ยีนและโครโมโซม

•เซลล์ทุกเซลล์ในสิ่งมีชีวิตประกอบด้วยโครโมโซม โครโมโซมในร่างกายสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด มีจำนวนคงที่และเท่ากันเสมอ โครโมโซมของโพรคาริโอตและยูคาริโอต มีลักษณะที่แตกต่างกัน

•ในโพรคาริโอต เช่น เซลล์แบคทีเรียโครโมโซมประกอบด้วยDNAรูปวงแหวน(circular DNA)เพียงชุดเดียว เรียกว่า จีโนฟอร์(genophore) ซึ่งเป็น DNA อย่างเดียวไม่มีโปรตีนอยุ่ด้วยแบคทีเรียE. coli มีจำนวนจีนประมาณ 3,000 - 4,000 จีน ในไวรัสบางชนิด มีRNAทำหน้าที่เป็นโครโมโซม(RNA virus) ซึ่งมีขนาดเล็กมาก โดยมีจีนเพียง 3 จีนเท่านั้น

•ในยูคาริโอต โครโมโซมประกอบด้วย DNA RNA และโปรตีน โดยโปรตีนมี 2 ชนิดคือ โปรตีนฮิสโทน(histone) ซึ่งเป็นโปรตีนที่มีกรดอะมิโนประจุบวก ซึ่งมีฤทธิ์เป็นเบสจำนวนมาก เช่น ไลซีน อาร์จีนีน ช่วยให้ DNA เกาะกับโปรตีนได้อย่างดีและติดแน่น และโปรตีน นอน-ฮิสโทน(non-histone) ซึ่งเป็นโปรตีนชนิดอื่นๆ จากการศึกษาเซลล์ยูคาริโอตชนิดต่างๆ พบว่า RNA และนอน-ฮิสโทน มีจำนวนน้อยและแปรผันไปตามชนิดของเซลล์ ส่วน DNA และฮิสโทนในเซลล์ทุกชนิดมีสัดส่วนค่อนข้างคงที่ คือประมาณ 1 : 1 ซึ่งแสดงว่า DNA และโปรตีนฮิสโทนมีความสำคัญมาก

นิวคลีโอโซม
นิวคลีโอโซม (nucleosome) คือโปรตีนฮิสโทนที่ผูกพันด้วย DNA 2 รอบ ทำให้มีลักษณะเหมือนลูกปัดที่ถูกร้อยด้วยเส้นด้าย (beads-on-a string) โดยเส้นด้ายคือ DNA ตัวเชื่อม( linker DNA ) ซึ่งมีความยาวไม่คงที่ เมื่อย้อมสี โครโมโซมจะพบเป็นแถบสี 2 แบบคือ 1. ยูโครมาทิน(euchromatin) เป็นแถบสีจางเรียงตัวอย่างมีระเบียบเป็นที่ตั้งของจีนจำนวนมาก ที่ทำหน้าที่2. เฮเทอโรโครมาทิน(heterochromatin) เป็นบริเวณแถบสีเข้ม เป็นที่ตั้งของจีนจำนวนน้อย และมักไม่ได้ทำหน้าที่
โครโมโซมแต่ละโครโมโซมประกอบด้วย ส่วนต่างๆคือ
1.เซนโทรเมียร์(centromere) มีชื่อเรียกหลายชื่อเช่น ไคนีโทคอร์(kinetochore) หรือไพรมารี คอนสตริกชัน(primary constriction) เป็นตำแหน่งที่แขนทั้งสองข้างของโครโมโซมมาพบกัน ซึ่งเป็นที่อยู่ของโปรตีนชนิดพิเศษ และ DNA รวมทั้งมีสปินเดิลจำนวนมากมาเกาะอยู่ทำหน้าที่ควบคุมการเคลื่อนที่ของโครโมโซมไปยังขั้วของเซลล์ ตามปกติเซนโทรเมียร์จะแบ่งตัวตามยาวในระยะแอนาเฟส แต่ถ้าหากแยกกันตามขวางจะทำให้โครโมโซมที่แยกออกจากกันผิดปกติ
•2.โครโมนีมาตา(chromonemata) ภายในโครโมโซมหรือโครมาตินโครมาทิดประกอบ ด้วยหน่วยย่อยคือ โครมานีมาตา ซึ่งลักษณะเส้นใยยาวขดตัวจำนวนมากมายซึ่งก็คือ DNA และโปรตีนนั่นเอง
•3.เมทริกซ์(matrix) เป็นส่วนที่ล้อมรอบโครโมนีมาตา มีผนังเป็นปลอก(sheath หรือ pellicle) ยังไม่ทราบหน้าที่แน่นอน แต่เป็นไปได้ว่าช่วยทำให้โครโมนีมาตารวมตัวกันเป็นโครโมโซมได้สะดวกขึ้น และช่วยห่อหุ้มจีนในขณะแบ่งเซลล์
•4.แซทเทลไลต์(satellite) คือส่วนสั้นๆที่อยู่บริเวณปลายๆของโครโมโซมเกิดจากคอดของโครโมโซมอีกตำแหน่งหนึ่ง(sacondary constriction) ใช้เป็นเครื่องหมายในการจำแนกโครโมโซมได้ การสร้างนิวคลีโอลัส(nucleolus) มักจะเกี่ยวข้องกับการคอดของโครโมโซมในตำแหน่งนี้(sacondary constriction) และเรียกบริเวณที่โครโมโซมซึ่งมีการสร้างนิวคลีโอลัสว่า นิวคลีโอลาร์ ออร์แกไนซิง ริเจียน (nucleolus organizing region , NOR)

สารพันธุกรรม
•สารพันธุกรรม เป็นแหล่งเก็บข้อมูลทั้งหมดสำหรับควบคุมโครงสร้างและการทำหน้าที่ของกระบวนการต่างๆ ที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตให้เป็นไปอย่างถูกต้องและแม่นยำ สารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตประกอบด้วยกรดนิวคลีอิกชนิดใดชนิดหนึ่งอาจเป็น DNA หรือ RNA สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่จะมีสารพันธุกรรมเป็น DNA ยกเว้นไวรัสบางชนิดเท่านั้นที่มีสารพันธุกรรมเป็น RNA

•สารพันธุกรรมมีสมบัติเป็นกรดนิวคลีอิก มีอยู่ 2 ชนิด คือ1. Deoxyribonucleic acid (ดีเอ็นเอ) พบในสิ่งมีชีวิตทั่วไป2. Ribonucleic acid (อาร์เอ็นเอ) พบในไวรัสบางชนิดเท่านั้น

•ในการศึกษาสารพันธุกรรมนั้น มีนักวิทยาศาสตร์หลายท่านศึกษาเป็นขั้นตอนดังนี้ พ.ศ. 2412 โยฮันน์ ฟรีดริช มิเชอร์ ( Johann Friedrich Miescher ) ค้นพบกรดนิวคลีอิคจากสารเคมีที่สกัดจากนิวเคลียสของเซลล์เม็อเลือดขาว ต่อมาพบว่า กรดนิวคลีอิค มี 2 ชนิด คือ DNA และ RNA ในนิวเคลียสมีสารที่มีธาตุไนโตรเจนและฟอสฟอรัสเป็นองค์ประกอบ

•พ.ศ. 2414-2415 รอเบิร์ต ฟลูเกน
•( Robert Feulgen ) ใช้สีฟุลซินย้อมเซลล์และพบว่าสารที่ย้อมติดสี คือ DNAและสีย้อมติดเฉพาะภายในเท่านั้นนิวเคลียส แสดงว่า DNAมีอยู่เฉพาะในนิวเคลียส

•พ.ศ.2471 เอฟ กริฟฟิท ( F. Griffth ) ได้ทำการพิสูจน์สารพันธุกรรม เพื่อสนับสนุนว่า DNAเป็นสารพันธุกรรม โดยทำการทดลองเกี่ยวกับเชื้อแบคทีเรีย Pneumococcus ที่ทำให้เกิดโรคปอดบวม ซึ่งมี 2 สายพันธุ์ใหญ่ๆ คือ สายพันธุ์ Rเป็นชนิดที่ไม่ทำให้เกิดโรคปอดบวม ไม่สร้างแคปซูล กับ S เป็นชนิดที่ทำให้เกิดโรคปอดบวม พบว่าแบคทีเรียสายพันธุ์ที่ทำให้เกิดโรคที่ทำให้ตายด้วยความร้อน มีสารบางอย่างที่ไปทำให้แบคทีเรียสายพันธุ์ที่ไม่ทำให้เกิดโรค เป็นสายพันธุ์ที่ทำให้เกิดโรคได้และสามารถถ่ายทอดลักษณะนี้ไปสู่ลูกหลาน

•พ.ศ. 2487 โอ.ที. แอเวอรี( O.T. Avery ) ซี. แมคลอยด์ ( C. Macleod )และเอ็ม แมคคาร์ที ( M. Mc Carty) ได้ทำการทดลองคล้ายกับ Griffth เพียงแต่ใช้วิธีสกัด DNAจาก แบคทีเรีย ชนิด Sแล้วนำสารเหล่านี้ใส่รวมกับแบคทีเรียชนิด R ในหลอดทดลอง จากการทดลองของ Averyและคณะทำให้มีการยอมรับว่า DNAคือสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต แต่มีสิ่งมีชีวิตบางชนิดที่มี RNA เป็นสารพันธุกรรม เช่น ไวรัสที่ทำให้เกิดโรคเอดส์ โรคมะเร็งบางชนิด โรคใบด่างในใบยาสูบ ไข้หวัดใหญ่ เป็นต้น โอ ที แอเวอรี่ และคณะ แสดงให้เห็นว่า DNA เป็นสารที่สามารถเปลี่ยนพันธุกรรมของ แบคทีเรียสายพันธุ์ R ให้เป็น สายพันธุ์ S จึงสรุปว่า DNA เป็นสารพันธุกรรม

แบบฝึกปฏิบัติการ เรื่อง การจำลองโครงสร้างของ DNA
•ชิ้นจุดประสงค์ - 1 นักเรียนสามารถศึกษาอธิบายโครงสร้างของ DNAโดยรูปแบบการจำลองได้สร้างหุ่นจำลอง DNA ด้วยกระดาษเป็นการสร้างหุ่นจำลองที่ใช้วัสดุ ราคาถูก คือใช้กระดาษคล้าย ๆ กับกระดาษปกของสมุดปกอ่อน นักเรียนสามารถจะขึ้นได้เองโดยแทบไม่ต้องลงทุนอะไรเลยโดยใช้ปกสมุดที่ไม่ใช้แล้ววิธีทำมีดังต่อไปนี้1. ตัดกระดาษตามแบบในภาพให้ได้มาก ๆ (DNA สายหนึ่งควรใช้ไม่น้อยกว่า 20 )

•2. พับกระดาษตามรอยปรุทั้ง 4 ตำแหน่ง ให้มีลักษณะคล้ายชั้นบันได โดยตำแหน่งที่ 1 และตำแหน่งที่ 3 ให้พับลง ส่วนตำแหน่งที่ 2 และตำแหน่งที่ 4 ให้พับขึ้น3 ตัดหลอดดูดกาแฟให้เป็นท่อนยาวประมาณ ครึ่งนิ้ว 20 ท่อน4. ร้อยกระดาษกับหลอดกาแฟที่เตรียมไว้แล้วด้วยเชือกป่านยาวประมาณ 3 ฟุต โดยร้อยสลับกันไปเรื่อย ๆ จะใช้กระดาษชิ้นใดก่อนหลังหรือซ้ำ ๆ กันอย่างไรก็ได้ จนได้สาย ยาวประมาณ 2

•5. ใช้กาวติดเชื่อมระหว่างส่วนที่พับขึ้นและพับลงของกระดาษแต่ละชิ้น โดยให้ ตำแหน่งที่ 1ของชิ้นบน เชื่อมกับตำแหน่งที่ 2 ของชิ้นล่าง และให้ตำแหน่งที่ 3 ของชิ้นบน เชื่อมติดกับตำแหน่งที่ 4 ของชิ้นล่าง เป็นดังนี้เรื่อยไปจนกระดาษทุกชิ้นเชื่อมติดกัน เป็นสายยาวจะได้หุ่นจำลอง DNA ที่ทำด้วยกระดาษ 1 สาย ที่ให้รายละเอียดของแต่ละหน่วยย่อยได้ดีแสดงให้เห็นถึงการจัดเกาะกันของแต่ละอะตอม ถ้านักเรียนได้ดำเนินการประกอบตาม คำแนะนำ โดยตลอดทุกขั้นตอนแล้ว การทำมุมและระยะห่างของช่วงที่บิดเป็นเกลียวแต่ละ ช่วงจะถูกต้องใกล้เคียงความจริงมาก อาจดัดแปลงการสร้างหุ่นจำลอง DNA ด้วยกระดาษนี้ให้ดียิ่งขึ้นได้ เช่น ใช้กระดาษสี ต่างกันในคู่ของเบสต่างชนิดกัน หรือให้นักเรียนระบายสีหน่วยย่อยแต่ละหน่วยให้สีแตกต่าง กันรือสร้างขึ้นโดยไม่ต้องใช้เชือกและหลอดดูดกาแฟเป็นแกนเพื่อที่จะสามารถพับและนำ ไปไหนต่อไหนได้สะดวกขึ้น

สร้างแบบจำลองDNAอย่างง่าย ๆวิธีทำ ตัดเส้น Sugar-Phosphate Backbone A และ B ตัดชิ้น Base-pair “rungs” พับชิ้น Base-pair ดังภาพ ใช้กาวทาขอบสีเทาด้านนอกของชิ้น Base-pair ทั้งด้านซ้ายและขวา ติดชิ้น Base-pair ด้านหนึ่งกับช่องสี่เหลี่ยมใน Sugar-Phosphate Backbone A แล้วติดอีกด้านหนึ่งที่เหลือกับช่องสี่เหลี่ยมใน Sugar-Phosphate Backbone B (เรียงลำดับตามหมายเลข) จะได้แบบจำลองเกรียวคู่ของเส้นDNA ลองเปรียบเทียบแบบจำลองที่สร้างขึ้นกับรูปโครงสร้างของDNA
•โครงสร้างของDNA ประกอบด้วยเส้นโครงลักษณะเกลียวคู่ของน้ำตาลและฟอสเฟต มีเบส 4 ชนิดอยู่ตรงกลาง คือ
•1Thymine (T)
•2 Cytosine ( C)
•3Adenine (A )
•4 Guanine (G)
•ซึ่งเชื่อมต่อกันด้วย
DNA
•องค์ประกอบทางเคมีของดีเอ็นเอ DNA ประกอบด้วย หน่วยย่อยของ Nucleotides จับกันด้วยพันธะ Phosphodiester Bond และ Nucleotides นี้ประกอบด้วย น้ำตาล Deoxyribose หมู่ฟอสเฟต และเบส (Nitrogenous Base) 4 ชนิด ได้แก่ Guanine (G) , Adenine (A) (Purine - มีวงแหวน 2 วง) Cytosin (C) , Thymine (T)

•แบบจำลองโครงสร้างของ DNAJ.D. Watson
• นักชีววิทยาอเมริกัน & F.H.C. Crick นักฟิสิกส์อังกฤษ เสนอโครงสร้างของ DNA ได้รับ Nobel Prize ตีพิมพ์ผลงานใน Nature ฉบับวันที่ 25 เดือนเมษายน ค.ศ. 1953 1. ประกอบด้วย 2 polynucleotides ยึดกันโดยการจับคู่กันของเบส โดย H-bond 2. ทั้ง 2 สายขนานกันและมีติดทางตรงข้าม (antiparallel)

•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 อังสตรอมเส้นผ่าศูนย์กลาง 20 อังสตรอม
พันธะไฮโดรเจนตัดเป็นชิ้นๆแล้วพับตามรูป
โครงสร้างของ DNA
•โครงสร้างของ DNA ประกอบด้วยพอลีนิวคลิโอไทด์ 2 สาย พอลีนิวคลีโอไทด์แต่ละสายประกอบด้วยหน่วยย่อยที่เรียกว่านิวคลีโอไทด์ มาเชื่อมต่อกันเป็นสายยาว พอลีนิวคลีโอไทด์ทั้ง 2 สาย จะยึดติดกันด้วยพันธะไฮโดรเจนระหว่างเบส นิวคลีโอไทด์แต่ละหน่วยเชื่อมต่อกัน โดยพันธะที่เกิดระหว่างกลุ่มฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์หนึ่งกับคาร์บอนตำแหน่งที่ 3' ของน้ำตาลอีกนิวคลีโอไทด์หนึ่งดังนั้นโครงสร้างสายพอลินิวคลีโอไทด์เป็นการต่อสลับระหว่างกลุ่มฟอสเฟตกับกลุ่มน้ำตาลโดยสายหนึ่งมีทิศทางจากปลาย5'ไปยังปลาย 3' อีกสายหนึ่งจะจับอยู่กับปลาย5'ของสายแรก ดังนั้นเมื่อเกิดการแยกตัวของ DNA ทั้งสองสายส่วนที่แยกออกมาจึงมีทิศทางต่างกัน

การจำลองโมเลกุลของ DNA
การจำลองตัวเองของ DNA มีหลายแบบนักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งสมมติฐานการเกิดการจำลองตัวเองของ DNA ไว้ ดังนี้ 1. แบบกึ่งอนุรักษ์ (semiconservative replication) เมื่อมีการจำลองตัวเองของDNA แล้ว DNAแต่ละโมเลกุลมีพอลินิวคลีโอไทด์ สายเดิมและสายใหม่ ซึ่งเป็นแบบจำลองของวอตสันและคริก 2. แบบอนุรักษ์ (conservative replication) เมื่อมีการจำลองตัวเองของ DNA แล้วพอลินิวคลีโอไทด์ทั้งสองสายไม่แยกจากกันยังเป็นสายเดิม จะได้ DNA โมเลกุลใหม่ที่มีพอลินิวคลีโอไทด์ สายใหม่ทั้งสองสาย 3. แบบกระจัดกระจาย (dispersive replication) เมื่อมีการจำลองตัวเองของ DNAจะได้ DNA ที่เป็นของเดิมและของใหม่ปะปนกันไม่เป็นระเบียบ