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 ?