ประวัติการค้นพบดีเอ็นเอ

         ปี พ.ศ. 2412 นายแพทย์ชาวสวิส ชื่อ ฟรีคริช มีเซอร์ (Friendrech Mieseher) ได้ค้นพบในนิวเคลียสซึ่งไม่ใช่โปรตีน ไขมัน หรือคาร์โบไฮเดรต เขาตั้งชื่อสารนี้ว่ากรดนิวคลีอิก ซึ่งหมายถึงสารอินทรีย์พวกหนึ่งที่มีฤทธิ์เป็นกรดอยู่ในนิวเคลียส
ปี พ.ศ. 2453 Albrecht Rossel นักเคมีชาวเยอรมันได้รับรางวัลโนเบล สาขาวิทยาศาสตร์การแพทย์ และสารวิทยา เนื่องจากเขาได้วิเคราะห์กรดนิวคลีอิก และพบว่าประกอบด้วย ไนโตรจีนัสเบส 2 ประการ คือ
1. ไพริมิดีน (pyrimidine) มีวงของคาร์บอนและไนโตรเจน 1 วง คือ ไทมีน (thymine)ไซโทซีน (cytosine) ยูราซิล (uracil)
2. พิวรีน (purine) มีวงของคาร์บอนและไนโตรเจน2 วง มีขนาดโมเลกุลใหญ่กว่า คือ อะดีนีน (adenine) กวานีน (guanine)
                                                           

http://61.19.127.107/bionew/gene/5dnastructure/struch02.htm.

ภาพที่เกิดจากการหักเหของรังสี เอกซ์ผ่านผลึก  DNA

           เลวีนเสนอว่านิวคลีโอไทด์จะมีการเชื่อมต่อกันโดยสร้างพันธะระหว่างหมู่ ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์หนึ่งกับน้ำตาลอีกนิวคลีโอไทด์หนึ่ง ที่มีคาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ทำให้สาย polynucleotide มีปลายด้านหนึ่งเป็น 3 อีกด้านเป็น 5     ปี พ.ศ. 2492 ชาร์กาฟฟ์ (Erwin Chargaff) ได้วิเคราะห์ปริมาณนิวคลีโอไทด์ใน DNA ของสิ่งมีชีวิตต่างๆ พบว่าปริมาณเบส A = T , C = G เสมอ เรียกกฎของชาร์กาฟฟ์

                           ที่มาhttp://www.bioarunya.th.gs/web-b/ioarunya/bio042.htm
                                          Dr. James Watson  และ  Dr. Francis Crick 

          ปี พ.ศ. 2493 – 2495 วิลคินส์ (M.H.F. Wilkins) และแฟรงคลิน นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้ถ่ายภาพซึ่งแสดงการหักเหของรังสีเอกซ์ที่ฉายผ่าน โมเลกุลของ DNA ซึ่งนักฟิสิกส์สามารถแปลผลได้ว่า DNA มีลักษณะเป็นเกลียว (helix) ประกอบด้วย polynucleotide มากกว่า 1 สาย และเกลียวแต่ละรอบจะมีระยะทางเท่ากัน

สารพันธุกรรม หรือดีเอ็นเอ (DNA)

           สารพันธุกรรม หรือดีเอ็นเอ (deoxy-ribonucleic acid; DNA) เป็นกรดนิวคลิอิก (Nucleic acid) ที่ทำหน้าที่เก็บข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต ดีเอ็นเอส่วนใหญ่อยู่ในรูปโครโมโซม (chromosome) วางตัวอยู่ในส่วนนิวเคลียสภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต ดีเอ็นเอมีหน้าที่สำคัญ ๒ ประการ คือ
๑. การจำลองตัวเอง (DNA replica- tion) ดีเอ็นเอของสิ่งมีชีวิตมีความสามารถสร้างและจำลองตัวมันเอง ขณะเกิดกระบวนการแบ่งเซลล์ เพื่อสร้างดีเอ็นเอที่เหมือนเดิมทุกประการให้แก่เซลล์ใหม่


๒. การถ่ายทอดข้อมูลผ่านอาร์เอ็นเอ (transcription) ดีเอ็นเอสามารถถูกถอดรหัสเพื่อสร้างเป็นอาร์เอ็นเอ (ribonucleic acid; RNA) อาร์เอ็นเอที่ได้นี้จะทำหน้าที่กำหนดการเรียงตัวของกรดอะมิโนในกระบวนการสังเคราะห์โปรตีน ซึ่งโปรตีนจะถูกนำมาเป็นส่วนประกอบสำคัญในโครงสร้างขององค์ประกอบต่างๆ ภายในเซลล์ และเป็นสารเร่งปฏิกิริยาทางชีวเคมีหรือเอนไซม์ (enzyme) ในสิ่งมีชีวิต ด้วยหน้าที่ทั้ง ๒ ประการของดีเอ็นเอ ทำให้สิ่งมีชีวิตสามารถสืบทอดลักษณะประจำพันธุ์ และดำรงเผ่าพันธุ์อยู่ได้

โครงสร้างของดีเอ็นเอ

โครงสร้างของดีเอ็นเอประกอบด้วยอะไรบ้าง
            ดีเอ็นเอประกอบด้วยหน่วยย่อยที่เรียกว่า นิวคลิโอไทด์ (nucleotide) ซึ่งเป็นสารประกอบไนโตรจีนัสเบส (nitrogenous base) แบ่งออกเป็น ๒ กลุ่มคือ กลุ่มพิวรีนเบส (purine) ได้แก่ ไทมีน (thymine; T) ไซโทซีน (cytosine; C) และกลุ่มไพริมิดีนเบส (pyrimidine) ได้แก่ อะดีนีน (adenine; A) กัวนีน (guanine; G) โดยสารประกอบไนโตรจีนัสเบสนี้จะรวมตัวกับน้ำตาลดีออกซีไรโบส (deoxyribose sugar) และกรดฟอสฟอริก (phosphoric acid) เป็นนิวคลิโอไทด์อยู่ในดีเอ็นเอ นิวคลิโอไทด์จึงมีอยู่ ๔ ชนิดตามชนิดของไนโตรจีนัสเบส คือ อะดีโนซีนไทรฟอสเฟต (adenosine triphosphate; ATP) กัวโนซีนไทรฟอสเฟต (guanosine triphosphate; GTP) ไซโทซีนไทรฟอสเฟต (cytosine triphosphate; CTP) และไทมิดีนไทรฟอสเฟต (thymidine triphos- phate; TTP) การเรียงลำดับของนิวคลิโอไทด์ ทั้ง ๔ ชนิด ส่งผลต่อการเกิดความหลากหลาย และสร้างความแตกต่างในลำดับเบสบนสายดีเอ็นเอ ซึ่งมีความจำเพาะในสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด
         โครงสร้างของดีเอ็นเอประกอบไปด้วย สายพอลินิวคลิโอไทด์ที่เกิดจากการเชื่อมต่อกันของนิวคลิโอไทด์หลายๆ หน่วย ด้วยพันธะฟอสโฟไดเอสเตอร์ โดยเกิดจากสายพอลินิวคลิโอไทด์จำนวน ๒ สายเรียงตัวขนานกันในทิศทางตรงกันข้าม เข้าคู่และพันกันเป็นเกลียวเวียนขวาคล้ายบันไดเวียน ที่เรียกว่า ดับเบิลเฮลิกซ์ (doublehelix) การเข้าคู่หรือเข้าจับกันของสายพอลินิวคลิโอไทด์ทั้ง ๒ สายเกิดจากการเข้าคู่กันระหว่างเบสพิวรีนและเบสไพริมิดีน ด้วยพันธะไฮโดรเจน โดย A ทำการสร้างพันธะจำนวน ๒ พันธะเข้าจับกับ T (A = T) และ G ทำการสร้างพันธะ จำนวน ๓ พันธะเข้าจับกับ C (G บ C) โดยมีน้ำตาลและหมู่ฟอสเฟตทำหน้าที่เป็นแกนอยู่ด้านนอกของโมเลกุล

  ที่มาhttp://www.bioarunya.th.gs/web-b/ioarunya/bio042.htm
ภาพ  5.6  โครงส้าง  DNA

สารพันธุกรรมในสิ่งมีชีวิต

           สารพันธุกรรมในสิ่งมีชีวิตชั้นสูง เช่น ในพืช สัตว์ และมนุษย์ อยู่ในรูปของโครโมโซม ประกอบด้วยส่วนที่เป็นดีเอ็นเอ และโปรตีนประเภทฮิสโทน (histone) ที่เข้าเกาะกันและทำการพันเกลียวเพิ่มขนาดขึ้นจนเป็นโครโมโซมภายในนิวเคลียสของเซลล์ โครโมโซมมีความสามารถในการถ่ายทอดจากรุ่นพ่อแม่ไปยังรุ่นลูกได้ โดยที่ลูกจะได้รับโครโมโซมชุดหนึ่งจากพ่อและอีกชุดหนึ่งจากแม่ ลูกจึงมีลักษณะต่างๆ ที่เหมือนกับพ่อและ/หรือแม่

           ส่วนในสิ่งมีชีวิตชั้นต่ำ เช่น แบคทีเรีย มีสารพันธุกรรมหรือดีเอ็นเอในรูปวงแหวน สายคู่อยู่ภายในเซลล์ ส่วนไวรัสอาจมีสารพันธุกรรมเป็นดีเอ็นเอหรืออาร์เอ็นเอ สายคู่หรือสายเดี่ยวก็ได้

          สารพันธุกรรม หรือดีเอ็นเอทั้งหมดที่มีอยู่ภายในเซลล์หนึ่งๆของสิ่งมีชีวิตถูกเรียกว่า จีโนม (genome) ข้อมูลในจีโนม จึงเป็นข้อมูลทางพันธุกรรมทั้งหมดที่มีอยู่ในสิ่งมีชีวิต ซึ่งแตกต่างและมีความจำเพาะในแต่ละสิ่งมีชีวิต

          ดีเอ็นเอมีคุณสมบัติในการเสียสภาพ (denaturation) และการคืนสภาพ (renaturation) ได้ เนื่องจากพันธะไฮโดรเจนระหว่างเบสเป็นพันธะอ่อน ดีเอ็นเอจึงสามารถแยกออกเป็นเส้นเดี่ยวได้เมื่ออยู่ในสภาพที่มีอุณหภูมิหรือความเป็นกรดเป็นด่างสูงมากๆ และสามารถคืนสู่สภาพเดิมเมื่อมีการปรับอุณหภูมิ หรือความเป็นกรดเป็นด่างให้ลดลง การเข้าคู่ของดีเอ็นเอจะเป็นในรูปแบบเดิมคือ A จับกับ T และ G จับกับ C คุณสมบัติพฤติกรรมของดีเอ็นเอจึงสามารถนำมาใช้ประโยชน์ในงานด้านเทคโนโลยีชีวภาพต่างๆ ได้

กระบวนการสังเคราะห์ DNA

http://www.bloggang.com/data/d/dnahunsa/picture/1285253802.jpg

ในขณะที่เซลล์จะมีการแบ่งตัวจะมีการเพิ่มจำนวน Chromosome อีก 1 เท่าตัวในระยะ Interphase ของการแบ่งเซลล์แบบ Mitosis โดยเรียกกระบวนการนี้ว่า การสังเคราะห์ DNA หรือ DNA Replication

สิ่งที่ใช้ในกระบวนการนี้มีดังนี้
1.DNA แม่แบบ (DNA Template)
2.DNA Helicase (DNA Helicase หรือ Helix-destabilizing protein) เป็นเอนไซม์ที่สลายพันธะไฮโดรเจน ทำให้โมเลกุลDNAมีการคลายเกลียวคู่ ออกจากกันเป็นสายเดี่ยว 2 สายโดยอาศัยพลังงานจากการสลาย ATP
3. โปรตีน SSB (single strand DNA binding protein: SSB หรือ DBP) จะจับกับDNA สายเดี่ยวที่แยกออกจากกันเป็นตัวป้องกันไม่ให้ DNAสายเดี่ยวกลับไปจับกันอีก และป้องกัน DNA สายเดี่ยวไม่ให้ถูกย่อยโดยเอนไซม์ Nuclease
4. DNA Gyrase หรือ Topoisomerase ทำหน้าที่คลายปมเหนือจุดแยก (replication fork) โดยการตัด DNA สายใดสายหนึ่งออก เพื่อให้คลายเกลียวได้แล้วจึงต่อกลับใหม่
5. DNA Primase ทำหน้าที่สร้าง RNA เริ่มต้น (RNA primer)
6. DNA polymerase ทำหน้าที่ในการต่อสายPolynucleotide ให้ยาวขึ้นและตรวจสอบลำดับเบสที่ผิดพลาด และกำจัดลำดับเบสที่ผิดพลาดออกไป รวมถึงการกำจัด RNA primer และยังเป็นเอนไซม์หลักในการจำลองตัวของ DNA
7. DNA Ligase ทำหน้าที่เชื่อมดีเอ็นเอเส้นสั้น ๆ เข้าด้วยกัน โดยการสร้างพันธะ Phosphodiesterเชื่อม
โดยมีขั้นตอนดังต่อไปนี้

1. DNA Helicase เข้าสลายพันธะไฮโดรเจนทำให้สาย DNA เกลียวคู่แยกออกจากกันจะได้ DNA สายเดี่ยว 2 สาย

2. โปรตีน SSB เข้ามาเกาะบริเวณ DNA สายเดี่ยวที่แยกออกจากกัน ทั้งนี้เพื่อป้องกันไม่ให้ DNA สายเดี่ยวทั้งสองสายนั้นกลับมาพันเกลียวกัน

3. RNA primase สร้าง RNA primer ซึ่ง RNA primer จะทำหน้าที่เป็นจุดเริ่มต้นการทำงานของ DNA polymerase

4. DNA polymeraseเข้าจับกับสายฺ DNA และนำดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์เดี่ยว(deoxyribonucleotide) เข้ามาต่อสายในทิศทาง 5'-3' โดยเชื่อมเบสที่คู่กันเข้าด้วยกันด้วยพันธะไฮโดรเจน และเชื่อมหมู่ฟอสเฟตของแต่ละ nucleotideให้เป็นพันธะ phosphodiester เมื่อจุดคลายเกลียวเลื่อนขึ้นไปก็จะได้ DNA สายใหม่ที่ยาวขึ้นเรื่อยๆ ตามทิศทางการเคลื่อนที่ของReplication fork เรียก DNA สายนี้ว่า leading strand

5. ในขณะที่เกิดการสังเคราะห์ DNA สาย leading บน DNA แม่แบบทั้งสองสายก็จะเกิดการสังเคราะห์ DNA ในอีกสายหนึ่ง แต่มีทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของ
Replication fork โดยจะสร้างได้เป็นสายสั้นๆ เรียก DNA สายสั้นๆ แต่ละสายนี้ว่าชิ้นส่วนโอกาซากิ (Okazaki fragment) และเรียกเรียก DNA สายสั้นๆ ที่วางเรียงรายกันในลักษณะเป็นสายยาวนี้ว่า lagging strand

6. เมื่อการสังเคราะห์ DNA ดำเนินต่อไป DNA polymerase จะมีการกำจัด RNA primer ออก การกำจัดอาร์เอนเอไพรเมอร์ออกทำให้ดีเอ็นเอบริเวณดังกล่าอยู่ในสภาพสายเดี่ยวที่ไม่มีคู่ และ DNA polymerase เดิมจะนำดีออกซีไรโบนิ วคลีโอไทด์ตัวใหม่เข้ามาเติมเต็มช่องว่างนี้ และตามด้วยการเชื่อมพันธะ phosphodiester ของชิ้นส่วนโอกาซากิ แต่ละโมเลกุลเข้าด้วยกันด้วยเอนไซม์ไลเกส (ligase) ในที่สุดได้เป็น DNA ใหม่ 2 โมเลกุล โดยแต่ละโมเลกุลมีสายเดิมอยู่ 1 สาย

แหล่งที่มา:

http://www.school.net.th/library/create-web/10000/science/10000-829.html
http://www.kik5.com/index.php?option=com_content&view=article&id=112:5&catid=38:-5-dna&Itemid=59
http://guru.sanook.com/search/knowledge_search.php?q=%CA%D2%C3%BE%D1%B9%B8%D8%A1%C3%C3%C1+%CB%C3%D7%CD%B4%D5%E0%CD%E7%B9%E0%CD+(DNA)&select=1
http://guru.sanook.com/search/knowledge_search.php?q=%CA%D2%C3%BE%D1%B9%B8%D8%A1%C3%C3%C1+%CB%C3%D7%CD%B4%D5%E0%CD%E7%B9%E0%CD+(DNA)&select=1