พันธุกรรม GENETIC

สิ่งมีชีวิตถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมไปยังลูกหลานโดยอาศัยสารพันธุกรรมคือ กรดนิวคลีอิก ในธรรมชาติมีกรดนิวคลีอิกอยู่เพียง ๒ ชนิด ได้แก่กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกหรือ  DNA  กับกรดไรโบนิวคลีอิกหรือ RNA กรดนิวคลีอิกจัดเป็นสารพวกแมโครโมเลกุล เป็นโพลีเมอร์ของนิวคลีโอไทด์เรียกว่า polynucleotide

สารพันธุกรรมมีสมบัติเป็นกรดนิวคลีอิก มีอยู่ 2 ชนิด คือ
1. Deoxyribonucleic  acid (ดีเอ็นเอ) พบในสิ่งมีชีวิตทั่วไป
2. Ribonucleic  acid (อาร์เอ็นเอ) พบในไวรัสบางชนิดเท่านั้น

ดี เอน เอ (Deoxyribonucleic acid DNA)
ดี เอน เอ เป็นสารชีวโมเลกุลที่ใหญ่ที่สุด ในคนพบ ดี เอน เอ ในนิวเคลียสของเซลล์และในไมโตคอนเดรีย ดี เอน เอ มีขนาดและรูปร่าง
ที่แตกต่างกัน ตั้งแต่มีรูปร่างเป็นวงกลม เช่น พลาสมิดซึ่งเป็น ดี เอน เอ ขนาดเล็กในบักเตรีจนถึง ดี เอน เอ ขนาดใหญ่พันม้วนกับแกนโปรตีนอย่างซับซ้อนจนมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ เช่น โครโมโซมในเซลล์มนุษย์

องค์ประกอบทางเคมีของดีเอ็น
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) (Pyrimidine – มีวงแหวน 1 วง

แบบจำลองโครงสร้างของ DNA
J.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 อังสตรอม
เส้นผ่าศูนย์กลาง 20 อังสตรอม

โครงสร้างของ DNA ประกอบด้วยพอลีนิวคลิโอไทด์ 2 สาย พอลีนิวคลีโอไทด์แต่ละสายประกอบด้วยหน่วยย่อยที่เรียกว่านิวคลีโอไทด์ มาเชื่อมต่อกันเป็นสายยาว พอลีนิวคลีโอไทด์ทั้ง 2 สาย จะยึดติดกันด้วยพันธะไฮโดรเจนระหว่างเบส นิวคลีโอไทด์แต่ละหน่วยเชื่อมต่อกัน โดยพันธะที่เกิดระหว่างกลุ่มฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์หนึ่งกับคาร์บอนตำแหน่งที่ 3' ของน้ำตาลอีกนิวคลีโอไทด์หนึ่งดังนั้นโครงสร้างสายพอลินิวคลีโอไทด์เป็นการต่อสลับระหว่างกลุ่มฟอสเฟตกับกลุ่มน้ำตาลโดยสายหนึ่งมี
ีทิศทา งจากปลาย5'ไปยังปลาย 3' อีกสายหนึ่งจะจับอยู่กับปลาย5'ของสายแรก ดังนั้นเมื่อเกิดการแยกตัวของ DNA ทั้งสองสายส่วนที่แยกออกมาจึงมีทิศทางต่างกัน

อาร์ เอน เอ เป็นโพลีไรโบนิวคลีโอไทด์ที่มีนิวคลีโอไทด์มาเชื่อมกันด้วยพันธะฟอสโฟไดเอสเธอร์ในทิศ 5? - 3? เหมือน ดี เอน เอ สิ่งมีชีวิตบางชนิดใช้ อาร์ เอน เอ เป็นสารพันธุกรรมเช่นไวรัสเอดส์ แต่ในสิ่งมีชีวิตชั้นสูงเช่นมนุษย์ อาร์ เอน เอ ทำหน้าที่หลายอย่างแบ่งตามชนิดได้ตามนี้ Ribosomal RNA (rRNA)rRNA เป็น อาร์ เอน เอ ที่เป็นองค์ประกอบของไรโบโซม ในสิ่งมีชีวิตชั้นสูงพบ rRNA อยู่ ๔ ขนาดคือ 28S, 18S, 5.8S และ 5S rRNA ทำหน้าที่ในการสังเคราะห์โปรตีน

RNA แบ่งออกเป็น 3 ชนิด คือ
-       MESSENGER RNA (mRNA) หรือ RNA นำคำสั่ง

-       TRANSFER RNA (tRNA) หรือ RNA ถ่ายทอด

-       RIBOSOMAL RNA (rRNA)

การจำลองตัวเองของ DNA (DNA REPLICATION)
       ในการแบ่งเซลล์ระยะ S ของอินเตอร์เฟส จะมีการจำลองตัวเองของ DNA(DNA REPLICATION) แบบกึ่งอนุรักษ์(SEMI-CONSERVATIVE) ทำให้เกิดเป็น DNA สายใหม่ที่เหมือนเดิมทุกประการสำหรับการสร้าง RNA ทั้ง 3 ชนิดจะเกิดขึ้นโดยการจำลองจากDNAเช่นกัน แต่จะใช้ DNA เพียงสายเดียว เป็นต้นแบบ

การสังเคราะห์โปรตีน
การสังเคราะห์   DNA
วอตสันและคริกค้นพบโครงสร้างทางเคมีของ DNA ขั้นตอนต่อไปก็คือ การพิสูจน์และตรวจสอบว่าโครงสร้างของ DNA นี้ มีสมบัติเพียงพอที่จะเป็นสารพันธุกรรมได้หรือไม่ ซึ่งการที่จะเป็นสารพันธุกรรมได้นั้นย่อมต้องมีสมบัติสำคัญ คือ
         ประการแรก ต้องสามารถเพิ่มจำนวนตัวเองได้โดยมีลักษณะเหมือนเดิมเพื่อให้สามารถถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมจากรุ่นพ่อแม่ไปยังรุ่นลูกได้
         ประการที่สอง สามารถควบคุมให้เซลล์สังเคราะห์สารต่างๆเพื่อแสดงลักษณะทางพันธุกรรมให้ปรากฏ
         ประการที่สาม ต้อง สามารถเปลี่ยนแปลงได้บ้าง ซึ่งการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นอาจก่อให้เกิดลักษณะพันธุกรรมที่ผิดแปลกไปจาก เดิม

การจำลองตัวเองของ DNA ตามสมมติฐานของนักวิทยาศาสตร์มีดังนี้

1. แบบกึ่งอนุรักษ์ (semiconservative replication) เมื่อมีการจำลองตัวเองของ DNA แล้ว DNA แต่ละโมเลกุลมีพอลินิวคลีโอไทด์ สายเดิมและสายใหม่ ซึ่งเป็นแบบจำลองของวอตสันและคลิก

2 แบบอนุรักษ์ (conservative replication) เมื่อมีการจำลองตัวเองของ DNA แล้ว พอลินิวคลีโอไทด์ทั้งสองสายไม่แยกจากกันยังเป็นสายเดิม จะได้ DNA โมเลกุลใหม่ที่มีสายของโมเลกุลพอลินิวคลีโอไทด์สายใหม่ทั้งสองสาย

3. แบบกระจัดกระจาย (dispersive replication) เมื่อมีการจำลองตัวเองของ DNA จะได้ DNA ที่เป็นของเดิมและของใหม่ปะปนกันไม่เป็นระเบียบ

 

แผนภาพแสดงกระบวนการในการสังเคราะห์โปรตีน

 

DNA replication
สำหรับ DNA replication นะคะ
1. เริ่มด้วยเอนไซม์ helicase เข้าไปตัด H-bond ของเบสที่สาย DNA ที่จับคู่กันให้แยกจากกัน โดยอาศัย ATP ซึ่งการตัดนี้ทำให้เกิด replication fork
2. จะมี single strand binding protein มาช่วยจับDNA สายเดี่ยวนี้ บริเวณ fork เพื่อให้รักษาสภาพสายไว้อย่างงั้น
3. Primase จะสร้าง RNA primer ขึ้นมา ต่อกับDNA สายต้นแบบ เพื่อเป็นตัวเริ่มต้นให้กับสายใหม่ที่กำลังจะเกิดขึ้น (สังเกตว่าเป็น RNA นะ)
4. DNA polymerase III จะเข้ามาเพิ่มความยาวDNA สายใหม่โดยนำ nucleotide มาต่อกับ RNA primer ไปในทิศ 5?–>3?
พอมาถึงตรงนี้ จะพบว่า สายDNAต้นแบบ สายหนึ่งจะไม่มีปัญหาเพราะสามารถต่อสายไปทาง5?–>3?ได้ตามปกติ (สายต้นแบบเป็น 3?–>5?) เรียกสายใหม่ที่ได้ว่า leading strand
ส่วนอีกสายหนึ่ง lagging strand จะมีปัญหา (สายต้นแบบเป็น 5?–>3?) ดังนั้น จึงมีการใช้primer เป็นช่วงๆ เพื่อให้เป็นตัวเริ่มต้นของสายสั้นๆ ในทิศ 3?–>5? ก็คือจะได้สายใหม่ที่เป็นท่อนๆ (okazaki fragment)
5. RNA primer จะถูกเอาออกไปเพราะมันเป็น RNA ไม่ใช่ DNA (ไม่ใช่พวกเดียวกัน) โดย DNA polemerase I มาจัดการพร้อมทั้งเติม nucleotide เข้าไปถมที่แทน
6. สำหรับ lagging srtand การถมของ polymerase I ก็ยังทำให้เหลือช่องว่าง (nick) อยู่ DNA ligase จะเข้ามาเชื่อมช่องว่างนั้น โดยใช้ ATP ทำให้ท่อนๆมาเชื่อมกันเป็นสายยาวได้

 

รหัสทางพันธุกรรม
        กรดอะมิโนมีทั้งสิ้น 20 ชนิดการที่กรดอะมิโนตัวใดจะมาจับสาย mRNA ขึ้นอยู่กับลำดับของนิวคลีโอไทด์ซึ่งแตกต่า่งกันที่เบส 4 ชนิดคือ A T C และ U โดยเบส 4 ชนิด จะเรียงลำดับ 3 ตัวเป็น 1 รหัส สำหรับกรดอะมิโน 1 โมเลกุล นักพันธุศาสตร์ ได้ศึกษาและถอดรหัสเหล่านี้ได้ รหัสพันธุกรรมที่สำคัญ คือ AUG เป็นรหัสเริ่มการสังเคราะห์และการนำกรดอะมิโนชื่อเมไทโอนีนเข้ามาต่อกับ mRNA ส่วน UAA , UAG และ UGA เป็นรหัสสั่งให้หยุดการสังเคราะห์

ลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ
1.1    ลักษณะทางพันธุกรรมที่มีความแปรผันต่อเนื่อง (CONTINUOUS VARIATION) เป็นลักษณะทางพันธุกรรมที่มีความลดหลั่นกันทีละน้อย สามารถนำมาเรียงลำดับกันได้ เช่น ความสูง น้ำหนัก สีผิว เป็นต้น
1.2    ลักษณะทางพันธุกรรมที่มีความแปรผันไม่ต่อเนื่อง (DISCONTINUOUS VARIATION) เป็นลักษณะที่แบ่งเป็นกลุ่ม ได้อย่างชัดเจน เช่นหมู่เลือดของคน ลักษณะผิวเผือก ลักยิ้ม ติ่งหู การห่อลิ้นเป็นต้น
* โดยทั่วไป ลักษณะที่มีความแปรผันแบบต่อเนื่อง เช่น สีผิว นั้นสิ่งแวดล้อมจะมีอิทธิพลต่อการ
แสดงลักษณะในสัดส่วนที่มากกว่าลักษณะที่มีความแปรผันแบบไม่ต่อเนื่อง เช่น หมู่เลือด

การค้นพบความรู้ทางพันธุศาสตร์
       พันธุศาสตร์ (GENETICS) เป็นสาขาหนึ่งของชีววิทยา ศึกษาเกี่ยวกับพฤติกรรมของยีน ซึ่งเป้นหน่วยควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมและแบบแผนการถ่ายทอดลักษณะพันธุกรรม
       เกรเกอร์ เมนเดล (GREGOR MENDEL,ค.ศ. 1822 – 1884) บาทหลวงชาวออสเตรีย ได้ทำการทดลองในถั่วลันเตา (Pisum sativum) ได้ความรู้ทางพันธุศาสตร์มากมาย ทำให้เข้าได้รับการยกย่องเป็นบิดาแห่งพันธุศาสตร์

สิ่งมีชีวิตที่ควรเลือกมาใช้ในการศึกษาทางพันธุศาสตร์ ควรมีลักษณะดังนี้
1.    ปลูกง่าย อายุสั้น ผลดก
2.    มีการแปรผันมาก มีความแตกต่างของลักษณะที่ต้องศึกษาชัดเจนและสามารถหาพันธุ์แท้ได้ง่าย
3.    มี RECOMBINATION คือการรวมกันของลักษณะของพ่อและแม่เมื่อมีการผสมพันธุ์
4.    ความคุมการผสมพันธุ์ได้สามารถกำหนดให้มีลักษณะต่างๆเข้าผสมกันได้ตามต้องการ

         กฎข้อที่ 1 กฎแห่งการแยกตัว (LAW OF SEGREGATION) มีใจความว่า “สิ่งที่ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตที่สืบพันธุ์แบบอาศัยเพศมีอยู่เป็นคู่ๆ แต่ละคู่จะแยกจากกันในระหว่างการสร้างเซลล์สืบพันธุ์ทำให้เซลล์สืบพันธุ์แต่ละเซลล์มีหน่วยควบคุมลักษณะนี้เพียง 1 หน่วย และ จะกลับมาเข้าคู่อีกเมื่อเซลล์สืบพันธุ์ผสมกัน”
         กฎข้อที่ 2 กฎแห่งการรวมกลุ่มอย่างอิสระ (LAW OF INDEPENDENT ASSORTMENT) มีใจความว่า “ในเซลล์สืบพันธุ์จะมีการรวมกลุ่มของหน่วยพันธุกรรม ของลักษณะต่างๆ การรวมกลุ่มเหล่านี้เป็นไปได้อย่างอิสระ จึงทำให้เราสามารถทำนายผลที่เกิดขึ้นในรุ่นลูก และรุ่นหลาน”

       ลักษณะเด่น หมายถึง ลักษณะที่มีโอกาสแสดงออกได้มากกว่า
       ลักษณะด้อย หมายถึง ลักษณะที่จะแสดงออกได้ ก็ต่อเมื่อมีการเข้าคู่แบบโฮโมโลกัสของยีนด้อยเท่านั้น

Incomplete Dominance

มัลติเปิลอัลลีลส์ (MULTIPLE ALLELES)
        หมายถึง ยีนที่มากกว่า 1 คู่ ที่ควบคุมลักษณะใดลักษณะหนึ่งร่วมกันตัวอย่างเช่น หมู่เลือด ABO ของคนและสีขนของกระต่าย เป็นต้น

     สูตรที่ควรรู้จัก
1.  สูตรในการหาจำนวนเซลล์สืบพันธุ์ที่สิ่งมีชีวิตสร้าง = 2n เมื่อ n เป็นจำนวน heterozygous gene
2.  สูตรในการจำนวนจีโนไทป์ =3n เมื่อ n เป็นจำนวน heterozygous gene
3.  สูตรในการหาจำนวนฟีโนไทป์ =2n เมื่อ n เป็นจำนวน heterozygous gene
4.  สูตรในการหาจำนวนจีโนไทป์ของมัลติเปิลอัลลีลส์ =[n/2]n+1 ; เมื่อ n เป็นจำนวนอัลลีส์

ยีนที่เกี่ยวเนื่องกับเพศ (SEXLINKED GENE)
      ยีนที่เกี่ยวเนื่องกับเพศ (SEX LINKED GENE ) หมายถึงยีนที่อยู่บนโครโมโซมเพศเช่น ยีนตาบอดสี ฮีโมฟิเลีย กล้ามเนื้อแขนขาลีบ ยีนเหล่านี้จะอยู่บนโครโมโซม X จึงพบลักษณะเหล่านี้ในเพศชายมากกว่าเพศหญิงเนื่องจากเพศชายมีโครโมโซม X เพียงเส้นเดียว

1.  ลูกสาวจะเป็นโรคตาบอดสีได้ก็ต่อเมื่อ มีแม่ตาบอดสีหรือเป็นพาหะแล้วมีพ่อตาบอดสี
2.  ถ้าแม่ตาบอดสี พ่อตาปกติ ลูกชายจะตาบอดสีทุกคน

 

การกำหนดเพศของสิ่งมีชีวิตที่ควรรู้จัก มี 4 ระบบ คือ

ความผิดปกติของโครโมโซมในคน
1.     กลุ่มอาการดาวน์ (DOWN’S SYNDROME) เกิดจากการที่มีโครโมโซมคู่ที่ 21 เกินมา 1 โครโมโซม
2.     กลุ่มอาการไคลน์เฟลเตอร์(KLINE FELTER’S SYNDROME) เป็นเพศชาย มีโครโมโซม X เกินมา 1-2 เส้น (XXY,XXXY)
3.     กลุ่มอาการเทอร์เนอร์ (TURNER’S SYNDROME) เป็นเพศหญิงมีโครโมโซม X เพียงเส้นเดียว
4.     กลุ่มอาการคริดูซาต์(CRI-DU-CHAT SYNDROME) โครโมโซมคู่ที่ 5 ขาดหายไปบางส่วน

 

การผ่าเหล่า (MUTATION)
        หมายถึงการเปลี่ยนแปลงสภาพของยีนจากยีนหนึ่งเป็นอีกยีนหนึ่งอย่างฉับพลัน การเปลี่ยนแปลงนี้เป็นการเปลี่ยนแปลงอย่างถาวร แบ่งเป็น 2 ระดับคือระดับโครโมโซม และระดับยีน
สาเหตุที่ทำให้เกิดมิวเตชั่น ตัวกระตุ้นที่ทำให้เกิดการกลายพันธุ์หรือเรียกว่าสิ่งก่อกลายพันธุ์ (MUTAGEN) ได้แก่
1.รังสีเช่น รังสี X,UV,คอสมิก,นิวตรอน,เบตา,แกมมา เป็นต้น
2.สารเคมี เช่น โคลชิซิน ไดโคลวอส พาราควอทเป็นต้น

 

พันธุวิศวกรรม
        หมายถึง กระบวนการตัดต่อยีนจากการสังเคราะห์ขึ้น หรือสิ่งมีชีวิตจากแหล่งต่างๆ หลายแหล่งเข้าด้วยกันตามความเหมาะสม แล้วใส่เข้าไปในสิ่งมีชีวิตอีกชนิดหนึ่ง (HOST) เพื่อให้ผลิตสารโปรตีนตามที่ต้องการ
การผสมในหลอดแก้ว
       การทำ "เด็กหลอดแก้ว" ในภาษาไทยนั้น ตรงกับคำในภาษาอังกฤษว่า "IVF"
(In Vitro Fertiliztion) หมายความว่า การช่วยเหลือให้เกิดการปฏิสนธิของไข่และ
ตัวอสุจิ ภายนอกร่างกายในหลอดแก้วทดลองภายใต้สิ่งแวดล้อม อุณหภูมิคล้ายกับภายในร่าง
กาย เมื่อได้ "ตัวอ่อน" ที่สมบูรณ์ ในขนาดที่เหมาะสม ก็นำกลับเข้าสู่ภายในร่างกายของสตรี
ผู้นั้น เพื่อให้ฝังตัวและเจริญเติบโตเป็นทารกภายในโพรงมด
ทำกิฟต์ (GIFT)
เป็นวิธีการที่นำเอาไข่สุกเต็มที่ และเชื้ออสุจิที่คัดเลือกแล้วไปฉีด
เข้าในท่อนำไข่ซึ่งเป็นที่ที่มีการปฏิสนธิตามธรรมชาติ วิธีการนี้เป็นการช่วยเหลือให้ไข่และตัว
อสุจิได้มีการปฏิสนธิในบริเวณและในเวลาที่เหมาะสมเท่านั้นเอง หลังการปฏิสนธิแล้วตัวอ่อน
จะเคลื่อนไปตามท่อนำไข่แล้วฝังตัวในโพรงมดลูกเหมือนกับการตั้งครรภ์ตามธรรมชาติ ดัง
นั้นวิธีการทำกิฟต์จึงมีข้อแม้อยู่ว่าฝ่ายหญิงจะต้องมีท่อนำไข่ที่ปกติอยู่อย่าง
การผสมเทียมแบบไฮเทค (Intracytoplasmic Sperm Injection)
เป็นเทคโนโลยีชีวภาพที่พัฒนามาจากการผสมในหลอดแก้ว  โดยการนำอสุจิเพียงเซลล์เดียวฉีดเข้าไปในชั้น
ไซโตพลาสซึมของเซลไข่  ซึงวิธีนี้มีโอกาสสำเร็จ