สมบัติของของสารของพันธุกรรม

สมบัติของของสารของพันธุกรรม

             เมื่อวอตสันและคริกค้นพบโครงสร้างทางเคมีของ DNA ขั้นตอนต่อไปก็คือ การพิสูจน์และตรวจสอบว่าโครงสร้างของ DNA นี้ มีสมบัติเพียงพอที่จะเป็นสารพันธุกรรมได้หรือไม่ ซึ่งการที่จะเป็นสารพันธุกรรมได้นั้นย่อมต้องมีสมบัติสำคัญ คือ

ประการแรก ต้องสามารถเพิ่มจำนวนตัวเองได้โดยมีลักษณะเหมือนเดิมเพื่อให้สามารถถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมจากรุ่นพ่อแม่ไปยังรุ่นลูกได้

ประการที่สอง สามารถควบคุมให้เซลล์สังเคราะห์สารต่างๆเพื่อแสดงลักษณะทางพันธุกรรมให้ปรากฏ

ประการที่สาม ต้องสามารถเปลี่ยนแปลงได้บ้าง ซึ่งการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นอาจก่อให้เกิดลักษณะพันธุกรรมที่ผิดแปลกไปจากเดิมและเป็นช่องทางให้เกิดสิ่งมีชีวิตสปีชีส์ใหม่ๆขึ้น

                หลักจากวอตสันและคริกได้เสนอโครงสร้างของ DNA แล้วในระยะเวลาเกือบ 10 ปีต่อมา จึงสามารถพิสูจน์ได้ว่า DNA มีสมบัติเป็นสารทางพันธุกรรม วอตสันและคริกจึงได้รับรางวัลโนเบลค้านผลงานการค้นพบโครงสร้าง DNA ในปี พ.ศ. 2505 นับว่าเป็นความก้าวหน้าที่สำคัญยิ่งทางด้านวิทยาศาสตร์ และเป็นจุดเริ่มต้นให้กับนักวิทยาศาสตร์ที่จะค้นคว้าในระดับโมเลกุลต่อไป

การสังเคราะห์ DNA

                วอตสันและคริกได้เสนอโครงสร้างของ DNA ว่าเป็น พอลินิวคลีโอไทด์ 2สายพันกันบิดเป็นเกียว ซึ่งเป็นโครงสร้างของ DNA ตามแบบจำลองนี้ได้นำไปสู่กลไกพื้นฐานของการสังเคราะห์ DNA หรือการจำลองตัวเองของ DNA โดยนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองได้พยากรณ์กลไกจำลองDNA ว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร

                ในปี พ.ศ. 2496 วอตสันและคริกได้พิมพ์บทความพยากรณ์การจำลองตัวของ DNA ได้ว่า ในการจำลองตัวของ DNA พอลินิวครีโอไทด์2 สาย แยกออกจากกันเหมือนการรูดซิบโดยการสลายพันธะไฮโดเจนระหว่างเบส A กับ T และเบส C กับ G ที่ละคู่ พอลินิวคลีโอไทด์แต่ละสายทำหน้าที่เป็นแม่พิมพ์สำรับการสร้างสายใหม่ มีการนำคลีโอไทด์อิสระที่อยู่ในเซลล์เข้ามาจับกับ พอลิวคลีโอไทด์สายเดิม โดยเบส A จับกับ T และเบส C จับกับ G หมู่ฟอสเฟตของนิงคลีโอไทด์ อิสละจะจับกับน้ำตาลออสซีไรโบสของ DNA โดยวิธีนี้เรียกว่า DNA เรพลิเคชั่น ( DNA replication ) ทำให้มีการเพิ่มโมเลกุลของ DNA จาก 1 โมเลกุลเป็น 2 โมเลกุล DNA แต่ละโมเลกุลมีพลลิวคลีโอไทด์ สายเดิม 1 สาย และสายใหม่มา 1 สาย จึงเรียกการจำลองลักษณะว่า เป็นแบบกิ่งอนุรักษ์ ( semiconservatiae ) ดังภาพ

                 ตามแนวคิดที่เกี่ยวกับการจำลอง DNA ที่วอตสันและคริกเสนอนั้นเป็นเพียงสมมติฐาน แต่ในปี พ.ศ. 2499 อาร์เธอร์ คอนเบิร์ก (Atrhur kornberg) นักเคมีชางอเมริกันเป็นคนแรกที่สามารถสังเคราะห์โมเลกุลของ DNA ในหลอดทดลองได้สำเร็จ โดยนำเอ็นไซม์ DNA พอลิเมอเรส ( DNA polymerase) ซึงสกัดจากแบคทีเรีย E. coli ใส่ในหลอดทดลองที่มีสารประกอบที่จำเป็นต่อการสังเคราะห์ครบสมบูรณ์ ได้แก่ DNA แม่พิมพ์ นิงคลีโอไทด์ 4 ชนิด คือ นิวคลีโอไทด็ที่มีเบส A นิวคลีโอไทด็ที่มีเบส T นิวคลีโอไทด็ที่มีเบส C และ นิวคลีโอไทด็ที่มีเบส G และเอ็นไซม์DNA พอลิเมอเรส ซึ่งทำหน้าที่เชื่อมนิวคลีโอไทด์ให้ต่อกันกลายเป็นสายยาว โดยมีทิศทางการสังเคราะห์สาย ดีเอ็นเอสายใหม่ จากปลาย5 ไปยังปลาย3 ปัญหาก็คือจะพิสูจน์ได้อย่างไรว่า DNA ที่สังเคราะห์ได้นั้นเหมือนกับ ดีเอ็นเอแม่พิมพ์ที่ใส่ลงไปในหลอดทดลอง นักเรียนจะได้ศึกผลการทดลองของคอนเบิร์นในตาราง 

ตารางแสดงอัตราส่วนของเบสใน DNA ที่สังเคราะห์ได้ในหลอดทดลองและ DNA แม่พิมพ์

                จากผลการทดลอง DNA พบว่าที่สังเคราะห์ได้ในหลอดทดลอง มีอัตราส่วนของเบส A+T ต่อ C+G แทบจะกล่าวได้ว่าเท่ากัน อัตราส่วนดังกล่าวนี้ไม่ได้เป็นความบังเอิญ เพราะจากผลการทดลองเป็นเช่นนี้เสมอไม่ว่าจะได้ DNA ของสิ่งมีชีวิตชนิดใดเป็นแม่พิมพ์ก็ตาม

                การค้นพบเอ็นไซร์ที่ใช้ในการเชื่อมนิวคลีโอไทด์เข้าด้วยกันนับว่ามีความสำคัญอย่างยิ่งในประวัติศาสตร์ของวิชาพันธุศาสตร์พบว่าการสังเคราะห์ DNA สามารถเกิดขึ้นได้ในหลอดทดลองโดยไม่จำเป็นต้องเกดขึ้นในเซลล์เท่านั้น

                ปัจจุบันมีการทดลองของนักวิทยาศาสตร์ที่ยืนยันได้ว่า DNA มีกระบวนการจำลองตัวขอล DNA โดยกระบวนการดังกล่าวเป็นไปแบบกึ่งอนุรักษ์ จากความรู้ที่ว่าการสังเคราะห์พอลินิงคลีโอไทด์ สายใหม่จะต้องสร้างในทิศ 5 ไป 3 เสมอ

                    จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ พบว่าการสังเคราะห์ DNA สายใหม่ 2 สาย มีส่วนแตกต่างกันคือ สายหนึ่งจะสร้าง ต่อเนืองกันเป็นสายยาว เรียกสายนี้ว่า ลีดดิงสแตรนด์ ส่วนสายใหม่อีกสายหนึ่งไม่สามารถสร้างต่อกันเป็นสายยาวได้เหมือนสายแรกเนื่องจากทิศทางการสร้างจากปลาย 5ไปยังปลาย 3 นั้นสวนทางกับทิศกลายคายเกลียวของ DNA โมเลกุลเดิม จึงสร้างพอลินิงคลีโอไทด์ สายสั้นๆที่มีทิศทางจาก 5ไป3จากนั้น เอนไซม์ไลเกส จะเชื่อมต่อสายสั้นๆเหล่านี้ให้เป็นสายเดียวกันเรียกว่า DNA แลกกิงสแตรนด์

DNA ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมได้อย่างไร

                ทราบหรือไม่ว่า DNA บรรจุข้อมูลทางพันธุกรรมจำนวนมากของสิ่งมีชีวิตไว้อย่างไร โครงสร้างของ DNA ประกอบด้วย พอลินิวคลีโอไทด์ทั้งสองสายที่มีความยาวนับพันหมื่นคู่เบส การเรียงลำดับเบสมีความแตกต่างกันอยู่หลายแบบ ทำให้ DNA แต่ละโมเลกุลแตกต่างกันที่ลำดับจำนวนคู่เบสมีเบสเพียง 4 ชนิด คือ A T C และ G จึงเป็นไปได้ว่าความแตกต่างทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตอยู่ที่ลำดับและจำนวนของเบสใน DNAนั้นเอง ปัญหาต่อไปก็คือลำดับเบสของ DNA เกี่ยวข้องกับการแสดงลักษณะทางพันธุกรรมอย่างไร นักเรียนทราบมาแล้วว่าโปรตีนเป็นสารอินทรีย์มีหลายชนิดมีบทบาทไนการแสดงลักษณะเฉพาะของเชลล์ได้เช่น เชลล์กล้ามเนื้อมีโปตีนแอกทินและไมโอซิน เซลล์เม็ดเลือดแดงมีมีโปรตีนฮีโมโกลบิน นอกจากนี้เอ็นไซม์ทุกชนิดที่ช่วยให้เกิดการเกิดปฏิกิริยาเคมีต่างๆภายในเซลล์ก็เป็นโปรตีนด้วย เช่นปฏิกิริยาสังเคราะห์สารและสลายสารต่างๆต้องอาศัยเอ็นไซม์ จึงอาดกล่าวได้ว่าโปตีนเกี่ยวข้องกับการแสดงทางพันธุกรรม และการดำรงชีวิตทั้งโยทางตรงและทางอ้อม

                ในปี 2500 วี เอ็ม อินแกรม ( V. M. Ingrame ) แห่งมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ประเทศอังกฤษ ได้ศึกษาโครงสร้างทางเคมีของฮีโมโกบินที่ผิดปกติ โดยการเปรียบเทียบฮีโมโกบินของคนที่เป็นโรคโลหิตจางชนิดซิกเคิลเซลล์กับฮีโมโกบินของคนปกติ

                อินแกรมแสดงให้เห็นว่าองค์ประกอบของฮีลโมโกบิลในคนปกติและคนที่เป็นโรคโลหิตจางชนิดซิกเซลล์ต่างกันที่การเรียงตัวของกรดอะมิโนเพียง 1 ตำแหน่ง คือ ตำแหน่งที่ 6 จากปลาย N ( N-terminus ) ของสายพอลิเพปไทด์ที่ชื่อว่าบีตา สายหนึ่งของฮีโมโกบินในคนปกติจะเป็นกรดลูตามิก ( glutamic acid ) ส่วนคนที่เป็นโรคจะเป็นวาลีน ( valine ) ความผิดปกติที่เกิดขึ้นนี้ มีสาเหตุมาจากการเปลี่ยนแปลง DNA หรือยีนที่ทำให้ฮีโมโกบินผิดปกติ

                ถ้า DNA ควบคุมการสร้าวฮีโมโกบินซึ่งเป็นโปรตีน ปัญหาก็คือ DNA เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แสงโปรตีนได้อย่างไร

DNA กับการสังเคราะห์โปรตีน

                นอกจาก DNA ที่เป็นกรดนิวคลีอิกแล้ว ก็ยังมี RNA ที่เป็นกรดนิวคลีอิกเช่นเดียวกันซึ่ง RNA มีลักษณะเป็นพอลิเมอร์สายยาวของนิวคลีโอไทด์ ที่เชื่อมต่อด้วยพันธะโคเวเลนซ์ระหว่างหมู่ฟอสเฟตและหมู่ไฮดรอกซิลของโมเลกุลน้ำตาล เช่นเดียวกับโมเลกุลของ DNA แต่ RNA แตกต่างจาก DNA ตรงที่น้ำตาลเพนโทสประกอบขึ้งเป็น RNA นั้น เป็นน้ำตาลไรโบสแทนน้ำตาลดีออกซีไรโลส และจะไม่พบเบสไทมีน ( T ) เป็นองค์ประกอบ แต่จะมีเบสยูลาซิว (U) ดังภาพ 

  ภาพแสดงไรโบนิวคลีโอไทด์ที่มีเบสยูราซิล

               สิ่งมีชีวิตพวกยูคาริโอตมี DNA อยู่ภายในนิงเคลียส แต่การสังเคราะห์โปรตีนเกิดในไซโทพลาสซึม โดยเฉพาะบริเวณที่มีเอ็นโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบผิงขรุขระ เป็นไปได้หรือไม่ว่า DNA ส่งตัวแทนออกมายังไซโทพลาสซึม เพื่อทำหน้าที่ควบคุมการสังเคราะห์โปรตีนถ้าเป็นเช่นนั้นจริงสารที่เป็นตัวแทนของ DNA คืออะไร จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์พบว่า ข้อมูลทางพันธุกรรมใน DNA ได้ส่งไปยังการสังเคราะห์โปรตีนโดยตรง แต่จะมีตัวแทนทำหน้าที่เป็นสื่อกลาง นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส 2 คน คือ ฟลองซัวจาค็อป และ จาค โมนอด ได้มีข้อเสนอว่าRNA เป็นตังกลางที่อยู่ระหว่าง DNA กับไรโบโชรมตาม สมมุติฐาน ดังภาพ

ภาพแสดงสมมุติฐานของ ฟรองซัว จาค๊อป และ จาค โมนอด

               RNA เป็นตัวกลางนี้เรียกว่า mRNA ( messenger RNA ) จะเป็นตัวข้อมูลทางพันธุกรรมจาก DNA ไปยังไรโบโซม ซึ่งได้รับการยืนยันจากนักวิทยาศาสตร์ 2 คน คือ เจราร์ด เฮอร์วิทซ์ และ เจเจ เฟอร์ธ เกี่ยวกับอยู่และทำหน้าที่ของ mRNA กระบวนการสังเคราะห์โปรตีนจึงประกอบด้วย

 การสังเคราะห์ RNA จาก DNA แม่พิมพ์ และการสังเคราะห์ที่ไรโบโซม

             การสังเคราะห์ RNA โดยมี DNA เป็นแม่พิมพ์จะคล้ายกับการสังเคราะห์ DNA แต่การสังเคราะห์ RNA ใช้ DNA เพียงสายเดียวเป็นแม่พิมพ์ ใช้เอ็นไซม์ RNA พอลิเมอร์ และไรโบนิวคลีโอไทด์ 4 ชนิด คือ ไรโบนิวคลีโอไทด์ที่มีเบส A ไรโบนิวคลีโฮไทด์ที่ทีเบส C ไรโบนิวคลีโฮไทด์ที่ทีเบส G

การสังเคราะห์ RNA มีขั้นตอนดังนี้

ขั้นเริ่มต้น เอ็นไซม์ RNA พอลิเมอร์เลสจะเข้าไปจับกับ DNA ตรงบริเวณที่จะสังเคราะห์ RNA ทำให้พันธะไฮโดเจนระหว่างคู่เบสสลาย พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายของ DNA จะคายเกลียวแยกออกจากัน โดยมีสายใดสายหนึ่งเป็นแม่พิมพ์ดังภาพ 

       ขั้นการต่อสายยาว ไรโบนิวคลีโอไทด์ที่มีเบสที่เข้าคู่กับนิงคลีโอไทด์ของ DNA สายแม่พิมพ์คือเบส C เข้าคู่กับ G และเบส U เข้าคู่กับ A จะเข้ามาจับกับนิวคลีโอไทด์ของ DNA แม่พิมพ์ เอนไชม์ RNA พอลิเมอเรสจะเชื่อมไรโบนิวคลีโอไทด์อิสระมาต่อกันเป็นสายยาว โดยมีทิศทางการสังเคราะห์สาย RNA จากปลาย 5 ไปยังปลาย 3 และกาวสร้างสาย RNA นั้น จะเรียงสลับกับทิศสาย DNA ที่เป็นแม่พิมพ์

ขั้นสิ้นสุด เอนไซม์อาเอ็นเอพอลิเมอเลสหยุดทำงานและแยกตัวออกจาก DNA สายแม่พิมพ์สาย RNA ที่สังเคราะห์ได้จะแยกออกจาก DNA ไปยังไซโทพลาสซึม ส่วน DNA 2 สายจะจับคู่กันและบิดเป็นเกลียวเหมือนเดิม

           จากที่กล่าวมาว่า DNA เป็นแม่พิมพ์ในกางสังเคราะห์ mRNA ดังนั้นข้อมูลทางพันธุกรรมใน DNA จะถ่ายทอดให้กับ mRNA การเรียงลำดับของ     นิวคลีโอไทด์ชนิดต่างๆ ของ mRNA จึงเป็นตัวกำหนดการเรียงลำดับของกรดอะมิโนเพื่อสังเคราะห์โปรตีน เนื่องจากกรออะมิโนเพื่อใช้ในการสังเคราะห์โปรตีนมีประมาณ 20 ชนิด การกำหนดรหัสพันธุกรรม ในสาย mRNA จะประกอบด้วยกี่นิงคลีโอไทด์ต่อ 1 รหัสพันธุกรรม จึงจะคลุม
ของกรดอะมิโน 20 ชนิด