ภารระงานที่ 4

3 การจำลองของโครงสร้างของ DNA

การจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ (DNA replication) เป็นกระบวนการทางชีววิทยาที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดเพื่อจำลองดีเอ็นเอของตนเอง กระบวนการนี้เริ่มจากดีเอ็นเอสายเดี่ยวสร้างดีเอ็นเออีกสายที่เป็นคู่สมของตนจนกลายเป็นดีเอ็นเอเกลียวคู่ กระบวนการเป็นแบบกึ่งอนุรักษ์ (semiconservative replication) มีการตรวจสอบความถูกต้องของกระบวนการเพื่อป้องกัน

ภาพที่1

แสดงการจำลองตัวเองของ DNA

ที่มาhttp://www.bloggang.com/mainblog.php?id=thepsathit&month=24-09-2010&group=1&gblog=6

รูปแบบการจำลองของตัวเองของดีเอ็นเอในสิ่งมีชีวิต

แบบซีตา (Theta model) พบในสิ่งมีชีวิตที่มี DNA เป็นวงกลม เช่นแบคทีเรีย โดยช่วงหนึ่งดีเอ็นเอจะมีรูปร่างคล้าย θ การจำลองจะเริ่มที่จุดๆหนึ่งซึ่งจะโป่งออกเป็นห่วงโดยมี Replication fork อยู่ที่ปลายแต่ละด้านของจุดเริ่มต้น เกิด 2 ทิศทาง สุดท้ายจะได้ดีเอ็นเอ 2 วง

แบบซิกมา (Sigma model) ช่วงหนึ่งดีเอ็นเอมีรูปร่างคล้าย ς พบใน DNA ที่เป็นวงกลม ที่จุดเริ่มต้นจะเกิดช่องขาด ขึ้นเนื่องจากพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ถูกตัด ดีเอ็นเอสายหนึ่งยืดยาวออกไปเป็นแม่แบบ เมื่อสิ้นสุดจะได้ดีเอ็นเอเกลียวคู่เป็นวง 1 วง และเป็นเส้น 1 เส้น

แบบวาย (Y-shaped model) เป็นแบบที่พบมากที่สุด โดยจุดเริ่มต้นมีมากกว่า 1 จุด แต่ละจุดโป่งออกเป็นห่วงกระจายทั่วไป เกิด 2 ทิศทางพร้อมกัน ในที่สุดแต่ละห่วงจะมาชนกันได้ดีเอ็นเอใหม่ 2 สาย

การจำลองตัวเองของ DNA

ภาพที่2

แสดงรหัสพันธุกรรม

ที่มาhttp://www.bloggang.com/mainblog.php?id=thepsathit&month=24-09-2010&group=1&gblog=6

โปรคาริโอด

ภาพที่ 3

ความแตกต่างระหว่างเซลล์โปรคาริโอตและเซลล์ยูคาริโอต

ที่มาhttp://wanmaii.multiply.com/journal/item/1

การเริ่มต้น (Initiation) ในดีเอ็นเอของแบคทีเรียนั้นจะมีจุดสำหรับเริ่มจำลองดีเอ็นเอ มีโปรตีนเข้ามากระตุ้นให้ดีเอ็นเอที่จุดเริ่มต้นดังกล่าวคลายตัว เฮลิเคสเข้ามาตัดพันธะไฮโดรเจนระหว่างสายดีเอ็นเอ ดีเอ็นเอบายดิงโปรตีนมาจับเพื่อป้องกันไม่ให้สร้างพันธะไฮโดรเจนต่ออีก

การสร้างดีเอ็นเอสายใหม่ (Elongation) เมื่อดีเอ็นเอทั้งสองสายแยกจากกันแล้ว DNA polymerase III จะเข้ามาตรงจุดแยกเพื่อสร้างดีเอ็นเอสายใหม่ เนื่องจาก DNA pol III มีคุณสมบัติในการสร้างดีเอ็นเอสายใหม่จาก 5′ ไป 3′ เท่านั้น ซึ่งต้องการแม่แบบที่เป็นสาย 3′ ไป 5′ แต่ดีเอ็นเอแม่แบบมีทั้งที่เป็น 3′ ไป 5′ และ 5′ ไป 3′ ดังนั้น การสร้างสายดีเอ็นเอจึงแบ่งเป็น 2 แบบดังนี้

สายต่อเนื่อง (Leading stand) คือสายที่เป็น 3′ ไป 5′ ในสายนี้ DNA polymerase III จะสร้างดีเอ็นเอสายใหม่ได้อย่างต่อเนื่อง เริ่มต้นโดย Primase สร้างไพรเมอร์ที่เป็นอาร์เอ็นเอสายสั้นๆ ขนาด 10 – 26 นิวคลีโอไทด์ เข้ามาจับกับดีเอ็นเอตรงจุดแยก จากนั้น DNA polymerase III จะเติม dNTPs เข้ามาในทิศทาง 5′ ไป 3′ ไปเรื่อยๆ

สายไม่ต่อเนื่อง (Lagging stand) เนื่องจากสายนี้ดีเอ็นเอแม่แบบเป็น 5′ ไป 3′ การสร้างดีเอ็นเอเป็นสายยาวไปทีเดียวจึงเกิดขึ้นไม่ได้ แต่จะใช้วิธีให้สายดีเอ็นเอโค้งงอผ่าน DNA pol III เพื่อให้ DNA polymerase III สร้างดีเอ็นเอสายใหม่ในทิศทาง 5′ ไป 3′ เป็นชิ้นเล็กๆ เรียกชิ้นเล็กๆนี้ว่าชิ้นส่วนโอคาซากิ (Okazaki fragment) โดย Primase สร้างไพรเมอร์ที่เป็นอาร์เอ็นเอสายสั้นๆ สำหรับการสร้างชิ้นส่วนโอคาซากิแต่ละชิ้น หน่วยย่อยเบตาของ DNA polymerase III จะเข้ามาจับที่ไพรเมอร์และเชื่อมต่อกับ DNA polymerase III เมื่อหมดชิ้นจะสร้างชิ้นใหม่ หน่วยย่อยเบตาอันเดิมจะหลุดไป หน่วยย่อยเบตาอันใหม่จะเข้ามาจับกับไพรเมอร์อันต่อไป เป็นเช่นนี้ไปเรื่อยๆ

การตรวจสอบ ส่วนของไพรเมอร์ที่เป็นอาร์เอ็นเอจะถูกตรวจสอบด้วย DNA polymerase I และสร้างดีเอ็นเอซ่อมแซมส่วนที่ตัดออกไป จุดขาดที่เกิดขึ้นบนสายดีเอ็นเอ เนื่องจาก DNA polymerase I ไม่ได้ต่อพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ตรงปลาย 5′ ของจุดตัดจะถูกเชื่อมด้วย ดีเอ็นเอไลเกส โดยสายต่อเนื่องจะตัดครั้งเดียว ส่วนสายไม่ต่อเนื่องจะตัดไพรเมอร์ของชิ้นส่วนโอคาซากิทุกชิ้น

การสิ้นสุด (Termination) ระหว่างจุดเริ่มต้นแต่ละแห่งจะมีจุดสิ้นสุดของเรพลิเคชันอยู่ด้วย มีขนาด 20 คู่เบส เรียกว่า ter sequence ซึ่งจะมีโปรตีนที่จดจำตำแหน่งนี้เข้ามาจับเพื่อบอกให้ DNA polymerase III รู้ว่าจำลองดีเอ็นเอมาครบรอบแล้ว

ภาพที่ 4

    เซลล์โพรคาริโอต

ที่มาhttp://www.vcharkarn.com/vcafe/148402

ยูคาริโอด

ที่มาภาพที่ 5

 เซลล์

http://student.nu.ac.th/phitsanu_edu/lesson/lesson_2.htm

การจำลองตัวเองในยูคาริโอตมีความซับซ้อนกว่า โดยจุดเริ่มต้นนั้นจะมีโปรตีนที่จดจำตำแหน่งนี้โดยเฉพาะเข้ามากระตุ้นให้ดีเอ็นเอคลายตัว DNA polymerase มีหลายชนิด โดยในนิวเคลียสใช้ DNA polymerase α และ DNA polymerase δ โดย DNA polymerase α ทำหน้าที่คล้าย DNA polymerase III ในโปรคาริโอต DNA polymerase δ ทำหน้าที่คล้ายหน่วยเบตาของ DNA polymerase III และ DNA polymerase ε ทำหน้าที่คล้าย DNA polymerase I ในโปรคาริโอต การสิ้นสุดเรพลิเคชันในยูคาริโอต เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์โครงสร้างพิเศษที่เรียกเทโลเมียร์ที่ตอนปลายของโครโมโซม

คำถาม

1 รูปแบบการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอในสิ่งมีชีวิต มีอะไรบ้าง

ตอบ
2 การจำลองของตัวเองของโปรคาริโอตคืออะไร

ตอบ

3.การจำลองของตัวเองของยูคาริโอตคืออะไร

ตอบ

ภารระงานที่3

ภารระงานที่3

2 โครงสร้าง DNA และโครงสร้างของ DNA

โครงสร้าง DNA

ภาพที่ 1

ที่มา http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/biomolecule/chapter5_4.html

ดีเอ็นเอ (: DNA) เป็นชื่อย่อของสารพันธุกรรม มีชื่อวิทยาศาสตร์ว่า กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (Deoxyribonucleic acid) ซึ่งเป็นกรดนิวคลีอิก (กรดที่พบในใจกลางของเซลล์ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิดทุกชนิด) ที่พบในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ได้แก่ คน, สัตว์, พืช, เชื้อรา, แบคทีเรีย, ไวรัส เป็นต้น ดีเอ็นเอบรรจุข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตชนิดนั้นไว้ ซึ่งมีลักษณะที่ผสมผสานมาจากสิ่งมีชีวิตรุ่นก่อน ซึ่งก็คือ พ่อและแม่ และสามารถถ่ายทอดไปยังสิ่งมีชีวิตรุ่นถัดไป ซึ่งก็คือ ลูกหลาน

โครงสร้างของดีเอ็นเออยู่ในรูปเกลียวคู่ โดยดีเอ็นเอ 2 สาย เรียงตัวในแนวตรงกันข้ามกัน สายหนึ่งอยู่ในทิศทาง 3′ ไป 5′ อีกสายอยู่ในทิศทาง 5′ ไป 3′ โดยทั้งสองสายนำส่วนที่เป็นน้ำตาลดีออกซีไรโบสไว้ด้านนอก หันด้านที่เป็นเบสเข้าหากัน โดยเบสที่อยู่ตรงข้ามกันต้องเป็นเบสคู่สมกัน การพันเกลียวของดีเอ็นเอเป็นแบบเกลียวคู่ (Double-helix) ซึ่งมีร่อง (Groove) 2 แบบคือร่องขนาดใหญ่ ขนา 12 อังสตรอม ร่องขนาดเล็กขนาด 6 อังสตรอม 1 รอบของดีเอ็นเอประกอบด้วยเบสจำนวน 10 คู่เบส ห่างกัน 34 อังสตรอม เบสแต่ละตัวห่างกัน 3.4 อังสตรอม ความกว้างระหว่างสายเป็น 20 อังสตรอม โครงสร้างดีเอ็นเอที่กล่าวถึงข้างต้นเป็นโครงสร้างดีเอ็นเอแบบที่พบทั่วไปในสิ่งมีชีวิตเรียก B-DNA นอกจากนี้ยังมีดีเอ็นเออีก 2 แบบคือ A-DNA เป็นเกลียววนขวาเช่นกันแต่มีระยะของคู่เบสและเส้นผ่านศูนย์กลางของเกลียวคู่ต่างไปจาก B-DNA กับแบบ Z-DNA เป็นดีเอ็นเอวนซ้ายแบบซิกแซก โดยทั่วไปดีเอ็นเอในสิ่งมีชีวิตเป็นแบบ B-DNA ยกเว้นในบางสภาวะเช่น มีความเข้มข้นของเกลือสูงจึงเปลี่ยนเป็นรูป Z-DNA

ภาพที่ 2

ดีเอ็นเอเกลียวคู่เวียนขวาแบบบี

ที่มา http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/biomolecule/chapter5_4.html

ในสภาพความเป็นกรด-เบสในร่างกาย ดีเอ็นเอมีฤทธิ์เป็นกรดและแตกตัวให้ประจุลบ ดีเอ็นเอที่อยู่ในรูปเกลียวคู่นี้สามารถทำให้แยกออกจากกันได้ เรียกว่าการทำให้เสียสภาพ (Denaturation) ซึ่งเกิดจากการที่ดีเอ็นเอได้รับความร้อน รังสีเอ็กซ์ หรือสารเคมีบางตัว ทำให้พันธะไฮโดรเจนที่ยึดระหว่างดีเอ็นเอถูกทำลาย สายคู่ของดีเอ็นเอจึงแยกออกจากกัน เมื่อสภาพที่ทำให้ดีเอ็นเอเสียสภาพหมดไป ดีเอ็นเอจะกลับเข้ามารวมตัวเป็นเกลียวคู่ได้ใหม่ เรียกว่าการคืนสภาพ (Renaturation) บริเวณที่มีเบส A และ T มากจะใช้อุณหภูมิในการแยกดีเอ็นเอน้อยกว่าบริเวณที่มีเบส G และ C มาก

หน่วยย่อยของดีเอ็นเอคือนิวคลีโอไทด์ (Nucleotide) นิวคลีโอไทด์เป็นโมเลกุลที่ประกอบด้วยน้ำตาล, ฟอสเฟต (ซึ่งประกอบด้วยฟอสฟอรัสและออกซิเจน) และเบส (หรือด่าง) นิวคลีโอไทด์มีอยู่สี่ชนิด ได้แก่ อะดีนีน (adenine, A) , ไทมีน (thymine, T) , ไซโทซีน (cytosine, C) และกัวนีน (guanine, G) ขาของบันไดสองข้างหรือนิวคลีโอไทด์ถูกเชื่อมด้วยเบส โดยที่ A จะเชื่อมกับ T และ C จะเชื่อมกับ G เท่านั้น (ในกรณีของดีเอ็นเอ) และข้อมูลทางพันธุกรรมในสิ่งมีชีวิตชนิดต่าง ๆ เกิดขึ้นจากการเรียงลำดับของเบสในดีเอ็นเอนั่นเอง โครงสร้างของ ดี เอน เอ 

การศึกษาโครงสร้างของ ดี เอน เอ มีรากฐานมาจากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์หลายกลุ่ม เริ่มตั้งแต่งานของ Chargaff แห่งมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย ซึ่งได้ศึกษาองค์ประกอบเบสของ ดี เอน เอ จากแหล่งต่างๆ แล้วสรุปเป็นกฎของ Chargaff ดังนี้

1. องค์ประกอบเบสของ DNA จากสิ่งมีชีวิตต่างชนิดจะแตกต่างกัน

2. องค์ประกอบเบสของ DNA จากสิ่งมีชีวิตชนิดเดียวกันจะเหมือนกัน แม้ว่าจะนำมาจากเนื้อเยื่อต่างกันก็ตาม

3. องค์ประกอบเบสของ DNA ในสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งมีความคงที่ ไม่แปรผันตามอายุ อาหาร หรือสิ่งแวดล้อม

4. ใน DNA ไม่ว่าจะนำมาจากแหล่งใดก็ตาม จะพบ A=T , C=G หรือ purine = pyrimidine เสมอ

นักวิทยาศาสตร์อีกกลุ่ม ได้แก่ Flanklin และ Wilkins แห่งมหาวิทยาลัยลอนดอน ได้ศึกษาโครงสร้างของโมเลกุลของ ดี เอน เอ โดยใช้ภาพถ่ายการหักเหรังสีเอกซ์ที่ฉายผ่านโมเลกุล (X-rays diffraction) 

ผลงานจากทั้งสองแหล่งนี้ทำให้ Watson และ Crick ค้นพบลักษณะโครงสร้างทุติยภูมิของ ดี เอน เอ ว่ามีลักษณะดังนี้

ดี เอน เอ มีรูปร่างเป็นแท่งเกลียวเวียนขวา (alpha-helix) ประกอบขึ้นจากโพลีดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์สองสาย เชื่อมกันด้วยพันธะไฮโดรเจนที่เกิดระหว่างเบสไนโตรเจนของแต่ละสาย โพลีดีออกซีไรโบนิคลีโอไทด์ทั้งสองสายนี้ จะทอดตัวกลับหัวกลับหางกัน (antiparalle) สายหนึ่งทอดตัวในทิศ 5′ - 3′ อีกสายหนึ่งจะทอดตัวในทิศ 3′ -5′ ในการเข้าคู่กันนี้ทั้งสองสายจะหันส่วนที่เป็นน้ำตาลและฟอสเฟตออกข้างนอก แล้วฝังส่วนที่เป็นเบสไว้ภายในแกนกลางโมเลกุล ทำให้ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของแท่งเกลียว ดี เอน เอ มีขนาด 20 Å

๑ รอบเกลียวมีขนาด 34 Å ประกอบขึ้นจากจำนวนคู่เบส ๑๐ คู่ ดังนั้นแต่ละคู่เบสจะอยู่ห่างกัน 3.4 Å และการบิดรอบเกลียวทำให้โมเลกุลของ ดี เอน เอ เกิดร่องเกลียวสองขนาด ขนาดใหญ่เรียกว่า major groove ขนาดเล็กเรียกว่า minor groove 

ภาพที่ 3

โครงสร้าง DNA

http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B9%84%E0%B8%9F%E0%B8%A5%E0%B9%8C:DNA_Overview.png

การจับกันด้วยพันธะไฮโดรเจนของคู่เบสนั้น เป็นการเข้าคู่ที่จำเพาะ คือ C จะจับกับ G ด้วยพันธะไฮโดรเจน ๓ พันธะ และ A จับกับ T ด้วยพันธะไฮโดรเจน ๒ พันธะ 
รูปการจับคู่เบส
การจับคู่เบสอย่างจำเพาะมีประโยชน์คือ เมื่อเราทราบการเรียงลำดับเบสของโพลีดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ สายหนึ่งแล้ว ก็จะรู้การเรียงลำดับเบสของโพลีดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ในสายที่เข้าคู่กันด้วย เรียกลำดับนิวคลีโอไทด์ที่สามารถเข้าคู่กันได้นี้ว่า complementary base sequence 

ภาพที่ 4

 การจับคู่เบสแบบวัตสันและคริก

ที่มา : .http://www.scq.ubc.ca/a-monks-flourishing-garden-the-basics-of-molecular-biology-explained/

คุณสมบัติของ ดี เอน เอ

ความเป็นกรด ในสิ่งแวดล้อมปกติของเซลล์ ดี เอน เอ มีประจุเป็นลบ แสดงถึงคุณสมบัติการเป็นกรด ดี เอน เอ จึงสามารถจับกับไอออนหรือสารอื่นที่มีประจุบวกได้ 

การเสียสภาพของ ดี เอน เอ คำว่าการเสียสภาพ (denaturation) ของ ดี เอน เอ หมายถึงการทำให้ ดี เอน เอ ซึ่งเคยเป็นสายคู่แยกตัวออกมาเป็นสายเดี่ยว สิ่งที่ทำให้เกิดการเสียสภาพธรรมชาติของ ดี เอน เอ ได้แก่ ความร้อน กรด ด่าง รังสีเอกซ์ ยูเรีย ดี เอน เอ ที่เสียสภาพธรรมชาติไปแล้ว ถ้าปรับสิ่งแวดล้อมใหม่ให้เหมาะสม มันสามารถคืนสภาพธรรมชาติได้ใหม่ ตัวอย่างเช่น ในเทคนิค hybridization เขาจะทำให้ ดี เอน เอ เสียสภาพธรรมชาติด้วยความร้อนก่อน แล้วให้คืนสภาพธรรมชาติใหม่ด้วยการค่อยๆลดอุณหภูมิลง 

การดูดกลืนแสง ด้วยคุณสมบัติของเบส ที่สามารถดูดกลืนแสงได้มากที่สุดที่ 260 nm ดี เอน เอ ก็ดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นนี้ได้ดีที่สุดเช่นกัน คุณสมบัตินี้ทำให้เราสามารถวัดหาปริมาณ ดี เอน เอ ด้วยการวัดการดูดกลืนแสง แต่สิ่งที่ต้องคำนึงในที่นี้คือ ดี เอน เอ ในปริมาณที่เท่ากัน ถ้าเป็นสายเดี่ยว (จากการทำให้เสียสภาพธรรมชาติ) จะดูดกลืนแสงได้มากกว่า ดี เอน เอ สายคู่ คุณสมบัตินี้เรียกว่า ไฮเพอร์โครมิซึม (hyperchromism) การเสียสภาพธรรมชาติของ ดี เอน เอ และไฮเพอร์โครมิซึมมีความสัมพันธ์กัน เช่นเมื่อเพิ่มอุณหภูมิให้แก่สารละลาย ดี เอน เอ บริเวณที่เป็น A-T rich region ซึ่งจับกันด้วยพันธะไฮโดรเจนน้อยกว่า G-C rich region จะเริ่มคลายเกลียวออก หากยังเพิ่มอุณหภูมิให้แก่สารละลาย ดี เอน เอ ต่อไป ในที่สุด ดี เอน เอ จะคลายเกลียวออกจนเป็นเส้นเดี่ยวทั้งหมด

ในขณะที่เกิดการคลายตัวของ ดี เอน เอ นั้น หากเราวัดค่าการดูดกลืนคลื่นแสงที่ 260 nm ไปด้วย จะพบว่าสารละลาย ดี เอน เอ มีการดูดกลืนคลื่นแสงมากขึ้นตามปรากฎการณ์ไฮเพอร์โครมิซึม ซึ่งหากเขียนกราฟความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิ กับการดูดกลืนแสงที่ 260 nm จะได้กราฟที่เรียกว่า DNA melting curve ค่า tm ขึ้นกับปริมาณ G-C ใน ดี เอน เอ โดยที่ ดี เอน เอ ที่มี G-C สูง จะมีค่า tm สูงกว่า ดี เอน เอ ที่มี G-C ต่ำ

ดีเอ็นเอประกอบน้ำตาลดีออกซีไรโบส (deoxyribose) ยึดจับกับหมู่ฟอสเฟต (-PO4) และเบสชนิดใดชนิดหนึ่งใน 4 ชนิด คือ แอดินีน (adenine : A) กวานีน (guanine: G) ซึ่งเป็นเบสชนิด พิวรีน (purine) ไซโทซีน (cytosine: C ) และ ไทมีน (thymine: T) ที่เป็นเบสชนิดไพริมิดีน (pyrimidine) 

เมื่อเบสชนิดพิวรีนจับกับไพริมิดีน (แอดินีน จับกับ ไทมีน และ กัวนีน จับกับไซโทซีน) ที่อยู่ต่างสายพอลินิวคลีโอไทด์ด้วยพันธะไฮโดรเจนทำให้เกิดลักษณะโครงสร้างของพอลินิวคลีโอไทด์ 

2 สายที่บิดเป็นเกลียว (double helix) เวียนขวา ซึ่งเป็นโครงสร้างของดีเอ็นเอ

ภาพที่ 5

สาย DNA

http://blog.eduzones.com/ezine/print.php?content_id=91185

คำถาม

1 ดีเอ็นเอ(DNA)เป็นชื่อย่อของสารพันธุกรรม ที่มีชื่อวิทยาศาสตร์ว่าอะไร

ตอบ 

2 ดีเอ็นเอมีรูปร่างเป็นอย่างไร

ตอบ

3 การจับกันด้วยพันธะไฮโดรเจนของคู่เบสนั้น เป็นการเข้าคู่ที่จำเพาะอะไรกับอะไร

ตอบ