โครงสร้าง DNA/RNA

นิวคลีโอไทด์มีน้ำตาล ฟอสเฟต และเบส ลำดับเบสเก็บข้อมูล ส่วนทิศ 5′/3′ กับการเข้าคู่จำเพาะทำให้คัดลอกและถอดรหัสได้ DNA โดยทั่วไปเป็นสองสายสวนทางกัน; RNA มักเป็นสายเดี่ยว ใช้ ribose และมี U แทน T

พื้นฐานที่ใช้: พันธะเชื่อมหน่วยย่อยเป็นพอลิเมอร์; สายกรดนิวคลีอิกมีปลาย 5′ และ 3′

เข้าใจเนื้อหาและเงื่อนไข

1. นิวคลีโอไทด์เป็นหน่วยย่อยสามส่วน

กรดนิวคลีอิกเป็นสายพอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยหน่วยย่อยนิวคลีโอไทด์เรียงต่อกันอย่างเฉพาะเจาะจง

องค์ประกอบพื้นฐาน 3 ส่วน:
- น้ำตาลเพนโทส (Pentose sugar): คาร์บอน 5 อะตอม (Deoxyribose ใน DNA มี -H ที่คาร์บอน 2′; Ribose ใน RNA มี -OH ที่คาร์บอน 2′)
- เบสไนโตรเจน (Nitrogenous base):
  - พิวรีน (Purine: วงแหวนคู่): อะดีนีน (A), กวานีน (G)
  - ไพริมีดีน (Pyrimidine: วงแหวนเดี่ยว): ไทมีน (T - พบเฉพาะ DNA), ยูราซิล (U - พบเฉพาะ RNA), ไซโทซีน (C)
- หมู่ฟอสเฟต (Phosphate group): ต่อที่คาร์บอนตำแหน่ง 5′

2. สายคู่ DNA วางสวนทางและจับคู่แบบจำเพาะ

แบบจำลองเกลียวคู่ (Double helix) ของ Watson และ Crick อธิบายคุณสมบัติการจับคู่ของเบสและทิศทางของสาย

ลักษณะสำคัญของโครงสร้าง DNA:
- Antiparallel: สายทั้งสองวางตัวขนานกันในทิศทางสวนกัน (สายหนึ่ง 5′→3′ อีกสาย 3′→5′)
- กฎการเข้าคู่เบส (Complementary base pairing):
  - A จับคู่กับ T ด้วยพันธะไฮโดรเจน 2 พันธะ ( $A=T$ )
  - G จับคู่กับ C ด้วยพันธะไฮโดรเจน 3 พันธะ ( $G\equiv C$ )
  - สาย DNA ที่มีสัดส่วนคู่ $G-C$ สูงจะมีจุดหลอมเหลว (Melting temperature: $T_m$ ) สูงกว่าคู่ $A-T$ เนื่องจากพันธะไฮโดรเจนมากกว่า
- กฎของ Chargaff: ใน DNA สายคู่ ปริมาณ $A = T$ และ $G = C$ เสมอ ( $A+G = T+C$ )

สาย DNA บนอ่าน 5′→3′ จับคู่กับสายล่าง 3′→5′ ตามลำดับ A–T, T–A, G–C, C–G, A–T; ด้านข้างเป็น RNA สายเดี่ยว 5′ AUGC 3′ ที่มี U — ภาพแสดง DNA สายคู่สมที่สวนทิศกันและจับคู่ A–T/G–C พร้อมตัวอย่าง mRNA ที่ใช้ U แทน T

จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
- ภาพรวม: เกลียวคู่เวียนขวา (Right-handed double helix) ของ DNA แสดงร่องใหญ่ (Major groove) และร่องเล็ก (Minor groove)
- ส่วนประกอบและสัญลักษณ์: โครงกระดูกน้ำตาล-ฟอสเฟตอยู่ด้านนอก (มีประจุลบ สัมผัสน้ำ); คู่เบสไนโตรเจนหันเข้าด้านในตั้งฉากกับแกนกลาง เชื่อมด้วยพันธะไฮโดรเจน
- ข้อจำกัดของภาพจำลอง: แสดงมิติเชิงเรขาคณิตทั่วไป ในเซลล์โครงสร้างอาจบิดงอตามแรงจับของโปรตีน

3. RNA มีหลายชนิดและพับเป็นโครงสร้างได้

RNA แม้เป็นสายเดี่ยวแต่สามารถพับตัวเป็นโครงสร้างสามมิติที่มีความซับซ้อนเพื่อทำหน้าที่เฉพาะ

ชนิดและหน้าที่ของ RNA หลัก:
- mRNA (Messenger RNA): สำเนาข้อมูลรหัสพันธุกรรมจาก DNA ไปยังไรโบโซมเพื่อแปลเป็นโปรตีน
- tRNA (Transfer RNA): พับเป็นรูปใบโคลเวอร์ มี anticodon ที่ปลายหนึ่งและจับกับกรดอะมิโนที่ปลาย 3′-OH
- rRNA (Ribosomal RNA): เป็นองค์ประกอบเชิงโครงสร้างและตัวเร่งปฏิกิริยา (Peptidyl transferase) ของไรโบโซม

ความรู้นี้ใช้กับโจทย์แบบไหน?

เขียนสายคู่สมหรือ mRNA

สังเกตจากโจทย์: ให้ลำดับพร้อมปลาย 5′/3′

เลือกวิธีคิด: กำหนดก่อนว่าต้องหา DNA คู่สมหรือ RNA; เติม A–T/U และ G–C แล้วกลับทิศของสายที่เข้าคู่

เปรียบเทียบ DNA/RNA

สังเกตจากโจทย์: ถามน้ำตาล เบส จำนวนสาย หรือหน้าที่

เลือกวิธีคิด: แยกสามแกนคือ sugar, T/U, structure/function; ใช้คำว่า “มัก” กับจำนวนสาย ไม่ใช่ “ทุกชนิด”

ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีคิด

ตัวอย่าง 1 · เขียนคู่สมพร้อมทิศ

หาคู่สมของ DNA 5′-ATGCCA-3′

เติมคู่เบสตามตำแหน่ง A–T และ G–C ได้ TACGGT
สายคู่สมต้องสวนทางกับสายต้นฉบับ จึงเขียน 3′-TACGGT-5′
ถ้าต้องส่งคำตอบแบบ 5′→3′ ให้กลับลำดับเป็น 5′-TGGCAT-3′

คำตอบ: 3′-TACGGT-5′ (หรือ 5′-TGGCAT-3′)

ตรวจเหตุผล: ตรวจคู่เบสทุกตำแหน่งและตรวจปลาย; การกลับลำดับทำได้เมื่อระบุทิศใหม่ชัดเจน

ตัวอย่าง 2 · จำแนกโมเลกุลจากส่วนประกอบ

กรดนิวคลีอิกมี ribose และใช้ U แทน T ควรจัดเป็นอะไร?

ribose เป็นน้ำตาลของ RNA ขณะที่ DNA ใช้ deoxyribose
U เป็นเบสที่ใช้ใน RNA แทน T ของ DNA
สองเกณฑ์สอดคล้องกัน จึงจัดเป็น RNA

คำตอบ: RNA

ตรวจเหตุผล: ใช้ทั้งชนิดน้ำตาลและเบส ไม่สรุปจากการเป็นสายเดี่ยวเพียงอย่างเดียว