ลักษณะของกรดนิวคลีอิก

กรดนิวคลีอิกที่สำคัญในธรรมชาติ ได้แก่ กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกหรือดีเอ็นเอ และกรดไรโบนิวคลีอิกหรืออาร์เอ็นเอ พวกมันถูกเรียกว่ากรดเพราะพวกมันเป็นผู้ให้โปรตอน (เช่น อะตอมไฮโดรเจน) ดังนั้นจึงมีประจุลบ

ในทางเคมี DNA และ RNA เป็นโพลีเมอร์ ซึ่งหมายความว่าพวกมันประกอบด้วยหน่วยที่ทำซ้ำ ซึ่งมักจะมีจำนวนมาก หน่วยเหล่านี้เรียกว่า นิวคลีโอไทด์. นิวคลีโอไทด์ทั้งหมดจะรวมองค์ประกอบทางเคมีที่แตกต่างกันสามส่วน: น้ำตาลเพนโทส กลุ่มฟอสเฟต และเบสไนโตรเจน

DNA แตกต่างจาก RNA ในสามวิธีหลัก หนึ่งคือน้ำตาลที่ประกอบขึ้นเป็น "กระดูกสันหลัง" โครงสร้างของโมเลกุลกรดนิวคลีอิกคือดีออกซีไรโบส ในขณะที่อาร์เอ็นเอคือไรโบส หากคุณคุ้นเคยกับระบบการตั้งชื่อทางเคมีอยู่แล้ว คุณจะรู้ว่านี่เป็นความแตกต่างเล็กน้อยในโครงร่างโครงสร้างโดยรวม ไรโบสมีหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) สี่หมู่ ในขณะที่ดีออกซีไรโบสมีสามหมู่

ความแตกต่างที่สองคือในขณะที่หนึ่งในสี่ของเบสไนโตรเจนที่พบใน DNA คือไทมีน เบสที่สอดคล้องกันใน RNA คือ uracil เบสไนโตรเจนของกรดนิวคลีอิกเป็นสิ่งที่กำหนดคุณลักษณะขั้นสูงสุดของสิ่งเหล่านี้ โมเลกุล เนื่องจากส่วนของฟอสเฟตและน้ำตาลไม่แตกต่างกันภายในหรือระหว่างโมเลกุลของ ชนิดเดียวกัน

ในที่สุด ดีเอ็นเอมีสายสองสาย ซึ่งหมายความว่าประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์สายยาวสองสายที่ผูกมัดทางเคมีโดยเบสไนโตรเจนสองเบส ดีเอ็นเอถูกพันเป็นรูปร่าง "เกลียวคู่" เหมือนกับบันไดที่ยืดหยุ่นได้ซึ่งบิดไปในทิศทางตรงกันข้ามที่ปลายทั้งสองข้าง

ดีออกซีไรโบสประกอบด้วยวงแหวนห้าอะตอม คาร์บอนสี่ตัว และออกซิเจน ซึ่งมีรูปร่างเหมือนห้าเหลี่ยมหรือบางทีอาจจะเป็นจานหลักในการเล่นเบสบอล เนื่องจากคาร์บอนสร้างพันธะสี่พันธะและออกซิเจน 2 พันธะ จึงทำให้มีจุดยึดเกาะแปดแห่งที่ว่างบนอะตอมของคาร์บอนสี่อะตอม สองอะตอมต่อคาร์บอน หนึ่งแห่งอยู่เหนือและอีกแห่งหนึ่งอยู่ใต้วงแหวน สามจุดเหล่านี้ถูกครอบครองโดยกลุ่มไฮดรอกซิล (-OH) และห้าจุดถูกอ้างสิทธิ์โดยอะตอมไฮโดรเจน

โมเลกุลน้ำตาลนี้อาจจับกับเบสหนึ่งในสี่ของไนโตรเจน ได้แก่ อะดีนีน ไซโตซีน กัวนีน และไทมีน Adenine (A) และ guanine (G) เป็น purines ในขณะที่ cytosine (C) และ thymine (T) เป็น pyrimidines พิวรีนเป็นโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่กว่าไพริมิดีน เนื่องจากโมเลกุล DNA ที่สมบูรณ์ทั้งสองเส้นถูกยึดไว้ตรงกลางโดยฐานไนโตรเจนของพวกมัน พันธะเหล่านี้ ต้องสร้างระหว่างพิวรีนหนึ่งตัวกับไพริมิดีนหนึ่งตัวเพื่อให้ขนาดรวมของเบสทั้งสองทั่วโมเลกุลโดยประมาณ ค่าคงที่ (ช่วยในการอ้างอิงถึงไดอะแกรมของกรดนิวคลีอิกเมื่ออ่าน เช่น ในเอกสารอ้างอิง) เมื่อเกิดขึ้น A จะจับกับ T ใน DNA เท่านั้น ในขณะที่ C พันธะกับ G เท่านั้น

ดีออกซีไรโบสที่จับกับเบสไนโตรเจนเรียกว่า a นิวคลีโอไซด์. เมื่อเติมหมู่ฟอสเฟตลงในดีออกซีไรโบสที่คาร์บอนสองจุดจากตำแหน่งที่ยึดฐาน จะเกิดนิวคลีโอไทด์ที่สมบูรณ์ขึ้น ลักษณะเฉพาะของประจุไฟฟ้าเคมีตามลำดับบนอะตอมต่างๆ ในนิวคลีโอไทด์คือ มีหน้าที่ในการสร้าง DNA ที่มีเกลียวคู่โดยธรรมชาติสร้างรูปร่างเป็นเกลียว และ DNA สองเส้นในโมเลกุล เรียกว่า เส้นเสริม

น้ำตาลเพนโทสในอาร์เอ็นเอคือไรโบสมากกว่าดีออกซีไรโบส ไรโบสนั้นเหมือนกันกับดีออกซีไรโบส ยกเว้นว่าโครงสร้างวงแหวนจับกับหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) สี่กลุ่มและไฮโดรเจนสี่อะตอมแทนที่จะเป็นสามและห้าตามลำดับ ส่วนไรโบสของนิวคลีโอไทด์จับกับหมู่ฟอสเฟตและเบสไนโตรเจน เช่นเดียวกับ DNA โดยมีฟอสเฟตสลับกันและ น้ำตาลสร้าง RNA "กระดูกสันหลัง" เบสดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ได้แก่ A, C และ G แต่ไพริมิดีนที่สองในอาร์เอ็นเอคือยูราซิล (U) แทน กว่าที

ในขณะที่ DNA เกี่ยวข้องเฉพาะกับการจัดเก็บข้อมูลเท่านั้น (ยีนเป็นเพียงสาย DNA ที่เข้ารหัสโปรตีนตัวเดียว) RNA ชนิดต่าง ๆ จะทำหน้าที่ต่างกัน Messenger RNA หรือ mRNA นั้นทำมาจาก DNA เมื่อ DNA ที่มีเกลียวคู่ปกติแบ่งออกเป็นสองสายเดี่ยวเพื่อจุดประสงค์ในการถอดรหัส ในที่สุด mRNA ที่เป็นผลลัพธ์จะไปถึงส่วนต่าง ๆ ของเซลล์ที่เกิดการผลิตโปรตีน โดยมีคำแนะนำสำหรับกระบวนการนี้ที่ส่งมาจาก DNA RNA ชนิดที่สองคือ transfer RNA (tRNA) มีส่วนร่วมในการผลิตโปรตีน สิ่งนี้เกิดขึ้นที่ออร์แกเนลล์ของเซลล์ที่เรียกว่าไรโบโซม และตัวไรโบโซมเองก็ประกอบด้วยอาร์เอ็นเอประเภทที่สามเป็นส่วนใหญ่ เรียกว่า ไรโบโซมอาร์เอ็นเอ (rRNA) อย่างเหมาะสม

เบสไนโตรเจน 5 ชนิด ได้แก่ อะดีนีน (A) ไซโตซีน (C) กัวนีน (G) และไทมีน (T) ใน DNA และสามตัวแรกบวกยูราซิล (U) ในอาร์เอ็นเอ - คือส่วนของกรดนิวคลีอิกที่ท้ายที่สุดแล้วมีความรับผิดชอบต่อความหลากหลายของผลิตภัณฑ์ยีนในสิ่งมีชีวิต สิ่งของ น้ำตาลและฟอสเฟตมีส่วนสำคัญในการสร้างโครงสร้างและนั่งร้าน แต่ฐานคือที่ที่รหัสถูกสร้างขึ้น หากคุณคิดว่าคอมพิวเตอร์แล็ปท็อปของคุณเป็นกรดนิวคลีอิกหรืออย่างน้อยเป็นสตริงของนิวเซโลไทด์ ฮาร์ดแวร์ (เช่น ดิสก์ไดรฟ์ จอภาพ หน้าจอ ไมโครโปรเซสเซอร์) มีความคล้ายคลึงกับน้ำตาลและฟอสเฟต ในขณะที่ซอฟต์แวร์และแอปใดก็ตามที่คุณใช้งานอยู่ก็เหมือนไนโตรเจน พื้นฐาน เนื่องจากการแบ่งประเภทโปรแกรมเฉพาะที่คุณโหลดลงในระบบของคุณทำให้คอมพิวเตอร์ของคุณมีเอกลักษณ์เฉพาะตัว "สิ่งมีชีวิต"

ตามที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ เบสไนโตรเจนจัดเป็นพิวรีน (A และ G) หรือพิริมิดีน (C, T และ U) A จะจับคู่กับสาย DNA กับ T เสมอ และ C จะจับคู่กับ G เสมอ ที่สำคัญเมื่อใช้สาย DNA เป็นแม่แบบสำหรับการสังเคราะห์อาร์เอ็นเอ (การถอดความ) ในแต่ละจุดตามโมเลกุลอาร์เอ็นเอที่กำลังเติบโต RNA nucleotide ที่สร้างขึ้นจาก DNA nucleotide "parent" รวมถึงเบสที่เป็นเบสที่ "parent" ยึดติดอยู่เสมอ ถึง. นี้จะสำรวจในส่วนเพิ่มเติม

พิวรีนประกอบด้วยวงแหวนไนโตรเจนและคาร์บอนหกส่วน และวงแหวนไนโตรเจนและคาร์บอนห้าส่วน เช่น รูปหกเหลี่ยมและห้าเหลี่ยมที่มีด้านร่วมกัน การสังเคราะห์พิวรีนเกี่ยวข้องกับการปรับแต่งทางเคมีของน้ำตาลไรโบส ตามด้วยการเติมอะมิโน (-NH₂) กลุ่ม พีริมิดีนยังมีวงแหวนไนโตรเจนและคาร์บอน 6 ตัว เช่น พิวรีน แต่ไม่มีวงแหวนไนโตรเจนและคาร์บอนห้าส่วนของพิวรีน พิวรีนจึงมีมวลโมเลกุลสูงกว่าไพริมิดีน

การสังเคราะห์นิวคลีโอไทด์ที่มีไพริมิดีนและการสังเคราะห์นิวคลีโอไทด์ที่มีพิวรีนเกิดขึ้นในลำดับที่ตรงกันข้ามในขั้นตอนสำคัญขั้นตอนเดียว ในไพริมิดีน ส่วนฐานจะถูกประกอบก่อน และส่วนที่เหลือของโมเลกุลจะถูกดัดแปลงเป็นนิวคลีโอไทด์ในภายหลัง ในพิวรีน ส่วนที่สุดท้ายกลายเป็นอะดีนีนหรือกัวนีนจะถูกดัดแปลงไปจนสิ้นสุดการก่อตัวของนิวคลีโอไทด์

การถอดความคือการสร้างสาย mRNA จากแม่แบบ DNA โดยมีคำแนะนำเดียวกัน (เช่น รหัสพันธุกรรม) สำหรับการผลิตโปรตีนเฉพาะอย่างที่แม่แบบทำ กระบวนการนี้เกิดขึ้นในนิวเคลียสของเซลล์ซึ่งเป็นที่ตั้งของดีเอ็นเอ เมื่อโมเลกุล DNA ที่มีสายสองเส้นแยกออกเป็นสายเดี่ยวและการถอดรหัสเกิดขึ้น mRNA ที่สร้างขึ้นจาก สายของคู่ DNA ที่ "คลายซิป" จะเหมือนกับ DNA ของ DNA ที่คลายซิปอีกสายหนึ่ง ยกเว้นว่า mRNA มี U แทน ต. (อีกครั้ง การอ้างถึงไดอะแกรมมีประโยชน์ ดูเอกสารอ้างอิง) mRNA เมื่อเสร็จแล้ว จะปล่อยนิวเคลียสผ่านรูพรุนในเยื่อหุ้มนิวเคลียส หลังจากที่ mRNA ออกจากนิวเคลียส มันจะเกาะติดกับไรโบโซม

จากนั้นเอ็นไซม์จะเกาะติดกับไรโบโซมเชิงซ้อนและช่วยในกระบวนการแปล การแปลคือการแปลงคำสั่งของ mRNA ให้เป็นโปรตีน สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อกรดอะมิโน ซึ่งเป็นหน่วยย่อยของโปรตีน ถูกสร้างขึ้นจาก "โคดอน" สามนิวคลีโอไทด์บนเกลียว mRNA กระบวนการนี้ยังเกี่ยวข้องกับ rRNA (เนื่องจากการแปลเกิดขึ้นบนซี่โครง) และ tRNA (ซึ่งช่วยรวบรวมกรดอะมิโน)

สาย DNA รวมตัวกันเป็นเกลียวคู่เนื่องจากการบรรจบกันของปัจจัยที่เกี่ยวข้อง หนึ่งในนั้นคือพันธะไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในส่วนต่างๆ ของโมเลกุล เมื่อเกิดเกลียวขึ้น คู่พันธะของเบสไนโตรเจนจะตั้งฉากกับแกนของเกลียวคู่โดยรวม แต่ละเทิร์นเต็มจะรวมคู่ที่ถูกผูกมัดฐานฐานทั้งหมดประมาณ 10 คู่ สิ่งที่อาจถูกเรียกว่า "ด้าน" ของ DNA เมื่อวางเป็น "บันได" ตอนนี้เรียกว่า "โซ่" ของเกลียวคู่ เหล่านี้ประกอบด้วยส่วนไรโบสและฟอสเฟตเกือบทั้งหมดของนิวคลีโอไทด์ โดยมีฐานอยู่ภายใน กล่าวกันว่าเกลียวมีทั้งร่องใหญ่และร่องเล็กที่กำหนดรูปร่างที่มั่นคงในที่สุด

แม้ว่าโครโมโซมอาจเรียกได้ว่าเป็นสาย DNA ที่ยาวมาก แต่ก็ทำให้เข้าใจง่ายขึ้นอย่างมาก ตามทฤษฎีแล้ว โครโมโซมที่ให้มาสามารถถูกไขออกเพื่อเผยให้เห็นโมเลกุล DNA ที่ไม่แตกสลายเพียงตัวเดียวตามทฤษฎี แต่ สิ่งนี้ไม่ได้บ่งชี้ถึงการม้วนงอ สพูล และการรวมกลุ่มที่สลับซับซ้อนที่ DNA ทำระหว่างทางไปสู่การสร้าง a โครโมโซม. โครโมโซมหนึ่งประกอบด้วยคู่เบสของ DNA หลายล้านคู่ และหาก DNA ทั้งหมดถูกยืดออกโดยไม่ทำให้เกลียวหัก ความยาวของมันจะขยายจากไม่กี่มิลลิเมตรเป็นมากกว่าเซนติเมตร ในความเป็นจริง DNA นั้นควบแน่นกว่ามาก โปรตีนที่เรียกว่าฮิสโตนเกิดขึ้นจากโปรตีนยูนิตย่อยสี่คู่ (มีทั้งหมดแปดยูนิต) อ็อกทาเมอร์นี้ทำหน้าที่เป็นแกนม้วนสำหรับเกลียวคู่ของ DNA เพื่อพันรอบตัวเองสองครั้ง เหมือนกับด้าย โครงสร้างนี้ อ็อกทาเมอร์บวกกับดีเอ็นเอที่พันรอบมัน เรียกว่านิวคลีโอโซม เมื่อโครโมโซมถูกคลายบางส่วนในเกลียวที่เรียกว่า โครมาทิด นิวคลีโอโซมเหล่านี้จะปรากฏบนกล้องจุลทรรศน์เป็นลูกปัดบนเชือก แต่เหนือระดับของนิวคลีโอโซม มีการบีบอัดสารพันธุกรรมเพิ่มเติม แม้ว่ากลไกที่แม่นยำยังคงเข้าใจยาก

พิจารณา DNA, RNA และโปรตีน ไบโอโพลีเมอร์ เพราะเป็นลำดับข้อมูลซ้ำๆ และกรดอะมิโนที่เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิต ("bio" หมายถึง "ชีวิต") นักชีววิทยาระดับโมเลกุลในทุกวันนี้ตระหนักดีว่า DNA และ RNA ในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่งเกิดขึ้นก่อนการกำเนิดของสิ่งมีชีวิตบน โลก แต่ในปี 2018 ยังไม่มีใครค้นพบเส้นทางจากพอลิเมอร์ชีวภาพยุคแรกสู่การใช้ชีวิตแบบเรียบง่าย simple สิ่งของ บางคนได้ตั้งทฤษฎีว่าอาร์เอ็นเอในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่งเป็นแหล่งกำเนิดของสิ่งเหล่านี้ทั้งหมด รวมทั้งดีเอ็นเอด้วย นี่คือ "สมมติฐานโลกอาร์เอ็นเอ" อย่างไรก็ตาม นี่เป็นสถานการณ์แบบไก่กับไข่ สำหรับนักชีววิทยา เพราะโมเลกุลอาร์เอ็นเอที่มีขนาดใหญ่เพียงพอ ดูเหมือนจะไม่สามารถเกิดขึ้นได้ด้วยวิธีการอื่นใดนอกจาก การถอดความ ไม่ว่าในกรณีใด นักวิทยาศาสตร์กำลังตรวจสอบ RNA เป็นเป้าหมายของโมเลกุลที่จำลองตัวเองเป็นครั้งแรกด้วยความกระตือรือร้นที่เพิ่มขึ้น

ปัจจุบันมีการใช้สารเคมีที่เลียนแบบองค์ประกอบของกรดนิวคลีอิกเป็นยา โดยมีการพัฒนาเพิ่มเติมในด้านนี้ ตัวอย่างเช่น รูปแบบที่ปรับเปลี่ยนเล็กน้อยของ uracil คือ 5-fluorouracil (5-FU) ถูกใช้มานานหลายทศวรรษเพื่อรักษามะเร็งในลำไส้ใหญ่ โดยเลียนแบบเบสไนโตรเจนจริงอย่างใกล้ชิดจนแทรกเข้าไปในดีเอ็นเอที่ผลิตขึ้นใหม่ ในที่สุดสิ่งนี้นำไปสู่การสลายการสังเคราะห์โปรตีน

สารเลียนแบบของนิวคลีโอไซด์ (ซึ่งคุณอาจจำได้ว่าเป็นน้ำตาลไรโบสบวกกับเบสไนโตรเจน) ถูกนำมาใช้ในการรักษาต้านเชื้อแบคทีเรียและไวรัส บางครั้งก็เป็นส่วนฐานของนิวคลีโอไซด์ที่ได้รับการดัดแปลง และในบางครั้งยาก็มุ่งเป้าไปที่ส่วนน้ำตาล