Gene and ChromosomeGene and Chromosome

AjAj. . AngsanaAngsana SanyearSanyearBiology : GeneticsBiology : Genetics

1

ยนและโครโมโซม

การถายทอดยนและโครโมโซม

การคนพบสารพนธกรรม

โครโมโซม

องคประกอบทางเคมของ DNA

โครงสรางของ DNA

สมบตของสารพนธกรรม

การกลายพนธ (mutation)2

การถายทอดยนและโครโมโซม

Q : ยนของพอแมถายทอดสลกไดอยางไร

A : ยนซงเปนหนวยควบคมลกษณะทางพนธกรรมจากพอแมสามารถายทอดไปยงลกได โดยผานทางโครโมโซมในเซลลสบพนธของพอแม

3

หลกฐาน (ทแสดงวายนถายทอดผานทางโครโมโซม)

พ.ศ.2423 : พบวธการยอมสโครโมโซม

พ.ศ.2445 : ทฤษฎโครโมโซมในการถายทอดลกษณะทาง พนธกรรม

4

การยอมสโครโมโซม

5

ทฤษฎโครโมโซมในการถายทอดลกษณะทางพนธกรรม

Walter Sutton (2445) : chromosome theory of inheritance

เสนอวา : gene (factor) นาจะอยบน โครโมโซม เนองจาก

1. ยนและโครโมโซม ม 2 ชด เหมอนกน2. ยนและโครโมโซมสามารถถายทอดไปสลกหลายได

6

3. ขณะทมการแบงเซลลแบบไมโอซส โครโมโซมทมการเขาคกน และแยกออกจากกนไปยงเซลลลกคนละเซลล ซงเหตการณดงกลาวกเกดขนในยน โดยมการแยกตวของแอลลนทงสองไปยงเซลลสบพนธ

4 การแยกตวของโครโมโซมทอยเปนคกนไปยงขวของเซลลขณะทมการแบงเซลล แตละคนนเกดขนอยางอสระ เชนเดยวกบการแยกตวของแอลลนไปยงเซลลสบพนธ

5 ขณะเกดการสบพนธ การรวมตวของเซลลไข และสเปรม เกดเปนไซโกตเปนไปอยางสม ท าใหเกดการรวมกนระหวางชดโครโมโซมจากเซลลไข และสเปรม เปนไปอยางสม ซงเหมอนกบการทชดของแอลลนทเกดขนในเซลลสบพนธของพอกลบมารวมกนอกครงกบแอลลนในเซลลสบพนธของแม เมอมการสบพนธกเปนไปอยางสมเชนเดยวกน

6 ทกเซลลทพฒนามาจากไซโกตจะมโครโมโซมครงหนงจากแมและอกครงหนงจากพอ ซงยนครงหนงมาจากแมและอกครงหนงมาจากพอ ท าใหลกทเกดมาจงมลกษณะแปรผนไปจากพอและแม

8

พ.ศ. 2412 โยฮนน ฟรดรช มเซอร (F. Miescher) นกชวเคม (แพทย) ชาวสวเดนไดศกษาสวนประกอบในนวเคลยสของเซลลเมดเลอดขาวทตดมากบผาพนแผล

การคนพบของ F. Miescher

9

โดยน าเซลลเมดเลอดขาวมายอยเอาโปรตนออกดวย เอนไซมเพปซน พบวาเอนไซมนไมสามารถยอยสลายสารชนดหนงทอยภายในนวเคลยสได

เมอน าสารนมาวเคราะหทางเคม : พบวามธาตไนโตรเจนและฟอสฟอรสเปนองคประกอบ จงเรยกสารทสกดไดจากนวเคลยสวา นวคลอน (nuclein) ตอมาอก 20 ป ไดมการเปลยนชอใหมวา กรดนวคลอก เนองจากมผคนพบวาสารนมสมบตเปนกรด

10

พ.ศ. 2457 โดย อาร ฟอยลแกน (R. Feulgen) นกเคมชาวเยอรมน เปนผพฒนาสฟคซน (fuchsin) ซงสยอมนยอมตด DNA ใหสแดง และเมอน าไปยอมเซลล พบวาตดทนวเคลยสและรวมตวหนาแนนทโครโมโซม จงสรปวา DNA อยทโครโมโซม

การคนพบของ R. Feulgen

11

การคนพบวา DNA อยทโครโมโซม ท าใหนกวทยาศาสตร เชอวา DNA เปนสารพนธกรรมของสงมชวตชนดตางๆ แตกมนกวทยาศาสตรจ านวนมากในสมยนนเชอวา สารพนธกรรมนาจะเปนโปรตน เนองจากโปรตนเปนสารชวโมเลกลขนาดใหญ ประกอบดวยกรดอะมโน 20 ชนด จงนาจะมโปรตนชนดตางๆ มากพอทจะควบคมลกษณะของสงมชวตไดอยางครบถวน

12

การคนพบของ F. Griffith

พ.ศ. 2471 เอฟ กรฟฟท (F. Griffith) แพทยชาวองกฤษท าการทดลองโดยฉด แบคทเรย (Streptococcus pneumoniae) ทท าใหเกดโรคปอดบวมเขาไปในหน แบคทเรยทฉดเขาไปนม 2 สายพนธ คอ สายพนธทมผวหยาบ เพราะไมมสารหอหมเซลลหรอ แคปซล(capsule) ไมท าใหเกดโรคปอดบวม เรยกวาสายพนธ R (rough) และสายพนธทมผวเรยบ มสารหอหมเซลลท าใหเกดโรคปอดบวมรนแรงถงตาย เรยกวาสายพนธ S (smooth)

13

Streptococcus pneumoniaeพวกทไมกอโรครนแรง (avirulent) ไมมแคบซลหม ( R )พวกทกอโรคอยางรนแรง (virulent) มแคบซลหม ( S )

15

Q : เหตใดเมอน าแบคทเรยสายพนธ S ทท าใหตายดวยความรอน ไปผสมกบสายพนธ R ทมชวตแลวฉดใหหนจงท าใหหนตาย

A : กรฟฟท ไดรายงานวามสารบางอยางจากแบคทเรยสายพนธ S ทท าใหตายดวยความรอนเขาไปยงสายพนธ R บางเซลลและสามารถท าใหแบคทเรยสายพนธ R เปลยนแปลงสายพนธเปนสายพนธ S ทมชวต สายพนธ S เหลานยงสามารถถายทอดลกษณะไปสรนลกหลาน อยางไรกตาม กรฟฟท กไมสามารถพสจนไดวาสารนนคออะไร

การทดลองของ O.T. Avery และคณะ

พ.ศ. 2487 นกวทยาศาสตรชาวอเมรกน 3 คน คอ โอ ท แอเวอร (O.T. Avery) ซ แมคลอยด ( C. MacLeod) และ เอม แมคคารท (M. McCarty) ท าการทดลองตอจาก กรฟฟท

17

18

จากผลการทดลองของเอเวอรและคณะ ปรากฏวา

สวนผสมของแบคทเรยสายพนธ R กบสารสกดจากสายพนธ S ทท าใหตายดวยความรอน ในภาวะทมเอนไซม DNase จะไมพบแบคทเรยสายพนธ S ทเกดขนใหม

สวนผสมของแบคทเรยสายพนธ R กบสารสกดสายพนธ S ในภาวะทมเอนไซม RNase และภาวะทมเอนไซม โปรตเอส จะพบสายพนธ S เกดขน

19

การทดลองนจงแสดงใหเหนวา DNA คอสารทเปลยนพนธกรรมของแบคทเรยจากสายพนธ R ใหเปนสายพนธ S แอเวอรจงสรปวา กรดนวคลอกชนด DNA เปนสารพนธกรรมไมใชโปรตนดงทเคยเชอกนมากอนหนาน

20

สรป

ผลการทดลองของกรฟฟท แอเวอรและคณะ เปนจดเรมตนทน าไปสขอสรปทส าคญเปนอยางมากกคอ ยนหรอสารพนธกรรมซงท าหนาทถายทอดลกษณะของสงมชวตไปสรนตอๆไปนน เปนสารชวโมเลกลขนาดใหญมชอวา DNA และจากการศกษาของนกวทยาศาสตรในระยะตอมาพบวา DNA มสวนทควบคม ลกษณะทางพนธกรรมและสวนทไมไดควบคมลกษณะทางพนธกรรม DNA สวนทควบคมลกษณะทางพนธกรรม เรยกวา ยน ดงนนหนวยพนธกรรมทเมนเดลเรยกวาแฟกเตอร กคอยนซงอยทโครโมโซมนนเอง

21

Chromosome

Q : ยนกบโครโมโซมมความสมพนธกนอยางไรA : ยนมต าแหนงอยบนโครโมโซม

(DNA เปนองคประกอบของโครโมโซม และยนกเปนสวนหนง ของ DNA ทท าหนาทก าหนดลกษณะทางพนธกรรมทอยบน โครโมโซม)

22

23

24

รปราง ลกษณะ และจ านวนโครโมโซม

โดยทวไปโครโมโซมมการเปลยนแปลงรปรางไดตามระยะตาง ๆ ในวฏจกรของเซลล (cell cycle) โดยโครโมโซมในระยะอนเตอรเฟสจะมลกษณะยดยาว และเมอเซลลเขาสระยะการแบงตว โครโมโซมจะหดตวสนเขาและหดตวมากทสดในระยะเมตาเฟส ซงเปนระยะทมองเหนชดเจนทสด เรยกโครโมโซมระยะนวา โครโมโซมเมตาเฟส

25

26

รปรางของโครโมโซม

ชนดของโครโมโซม

1. Metacentric chromosome

2. Submetacentric chromosome

3. Acrocentric chromosome

4. Telocentric chromosome

27

Metacentric chromosome

โครโมโซมทมเซนโทรเมยร อยตรงต าแหนงกงกลางพอดท าใหแขน (arm) ทงสองขางของโครโมโซมมความยาวเทากน

28

Submetacentric chromosome

โครโมโซมทมเซนโทรเมยร อยใกลกลางแทงโครโมโซม ท าใหแขนทงสองขางของโครโมโซมมความยาวไมเทากน จงมแขนเปนแขนขางสนและแขนขางยาว

29

Acrocentric chromosome

โครโมโซมทมเซนโทรเมยร อยเกอบปลายสดจงท าใหแขนขางสนมความสนมากจนแทบไมปรากฏ

30

Telocentric chromosome

โครโมโซมทมเซนโทรเมยร อยตอนปลายสดของโครโมโซม มผลท าใหโครโมโซมมแขนเพยงขางเดยว

31

32

โครโมโซมของสงมชวต

โครโมโซม แบงเปน 2 ชนด1. Autosome :

เปน chromosome ทควบคมลกษณะตางๆของรางกาย2. Sex – chromosome :

ควบคม ,ก าหนดเพศchromosome X , chromosome Yหญง XX ชาย XY

เซลลรางกายของสงมชวตมรปรางลกษณะทเหมอนกนเปนคๆ โครโมโซม 2 ชด เรยกวา ดพลอยด โครโมโซมแตละคเรยกวา Homologous chromosome เชน คน โครโมโซมชดหนงไดรบมาจากพอ อกชดหนงไดรบมาจากแม (เมอมการแบงเซลลแบบไมโอซส)

เมอเสรจสนการแบงเซลลแบบไมโอซส โครโมโซมในเซลลลกทเกดขนจะลดลงครงหนงเรยกวา แฮพลอยด

34

จ านวนโครโมโซม

35

สงมชวต จ านวนchromosome สงมชวต จ านวนchromosomeมนษย 46 สน 24

ลงชมแพนซ

48 กะหล าปล 18

มา 64 ถวลนเตา 14

แมว 38 ฝาย 52

หน 40 มะเขอเทศ 24

ไก 78 ยาสบ 48

กบ 26 ขาว 24

ผง 32 กลวย 22

Q : สงมชวตทมจ านวนโครโมโซมเทากนจะมรปรางเหมอนกนหรอไมอยางไร

A : ไมจ าเปน

36

Q : จ านวนโครโมโซมมความสมพนธกบระดบความซบซอนของ สงมชวตหรอไม

A : จากตารางจะเหนไดวา ไกมจ านวนโครโมโซมมากกวาคน แต โครงสรางของคนมความซบซอนมากกวาไก สวนแมลงวน แมลงหว ยงกนปลองและผง เปนแมลงเหมอนกนจะมความ ซบซอนของโครงสรางใกลเคยงกน แตมจ านวนโครโมโซม แตกตางกน ดงนนจ านวนโครโมโซมจงไมนาจะมความสมพนธ กบระดบความซบซอนของสงมชวต

สวนประกอบของโครโมโซม

Q : DNA อยทสวนใดของโครโมโซม และทโครโมโซมนอกจากม DNA แลวยงมสารอนอกหรอไมอยางไร

41

42

43

โครโมโซมของยคารโอต ประกอบดวย DNA 1 ใน 3 และอก 2 ใน 3 เปนโปรตน โดยสวนทเปนโปรตนจะเปน ฮสโตน (histone) และนอนฮสโตน (non-histone) อยางละประมาณเทาๆกน

ในป พ.ศ. 2427 นกวทยาศาสตรพบวาฮสโตนเปนโปรตนทมองคประกอบสวนใหญเปนกรดอะมโนทมประจบวก(basic amino acid) เชน ไลซน และอารจนน ท าใหมสมบตในการเกาะจบกบสาย DNA ซงมประจลบไดเปนอยางด และท าใหเกดการสรางสมดลของประจ (neutralize) ของโครมาทนดวยสาย DNA พนรอบกลมโปรตนฮสโตนคลายเมดลกปด เรยกโครงสรางนวา นวคลโอโซม(nucleosome) โดยจะมฮสโตนบางชนดเชอมตอระหวางเมดลกปดแตละเมด

สวนของโปรตนนอนฮสโตนนนมมากมายหลายชนด อาจเปนรอยหรอพนชนด ขนอยกบชนดของสงมชวต โดยโปรตนเหลานจะมหนาทแตกตางกนไป บางชนดมหนาทชวยในการขดตวของ DNA หรอบางชนดกเกยวของกบ กระบวนการจ าลองตวเองของDNA (DNA replication) หรอการแสดงออกของยนเปนตนส าหรบในโพรคารโอต เชน แบคทเรย E. coli มจ านวนโครโมโซมชดเดยว เปนรปวงแหวนอยในไซโตพลาสซม ประกอบดวย DNA 1 โมเลกล และไมมฮสโตนเปนองคประกอบ

สารพนธกรรมทงหมดของสงมชวตชนดหนงๆ เรยกวา จโนม(genome) จากการศกษาพบวาสงมชวตแตละชนดมขนาดของจโนมและจ านวนยนแตกตางกน

องคประกอบทางเคมของ DNA

1. DNA และ RNA มโครงสรางและสวนประกอบอยางไร

2. DNA ควบคม ลกษณะทางพนธกรรมของสงมชวตไดอยางไร

DNA เปนกรดนวคลอคชนดหนง ซงเปนพอลเมอร(polymer) สายยาวประกอบดวยหนวยยอย หรอ มอนอเมอร(monomer) ทเรยกวานวคลโอไทด (nucleotide)

แตละนวคลโอไทดประกอบดวย

1. น าตาลเพนโทส

2. ไนโตรจนสเบส(nitrogenous base)

2.1 เบสพวรน (purine) 2.2 เบสไพรมดน(pyrimidine)

3. หมฟอสเฟต

น าตาลเพนโทส

น าตาลทม C 5 อะตอม ( C5H10 O5 ) ม 2 กลม คอ

1.ribose = ribonucleic acid = RNA

2.deoxyribose = deoxyribonucleic acid (DNA)

ไนโตรจนสเบส(nitrogenous base) 1. เบสพวรน (purine) ประกอบดวยวงแหวน 2 วง ม 2 ชนด 1.1 อะดนน (adenine หรอ A) 1.2 กวานน (guanine หรอ G)

2.เบสไพรมดน (Pyrimidine) ประกอบดวย วงแหวน 1 วง ม 3 ชนด 2.1 ไทมน (thymine หรอ T)

2.2 ไซโทซน (cytosine C ) 2.3 ยราซล (uracile หรอ U )

หมฟอสเฟต

( PO4)

Nucleotide

การประกอบขนเปนนวคลโอไทดนน ทงสามสวนจะประกอบกนโดยมน าตาลเปนแกนหลก มไนโตรจนสเบส อยทคารบอนต าแหนงท 1 และหมฟอสเฟตอยทคารบอนต าแหนงท 5 ดงนนจงสามารถจ าแนกนวคลโอไทดใน DNA ได 4 ชนด ซงจะแตกตางกนตามองคประกอบทเปนเบส ไดแก A T C และ G

nucleotide

nucleotide

Polynucleotide

• เกดจากการสรางพนธะโคเวเลนส ระหวางหมฟอสเฟตของนวคลโอไทดหนงกบหมไฮดรอกซลทอยทคารบอนต าแหนงท 3 ของน าตาลในอกนวคลโอไทดหนง

• เมอหลายๆนวคลโอไทดมาเชอมตอกนเกดเปนสายพอลนวคลโอไทด

Covalence bone

Covalence bone

• ปลายสายดานหนงจะมหมฟอสเฟตเชอมอยกบน าตาลดออกซไรโบสทคารบอนต าแหนงท 5 เรยกปลายดานนวาเปนปลาย 5/ (อานวา 5 ไพรม)

• ปลายดานหนงจะมหมไฮดรอกซลทคารบอนต าแหนงท 3 ทเปนอสระ เรยกปลายดานนของสาย DNA วาปลาย 3/ ( อานวา 3 ไพรม)

ตอมานกเคมในประเทศองกฤษ พบวาพอลนวคลโอไทดแตละสายจะแตกตางกนทจ านวนของนวคลโอไทด และล าดบของนวคลไทด

กฎของชารกาฟฟ (Chargaff’s rules)

ชารกาฟฟ ไดศกษาหาปรมาณของเบสทง 4 ใน DNA ทท าใหบรสทธจากเนอเยอทตางกน และจากสงทมชวตตางกนพบวา :

ในโมเลกลของ DNA เบสอะดนน (A) มปรมาณเทากบเบสไธมน (T) หรอ A=T

เบสไซโตซน (C) มปรมาณเทากบเบสกวานน (G) หรอ C = G

จากการศกษานแสดงวาปรมาณทงหมดของเบสเพยวรน (A+G) เทากบปรมาณทงหมดของเบสไพรมดน (T+C)

องคประกอบเบสใน DNA จากสงทมชวตชนดหนงจะเปนคณสมบตของสงทมชวตชนดนนๆ ซงไมขนกบชนดของเนอเยอทแยก DNA ออกมา และไมขนกบอาย อาหารและสภาวะแวดลอม

องคประกอบเบสใน DNA จะเปลยนแปลงไประหวางสงทมชวตทตางกน

โครงสรางของ DNA

Q : โมเลกลของ DNA มโครงสรางเปนอยางไร

การคนพบของ โรซาลนด แฟรงคลน

โรซาลนด แฟรงคลน (Rosalind Franklin)

ป พ.ศ. 2493-2494 เอม เอช เอฟ วลคนส (M. H.F. Wilkins) และ โรซาลนด แฟรงคลน (Rosalind Franklin) นกฟสกสชาวองกฤษไดศกษาโครงสรางของ DNA ในสงมชวตชนดตางๆ โดยใชเทคนคเอกซเรยดฟแฟรกชน (X-ray diffraction) โดยการฉายรงสเอกซผานผลก DNA การหกเหของรงสเอกซท าใหเกดภาพบนแผนฟลม

จากภาพถายนนกฟสกสแปลผลไดวาโครงสรางของ DNA จากสงมชวตชนดตางๆ มลกษณะทคลายกนมาก คอประกอบดวยพอลนวคลโอไทดมากกวา 1 สาย มลกษณะเปนเกลยว เกลยวแตละรอบมระยะหางเทาๆกน จากผลการศกษาท าใหเขาใจโครงสรางทางกายภาพของ DNA

การคนพบของ วตสน ~ คลก

Dr. James Watson Dr. Francis Crick

แบบจ าลองโครงสรางของ DNA

J.D. Watson นกชววทยาอเมรกน & F.H.C. Crick นกฟสกสองกฤษ เสนอโครงสรางของ DNA ไดรบ Nobel Prize ตพมพผลงานใน Nature ฉบบวนท 25 เดอนเมษายน ค.ศ. 1953

1. ประกอบดวย 2 polynucleotides ยดกนโดยการจบคกนของ เบส โดย H-bond2. ทง 2 สายขนานกนและมตดทางตรงขาม (antiparallel)

3. การจบคกนของเบสระหวาง A - T (2 H-bonds), C - G (3 H-bonds) = complementary basepairs (เบสทเปนเบสคสมกน

คอ A จบคกบ T ดวยพนธะไฮโดรเจน 2 พนธะ และGจบคกบ C ดวยพนธะไฮโดรเจน 3 พนธะ)

4. ทง 2 สายจะพนกนเปนเกลยวเวยนขวา (right handed double strand helix)

5. แตละคเบสหางกน 3.4 องสตรอม (.34 nm) เอยงท ามม 36 องศา 1 รอบ = 10 คเบส = 34 องสตรอม เสนผาศนยกลาง 20 องสตรอม

แมวา DNA จะมนวคลโอไทดเพยง 4 ชนด แตโมเลกลของ DNA มความแตกตางกนไดหลายชนด แตละโมเลกลอาจประกอบดวยนวคลโอไทดหลายพนคจนถงแสนค ตวอยางเชนถา DNA ประกอบดวยนวคลโอไทด 2 โมเลกลเรยงกน จะสามารถจดเรยงใหแตกตางกนได 16 แบบ (42) ดงนนถาโมเลกล DNA ประกอบดวยนวคลไทดจ านวนมาก การเรยงล าดบของเบสกจะแตกตางกนมากดวยเชนเดยวกน

ลกษณะทางพนธกรรมของสงมชวตชนดหนงๆ มหลายลกษณะ และล าดบเบสของ DNA ซงเกดจากเบสชนดตางๆ กนนนมหลายรปแบบกนาจะมากพอทจะท าหนาทควบคมหรอก าหนดลกษณะพนธกรรมตางๆได

เมอวตสนและคลก ไดคดแบบจ าลองโครงสรางทางเคมของ DNA ขนมาแลว เขาทงคตองพสจนวา DNA มคณสมบตทเหมาะสมทเปนสารพนธกรรมไดหรอไม ตามคณสมบตส าคญ ดงน1. สารพนธกรรมตองจ าลองตวเองได แลวยงมลกษณะเหมอนเดม เพอจะ ถายทอดลกษณะทางพนธกรรม จากรนพอ-แม ไปยงรนลกได ซงเกด โดยกระบวนการสงเคราะห DNA (DNA -replication)

สมบตของสารพนธกรรม

2. สามารถควบคมการสงเคราะหสารตางๆ ของเซลลเพอจะไดแสดง ลกษณะทางพนธกรรม ตางๆใหปรากฏ โดยรหสพนธกรรมใน DNA ถก ถายทอดผาน RNA ในรปของล าดบเบส แลวแปล (translation) ออกมา เปนล าดบของกรดอะมโนในในกระบวนการสงเคราะหโปรตน 3. อาจมการเปลยนแปลงลกษณะทางพนธกรรมทตางไปจากเดม เนองจาก เกดการเปลยนแปลงทล าดบเบสใน DNA ท าใหผดปกตไป และถายทอด ลกษณะทผดปกตไปยงลกหลาน ท าใหเกดสงมชวตทผดปกตขนได ใน ระยะเวลา 10 ปตอมา หลงจากทวตสนและคลกไดคดแบบจ าลอง โครงสรางของ DNA ขน จงสามารถพสจนไดวา DNA มคณสมบตทเปน สารพนธกรรมได

สบปหลงจากวตสนและคลกเสนอแบบโครงสราง DNA จงสามารถพสจนไดวา DNA มสมบตเปนสารพนธกรรม ท าใหวตสนและคลกไดรบรางวลโนเบลในปพ.ศ.2505

DNA มสมบตของสารพนธกรรมครบทง 3 ประการ ดงน

การสงเคราะห DNA (DNA -replication)การควบคมลกษณะทางพนธกรรม

การสงเคราะหโปรตน

การสงเคราะห DNA

• DNA replication

• ในป พ.ศ. 2496 วอตสนและคลกไดพมพบทความพยากรณการจ าลองตวเองของ DNA

• แตเปนเพยงสมมตฐาน

• มใจความวา

ในการจ าลองตวเองของ DNA พอลนวคลโอไทด 2 สาย แยกออกจากกนเหมอนการรดซป

โดยการสลายพนธะไฮโดรเจนระหวางเบส A กบ T และเบส C กบ G ทละค

พอลนวคลโอไทดแตละสายท าหนาทเปนแมพมพส าหรบการสรางสายใหม

มการน านวคลโอไทดอสระทอยในเซลลเขามาจบกบพอลนวคลโอไทดสายเดม โดย

เบส A จบกบ T และเบส C จบกบ G หมฟอสเฟตของนวคลโอไทดอสระจบกบน าตาลดออกซไร

โบสของนวคลโอไทดทอยถดไป

ท าให DNA ทสงเคราะหใหมเหมอนกบ DNA โมเลกลเดมทกประการ

การสงเคราะห DNA หรอการจ าลองตวเองของ DNA โดยวธการนเรยกวา DNA เรพลเคชน (DNA replication) ท าใหมการเพมโมเลกลของ DNA จาก 1 โมเลกลเปน 2 โมเลกล

DNA แตละโมเลกลมพอลนวคลโอไทด สายเดม 1 สาย และสายใหม 1 สาย จงเรยกวธการจ าลองแบบนวาเปน แบบกงอนรกษ (semiconservative)

ในป พ.ศ. 2499 อารเธอร คอรนเบรก (Arther Kornberg) นกชวเคมชาวอเมรกนเปนคนแรกทสามารถสงเคราะห DNA ในหลอดทดลองไดส าเรจโดย : น าเอาเอนไซม DNA พอลเมอเรส (DNA polymerase) ซงสกดจากแบคทเรย E. coli

เอนไซม DNA พอลเมอเรส ท าหนาทเชอมนวคลโอไทดใหตอกนเปนสายยาว โดยมทศทางการสงเคราะหสาย DNA สายใหม จากปลาย 5/ ไปยงปลาย 3 /

ใสในหลอดทดลองทมสารสงเคราะหสมบรณ ซงประกอบดวย

DNA แมพมพ

นวคลโอไทด 4 ชนด ทมเบส A T C และเบส G

เอนไซม DNA พอลเมอเรส

ปญหา : จะพสจนอยางไรวา DNA ทสงเคราะหไดนน เหมอนกบ DNA แมพมพทใสในหลอดทดลอง

สงมชวตทน า DNA มาเปนแมพมพ

ปรมาณใน DNA ทได อตราสวนของ ในDNAทสงเคราะหได

อตาสวนของ ใน DNA ทเปนแมพมพA T C G

แบคทเรย Micrococcus lysodelikicus

0.15 0.15 0.35 0.35 0.41 0.39

แบคทเรย Aerobacter aerogenes

0.22 0.22 0.28 0.28 0.80 0.82

แบคทเรย Escherichai coli 0.25 0.25 0.25 0.28 1.00 0.97

วว (เซลลจากตอมไทมส) 0.29 0.28 0.21 0.22 1.32 1.35

ไวรส (phageT) 0.32 0.32 0.18 0.18 1.78 1.84

• ขอสรป เนองจาก จากผลการทดลองพบวา DNA ทสงเคราะหไดในหลอดทดลอง มอตราสวนของเบส A+T ตอ C+G เทากน

ขนตอนการสงเคราะห DNA

• การสงเคราะห DNA ทงภายในและภายนอกเซลล

• เรมตนจากการทสายพอลนวคลโอไทด 2 สาย ของ DNA ตนแบบ แยกหางออกจากกน โดยเรมจากเอนไซม DNA ไจเรส (DNA gyrase) หรอโทโปไอโซเมอเรส (topoisomerase) คลายปมเหนอจดทDNAสายเดยวแยกตวออกจากกน (replication fork)

• เอนไซมเฮลเคส (Helicase) ท าหนาทสลายพนธะไฮโดรเจนเพอท าใหดเอนเอเกลยวคแยกเปนสายเดยว

• โปรตน SSB จะเขามาจบเพอปองกนไมใหสายดเอนเอมาจบกนอก บรเวณทมการคลายเกลยวนเปนจดเรมตนของการสงเคราะห DNA

• การสราง DNA สายใหม ม 2 ลกษณะ

1. เมอสองสายคลายเกลยวแยกออกจากกน DNA polymeras จะสงเคราะห leading strand เปนสายยาว โดยมทศทางจากปลาย 5’ ไปยง 3’

2. DNA polymeras สงเคราะห DNA สายใหมเปนสายสนๆ Okazaki fragment โดยมทศทาง 5’ ไปยง 3’ จากนน DNA ligaseจะเชอมตอ DNA สายสนๆใหเปน DNA สายยาวเรยกสายนวา lagging strand

การสงเคราะหโปรตน

กลบสความรพนฐาน

• สงมชวตพวกยคารโอตม DNA อยภายในนวเคลยส แตการสงเคราะหโปรตนเกดในไซโทพลาสซม โดยเฉพาะบรเวณทม RER

• เปนไปไดหรอไมวา DNA สงตวแทนออกมายงไซโทพลาสซม เพอท าหนาทควบคมการสงเคราะหโปรตน ถาเปนเชนนนจรงสารทเปนตวแทนของ DNA คออะไร .....

• นกวทยาศาสตรชาวฝรงเศส 2 คน คอ ฟรองซว จาคอป (Franeois Jacop) และจาค โมนอด (Jacques Monod) มขอเสนอวา RNA เปนตวกลางดงกลาว

• เจรารด เฮอรวทซ (Jerard Hurwitz) และ เจ เจ เฟอรธ (J.J. Furth) เสนอวา RNA ทเปนตวกลางเรยกวา mRNA (messenger RNA) และพยากรณวา mRNA จะเปนตวน าขอมลทางพนธกรรมจาก DNA ไปยงไรโบโซม ซงเปนแหลงสงเคราะหโปรตนทอยในไซโทพลาสซม

ความรพนฐาน (ในปจจบน)

• Nucleic acid (สารเคมพนฐานของสงมชวต) ม 2 ประเภท– DNA

–RNA• mRNA

• rRNA

• tRNA

RNA

• นวคลโอไทดของ RNA เรยกวา ไรโบนวคลโอไทด

• ความแตกตางระหวาง DNA กบ RNA ม 3 ประการ – น าตาลในนวคลโอไทดของ RNA เปนน าตาลไรโบส ไมใชดออกซไร

โบส เหมอน DNA

– RNA ไมมเบส T แตม U แทน

– RNA มสายเดยว

ขนตอนการสงเคราะหโปรตน

DNA replication : การจ าลอง DNA

DNAtranscription : การถอดรหส

mRNAtranslation : การแปลรหส

protein

Transcription

• การถอดรหส หรอ การสงเคราะห RNA จาก DNA แมพมพ

• เปนกระบวนการถายทอดขอความทางพนธกรรมจาก DNA ไปส mRNA

ขนตอนการถอดรหส

• แบงเปน 3 ขน

ขนเรมตน

ขนการตอสายยาว

ขนสนสด

ขนเรมตน

• เอนไซม RNA polymerase เขาไปจบกบกบ DNA ตรงบรเวณทจะสงเคราะห RNA ท าใหพนธะระหวางคเบสสลาย Polynucleotide 2 สาย ของ DNA จะคลายเกลยวแยกออกจากกน โดยมสายใดสายหนงเปนแมพมพ

ขนการตอสายยาว

• ไรโบนวคลโอไทด (Ribonucleotide) ทมเบสทเขาคกบนวคลโอไทดของ DNA สายแมพมพ คอ เบส C เขาคกบเบส G และเบส U เขาค A จะเขามาจบกบนวคลโอไทดของ DNA สายแมพมพ

• เอนไซม RNApolymerase จะเชอมไรโบนวคลโอไทด อสระมาตอกนเปนสายยาว โดยมทศทางการสงเคราะหสาย RNA จากปลาย 5' ไปยงปลาย 3' และการสรางสาย RNA นน จะเรยงสลบทศทางกบสาย DNA ทเปนแมพมพ

ขนสนสด

• เอนไซม RNApolymerase หยดท างานและแยกตวออกจาก DNA สายแมพมพ

• สาย RNA ทสงเคราะหไดจะแยกออกจาก DNA ไปยงไซโทพลาซม สวน DNA 2 สายจะจบคกนและบดเปนเกลยวเหมอนเดม

• RNA ทไดมชอเรยกวา mRNA

ความแตกตางระหวางการสงเคราะห DNA และ mRNA

Q : ในการสงเคราะห RNA โดยใช DNA สายหนงเปนแมพมพ ม ล าดบเบสดงน 3' T A C G G C A T A T C G A 5' จงเขยน ล าดบเบสของ RNA ทสงเคราะหโดยเรมจากปลาย 5' ไปยง ปลาย 3'

A :

รจก รหสพนธกรรม กอนจะเรม

เรองตอไปนะจะ

รหสพนธกรรม

Q : รหสพนธกรรมคออะไร ?

• จากทกลาวมาแลววา DNA เปนแมพมพในการสงเคราะห mRNA ดงนนขอมลทางพนธกรรมใน DNA จะถายทอดใหกบ mRNA การเรยงล าดบของนวคลโอไทดชนดตาง ๆ ของ mRNA จงเปนตวก าหนดกการเรยงล าดบของกรดอะมโนเพอสงเคราะหโปรตน

• เนองจากกรดอะมโนทเปนหนวยยอยของโปรตนมถง 20 ชนด แตเบสทเปนองคประกอบของ DNA มเพยง 4 ชนด

กรณท 1 : ถาเบส 1 โมเลกลเปนรหสของกรดอะมโนแต ละชนด จะเปนรหสได 4 แบบ คอ

A C G T

กรณท 2 : ถาเบส 2 โมเลกลเปนรหสของกรดอะมโนแต ละชนด จะเปนรหสได 16 แบบ คอ

กรณท 3 : ถาเบส 3 โมเลกลเปนรหสของกรดอะมโนแต ละชนด จะเปนรหสได 64 แบบ

เบรนเนอร (Brenner) และครก (Crick) ไดใหความเหนไวตงแตป พ.ศ. 2504 วากรดอะมโนแตละหนวยถกควบคมดวยรหสพนธกรรมทประกอบดวยเบส 3 โมเลกล (triple code)

เรยกรหสทประกอบดวยเบส 3 โมเลกลนวา Codon

ดวยเหตนเองการคนควาทางชวเคมในระยะนนจงมงหาวากรดอะมโนชนดใดควบคมดวยรหสพนธกรรมแบบใดบาง

พ.ศ. 2504 เอม. ดบบลว. ไนเรนเบรก (M.W. Nirenberg) และ เจ.เอซ. แมททย (J.H. Matthei) ชาวอเมรกน ไดคนพบรหสพนธกรรมรหสแรก คอ UUU ซงเปนรหสของกรดอะมโนชนด ฟนลอะลานน (phenylalanine)

ตอมามการคนพบเพมเตมขนเรอย ๆ จนกระทงในป พ.ศ. 2509 พบรหสพนธกรรมถง 61 รหสดวยกน

เหลอเพยง 3 รหส คอ UAA,UAG และUGA ซงไมพบวาเปนรหสของกรดอะมโนใด ๆ แตภายหลงจงพบวา รหสทงสามนท าหนาทหยดการสงเคราะหโปรตน

และพบวา AUG ซงเปนรหสของกรดอะมโนเมไทโอนน (methionine) เปนรหสตงตนของการสงเคราะหโปรตนอกดวย

เมอพบรหสเหลานการสงเคราะหโปรตนจะสนสดลง

Q : รหสพนธกรรม (genetic code) คออะไร ?

A : ล าดบเบสใน mRNA

ถกไหม?

รจก RNA เพมเตม

เมสเซนเจอร RNA (mRNA) เปนตวถายทอดขอมลทางพนธกรรม จาก DNA ออกมาเปน

โปรตน เมอเซลล ตองการสรางโปรตนขนมาใชงาน เซลลจะคดลอก gene ส าหรบสรางโปรตนนนออกมาเปน mRNA ดงนน mRNA จงเกดขนในนวเคลยส เมอม mRNA แลว จะมกระบวนการขนสง mRNA ออกจากนวเคลยสสไซโทพลาซม ซงเปนทส าหรบการสงเคราะหโปรตน

พบประมาณรอยละ 4 ของ RNA ในเซลล

ทรานสเฟอร RNA (tRNA)

tRNA จะมกรดอะมโนมาเกาะอย ท าหนาทน ากรดอะมโนมาเรยงรอยตอกนเปน โปรตน ชนดของกรดอะมโนทจะน ามาตอนถกก าหนดโดยรหสพนธกรรมบน mRNA สวน tRNA มตวชวยอานรหสเรยกวา anticodon

ไรโบโซมอล RNA (rRNA)

เปน RNA ทเปนองคประกอบของไรโบโซม คดเปนรอยละ 85 ของ RNA ทพบในเซลล

ประกอบดวยหนวยยอย 2 หนวย มลกษณะเปนเมดกลมรขนาดใหญ 1 หนวยและขนาดเลก 1 หนวย แตละหนวยม RNA เปนองคประกอบรวมอยกบโปรตนขนาดตาง ๆ กนจ านวนมาก

ในสงมชวตชนสงพบ rRNA อย 4 ขนาดคอ 28S, 18S, 5.8S และ 5S rRNA ท าหนาทในการสงเคราะหโปรตน

Translation

• การแปลรหส หรอ การสงเคราะหโปรตนทไรโบโซม

• การสงเคราะหโปรตนเปนกระบวนการทเกดขนในไซโทพลาสซมของเซลล โดยมออรแกเนลลทเกยวของ คอ ไรโบโซม

• เมอ DNA ภายในนวเคลยสสงเคราะห mRNA ล าดบเบสของ mRNA จะกลายเปนรหสพนธกรรม

• mRNA จะถกสงออกมาทไซโทพลาสซม และเกดขนตอนการแปลรหส ดงน

ขนเรมตน

• ไรโบโซมหนวยยอยขนาดเลกเขาจบกบ MRNA

• tRNA ทมรหส (anticodon) ตรงกบรหสเรมตน (AUG) ของ mRNA น ากรดอะมโนตวแรกเขาจบกบสาย mRNA ทรหสเรมตน

• ไรโบโซมหนวยยอยขนาดใหญเขาประกบกบขนาดเลก

• ขนตอนนเกดขนท P site ของไรโบโซม

ขนการตอสายยาว

• tRNA โมเลกลทสอง ทม anticodon เขาคกบ codon ถดไปของ mRNA น ากรดอะมโนตวทสองมาตอกบกรดอะมโนตวแรก ทต าแหนง A site แลวสรางพนธะเพปไทดเชอมระหวางกรดทงสองตว

• ไรโบโซมจะเคลอนทไปยง codon ถดไปในทศทางจาก 5’ ไปยง 3’ ท าใหโมเลกลแรกหลดออกไป

• tRNA โมเลกลทสาม ทม anticodon เขาคกบ codon ถดไปของ mRNA น ากรดอะมโนตวทสามมาตอกบกรดอะมโนตวทสอง ทต าแหนง A site แลวสรางพนธะเพปไทดเชอมระหวางกรดทงสองตวอกครง

• ไรโบโซมเคลอนทตอไปทละ codon ตามล าดบ จนไดสายยาวเรยกวา Polypeptide

ขนสนสด

• เมอไรโบโซมเคลอนทตอไปบน mRNA จนพบกบ codon ทเปนรหสหยด จะท าใหไมม tRNA เขามาจบกบรหสหยดดงกลาว เกดการหยดการแปลรหส

• Polypeptide ทยดตดกบ tRNA ตวสดทายจะถกตดออกไปและแยกออกจากกน

• ไรโบโซมหนวยยอยขนาดเลกแยกออกจากขนาดใหญ และ mRNA หลดออกจากไรโบโซม

• Eukaryote– กระบวนการถอดรหสเกดในนวเคลยส ได mRNA จากนน mRNA จะ

ออกมายงไซโทพลาสซมแลวจงเกดการแปลรหส

• Prokaryote– กระบวนการถอดรหสและแปลรหสสามารถเกดตอเนองกน โดย

mRNA จะถกน าไปแปลรหสไดทนท ทงทกระบวนการถอดรหสยงไมสนสด

Polyribosome

• ในการสงเคราะหโปรตน mRNA แตละโมเลกลอาจจะพาดเกาะอยบนไรโบโซมหลาย ๆ ไรโบโซม แตละไรโบโซมจะท าการสงเคราะหสายพอลเพปไทด 1 สาย กลมของไรโบโซมเหลานเรยกวา พอลไรโบโซม (polyribosome)

Q : โปรตนทสงเคราะหไดรางกายน าไปใชประโยชนไดอยางไร

A : สายพอลเพปไทดทสงเคราะหไดหลงจากการแปลรหสสนสดจะมการเปลยนแปลงบางอยาง ท าใหมรปรางและการเขาจบกบพอลเพปไทดตาง ๆ เพอใหไดโปรตนทมความเหมาะสมและพรอมจะท างานได

บทบาทและหนาทของโปรตนเปนไปอยางหลากหลาย เชน

1. ท าหนาทเปนองคประกอบของโครงสราง เชน คอลลาเจน และเคอราทนในสตว โปรตนทผนงเซลลพช และโปรตนทเปนองคประกอบของไรโบโซม

2. ท าหนาทเกยวกบการเคลอนไหว เชน แอกทนและไมโอซนในกลามเนอของคน ทบลนซงมบทบาทในการเคลอนไหวของซเลยหรอแฟลกเจลลาในสงมชวตเซลลเดยว

3. ท าหนาทในระบบคมกน เชน อมมโนโกลบลน (immunoglobulin) ในสตว ซสเทมน (systemin) และโปรตเนสอนฮบเตอร (protenase inhibitor) ในพชเปนตน

4. ควบคมปฏกรยาตาง ๆ ในสงมชวต เชน เอนไซมในกระบวนการสงเคราะหดวยแสง และเอนไซมในกระบวนการสลายสารอาหารเปนตน

5. ท าหนาทในการตดตอสอสารระหวางเซลลชนดตาง ๆ เชน ฮอรโมนตาง ๆ

Mutation

Mutation

ความหมาย :

การเปลยนแปลงของยนหรอโครโมโซม ทสงผลใหเกดการเปลยนแปลงลกษณะของสงมชวต ท าใหแตกตางไปจากเดม

ปจจยทท าใหเกดการกลายพนธ

• รงส (radiation) รงสทกระตนใหเกดมวเทชนม 2 ชนดคอ – Ionizing Radiation เชน รงสบตา, รงสแกมมา, รงสเอกซ

– Non-Ionizing Radiation เชน รงสอลตราไวโอเลต

• การจดเรยงเบสในกระบวนการสงเคราะหดเอนเอ(DNA replication)ผดพลาด มผลท าใหเกดการเพมหรอลดจ านวนเบสในคสาย และท าใหเกดการเลอน (shift) ของสายDNA

• สารเคม เชน สารโคลซซน (colchicine) มผลท าใหมการเพมจ านวนชดของโครโมโซม ผลดงกลาวนท าใหผลผลตพชเพมขน สารไดคลอวอส (dichlovos) ทใชก าจดแมลงและพาราควอต (paraquat) ทใชก าจดวชพช กสามารถท าใหเกดการผดปกตของโครโมโซมในคนและสตวได สงกอกลายพนธหรอมวทาเจนหลายชนดเปนสารกอมะเรง (carcinogen) เชน สารอะฟลาทอกซน (aflatoxins) จากเชอราบางชนดท าใหเกดมะเรงทตบ เปนตน

ประเภทของการกลายพนธ

• เซลลรางกาย (Somatic cell) เซลลชนดนเมอเกดมวเทชนแลว จะไมถายทอดไปยงรนตอไป

• เซลลสบพนธ (Sex cell) เซลลเหลานเมอเกดมวเทชนแลว จะถายทอดไปยงรนตอไปได ซงมผลตอการเปลยนแปลงสปชสของสงมชวตมากทสด และสงผลตอววฒนาการของสงมชวตดวย

ระดบของการกลายพนธ

1. Gene (point mutation)• การแทนทคเบส

– Transversion

– Transition

Missense

Nonsense

• การเพมหรอลดนวคลโอไทด

(frame shift mutation)

2. Chromosome• การเปลยนแปลงโครงสรางภายใน

– inversion

– translocation

– deletion

– Duplication

• การเปลยนแปลงจ านวนโครโมโซม– aneuploidy

– euploidy

Gene (point mutation)

• การแทนทคเบส– Transversion– TransitionMissenseNonsense

• การเพมหรอลดนวคลโอไทด

(frame shift mutation)

การแทนทคเบส

– Transition คอ แทนทระหวาง base กลมเดยวกน

• purine to purine (A --> G) หรอ

• pyrimidine to pyrimidine (T--> C)

– Transversion คอ แทนทระหวาง base ตางกลม

• purine to pyrimidine (A --> T)

• pyrimidine to purine (G --> C)

ตวอยาง

sickle cell anemia ซงมลกษณะอาการของโรคปรากฏทเมดเลอดแดงทจะบดเบยวคลายรปเคยว

• Missense– เปน Point mutation 1 base แลวเปนผลใหเปลยน codon --> เปลยน

amino acid

– สวนมากเกดกบ ต าแหนงท 2 หรอ 3 ของ codon

– ท าใหเปลยนเปน mutant phenotype ขนกบ amino acid sequence

• Nonsense– Point mutation ทเปลยน codon ปกตใหเปน stop codon

– ผลเปลยนเปน mutant phenotype

Missense Mutation

Nonsense Mutation

Frame shift mutation

Frame shift mutation

เพม หรอ ลด สงผลใหสาย polynucleotide สนลงหรอยาวขน หรอไมท างาน (nonfunctional)

Frameshift Mutation

Chromosome

• การเปลยนแปลงโครงสรางภายใน– inversion

– translocation

– deletion

– Duplication

• การเปลยนแปลงจ านวนโครโมโซม– aneuploidy

– euploidy

การเปลยนแปลงโครงสรางภายใน

inversion

translocation

deletion

Duplication

Cri du chat Syndrome

Fig. 13.10

การเปลยนแปลงจ านวนโครโมโซม

• aneuploidy การเปลยนแปลงบางสวนของโครโมโซม

• Euploidy การเปลยนแปลงทงชดโครโมโซม

aneuploidy

Normal Abnormal

trisomic-21

http://www.thetech.org/genetics/ask.php?id=31

Trisomy 21

Trisomy 18 –Edward syndrome

45 XO-Turner syndrome

trisomy 13 or Patau syndrome

euploidy

Normal 2n Abnormal 3n

การสรางเซลลสบพนธผดปกต

การเกดตวออนจากเซลลทผดปกต

A. Bread wheat (Triticum aestivum)B. Rye (Secale cereale)C. Triticale (Triticosecale).

Triploid

47 XXYKlinefelter syndrome

THE END