ดีเอ็นเอ (DNA) คืออะไร (What is DNA ?)
ดีเอ็นเอ
(DNA)คือ ชื่อย่อของสารพันธุกรรม มีชื่อแบบเต็มว่า กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (Deoxyribonucleic
acid) ซึ่งเป็นจำพวกกรดนิวคลีอิก(Nucleic acid) (กรดที่สามารถพบได้ในส่วนของใจกลางของเซลล์) ซึ่ง ดีเอ็นเอ (DNA) มักพบอยู่ในส่วนของนิวเคลียสของเซลล์ โดยพันตัวอยู่บนโครโมโซม(chromosome)
ดีเอ็นเอ (DNA)มักพบในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด
ได้แก่ คน (Human), สัตว์ (Animal), พืช
(Plant), เห็ดและรา (Fungi), แบคทีเรีย
(Bacteria), ไวรัส (Virus) (ไวรัสอาจจะไม่ถูกเรียกว่าสิ่งมีชีวิตเพราะองค์ประกอบบางอย่างไม่ครบ)
เป็นต้น ดีเอ็นเอ (DNA) ทำการเก็บข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งๆเอาไว้
ซึ่งมีลักษณะที่มีการผสมผสานมาจากสิ่งมีชีวิตรุ่นก่อน ซึ่งก็คือ รุ่นพ่อและแม่ (Parent)
ทั้งยังสามารถถ่ายทอดลักษณะไปยังสิ่งมีชีวิตรุ่นถัดไป
ซึ่งก็คือรุ่นลูก หรือ รุ่นหลาน (Offspring)
ดีเอ็นเอ
(DNA)
มีรูปร่างเป็นเกลียวคู่(double helix) โดยมีพอลินิวคลีโอไทด์
(polynucleotide) 2 สาย เรียงตัวในแนวที่ตรงกันข้ามกัน
พอลินิวคลีโอไทด์(polynucleotide)สายหนึ่งเรียงตัวในทิศทางจาก
3’ ไป 5’ ส่วนพอลินิวคลีโอไทด์(polynucleotide)อีกสายหนึ่งเรียงตัวในทิศทาง 5’ ไป 3’ โดยที่พอลินิวคลีโอไทด์(polynucleotide)ทั้ง 2
สายนี้ เอาส่วนที่เป็นน้ำตาลดีออกซีไรโบส(Deoxyribose Sugar)ไว้ด้านนอก
หันส่วนที่เป็นเบสเข้าหากัน โดยเบสที่อยู่ตรงข้ามกันต้องเป็นเบสที่เข้าคู่กันได้(complementary)
ดีเอ็นเอ (DNA) จึงมีลักษณะคล้ายบันไดลิงที่บิดตัวทางขวา
หรือบันไดเวียนขวา ขาหรือราวของบันไดแต่ละข้างก็คือการเรียงตัวของนิวคลีโอไทด์(Nucleotide)
นิวคลีโอไทด์(Nucleotide)เป็นโมเลกุลที่ประกอบด้วยน้ำตาลดีออกซีไรโบส(Deoxyribose
Sugar), หมู่ฟอสเฟต (Phosphate Group) (ซึ่งประกอบด้วยฟอสฟอรัสและออกซิเจน)
และไนโตรจีนัสเบส (Nitrogenous Base) เบสในนิวคลีโอไทด์มีอยู่สี่ชนิด
ได้แก่ อะดีนีน (Adenine, A) , ไทมีน (Thymine, T) , ไซโตซีน (Cytosine, C) และกัวนีน (Guanine,
G) ขาหรือราวของบันไดสองข้างหรือนิวคลีโอไทด์ถูกเชื่อมด้วยเบส
โดยที่ A จะเชื่อมกับ T ด้วยพันธะไฮโดรเจนแบบพันธะคู่
หรือ double bonds และ C จะเชื่อมกับ G
ด้วยพันธะไฮโดรเจนแบบพันธะสามหรือ triple bonds (ในกรณีของดีเอ็นเอ (DNA))
และข้อมูลทางพันธุกรรมในสิ่งมีชีวิตชนิดต่าง
ๆ เกิดขึ้นจากการเรียงลำดับของเบสในดีเอ็นเอ (DNA)นั่นเอง
ดีเอ็นเอ(DNA)มีสภาวะความเป็นกรดและมีสภาพประจุเป็นประจุลบ
หากดีเอ็นเอ(DNA)ได้รับ รังสีเอ็กซ์(X-rays) หรือ ความร้อน หรือสารเคมีบางตัว
จะทำให้พันธะไฮโดรเจนของเบสที่ยึดกันระหว่างในสายดีเอ็นเอ(DNA)ถูกทำลาย สายคู่ของดีเอ็นเอ(DNA)ที่ยึดเกาะกันจะแยกออกจากกัน
เรียกว่า “การทำให้เสียสภาพ (Denaturation)” แต่ดีเอ็นเอ(DNA)สามารถกลับมาเป็นเกลียวคู่ได้ใหม่
เรียกว่า “การคืนสภาพ (Renaturation)” ดีเอ็นเอ(DNA)ในบริเวณที่มีเบส A และ T มากจะใช้อุณหภูมิในการแยกดีเอ็นเอ(DNA)น้อยกว่าบริเวณที่มีเบส G และ C มาก (เพราะ A กับ T เชื่อมกันด้วยพันธะไฮโดรเจนแบบพันธะคู่
หรือ double bonds จึงใช้พลังงานในการแยกน้อยกว่า C กับ G ซึ่งเชื่อมกันด้วยพันธะไฮโดรเจนแบบพันธะสาม)
ผู้ค้นพบดีเอ็นเอ(DNA)
คือ ฟรีดริช มีเชอร์ (Johann Friedrich Miecher) ในปี พ.ศ. 2412 (ค.ศ. 1869) แต่ยังไม่ทราบว่ามีโครงสร้างอย่างไร จนในปี
พ.ศ. 2496 (ค.ศ. 1953) เจมส์ ดี. วัตสัน และฟรานซิส คริก (James D. Watson
and Francis Crick)เป็นผู้รวบรวมข้อมูล
และสร้างแบบจำลองโครงสร้างของดีเอ็นเอ(DNA) (DNA Structure Model)จนทำให้ได้รับรางวัลโนเบล(Nobel Prize in Physiology or Medicine
in 1962) และนับเป็นจุดเริ่มต้นของยุคเทคโนโลยีทางดีเอ็นเอ (DNA
Technology)
ความแตกต่างระหว่าง
ยีน(gene) ดีเอ็นเอ(DNA) และ
โครโมโซม (Chromosome)
ข้อแตกต่างระหว่าง
ยีน(gene)
ดีเอ็นเอ(DNA) และ โครโมโซม (Chromosome)
คือ
-
ยีน(gene)
เป็นส่วนหนึ่งของดีเอ็นเอ(DNA)
-
ดีเอ็นเอ(DNA) จะมีส่วนที่ไม่ใช่ยีนและส่วนที่เป็นยีน(gene)เป็นส่วนประกอบ และ ดีเอ็นเอ(DNA) เป็นส่วนประกอบหลักของโครโมโซม
(Chromosome)
-
โครโมโซม (Chromosome) มีดีเอ็นเอ(DNA)และโปรตีน(Protein) เป็นส่วนประกอบหลัก
หากเรียงขนาดจากใหญ่ไปเล็กจะเรียงได้ดังนี้
โครโมโซม
(Chromosome)
> ดีเอ็นเอ(DNA) > ยีน(gene)
โครงสร้างของดีเอ็นเอ
(Structure of DNA)
โครงสร้างของดีเอ็นเอ(Structure
of DNA) ซึ่งกรดนิวคลีอิก ชนิด ดีเอ็นเอ(DNA,deoxyribonucleic
acids)เป็นแหล่งในการเก็บข้อมูลทางพันธุกรรม (genetic
information) ของสิ่งมีชีวิตโดย เจมส์ ดี. วัตสัน และ ฟรานซิส คริก
(James D. Watson and Francis Crick) ได้สร้างแบบจำลองโมเลกุลของดีเอ็นเอ
(DNA) ดังนี
1.
มีสายพอลินิวคลีโอไทด์(polynucleotide) 2 สาย ยึดกันโดยการจับคู่กันของเบส
โดยในสายพอลินิวคลีโอไทด์(polynucleotide) ปลาย 3’ ของนิวคลีโอไทด์ (nucleotide) หนึ่งจะจับกับปลาย 5’
ของนิวคลีโอไทด์(nucleotide) อีกอันหนึ่ง
แต่ละสายมีทิศทางจากปลาย 5’ ไปยัง 3’ เรียงตัวกลับสวนทิศทางกัน(antiparallel)
2.
เบสไทมีน(T) ยึดกับ เบสอะดีนีน(A) ด้วยพันธะไฮโดรเจนแบบพันธะคู่ หรือ double bonds ส่วน
เบสไซโตซีน(C)ยึดกับเบสกัวนีน(G)ด้วยพันธะไฮโดรเจนแบบพันธะสามหรือ
triple bonds
3.
พอลินิวคลีโอไทด์(polynucleotide) 2 สายพันกัน
บิดเป็นเกลียวคล้ายบันไดเวียนขวาโดยมี น้ำตาลดีออกซีไรโบส(Deoxyribose
Sugar)จับกับหมู่ฟอสเฟต(phosphate group) คล้ายเป็นราวบันได
4.
ใน 1 รอบเกลียวของ ดีเอ็นเอ (DNA) ประกอบด้วย คู่เบส 10
คู่
5. เกลียวแต่ละรอบห่างเท่ากับ 34 Å
(อ่านว่า อังสตรอม) หรือ 3.4 nm และพอลินิวคลีโอไทด์(polynucleotide)
2 สาย มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 Å หรือ 2
nm แต่ละคู่เบสห่างกับ 3.4 อังสตรอม หรือ 0.34 nm เกลียวเอียงทำมุม 36 องศา
โดยพบว่า
โครงสร้างของดีเอ็นเอ(DNA)
ดีเอ็นเอ (DNA)เป็นสายโพลีนิวคลีโอไทด์
(polynucleotide) 2 สายพันกันเป็นเกลียวเวียนขวาเรียกว่า
เกลียวคู่ (double helix) โดยมีพอลินิวคลีโอไทด์ (polynucleotide)
2 สายนี้
เรียงตัวในแนวที่ตรงกันข้ามกันหรือพันกันในลักษณะทิศสวนทางตรงกันข้ามกัน (anti-parallel)
ซึ่งพอลินิวคลีโอไทด์(polynucleotide)สายหนึ่งเรียงตัวในทิศทางจาก
3’ ไป 5’ ส่วนพอลินิวคลีโอไทด์(polynucleotide)อีกสายหนึ่งเรียงตัวในทิศทาง 5’ ไป 3’ แต่ละสายประกอบด้วยหน่วยย่อยของนิวคลีโอไทด์(Nucleotide)ที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ (phosphodiester bond) ระหว่างหมู่ไฮดรอกซี่ (OH group) ที่คาร์บอนตำแหน่งที่
3 ของน้ำตาลดีออกซีไรโบส(Deoxyribose Sugar)ตัวแรกและหมู่ฟอสเฟต
(phosphate group) ที่ต่อกับคาร์บอนตำแหน่งที่ 5
ของน้ำตาลดีออกซีไรโบส(Deoxyribose Sugar)ตัวถัดไป
นิวคลีโอไทด์(polynucleotide)ทั้ง 2 สายถูกเชื่อมด้วยเบส
โดยที่เบส A(อะดีนีน, Adenine) จะเชื่อมกับเบส
T (ไทมีน, Thymine)ด้วยพันธะไฮโดรเจนแบบพันธะคู่(double
bonds) และเบส C (ไซโตซีน, Cytosine) จะเชื่อมกับเบส G (กัวนีน, Guanine) ด้วยพันธะไฮโดรเจนแบบพันธะสาม(triple bonds) และถ้าดีเอ็นเอ
(DNA)เป็นสายปลายเปิด (open-end linear strand) ที่ปลายสายของดีเอ็นเอ(DNA)แต่ละข้างจะพบปลาย 3’-OH
(hydroxy group) ของสายหนึ่งและปลาย 5’-OH ที่ต่อกับหมู่ฟอสเฟต
(phosphate group) ของอีกสายหนึ่งเสมอ
ในสายของดีเอ็นเอ
(DNA)
มีร่อง (Groove) 2 แบบคือ ร่องขนาดใหญ่(major
groove) และ ร่องขนาดเล็ก(minor groove) ในเกลียวคู่ที่วน
1 รอบของดีเอ็นเอ(DNA) ประกอบด้วยเบสจำนวน 10 คู่เบส และ 1
รอบของดีเอ็นเอ(DNA)นี้ ห่างกัน 34 อังสตรอม(Å)หรือ 3.4 nm(นาโนเมตร) เบสแต่ละตัวห่างกัน 3.4
อังสตรอม(Å) หรือ 0.34 nm(นาโนเมตร)
ความกว้างระหว่างสายหรือเส้นผ่านศูนย์กลางกว้าง 20 อังสตรอม(Å)หรือ 2 nm(นาโนเมตร) เกลียวเอียงทำมุม 36 องศา
โดยโครงสร้างดีเอ็นเอ(DNA) ที่บอกรายละเอียดที่ผ่านมานี้
เป็นโครงสร้างดีเอ็นเอ(DNA) แบบที่พบได้ในสิ่งมีชีวิตทั่วๆไปเรียกเป็นแบบ
B-DNA โดยยังมีโครงสร้างของดีเอ็นเอ(DNA) อีก 2 แบบคือ A-DNA เป็นแบบเกลียวคู่วนขวาเช่นเดียวกับแบบ
B-DNA แต่มีระยะห่างของคู่เบสและเส้นผ่านศูนย์กลางของเกลียวคู่ของโครงสร้างของดีเอ็นเอ(DNA)
แบบ A-DNA ต่างไปจากโครงสร้างของดีเอ็นเอ(DNA)ในแบบ B-DNA ส่วนโครงสร้างของดีเอ็นเอ(DNA)อีกแบบคือ แบบ Z-DNA เป็นดีเอ็นเอ(DNA)เกลียวคู่แบบวนซ้ายแบบซิกแซก โดยทั่วไปดีเอ็นเอ(DNA) ในสิ่งมีชีวิตเป็นโครงสร้างดีเอ็นเอ(DNA) แบบ B-DNA
ยกเว้นในบางสภาวะเช่น
ที่มีความเข้มข้นของเกลือสูงจึงเปลี่ยนเป็นโครงสร้างดีเอ็นเอ(DNA)เป็นแบบ Z-DNA
องค์ประกอบทางเคมีของดีเอ็นเอ
(Chemical composition of DNA)
ดีเอ็นเอ (DNA) นั้นประกอบด้วยหน่วยย่อยของแต่ละนิวคลีโอไทด์(Nucleotide)มาเรียงต่อกันโดยแต่ละนิวคลีโอไทด์(Nucleotide)นั้นมีองค์ประกอบหลัก
3 ชนิด ได้แก่
1) น้ำตาล
2-deoxyribose
ซึ่งเป็นน้ำตาลที่มีคาร์บอน 5 อะตอม
โดยที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 2 จะไม่มีหมู่ไฮดร็อกซี่ (OH-group)
2) ไนโตรจีนัสเบส
(nitrogenous
base) ได้แก่ พวก เพียวรีน (purine) ซึ่งมีเบส
อะดีนีน (adenine, A) และเบสกัวนีน (guanine, G) ซึ่งมีโครงสร้างเป็นวงแหวนคาร์บอนและไนโตรเจน 2 วง
อีกพวกคือ ไพริมิดีน (pyrimidine) ซึ่งมีเบส ไทมีน (thymine,
T) และ ไซโตซีน (cytosine, C) ซึ่งมีโครงสร้างเป็นวงแหวนวงเดียว
และพบว่าในสิ่งมีชีวิตทั่วไปจะมีอัตราส่วน A ≈ T, C ≈ G และ A+G
≈ T+C
3) หมู่ฟอสเฟต
(phosphate
group) ซึ่งประกอบด้วยฟอสฟอรัสและออกซิเจน
หน้าที่ของดีเอ็นเอ
(Function of DNA)
ดีเอ็นเอ(DNA)สามารถทำหน้าที่เป็นแหล่งข้อมูลทางพันธุกรรม(Heredity)ของสิ่งมีชีวิตได้โดยอาศัยการเก็บในรูปของรหัสพันธุกรรม (genetic
code) ซึ่งเมื่อถึงเวลาที่เซลล์ต้องการแบ่งตัวนั้นส่วนของดีเอ็นเอ(DNA)ก็จะมีการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ (DNA replication)
โดยดีเอ็นเอ(DNA)เกลียวคู่จะแยกออกจากกันเป็นสายเดี่ยวเพื่อใช้เป็นต้นแบบ (template)
ให้กับการสังเคราะห์โพลีนิวคลีโอไทด์สายใหม่
โดยการเติมนิวคลีโอไทด์ทีละหนึ่งโมเลกุลในทิศทาง 5’ ไปยัง 3’
โดยอาศัยเอนไซม์ DNA polymerase ซึ่งมีผลให้ดีเอ็นเอ(DNA)เกลียวคู่ที่จำลองขึ้นใหม่จะประกอบด้วยโพลีนิวคลีโอไทด์จากสายต้นแบบเดิมกับสายที่เกิดจากการสังเคราะห์ใหม่เสมอ
จึงเรียกการจำลองตัวเองในลักษณะนี้ว่าการจำลองตัวเองแบบกึ่งอนุรักษ์ (semiconservative
replication) ดีเอ็นเอ(DNA)ยังมีหน้าที่ในการควบคุมการแสดงออกของสิ่งมีชีวิตโดยอาศัยการทำงานของยีน(gene)ซึ่งเป็นหน่วยอยู่บนดีเอ็นเอ(DNA) แต่ละยีน(gene)ควบคุมลักษณะที่สิ่งมีชีวิตแสดงออกแตกต่างกันออกไป
ซึ่งการที่สิ่งมีชีวิตมีลักษณะ (phenotype) แตกต่างกันนั้น
การควบคุมอย่างหนึ่งคือการที่สิ่งมีชีวิตนั้นมีการสร้างโปรตีนหรือเอนไซม์ที่แตกต่างกัน
โดยเริ่มต้นขบวนการจากในนิวเคลียสโดยยีน(gene)มีการถอดรหัส (transcription)
เป็นกรดนิวคลีอิคชนิดอาร์เอ็นเอ (RNA,ribonucleic acid) เรียกว่า mRNA (messenger RNA) ซึ่งเป็นโพลีนิวคลีโอไทด์สายเดี่ยว
โดยอาศัยเอนไซม์ RNA polymerase จากนั้น mRNA จะออกจากนิวเคลียสมายังไซโตพลาสซึมเพื่อทำการแปลรหัส (translation)
เป็นโปรตีนหรือเอนไซม์เพื่อทำหน้าที่ในเซลล์อีกต่อหนึ่ง โดยอาศัย tRNA
(transfer RNA), กรดอะมิโน,rRNA (ribosomal RNA),ไรโบโซม(ribosome) และ translation factors
ความแตกต่างระหว่างดีเอ็นเอ(DNA)และอาร์เอ็นเอ(RNA) (Difference between DNA and RNA)
1.ดีเอ็นเอ(DNA)โดยทั่วไปมีสภาพเป็นสายคู่(double
strand)ส่วนอาร์เอ็นเอ(RNA)โดยทั่วไปมีสภาพเป็นสายเดี่ยว(single
strand)
2.ดีเอ็นเอ (DNA)มีไนโตรจีนัสเบส(nitrogenous
base)เป็นองค์ประกอบ ได้แก่ A(อะดีนีน) และ G(กัวนีน)ที่เป็น พวกเพียวรีน (purine) และ T(ไทมีน) และ C(ไซโตซีน)ที่เป็น พวกไพริมิดีน (pyrimidine)
แต่อาร์เอ็นเอ(RNA)มีเบส U(ยูราซิล)เข้ามาแทนที่เบส T (ไทมีน) คือ มี A(อะดีนีน), G(กัวนีน), C(ไซโตซีน)และ
U(ยูราซิล)
3.ดีเอ็นเอ (DNA) มีน้ำตาลดีออกซีไรโบส(deoxyribose)เป็นองค์ประกอบ ส่วนอาร์เอ็นเอ(RNA)มีน้ำตาลไรโบส(ribose)เป็นองค์ประกอบ
การจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ
(DNA
replication) คือ อะไร (What is DNA replication ?)
การจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ
หรือ ดีเอ็นเอ เรพลิเคชั่น (DNA replication, DNA duplication) คือกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับทางชีววิทยาซึ่งเกิดขึ้นได้ในสิ่งที่มีชีวิตทุกชนิดเพื่อทำการจำลองดีเอ็นเอ(DNA)ของตนเองให้มีจำนวนเป็น 2 เท่าของดีเอ็นเอ (DNA)เดิมที่มีอยู่
หรือ เป็นการสร้างดีเอ็นเอ(DNA)ขึ้นมาอีกสายหนึ่ง
โดยที่กระบวนการนี้เกิดขึ้นภายในนิวเคลียส และเกิดขึ้นในช่วง S ของระยะอินเตอร์เฟส(interphase)ทำให้เห็นเส้นใยโครมาทิน(chromatin)ปรากฏเป็นเส้นคู่โดยแต่ละเส้นถูกเรียกว่าโครมาทิด (chromatid) ทั้ง 2 เส้นนี้จะติดกันตรงที่บริเวณเซนโทรเมียร์(centromere) การจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ (DNA replication)จะสามารถพบได้ทั้งการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส(mitosis)และการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส(meiosis) การจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ
(DNA replication)นี้เซลล์จะต้องใช้เอนไซม์ สารต่างๆ
และพลังงานเป็นจำนวนมาก
เซลล์ของคนเรามีอัตราการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ
(DNA
replication)ประมาณ 50 นิวคลีโอไทด์ต่อวินาที
ในขณะที่พวกโปรคาริโอตจะมีอัตราการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ (DNA
replication)ที่เร็วกว่าประมาณ 10 เท่า หรือ 500
นิวคลีโอไทด์ต่อวินาที
การจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ
(DNA
replication)นี้จะเริ่มจากสายดีเอ็นเอ(DNA)เกลียวคู่จะถูกแยกออก
แล้วทำการสร้างสายดีเอ็นเอ(DNA)ที่สามารถเข้าคู่กับสายของตนจนกลายเป็นดีเอ็นเอ(DNA)เกลียวคู่ทั้ง 2 สาย การจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ (DNA replication)นี้เป็นแบบกึ่งอนุรักษ์ (semiconservative replication) ในการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ (DNA replication) จะมีการตรวจสอบความถูกต้องของนิวคลีโอไทด์เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการกลายพันธุ์(mutation)ได้
ขั้นตอนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA replication) ของพวกโปรคาริโอต (Step of DNA
replication of prokaryotes)
โดยทั่วไปที่ทุกคนได้ศึกษาขั้นตอนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA
replication)จะเป็นการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA
replication)ของพวกโปรคาริโอต
เพราะเนื่องด้วยการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA replication)ของพวกยูคาริโอตมีความซับซ้อนกว่าพวกโปรคาริโอต
ดังนั้นเนื้อหาในหลักสูตรต่างๆจึงได้ให้ศึกษาขั้นตอนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA
replication)ของพวกโปรคาริโอตเป็นหลัก วิธีสังเกตว่าขั้นตอนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA
replication)ที่ได้ศึกษาเป็นของพวกโปรคาริโอตหรือพวกยูคาริโอต คือ
ดูที่ชื่อของ DNA polymerase ถ้ามีชื่อ DNA
polymerase III อยู่ในขั้นตอนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA
replication) จะเป็นขั้นตอนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA
replication)ของพวกโปรคาริโอต แต่หากไม่มีชื่อของ DNA
polymerase III ปรากฏอยู่ในขั้นตอนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA
replication)เลย แต่อาจจะมีชื่อ DNA polymerase α หรือ DNA polymerase δ อยู่ในขั้นตอนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA
replication)แทน จะเป็นขั้นตอนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA
replication)ของพวกยูคาริโอต
ขั้นตอนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA replication)มีอยู่ 3
ขั้นตอน คือ
1. การเริ่มต้นการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(initiation of DNA
replication)
2. การขยายยาวของสายโพลีนิวคลีโอไทด์สายใหม่ (polymerlization of DNA
replication)
3. การสิ้นสุดการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(termination of DNA
replication)
1. การเริ่มต้นการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ
(initiation of DNA replication)
ในดีเอ็นเอ(DNA) ของแบคทีเรียนั้นจะมีจุดสำหรับเริ่มการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(origin
of DNA replication หรือ ori) จะมีโปรตีนเข้ามากระตุ้นให้ดีเอ็นเอ(DNA)ที่จุดเริ่มต้นดังกล่าวเกิดการคลายตัว โดยมีเอนไซม์เฮลิเคส(helicase)เข้ามาตัดหรือทำลายพันธะไฮโดรเจนในสายของดีเอ็นเอ(DNA) เพื่อให้ดีเอ็นเอ(DNA)สายเกลียวคู่เป็นดีเอ็นเอ(DNA)สายเดี่ยว โดยจะเกิดการแยกตัวของสายดีเอ็นเอ(DNA) ที่เรียกว่า
“เรพลิเคชันฟอร์ค (replication fork)” ซึ่งโปรตีน
SSB (Single Strand Binding protein)จะเข้ามาจับเพื่อป้องกันไม่ให้สายของดีเอ็นเอ(DNA)
สร้างพันธะไฮโดรเจนขึ้นมาอีกในระหว่างขั้นตอน เมื่อดีเอ็นเอ(DNA)สายเกลียวคู่ได้ถูกแยกออกจากกันแล้ว
ส่วนที่อยู่ตรงเหนือจุดแยกของดีเอ็นเอ(DNA)สายเกลียวคู่นั้นจะเกิดการขดม้วนตัวเป็นกลายเป็นเกลียวซ้อนเกลียวเกิดขึ้น
(super coiling) มีผลทำให้เอนไซม์เฮลิเคส(helicase)ไม่สามารถที่จะทำการแยกสายดีเอ็นเอ(DNA)เกลียวคู่ให้เป็นดีเอ็นเอ(DNA)แม่แบบต่อไปได้ ซึ่งจะมีเอนไซม์โทโปไอโซเมอเรส (topoisomerase) จะเข้ามาทำหน้าที่ในการคลายเกลียวในบริเวณที่เกิดเป็นเกลียวซ้อนเกลียว(super
coiling) ของดีเอ็นเอ(DNA) โดยทำการตัดในส่วนของ
phosphate backbone ของดีเอ็นเอ(DNA) เพื่อลดการพันกันที่ยุ่งเหยิงและการขมวดปมของสายดีเอ็นเอ(DNA)ในระหว่างการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA replication)ขึ้นมาอีก
2. การขยายยาวของสายโพลีนิวคลีโอไทด์สายใหม่
(polymerlization of DNA replication)
เมื่อดีเอ็นเอ(DNA)ทั้งสองสายได้แยกออกจากกันแล้วเอนไซม์ DNA polymerase III (ดีเอ็นเอพอลีเมอเรส ทรี) หรือเรียกสั้นๆว่า DNA pol III จะเข้ามาตรงที่จุดที่แยกออกเพื่อสร้างดีเอ็นเอ(DNA)สายใหม่ขึ้น
เนื่องจาก DNA polymerase III มีคุณสมบัติในการสร้างดีเอ็นเอ(DNA)สายใหม่จากทิศ 5’ ไป 3’ เท่านั้น
จึงต้องการดีเอ็นเอ(DNA)แม่แบบที่เป็นสายมีทิศเป็น 3’
ไป 5’ แต่ดีเอ็นเอ(DNA)แม่แบบจะมี
2 สาย ทั้งที่เป็นทิศ 3’ ไป 5’ และทิศ 5’ ไป 3’ ดังนั้น
การสร้างสายดีเอ็นเอ(DNA)จึงสามารถแบ่งได้เป็น 2 แบบ ดังนี้
สายต่อเนื่อง (Leading
strand) คือ สายดีเอ็นเอ(DNA)แม่แบบที่มีทิศจาก 3’ ไป 5’ ในสายนี้
DNA polymerase III จะสามารถสร้างดีเอ็นเอ(DNA)สายใหม่ได้อย่างต่อเนื่อง เริ่มต้นโดยเอนไซม์ Primase(ไพรเมส) ทำการสร้างไพรเมอร์(Primer) คือ
เป็นอาร์เอ็นเอ(RNA)สายสั้นๆ[หรือ อาจเรียกว่า
อาร์เอ็นเอไพรเมอร์(RNA Primer)] มีขนาดประมาณ 10-26 นิวคลีโอไทด์ เข้ามาจับกับดีเอ็นเอ(DNA)ตรงจุดที่แยกออก
จากนั้น DNA polymerase III จะเข้าไปเติม dNTPs เข้ามาบนสายดีเอ็นเอ(DNA)แม่แบบในทิศทาง 5’ ไป 3’ ไปเรื่อยๆ
สายไม่ต่อเนื่อง (Lagging
strand) คือ สายดีเอ็นเอ(DNA)แม่แบบมีทิศจาก 5’ ไป 3’ ทำให้การสร้างดีเอ็นเอ(DNA)ที่เป็นสายยาวไปเลยทีเดียว DNA polymerase III ไม่สามารถทำได้
แต่จะทำให้สายดีเอ็นเอ(DNA)แม่แบบสายนี้จะม้วนงอผ่าน DNA
polymerase III เพื่อจะทำให้ DNA polymerase III สามารถสร้างดีเอ็นเอ(DNA)สายใหม่ในทิศทาง 5’ ไป 3’ โดยจะสร้างดีเอ็นเอ(DNA)เป็นสายสั้นๆ
เรียกว่า “โอคาซากิ แฟรกเม้นต์” หรือ “ชิ้นส่วน โอคาซากิ” (Okazaki fragment) โดย Primase(ไพรเมส) จะทำการสร้างไพรเมอร์(Primer)คืออาร์เอ็นเอ(RNA)สายสั้นๆ[หรือ อาจเรียกว่า อาร์เอ็นเอไพรเมอร์(RNA Primer)] สำหรับในการสร้างชิ้นส่วนโอคาซากิแต่ละชิ้น ซึ่งหน่วยย่อยเบต้า(β
subunit)ของ DNA polymerase III จะเข้ามาจับที่ไพรเมอร์(Primer)และทำการเชื่อมต่อกับ DNA polymerase III เมื่อหมดชิ้นจะสร้างชิ้นใหม่
หน่วยย่อยเบต้า(β subunit)อันเดิมจะหลุดออกไป
แล้วหน่วยย่อยเบต้า(β subunit)อันใหม่จะเข้ามาจับกับไพรเมอร์(Primer)อันต่อไป เป็นลักษณะนี้ต่อไปเรื่อยๆ
DNA polymerase I จะทำหน้าที่ตรวจสอบความถูกต้องของลำดับของสายดีเอ็นเอ(DNA)ที่สร้างขึ้นมาใหม่ ทำการทำลายส่วนของไพรเมอร์(Primer)ที่เป็นอาร์เอ็นเอ(RNA) และ ทำการสร้างดีเอ็นเอ(DNA)ซ่อมแซมส่วนที่ถูกตัดออกไป ในจุดที่ DNA polymerase I ตัดออกไป จะยังไม่ได้เชื่อมต่อด้วยพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์(phosphodiester
bond)ตรงปลาย 5’ ของจุดที่ถูกตัด
จะถูกเชื่อมด้วยเอนไซม์ ดีเอ็นเอไลเกส (DNA ligase) โดยที่ในสายต่อเนื่อง(Leading
strand)จะตัดครั้งเดียว ส่วนสายไม่ต่อเนื่อง(Lagging strand)จะตัดไพรเมอร์(Primer)ของชิ้นส่วนโอคาซากิทุกชิ้น
3. การสิ้นสุดการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ (termination of DNA replication)
การจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA
replication)จะมีตำแหน่งที่เป็นจุดสิ้นสุดของการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA
replication)อยู่ ที่ตำแหน่งนี้มีขนาดประมาณ 20 คู่เบส ที่เรียกว่า ter sequence โดยจะมีโปรตีนที่ทำการจดจำตำแหน่งนี้เข้ามาจับที่
ter sequence เพื่อทำให้ DNA polymerase III ได้หยุดการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA replication)ลง
รูปแบบการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ
(DNA
replication mode)
รูปแบบการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA
replication mode)ในสิ่งมีชีวิตแบ่งได้เป็น 3
รูปแบบ คือ
- การจำลองตัวเองของดีเอ็นเอแบบทีต้า
(Theta mode of DNA replication)สามารถพบได้ในสิ่งมีชีวิตที่มีดีเอ็นเอ(DNA)ที่มีลักษณะที่เป็นวงกลม เช่น ในแบคทีเรีย
โดยช่วงหนึ่งของการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA replication)จะมีรูปร่างคล้ายรูป
θ การจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA replication)ของแบคทีเรียจะเริ่มต้นที่จุดๆหนึ่งแล้วจะโป่งออกเป็นห่วงโดยมี Replication
fork อยู่ที่ปลายแต่ละด้านของจุดเริ่มต้น
การจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA replication)ของแบคทีเรียจะเกิด
2 ทิศทาง สุดท้ายจะได้ดีเอ็นเอ(DNA) 2
วง
- การจำลองตัวเองของดีเอ็นเอแบบซิกม่า
(Rolling circle or sigma mode of DNA replication) ในช่วงหนึ่งของการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA replication)ดีเอ็นเอ(DNA)จะมีรูปร่างคล้ายรูป sigma (σ) พบใน ดีเอ็นเอ(DNA) ที่มีลักษณะที่เป็นวงกลม
ที่จุดเริ่มต้นของการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA replication)จะเกิดช่องขาดขึ้น เนื่องจากพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์(phosphodiester
bond)ถูกตัด ดีเอ็นเอ(DNA)สายหนึ่งยืดยาวออกไปเป็นแม่แบบ
เมื่อสิ้นสุดการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA replication)จะได้ดีเอ็นเอ(DNA)เกลียวคู่เป็นวง 1 วง และเป็นเส้น 1 เส้น
- การจำลองตัวเองของดีเอ็นเอแบบตัววาย
(Y-shaped mode of DNA replication) เป็นแบบที่สามารถพบได้มากที่สุด
ในช่วงหนึ่งของการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA replication) ดีเอ็นเอ(DNA)จะมีรูปร่างคล้ายรูปตัววาย(Y) โดยจุดเริ่มต้นของการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ(DNA
replication)จะมีมากกว่า 1 จุด
แต่ละจุดโป่งออกเป็นห่วงกระจายตัวไปทั่ว เกิด 2
ทิศทางพร้อมกัน แต่แล้วในที่สุดแต่ละห่วงจะมาชนกันได้ดีเอ็นเอ(DNA)ใหม่ 2 สาย
แหล่งที่มาของข้อมูล
:
