บทที่ 8 พันธุศาสตร์โมเลกุลและการสังเคราะห์โปรตีน (Molecular Genetics and Protein Synthesis)

               ยีน (gene) หมายถึง หน่วยนำลักษณะทางพันธุกรรมที่ประกอบด้วยดีเอ็นเอ  (DNA = deoxynucleic acid)  ซึ่งเป็นสายโพลินิวคลีโอไทด์  2  เส้นจับกันเป็นเกลียวคู่เวียนขวา (right - handed double helix structure)  และสามารถถ่ายทอดลักษณะนั้นๆ  ไปยังชั่ว  (generation)  หรือรุ่นถัดไป  โครงสร้างของ ดีเอ็นเอ ประกอบด้วยโพลินิวคลีโอไทด์ 2 เส้น ซึ่งเกิดจากการรวมตัวกันของหลายๆ นิวคลีโอไทด์ (nucleotides) โดยที่ 1 นิวคลีโอไทด์  ประกอบด้วย เบส น้ำตาล และ หมู่ฟอสเฟต

               เบสมี 2 แบบคือ

               1.  เบสที่มีวงแหวน 1 วง เรียกว่า  ไพริมิดีน เบส (pyrimidine base) ได้แก่  ไทมีน (thymine = T) , ไซโทซีน (cytosine = C) ใน ดีเอ็นเอ และ ยูราซิล (uracil = U) ใน อาร์เอ็นเอ (RNA) ตำแหน่งของเบสที่มี ไนโทรเจน ของไพริมิดีน เบส คือตำแหน่งที่1 , 3 จึงจัดเป็นเบสชนิดที่มีไนโทรเจนเป็นองค์ประกอบ (nitrogenous base) ไพริมิดีนเบสมี ส่วนเบสตำแหน่งที่ 1 จะมาเกาะกับน้ำตาลที่ตำแหน่งที่ 1

               2.  เบสที่มีวงแหวน 2 วง เรียกว่า เบสพิวรีน (purine base) ได้แก่ อะดีนีน (adenine = A) และ กัวนีน (guanine = G) ตำแหน่งของเบสที่มี ไนโทรเจน ของ adenine คือตำแหน่งที่ 1 , 3 , 7 และ 9

               เบสพิวรีน จัดเป็นเบสชนิด ที่มีไนโทรเจนเป็นองค์ประกอบ (nitrogenous base)

ส่วนของเบสตำแหน่งที่ 9 จะมาเกาะกับน้ำตาลที่ตำแหน่งที่ 1  เบสและน้ำตาลรวมเรียกชื่อว่า นิวคลิโอไซด์ (nucleoside) และถ้าเติมหมู่ฟอสเฟตเข้าไปจะกลายเป็นนิวคลิโอไทด์ (nucleotide) เช่น ถ้าเบสนั้นเป็น ไทมีนและเกาะกับน้ำตาลที่เป็นดีออกซีไรโบส (คือตำแหน่งที่ 2 ของน้ำตาลไม่มีออกซิเจน)จะเรียกนิวคลิโอไทด์ รวมกันว่า ดีออกซีไทมิดีน โมโนฟอสเฟต (deoxythimidine monophosphate) หรือ ดีออกซีไทมิดีน 5’ ฟอสเฟต (deoxythymidine - 5’ - phosphate) แต่ถ้าเป็นน้ำตาลไรโบส (คือตำแหน่งที่ 2 ของน้ำตาลมีกลุ่มไฮดรอกซิล) จะเรียกนิวคลิโอไทด์ รวมกันว่า ไทมิดีน โมโนฟอสเฟต (thimidine monophosphate หรือ thymidine - 5’ - phosphate) ส่วนยูราซิล (uracil) ซึ่งพบใน อาร์เอ็นเอ จะเป็นยูริดีน 5’ โมโนฟอสเฟต (uridine - 5’ - phosphate) หรือยูริดีน โมโนฟอสเฟต (uridine monophosphate) ก็ได้   กรดนิวคลีอิคมี 2 ชนิดคือ ดีเอ็นเอ กับ อาร์เอ็นเอ ดังนั้นกรดนิวคลีอิคจะประกอบด้วย เบส 5 ชนิด โดยที่ไม่ได้แยกว่าเป็น ดีเอ็นเอ หรืออาร์เอ็นเอ

               1.  ดีเอ็นเอ ต่างจาก อาร์เอ็นเอ คือในดีเอ็นเอ น้ำตาลเป็น ดีออกซีไรโบส (คือตำแหน่งที่ 2 ของน้ำตาลไม่มีออกซิเจน และในอาร์เอ็นเอ มีน้ำตาลเป็น ไรโบส (คือตำแหน่งที่ 2 ของน้ำตาลมีกลุ่มไฮดรอกซิล

               2.  เบสในอาร์เอ็นเอ เป็น ยูราซิล (U) แทนที่ไทมีน (T) ทีอยู่บนดีเอ็นเอ

               3.  อาร์เอ็นเอ มีโพลินิวคลีโอไทด์ 1 เส้น ส่วนดีเอ็นเอ โพลินิวคลีโอไทด์ มี 2 เส้น พันเป็นเกลียวคู่เวียนขวา

               หลักในการวาดรูป ดีเอ็นเอ คือ ต้องลากเส้นแกน ดีเอ็นเอ และตั้งฐาน แล้ววาดโพลินิวคลีโอไทด์ 2  เส้นเวียนขวาจากนั้นแทนตำแหน่งเบสและน้ำตาลลงไป          ดีเอ็นเอ มีทิศทางจากปลาย 5’ ไป 3’ และอีกเส้นก็วิ่งจากปลาย 5’ ไป 3’ เช่นกัน ในลักษณะที่เรียกว่า แอนตี้พาราเรล (antipararel) คือการที่โพลินิวคลีโอไทด์ 2 เส้นเป็นคู่ขนานสวนทิศทางกัน โดยที่ปลาย 5’ เกาะกับหมู่ฟอสเฟต เรียกเป็น 5’PO₄ และปลาย 3’ เกาะกับหมู่ OH เรียกเป็น 3’OH

               ยีน (Gene) คือ ดีเอ็นเอ ที่มีเบสเป็นจำนวนมาก โดย ดีเอ็นเอ จะ ถ่ายรหัส (transcribed) ไปเป็น เอ็มอาร์เอ็นเอ (mRNA) ซึ่งรหัสพันธุกรรมจะต้องเข้าคู่กันได้ เช่น A คู่ กับ U , G คู่กับ C จากนั้นที อาร์เอ็นเอ (tRNA) จะนำกรดอะมิโนมาต่อกันเป็นโปรตีนเรียกว่า โพลิเปปไทด์ (polypeptide) เป็นการส่งผ่านสารพันธุกรรมก่อให้เกิดการแสดงออกของยีน นั่นคือ การสร้างโปรตีนนั่นเอง

               ดีเอ็นเอ ผ่านกระบวนการ ถ่ายรหัส (transcription) ได้ พรีอาร์เอ็นเอ (preRNA) ซึ่งคือเอ็มอาร์เอ็นเอ ที่ยังทำงานไม่ได้ ต้องผ่านกระบวนการ ตัดต่ออาร์เอ็นเอ (RNA processing) และการเติม (modification) คือตัดอินทรอน (intron = อาร์เอ็นเอที่ไม่ทำงาน) ออกเหลือแต่ เอ็กซอน (exon = อาร์เอ็นเอที่ทำงานได้) แล้วต่อกับอีก เอ็กซอน หนึ่ง กลายเป็นเอ็มอาร์เอ็นเอที่พร้อมจะทำงาน ซึ่งกระบวนการนี้เกิดในนิวเคลียส เอ็มอาร์เอ็นเอ ที่ตัดต่อแล้วจะถูกส่งออกไปยัง ไซโทพลาสซึม ที่ไรโบโซม (ribosome) เกิดกระบวนการ แปลรหัส (translation) สร้างโปรตีนแล้วเปลี่ยนรูปไปเป็นเอนไซม์ (enzyme) หรือโปรตีนชนิดอื่นๆ เพื่อสร้าง ผลผลิตที่ต้องการ

1.  การจำลอง (replication)

               ดีเอ็นเอ มีการแบ่งเซลล์สร้างตัวมันเองเรียกว่า การลอกแบบ (การเรพพลิเคชั่น = replication) มี 3โมเดล (model) คือ

               1.  คอนเซอร์เวทีฟ โมเดล (conservative model) คือ การที่ ดีเอ็นเอ สร้างของใหม่ทั้งโมเลกุลให้เหมือนของเก่า โดยที่อนุรักษ์ของเก่าเอาไว้ทั้งหมดโมเลกุล

               2.  เซมิคอนเซอร์เวทีฟ โมเดล (semiconservative model) คือ การที่ ดีเอ็นเอ ของเก่าแยกเป็น 2 สาย(strand)แล้วสร้าง ดีเอ็นเอ สายใหม่อีก 1 เส้น มารวมกันเป็น 1โมเลกุลดีเอ็นเอ เรียกเป็นการ อนุรักษ์โมเลกุลเดิม (conserve) ไว้ครึ่งหนึ่ง

               3.  ดิสเพอร์ซีฟ โมเดล (dispersive model) คือ การที่โมเลกุลดีเอ็นเอ ของเก่าแตกหักออกทุกครึ่งรอบแล้วสร้างโมเลกุล ดีเอ็นเอ ใหม่ เติมเข้าไป

               ได้มีการทดลองเพื่อพิสูจน์ว่า โมเดล อันไหนถูกต้อง โดยใช้แบคทีเรีย พบว่า ผลการ ทดลองเป็นแบบ เซมิคอนเซอร์เวทีฟ โมเดล

               ในแบคทีเรียซึ่งมี เพียง 1โครโมโซม (chromosome) จะเริ่มต้นที่จุดเริ่มต้นของการ

เรพพลิเคชั่น (origin of replication) เมื่อเกิดการเรพพลิเคชั่น จุด เริ่มต้น (origin) แยกออกจากกันเห็นเป็นรอยแยกเรียกว่าเรพพลิเคชั่น ฟอร์ค (replication fork) ซึ่งเมื่อเสร็จสิ้นการลอกแบบ 1โมเลกุลของดีเอ็นเอจะแยกเป็น 2 โมเลกุล ส่วนใน ยูคาร์ริโอท (eukaryote) รวมทั้งคนมีการเกิดการเรพพลิเคชั่น เป็นแบบ ไบไดเร็คชั่นนอล เรพพลิเคชั่น (bidirectional replication) นั่นคือ มีการสร้าง ดีเอ็นเอ มากกว่า 1 ตำแหน่งเพราะมีจุด เริ่มต้นสร้างดีเอ็นเอ หลายจุด สร้างมาชนกันแล้วต่อกันเป็นโมเลกุล ดีเอ็นเอ

               ดีเอ็นเอ และเอ็มอาร์เอ็นเอ ถูกสร้างจากปลาย 5’ ไปยัง 3’ เส้นที่สามารถสร้างติดต่อกันไปเรื่อยๆโดยไม่หยุดเรียกว่าเส้นลี้ดดิ้ง (Leading strand) ส่วนดีเอ็นเอ เส้นที่สร้างแบบไม่ต่อเนื่อง ซึ่งก็จะมี การเชื่อมกันของดีเอ็นเอ เส้นสั้นๆที่ไม่ต่อเนื่อง กันให้เกิดเป็นสายโพลินิวคลีโอไทด์ ที่สมบูรณ์ (ดีเอ็นเอ เส้นสั้นๆ ที่ถูกสร้างขึ้นมาโดยยังไม่ได้ต่อกันเรียกว่า Okazaki fragment และจะมีเอนไซม์ ดีเอ็นเอ ไลเกส (DNA ligase) มาเชื่อมทำให้ได้เป็นเส้นยาวเรียกว่าเส้นแลกกิ้ง (Lagging strand) ใน ยูคาร์ริโอท ก็มีการสร้าง เส้นลี้ดดิ้ง และเส้นแลกกิ้ง เช่นกัน โดยเอนไซม์ที่ใช้ในการสร้าง เส้นแลกกิ้ง มีดังนี้

               -  เฮลิเคส(helicase) เป็นเอนไซม์ที่ตัดพันธะไฮโดรเจน ทำโมเลกุล ดีเอ็นเอ มีการคลายเกลียวออกเป็น สายเดี่ยว 2 สาย

               -  โปรตีนเกาะสายเดี่ยว (single strand binding protein) เป็นตัวป้องกันไม่ให้ ดีเอ็นเอ สายเดี่ยวกลับไปจับกันอีกจะได่ไม่เกิดเป็นโมเลกุลดีเอ็นเอ เหมือนเดิม

               -  ไพรเมส (primase) ทำหน้าที่สร้างอาร์เอ็นเอ เริ่มต้น (RNA primer)

               -  ดีเอ็นเอ โพลิเมอร์เรส I (DNA polymerase I) ทำหน้าที่สร้าง ดีเอ็นเอ รวมทั้งสร้าง ดีเอ็นเอ เส้นสั้นๆ เรียกว่าโอกาซากิแฟร๊กเม้นต์ (Okazaki ’s fragment)

               -  ดีเอ็นเอ โพลิเมอร์เรส III (DNA polymerase III) ทำหน้าที่ตัดอาร์เอ็นเอ เริ่มต้น แล้วเติมดีเอ็นเอ เข้าที่ช่องว่างที่เคยเป็นที่อยู่เดิมอาร์เอ็นเอ เริ่มต้น

          -  ดีเอ็นเอ ไลเกส (DNA ligase) ทำหน้าที่เชื่อม ดีเอ็นเอ เส้นสั้นๆเข้าด้วยกัน

2.  การถ่ายทอดรหัส (Transcription)

               การแสดงออกของยีน (Gene expression) คือ การที่ยีนใดๆมีการทำหน้าที่จนถึงเกิดการสร้างโปรตีนประกอบด้วย 2 กระบวนการ คือ

               1.  การถ่ายรหัส (ทรานสคริปชั่น = transcription) เป็นการสร้างอาร์เอ็นเอ จาก ดีเอ็นเอ และมีเอนไซม์ อาร์เอ็นเอโพลิเมอร์เรส (RNA polymerase) กระบวนการนี้เกิดขึ้นในนิวเคลียส

               2.  การแปลรหัส (ทรานสเลชั่น = Translation) หรือ กระบวนการสร้างโพลิเปปไทด์ (polypeptide synthesis) เป็นกระบวนการการสร้างโปรตีนจาก อาร์เอ็นเอ ใช้พลังงานจากกัวโนซีนไตรฟอสเฟต (GTP) และมีเอนไซม์ เปปติดิล ทรานสเฟอเรส (peptidyl transferase) กระบวนการนี้เกิดขึ้นในไซโทพลาสซึม

               โพลิเปปไทด์ หลายๆ เส้นมารวมกันเป็นโปรตีน เช่น ฮีโมโกลบิน (Hemoglobin) เกิดจากโพลิเปปไทด์ 4 เส้นมารวมกัน

               ในการสร้าง อาร์เอ็นเอ จะมีเอนไซม์ที่ทำหน้าที่สร้าง อาร์เอ็นเอ คือเอนไซม์ อาร์เอ็นเอ

โพลิเมอร์เรส ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่มีขนาดใหญ่ โดยส่วนหัวของมันจะทำหน้าที่ทำลายพันธะ

ไฮโดรเจนระหว่างเบสของ ดีเอ็นเอ ทำให้ ดีเอ็นเอ แยกกันเป็น สายเดี่ยว แล้วมีการสร้าง

โพลินิวคลิโอไทด์ โดยนำเอา นิวคลิโอไทด์ ไทรฟอสเฟต (NTP = nucleotide triphosphate)

4 ชนิดคือ UTP , ATP , CTP , GTP เข้ามาต่อกันเป็น อาร์เอ็นเอ

               ตำแหน่งบน ดีเอ็นเอ ที่เอนไซม์ อาร์เอ็นเอโพลิเมอร์เรส เข้าเกาะเรียกว่า โปรโมเตอร์ (promoter) เพื่อสร้าง อาร์เอ็นเอ โดยที่ ดีเอ็นเอ 1 โมเลกุลจะสร้างอาร์เอ็นเอ ได้ 1 โมเลกุลมี

โพลินิวคลิโอไทด์ เพียงเส้นเดียว ซึ่งต่างจากกระบวนการ เรพพลิเคชั่น นั่นคือ ดีเอ็นเอ 1 โมเลกุลจะจำลองตัวเองได้ ดีเอ็นเอใหม่ 2 โมเลกุล

               บนดีเอ็นเอจะมีบริเวณที่จำเพาะเจาะจงสำหรับการสร้างอาร์เอ็นเอ โดยเส้นสายโคดดิ้ง (Coding strand) มีบริเวณที่เรียกว่าพริบนาว บ๊อกซ์ (Pribnow box) ซึ่งเป็นบริเวณที่ อาร์เอ็นเอโพลิเมอร์เรส เกาะบน ดีเอ็นเอ อย่างจำเพาะเจาะจง ดีเอ็นเอ เส้นที่มีลำดับเบสเป็น T AC จะสร้างอาร์เอ็นเอ ที่มีรหัสพันธุกรรม (genetic codon)เป็น AUG ซึ่งเป็น รหัสพันธุกรรมตัวแรกสำหรับระบุกรดอะมิโนบน สายโพลิเปปไทด์ (polypeptide) โดยเป็นกรดอะมิโนชื่อ เมไธโอนีน (methyonine = Met) และ ทีอาร์เอ็นเอ (tRNA )จะนำ กรดอะมิโน เมไธโอนีน ไปเกาะบนเอ็มอาร์เอ็นเอ ที่มีรหัสพันธุกรรม AUG เสมอ ส่วนสายโพลินิวคลิโอไทด์อีกเส้นบนดีเอ็นเอ มีชื่อว่าสายเท็มเพลท (Template strand) จะมีลำดับเบสคล้ายกับลำดับเบสที่ถูกสร้างใหม่บนอาร์เอ็นเอ

               หน่วยของ ทรานสคริปชั่น (Transcription unit) 1 หน่วย ประกอบไปด้วย

               1.  จุดเริ่มต้น (strat point) ที่จะสร้างอาร์เอ็นเอ เรียกว่า โปรโมเตอร์ (promoter)

               2.  ยีนที่จะเกิดทรานสคริปชั่น

               3.  จุดหยุด (Termination point) คือต้องมี รหัสหยุด (terminator)

               เริ่มต้น กระบวนการทรานสคริปชั่น (initiation of transcription) ต้องมีอาร์เอ็นเอโพลิเมอร์เรส เข้าเกาะก่อนแล้วมีกระบวนการยืดยาว (elongation) หมายถึงการต่อกันของนิวคลิโอไทด์ ไทรฟอสเฟต (NTP = nucleotide triphosphate) 4 ชนิดคือ UTP , ATP , CTP , GTP เข้ามาต่อกันเป็นอาร์เอ็นเอ ไปเรื่อยๆ จนถึงรหัสหยุด (terminator) คือการสิ้นสุดกระบวนการ ถ่ายรหัส ดังนั้นในแต่ละครั้งโมเลกุลอาร์เอ็นเอที่ถูกสร้าง จะมีเส้นเดียวจากการเริ่มต้นของ 1 โมเลกุลของดีเอ็นเอ

               ผลผลิตของอาร์เอ็นเอ มีดังนี้

               1.  อาร์ อาร์เอ็นเอ หรือ ไรโบโซมอล อาร์เอ็นเอ (rRNA = ribosomal RNA) เมื่อรวมกับโปรตีนจะกลายเป็นไรโบโซม (ribosome) ตำแหน่งของอาร์ อาร์เอ็นเอ อยู่ที่ ไรโบโซม หน้าที่เป็นส่วนประกอบของไรโบโซม ซึ่งไรโบโซมจะทำหน้าที่ สร้างโปรตีน อีกที

               2.  ที อาร์เอ็นเอ หรือ ทรานสเฟอร์ อาร์เอ็นเอ (tRNA = transfer RNA) โครงสร้างคล้ายใบของต้นคลอฟเวอร์ (clover leaf) มี 3 ลูป (loop) โดยปลาย 3’ เป็นที่เกาะของกรดอะมิโน ส่วนปลาย ลูป หนึ่งเป็นตำแหน่งของ ที อาร์เอ็นเอ (ที่นำกรดอะมิโน) เกาะกับ เอ็ม อาร์เอ็นเอ เพื่อนำกรดอะมิโนมาต่อกันเป็นโพลิเปปไทด์

               3.  เอ็ม อาร์เอ็นเอ หรือ เมสเซ็นเจอร์ อาร์เอ็นเอ (mRNA = messenger RNA) มี เบส 3 ตัวแรกคือ AUG อยู่ที่ เอ็ม อาร์เอ็นเอ โดยที่ เอ็ม อาร์เอ็นเอ ถูกสร้างในนิวเคลียส และถูกส่งต่อเพื่อไปใช้งานยังไซโทพลาสซึม เอ็ม อาร์เอ็นเอทำหน้าที่นำข้อมูลจากดีเอ็นเอ ไปยัง ไรโบโซม เพื่อระบุชนิดของกรดอะมิโนในสายโพลิเปปไทด์

 3.  ไรโบโซม (Ribosome)

               ใน ยูคาร์ริโอท (eukaryote) ประกอบด้วย 2 หน่วยย่อย (subunit) คือ ขนาดเล็ก 40S และขนาดใหญ่ 60S เชื่อมรวมกันมีขนาดของไรโบโซม เป็น 80S ส่วนใน โปรคาร์ริ โอท (prokaryote) นั้นก็ประกอบด้วย 2 หน่วยย่อย เช่นเดียวกันคือขนาดเล็ก 30S และขนาดใหญ่ 50S เชื่อรวมกันมีขนาดของไรโบโซม เป็น 70S (S = Svedberg unit) ที่ไรโบโซม มีตำแหน่งต่างๆ ดังนี้

               1.  เปปติดิล ไซต์ หรือพี ไซต์ (peptidyl site = Psite)เป็นที่เกาะของ ที อาร์เอ็นเอ ที่นำ กรดอะมิโนหลายๆ ตัว เราเรียกที อาร์เอ็นเอ ชนิดนี้ว่า เปปติดิล - ที อาร์เอ็นเอ(peptidyl - tRNA)

               2.  อะมิโนเอซิล ไซต์ หรือเอ ไซต์ (Aminoacyl site = Asite) เป็นที่เกาะของที อาร์เอ็นเอ ที่นำกรดอะมิโน 1 ตัว เรียกว่าที อาร์เอ็นเอ ชนิดนี้ว่าอะมิโนเอซิล - ที อาร์เอ็นเอ (aminoacyl - tRNA)

               3.  เอ็ม อาร์เอ็นเอ กรู๊ฟ (mRNA groove) เป็นร่องสำหรับให้ เอ็ม อาร์เอ็นเอพาดผ่าน และเกาะ เพราะภายในไรโบโซม มีตำแหน่งสำหรับ เอ็ม อาร์เอ็นเอ (mRNA - binding site) ทำหน้าที่เป็นช่องสำหรับให้ เอ็ม อาร์เอ็นเอ สอดผ่าน

               4.  เอ็กซิทไซต์ หรืออี ไซต์ (E site = exit site) เป็นที่ออกของ ที อาร์เอ็นเอภายหลังหมดหน้าที่นำกรดอะมิโนมาต่อในสายโพลิเปปไทด์เรียบร้อยแล้ว

               ในการสร้างโปรตีนจะมีเอนไซม์ที่ใช้ในการสร้างโปรตีน คือ เอนไซม์ เปปติดิล ทรานสเฟอเรส (peptidyl transferase) โดยที่ เอ็ม อาร์เอ็นเอ จะมีรหัสสร้างกรดอะมิโนจำนวนมาก และมารวมกันกลายเป็นสายโพลิเปปไทด์ในที่สุด

               ระบบการเผาผลาญที่บกพร่องมาแต่กำเนิด (Inborn Error of Metabolism) เป็นการค้นพบของการ์รอด (A.E.Garrod , 1909) พบว่า ความบกพร่องทางพันธุกรรมที่เป็นมาตั้งแต่กำเนิด มีสาเหตุจาก

               1.  ยีนเกิดการกลายพันธุ์ (mutation single gene) มีผลทำให้เอนไซม์ผิดปกติ เกิดเป็นความบกพร่อง (defective enzyme) เช่นเมื่อเอนไซม์ที่สร้างกรดอะมิโนฟีนิลอะลานีน( phenylalanine) ผิดปกติ จะทำให้เกิดเป็นโรคฟีนิลคีโตนูเรีย( Phenylketonuria) ซึ่งในกระบวนการสร้างมีเอนไซม์ 2 ชนิด โดยเอนไซม์ชนิดหนึ่งจะสร้างสาร อัลแคปตอน(Alkapton) เมื่อเกิดความผิดปกติของเอนไซม์ชนิดนี้ ก็จะทำให้ สาร อัลแคปตอน ไม่ถูกเปลี่ยนไปเป็นผลผลิตทำให้ สาร อัลแคปตอนถูกสะสมเพิ่มขึ้นเกิดเป็นโรค อัลแคปโตนูเรีย(Alkaptonuria) คือ ปัสสาวะเป็นสีดำ

               มีเอนไซม์อีกชนิดหนึ่งจะสร้างสารเมลานินสร้างเม็ดสีที่ผิวหนัง (melanin) เมื่อเกิดความผิดปกติจะทำให้เกิดโรคอัลบินิซึม (Albinism) (โรคผิวเผือก) โดยสรุป จาก ความบกพร่องทางพันธุกรรมทำให้ เกิดระบบการเผาผลาญที่บกพร่องมาแต่กำเนิด และมีผลให้ให้ Garrod เป็นผู้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างยีนและเอนไซม์

               บีดเดิ้ล และทาทั้ม (G. W. Beadle & E.L.Tatum) , 1940 เขาทำให้สายพันธุ์นิวโรสปอร์รา (Neurospora) เกิดกลายพันธุ์ โดยการ ใช้รังสีเอ็กซ์ (x - ray) หลังจากยีนกลายไปเอนไซม์ที่เฉพาะเจาะจงถูกสร้างผิดปกติ ทำให้ไม่สามารถสร้างผลผลิตในขั้นตอนของมันได้ นั่นคือเกิดการ เปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรม ในระบบการสร้างกรดอะมิโนอาร์จินีน (Biosynthesis pathway ของ arginine)

               จาก 1 ยีนสามารถสร้าง 1 เอนไซม์ที่จำเพาะเจาะจง ต่อมาได้มีการค้นพบว่าเอนไซม์เป็นโปรตีน จึงเปลี่ยนจาก 1 ยีนสร้าง 1 โปรตีน และต่อมาในยุค ที่ศึกษาถึงระดับโมเลกุลพบว่า

โปรตีนประกอบด้วยโพลิเปปไทด์ จีงเปลี่ยนเป็น 1 ยีนสร้าง 1 โพลิเปปไทด์

               ยีนมีหน่วยย่อยเป็นซิสตรอน (cistron) โดย 1 ซิสตรอน สามารถสร้าง 1 โพลิเปปไทด์ ดังนั้น ถ้า 1 ยีนเกิดกลายพันธุ์ไป (one gene mutation) ทำให้เกิดความผิดปกติของเอนไซม์ขึ้นได้

               ดีเอ็นเอจะมีความยาวเท่าใดก็ได้ และมีหลายๆ ยีนอยู่บน ดีเอ็นเอ แต่ละยีนจะมีชิ้นส่วนของ ดีเอ็นเอ ซึ่งประกอบด้วย เบส , น้ำตาล และกลุ่มฟอสเฟตโดยที่น้ำตาล และกลุ่มฟอสเฟตต่อกันเป็นแกนสันหลังของดีเอ็นเอ (sugar phosphate backbone)  

               ในเอ็ม อาร์เอ็นเอ จะมีเบส 3 ตัว เป็น 1 โคดอน (codon) หรือ 1 รหัสพันธุกรรม โดย

1 โคดอน ระบุเฉพาะกรดอะมิโน 1 ตัว เบสบน ดีเอ็นเอ และ อาร์เอ็นเอ มีอย่างละ 4 ตัว ดังนั้น รหัสพันธุกรรมเบสบน เอ็ม อาร์เอ็นเอ มี ทั้งหมดได้เป็น 4³ = 64 ตัว แต่กรดอะมิโนทั้งหมดมี 20 ตัว ดังนั้น มันจึงหายไป, ซ้ำบ้าง และเปลี่ยนไปบ้าง เช่น เปลี่ยนไปเป็นรหัสหยุด (stop codon) ที่มี 3 ตัว คือ UAA , UAG , UGA ในการซ้ำจะมี 2 แบบ คือ

               1.  แบบที่เบสตำแหน่งที่ 3 (third base) เป็นเบสอะไรก็ได้ที่ไม่มีการแยกกลุ่ม ก็จะให้กรดอะมิโนชนิดเดียวกัน

               2.  แบบที่เบสตำแหน่งที่ 3 มีการแยกกลุ่มของเบส นั่นคือ เบสในกลุ่มไพริมิดีน

(pyrimidine) คือ U , C และกลุ่ม พิวรีน (purine) คือ A , G ก็จะให้กรดอะมิโนคนละชนิดกัน จึงต้องมีการแยกกลุ่มของเบส ด้วยเหตุนี้จึงทั้งหมด 20 ชนิด

               อะมิโนแอซิด แอกติเวชั่น (aminoacid activation) คือ การเชื่อมกรดอะมิโนกับ ที อาร์เอ็นเอ (tRNA) มี 2 ขั้นตอน โดยใช้เอนไซม์ตัวเดียวกัน นั่นคือ เอนไซม์ อะมิโนเอซิล - ที อาร์เอ็นเอ ซินทีเตส (amino acyl - tRNA synthetase) และแหล่งพลังงานที่ใช้คือ อะดีโนซีน ไทรฟอสเฟต (ATP = adenosine triphosphate) นั่นคือ

               ในขั้นตอนที่ 1

               ใส่พลังงาน อะดีโนซีน ไทรฟอสเฟตเอทีพี (ATP) ให้กับกรดอะมิโนตัวแรก เพื่อทำให้หมู่ฟอสเฟต 2 หมู่แยกออกมา เหลือเป็น อะดีโนซีน โมโนฟอสเฟต (AMP) กรดอะมิโนดังกล่าวก็สามารถเชื่อมกับ อะดีโนซีน โมโนฟอสเฟต ได้เป็นอะมิโนเอซิล อะดีไนเลต (aa - AMP = aminoacyl adenylate หรือ aminoacyl adenosine monophosphate)

               ขั้นตอนที่ 2

               จะเปลี่ยนอะมิโนเอซิล อะดีไนเลต (aa - AMP) โดยให้ ที อาร์เอ็นเอ tRNA เข้าไปรับกรดอะมิโนดังกล่าวเกิดเป็นอะมิโนเอซิล - ที อาร์เอ็นเอ (minoacyl - tRNA) ซึ่งเป็น ซึ่งเป็นกรดอะมิโนที่พร้อมที่จะเข้าต่อกันเป็นสายโพลิเปปไทด์ (activated amino acid) หรือเป็น กรดอะมิโนที่ถูกกระตุ้นแล้ว

               ดังนั้น กรดอะมิโนที่จะมาต่อเป็นสายโพลิเปปไทด์ ต้องผ่านกระบวนการกระตุ้น (activated) มาก่อน กรดอะมิโนเชื่อมกันด้วยพันธะเปปไทด์ (peptide bond) โดยปลายด้านอะมิโน (amino group) และด้าน คาร์บอกซิล (COOH group) จะสูญเสียโมเลกุลของน้ำออกมา

4.  การสร้างโปรตีน

               ในการสร้างโปรตีนจะมีตำแหน่ง พี ไซต์ (P site) , เอ ไซต์ (A site) , อี ไซต์ (E site) และมีรหัสเริ่มต้น (start codon) บนเอ็มอาร์เอ็นเอ คือ AUG กรดอะมิโนตัวแรกเข้ามาคือ เมไธโอนีน

               แอนตี้โคดอน (anticodon) ตัวแรกคือ UAC อยู่บน ทีอาร์เอ็นเอตัวแรก(initiation tRNA) กระบวนการนี้เริ่มจาก ที่หน่วยย่อย เล็กของไรโบโซมจะมี ทีอาร์เอ็นเอ( tRNA) พากรดอะมิโนมาเกาะบน รหัสเริ่มต้น AUG ที่ พี ไซต์ ซึ่งเป็นที่อยู่ของ เปปติดิล ทีอาร์เอ็นเอ (peptidyl tRNA) จากนั้น หน่วยย่อยขนาดใหญ่ของไรโบโซม เข้ามามารวมกัน กลายเป็น ไรโบโซม นั่นคือ มีขนาด 70S ในโปรคาร์ริโอท และขนาด 80 S ของ ยูคาร์ริโอท มี ส่วนที่ เอ ไซต์ จะเป็นตำแหน่งของอะมิโนเอซิล ทีอาร์เอ็นเอ( aminoacyl tRNA) พากรดอะมิโน 1 ตัวเข้ามา เมื่อกรดอะมิโนตัวแรก เข้าที่ พี ไซต์ (ซึ่งเป็นตำแหน่งของของ เปปติดิล ทีอาร์เอ็นเอ (peptidyl tRNA) จากนั้น ทีอาร์เอ็นเอพากรดอะมิโน ตัวที่ 2 เข้าที่ เอ ไซต์ และ กรดอะมิโนจะเชื่อมกันด้วยพันธะเปปไทด์เรียกขั้นตอนนี้ว่า การเกิดพันธะเปปไทด์ (peptide bond formation)

               กระบวนการต่อไปเรียกทรานสโลเคชั่น (translocation) โดยที่ ไรโบโซมเคลื่อนที่ไป 1 โคดอน ดังนั้นโคดอน ตัวที่ 3 มาอยู่ที่ เอ ไซต์ ส่วนตัวก่อนหน้านี้เลื่อนไปที่พี ไซต์ และอี ไซต์ ในขณะที่ เอ็มอาร์เอ็นเอ กับ ไรโบโซม เคลื่อนที่สวนทิศทางกัน

               ทีอาร์เอ็นเอ ที่นำเมไธโอนีน (met – tRNA) เข้ามาหลังจากเกิดพันธะเปปไทด์ ที อาร์เอ็นเอ ก็หมดหน้าที่จึงไปอยู่ที่ อี ไซต์ กรดอะมิโนตัวที่ 3 เข้าวงจรต่อไปเข้ายังตำแหน่ง เอ ไซต์ เป็นการทำให้กรดอะมิโนเพิ่มยาวขึ้น โดยการเพิ่มกรดอะมิโนเป็นการสร้าง สายโพลิเปปไทด์

               การเริ่มต้น (Initiation) คือ การที่กรดอะมิโนตัวแรกมาเข้าที่ รหัสตัวแรก จากนั้นก็จะเกิดการยืดยาว (elongation) แบ่งเป็น

               1.  recognition

               2.  peptide bond formation

               3.  translocation แล้วเข้าสู่

               4.  termination

               เมื่อเลื่อนมาทีละรหัส จนเจอ รหัสหยุดตัวไหนก็ได้ 1 ตัว ก็จะไม่มีกรดอะมิโนมาเกาะอีกแล้ว มีแฟกเตอร์ปลดปล่อย (release factor) เข้าแทนจึงทำให้ สายโพลีเปปไทด์ หลุดออกมาสิ้นสุดกระบวนการสร้าง

               ในยูคาร์ริโอทการควบคุมการแสดงออกของยีนในเซลล์ เริ่มในนิวเคลียสยีนในดีเอ็นเอ ผ่านกระบวนการ ทรานสคริปชั่น และ กระบวนการตัดต่ออาร์เอ็นเอ (RNA processing) การตัดอินทรอน (intron) ออกแล้วต่อ เอ็กซอน (exon) เข้าด้วยกัน จากนั้นก็เติมแค๊บ (cap) ที่ปลาย 3’ โดยที่ ปลาย 5’ tail เป็น โพลิ A (poly A) คือ A หลายตัวเติมลงไป ได้เป็น อาร์เอ็นเอ ที่สามารถทำงานได้แล้วส่งไปยังไซโทพลาสซึม ผ่านกระบวนการ ทรานสเลชั่น เกิดเป็นสายโพลิเปปไทด์

5.  โอเปอร์รอน (Operon)

               โอเปอร์รอน (Operon) เป็นกลุ่มของยีนที่อยู่บนดีเอ็นเอ ประกอบด้วย โปรโมเตอร์ (promotor = P) , โอเปอร์เรเตอร์ (operator = O) , และยีนโครงสร้าง (structural genes = S) เรียงกันอยู่

               ดีเอ็นเอ ของเซลล์แบคทีเรียพบว่ามียีนมากมาย แต่ละกลุ่มยีนมีจำนวนยีนในยีนโครงสร้าง ต่างกันไปกี่ยีนก็ได้

               โอเปอร์รอน เป็นกลุ่มยีนที่อยู่มีตำแหน่งใกล้กันและทำหน้าที่ร่วมกัน ส่วนยีนที่อยู่นอก

โอเปอร์รอน ที่ทำหน้าที่ควบคุมยีนในโอเปอร์รอน คือ รีกูลาทอรี่ ยีนหรือยีนควบคุม (regulatory gene = I gene) จะส่งโปรตีนที่เรียกว่า โปรตีนยับยั้ง (รีเพรสเซอร์ โปรตีน = repressor protein) มาควบคุมยีนใน โอเปอร์รอน นี้อีกที

               โอเปอร์รอน แบ่งเป็น 2 แบบ คือ

               1.  คาทาโบลิคโอเปอร์รอน (Catablolic operon) เป็น โอเปอร์รอน เกี่ยวกับการย่อยสลายสารโมเลกุลใหญ่ เป็นสารโมเลกุลเล็ก ดังนั้น โอเปอร์รอนชนิดนี้ จึงทำหน้าที่ย่อยสารโมเลกุลใหญ่ให้กลายเป็นสารโมเลกุลเล็ก เช่น
 แลกโตสโอเปอร์รอน (lactose operon)

               2.  แอนาโบลิคโอเปอร์รอน (Anabolic operon) เป็น โอเปอร์รอน ที่ทำหน้าที่สร้างสารโมเลกุลเล็กให้กลายเป็นสารโมเลกุลใหญ่

               เนกาทีฟโอเปอร์รอน (Negativeoperon) เป็นโอเปอร์รอนที่เกี่ยวกับการยับยั้งกระบวนการแสดงออกของยีน คือ ที่สร้างจากยีนควบคุม (regulatory gene) จะไปหยุดการสร้างเอนไซม์ แบ่งเป็น 2 แบบ

               1.  โอเปอร์รอนแบบชักนำ( Inducible operon) เป็นโอเปอร์รอนที่ถูกชักนำให้ทำงานได้ โดยจะต้องปรากฏโมเลกุลสารชักนำเช่นน้ำตาลแลกโตส(lactose)ทำหน้าที่เป็นอินดิวเซอร์ (inducer) หรือ สารชักนำ ตัวอย่าง แลกโตสโอเปอร์รอน

(lac operon)

               2.  โอเปอร์รอนแบบชักนำ (Inducible operon) เป็นโอเปอร์รอนที่ถูกชักนำให้ทำงานได้ โดยจะต้องปรากฏโมเลกุลสารชักนำเช่นน้ำตาลแลกโตส (lactose) ทำหน้าที่เป็นอินดิวเซอร์ (inducer) หรือ สารชักนำ ตัวอย่าง แลกโตสโอเปอร์รอน
  (lac operon)

               3.  โอเปอร์รอนแบบยับยั้ง (Repressible operon) เป็นโอเปอร์รอนที่ถูกยับยั้งการทำงานโดยเมื่อปรากฏโมเลกุลสารช่วยยับยั้งเช่นปรากฏ กรดอะมิโนทริปโตเฟนทำหน้าที่เป็นโมเลกุลช่วยยับยั้ง (โครีเพรสเซอร์ = corepressor) ตัวอย่าง ทริปโตเฟนโอเปอร์รอนทั้ง 2 แบบ ต่างก็ถูกควบคุมด้วย รีเพรสเซอร์ โปรตีน

               แลกโตสโอเปอร์รอน (lac operon)

               ในไอศครีมมี น้ำตาลแลกโตส (lactose) เมื่อกินเข้าไป เชื้อแบคทีเรีย E.coli ที่อยู่ในร่างกายซึ่งมีอยู่มากมายจะสร้างเอนไซม์ เบต้ากาแลกโตซิเดส (B - galactosidase) มาย่อย น้ำตาลแลกโตส ได้เป็น กลูโคสและกาแลกโตส จัดเป็นการย่อยสลายสารโมเลกุลใหญ่เป็นสารโมเลกุลย่อย ดังนั้นกลุ่มยีนที่ควบคุมการสร้างเอนไซม์เบต้ากาแลกโตซิเดส เพื่อย่อยน้ำตาลโมเลกุลใหญ่ให้กลายเป็นสารโมเลกุลย่อย เรียกกลุ่มยีนนี้ว่า แลกโตสโอเปอร์รอน (lac operon) แต่ถ้าเป็นผลไม้ซึ่งไม่มี น้ำตาลแลกโตส รีเพรสเซอร์ โปรตีน เข้าเกาะที่โอเปอร์เรเตอร์ยับยั้งไม่ให้เอนไซม์อาร์เอ็นเอ โพลีเมอร์เรสเข้าเกาะที่โปรโมเตอร์ทำให้ไม่มีการแสดงออกของกลุ่มยีน แลกโอเปอร์รอนผลคือโอเปอร์รอนปิด ไม่มีการสร้าง เอนไซม์เบต้ากาแลกโตซิเดส เพื่อย่อยแลกโตสเนื่องจากไม่มีแลกโตสในเซลล์นั่นเอง

               แต่ถ้าในเซลล์ปรากฎน้ำตาลแลกโตส แลกโตสโอเปอร์รอนจะเปิด เพื่อสร้างเอนไซม์ย่อยแลกโตส  โดยที่น้ำตาลแลกโตส ทำหน้าที่เป็นสารชักนำอินดิวเซอร์  (inducer)  เข้าจับที่  รีเพรสเซอร์ โปรตีนทำให้รีเพรสเซอร์ โปรตีนไปเกาะตรงโอเปอร์เรเตอร์ไม่ได้ เอนไซม์อาร์เอ็นเอ โพลีเมอร์เรสเข้าเกาะที่โปรโมเตอร์ได้ ทำให้เกิดการ ทรานสคริปชั่น และทรานสเลชั่น ตามลำดับ สร้างเอนไซม์เบต้ากาแลกโตซิเดสเพื่อย่อย แลกโตสให้เป็นกลูโคส

               ในโอเปอร์รอน โอเปอร์เรเตอร์ (O) กับโปรโมเตอร์ (P) จะมีตำแหน่งซ้อนกันอยู่ (overlap) รีเพรสเซอร์ โปรตีน เข้าเกาะที่ โอเปอร์เรเตอร์ ดังนั้นมันจึงไปบังส่วนโปรโมเตอร์ promotor ไว้ ทำให้ เอนไซม์อาร์เอ็นเอ โพลีเมอร์เรส เข้าเกาะที่ โปรโมเตอร์ ไม่ได้ จึงทำงานไม่ได้ โอเปอร์รอน ปิด (นั่นคือ สร้างอาร์เอ็นเอ ไม่ได้)

               โอเปอร์รอน เป็นกลุ่มยีนที่อยู่บน ดีเอ็นเอ ประกอบด้วย O , P , S เรียงกันอยู่และมี ยีนlac Z , lac Y , lac A โดย ยีน lac Z สร้างเอนไซม์ เบต้ากาแลกโตซิเดส ยีน lac Y สร้าง เอนไซม์ เปอร์มีเอสทำหน้าที่พา แลกโตส เข้าสู่เซลล์ ส่วน ยีน lac A สร้างเอนไซม์ที่ใช้ในการ ย่อยแลกโตส เมื่อไม่มี แลกโตส โอเปอร์รอนปิด ไม่สามารถอ่านรหัสบนยีนโครงสร้างได้
ทรานสคริปชั่นจึงไม่เกิดเอนไซม์ เบต้ากาแลกโตซิเดสไม่ถูกสร้าง ส่วนเอนไซม์อาร์เอ็นเอโพลีเมอร์เรส เกาะที่โปรโมเตอร์ อ่านรหัส ยีนโครงสร้าง บนดีเอ็น สร้างอาร์เอ็นเอ ได้

               กรณีที่ข้างบนซึ่งมีน้ำตาลแลกโตส ๆถูกเอนไซม์เบต้ากาแลกโตซิเดสเปลี่ยนเป็น

อินดิวเซอร์หรือตัวชักนำ เรียก อัลโลแลกโตสๆ เกาะกับ รีเพรสเซอร์ โปรตีนๆ จะงอเปลี่ยนรูปร่างทำให้เข้าเกาะกับโอเปอร์เรเตอร์ ไม่ได้ มีผลให้เอนไซม์อาร์เอ็นเอ โพลีเมอร์เรส เข้ามาแทนที่อ่านรหัสบน ยีนโครงสร้าง lac Z , lac Y , lac A แล้วสร้าง อาร์เอ็นเอ ได้ ทำให้โอเปอร์เปิด เนื่องจาก ปรากฎแลกโตส ทำงานสร้างเอนไซม์ได้

               ในโปรคาร์ริโอท เอ็ม อาร์เอ็นเอ ถูกสร้างต่อเนื่องเป็นเส้นเดียว เรียกว่า โมโนซิสโตรนิก เอ็มอาร์เอ็นเอ (mono cistronic mRNA)

               ในยูคาร์ริโอท สร้าง เอ็ม อาร์เอ็นเอ เป็นแบบโพลีซิสโตรนิกเอ็มอาร์เอ็นเอ (poly cistronic mRNA) คือ สร้าง เอ็ม อาร์เอ็นเอ หลายๆ เส้นย่อยๆ ตามจำนวนยีนนั้น

               โอเปอร์รอนแบบยับยั้ง (Repressible operon) มี รีเพรสเซอร์ โปรตีนมาเกี่ยวข้อง โดยจะหยุดไม่ให้สร้างเอนไซม์ ยีนควบคุม (regulatory gene) สร้าง รีเพรสเซอร์ โปรตีน แต่ตรงข้ามกับแลกโตสโอเปอร์รอน คือ มีการเปลี่ยนรูปก่อนที่จะเกาะที่ โอเปอร์เรเตอร์ นั่นคือ รีเพรสเซอร์ โปรตีนจะไม่ทำงาน จึงไม่เกาะที่โอเปอร์เรเตอร์ ยกเว้นต้องมี ตัวร่วมยับยั้ง
(โค - รีเพรสเซอร์ = co - repressor) เปลี่ยนจาก รีเพรสเซอร์ โปรตีน ที่ไม่ทำงาน ให้อยู่ในรูป ทำงานได้ ทำให้ โอเปอร์รอน ปิดทันทีเมื่อปรากฎ ตัวร่วมยับยั้ง (โค - รีเพรสเซอร์)

               ทริปโตเฟนโอเปอร์รอน (trp operon)

               มี ยีนโครงสร้าง 5 ยีนย่อย ๆ ใน โอเปอร์รอน มีส่วนประกอบเหมือนกัน แต่ทริปโตเฟนโอเปอร์รอน มี ยีนทริป A , ยีนทริป B ,ยีนทริป C , ยีนทริป D , ยีนทริป E สร้างเอนไซม์ 5 ชนิด มีหน้าที่เปลี่ยน สารตั้งต้น (precursor) ไปเรื่อย ๆ จนเป็น ทริปโตเฟนโมเลกุล ซึ่งเป็น สารโมเลกุลใหญ่ เมื่อมีปริมาณเยอะพอแล้ว โมเลกุลทริปโตเฟนจะย้อนกลับมาระงับการสร้างหรือหยุด (feedback) การสร้างโมเลกุลทริปโตเฟน โดยที่ตัวมันเป็นตัวร่วมยับยั้ง (โค - รีเพรสเซอร์) โดยรวมกับ รีเพรสเซอร์ ที่ไม่ทำงานไปเกาะที่โอเปอร์เรเตอร์ เอนไซม์อาร์เอ็นเอ โพลีเมอร์เรส จึงเข้าเกาะไม่ได้ แต่ถ้าทริปโตเฟน ยังมีปริมาณน้อยอยู่ ในระบบจะสร้างเอนไซม์ไปเปลี่ยนสารตั้งต้น ให้กลายเป็น ทริปโตเฟน เพิ่มขึ้นมา โอเปอร์รอนแบบบวก (Positive operon ) เป็นโอเปอร์รอน ที่มีไซคลิกเอเอ็มพี (cAMP) และคะตาโบไลท์ แอกติเวเตอร์ โปรตีน (Catabolite Activator Protein = CAP) เป็นหนึ่งในโปรตีนที่ช่วยให้เอนไซม์ เอนไซม์อาร์เอ็นเอ โพลีเมอร์เรส เกาะยัง โปรโมเตอร์ ได้ดียิ่งขึ้น และมีผลให้ยีนแสดงออกแบบบวกคือจะเพิ่มจำนวนเอนไซม์มากขึ้น

               โปรโมเตอร์ แบ่งเป็น 2 ส่วน คือ

               บริเวณที่ 1 เป็นที่เกาะของ CAP – cAMP cAMP เกาะกับ CAP กลายเป็น active complex เกาะตรงบริเวณนี้ ของ โปรโมเตอร์ทำให้เอนไซม์อาร์เอ็นเอโพลีเมอร์เรส เกาะดียิ่งขึ้น

               บริเวณที่ 2 เป็นที่เกาะของ เอนไซม์อาร์เอ็นเอโพลีเมอร์เรส ทำให้สร้างเอนไซม์เพิ่มขึ้นภายหลัง CAP- cAMP เข้าเกาะบริเวณที่ 1 แล้วทำให้ โอเปอร์รอน เป็นแบบบวก เอนไซม์ถูกสร้างมากขึ้น

 6.  การก่อกลายพันธุ์ (mutation)

               การกลายพันธุ์ (mutation) คือการเปลี่ยนแปลงปริมาณ , จำนวน (amount) ของดีเอ็นเอ หรือ เป็นการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างทางเคมี (chemical structure) ของดีเอ็นเอ มีผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงลักษณะปรากฏของสิ่งมีชีวิต แบ่งเป็น

               1. โครโมโซมอล มิวเทชั่น (chromosomal mutation) คือการที่โครโมโซมกลาย (เปลี่ยน) ไปมีผลต่อจำนวน หรือ โครงสร้างของโครโมโซม การเปลี่ยนโครโมโซมมี 2 แบบ คือ

                             1.1  จำนวนโครโมโซมเปลี่ยน แบ่งการเปลี่ยนจำนวนเป็น 2 แบบ คือ 

                             -  อะนิวพลอยดี้ (aneuploidy) หมายถึงการ เปลี่ยนจำนวน โดยลดหรือเพิ่มโครโมโซมเป็นแท่ง เช่น โมโนโซมิก (monosome) ,ไดโซมิก (disome) ,ไทรโซมิก (trisome) , โพลีโซมิก (polysome)

                             -  ยูพลอยดี้ (euploidy) หมายถึงการ เปลี่ยนจำนวน โดยลดหรือเพิ่มโครโมโซมเป็นชุด เช่น แฮปพลอยด์ (haploid) ,โมโนพลอยด์ (monoploid) , ดิพลอยด์ (diploid) , ทริปพลอยด์ (triploid) โพลีพลอยด์ (polyploid)

                             1.2  โครงสร้างโครโมโซมเปลี่ยน เป็นการเปลี่ยนโครงสร้างของโครโมโซม 

และเกิดจากการแลกเปลี่ยนส่วนของโครโมโซมโดย การครอสซิ่งโอเวอร์ (crossing over) แบ่งการเปลี่ยนโครงสร้างของโครโมโซม เป็น 4 แบบ คือ

                                           1)  อินเวอร์ชั่น (inversion) การเปลี่ยนโครงสร้างของโครโมโซมเกิดการสลับหัวสลับหาง

                                           2)  ทรานสโลเคชั่น (translocation) การเปลี่ยนโครงสร้างของโครโมโซมเกิดจากการสลับตำแหน่งภายในแท่งหรือต่างแท่ง

                                           3)  ดีลีชั่น (deletion) การเปลี่ยนโครงสร้างของโครโมโซมเกิดจากการหาย ไปของชิ้นส่วนของโครโมโซม

                                           4)  ดูพลิเคชั่น (duplication) การเปลี่ยนโครงสร้างของโครโมโซมเกิดจากการเพิ่ม ชิ้นส่วนของโครโมโซม ขึ้นมา

               2. ยีน มิวเทชั่น (Gene Mutation) หรือ (Point Mutation) หมายถึงการเปลี่ยนเบสในยีนทำให้ยีนเปลี่ยนไป แบ่งเป็น

                             2.1  การแทนที่เบส (Base Substitution) หมายถึง การเปลี่ยนแปลงโดยแทนที่เบสปกติ มี 2 รูปแบบคือทรานสิชั่น (transition) & ทรานสเวอร์ชั่น (transversion)

                             ทรานสิชั่น เป็นการเปลี่ยนเบสจากพิวรีนเป็นพิวรีนหรือเป็นการเปลี่ยนเบสจากไพริมิ   ดีนเป็นไพริมิดีน

                             ทรานสเวอร์ชั่น เป็นการเปลี่ยนเบสจาก พิวรีนเป็นไพริมิดีนหรือเป็นการเปลี่ยนเบสจากไพริมิดีนเป็นพิวรีน

                               ตัวอย่าง การแทนที่เบสหรือเบสซับสทิทิวชั่น

                             1.  มิสเซ้นต์ มิวเทชั่น (Missense mutation) เป็นการเปลี่ยนเบสมีผลให้เกิดการเปลี่ยนรหัสพันธุกรรม (genetic codon) มีผลให้เปลี่ยนกรดอมิโน(หรือเบสในรหัสพันธุกรรมเปลี่ยนเป็นเกิดกรดอมิโนใหม่ ทำให้สายโพลิเปปไทด์เปลี่ยนจากเดิม)

                             2.  นอนเซ้นต์มิวเทชั่น (Nonsense mutation) เป็นการเปลี่ยนเบสมีผลให้เกิดการ เปลี่ยนรหัส พันธุกรรม (genetic codon) ไปเป็นรหัสหยุด (termination codon) (คือเบสในรหัสพันธุกรรมเปลี่ยนเป็นรหัสสำหรับหยุดสร้างสายโพลิเปปไทด์)

                             3.  เฟรมชิฟมิวเทชั่น (Frameshift Mutation) เป็นการเปลี่ยนเบสมีผลให้เกิดการเปลี่ยนกรอบรหัสพันธุกรรม (genetic codon) ไปตลอดสายโพลิเปปไทด์ มีสาเหตุ จาก ดีลีชั่น (deletion) (เป็นการหายไปของเบส) ,หรือแอดดิชั่น (addition) (เป็นการเพิ่มขึ้นมาของเบส) ทำให้สายโพลิเปปไทด์ สั้นลง หรือไม่ทำงาน (nonfunction) (ซึ่งการเปลี่ยน รหัสพันธุกรรมเป็นชุดมักเป็นผลจากเบสดีลีชั่น หรือเบส แอดดิชั่นทั้งสิ้น)

                       2.2  รีเวอร์สมิวเทชั่น (Reverse Mutation) (หรือแบ๊คมิวเทชั่น = Back Mutation) หมายถึง เป็นการกลายพันธุ์ที่มีการเปลี่ยนแปลงเบสไปแล้ว หลังจากนั้นมีการเปลี่ยนเบสอีกที มีผลให้เกิดการกลายพันธุ์กลับมาเป็นเหมือนเดิม เช่นตัวอย่าง ดีเอ็นเอเดิมเกิดเบสหายไปหรือเบสเพิ่มขึ้นมา 1 เบส หลังจากนั้น การกลายพันธุ์กลับมาเป็นเหมือนเดิมโดยเกิดเบสเพิ่มขึ้นมาหรือเบสหายไปอีก 1 เบส มีผลให้เปลี่ยนกรอบรหัส (codon) กลับมาเหมือนเดิมจัดเป็นการกลายพันธุ์ไปแล้วกลายพันธุ์กลับมาเหมือนเดิม แต่อาจจะมีบางยีนที่อยู่ระหว่างการเกิดกลายไปทั้ง 2 ครั้งถูกเปลี่ยนเบสไปได้

               สาเหตุของมิวเทชั่น ()Caurses of Mutation

               1.  สปอนทาเนียสมิวเทชั่น (Spontaneous Mutation) เป็นการเกิดการกลายพันธุ์โดยทั่วๆ ไปหรือเกิดตามธรรมชาติ

               2.  การชักนำให้เกิดการมิวเทชั่น (อินดิวซ์มิวเทชั่น = Induced Mutation) ตย สารที่มีโครงสร้างเหมือนเบส (Base analogue) ทำให้ไปแทนที่เบสที่คล้ายกันแล้วสารนี้จะไปจับกับเบสตัวใหม่ ทำให้คู่เบสในสายดีเอ็นเอที่เป็นผลจากการเรพพลิเคชั่นเกิดเปลี่ยนไปจากเดิม เป็นการกลายพันธุ์ ที่ถ่ายทอดได้ถึงลูกหลานรุ่นถัดไป

               สารก่อกลายพันธุ์ (Mutagen) เป็นสิ่งที่มีผลทำให้เกิดการกลายพันธุ์ไป อาจจะเป็นสารเคมี รังสีต่างๆ ดังนี้คือ

               1.  สารก่อกลายพันธุ์ทางกายภาพ (Physical Mutagen)

               -  รังสีทำให้เกิดอิออน (Ionizing radiation) เช่น X - ray เกิด ion มี อำนาจทะลุทะลวงสูง

               -  รังสีไม่ทำให้เกิดอิออน (nonionizing radiation) เช่น UV ไม่เกิด ion มีอำนาจทะลุทะลวงต่ำ ตย. แต่พลังงานนี้สามารถทำให้เกิด ไทมีน ไดเมอร์

               2.  สารก่อกลายพันธุ์ทางเคมี (Chemical Mutagen)

               -  สารที่มีโครงสร้างเหมือนเบส(Base analogue)

               -  สารที่ทำให้โครงสร้างเบสเปลี่ยน ตัวอย่าง กรดไนตรัส (HNO₂) ,ไฮดรอกซิลอะมีน (Hydroxylamine) , อัลคิลเลติ้ง เอเจนท์ (alkylating agent)

               3.  สารเคมีที่ทำให้ นิวคลิโอไทด์ เพิ่มหรือหายไป ตย.สีย้อม อะคริดีน

7.  พันธุวิศวกรรม (genetic engineering)

               พันธุวิศวกรรม (genetic engineering) หมายถึง การเปลี่ยนแปลงใดๆ ในองค์ประกอบทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต โดยไม่ได้เกิดตามธรรมชาติ (artificial means) เช่น การใส่ยีนของสิ่งมีชีวิตจากต่างสปีชีส์ เพื่อที่จะนำไปใช้ในการเปลี่ยนแปลงหรือปรับปรุงสิ่งมีชีวิตให้ได้ตามที่ต้องการ

               วิธีการตัดต่อดัดแปลงยีนแบ่งเป็น 2 ขั้นตอน คือ

               ขั้นที่ 1  การสร้างลูกผสม ดีเอ็นเอ ให้มียีนที่ต้องการ โดยใส่ยีนลงในพลาสมิด (plasmid)

               ขั้นที่ 2  นำพลาสมิด ลูกผสม (รีคอมบิแนนท์พลาสมิด recombination plasmid , ไฮบริด พลาสมิด hybrid plasmid) ใส่กลับลงในแบคทีเรีย โดยวิธีทรานฟอร์เมชั่น (transformation) เพื่อให้เพิ่มจำนวนมาก ๆ โดยวิธีเรพพลิเคชั่น ( replication)

               เวคเตอร์ (vector) คือ สื่อที่นำยีนหรือตัวนำสำหรับสอดใส่ มียีนที่ต้องการแล้วนำ พลาสมิดนั้นใส่แบคทีเรียอีกที่ดีเอ็นเอ ที่ต้องการเข้าไป ตัวอย่าง พลาสมิดแบคทีริโอฟาจ (bacteriophage)

               พลาสมิด (plasmid) คือ ดีเอ็นเอ ที่อยู่นอกโครโมโซมที่สามารถเพิ่มจำนวน (replicate) อิสระจากแบคทีเรียได้ ตัวอย่างเช่น pBR 322 , pBR 325

               ไบโอเทคโนโลยี (Biotechnology) คือ เทคโนโลยีที่จัดการดัดแปลงยีนของสิ่งมีชีวิต แต่ไม่ได้หมายความว่า ไบโอเทคโนโลยี ทั้งหมดเป็นพันธุวิศวกรรม พลาสมิด ของดีเอ็นเอ ในแบคทีเรียมียีนที่ต้านทานยาปฏิชีวนะ 2 ชนิดอยู่ด้วย คือ แอมพิซิลิน และเตตราไซคลิน และมีเอนไซม์ตัดต่อจำเพาะ (restriction enzyme) ใช้ตัดภายในดีเอ็นเอ เรียก เรสตริกชั่น เอนโดนิว คลีเอส (restriction endonuclease) ตัวอย่าง พลาสมิด Bam I , Eco RI , Hind II โดย E coRI จะตัดเฉียงทำให้เกิดปลายยื่นออกมาเป็นปลายเหนียว (เรียก สติกกี้เอนด์ = sticky ends) เมื่อคู่เบส 2 คู่สายที่ถูกตัดด้วยเอนไซม์ชนิดเดียวกันมาเจอกัน ก็เข้าคู่กันกลับคืนสู่สภาพเดิมได้ แต่เอนไซม์บางตัวตัดสายดีเอ็นเอตรง ๆ ทำให้เกิดแยกปลายทู่ (blunt ends)

               ขั้นตอนพื้นฐานมี 2 ขั้นตอน คือ

               1.  ใส่ ดีเอ็นเอ ที่ต้องการลงใน พลาสมิด ใน พลาสมิด มียีน lac Z ในโอเปอร์รอน จะมี ตำแหน่งตัดเฉพาะ (restriction site) คือ ตำแหน่งสำหรับให้เอนไซม์ตัด โดยเฉพาะในคนมียีนที่มี ตำแหน่งตัดเฉพาะ อยู่ด้วย ยีน lac Z ทำหน้าที่สร้างเอของยีน lac Z ได้ โดยดูว่ายีน lac Z ไม่ทำงานภายหลังจากการเชื่อมดีเอ็นเอเข้าด้วยกันใช้เอนไซม์ดีเอ็นเอไลเกส (ligase) จะได้พลาส มิด นำยีนที่ต้องการอยู่ เรียกรีคอมบิแนนท์พลาสมิด เป็นพลาสมิดลูกผสมที่เกิดจากการแลกเปลี่ยนชิ้นส่วน ระหว่างยีน เมื่อได้พลาสมิดที่มียีนที่ต้องการพร้อมทั้งยีน lac Z ที่ไม่ทำงาน

               2.  ใส่ชิ้นส่วนของ ดีเอ็นเอ เข้าไปในเซลล์โดยวิธีทรานสฟอร์เมชั่น ดีเอ็นเอ ของแบคทีเรียจะเพิ่มจำนวน (replicate) อย่างอิสระ แบคทีเรียนำไปเลี้ยงในอาหารเลี้ยงเชื้อแล้วใส่ยาปฏิชีวนะ แอมพิซิลลิน (amplicillin) แยกแบคทีเรียที่มีดีเอ็นเอ ที่ต้องการออกมาใช้ประโยชน์ได้

               -  การแยกโมเลกุล ดีเอ็นเอ ทำได้หลายวิธี เช่นวิธีอิเลกโตรฟอร์เรซิสของโมเลกุลดีเอ็นเอ ในเจล ในสนามไฟฟ้า

               -  PCR (polymerase chain reaction) โดยใช้ อิเลกโตรฟอร์เรซิส เป็นการเพิ่มจำนวนดีเอ็นเอ ให้มากขึ้น ใส่เอนไซม์ ดีเอ็นเอ โพลิเมอร์เรส ให้ นิวคลิโอไทด์เป็นตัวเริ่มต้น (primer) 4 ตัว คือ dATP , dCTP , DGTP และ dTTP จาก 1 โมเลกุลดีเอ็นเอ ได้ 2 โมเลกุล ได้ 4 โมเลกุล และ 8 โมเลกุล ไปเรื่อยๆ สามารถนำใช้ประโยชน์ เพื่อเป็นการพิสูจน์ ดีเอ็นเอ

                ประโยชน์ของพันธุวิศวกรรม

               1.  ทำให้พืชมีความต้านทานต่อยาปฏิชีวนะ ยาฆ่าแมลง

               2.  เปลี่ยนแบคทีเรียทำลายพืช ทำความสะอาดคราบน้ำมัน

               3.  ใช้ ฮอร์โมนเพิ่มการเจริญเติบโตใส่ในคนเตี้ยแคระ เพื่อทำให้สูงขึ้น

               4.  ทางการแพทย์ในสาขาต่างๆ

               โทษของพันธุวิศวกรรม

               1.  มะเขือเทศอ่อนไหวต่อหมอก (ความเย็น) พบยีนของปลาฟลอนเดอร์สามารถต้านทานความเย็นได้ แทรกยีนที่ต้านทานความเย็นจากปลานี้ลงในมะเขือเทศ ขยายเวลาเพาะปลูก

               2. ในวัวน่าฮอร์โมนเร่งการเจริญ เพื่อเพิ่มผลผลิตการให้นมมากไปจนดูดซับเอาแคล เซียมจากกระดูกทำให้โครงกระดูกวัวทรุดในที่สุด

               3.  ฮอร์โมนเร่งการเจริญของมนุษย์ใส่ในหมูให้ได้ขนาดใหญ่ ได้หมูสายตาไม่ดี ข้อต่ออักเสบ เป็นแผลในกระเพาะอาหาร กล้ามเนื้ออ่อนล้า เฉื่อยชา ไร้สมรรถภาพทางเพศ

               4.  ถั่วเหลืองทำให้เกิดปฏิกริยาในคนที่แพ้ถั่ว

               GMOs (Genetically Modified Organisms)

               1.  ความหมาย ได้แก่ สิ่งมีชีวิตที่ได้รับการปรับแต่งยีนด้วยกรรมวิธีทางพันธุวิศวกรรม คือ เข้าไปกำหนดรูปแบบทางพันธุกรรมที่จะถ่ายทอดไปยังลูกหลานของสิ่งมีชีวิตนั้นๆ

               2.  เป้าหมายของ GMOs = ทำให้สิ่งมีชีวิตนั้นๆมีลักษณะสมบูรณ์แบบกว่าที่ธรรมชาติสร้างมา ถ้าเป็นพืช คือ ต้องทนโรค ทนต่อสภาพภูมิอากาศ ให้ผลผลิตมาก

               3.  วิธีการถ่ายยีนเข้าสู่พืชปัจจุบันโดยตัดยีนบางตัวออกแล้วใส่ยีนบางตัวเข้าไป โดย

                             1.  การใช้เชื้ออะโกรแบคทีเรีย (Agrobacterium - mediated gene transfer)

                             2.  การใช้เครื่องยิงอนุภาค (Particle Bombardment)

                             3.  การใช้เครื่องอิเลคโทรพอเรเตอร์ (Electroporator)

               หลังจากวิธีการข้างบนแล้วมีการเพาะเลี้ยงชักนำ และพัฒนาเซลล์พืชให้มียีนเพิ่มขึ้นมาในโครโมโซมเดิม และเจริญเป็นต้นใหม่ทำให้พืชที่เพาะเลี้ยงมีลักษณะพันธุกรรมที่เปลี่ยนไป

               ตัวอย่าง พืช GMOs

               -  มะเขือเทศชะลอการสุกและต้านทานโรคเชื้อรา

               -  มันฝรั่งต้านทานแมลงและมีการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบแป้ง

               -  ถั่วเหลืองต้านยากำจัดวัชพืช

               -  มะละกอต้านทานโรคใบด่าง

               -  ทานตะวันที่มีการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบน้ำมัน

               -  มาการีนที่มีสารลดคลอเลสเตอร์รอล

               -  ข้าวโพดและฝ้ายที่ได้รับการถ่ายยีนสร้างโปรตีนสารพิษจากเชื้อบีที (B.T.) ซึ่งต้านทานต่อหนอนเจาะลำต้น และหนอนเจาะสมอฝ้าย เช่น ยีน Cry1 A ใส่ในฝ้ายบีทีต้านทานต่อหนอนเจาะสมอฝ้ายหนอนคืบ หนอนม้วนใบ ผีเสื้อกัดกินพืช (ยีนนี้จะสร้างโปรตีนในพืชชนิดเจาะจงกับแมลง ทำให้แมลงตาย แต่ไม่กระทบต่อแมลงอื่นๆ (แมงมุม) ที่มีประโยชน์ และไม่มีผลเสียต่อพวกปลาและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม)