องค์ประกอบและโครงสร้างทางเคมีของ DNA

คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของสารพันธุกรรม คือ สามารถถ่ายทอดไปจากรุ่นสู่รุ่นได้

การที่คุณสมบัตินี้จะเกิดขึ้นได้ต้องเอื้อด้วยปัจจัยขั้นพื้นฐาน หรือ คุณสมบัติพันธุศาสตร์ในระดับโมเลกุล (molecular genetics)

ทั้งนี้เป็นเพราะ DNA ประกอบไปด้วย หน่วยย่อย (monomer) คือ นิวคลีโอไทด์ หรือ กรดนิวคลีอิก
มีส่วนประกอบที่สำคัญ 3 ส่วน

1. โมเลกุลน้ำตาลเชิงเดี่ยวที่มีคาร์บอน 5 อะตอม
   ได้แก่ DNA มีน้ำตาลดีออกซีไรโบส (deoxyribose) เป็นส่วนประกอบ และ RNA มีน้ำตาล ribose  เป็นส่วนประกอบแตกต่างกันที่น้ำตาล deoxyribose ไม่มี Oxygen (O) ที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 2 ทำหน้าที่เป็นแกนของกรดนิวคลีอิก
2. หมู่ฟอสเฟต (PO₄)^3-
   เนื่องด้วยประจุลบของหมู่ฟอสเฟต จึงทำให้กรดนิวคลีอิกมีคุณสมบัติเป็นกรด เป็นส่วนที่ทำให้หน่วยย่อยของกรดนิวคลีอิก มาสร้างพันธะโคเวเลนต์ต่อกันได้ เรียกว่า พันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ (Phosphodiester bond) สามารถมาเรียงร้อยเป็นสายยาวได้ที่ตำแหน่งฟอสเฟต เรียกว่า สายพอลินิวคลีโอไทด์ โดยสามารถกำหนดทิศทางได้ มีหมู่ฟอสเฟตอยู่ที่ตำแหน่ง 5 หรือเรียกว่า 5 prime  (PO₄)^3-  ส่วนอีกปลายหนึ่งจะอยู่ที่หมู่ OH (hydroxyl group) หรือเรียกว่า 3 prime OH
3. โมเลกุลเบสไนโตรเจน (Nitrogenous base)
   เป็นส่วนที่ยื่นออกมาของสายพอลินิวคลีโอไทด์ โมเลกุลเบสไนโตรเจนมีความสำคัญตรงที่ทำให้ DNA หรือ RNA สามารถเข้าคู่กันได้ด้วยพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond) โดยแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ พิวรีน (purine) และไพริมิดีน (pyrimidine) ประกอบ
   ไปด้วยอะตอมของคาร์บอนและไนโตรเจนเป็นหลัก
   
          ด้วยข้อแตกต่าง คือ พิวรีน มีลักษณะเป็นวงแหวน 6 เหลี่ยมและวงแหวน 5 เหลี่ยมเชื่อมต่อกัน ส่วนเกินประกอบไปด้วยวงแหวนหกเหลี่ยมเพียง 1 วง
          ดังนั้น พิวรีนจึงเป็นเบสที่มีขนาดโมเลกุลที่ใหญ่กว่า เบสพิวรีน ได้แก่ A: adenine และ G: guanine ส่วนเบสไพริมิดีนมีขนาดโมเลกุลที่เล็กกว่า ได้แก่ T: thymine,  U:uracil และ C: cytosine โดยจุดสำคัญ คือ
   
   
   สำหรับ DNA-DNA 
        A เข้าคู่กับ T ด้วย 2 พันธะไฮโดรเจน
        G เข้าคู่กับ C ด้วย 3 พันธะไฮโดรเจน
   สำหรับ DNA-RNA
        A เข้าคู่กับ U ด้วย 2 พันธะไฮโดรเจน
        G เข้าคู่กับ C ด้วย 3 พันธะไฮโดรเจน

การทดลองสำคัญ ที่บ่งบอกถึงลักษณะคุณสมบัติของสารพันธุกรรม

• ลักษณะทางพันธุกรรมควบคุมด้วยยีน
  ถ่ายทอดจากรุ่นสู่รุ่น
• สารพันธุกรรมที่ทำหน้าที่ถ่ายทอด
  ลักษณะทางพันธุกรรม คือ DNA

• การแสดงออกของยีนเรียกว่า ฟีโนไทป์

       F. Griffith ค้นพบว่าลักษณะทางพันธุกรรมถ่ายทอดได้ โดยเขาได้ทำการทดลองกับเชื้อ Streptococcus pneumoiae ซึ่งมี 2 สายพันธุ์  ได้แก่ ชนิดที่ไม่ทำให้เกิดโรคปอดบวม มีลักษณะผิวขรุขระ เรียกว่า Rough strain (R) และชนิดที่ทำให้เกิดโรคปอดบวมมีลักษณะผิวเรียบ เรียกว่า Smooth strain (S) โดยมีกระบวนการทดลอง ดังนี้

1. Griffith ได้ทำการฆ่าเชื้อแบคทีเรียสายพันธุ์ S ด้วยความร้อน แล้วนำไปเลี้ยงแบคทีเรียสายพันธุ์ R ที่ยังมีชีวิต

2. จากนั้นนำสารดังกล่าวไปฉีดใส่หนู ได้ผลคือ หนูเป็นโรคปอดบวม

3. Griffth จึงสรุปว่า มีสารจากแบคทีเรียสายพันธุ์ S ทำให้แบคทีเรียสายพันธุ์ R เปลี่ยนเป็นสายพันธุ์ S ซึ่งในสมัยนั้นไม่ทราบว่าเป็นสารอะไร Griffith เรียกสารนี้ว่า transformation substance

       O. Avery C Macleod และ M. McCarty
ทั้งสามเป็นผู้พิสูจน์ว่า transformation substance คือ DNA โดยเมื่อนักวิจัยกลุ่มนี้ได้เติม DNAase หรือเอนไซม์ที่ย่อยจำเพาะ DNA แล้วทำการทดลองซ้ำคล้ายของ Griffith แต่สารจากแบคทีเรียสายพันธุ์ S ไม่สามารถเปลี่ยนสายพันธุ์จากสายพันธุ์ S ได้อีกต่อไป

การวิจัยและการทดลองในระดับโครงสร้างของ DNA

• Erwin Chargaff ได้ทำการวัดปริมาณองค์ประกอบของ DNA ของสิ่งมีชีวิตชนิดต่าง ๆ โดยตรวจพบสาร 4 ชนิด คือ Adenine Guanine Thymine และ Cytosine โดยได้ผลสม่ำเสมอว่า
  
  
  • สัดส่วน A:T จะมีค่าใกล้เคียงกันหรือเท่ากับ 1:1 เสมอ 
  • สัดส่วน G:C จะมีค่าใกล้เคียงกันหรือเท่ากับ 1:1 เสมอ
  • ปริมาณเบสพิวรีนหรือเมื่อ A + G ต่อปริมาณเบส ไพริมิดีน หรือ C + T จะมีค่าใกล้เคียงกันหรือเท่ากับ 1 เสมอ

จากกฏการผสมคู่ของชาร์กาฟฟ์ เมื่อเราวัดอัตราส่วน A:T และ G:C จะคงที่เสมอ จึงสรุปได้ว่า  A จับคู่กับ T และ C จะคู่กับ G

• James D. Watson และ Francis Crick ได้เป็นผู้นำเสนอโครงสร้างทางโมเลกุลของ DNA เป็นเส้นคู่และบิดเป็นเกลียว ซึ่งก่อนหน้านี้มีสมมติฐานอื่น ๆ แต่ด้วยผลทางภาพเอกซเรย์ จึงพิสูจน์ได้ว่าโครงสร้างของ DNA เป็นลักษณะ double strands ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญทำให้ DNA สามารถถ่ายทอดจากรุ่นสู่รุ่นได้