ยีนและโครโมโซม (7)

 7. มิวเทชัน (Mutation)

ให้นักเรียนศึกษาภาพต่อไปนี้

  

 

ภาพที่ 1

จากภาพเป็นภาพอะไร ?

คำตอบ ลักษณะผิวเผือก (albinos)

เกิดจากสาเหตุใด ?

คำตอบ

           ความรู้เดิม จาการศึกษาของ วี เอ็ม อินแกรม ที่ได้ศึกษาโครงสร้างทางเคมีของฮีโมโกลบิน โดยเปรียบเทียบกับฮีโมโกลบินของคนที่เป็นโรคโลหิตจางชนิดซิกเคิลเซลล์ ดังภาพ

ภาพที่ 2

           จากภาพจะเห็นว่าลำดับกรดอะมิโนในสายบีตาสายหนึ่งของฮีโมโกลบิน

           คนปกติเป็นกรดกลูตามิก
           ส่วนคนที่เป็นโรคโลหิตจางชนิดซิกเคิลเซลล์เป็นวาลีน

           จากลักษณะพันธุกรรมดังกล่าว ให้นักเรียนพิจารณาคำถามต่อไปนี้ พร้อมกับช่วยกันสืบค้นข้อมูลเพื่อหาคำตอบต่อไป ว่า

           1. การที่กรดกลูตามิกนายบีตาสายหนึ่งของฮีโมโกลบินเปลี่ยนไปเป็นวาลีนได้อย่างไร ? 
           2. สาเหตุใดของการเกิดมิวเทชันในระดับยีนมีอะไรบ้าง ? 
           3. มิวเทชันที่เกิดขึ้นมีผลต่อการแสดงลักษณะของสิ่งมีชีวิตอย่างไร ?
           4. การเกิดมิวเทชันจะเกิดผลไปถึงลูกหลานหรือไม่อย่างไร ?

           จากภาพที่ 1 ลักษณะผิวเผือกของคนและสัตว์ แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงของสิ่งมีชีวิตเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงของ DNA และโครโมโซม เรียกลักษณะนี้ว่า มิวเทชัน (mutation) หรือ การกลาย

            มิวเทชัน หมายถึง การเปลี่ยนแปลงลักษณะทางพันธุกรรมอย่างฉับพลันและลักษณะที่เปลี่ยนแปลงนี้สามารถถ่ายทอดจากรุ่นหนึ่งไปยังอีกรุ่นหนึ่งได้ ถ้าเป็นการมิวเทชันที่เกิดกับเซลล์สืบพันธุ์ แบ่งออกเป็น 2 ระดับ คือ

           1. มิวเทชันที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงโครโมโซม อาจจะเป็นการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างหรือจำนวนของโครโมโซม
           2. การเปลี่ยนแปลงจากยีนหนึ่งไปยังอีกยีนหนึ่ง ซึ่งเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของนิวคลีโอไทด์ของDNA เช่น โลหิตจาง ชนิดที่เม็ดเลือดแดงมีรูปร่างเป็นเคียว (sickle cell anemia) สิ่งที่ทำให้เกิดมิวเทชันเรียกว่ามิวทาเจน (mutagen) ได้แก่ รังสีต่างๆ สารเคมี ไวรัสบางชนิดเป็นต้น

           มิวเทชันอาจเกิดขึ้นได้กับเซลล์ร่างกายและเซลล์สืบพันธุ์ ถ้าเกิดขึ้นกับเซลล์ร่างกาย การแปรผันของลักษณะต่างๆ จะเป็นแต่เฉพาะตัว เช่น การเกิดมะเร็งที่ผิวหนังจะไม่ถ่ายทอดไปยังรุ่นหลาน แต่ถ้าเกิดขึ้นที่เซลล์สืบพันธุ์จะมีการถ่ายทอดไปยังรุ่นต่อไป การเกิดมิเทชันในพืชและสัตว์ บางครั้งอาจทำให้ได้ลูกที่มีลักษณะทางพันธุกรรมดีกว่างเดิมจึงการคิดค้นสูตรต่างๆ ในการปรับปรุงพันธุ์พืชและสัตว์ เช่น ใช้รังสีแกมมา มาอาบข้าวให้เป็นข้าวพันธุ์ใหม่ จากการศึกษาเรื่องการสังเคราะห์ DNA โดยอาศัย DNA สายเดี่ยวเป็นแม่พิมพ์ หากเบสไม่เข้าคู่กันก็จะประกอบกันได้ยาก อย่างไรก็ตามโอกาสผิดพลาดย่อมเกิดขึ้นได้บ้าง แม้จะเป็นส่วนน้อยก็ตาม ความผิดพลาดที่เกิดขึ้นกับลำดับเบสของ DNA เรียกว่า มิวเทชัน (mutation) ซึ่งเมื่อเกิดขึ้นแล้วจะสืบทอดต่อไปได้ มิวเทชันเกิดขึ้นได้หลายลักษณะ เช่น เบสขาดหายไป เบสมีจำนวนเกินมาหรือเบสเปลี่ยนจากตัวเดิมไปเป็นเบสตัวอื่น ๆ เป็นต้น เมื่อลำดับเบสเปลี่ยนไปการอ่านรหัสพันธุกรรมจะเปลี่ยนไปด้วย อาจยังผลให้พอลิเพปไทด์เปลี่ยนไปจากเดิม ทำให้คุณสมบัติของโปรตีนแตกต่างไปจากเดิมได้ ความผิดปกติจะมีผลดีหรือผลร้ายหรือไม่เพียงใด ย่อมขึ้นอยู่กับตำแหน่งของกรดอะมิโนที่เปลี่ยนไป เมื่อย้อนกลับไปพิจารณากรณีโรคโลหิตจางชนิดซิกเคิลเซลล์ จะพบว่าสาเหตุของโรคนี้เกิดจากการเปลี่ยนแปลงเบสเพียง 1 ตัวเท่านั้น ทำให้กรดอะมิโนเปลี่ยนไป 1 ตัว  คือ กรดอะมิโนลำดับที่ 6 ของสายเบตาของอีโมโกลบินเปลี่ยนจากกรดกลูตามิกเป็นวาลีน และในปัจจุบันเราทราบว่ารังสีต่าง ๆ เช่น รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา รังสีอัลตราไวโอเลตและสารเคมีจำนวนมาก เช่น สารอะฟลาทอกซิน (alflatoxins) จากเชื้อราบางชนิด กรดไนตรัส สีอะคริดีน เป็นต้น โรคโลหิจางชนิดซิกเคิลเซลล์ เป็นตัวอย่างของโรคพันธุกรรมที่เป็นมาจากการเกิดมิวเทชัน โดยปกติ DNA โมเลกุลใหม่ที่มีลำดับการเรียงตัวของเบสและจำนวนเบสเหมือน DNA โมเลกุลเดิมทุกประการ แต่ในบางครั้งในการจำลองตัวเองของ DNA อาจมีความผิดพลาดทำให้เกิดผลต่อสิ่งมีชีวิต ซึ่งการเปลี่ยนแปลงของเบสมีการเปลี่ยนแปลงได้หลายลักษณะ เช่น เบสเปลี่ยนจากชนิดเดิมเป็นชนิดอื่น นิวคลีโอไทด์ขาดกหายไป นิวคลีโอไทด์เพิ่มขึ้น หรือลำดับของนิวคลีโอไทด์เปลี่ยนไป การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเป็น มิวเทชันเฉพาะที่ (point mutation) ดังภาพ มีผลทำให้รหัสพันธุกรรมเปลี่ยนไป สมบัติของโปรตีนหรือพอลิเพปไทด์ที่สังเคราะห์ขึ้นจึงแตกต่างไปจากเดิม

ภาพที่ 3 การเกิดมิวเทชันเฉพาะที่

           จากภาพที่ 17-2 การเปลี่ยนแปลงของเบสใน DNA เป็นอย่างไร คำตอบ ในการจำลอง DNA ครั้งแรก มีการจับคู่ของเบสผิดคู่ เบส G ควรจะจับคู่กับเบส C แต่ไปจับคู่กับเบส T แทน และเมื่อสายพอลินิวคลีโอไทด์ที่มีเบส T นี้ไปสร้างพอลินิวคลีโอไทด์สายใหม่ เบส T ก็จะไปจับกับเบส A ดังนั้นลำดับเบสในสาย DNA จะเปลี่ยนแปลงไป การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับ DNA อาจมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงของรหัสพันธุกรรมและการสังเคราะห์โปรตีนอย่างไร

           คำตอบ ถ้า DNA สายที่เกิดมิวเทชันไปเป็นแม่พิมพ์ในการสร้าง mRNA ก็จะมีรหัสบนสาย mRNA ในตำแหน่งที่เกิดมิวเทชันเปลี่ยนแปลง การแปลรหัสในการสังเคราะห์โปรตีนก็จะผิดปกติทำให้ได้โปรตีนแตกต่างไปจากเดิม 

            การเกิดมิวเทชันเฉพาะที่ในบริเวณ DNA ที่เป็นตำแหน่งของยีน สามารถจัดได้ 2 ประเภท คือ   
           1. การแทนที่คู่เบส (base-pair substitution) การเกิดมิวเทชันในลักษณะนี้อาจมีผลต่อการแสดงของลักษณะพันธุกรรมหรือไม่ก็ได้ เนื่องจากโคดอนหลายชนิดเป็นรหัสของกรดอะมิโนชนิดเดียวกันได้ เช่น CUU CUC CUAและ CUG หากมีการเกิดมิวเทชันเฉพาะที่ที่มีการการเปลี่ยน รหัส CUC ซึ่งเป็นรหัสของลิวซีนให้กลายเป็น CUGการเกิดมิวเทชันดังกล่าวย่อมไม่มีผลต่อลักษณะของสิ่งมีชีวิต เพราะยังมีการสร้างสายพอลิเพปไทด์ที่มีลำดับกรดอะมิโนเช่นเดิม การเกิดมิวเทชันเฉพาะที่แบบการแทนที่คู่เบส เมื่อเกิดการแทนที่ของคู่เบสแล้ว มีผลทำให้รหัสพันธุกรรมเปลี่ยนไปเป็นรหัสพันธุกรรมของกรดอะมิโนต่างชนิดกัน ก็จะทำให้สายพอลิเพปไทด์ที่มีลำดับของกรดอะมิโนต่างออกไป การเปลี่ยนแปลี่ยนแปผลงลำดับกรดอะมิโนที่เกิดขึ้นนี้ หากบริเวณดังกล่าวมีความสำคัญต่อการเกิดรูปร่างของโปรตีน หรือมีความจำเพาะต่อการทำงานของโปรตีนชนิดนั้นย่อมมีผลมากต่อฟีโนไทป์ของสิ่งมีชีวิต ดังการเกิดโรคโลหิตจางชนิดชิกเคิลเซลล์ มีการเกิดมิวเทชันเฉพาะที่ที่โคดอนที่เป็นรหัสพันธุกรรมของกรดอะมิโนตำแหน่งที่ 6 ของสายบีตาสายหนึ่งของฮีโมโกลบินดังภาพที่ 4

ภาพที่ 4 การเกิดมิวเทชันเฉพาะที่แบบการแทนที่ของคู่เบส

           อย่างไรก็ตามการเกิดการแทนที่ของคู่เบส ในบริเวณโคดอนที่ไม่เกี่ยวข้องกับบริเวณที่จำเพาะต่อโปรตีนชนิดนั้น หรือเมื่อมีการแทนที่กรดอะมิโนชนิดใหม่ มีสมบัติใกล้เคียงกับชนิดเดิมก็อาจไม่มีผลต่อการทำงานของโปรตีนชนิดนั้น การเกิดมิวเทชันแบบการแทนที่ของคู่เบสอาจจะเกิดการทำให้การสร้างสายพอลิเพปไทด์สั้นลง เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเป็นการแทนที่คู่เบส แล้วได้เป็นรหัสหยุดของการแปลรหัส ซึ่งการเกิดมิวเทชันในกรณีนี้แทบทุกกรณีจะได้โปรตีนที่ไม่สามารถทำงานได้           

           2. การเพิ่มของนิวคลีโอไทด์ (insertion) หรืทอการขาดหายไปของนิวคลีโอไทด์ (deletion) การเกิดมิวเทชันนี้เป็นการที่มีการเพิ่มขึ้นของคู่นิวคลีโอไทด์ หรือการขาดหายไปของคู่นิวคลีโอไทด์ในบางตำแหน่งของยีน การเกิดมิวเทชันในลักษณะนี้ 1-2 นิวคลีโอไทด์ มักมีการเปลี่ยนแปลงในการทำงานของพอลิเพปไทด์อย่างชัดเจนเนื่องจากการเพิ่มขึ้น หรือลดลงของนิวคลีโอไทด์ ในบริเวณที่เป็๋นโคดอน 1-2 นิวคลีโอไทด์ จะมีผลทำให้ลำดับกรดอะมิโนตั้งแต่ตำแหน่งที่มีการเพิ่มขึ้นหรือลดลงของโคดอนเปลี่ยนไปทั้งหมด เรียกการเกิดมิเวทชันแบบนี้ว่า เฟรมชิฟท์ มิวเทชัน   (frameshift mutation) ดังภาพ

ภาพที่ 5 การเกิดเฟรมชิฟท์ มิวเทชัน

           จากการศึกษาพบว่าการเกิดมิวเทชันเกิดขึ้นได้ทั้งในเซลล์ร่างกายและเซลล์สืบพันธุ์ ถ้าเกิดกับเซลล์สืบพันธุ์ยีนที่เกิดมิวเทชันจะสามารถถ่ายทอดต่อไปได้ ถ้าเกิดกับเซลล์ร่างกายก็ขึ้นอยู่กับว่าเซลล์ร่างกายนั้นจะมีการพัฒนาให้เกิดการสืบพันธุ์ได้หรือไม่ เช่น ในกรณีของพืช หากเกิดมิวเทชันที่เซลล์เนื้อเยื่อบริเวณตาข้าง ถ้านำกิ่งไปชำหรือขยายพันธุ์ก็จะได้พืชที่มีลักษณะพันธุกรรมต่างไปจากเดิม และหากมีการสร้างดอกและติดผลได้ ลักษณะดังกล่าวก็สามารถถ่ายทอดไปสู่ลูกหลานได้

ตารางที่ เปรียบเทียบการเกิดมิวเทชันแบบการแทนที่คู่เบสและเฟรมชิฟท์ มิวเทชัน  

การแทนที่คู่เบส	เฟรมชิฟท์มิวเทชัน
1. มีการเปลี่ยนแปลงแทนที่คู่เบสในสายพอลินิวคลีโอไทด์ของ DNA เช่น A-T ถูกแทนที่ด้เวย G-C	1. มีการเพิ่มหรือการขาดหายของนิวคลีโอไทด์ 1 หรือมากกว่าในสายพอลินิวคลีโอไทด์ของ DNA
2. มีผลทำให้เปลี่ยนแปลงเฉพาะบริเวณรหัสพันธุกรรม ไม่ทำให้รหัสพันธุกรรมอื่น ๆ เปลี่ยนแปลง	2. มีผลทำให้รหัสพันธุกรรมเปลี่ยนไปจากเดิม ลำดับและชนิดของกรดอะมิโนหลังจากตำแหน่งนี้ไปจะเปลี่ยนแปลงด้วย
3. อาจมีหรือไม่มีผลต่อลักษณะของสิ่งมีชีวิต คือ ถ้าเกิดการแทนที่คู่เบสในรหัสพันธุกรรมรหัสเดียวกัน มีการเปลี่ยนแปลงเบส แต่อาจไม่เปลี่ยนแปลงกรดอะมิโน จึงไม่มีผลต่อลักษณะพันธุกรรม แต่ถ้าทำให้เปลี่ยนแปลงกรดอะมิโนโปรตีนจะเปลี่ยนไปก็จะมีผลต่อการแสดงลักษณะของสิ่งมีชีวิต เช่น โรคโลหิตจางชนิดซิกเคิลเซลล์	3. สมบัติของพอลินิวคลีโอไทด์หรือโปรตีนที่ได้จากการสังเคราะห์โปรตีนจะแตกต่างไปจากปกติ จะมีผลต่อลักษณะของสิ่งมีชีวิต

           การเกิดมิวเทชันในธรรมชาติจะเกิดในอัตราต่ำมาก แต่ส่วนใหญ่เกิดจากการชักนำของมนุษย์ทำให้เกิดมิวเทชันในอัตราสูง สิ่งที่เป็นตัวกระตุ้นหรือชักนำให้เกิดมิวเทชันขึ้นกับ DNA เรียกว่า สิ่งก่อกลายพันธุ์ หรือ มิวทาเจน  (mutagent)

           ปัจจัยที่ทําให้เกิดมิวเทชัน ตัวกระตุ้นหรือตัวชักนําให้เกิดมิวเทชัน เรียกว่า สิ่งก่อกลายพันธุ์ (mutagen) เช่น

           1. รังสี (radiation) เช่น รังสีแกมมา รังสีเอกซ์ รังสีอัลตราไวโอเลต
           2. สารเคมี (chemical substance) เช่น สารคลอชิซิน  (colchicine) มีผลทํ าให้จํ านวนชุดโครโมโซมเพิ่มขึ้นเป็นtetraploid (4n) เนื่องจากสารนี้ไปทํ าลายไมโทติก สปินเดิล ในระยะเมทาเฟส
           3. ไวรัส  (virus) ทํ าให้เกิดเนื้องอกและมะเร็ง

           สิ่งก่อกลายพันธุ์ ซึ่งเป็นอันตรายต่อสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตทุกชนิดรวมทั้งมนุษย์ด้วย มิวทาเจนหลายอย่างเป็นสารก่อมะเร็ง (carcinogen) ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมของเซลล์ร่างกาย เซลล์สืบพันธุ์ ความรู้เรื่องมิวเทชันในระดับ DNA จะช่วยให้เราเข้าใจและหาทางแก้ไขโรคทางพันธุกรรมได้ อย่างไรก็ตามการเกิดมิวเทชันบางอย่างทำให้เกิดพันธุ์ใหม่ ๆ เป็นผลดีแก่มนุษย์ ก่อให้เกิดวิวัฒนาการตามธรรมชาติ 

          ปัจจุบันการชักนำให้เกิดมิวเทชันเฉพาะที่ ถูกนำมาใช้ประโยชน์ในการศึกษาการพัฒนาของสิ่งมีชีวิตหลายชนิด เช่น ยีสต์ แมลงหวี่ หนอนตัวกลม และอะราบิดอพซิส (Arabidopsis sp.) ซึ่งเป็นพืชชนิดหนึ่งในวงศ์ผักกาด ที่นักวิทยาศาสตร์จากสหรัฐอเมริกา สหภาพยุโรป และญี่ปุ่น ตกลงกันให้เป็นพืชต้นแบบในการจัดทำแผนที่พันธุกรรมและหาลำดับเบสสำเร็จเป็นครั้งแรกเนื่องจากเป็นพืชขนาดเล็กเจริญเติบโตเร็ว วัฏจักรชีวิตสั้น มีขนาดจีโนมประมาณ 120 ล้านคู่เบส ซึ่งการศึกษาตรวจสอบหน้าที่ของโปรตีนแต่ละชนิดเพื่อนำข้อมูลไปเป็นพื้นฐานในการศึกษาและปรับปรุงพันธุ์พืชชนิดอื่น ๆ ที่มีลักษณะตามที่ต้องการ การทำให้เกิดมิวเทชันเฉพาะที่เป็นการยับยั้งการทำงานของโปรตีนชนิดนั้น ๆ จะทำให้สามารถวิเคราะห์ถึงบทบาทหน้าที่ของโปรตีนชนิดนั้น ๆ           

           สรุปการเกิดมิวเทชันระดับโครโมโซม

           1. การเปลี่ยนแปลงด้านโครงสร้างของโครโมโซม มีสาเหตุจากความผิดปกติในการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส รังสีต่าง  ๆ หรือสารเคมี จึงทำให้เซลล์สืบพันธุ์ผิดปกติ เกิดขึ้นได้หลายแบบ เช่น บางส่วนของโครโมโซมขาดหายไป บางส่วนของโครโมโซมเกินมาจากปกติ บางส่วนของโครโมโซมขาดหายไปกลับมาต่อใหม่แต่ต่อกลับด้าน การแลกเปลี่ยนชิ้นส่วนโครโมโซมต่างคู่กัน การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโครโมโซม ทำให้จำนวนคู่เบสและลำดับของเบสเปลี่ยนแปลงไป ซึ่งทำให้รหัสพันธุกรรมและการสังเคราะห์โปรตีนเปลี่ยนไป มีผลทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของฟีโนไทป์ เกิดโรค ต่าง ๆ เช่น กลุ่มอาการคริดูชาต์
           2. การเปลี่ยนแปลงด้านจำนวนโครโมโซม มีสาเหตุมาจากการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสผิดปกติ คือ เกิดปรากฎการณ์นอนดิสจังชัน ซึ่งฮอมอโลกัสโครโมโซมไม่แยกจากกันขณะแบ่งเซลล์ มีผลทำให้เซลล์สืบพันธุ์มีจำนวนโครโมโซมขาดหรือเกินเป็นแท่ง ซึ่งเกิดได้ทั้งออโทโซมและโครโมโซมเพศ เช่น กลุ่มอาการดาวน์ กลุ่มอาการเทอร์เนอร์ นอกจากนี้จำนวนโครโมโซมขาดหรือเกินเป็นชุด เรียกว่า พอลิพลอยด์ มักพบในพืชจะมีประโยชน์มาก แต่ถ้าเกิดกับสัตว์ โดยเฉพาะสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมจะเกิดผลเสียมากกว่าผลดี

           ตัวอย่างสิ่งก่อกลายพันธุ์ทั้งที่เป็นรังสีและสารเคมี รวมทั้งความผิดพลาดที่เกิดขึ้นขณะมีการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส ทำให้เกิดมิวเทชันในระดับโครโมโซมได้ ดังตัวอย่างต่อไปนี้

            กลุ่มอาการดาวน์ (Down's syndrome)

ภาพที่ 6 ผู้ป่วยกลุ่มอาการดาวน์และคารีโอไทป

           พบประมาณ 1 ใน 660 คน เกิดจากโครโมโซมคู่ที่ 21 เกินมา 1 เส้น อาการของกลุ่มนี้จะมีลักษณะคือ แรกเกิดตัวอ่อน ใบหน้าจะมีดั้งจมูกแฟบ นัยน์ตาห่าง หาตาชี้ ใบหูผิดรูป ปากปิดไม่สนิท ลิ้นใหญ่จุกปาก นิ้วมือสั้นป้อม ระหว่างนิ้วหัวแม่เท้าและนิ้วชี้มีช่วงกว้าง เส้นลายมือขาด ปัญญาอ่อน มี IQ ประมาณ 20 –50 บางรายมีความพิการของหัวใจและทางเดินอาหารทำให้เสียชีวิตได้ พบบ่อยเมื่อมารดามีอายุมากขึ้น สำหรับกลุ่มมารดาที่มีอายุ 45 ปีขึ้นไป ลูกจะมีอาการผิดปกติแบบนี้สูงถึง 1 ต่อ 50 คน การเปลี่ยนแปลงจำนวนโครโมโซมมักจะเกิดขึ้นเมื่อมีการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสผิดปกติ โดยออมอโลกัสโครโมโซมจะไม่แยกออกจากกันในระยะแอนาเฟสของไมโอซิส I หรือ ไมโอซิส II โครโมโซมจึงเคลื่อนย้ายไปยังขั้วเดียวกันของเซลล์ เรียกกระบวนการนี้ว่า นอนดิสจังชัน (non-disjunction) ดังภาพที่  7

ภาพที่ 7 นอนดิสจังชัน (non-disjunction)

           กลุ่มอาการคริดูชาด (Cri - du - chat syndrome หรือ Cat-cry syndrome)

ภาพที่ 8 ผู้ป่วยกลุ่มอาการคริดูชาร์และคาริโอไทป์

           กลุ่มอาการคริดูชาร์ เกิดจากโครโมโซมมีรูปร่างผิดปกติ ทำให้ลักษณะของสิ่งมีชีวิตผิดปกติได้ โดยโครโมโซมคู่ที่ 5 มีบางส่วนขาดหายไปทำให้มีแขนข้างสั้นของโครโมโซม สั้นกว่าปกติ อาการนี้ทำให้เด็กไม่เจริญเติบโต ศีรษะมีขนาดเล็ก หน้ากลม ใบหูต่ำ หาตาชี้ และอยู่ห่างกัน ดั้งจมูกแบน ปัญญาอ่อน และมีเสียงร้องเหมือนแมว

 

ภาพที่ 9 ลักษณะของคนกลุ่มอาการคริดูชาร์

           กลุ่มอาการไคลน์เฟลเตอร์ (Klinefelter’s syndrome)

ภาพที่ 10 ผู้ป่วยกลุ่มอาการไคลน์เฟลเตอร์และคารีโอไทป์

           กลุ่มอาการไคลน์เฟลเตอร์ เป็นกลุ่มของผู้ป่วยที่มีความผิดปกติอีกแบบหนึ่งที่เกิดจากโครโมโซมผิดปกติ ความผิดปกติแบบนี้ พบในผู้ป่วยเพศชายมีรูปร่างสูง หน้าอกโต เป็นหมัน และอาจมีปัญญาอ่อนด้วย พบประมาณ 1.3 คน ต่อผู้ชาย 1,000 คน สาเหตุเนื่องจากมีโครโมโซมผิดปกติ คือ โครโมโซมเพศแบบ XXY ทำให้มีจำนวนโครโมโซม 47 โครโมโซม ซึ่งเกินกว่าคนปกติ 1 โครโมโซม (ในบางกรณีผู้ป่วยที่เป็นโรคนี้อาจจะมีโครโมโซมถึง 48 โครโมโซม เพราะมีโครโมโซมเพศแบบ XXXY)

           กลุ่มอาการเทอร์เนอร์ (Turner’s syndrome)

ภาพที่  11 ผู้ป่วยกลุ่มอาการเทอร์เนอร์และคารีโอไทป์

           กลุ่มอาการเทอร์เนอร์พบในผู้ป่วยเพศหญิง มีลักษณะตัวเตี้ย กระดูกหน้าอกกว้าง หัวนมห่าง ที่บริเวณคอเป็นพังผืดกางเป็นปีก ไม่มีประจำเดือน เป็นหมัน และอาจมีปัญญาอ่อน ผู้ป่วยในกลุ่มนี้มีจำนวนโครโมโซม 45 โครโมโซม เนื่องจากมีโครโมโซมเพศ คือ โครโมโซม X เพียงโครโมโซมเดียว พบในผู้หญิง 1 ต่อ 2,500 คน          

           โรคเกิดที่โครโมโซมธรรมดา ลักษณะเด่น ได้แก่ นิ้วเกิน เท้าแสนปม ประสาทเสื่อม (สั่นกระตุก) ลักษณะด้อย ได้แก่  ทาลัสซีเมีย โลหิตจาง (ซิกเคิลเซลล์) ผิวเผือก เอนไซม์ตับบกพร่อง ( P K U ) 
          โรคเกิดที่โครโมโซมเพศ  ได้แก่ ตาบอดสี กล้ามเนื้อแขน – ขาลีบ โลหิตไหลไม่หยุด           

            ระดับการเกิดมิวเทชัน

            1. มิวเทชันของยีน  (gene mutation หรือ point mutation) มิวเทชันของยีนจะเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของเบส  (A, T, C, G) โดยอาจเปลี่ยนที่ชนิดของเบส โครงสร้างหรือลําดับของเบส ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงชนิดกรดอะมิโนในสายพอลิเพปไทด์ที่สร้างขึ้น ทํ าให้โปรตีนที่สร้างขึ้นมานั้นเปลี่ยนสมบัติทางเคมีไปจากเดิม หรือหมดสภาพไป เช่น โรคโลหิตจางชนิดเม็ดเลือดแดงมีรูปร่างเหมือนเคียวเกี่ยวข้าว  (sickle cell anemia) โดยเกิดจากการที่กรดอะมิโนในลํ าดับที่ 6 ของพอลิเพปไทด์สายบีตาของฮีโมโกลบิน เปลี่ยนจาก กรดกลูตามิก  (ในคนปกติ)ไปเป็น วาลีน (คนเป็นโรคโลหิตจางชนิดซิกเคิลเซลล์) เนื่องจากรหัสพันธุกรรมใน เปลี่ยนจาก CTC ไปเป็น CAC           2. มิวเทชันของโครโมโซม  (chromosomal mutation) มิวเทชันของโครโมโซม มี 2 ประเภท คือ

               2.1 การเปลี่ยนแปลงรูปร่างโครงสร้างภายในของโครโมโซม โดยโครโมโซมอาจขาดหายไป  (deletion) ทํ าให้ยีนขาดหายไปด้วย เช่น กรณีการเกิดโรคกลุ่มอาการคริดูชาต์ โดยโครโมโซมคู่ที่ 5 เส้นหนึ่งมีบางส่วนขาดหายไป หรืออาจเพิ่มขึ้นมา  (duplication) หรือเปลี่ยนสลับที่  (translocation)

               2.2 การเปลี่ยนแปลงจํ านวนโครโมโซม จํ านวนโครโมโซมอาจเพิ่มขึ้น/ลดลง 2 ลักษณะ คือ

                     1) แอนูพลอยดี  (aneuploidy) จํ านวนโครโมโซมเพิ่มขึ้นหรือลดลงจากปกติ 1-2 ท่อน (2n + 1 หรือ 2n + 2)เช่น ผู้ป่วยกลุ่มอาการดาวน์ ซึ่งมีโครโมโซม 47 ท่อน  (2n = 47) ซึ่งเกิดจากโครโมโซมคู่ที่ 21 เกินมา 1 เส้น  (trisomic-21)
                     2) ยูพลอยดี (euploidy) จํ านวนโครโมโซมเพิ่มหรือลดเป็นจํ านวนชุด  (2n + n หรือ 2n + 2n) ส่วนใหญ่เกือบทั้งหมดเท่าที่พบเกิดในพืช ซึ่งช่วยเพิ่มผลผลิตและเป็นกลไกลสํ าคัญที่ทํ าให้เกิดวิวัฒนาการของพืช แต่ในสัตว์เมื่อเกิดแล้วมักทํ าให้เป็นหมัน

           จากตัวอย่างความผิดปกติโครโมโซมของคนที่กล่าวมาแล้ว แสดงให้เห็นว่าโครโมโซมเป็นแหล่งของพันธุกรรม ความผิดปกติที่เกิดขึ้นกับโครโมโซมย่อมส่งผลต่อความผิดปกติทางพันธุกรรมด้วย จากตัวอย่างที่กล่าวมาแล้วนั้นจัดเป็นโรคร้ายแรงที่ผู้ป่วยไม่สามารถสืบทอดลูกหลานได้ ความบกพร่องของโครโมโซมส่วนใหญ่จึงเกิดขึ้นเฉพาะตัวบุคคลเท่านั้น ไม่สืบทอดไปยังลูกหลาน แต่อย่างไรก็ตามยังมีความบกพร่องบางประการที่สืบทอดไปยังลูกหลานได้ นอกจากนี้จำนวนโครโมโซมที่ผิดปกติบางประเภท เช่น มีจำนวนโครโมโซม 4 ชุด หรือ 4n หากเกิดขึ้นในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม ส่วนใหญ่จะตายเสียตั้งแต่ยังเป็นตัวอ่อน มีเพียงส่วนน้อยมากที่รอดมาได้แต่ก็จะเสียชีวิตตั้งแต่วัยเด็ก แต่หาก 4n เกิดขึ้นในพืช บางชนิดทำให้ผลผลิตที่มีขนาดใหญ่ เช่น ใบใหญ่ หรือผลใหญ่กว่าปกติ ดังนั้นในการปรับปรุงพันธุ์พืช การทำให้โครโมโซมผิดปกติอาจก่อให้เกิดผลผลิตที่มนุษย์พอใจและมีคุณค่าทางเศรษฐกิจได้ นอกจากนี้การเพิ่มจำนวนชุดโครโมโซมยังเป็นกลไกสำคัญในวิวัฒนาการของพืชชั้นสูงอีกด้วย

           การเกิดมิวเทชันมีผลต่อมนุษย์อย่างไร

           การเกิดมิวเทชันจะมีผลต่อสิ่งมีชีวิตต่างกันไป เช่นถ้าบังเอิน ยีนที่แสดงสีตาเปลี่ยนไปจากสีดำเป็นสีฟ้าตั้งแต่ยังเป็นไซโกต จำทำให้เติบโตขึ้นมามีตาสีฟ้าแทนที่จะเป็นตาสีดำ การที่มีตาสีฟ้าย่อมไม่ทำให้การดำรงชีวิตแตกต่างไปจากคนที่มีตาเป็นสีดำ แต่ถ้าบังเอิญ เป็นยีนที่ควบคุนลี้นของหัวใจ เช่น ขนาดของลิ้นหัวใจผิดปกติ ย่อมมีสุขภาพไม่สมบูรณ์ (ความผิดปกติจะมีผลดี หรือผลร้ายขึ้นอยุ่กับตำแหน่งและชนิดของกรดอะมิโนที่เปลี่ยนไป)ถ้าเราพบต้นพุทราต้นหนึ่งออกผลแต่ไม่มีเมล็ด ซึ่งอาจเป็นผลจากการเปลี่ยนของยีน  เราคงจะพอเข้าใจเพราะกินพุทราได้สดวก เราอาจขยายพันธุ์โดยการตอนกิ่ง หรือต่อกิ่งแต่ถ้าบังเอิญ ต้นพุทราต้นนี้อยู่ในป่าลึก ไม่มีใครเข้าไป่ถึง พุทราต้นนี้คงจะตายไปโดยไม่ได้ทิ้งลูกหลานไว้ให้สืบพันธุ์ มิวเทชันในกรณีนี้อาจมีประโยชน์ต่อมนุษย์ แต่อาจเป็นอันตรายต่อการขยายพันธุ์ของพืช แต่อย่างไรก็ตามยีนที่เกิดมิวเทชัน มักจะเป็นยีนด้อยและเมื่อเป็นเฮเทอโรไซกัส ส่วนใหญ่ก็จะไม่แสดงฟีโนไทป์ให้เห็นตังนั้นการแต่งงานในระหว่างพี่กับน้องจะมีผลต่อการแสดงออกของยีนที่เป็นอันตราย

           บทสรุป มิวเทชันเกิดขึ้นได้ 2 แบบ คือ

           1. มิวเทชันของเซลล์ร่างกาย เมื่อเกิดแล้วจะไม่ขยายไปสู่เซลล์อื่น (อาจมีผลต่อลูกหลานเล็กน้อย)โดยที่  mutant gene อาจทำให้เซลล์ตายหรือเป็นมเร็งได้ แต่เมื่อเจ้าของเซลลืตายยีนก็จะตายไปด้วย 
           2. มิวเทชันของเซลล์สืบพันธุ์ เมื่อเกิดแล้วมีผลต่อเนื่องสืบต่อกันไปได้ทำให้มีการเปลี่ยนแปลง species  ด้วย(เป็น recessive gene ที่เป็นอันตราย)

           สาเหตุการเกิดมิวเทชัน

           การเกิดมิวเทชันอาจเกิดระหว่างการเจริญเติบโต  ส่วนมากเกิดจากเบสพิวลีนและไพริมิตีน เปลี่ยนสภาพไปจากปกติ ทำให้มี code ผิดไปเกิด mutatant ขึ้นในเซลล์ลูกเรียกการเกิดมิวเทชันนี้ว่าเป้น มิวเทชันที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ นอกจากนี้ยังใช้รังสีมักทำใหี้สิอ่งมีชีวิตมีลักษณะผิดไปจากปกติ ที่สำคัญ คือทำให้โครโมโซมขนาดเ)็นท่อนๆ หรือทำให้ยีนเปลี่ยนแปลงไปเป็นผลทำให้เกิดมิเทชันขึ้นกับเซลล์ร่างกาย ได้แก่ X-Ray Ultavioiet ซึ่งเป็นปัจจัยทางกายภาพ (Physical agent ) และยังพบว่า  สารเคมีบางชนิด อาจทำให้ยีนเปลี่ยนแปลงได้ มีผุ้ทดลองใช้สารโคลซีลีนกับต้นกล้าของทานตะวัน พบว่ากลีบเลี้ยงและกลิบดอกหลอมหลวมกันเป็นแผ่นอับเลณูหายไป และมีจำนวนโคลโมโซมเพิ่มขึ้น ลำต้นแข็งแรง ใบกว้าง หนา ดอกใหญ่ แต่ช่อดอกมักผิดปกติเมล็ดไม่มีเอมบริโอ สารโคซิซีนนี้สามารถชักนำ ทำให้เกิดการเพิ่มจำนวนโคลโมโซมในแตงดมบางพันธุ์และกระตุ้นให้รังไข่เจริญกลายเป็นผลไม่มีเมล็ด ทั้งปัจจัยทางกายภาพและปัจจัยทางเคมี เป็นมิวเทชันที่เกิดขึ้นโดยได้รับการกระตุ้นตัวกระตุ้นหรือตัวชักนำ ทำให้เกิด มิวเทชันกับ DNA เรียกว่า สิ่งก่อกลายพันธุ์ หรือ มิวทาเจนมิวทาเจนหลายชนิดเป็นสารก่อมะเร็งซึ่งอันตราย

           ความรู้เพิ่มเติม
           มิวเทชันเกิดขึ้นได้ในเซลล์ร่างกาย และเซลล์สืบพันธุ์ ซึ่งสามารถถ่ายทอดไปสู่ลูกหลานได้ เมื่อมิวเทชันเกิดขึ้นกับเซลล์สืบพันธุ์ แต่ถ้าเกิดขึ้นกับเซลล์ร่างกายที่จะพัฒนาให้เกิดการสืบพันธุ์ได้ เช่น มิวเทชันที่เกิดกับตาข้างที่จะเจริญไปเป็นกิ่งที่มีลักษณะต่างไปจากเดิม เมื่อขยายพันธุ์โดยการปักชำหรือการตอนก็จะได้ต้นที่มีลักษณะต่างไปจากต้นเดิมเช่นนี้ก็จะสามารถถ่ายทอดไปสู่ลูกหลายได้
            มิวเทชันที่เกิดจากการชักนำโดยมนุษย์จะทำให้เกิดมิวเทชันอัตราสูงกว่าที่เกิดโดยธรรมชาติ และการอธิบายถึงสิ่งก่อกลายพันธุ์ หรือมิวทาเจน ได้แก่ รังสี ความร้อน สารเคมี ฯลฯ            
           ให้นักเรียนสืบค้นข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งก่อกลายพันธุ์ที่เป็นสารก่อมะเร็งการเกิดมิวเทชันระดับโครงสร้างของโครโมโซม เพื่อนำมามาเสนอหน้าชั้นเรียนและจัดป้ายนิเทศในประเด็นสำคัญดังนี้

           1. สิ่งก่อกลายพันธุ์ที่ก่อให้เกิดโรคมะเร็ง 
           2. การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโครโมโซม มีสาเหตุจากการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส รังสีต่าง ๆ หรือสารเคมี จึงทำให้เกิดเซลล์สืบพันธุ์ที่ผิดปกติ เกิดขึ้นได้หลายอย่าง เช่น การขาดหายไปของโครโมโซม บางส่วนของโครโมโซมเกินมาจากปกติ บางส่วนของโครโมดซมที่ขาดหายไปกลับมาต่อใหม่แต่ต่อกลับกัน การแลกเปลี่ยนชิ้นส่วนโครโมโซมต่างคู่กัน จากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโครโมโซม ทำให้จำนวนของเบสและลำดับของเบสเปลี่ยนไป ทำให้รหัสพันธุกรรมและการสังเคราะห์โปรตีนเปลี่ยนไป มีผลทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของฟีโนไทป์ เกิดโรคต่าง ๆ เช่น กลุ่มอาการคริดูชาต์ 
           3. การเปลี่ยนแปลงด้านจำนวนโครโมโซม มีสาเหตุจากการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสผิดปกติ คือ เกิดปรากฏการณ์นอนดิสจังชัน ซึ่งฮอมอโลกัสโครโมโซมไม่แยกจากันขณะแบ่งเซลล์ มีผลทำให้เซลล์สืบพันธุ์มีจำนวนโครโมดซมขาดหรือเกินเป็นแท่ง ซึ่งเกิดขึ้นได้ทั้งออโทโซมและโครโมโซมเพศ ความผิดปกตินี้ทำให้เกิดโรคในกลุ่มอาการดาวน์ซินโดรม กลุ่มอาการเทอร์เนอร์ซินโดรม ฯลฯ นอกจากนี้จำนวนโครโมโซมขาดหรือเกินเป็นชุด เรียกว่า พอลิพลอยด์ มักพบในพืชจะมีประโยชนฒาก แต่ถ้าเกิดกับสัตว์โดยเฉพาะสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมมักจะเกิดผลเสียมากกว่าผลดี

แบบฝึกเสริมประสบการณ์ เรื่อง มิวเทชัน

ชื่อ – สกุล ..........................................................................................ชั้น.....................เลขที่...............

ให้นักเรียนเขียนตอบคำถามต่อไปนี้

1. มิวเทชัน หมายถึงอะไร?
2. อยากทราบว่าคนที่เป็นโรคโลหิตจางชนิดริกเกิลเชลล์ เบสตัวใดของ mRNA ที่เปลี่ยนแปลงไป?
3. ความผิดพลาดที่เกิดขึ้นกับลำดับเบสของ DNA เกิดขึ้นได้อย่างไร?
4. สาเหตุการเกิดมิวเทชันระดับยีนมีอะไรบ้าง?
5. การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับยีนและโครโมโซมเกี่ยวข้องกับการเกิดวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตอย่างไร ?

ยีนและโครโมโซม (6.3)

3. DNA กับการสังเคราะห์โปรตีน

           ในแง่ของเคมี RNA คล้ายคลึงกับ DNA มาก จึงเป็นไปได้ว่า RNA จะสังเคราะห์ขึ้นโดยอาศัย DNA เป็นแม่พิมพ์หรือต้นแบบ โดยทั่วไปโมเลกุลของ RNA เป็นสายเดี่ยวและมีนิวคบีโอไทด์เป็นองค์ประกอบ ความแตกต่างระหว่าง DNA กับ RNA มี 2 ประการ คือ มี น้ำตาลในนิวคลีโอไทด์ของ RNA เป็นน้ำตาลไรโบส ไม่ใช้ดีออกซิไรโบส เหมือน DNA และอีกประการหนึ่งใน RNA ไม่มีเบส T แต่มี U แทน ซึ่งความแตกต่าง 2 ประการนี้มิได้ทำให้ RNA จับเป็นสายคู่ได้ยากขึ้นแต่อย่างใด แต่ที่ RNA เป็นสายเดี่ยว ก็ด้วยเหตุผลที่ว่า RNA ไม่มีอีกสายหนึ่งที่จะมีเบสตรงข้ามกันมาเข้าคู่กันได้พอดี จากการวิเคราะห์ปริมาณเบสใน RNA ที่สังเคราะห์ขึ้นโดยอาศัยเอนไซม์และมี DNA จากสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ เป็นแม่พิมพ์ เปรียบเทียบกับเบสของ DNA ที่เติมลงไปด้วยนั้น พบว่า อัตราส่วนของปริมาณของเบส A+U ต่อ G+C ใน RNA แทบจะกล่าวได้ว่าเท่ากับ A+T ต่อ G+C ใน DNA โดยประมาณเสมอ ดังตัวอย่างในตาราง

ตารางที่ เปรียบเทียบโครงสร้างของ DNA และ RNA

           จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์พบว่า ข้อมูลทางพันธุกรรมใน DNA ไม่ได้ส่งไปยังบริเวณที่มีการสังเคราะห์โปรตีนโดยตรง แต่จะมีตัวแทนทำหน้าที่เป็นสื่อกลาง นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศษ 2 คน คือ ฟรองซัว จาค็อป (Franeois Jacop) และจาค โมนอด (Jacques Monod) ได้มีข้อเสนอว่า RNA เป็นตัวกลางที่อยู่ระหว่าง DNA กับไรโบโซมตามสมติฐาน ดังภาพ สิ่งมีชีวิตพวกยูคาริโอตมี DNA อยู่ภายในนิวเคลียส แต่การสังเคราะห์ดปรตีนเกิดในไซโทพลาสซึม โดยเฉพาะบริเวรฃณที่มเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบขรุขระ เป็นไปได้หรือไม่ว่า DNA ส่งตัวแทนออกมายังไซโทพลาสซึม เพื่อทำหน้าที่ควบคุมการสังเคราะห์โปรตีน ถ้าเป็นเช่นนั้นจริงสารที่เป็นตัวแทนของ DNA คืออะไร

ภาพ ภาพสมมติฐานของฟรองซัว จาคอ็อป และจาค โมนอด

           RNA ที่เป็นตัวกลางนี้เรียกว่า mRNA (messenger RNA) และพยากรณ์ว่า mRNA จะเป็นตัวนำข้อมูลทางพันธุกรรมจาก DNA ไปยังไรโบโซม ซึ่งเป็นแหล่งสังเคราะห์โปรตีนที่อยู่ในไซโทพลาสซึม ซึค่งได้รับการยืนยันจากนักวิทยาศาสตร์ 2 คน คือ เจราร์ด เฮอร์วิทซ์ (Jerard Hurwitz) และ เจ เจ เฟอร์ธ (J.J. Furth) เกี่ยวกับที่อยู่และหน้าที่ของ mRNA

           กระบวนการสังเคราะห์โปรตีนจึงประกอบด้วยการสังเคราะห์ RNA จาก DNA แม่พิมพ์ และการสังเคราะห์โปรตีนที่ไรโบโซม

           1. การสังเคราะห์ RNA จาก DNA แม่พิมพ์  (ศึกษาเพิ่มเติม)

           การสังเคราะห์ RNA โดยมี DNA เป็นแม่พิมพ์ มีขั้นตอนคล้ายคลึงกับการสังเคราะห์ DNA โดยเริ่มต้นจากพอลินิวคบีโอไทด์สองสายของDNA จะคลายเกรียวและแยกออกจากันในบริเวณที่จะมีการสร้าง RNA แล้วมีการนำนิวคลีโอไทด์ของ RNA เข้าจับเบสของ DNA โดยมีการจับเข้าคู่กันแบบเดียวกับ DNA แต่ใน RNA ไม่มีไทมีน (T) มีแต่ยูราซิล (U) ดังนั้นเมื่อเบสของ DNA เป็นอะดีนีน (A) นิวคบีโอไทด์ของ  RNA ที่เข้าจับจะมียูราซิล แทน การสังเคราะห์ RNA นี้จะเริ่มปลาย 3' ไปยังปลาย 5' ของ DNA ดังนั้นโมเลกุลของ RNA จึงเริ่มจากปลาย 5' ไปยังปลาย 3' นิวคลีโอไทด์ของ RNA จะเชื่อมต่อกันโดยอาศัยเอนไซม์ชื่อ อาร์เอ็นเอ พอลิเมอเรส (RNA polymerase) อย่างไรก็ตามในการสังเคราะห์ RNA นี้ สายของพอลินิวคลีโอไทด์ DNA เพียงสายเดียวเท่านั้นที่เป็นแม่พิมพ์ และลำดับเบสใน RNA ที่สังเคราะห์ได้จะสัมพันธ์กับลำดับเบสของ DNA ที่เป็นแม่พิมพ์ด้วย ดังภาพที่ 1-35 จึงสรุปได้ว่า DNA ซึ่งเป็นสารพันธุกรรมนั้นจะถ่ายทอดคำสั่งให้แก่ RNA ขั้นตอนการสังเคราะห์ RNA นี้เรียกว่า ทรานสคริปชัน (transcription)

ภาพ การสังเคราะห์ RNA จาก DNA

           สรุปขั้นตอนการสังเคราะห์ RNA

           ขั้นเริ่มต้น เอนไซม์ RNApolymerase เข้าไปจับกับกับ DNA  ตรงบริเวณที่จะสังเคราะห์ RNA ทำให้พันธะระหว่างคู่เบสสลาย Polynucleotide 2 สาย ของ DNA จะคลายเกียวแยกออกจากกัน โดยมีสายใดสายหนึ่งเป็นแม่พิมพ์ ดังภาพ

ภาพ การเริ่มต้นสังเคราะห์ RNA

           ขั้นการต่อสายยาว ไรโบนิวคลีโอไทด์ (Ribonucleotide) ที่มีเบสที่เข้าคู่กับนิวคลีโอไทด์ของ DNA สายแม่พิมพ์ คือ เบส C เข้าคู่กับเบส G และเบส U เข้าคู่ A จะเข้ามาจับกับนิวคลีโอไทด์ของ DNA สายแม่พิมพ์ เอนไซม์ RNApolymerase จะเชื่อมไรโบนิวคลีโอไทด์ อิสระมาต่อกันเป็นสายยาว โดยมีทิศทางการสังเคราะห์สาย RNA จากปลาย 5' ไปยังปลาย 3' และการสร้างสาย RNA นั้น จะเรียงสลับทิศทางกับสาย DNA ที่เป็นแม่พิมพ์

ภาพ การถอดรหัส

           ขั้นสิ้นสุด เอนไซม์ RNApolymerase หยุดทำงานและแยกตัวออกจาก DNA สายแม่พิมพ์สาย RNA ที่สังเคราะห์ได้จะแยกออกจาก DNA ไปยังไซโทพลาซึม ส่วน DNA 2 สายจะจับคู่กันและบิดเป็นเกลียวเหมือนเดิม

ภาพ mRNA ที่สังเคราะห์ได้เคลื่อนที่ไปยังไซโทพลาซึม

• ในการสังเคราะห์ RNA โดยใช้ DNA สายหนึ่งเป็นแม่พิมพ์ มีลำดับเบสดังนี้ 3' T A C G G C A T A T C G A 5' จงเขียนลำดับเบสของ RNA ที่สังเคราะห์โดยเริ่มจากปลาย 5' ไปยังปลาย 3'
• คำตอบ ลำดับเบสของ RNA เป็นดังนี้ 5' A U G C C G U A U A G C U 3'

           ชนิดของ RNA แต่ละชนิดจะทำหน้าที่แตกต่างกันดังนี้

ภาพ RNA ชนิดต่าง ๆ ประกอบด้วย mRNA rRNA และ tRNA

ตารางที่ 6.3 ข้อเปรียบเทียบการสังเคราะห์ DNA และ RNA

           นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามศึกษาค้นคว้าหาขั้นตอนการสังเคราะห์โปรตีนโดยการติดตามสารต่าง ๆ จากจุดตั้งต้นไปยังสารปลายทาง พี.ซี. ซาเมคนิค (P.C. Zamecnik) นักชีวเคมีชาวอเมริกันได้ทำการ “ติดฉลาก” (label) สารต่าง ๆ ด้วยสารกัมมันตรังสี ในกรณีการสังเคราะห์โปรตีนก็ใช้วิธีการติดสารกัมมันตรังสีที่กรดอะมิโน เขาพบว่ากรดอะมิโนซึ่งเป็นวัตถุดิบที่ใช้ในการสังเคราะห์โปรตีนนั้นจะถูกนำไปเรียงต่อกันที่ไรโบโซมซึ่งเป็นแหล่งที่มีการสังเคราะห์โปรตีน กรดอะมิโนที่ถูกนำไปเรียงต่อ ๆ กันนั้นจะพ่วงติดกับ RNA โมเลกุลเล็ก ๆ ซึ่งเรียกว่า tRNA (transfer RNA) ไรโบโซมซึ่งเป็นแหล่งสังเคราะห์โปรตีนก็มี RNA เป็นส่วนประกอบด้วยเรียกว่า rRNA (ribosomal RNA) ซึ่งคิดเป็นร้อยละ 85 ของ RNA ที่พบในเซลล์ ไรโบโซมของเซลล์ทั่ว ๆ ไปประกอบด้วยหน่วยย่อย 2 หน่วย มีลักษณะเป็นเม็ดกลมรีขนาดใหญ่ 1 หน่วยและขนาดเล็ก 1  หน่วย แต่ละหน่วยมี RNA เป็นองค์ประกอบรวมอยู่กับโปรตีนขนาดต่าง ๆ กันจำนวนมาก ในระยะแรกที่ค้นพบ rRNA คาดกันว่า rRNA นี้ คงจะทำหน้าที่นำคำสั่งจาก DNA มาสังเคราะห์โปรตีน แต่ต่อมาพบว่า rRNA ในไรโบโซมนั้น มีโมเลกุลขนาดขนาดใกล้เคียงกันทั้งหมด นอกจากนี้องค์ประกอบของเบสยังคล้าย ๆ กันอีกด้วย คือ มี G และ C มากไม่ว่าจะเป็น rRNA ของแบคทีเรีย พืชและสัตว์ จึงไม่น่าจะเป็นไปได้ว่า rRNA จะเป็นตัวถ่ายทอดคำสั่งจาก DNA โดยตรง เพราะลักษณะทางพันธุกรรมนั้นมีความหลากหลายเป็นอันมาก ต่อมา ปี พ.ศ. 2503 ได้มีการค้นพบ RNA อีกชนิดหนึ่งซึ่งมีประมาณร้อยละ 4 ของ RNA ในเซลล์ มีขนาดโมเลกุลต่าง ๆ กันและ RNA นี้มีปริมาณเพิ่มมากขึ้นในเซลล์ที่กำลังสังเคราะห์โปรตีน เรียกว่า mRNA (messenger RNA)  RNA ชนิดนี้จะเกาะติดกับไรโบโซมเมื่อมีการสังเคราะห์โปรตีน อาจเป็นไปได้ว่า mRNA นี้เองที่ทำหน้าที่นำคำสั่งจาก DNA มาสังเคราะห์โปรตีน จากการศึกษาต่อมาพบว่า ลำดับเบสใน mRNA นี้จะกำหนดว่ากรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีนนั้นเป็นชนิดใด และมีลำดับเรียงกันอย่างไร ลำดับเบสนี้จึงเปรียบเทียบเสมือนคำสั่งจาก DNA ที่ถ่ายทอดมาให้แก่ RNA จึงเรียกลำดับเบสใน mRNA นี้ว่า รหัสพันธุกรรม (genetic code)

           2. รหัสพันธุกรรมคืออะไร

           จากที่กล่าวมาแล้วว่า DNA เป็นแม่พิมพ์ในการสังเคราะห์ mRNA ดังนั้นข้อมูลทางพันธุกรรมใน DNA จะถ่ายทอดให้กับ mRNA การเรียงลำดับของนิวคลีโอไทด์ชนิดต่าง ๆ ของ mRNA จึงเป็นตัวกำหนดกการเรียงลำดับของกรดอะมิโนเพื่อสังเคราะห์โปรตีน

           เนื่องจากกรดอะมิโนที่เป็นหน่วยย่อยของโปรตีนมี 20 ชนิด แต่เบสที่เป็นองค์ประกอบของ DNA มีเพียง 4 ชนิด จึงเป็นไปไม่ได้ที่เบสแต่ละชนิดจะเป็นรหัสของกรดอะมิโนแต่ละชนิด แม้กระทั่งเบส 2 โมเลกุลก็ยังไม่เพียงพอที่จะเป็นรหัสให้แก่กรดอะมิโน 20 เพราะเบส 2 โมเลกุลจะเรียงลำดับแตกต่างกันได้เพียง 16 แบบเท่านั้น ดังภาพ

           ถ้าเป็นเบส 3 โมเลกุล จะเรียงลำดับแตกต่างกันได้ 64 แบบ ซึ่งเกินกว่าจำนวนชนิดของกรดอะมิโน แต่ก็เป็นไปได้มากกว่า 1 โมเลกุล หรือ 2 โมเลกุล ดังนั้น เบรนเนอร์ (Brenner) และคริก (Crick) จึงได้ให้ความเห็นไว้ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2504 ว่ากรดอะมิโนแต่ละหน่วยถูกควบคุมด้วยรหัสพันธุกรรมที่ประกอบด้วยเบส 3 โมเลกุล (triple code) ด้วยเหตุนี้เองการค้นคว้าทางชีวเคมีในระยะนั้นจึงมุ่งหาว่ากรดอะมิโนชนิดใดควบคุมด้วยรหัสพันธุกรรมแบบใดบ้าง

ภาพ สมมติฐานรหัสพันธุกรรม

           ในปี พ.ศ. 2504 เอ็ม. ดับบลิว. ไนเรนเบิร์ก (M.W. Nirenberg) และ เจ.เอ็ซ. แมททัย (J.H. Matthei) ชาวอเมริกัน ได้ค้นพบรหัสพันธุกรรมรหัสแรก คือ UUU ซึ่งเป็นรหัสของกรดอะมิโนชนิด ฟีนิลอะลานีน (phenylalanine) และต่อมามีการค้นพบเพิ่มเติมขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทั่งในปี พ.ศ. 2509 พบรหัสพันธุกรรมถึง 61 รหัสด้วยกัน เหลือเพียง 3 รหัส คือ UAA,UAG และUGA ซึ่งไม่พบว่าเป็นรหัสของกรดอะมิโนใด ๆ ภายหลังจึงพบว่า รหัสทั้งสามนี่ทำหน้าที่หยุดการสังเคราะห์โปรตีน เมื่อพบรหัสเหล่านี้การสังเคราะห์โปรตีนจะสิ้นสุดลง นอกจากนี้ยังพบว่า AUG ซึ่งเป็นรหัสของกรดอะมิโนเมไทโอนีน (methionine) เป็นรหัสตั้งต้นของการสังเคราะห์โปรตีนอีกด้วย

ตารางแสดง รหัสพันธุกรรม

           ถ้ารหัสพันธุกรรมประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ต่อไปนี้ GCC AAU CUG UGG ลำดับของ กรดอะมิโนจะเป็นอย่างไร           Phe คือ ฟีนิลอะลานีน Leu คือ ลิวซีน Met คือ เมไทโอนีน Pro คือ โพรลีน Ile คือ ไอโซลิวซีน Val คือ วาลีน Ser คือ ซีรีน Thr คือ ทรีโอนีน Ala คือ อะลานีน Tyr คือ ไทโรซีน His คือ ฮีสทีดีน Gln คือ กลูตามีน Asn คือ แอสพาราจีน Lys คือ ไลซีน Asp คือ กรดแอสปาติก Glu คือ กรดกลูตามิก Cys คือ ซีสเทอีน Trp คือ ทริปโตเฟน Arg คือ อาร์จีนีน Gly คือ ไกลซีน

• คำตอบ Ala - Asn - Leu - Trp

           รหัสพันธุกรรมตามตาราง 6.3 นี้เป็นรหัสพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด   ตั้งแต่ไวรัส พืช สัตว์ รวมทั้งมนุษย์ด้วย แม้ว่าสิ่งมีชีวิตจะแตกต่างกันอย่างมาก แต่ก็ยังคงใช้รหัสพันธุกรรมร่วมกัน

           รหัสพันธุกรรมใน mRNA แต่ละรหัสประกอบด้วยเบส 3 โมเลกุล เราเรียกแต่ละรหัสว่า โคดอน (codon) ในการสังเคราะห์โปรตีน rRNA มีหน้าที่นำกรดอะมิโนมายัง mRNA  tRNA แต่ละโมเลกุลจะมีลำดับของเบส 3 โมเลกุล ที่เข้าคู่กับโคดอนได้ เรียกเบส 3 โมเลกุลของ tRNA นี้ว่า แอนติโคดอน (anticodon) เช่น ถ้าโคดอนของ mRNA เป็น AUG แอนติโคดอนของ tRNA จะเป็น UAC เป็นต้นดังภาพที่ 6-11

ภาพ แสดงโคดอนของ mRNA และแอนติโคดอนของ tRNA จับคู่กัน    

           3. การสังเคราะห์โปรตีนที่ไรโบโซม

           การสังเคราะห์โปรตีนเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นในไซโทพลาสซึมของเซลล์ โดยมีออร์แกเนลล์ที่เกี่ยวข้อง คือ ไรโบโซม เมื่อ DNA ภายในนิวเคลียสสังเคราะห์ mRNA ลำดับเบสของ mRNA ซึ่งเป็นรหัสพันธุกรรมนี้ถูกกำหนดโดยลำดับเบสของ DNA จึงเรียกขั้นตอนการสังเคราะห์ mRNA นี้ว่า การถอดรหัสพันธุกรรม หรือ ทรานสคริปชัน (transcription) mRNA จะถูกส่งออกมาที่ไซโทพลาสซึม แล้วเข้าจับกับไรโบโซมโดยไรโบโซมหน่วยเล็กจะเข้าไปจับก่อน ต่อจากนั้น tRNA โมเลกุลจที่นำกรดอะมิโนจะเข้าจับกับ mRNA ในไรโบโซม แล้วไรโบโซมหน่วยใหญ่จึงจะเข้าจับดังภาพ

ภาพ การสังเคราะห์โปรตีน ก. การสังเคราะห์ mRNA ข. TRNA นำกรดอะมิโนเข้าจับกับ mRNA บนไรโบโซม ค. กรดอะมิโนมาต่อกันด้วยพันธะเพปไทด์ เกิดเป็นสายยาวของพอลิเพปไทด์

           ต่อจากนั้น tRNA โมเลกุลที่สองจะเข้าจับกับ mRNA อีกตำแหน่งหนึ่ง แล้วจึงมีการสร้างพันธะเพปไทด์ระหว่างกรดอะมิโนที่ tRNA นำมา เมื่อสร้างพันธะเพปไทด์แล้ว tRNA โมเลกุลแรกจะหลุดออกมาจาก mRNA และไรโบโซมจะเคลื่อนที่ต่อไปบน mRNA โดยเคลื่อนจากปลาย 5' ไปยังปลาย 3' tRNA โมเลกุลใหม่จึงเข้าจับกับ mRNA ต่อไป แล้วมีการสร้างพันธะเพปไทด์อีก เป็นเช่นนี้เรื่อย ๆ จึงได้สายของเพปไทด์ที่มีลำดับของกรดอะมิโนตามรหัสบน mRNA จนกระทั่งไรโบโซมเคลื่อนที่ทำหน้าที่หยุดการสังเคราะห์โปรตีน ไรโบโซมก็จะแยกออกจาก mRNA การสังเคราะห์โปรตีนจึงสิ้นสุดลงตามภาพ จึงสรุปได้ว่า DNA ซึ่งเป็นสารพันธุกรรมนั้น จะถ่ายทอดรหัสให้แก่ mRNA ขั้นตอนนี้เรียกว่า การถอดรหัสพันธุกรรม และจากนั้นจึงนำรหัสไปควบคุมการสังเคราะห์พอลิเพปไทด์อีกทอดหนึ่ง ขั้นตอนนี้เรียกว่าการแปลรหัสพันธุกรรม

ภาพ กระบวนการต่าง ๆ ในการสังเคราะห์โปรตีน

           การสังเคราะห์โปรตีนในสิ่งมีชีวิตพวกยูคาริโอต จะมีกระบวนการถอดรหัสภายในนิวเคลียส mRNA จะออกจากนิวเคลียส แล้วมีการแปลรหัสในไซโทพลาสซึม ส่วนในสิ่งมีชีวิตพวกโพรคาริโอตกระบวนการถอดรหัสและกระบวนการแปลรหัสสามารถเกิดได้ต่อเนื่องกัน โดยที่ mRNA ที่สังเคราะห์มาจาก DNA จะถูกนำไปแปลรหัสทันทีทั้ง ๆ ที่กระบวนการถอดรหัสยังไม่สิ้นสุด

           นักเรียนสามารถศึกษาภาพกระบวนการถอดรหัสและกระบวนการแปลรหัสได้จากเวบลิงค์ต่อไปนี้ DNA structure    DNA-replication DNA-transcription DNA-translation

           ในการสังเคราะห์โปรตีนนี้ mRNA แต่ละโมเลกุลอาจจะพาดเกาะอยู่บนไรโบโซมหลาย ๆ ไรโบโซม แต่ละไรโบโซมจะทำการสังเคราะห์สายพอลิเพปไทด์ 1 สาย กลุ่มของไรโบโซมเหล่านี้เรียกว่า พอลิไรโบโซม (polyribosome) ดังภาพ

ภาพ พอลิไรโบโซม ก. ภาพวาด ข. ภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

           สายพอลิเพปไทด์ที่สังเคราะห์ได้หลังจากการแปลรหัสสิ้นสุดจะมีการเปลี่ยนแปลงบางอย่าง ทำให้มีรูปร่างและการเข้าจับกับพอลิเพปไทด์ต่าง ๆ เพื่อให้ได้โปรตีนที่มีความเหมาะสมและพร้อมจะทำงานได้

           โปรตีนที่สังเคราะห์ได้นี้จะนำไปใช้ให้เกิดประโยชน์ต่อร่างกายได้อย่างไร

บทบาทและหน้าที่ของโปรตีนเป็นไปอย่างหลากหลาย เช่น

           1. ทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบของโครงสร้าง เช่น คอลลาเจน และเคอราทินในสัตว์ โปรตีนที่ผนังเซลล์พืช และโปรตีนที่เป็นองค์ประกอบของไรโบโซม
           2. ทำหน้าที่เกี่ยวกับการเคลื่อนไหว เช่น แอกทินและไมโอซินในกล้ามเนื้อของคน ทูบูลินซึ่งมีบทบาทในการเคลื่อนไหวของซิเลียหรือแฟลกเจลลาในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว
           3. ทำหน้าที่ในระบบคุ้มกัน เช่น อิมมูโนโกลบูลิน (immunoglobulin) ในสัตว์ ซิสเทมิน (systemin) และโปรติเนสอินฮิบิเตอร์ (protenase inhibitor) ในพืชเป็นต้น
           4. ควบคุมปฏิกิริยาต่าง ๆ ในสิ่งมีชีวิต เช่น เอนไซม์ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง และเอนไซม์ในกระบวนการสลายสารอาหารเป็นต้น
           5. ทำหน้าที่ในการติดต่อสื่อสารระหว่างเซลล์ชนิดต่าง ๆ เช่น ฮอร์โมนต่าง ๆ

           จากที่กล่าวมาข้างต้นจะเห็นได้ว่า DNA เกี่ยวข้องกับการแสดงลักษณะของสิ่งมีชีวิต ซึ่งความสำคัญของDNA คือเป็นแหล่งเก็บข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต แล้วถ่ายทอดข้อมูลให้กับ RNA และแปลรหัสจาก RNA เป็นกรดอะมิโน ในที่สุด DNA ควบคุมการสังเคราะห์โปรตีนได้เป็นดปรตีนโครงสร้าง โปรตีนที่เป็นเอนไซม์ และสารอื่น ๆ อยู่ภายในเซลล์ มีผลทำให้เซลล์และสิ่งมีชีวิตปรากฏลักษณะต่าง ๆ ได้

           ความรู้เพิ่มเติม

           สรุป ความเกี่ยวข้องของ DNA กับการควบคุมลักษณะทางพันธุกรรม

• ถ้าโคดอนของ mRNA โมเลกุลหนึ่งมีลำดับเบสดังนี้ 5' A U G C A C G G G U A U A U C U A A 3' จงบอกลำดับของแอนติโคดอนของ tRNA โดยเรียงลำดับที่จะเข้าจับสาย mRNA และลำดับของกรดอะมิโนในสายพอลิเพปไทด์
• คำตอบ ลำดับของเบสของแอนติโคดอน คือ 3' U A C G U G C C C A U A U A G A U U 5' ลำดับของกรดอะมิโนในสายพอลิเพปไทด์ คือ Met - His - Gly - Tyr - Lle - รหัสหยุด
• พอลิเพปไทด์สายหนึ่งมีลำดับกรดอะมิโนดังนี้ Met - Pro - Lys - Val จงบอกลำดับเบสที่อาจเป็นไปได้ของ mRNA ที่สร้างพอลิเพปไทด์สายนี้
• คำตอบ AUG CCA AAA GUG

           DNA  ในโพรคาริโอต และยูคาริโอต

           แบคทีเรียเป็นสิ่งมีชีวิตที่เรียกว่า โพรคาริโอต (prokaryote) คือ สารพันธุกรรมที่ไม่มีเยื่อหุ้มนิวเคลียส สารพันธุกรรมของแบคทีเรียเป็น DNA เกลียวคู่ เช่น DNA ของแบคทีเรีย E.  coli เป็นเกลียวคู่ที่ไม่มีปลายเปิดเนื่องจาก DNA มีลักษณะเป็นวง มีเบสประมาณ 4.5x10⁶ คู่ ปัจจุบันนักพันธุศาสตร์เข้าใจพันธุกรรมของ E.  coliเป็นอย่างดี และรู้ว่านอกจาก DNA ของมันเองแล้ว ยังอาจมี DNA ขนาดเล็กของผู้อาศัย ที่เรียกว่า พลาสมิค (plasmid) อาศัยอยู่ภายในแบคทีเรีย อีกด้วย

ภาพ พลาสมิดของแบคทีเรีย

           สิ่งมีชีวิตพวกยูคาริโอต (eukaryote) ซึ่งมี DNA เป็นสารพันธุกรรม และมีคู่เบสจำนวนมากขึ้น เช่น เซลล์แฮพลอยด์ของคนมีคู่เบสประมาณ 3x10⁹ คู่ โครโมโซมของพวกยูคาริโอตไม่ใช่ DNA ทั้งหมด แต่ประกอบด้วย DNA ที่เกาะติดกับโปรตีนซึ่งส่วนใหญ่ คือ โปรตีนประเภทฮีสโตน (histone) มองเห็นในกล้องจุลทรรศน์เป็นสายใยเรียกว่า โครมาทิน (chromatin) เมื่อจะแบ่ง DNA หรือเมื่อ DNA จะสังเคราะห์ RNA DNA ต้องหลุดจากโปรตีนชั่วคราวจึงจะอยู่ในสภาพที่ทำงานได้ ดังภาพที่ 1-41 DNA ของพวกยูคาริโอตมีปริมาณมากกว่า DNA ของโพรคาริโอตเป็นอันมาก DNA ของยูคาริโอตยังพันรอบ ๆ โปรตีนฮีสโตนอีกด้วย DNA ของยูคาริโอตจึงมีความซับซ้อนมากขึ้น และนักพันธุศาสตร์ยังต้องศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับ DNA ของยูคาริโอตอีกมาก จึงจะเข้าใจระบบการทำงานของยีนยูคาริโอต

ภาพ DNA และฮีสโตนที่ประกอบกันเป็นโครโมโซมของยูคาริโอต

สรุป

           1. DNA มีโครงสร้างที่แตกต่างจาก DNA ดังตารางต่อไปนี้

ตาราง เปรียบเทียบความแตกต่างระหว่าง DNA กับ RNA

ข้อเปรียบเทียบ	DNA	RNA
1. จำนวนนิวคลีโอไทด์	2 สาย	1 สาย
2. โครสร้าง	บิดเป็นเกลียว	ไม่บิดเป็นเกลียว
3. ชนิดของเบส	อะดีนีน กวานีน ไทมีน และ ไซโทซีน	อะดีนีน กวานีน ยูราซิล และ ไซโทซีน
4. น้ำตาล	ดีออกซีไรโบส	ไรโบส

           2. DNA ควบคุมการสังเคราะห์โปรตีนในไซโทพลาซึมโดยอาศัยสารตัวกลางระหว่าง DNA ในนิวเคลียสกับไรโบโซม

           3. DNA ส่งสารผ่านบางอย่างเป็นตัวแทนมาควบคุมการสังเคราะห์โปรตีนในไซโทพลาซึม

           4. สารที่ DNA ส่งมานั้นคือ mRNA มาควบคุมการสังเคราะห์โปรตีนที่ไรโบโซมในไซโทพลาซึม ซึ่งเป็นบริเวณที่มีการสังเคราะห์โปรตีนด้วยการสังเคราะห์์ RNA จาก DNAจากแม่พิมพ์ DNA 

           5. การสังเคราะห์ mRNA มีขั้นตอนสำคัญ คือ DNA 2 สายคลายเกลียวแยกจากกัน โดยมีสายใดสายหนึ่งเป็นแม่พิมพ์ จากนั้นนิวคลีโอไทด์ที่มีเบสคู่กันจะเข้าไปจับกับเบสของสายแม่พิมพ์ โดยนิวคลีโอไทด์ที่มีเบสคู่กันจะเชื่อมต่อกันเป็นสายยาว           6. RNA พอลิเมอเรสมีบทบาทสำคัญ คือ จับกับ DNA บริเวณที่สังเคราะห์ RNA 

           7. ในการสังเคราะห์ mRNA มีทิศทางจากปลาย 5' ไปยังปลาย 3' ซึ่งสลับทิศทางกับสาย DNA แม่พิมพ์จะได้เป็นสายmRNA           8. กระบวนการสังเคราะห์ mRNA จาก DNA แม่พิมพ์เรียกว่ากระบวนการถอดรหัส หรือ ทรานสคริปชัน กระบวนการสังเคราะห์ mRNA กับกระบวนการสังเคราะห์ DNA สามารถเปรียบเทียบได้ดังตารางที่ 6.6

ตารางที่ 6.6 เปรียบเทียบกระบวนการสังเคราะห์ DNA กับกระบวนการสังเคราะห์ RNA

กระบวนการสังเคราะห์ DNA	กระบวนการสังเคราะห์ RNA
1. ใช้พอลินิวคลีโอไทด์ที่เป็นแม่พิมพ์ทั้งสองสาย	1. ใช้พอลินิวคลีโอไทด์ที่เป็นแม่พิมพ์เพียงสายเดียว
2. ใช้เอนไซม์ DNA พอลิเมอเรส	2. ใช้เอนไซม์ RNA พอลิเมอเรส
3. ใช้ดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ 4 ชนิด คือ A T C G	3. ใช้ไรโบนิวคลีโอไทด์ 4 ชนิด คือ AU C G
4. ผลผลิตที่ได้ DNA สายใหม่ 2 สาย	4. ผลผลิตที่ได้ mRNA สายเดี่ยว

           9. DNA สังเคราะห์์ RNA ได้ 3 ชนิด คือ mRNA tRNA และ rRNA

           10. RNA แต่ละชนิดมีหน้าที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการสังเคราะห์โปรตีน ดังนี้

                 10.1 tRNA ทำหน้าที่นำกรดอะมิโนมาต่อกันเป็นสายยาวบนไรโบโซม

                 10.2 rRNA เป็นส่วนประกอบของไรโบโซม

                 10.3 mRNA นำรหัสการสร้างโปรตีนมายังไรโบโซมในไซโทพลาซึม

           11. mRNA เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์โปรตีนโดยลำดับเบสบน mRNA เป็นตัวกำหนดรหัสพันธุกรรม

           12. ส่วนนิวคลีโอไทด์ของ DNA เป็นข้อมูลทางพันธุกรรมและถ่ายทอดให้ mRNA            13. การเรียงลำดับของเบสใน mRNA จำนวน 3 ตัวเป็น 1 รหัสพันธุกรรม 

           14. ในสังเคราะห์โปรตีนสิ่งที่กำหนดชนิดของกรดอะมิโนและการเรียงลำดับของกรดอะมิโน คือ ลำดับเบสบน mRNA

           15. สิ่งที่ต้องใช้ในกระบวนการสังเคราะห์โปรตีนประกอบด้วย DNA mRNA tRNA ไรโบโซม กรดอะมิโน เอนไซม์ 

           16. การสังเคราะห์โปรตีนมีทิศทางการสังเคราะห์ปลาย 5^/ ไปยังปลาย 3^/

           17. กระบวนการสังเคราะห์โปรตีนมี 2 ขั้นตอน และแต่ละชั้นตอนเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์โปรตีนดังนี้

                 17.1 กระบวนการถอดรหัส หรือ ทรานสคริปชัน (transcription) เป็นกระบวนการที่่ DNA ถ่ายทอดข้อมูลทางพันธุกรรมให้  mRNA ซึ่งการนำรหัสการสังเคราะห์โปรตีนไปยังไซโทพลาซึม

                 17.2 กระบวนการแปลรหัส หรือ ทรานสเลชัน (translation) เป็นกระบวนการที่ tRNA นำกรดอะมิโนชนิดที่ตรงกับโคดอนของ mRNA เช่น tRNA ที่มีแอนติโคดอน CCA จะนำกรดอะมิโนชนิดไกลซีน (Gly) มายังไรโบโซมตรงที่มีโคดอน GGU ของ mRNA เป็นต้น โดยนำกรดอะมิโนมาเรียงต่อกันบนไรโบโซมตามรหัสพันธุกรรมของ mRNA           18. การสังเคราะห์โปรตีนของพวกยูคาริโอต กระบวนการถอดรหัสเกิดในนิวเคลียส ส่วนการแปลรหัสเกิดในไซโทพลาซึม ส่วนการสังเคราะห์โปรตีนของโพรคาริโอตกระบวนการถอดรหัสและการแปลรหัสเกิดในไซโทพลาซึม

           ความรู้เพิ่มเติม

           "การสังเคราะห์โปรตีนบนสาย mRNA สังเคราะห์พร้อมกันหลายสายได้หรือไม่" นักเรียนสามารถหาคำตอบได้จากเนื้อหาต่อไปนี้

ภาพ การสังเคราะห์โปรตีนบนสาย mRNA ก. ภาพถ่ายจากการเกิดพอลิไรโบโซมจากกล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราด ข. แผนภาพการเกิดพอลิไรโบโซม

           จากภาพแสดงการสังเคราะห์โปรตีนหลาย ๆ สาย พร้อมกัน โดยไรโบโซมจะมาเกาะจับกับmRNA ได้หลายๆ ไรโบโซม mRNA ลักษณะเช่นนี้เรียกว่าพอลิไรโบโซม หรือพอลิโซม

           DNA ควบคุมการสังเคาะห์โปรตีน โปรตีนที่สังเคราะห์ขึ้นเหล่านี้ไปทำหน้าที่อะไรบ้าง ซึ่งนักเรียนสามารถตอบได้หลากหลาย เช่น

           1. โปรตีนที่ทำหน้าที่ขนส่งออกซิเจน คือ ฮีโมโกลบิน

           2. โปรตีนที่ช่วยในการเคลื่อนในกล้ามเนื้อ คือ แอกทิน และไมโอซิน

           3. โปรตีนที่ผิวหนังและขน คือ คอลลาเจนและเคอราทิน

           4. โปรตีนที่เป็นเอนไซม์

           5. โปรตีนที่เป็นฮอร์โมน

           ข้อสรุป

           แสดงว่า DNA เกี่ยวข้องกับการแสดงลักษณะของสิ่งมีชีวิต ซึ่ง DNA เป็นแหล่งเก็บข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตแล้วค่อยถ่ายทอดให้กับ RNA จากนั้นมีการแปลรหัสจาก RNA เป็นกรดอะมิโน ในที่สุดจะได้โปรตีนซึ่งทำหน้าที่เป็นโปรตีนโครงสร้าง โปรตีนที่เป็นเอนไซม์ หรืออื่น ๆ ภายในเซลล์ ทำให้เซลล์และสิ่งมีชีวิตมีลักษณะต่าง ๆ ปรากฏให้เห็นได้

แบบฝึกหัด  เรื่อง สมบัติของสารพันธุกรรม

ชื่อ – สกุล..................................................................ชั้น.........เลขที่.........

คำสั่ง ให้นักเรียนเขียนตอบคำถามต่อไปนี้

1. การที่ DNA จะเป็นสารพันธุกรรมได้นั้น จะต้องมีสมบัติอย่างไรบ้าง ?
2. การสังเคราะห์ DNA มีขั้นตอนอย่างไรบ้าง ?
3. ในการสังเคราะห์ RNA โดยใช้ DNA สายหนึ่งเป็นแม่พิมพ์ มีลำดับเบสดังต่อไปนี้

                3' T A C G G C A T A T C G A 5'

จงเขียนลำดับเบสของ RNA ที่สังเคราะห์ได้โดยเริ่มจากปลาย 5' ไปยังปลาย 3'
4. ถ้ารหัสพันธุกรรมประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ต่อไปนี้ GCC AAU CUU UGG ลำดับกรดอะมิโนเป็นอย่างไร ?
5. พอลิเพปไทด์สายหนึ่งมีลำดับกรดอะมิโนดังนี้ Met-Pro-Lys-Val จงบอกลำดับเบสที่อาจเป็นไปได้ของ mRNA ที่สร้างพอลิเพปไทด์สายนี้ ?