สมบัติของสารพันธุกรรม

สมบัติของสารพันธุกรรม

คำถามนำ

    โครงสร้างของ DNA มีความเหมาะสมกับสมบัติของ DNA อย่างไร จึงจะสามารถถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมจากพ่อแม่ไป สู่ลูกหลานได้

 

               เมื่อวอตสันและคริกค้นพบโครงสร้างทางเคมีของ DNA ขั้นต่อไปก็คือ การพิสูจน์และตรวจสอบว่าโครงสร้างของ DNA นี้มีสมบัติเพียงพอที่จะเป็นสารพันธุกรรมได้หรือไม่ ซึ่งการที่จะเป็นสารพันธุกรรมได้นั้นย่อยต้องมีสมบัติสำคัญ คือ

               ประการแรก ต้องสามารถเพิ่มจำนวนตัวเองได้โดยมีลักษณะเหมือนเดิมเพื่อให้สามารถถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมจากรุ่นพ่อแม่ไปยังรุ่นลูกได้

               ประการที่สอง สามารถควบคุมให้เซลล์สังเคราะห์สารต่างๆ เพื่อแสดงลักษณะทางพันธุกรรมให้ปรากฏ

               ประการที่สาม ต้องสามารถเปลี่ยนแปลงได้บ้าง ซึ่งการเปลี่ยนแปลงที่เกิดอาจก่อให้เกิดลักษณะทางพันธุกรรมที่ผิดแผกไปจากเดิมและเป็นช่องทางให้เกิดสิ่งมีชีวิตสปีชีส์ใหม่ๆขึ้น

               หลังจากวอตสันและคริกได้เสนอโครงสร้างของ DNA แล้ว 10 ปีต่อมา วอตสันและคริกจึงได้รับรางวัลโนเบลด้วยผลงานการค้นพบโครงสร้างของ DNA ในปี พ.ศ. 2505 นับว่าเป็นความก้าวหน้าที่สำคัญยิ่งทางด้านวิทยาศาสตร์ และเป็นจุดเริ่มต้นให้กับนักวิทยาศาสตร์ที่จะค้นคว้าในระดับโมเลกุลต่อไป

               DNA มีสมบัติของสารพันธุกรรมครบทั้งสามประการข้างต้นดังรายละเอียดต่อไปนี้

 

              17.6.1 การสังเคราะห์ DNA

              วอตสันและคริกเสนอโครงสร้างของ DNA ว่าเป็นพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายพันกันบิดเป็นเกลียว ซึ่งโครงสร้างของ DNA ตามแบบจำลองนี้ได้นำไปสู่การเสนอกลไกพื้นฐานของการสังเคราะห์ DNA หรือการจำลองตัวเองของ DNA โดยนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองได้พยากรณ์กลไกการจำลองว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร

               ในปี พ.ศ. 2496 วอตสันและคริกได้พิมพ์บทความพยากรณ์การจำลองตัวเองของ DNA ไว้ว่า ในการจำลองของ DNA พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย แยกออกจากกันเหมือนการรูดซิปโดยการสลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างเบส A กับ T และเบส G กับเบส C ทีละคู่ พอลินิวคลีโอไทด์แต่ละสายทำหน้าที่เป็นแม่พิมพ์สำหรับการสร้างสายใหม่ มีการนำนิวคลีโอไทด์อิสระที่อยู่ในเซลล์เข้ามาจับกับพอลินิวคลีโอไทด์สายเดิม โดยเบส A กับ T และเบส C กับเบส G หมู่ฟอสเฟตของินวคลีโอไทด์อิสระจะจับกับน้ำตาลดีออกซีไรโบสของนิวคลีโอไทด์ที่อยู่ถัดไป ทำให้ DNA ที่สังเคราะห์ใหม่เหมือนกับ DNA โมเลกุลเดิมทุกประการ การสังเคราะห์ DNA หรือการจำลองของ DNA ดดยวิธีนี้เรียกว่า DNA เรพลิเคชัน (DNA replication) ทำให้มีการเพิ่มโมเลกุลของ DNA จาก 1 โมเลกุลเป็น 2 โมเลกุล DNA แต่ละโมเลกุลมีพอลินิวคลีโอไทด์ สายเดิม 1 สาย และสายใหม่ 1 สาย จึงเรียกวิธีการจำลองลักษณะนี้เป็น แบบกึ่งอนุรักษ์ (semiconservative) ดังภาพที่ 17-14


                                                                                                                                                                                                              ภาพที่ 17-14 DNA เรพลิเคชัน
      

               ตามแนวคิดที่เกี่ยวกับการจำลอง DNA ที่วอตสันและคริกเสนอนั้นเป็นเพียงสมมติฐาน แต่ในปี พ.ศ. 2499 อาร์เธอร์ คอนเบิร์ก (Arthur Kornberg ) นักเคมีชาวอเมริกันเป็นคนแรกที่สามารถสังเคราะห์โมเลกุลของ DNA ในหลอดทดลองได้สำเร็จ โดยนำเอาเอนไซม์ DNA พอลิเมอเรส (DNA polymerase) ซึ่งสกัดจากแบคทีเรีย E. coli ใส่ในหลอดทดลองที่มีสารประกอบที่จำเป็นต่อการสังเคราะห์ครบสมบูรณ์ ได้แก่ DNA แม่พิมพ์ นิวคลีโอไทด์ 4 ชนิด คือ นิวคลีโอไทด์ทีมีเบส A นิวคลีโอไทด์ที่มีเบส T นิวคลีโอไทด์ที่มีเบส C และ   นิวคลีโอไทด์ที่มีเบส G และเอนไซม์ DNA พอลิเมอเรส ซึ่งจะทำหน้าที่เชื่อม นิวคลีโอไทด์ให้ต่อกันเป็นสายยาว โดยมีทิศทางการสังเคราะห์สายดีเอ็นเอสายใหม่ จากปลาย 5' ไปยังปลาย 3' ปัญหาก็คือจะพิสูจน์ไดอย่างไรว่า DNA ที่สังเคราะห์ได้นั้น เหมือนกับ DNA แม่พิมพ์ที่ใส่ในหลอดทดลองทุกประการ นักเรียนจะได้ศึกษาได้จากผลการทดลองของคอนเบิร์กในตารางที่ 17.4

ตารางที่ 17.4 อัตราส่วนของเบสใน DNA ที่สังเคราะห์ได้ในหลอดทดลองและ DNA แม่พิมพ์

 

สิ่งมีชีวิตที่นำ DNA มาเป็นแม่พิมพ์

ปริมาณของเบสใน DNA

ที่สังเคราะห์ได้ (ร้อยละ)

อัตราส่วนของ \displaystyle \frac{{{\rm A} + C}}{{C + G}} ที่สังเคราะห์ได้

อัตราส่วนของ \displaystyle \frac{{{\rm A} + C}}{{C + G}} ที่เป็นแม่พิมพ์

A

T

C

G

 

แบคทีเรีย

(Micrococcus lysodeikicus)

แบคทีเรีย

(Aerobacter aerogenes)

แบคทีเรีย(Escherichia coli)

วัว (เซลล์จากต่อมไทมัส)

ไวรัส (phage \displaystyle {\rm T}_2 )

 

0.15

 

0.22

0.25

0.29

 

0.32

 

0.15

 

0.22

0.25

0.28

 

0.32

 

0.35

 

0.28

0.25

0.21

 

0.18

 

0.35

 

0.28

0.28

0.22

 

0.18

 

0.41

 

0.80

1.00

0.32

 

0.78

 

0.39

 

0.82

0.97

1.35

 

1.84

        -  จากข้อมูลนี้สามารถบอกอะไรแก่เราได้บ้าง

                     จากผลการทดลองพบว่า DNA ที่สังเคราะห์ได้ในหลอดทดลอง มีอัตราส่วนของเบส A+T ต่อ C+G แทบจะกล่าวได้ว่าเท่ากันอัตราส่วนดังกล่าวนี้ไม่ใช่เป็นความบังเอิญ เพราะได้ผลการทดลองเป็นเช่นนี้เสมอไม่ว่าจะใช้ DNA ของสิ่งมีชีวิตชนิดใดเป็นแม่พิมพ์ก็ตาม

               การค้นพบเอนไซม์ที่ใช้ในการเชื่อมนิวคลีโอไทด์เข้าด้วยกันนับว่ามีความสำคัญอย่างยิ่งในประวัติศาสตร์ของวิชาพันธุศาสตร์เพราะเท่ากับว่านักวิทยาศาสตร์พบว่าการสังเคราะห์ DNA สามารถเกิดขึ้นได้ในหลอดทดลองโดยไม่จำเป็นต้องเกิดขึ้นภายในเซลล์เท่านั้น

                 ปัจจุบันมีการทดลองของนักวิทยาศาสตร์ที่ยืนยันได้ว่า DNA มีกระบวนการจำลองตัวของ DNA โดยกระบวนการดังกล่าวเป็นไปแบบกึ่งอนุรักษ์ จากความรู้ที่ว่าการสังเคราะห์พอลินิวคลีโอไทด์สายใหม่จะต้องสร้างในทิศทาง 5' ไป 3' เสมอ นักเรียนคิดว่าการสังเคราะห์ DNA สายใหม่ทั้ง 2 สาย

จะเหมือนกันหรือไม่

               จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ พบว่าการสังเคราะห์ DNA สายใหม่ 2 สาย มีส่วนที่แตกต่างกันคือ สายหนึ่งจะสร้างต่อเนื่องกันเป็นสายยาว เรียกสายนี้ว่า ลีดดิงสแตรนด์ (leading strand) ส่วนสายใหม่อีกสายหนึ่งไม่สามารถสร้างต่อกันเป็นสายยาวได้เหมือนสายแรกเนื่องจากทิศทางการสร้างการสร้างจากปลาย 5' ไปยังปลาย 3' นั้นสวนทางกับทิศทางการคลายเกลียวของ DNA โมเลกุลเดิม จึงสร้างพอลินิวคลีโอไทด์สายสั้นๆมีทิศทางจาก 5' ไป 3' จากนั้น เอนไซม์ไลเกส (ligase) จะเชื่อมต่อสายสั้นๆเหล่านี้ให้เป็นสายเดียวกัน เรียกสาย DNA ที่ถูกสร้างขึ้นเป็นสายสั้นๆว่า แลกกิงสแตรนด์ (lagging strand) ดังภาพที่ 17-15

 

           

 

ภาพที่ 17-15 การสังเคราะห์ DNA สายใหม่ 

      17.6.2 DNA ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมได้อย่างไร

               นักเรียนทราบหรือไม่ว่า DNA บรรจุข้อมูลทางพันธุกรรมจำนวนมากของสิ่งมีชีวิตได้อย่างไร โครงสร้างของ DNA ประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์สองสายที่มีความยาวนับพันนับหมื่นคู่เบส การเรียงลำดับของเบสมีความแตกต่างกันหลายแบบ ทำให้ DNA แต่ละโมเลกุลแตกต่างที่ลำดับและจำนวนคู่เบสทั้งที่มีเบสเพียง 4 ชนิด คือ A T C และ G จึงเป็นไปได้ว่าความแตกต่างกันทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตอยู่ที่ลำดับและจำนวนของเบสใน DNA นั่นเอง ปัญหาต่อไปก็คือลำดับเบสของ DNA เกี่ยวข้องกับการแสดงลักษณะทางพันธุกรรมอย่างไร นักเรียนทราบมาแล้วว่าโปรตีนเป็นสารอินทรีย์ที่มีหลายชนิดและมีบทบาทในการแสดงลักษณะเฉพาะทางของเซลล์ได้ เช่น เซลล์กล้ามเนื้อมีโปรตีนแอกทินและไมโอซิน เซลล์เม็ดเลือดแดงมีโปรตีนฮีโมโกลบิน นอกจากนี้เอนไซม์ทุกชนิดที่ช่วยให้เกิดปฏิกิริยาเคมีต่างๆภายในเซลล์ก็เป็นโปรตีนด้วย เช่น ปฏิกิริยาการสังเคราะห์สารและการสลายสารต่างๆต้องอาศัยเอนไซม์ จึงอาจกล่าวได้ว่าโปรตีนเกี่ยวข้องกับการแสดงลักษณะทางพันธุกรรม และการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตทั้งโดยทางตรงและทางอ้อม

               ในปี พ.ศ. 2500 วี เอ็ม อินแกรม (V. M. Ingrame) แห่งมหาวิทยาลัยแคมบริดจ์ ประเทศอังกฤษ ได้ศึกษาโครงสร้างทางเคมีของฮีโมโกลบินที่ผิดปกติ ดดยการเปรียบเทียบฮีโมโกลบินของคนที่เป็น โรคโลหิตจางชนิดซิกเคิลเซลล์ (sickle cell anemia) กับฮีโมโกลบินของคนปกติ ได้ผลการศึกษาดังแสดงในภาพที่ 17-16


ภาพที่ 17-16 ลำดับกรดอะมิโนในสายบีตาสายหนึ่งของโมเลกุลฮีโมโกลบินของคนปกติ (ก.)

และของคนเป็นโรคโลหิตจากชนิดซิกเคิลเซลล์  (ข.) 

        -  คนเป็นโรคโลหิตจางชนิดซิกเคิลเซลล์มีลำดับของกรดอะมิโนในฮีโมโกลบิน สายบีตาแตกต่างจากของคนปกติอย่างไร

        -  ลักษณะทางพันธุกรรมของโรคโลหิตจางชนิดซิกเคิลเซลล์เกี่ยวข้องกับโปรตีนและ DNA อย่างไร

 

รู้รึเปล่า ?

 โรคโลหิตจางชนิดซิกเคิลเซลล์

          ควบคุมด้วยยีนด้อย 1 คู่ มีความผิดปกติของฮีโมโกลบิน ทำให้เม็ดเลือดแดงเป็นรูปเคียว จึงสามารถนำออกซิเจนได้ตามปกติ อาจมีอาการของโรคหัวใจล้มเหลว ปอดบวม อัมพาต พบมากในคนแอฟริกันซึ่งเป็นเขตที่มีการระบาดของเชื้อไข้มาลาเรีย ส่วนใหญ่ของประชากรที่อยู่รอดจะมีจีโนไทป์เป็นเฮเทอโรไซกัส เนื่องจากมีเม็ดเลือดแดงที่ไม่เหมาะสมต่อการเจริญของเชื้อไข้มาลาเรีย

 

               จากภาพที่ 17-16 อินแกรมแสดงให้เห็นว่าอลค์ประกอบของฮีโมโกลบินในคนปกติและคนที่เป็นโรคโลหิตจางชนิดซิกเคิลเซลล์ต่างกันที่การเรียงตัวของกรดอะมิโนเพียง 1 ตำแหน่ง คือ ตำแหน่งที่ 6 จากปลาย N (N-terminus) ของสายพอลิเพปไทด์ที่ชื่อว่าบีตาสายหนึ่งของฮีโมโกลบินในคนปกติจะเป็นกรดกลูตามิก (glutamic acid) ส่วนคนที่เป็นโรควาลีน (valine) ความผิดปกติที่เกิดขึ้นนี้ มีสาเหตุมาจากการเปลี่ยนแปลง DNA หรือยีนทำให้ฮีโมโกลบินผิดปกติ

               ถ้า DNA ควบคุมการสร้างฮีโมโกลบิน ปัญหาก็คือ DNA เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์โปรตีนอย่างไร 

             
               17.6.3 DNA กับการสังเคราะห์โปรตีน

               นอกจาก DNA ที่เป็นกรดนิวคลีอิกแล้ว ก็ยังมี RNA ที่เป็นกรดนิวคลีอิกเช่นเดียวกัน ซึ่ง RNA มีลักษณะเป็นพอลิเมอร์สายยาวของนิวคลีโอไทด์ ที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโคเวเลนซ์ ระหว่างหมู่ฟอสเฟต     
และหมู่ไฮดรอก-ซิลของโมเลกุลน้ำตาล เช่นเดียวกับโมเลกุลของ
DNA แต่ RNA แตกต่างจาก DNA ตรงที่น้ำตาลเพนโทสที่ประกอบขึ้นเป็น RNA นั้น เป็นน้ำตาลไรโบสแทนที่น้ำตาลดีออกซีไรโบส และจะไม่พบเบสไทมีน (T) เป็นองค์ประกอบ แต่จะมีเบสยูราซิล (U) ดังภาพที่ 17-17



ภาพที่ 17-17 ไรโบสนิวคลีโอไทด์ที่มีเบสยูราซิล

               สิ่งมีชีวิตพวกยูคาริโอตมี DNA อยู่ภายในนิวเคลียส แต่การสังเคราะห์โปรตีนเกิดในไซโทพลาสซึม โดยเฉพาะบริเวณที่มีเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบผิวขรุขระ เป็นไปได้หรือไม่ว่า DNA ส่งตัวแทนออกมายังไซ-โทพลาสซึม เพื่อทำหน้าที่ควบคุมการสังเคราะห์โปรตีน ถ้าเป็นเช่นนั้นจริงสารที่เป็นตัวแทนของ DNA คืออะไร จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์หลายคนพบว่า ข้อมูลทางพันธุกรรมใน DNA ไม่ได้ส่งไปยังบริเวณที่มีการสังเคราะห์โปรตีนโดยตรง แต่จะมีตัวแทนทำหน้าที่เป็นสื่อกลาง นักวิทยาสาสตร์ชาวฝรั่งเศส 2 คน คือ ฟรองซัว จาค็อป (Franeois Jacop) และ จาค โมนอด (Jacques Monod) ได้มีข้อเสนอว่า RNA เป็นตัวกลางที่อยู่ระหว่าง DNA กับไรโบโซมตามสมมติฐาน ดังภาพที่ 17-18

               RNA ที่เป็นตัวกลางนี้เรียกว่า mRNA (messenger RNA) และพยากรณ์ว่า mRNA จะเป็นตัวนำข้อมูลทางพันธุกรรมจาก DNA ไปยังไรโบโซม ซึ่งเป็นแหล่งสังเคราะห์โปรตีนที่อยู่ในไซโทพลาสซึม ซึ่งได้รับการยืนยันจากนักวิทยาศาสตร์ 2 คน คือ เจราร์ด เฮอร์วิทซ์(Jerard Hurwitz) เจ เจ เฟอร์ธ(J. J. Furth) เกี่ยวกับที่อยู่และหน้าที่ของ mRNA

               กระบวนการสังเคราะห์โปรตีนจึงประกอบด้วยการสังเคราะห์ RNA จาก DNA แม่พิมพ์ และการสังเคราะห์โปรตีนที่ไรโบโซม

 ภาพที่ 17-18 ภาพสมมติฐานของฟรองซัว จาค็อป และ จาค โมนอด 

 

                    ก. การสังเคราะห์ RNA จาก DNA แม่พิมพ์

                         การสังเคราะห์ RNA โดยมี DNA เป็นแม่พิมพ์จะคล้ายกับการสังเคราะห์ DNA แต่การสังเคราะห์ RNA ใช้ DNA เพียงสายเดียวเป็นสายแม่พิมพ์ ใช้ เอนไซม์อาร์เอ็นเอ พอลิเมอร์เรส (RNA polymerase) และ ไรโบนิวคลีโอไทด์4 ชนิด คือ ไรโบนิวคลีโอไทด์ที่มีเบส A ไรโยนิวคลีโอไทด์ที่มีเบส U ไรโบนิวคลีโอไทด์ที่มีเบส C และไรโบนิวคลีโอไทด์ที่มีเบส G

                       การสังเคราะห์ RNA มีขั้นตอนดังนี้

              ขั้นเริ่มต้น เอนไซม์อาร์เอ็นเอ พอลิเมอเรสจะเข้าไปจับกับ DNA ตรงบริเวณที่จะสังเคราะห์ RNA ทำให้พันธะไฮโดรเจนระหว่างคู่เบสสลาย พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายของ DNA จะคลายเกลียวแยกออกจากกัน โดยมีสายใดสายหนึ่งเป็นแม่พิมพ์

 

 

                                                             
                 ขั้นการต่อสายยาว ไรโบนิวคลีโอไทด์ที่มีเบสที่เข้าคู่กับนิวคลีโอไทด์ของ DNA สายแม่พิมพ์คือเบส C เข้าคู่กับ G และเบส U เข้าคู่กับ A จะเข้ามาจับกับนิวคลีโอไทด์ของ DNA สายแม่พิมพ์ เอนไซม์ RNA พอลิเมอ-เรสจะเชื่อมไรโบนิวคลีโอไทด์อิสระมาต่อกันเป็นสายยาว โดยมีทิศทางการสังเคราะห์สาย RNA จากปลาย 5' ไปยังปลาย 3' และการสร้างสาย RNA นั้น จะเรียงสลับทิศกับสาย DNA ที่เป็นแม่พิมพ์

 

 

                                                
               ขั้นสิ้นสุด เอนไซม์อาร์เอ็นเอพอลิเมอเรสหยุดทำงานและแยกตัวออกจาก DNA สายแม่พิมพ์สาย RNA ที่สังเคราะห์ได้จะแยกออกจาก DNA ไปยังไซโทพลาสซึม ส่วน DNA 2 สายจะจับคู่กันและบิดเป็นเกลียวเหมือนเดิม

 

 

                                   

                                                                                             ภาพที่ 17-19 ขั้นตอนการสังเคราะห์ mRNA 

                  จากการสังเคราะห์ RNA ดังกล่าว ข้อมูลทางพันธุกรรมใน DNA ได้ถ่ายทอดให้กับ RNA เรียกกระบวนการนี้ว่า การถอดรหัสหรือทรานสคริปชัน (transcripiton)

 

                 ในการสังเคราะห์ RNA โดยใช้ DNA สายหนึ่งเป็นแม่พิมพ์ มีลำดับเบส ดังนี้

 

                                                                  

 

               จงเขียนลำดับเบสของ RNA ที่สังเคราะห์ได้โดยเริ่มจากปลาย 5' ไปยังปลาย 3'

               จากการศึกษา RNA ในเซลล์ พบว่ามี 3 ชนิด แต่ละชนิดจะทำหน้าที่แตกต่างกันดังนี้

 

                                        
                                                                                                           ภาพที่ 17-20 RNA ชนิดต่างๆ
 

                รหัสพันธุกรรม

               จากที่กล่าวแล้วว่า DNA เป็นแม่พิมพ์ในการสังเคราะห์ mRNA ดังนั้นข้อมูลทางพันธุกรรมใน DNA จะถ่ายทอดให้กับ mRNA การเรียงลำดับของนิวคลีโอไทด์ชนิดต่างๆของ mRNA จึงเป็นตัวกำหนดการเรียงลำดับของกรดอะมิโนเพื่อสังเคราะห์โปรตีน

               เนื่องจากกรดอะมิโนที่ใช้ในการสังเคราะห์โปรตีนมีประมาณ 20 ชนิด การกำหนดรหัสพันธุกรรม (genetic code) ในสาย mRNA จะประกอบด้วยกี่นิวคลีโอไทด์ต่อ 1 รหัสพันธุกรรม จึงจะครอบคลุม ชนิดของกรดอะมิโนทั้ง 20 ชนิด

 

               โมเลกุลของ RNA มีนิวคลีโอไทด์เพียง 4 ชนิด ดังนั้นถ้า 1 รหัสพันธุกรรม ประกอบด้วย 1 นิวคลีโอไทด์ จะได้ 4 รหัส และถ้ารหัสพันธุกรรม ประกอบด้วย 2 นิวคลีโอไทด์ เมื่อเรียงสลับกันก็จะได้พัยง 16 รหัส (42) จึงเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากจำนวนของรหัสพันธุกรรมไม่เพียงพอกับจำนวนของกรดอะมิโน ทำนองเดียวกันถ้ารหัสพันธุกรรมประกอบด้วย 3 นิวคลีโอไทด์ ก็จะได้ 64 รหัส (43) ซึ่งเพียงพอกับจำนวนชนิดของกรดอะมิโน

               คริกและคณะได้ให้ความเห็นไว้ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2504 ว่ากรดอะมิโนแต่ละโมเลกุลถูกควบคุมด้วยรหัสพันธุกรรม ซึ่งประกอบด้วย 3 นิวคลีโอไทด์เรียงต่อกัน และในปีเดียวกัน เอ็ม ดับเบิ้ลยู นิเรนเบิร์ก (M. W. Nirenberg) และ เจ เอช แมททัย(J. H. Matthei) ชาวอเมริกันค้นพบรหัสแรกคือ UUU ซึ่งเป็นรหัสของกรดอะมิโนชนิด ฟีนิลอะลานีน (phenylalanine) ในเวลาต่อมามีการค้นพบรหัสพันธุกรรมเพิ่มเติมขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งในปี พ.ศ. 2509 พบรหัสพันธุกรรมถึง 61 ชนิด ที่กำหนดกรดอะมิโน เหลือเพียง 3 รหัส คือ UAA UAG และ UGA ซึ่งไม่กำหนดกรดอะมิโนชนิดใด ต่อมาจึงทราบว่าทั้ง 3 รหัสนี้ เป็นรหัสหยุดการสังเคราะห์โปรตีน (stop codon) นอกจากนี้ยังพบว่า AUG เป็นรหัสของกรดอะมิโนชนิด เมไทโอนีน (methionine) เป็นรหัสตั้งต้นของการสังเคราะห์โปรตีนอีกด้วยรหัสพันธุกรรมที่ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ 3 โมเลกุลเรียงกัน (tripet code) ตามลำดับใน mRNA เป็น 1 รหัส เรียกว่า โคดอน (codon) ดังตารางที่ 17.5 แต่ละโคดอนสื่อความหมายสำหรับกรดอะมิโน 1 ชนิดส่วนลำดับเบสของ tRNA ที่เข้าคู่กับลำดับเบสของโคดอนใน mRNA เรียกว่า แอนติโคดอน (anticodon) สิ่งมีชีวิตทุกชนิดสามารถใช้รหัสเหล่านี้แปลความหมายจาก mRNA เป็นกรดอะมิโนเหมือนๆกัน รหัสพันธุกรรมนี้มีความเป็นสากล

               จะเห็นว่าลำดับนิวคลีโอไทด์ของ mRNA ทำหน้าที่กำหนดชนิดและลำดับของกรดอะมิโนในสายพอลิเพป-ไทด์ที่สังเคราะห์ขึ้นโดยที่ลำดับนิวคลีโอไทด์ของ mRNA จะถอดรหัสพันธุกรรมจาก DNA และลำดับนิวคลีโอไทด์ของ mRNA ทำหน้าที่เป็นรหัสพันธุกรรมสำหรับกรดอะมิโน

               เนื่องจากความแตกต่างของนิวคลีโอไทด์ มาจากชนิดของเบสที่เป็นองค์ประกอบในโมเลกุล ดังนั้น ลำดับนิ-วคลีโอไทด์ในสาย DNA และ RNA จึงอาจเรียกแทนด้วยลำดับเบส

 ตารางที่ 17.5 ตารางรหัสพันธุกรรม

             

              -  ถ้ารหัสพันธุกรรมประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ต่อไปนี้ GCC AUU CUG UGG ลำดับของกรดอะมิโนจะเป็นอย่างไร

 

              ข. การสังเคราะห์โปรตีนที่ไรโบโซม

               ในสิ่งมีชีวิต เมื่อมีการถอดรหัสจาก DNA ได้เป็น mRNA ซึ่งจะนำรหัสพันธุกรรมไปสู่การสังเคราะห์โปรตีน โดยการทำงานของไรโบโซมในไซโทพลาสซึมร่วมกับ tRNA ที่ทำหน้าที่นำกรดอะมิโนมาเรียงต่อกันตามรหัสพันธุกรรมของ mRNA ได้เป็นสายพอลิเพปไทด์เรียกกระบวนการนี้ว่า การแปลรหัส หรือทรานสเลชัน (translation)

               ไรโบโซมจะเคลื่อนที่ไปบน mRNA จากปลาย 5' ไปยังปลาย 3' การแปลรหัสจะเริ่มที่โคดอนที่เป็นรหัสเริ่มต้น (AUG) แล้วดำเนินไปทีละโคดอนตามลำดับ โดยมี  tRNA และไรโบโซมทำหน้าที่ในกระบวนการแปลรหัสโมเลกุลของ tRNA มีแอนติโคดอนที่จะเข้าคู่กับดคดอนของ mRNA โดยมี tRNA 1 โมเลกุล นำกรดอะมิโนได้ 1 โมเลกุลที่จำเพาะกัน เพื่อให้เข้าใจได้ง่ายขึ้น ให้นักเรียนศึกษาจากขั้นตอนการสังเคราะห์โปรตีนในสิ่งมีชีวิตพวกโพรคาริโอต ดังภาพที่ 17-21
               1.  กระบวนการเริ่มต้น

                                                           
                 -  ไรโบโซมหน่วยย่อยขนาดเล็ก และปัจจัยเริ่มต้น ซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยามาจับกับ mRNA

                      -  กรดอะมิโนเมไทโอนีนที่มีหมู่ฟอร์มิลที่ปลายสุด (N-formylmathionine: f-met) เป็นกรดอะมิโนตัวแรกที่ tRNA นำมายังรหัสหรือดคดอนเริ่มต้น AUG ของ mRNA

 

                                                                       
                          
-  ไรโบโซมหน่วยย่อยขนาดใหญ่จะเข้ามาประกบกับไรโบโซมหน่วยย่อยขนาดเล็ก จึงทำให้ไรโบโซมพร้อมทำหน้าที่ต่อไป

               2.  กระบวนการต่อสลาย

                                                                     
                            
-  tRNA โมเลกุลที่ 2 ที่มีแอนติโคดอนเข้าคู่กับโคดอนถัดไปของ mRNA นำกรดอะมิโนตัวที่ 2 เข้ามาเรียงต่อกับกรดอะมิโนตัวแรก แล้วสร้างพันธะเพปไทด์เชื่อมระหว่างกรดอะมิโนทั้งสอง

                                                       
                          
-  ไรโบโซมจะเคลื่อนที่ไปยังโคดอนถัดไปในทิศทางจาก 5'
ไป 3' tRNA โมเลกุลจะหลุดออกไป

                          -  tRNA โมเลกุลที่ 3 ที่มีแอนติโคดอนเข้าคู่กับโคดอนลำดับถัดไป นำกรดอะมิโนตัวที่ 3 เข้าคู่กับ mRNA  ตรงโคดอนที่ว่าง แล้วสร้างพันธะเพปไทด์ระหว่างกรดอะมิโนตัวที่ 2 กับกรดอะมิโน

                                             
                          
-  ไรโบโซมจะเคลื่อนที่ต่อไปทีละโคดอนตามลำดับและกระบวนการต่างๆ จะดำเนินต่อไปเช่นเดียวกับที่กล่าวมาข้างต้น จะได้สายที่มีกรดอะมิโนต่อกันเป็นสายยาวเรียกว่า พอลิเพปไทด์

               3. กระบวนการสิ้นสุด
                                                           

                         -  เมื่อไรโบโซมเคลื่อนที่ต่อไปบน mRNA จนพบกับโคดอนยุติการสร้าง ได้แก่ UAA UAG UGA รหัสใดรหัสหนึ่งจะไม่มี tRNA เข้ามาจับกับรหัสหยุด ทำให้หยุดการแปลรหัส


                                                                     
                        
-  พอลิเพปไทด์ที่ยึดกับ
tRNA ตัวสุดท้ายจะถูกตัดออกไปและแยกออกจากกัน

                       -  ไรโบโซมหน่วยย่อยขนาดเล็กและหน่วยย่อยขนาดใหญ่จะแยกออกจากกัน และ mRNA จะหลุดออกจากไรโบโซม

                                                                           ภาพที่ 17-21 กระบวนการสังเคราะห์โปรตีน

          
                     -  ถ้าโคดอนของ
mRNA โมเลกุลหนึ่งมีลำดับเบสดังนี้

                                                                        
จงบอกลักษณะของแอนติโคดอนของ
tRNA โดยเรียงลำดับที่จะเข้าจับสาย mRNA และลำดับของกรดอะมิโนในสายพอลิเพปไทด์

        -  พอลิเพปไทด์สายหนึ่งมีลำดับกรดอะมิโนเป็นดังนี้

Met-Pro-Lys-Val จงบอกลำดับเบสที่อาจเป็นไปได้ของ mRNA ที่สร้างพอลิเพปไทด์สายนี้

               จากที่กล่าวมาแล้วจะเห็นว่ากระบวนการสังเคราะห์โปรตีนแบ่งออกเป็น 2 ขั้นตอน ดังนี้

                                     

                            การสังเคราะห์โปรตีนในสิ่งมีชีวิตพวกยูคาริโอต จะมีกระบวนการถอดรหัสภายในนิวเคลียส mRNA จะออกจากนิวเคลียส แล้วจึงมีการแปลรหัสในไซโทพลาสซึม ส่วนในสิ่งมีชีวิตพวกโพรยูคาริโอตกระบวนการถอดรหัสและกระบวนการแปลรหัสสามารถเกิดได้ต่อเนื่องกันโดยที่ mRNA ที่สังเคราะห์มาจาก DNA จะถูกนำไปแปลรหัสทันทีทั้งๆที่กระบวนการถอดรหัสยังไม่สิ้นสุด

               กระบวนการสังเคราะห์โปรตีนส่วนใหญ่จะมีการแปลรหัสโดยไรโบโซมหลายโมเลกุลที่อยู่บน mRNA สายเดียวกัน ไรโบโซฒแต่ละโมเลกุลจะสังเคราะห์พอลิเพปไทด์ที่สมบูรณ์และเกิดขึ้นพร้อมๆกันเรียกว่า mRNA ที่มีไรโบโซมหลายๆอันที่กำลังแปลรหัสอยู่บน mRNA นี้ว่า พอลิโซม (polysome) หรือ พอลิไรโบโซม(polyribosome) ดังภาพที่ 17-22

                                

                                                           ภาพที่ 17-22 ก. ภาพถ่ายการเกิดพอลิไรโบโซมจากกล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราด

ข. แผนภาพการเกิดพอลิไรโบโซม</b>

        -  จากภาพที่ 17-22 เป็นพอลิไรโบโซมของโพรคาริโอตหรือยูคาริโอต

               สายพอลิเพปไทด์ที่สังเคราะห์ได้จากการแปลรหัสสิ้นสุดจะมีการเปลี่ยนแปลงบางอย่างทำให้มีการจัดรูปร่าง และการเข้าจับกับพอลิเพปไทด์ต่างๆ เพื่อให้ได้โปรตีนที่มีความเหมาะสมและพร้อมจะทำงานได้ <b>นักเรียนบอกได้หรือไม่ว่าโปรตีนที่สังเคราะห์ได้นี้จะนำไปใช้ให้เกิดประโยชน์ต่อร่างกายอย่างไร</b>

               โดยบทบาทและหน้าที่ของโปรตีน เป็นไปอย่างหลากหลาย เช่น

               -  ทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบของโครงสร้าง เช่น คอลลาเจนและเคอราทินในสัตว์ โปรตีนที่ผนังเซลล์ของพืช และโปรตีนที่เป็นองค์ประกอบของไรโบโซม

               -  ทำหน้าที่เกี่ยวกับการเคลื่อนไหว เช่น แอกทินและไมโอซินในกล้ามเนื้อของคน ทูบูลินซึ่งมีบทบาทในการเคลื่อนไหวของซิเลียหรือเฟลเจลลาในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว

               -  ทำหน้าที่ในระบบคุ้มกัน เช่น อิมมูโนโกลบูลิน (immunoglobulin) ในสัตว์ ซิสเทมิน (systemin) และโปรตีนเนสอินฮิบิเตอร์ (protenase inhibitor) ในพืช เป็นต้น

               -  ควบคุมปฏิกิริยาต่างในสิ่งมีชีวิต เช่น เอนไซม์ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง และเอนไซม์ในกระบวนการสสลายสารอาหาร เป็นต้น

               -  ทำหน้าที่ในการติดต่อสื่อสารระหว่างเซลล์ชนิดต่างๆ เช่น ฮอร์โมนต่างๆ เป็นต้น

               จากที่กล่าวมาแล้วข้างต้น นักเรียนจะเห็นได้ว่า DNA เกี่ยวข้องกับการแสดงลักษณะของสิ่งมีชีวิต ซึ่งความสำคัญของ DNA คือเป้นแหล่งเก็บข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต แล้วถ่ายทอดข้อมูลให้กับ RNA แล้วแปรรหัสจาก RNA เป็นกรดอะมิโน ในที่สุด DNA ควบคุมการสังเคราะห์โปรตีนได้เป็นโปรตีนโครงสร้าง โปรตีนที่เป็นเอนไซม์และสารอื่นๆ อยู่ภายในเซลล์ มีผลทำให้เซลล์และสิ่งมีชีวิตปรากฏลักษณะต่างๆได้