรมจาก DNA ในนวเคลยสไปยงไรโบโซมในไซโตพลาสมเพอใชในการสรางโปรตน mRNA ในเซลมมากมายหลายชนด มกมชวงชวตการท างานสนเมอถกใชงานเสรจกจะสลายตวไป มอยประมาณ 5-10 % ของ RNA ทงหมด

2. Transfer RNA (tRNA) มขนาดเลกท าหนาทเปนตวกลางในการสรางโปรตนโดย เปนตวน ากรดอะมโนมาทไรโบโซมเพอเรยงตอกนเปนโปรตน ซง tRNA จะใชรหสจาก mRNA พาเอากรดอะมโนตามรหสนนมาประกอบเปนโปรตนตามตองการ

76

3. Ribosomal RNA (rRNA) มมากทสดในเซล เปนสวนประกอบทส าคญของไรโบโซมซงมหนาทส าคญในการสรางโปรตน rRNA ของแบคทเรยม 3 ขนาดคอ 23S 16S และ 5S rRNA ของสตวและพชม 3 ขนาดคอ 28S, 18S, 5S

4. คณสมบตบางประการของกรดนวคลอค

(1) คณสมบตเกยวกบกรดและเบส เนองจากหมฟอสเฟตของกรดนวคลอคสามารถแตกตวใหโปรตอนไดท าใหกรดนวคล

อคมประจเปนลบ จงสามารถรวมตวกบประจบวกกอน เชน Mg2+, Ca2+, ฯลฯ หรอสารอนๆทมประจบวก เชน สเปรอรมน ( Spermine )และ ฮสโตน ( Histone )ได

(2) ความหนด ( Viscosity ) กรดนวคลอกในสภาพทโมเลกลเหยยดตวออก จนมลกษณะคลายทอนไมตรง เชน ในสภาวะท

สารละลายม pH เปนกลาง จะท าใหสารละลายกรดนวคลอกมความหนดสง (3) คณสมบตเกยวกบการตกตะกอน ( Sedimentation ) กรดนวคลอกละลายไดดในสารละลายบฟเฟอรทม pH เปนกลางแตในสวนสารละลายกรดหรอ

แอลกอฮอล หรอในสารละลายทไมเปนโพลาร เชน อะซโตน คลอโรฟอรม กรดนวคลอกจะไมละลายและจะรวมตวกนเปนกลม ตกตะกอนแยกออกจากสารละลาย

(4) คณสมบตเกยวกบการดดแสง เบสทเปนสวนประกอบในกรดนวคลอกเปนสารพวกอะโรมาตก ทสามารถดดแสงอลตราไวโอ

เลต ดงนนในสภาพธรรมชาต DNA จงสามารถดดกลนแสงทความยาวคลน 260 และ 195 nm แตการดดแสงจะนอยกวานวคลโอไทดอสระทมปรมาณเทากน ปรากฏการณนเรยกวา Hypochromism และเมอ DNA เปลยนสภาพจากเกลยวคมาสสภาพสายเดยว ( Single stranded ) จะท าใหการดดแสงเพมมากขน ปรากฏการณเชนนเรยกวา Hyperchromism หรอHyperchromic effect การเปลยนสภาพดงกลาวอาจท าไดโดยใชกรด ดาง หรอการเพมอณหภมซงจะท าให DNA เปลยนสภาพกลายเปน DNA สายเดยว และเมอปลอยใหอณหภมลดลงอยางชา ๆ DNA สายเดยว จะคอย ๆจบคกนตามกฏการณจบคเบส กลายเปน DNA เกลยวคอก การดดกลนแสงกจะลดลงดวย การจบคกนใหมดงกลาวจะเกดขนไดดในสารละลายทม DNA ชนดเดยวกนถาเปน DNA ของสตวตางชนดกนการจบคกนเปนเกลยวคจะเกดไดดหรอไม ขนอยกบความคลายคลงกนในการเรยงตวของเบสใน DNA การจบคของ DNA ตางชนดกนดงกลาวเรยก DNA hybridization

77

5. การสลายกรดนวคลอก ( Hydrolysis of nucleic acid )

1.การสลายดวยเอนไซม (Enzymatic hydrolysis ) เอนไซมจะท าใหเกดการท าลายพนธะฟอสโฟไดเอสเทอร แบงเปน 2 พวกใหญๆ ตามลกษณะทเอนไซมตด

(1) พวกทตดพนธะระหวาง3 –OH และฟอสเฟต เชน เอนไซมฟอสโฟไดเอสเทอเรสจากพษง ผลทได ไดแก พวกนวคลโอไทด 5 –ฟอสเฟต

(2) พวกทตดพนธะระหวาง5 –OH และฟอสเฟต เชน เอนไซมฟอสโฟไดเอสเทอเรสจากมามวว ในกรณนจะได นวคลโอไทด 3 –ฟอสเฟต

ภาพท 6.10 แสดงต าแหนงการตดพนธะฟอสโฟไดเอสเทอรของเอนไซมพนธะฟอสโฟ

ไดเอสเทอเรสจากพษงและมามวว

นอกจากนยงมเอนไซมทตดเฉพาะ พนธะฟอสโฟไดเอสเทอร ของ DNA เทานนเรยก Deoxyribonuclease ( DNase ) และพวกทตดเฉพาะพนธะใน RNA เทานนเรยกRibonuclease ( RNase )

3. การสลายดวยกรดและดาง ( Acid and base hydrolysis) ในสารลละลายกรด เบสเพยวรน จะถกสลายหลดออกจากสาย DNA เหลอแตเบสไพรมดนอยบน

เสน DNA แตในสารละลายกรดทอณหภมสง DNAจะถกสลยายกลายเปน เบสตางๆ น าตาลและ ฟอสเฟต สวนในสารละลายดาง RNA จะถกลสายใหกลายเปนนวคลโอไทด

ความรทไดเกยวกบการสลายกรดนวคลอกสามารถน าไปใชแยก DNA ออกจาก RNA และมประโยชนในการหาชนดและล าดบของกรดอะมโนในโปรตน

78

6. การเสยธรรมชาตของกรดนวคลอก

การเสยสภาพธรรมชาต ( Denaturation ) ของกรดนวคลอกคอ การเปลยนสภาพธรรมชาตจากเกลยวคไปเปนโครงสรางทปราศจากระเบยบ ( Disordered structure ) ซงไดแกสภาพแวดลอมทเปนกรดและดาง ความรอน และ แอลกอฮอล สารละลายทไมโพลาร หรอสารทท าลายพนธะไฮโดรเจน เชน สารละลายยเรย ( Urea ) , Guanidine hydrochoride ซงจะท าใหกรดนวคลอคเสยโครงสรางธรรมชาต คณสมบตบางอยางกเปลยนไปดวย เชน ความหนดลดลง การดดแสงท 260 nm เพมขน และความหนาแนนของการลอยตวสงขน

7. นวคลโอโปรตน ( Nucleoprotein )

นวคลโอโปรตน คอ โครงสรางทไดจากการรวมตวระหวางกรดนวคลอกและโปรตน แบงตามชนดของกรดนวคลอค เปน 2 พวก

(1) ดออกซนวคลโอโปรตน ( Deoxynucleoprotein or DNP )ไดแกสวนประกอบของโครโมโซมในสตวชนสงซงประกอบดวย DNA และ โปรตน 2 ชนด คอ ฮสโตน ( Histone ) และ นอน- ฮสโตน ( Non- histone )

(2) ไรโบนวคลโอโปรตน ( Ribonucleoprotein or RNP ) ไดแก ไรโบโซม ( Ribosome ) ซงประกอบดวย rRNA และโปรตน

8. หนาทของกรดนวคลอก

1. ลอกแบบ (Replication) ตวเองในขณะทมการแบงเซลล เพอสราง DNA ส าหรบโครโมโซมของเซลลใหมทเกดขน

2. ควบคมการสงเคราะหโปรตน โดยผานกระบวนการถอดแบบ (Transcription)ในการสรางโปรตน แตยงไมทราบหนาททแนนอน

**********************************************

79

แบบฝกหด

1. กรดนวคลอก แบงออกเปนกชนด ไดแกอะไรบาง 2. กรดนวคลอกประกอบดวยหนวยยอย 3 ชนด คออะไร 3. โครงสรางของ DNA มลกษณะเปนอยางไร และมหนาทอยางไร 4. โครงสรางของ RNA มลกษณะแตกตางจากโครงสรางของ DNA อยางไร 5. RNA แบงออกไดเปน 3 ชนด คอ แตละชนดมหนาทอยางไร 6. กรดนวคลอกมคณสมบตอยางไรบาง 7. การสลายกรดนวคลอก ท าเพออะไร 8. สาเหตใดบางทท าใหกรดนวคลอกเสยสภาพธรรมชาต 9. นวคลโอโปรตน คออะไร แบงออเปนกชนด 10. หนาทของกรดนวคลอก คออะไร

************************************