กฎของชาร์กาฟฟ์ ( Chargaff’s rules )

1. กฎของชาร์กาฟฟ์ (Chargaff’s rules) ชาร์กาฟฟ์ ได้ศึกษาหาปริมาณของเบสทั้ง 4 ใน DNA ที่ทำให้บริสุทธิ์จากเนื้อเยื่อที่ต่างกัน และจากสิ่งที่มีชีวิตต่างกันพบว่า : ในโมเลกุลของ DNA เบสอะดีนีน (A) มีปริมาณเท่ากับเบสไธมีน (T) หรือ A=T เบสไซโตซีน (C) มีปริมาณเท่ากับเบสกวานีน (G) หรือ C = G

2. จากการศึกษานี้แสดงว่าปริมาณทั้งหมดของเบสเพียวรีน (A+G) เท่ากับปริมาณทั้งหมดของเบสไพริมิดีน (T+C) องค์ประกอบเบสใน DNA จากสิ่งที่มีชีวิตชนิดหนึ่งจะเป็นคุณสมบัติของสิ่งที่มีชีวิตชนิดนั้นๆ ซึ่งไม่ขึ้นกับชนิดของเนื้อเยื่อที่แยก DNA ออกมา และไม่ขึ้นกับอายุ อาหารและสภาวะแวดล้อม องค์ประกอบเบสใน DNA จะเปลี่ยนแปลงไประหว่างสิ่งที่มีชีวิตที่ต่างกัน

4. โครงสร้างของ DNA Q : โมเลกุลของ DNA มีโครงสร้างเป็นอย่างไร

5. การค้นพบของ โรซาลินด์ แฟรงคลิน โรซาลินด์ แฟรงคลิน (Rosalind Franklin)

6. ปี พ.ศ. 2493-2494 เอ็ม เอช เอฟ วิลคินส์(M. H.F. Wilkins) และ โรซาลินด์ แฟรงคลิน (Rosalind Franklin) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้ศึกษาโครงสร้างของ DNA ในสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ โดยใช้เทคนิคเอกซ์เรย์ดิฟแฟรกชัน (X-ray diffraction)โดยการฉายรังสีเอกซ์ผ่านผลึก DNA การหักเหของรังสีเอกซ์ทำให้เกิดภาพบนแผ่นฟิล์ม

8. จากภาพถ่ายนี้นักฟิสิกส์แปลผลได้ว่าโครงสร้างของ DNA จากสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ มีลักษณะที่คล้ายกันมาก คือประกอบด้วย พอลินิวคลีโอไทด์มากกว่า 1 สาย มีลักษณะเป็นเกลียว เกลียวแต่ละรอบมีระยะห่างเท่าๆกัน จากผลการศึกษาทำให้เข้าใจโครงสร้างทางกายภาพของ DNA

9. การค้นพบของ วัตสัน ~ คลิก Dr. James Watson Dr. Francis Crick

11. แบบจำลองโครงสร้างของ DNA J.D. Watson นักชีววิทยาอเมริกัน & F.H.C. Crick นักฟิสิกส์อังกฤษ เสนอโครงสร้างของ DNA ได้รับ Nobel Prize ตีพิมพ์ผลงานใน Nature ฉบับวันที่ 25 เดือน เมษายน ค.ศ. 1953 1. ประกอบด้วย 2 polynucleotide ยึดกันโดยการจับคู่กันของ เบส โดย H-bond2. ทั้ง 2 สายขนานกันและมีทิศทางตรงข้าม (antiparalel)

12. 3. การจับคู่กันของเบสระหว่าง A - T (2 H-bonds), C - G (3 H- bonds) = complementary basepairs (เบสที่เป็นเบสคู่สมกัน คือ A จับคู่กับ T ด้วยพันธะไฮโดรเจน 2 พันธะ และGจับคู่กับ C ด้วยพันธะไฮโดรเจน 3 พันธะ)4. ทั้ง 2 สายจะพันกันเป็นเกลียวเวียนขวา (right handed double strand helix)5. แต่ละคู่เบสห่างกัน 3.4 อังสตรอม (.34 nm) เอียงทำมุม 36 องศา 1 รอบ = 10 คู่เบส = 34 อังสตรอม เส้นผ่าศูนย์กลาง 20 อังสตรอม

17. แม้ว่า DNA จะมีนิวคลีโอไทด์เพียง 4 ชนิด แต่โมเลกุลของ DNA มีความแตกต่างกันได้หลายชนิด แต่ละโมเลกุลอาจประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์หลายพันคู่จนถึงแสนคู่ ตัวอย่างเช่นถ้า DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ 2 โมเลกุลเรียงกัน จะสามารถจัดเรียงให้แตกต่างกันได้ 16 แบบ (42) ดังนั้นถ้าโมเลกุล DNA ประกอบด้วยนิวคลีไทด์จำนวนมาก การเรียงลำดับของเบสก็จะแตกต่างกันมากด้วยเช่นเดียวกัน

18. ลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งๆ มีหลายลักษณะ และลำดับเบสของ DNA ซึ่งเกิดจากเบสชนิดต่างๆ กันนั้นมีหลายรูปแบบก็น่าจะมากพอที่จะทำหน้าที่ควบคุมหรือกำหนดลักษณะพันธุกรรมต่างๆได้

19. สมบัติของสารพันธุกรรมสมบัติของสารพันธุกรรม เมื่อวัตสันและคลิก ได้คิดแบบจำลองโครงสร้างทางเคมีของ DNA ขึ้นมาแล้ว เขาทั้งคู่ต้องพิสูจน์ว่า DNA มีคุณสมบัติที่เหมาะสมที่เป็นสารพันธุกรรมได้หรือไม่ ตามคุณสมบัติสำคัญ ดังนี้1. สารพันธุกรรมต้องจำลองตัวเองได้ แล้วยังมีลักษณะเหมือนเดิม เพื่อจะ ถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม จากรุ่นพ่อ-แม่ ไปยังรุ่นลูกได้ ซึ่งเกิด โดยกระบวนการสังเคราะห์ DNA (DNA -replication)

20. 2. สามารถควบคุมการสังเคราะห์สารต่างๆ ของเซลล์เพื่อจะได้แสดง ลักษณะทางพันธุกรรม ต่างๆให้ปรากฏ โดยรหัสพันธุกรรมใน DNA ถูก ถ่ายทอดผ่าน RNA ในรูปของลำดับเบส แล้วแปล (translation) ออกมา เป็นลำดับของกรดอะมิโนในในกระบวนการสังเคราะห์โปรตีน 3. อาจมีการเปลี่ยนแปลงลักษณะทางพันธุกรรมที่ต่างไปจากเดิม เนื่องจาก เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ลำดับเบสใน DNA ทำให้ผิดปกติไป และถ่ายทอด ลักษณะที่ผิดปกติไปยังลูกหลาน ทำให้เกิดสิ่งมีชีวิตที่ผิดปกติขึ้นได้  ใน ระยะเวลา 10 ปีต่อมา หลังจากที่วัตสันและคลิกได้คิดแบบจำลอง โครงสร้างของ DNA ขึ้น จึงสามารถพิสูจน์ได้ว่า DNA มีคุณสมบัติที่เป็น สารพันธุกรรมได้

21. สิบปีหลังจากวัตสันและคลิกเสนอแบบโครงสร้าง DNA จึงสามารถพิสูจน์ได้ว่า DNA มีสมบัติเป็นสารพันธุกรรม ทำให้วัตสันและคลิกได้รับรางวัลโนเบลในปีพ.ศ.2505 DNA มีสมบัติของสารพันธุกรรมครบทั้ง 3 ประการ ดังนี้ การสังเคราะห์ DNA (DNA -replication) การควบคุมลักษณะทางพันธุกรรม การสังเคราะห์โปรตีน

22. การสังเคราะห์ DNA • DNA replication • ในปี พ.ศ. 2496 วอตสันและคลิกได้พิมพ์บทความพยากรณ์การจำลองตัวเองของ DNA • แต่เป็นเพียงสมมติฐาน • มีใจความว่า

23. ในการจำลองตัวเองของ DNA พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย แยกออกจากกันเหมือนการรูดซิป โดยการสลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างเบส A กับ T และเบส C  กับ G ทีละคู่ พอลินิวคลีโอไทด์แต่ละสายทำหน้าที่เป็นแม่พิมพ์สำหรับการสร้างสายใหม่

24. มีการนำนิวคลีโอไทด์อิสระที่อยู่ในเซลล์เข้ามาจับกับพอลินิวคลีโอไทด์สายเดิม โดย เบส A จับกับ T และเบส C จับกับ G หมู่ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์อิสระจับกับน้ำตาลดีออกซีไร โบสของนิวคลีโอไทด์ที่อยู่ถัดไป

25. ทำให้ DNA ที่สังเคราะห์ใหม่เหมือนกับ DNA โมเลกุลเดิมทุกประการ การสังเคราะห์ DNA หรือการจำลองตัวเองของ DNA โดยวิธีการนี้เรียกว่า DNA เรพลิเคชัน (DNA replication) ทำให้มีการเพิ่มโมเลกุลของ DNA จาก 1 โมเลกุลเป็น 2 โมเลกุล DNA แต่ละโมเลกุลมีพอลินิวคลีโอไทด์ สายเดิม 1 สาย และสายใหม่ 1 สาย จึงเรียกวิธีการจำลองแบบนี้ว่าเป็น แบบกึ่งอนุรักษ์ (semiconservative)

29. ในปี พ.ศ. 2499 อาร์เธอร์ คอร์นเบิร์ก (Arther Kornberg) นักชีวเคมีชาวอเมริกันเป็นคนแรกที่สามารถสังเคราะห์ DNA ในหลอดทดลองได้สำเร็จโดย : นำเอาเอนไซม์ DNA พอลิเมอเรส (DNA polymerase) ซึ่งสกัดจากแบคทีเรีย E. coli เอนไซม์ DNA พอลิเมอเรส ทำหน้าที่เชื่อมนิวคลีโอไทด์ให้ต่อกันเป็นสายยาว โดยมีทิศทางการสังเคราะห์สาย DNA สายใหม่ จากปลาย 5/ ไปยังปลาย 3 / ใส่ในหลอดทดลองที่มีสารสังเคราะห์สมบูรณ์ ซึ่งประกอบด้วย

30. DNA แม่พิมพ์ นิวคลีโอไทด์ 4 ชนิด ที่มีเบส A T C และเบส G เอนไซม์ DNA พอลิเมอเรส ปัญหา : จะพิสูจน์อย่างไรว่า DNA ที่สังเคราะห์ได้นั้น เหมือนกับ DNA แม่พิมพ์ที่ใส่ในหลอดทดลอง

32. ข้อสรุป เนื่องจาก จากผลการทดลองพบว่า DNA ที่สังเคราะห์ได้ในหลอดทดลอง มีอัตราส่วนของเบส A+T ต่อ C+G เท่ากัน

33. ขั้นตอนการสังเคราะห์ DNA • การสังเคราะห์ DNA ทั้งภายในและภายนอกเซลล์ • เริ่มต้นจากการที่สายพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย ของ DNA ต้นแบบ แยกห่างออกจากกัน โดยเริ่มจากเอนไซม์ DNA ไจเรส (DNA gyrase) หรือโทโปไอโซเมอเรส (topoisomerase) คลายปมเหนือจุดที่DNAสายเดี่ยวแยกตัวออกจากกัน (replication fork)

34. เอนไซม์เฮลิเคส (Helicase) ทำหน้าที่สลายพันธะไฮโดรเจนเพื่อทำให้ดีเอ็นเอเกลียวคู่แยกเป็นสายเดี่ยว • โปรตีน SSB จะเข้ามาจับเพื่อป้องกันไม่ให้สายดีเอ็นเอมาจับกันอีก บริเวณที่มีการคลายเกลียวนี้เป็นจุดเริ่มต้นของการสังเคราะห์ DNA • การสร้าง DNA สายใหม่ มี 2 ลักษณะ

35. 1. เมื่อสองสายคลายเกลียวแยกออกจากกัน DNA polymeras จะสังเคราะห์ leading  strand เป็นสายยาว โดยมีทิศทางจากปลาย 5’ ไปยัง 3’ 2. DNA polymeras สังเคราะห์ DNA สายใหม่เป็นสายสั้นๆ Okazaki fragment โดยมีทิศทาง 5’ ไปยัง 3’ จากนั้น DNA ligaseจะเชื่อมต่อ DNA สายสั้นๆให้เป็น DNA สายยาวเรียกสายนี้ว่า lagging strand

39. การสังเคราะห์โปรตีน กลับสู่ความรู้พื้นฐาน • สิ่งมีชีวิตพวกยูคาริโอตมี DNA อยู่ภายในนิวเคลียส แต่การสังเคราะห์โปรตีนเกิดในไซโทพลาสซึม โดยเฉพาะบริเวณที่มี RER • เป็นไปได้หรือไม่ว่า DNA ส่งตัวแทนออกมายังไซโทพลาสซึม เพื่อทำหน้าที่ควบคุมการสังเคราะห์โปรตีน ถ้าเป็นเช่นนั้นจริงสารที่เป็นตัวแทนของ DNA คืออะไร .....

40. นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส 2 คน คือ ฟรองซัว จาค็อป (Franeois Jacop) และจาค โมนอด (Jacques Monod) มีข้อเสนอว่า RNA เป็นตัวกลางดังกล่าว • เจราร์ด เฮอร์วิทซ์ (Jerard Hurwitz) และ เจ เจ เฟอร์ธ (J.J. Furth) เสนอว่า RNA ที่เป็นตัวกลางเรียกว่า mRNA (messenger RNA) และพยากรณ์ว่า mRNA จะเป็นตัวนำข้อมูลทางพันธุกรรมจาก DNA ไปยังไรโบโซม ซึ่งเป็นแหล่งสังเคราะห์โปรตีนที่อยู่ในไซโทพลาสซึม

42. ความรู้พื้นฐาน (ในปัจจุบัน) • Nucleic acid (สารเคมีพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต) มี 2 ประเภท • DNA • RNA • mRNA • rRNA • rRNA

43. RNA • นิวคลีโอไทด์ของ RNA เรียกว่า ไรโบนิวคลีโอไทด์ • ความแตกต่างระหว่าง DNA กับ RNA มี 3 ประการ • น้ำตาลในนิวคลีโอไทด์ของ RNA เป็นน้ำตาลไรโบส ไม่ใช้ดีออกซิไร โบส เหมือน DNA • RNA ไม่มีเบส T แต่มี U แทน • RNA มีสายเดียว

44. ขั้นตอนการสังเคราะห์โปรตีนขั้นตอนการสังเคราะห์โปรตีน • DNA • replication : การจำลอง DNA • DNA • transcription : การถอดรหัส • mRNA • translation : การแปลรหัส • protein

48. Transcription • การถอดรหัส หรือ การสังเคราะห์ RNA จาก DNA แม่พิมพ์ • เป็นกระบวนการถ่ายทอดข้อความทางพันธุกรรมจาก DNA ไปสู่ mRNA

49. ขั้นตอนการถอดรหัส • แบ่งเป็น 3 ขั้น ขั้นเริ่มต้น ขั้นการต่อสายยาว ขั้นสิ้นสุด

50. ขั้นเริ่มต้น • เอนไซม์ RNA polymerase เข้าไปจับกับกับ DNA  ตรงบริเวณที่จะสังเคราะห์ RNA ทำให้พันธะระหว่างคู่เบสสลาย Polynucleotide 2 สาย ของ DNA จะคลายเกลียวแยกออกจากกัน โดยมีสายใดสายหนึ่งเป็นแม่พิมพ์