กรดนิวคลีอิค เป็นองค์ประกอบที่สำคัญของสารพันธุกรรม หรือ DNA ที่จะถ่ายทอดลักษณะต่างๆ จากพ่อแม่ไปยังลูก หน่วยย่อยของกรดนิวคลีอิค คือ นิวคลีโอไทด์ (nucleotide) ที่ประกอบด้วย น้ำตาลเพนโตส, เบส และฟอสเฟต ลำดับของนิวคลีโอไทด์ จะมีความจำเพาะอย่างยิ่งกับยีนแต่ละยีน ซึ่งเป็นหน่วยพื้นฐานที่ควบคุมลักษณะต่างๆ ทางพันธุกรรม ทั้งนี้ในยีนของสัตว์ชั้นสูง (eukaryotes) จะประกอบด้วยส่วนที่แปลรหัสเป็นโปรตีนได้เรียกว่า exon และส่วนที่แปลรหัสเป็นโปรตีนไม่ได้ เรียกว่า intron (intervening sequence)

นิวคลีโอไซด์ (Nucleosides)
โดยปกติในร่างกายจะมีเบสเสรีอยู่น้อย ส่วนใหญ่จะเป็นนิวคลีโอไซด์ และนิวคลีโอไทด์   นิวคลีโอไซด์ประกอบด้วยเบสที่มีน้ำตาลเพนโตสมาต่อที่ตำแหน่งที่หนึ่งของพัยริมิดีนหรือตำแหน่งที่เก้าของพิวรีน น้ำตาลอาจเป็น D-ribose หรือ D-2-deoxyribose  เช่น adenine ribonucleoside (adenosine) ประกอบด้วยเบสอะดีนีนกับน้ำตาล D-ribose ที่เกาะที่ตำแหน่งที่ 9 หรือ cytosine ribonucleoside (cytidine) ก็ประกอบด้วยเบสซัยโตซีนกับน้ำตาล D-ribose ที่เกาะที่ตำแหน่งที่ 1 ในกรณีที่เป็น 2-deoxyribonucleoside จะประกอบด้วย  2-deoxyribose เกาะที่ตำแหน่งที่ 1 ของ พัยริมิดีนหรือตำแหน่งที่ 9 ของพิวรีน การเกาะติดนี้จะใช้ N-glycosidic bond

 

 

นิวคลีโอไทด์  (Nucleotides)
นิวคลีโอไทด์คือนิวคลีโอไซด์ที่มีการเติมหมู่ฟอสเฟตหนึ่งหมู่หรือมากกว่าที่ตำแหน่ง –OH ของน้ำตาล (ribose หรือ deoxyribose) เช่น adenosine monophosphate (AMP หรือ adenylate) ประกอบด้วย อะดีนีน, ไรโบสและฟอสเฟต หรือ 2-deoxyadenosine monophosphate (dAMP หรือ deoxyadenylate) ก็ประกอบด้วย อะดีนีน, 2-deoxyribose และ ฟอสเฟต เป็นต้น
นิวคลีโอไทด์เป็นหน่วยย่อยของกรดนิวคลีอิค ที่ประกอบด้วยน้ำตาลไรโบส หรือ ดีอ็อกซีไรโบส, nitrogenous base ซึ่งได้แก่  พิวรีนหรือพัยริมิดีน และหมู่ฟอสเฟต ทั้งนี้เมื่อเบส รวมกับ น้ำตาลเพนโตสจะได้เป็นนิวคลีโอไซด์ (nucleoside) และเมื่อเติมฟอสเฟตเข้าไปก็จะได้เป็นนิวคลีโอไทด์ ซึ่งมีความสำคัญและมีบทบาทในกระบวนการชีวเคมี โดยทำหน้าที่เป็นสารต้นของการสังเคราะห์ DNA และ RNA, เป็นแหล่งของสารพลังงานสูง เช่น ATP, เป็นสัญญาณของการควบคุม (regulatory signals) เช่น cyclic AMP (cAMP) และ cyclic GMP (cGMP), เป็นส่วนประกอบของโคเอนไซม์ FAD, NAD+ และ NADP+ เป็นตัวให้หมู่เมธิย์ล เช่น S-adenosylmethionine นอกจากนี้ยังทำหน้าที่เป็นอินเตอร์มีเดียตที่มีพลังงานสูง (high energy intermediate) เช่น UDP-glucose และ UDP-galactose ในเมตะบอลิซึมของคาร์โบไฮเดรตและ CDP-acylglycerol ในการสังเคราะห์ลิปิด analogs ของนิวคลีโอไทด์มีประโยชน์มากในการรักษาโรคมะเร็ง โดยจะเข้าไปแทนที่นิวคลีโอไทด์ปกติของกรดนิวคลีอิค ได้กรดนิวคลีอิคที่ผิดปกติไป ทำให้การสังเคราะห์ DNA หรือ RNA ถูกเปลี่ยนแปลง เซลล์จึงหยุดการแบ่งตัวและตายในที่สุด ตัวอย่างสาร analogs เหล่านี้ได้แก่ 6-thioguanine, 6-azacytidine, 8-azaguanine, และ cytarabine, (arabinosyl cytosine, ara-C) ใช้ในการรักษาโรคมะเร็ง และโรคติดเชื้อจากไวรัส หรืออาจทำหน้าที่เป็นตัวยับยั้งเอนไซม์เพื่อใช้ในการรักษาโรคต่างๆ เช่น 4-hydroxypyrazolopyrimidine (allopurinol) ที่ใช้รักษาโรคเกาท์ เป็นต้น

โครงสร้างของ nitrogenous base

nitrogenous base ที่ประกอบกันขึ้นเป็นนิวคลีโอไทด์ ได้มาจากโครงสร้างของวงพิวรีนและพัยริมิดิน พิวรีนที่เป็นส่วนประกอบของกรดนิวคลีอิคคือ อะดีนีน (adenine) และ กวานีน (guanine) ส่วนพัยริมิดีนที่เป็นส่วนประกอบของกรดนิวคลีอิคคือ ซัยโตซีน (cytosine), ยูราซิล (uracil) และธัยมีน (thymine) เบสเหล่านี้มีอยู่ในนิวคลีโอไทด์ของทั้ง prokaryotes และ eukaryotes จัดเป็นเบสสำคัญ ส่วนเบสที่สำคัญน้อย มักจะพบในกรดนิวคลีอิคของแบคทีเรียและ  ไวรัส เช่น 5-methylcytosine พบใน DNA ของแบคทีเรีย, 5-hydroxymethylcytosine พบมากใน bacteriophage และ N6-methyl-adenine, N6,N6-dimethyladenine และ N7-methylguanine พบใน mRNA ของเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม (รูปที่ 3.37)

น้ำตาลเพนโตส

นิวคลีโอไทด์ จะมีน้ำตาลเพนโตสเป็นส่วนประกอบซึ่งมีสองชนิด คือ D-ribose เป็นส่วนประกอบของ RNA และ D-2-deoxyribose เป็นส่วนประกอบของ DNA

การเรียกชื่อนิวคลีโอไซด์และนิวคลีโอไทด์

            เรียกตามอนุพันธ์ของเบสที่เป็นส่วนประกอบดังนี้

โปลีย์นิวคลีโอไทด์ (polynucleotide)
อณูของกรดนิวคลีอิคประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์หลายสายมาต่อกัน (รูปที่ 3.40) โดยมีการเชื่อมระหว่าง 5’-phosphate (หมายถึงฟอสเฟตที่จับกับคาร์บอนตำแหน่งที่ 5 ของน้ำตาลเพนโตส) ของนิวคลีโอไทด์อณูหนึ่งกับ 3’-OH ของคาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ของน้ำตาลเพนโตสของนิวคลีโอไทด์อีกอณูหนึ่งและเป็นเช่นนี้เรื่อยๆไป จึงทำให้มีลักษณะเป็นสายยาว บอนด์ที่เชื่อมนี้เรียกว่า 3’,5’-phosphodiester bond ถ้ามีนิวคลีโอไทด์สองอณูต่อกันเรียกว่า dinucleotide, สามอณูเรียกว่า trinucleotide ตามลำดับเรื่อยๆ ไป จนเป็นโปลีย์นิวคลีโอไทด์หรือกรดนิวคลีอิค น้ำตาลไรโบสและฟอสเฟตที่ต่อกันจึงทำหน้าที่คล้ายเป็นแกนสันหลัง (backbone) ของกรดนิวคลีอิค โดยมีส่วนที่เป็นเบสยื่นออกไปข้างนอก กรดนิวคลีอิคในร่างกายแบ่งออกเป็น 2 พวกใหญ่ๆ คือ

  1. Deoxyribonucleic acid (DNA) อยู่รวมกับโปรตีนเป็นโครมาตินหรือโครโมโซมในนิวเคลียส ถ้าอยู่ในไมโตคอนเดรียเรียกว่า mitochondrial DNA ซึ่งเป็น DNA อณูเล็ก DNA ประกอบด้วยหน่วยย่อยของ deoxyadenylate, deoxyguanylate, deoxycytidylate และ thymidylate ทำหน้าที่เก็บและถ่ายทอดพันธุกรรมจากพ่อแม่ไปยังลูกหลานหรือจากเซลล์เดิมไปสู่เซลล์ที่เกิดใหม่

2.  Ribonucleic acid (RNA) มีขนาดอณูเล็กกว่า DNA เพราะสังเคราะห์มาจาก DNA ในนิวเคลียสแล้วส่งมาทำหน้าที่ในซัยโตซอลในรูปของ mRNA, rRNA และ tRNA พบว่า RNA ประกอบด้วย adenylate, guanylate, cytidylate และ uridylate ทำหน้าที่รับข้อมูลทางพันธุกรรมจาก DNA มาเปลี่ยนเป็นโปรตีนซึ่งจะทำหน้าที่ในการสังเคราะห์ส่วนประกอบและสารสำคัญอื่นๆ ของเซลล์และเนื้อเยื่อ
                      

ความสำคัญของกรดนิวคลีอิค

การถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมหรือโรคที่เกิดขึ้นจากพันธุกรรมมีผลมาจากพื้นฐานทางเคมีในโครงสร้างของ DNA วิถีข้อมูลพื้นฐานนี้เกิดขึ้นมาจาก DNA ทำหน้าที่สังเคราะห์ RNA และ RNA ทำหน้าที่สังเคราะห์โปรตีน ซึ่งในทางกลับกันก็คือการควบคุมการสังเคราะห์โปรตีนโดยDNA นั่นเอง ความรู้นี้ได้ถูกนำมาใช้ในการศึกษาทางสรีรวิทยาและพยาธิวิทยาของโรคที่ระดับอณูทำให้เข้าใจการเกิดและการดำเนินของโรคหลายโรค เช่น familial hypercholesterolemia, sickle cell disease, thalassemia, cystic fibrosis และ hemophilia เป็นต้น
DNA และโครงสร้างของ DNA
DNA อยู่กันเป็นสายคู่และขดเป็นเกลียวเรียกว่า double stranded helical structure     โดยวนรอบแกนสมมติเดียวกัน โดยการวนไปทางขวาเหมือนบันไดเวียนซึ่งจัดเป็นโครงสร้างระดับที่สอง ส่วนเบสต่างๆจะอยู่ภายในเกลียวและมี H-bond เชื่อมระหว่างเบสของโปลีย์นิวคลีโอไทด์ตลอดทั้งสองสายตามกฎการจับคู่ของเบส (base pairing หรือ base complementarity) ที่พบโดย Chargaff ซึ่งพบว่า อะดีนีนจับกับธัยมีนและกวานีนจับกับซัยโตซีน (รูปที่ 3.41) H-bond เหล่านี้จะช่วยยึดไม่ให้โปลีย์นิวคลีโอไทด์ทั้งสองสายแยกจากกัน โดยที่ H-bond ระหว่างกวานีนกับซัยโตซีนจะมี 3 บอนด์ ในขณะที่ธัยมีน และอะดีนีนมีเพียง 2 บอนด์ H-bond ของคู่ G-C จึงแรงกว่า H-bond ของคู่ A-T และยังดึงให้เบสเข้ามาอยู่ใกล้กันมากกว่าด้วย จึงเกิดแรงเสริมขึ้นของ stacking หรือ hydrophobic interaction จึงทำให้บริเวณที่มี G-C มาก ถูกทำลายได้ยากกว่าบริเวณที่มี A-T มาก

 

โปลีย์นิวคลีโอไทด์สองสายที่ประกอบกันเป็นดีเอ็นเอ จะมีทิศทาง (polarity) สวนกันนั่นคือ เป็นแบบ antiparallel (รูปที่ 3.42) กล่าวคือ DNA สายหนึ่งจะวิ่งไปในทิศทาง 5’ ไป 3’ และอีกสายหนึ่งวิ่งไปในทิศทาง 3’ ไป 5’ จึงทำให้เกิดปลายที่เรียกว่า ปลาย 3’-hydroxy และปลาย 5’-phosphate เนื่องจากข้อความต่างๆ ของพันธุกรรมจะวางอยู่ในลำดับของนิวคลีโอไทด์ ดังนั้นสายที่มีการถอดรหัสพันธุกรรมจะเรียกว่า coding strand (sense strand, template) ส่วนสายตรงข้ามจะเรียกว่า noncoding strand (nonsense strand) ในธรรมชาติสายคู่ของ DNA จะอยู่ในโครงสร้างระดับที่สาม กล่าวคือ จะมีการบิดตัวเองเป็นเกลียวให้มีขนาดเล็กลงเรียกว่า supercoil (supertwist หรือ superhelix) ลักษณะการบิดนี้ถ้าบิดไปทางขวาในทิศทางเดียวกับเกลียวคู่ของ DNA จะเรียกว่า positively supercoiled DNA แต่ถ้าบิดไปทางซ้ายในทิศทางตรงข้ามกับเกลียวคู่จะเรียกว่า  negatively supercoiled DNA จึงเกิดเป็นไอโซเมอร์ขึ้นซึ่งเรียกว่า topoisomers ในสิ่งมีชีวิตจะพบเฉพาะ negatively supercoils เท่านั้น ภาวะที่ไม่มีการบิดเป็นเกลียวจะเรียกว่า relaxed conformation (รูปที่ 3.42)

 

RNA (Ribonucleic acid) และโครงสร้างของ RNA
ประกอบด้วยหน่วยย่อยคือ polyribonucleotide มาต่อกันด้วย 3’,5’-phosphodiester bond สำหรับอณูของ RNA นั้นทุกชนิดจะเป็นสายเดี่ยว แต่มีบางชนิดที่สายของโปลีย์นิวคลีโอไทด์จะขดมาพันกันเองเกิดเป็นเกลียวสายคู่ในบางตอน โดยมี A จับคู่กับ U และ G จับคู่กับ C ในตอนที่ไม่มีการจับคู่  เนื่องจากคู่เบสไม่สมมาตร (complementary) กัน ก็จะเป็นห่วง (loop) (รูปที่ 3.47) จึงทำให้มีลักษณะเป็น hairpin like duplex เรียกว่า cruciform เนื่องจาก RNA เป็นสายเดี่ยวนี่เอง ปริมาณของกวานีนจึงไม่จำเป็นต้องเท่ากับปริมาณของซัยโตซีนและปริมาณของอะดีนีนก็ไม่จำเป็นต้องเท่ากับยูราซิล นอกจากนี้ข้อความพันธุกรรมที่อยู่ใน RNA สายเดี่ยวนี้จะได้มาจากสายหนึ่งของ DNA สายที่เป็นแม่พิมพ์ซึ่งเรียกว่า coding strand หรือ template