BIO M.4 MOLECULAR GENETICS SUM (1)

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววิทยา BIOLOGY BY MONKUNG CHAPTER 4 พันธุศาสตร์โมเลกลุ (ยนี และ โครโมโซม) CONTENT CONTENT PAGE 1. พ้ืนฐาน DNA และโครโมโซม 2 2. สารพันธุกรรม และการค้นพบ 11 3. สมบัตขิ องสารพันธุกรรม 13 4. การจาลองDNA (DNA replication) 14 5. Gene expression 17 6. การถอดรหัส (Transcription) 19 7. การแปลรหสั (Translation) 21 8. central dogma 25 9. การกลายพันธุ์ (Mutation) 26 1

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววทิ ยา BIOLOGY BY MONKUNG 1. พืน้ ฐาน DNA และโครโมโซม Genetics information - ข้อมูลทางพนั ธุกรรม ถกู เกบ็ ในรูปของรหสั พันธกุ รรม บนสารพนั ธุกรรม : กรดนิวคลอิ ิก (nucleic acid) ชนิด หลกั คือ DNA (Deoxyribonucleic acid) และ RNA (Ribonucleic acid) (ส่งิ มีชีวิตบางชนิด มสี ารพนั ธกุ รรมหลักเพียงแค่ RNA เช่น RNA-virus , Viroid เป็นต้น) กรดนิวคลิอกิ (Nucleic acid) - เปน็ โครงสร้างสาย polynucleotide จากการประกอบกนั ของหนว่ ยยอ่ ย (subunit) คือ Nucleotide ด้วยพันธะ Phosphodiester bond A T C G (DNA) - พบ 2 ประเภท คือ DNA และ RNA - Nucleotide ประกอบดว้ ย 3 หนว่ ย คอื A U C G (RNA) 1. Phosphate group Nitrogenous base 2. Pentose sugar 3. Nitrogenous Base Phosphate group : Ribose (RNA) Pentose sugar : Deoxyibose (DNA) O Pentose phosphate backbone Nucleotide Nucleoside (Nucleoside monophosphate) 1) Phosphate group 2) Pentose sugar (C5H10O5) 3) Nitrogenous base - มาจากกรดฟอสฟอริก - Ribose (C5H10O5) องค์ประกอบ RNA - DNA = A T C G (* DNA ไมม่ ี U) (Phosphoric acid) - RNA = A U C G (* RNA ไมม่ ี T) ทาให้สารพันธุ กรรมเปน็ - Deoxyribose (C5H10O4) องคป์ ระกอบ DNA 2 ประเภท ** ดทู ่ี C ตาแหนง่ ท่ี 2 จะตา่ งกนั กรด Ribose C ตาแหนง่ 2 จะมี OH 1. Purine base (เบสวง C 2 วง) Deoxyribose C ตาแหนง่ 2 จะไม่มี O = Guanine (G) , Adenine (A) 2. Pyrimidine base (เบสวง C 1 วง) = Thymine (T) , Cytosine (C) , Uracil (U) 2

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววทิ ยา BIOLOGY BY MONKUNG สาย Polynucleotide - เปน็ การนา Nucleotide มาตอ่ กนั ด้วยพนั ธะ Phosphodiester bond (linkage) - กระบวนการท่นี า nucleotide มาต่อกนั เป็น Polymer เรียกวา่ ปฏิกริ ิยา Polymerization ใช้เอนไซม์ Polymerase เรง่ ปฏิกิรยิ า ปลาย Phosphate จะเปน็ ปลาย 5’ ปลาย pentose sugar (-OH) จะเป็นปลาย 3’ - ทิศทางการสร้างสาย polynucleotide จะมที ิศจาก 5’ → 3’ เสมอ - Nucleotide อสิ ระท่ีจะนาเอามาตอ่ เป็นสาย polynucleotide จะ อยู่ในรูป Nucleoside triphosphate (NTP) Polymerization นาปลาย 5’-phosphate ของ nucleotide ใหม่ ตอ่ กบั ปลาย 3’-OH ของ polynucleotide เดิม จงึ เกิดการยืดจากปลาย 5’ ไป 3’ เสมอ 3

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววิทยา BIOLOGY BY MONKUNG DNA และ RNA เปรียบเทยี บ RNA polynucleotide 1 สาย (single strand) DNA บางชนดิ อาจเกิดการ form เปน็ รูป 2 สาย บิดเกลียว (Double helix) double strand - คู่เบสจบั กัน โดย Ribose (C5H10O5) A จับ T ดว้ ย 2 H-bond C จับ G ดว้ ย 3 H-bond Deoxyribose (C5H10O4) Pentose sugar A G (purine) N-base A G (purine) T C (pyrimidine) หน้าท่ี U C (pyrimidine) - ควบคมุ การถา่ ยทอดลกั ษณะทาง - เปน็ ตวั กลางในการสงั เคราะห์ Protein พนั ธุกรรม (ของส่ิงมีชีวติ ส่วนใหญ่) - ตัวกลางการทางานท่เี ก่ียวขอ้ งกบั gene - เก็บรหสั พนั ธุกรรมในรูปของลาดับ - สารพนั ธุกรรมหลักในส่งิ มชี ีวติ บางชนิด nucleotide เปน็ แม่แบบในการ เช่น RNA-virus , Viroid สงั เคราะห์ Protein 4

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววทิ ยา BIOLOGY BY MONKUNG โครงสร้างโครโมโซม โครโมโซม (Chromosome) - เป็นโครงสรา้ งท่ปี ระกอบด้วย DNA พนั กบั โปรตนี Histone protein และ Non-histone protein พนั เปน็ สาย เสน้ ใยโครมาทนิ (Chromatin) และขดตัวแนน่ เปน็ แท่งเรยี กวา่ โครโมโซม (Chromosome) ในขณะเซลลก์ าลังมี การแบ่งนวิ เคลยี ส - Chromatin ประกอบด้วย DNA พนั รอบ Histone protein จานวน 8 หน่วย เรยี กวา่ Octamer octamer คอื histone ชนิด H2A H2B H3 H4 อยา่ งละ 2 หนว่ ย และมี special histone protein ชนิด H1 เป็นโครงสร้างยึดใหพ้ นั กันเป็นโครงสรา้ งคล้ายเส้นดา้ ยพันลกู ปัด เรยี กโครงสรา้ งนี้ว่า Nucleosome - DNA (ประจุลบ) พนั Histone protein (ประจุบวก) อัตราสว่ น DNA : Protein = 1 : 3 chromatin DNA + Histone → Nucleosome → Chromatin → Chromosome (1 Chromatid) 5

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววิทยา BIOLOGY BY MONKUNG การขดตัวแน่นของโครโมโซมในระยะ Metaphase (a) DNA พนั รอบ histone protein (octamer : H2A H2B H3 H4 x 2) (b) DNA พันรอบ octamer และมี histone H1 และ DNA-binding protein ชนิดอ่นื ยดึ ให้ nucleosome ติดๆกนั (c) หลาย nucleosome กลายเป็น Chromatin fiber และสรา้ งเป็น radial loop กับ Scaffold protein (d) Chromatin fiber ควบแนน่ ข้นึ เป็นโครงสร้าง heterochromatin (e) Chromatin จะพนั แน่นมากท่ีสุดและ กลายเป็นแท่ง Chromosome แตล่ ะ Chromatid และมี 2 Chromatid เกิด จากการจาลอง DNA ทาให้ DNA เพ่ิม เป็น 2 เท่า Chromatid กเ็ ป็น 2 เทา่ - Linear DNA 1 โมเลกุลสายยาว จะขดตัวพนั โปรตนี กลายเป็น Chromosome จานวน 1 แทง่ (1 chromatid) - Chromosome จะมีการเข้าคกู่ ัน ของโครโมโซมคู่เหมือน เรยี กวา่ Homologous chromosome - Chromosome ระยะปกติ จะมเี พยี ง 1 chromatid แตเ่ ม่ือเข้าส่รู ะยะการแบ่งเซลลจ์ ะมีการสรา้ ง Chromatid เพ่มิ มา อีก 1 กลายเปน็ Chromosome ท่ีมี 2 Chromatid เรียกโครมาทดิ ท่ีไดจ้ ากการจาลองตวั ของ DNA ใน 1 แทง่ โครโมโซมนวี้ า่ sister chromatid 6

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววิทยา BIOLOGY BY MONKUNG DNA 1 โมเลกลุ มที ัง้ สว่ นท่เี ป็น gene : นาไปถอดรหสั และแปลรหสั สรา้ ง Protein ได้ และส่วนท่ีไมเ่ ป็น gene (non-gene / noncoding DNA ) : ถอดรหัส แปลรหสั สร้าง Protein ไม่ได้แต่สามารถใช้ระบุเอกลักษณ์ของแตล่ ะบุคคลได้ ยีน (gene) - เป็นสว่ นจาเพาะของ DNA ท่ีทาหน้าท่คี วบคมุ การสงั เคราะห์โปรตีน (Protein synthesis) เกิดลกั ษณะ ทางพันธุกรรมและเอนไซมส์ าคญั ในกระบวนการของส่งิ มชี ีวติ - นาไป ถอดรหัส แปลรหสั เพ่อื สร้างโปรตนี ได้ - 1 ยนี ควบคุม ได้ 1 ลกั ษณะ เทา่ นนั้ ONE GENE = ONE PROTEIN = ONE EXPRESSION - 1 ยีน ควบคมุ เพียงแค่ 1 ลักษณะ (1 โปรตนี ) เทา่ นนั้ แต่ 1 ลักษณะ อาจควบคุมจากยีน หลายยนี ได้ เช่น Polygene - ** gene สว่ นมากอยูบ่ น DNA ของส่ิงมชี ีวิตทัว่ ไป แต่อาจอยู่บน RNA ของ RNA-virus ก็ได้ ตอ้ งจา  ขอ้ มูลทางพันธุกรรมเก็บอยู่ในโมเลกุล DNA ในรูป การเรยี งลาดับของนิวคลีโอไทด์ในโมเลกุล  DNA ในโครโมโซมแต่ละแทง่ ของคนมีโครงสร้างท่แี ตกต่างกนั คอื จานวนและการจดั เรยี งลาดบั ของ นวิ คลีโอไทด์ 7

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววทิ ยา BIOLOGY BY MONKUNG ประเภทโครโมโซม  แบ่งตามตาแหน่งของ Centromere 4 ประเภท (p-arm = แขนสน้ั และ q-arm = แขนยาว) Metacentric Submetacentric Acrocentric Telocentric แขน P เทา่ กบั q แขน P ส้ันกวา่ q แขน P สนั้ มาก แขน P ไม่ม/ี อาจไมพ่ บ แบง่ ตามความเก่ียวขอ้ งของการแสดงออก 2 ประเภท โครโมโซมรา่ งกาย (autosome) - โครโมโซมท่ีมจี านวนและลกั ษณะเหมือนกนั ท้งั เพศหญงิ และเพศชาย - มี gene ท่เี ก่ียวขอ้ งกบั ลกั ษณะทางรา่ งกาย แต่ไมไ่ ดก้ าหนดเพศ โครโมโซมเพศ (sex chromosome) - โครโมโซมท่มี ีลักษณะไม่เหมือนกนั ในเพศหญิง และเพศชาย - เปน็ โครโมโซมท่ีกาหนดเพศ (sex determination) โดยการ ควบคมุ การแสดงออกลักษณะการเจริญของ gonad sex chromosome (อวยั วะเพศ) + ลกั ษณะทางเพศ + อ่นื ๆ autosome จาก Karyotype โครโมโซมของมนษุ ย์ - ในเซลล์รา่ งกาย (somatic cell) (diploid = 2n) จะมโี ครโมโซม 23 คู่ = 46 แทง่ (มาจากพอ่ คร่งึ และมาจากแมค่ ร่ึง ) คทู่ ่ี 1 – 22 คอื Autosome คทู่ ่ี 23 คอื Sex chromosome กาหนดเพศ XX = ผูห้ ญิง : เป็น homologous chromosome XY = ผู้ชาย : เป็น homologous chromosome แบบไมแ่ ทจ้ รงิ โครโมโซมท่ีเป็นตัวกาหนดเพศจริงๆ 8 คอื Y-chromosome เพราะไมว่ า่ จะ เพศใดจะมี X-chromosome เสมอ และถา้ เม่ือใด มี Y-chromosome จะมี SRY gene สรา้ งสาร Testis- determining factor (TDF) ควบคมุ การสรา้ ง gonad เจริญเป็นอณั ฑะ เป็นเพศชาย ถา้ ไม่มี Y-chromosome ไมม่ ี SRY gene ไม่มี TDF กจ็ ะมกี ารสรา้ ง gonad เจรญิ เป็นรังไข่ไปเลย เป็นหญงิ

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววทิ ยา BIOLOGY BY MONKUNG Homologous chromosome : โครโมโซมคู่เหมอื น ** Homologous chromosome ไม่จาเปน็ ต้องมี 2 แทง่ ถ้าเปน็ 2n ก็มี 2 แท่ง 3n ก็มี 3 แท่ง 4n ก็ 4 แทง่  แบ่งตามประเภทของเซลล์ 2 ประเภท Prokaryotic chromosome Eukaryotic chromosome 1 Chromosome = 1 DNA หลาย Chromosome = หลาย DNA Chromosome = เปน็ วงแหวนปิด Closed circular DNA Chromosome = สายตรง Linear DNA Chromosome แขวนลอยอยู่ใน Cytosol = Nucleoid Chromosome เปน็ เสน้ ใย Chromatin = DNA + histone + nonhistone ไมร่ วมกบั histone รวมกบั histone = Nucleosome อาจพบ DNA เปน็ วงขนาดเล็ก : Plasmid - 9

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววิทยา BIOLOGY BY MONKUNG กรดดอี อกซีไรโบนวิ คลิอิก (Deoxyribonucleic acid : DNA) - โครงสรา้ ง DNA ประกอบด้วยสาย polynucleotide จานวน 2 สาย พนั กนั เป็นเกลียวเวยี นขวา เรียกว่า Double helix strand - โดยสาย polynucleotide เรยี งตัวในแนวทศิ ทางขนานและสวนทางกนั เรยี กวา่ Antiparallel strand - หน่วยย่อย คือ Deoxyribonucleotide ประกอบดว้ ย 1. Phosphate group 2. Deoxyribose (C5H10O4) 3. Nitrogenous Base 4 ชนิด : A T C G 2 นาโนเมตร - สาย polynucleotide โดยท่ี deoxyribonucleotide จะเช่ือมตอ่ ดว้ ย Phosphodiester bond - คู่เบส จะเช่ือมตอ่ กันด้วย Hydrogen bond โดยท่ี เบส A จะเช่ือมกบั เบส T ดว้ ยพนั ธะไฮโดรเจน 2 พันธะ เสมอ เบส C จะเช่ือมกับเบส G ดว้ ยพนั ธะไฮโดรเจน 3 พนั ธะ เสมอ เรยี กการจับค่ขู องคู่เบสท่ีจาเพาะเจาะจงนี้ว่า complementary base pair 1 เกลยี ว 10 คู่เบส 3.4 นาโนเมตร - 1 เกลยี ว (รอบ) DNA สาย polynucleotide ยาว 10 คูเ่ บส ยาว 3.4 nm (นาโนเมตร) - เส้นผา่ นศนู ย์กลางเกลยี ว DNA = 2 nm นบั พนั ธะ จากตวั อยา่ ง DNA : 5’ GGCGTACCAGCGCAT 3’ 3’ CCGCATGGTCGCGTA 5’ นบั ได้ 40 H-bond 28 phosphodiester bond คู่ GC 10 คู่ x 3 H-bond = 30 H-bond คู่ AT 5 คู่ x 2 H-bond = 10 H-bond รวม 40 H-bond 10

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววทิ ยา BIOLOGY BY MONKUNG 2. สารพนั ธุกรรม และการค้นพบ ใคร ทาอะไร 1. เฟรดชิ มิ เชอร์ - เอาเซลล์เม็ดเลือดขาวมาดู Nucleus ใช้เอนไซม์ Pepsin ย่อยสารในนวิ เคลยี ส ย่อยได้แค่โปรตีน แต่ เหลอื สารหน่ึงท่ีย่อยไม่ได้ ยอ่ ยไม่ได้ เพราะสารนนั้ ไมใ่ ช่ โปรตนี 2. โรเบริ ต์ เลยต้งั ช่ือสารนัน้ ว่า Nuclein ต่อมาพบว่ามสี มบตั เิ ป็นกรด เรยี กว่า Nucleic acid ฟอยล์เกน - ทาสีฟุ คซิน (Fuchsin) ติดสี DNA สีไปติดแนน่ ท่ี Chromosome สรุปได้ว่า : DNA อยูบ่ น Chromosome 3. เฟรเดอรกิ - ทดสอบสารท่กี าหนดลักษณะทางพนั ธุกรรม กริฟฟิ ท - ฉดี Streptococcus pneumonia : Bact. โรคปอดบวม ลงในหนทู ดลอง - Streptococcus pneumonia มี 2 ชนดิ = ชนิด R (Rough colony : โคโลนเี รียบ : ไม่มแี คปซูล ไมก่ อ่ โรค) ชนดิ S (Smooth colony : โคโลนีขรุขระ : มแี คปซูล กอ่ โรค) 1. หนู + R หนูมชี ีวติ รอด 2. หนู + S หนูตาย + พบเชื้อ S 3. หนู + S ท่ีตายดว้ ยความร้อน หนูมชี ีวติ รอด 4. หนู + S ท่ีตายด้วยความรอ้ น + R หนูตาย + พบเชื้อ S สรุปไดว้ า่ : มสี ารบางอยา่ งจาก สายพนั ธุ์ S ทาใหส้ ายพนั ธุ์ R เปล่ยี นเป็นสายพนั ธ์ุ S และสามารถ 5. แอเวอรี ถ่ายทอดลักษณะส่รู ุ่นลูกหลานได้ แมคลอยด์ - หาวา่ สารบางอย่างเปล่ียน R เป็น S (สารนนั้ มาจากซาก S) เป็นสารประเภทใด แมคคารท์ ี ระหว่าง DNA / RNA / Protein [สกดั มาจาก Bact. สายพนั ธุ์ S] - หลอดทดลองทง้ั 3 ทกุ หลอดมสี ารทงั้ 3 และ มี Bact. สายพนั ธุ์ R 1. หลอดท่ี 1 ไมใ่ ส่ enzyme เหลือ หนูตาย พบ S 2. หลอดท่ี 2 ใส่ Deoxyribonuclease [ ทาลาย DNA ] เหลือ หนรู อด 3. หลอดท่ี 3 ใส่ Ribonuclease [ ทาลาย RNA ] หนูตาย เหลือ หนตู าย 4. หลอดท่ี 4 ใส่ Protease [ ทาลาย Protein ] เหลอื - แสดงวา่ DNA เป็นสารท่เี ปล่ยี น R เปน็ S และทาใหห้ นตู าย สรุป : กรดนวิ คลอี กิ ชนิด DNA เป็นสารพนั ธกุ รรม ท่ีเปล่ียน R เป็น S 11

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววิทยา BIOLOGY BY MONKUNG 6. ชัตตนั - ทฤษฎโี ครโมโซมในการถ่ายทอดพนั ธกุ รรม (chromosome theory of inheritance) 7. ชารก์ าฟฟ์ - Gene เป็นส่วนหน่งึ ของ Chromosome 1. Gene มี 2 ชุด → Chromosome มี 2 ชุด 2. Gene และ Chromosome ถ่ายทอดได้ 3. ตอนแบง่ เซลลแ์ บบไมโอซิส คู่ Chromosome แยก → คู่ gene ก็แยก 4. ตอนสืบพนั ธุ์ (Sperm + Egg) Chromosome มาเขา้ คู่ → Gene กม็ าเข้าคู่ 5. ในCell ลกู Chromosome และ Gene คร่ึงหน่งึ มาจากพ่อ และ อีกคร่งึ มาจากแม่ - ปริมาณเบส ������ = ������ และ ������ = ������ เสมอ %������������ = 1 ������+������ ≠ 1 %Py ������+������ 8. มวั รสิ - ศึกษาโครงสร้างของ DNA โดยใช้รงั สี X ; x-ray diffraction แฟรงคลนิ 9. วอตสนั สรุปได้ว่า : DNA ประกอบดว้ ย polynucleotide 2 สาย มลี กั ษณะเป็นเกลยี ว และ ครกิ - เสนอแบบจาลอง DNA ดงั น้ี 1. DNA เป็น Polynucleotide 2 สาย บดิ เกลยี วคู่ [Double helix] เรยี งสวนทางกนั (antiparallel) เช่ือมกนั เป็นบนั ไดเวียนขวา ตามเข็มนาฬิ กา ราวบันได คอื น้าตาล deoxyribose + หมู่ Phosphate ขนั้ บนั ได คือ คเู่ บส (complementary base) 2. DNA เกลยี วเสน้ ผา่ นศูนย์กลางกว้าง 2 nm ยาว 1 เกลียว คือ 10 คู่เบส ยาว 3.4 nm 3 คู่ Base เช่ือมด้วย พันธะไฮโดรเจน : ������ = ������ แล ������ ≡ ������ เสมอ เรียกวา่ เบสคู่สม (Complementary base pair ) 4. การเรียงลาดบั ของนวิ คลีโอไทด์ท่ีแตกตา่ งกันทาให้ มี DNA ท่แี ตกต่างกนั 12

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววิทยา BIOLOGY BY MONKUNG 3. สมบตั ิของสารพนั ธุกรรม สมบตั ขิ องสารพนั ธุกรรม 1. เพ่ิมจานวนตวั เองได้ : DNA replication : เปน็ การเพม่ิ จานวน DNA เปน็ 2 เทา่ ในขัน้ ตอน s-phase ใน interphase กอ่ นเกดิ การแบง่ นิวเคลียส 2. ถ่ายทอดได้ : ตามหลกั พันธุศาสตรเ์ มนเดล 3. ควบคมุ ให้เซลล์สร้างสารมาควบคมุ ลกั ษณะ และการทางานได้ : Gene expression : Protein synthesis 4. เปล่ยี นแปลงได้บ้างเล็กนอ้ ย เกดิ ความหลากหลาย และววิ ัฒนาการ : Mutation กลายพนั ธุ์ 13

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววทิ ยา BIOLOGY BY MONKUNG 4. การจาลองDNA (DNA replication) - เป็นการเพ่ิมจานวน DNA เม่ือกาลงั จะแบง่ นวิ เคลียส - DNA replication เกิดในข้ันตอน s-phase ใน interphase - จาก 1 chromosome 1 chromatid → เพม่ิ เปน็ 2 chromatid ลักษณะการจาลอง DNA - DNA สายเดมิ จะแยกเปน็ polynucleotide สายเด่ียว 2 สาย แตล่ ะสายจะสรา้ ง polynucleotide สายใหม่มา ประกบ ได้ DNA สายใหม่ 2 สาย ท่ี DNA ท่ีสรา้ งไดม้ ี ทง้ั สายเก่า + สายใหม่ เปน็ การจาลองแบบก่งึ อนรุ กั ษ์ (semiconservation replication) - แม่แบบ : DNA template ใช้ทงั้ 2 สาย จะถกู แยกเป็นสายเด่ียว ท่จี ุด origin of replication DNA จะถูกคลายเกลียวเปน็ กระเปาะ เรยี กวา่ Replication bubble - การสังเคราะห์สายใหมป่ ระกบ เกดิ ได้ 2 ทิศทาง เรียกว่า bidirectional replication - สายใหม่ : สร้าง DNA จาก 5’ → 3’ เสมอ แตอ่ า่ นแมแ่ บบจะอ่านแม่แบบ 3’ → 5’ - ใช้เอนไซม์หลายตัว : มี DNA Polymerase เปน็ หลัก 14

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววิทยา BIOLOGY BY MONKUNG Helicase แหกเกลียวคู่ของ DNA (ทาลาย H-bond) เป็นสายเด่ยี ว 2 สาย ทิศสังเคราะห์ตาม Helicase จะสร้างเป็นสายท่ียาวต่อเน่อื ง : Leading strand Topoisomerase ตัดพนั ธะ Phosphodiester bond เพ่ือคลายปมเหนือ ทศิ สงั เคราะห์ตรงข้าม Helicase จะสร้าง DNA เป็นสายสนั้ ๆ จุด replication fork (Okazaki’s fragment ) หลายสายเป็นสายไมต่ อ่ เน่ือง : Lagging strand มี RNA primer เป็นระยะๆ SSB protein (single strand binding protein) มาจบั กบั DNA ทงั้ 2 DNA polymerase I ตัด RNA primer ทง้ิ สาย ป้องกนั ไม่ให้ DNA ท่ีแยกกันกลับไปเข้าคกู่ ันเหมอื นเดมิ เปล่ียนเป็น DNA มาแทนท่ี primase นา RNA primer (RNA สายสนั้ ๆ) มาเป็นตวั เร่มิ DNA ligase เช่ือมตอ่ พนั ธะ Phosphodiester bond จากปลาย 5’ → 3’ เช่ือมท่อน okazaki fragment ในสาย lagging strand primase primase DNA polymerase III นา nucleotide มาต่อให้ polynucleotide ยาว ในทิศทาง 5’ → 3’ DNA ligase สามารถทางานได้ทงั้ สาย Lagging strand : เช่ือมท่อน okazaki’s fragment leading strand : ซ่ อมแซม DNA Protein Helicase Topoisomerase SSB Primase DNA pol III DNA pol I DNA ligase Icon คลายปมเหนือจุ ด จับ DNA เช่ือมท่อน DNAA replication fork สายเด่ียว สายสัน้ ๆ (okazaki) คลายเกลยี ว ดึงรงั้ ไมใ่ ห้ สรา้ ง RNA ตอ่ สาย DNA ตดั RNA และซ่อมแซม DNA กลับเข้าคู่ primers ยาวจาก primer ออก หน้าท่ี ทาลาย H-bond 5’ → 3’ และเปล่ยี นเป็น 15 ของคเู่ บส DNA แทน

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววิทยา BIOLOGY BY MONKUNG DNA replication ใน Prokaryote VS Eukaryote Prokaryote เปรยี บเทยี บ Eukaryote Chromosome = สายตรง Linear DNA Chromosome = เป็นวงแหวนปิด DNA Chromosome เปน็ เส้นใย Chromatin Closed circular DNA = DNA + histone + nonhistone theta DNA replication DNA replication 1 จุด (ori C) Origin Y-shaped DNA replication มากกวา่ 500 จุด CONCEPT 16

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววิทยา BIOLOGY BY MONKUNG 5. Gene expression การแสดงออกของยนี (gene expression) โดยการสังเคราะหโ์ ปรตนี (Protein synthesis) - การกาหนดลักษณะทางพันธุกรรม หรอื การแสดงออกของยีน (expression) ถกู กาหนดด้วยกระบวนการสงั เคราะห์ โปรตนี (protein synthesis) ONE GENE = ONE PROTEIN = ONE EXPRESSION - ประกอบไปดว้ ย 2 กระบวนการ คือ 1. การถอดรหสั (Transcription) 2. การแปลรหสั (Translation) ถอดรหัสจากลาดบั เบสของ แปลรหัส codon บน mRNA DNA มาเป็นรหัสบนสาย ใหเ้ ป็นลาดบั กรดอะมิโน ของ mRNA (RNA ตวั กลางนา polypeptide gene ไปสรา้ ง polypeptide) 17

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววทิ ยา BIOLOGY BY MONKUNG ส่วนท่ีสาคญั ตอ่ การแสดงออกของยนี โมเลกุล ความสาคัญ คาอธบิ าย DNA ขอ้ มูลพันธุกรรม ลาดับเบส บน DNA (gene) mRNA Codon ลาดบั เบส 3 ตัว บน mRNA ลาดบั เบส 3 ตวั บน tRNA ท่เี ขา้ คกู่ ับ codon mRNA tRNA Anticodon เปน็ หนว่ ย ribosome ตาแหนง่ ในการแปลรหสั สรา้ ง polypeptide rRNA Ribosome tRNA จะเปน็ ตัวขนสง่ amino acid มาท่ี ribosome ตามรหสั Amino acid หนว่ ยในการสังเคราะห์ codon บน mRNA Polypeptide ชนิดของ RNA หนา้ ท่หี ลัก - ตัวกลางในการถอดรหัสลาดบั เบสจาก DNA (ทีละ gene) สรา้ งเป็น mRNA แล้วแปลรหัส RNA นาไปสร้าง polypeptide 1. mRNA - เปน็ ส่วนหน่ึงของ ribosome ท่เี ปน็ หนว่ ยในการสรา้ ง polypeptide Messenger RNA 2. rRNA - อา่ น codon ในสาย mRNA แล้วนา anticodon มาจบั Ribosomal RNA - ทาหนา้ ท่ีขนสง่ กรดอะมโิ น มาแปลรหสั จากลาดับ codon เป็นลาดบั กรดอะมิโน 3. tRNA Transfer RNA เพ่มิ เตมิ RNA มีหลายชนดิ และสรา้ งจากกระบวนการ Transcription จาก DNA เช่น mRNA (messenger RNA) tRNA (transfer RNA) rRNA (ribosomal RNA) SnRNA (small nuclear RNA) miRNA (micro RNA) 18

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววิทยา BIOLOGY BY MONKUNG 6. การถอดรหัส (Transcription) การถอดรหัส transcription - สรา้ ง mRNA จาก DNA เพียง 1 สายเปน็ template ทีละ 1 gene ( DNA → mRNA) - แมแ่ บบ : DNA template เพยี ง 1 สาย เรยี กว่า Template strand สายท่ไี ม่ใช่ แมแ่ บบ (non-template) เรียกว่า coding strand / Sense strand - สายใหม่ : mRNA สรา้ งจาก 5’ → 3’ - เอนไซม์ : RNA Polymerase II - ทาลาย H-bond ระหวา่ งเบสคู่สม - เติม ribonucleotide (A U C G) เพ่อื สรา้ งสาย mRNA ขนั้ ตอนการถอดรหัส 1 ขนั้ เร่มิ ตน้ (initiation) - transcription factor มาเกาะบริเวณ promoter สง่ สญั ญาณใหเ้ ร่ิมการสงั เคราะห์ RNA - RNA polymerase II จับกับ transcription factor บริเวณ promoter = transcription initiation complex หน้ายีนท่ีต้องการถอดรหสั (transcription) - RNA polymerase II สลาย H-bond ระหว่าง เบสคูส่ ม และเร่มิ สร้างสาย RNA ท่ี start point 2 ขนั้ ตอ่ สาย RNA (elongation) - RNA polymerase II นา ribonucleotide triphosphate มาเขา้ ค่กู ับดเี อน็ เอสายตน้ แบบ (template strand) และ สงั เคราะห์สาย RNA ไปเร่อื ยๆ ทิศ 5′ → 3′ - จนกว่าจะเจอ termination signal - สาย DNA ต้นแบบทั้ง 2 สายกจ็ ะกลบั มาจับกนั อกี ครงั้ 19

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววทิ ยา BIOLOGY BY MONKUNG 3 ขนั้ การหยุด (termination) - RNA polymerase II ตอ่ สาย RNA จนถงึ บรเิ วณทา้ ยยีน เม่อื เจอกับ terminator sequence แลว้ RNA polymerase จึงหลดุ ออก ได้ mRNA Prokaryote Eukaryote - ได้ mRNA แลว้ แปลรหสั เลย - ได้ pre-mRNA ต้องมกี ระบวนการ ตัดแตง่ RNA (RNA processing) ขนั้ การตกแต่ง mRNA (RNA processing) (พบเฉพาะ eukaryote) - ตัด intron ออก และเช่ือม exon เขา้ ดว้ ยกัน (splicing) ด้วย Spliceosome - เตมิ ดา้ น 5′ phosphate ด้วย 7-methylguanosine เรยี กวา่ 5’ cap - เตมิ ดา้ น 3′ OH ดว้ ย poly A (poly A tail) : nucleotide A 80-250 ตัว - ได้ mature mRNA - ** 5’ cap และ 3’ poly A tail มไี ว้เพ่อื ขนสง่ ออกนวิ เคลยี ส และป้องกนั ไม่ให้ enzyme nuclease ใน นวิ เคลียสย่อย ขณะท่ีกาลงั ออกจากนิวเคลยี ส - mRNA ท่ีมรี หัส complementary กับสาย template (DNA 1 สายเด่ียว) ซ่ึงมีล ดบั เหมอื น non-template strand (coding strand/ sense strand) แตเ่ ปล่ียนจากเบส T เปน็ U 20

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววิทยา BIOLOGY BY MONKUNG 7. การแปลรหสั (Translation) การแปลรหสั translation - ขน้ั ตอนท่ีแปลรหัส codon บน mRNA ให้เป็นลาดับกรดอะมิโนของ Polypeptide - 1 รหสั พนั ธุกรรม มี 3 base = triplet codes = Codon เช่น AUG UUU UCC เป้าหมายคือ 1 codon จะตอ้ งแปลความหมายเป็นเพยี ง 1 ชนดิ amino acid เทา่ นนั้ - Codon มี 64 codon 61 codon มกี รดอะมโิ น ประจารหสั มี tRNA (มี anticodon) 3 codon ไมม่ ีกรดอะมโิ น = Stop codon = UAA UGA UAG (** ไม่มี tRNA (ไม่มี anticodon)) - Start codon = รหสั เร่ิมการแปลรหสั = AUG ได้กรดอะมิโนตวั แรก คือ เมทไทโอนนี Methionine (Met) - Stop codon = รหสั หยุดการแปลรหสั = UAA UGA UAG ไมม่ กี รดอะมโิ น แต่จะมี release factor ยบั ยงั้ การแปลรหสั สาระเพ่ิมเติม - รหัส codon เป็นรหัสสากล (universal codon) คอื 1 codon จะไดก้ รดอะมิโนจาเพาะ เหมือนกันท้ัง eukaryote และ prokaryote ** แต่ใน mitochondria พบวา่ UGA เปน็ Stop codon แต่ใน mitochondria UGA มีกรดอะมิโน Tryptophan AGA มีกรดอะมโิ น Arginine (Arg) แต่ใน mitochondria AGA เปน็ Stop codon - ribosome จะอา่ น codon ตอ่ เนอ่ื ง ตลอดทัง้ สาย mRNA โดยไมม่ กี าร เว้นวรรค + ไมท่ บั ซ้อน 21

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววิทยา BIOLOGY BY MONKUNG ขนั้ ตอนการแปลรหัส (translation) - สร้าง polypeptide โดย tRNA จะนากรดอะมิโน มาต่อกนั ดว้ ยพนั ธะ peptide bond - ลาดบั amino acid ถกู กาหนดมาจาก codon บน mRNA ข้ันตอน 3 ข้นั ตอน 1. เร่มิ initiation 2. ยาว elongation 3. หยุด termination 1. เร่ิม initiation - Ribosome หน่วยเลก็ จับ mRNA ไว้ - tRNA หา Start codon : AUG พอเจอกเ็ อากรดอะมิโน methionine มาจับ ท่ตี าแหนง่ P-site - Ribosome หนว่ ยใหญ่ มาจับทกุ อยา่ งเขา้ ด้วยกัน - เร่มิ แปลรหสั อ่าน mRNA จาก 5’ → 3’ A-site = tRNA ใหมเ่ อากรดอะมิโน เขา้ มา P-site = สรา้ งสาย polypeptide E-site = tRNA เก่า ออก 2. ยาว elongation - tRNA ตัวท่ี 2 ท่ีมี anticodon คู่สมกับ Codon ถดั ไป - tRNA ตวั ท่ี 2 ก็นากรดอะมโิ น ตัวท่ี 2 มาจับต่อไป เขา้ ท่ี A-site - กรดอะมโิ นตวั ท่ี 2 ก็จะเช่ือมกบั กรดอะมิโนตวั แรก ดว้ ย Peptide bond เป็น polypeptide ท่ี P-site - tRNA ตวั ท่สี รา้ ง polypeptide ไปแลว้ จะ หลดุ ออกท่ี E-site - tRNA ตัวถัดๆไป เอากรดอะมโิ น มาจบั เร่ือย 3. หยุด termination - Ribosome เล่อื นมาเจอ Stop codon : UAA หรอื UGA หรอื UAG - จะมี releasing factor protein มาจบั ท่ี A-site - หยุดการสงั เคราะห์โปรตนี ได้ polypeptide หลุดออกมา ทุกสว่ น หลุดออกจากกัน 22

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววิทยา BIOLOGY BY MONKUNG 1) mRNA เกาะกับ small Ribosome 2) tRNA ตัวแรก นา formyl- 3) Large Ribosome subunit มา subunit AUG เกาะท่ี initiator Methionine มาจับท่ี Start codon จบั ทุกอย่างเขา้ ด้วยกนั 4) tRNA ตัวใหมน่ ากรดอะมิโน 5) กรดอะมโิ นจะเช่ือมกนั ด้วย 6) Ribosome เล่อื น tRNA ตัวเก่าจะหลุดออกท่ี E-site เข้าทาง A-site Peptide bond ท่ี P-site เล่ือนไปเร่อื ยๆ จนกวา่ จะเจอ stop codon 7) Ribosome เล่ือนจน A-site 8) Polypeptide และ tRNA หลดุ ออก 10) Ribosome ทงั้ 2 หนว่ ยหลดุ มาเจอ stop codon จะมี Release factor ออกจากกนั มาจบั ท่ี A-site 23

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววิทยา BIOLOGY BY MONKUNG ตวั อย่างการแปลรหัสท่ีถกู ต้อง DNA template 3’ TAC CTT AAG GGA TTA CCG TCT ATT CAT 5’ UUC CCU AAU GGC AGA UAA GUA 3’ mRNA 5’ AUG GAA AAG GGA UUA CCG UCU Phe Pro Asn Gly Arg STOP Anticodon tRNA UAC CUU Met – Glu – Phe – Pro – Asn - Gly – Arg Amino acid Met Glu ได้ polypeptide 24

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววทิ ยา BIOLOGY BY MONKUNG 8. central dogma - เปน็ กระบวนการหลกั ในการควบคมุ การทางานของส่ิงมีชีวิต ประกอบดว้ ย 1. DNA replication (การจ ลอง DNA) 2. transcription (การถอดรหสั ) 3. translation (การแปลรหัส) ใน Virus ทุกกระบวนการ เกิดใน Host cell ท่ีมีชีวติ Prokaryotic cell Eukaryotic cell - เกดิ ในไซโทพลาซึมทกุ กระบวนการ - DNA replication เกิดในนวิ เคลยี ส - ** จาก transcription ได้ mRNA ยงั ไม่ - transcription เกดิ ในนิวเคลียส - translation เกดิ ในไซโทพลาซึม เสรจ็ ก็เกดิ translation พรอ้ มกนั แล้ว * Mitochondria เกิดใน Matrix ทกุ กระบวนการ เกิดเปน็ ribosome หลายหนว่ ย บน mRNA * Chloroplast เกิดใน Stroma ทุกกระบวนการ เรียกว่า Polyribosome (Polysome) 25

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววทิ ยา BIOLOGY BY MONKUNG 8. การกลายพนั ธุ์ (Mutation) Mutation การกลายพนั ธ์ุ - เปน็ การเปล่ียนแปลงลาดับ เบส ใน DNA - เม่ือเกดิ Transcription ทาให้ mRNA ถอดรหัสเพีย้ นไปจากเดิม - แล้วนาไปสรา้ งโปรตนี Translation ทาให้สร้าง Protein แปลกไป สาเหตุ 1. เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ - การจับคู่ผดิ ของ base pair ในขนั้ ตอน DNA replication 2. ถูกชักนา จากสารก่อกลายพนั ธุ์ (mutagen) - รงั สี (beta , gamma , X-ray) DNA เสียหาย เบสเปล่ียนแปลง - รังสี UV - สารเคมี เช่น colchicine , dichlorvos , Paraquat , Aflatoxin การกลายพนั ธุ์ มี 2 ระดบั 1. ระดับ Gene : Gene mutation 2. ระดับ Chromosome : Chromosome mutation Gene Mutation - มี 2 ชนดิ 1. การแทนทคี ่เู บส : Base pair subsititution mutation (Point mutation) ผลท่ีเกิด - แทนด้วยเบสอีกชนดิ ทีละตัว 1.1. Silent mutation : Codon เปล่ียน กรดอะมโิ นไมเ่ ปล่ียน 1.2. Missense mutation : Codon เปล่ียน กรดอะมโิ น เปล่ียน : Codon เปล่ยี น ไดร้ หัสหยุด สายโปรตนี สน้ั ลง 1.3. Nonsense mutation 26

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววทิ ยา BIOLOGY BY MONKUNG ตวั อย่างโรคจาก Gene Mutation Sickle cell anemia : เม็ดเลือดแดงรูปเคียว GAG GUG - เกดิ จากกรดอะมิโนลาดบั ท่ี 6 เปล่ียนจาก Valine Missense mutation Glutamic - จัดเป็น Base pair subsititution mutation 2. การเปล่ียนยกแผง : Frameshift mutation : กรดอะมโิ น เปล่ียน ทง้ั สาย - การเพม่ิ เบส : Insertion : ได้รหสั หยุด สายโปรตนี ส้นั ลง - การตดั เบส : Deletion ผลท่ีเกิด 2.1. Missense mutation 2.2. Nonsense mutation 27

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววิทยา Chromosome Mutation BIOLOGY BY MONKUNG - มี 2 รูปแบบ 1. การเปล่ียนรูปร่าง Chromosome 2. การเปล่ยี นจานวน Chromosome 2.1. เปล่ียนจานวนทงั้ ชุด : Euploidy [Polyploidy] - เพ่มิ หรอื ลด จานวนชุดโครโมโซม เช่น 2n เปน็ 4n / 2n เปน็ 3n - มากกวา่ 2ท ข้ึนไป คอื Polyploid - พบมากในพชื ในสัตวม์ กั ตาย - ** Polyploid ท่ีเป็นเลขค่ี (3n , 5n , 7n) มักเป็นหมนั จงึ เป็นพชื สายพันธุ์ไรเ้ มลด็ 2.2. เปล่ยี นจานวนบางแท่ง : Aneuploidy - เกิดจาก Non-disjunction - เปน็ ความผิดปกติในการแบ่งเซลล์แบบ Meiosis - มี 2 แบบ 1. ในระยะ Anaphase I : Homologous Chromosome ไม่ยอมแยก 2. ในระยะ Anaphase II : Sister chromatid ไม่ยอมแยก 28

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววิทยา BIOLOGY BY MONKUNG ตวั อยา่ งโรคจาก การเปล่ยี นจานวน Chromosome : Non-disjunction ประเภท สาเหตุ โครโมโซม ช่ือกล่มุ อาการ ลักษณะของอาการ คู่ท่ี 13 เกนิ พาทัวซินโดม ปากแหวง่ เพดานโหว่ อายุส้นั นว้ิ เกิน Trisomy 13 Patau’s syndrome 99% ตายตอน 1ขวบ ระบบผดิ ปกติ มากๆ Autosome คู่ท่ี 18 เกนิ เอด็ เวิร์ดซินโดรม ปัญญาอ่อน ค้ิวหา่ ง เส้นลายมอื เกิน จาก 44 Trisomy 18 Edward's syndrome ขนานกนั *แมอ่ ายุ > 45 เส่ยี ง Autosome เปน็ 45 คทู่ ่ี 21 เกนิ ดาวน์ซินโดรม เสยี งร้องแหลมคลา้ ยแมวรอ้ ง หวั Trisomy 21 (Down's syndrome) เล็ก เติบโตช้า หวั ใจพิการตงั้ แต่ เกดิ รูปร่างผดิ ปกติ คู่ท่ี 5 แหว่ง คริดชู าต์ (แคทครายซินโดรม) (cri-du-chat / cat cry syndrome) Sex โครโมโซม X ขาด เทอรเ์ นอร์ หญิงเปน็ หมนั เตยี้ คอเป็นแผง chromosome ( XO ) ( Turner's syndrome) ไม่มีเต้านม 44 + XO โครโมโซม X เกนิ ในชาย ไคลน์เฟลเตอร์ ชายเป็นหมนั มเี ตา้ นม ไม่สร้าง ( XXY / XXXY ) (Klinefelter's syndrome) อสจุ ิ อวยั วะเพศเล็ก 44 + XXY / 44 + XXXY โครโมโซม Y เกนิ ในชาย ดับเบลิ วาย ซุปเปอร์เมน ชายปกติ สูง ใหญ่ นสิ ัยก้าวรา้ ว ( XYY ) (Double y syndrome) อวยั วะเพศใหญ่ 44 + XYY โครโมโซม X เกนิ ในหญิง ทริปเป้ิ ลเอ็กซ์ หญิงปกติ ปัญญาต่ากว่าคนท่วั ไป ( XXX ) (Triple x syndrome) 44 + XXX 29

BIOLOGY2 BEYONDER โคตรมหาชีววทิ ยา BIOLOGY BY MONKUNG REFERENCES [1] Mader, Sylvia S., Windelspecht, Michael, Essentials of biology 5th edition. [2] Simon, Eric J. Biology : the core 1st edition. [3] Reece, Jane B., Urry, Lisa A., Campbell, Neil A. Campbell biology 11th edition. [4] Hoefnagels, Mariel̈ le. Biology : concepts and investigations. 4th edition [5] Audesirk, Teresa, Audesirk, Gerald, Byers, Bruce E. Biology : Life on Earth with physiology 11th edition. [6] Mader, Sylvia S. Biology 10th edition. [7] Enger, Eldon D. , Frederick C. Ross, David B. Bailey. Concepts in biology 13th edition. [8] Cecie Starr, Ralph Taggart, Christine Evers,Lisa Starr. Biology: The Unity and Diversity of Life 14th Edition. [9] D. Peter Snustad , Michael J. Simmons. Principles of GENETICS 6th edition. [10] William S. Klug , Michael R. Cummings , Charlotte A. Spencer , Michael A. Palladino. Concepts of Genetics 9th edition. [11] Daniel L. Hartl, PhD ; Essential Genetics and Genomics 7th edition. [12] Robert J. Brooker ; Genetics analysis & Principles 6th edition. [13] Hartwell, et al. ; Genetics : From Genes to Genomes, 2nd edition. 30