ใบความรู้เรื่อง DNA

เอกสารประกอบการสอน เรื่อง DNA รายวิชาชีววทิ ยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล DNA DNA (deoxyribonucleic acid) คอื เป็นสารพนั ธุกรรมของสารสง่ิ มชี ีวิต และบางสว่ นของDNA ทาหน้าท่ี เป็นยีน คอื สามารถควบคมุ ลกั ษณะทางพนั ธุกรรมของสิ่งมชี วี ิตได้ DNA เปน็ กรดนวิ คลอี กิ ชนิดหน่ึงและเปน็ พอลเิ มอร์ เกรด็ ความรูเ้ สริม พอลเิ มอร์ (อังกฤษ: polymer) มาจากรากศพั ท์กรกี สาคญั 2 คา คอื Poly (จานวนมาก) และ Meros (ส่วน หรอื หน่วย) พอลิเมอรเ์ ปน็ สารโมเลกุลขนาดใหญ่ (Macromolecule) พอลิเมอรจ์ ะประกอบไปด้วยหน่วยซาๆกัน เรยี ก มอนอเมอร์ (Monomer) หลายๆหนว่ ย มาทาปฏกิ ิริยากนั พอลิเมอรท์ ่ีประกอบดว้ ยหนว่ ยยอ่ ยหรือมอนอเมอร์ชนดิ เดียวกันทงั หมด จดั เป็นโฮโมพอลเิ มอร์ (Homopolymer) แต่ถา้ มมี อนอเมอร์ตา่ งกันตงั แต่ 1 ชนิดขึนไป จดั เปน็ โคพอลเิ มอร์ (Copolymer) พอลิเมอร์มีทังท่เี กิดเองในธรรมชาติ (Natural polymer) และพอลเิ มอรส์ งั เคราะห์ (Synthetic polymer) ตัวอยา่ งของ โพลิเมอรธ์ รรมชาติ ไดแ้ ก่ แปง้ เซลลโู ลส โปรตีน กรดนิวคลีอกิ และยาง สว่ นพอลิเมอร์สงั เคราะห์ เช่น พลาสติก เสน้ ใย โฟม และกาว DNA ประกอบดว้ ย มอนอเมอร์ (Monomer) หลายๆหนว่ ย ท่ีเรยี กว่านวิ คลีโอไทด์ (nucleotide) ซ่ึงแต่ละ นวิ คลนี ิวโอไทดป์ ระกอบด้วย 1. นำ้ ตำลเพนโทส ซงึ่ มีคารบ์ อน 5 อะตอม คือ นาตาลดอี อกซไี รโบส (deoxyribose) 2. ไนโตรจีนัสเบส (nitrogenous base) เปน็ โครงสรา้ งประกอบดว้ ยวงแหวนทม่ี ี อะตอมของคารบ์ อนและไนโตรเจน แบง่ ออกเปน็ 2 ประเภท คือ - เบสพิวรีน (purine) มี 2 ชนดิ คือ อะดีนนี (adenine หรือ A) และกวานนี (guanine หรือ G) - เบสไพริมดิ นี (pyrimidine) มี 2 ชนิด คือ ไซโทซีน (cytosineหรือ c) และ ไทมีน (tymine หรอื t) 3. หมฟู่ อสเฟต ( PO43-) โครงสรา้ งของนวิ คลโี อไทด์ การประกอบขนึ เปน็ คลีนิวโอไทดน์ ัน ทังสามส่วนประกอบกันโดยมีนาตาลเป็นแกนหลัก มีไนโตรจีนัสเบส อยทู่ ี่ คารบ์ อนตาแหนง่ ที่ 1 และหมูฟ่ อสเฟตมคี ารบ์ อนอยทู่ ่ตี าแหนง่ ท่ี 5 ดงั นนั นวิ คลีโอไทดใ์ น DNA จงึ มี 4 ชนดิ ซึ่งจะแตกตา่ งกันตามองคป์ ระกอบทเี่ ป็นเบส ได้แก่ A T C และ G ดงั ภาพ 1

เอกสารประกอบการสอน เร่ือง DNA รายวชิ าชีววิทยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล นวิ คลีโอไทดจ์ านวนมากนีมาเชื่อมต่อกนั เปน็ โมเลกุลของ DNA ได้ โดยการเชื่อมดังกล่าวเกิดจากการสรา้ ง พนั ธะโควำเลนซร์ ะหว่างหมฟู่ อสเฟตของนวิ คลีโอไทดห์ นงึ่ กบั หมไู่ ฮดรอกซลิ ท่คี าร์บอนตาแหน่งที่ 3 ของนาตาล ในนวิ คลีโอไทดห์ น่ึง เมอื่ หลายๆนวิ คลีโอไทด์มาเชือ่ มตอ่ กนั เกดิ เปน็ สายพอลนิ วิ คลีโอไทด์ (polynucleotide) ภำพแสดงโครงสร้ำงของพอลนี วิ คลีโอไทด์ 2

เอกสารประกอบการสอน เร่ือง DNA รายวชิ าชวี วทิ ยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล จะเหน็ ว่าสายด้านหนึง่ มจี ะมหี มู่ฟอสเฟตเชอื่ มอยู่ กบั นาตาลดีออกซีไรโบสท่ีคาร์บอนตาแหนง่ ท่ี 5 เรียก ปลายดา้ นนวี า่ เป็นปลาย 5´ ( อ่านว่า 5 ไพร์ม )และอกี ปลายด้านหน่งึ จะมหี มไู่ ฮดรอกซลิ ทค่ี าร์บอนตาแหนง่ ท่ี 3 ที่เปน็ อิสระ เรียกปลายดา้ นนขี องสาย DNA ว่าปลาย 3´ ( อา่ นวา่ 3 ไพร์ม ) ในปี พ.ศ. 2492 เออรว์ นิ ชำรก์ ำฟฟ์ ( Erwin Chargaff ) นกั เคมีชาวอเมรกิ นั ไดว้ เิ คราะหป์ ริมาณเบสที่ เปน็ องค์ประกอบทางเคมขี องโมเลกุล DNA ในสิ่งมชี วี ติ ชนดิ ต่างๆพบวา่ อัตราสว่ นของเบส 4 ชนดิ ใน DNA ที่สกัดจาก ส่ิงมีชวี ิตตา่ งๆจะแตกตา่ งกัน ภำพ Erwin Chargaff ข้อมลู ท่ีไดจ้ ากการทดลองของชาร์กาฟฟแ์ สดงใหเ้ หน็ ว่าในสิ่งมีชวี ติ แตล่ ะชนิด ปริมาณของเบส 4 ชนิด จะแตกตา่ งกันแตจ่ ะมีปริมาณของเบส A ใกล้เคยี งกับ T และเบส C ใกล้เคยี งกบั G เสมอ เรยี กว่า กฎของชำรก์ ำฟฟ์ (Chargaff s’ Rule) และสง่ิ มีชวี ติ จะมอี ตั ราสว่ นระหวา่ เบส A:T และอตั ราสวนระหวา่ ง G:C คงท่ีเสมอ ปี พ.ศ. 2493 – 2494 เอ็ม เอช เอฟ วิลคินส์ ( M. H.F Wilkins ) และโรซำลินด์ แฟรงคลนิ (Rosalind Franklin) นกั ฟสิ ิกส์ชาวองั กฤษ ศกึ ษาโครงสรา้ งของ DNA ในสง่ิ มชี วี ติ ชนดิ ตา่ ง ๆ โดยใชเ้ ทคนิค เอกซเ์ รย์ดฟิ แฟรกชัน (X-ray diffraction) ดว้ ยการฉายรังสเี อกซผ์ ่านผลึก DNA การหกั เหของรังสเี อกซท์ าให้เกดิ ภาพบนแผน่ ฟิลม์ ได้ภาพถ่ายท่ชี ัดเจนมาก จากภาพถ่ายนนี กั ฟิสกิ ส์แปลผลไดว้ ่าโครงสร้างของ DNA จากสิ่งมชี วี ิต ชนดิ ตา่ ง ๆ มลี ักษณะทีค่ ล้ายกนั มาก คือ ประกอบดว้ ยพอลินิวคลโี อไทด์มากกวา่ 1 สาย มีลกั ษณะเปน็ เกลยี ว เกลียวแตล่ ะรอบมีระยะห่างเทา่ ๆ กัน จากผลการศึกษาทาใหเ้ ขา้ ใจโครงสรา้ งทางกายภาพของ DNA 3

เอกสารประกอบการสอน เรื่อง DNA รายวิชาชีววทิ ยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล ภำพ Rosalind Franklin และ M. H.F Wilkins ปี พ.ศ. 2496 เจม ดี วอตสนั (J.D. Watson) นักชีวเคมชี าวอเมริกัน และ เอฟ ครกิ (F. Crick) นักฟิสกิ ส์ ชาวอังกฤษ ไดเ้ สนอแบบจาลองโครงสรา้ งโมเลกุลของ DNA ท่ีสมบูรณ์ท่ีสดุ โดยรวบรวมขอ้ มูลตา่ ง ๆ จากโครงสร้าง ทางเคมขี องสว่ นประกอบของโมเลกุล DNA จากผลการทดลองของชาร์กาฟฟ์ทแี่ สดงให้เหน็ วา่ DNA มีเบส A เทา่ กับ T และ เบส C เท่ากับ G และภาพจากเทคนิคเอกซ์เรย์ดฟิ แฟรกชนั ของผลกึ DNA โดยนกั ฟสิ กิ สน์ าความรทู้ ี่ได้มา รวมกันเป็นแนวคดิ เก่ยี วกบั โครงสรา้ งของ DNA จากข้อมลู ของชารก์ าฟฟ์ ทาให้วอตสันและครกิ พยายามหาพันธะเคมีทีจ่ ะเชอ่ื มพอลินวิ คลโี อไทด์ 2 สาย ใหต้ ิดกัน ตอ่ มาไดพ้ บวา่ พันธะดงั กลา่ วคือพันธะไฮโดรเจน ซ่ึงเกิดขึนระหวา่ งคเู่ บส แมว้ า่ จะไม่แข็งแรง แตเ่ ม่ือมี จานวนมากก็จะมคี วามแข็งแรงพอทจ่ี ะยดึ สายพอลินวิ คลีโอไทด์ 2 สายให้เขา้ คู่กนั ได้ และจากการศกึ ษาโครงสร้าง ของเบสทัง 4 ชนิด พบวา่ ระหวา่ งเบส A กับ T สามารถเกดิ พนั ธะไฮโดรเจนได้ 2 พันธะ และระหวา่ งเบส C และ G เกิดได้ 3 พนั ธะ ภำพ กำรจบั กันของเบสคสู่ ม 4

เอกสารประกอบการสอน เรื่อง DNA รายวิชาชีววิทยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล หลังจากนันวอตสันและคริกจงึ สร้างแบบจาลอง DNA ตามแนวคดิ โดยให้พอลินวิ คลีโอไทด์ 2 สายเรยี งสลับ ทศิ กนั ปลาย 3 ของสายหน่งึ เข้าคู่กบั ปลาย 5 ของอีกสายหน่ึง เบส A ของสายหนงึ่ ตรงกับเบส T ของอีกสายหนึ่ง และเบส C ของสายหนงึ่ ตรงกับเบส G ของอีกสายหนง่ึ เสมอ จากนนั จึงเสนอโครงสรา้ งโมเลกลุ ของ DNA ว่าประกอบดว้ ยพอลนิ วิ คลโี อไทด์ 2 สาย เบสในแตล่ ะสายของ DNA ท่ีเปน็ เบสคู่สม (complementary base pair ) ยึดกนั ดว้ ยพันธะไฮโดรเจนโดยมเี บส A จับคกู่ ับเบส T และ เบส C จับค่กู ับเบส G โดยมที ศิ ทางจากปลาย 5 ไปยังปลาย 3 แตส่ วนทางกนั และพนั กัน บิดเป็นเกลียวคู่ (double helix) เวยี นขวาตามเขม็ นาฬิกา เกลียวแตล่ ะรอบหา่ งเทา่ ๆ กนั และมี คเู่ บสจานวนเทา่ กนั ภำพ โครงสรำ้ งของ DNA 5

เอกสารประกอบการสอน เรื่อง DNA รายวิชาชวี วทิ ยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล จากการศกึ ษาพบวา่ โครงสรา้ งของ DNA ประกอบด้วยนวิ คลโี อไทด์จานวนมาก แม้ว่า DNA จะมี นิวคลีโอไทดเ์ พียง 4 ชนดิ แต่โมเลกลุ อาจประกอบด้วยนวิ คลโี อไทด์หลายพันค่จู นถึงนบั แสนคู่ ตัวอย่างเช่น ถ้า DNA ประกอบดว้ ยนวิ คลโี อไทด์ 2 โมเลกุลเรยี งกนั จะสามารถจดั เรียงใหแ้ ตกตา่ งกนั ได้ 16 แบบ (4) ดังนนั ถา้ โมเลกลุ DNA ประกอบด้วยนวิ คลีโอไทด์จานวนมาก การเรียงลาดับของเบสกจ็ ะแตกต่างกันมากด้วย เช่นเดยี วกนั ลักษณะทางพนั ธกุ รรมของส่ิงมชี วี ติ ชนิดหนงึ่ ๆ มีหลายลกั ษณะ และลาดบั เบสของ DNA ซึ่งเกดิ จากเบส ชนดิ ต่าง ๆ กันนันมีหลายรปู แบบก็น่าจะมากพอท่จี ะทาหน้าท่คี วบคมุ หรอื กาหนดลกั ษณะพนั ธุกรรมต่าง ๆ ได้ สิง่ ทน่ี า่ สนใจกค็ อื DNA กาหนดและควบคุมลักษณะทางพนั ธุกรรมของสิ่งมีชวี ิตไดอ้ ยา่ งไร สมบัตขิ องสารพนั ธกุ รรม เมือ่ วอตสนั และคริกคน้ พบโครงสร้างทางเคมีของ DNA ขันตอนต่อไปก็คอื การพสิ ูจน์และ ตรวจสอบว่าโครงสรา้ งของ DNA นี มสี มบัตเิ พยี งพอที่จะเป็นสารพนั ธกุ รรมไดห้ รือไม่ ซึ่งการทจ่ี ะเปน็ สารพันธกุ รรมไดน้ ันยอ่ มต้องมีสมบัติสาคญั คอื ประกำรแรก ต้องสามารถเพ่มิ จานวนตวั เองได้โดยมีลักษณะเหมอื นเดิมเพื่อใหส้ ามารถถา่ ยทอด ลกั ษณะทางพนั ธุกรรมจากรนุ่ พ่อแมไ่ ปยังรนุ่ ลกู ได้ ประกำรท่ีสอง สามารถควบคมุ ใหเ้ ซลลส์ ังเคราะห์สารตา่ งๆเพอ่ื แสดงลกั ษณะทางพนั ธุกรรมให้ ปรากฏ ประกำรท่ีสำม ต้องสามารถเปล่ยี นแปลงไดบ้ า้ ง ซง่ึ การเปลย่ี นแปลงท่เี กดิ ขนึ อาจกอ่ ใหเ้ กิด ลกั ษณะพนั ธุกรรมท่ีผิดแปลกไปจากเดิมและเปน็ ชอ่ งทางให้เกดิ ส่งิ มชี วี ิตสปชี สี ์ใหมๆ่ ขนึ หลกั จากวอตสนั และคริกไดเ้ สนอโครงสรา้ งของ DNA แลว้ ในระยะเวลาเกอื บ 10 ปีต่อมา จงึ สามารถพิสจู นไ์ ดว้ า่ DNA มีสมบตั ิเป็นสารทางพันธกุ รรม วอตสนั และคริกจงึ ได้รบั รางวัลโนเบล ดา้ นผลงานการค้นพบโครงสรา้ ง DNA ในปี พ.ศ. 2505 นบั ว่าเป็นความก้าวหนา้ ทส่ี าคัญย่ิงทางดา้ น วิทยาศาสตร์ และเป็นจดุ เริ่มตน้ ใหก้ บั นักวิทยาศาสตร์ทจี่ ะค้นควา้ ในระดบั โมเลกลุ ตอ่ ไป ภำพ J.D. Watson and F. Crick 6

เอกสารประกอบการสอน เรื่อง DNA รายวชิ าชวี วิทยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล การสังเคราะห์ DNA -DNA เรพลเิ คชั่น (DNA replication) ขนั ตอนที่ 1 DNA สายคู่ จะเกิดการคลายเกลยี วแยกออกเป็นสายเดยี่ ว โดยการทางานของเอนไซม์เฮลิเคส จากนนั จะมโี ปรตีนทเี่ รยี กว่า โปรตนี เกาะสายเดีย่ ว (single strand DNA binding protein: SSB หรือ DBP) จะเข้ามาจับกับ DNA สายเดย่ี วแต่ละข้าง เพอ่ื ป้องกันการกลบั มาพนั เกลียวเปน็ สายคอู่ กี ทาใหเ้ กิดลกั ษณะคลา้ ย ทางแยก เรยี กวา่ replication fork DNA สายตน้ แบบ SSB เอนไซม์เฮลเิ คส (helicase) ขนั ตอนที่ 2 เอนไซม์ RNA primase จะเข้าจับกบั DNA สายเด่ียวแตล่ ะขา้ ง แลว้ สรา้ งสาย RNA ตังตน้ (RNA primer) ซึ่งเป็น DNA สายสันๆ ท่ีเปน็ คูส่ มกบั DNA สายเดย่ี วแต่ละข้าง เพอื่ ใช้ตงั ตน้ ในการต่อใหเ้ ป็น สาย DNA ทีส่ มบรู ณ์ ทศิ ทางการจาลอง DNA เอนไซม์เฮลเิ คส (helicase) SSB RNA primase RNA primer ช่วยคลายปมทเ่ี กิดจาก เอนไซมด์ เี อ็นเอไกเรส การคลายเกลยี ว (DNA gyrase หรือ topoisomerase) 7

เอกสารประกอบการสอน เรื่อง DNA รายวชิ าชวี วิทยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล ขนั ตอนที่ 3-1 เอนไซมด์ ีเอ็นเอพอลเิ มอเรส III เขา้ ทาปฏิกิริยาตอ่ DNA สายใหม่ให้ยาวขึนจากสาย RNA ตังต้น โดยการนานวิ คลโี อไทด์อิสระท่ีมีอยู่ในนิวเคลยี สมาใชใ้ นการเชอื่ มตอ่ DNA pol ||| A=T G=C เอนไซม์เฮลเิ คส (helicase) SSB เอนไซมด์ เี อน็ เอพอลเิ มอเรส III นิวคลีโอไทดอ์ สิ ระ DNA เสน้ นา (Leading strand) ขนั ตอนท่ี 3-2 การต่อสายยาวของเอนไซมด์ ีเอน็ เอพอลเิ มอเรส I จะมีทศิ ทางการสงั เคราะห์จากปลาย 5’ ไปยัง ปลาย 3’ เทา่ นัน ดงั นันสาย DNA ดา้ นเสน้ นา (Leading strand) จะเกิดการสงั เคราะห์ในทศิ ทางเดียวกนั กับการคลายตวั ของ DNA จงึ เกิดการสังเคราะห์ไดเ้ ปน็ สายยาวตลอดสาย แตส่ าย DNA ด้านเส้นตาม (Lagging strand) จะเกดิ การสังเคราะห์ในทศิ ทางตรงกันข้ามกับการคลายตวั ของ DNA จงึ ทาใหส้ งั เคราะห์ ไดเ้ ป็นสายสนั ๆ เรยี ก DNA สายสนั ท่ไี ด้นวี ่า ชนิ ส่วนโอคาซากิ (Okazaki fragment) SSB นิวคลโี อไทดอ์ สิ ระ เอนไซมเ์ ฮลิเคส (helicase) เอนไซมด์ เี อ็นเอพอลิเมอเรส III ชินสว่ นโอคาซากิ (Okazaki fragment) 8

เอกสารประกอบการสอน เรื่อง DNA รายวิชาชวี วทิ ยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล ขนั ตอนท่ี 4 ชินสว่ นโอคาซากิ (Okazaki fragment) แตล่ ะชนิ จะถูกเชอ่ื มต่อดว้ ยเอนไซมไ์ ลเกส ในทุกๆ จุด ตลอดเสน้ ตาม (Lagging strand) จนได้ DNA สายคู่ท่ีสมบรู ณ์ เมื่อเสรจ็ สนิ กระบวนการจะได้ DNA จานวน 2 สาย ท่มี ีลกั ษณะเหมือนกนั ทกุ ประการและเป็นไปตาม สมมตฐิ านการสังเคราะห์ DNA แบบก่งึ อนุรักษท์ ว่ี อตสนั และครกิ ได้นาเสนอ การจําลอง dna แบบก่งึ อนุรักษ์ (semi conservative replication) ชินสว่ นโอคาซากิ (Okazaki fragment) SSB เอนไซม์ดีเอ็นเอพอลเิ มอเรส III เอนไซมเ์ ฮลเิ คส (helicase) น 11W DNA เสน้ ตาม (Lagging strand) เอนไซม์ดเี อน็ เอพอลเิ มอเรส I ถอน rna primer ออก แทนทด่ี ้วย dna primer SSB เอนไซม์ดีเอ็นเอพอลเิ มอเรส III เอนไซม์เฮลเิ คส (helicase) ส่ิงท่ีต้องใช้ในกระบเอวนนไซกมด์ าเี อร็นเDอพNอลAเิ มอrเรeสpIlication เอนไซม์ไลเกส (ligase) 1 เอนไซม์ helicase : คลายเกลียว 2 โปรตีน SSBP : ชว่ ยปอ้ งกันไมใ่ ห้เกลยี วกลับมาพนั กนั 3 เอนไซม์ RNA primate: เตมิ rna primer 4 เอนไซม์ DNA polymerase ||| (DNA pol |||): เติม นิวคลโี อไทด์ 5 เอนไซม์ DNA gyrase (topoisomerase): คลายปมท่เี กิดจากการคลายเกลียว 6 เอนไซม์ ligase : เช่ือมช้นิ สว่ นโอคาซากิ 7 เอนไซม์ DNA polymerase | : ถอน rn9a primer แทนท่ดี ้วย dna primer ต้

เอกสารประกอบการสอน เร่ือง DNA รายวิชาชีววทิ ยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล DNA กบั การสงั เคราะห์โปรตีน DNA เปน็ สารชวี โมเลกลุ ทพ่ี บอยู่ในนวิ เคลยี ส แตก่ ารสร้างโปรตนี เกิดในไซโทพลาสซมึ การจะสง่ DNA ออกมาจากนวิ เคลียสเพ่ือสร้างโปรตีนคงจะเป็นเรอื่ งลาบาก ในปี ค.ศ. 1961 ฟรองชวั จาค็อป (Francols Jacob) และ จาค โมนอด (Jacques Monod) เสนอวา่ อารเ์ อ็นเอ (RNA; Ribonucleic Acid) และเรยี ก RNA ตวั กลางนวี า่ mRNA (messenger RNA) เป็นตวั นาขอ้ มูลทางพันธุกรรมจาก DNA ทอ่ี ยใู่ น นวิ เคลียสไปยังไซโทพลาสซึม ซงึ่ มไี รโบโซมทาหน้าท่ีในการสังเคราะห์โปรตนี nucleus cytoplasm กำรแสดงออกของยีน (gene expression) คอื การท่ยี ีนใดๆ มกี ารทาหนา้ ทีจ่ นถงึ การสรา้ งโปรตนี ประกอบดว้ ย 2 กระบวนการ คือ 1. การถอดรหสั (transcription) เป็นการสร้าง RNA จาก DNA และมีเอนไซมอ์ ารเ์ อนเอพอลิเมอเรส (RNA polymerase) กระบวนการนเี กดิ ในนวิ เคลยี ส 2. การแปลรหสั (translation) หรอื กระบวนการสรา้ งพอลิเพปไทด์ เป็นกระบวนการสร้างโปรตนี จาก mRNA ใชพ้ ลังงานจากกวาโนซีนไตรฟอสเฟต (GTP) และมเี อนไซมเ์ ปปตดิ ิลทรานเฟอเรส (peptidyl tranferase) กระบวนการนเี กดิ ในไซโทพลาสซมึ พอลเิ พปไทดห์ ลายๆ เส้นมารวมกันเป็นโปรตนี เชน่ ฮโี มโกลบิน (hemoglobin) เกิดจากพอลิเพปไทด์ 4 เสน้ มารวมกัน 10

เอกสารประกอบการสอน เรื่อง DNA รายวชิ าชีววิทยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล RNA ; Ribonucleic Acid RNA ในเซลล์ยูคารโิ อตมีอยู่ 3 ชนิดหลกั ๆ คือ 1. mRNA (messenger RNA) เปน็ RNA ท่ีทาหน้าท่นี ารหสั การสรา้ งโปรตีนทีถ่ อดจาก DNA ในนิวเคลยี สออกมายังไซโทพลาสซึมเพอ่ื ใหไ้ รโบโซมสงั เคราะห์โปรตีน 2. tRNA (transfer RNA) เป็นโมเลกุล RNA ขนาดเล็ก ทาหน้าท่นี ากรดอะมิโนทส่ี อดคล้องกับ รหสั การสรา้ งโปรตีนบน mRNA มาตอ่ กันเป็นสายยาวในขนั การแปลรหัสโปรตนี 3. rRNA (ribosomal RNA) เมือ่ รวมกบั โปรตีนจะกลายเป็นไรโบโซม (ribosome) ทาหน้าท่ี ในการสังเคราะห์โปรตีน Messenger RNA Transfer RNA Ribosomal RNA (mRNA) (tRNA) (rRNA) DNA DNA ribosome mRNA tRNA mRNA 11

เอกสารประกอบการสอน เรื่อง DNA รายวชิ าชวี วิทยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล ตำรำงกำรเปรียบเทยี บ DNA และ RNA สง่ิ เปรียบเทียบ ดีเอน็ เอ (DNA) อำร์เอน็ เอ (RNA) 1. ชือ่ เต็ม Deoxyribonucleic acid Ribonucleic acid 2. หน้าที่ เกบ็ ข้อมูลทางพันธกุ รรม เปน็ ตวั กลางที่ถ่ายทอดขอ้ มูล และถา่ ยทอดไปยังเซลล์ใหม่ จาก DNA ไปให้ไรโบโซม 3. โครงสรา้ ง เพ่ือสงั เคราะหโ์ ปรตีน 4. ชนดิ นาตาลเพนโทส สองสายพนั กนั เป็นเกลียวคูส่ ายยาว มกั เปน็ เกลียวสายเดย่ี วที่สนั กวา่ นาตาลดอี อกซไี รโบส นาตาลไรโบส C ตาแหน่งท่ี 2 ไม่มี O (-H) C ตาแหนง่ ที่ 2 มี O (-OH) ภำพท่ี 18 นาตาลดอี อกซไี รโบส ภำพท่ี 19 นาตาลไรโบส ทม่ี ำ : https://www.mun.ca/ ที่มำ : https://www.mun.ca/ biology/scarr/iGen3_02-07.html biology/scarr/iGen3_02-07.html 5. การจับคขู่ องเบส A-T และ C-G A-U และ C-G 6. ตาแหน่งภายในเซลล์ อยภู่ ายในนิวเคลยี ส ขดกันแนน่ ขนสง่ ระหว่างนวิ เคลยี ส 7. กระบวนการ และไซโทพลาสซมึ การจาลอง DNA การถอดรหสั และการแปลรหสั 12

เอกสารประกอบการสอน เรื่อง DNA รายวชิ าชีววทิ ยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล การถอดรหสั (transcription) การถอดรหัสเปน็ กระบวนการท่เี กิดในนิวเคลยี สของเซลล์ โดยการสังเคราะห์ mRNA จะอาศยั เอนไซม์ อารเ์ อน็ เอพอลเิ มอเรส (RNA polymerase) ในการสงั เคราะห์โดยมลี าดับขันตอนการสงั เคราะห์ ดงั นี ขันเร่ิมตน้ (initiation step) เนื่องจาก DNA ในนิวเคลยี สอยู่ในสภาพเสถยี รจะพนั เกลยี วอยเู่ ป็นสายคู่ เม่ือจะเกดิ กระบวนการ ถอดรหสั DNA จะเกิดการคลายเกลยี วออกในบรเิ วณบนสาย DNA ท่เี รียกว่า ชว่ งเรม่ิ ตน้ (promotor) เอนไซม์ RNA polymerase จะมีสมบตั ิพเิ ศษ คือ สามารถจดจาลาดบั นวิ คลีโอไทดบ์ รเิ วณโปรโมเตอรไ์ ด้ และจะเข้าจับ กบั สาย DNA บริเวรโปรโมเตอร์ เม่อื เอนไซม์ RNA polymerase เขา้ จบั กบั สาย DNA เปน็ อนั สินสดุ ขนั เรมิ่ ต้น และเข้าสู่ขันตอนถัดไป ขนั ตอ่ สำยยำว (elongation step) เมือ่ เอนไซม์ RNA polymerase เขา้ จบั กับสาย DNA เป็นท่เี รยี บรอ้ ยแลว้ เอนไซม์ RNA polymerase จะเร่มิ เคลอ่ื นไปตามสายของ DNA ขณะทเี่ อนไซม์ RNA polymerase เคลื่อนท่ี บรเิ วณด้านหนา้ ท่ียงั เปน็ DNA สายค่อู ยู่ จะค่อยๆ ถกู คลายเกลียวออกเปน็ สายเด่ียวตามทีเ่ อนไซมเ์ คลอื่ นที่ไป และด้านหลังของเอนไซม์ RNA polymerase เมื่อเคล่ือนทีผ่ า่ นไปแล้ว สาย DNA ที่ถกู คลายเกลยี วเป็นสายเด่ียวจะกลบั มาพนั เกลยี วกนั เป็นสายคอู่ กี ครัง จากลักษณะการเคลอ่ื นท่ขี องเอนไซม์ RNA polymerase ดังกล่าว เรยี กการเคล่อื นท่ี แบบนีวา่ ทรานสคลิปชนั บับเบลิ (transcription bubble) ไรโบนวิ คลโี อไทดท์ ี่มเี บสที่เขา้ คู่กับนวิ คลโี อไทด์ของ DNA ต้นแบบ คอื C เข้าคู่กับ G G เข้าคู่กับ C U เข้าคู่กบั A และ A เขา้ ค่กู ับ T จะเข้ามาจบั กบั นวิ คลโี อไทด์ของ DNA ตน้ แบบ เอนไซม์ RNA polymerase จะเช่ือมไรโบนวิ คลโี อไทดอ์ สิ ระของ mRNA มาต่อกนั เป็นสายยาว โดยมที ศิ ทางการสังเคราะหส์ าย mRNA จากปลาย 5’ ไปยงั ปลาย 3’ และการสร้างสาย mRNA นัน จะเรยี งสลบั ทิศกบั สาย DNA ต้นแบบ ขันสนิ สุด (termination step) เอนไซม์ RNA polymerase จะทาการสังเคราะหส์ าย mRNA ไปเรอ่ื ยๆ จนกระทง่ั ไปถงึ บริเวณหนง่ึ บนสาย DNA ทมี่ ีลาดับนิวคลโี อไทดเ์ รยี งตวั เปน็ รปู แบบเฉพาะ เรยี กวา่ ชว่ งสินสุด (terminator) ที่บริเวณนี จะมกี ลไกทาใหเ้ อนไซม์ RNA polymerase หลุดออกจากสาย DNA และ mRNA ทีส่ รา้ งไดจ้ ะหลุดออกเอนไซม์ เช่นกนั ทาให้เสร็จสนิ ขนั สนิ สดุ จะไดส้ าย mRNA เพือ่ ใชใ้ นกระบวนการแปลรหสั ต่อไป ส่วน DNA สองสาย จะจบั คู่กนั และบิดเปน็ เกลยี วเหมือนเดมิ 13

DNA เอกสารประกอบการสอน เรื่อง DNA รายวิชาชีววิทยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล ช่วงเริ่มตน้ หน่วยการถอดรหัส DNA คลายเกลยี ว ชว่ งสนิ สุด 1. เอนไซม์ RNA polymerase เขา้ จบั กบั ชว่ งตังต้น และ DNA คลายเกลยี ว สายถอดรหสั ไรโบนิวคลีโอไทด์ 2. ขนั เรม่ิ ต้นการถอดรหสั ไรโบนิวคลีโอไทด์ สายตน้ แบบ เริ่มเขา้ มาจบั กับเบสของ DNA สายต้นแบบ ไรโบนวิ คลโี อไทด์ RNA 3. ขันต่อสายยาว เอนไซม์ RNA polymerase เช่ือม ไรโบนิวคลีโอไทดใ์ หเ้ ป็นสายยาว โดยมที ิศจาก 5’ 3’ RNA ไรโบนวิ คลีโอไทด์ RNA สายยาวขนึ เรือ่ ยๆ เอนไซม์ RNA polymerase 4. ขันสินสดุ เอนไซม์ RNA polymerase แยกออกจาก DNA DNA จบั เขา้ ค่กู นั เหมอื นเดมิ ผลผลิต mRNA 14

เอกสารประกอบการสอน เร่ือง DNA รายวชิ าชีววทิ ยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล รหัสพันธกุ รรม (genetic code) DNA เป็นแมแ่ บบในการสงั เคราะห์ mRNA ดังนนั ขอ้ มูลทางพันธกุ รรมใน DNA จะถ่ายทอดใหก้ บั mRNA การเรยี งลาดบั นิวคลโี อไทดช์ นดิ ตา่ งๆ ของ mRNA จึงเปน็ ตัวกาหนดการเรยี งลาดบั กรดอะมิโน เพอ่ื สังเคราะหโ์ ปรตีน เรียกวา่ รหัสพนั ธกุ รรม (genetic code) รหสั พนั ธุกรรมที่เป็นรหัสสามตวั (triplet code) ซ่งึ ประกอบด้วยเบสของนิวคลีโอไทดเ์ รียงกัน 3 ตัว ตามลาดบั ใน mRNA เป็น 1 รหสั เรยี กวา่ โคดอน (codon) แตล่ ะโคดอนจะแปลผลไดเ้ ปน็ กรดอะมโิ น 1 ชนิด ลาดบั เบสของ tRNA ท่เี ข้าคู่กับลาดบั เบสของโคดอนใน mRNA เรียกวา่ แอนตโิ คดอน (anticodon) รหสั ตังต้น (start codon) เพอ่ื เร่ิมสรา้ งโปรตีน คอื AUG เสมอ แปลได้กรดอะมิโนเมไทโอนีน (Met) รหสั หยดุ กำรสังเครำะหโ์ ปรตนี (stop codon) มี 3 รหสั คอื UAA UAG และ UGA 15

เอกสารประกอบการสอน เรื่อง DNA รายวิชาชีววิทยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล ตำรำง ชอื่ ยอ่ และชื่อเต็มของกรดอะมโิ น ชื่อยอ่ กรดอะมิโน ชอ่ื เตม็ กรดอะมิโน Phe ฟนิ ลิ อะลานนี Leu ลิวซีน Ser ซีรนี Tyr ไทโรซนี Cys ซสี เทอนี Trp ทรปิ โตเฟน Pro โพรลีน His ฮีสทดิ นี Gln กลตู ามนี Arg อาร์จินนี Ile ไอโวลวิ ซีน Met เมไทโอนนี Thr ทรีโอนนี Asn แอสพาราจนี Lys ไลซนี Val วาลีน Ala อะลานีน Asp กรดแอสปาตกิ Glu กรดกลตู ามกิ Gly ไกลซีน 16

เอกสารประกอบการสอน เร่ือง DNA รายวชิ าชวี วทิ ยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล การแปลรหัส (translation) กำรแปลรหสั (translation) เป็นกระบวนการที่เกดิ ขนึ ในไซโทพลาสซึมของเซลล์ โดยมกี ารสงั เคราะห์ สายโปรตีนจากรหสั พันธุกรรมท่ี mRNA ขนส่งมา กระบวนการดังกลา่ วเกิดขึนจากการทางานรว่ มกนั ของโมเลกลุ RNA อกี 2 ชนดิ คือ tRNA และ rRNA มาทางานรว่ มกันเพอ่ื ใหไ้ ดส้ ายโปรตีนท่ีมกี ารเรยี งตวั ของกรดอะมโิ น เป็นไปตามรหัสพันธุกรรมทไ่ี ด้รับมาจาก DNA mRNA ทาหน้าทเี่ ป็นตัวขนสง่ รหสั พันธกุ รรมมายังไซโทพลาสซึม มีขนาดหลากหลายมากขนึ อยู่กับ ความยาวของยนี บนสาย DNA รหสั พนั ธุกรรมที่อยู่บนสาย DNA จะอย่ใู นรูปที่เรยี กวา่ โคดอน (codon) หมายถึงการเรยี งตวั ของนวิ คลีโอไทด์สามเบสเพอื่ ใชใ้ นการแปลรหสั เป็นกรดอะมิโน 1 ชนิด tRNA ทาหน้าท่ีเปน็ ตวั ขนยา้ ยกรดอะมโิ นมาทาการตอ่ เปน็ สายโปรตนี โดย tRNA แต่ละตัวจะขน กรดอะมโิ นมาไดเ้ พียงตวั เดียว และ tRNA เปน็ RNA ทีม่ จี านวนชนดิ มากทีส่ ุดถึง 64 ชนดิ โดยมีความแตกตา่ งกัน ทีต่ าแหนง่ ทเ่ี รียกว่า แอนตโิ คดอน (anticodon) ตาแหนง่ แอนตโิ คดอนนีจะมคี วามเปน็ คูส่ มกันกบั โคดอน ท่ีพบใน mRNA การมจี านวนชนิดทห่ี ลากหลายทาให้ tRNA มคี วามจาเพาะสูงในการนากรดอะมโิ นมาตอ่ เปน็ สายยาว rRNA ทาหนา้ ทเ่ี ป็นตัวสรา้ งพนั ธะให้กบั กรดอะมโิ นแต่ละตวั ที่ tRNA ขนยา้ ยมา ใหเ้ กิดการต่อเป็นโปรตนี สายยาวได้ โดยมีตาแหน่งอยทู่ ไี่ รโบโซม ไรโบโซม (ribosome) ในยคู าริโอตประกอบด้วย 2 หน่วยย่อย (subunit) คอื ขนาดเลก็ 40S และขนาด ใหญ่ 60S เชอื่ มรวมกนั เปน็ ไรโบโซมที่มีขนาด 80S ส่วนในโปรคารโิ อตก็ประกอบด้วย 2 หนว่ ยยอ่ ยเชน่ เดียวกนั คอื ขนาดเลก็ 30S และขนาดใหญ่ 50S เช่ือมรวมกันเป็นไรโบโซมที่มีขนาด 70S Prokaryote Ribosome: 70S Ribosome Eukaryote Ribosome: 80S Ribosome 17

เอกสารประกอบการสอน เร่ือง DNA รายวิชาชวี วิทยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล ขนั ตอนกำรแปลรหสั ขันเร่มิ ต้น (initiation step) เม่อื สาย mRNA เคล่อื นทอ่ี อกจากนวิ เคลียสมายงั ไซโทพลาสซมึ แล้ว สาย mRNA จะเคลอ่ื นที่ไปยัง ไรโบโซม หรอื rRNA ทเ่ี ปน็ หนว่ ยเลก็ จะเข้าจบั สาย mRNA ท่ีปลาย 5’ จากนันหนว่ ยใหญ่จะเข้าประกบ โมเลกลุ ของ rRNA จะเริม่ เคลอื่ นตวั ไปตามสาย mRNA จนกระทั่งเจอจดุ โคดอนซ่ึงเป็นจดุ เร่มิ ต้น ของการสงั เคราะหโ์ ปรตีน คือ start codon มลี าดับเบส AUG ดังนันโมเลกุล tRNA ตัวแรกจึงขนกรดอะมิโน ทมี่ ีช่ือว่าเมไทโอนีน (Met) มาจับกบั สาย mRNA ท่ตี าแหนง่ พไี ซต์ (P site) โดยใช้บรเิ วณแอนตโิ คดอนยดึ กบั โคดอน (ตาแหนง่ บนไรโบโซมมี 3 ตาแหน่ง คือ พไี ซต์ (P site) เอไซต์ (A site) และ อไี ซต์ (E site)) ขนั ต่อสำยยำว (elongation step) เมือ่ โมเลกุลของ tRNA ตวั แรกจับกับสาย mRNA ทต่ี าแหน่ง start codon เรยี บรอ้ ยแลว้ โมเลกุล ของ tRNA จะเคลื่อนตวั ไปตามสาย mRNA เพอื่ ให้ tRNA ตัวทส่ี องทมี่ ีแอนตโิ คดอนทเี่ ปน็ คูส่ มกบั โคดอน ตวั ถัดไปเขา้ มาจบั ต่อกับกรดอะมิโนตัวแรก ณ ตาแหน่งเอไซต์ จากนันเชอื่ มกรดอะมโิ นทังสองดว้ ยพนั ธะ เพปไทด์ ณ ตาแหน่งพีไซต์ โดยไรโบโซมจะเคลอ่ื นท่ีไปยงั โคดอนถัดไปในทศิ ทางจากปลาย 5’ ไปยงั 3’ ทาให้ tRNA ตัวแรกหลุดออกไป ณ ตาแหนง่ อไี ซต์ กระบวนการนจี ะเกดิ ไปเรอื่ ยๆ ตลอดสาย mRNA ขนั สนิ สดุ (termination step) เมื่อมกี ารสงั เคราะหส์ ายโปรตีนยาวขึน โมเลกลุ ของ tRNA เคลอ่ื นไปไปตลอดสาย mRNA จนกระทงั่ เจอรหสั หยดุ การสงั เคราะหโ์ ปรตนี (stop codon) มี 3 รหสั คือ UAA UAG และ UGA ซง่ึ โคดอนทังสาม จะไม่มกี รดอะมิโนอย่เู ลย จากนัน tRNA จะเคลอื่ นตวั แยกออกจากหนว่ ยย่อยทงั สองของโบโซม สาย mRNA กจ็ ะหลดุ ออกจากโปรตนี ท่ีกาลังตอ่ สายอยู่ทาใหไ้ ด้สายโปรตนี อสิ ระออกมา เปน็ อันเสร็จสนิ กระบวนการ แปลรหสั โปรตนี ท่ไี ด้จากกระบวนการนีต้องผา่ นกระบวนการดัดแปลงโปรตีนให้มีโครงรปู เหมาะสม ตอ่ การทางานต่างๆ ภายในเซลลอ์ กี ทกี อ่ นส่งไปทางานตามสว่ นตา่ งๆ ของเซลลแ์ ละเนอื เยอื่ จึงเรียก กระบวนการหลังการแปลรหสั วา่ post-translational modification ในโปรคาริโอต การสงั เคราะห์โปรตีนสามารถทาไดพ้ รอ้ มๆ กันหลายๆ สาย โดยอาศัย mRNA เพยี งสายเดยี ว บรเิ วณทีม่ เี หตุการณเ์ ช่นนี ถูกเรียกวา่ โพลีโซม (polysome) หรอื พอลไิ รโบโซม (polyribosome) mRNA พอลิโซม DNA 18

เอกสารประกอบการสอน เร่ือง DNA รายวิชาชีววทิ ยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล กรดอะมิโน tRNA แอนตโิ คดอน โคดอน ภำพกำรเขำ้ คูก่ นั ของโคดอนและแอนติโคดอน tRNA mRNA วำ่ ง tRNA น้ำกรดอะมิโน tRNA หลดุ ออก เคลอ่ื นย้ำยมำ จำกไรโบโซม สำยพอลเิ พปไทด์ แอนตโิ คดอน tRNA กรดอะมโิ น ภำพกระบวนกำรแปลรหัสในยคู ำรโิ อต 19

เอกสารประกอบการสอน เร่ือง DNA รายวิชาชีววทิ ยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล กรดอะมิโน tRNA แอนตโิ คดอน โคดอน ภำพกำรเขำ้ คูก่ นั ของโคดอนและแอนติโคดอน tRNA mRNA วำ่ ง tRNA น้ำกรดอะมิโน tRNA หลดุ ออก เคลอ่ื นย้ำยมำ จำกไรโบโซม สำยพอลเิ พปไทด์ แอนตโิ คดอน tRNA กรดอะมโิ น ภำพกระบวนกำรแปลรหัสในยคู ำรโิ อต 19

เอกสารประกอบการสอน เร่ือง DNA รายวิชาชีววทิ ยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล กรดอะมิโน tRNA แอนตโิ คดอน โคดอน ภำพกำรเขำ้ คูก่ นั ของโคดอนและแอนติโคดอน tRNA mRNA วำ่ ง tRNA น้ำกรดอะมิโน tRNA หลดุ ออก เคลอ่ื นย้ำยมำ จำกไรโบโซม สำยพอลเิ พปไทด์ แอนตโิ คดอน tRNA กรดอะมโิ น ภำพกระบวนกำรแปลรหัสในยคู ำรโิ อต 19

เอกสารประกอบการสอน เร่ือง DNA รายวิชาชีววทิ ยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล กรดอะมิโน tRNA แอนตโิ คดอน โคดอน ภำพกำรเขำ้ คูก่ นั ของโคดอนและแอนติโคดอน tRNA mRNA วำ่ ง tRNA น้ำกรดอะมิโน tRNA หลดุ ออก เคลอ่ื นย้ำยมำ จำกไรโบโซม สำยพอลเิ พปไทด์ แอนตโิ คดอน tRNA กรดอะมโิ น ภำพกระบวนกำรแปลรหัสในยคู ำรโิ อต 19

เอกสารประกอบการสอน เร่ือง DNA รายวิชาชีววทิ ยา 5 BY ครูดารุณี รัตนะดารัล กรดอะมิโน tRNA แอนตโิ คดอน โคดอน ภำพกำรเขำ้ คูก่ นั ของโคดอนและแอนติโคดอน tRNA mRNA วำ่ ง tRNA น้ำกรดอะมิโน tRNA หลดุ ออก เคลอ่ื นย้ำยมำ จำกไรโบโซม สำยพอลเิ พปไทด์ แอนตโิ คดอน tRNA กรดอะมโิ น ภำพกระบวนกำรแปลรหัสในยคู ำรโิ อต 19