สมบัติของสารพันธุกรรม

การคัดลอก DNA (DNA replication)

มีประเด็นสำคัญดังต่อไปนี้

1. คือการเพิ่มปริมาณ DNA  เกิดขึ้นในระยะ S Phase ของเซลล์ประเภทยูคาริโอต เกิดขึ้นก่อนที่เซลล์จะมีการแบ่งตัว
2. รูปแบบการคัดลอกเป็นไปตามแบบกึ่งอนุรักษ์ (semiconservative model) โดย James Watson และ Francis Crick ได้เสนอการคัดลอก DNA ในปี 1953 ว่าเหมือนเป็นการรูดซิปเปิด หมายความว่า
   มีการสลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างเบสคู่สม จึงทำให้ดีเอ็นเอสายเดิมกลายเป็นต้นแบบเพื่อให้นิวคลีโอไทด์มาเรียงร้อยจับกันเป็นสายใหม่ ซึ่งเป็นสายคู่สม (complimentary strand) เป็นรหัสเติมเต็มกับสายต้นแบบ โดยผลสัมฤทธิ์ จะได้เป็นคู่สาย DNA เหมือนเดิม 2 คู่

เอนไซม์ที่ช่วยในการคัดลอก DNA

กระบวนการคัดลอก DNA  สำเร็จได้ด้วยเอนไซม์หลายชนิดแต่จะขอเน้นบางเอนไซม์ ดังต่อไปนี้

1. เอนไซม์ DNA polymerase ค้นพบโดย Arthur Kornberg ผู้สูงสามารถสังเคราะห์ DNA ในหลอดทดลองได้เป็นรายแรกในปี 1953 ทำหน้าที่นำ
   นิวคลีโอไทด์ที่ประกอบไปด้วยเบสคู่สม หรือ complimentary nucleotide มาจับกับสาย DNA ต้นแบบ และวางต่อกันจนเกิดเป็น DNA สายใหม่ให้ยาวขึ้น
2. เอนไซม์ helicase ทำหน้าที่ unzip หรือแยกสายคู่ DNA ออกจากกัน
3. เอนไซม์ primase ทำหน้าที่นำไพรเมอร์ sequences โดยการเติมสายชิ้นส่วนนิวคลีโอไทด์ที่เป็น RNA มาวางที่เบสคู่สมเพื่อให้ DNA พอลิเมอเรส ทำงานต่อโดยการนำเบสคู่สมมาวางเรียงร้อยต่อไป
4. เอนไซม์ ligase ทำหน้าที่ในการเชื่อมต่อ phosphodiester bond
   
   

จุดสำคัญ

       เนื่องจากการทำงานของเอนไซม์ DNA พอลิเมอเรส ทำได้เพียงทิศทางเดียว คือจาก

       ทั้งนี้ทำให้สายใหม่มีการสังเคราะห์แบบยาวต่อเนื่องเรียกว่า leading strand ส่วนสายใหม่อีกสายหนึ่งจะมีการสังเคราะห์ทีละสั้น ๆ เท่าที่ DNA สายครูต้นแบบจะถูก unzip  จึงเรียกสายนี้ว่าง lagging strand โดยท่อน
สั้น ๆ ของ DNA ถูกเรียกว่า Okasaki fragment แต่ DNA สายใหม่ทั้งสองแบบมีทิศทางเหมือนกันคือ จาก 5 prime → 3 prime end

การถอดรหัส DNA (DNA transcription)

       กระบวนการแสดงออกของยีนไปเป็นลักษณะทางพันธุกรรมต่าง ๆ โดยการทำงานของโปรตีน เรียกว่า หลักแกนกลางทางชีวโมเลกุล (central dogma of molecular biology) ซึ่งเกิดจากการคัดลอก DNA ถอดรหัส DNA แล้วสร้าง RNA (DNA transcription) เพื่อเป็นต้นแบบในการสร้างโปรตีนโดยแปลตามรหัสพันธุกรรม (DNA translation)

       ทั้งนี้เราต้องคำนึงถึงความเป็นจริงที่ว่า ดีเอ็นเออยู่ในนิวเคลียส แต่การผลิตโปรตีนเกิดขึ้นในไซโตพลาสซึม ซึงต้องตัวกลางคือ  RNA ซึ่งจะถูกถ่ายทอดรหัสในนิวเคลียสจาก DNA เรียกกระบวนการนี้ว่า transcription หรือ การถอดรหัส DNA ทั้งนี้ RNA ในเซลล์ยูแคริโอตมี 3 ชนิดหลัก ได้แก่ เชิงโครงสร้าง

1. rRNA (ribosomal RNA) เป็นรหัสที่เป็นส่วนหนึ่งของไรโบโซม ซึ่งเป็นโครงสร้าง ที่จำเป็นการแปลรหัสพันธุกรรม คุณสมบัติไรโบโซมของ prokaryotes และ
   ยูคาริโอตจะมีลักษณะแตกต่างกัน ส่วนการเคลื่อนที่ของไรโบโซมเพื่อแปลรหัสพันธุกรรมจะเคลื่อนที่ในทางตรงข้ามทิศทางของ mRNA  (5 primer → 3 prime) เรียกว่า ribosome translocation
   (3 primer → 5 prime)
2. tRNA (transfer RNA) เป็นโมเลกุล RNA ขนาดเล็กที่มีส่วนถอดรหัส RNA โดยลำดับเบสบน tRNA เป็นเบสคู่สมรหัสบน mRNA เรียกว่า anticodon และนำกรดอะมิโนที่สอดคล้องกับรหัส RNA ขนส่งมาเรียงร้อยให้เป็นสายยาวโปรตีนต่อไป
3. mRNA (messenger RNA) เป็นสาย RNA ที่ถอดรหัสมาจาก DNA เพื่อนำไปสร้างโปรตีนโดย mRNA จะถูกขนส่งจากในนิวเคลียสออกมาที่
   ไซโตพลาสซึม เพื่อให้ไรโบโซมอ่านรหัสและสร้างโปรตีน
   
   

สรุปประเด็นสำคัญ และข้อแตกต่างของ
DNA transcription จาก DNA replication

ขบวนการหลักของ DNA transcription 

1. ขั้นเริ่มต้น RNA initiation:
   enzyme RNA polymerase เข้าจับกับรหัส DNA เฉพาะช่วงเริ่มต้นเรียกว่า promoters แล้วเกิดการสลายพันธะไฮโดรเจน และคลายเกลียวของคู่สาย DNA
2. ขั้นการถอดรหัส RNA polymerase:
   ถอดรหัสเริ่มต้นของสายดีเอ็นเอต้นแบบโดยการนำ
   ไรโบนิวคลีโอไทด์คู่สมมาจากกับ DNA ต้นแบบ
3. ขั้นต่อสายยาว RNA elongation:
   RNA polymerase นำไรโบนิวคลีโอไทด์มาเชื่อมต่อกันเป็นสายยาวโดยมีทิศทาง 5 prime → 3 prime ผลผลิตสาย mRNA มีทิศทาง 5 prime → 3 prime ส่วน RNA polymerase จะเคลื่อนตัวไปในทิศตรงข้าม เมื่อ RNA polymerase เคลื่อนตัวผ่านไป DNA คู่สมจะกลับมาจับกันอีกครั้ง
4. ขั้นเสร็จสิ้น RNA termination:
   เมื่อ RNA polymerase เพื่อนมาถึง รหัสหยุด (stop codon) จะหยุดทำงานและแยกตัวออกจากสาย DNA ต้นแบบ สายดีเอ็นเอกลับมาจัดกับคู่สาย และผลผลิต mRNA จะถูกส่งออกมาสูตรไซโตพลาสซึม ในเซลล์
   ยูคาริโอตจะมีการปรับโครงสร้างทางเคมีของ RNA เพื่อให้มีความเสถียรมากขึ้นในการถอดรหัสและขนส่ง เรียกว่า RNA processing

การแปลรหัสพันธุกรรม (DNA translation)

• หลังจากรหัสพันธุกรรมถอดรหัสเป็น mRNA แล้วลำเลียงจากนิวเคลียสมาสู่ไซโตพลาสซึม กระบวนการแปลรหัสพันธุกรรมให้เป็นโปรตีน หรือ polypeptides
• การแปลรหัสบนสาย mRNA เป็นสายโพลีเปปไทด์
  ขับเคลื่อนโดยการทำงานของไรโบโซม องค์ประกอบของ rRNA มีตัว tRNA ส่งกรดอะมิโนที่ถูกต้องตามรหัสมาร้อยเรียงต่อกัน

สรุปคุณสมบัติของรหัสพันธุกรรมบน mRNA

เรียงตามความสำคัญดังนี้

1. ลำดับของนิวคลีโอไทด์เรียงกัน 3 ตัว จะแปลเป็นกรดอะมิโน 1 ตัว เช่น AUG แปลเป็น methionine (met) เรียกว่า โคดอน (codon)
2. พันธุกรรมมีความเป็นสากล รหัสการแปลเป็นรูปแบบเดียวกันในสิ่งมีชีวิตเกือบทุกชนิด ยกเว้นสิ่งมีชีวิต prokaryote บางชนิด
3. รหัสตั้งต้นสำหรับสร้างโปรตีน (start codon)คือ AUG ซึ่งแปลเป็น กรดอะมิโน methionine (met) และรหัสหยุดการสังเคราะห์โปรตีน (stop codon) คือ UAA, UAG, และ UGA
4. รหัสของโคดอนได้ทั้งหมด 64 รหัส มาจาก A, U, G, C มาเรียง 3 ลำดับ จึงได้ 4 x 4 x 4 = 64 แต่กรด
   อะมิโนมีทั้งหมด 20 ชนิด ดังนั้นกรดอะมิโนบางตัวจึงสามารถแปลมาจากมากกว่าหนึ่ง codon เรียกว่า มีความซ้ำซ้อนทางรหัสพันธุกรรม (codon redundancy) ยกเว้น methionine ซึ่งต้องแปลมาจาก AUG รหัสเดียวเท่านั้น
5. การแปลรหัสพันธุกรรมจะไม่มีการอ่านข้าม
   (no skipping) หรือไม่มีการอ่านซ้ำ (non-overlapping)

ขั้นตอนการแปลรหัสพันธุกรรม (translation) ของยูคาริโอต

1. Translation initiation tRNA  นำกรดอะมิโน methionine มาประกบกับ start codon
2. Translation initiation complex หน่วยย่อยขนาดเล็กและขนาดใหญ่ของไรโบโซมประกบกัน ทำให้ไรโบโซมทำหน้าที่ได้
3. Translation elongation tRNA ที่มีโมเลกุล anticodon คู่สมกับ codon มาพร้อมกับกรดอะมิโน
4. Translation elongation กรดอะมิโนตัวแรกกับกรดอะมิโนตัวถัดมาสร้างพันธะเพปไทด์เชื่อมต่อกัน
5. Translation elongation การขยับ codon เมื่อ mRNA เลื่อนตัวไป tRNA เดิมหลุดออกจากไรโบโซม เลื่อนตัวไป 1 codon  tRNA ที่มี โมเลกุล anticodon คู่สมกับ codon แล้วนำกรดอะมิโนเมื่อเชื่อมด้วยพันธะเพปไทด์ การแปลและการสังเคราะห์ peptides จึงดำเนินไปเรื่อย ๆ

6. Translation termination การแปลรหัสจะหยุดก็ต่อเมื่อ ribosomes เลื่อนตัวไปอ่านรหัสหยุด UAG, UGA, UAA  แล้ว releasing factors จะเข้ามา จับ ribosomal complex แทนที่ tRNA ทำให้ ribosomes ไม่สามารถจับกับ mRNA ได้ต่อไปการสังเคราะห์โปรตีนจึงจบลง

ประเด็นที่มักเป็นคำถาม

1. การอ่าน codon ในตารางรหัสเป็นการอ่านรหัสบน mRNA เสมอ ไม่ต้องไปสับสนกับ anticodon ของ tRNA
2. Stop codon ไม่มีการนำกรดอะมิโนมาสังเคราะห์ แต่จะเป็นการนำ releasing factors เพื่อทำให้ ribosomes หลุดออกจาก mRNA
3. ให้ระวังว่าคำถามถามเกี่ยวกับ DNA หรือ RNA ถ้าเป็น DNA รหัสจะใช้ T for thymine และถ้าเป็น RNA รหัสจะใช้ U for uracil
4. ถ้าไม่มีการกำหนดทิศทาง ให้เข้าใจว่า strand ที่ให้มามีทิศ 5 prime → 3 prime