Tip:
Highlight text to annotate it
X
งัย .. นี่คือครูเอนเดอสัน และวิดีโอในตอนนี้ จะว่าด้วยเรื่องของ "โปรตีน"
โปรตีนมีความสำคัญมาก เหตุผลอย่างนึงก็คือร่างกายของพวกเรานั้น ก็สร้างมาจากโปรตีนทั้งสิ้น
อย่างร่างกายของครูที่เห็นอยู่ ก็เป็นโปรตีนมากมายหลายชนิด เกิดจากกระบวนการการสร้างที่อาศัยยีนส์ เป็นผลจากการ
อ่านดีเอ็นเอของมนุษย์ .. ทีนี้ เราจะมาดูสิ่งที่เรียกว่า proteom โปรเจดท์
อันเป็นโครงการที่พยายามจะศึกษาดูว่าโปรตีนพวกนี้ มาจากไหนบ้าง มีรูปร่างหน้าตาอย่างไร
ในแบบสามมิติ .. ที่ผ่านมา เรื่องแบบนี้จะเป็นสิ่งที่ทำได้ยากมาก คนที่เห็นนี่ชื่อ John Kendrew
เขากำลังทำแบบจำลองของ myoglobin โดยใช้มือสร้างล้วนๆ ไม่มี
คอมพิวเตอร์ มาช่วยเหมือนอย่างในสมัยนี้ ซึ่งเราสามารถทำได้โดยง่าย และในวิดีโอนี้ ครูจะสาธิตให้ดู
ด้วยโปรแกรมที่เรียกว่า Foldit ที่จะช่วยให้เราสามารถลองสร้างและ ปรับโครงสร้างของโปรตีน ... เป็นโปรแกรมที่เขาใช้กัน
ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ มีความน่าสนใจและเป็นประโยชน์มาก
เวลาที่เราศึกษาอ้างอิงถึงโปรตีน มาลองเริ่มกันที่ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับโปรตีนก่อน
โปรตีนนั้นมาจากกรดอะมิโน นักเรียนในชั้น ม.๑ ก็น่าจะเข้าใจเรื่องนี้แล้ว ว่ากรดอะมิโนนั้น
เป็นโครงสร้างพื้นฐานหลักของโปรตีน แล้วกรดอะมิโนมาจากไหนล่ะ? ก็จะมาจากอาหารนั่นเอง
เริ่มาจากโปรตีนจากอาหารที่เรากินเข้าไป แล้วเราก็ย่อยให้เป็นกรดอะมิโน แล้วเราก็เอามาสังเคราะห์เข้ากันใหม่
กลับมาอีกครั้งในรูปแบบของโปรตีนที่เราต้องการในร่างกาย เพราะงั้น เมื่อเราพิจารณาดูที่ร่างกายของเรา
กรดอะมิโนที่ผิวหนังของครูนี่ ก็อาจจะเคยเป็นส่วนนึงของอาหารอะไรสักอย่างมาก่อน ก็เหมือนกันที่ว่าตัวเราก็คืออะไรที่เรากินเข้าไปนั่นเอง
ที่เห็นนี่เป็นตัวอย่างของกรดอะมิโนห้าชนิด จากทั้งหมดยี่สิบห้าชนิดที่เราใช้กันในชีวิตประจำวัน
เพียงแต่ห้าชนิดนี้ จะเป็นชนิดที่เราพบเห็นได้บ่อยที่สุด แรกเลยที่ครูเอาขึ้นมาให้นักเรียนของครูดู
ดูเหมือนจะรู้สึกเป็นเรื่องยากเพราะมีแต่ภาพสูตรทางเคมีเต็มไปหมด
แต่ลองให้ครูชี้ให้ดูบางจุดที่มีอะไรเหมือนกันอยู่ .. ลองดูที่
ตรงกลางของแต่ละอันดู จะเห็นว่ามีคาร์บอนกับไฮโดรเจน
อยู่ในทุกแบบ เรียกว่าคาร์บอนอัลฟาคาร์บอน อยู่ตรงตำแหน่งตรงกลางพอดี
อะไรอีกที่มีอยู่เหมือนกันในกรดอะมิโนทุกแบบ? ลองดูที่ด้านซ้ายจะเห็นมีไนโตรเจนเกาะอยู่กับไฮโดรเจนสองตัว
เราเรียกส่วนนี้ว่าอะมิโนกรุ๊ป จากนั้น ถ้าดูที่ด้านขวา
ก็จะเป็นส่วนที่เรียกว่าคาร์บอกซิลกรุ๊ป รวมความว่ากรดอะมิโนทุกตัวจะมีสามส่วนนี้อยู่ด้วยเสมอ
ส่วนที่จะแตกต่างกันออกไปก็คือส่วนทาง
ด้านล่างนี่ เรียกว่า R กรุ๊ป ดังนั้นกรดอะมิโนทุกตัวจะมีโครงสร้างเหมือนกันหมด
ยกเว้นส่วนด้านล่างนี้ และเป็นส่วนที่ทำให้มีคุณสมบัติต่างกันออกไปด้วย เราลองมาดูกัน
ว่ามันมาประกอบเข้าด้วยกันอย่างไร ขณะที่ร่างกายครูมีการสร้างโปรตีนนั้น
ก็จะสร้างด้วยกรดอะมิโน เป็นการสร้างด้วยกระบวนการ dehydration synthesis
ครูจะย้ายมาอยู่ตรงนี้ หลักๆแล้ว สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือ เราเอากรดอะมิโนตัวนึงมาวางเรียงถัดไป
จากกรดอะมิโนอีกตัวนึง จากที่เห็นตรงนี้ จะมีไฮโรเจนสองตัวและออกซิเจนอีกตัว
ก็อย่างที่รู้กันว่า ในทางเคมีนั้น H2O ก็คือน้ำนั่นเอง
ตกลงสิ่งที่ได้ออกมาจากกระบวนการนี้ก็คือน้ำ แต่เรื่องไม่ง่ายเพียงแค่นั้น
กระบวนการทั้งหมดนี้เกิดขึ้นภายในไรโบโซม มีเอนไซม์ขนาดใหญ่อยู่รอบๆ
ทีนี้ลองเอาอีกตัวเข้ามาต่อดู เราก็เอากรดอะมิโนอีกตัวนึงมาวางถัดไป จะเห็นว่า
ไฮดรอกซิลกรุ๊ปหรือคาร์บอกซิลกรุ๊ปจะมีไฮโรเจนติดอยู่ จะมีการ
ก่อตัวของโมเลกุลน้ำแล้วก็สร้างโควาเลนท์บอนด์ตัวใหม่ขึ้น แล้วเราก็เอาอีกตัวมาวางตรงที่ถัดไป
ก็จะได้น้ำออกมาอีกโมเลกุลนึง มีโควาเลนท์บอนด์เกิดขึ้นอีกครั้งนึง
เกิดสิ่งที่เราเรียกว่าโพลีเปปไทด์ (polypeptide) ขึ้นมา ตกลงแต่ละส่วนนี่เราจะเรียกว่าเปปไทด์
แต่พอเอามารวมกันเข้า เราก็จะเรียกว่าโพลีเปปไทด์ จะเห็นได้ว่า
เส้นสายยาวๆตามโมเลกุลของมันนี่จะมีรูปแบบที่ซ้ำกันอยู่ ตรงนี้จะเป็นส่วนที่เหมือนกัน ส่วนที่้มีความแตกต่าง
กันไปในแต่ละส่วนจะอยู่ตรงส่วนที่เป็น R กรุ๊ป ที่ด้านล่าง
กระบวนการนี้เกิดขึ้นที่ไหน? โดยหลักแล้วโมเลกุลพวกนี้ก็คือกรดอะมิโน และนี่ก็คือ
ไรโบโซมที่อยู่ข้างในเซลล์ ที่มีอยู่ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด แล้วก็จะมี tRNA เล็กๆตรงนี้ ที่จะ
ดึงเอากรดอะมิโนเข้ามาประกอบเข้าด้วยกัน เราก็จะเห็นว่า
มีกรดอะมิโนมากมายถูกนำเอามาประกอบเข้าด้วยกัน จะเห็นมีโพลีเปปไทด์ ซึ่งโพลีเปปไทด์อันนี้
ในที่สุดก็จะมีการปรับโครงสร้าง พับตัวกลายเป็นโปรตีน กรดอะมิโนทั้งห้าตัวของเราถูกนำมาเรียงตัวต่อกันตรงนี้
แต่ละตัวก็จะมีคุณสมบัติทางเคมีแตกต่างกันออกไป ตัวอย่างเช่น ตัวที่เห็นตรงนี้
ธรีโอนีน (threonine) เป็นโมเลกุลที่มีขั้ว หมายความว่าจะมีประจุบวกลบ
แล้วถ้าเราดู อลานีน (alanine) ที่อยู่ด้านนี้ มันจะเป็นโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว แล้วไงล่ะ?
เรื่องของเรื่องก็คือถ้าเป็นโมเลกุลมีขั้ว มันก็จะมีคุณสมบัติที่เรียกว่า hydrophilic หมายความว่ามันจะดึงดูดน้ำ
เข้ามาหาตัวมัน นั่นก็คือเหตุผลที่เรามักพบธรีโอนีนอยู่กับน้ำเสมอ
ในขณะที่อะลานีน นื่องจากมีเมธิลกรุ๊ปเกาะอยู่ตรงนี้ ก็เลยจะไม่พยายามดึงน้ำเข้ามา
คือพยายามหนีห่างออกจากน้ำ หรือถ้าเราหันมาดูที่กรดแอสพาติค (aspartic acid) ที่นี่
จะเห็นว่ามันจะมีประจุลบ หรือถ้าเราจะมาดูที่ไลซีน (lysine) ตรงนี้ ก็จะเห็นว่า
จะมีประจุบวก ก็จะเห็นว่ากรดอะมิโนทั้งสองแบบนี้จะพบเห็นได้
ในโพลีเปปไทด์เดียวกัน แล้วก็พยายามที่จะเรียงตัวอยู่ใกล้ๆกัน เนื่องจาก
บวกและลบจะดึงดูดซึ่งกันและกัน ตกลงสิ่งที่เราจะได้ขึ้นมาก็คือ
โปรตีนในแบบสามมิติ .. ส่วนตรงกลาง ตรงที่เห็นเป็นสีน้ำตาลนี่
ก็จะเป็นส่วนแกนหลัก ซึ่งก็จะเหมือนกับที่กล่าวมาแล้ว คือประกอบขึ้นมาจากกรดอะมิโน
ที่มีลักษณะเหมือนกัน .. ก็จะมี อะมิโน อัลฟา และคาร์บอกซิลกรุ๊ป เป็นรูปแบบซ้ำกันอย่างนี้
ส่วนทางด้านนอก คือส่วนที่ลากออกมานี่ ก็คือ
R กรุ๊ป เป็นกลุ่มหรือส่วนที่จะมีการเปลี่ยนโครงสร้าง พับปิดเข้ามาที่ด้านปลายสุด
ส่วนที่ตรงนี้ก็จะเป็นโพลีเปปไทด์ ซึ่งเป็นกรดอะมิโนต่างๆจำนวนมาก
เกาะรวมตัวอยู่ด้วยกัน ซึ่งมักจะเป็นจำนวนพันๆ เห็นได้ในโปรตีนอย่างพวก
ฮีโมโกลบินที่จะพบได้ในเลือด ในร่างกายของคนเรา
โดยทั่วไป โมเลกุลนี้จะพับเป็นรูปทรงสามมิติ ประเด็นที่ครูมักจะบอกกับนักเรียนอยู่เสมอ ก็คือ โพลีเปปไทด์นั้น
เป็นการเรียงตัวต่อกันเข้าของกรดอะมิโน แล้วก็จะมีการเปลี่ยนรูปร่างโมเลกุล
มีการพับตัวเกิดเป็นโปรตีนขึ้นมา ดั้งนั้น ประการแรก ที่พวกเราอาจจะเคยรู้มาแล้วก็ได้ คือ
โครงสร้างในโปรตีนนั้น จะมีอยู่ด้วยกันสี่ระดับ มาลองดูกันว่ามีอะไรบ้างก่อน
แล้วค่อยไปดูแบบจำลองเพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้น เอาละ โครงสร้างหลักก็จะเป็น
ลำดับของการเรียงตัวของกรดอะมิโนที่เข้ามาต่อกัน .. อันถัดไป
ก็จะเป็นเกลียวอัลฟา (alpha helixes) กับ แผ่นเบต้า (beta pleated sheets) นี่เป็นโครงสร้างอันที่สอง
ตัวอย่างของเกลียวก็จะมีรูปร่างหน้าตาแบบนี้ ส่วนแผ่นนั้น ก็จะเป็นสองด้าน ติดอยู่ด้วยกัน
ส่วนจุดเล็กๆ ที่เห็นอยู่ตรงกลางนั้น จะเป็นพันธะไฮโดรเจน
ในโพลีเปปไทด์อันนั้น โครงสร้างอันนี้เป็นโครงสร้างสองอันดับแรก
มีลักษณะเป็นเชิงเส้น ถัดไปเราก็จะมีเกลียวอัลฟา หรือ แผ่นเบต้า
จากนั้นเราก็จะมีโครงสร้าง tertiary อันเป็นโครงสร้างลำดับที่สาม
เป็นโครงสร้างที่เกิดจากความสัมพันธ์ระหว่าง R กรุ๊ปต่างๆ หรือบางครั้ง ก็จะมีพวกที่เป็นไฮโรโฟบิค (hydrophobic) ด้วย
มันจะหลบอยู่จากตรงส่วนกลาง หรือส่วนไฮโดรโฟบิค เราก็มีพันธะไดซัลไฟด์
มีขั้วบวกที่ดึงดูดอยู่กับขั้วลบ ..อันนี้เป็นโครงสร้างระดับที่สาม
จากนั้นเราก็จะมีโครงสร้างระดับที่สี่ อาจจะเริ่มจากโพลีเปปไทด์ตรงนี้ จับตัวเข้าด้วยกัน
หรือไม่ก็กับโปรตีนชนิดอื่น อย่างฮีโมโกลบินนี่ จะเป็นตัวอย่างของโปรตีน
ที่จะมีโครงสร้างย่อยมาจากชนิดที่แตกต่างกัน ที่เห็นนี่เป็นแบบจำลองของครู ถ้าเราดูที่แบบจำลองอันนี้
เราอาจจะมองให้เป็นโพลีเปปไทด์ ที่ประกอบขึ้นมาจากกรดอะมิมาเรียงต่อกัน
แล้วก็จะมี R กรุ๊ป เกาะอยู่ด้านล่างนี่ เป็นส่วนที่
ทำให้เกิดความแตกต่างออกไปจากโปรตีนตัวอื่น R กรุ๊ป พวกนี้จะอยู่ที่ด้านล่าง
นี่ก็คือโครงสร้างระดับแรก ส่วนโครงสร้างระดับที่สองก็จะเป็นเกลียวอัลฟา
กับแผ่นเบต้า .. ไอ้เจ้าเกลียวอัลฟาจะมีรูปร่างเป็นแบบนี้
สิ่งที่ทำให้รูปร่างแบบนี้คงตัวอยู่ได้ก็คือพันธะไฮโดรเจน อีกส่วนที่เรียกว่า
แผ่นเบต้านั้น .. อาจจะมีรูปร่างคล้ายๆแบบนี้
ก็จะมีพันธะไฮโดรเจนอยู่ตรงนี้ แล้วก็ตรงนี้ ..แต่อาจเป็นไปได้ว่าตรงนี้
อาจจะเป็น R กรุ๊ป ซึ่งจะพยายามผลักน้ำออกไป สมมติว่าโมเลกุลมีการพับที่ตรงนี้ แล้วก็มี
ส่วนที่จะผลักน้ำออกอยู่ที่นี่ ทำให้รอยพับที่ว่านั้น จะเป็นรอยพับหันออก แล้วเราก็อาจจะมีประจุบวก ที่จะคอยดึง
ประจุลบอยู่ สิ่งต่างๆเหล่านี้ เป็นปัจจัยที่ทำให้โปรตีนมีรูปร่างสามมิติอย่างที่เห็น
อาจจะมีการรวมตัวกับโปรตีนตัวอื่นก็ได้ และสิ่งที่น่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับโปรตีนก็คือ โครงสร้างของมัน
เหมาะสมอย่างยิ่งกับหน้าที่ที่มันทำอยู่ ..ถ้าโครงสร้างไม่เป็นแบบนี้แล้ว ไปเจอความร้อนหรือความเย็นเข้า หรือหากไปเจอ
สภาพความเป็นกรดเข้า มันก็จะแยกออกจากกัน เรียกว่า denature แล้วก็จะไม่สามารถ
ทำงานได้อีกต่อไป อย่างที่ครูบอกแล้วว่าเราอาจมีส่วนช่วยวิทยาศาสตร์ได้ ... เรามีโปรแกรมที่มีชื่อ
เรียกว่า Foldit .. ครูจะเปิดโปรแกรมนี้ขึ้นแล้วกลับมาอีกที
จากโปรแกรมนี้ เราจะเห็นโปรลีเปปไทด์อย่างง่าย มีกระอะมิโนอยู่สองประเภท แล้วก็จะมี
R อยู่ตรงนี้ หน้าที่ของเราในโปรแกรมที่คล้ายๆเกมส์อันนี้ก็คือ คอยทำให้ R กรุ๊ปรู้สึกแฮปปี้ (คือมีเสียรภาพอยู่ได้ในรูปร่างโมเลกุลขณะนั้น - ผู้แปล)
เอาละ ครูผ่านระดับหนึ่งมาแล้ว ทีนี้ลองมาขึ้นระดับสองดู
โปรแกรมนี้ มีให้ดาวน์โหลดได้ทั้ง Mac Lynx แล้วก็ Windows ทีนี้ครูจะลองเปลี่ยนข้างมุมมองดู จะเห็นได้ว่า
เรามี .. ให้ครูหันมาทางนี้อีกหน่อย .. เราก็จะมี
กรดอะมิโนอยู่สองสามตัวกับ R กรุ๊ปที่มาด้วยกัน ครูสามารถที่จะดึงมันออกจากกันได้ ทำให้ดูเหมือน
รู้สึกมันจะแฮปปี้มากขึ้น .. ครูก็ผ่านมาได้อีกขั้นนึง ตกลงว่าเรากำลังทำอะไรอยู่แน่
ครูเล่นไปคุยไปก็ได้ ตกลงสิ่งที่เรากำลังทำก็คือเรียนรู้กฎของการ
ปรับโครงสร้างโปรตีน แต่ละขั้นตอนก็จะยากขึ้นเรื่อยๆ
เราจะเห็นว่ามีเกลียวอัลฟาอยู่ตรงนี้ด้วย ถ้าเราผ่านได้ เราก็จะมีทักษะในการปรับโครงสร้าง
ของโปรตีนเหล่านี้ ที่น่าสนใจคือ มีคนหลายคนใช้เวลาเป็นชั่วโมง
มีข่าวตีพิมพ์ออกมาเมื่อปีที่แล้ว เกี่ยวกับนักปรับโครงสร้างโปรตีน
อาจจะเป็นทีมด้วยซ้ำ สามารถค้นพบรูปร่างของเอนไซม์สำคัญตัวนึงในผู้ติดเชื้อ *** ได้
ก็เลยมีความเป็นไปได้มากทีเดียวว่า ในอนาคต คนที่เล่นเกมส์นี้อาจจะได้รับรางวัลโนเบลจากผลงาน
การปรับโครงสร้างโปรตีนก็ได้ ประเด็นก็คือ เรารู้จักโครงสร้างระดับที่สองของโปรตีนเป็นอย่างดี
แต่เราไม่รู้เลยว่ารูปร่างสามมิตินั้นจะออกมาอย่างไร แล้วคอมพิวเตอร์นั้น แม้ว่าอาจจะเอามาช่วยได้
แต่ก็พิสูจน์แล้วว่า ถึงอย่างไร เรื่องนี้มนุษย์ก็ยังทำได้ดีกว่า ทั้งหมดนี้ก็คือเรื่องของโปรตีน
และครูหวังว่าคงจะเป็นประโยชน์บ้าง