กรดนิวคลีอิก: โครงสร้าง หน้าที่ ประเภทและตัวอย่าง

กรดนิวคลีอิก เป็นตัวแทนของหนึ่งในสี่ประเภทหลักของ ชีวโมเลกุลซึ่งเป็นสารที่ประกอบเป็นเซลล์ อื่นๆ ได้แก่ โปรตีน คาร์โบไฮเดรต และไขมัน (หรือไขมัน)

กรดนิวคลีอิกซึ่งรวมถึง ดีเอ็นเอ (กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก) และ RNA (กรดไรโบนิวคลีอิก)ซึ่งแตกต่างจากชีวโมเลกุลอื่น ๆ อีกสามชนิดที่ไม่สามารถเผาผลาญพลังงานเพื่อส่งพลังงานให้กับสิ่งมีชีวิตที่เป็นพ่อแม่ได้

(นั่นเป็นเหตุผลที่คุณไม่เห็น "กรดนิวคลีอิก" บนฉลากข้อมูลโภชนาการ)

หน้าที่ของ DNA และ RNA คือการเก็บข้อมูลทางพันธุกรรม สำเนา DNA ของคุณที่สมบูรณ์สามารถพบได้ในนิวเคลียสของเกือบทุกเซลล์ในร่างกายของคุณ ทำให้การรวมตัวของ DNA นี้เรียกว่า โครโมโซม ในบริบทนี้ – ค่อนข้างเหมือนกับฮาร์ดไดรฟ์ของคอมพิวเตอร์แล็ปท็อป

ในรูปแบบนี้ ความยาวของ RNA ที่เรียกว่า ผู้ส่งสาร RNA มีรหัสคำสั่งสำหรับผลิตภัณฑ์โปรตีนเพียงชนิดเดียว (นั่นคือ มียีนเพียงตัวเดียว) และดังนั้นจึงเป็นเหมือน "ไดรฟ์นิ้วหัวแม่มือ" ที่มีไฟล์สำคัญเพียงไฟล์เดียว

DNA และ RNA มีความเกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิด การแทนที่เดี่ยวของอะตอมไฮโดรเจน (–H) ใน DNA สำหรับหมู่ไฮดรอกซิล (–OH) ที่ติดอยู่กับ อะตอมของคาร์บอนที่สอดคล้องกันใน RNA ทำให้เกิดความแตกต่างทางเคมีและโครงสร้างทั้งหมดระหว่างสอง กรดนิวคลีอิก.

อย่างที่คุณเห็น อย่างที่มักเกิดขึ้นในวิชาเคมี สิ่งที่ดูเหมือนความแตกต่างเล็กน้อยในระดับอะตอมนั้นมีผลที่ชัดเจนและลึกซึ้งในเชิงปฏิบัติ

กรดนิวคลีอิกประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ซึ่งเป็นสารที่ประกอบด้วยกลุ่มเคมีที่แตกต่างกันสามกลุ่ม: a น้ำตาลเพนโทส, หนึ่งถึงสาม กลุ่มฟอสเฟต และ ฐานไนโตรเจน.

น้ำตาลเพนโทสในอาร์เอ็นเอคือไรโบส ขณะที่ในดีเอ็นเอคือดีออกซีไรโบส นอกจากนี้ ในกรดนิวคลีอิก นิวคลีโอไทด์มีหมู่ฟอสเฟตเพียงกลุ่มเดียวเท่านั้น ตัวอย่างหนึ่งของนิวคลีโอไทด์ที่รู้จักกันดีซึ่งมีหมู่ฟอสเฟตหลายกลุ่มคือ ATPหรืออะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต. ADP (อะดีโนซีนไดฟอสเฟต) มีส่วนร่วมในกระบวนการเดียวกับที่เอทีพีทำ

โมเลกุลเดี่ยวของ DNA สามารถเป็น ยาวเป็นพิเศษ และสามารถยืดขยายไปตามความยาวของโครโมโซมทั้งหมดได้ โมเลกุลอาร์เอ็นเอมีขนาดจำกัดมากกว่าโมเลกุลดีเอ็นเอแต่ยังคงมีคุณสมบัติเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่

ไรโบส (น้ำตาลของอาร์เอ็นเอ) มีวงแหวนห้าอะตอมที่มีคาร์บอนสี่ในห้าอยู่ในน้ำตาล อีกสามกลุ่มถูกครอบครองโดยกลุ่มไฮดรอกซิล (–OH) หนึ่งกลุ่มโดยอะตอมไฮโดรเจนและอีกหนึ่งกลุ่มโดยกลุ่มไฮดรอกซีเมทิล (–CH2OH)

ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวใน ดีออกซีไรโบส (น้ำตาลของดีเอ็นเอ) คือ 1 ใน 3 หมู่ไฮดรอกซิล (กลุ่มที่ 2 คาร์บอน) หายไปและถูกแทนที่ด้วยอะตอมไฮโดรเจน

นอกจากนี้ ในขณะที่ทั้ง DNA และ RNA มีนิวคลีโอไทด์ที่มีเบสไนโตรเจนหนึ่งในสี่ที่เป็นไปได้รวมอยู่ด้วย สิ่งเหล่านี้มีความแตกต่างกันเล็กน้อยระหว่างกรดนิวคลีอิกสองชนิด ดีเอ็นเอประกอบด้วยอะดีนีน (A), ไซโตซีน (C), กัวนีน (G) และไทมีน ในขณะที่ RNA มี A, C และ G แต่ ยูราซิล (U) แทนไทมีน

ความแตกต่างในการทำงานส่วนใหญ่ระหว่าง DNA และ RNA เกี่ยวข้องกับบทบาทที่แตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัดในเซลล์ DNA เป็นที่เก็บรหัสพันธุกรรมสำหรับการดำรงชีวิต ไม่ใช่แค่การสืบพันธุ์แต่ยังรวมถึงกิจกรรมในชีวิตประจำวันอีกด้วย

RNA หรืออย่างน้อย mRNA มีหน้าที่รวบรวมข้อมูลเดียวกันและนำไปยังไรโบโซม นอกนิวเคลียสซึ่งมีการสร้างโปรตีนที่ช่วยให้สามารถดำเนินการเมตาบอลิซึมดังกล่าวได้ กิจกรรม.

ลำดับเบสของกรดนิวคลีอิกเป็นที่ที่ข้อความเฉพาะถูกส่งผ่าน และไนโตรเจน เบสสามารถกล่าวได้ว่าท้ายที่สุดแล้วรับผิดชอบต่อความแตกต่างในสัตว์ในสายพันธุ์เดียวกัน - นั่น คือ, การแสดงออกที่แตกต่างกันของลักษณะเดียวกัน (เช่น สีตา ลายขนตามร่างกาย)

เบสสองชนิดในกรดนิวคลีอิก (A และ G) เป็นพิวรีน ในขณะที่สองเบส (C และ T ใน DNA; C และ U ใน RNA) เป็นไพริมิดีน โมเลกุลของพิวรีนประกอบด้วยวงแหวนหลอมละลายสองวง ขณะที่ไพริมิดีนมีวงแหวนเพียงวงเดียวและโดยทั่วไปจะเล็ก คุณจะได้เรียนรู้ในไม่ช้า โมเลกุลดีเอ็นเอคือ สองควั่น เพราะความผูกพันระหว่าง นิวคลีโอไทด์ ในเส้นที่อยู่ติดกัน

เบส purine สามารถยึดติดกับฐาน pyrimidine เท่านั้น เนื่องจาก purines สองตัวจะใช้พื้นที่มากเกินไป ระหว่างเกลียวกับพีริมิดีนสองตัวน้อยเกินไป โดยที่ส่วนผสมระหว่างพิวรีนและไพริมิดีนจะเหมาะสม ขนาด.

แต่จริงๆ แล้ว สิ่งต่างๆ ถูกควบคุมอย่างเข้มงวดกว่านี้: ในกรดนิวคลีอิก อาผูกพันกับ onlyเท่านั้นตู่ (หรือยู ใน RNA) ในขณะที่ C ผูกพันกับ G. เท่านั้น.

คำอธิบายที่สมบูรณ์ของโมเลกุลดีเอ็นเอเป็น เกลียวคู่ ในปี ค.ศ. 1953 โดยเจมส์ วัตสันและฟรานซิส คริก ได้รับรางวัลโนเบลคู่หูในที่สุด ถึงแม้ว่าการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ของ โรซาลินด์ แฟรงคลินในช่วงหลายปีที่นำไปสู่ความสำเร็จนี้เป็นส่วนสำคัญในความสำเร็จของทั้งคู่และมักถูกมองข้ามไป หนังสือประวัติศาสตร์

ในธรรมชาติ, DNA มีอยู่เป็นเกลียว เพราะนี่คือรูปแบบที่เป็นประโยชน์มากที่สุดสำหรับชุดของโมเลกุลเฉพาะที่มีอยู่

โซ่ด้านข้าง เบส และส่วนอื่นๆ ของโมเลกุลดีเอ็นเอสัมผัสกับแรงดึงดูดทางไฟฟ้าเคมีและเคมีไฟฟ้า แรงผลักเพื่อให้โมเลกุลมีความ "สบาย" ที่สุด มีลักษณะเป็นเกลียวสองวง ชิดกันเล็กน้อย เช่น ลักษณะเกลียวพันกัน บันได

สายดีเอ็นเอประกอบด้วยหมู่ฟอสเฟตสลับกันและกากน้ำตาล โดยมีฐานไนโตรเจนติดอยู่กับส่วนต่างๆ ของน้ำตาล สาย DNA หรือ RNA นั้นยืดออกด้วยพันธะไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นระหว่างหมู่ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์หนึ่งตัวกับน้ำตาลที่ตกค้างในสายถัดไป

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ฟอสเฟตที่คาร์บอนหมายเลข 5 (มักเขียนเป็น 5') ของนิวคลีโอไทด์ที่เข้ามานั้นติดอยู่ แทนที่หมู่ไฮดรอกซิลบนคาร์บอนหมายเลข 3 (หรือ 3') ของพอลินิวคลีโอไทด์ที่กำลังเติบโต (นิวคลีอิกขนาดเล็ก กรด). นี้เรียกว่า การเชื่อมโยงฟอสโฟไดสเตอร์.

ในขณะเดียวกัน นิวคลีโอไทด์ทั้งหมดที่มีเบส A จะเรียงรายไปด้วยนิวคลีโอไทด์ที่มีเบส T ใน DNA และนิวคลีโอไทด์ที่มีฐาน U ในอาร์เอ็นเอ C จับคู่กับ G อย่างไม่ซ้ำกันในทั้งคู่

โมเลกุลดีเอ็นเอสองสายเรียกว่าเป็น เสริม ซึ่งกันและกัน, เพราะลำดับเบสของตัวหนึ่งสามารถกำหนดได้โดยใช้ลำดับเบสของอีกชุดหนึ่ง ต้องขอบคุณโมเลกุลของกรดนิวคลีอิกของโครงร่างการจับคู่เบสอย่างง่าย

ตามที่ระบุไว้ RNA มีความคล้ายคลึงเป็นพิเศษกับ DNA ในระดับเคมี โดยมีเพียงเบสไนโตรเจนหนึ่งเบสจากสี่ชนิดที่แตกต่างกันและมีอะตอมออกซิเจน "พิเศษ" เพียงอะตอมเดียวในน้ำตาลของอาร์เอ็นเอ เห็นได้ชัดว่าความแตกต่างที่ดูเหมือนเล็กน้อยเหล่านี้ก็เพียงพอแล้วที่จะทำให้แน่ใจว่าพฤติกรรมที่แตกต่างกันอย่างมากระหว่างชีวโมเลกุล

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง RNA คือ สายเดี่ยว. นั่นคือ คุณจะไม่เห็นคำว่า "สายเสริม" ที่ใช้ในบริบทของกรดนิวคลีอิกนี้ อย่างไรก็ตาม ส่วนต่าง ๆ ของสาย RNA เดียวกันสามารถโต้ตอบซึ่งกันและกันได้ ซึ่งหมายความว่ารูปร่างของ RNA นั้นมีความแตกต่างกันมากกว่ารูปร่างของ DNA (ซึ่งมักจะเป็นเกลียวคู่) ดังนั้นจึงมี RNA หลายประเภท

• mRNAหรือ RNA ของผู้ส่งสาร ใช้การจับคู่เบสเสริมเพื่อนำข้อความที่ DNA มอบให้ในระหว่างการถอดรหัสไปยังไรโบโซม โดยที่ข้อความนั้นจะถูกแปลเป็นการสังเคราะห์โปรตีน การถอดความมีอธิบายไว้ในรายละเอียดด้านล่าง
• rRNAหรือไรโบโซมอาร์เอ็นเอ ประกอบขึ้นเป็นส่วนที่มีขนาดใหญ่ของมวลของไรโบโซม ซึ่งเป็นโครงสร้างภายในเซลล์ที่มีหน้าที่ในการสังเคราะห์โปรตีน ส่วนที่เหลือของมวลของไรโบโซมประกอบด้วยโปรตีน
• tRNAหรือถ่ายโอน RNA มีบทบาทสำคัญในการแปลโดยการขนส่งกรดอะมิโนที่กำหนดไว้สำหรับสายพอลิเปปไทด์ที่กำลังเติบโตไปยังจุดที่มีการรวมโปรตีน ในธรรมชาติมีกรดอะมิโน 20 ชนิด แต่ละชนิดมี tRNA ของตัวเอง
  

ลองนึกภาพว่าถูกนำเสนอด้วยสายกรดนิวคลีอิกที่มีลำดับเบส AAATCGGCATTA จากข้อมูลนี้เพียงอย่างเดียว คุณควรจะสามารถสรุปสองสิ่งได้อย่างรวดเร็ว

หนึ่ง นั่นคือ DNA ไม่ใช่ RNA ตามที่เปิดเผยโดยการปรากฏตัวของไทมีน (T) สิ่งที่สองที่คุณบอกได้ก็คือสายคู่สมของโมเลกุลดีเอ็นเอนี้มีลำดับเบส TTTAGCCGTAAT

คุณยังสามารถแน่ใจได้ถึงสาย mRNA ที่จะเป็นผลมาจากสาย DNA นี้ซึ่งอยู่ระหว่างการถอดรหัส RNA ก็จะมีเหมือนกัน ลำดับของฐาน เป็น สาย DNA เสริมโดยที่กรณีของไทมีน (T) จะถูกแทนที่ด้วย uracil (U)

ทั้งนี้เป็นเพราะการจำลองแบบดีเอ็นเอและการถอดรหัสอาร์เอ็นเอทำงานคล้ายกันโดยที่สายเกลียวที่สร้างจากสายแม่แบบคือ ไม่ซ้ำกับเกลียวนั้น แต่ส่วนเติมเต็มหรือเทียบเท่าในอาร์เอ็นเอ

เพื่อให้โมเลกุลดีเอ็นเอสร้างสำเนาของตัวเอง เกลียวคู่ทั้งสองเส้นจะต้องแยกจากกันในบริเวณใกล้เคียงกับการคัดลอก ทั้งนี้เพราะว่าแต่ละเกลียวถูกคัดลอก (ทำซ้ำ) แยกจากกัน และเนื่องจากเอ็นไซม์และโมเลกุลอื่นๆ ที่มีส่วนร่วม การจำลองดีเอ็นเอ ต้องการพื้นที่โต้ตอบซึ่งไม่มีเกลียวคู่ ดังนั้นทั้งสองเส้นจึงแยกออกจากกันทางกายภาพและเรียกว่า DNA เป็น เสียสภาพ.

DNA ที่แยกจากกันแต่ละสายจะสร้างสายใหม่มาประกอบเข้ากับตัวมันเอง และยังคงถูกผูกไว้กับมัน ดังนั้น ในความหมายหนึ่ง ไม่มีอะไรแตกต่างกันในแต่ละโมเลกุลที่มีสายคู่ใหม่จากแม่ของมัน ในทางเคมี พวกมันมี องค์ประกอบโมเลกุลเดียวกัน. แต่เกลียวหนึ่งเส้นในเกลียวคู่แต่ละเส้นนั้นใหม่เอี่ยมในขณะที่อีกเส้นหนึ่งเหลือจากการจำลองแบบเอง

เมื่อการจำลองแบบของ DNA เกิดขึ้นพร้อมกันตามสายคู่สมที่แยกจากกัน การสังเคราะห์ของสายใหม่จะเกิดขึ้นในทิศทางตรงกันข้าม อีกด้านหนึ่ง สายใหม่จะเติบโตในทิศทางที่ DNA ถูก "คลายซิป" เมื่อถูกทำให้เสียสภาพ

อย่างไรก็ตาม ในอีกด้านหนึ่ง มีการสังเคราะห์ชิ้นส่วนเล็กๆ ของ DNA ใหม่ขึ้น ห่างออกไป จากทิศทางการแยกเกลียว สิ่งเหล่านี้เรียกว่าชิ้นส่วนของ Okazaki และถูกรวมเข้าด้วยกันโดยเอ็นไซม์หลังจากถึงความยาวที่กำหนด DNA ใหม่สองเส้นนี้คือ ขนานกัน ซึ่งกันและกัน.

การถอดความอาร์เอ็นเอ คล้ายกับการจำลองแบบของ DNA ซึ่งจำเป็นต้องมีการแยกสาย DNA ออกก่อนจึงจะเริ่มต้นได้ mRNA ถูกสร้างขึ้นตามแม่แบบ DNA โดยการเพิ่มลำดับของ RNA นิวคลีโอไทด์โดยเอ็นไซม์ RNA polymerase

การถอดเสียงเบื้องต้นของ RNA ที่สร้างจาก DNA สร้างสิ่งที่เราเรียกว่า ก่อน mRNA. สแตรนด์ pre-mRNA นี้ประกอบด้วยทั้ง อินตรอนและเอ็กซอน. อินตรอนและเอ็กซอนเป็นส่วนภายใน DNA/RNA ที่ทำหรือไม่มีรหัสสำหรับส่วนต่างๆ ของผลิตภัณฑ์ยีน

อินตรอน เป็นส่วนที่ไม่เข้ารหัส (เรียกอีกอย่างว่า "interfering ส่วน") ในขณะที่ exons เป็นส่วนการเข้ารหัส (เรียกอีกอย่างว่า "อดีตส่วนกด")

ก่อนที่ mRNA สาระนี้ออกจากนิวเคลียสเพื่อแปลเป็นโปรตีน เอ็นไซม์ภายในสรรพสามิตของนิวเคลียส หรือที่รู้จักว่าถูกตัดออก อินตรอน เนื่องจากพวกมันไม่ได้เข้ารหัสอะไรในยีนนั้น ๆ จากนั้นเอ็นไซม์จะเชื่อมต่อลำดับอินตรอนที่เหลือเพื่อให้คุณได้สาย mRNA สุดท้าย

โดยปกติแล้ว mRNA strand หนึ่งเส้นจะมีลำดับเบสที่จำเป็นต่อการประกอบโปรตีนเฉพาะตัวที่ปลายน้ำใน การแปล กระบวนการ ซึ่งหมายความว่าโมเลกุล mRNA โดยทั่วไปจะมีข้อมูลสำหรับหนึ่ง ยีน. ยีนคือลำดับดีเอ็นเอที่กำหนดรหัสผลิตภัณฑ์โปรตีนชนิดใดชนิดหนึ่ง

เมื่อการถอดรหัสเสร็จสมบูรณ์ เกลียว mRNA จะถูกส่งออกจากนิวเคลียสผ่านรูพรุนในซองจดหมายนิวเคลียร์ (โมเลกุลอาร์เอ็นเอมีขนาดใหญ่เกินไปที่จะแพร่กระจายผ่านเยื่อหุ้มนิวเคลียส เช่นเดียวกับน้ำและโมเลกุลขนาดเล็กอื่นๆ) จากนั้น "เทียบท่า" กับ ไรโบโซม ในไซโตพลาสซึมหรือภายในออร์แกเนลล์บางชนิด และ การสังเคราะห์โปรตีน ได้เริ่มต้นขึ้น

กรดนิวคลีอิกไม่สามารถเผาผลาญเป็นเชื้อเพลิงได้ แต่สามารถสร้างขึ้นจากโมเลกุลที่เล็กมากหรือแยกย่อยออกจากรูปแบบที่สมบูรณ์เป็นส่วนเล็กๆ นิวคลีโอไทด์ถูกสังเคราะห์โดยปฏิกิริยาอะนาโบลิก มักมาจากนิวคลีโอไซด์ ซึ่งเป็นนิวคลีโอไทด์ลบด้วยหมู่ฟอสเฟตใดๆ (กล่าวคือ นิวคลีโอไซด์คือน้ำตาลไรโบสบวกกับฐานไนโตรเจน)

ดีเอ็นเอและอาร์เอ็นเอสามารถย่อยสลายได้: จากนิวคลีโอไทด์ไปเป็นนิวคลีโอไซด์ จากนั้นไปเป็นเบสที่มีไนโตรเจน และในที่สุดก็กลายเป็นกรดยูริก

การสลายตัวของกรดนิวคลีอิกมีความสำคัญสำหรับ สุขภาพโดยรวม. ตัวอย่างเช่น การไม่สามารถสลายพิวรีนได้เชื่อมโยงกับโรคเกาต์ ซึ่งเป็นโรคที่เจ็บปวดซึ่งส่งผลต่อข้อต่อบางส่วนด้วยการสะสมของผลึกเกลือยูเรตในตำแหน่งเหล่านั้น