ยีนและโครโซม (6.1)

สมบัติของสารพันธุกรรม

คำถามก่อนเรียน
1. DNA ควรจะมีสมบัติอย่างไร จึงจะสามารถถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตได้ 
2. DNA ของสิ่งมีชีวิตจะถ่ายทอดจากรุ่นหนึ่งไปยังรุ่นต่อๆ ไปได้อย่างไร
3. DNA ในรุ่นพ่อแม่และ DNA ในรุ่นลูกจำเป็นต้องเหมือนกันหรือไม่ ถ้าไม่เหมือนกันจะมีผลอย่างไรต่อสิ่งมีชีวิต 
4. การถ่ายทอด DNA จากรุ่นหนึ่งไปยังอีกรุ่นหนึ่งจะเหมือนกับ DNA ในรุ่นพ่อแม่นั้นจะเกิดขึ้นได้อย่างไร
5. การที่ DNA ของรุ่นลูกจะเหมือนกับ DNA ในรุ่นพ่อแม่นั้นจะเกิดขึ้นได้อย่างไร

           1. การสังเคราะห์ DNA

           ก่อนเรียนให้ศึกษาภาพต่อไปนี้

DNA replication

           จากคำถามข้างต้นอีก 10 ปี ต่อมาหลังจากที่วอตสันและคริกได้ออกแบบจำลองโครงสร้างของ DNA ขึ้น จึงสามารถพิสูจน์ได้ว่า DNA มีคุณสมบัติที่จะเป็นสารพันธุกรรมได้ วอตสันและคริกจึงได้รับรางวัลโนเบลด้วยผลงานการค้นพบโครงสร้างของ DNA ในปี พ.ศ. 2505 นับว่าเป็นผู้เปิดศักราชใหม่ให้แก่ความรู้ด้านพันธุศาสตร์ และการศึกษาค้นคว้าในระดับโมเลบกุลต่อไป

           วอตสันและคลิกเสนอโครงสร้างของ DNA ว่าเป็นพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายพันกันเป็นเกลียวซึ่งโครงสร้างตามแบบจำลองนี้นำไปสู่การเสนอกลไกพื้นฐานของการสังเคราะห์ DNA หรือการจำลองตัวเองของ DNA โดยนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองได้พยากรณ์กลไกการจำอลง DNA ว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร

          ตามแนวคิดเกี่ยวกับการจำลอง DNA ที่วอตสันและคลิกเสนอนั้นเป็นเพียงสมมติฐาน

           ในปี พ.ศ. 2499 อาร์เธอร์ คอร์นเบิร์ก (Arther Kornberg) นักชีวเคมีชาวอเมริกันเป็นคนแรกที่สามารถสังเคราะห์ DNA ในหลอดทดลองได้สำเร็จโดยนำเอาเอนไซม์ DNA พอลิเมอเรส (DNA polymerase) ซึ่งสกัดจากแบคทีเรีย E. coli ใส่ในหลอดทดลองที่มีสารสังเคราะห์สมบูรณ์ ได้แก่

           1. DNA แม่พิมพ์
           2. นิวคลีโอไทด์ 4 ชนิด ที่มีเบส A T C และเบส G
           3. เอนไซม์ DNA พอลิเมอเรส ซึ่งทำหน้าที่เชื่อมนิวคลีโอไทด์ให้ต่อกันเป็นสายยาว โดยมีทิศทางการสังเคราะห์สาย DNA สายใหม่ จากปลาย 5' ไปยังปลาย 3'

           ปัญหา คือ จะพิสูจน์อย่างไรว่า DNA ที่สังเคราะห์ได้นั้น เหมือนกับ DNA แม่พิมพ์ที่ใส่ในหลอดทดลอง

           จากผลการทดลองของคอนเบิร์ก ดังตารางที่ 6.1

ตารางที่ 6.1 อัตราส่วนของเบสใน DNA ที่สังเคราะห์ได้ในหลอดทดลองและ DNA แม่พิมพ์

สิ่งมีชีวิตที่นำ DNA มาเป็นแม่พิมพ์	ปริมาณใน DNA ที่ได้				อัตราส่วนของในDNAที่สังเคราะห์ได้	อัตาส่วนของใน DNA ที่เป็นแม่พิมพ์
	A	T	C	G
แบคทีเรีย Micrococcus lysodelikicus	0.15	0.15	0.35	0.35	0.41	0.39
แบคทีเรีย Aerobacter aerogenes	0.22	0.22	0.28	0.28	0.80	0.82
แบคทีเรีย Escherichai coli	0.25	0.25	0.25	0.28	1.00	0.97
วัว (เซลล์จากต่อมไทมัส)	0.29	0.28	0.21	0.22	1.32	1.35
ไวรัส (phageT)	0.32	0.32	0.18	0.18	1.78	1.84

• จากข้อมูลนี้สามารถบอกอะไรแก่เราได้บ้าง
• คำตอบ อัตราส่วนของ (A+T)/(C+G) ใน DNA ที่สังเคราะห์ได้กับอัตราส่วนของ (A+T)/(C+G) ใน DNA แม่พิมพ์มีอัตราส่วนใกล้เคียงกัน เป็นไปได้ว่า DNA ที่สังเคราะห์ได้น่าจะมีโครงสร้างคล้ายคลึงกับ DNA ที่เป็นแม่พิมพ์

          จากผลการทดลองพบว่า DNA ที่สังเคราะห์ได้ในหลอดทดลอง มีอัตราส่วนของเบส A+T ต่อ C+G แทบจะกล่าวได้ว่าเท่ากัน อัตราส่วนดังกล่าวไม่ใช่เป็นความบังเอิญ เพราะได้ผลการทดลองเป็นเช่นนี้เสมอไม่ว่าจะใช้ DNA ของสิ่งมีชีวิตชนิดใดเป็นแม่พิมพ์ก็ตาม

การค้นพบเอนไซม์ที่ใช้ในการเชื่อมนิวคลีโอไทด์เข้าด้วยกันในครั้งนั้นนับว่ามีความสำคัญอย่างยิ่งในประวัติศาสตร์ของพันธุศาสตร์ เพราะเท่ากับว่านักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่า การสังเคราะห์ DNA สามารถเกิดขึ้นได้ในหลอดทดลองโดยไม่จำเป็นต้องเกิดขึ้นในภายในเซลล์ การสังเคราะห์ DNA จึงเกิดขึ้นได้เช่นเดียวกับปฏิกิริยาเคมีโดยทั่วไป

          ต่อมานักชีวเคมีจึงได้สรุปว่า การสังเคราะห์ DNA ทั้งภายในและภายนอกเซลล์จะเริ่มต้นจากการที่สายพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย ของ DNA ต้นแบบ แยกห่างออกจากกันเพื่อเปิดช่องให้นิวคลีโอไทด์ที่เป็นวัตถุดิบได้เข้าไปจับคู่กับเบสของนิวคลีโอไทด์ที่มีอยู่แล้วในสายเดิม โดย A คู่กับ T และ C คู่กับ G นิวคลีโอไทด์ที่เข้าไปใหม่นี้จะเชื่อมติดกันโดยการทำงานของเอนไซม์ ซึ่งจะเริ่มจากปลาย 5´ ไปยังปลาย 3´ ดังนั้น DNA ที่เป็นต้นแบบ 1 โมเลกุลจะให้ DNA จากการสังเคราะห์ 2 โมเลกุล ซึ่งแต่ละโมเลกุลประกอบด้วยสายพอลินิวคลีโอไทด์เดิม 1 สาย และสายพอลินิวคลีโอไทด์ใหม่ 1 สาย การสังเคราะห์ DNA นี้เรียกว่า ดีเอ็นเอ เรพลิเคชัน (DNA replication) DNA โมเลกุลใหม่จะมีสายพอลินิวคลีโอไทด์เดิม 1 สาย และสายพอลินิวคลีโอไทด์ใหม่ 1 สาย

ภาพที่ 1 ดีเอ็นเอ เรพลิเคชัน (คลิกดูภาพ DNA replication)

           การสังเคราะห์ DNA ในลักษณะนี้สามารถรักษาลำดับของนิวคลีโอไทด์ไว้ได้อย่างเดิม เช่นเดียวกับ DNA ที่เป็นต้นแบบ DNA จึงเหมาะสมที่จะเป็นสารพันธุกรรมโดยมีลำดับนิวคลีโอไทด์เป็นเสมือนรหัสพันธุกรรมที่สามารถถ่ายทอดให้แก่เซลล์ลูกหลานต่อไปได้

การสังเคราะห์ DNA สายใหม่ทั้ง 2 สาย จะเหมือนกันหรือไม่

           จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ พบว่าการสังเคราะห์ DNA สายใหม่ 2 สายมีส่วนที่แตกต่างกัน คือ สายหนึ่งจะสร้างต่อเนื่องกันเป็นสายยาว เรียกสายนี้ว่า ลีดดิงสแตรนด์ (leading strand) ส่วนสายใหม่อีกสายหนึ่งไม่สามารถสร้างวต่อกันเป็นสายยาวได้เหมือนสายแรก เนื่องจากทิศทางการสร้างจากปลาย 5' ไปยังปลาย 3' นั้นสวนทางกับทิศทางการคลายเกลียวของ DNA โมเลกุลเดิม จึงสร้างพอลินิวคลีโอไทด์สายสั้น ๆ มีทิศทางจากปลาย  5' ไปยังปลาย 3' จากนั้นเอนไซม์ไลเกส (ligase) จะเชื่อมต่อสายสั้น ๆ เหล่านี้ให้เป็นสายเดียวกัน เรียกสาย DNA ที่ถูกสร้างขึ้นเป็นสายสั้น ๆ ว่า แลกกิงสแตรนส์ (lagging strand) ดังภาพที่ 3

ภาพที่ 6-3 การสร้าง DNA สายลีดดิงสแตรนส์ และสายแลกกิงสแตรนส์

สรุป 6.1 การสังเคราะห์ DNA

           จากผลการสืบค้นข้อมูล 6.1 การสังเคราะห์ DNA นักเรียนควรสรุปได้ว่า

           DNA มีสมบัติสำคัญ คือ

           1. ต้องเพิ่มจำนวนได้โดยมีลักษณะเหมือนเดิม 
           2. สามารถควบคุมการสังเคราะห์โปรตีนที่มีผลต่อลักษณะทางพันธุกรรม
           3. สามารถเปลี่ยนแปลงได้บ้าง ซึ่งจะทำให้เกิดลักษณะทางพันธุกรรมที่แตกต่างไปจากเดิม

           การถ่ายทอด DNA จากรุ่นหนึ่งไปยังอีกรุ่นหนึ่งจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีการแบ่งเซลล์ ซึ่ง DNA มีการจำลองตัวเองเพิ่มปริมาณ DNA เป็นสองชุดโดยถ่ายทอด DNA ชุดหนึ่งให้ลูกรุ่นต่อๆ กะนไป

           DNA ที่ถ่ายทอดให้รุ่นลูกจะต้องเหมือนกับ DNA ในรุ่นพ่อแม่ จึงจะสามารถสืบทอดเผ่าพันธุ์ต่อไปได้

           ถ้า DNA ในรุ่นลูกแตกต่างไปจาก DNA ในรุ่นพ่อแม่จะทำให้ลูกมีลักษณะที่แตกต่างจากพ่อแม่ ซึ่งต่อไปถ้าความแตกต่างมีมากก็จะทำให้ไม่สามารถดำรงเผ่าพันธุ์เดิมเอาไว้ได้

           การที่ DNA ของรุ่นลูกจะเหมือนกับ DNA ในรุ่นพ่อแม่นั้นจะเกิดขึ้นได้จากการจำลองตัวเองของ DNA ซึ่งการจำลองตัวเองของ DNA จะต้องมีองค์ประกอบและขั้นตอนดังนี้

           1. การจำลองตัวเองของ DNA จะต้องมีเอนไซม์ DNA พอลิเมอเรส ซึ่งทำหน้าที่เชื่อมนิวคลีโอไทด์ให้เป็นสายพอลินิวคลีโฑอไทด์ มีนิวคลีโอไทด์ 4 ชนิด คือ นิวคลีโอไทด์ที่มีA T C G และมี DNA ที่ใช้สายแม่พิมพ์
           2.  ขั้นตอนการสังเคราะห์ DNA ประกอบด้วย

               2.1 พอลินิวคลีโอไทด์สอยสายของ DNA คลายเกลียว พันธะไฮโดรเจนที่ยึดระหว่างคู่เบสของทั้งสองสายจะสลาย ทำให้สองสายแยกออกจากันเหมือนการรูดซิป
               2.2 พอลินิวคลีโอไทด์แต่ละสาย จะทำหน้าที่เป็นสายแม่พิมพ์เพื่อสังเคราะห์พอลินิวคลีโอไทด์สายใหม่  โดยเอนไซม์ DNA พอลิเมอเรสนำนิวคลีโอไทด์อิสระเข้าจับกับนิวคลีโอไทด์ของสายแม่พิมพ์ที่มีเบสสอดคล้องกัน คือ เบส A จับคู่กับเบส T และเบส C จับคู่กับเบส G
               2.3 นิวคลีโอไทด์ของพอลินิวคลีโอไทด์สายใหม่ จะเข้าคู่กับนิวคลีโอไทด์ของสายแม่พิมพ์ด้วยพันธะไฮโดรเจน

           3. การสังเคราะห์ DNA ทำให้มีการเพิ่มโมเลกุลของ DNA จาก 1 โมเลกุล เป็น 2 โมเลกุล โดย DNA แต่ละโมเลกุลมีพอลินิวคลีโอไทด์สายเดิม 1 สาย และสายใหม่ 1 สาย การจำลองตัวเองของ DNA จึงเป็นแบบกึ่งอนุรักษ์

           ความรู้เพิ่มเติม

           ให้นักเรียนร่วมพิจารณาคำถามต่อไปนี้ ว่า “การจำลองตัวเองของ DNA มีกี่แบบ” 

           นักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งสมมติฐานการจำลองตัวเองของ DNA ไว้ดังนี้

           1. แบบกึ่งอนุรักษ์ (semiconservative replication) เมื่อมีการจำลองตัวเองของ DNA แล้ว DNA แต่ละโมเลกุลมีพอลินิวคลีโอไทด์ สายเดิมและสายใหม่ ซึ่งเป็นแบบจำลองของวอตสันและคลิก
           2 แบบอนุรักษ์ (conservative replication) เมื่อมีการจำลองตัวเองของ DNA แล้ว พอลินิวคลีโอไทด์ทั้งสองสายไม่แยกจากกันยังเป็นสายเดิม จะได้ DNA โมเลกุลใหม่ที่มีสายของโมเลกุลพอลินิวคลีโอไทด์สายใหม่ทั้งสองสาย
           3. แบบกระจัดกระจาย (dispersive replication) เมื่อมีการจำลองตัวเองของ DNA จะได้DNA ที่เป็นของเดิมและของใหม่ปะปนกันไม่เป็นระเบียบ

หมายเหตุ สมมติฐานการจำลองตัวเองของ DNA จากสมมติฐานทั้งหมดนี้ มีสมมติฐานการจำลองตัวเองของ DNA แบบกึ่งอนุรักษ์เท่านั้น ที่มีการทดลองของนักวิทยาศาสตร์มาสนับสนุนความเป็นไปได้

           การสังเคราะห์โมเลกุลของ DNA ในการทดลองของคอนเบิร์ก ตารางแสดงอัตราส่วนของเบสใน DNA ที่สังเคราะห์ได้ในหลอดทดลองและ DNA แม่พิมพ์ สามารถสรุปผลได้ว่า

           1. DNA ที่สังเคราะห์ได้ในหลอดทดลองมีอัตราส่วนของเบส A+T ต่อ C+G แทบจะกล่าวได้ว่าเท่ากัน อัตราส่วนนี้ไม่ใช่เป็นความบังเอิญ เพราะได้ผลการทดลองเป็นเช่นนี้เสมอไม่ว่าจะใช้ DNA ของสิ่งมีชีวิตใดเป็นแม่พิมพ์
           2. การค้นพบเอนไซม์ที่ใช้ในการเชื่อมนิวคลีโอไทด์เข้าด้วยกันนับว่ามีความสำคัญอย่างยิ่งในประวัติศาสตร์ของวิชาพันธุศาสตร์ เพราะเท่ากับว่านักวิทยาศาสตร์พบว่าการสังเคราะห์ DNA สามารถเกิดขึ้นได้ในหลอดทดลอง โดยไม่จำเป็นต้องเกิดขึ้นในเซลล์เท่านั้น
           3. มีหลักฐานยืนยันว่า DNA มีกระบวนการจำลองตัวของ DNA โดยกระบวนการดังกล่าวเป็นไปแบบกึ่งอนุรักษ์
           4. การสังเคราะห์พอลินิวคลีโอไทด์สายใหม่จะต้องสร้างในทิศทาง 5' ไป 3' เสมอ 
           5. จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์พบว่า การสังเคราะห์ DNA สายใหม่ 2 สาย มีส่วนที่แตกต่างกัน คือ สายหนึ่งจะสร้างต่อเนื่องกันเป็นสายยาว เรียกสายนี้ว่า ลีดดิงสแตรนส์ (leading stran) ส่วนสายใหม่อีกสายหนึ่งไม่สามารถสร้างต่อเนื่องกันเป็นสายยาวได้เหมือนสายแรก เนื่องจากทิศทางจากปลาย ไปยังปลาย นั้นสวนทิศทางกับทิศทางการคลายเกลียวของ DNA โมเลกุลเดิม จึงสร้างพอลินิวคล๊โอไทด์สายสั้น ๆ มีทิศทางจาก ไป  จากนั้นเอนไซม์ไลเกส (ligase) จะเชื่อมต่อสายสั้น ๆ เหล่านั้นให้เป็นสายเดียวกัน เรียกสาย DNA ที่ถูกสร้างขึ้นเป็นสายสั้น ๆ  ว่า สายแลกกิงสแตรนส์  (lagging stran)