สารพันธุกรรม

สาระน่ารู้การศึกษาวิทยาศาสตร์

ใบความรู้ 1

สารพันธุกรรม (เนื้อหาจากเค้าโครงสื่อดิจิทัลเรื่องสารพันธุกรรม)


โดย ผ.ศ.แก้ว  อุดมศิริชาคร ม.อุบลราชธานี

กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (deoxyribonucleic acid) หรือ DNA เป็นกรดนิวคลีอิกชนิดหนึ่งที่พบในเซลล์สิ่งมีชีวิต ดีเอ็นเอเป็นสารพันธุกรรม ทำหน้าที่เก็บข้อมูลทางพันธุกรรม ทำให้สิ่งมีชีวิตแต่ละตัวแตกต่างกัน 

เมื่อตรวจดูนิวเคลียสของเซลล์ด้วยกล้องจุลทรรศน์จะพบโครโมโซม (chromosome) ซึ่งในเวลาส่วนใหญ่โครโมโซมจะอยู่ในสภาพคลายตัวออกเป็นโครมาทิน (chromatin) มีลักษณะเป็นสายยาวคล้ายเส้นด้าย เมื่อโครมาทินคลายตัวออกไปอีก จะเห็นคล้ายกับมีลูกปัดร้อยอยู่บนเส้นด้ายบางๆ ส่วนที่คล้ายลูกปัดนี้เรียกว่านิวคลีโอโซม (nucleosome) ประกอบด้วยดีเอ็นเอสายยาวพันล้อมรอบโปรตีนชื่อ ฮิสโทน (histone) และเมื่อแยกส่วนที่เป็นโปรตีนออกจากนิวคลีโอโซม ก็จะเหลือเฉพาะดีเอ็นเอ

โครงสร้างดีเอ็นเอประกอบด้วยพอลีนิวคลีโอไทด์ 2 สายเรียงคู่ขนานในทิศทางตรงข้ามกัน มีลักษณะเป็นเกลียวคู่ หรือ ดับเบิลเฮลิกซ์ (double helix) คล้ายบันไดเวียน 
 


สายพอลีนิวคลีโอไทด์เกิดจากหน่วยย่อยของนิวคลีโอไทด์มาเรียงต่อกัน นิวคลีโอไทด์ประกอบด้วย 3 ส่วน ได้แก่ 
1.  ฟอสเฟต (PO4)
2.  น้ำตาล (sugar) ที่มีคาร์บอน 5 อะตอม ชนิดดีออกซีไรโบส (deoxyribose) 
3.  เบส (base) แบ่งออกเป็น 2 กลุ่ม คือ พิวรีน (purine) ได้แก่ อะดีนีน (adenine : A) กับกัวนีน (guanine : G) และไพริมิดีน (pyrimidine) ได้แก่ ไซโทซีน (cytosine : C) กับ ไทมีน (thymine : T)

 

โครงสร้างของนิวคลีโอไทด์
ในแต่ละนิวคลีโอไทด์ ฟอสเฟตจะจับกับน้ำตาลที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 5 เรียกว่า 5 – prime (5´) และระหว่างนิวคลีโอไทด์ที่เรียงต่อกัน ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์โมเลกุลหนึ่งจะจับกับน้ำตาลของ
นิวคลีโอไทด์โมเลกุลถัดไปที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 3 เรียกว่า 3 – prime (3´) ดังนั้น เมื่อนิวคลีโอไทด์
ต่อกันเป็นสายยาว ปลายสายเปิดด้านหนึ่งจะเป็น 5´ และปลายสายเปิดอีกด้านหนึ่งจะเป็น 3´

การเรียงต่อกันของนิวคลีไทด์ในโมเลกุลดีเอ็นเอ

ในธรรมชาติโมเลกุลดีเอ็นเอจะอยู่ในสภาพที่มีพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายคู่สมกันเรียงขนานในทิศทางตรงข้ามกัน ดังนั้น ถ้าสายหนึ่งมีทิศทางการต่อลำดับนิวคลีโอไทด์จาก 5´ 3´ อีกสายหนึ่งจะมีทิศทางจาก 3´ 5´ ทั้งนี้ โดยมีการยึดเกาะกันระหว่างเบสพิวรีนกับเบสไพริมิดีนที่เป็นคู่สมกันด้วย นั่นคือ A จับกับ T และ G จับกับ C เสมอ

ดีเอ็นเอประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายคู่สม

ในการสร้างสิ่งมีชีวิตรุ่นใหม่ ข้อมูลทางพันธุกรรมที่เก็บไว้ในโมเลกุลดีเอ็นเอของรุ่นพ่อแม่จะต้องส่งต่อไปยังรุ่นลูก ซึ่งในระยะแรกของการแบ่งเซลล์ ดีเอ็นเอจะมีการจำลองตัวเอง เรียกกระบวนการนี้ว่า การจำลองดีเอ็นเอ (DNA replication) โดยสายดีเอ็นเอคลายตัวออกตามยาวคล้ายกับการรูดซิบ แต่ละสายจะทำหน้าที่เป็นแม่แบบในการสร้างดีเอ็นเอสายใหม่ขึ้น เกิดเป็นสายดีเอ็นเอ 2 สายที่เหมือนกัน แต่ทิศทางตรงข้ามกัน นั่นคือ ถ้าดีเอ็นเอสายแม่แบบมีทิศทาง 5´ 3´ ดีเอ็นเอสายคู่สมมีทิศทาง 3´ 5´ และถ้าดีเอ็นเอสายแม่แบบมีทิศทาง 3´ 5´ ดีเอ็นเอสายคู่สมมีทิศทาง 5´ 3´
 

การจำลองดีเอ็นเอ

เมื่อสิ้นสุดการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส (meiosis) เซลล์สืบพันธุ์ของฝ่ายพ่อ คืออสุจิ หรือสเปิร์ม (sperm) และเซลล์สืบพันธุ์ของฝ่ายแม่ คือไข่ หรือออวัม (ovum) จะมีข้อมูลทางพันธุกรรมแยกออกไปอยู่ในเซลล์สืบพันธุ์อย่างละครึ่งหนึ่ง และภายหลังการปฏิสนธิข้อมูลทางพันธุกรรมจะกลับมารวมกันอีกครั้งหนึ่ง ซึ่งเป็นไปตามกฎของเมนเดล ดังนั้น ลักษณะทางพันธุกรรมในรุ่นลูกจึงเป็นผลรวมระหว่างฝ่ายพ่อและฝ่ายแม่
 

การแบ่งเซลล์เพื่อสร้างเซลล์สืบพันธุ์เพศผู้

 

การแบ่งเซลล์เพื่อสร้างเซลล์สืบพันธุ์เพศเมีย

กลไกการแสดงออกของยีนเริ่มจากโมเลกุลดีเอ็นเอมีการถอดรหัสพันธุกรรมโดยการสร้างเมสเซนเจอร์ อาร์เอ็นเอ (messenger RNA หรือ mRNA) เรียกกระบวนการนี้ว่า ทรานสคริปชัน(transcription) ลำดับเบสบน mRNA เป็นรหัสพันธุกรรมประกอบด้วยเบส 3 ตัว (triplet code) เรียกว่า โคดอน (codon) ซึ่งจะลำเลียงออกมาจากนิวเคลียสเข้าสู่ไซโตพลาสซึม จากนั้นจึงจะมีการแปลรหัสโคดอนโดยอาศัยทรานสเฟอร์อาร์เอ็นเอ (transfer RNA หรือ tRNA) และไรโบโซม (ribosome) เรียกกระบวนการนี้ว่า ทรานสเลชัน (translation) ผลจากการแปลรหัสทำให้ได้ลำดับกรดอะมิโนในสายของโปรตีน และโปรตีนที่เกิดขึ้นจะทำงานในร่างกายของสิ่งมีชิวิต ก่อให้เกิดลักษณะต่างๆ ปรากฏให้เห็น เรียกว่า ฟีโนไทป์ (phenotype)
 

การแสดงออกของยีนผ่านกระบวนการสังเคราะห์โปรตีน (โพลีเพปไทด์) ภายในเซลล์