โครงสร้างและการจัดระเบียบของ DNA

โครงสร้างและการจัดระเบียบของ DNA อธิบายว่ากรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกถูกสร้างขึ้นอย่างไรในรูปเกลียวคู่แบบแอนติพาราเรล (antiparallel double helix) ซึ่งประกอบด้วยสายคู่สมสองสายที่จับคู่เบสกัน และเคมีของโมเลกุลนี้เข้ารหัสข้อมูลทางพันธุกรรมอย่างไร โครงสร้างนี้เป็นรากฐานที่การจำลองแบบ (replication) การถอดรหัส (transcription) และการบรรจุจีโนม (genome packaging) ล้วนต้องพึ่งพา

Definition

DNA เป็นพอลิเมอร์ของดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ ซึ่งสายแอนติพาราเรลสองสายพันกันเป็นเกลียวคู่ ยึดติดกันด้วยพันธะไฮโดรเจนระหว่างเบสคู่สม (อะดีนีน-ไทมีน และ กัวนีน-ไซโตซีน) โดยลำดับของเบสเป็นตัวเข้ารหัสข้อมูลทางพันธุกรรม

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมถึงหน่วยย่อยของ DNA (นิวคลีโอไทด์, โครงสร้างหลักน้ำตาล-ฟอสเฟต, และเบสทั้งสี่ชนิด), กฎการจับคู่เบสแบบสมบูรณ์, รูปทรงเกลียวคู่แบบแอนติพาราเรล, และความสัมพันธ์ระหว่างลำดับปฐมภูมิกับบทบาททางชีววิทยาของโมเลกุล เนื้อหานี้ถือว่าโครงสร้างเป็นหัวข้อทางชีววิทยาระดับโมเลกุล และไม่ได้ให้คำแนะนำทางคลินิก

Key concepts

• นิวคลีโอไทด์ (เบส, ดีออกซีไรโบส, ฟอสเฟต)
• โครงสร้างหลักน้ำตาล-ฟอสเฟต
• การจับคู่เบสแบบสมบูรณ์ (A-T, G-C)
• สายแอนติพาราเรลและขั้ว 5' ถึง 3'
• ร่องใหญ่และร่องเล็ก
• B-form DNA
• กฎองค์ประกอบเบสของชาร์กาฟฟ์

Mechanisms

แต่ละสายของ DNA เป็นสายโซ่ของนิวคลีโอไทด์ที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ระหว่างคาร์บอน 3' ของน้ำตาลหนึ่งโมเลกุลกับฟอสเฟต 5' ของโมเลกุลถัดไป ทำให้แต่ละสายมีขั้ว 5' ถึง 3' ที่แน่นอน สายสองสายที่มีขั้วตรงข้ามกันจะจับคู่กันผ่านพันธะไฮโดรเจนระหว่างเบสคู่สม และเรียงซ้อนกันเป็นเกลียวคู่เวียนขวา โดยมีเบสอยู่ด้านในและโครงสร้างหลักน้ำตาล-ฟอสเฟตอยู่ด้านนอก ก่อให้เกิดร่องใหญ่ (major groove) และร่องเล็ก (minor groove) แบบจำลองของวัตสันและคริกแสดงให้เห็นว่าการจับคู่ที่จำเพาะของอะดีนีนกับไทมีน และกัวนีนกับไซโตซีน ทำให้สายทั้งสองเป็นคู่สมกัน ดังนั้นลำดับของสายหนึ่งจึงกำหนดอีกสายหนึ่ง และโครงสร้างนี้โดยธรรมชาติแล้วบ่งชี้ว่าโมเลกุลสามารถถูกคัดลอกได้อย่างไร งานวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ รวมถึงภาพของแฟรงคลินและกอสลิง ได้ให้พื้นฐานเชิงทดลองสำหรับโครงสร้างที่เป็นเกลียวและเป็นระเบียบ

Clinical relevance

กฎโครงสร้างของ DNA เป็นรากฐานสำคัญในการอ่าน เปรียบเทียบ และวิเคราะห์ลำดับพันธุกรรมในทางการแพทย์ระดับโมเลกุล และวิธีการอธิบายการเปลี่ยนแปลงลำดับ นี่คือชีววิทยาเชิงอ้างอิงมากกว่าที่จะเป็นพื้นฐานสำหรับการตัดสินใจทางคลินิกส่วนบุคคล

History

ในช่วงต้นทศวรรษ 1950 ข้อมูลความสม่ำเสมอขององค์ประกอบเบส (กฎของชาร์กาฟฟ์) และข้อมูลการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์จากเส้นใย DNA ได้สะสมมามากพอ ในปี 1953 วัตสันและคริกได้เสนอแบบจำลองเกลียวคู่แบบแอนติพาราเรล ซึ่งตีพิมพ์พร้อมกับการศึกษาการเลี้ยวเบนโดยแฟรงคลินและกอสลิง และโดยวิลคินส์และคณะ แบบจำลองนี้ได้รวมเคมีและพันธุกรรมของ DNA เข้าด้วยกัน และกลายเป็นรากฐานโครงสร้างของชีววิทยาระดับโมเลกุล

Key figures

• James Watson
• Francis Crick
• Rosalind Franklin
• Maurice Wilkins
• Erwin Chargaff

Seminal works

• watson-crick-1953
• franklin-gosling-1953

Frequently asked questions

เหตุใดสาย DNA ทั้งสองจึงถูกอธิบายว่าเป็นแบบแอนติพาราเรล?

สายทั้งสองทอดตัวไปในทิศทางตรงกันข้าม: สายหนึ่งวางตัวจาก 5' ไป 3' ในขณะที่สายคู่ของมันวางตัวจาก 3' ไป 5' ขั้วที่ตรงกันข้ามนี้จำเป็นสำหรับการจับคู่เบสแบบสมบูรณ์และสำหรับการคัดลอกสาย

อะไรที่ยึดสายทั้งสองไว้ด้วยกัน?

พันธะไฮโดรเจนระหว่างเบสคู่สม (อะดีนีนจับคู่กับไทมีน, กัวนีนจับคู่กับไซโตซีน) ซึ่งเสริมความแข็งแรงด้วยการเรียงซ้อนของเบส จะยึดสายไว้ในเกลียวคู่ ในขณะที่ยังคงอนุญาตให้แยกออกจากกันเพื่อการคัดลอกได้