โครงสรางและคุณสมบัติของกรดนิวคลีอิก PDF

โครงสรางและคุณสมบัติของกรดนิวคลีอิก (The structures and properties of nucleic acids) ผศ. ธนวดี ปรีเปรม วัตถุประสงคการเรียนรู 1. ระบุชนิดของกรดนิวคลีอิก และเปรียบเทียบความแตก...

โครงสรางและคุณสมบัติของกรดนิวคลีอิก (The structures and properties of nucleic acids) ผศ. ธนวดี ปรีเปรม วัตถุประสงคการเรียนรู 1. ระบุชนิดของกรดนิวคลีอิก และเปรียบเทียบความแตกตางระหวาง DNA และ RNA 2. ระบุโครงสรางทางเคมีของเบส นิวคลีโอไซด นิวคลีโอไทด และพอลินิวคลีโอไทด 3. เขียนและอานชื่อเบส นิวคลีโอไซด นิวคลีโอไทด และพอลินิวคลีโอไทด ตามหลักสากล 4. อธิบายกลไกของการสังเคราะหนิวคลีโอไซด นิวคลีโอไทดได และพอลินิวคลีโอไทด และอธิบายการ ประยุกตใชกลไกนี้ทางเภสัชกรรม 5. อธิบายและเปรียบเทียบลักษณะทั่วไปของโครงสราง 3 ระดับ ของกรดนิวคลีอิกชนิด DNA และ RNA พรอมยกตัวอยางความสำคัญทางโครงสรางตอการทำหนาที่ของ DNA และ RNA 6. ระบุอันตรกิริยาทางเคมีชนิดที่พบในโครงสราง DNA และ RNA และอธิบายผลตอความเสถียรของโมเลกุล 7. อธิบายคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่สำคัญของเบสไนโตรเจน น้ำตาลไรโบส และหมูฟอสเฟต 8. ยกตัวอยางการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นบนสาย DNA และ RNA และอธิบายผลกระทบที่เกิดขึ้น ขอบเขตเนื้อหา 1. บทนำ 2. ชนิดของกรดนิวคลีอิก โครงสรางเคมี และการเรียกชื่อ 3. การสังเคราะหนิวคลีโอไซด นิวคลีโอไทด และพอลินิวคลีโอไทด 4. โครงสรางของกรดนิวคลีอิก 5. ตัวอยางโมเลกุล RNA และความสำคัญทางโครงสราง 6. อันตรกิริยาทางเคมีที่พบในโครงสรางของ DNA และ RNA และการประเมินความเสถียรของโมเลกุล 7. คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของกรด 8. ผลกระทบที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงในกรดนิวคลีอิก 9. บทสรุป การเตรียมตัวและรูปแบบการเรียน 1. นักศึกษาทบทวนเอกสารประกอบการเรียนรูเรื่องโครงสรางและคุณสมบัติของกรดนิวคลีอิกมาลวงหนา 2. กิจกรรมในหองเรียนเนนอภิปรายเฉพาะประเด็นสำคัญรวมกับการทำแบบฝกหัดในหองเรียน การวัดผลการเรียน 1. การทดสอบกอนเรียน หลังเรียน และสอบกลางภาค โดยเปนขอสอบแบบปรนัย 5 ตัวเลือก จำนวนอยางละ 10 ขอ 1 1. บทนำ กรดนิวคลีอิกเปนสารชีวโมเลกุลที่มีบทบาทสำคัญในการเก็บและถายทอดขอมูลพันธุกรรม สิ่งมีชีวิต สวนใหญใชกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (deoxyribonucleic acid; DNA) เปนสารพันธุกรรม ขณะที่ไวรัสบาง ประเภทใชกรดไรโบนิวคลีอิก (ribonucleic acid; RNA) นอกจากนี้ RNA ยังมีบทบาทสำคัญในการควบคุม การแสดงออกของยีนระหวางกระบวนการถอดรหัส (transcription) และการแปลรหัส (translation) โครงสรางของ DNA และ RNA มีพื้นฐานคลายกัน ประกอบดวยนิวคลีโอไทดหลายโมเลกุลเรียงตอกัน แตละโมเลกุลมีองคประกอบ คือ เบส น้ำตาล และหมูฟอสเฟต อยางไรก็ตามกรดนิวคลีอิกทั้ง 2 ชนิดมีความ แตกตางกันในดานลักษณะของการใชเบสคูสม โครงสรางทุติยภูมิ และโครงสรางตติยภูมิ ทั้งนี้ RNA มีรูปรางที่ ไมจำเพาะเหมือนโครงสรางเกลียวคูของ DNA เพราะ RNA ทำหนาที่หลากหลายกวา DNA เนื่อ งจากกรดนิว คลี อิ ก มีห นา ที ่ ควบคุม การเจริญ เติบ โตและกระบวนการต าง ๆ ของสิ่งมี ช ี วิ ต การศึก ษาเกี่ยวกับ ชนิด โครงสรา ง คุณสมบัติ การทำงาน และการเปลี่ย นแปลงของกรดนิว คลีอิ ก จึ ง มี ความสำคัญตอความเขาใจในชีวเคมีพื้นฐาน และสามารถนำไปประยุกตใชในดานการแพทยและเภสัชกรรมได เชน การวิเคราะหผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงชนิดของเบสในกรดนิวคลีอิก การผลิตยาที่มีโครงสรางคลาย กับเบส นิวคลีโอไซด หรือนิวคลีโอไทด เพื่อใชเปนยาตานจุลชีพและยาตานมะเร็ง 2. ชนิดของกรดนิวคลีอิก โครงสรางเคมี และการเรียกชื่อ 1-3 2.1 ชนิดของกรดนิวคลีอิก และองคประกอบ กรดนิวคลีอิกแบงเปน 2 ประเภท คือ กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (DNA) และกรดไรโบนิวคลีอิก (RNA) (ภาพที่ 1) หนวยยอยของกรดนิวคลีอิก คือ นิวคลีโอไทด (nucleotide) ซึ่งมีองคประกอบ 3 อยาง ไดแก  เบสไนโตรเจน (nitrogenous base) – แบงเปน 2 กลุม คือ o เบสพิริมิดีน (pyrimidine base) ไดแก ไซโตซีน (cytosine; C) ไธมีน (thymine; T) และ ยูราซิล (uracil; U) o เบสพิวรีน (purine base) ไดแก อะดีนีน (adenine; A) และกัวนีน (guanine; G ) โดยชนิดของเบสที่ใชใน DNA คือ A, C, G และ T สวน RNA ใชเบส A, C, G และ U  น้ำตาลเพนโทส (pentose sugar) – เปนน้ำตาลที่มีคารบอน 5 อะตอม ซึ่ง DNA จะใชน้ำตาล ดีออกซีไรโบส (deoxyribose) สวน RNA ใชน้ำตาลไรโบส (ribose)  หมูฟอสเฟต (phosphate group) – มีไดตั้งแต 1-3 หมู ตอนิวคลีโอไทด 1 ตัว เมื่อมีการสรางพันธะระหวางเบสกับน้ำตาลจะไดนิวคลีโอไซด (nucleoside) หากนำหมูฟอสเฟตมา ตอกับนิวคลีโอไซดจะไดนิวคลีโอไทด (nucleotide) และเมื่อใชหมูฟอสเฟตที่ติดกับโมเลกุลของน้ำตาลเปน ตัวเชื่อมนิวคลีโอไทดหลายโมเลกุลเขาดวยกันจะไดพอลินิวคลีโอไทด (polynucleotide) ชนิด DNA หรือ RNA นั่นเอง 2 ภาพที่ 1 ชนิดของกรดนิวคลีอิก และความแตกตางระหวาง DNA และ RNA 2.2 โครงสรางเคมีและการเรียกชื่อเบส นิวคลีโอไซด และนิวคลีโอไทด ที่พบในธรรมชาติ โครงสรางเคมีของเบส นิวคลีโอไซด และนิวคลีโอไทดที่พบในธรรมชาติ แสดงดังตารางที่ 1 โดยมี หลักการเรียกชื่อดังนี้  การเรียกชื่อเบส o สามารถใชไดทั้งชื่อเต็ม หรืออักษรยอซึ่งมีอยูดวยกัน 2 ระบบ คือ ระบบที่ใชรหัสอักษร 3 ตัว (three letter code) และระบบที่ใชรหัสอักษร 1 ตัว (one letter code)  การเรียกชื่อนิวคลีโอไซด o หากเปนนิวคลีโอไซดของเบสพิวรีน – ใหแปลงชื่อเบสใหลงทายดวยคำวา “ซีน” (-sine) ไดแก อะดีโนซีน (adenosine) และกัวโนซีน (guanosine) o หากเปนนิวคลีโอไซดของเบสพิริมิดีน – ใหแปลงชื่อเบสใหลงทายดวยคำวา “ดีน” (-dine) ไดแก ไซดิดีน (cytidine) ยูริดีน (uridine) และไธมิดีน (thymidine) o กรณีที่ใชน้ำตาลดีออกซีไรโบส – ใหใส “ดีออกซี” (deoxy-) นำหนา เชน ดีออกซีอะดีโนซีน (deoxyadenosine) หรื อ ใส “ดี อ อกซี ไ รโบนิ ว คลี โ อไซด ” (deoxyribonucleoside) ตามหลัง เชน อะดีโนซีน ดีออกซีไรโบนิวคลีโอไซด (adenosine deoxyribonucleoside) แตหากใชเปนน้ำตาลไรโบสไมตองใสคำนำหนา แตสามารถใชคำลงทาย “ไรโบนิวคลีโอไซด” เชน อะดีโนซีน ไรโบนิวคลีโอไซด (adenosine ribonucleoside)  การเรียกชื่อนิวคลีโอไทด o ใหใชชื่อนิวคลีโอไซดตอดวยการระบุตำแหนงทีม ่ หี มูฟอสเฟตมาเกาะ o ใหระบุจ ำนวนหมูฟอสเฟตทั้งหมดที่เกาะอยูกับนิวคลีโ อไทดนั้นดว ยคำวา "mono-", "di-" หรือ "triphosphates" เชน ดีออกซีอะดีโนซีน 5’ โมโนฟอสเฟต (deoxyadenosine-5’- monophosphate) 3 2.3 โครงสรางเคมีและการเรียกชื่อเบส นิวคลีโอไซด และนิวคลีโอไทด ทีถ่ ูกดัดแปลง (modified) 2 เบสที ่ ถ ู ก ดั ด แปลง (modified bases) หมายถึ ง เบสธรรมชาติ ที่ ม ีโ ครงสร า งเคมี ต า งไปจากเบส มาตรฐาน (A, C, G, T และ U) โดยมากมักจะถูกดัดแปลงหลังจากที่นิวคลีโอไทดมาตรฐานถูกรวมเขาไปในสาย พอลิน ิว คลีโอไทดแลว กระบวนการดัดแปลงนี้มีบทบาทสำคัญในการควบคุม การแสดงออกของยีน การ ตอบสนองของเซลล การซอมแซม DNA และการปองกันจีโนมจากความเสียหาย 4-6 โครงสรางเคมีของเบส นิวคลีโอไซด และนิวคลีโอไทดที่ถูกดัดแปลงแสดงในตารางที่ 2 สวนหลักการ เรียกชื่อจะคลายกับกรณีของเบส นิวคลีโอไซด และนิวคลีโอไทดปกติ โดยมีรายละเอียดดังนี้  การเรียกชื่อเบสที่ถูกดัดแปลง (modified bases) o ใชไดทั้งชื่อเต็มหรือแบบยอ (รหัสอักษร 3 ตัว และ 1 ตัว) o ชื่อของเบสที่ถูกดัดแปลงมักประกอบดวยชื่อของเบสพื้นฐานและการดัดแปลงที่เกิดขึ้น เชน 5-เมทิลไซโตซีน (5-methylcytosine), 7-เมทิลกัวนีน (7-methylguanine) o รหัสอักษรยอสำหรับเบสบางตัวจะเหมือนกับรหัสยอของนิวคลีโอไซด เชน อักษรยอ Dhu (D) อาจหมายถึง 5,6-dihydrouracil หรือ dihydrouridine ก็ได และอักษรยอ m7G (m7G) ใชแทนไดทั้ง 7-methylguanine หรือ 7-methylguanosine ดังนั้นตองพิจารณาบริบทรวม ดวยเพื่อใหทราบวาอักษรยอทีแ่ สดงหมายถึงโมเลกุลใด  การเรียกชื่อนิวคลีโอไซดที่ถูกดัดแปลง (modified nucleosides) o หากเปนนิวคลีโอไซดของเบสพิวรีนที่ถูกดัดแปลง ใหใชชื่อเบสตามดวยคำวา “ซีน” (-sine) เชน 7-เมทิลกัวโนซีน (7-methylguanosine) o หากเปนนิวคลีโอไซดของเบสพิริมิดีนที่ถูกดัดแปลง ใหใชชื่อเบสตามดวยคำวา “ดีน” (-dine) เชน 5-เมทิลไซโตซีน (5-methylcytidine)  ข อ ยกเว น : เบสไฮโปแซนที น (hypoxanthine) จะใชช ื่อนิว คลีโ อไซดว า "อิโ นซี น " (inosine) เนื่องจากโมเลกุลนี้ถูกคนพบและตั้งชื่อ รวมถึงมีการศึกษาบทบาททางชีวภาพ มานาน ทำใหชื่อ "อิโ นซีน" ไดร ับ การยอมรับ และใชง านอย า งแพรห ลายในวงการ วิทยาศาสตรกอนที่จะมีการกำหนดแนวทางการตั้งชื่อกรดนิวคลีอิกอยางเปนมาตรฐาน ในภายหลัง จึงใหคงชื่อเดิมไว 7 o การระบุชนิดน้ำตาล ใชหลักการเดียวกับนิวคลีโอไซดปกติ  การเรียกชื่อนิวคลีโอไทดที่ถูกดัดแปลง (modified nucleotides) o ใชหลักการเดียวกับการเรียกชื่อนิวคลีโอไทดปกติ 2.4 แอนะล็อกของเบส นิวคลีโอไซด และนิวคลีโอไทด (base, nucleoside and nucleotide analogs) แอนะล็ อ กของเบส (base analogs) และแอนะล็ อ กของนิ ว คลี โ อไซด (nucleoside analogs) หมายถึงกลุมของสารเคมีที่สังเคราะหขึ้นในหองปฏิบัติการเพื่อใหมีโครงสรางคลายกับเบสหรือนิวคลีโอไซด มาตรฐานตามลำดับ เมื ่ อ เข า สู  ร  า งกาย โมเลกุล เหล า นี ้ จ ะถู ก เปลี่ ย นเป น แอนะล็ อ กของนิ ว คลีโ อไทด (nucleotide analogs) ซึ่งสามารถเขาแทนที่นิวคลีโอไทดธรรมชาติในระหวางการสังเคราะห DNA และ RNA อยางไรก็ตามโมเลกุลที่เปนแอนะล็อกมักมีคุณสมบัติทางเคมีที่เปลี่ยนแปลงไปและอาจสงผลตอโครงสรางและ หนาที่ของกรดนิวคลีอิก ดวยเหตุนี้สารกลุมนี้จึงถูกนำมาศึกษาเพื่อใชขัดขวางกระบวนการสังเคราะห DNA และ RNA ในรูปของยาตานจุลชีพหรือยาตานมะเร็ง (ดูเพิ่มเติมในหัวขอ 3.2) 4 ตารางที่ 1 โครงสรางเคมีและการเรียกชื่อเบส นิวคลีโอไซด และนิวคลีโอไทด ที่พบในธรรมชาติ ประเภทของเบสและการเรียงลำดับอะตอม Pyrimidine Purine เบส Cytosine Thymine Uracil Adenine Guanine (Cyt, C) (Thy, T) (Ura, U) (Ade, A) (Gua, G) นิวคลีโอไซด (หมายเหตุ: เฉพาะ uridine แสดงในรูป ribonucleoside ที่เหลือเปน deoxyribonucleosides) Deoxy cytidine Deoxy thymidine Uridine Deoxy adenosine Deoxy guanosine (dCyd) (dThd) (Urd) (dAdo) (dGuo) 5 ตารางที่ 1 โครงสรางเคมีและการเรียกชื่อเบส นิวคลีโอไซด และนิวคลีโอไทด ที่พบในธรรมชาติ (ตอ) นิวคลีโอไทด (หมายเหตุ: เฉพาะ UMP แสดงในรูป ribonucleotide ที่เหลือเปน deoxyribonucleotides) Deoxycytidine Deoxythymidine Uridine Deoxyadenosine Deoxyguanosine 5’- monophosphate 5’- monophosphate 5’- monophosphate 5’- monophosphate 5’- monophosphate (dCyd-5’P or dCMP) (dThd-5’P or dTMP) (Urd-5’P or UMP) (dAdo-5’P or dAMP) (dGuo-5’P or dGMP) 6 ตารางที่ 2 ตัวอยางโครงสรางเคมีและการเรียกชื่อเบส นิวคลีโอไซด และนิวคลีโอไทด ที่พบในธรรมชาติแตถูกดัดแปลง (modified) โดยบริเวณที่แรเงาคือสวนที่ดัดแปลง เบสพิริมิดีนที่ถูกดัดแปลง (modified pyrimidines) พิวรีนที่ถูกดัดแปลง (modified bases) 5-methyl cytosine 5,6-dihydrouracil Hypoxanthine Xanthine 7-methylguanine (5mC, mC) (Dhu, D) (Hyp, I) (Xan, X) (m7G, m7G) (ดัดแปลงจาก cytosine) (ดัดแปลงจาก uracil) (ดัดแปลงจาก adenine) (ดัดแปลงจาก guanine) (ดัดแปลงจาก guanine) นิวคลีโอไซดที่ถูกดัดแปลง (modified nucleosides) (หมายเหตุ: เฉพาะ 5mdCyd แสดงในรูป deoxyribonucleoside ที่เหลือเปน ribonucleosides) 5-methyl-2'- Dihydrouridine Pseudouridine Inosine Xanthosine 7-Methylguanosine deoxycytidine (Dhu, D) (Ψrd, Ψ) (Ino, I) (Xao, X) (m7G, m7G) (5mdCyd, 5mdC) (ดัดแปลงจาก uridine แต เปลี่ยนพันธะระหวางเบส กับน้ำตาลเปน C1-C1’) นิวคลีโอไทดที่ถูกดัดแปลง (modified nucleotides) (หมายเหตุ: 1. ไมไดแสดงสูตรเคมี 2. เฉพาะ 5mdCMP ยกตัวอยางเปน deoxyribonucleotide เพราะพบบอยใน DNA สวนที่เหลือยกตัวอยางเปน ribonucleotides เพราะพบใน RNA) 5-methyl- Dihydrouridine Pseudouridine Inosine Xanthosine 7-Methylguanosine 2'-deoxycytidine 5'-monophosphate 5'-monophosphate 5'-monophosphate 5'-monophosphate 5'-monophosphate 5'-monophosphate (DhuMP) (ΨMP) (IMP) (XMP) (m7GMP) (5mdCMP) 7 3. การสังเคราะหนิวคลีโอไซด นิวคลีโอไทด และพอลินิวคลีโอไทด 1, 8 3.1 กลไกการสังเคราะหนิวคลีโอไซด นิวคลีโอไทด และพอลินิวคลีโอไทด การสังเคราะหนิวคลีโอไซดเริ่มจากการสรางพันธะไกลโคซิดิก (glycosidic bond) ระหวางคารบอน ตำแหนงที่ 1 ของน้ำตาล (C1’) และอะตอมไนโตรเจนตำแหนงที่ 1 ของเบสพิริมิดีน (N1) หรือตำแหนงที่ 9 ของเบสพิวรีน (N9) (ตารางที่ 1) เมื่อนำหมูฟอสเฟตมาตอกับนิวคลีโอไซดดวยพันธะเอสเทอร (ester) จะได นิ ว คลีโ อไทด (ภาพที่ 2A) สว นการสังเคราะหพ อลินิวคลีโอไทดใชพันธะ 3, 5 ฟอสโฟไดเอสเทอร (3, 5 phosphodiester bond) ระหว า งหมูไ ฮดรอกซิ ลที่เ กาะกับ คาร บ อนตำแหน ง ที่ 3 ของน้ ำ ตาล (C3’) ใน นิวคลีโอไทดตัวแรกกับหมูฟอสเฟตของนิวคลีโอไทดตัวถัดไป ดังนั้นนิวคลีโอไทดทั้งสองจึงเชื่อมตอกันโดยมีหมู ฟอสเฟตอยูตรงกลางและมีพันธะเอสเทอรทั้ง 2 ขาง (ภาพที่ 2B) ลักษณะเชนนี้ทำใหทั้งน้ำตาลและหมู ฟอสเฟตเปนแกนหลัก (backbone) ของสายพอลินิว คลีโ อไทด การนำฟอสเฟตหมูที่ 2 และ 3 มาตอ กับ ฟอสเฟตหมูแรกในนิว คลีโ อไทดดว ยพันธะฟอสโฟแอนไฮไดรด (phosphoanhydride bond) จะไดเป น nucleotide diphosphate และ triphosphate ตามลำดับ (ภาพที่ 3) NH2 N O N O O P O O H H NH2 O H H N OH H O N O O P O O O H H H H OH H H2 O NH2 N O N O O P O O NH2 O H H H H N H 3, 5 phosphoester bond O N O O P O O O H H H H OH H A B ภาพที่ 2 การสังเคราะหนิวคลีโอไทด (A) และพอลินิวคลีโอไทด (B) บริเวณที่แรเงาคืออะตอมทีใ่ ชสรางพันธะ 8  NH 2 NH 2 phosphoanhydride bond N O O N O H 2O O O N O O P OH HO P O O O P O P O O O O H H O O H H H H H H OH H OH H phosphate deoxycytidine 5'-monophosphate deoxycytidine 5'-diphosphate (dCMP) (dCDP) NH 2 NH 2 N N phosphoanhydride bond O O O N O O O O N O H 2O O P OH HO P O P O O O P O P O P O O O O O H H O O O H H H H H H OH H OH H phosphate deoxycytidine 5'-diphosphate deoxycytidine 5'-triphosphate (dCDP) (dCTP) ภาพที่ 3 การสังเคราะห dCDP และ dCTP จาก dCMP (บริเวณที่แรเงาคืออะตอมทีใ่ ชสรางพันธะ) 3.2 การประยุ ก ต ใ ช กลไกการสัง เคราะห น ิ ว คลีโ อไซด นิ ว คลี โอไทด และพอลิ น ิ ว คลีโ อไทด ในทาง เภสัชกรรม 9 เนื่องจาก DNA และ RNA มีความจำเปนตอการดำรงชีวิต ยาตานเชื้อไวรัส หรือยาตานมะเร็งบางชนิด จึงมักถูกออกแบบมาเพื่อขัดขวางการสังเคราะหพอลินิวคลีโอไทดดวยการเลียนแบบโครงสรางของเบสหรือ นิวคลีโอไซดตามธรรมชาติ โดยอาศัยการดัดแปลงดังนี้ (ภาพที่ 4)  การดัดแปลงที่เบส – เชน เติมธาตุหมู 7 (halogenation), เปลี่ยนหมูไฮดรอกซิล (-OH) เปนหมู ไธออล (-SH)  การดัดแปลงที่น้ำ ตาล – เชน เติมธาตุห มู 7, เติม หมูเมทิล (-CH3), ดึงหมูไฮดรอกซิล ออก (dehydroxylation), เติมหมูแ อซิโ ด (azido) และการเปดวงแหวนของน้ำ ตาล การดัดแปลง เหลานี้ทำเพื่อไมใหน้ำตาลสรางพันธะ 3, 5 ฟอสโฟไดเอสเทอร กับนิวคลีโอไทดตัวถัดไปได หรือ ใหมีผลขัดขวางการทำงานของกลไกการซอมแซม DNA ทำใหการสังเคราะหพอลินิวคลีโอไทด หยุดลง เรียกวา chain termination เมื่อเขาสูรางกาย ยาเหลานี้จะถูกเปลี่ยนเปนนิวคลีโอไทดโดยเอนไซมไคเนส (kinase) ของมนุษยหรือ เชื้อจุลชีพ ยาสวนใหญเปนตัวยับยั้งแบบแขงขัน (competitive inhibitor) สำหรับเอนไซม DNA polymerase (ใชในการเพิ่มจำนวนของเชื้อไวรัสที่มีจีโนมเปน DNA และเซลลมะเร็ง) และเอนไซม reverse transcriptase (ใชในการเพิ่มจำนวนของไวรัสที่มีจีโนมเปน RNA) นอกจากนี้ยังมีการศึกษาพบวาแอนะล็อกบางตัวมีผลยับยั้ง การเพิ่มจำนวนของเชื้อแบคทีเรียดวย แตปจจุบันยังไมถูกนำมาใชเปนยาตานแบคทีเรีย 9 ตัวอยางการดัดแปลงยาและกลไกการทำงานเมื่อยาเขาสูรางกาย แสดงในภาพที่ 4 และตารางที่ 3 9 ภาพที่ 4 ตัวอยางยาซึ่งเปนแอนะล็อก (analogs) ของเบสหรือนิวคลีโอไซด (บริเวณที่แรเงาแสดงสวนที่ถูก ดัดแปลง) แบงเปนกลุมยอย ไดแก แอนะล็อกของ deoxycytidine (A), ของ thymidine (B), ของ cytosine uracil และ uridine (C) และของ hypoxanthine, guanine และ guanosine (D) 9 ตารางที่ 3 ตัวอยางยาที่มีโครงสรางเลียนแบบเบสหรือคลีโอไซดตามธรรมชาติ และกลไกการทำงานเมื่อยาเขาสู รางกาย (ตอ) 9 ยา แอนะล็อกของ การดัดแปลง กลไกการทำงานเมื่อยาเขาสูรางกาย Gemcitabine Deoxycytidine ดัดแปลงที่ C2 ของ  ถูกเปลี่ยนเปน gemcitabine triphosphate และจะ deoxyribose หยุดการสังเคราะห DNA หลังจากเซลลนำนิวคลีโอไทด มาตอเพิ่มอีก 1 ตัว  เชื่อวายานี้อาจทำใหเกิดการเปลีย่ นแปลงโครงสรางของ DNA และนิวคลีโอไทดที่นำมาตอเพิ่มอาจชวยปองกัน ไมใหเอนไซม exonuclease ซึ่งทำหนาที่ตรวจสอบ ความถูกตองบนสาย DNA กำจัดโมเลกุลของยาออก จึง ทำให DNA ของเซลลมะเร็งเสียหาย จึงมีผลเปนยาตาน มะเร็ง Zidovudine Thymidine ดัดแปลงที่ C3 ของ  ถูกเปลี่ยนเปน zidovudine triphosphate และจะเขา nucleoside น้ำตาลเปนหมู azido ยับยั้งเอนไซม reverse transcriptase ของไวรัส (N3)  เนื่องจากโมเลกุลยาขาดหมู 3’-OH ซึ่งจำเปนสำหรับ การนำนิวคลีโอไทดตัวถัดไปมาตอ จึงทำใหการ สังเคราะหพอลินิวคลีโอไทดของไวรัสยุติลง 10 ตารางที่ 3 ตัวอยางยาที่มีโครงสรางเลียนแบบเบสหรือคลีโอไซดตามธรรมชาติ และกลไกการทำงานเมื่อยาเขาสู รางกาย (ตอ) 9 ยา แอนะล็อกของ การดัดแปลง กลไกการทำงานเมื่อยาเขาสูรางกาย Fluorouracil Uracil ดัดแปลงที่ C5 ของ  ถูกเปลี่ยนเปน 5-FdUMP และจะเขาจับกับเอนไซม uracil จาก H เปน F thymidylate synthase  เอนไซมนี้จำเปนในการสราง dTMP ซึ่งเปนสารตั้งตนของ กระบวนการสังเคราะห DNA และ RNA ผานวิถี เมแทบอลิซึมของพิรมิ ิดีน (pyrimidine metabolism) ดังนั้นยาจึงยับยั้งการแบงตัวของเซลลมะเร็งได Mercaptopurine Hypoxanthine ดัดแปลงที่ C6 ของเบส  ถูกเปลี่ยนเปน 6-thioinosinic acid (TIMP) และจะเขา จากหมูไฮดรอกซิล (-OH) จับกับเอนไซม hypoxanthine-guanine ในรูปคีโต (=O) เปนหมู phosphoribosyl transferase (HPRT) ไธออล (-SH) ในรูป =S  เอนไซมนี้จำเปนในการสราง IMP ที่เปนสารตั้งตนของ กระบวนการสังเคราะห DNA และ RNA ผานวิถี เมแทบอลิซึมของพิวรีน (purine metabolism) ดังนั้นยา จึงยับยั้งแบงตัวของเซลลมะเร็งได Acyclovir Guanosine โครงสรางน้ำตาลเปด  ถูกเปลี่ยนเปน acyclovir triphosphate ออก (ขาดหมู 3’-OH)  เนื่องจากโมเลกุลยาขาดหมู 3’-OH ซึ่งจำเปนสำหรับการ สราง 3, 5 phosphodiester bond กับนิวคลีโอไทดตัว ถัดไป การสังเคราะหพอลินิวคลีโอไทดของไวรัสจึงยุตลิ ง 4. โครงสรางของกรดนิวคลีอกิ โครงสรางของกรดนิวคลีอิกแบงออกเปน 3 ระดับ ดังนี้  โครงสรางปฐมภูมิ (primary structure) – แสดงลำดับของเบสบนสาย DNA หรือ RNA ขอมูลนี้ ไดจากการถอดลำดับ (sequencing) ของ DNA หรือ RNA โดยอาศัยเทคนิคทางหองปฏิบัติการ  โครงสรางทุติยภูมิ (secondary structure) – อธิบายการจับคูของเบสตาง ๆ ในกรณีของ DNA มักจะไมคอยพูดถึงเนื่องจากใชรูปแบบการจับของคูเบสที่ชัดเจน แตสำหรับ RNA มีการศึกษา โครงสรางทุติยภูมิมากกวาเนื่องจาก RNA มีรูปแบบการจับคูเบสที่หลากหลาย และมีโครงสราง ยอยในระดับนี้ (secondary structure motif) หลายชนิด  โครงสรางตติยภูมิ (tertiary structure) – DNA มีโครงสรางตติยภูมิเปนเกลียวคูและไมขึ้นกับ ลำดับเบส สวนโครงสรางตติยภูมิของ RNA จะหลากหลายกวาและไมสามารถทำนายไดดวย ลำดับเบสเพียงอยางเดียว 4.1 โครงสรางปฐมภูมขิ อง DNA และ RNA และการแสดงลำดับเบส 1, 8 พันธะตาง ๆ ที่เกิดขึ้นในสายพอลินิวคลีโอไทดมีทิศทางที่แนนอน โดยนิวคลีโอไทดตัวเริ่มตนจะมีหมู ฟอสเฟตอยูที่คารบอนตำแหนงที่ 5 ของน้ำตาลตัวแรก (C5’) จึงเรียกปลายนี้วาปลาย 5’ สวนปลายอีกดาน หนึ่งของสายนิวคลีโอไทดจะจบดวยหมูไฮดรอกซิลที่เกาะกับคารบอนตำแหนงที่ 3 ของน้ำตาลตัวสุดทาย (C3’) จึงเรียกเรียกวาปลาย 3’ ดังนั้นการแสดง การอาน และเขียนลำดับ (sequence) ของนิวคลีโอไทดในโครงสราง ปฐมภูมิตามมาตรฐานสากลจะเริ่มจากปลาย 5’ ไป 3’ เสมอ และเขียนสัญลักษณ p กำกับที่ปลายดาน 5’ 11 ของเบสทุกตัวเพื่อแทนตำแหนงของหมูฟอสเฟต แตในทางปฏิบัติหากสายพอลินิวคลีโอไทดมีทิศทาง 5’ ไป 3’ อยูแลวก็ไมจำเปนตองเขียนสัญลักษณ p หรือระบุ 5’ และ 3’ กำกับไว อยางไรก็ตามหากตองการเจาะจงวา เปนการอานจากทิศทาง 3’ ไป 5’ เชน การอานลำดับ บนสายพอลินิว คลีโ อไทดคูสม (complementary strand) จำเปนตองเขียนทิศทางกำกับเสมอ การเขียนลำดับของสายพอลินิวคลีโอไทดดวยอักษรยอทำไดโดยการเขียนเฉพาะสัญลักษณของเบส ไดแก A, C, G, T หรือ U หากตองการระบุวาเปนเบสในสาย DNA สามารถใสอักษร d นำหนาชื่อเบสตาง ๆ หรือใชการสังเกตวาถามี T ในลำดับนิวคลีโอไทดก็หมายถึงเปนลำดับของ DNA และหากมี U หมายถึงเปน ลำดับของ RNA (ภาพที่ 5) NH2 N 5' end 5' pCpApG 3' O N O O P O NH2 or O O H H N N 5' pCAG 3' H H H O N N or O O P O O N 5' CAG 3' O H H NH H H or O H N N NH2 O P O O CAG O H H H H OH H 3' end ภาพที่ 5 ตัวอยางการแสดงโครงสรางของสายพอลินิวคลีโอไทด และการเขียนลำดับเบสซึ่งมีไดหลายวิธี 4.2 โครงสรางทุติยภูม-ิ ตติยภูมิของ DNA 1 4.2.1 โครงสรางทุติยภูมิของ DNA โครงสรางของ DNA ประกอบดวยพอลินิวคลีโอไทด 2 สายพันกันเปนเกลียวคู (double helix) โดยที่ ปลาย 5’ ของพอลินิวคลีโอไทดแตละสายจะอยูตรงขามกัน หรือเรียกวาจัดเรียงตัวแบบขนานแตสวนทางกัน (antiparallel) สายพอลินิวคลีโอไทดทั้งสองเขาคูกันดวยพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bonds) ของเบสคูสม (complementary bases) ซึ่งยื่นเขามาในลักษณะที่ตั้งฉากกับแกนและวางตัวอยูในระดับเดียวกัน เหตุผลที่โครงสรางเกลียวคูของ DNA มีรูปรางขนานกันไปตลอดทางโดยไมขึ้นกับลำดับเบส เกิดจาก ทิศทางของพันธะไฮโดรเจนที่สามารถเกิดขึ้นไดในคูเบสจะบังคับใหเบสขนาดเล็ก (พิริมิดีน) ตองเขาคูกับเบส ขนาดใหญ (พิวรีน) เสมอ เบสคูสมจะสรางพันธะไฮโดรเจนตอกันอยางมีแบบแผน (ภาพที่ 6) คือ ระหวาง A-T ใช 2 พันธะ สวนระหวาง C-G ใช 3 พันธะ รูปแบบเชนนี้เรียกวาคูเบสวัตสัน-คริก (Watson-Crick base pairs) ซึ่งเขียนแทนดวยสัญลักษณ A=T และ GC ตามลำดับ ความแรงในการจับของคูเบสจะพิจารณาจากจำนวน พันธะไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นนี้ 12  A T G C ภาพที่ 6 โครงสรางทุติยภูมิของ DNA ประกอบดวยคูเบสวัตสัน-คริก (Watson-Crick base pairs) ไดแก A=T และ GC (พันธะไฮโดรเจนแสดงดวยเสนประ) 4.2.2 โครงสรางตติยภูมิของ DNA โครงสรางตติยภูมิของ DNA ที่เปนเกลียวคูสามารถพบไดจำนวน 3 โครงรูป (conformation) คือ B, A และ Z (ภาพที่ 7) เพราะขึ้นอยูกับสภาวะแวดลอมและลำดับเบสภายในสาย DNA  B-DNA – พบสวนใหญในธรรมชาติ มีลักษณะเปนเกลียวเวียนขวา ใชเบสคูสม 10 คูตอรอบ  A-DNA – พบไดกรณีที่ DNA เสียน้ำ (dehydrate) เชน เมื่อความชื้นสัมพัทธลดลงเหลือ 75% โครงสร า งแบบ B จะเปลี ่ ย นเป น แบบ A ซึ ่ ง จะยั ง คงเป น เกลี ย วเวี ย นขวาเช น เดิ ม แต เสนผาศูนยกลางของเกลียวจะกวางขึ้น และระยะหางระหวางคูเบสจะสั้นลง ดังนั้นการหมุนครบ หนึ่งรอบของเกลียวจะใชคูเบส 11 คู  Z-DNA – หาก DNA อยูในสภาวะที่มีความเขมขนของเกลือสูง หรือมีลำดับเบสเปนพิริมิดีนสลับ กับพิวรีน เชน CGCGCG สาย DNA จะมีโครงสรางเปนเกลียวเวียนซาย ทำใหพันธะระหวางหมู ฟอสเฟตและน้ ำ ตาลมี ล ั ก ษณะซิ ก แซก (zigzag) จึ ง เรี ย กโครงสร า งนี ้ ว  า Z-DNA ซึ ่ ง มี เสนผาศูนยกลางของเกลียวแคบลง และใชคูเบส 12 คูตอการหมุนเกลียว 1 รอบ A-DNA B-DNA Z-DNA ภาพที่ 7 โครงสรางตติยภูมิของ DNA ประกอบดวยโครงรูปแบบ B, A และ Z (แสดงผลโครงสราง 3 มิติดวย โปรแกรม Chimera 10) 13 4.3 โครงสรางทุติยภูมิ-ตติยภูมิของ RNA 8, 11 4.3.1 โครงสรางทุติยภูมิของ RNA โครงสรางของ RNA แตกตางจาก DNA ตรงที่ RNA เปนสายพอลินิวคลีโอไทดสายเดี่ยว แตสวนที่เปน สายคูเกิดจากการที่ RNA สายเดี่ยวมีการมวนตัว (RNA folding) จนทำใหมีการเขาคูกันระหวางเบสคูสมเพื่อ เพิ่มความเสถียรหรือความแข็งแรงใหกับโครงสราง การจับคูกันของเบสอาจเปนแบบวัตสัน-คริก และแบบที่ ไม ใ ช (non-Watson-Crick base pairs) เช น แบบวอบเบิ ล (wobble base pair) และแบบฮู ก สตี น (Hoogsteen) เนื่องจาก RNA มีรูปแบบการจับคูของเบสที่หลากหลาย ทำใหการศึกษาเรื่องโครงสรางทุติยภูมิ ของ RNA มีมากกวา DNA การใชคูเบสแบบวอบเบิลในธรรมชาติ เชน I=U, I=A, I=C และ U=G (ภาพที่ 8) มีขอดีสำหรับเซลล เนื่องจากทำใหพันธะระหวางคูเบสไมแข็งแรงเกินไปและมีความยืดหยุนดี เหมาะสำหรับการจับอยางหลวม ๆ เชน การจับของแอนติโคดอน (anticodon) ของ transfer RNA (tRNA) กับโคดอน (codon) ตำแหนงสุดทาย ของ messenger RNA (mRNA) คูเบสแบบวอบเบิลนี้ช วยใหการจับคูระหวาง transfer RNA (tRNA) และ mRNA มีความยืดหยุนสูงขึ้น สงผลใหกระบวนการแปลรหัสระหวางการสังเคราะหโปรตีนภายในเซลลมีความ คลองตัวและมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น สวนการจับแบบฮูกสตีน (Hoogsteen) เปนการจับที่ใชในเบสแบบคู สาม (triplets) ซึ่ง พบบอยในโครงสรา งระดับ ตติย ภูมิช นิด pseudoknot (ภาพที่ 9) ทำใหบ ริเ วณนั ้ น มี โครงสรางทีซ่ ับซอนและเสถียรขึ้น ภาพที่ 8 คูเบสแบบวอบเบิล (wobble base pair) ที่ใชในการจับระหวางแอนติโคดอน (anticodon) ของ tRNA กับโคดอน (codon) ตำแหนงสุดทายของ mRNA 12 14 ภาพที่ 9 คูเ บสชนิดคูสาม (triplets) ประกอบดวยการจับแบบวัตสัน-คริก (Watson-Crick base pair) และ แบบฮูกสตีน (Hoogsteen pair) (สวนที่แรเงาแสดงการจับแบบฮูกสตีน) (ดัดแปลงจาก 8) การจัดเรียงระหวางสวนที่เปนคูเบสและสวนที่เปนสายเดี่ยวทำใหเกิดโครงสรางทุติยภูมิของ RNA ใน ลักษณะที่หลากหลายและไมขึ้นอยูกับลำดับของเบส ดังนั้นการระบุโครงสรางทุติยภูมิของ RNA มักจะอธิบาย ดวยรูปแบบยอยที่ชัดเจนเพียงไมกี่ชนิด ซึ่งเรียกวา secondary structure motifs (ภาพที่ 10) 11, 13 ดังนี้  RNA สายเดี่ยว (single-stranded RNA, sRNA) เปนสวนที่ไมมีการจับคูเบส หากพบอยูที่สวน ปลาย 5’ หรือ 3’ จะเรียกวา "หอยปลาย" (dangling end)  กาน (helix/base pairs/stem) เปน RNA สายเดี่ยวที่จับคูกันเองแบบวัตสัน-คริก หรือแบบ วอบเบิล ทำใหเกิดกาน (stem) คลายกับโครงสรางของ A-DNA ความยาวและลำดับของกานนี้ อาจแตกตางกันไป ความเสถียรของกานมักจะเพิ่มขึ้นเมื่อมีคเู บส GC มากขึ้น เนื่องจากมีพันธะ ไฮโดรเจน 3 พันธะ เมื่อเทียบกับ 2 พันธะในคูเ บส A=U หรือคูเบสแบบวอบเบิลอื่น ๆ  ลูปภายใน (internal loop) เกิดจากเบสที่ไมมีคูพองออกมาที่ดานขางของกานทั้งแบบฝงเดียว หรือสองฝง จำนวนของนิวคลีโอไทดในลูปอาจมีตั้งแตไมกี่ตัวไปจนถึงหลายตัว แตการตั้งชื่อจะ ขึ้นกับรูปราง ไดแก o ลูปภายในแบบสมมาตร (symmetric internal loop) คือ ลูปที่จำนวนเบสซึ่งไมมีคูใน 2 ฝงของกานเทากัน o ลูปภายในแบบอสมมาตร (asymmetric internal loop) คือ ลูปที่จำนวนเบสซึ่งไมมีคูใน 2 ฝงของกานไมเทากัน o ลูปหลายกิ่ง (multibranch loop) เปนลูปที่ทำใหโครงสรางแบบกานถูกแบงออกเปน 2 กิ่งหรือมากกวา  บัลจ (bulge) เปนโครงสรางที่เกิดจากเบสที่ไมมีคพู องออกมาดานขางที่ฝงใดฝงหนึ่งของกาน  แฮรพินลูป (hairpin loop) หรือเรียกวาสเต็มลูป (stem-loop) เปนโครงสรางที่เกิดขึ้นเมื่อ สายเดี่ยวของ RNA มวนพับภายในสายเดียวกันเพื่อจับคูกับสวนที่สามารถเปนคูสมได ทำใหได โครงสรางแบบกานที่มีลูปเปนสวนยอด รูปรางคลายกิ๊บ (hairpin) โดยทั่วไปแฮรพินลูปที่เสถียร มักจะมีจำนวนนิวคลีโอไทดในสวนลูปประมาณ 4-8 ตัว  จุดแยก (junction) เกิดจากการเชื่อมตอระหวางกานของ RNA โดยมีลูปหรือบัลจเปนจุดตอ 15  4.3.2 โครงสรางตติยภูมิของ RNA ปฏิสัมพันธระหวางองคประกอบในโครงสรางทุติยภูมิทำใหไดโครงสรางตติยภูมิ แรงทางเคมีที่ใช เชน อันตรกิริยาแวนเดอรวาลส พันธะไฮโดรเจนจากเบสที่มาเขาคูกันเพิ่มเติม และพันธะไฮโดรเจนจากเบสที่ไมมีคู ในส ว นของลู ป หรื อ บั ล จ รู ป แบบเหล า นี ้ เ รี ย กว า tertiary structure motifs (ภาพที่ 11) 11, 13 และ ประกอบดวย  ซูโดนอท (pseudoknot) – เปนการจับคูเบสของ RNA 3 สวนที่ไมไดตอเนื่องกันตามลำดับเบส แตเรียงตัวอยูใกลกันในโครงสรางแบบ 3 มิติ ทำใหเกิดการเชื่อมบริเวณที่เปนลูปหนึ่งมาติดกับลูป อื่น โครงสรางนี้มีความซับซอนและมีบทบาทสำคัญในการสรางความเสถียรและการทำหนาที่ของ RNA  Kissing hairpin loop – เกิดจากการจับคูเบสใน hairpin loop 2 อัน ที่สรางพันธะไฮโดรเจน ตอกัน  Hairpin loop-bulge contact – เกิดจากการสร า งพั น ธะระหว า งเบสใน hairpin loop กั บ เบสใน bulge นอกจากนี้ยังมีการใชแรงจากอิออนชนิดตาง ๆ เชน K+, Na+, Mg2+, Mn2+ และ Ca2+ เพื่อไดโมเลกุล RNA ทีห่ นาแนนขึ้น ภาพที่ 10 โครงสรางยอย (motifs) ในระดับระดับทุติยภูมิของ RNA 13 ภาพที่ 11 โครงสรางยอย (motifs) ในระดับระดับตติยภูมิของ RNA 13 16 5. ตัวอยางโมเลกุล RNA และความสำคัญทางโครงสราง หลัก การอธิ บ ายโครงสร า งทุ ต ิ ย ภูมิ แ ละตติ ย ภู มิ ข อง RNA จะรวมถึ ง การระบุ ร ายละเอี ย ดของ สวนประกอบตาง ๆ อยางชัดเจน เชน จำนวนกาน รูปแบบของลูป และสวนประกอบพิเศษอื่น เชน ซูโดนอท เพื่อใหเขาใจถึงโครงสรางและการทำงานของ RNA โมเลกุลนั้นไดอยางสมบูรณ ตัวอยางเชน 5.1 โครงสรางของ transfer RNA (tRNA) และบทบาทในการแปลรหัส 14 (ภาพที่ 12) tRNA ทำหนาที่เปนตัวพากรดอะมิโนที่จำเพาะเขามายังไรโบโซมในระหวางกระบวนการแปลรหัส mRNA เพื่อสังเคราะหโปรตีน กระบวนการนี้พบในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ดังนั้นโครงสรางทุติยภูมิและตติยภูมิของ tRNA จะเปนสากล และมีรายละเอียดดังนี้  โครงสรางปฐมภูมิ – เปน RNA ขนาดเล็ก ความยาว 73-93 นิวคลีโอไทด พบการใชนิวคลีโอไทด ที่ถูกดัดแปลงจำนวนมาก ไดแก นิวคลีโอไทดของ m2G, m7G, D, Ψ และ I  โครงสรางทุติยภูมิ – มี 4 กาน คลายรูปใบไมโคลเวอร (cloverleaf) ซึ่งมี 4 แฉก (ภาพที่ 12A) o ปลายดาน 5’ เปนปลายที่มีหมูฟอสเฟต เริ่มตนดวยเบส G o มี D-loop (dihydrouridine loop) อยูใกลกับปลาย 5' สวนนี้ประกอบดวยเบส D ซึ่งมักจะ เปนตำแหนงที่เกิด การเปลี่ยนแปลงในโครงสรา งของ tRNA และมีบ ทบาทในการรักษา โครงสรางของ tRNA o มี anticodon loop ที ่ ป ระกอบด ว ยลำดั บ นิ ว คลี โ อไทด 3 ตั ว เรี ย กว า แอนติ โ คดอน ที่ สามารถจั บ กั บ โคดอนทั ้ ง 3 ตำแหน ง บน mRNA อย า งเฉพาะเจาะจงในระหว า งใน กระบวนการแปลรหัส o มี TΨC loop หรือเรียก T loop ประกอบดว ยนิวคลีโ อไทดที่ เรียงตอกันเปนลำดับ 3 ตัว ไดแก thymine, pseudouridine และ cytosine ซึ่งมีบทบาทในการรักษาโครงสรา งและ ความสมดุลของ tRNA o มี variable loop อยูระหวาง anticodon และ TΨC loop โดยมักมีขนาดและโครงสรางที่ แตกตางกันไปใน tRNA แตละชนิด อาจมีบ ทบาทในการระบุตำแหนงหรือคุณสมบัติของ tRNA o ปลายด า น 3’ มี dangling end เป น ลำดั บ นิ ว คลี โ อไทด CCA และมี ก รดอะมิ โ นจั บ อยู ที่ ตำแหนง 3'-OH ของนิวคลีโอไทดสุดทาย (adenine)  โครงสรางตติยภูมิ – มีลักษณะเปนตัวอักษร L กลับหัว เพราะมีการพับของสายนิวคลีโ อไทด ประกอบกับการจับคูเบสภายในโมเลกุลผานพันธะไฮโดรเจนและอันตรกิริยาระหวางเบสอื่น ๆ (ภาพที่ 12B) 17 ภาพที่ 12 โครงสรางของ tRNA ในระดับทุติยภูมิ (A) และตติยภูมิ (B) สีที่แสดงสื่อถึงตำแหนงที่ตรงกันของ โครงสรางแตละระดับ ตำแหนงของนิวคลีโอไทดที่ใชในการจับระหวางแอนติโคดอนกับโคดอนระบุเปนตัวเลข บนโครงสรางทั้งสอง 14 ความสำคัญทางโครงสรางของ tRNA อยูที่การมีแอนติโคดอนซึ่งสามารถจับกับโคดอนทั้ง 3 ตำแหนง บน mRNA อยางเฉพาะเจาะจง และที่ปลาย 3’ ของ tRNA มีตำแหนงสำหรับยึดกรดอะมิโนจำนวน 1 โมเลกุล ซึ่งจะสอดคลองกับรหัสของโคดอน เมื่อ tRNA อยูในตำแหนงบนไรโบโซมอยางถูกตอง แอนติโคดอนลูป ของ tRNA จะเรียงตัวในลักษณะที่แอนติโคดอนสามารถจับคูกับโคดอนไดทุกตำแหนง แตเนื่องจากเบสคูส มใน RNA จะตองมีทิศทางที่ตรงขามกัน ดังนั้นหากโคดอนบน mRNA คือ 5'-AUG-3' แอนติโคดอนบน tRNA จะตองใช เบส 3'-UAC-5' ในการเขาคู การจับระหวางแอนติโคดอนตำแหนงแรกกับโคดอนตำแหนงสุดทายจะเปนแบบวอบเบิล (ภาพที่ 12A จะระบุเปนตำแหนงที่ 34 ของ tRNA และตำแหนงที่ 3 ของ mRNA ตามลำดับ) เพื่อใหมีความยืดหยุน ตามคุณสมบัติดีเจนเนอเรซีของรหัสพันธุกรรม (degeneracy of genetic code) ที่ใชโคดอนหลายตัวสำหรับ เขารหัสเปนกรดอะมิโนเดียวกันได ความยืดหยุนนี้มีวัตถุประสงคเพื่อลดจำนวนโมเลกุล tRNA ที่จำเปนสำหรับ รหัสโคดอนทั้ง 64 แบบ ใหเหลือเพียง tRNA 20 ชนิด และชวยลดผลกระทบจากการกลายพันธุ ตัวอยางเชน serine ถูกเขารหัสโดยโคดอน 6 ตัว ไดแก UCU, UCC, UCA, UCG, AGU และ AGC และแอนติโ คดอนบน tRNASer คือ 3'-AGG-5' จึงสามารถจับคูกับโคดอนทั้งหมดไดเพราะใชคูเบสเบสวัตสัน-คริก (A=U และ GC) ในโคดอนตำแหนงที่ 1 และ 2 ตามลำดับ สวนตำแหนงที่ 3 ใชทั้งแบบวัตสัน-คริก และแบบวอบเบิล (ไดแก G=U, GC, G=A และ G=G) จึงทำให tRNASer สามารถรับรูโคดอนทุกชนิดได นอกจากนี้ยังชวยลดความ เป น ไปได ท ี ่ จ ะเกิ ด ผลเสี ย จากความแปรผั น ของนิ ว คลี โ อไทด ต ำแหน ง เดี ย ว (single nucleotide polymorphisms) เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในตำแหนง ที่ 3 ของโคดอนมักไมสงผลตอกรดอะมิโนที่ถู ก เขารหัส 5.2 โครงสรางของ small RNA (sRNA) และบทบาทในการควบคุมการแสดงออกของยีน 15, 16 small RNA (sRNA) เปน RNA ขนาดเล็ก โดยทั่วไปมีความยาวประมาณ 50 ถึง 500 นิวคลีโ อไทด ขนาดที่เล็กนี้ทำให sRNA สามารถควบคุมการแสดงออกของยีนไดอยางมีประสิทธิภาพผานการจับคูกับโมเลกุล เปาหมาย (mRNA) ซึ่งโดยทั่วไปมักจับเปนคูเบสแบบหลวม ๆ ยาวประมาณ 6-20 คู เมื่อ sRNA เขาจับกับ 18 mRNA จะนำไปสูการเปลี่ยนแปลงในกระบวนการแปลรหัส เสถียรภาพของ mRNA หรือทั้ง 2 อยางรวมกัน และสงผลตอการแสดงออกของยีนเปาหมาย ดังนั้น sRNA จึงมีความสำคัญและมีประสิทธิภาพสูงในการ ปรับเปลี่ยนการทำงานของยีนในระดับโมเลกุล การใช sRNA เพื่อควบคุมการแสดงออกของยีนสามารถทำไดทั้งในบทบาทของตัวกระตุน (activator) และตัวยับยั้ง (repressor) ดังนี้  ใช sRNA เป น ตั ว ยั บ ยั ้ ง (repressor sRNAs) – sRNA จะทำงานโดยจับ กั บ ปลาย 5’ ของ mRNA ซึ่งเปนบริเวณที่ไมถูกแปลรหัส (5’ untranslated region; 5’ UTR) โดยตำแหนงนี้มักอยู ใกลกับตำแหนงที่ไรโบโซมเขาจับ (ribosome binding site; RBS) การจับนี้จะยับยั้งการแปล รหัสโดยขัดขวางการเขาจับของไรโบโซม (ภาพที่ 13A) และ/หรือชักนำให mRNA ถูกยอยสลาย โดยเอนไซม RNase E วิธีนี้ทำให sRNA สามารถปดการทำงานของยีนไดอยางมีประสิทธิภาพ (ภาพที่ 13B)  ใช sRNA เปนตัวกระตุน (activator sRNAs) – ใชการทำงานผานกลไก anti-antisense ซึ่ง เปนการจับคูเบสของ sRNA ที่มีลําดับของนิวคลีไทดที่เขาคูกับ mRNA เปาหมาย (เรียก sRNAs วาเปนเสน “anti-antisense”) การจับนี้จะขัดขวางไมให mRNA แสดงโครงสรางทุติยภูมิที่ยับยั้ง การเขาจับของไรโบโซมที่ตำแหนง RBS ผลที่ตามมา คือ ไรโบโซมสามารถเขาจับไดอยางอิสระ และการสังเคราะหโปรตีนจึงเกิดขึ้นไดตลอดความยาวของ open reading frame (ORF) (หมาย เหตุ: ORF เปนสวนของ RNA ที่สามารถถูกแปลเปนโปรตีนไดอยางสมบูรณ ประกอบดวยโคดอน เริ่มตน (start codon) และสิ้นสุดดวยโคดอนหยุด (stop codon) โดยไมมีโคดอนหยุดอื่นมาคั่น ภายในกรอบการอานนี้) (ภาพที่ 13C) A B C ภาพที่ 13 บทบาทของกรดนิวคลีอิกในการควบคุมการแสดงออกของยีนโดยอาศัย small RNA (sRNA) (คำยอ ribosome binding site; RBS, open reading frame; ORF) 16 19 5.3 โครงสรางของไรโบสวิตชและบทบาทในการควบคุมการแสดงออกของยีน 17, 18 ไรโบสวิตช (riboswitch) เปนสวนหนึ่งของ mRNA ที่ทำหนาที่เปนเซ็นเซอรเพื่อตอบสนองตอสภาวะ แวดลอมตาง ๆ ของเซลล สำหรับควบคุมการแสดงออกของยีนในขั้นตอนการถอดรหัสหรือการแปลรหัส โดย อาศัยการจับกับลิแกนด (ligand) ขนาดเล็กและนำไปสูการเปลี่ยนแปลงโครงสรางทุติยภูมิและโครงสราง 3 มิติ โครงสรางของไรโบสวิตชประกอบดวย 2 สวนหลัก (ภาพที่ 14) คือ  Aptamer domain – มี โ ครงสร า งทุ ต ิ ย ภู ม ิ ท ี ่ ส ามารถม ว นพั บ เป น โครงสร า ง 3 มิ ติ ที่ เฉพาะเจาะจงและเหมาะสมกับการจับกับลิแกนดที่จำเพาะ เชน วิตามิน กรดอะมิโน หรืออนุพันธ ของนิวคลีโอไทด  Expression platform – เปนบริเวณที่เชื่อมตอกับ aptamer domain และจะรับสัญญาณจาก การเปลี่ยนแปลงทางโครงสรางของ aptamer domain ขณะจับกับลิแกนด ทำใหการมวนพับ และโครงสรางของ expression platform เปลี่ยนแปลงและจะสงผลตอกระบวนการแสดงออก ของยีน ไรโบสวิตชพบมากในแบคทีเรียและมีบทบาทสำคัญในการควบคุมการแสดงออกของยีนเพื่อตอบสนอง ต อ สารแมแทบอไลต (metabolites) สว นในสิ่ ง มี ช ี ว ิ ต กลุ ม ยู ค าริ โ อต (eukaryotes) ยัง ไม ม ี ก ารค น พบ ไรโบสวิตชที่ทำหนาที่นี้อยางชัดเจน 18 บทบาทหนาที่ของไรโบสวิตชในสิ่งมีชีวิตกลุมโปรคาริโอต (prokaryotes) ไดแก  การควบคุมการถอดรหัส (transcriptional regulation) (ภาพที่ 14A) oเมื่อ aptamer domain จับ กับ ลิแ กนดที่เฉพาะเจาะจง จะทำใหโ ครงสรางของโดเมนนี้ เปลี่ยนแปลง โดยอาจเกิดการสรางหรือทำลายโครงสรางทุติยภูมิแบบแฮรพินลูปที่สำคัญตอ การทำงานของเอนไซม RNA polymerase เชน  การจั บ ลิ แ กนด จ ะทำให โ ครงสร า งแบบแอนติ เ ทอร ม ิ เ นเตอร (anti-terminator) คลายออก และเปลี่ยนเปนโครงสรางเทอรมิเนเตอร (terminator) ซึ่งเปนโครงสรางที่ ใชสงสัญญาณเพื่อระบุวาการถอดรหัสเสร็จสิ้นแลว การมีโครงสรางแบบเทอรมิเนเตอร ผานกลไกของไรโบสวิตชนี้ทำใหเอนไซม RNA polymerase หลุดออกจากการจับ กับ DNA ตนแบบ (DNA template) ดังนั้น จึง หยุดการถอดรหัสของยีนที่เหลือทางดาน ปลาย 3’  การจับลิแกนดอาจทำใหโครงสรางแบบแอนติเทอรมิเนเตอร ซึ่งสามารถปองกันการ สร า งโครงสร า งแบบเทอร ม ิ เ นเตอร ไ ด ทำใหเ อนไซม RNA polymerase สามารถ ถอดรหัสยีนตอไปได  การควบคุมการแปลรหัส (translational regulation) (ภาพที่ 14B) o ไรโบสวิ ต ชส ามารถควบคุ ม การแปลรหั สโดยการเปลี ่ ยนแปลงโครงสร า งของ mRNA ใน บริเวณ RBS และทำใหลำดับที่เปน RBS ถูกปดหรือเปดเผยออกมา  หาก RBS ถูกปกปด เพราะถูกรวมเขากับโครงสรางแฮรพินลูปของไรโบสวิตช จะทำให ไรโบโซมไมสามารถเขาจับได จึงไมเกิดการแปลรหัส  หาก RBS ถูกเปดเผย ไรโบโซมก็จะสามารถเขาจับและเริ่มกระบวนการแปลรหัสได 20 ภาพที่ 14 โครงสรางของไรโบสวิตชและปฏิสัมพันธระหวาง aptamer domain และ expression platform ในการควบคุมการถอดรหัส (A) และแปลรหัส (B) 17 6. อันตรกิริยาทางเคมีที่พบในโครงสรางของ DNA และ RNA และการประเมินความเสถียรของโมเลกุล 8 นอกจากพันธะไฮโดรเจนระหวางคูเบสที่ชวยทำใหโครงสรางเกลียวคูของ DNA คงรูปรางอยูไดนั้น แรงอีกหนึ่งอยางที่สำคัญตอความเสถียรนี้ คือ แรงแวนเดอรวาลสของคูเบสที่ซอนกันในโครงสรางเกลียวคู (van der Waals base-stacking interaction) เพราะเบสที ่ ซ  อ นกั น จะมี แ รงเสริ ม จากพั น ธะไพ (pi-pi interaction) ของวงแหวนแอโรมาติกในเบสแตละตัว จึงเกิดแรงดึงดูดที่เพิ่มความเสถียรใหกับโครงสรางที่เปน เกลียวคู และทำให DNA คงสภาพอยูไดในสภาวะตาง ๆ ไดดี สำหรับ RNA พบวาความเสถียรจะขึ้นกับบริบทของโครงสราง เนื่องจาก RNA มีทั้งสวนที่เปนสาย เดี่ยวและสวนที่เปนเสนคู อีกทั้งยังมีโครงสรางยอยหลายชนิด การพิจารณาความเสถียรของ RNA โดยทั่วไป จำเปนตองพิจารณาคาพลังงานอิสระ (delta free energy; ΔG) ของทุก ๆ หนวยยอยแลวจึงนำมารวมกัน หากคานี้มีคาติดลบมากโครงสรางนั้น จะมีความเสถียรมาก ตัวอยางการคำนวณคาความเสถียรของ RNA โมเลกุลหนึ่งแสดงดังภาพที่ 15 และสรุปไดวาลักษณะโครงสรางที่มีสวนรวมในความเสถียรของ RNA แบงเปน 2 กลุม คือ  โครงสรางที่เพิ่มความเสถียร (มีคา ΔG เปนลบ) ไดแก คูเบสทั้งชนิดวัตสัน-คริก และที่ไมใช (ยิ่ง มีจำนวนคูเบส GC มากก็จะยิ่งแข็งแรง) และแรงแวนเดอรวาลสของคูเบสที่ซอนกัน  โครงสรา งที่ล ดความเสถีย ร (มีค า ΔG เปน บวก) ไดแ ก นิว คลีโอไทดที่ไมมีคู ทั้ง ที่อ ยู ใน โครงสรางแบบลูป บัลจ หรือที่หอยอยูบริเวณปลาย 5’ หรือ 3’ ผลรวมของคา ΔG จากโครงสรางทั้ง 2 ประเภท จะเปนคา ΔG รวม ซึ่งสะทอนถึงความเสถียรของ RNA แตละโมเลกุล 21 ภาพที่ 15 ตัวอยางการคำนวณคาความเสถียรของ RNA โมเลกุลหนึ่ง 19 7. คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของกรดนิวคลีอิก 7.1 คุณสมบัติของเบสไนโตรเจน 7.1.1 Tautomerism 20 โมเลกุลที่มีลักษณะเปนเทาโทเมอร (tautomer) เปนโมเลกุลที่มีสูตรเคมีเดียวกันแตมีโครงสรางที่ แตกตางกัน เทาโทเมอรเกิดจากการที่อะตอมไฮโดรเจนเคลื่อ นยายตำแหนงในโมเลกุลดว ยกระบวนการ ธรรมชาติที่เกิดขึ้นเอง สงผลใหเกิดการสลับระหวางพันธะเดี่ยวและพันธะคูของอะตอมที่อยูติดกันในโมเลกุลที่ มีโครงสรางเปนวงแหวน โดยสามารถเกิดขึ้นในวงแหวนเดียวกันหรือระหวางวงแหวนก็ได การที่อะตอม ไฮโดรเจนเคลื่อนยายตลอดเวลาทำใหเราไมสามารถกำหนดตำแหนงที่แนนอนของมันได จึงเรียกลักษณะการ เคลื่อนยายอะตอมแบบนี้วา tautomerization หรือ tautomeric shift เบสตาง ๆ ที่เปนสวนประกอบใน DNA มีโครงสรางที่เปนเทาโทเมอรได 2 แบบ แตโดยปกติแลวแตละ เบสมีเทาโทเมอรหลักแบบเดียว เชน อะตอมของออกซิเจนที่เกาะอยูกับเบส G และ T จะอยูในรูปคีโต (keto form; =O) (ภาพที่ 16A) สวนอะตอมของไนโตรเจนที่เกาะอยูกับเบส A และ C จะอยูในรูปอะมิโน (amino form; -NH2) (ภาพที่ 16B) การเปลี่ยนแปลงตำแหนงของไฮโดรเจนในเบสทำใหโครงสรางโมเลกุลของเบส เปลี ่ ย นไป เช น เปลี ่ ย นแปลงจากรู ป คี โ ต (keto form; =O) ไปเป น รู ป อี น อล (enol form; -OH) หรื อ เปลี่ยนแปลงจากรูปอะมิโน (amino form; - NH2) ไปเปนรูปอิมิโน (imino form; =NH) เมื่อเบสตัวใดตัวหนึ่ง เปลี ่ย นไปเปน อี ก เทาโทเมอร จ ะทำให ก ารเข า คู  บ นสาย DNA ผิ ด ไปจากมาตรฐาน (ภาพที่ 17) ดั ง นั้ น กระ?