กรดนิวคลีอิก มี 2 ชนิดคือ 1. DNA (deoxyribonucleic acid) พบในนิวเคลียสของเซลล์ เป็นสารพันธุกรรม 2. RNA (ribonucleic acid) พบในนิวเคลียสและไซโตพลาสซึมของสิ่งมีชีวิต มีหน้าที่หลักในการสังเคราะห์โปรตีนภายในเซลล์
DNA และ RNA จะประกอบไปด้วยหน่วยย่อย นิวคลีโอไทด์ ซึ่งนิวคลีโอไทด์ประกอบไปด้วย 3 ส่วนคือ โมเลกุลของน้ำตาลไรโบส N-เบส และหมู่ฟอสเฟต โครงสร้าง DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์สายยาว 2 สาย พันกันเป็นเกลียว สายทั้งสองเกาะกันอยู่ด้วยคู่เบสที่เฉพาะเจาะจง คือ อะนีดีนกับไทมีน และ กวานีนกับไซโตซิน

กรดนิวคลีอิก
กรดนิวคลีอิกทำหน้าที่เก็บและถ่ายทอดข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตจากรุ่นหนึ่งไปยังรุ่นต่อไปให้แสดงลักษณะต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิต นอกจากนี้ ยังทำหน้าที่ควบคุมการเจริญเติบโตและกระบวนการต่างๆ ของสิ่งมีชีวิต
กรดนิวคลีอิก (Nucleic acid)
เป็นสารชีวโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่คล้ายโปรตีน ประกอบด้วยธาตุคาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจนไนโตรเจน และฟอสฟอรัส กรดนิวคลีอิกพบทั้งในเซลล์พืชและสัตว์ร่างกายสามารถสร้างกรดนิวคลีอิกได้จากกรดอะมิโนและคาร์โบไฮเดรต กรดนิวคลีอิกทำหน้าที่เก็บและถ่ายทอดข้อมูลทางพันธุ์กรรมของสิ่งมีชีวิตจากรุ่นหนึ่งไปยังรุ่นต่อไปให้แสดงลักษณะต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิต นอกจากนี้ ยังทำหน้าที่ควบคุมการเจริญเติบโตและกระบวนการต่างๆ ของสิ่งมีชีวิต
กรดนิวคลีอิกพบครั้งแรกโดย Friedrich Miescher ในปี ค.ศ. 1870 และตั้งชื่อว่า นิวคลีอิน (nuclein) ต่อมาเมื่อพบว่ามีสภาพเป็นกรด จึงได้ชื่อว่า กรดนิวคลีอิก
ในปี ค.ศ. 1947 Erwin Chargaff นักชีวเคมีชาวอเมริกันและเพื่อนร่วมงาน ได้ศึกษาองค์ประกอบทางเคมีของ DNA ที่ได้มาจากสิ่งมีชีวิตหลายชนิดและพบว่าความสัมพันธ์ของคู่เบส คือ Adenine = Thymine และ Cytosine = Guanine แสดงว่า Adenine จับคู่กับ Thymine และ Cytosine จับคู่กับ Guanine
ในปี ค.ศ.1950-1953 M.H.F. Wilkins นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ และ Rosalind Franklin เพื่อนร่วมงาน ได้ศึกษาโครงสร้างของ DNA โดยอาศัยการหักเหของรังสีเอ็กซ์ (X-ray diffraction) พบว่ามีการจัดเรียงตัวเหมือนกัน และอยู่ในสภาพที่เป็นเกลียว (helix) โดยที่แต่ละรอบของเกลียวมีระยะเท่าๆ กัน
Maurice Wilkins Rosalind Franklin ภาพจากX-ray Diffraction
ในปี ค.ศ. 1953 J.D. Watson นักชีววิทยาชาวอเมริกัน และ F.H.C.Crick นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้รวบรวมหลักฐานข้อมูลต่างๆ เกี่ยวกับ DNA จาก E.Chargaff และ Wilkins แล้วสรุปเป็นโครงสร้างสามมิติ James Dewey Watson และ F.H.Crick และ Rosalind Franklin
นักวิทยาศาสตร์ที่สำคัญทั้ง 3 ท่านที่ไขความลับเกลียวคู่ของ DNA
ในเดือน ธันวาคม 1962 9 ปีต่อมาทั้งJames Dewey Watson F.H.Crick และ M.H.F. Wilkins ต่างก็ได้รับรางวัลโนเบล สาขาการแพทย์
กรดนิวคลีอิก ประกอบด้วยหน่วยย่อที่เรียกว่า นิวคลีโอไทด์ (nucleotide) มีส่วนประกอบ 3 ส่วน ดังนี้
1. เบสไนโตรเจน
2. น้ำตาลเพนโทส
3. หมู่ฟอสเฟต
เบสในกรดนิวคลีอิก
เบสไนโตรเจน (Nitrogenous base) เป็นเบสที่มีไนโตรเจนประกอบในโมเลกุล มี 2 กลุ่ม คือ
1. เบสพีวรีน (purine base) ประกอบด้วยคาร์บอน 5 อะตอมและไนโตรเจน 4 อะตอมจัดเรียงตัวเป็นวงแหวนหกเหลี่ยมและเชื่อมต่อกับวงแหวนห้าเหลี่ยมอิมิดาโซล (imidazole ring) ได้แก่ Adenine กับ Guanine
2. เบสไพริมิดีน (pyrimidine) ประกอบด้วยคาร์บอนอะตอม 4 อะตอมและไนโตรเจนอีก 2 อะตอม จัดเรียงกันเป็นวงแหวนรูปหกเหลี่ยม ได้แก่ Thymine, Cytosine และ Uracil
เบสทั้งสองชนิดสามารถดูดกลืนแสงได้ดีที่สุดที่ 260 nm เราจึงใช้สมบัติในการศึกษาการเลี่ยนแปลงโครงสร้างของกรดนิวคลีอิก
โครงสร้างของไนโตรเจนเบส
น้ำตาลในกรดนิวคลีอิก
น้ำตาลเพนโทส (pentose) เป็นน้ำตาลที่มี จำนวนอะตอมของคาร์บอน 5 อะตอม C = 5 มี 2 ชนิด คือ
1. น้ำตาลไรโบส (Ribose sugar) สูตร C5H10O5 คาร์บอนตำแหน่งที่ 2 มีหมู่ -OH
2. น้ำตาลดีออกซีไรโบส (Deoxyribose sugar) สูตร C5H10O4 คาร์บอนตำแหน่งที่ 2 มีหมู่ H แทน -OH ทำให้ O หายไป 1 อะตอม
กรดฟอสฟอริกในกรดนิวคลีอิก
H3PO4 ---> H2PO4- + H+
↓
HPO42- + H+
↓
PO43- + H+
สมการแสดงการแตกตัวของกรดฟอสฟอริก
กรดฟอสฟอริกเป็นกรดที่แตกตัวให้โปรตอนได้สามครั้ง โดยแตกตัวให้ dihydrogenphosphate, hydrogenphosphate และ phosphate ตามลำดับ การแตกตัวครั้งที่ 2 และ 3 เป็นการแตกตัวแบบกรดอ่อน คือ แตกตัวไม่สมบูรณ์ ดังนั้นการที่กรดฟอสฟอริกจะอยู่ในรูป dihydrogenphosphate, hydrogenphosphate หรือ phosphate นั้นขึ้นกับ pH ของสิ่งแวดล้อมที่กรดอยู่
นิวคลีโอไทด์ (Nucleotide)
ซึ่งเป็นหน่วยย่อยที่สุดของกรดนิวคลีอิก ประกอบด้วย น้ำตาล เบสที่มีไนโตรเจน และหมู่ฟอสเฟต เนื่องจากประกอบด้วยเบส 5 ชนิด ทำให้ได้นิวคลีโอไทด์ 5 ชนิด ดังนี้
DNA RNA
โครงสร้างของนิวคลีโอไทด์
โครงสร้างของนิวคลีโอไทด์ 5 ชนิด
นิวคลีโอไซด์ (Nucleosides)
สารที่ประกอบขึ้นจากองค์ประกอบเพียงสองอย่าง คือเบสและน้ำตาลเพนโทสเท่านั้น สารทั้งสองเชื่อมต่อกันด้วยพันธะ ß -N- glycosidic โดยใช้คาร์บอนตำแหน่งที่ 1' ของน้ำตาลเชื่อมกับ ไนโตรเจนตำแหน่งที่ 9 ของพิวรีน หรือไนโตรเจนตำแหน่งที่ 1 ของไพริมิดีน
ความสัมพันธ์ระหว่าง nucleotide กับ nucleoside อาจจำอย่างง่ายๆ เป็นสมการก็ได้คือ
pentose + purine(pyrimidine) = nucleoside
nucleoside + phosphate = nucleotide
โครงสร้างของนิวคลีโอไซด์
โครงสร้างของนิวคลีโอไซด์ที่มีหมู่ฟอสเฟตแตกต่างกัน
โครงสร้างของ Adenosidetriphosphate (ATP)
พันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ (Phosphodiester Bond)
การสร้างพันธะของนิวคลีโอไทด์ เกิดจากการสร้างพันธะของน้ำตาลเพนโทส ซึ่งเป็นตัวเชื่อมระหว่างกรดฟอสฟอริก ด้วยพันธะเอสเทอร์ที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 5 ของน้ำตาล ส่วนเบสไนโตรเจนนั้นจะมาเชื่อมต่อกับน้ำตาลเพนโทสที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 1 ด้วยพันธะ glycosidic ระหว่างโมเลกุลของนิวคลีโอไทด์จะมีการเชื่อมกันระหว่างหมูฟอสเฟตของโมเลกุลนิวคลีโอไทด์ที่ 1 กับ คาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ของอีกโมเลกุลหนึ่ง ทำให้ได้ ปลาย 5' (5' end) และ 3' (3' end)
โครงสร้างสายพอลินิวคลีโอไทด์
ชนิดของกรดนิวคลีอิก
กรดนิวคลีอิกแบ่งออกเป็น 2 ชนิดใหญ่ๆ คือ
1. DNA (deoxyribonucleic acid) เป็นสารพันธุกรรมเป็นพอลิเมอร์ของดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ (deoxyribonucleotide) ซึ่งต่อเชื่อมกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ แต่ละนิวคลีโอไทด์ (nucleotide) ประกอบด้วย น้ำตาลดีออกซีไรโบส (2-deoxyribose) หมู่ฟอสเฟตและเบสไนโตรเจน(nitrogenous base) DNA พบในนิวเคลียสและไมโทคอนเดรียของเซลล์
การสร้างพันธะของพอลินิวคลีโอไทด์ใน DNA
โครงสร้างสามมิติของ DNA
1. DNA ประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย และมีทิศทางตรงกันข้าม (antiparaellel)
2. พิลินิวคลีโอไทด์บิดเป็นเกลียวคู่ (double helix) คล้ายบันไดเวียน โดยมีระยะห่างระหว่างสาย เท่ากับ 2 nm
3. สายของพอลินิวคลีโอไทด์มีน้ำตาลดีออกซีไรโบสและหมู่ฟอสเฟตเป็นโครงสร้างหลัก (backbone) และมีเบสอยู่ด้านใน
4. เบสจะตั้งฉากกับโครงสร้างหลักและเรียงตัวในพื้นราบเดียวกัน และจับคู่กับเบสของอีกสายหนึ่งด้วยพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond) โดสย A=T และ C≡G
5. การสร้างพันธะในสายพอลินิวคลีโอไทด์สายเดียวกัน โดย หมู่ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์โมเลกุลที่ 1 สร้างพันธะฟอสโฟเอสเทอร์กับคาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ของนิวคลีโอไทด์โมเลกุลที่ 2 และ หมู่ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์โมเลกุลที่ 2 สร้างพันธะฟอสโฟเอสเทอร์กับคาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ของนิวคลีโอไทด์โมเลกุลที่ 3 ต่อไปเรื่อยๆ ทำให้ปลายด้านที่เป็นหมูฟอสเฟตจับกับคาร์บอนตำแหน่งที่ 5 เป็น ปลาย 5' (5' end) และปลายด้านที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ว่า ปลาย 3' (3' end)
6. ระยะห่างของตำแหน่งเบสในแต่ละนิวคลีโอไทด์ เท่ากับ 0.34 nm เกลียว 1 รอบ ประกอบด้วยคู่เบส 10 คู่ ระยะห่างเท่ากับ 3.4 nm
7. การที่พอลีนิวคลีโอไทด์ 2 สายมาพันเป็นเกลียวทำให้เกิดร่อง 2 ร่อง คือ major groove และ miner groove
พันธะไฮโดรเจนในพอลินิวคลีโอไทด์ของ DNA
2. RNA (ribonucleic acid) เป็นพอลิเมอร์ของไรโบนิวคลีโอไทด์ (ribonucleotide) แต่ละนิวคลีโอไทด์ ประกอบด้วย น้ำตาลไรโบส (ribose) หมู่ฟอสเฟตและเบสไนโตรเจน RNA ทำหน้าที่ถ่ายทอดข้อมูลทางพันธุกรรมจาก DNA นำไปสร้างเป็นโปรตีนและเอนไซม์ RNA ส่วนใหญ่พบในไซโทพลาซึมของเซลล์
โครงสร้าง RNA
มี 3 ชนิด คือ
2.1 messenger RNA : m-RNA เป็น RNA ที่มีขนาดปานกลาง ตามปกติ RNA มีจำนวนนิวคลีโอไทด์ประมาณ 73-3,000 หน่วย แต่มีปริมาณน้อยที่สุดคือมีไม่ถึง 5% ของ RNA ทั้งหมดในเซลล์ m-RNA เป็นตัวกลางนำข้อความทางพันธุกรรมจาก DNA ในนิวเคลียสไปยังไรโบโซมในไซโตพลาสซึมเพื่อใช้ในการสังเคราะห์โปรตีน การเรียงลำดับของนิวคลีโอไทด์จะมีเบสที่คู่สมกับ DNA m-RNA แต่ละชนิดจะมีความยาวไม่เท่ากัน ในยูคาริโอต m-RNA ถูกสังเคราะห์ขึ้นในนิวเคลียส โดยเอนไซม์ อาร์เอนเอโพลีเมอเรส แล้วจึงถูกขนส่งออกไปสู่ไซโตพลาซึม
การทำงานของ mRNA
2.2 transfer RNA : t-RNA มีหน้าที่ขนย้ายกรดอะมิโนต่างๆ ไปยังไรโบโซมในขณะที่มีการสังเคราะห์โปรตีน โดยจะมี tRNA อย่างน้อยหนึ่งตัวต่อกรดอะมิโนแต่ละชนิด tRNA เป็นโพลีนิวคลีโอไทด์สายเดี่ยว ประกอบด้วยไรโบนิวคลีโอไทด์ประมาณ 73-93 ตัว และมีเบสที่ไม่ค่อยพบ (unusual base) ประมาณ 7-15 ตัวต่อโมเลกุล เบสพวกนี้เป็นอนุพันธ์ของ A U C และ G ที่ถูกเติมหมู่เมธิล 1หรือ 2 หมู่ โครงสร้างระดับที่หนึ่งของ tRNA ทุกชนิดจะมีลำดับของนิวคลีโอไทด์แตกต่างกันแต่โครงสร้างระดับที่สองจะเหมือนกัน คือเป็นรูปคล้ายดอกจิก โดยที่ปลาย 5’ ของ tRNA จะมีหมู่ฟอสเฟต เบสตัวสุดท้ายทางปลายนี้มักจะเป็น G ส่วนเบสทางปลาย 3’ ของ tRNA จะเป็น CCA เสมอ ซึ่งหมู่ 3’ –OH ของอะดีนีนนิวคลีโอไทด์ที่อยู่ปลายของโมเลกุลสามารถจับกับกรดอะมิโนเกิดเป็นอะมิโนเอซิล tRNA โครงสร้างทั่วไปของ tRNA มีแขน 5 แขน คือ-แขนที่ 1 เป็นแขนรับ (acceptor arm) หรือแขนกรดอะมิโน (amino acid arm) ประกอบด้วยปลาย 5’ และปลาย CCA 3’ –OH ทำหน้าที่รับกรดอะมิโนไว้เพื่อขนย้ายต่อไป- แขนที่ 2 เป็นแขนแอนติโคดอน (antidon arm) มีเบส 3 ตัว เป็นแอนติโคดอนที่จะจับคู่กับเบสของ mRNA - แขนที่ 3 เป็นแขนดี (D arm) หรือแขนไดไฮโดรยูริดีน (dihydrouridine arm ; DHU arm) มีเบสที่ถูกดัดแปลงคือ ไดไฮโดรยูริดีนอยู่- แขนที่ 4 เป็นแขนทียูซี (TUC arm) ซึ่งจะพบเบส T, pseudouridine และ C อยู่ที่แขนนี้เสมอ- แขนที่ 5 เป็นแขนพิเศษ (extra arm) เป็นแขนที่มีขนาดแตกต่างกันไปแล้วแต่ละชนิดของ tRNAจากการศึกษาผลึกของ tRNA ด้วยรังสีเอ็กซ์ พบว่ารูปร่างที่แท้จริงของ tRNA จะมีโครงสร้างคล้ายรูปตัวแอล
2.3 ribosomal RNA : rRNA มีประมาณ 75-80% ของ RNA ทั้งหมด เป็นส่วนประกอบของไรโบโซมที่อยู่ในไซโตพลาซึม มีหน้าที่สำคัญเกี่ยวกับการสังเคราะห์โปรตีนในเซลล์โปรคาริโอต เช่น E. coli มีประมาณ 15,000 ไรโบโซม ประกอบด้วย rRNA 66% และโปรตีน 34 % มีเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 18 นาโนเมตร และมีขนาด 70S (ขนาดของไรโบโซมสามารถวัดจากอัตราการเคลื่อนที่ภายใต้แรงเหวี่ยงและมีหน่วยเป็น Svedberg หรือ S) ไรโบโซมนี้ประกอบด้วย 2 หน่วยย่อย คือหน่วยย่อยใหญ่มีขนาด 50 S และหน่วยย่อยเล็ก 30 S ส่วนในเซลล์ยูคาริโอตมีไรโบโซมขนาด 80 S ประกอบด้วยหน่วยย่อย 40 S และ 60 S หน่วยย่อยต่างๆของไรโบโซมประกอบด้วย RNA และโปรตีน แต่ละหน่วยย่อยประกอบด้วยโปรตีนหลายชนิด แต่หน่วยย่อยเล็กจะมี RNA ชนิดเดียว ส่วนหน่วยย่อยใหญ่จะมี RNA 2 หรือ 3 ชนิด