biology

วันศุกร์ที่ 31 สิงหาคม พ.ศ. 2550

Polynucleotides


โพลีนิวคลีโอไทด์เกิดจากการเชื่อมต่อกันของนิวคลีโอไทด์เป็นสายยาวๆ โดยไม่มีการแตกแขนง การเชื่อมต่อกันของนิวคลีโอไทด์นั้นเกิดจากการสร้างพันธะเอสเธอร์ระหว่างหมู่ฟอสเฟตที่ตำแหน่ง 5′ ของนิวคลีโอไทด์หนึ่ง กับหมู่ไฮดรอกซีที่ตำแหน่ง 3′ ของอีกหน่วยนิวคลีโอไทด์ เป็นเหตุให้โมเลกุลของโพลีนิวคลีโอไทด์มีปลาย ๒ ปลาย คือปลาย 5′-phosphate กับปลาย 3′-OH ตามตัวอย่าง
จากตัวอย่างจะเห็นว่าโพลีนิวคลีโอไทด์มีโครงสร้างสองส่วนคือ ส่วนที่เป็นแกน (back bone) ประกอบขึ้นจากฟอสเฟตและน้ำตาลไรโบสเรียงสลับกัน กับส่วนที่เป็นกิ่งยื่นออกจาก back bone คือเบสไนโตรเจน ซึ่งมีความแตกต่าง หลากหลายกันไปตามแต่ชนิดของโพลีนิวคลีโอไทด์เอง

ชีววิทยา


ชีววิทยา เป็นการศึกษาทางวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิตในทุกๆแง่มุม ชีววิทยาซึ่งถือเป็นการศึกษาหลักที่แยกย่อยไปเป็นวิชาทางชีวภาพอื่นๆมากมาย ไม่ชีววิทยาเป็นสาขาวิชาที่ใหญ่มากจนไม่อาจศึกษาเป็นสาขาเดียวได้ จึงต้องแยกออกเป็นสาขาย่อยต่างๆ ในหัวข้อนี้จะแบ่งสาขาย่อยออกเป็น 4 กลุ่ม กลุ่มที่หนึ่งเป็นสาขาที่ศึกษาโครงสร้างพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต อย่างเช่นเซลล์ ยีน เป็นต้น กลุ่มที่สองศึกษาการทำงานของโครงสร้างต่างๆ ตั้งแต่ระดับเนื้อเยื่อ ระดับอวัยวะ จนถึงระดับร่างกาย กลุ่มที่สามศึกษาประวัติศาสตร์ของสิ่งมีชีวิต กลุ่มที่สี่ศึกษาความสัมพันธ์ในระหว่างสิ่งมีชีวิต อย่างไรก็ตาม การแบ่งกลุ่มนี้เป็นเพียงการจัดหมวดหมู่ให้สาขาต่างๆในชีววิทยาให้เป็นระเบียบและเข้าใจง่าย แต่ความจริงแล้ว ขอบเขตของสาขาต่างๆนั้นไม่แน่นอน และสาขาวิชาส่วนใหญ่ก็จำเป็นต้องใช้ความรู้จากสาขาอื่นด้วย ตัวอย่างเช่น สาขาชีววิทยาของวิวัฒนาการ ต้องใช้ความรู้จากสาขาอณูวิทยา เพื่อจัดลำดับของดีเอ็นเอ ซึ่งจะช่วยให้เข้าใจความแปรผันทางพันธุกรรมของประชากร หรือสาขาวิชาสรีรวิทยา ต้องใช้ความรู้จากสาขาชีววิทยาของเซลล์ เพื่ออธิบายการทำงานของระบบอวัยวะ
การศึกษาสิ่งมีชีวิตในระดับ
อะตอมและโมเลกุล จัดอยู่ในสาขาวิชาอณูชีววิทยา ชีวเคมี และอณูพันธุศาสตร์ การศึกษาในระดับเซลล์ จัดอยู่ในสาขาวิชาเซลล์วิทยา และในระดับเนื้อเยื่อ จัดอยู่ในสาขาวิชาสรีรวิทยา กายวิภาคศาสตร์ และมิญชวิทยา สาขาวิชาคัพภวิทยา
เป็นการศึกษาการเจริญเติบโตและพัฒนาการของตัวอ่อนของสิ่งมีชีวิต
สาขาวิชา
พันธุศาสตร์เป็นการศึกษาการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตจากรุ่นหนึ่งไปสู่อีกรุ่นหนึ่ง สาขาวิชาพฤติกรรมวิทยาเป็นการศึกษาพฤติกรรมของกลุ่มสิ่งมีชีวิต สาขาวิชาพันธุศาสตร์ประชากร เป็นการศึกษาพันธุศาสตร์ในระดับประชากรของสิ่งมีชีวิต การศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งกับสิ่งมีชีวิตอีกชนิดหนึ่ง และระหว่างสิ่งมีชีวิตกับถิ่นที่อยู่อาศัย จัดอยู่ในสาขาวิชานิเวศวิทยาและชีววิทยาของวิวัฒนาการ

โครงสร้างของนิวคลีโอไทด์


นิวคลีโอไทด์ประกอบขึ้นจากสารเคมีสามอย่างมาประกอบกันคือ
กรดฟอสฟอริก
น้ำตาลเพนโทส มีอยู่สองชนิดคือ น้ำตาลไรโบส และ ดีออกซีไรโบส น้ำตาลทั้งสองต่างกันตรงที่น้ำตาลดีออกซีไรโบสขาดหมู่ไฮดรอกซี (-OH) ที่คาร์บอนตำแหน่งที่สอง
เราสามารถใช้ปฎิกิริยาทางเคมีตรวจหาน้ำตาลทั้งสองชนิดได้โดย ใช้ปฏิกิริยาไดเฟนิลามีน (diphenylamine) ตรวจหาปริมาณน้ำตาลดีออกซีไรโบส และใช้ปฏิกิริยาออร์ซินอล (orcinol) ตรวจหาน้ำตาลไรโบส
เบสไนโตรเจน มีอยู่สองกลุ่มคือ เบสพิวรีน (purine) ได้แก่ Adenine กับ Guanine อีกกลุ่มหนึ่งคือ เบสไพริมิดีน (pyrimidine) ได้แก่ Thymine, Cytosine และ Uracil เบสทั้งสองชนิดสามารถดูดกลืนแสงได้ดีที่สุดที่ 260 nm เราจึงใช้คุณสมบัตินี้ ในการศึกษาการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของกรดนิวคลีอิก
หน่วยย่อยทั้งสามมาประกอบกันขึ้นเป็น nucleotide โดยมีน้ำตาลเป็นตัวเชื่อม กรดฟอสฟอริก เชื่อมต่อกับน้ำตาลเพนโทสด้วยพันธะเอสเธอร์ที่คาร์บอนตำแหน่งที่ ๕ ของน้ำตาล ส่วนเบสไนโตรเจนนั้น จะมาเชื่อมต่อกับน้ำตาลที่คาร์บอนตำแหน่งที่ ๑ ด้วยพันธะ ß - glycosidic

ไรโบโซม


ไรโบโซม เป็น ไรโบนิวคลีโอโปรตีน ประกอบขึ้นจาก rRNA กับโปรตีน ไรโบโซมมีบทบาทสำคัญในการสังเคราะห์โปรตีนของเซลล์ ซึ่งเซลล์ยูคาริโอตมีไรโบโซมขนาด 80 S แต่โปรคาริโอตจะมีไรโบโซมขนาด 70 S ไรโบโซมมีสองหน่วยย่อย (subunit) คือ large subunit (60S, 50S) กับ small subunit (40S, 30S) ของ ยูคาริโอตและโปรคาริโอต ตามลำดับ
ไรโบโซมพบได้ทั้งในไซโทพลาสซึม และในไมโตคอนเดรีย เมื่อจะมีการสังเคราะห์โปรตีน ไรโบโซมทั้งสองหน่วยย่อยต้องเข้ามาประกอบกัน เพื่อการทำหน้าที่ที่สมบูรณ์ในกระบวนการสังเคราะห์โปรตีน

สารพันธุกรรม


สารพันธุกรรม (อังกฤษ: Genetic Materials) คือ สารชีวโมเลกุล (Biomolecules) ที่ทำหน้าที่เก็บข้อมูลรหัสสำหรับการทำงานของของสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ เอาไว้ และเมื่อสิ่งมีชีวิตมีการสืบพันธุ์ เช่น เซลล์มีการแบ่งเซลล์ ก็จะมีการแบ่งสารพันธุกรรมนี้ไปยังเซลล์ที่แบ่งไปแล้วด้วย โดยยังคงมีข้อมูลครบถ้วน
สารชีวโมเลกุลที่ทำหน้าที่เป็นสารพันธุกรรมในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตชั้นสูง ซึ่งพบได้จาก นิวเคลียสของเซลล์ เรียกรวมว่า กรดนิวคลีอิค(Nucleic acids) โดยคุณสมบัติทางเคมีแบ่ง กรดนิวคลีอิคลงได้เป็นสองชนิดย่อย คือ อาร์เอ็นเอ (RNA – Ribonucleic acid) และ ดีเอ็นเอ (DNA – Deoxyribonucleic acid) สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่มีสารพันธุกรรมเป็น ดีเอ็นเอ, ยกเว้น ไวรัสบางชนิดเป็น อาร์เอ็นเอ (ไวรัสส่วนมาก มีสารพันธุกรรมเป็น ดีเอ็นเอ)
รหัสบนสารพันธุกรรม หากมีการถอดรหัส (Transcription) ออกมาได้ เรียกรหัสส่วนนั้นว่า ยีน (Gene)

โครงสร้างของ ดี เอน เอ


การศึกษาโครงสร้างของ ดี เอน เอ มีรากฐานมาจากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์หลายกลุ่ม เริ่มตั้งแต่งานของ Chargaff แห่งมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย ซึ่งได้ศึกษาองค์ประกอบเบสของ ดี เอน เอ จากแหล่งต่างๆ แล้วสรุปเป็นกฎของ Chargaff ดังนี้
องค์ประกอบเบสของ DNA จากสิ่งมีชีวิตต่างชนิดจะแตกต่างกัน
องค์ประกอบเบสของ DNA จากสิ่งมีชีวิตชนิดเดียวกันจะเหมือนกัน แม้ว่าจะนำมาจากเนื้อเยื่อต่างกันก็ตาม
องค์ประกอบเบสของ DNA ในสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งมีความคงที่ ไม่แปรผันตามอายุ อาหาร หรือสิ่งแวดล้อม
ใน DNA ไม่ว่าจะนำมาจากแหล่งใดก็ตาม จะพบ A=T , C=G หรือ purine = pyrimidine เสมอ
นักวิทยาศาสตร์อีกกลุ่ม ได้แก่ Flanklin และ Wilkins แห่งมหาวิทยาลัยลอนดอน ได้ศึกษาโครงสร้างของโมเลกุลของ ดี เอน เอ โดยใช้ภาพถ่ายการหักเหรังสีเอกซ์ที่ฉายผ่านโมเลกุล (X-rays diffraction)


ดี เอน เอ มีรูปร่างเป็นแท่งเกลียวเวียนขวา (alpha-helix) ประกอบขึ้นจากโพลีดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์สองสาย เชื่อมกันด้วยพันธะไฮโดรเจนที่เกิดระหว่างเบสไนโตรเจนของแต่ละสาย โพลีดีออกซีไรโบนิคลีโอไทด์ทั้งสองสายนี้ จะทอดตัวกลับหัวกลับหางกัน (antiparalle) สายหนึ่งทอดตัวในทิศ 5′ - 3′ อีกสายหนึ่งจะทอดตัวในทิศ 3′ -5′ ในการเข้าคู่กันนี้ทั้งสองสายจะหันส่วนที่เป็นน้ำตาลและฟอสเฟตออกข้างนอก แล้วฝังส่วนที่เป็นเบสไว้ภายในแกนกลางโมเลกุล ทำให้ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของแท่งเกลียว ดี เอน เอ มีขนาด 20 Å
๑ รอบเกลียวมีขนาด 34 Å ประกอบขึ้นจากจำนวนคู่เบส ๑๐ คู่ ดังนั้นแต่ละคู่เบสจะอยู่ห่างกัน 3.4 Å และการบิดรอบเกลียวทำให้โมเลกุลของ ดี เอน เอ เกิดร่องเกลียวสองขนาด ขนาดใหญ่เรียกว่า major groove ขนาดเล็กเรียกว่า minor groove
การจับกันด้วยพันธะไฮโดรเจนของคู่เบสนั้น เป็นการเข้าคู่ที่จำเพาะ คือ C จะจับกับ G ด้วยพันธะไฮโดรเจน ๓ พันธะ และ A จับกับ T ด้วยพันธะไฮโดรเจน ๒ พันธะ

คุณสมบัติของ ดี เอน เอ


ความเป็นกรด ในสิ่งแวดล้อมปกติของเซลล์ ดี เอน เอ มีประจุเป็นลบ แสดงถึงคุณสมบัติการเป็นกรด ดี เอน เอ จึงสามารถจับกับไอออนหรือสารอื่นที่มีประจุบวกได้
การเสียสภาพของ ดี เอน เอ คำว่าการเสียสภาพ (denaturation) ของ ดี เอน เอ หมายถึงการทำให้ ดี เอน เอ ซึ่งเคยเป็นสายคู่แยกตัวออกมาเป็นสายเดี่ยว สิ่งที่ทำให้เกิดการเสียสภาพธรรมชาติของ ดี เอน เอ ได้แก่ ความร้อน กรด ด่าง รังสีเอกซ์ ยูเรีย ดี เอน เอ ที่เสียสภาพธรรมชาติไปแล้ว ถ้าปรับสิ่งแวดล้อมใหม่ให้เหมาะสม มันสามารถคืนสภาพธรรมชาติได้ใหม่ ตัวอย่างเช่น ในเทคนิค hybridization เขาจะทำให้ ดี เอน เอ เสียสภาพธรรมชาติด้วยความร้อนก่อน แล้วให้คืนสภาพธรรมชาติใหม่ด้วยการค่อยๆลดอุณหภูมิลง
การดูดกลืนแสง ด้วยคุณสมบัติของเบส ที่สามารถดูดกลืนแสงได้มากที่สุดที่ 260 nm ดี เอน เอ ก็ดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นนี้ได้ดีที่สุดเช่นกัน คุณสมบัตินี้ทำให้เราสามารถวัดหาปริมาณ ดี เอน เอ ด้วยการวัดการดูดกลืนแสง แต่สิ่งที่ต้องคำนึงในที่นี้คือ ดี เอน เอ ในปริมาณที่เท่ากัน ถ้าเป็นสายเดี่ยว (จากการทำให้เสียสภาพธรรมชาติ) จะดูดกลืนแสงได้มากกว่า ดี เอน เอ สายคู่ คุณสมบัตินี้เรียกว่า ไฮเพอร์โครมิซึม (hyperchromism)