ยีนและโครโมโซม (Genes and Chromosomes)

ยีนและโครโมโซม (Genes and Chromosomes)

สร้างโดย : นายพิเชษฐ์ บุญทวี และนายญัฐปคัลภ์ เข็มขาว
สร้างเมื่อ เสาร์, 28/11/2009 – 11:36
มีผู้อ่าน 313,049 ครั้ง (26/10/2022)
ที่มา : http://www.thaigoodview.com/node/48875

การถ่ายทอดยีนและโครโมโซม

บทนำ
          สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่จะมีเพศที่แตกต่างกัน คือ เพศผู้และเพศเมีย ลูกที่เกิดขึ้นจะพัฒนามาจากเซลล์ที่เกิดจากเซลล์พิเศษของเพศผู้ คือ สเปิร์มหรืออสุจิกับเซลล์ไข่องเพศเมีย มารวมตัวกันเป็นไซโกตด้วยกระบวนการสืบพันธุ์ ยีนจากพ่อและแม่น่าจะมีการส่งถ่ายลักษณะต่างของพ่อและเม่สู่ลูกด้วยกระบวนการสืบพันธุ์ นักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งข้อสังเกตนี้มาตั้งแต่ศตวรรษที่ 17 นับตั้งแต่มีการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์เห็นการรวมตัวกันของสเปิร์มและเซลล์ไข่ของกบและหอยเม่นพ.ศ. 2423 มีการค้นพบสีย้อมนิวเคลียสทำให้พบว่าในนิวเคลียส มีโครงสร้างที่มีลักษณะเป็นเส้นเรียกว่า โครโมโซม  นักวิทยาศาสตร์เฝ้าศึกษาการเปลี่ยนแปลงของโครโมโซมและพบว่าการแบ่งเซลล์ใน 2 ลักษณะ คือ
          การแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส (Mitosis) ภายหลังการแบ่งเซลล์ เซลล์ลูกที่เกิดขึ้นจะมีจำนวนโครโมโซม
เท่ากับเซลล์เริมต้น (diploid cell)
          การแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส (Meiosis) ภายหลังการแบ่งเซลล์ เซลล์ลูกที่เกิดขึ้นจะมีจำนวนโครโมโซม
เพียงแค่ครึ่งหนึ่งของเซลล์เริ่มต้น (haploid cell)

           พ.ศ. 2445 วอลเตอร์ ซัตตัน (Walter Sutton) เป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่เสนอทฤษฎีโครโมโซมในการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม (chromosome theory of inheritance) โดยเสนอว่า สิ่งที่เรียกว่าแฟกเตอร์ของเมนเดลซึ่งต่อมาเรียกว่า ยีน น่าจะอยู่บนโครโมโซม เพราะมีความสอดคล้องกันในหลาย ๆ เรื่อง ดังนี้

1. ยีนมี 2 ชุด โครโมโซมก็มี 2 ชุด
2. ยีนและโครโมโซมถ่ายทอดไปสู่รุ่นลูกหลาน
3. การแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส โครโมโซมมีการเข้าคู่กันและแยกจากกันไปยังเซลล์ลูกที่เกิดขึ้นคนละเซลล์ยีนเองก็มีการแยกตัวของแอลลีลเช่นกัน
4. การแยกตัวของโครโมโซมที่เป็นคู่กันไปยังขั้วเซลล์ขณะที่มีการแบ่งเซลล์ ดำเนินไปอย่างอิสระเช่นเดียวกับกันแยกตัวของแอลลีลไปยังเซลล์สืบพันธุ์
5. ขณะเกิดการสืบพันธุ์ การรวมตัวกันของเซลล์ไข่และสเปิร์มเกิดเป็นไซโกตเป็นไปอย่างสุ่ม ทำให้การรวมตัวกันระหว่างชุดโครโมโซมจากเซลล์ไข่และสเปิร์มเป็นไปอย่างสุ่มด้วย ซึ่งเหมือนกับการกลับมารวมกันของแอลลีลในเซลล์สืบพันธุ์ของพ่อและแม่
6. ทุกเซลล์ที่พัฒนามาจากไซโกตจะมีโครโมโซมครึ่งหนึ่งจากแม่และอีกครึ่งหนึ่งจากพ่อ ลูกที่เกิดมาจึงมีลักษณะแปรผันไปจากพ่อและแม่

การค้นพบสารพันธุกรรม

          พ.ศ. 2412 เอฟ มิเชอร์ (F.Miescher) นักชีวเคมีชาวสวีเดน ได้ศึกษาส่วนประกอบในนิวเคลียสของเซลล์เม็ดเลือดขาวที่ติดมากับผ้าพันแผล โดยนำมาย่อยเอาโปรตีนออกด้วยเอนไซม์เพปซิน พบว่าเอนไซม์นี้ไม่สามารถย่อยสลายสารชนิดหนึ่งที่อยู่ภายในนิวเคลียสได้ เมื่อนำสารนี้มาวิเคราะห์พบว่ามีธาตุไนโตรเจนและฟอสฟอรัสเป็นองค์ประกอบ จึงเรียกสารที่สกัดได้จากนิวเคลียสว่า นิวคลีอิน(nuclein) 

          20 ปีต่อมา ได้มีการปลี่ยนชื่อใหม่ว่ากรดนิวคลีอิก เนื่องจากมีผู้ค้นพบว่าสารนี้มีสมบัติเป็นกรด พ.ศ. 2457 มีการพัฒนาสีฟุคซิน โดย อาร์ ฟอยล์แกน (R. Feulgen) นักเคมีชาวเยอรมัน ซึ่งย้อมติด DNA ให้สีแดง และเมื่อนำไปย้อมเซลล์ พบว่าติดที่นิวเคลียสและรวมตัวหนาแน่นที่โครโมโซม จึงสรุปว่า DNA อยู่ที่โครโมโซมถ้า DNA เป็นสารพันธุกรรม DNA จะต้องสามารถควบคุมการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมได้ ดังนั้นโครโมโซมนอกจากจะมีโปรตีนแล้วก็ยังมี DNA

          การค้นพบว่า DNA อยู่ที่โครโมโซม ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า DNA เป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต แต่นักวิทยาศาสตร์ ส่วนใหญ่ในสมัยนั้นเชื่อว่า สารพันธุกรรมน่าจะเป็นโปรตีน เนื่องจากโปรตีน เป็นสารชีวโมเลกุลขนาดใหญ่ประกอบด้วย กรดอะมิโน 20 ชนิด จึงน่าจะมีโปรตีนชนิดต่างๆ มากพอที่จะควบคุมลักษณะของสิ่งมีชีวิตได้

          ในปี พ.ศ. 2471 เอฟ กริฟฟิท (F. Griffith) แพทย์ชาวอังกฤษทำการทดลองฉีดแบคทีเรีย ( Streptococcus – pneumoniae ) ที่ทำให้เกิดโรคปอดบวม เข้าไปในหนู แบคทีเรียที่ฉีดมี 2 สายพันธุ์ คือ

• สายพันธุ์ที่มีผิวหยาบ เพราะไม่มีสารห่อหุ้มเซลล์หรือ แคปซูล (capsule) ไม่ทำให้เกิดโรคปอดบวม เรียกว่า  สายพันธุ์ R (rough) 
• สายพันธุ์ที่มีผิวเรียบ มีสารห่อหุ้มเซลล์ทำให้เกิดโรคปอดบวมรุนแรงถึงตายเรียกว่า สายพันธุ์ S (smooth)

          กริฟฟิทนำแบคทีเรียสายพันธุ์ R ฉีดให้หนู พบว่าหนูไม่ตาย (ก.)
          ต่อมานำแบคทีเรีย สายพันธุ์ S ฉีดให้หนูพบว่าหนูตาย (ข.)
          เมื่อนำแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่ทำให้ตายด้วย ความร้อนแล้วฉีดให้หนูพบว่าหนูไม่ตาย (ค.)
          แต่เมื่อนำแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่ทำให้ตายด้วยความร้อนผสมกับสายพันธุ์ R ที่มีชีวิต ทิ้งว้ระยะหนึ่งแล้วฉีดให้หนู พบว่าหนูตาย เมื่อตรวจเลือดหนูที่ตายปรากฏว่ามีแบคทีเรียสายพันธุ์ S ปนอยู่กับสายพันธุ์ R (ง.)
          กริฟฟิท รายงานว่ามีสารบางอย่างจากแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่ทำให้ ตายด้วยความร้อนเข้าไปยังสายพันธุ์ R บางเซลล์และสามารถทำให้แบคทีเรียสายพันธุ์ R เปลี่ยนแปลงเป็นเสายพันธุ์ S ที่มีชีวิต แบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่เกิดขึ้นสามารถถ่ายทอดลักษณะไปสู่รุ่นลูกหลาน แต่กริฟฟิทไม่สามารถพิสูจน์ได้ว่าสารนั้นคืออะไร

          พ.ศ. 2487 นักวิทยาศาสตร์ ชาวอเมริกัน 3 คน คือ โอ ที แอเวอรี่ (O.T. Avery) ซี แมคลอยด์ (C. MacLeod)
และ เอ็ม แมคคาร์ที (M. McCarty) ทำการทดลองต่อจาก กริฟฟิท โดยนำแบคทีเรียสายพันธุ์ S มาทำให้ตายด้วยความร้อน แล้วสกัดเอาสารจากสารพันธุ์ S ออกมาใส่ในหลอดทดลอง 4 หลอด 
             1. เติมเอนไซม์ RNase (ribonuclease) ในหลอดทดลอง ก. เพื่อย่อยสลาย RNA
             2. เติมเอนไซม์ โปรตีเอส (protease) ลงในหลอดทดลอง ข. เพื่อย่อยสลาย โปรตีน
             3. เติมเอนไซม์ DNase (deoxyribonuclease) ลงในหลอดทดลอง ค. เพื่อย่อยสลาย DNA
             4. ส่วนหลอด ง. เป็นชุดควบคุม ไม่มีการเติมเอนไซม์อื่นใด

          จากนั้นเติมแบคทีเรียสายพันธุ์ R ลงใน แต่ละหลอดทดลอง ปล่อยไว้ระยะเวลาหนึ่งจึงนำไปเพราะเลี้ยงในอาหารวุ้นแล้วตรวจสอบแบคทีเรียที่เกิดขึ้น

          จากผลการทดลองของเอเวอรี่และคณะ ปรากฏว่าส่วนผสมของแบคทีเรียสายพันธุ์ R กับสารสกัดจากสายพันธุ์ S ที่ทำให้ตายด้วยความร้อน ในภาวะที่มีเอนไซม์ DNase จะไม่พบแบคทีเรียสายพันธุ์ S ที่เกิดขึ้นใหม่ ในขณะที่ในส่วนผสมของแบคทีเรียสายพันธุ์ R กับสารสกัดสายพันธุ์ S ในภาวะที่มีเอนไซม์ RNase และภาวะที่มีเอนไซม์โปรตีเอส จะพบสายพันธุ์ S เกิดขึ้น 
          การทดลองนี้แสดงให้เห็นว่า DNA คือ สารที่เปลี่ยนพันธุกรรม ของแบคทีเรียจากสายพันธุ์ R  ให้เป็นสายพันธุ์ S
แอเวอรี่จึงสรุปว่า กรดนิวคลีอิกชนิด DNA เป็นสารพันธุกรรมไม่ใช่โปรตีน

          มีการทดลองอื่นๆ ที่ยืนยันตรงกันว่า DNAเป็นสารพันธุกรรม ต่อมาได้มีการค้นพบว่า DNA เป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตทั่วไปทั้ง คน สัตว์ พืช โพทิสต์ แบคทีเรีย ไวรัส และยังพบว่า RNA เป็น สารพันธุกรรมในไวรัส บางชนิด เช่น ไวรัสที่ ทำให้เกิดโรคใบด่างในใบยาสูบ ไวรัสที่เป็นสาเหตุของโรคโปลิโอ เอดส์ ซาร์ส ไข้หวัดนก และโรคมะเร็งบางชนิด ผลการทดลองของกริฟฟิท แอเวอรี่และคณะ เป็นจุดเริ่มต้นที่นำไปสู่ข้อสรุป ที่สำคัญเป็นอย่างมากก็คือ ยีนหรือสารพันธุกรรม ซึ่งทำหน้าที่ถ่ายทอดลักษณะของสิ่งมีชีวิตไปสู่รุ่นต่อๆไปนั้น เป็นสารชีวโมเลกุลขนาดใหญ่
มีชื่อว่า DNA นั่นเอง 
           ในเวลาต่อมาพบว่า DNA มีส่วนที่ควบคุมลักษณะ ทางพันธุกรรมและส่วนที่ไม่ได้ควบคุมลักษณะทาง พันธุกรรม DNA ส่วนที่ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรม เรียกว่า ยีน (Gene)  ดังนั้นหน่วยพันธุกรรม ที่เมนเดลเรียกว่าแฟกเตอร์ ก็คือ ยีน ซึ่งอยู่ที่ โครโมโซมนั้นเอง

โครโมโซม (Chromosomes)

          จากทฤษฎีโครโมโซมในการถ่ายทอดลักษณะ ทางพันธุกรรมของ วอลเตอร์ เอส ซัตตัน ( Walter S. Sutton ) พบว่า DNA เป็นองค์ประกอบของโครโมโซมและยีนก็คือส่วน ของ DNA ที่ทำหน้าที่กำหนดลักษณะทางพันธุกรรมที่อยู่บนโครโมโซมนักวิทยาศาสตร์มุ่งศึกษาโครโมโซม และ DNA โดยละเอียด เพื่อนำไปสู่ความเข้าใจการเกิดลักษณะต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิต

ลักษณะและจำนวนโครโมโซม

          โครโมโซมมีลักษณะเป็นเส้นเล็กยาวขดพันกันอยู่ภายในนิวเคลียสเรียกว่า โครมาทิน โครโมโซม จะจำลองตัวเองเป็นเส้นที่เหมือนกันทุกประการในระยะอินเตอร์เฟส แล้วจึงขดสั้นและหนาขึ้น สามารถเห็นได้ชัดเจนที่สุดในระยะเมทาเฟสจากการย้อมด้วยสีย้อม DNA
          สิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งอาจมีโครโมโซมที่มีรูปร่างแบบเดียวหรือหลายแบบก็ได้

          เซลล์ร่างกายของสิ่งมีชีวิตมีโครโมโซม 2 ชุด เรียกว่า ดิพลอยด์โดยโครโมโซมชุดหนึ่งได้รับจากพ่ออีกชุดหนึ่งได้รับจากแม่ เมื่อมีการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส โครโมโซมที่เป็นคู่กันจะมาเข้าคู่กันแล้วแยกออกจากกันไปสู่เซลล์ลูกเมื่อเสร็จสิ้นการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส โครโมโซมในเซลล์ลูกที่เกิดขึ้นจะลดลงครึ่งหนึ่งเรียกว่า แฮพลอยด์

สิ่งมีชีวิต	จำนวนโครโมโซม ( 2n )
มนุษย์	46
สุนัข	78
กบ	26
แมงหวี่	8
ยุงก้นปล่อง	6
หนู	40
มเขือเทศ	24
ข้าวโพด	20
ยาสูบ	48

ส่วนประกอบของโครโมโซม

          ปริมาณสัดส่วนระหว่าง DNA และโปรตีนที่เป็นองค์ประกอบของโครโมโซมของยูคาริโอต จะพบว่าประกอบด้วย DNA 1 ใน 3 และอีก 2 ใน 3 เป็นโปรตีน โดยส่วนที่เป็นโปรตีนจะเป็น ฮิสโตน(histone) และนอนฮิสโตน (non-histone) อย่างละเท่าๆ กัน

          ฮิสโตน เป็นโปรตีนที่มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นกรดอะมิโนที่มีประจุบวก (basic amino acid) ทำให้มีสมบัติในการเกาะจับกับสาย DNA ซึ่งมีประจุลบได้เป็นอย่างดี สร้างสมดุลของประจุ ( neutralize) ของโครมาทินด้วยสาย DNA พันรอบกลุ่มโปรตีนฮิสโตนคล้ายเม็ดลูกปัดเรียกโครงสร้างนี้ว่า นิวคลีโอโซม (nucleosome) โดยมีฮิสโตนบางชนิดเชื่อมต่อระหว่างเม็ดลูกปัดแต่ละเม็ด

          โปรตีนนอนฮิสโตน มีหลายชนิด อาจเป็นร้อยหรือพันชนิดขึ้นอยู่กับชนิดของสิ่งมีชีวิต หน้าที่แตกต่างกันไป
บางชนิดช่วยในการขดตัวของ DNA บางชนิดเกี่ยวข้องกับกระบวนการจำลองตัวเองของ DNA ( DNA replicatio )
หรือการแสดงออกของยีน
          สำหรับในโพรคาริโอต เช่น แบคทีเรีย E. coli มีจำนวนโครโมโซมชุดเดียวเป็นรูปวงแหวนอยู่ในไซโทพลาซึม ประกอบด้วย DNA 1โมเลกุล และไม่มีฮิสโตนเป็นองค์ประกอบสารพันธุกรรมทั้งหมดของสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งๆ เรียกว่า จีโนม (genome)

สิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีขนาดของจีโนมและจำนวนยีนแตกต่างกัน

สิ่งมีชีวิต	ขนาดของจีโนม ( ล้านคู่เบส )	จำนวนยีน
มนุษย์	3,200	80,000
หนู	3,000	80,000
แหลงหวี่	120	10,000
หนอนตัวกลม	100	13,000
ยีสต์	15	6,000
แบคทีเรีย	4	4.000

องค์ประกอบทางเคมีของ DNA

          DNA เป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตและบางส่วนของ DNA ทำหน้าที่เป็นยีน ที่สามารถควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตได้ DNA เป็นกรดนิวคลีอิคชนิดหนึ่ง ซึ่งเป็นพอลิเมอร์ (polymer) สายยาวประกอบด้วยหน่วยย่อยหรือมอนอเมอร์ (monomer)ที่เรียกว่า นิวคลีโอไทด์ (nucleotide)

องค์ประกอบของนิวคลีโอไทด์

1. น้ำตาลเพนโทส ซึ่งมีคาร์บอน 5 อะตอม คือน้ำตาลดีออกซีไรโบส
2. ไนโตรจีนัสเบส (nitrogenous base) เป็นโครงสร้างปะกอบด้วยวงแหวนที่มีอะตอม ของ คาร์บอนและไนโตรเจน แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ เบสพิวรีน( purine) มี 2 ชนิด คือ อะดีนีน ( adenine หรือ A) และกวานีน( guanine หรือ G) เบสไพริมิดีน( pyrimidine) มี 2 ชนิด คือ ไซโทซีน(cytocine หรือ C) และ ไทมีน( thymine หรือ T )
3. หมู่ฟอสเฟต

          ส่วนประกอบของนิวคลีโอไทด์มีน้ำตาลเป็นแกนหลักมีไนโตรจีนัสเบสอยู่ที่คาร์บอนตำเเหน่งที่ 1 และหมู่ฟอสเฟตอยู่ที่ตำแหน่งที่ 5 ประกอบกันเป็นนิวคลีโอไทด์

นิวคลีโอไทด์ใน DNA มี 4 ชนิดแตกต่างกันตามองค์ประกอบที่เป็นเบสได้แก่ A T C และ G

          จากการวิเคราะห์ส่วนประกอบทางเคมีของ DNA พบว่ามีเบส น้ำตาลดีออกซีไรโบส และหมู่ฟอสเฟต เป็นจำนวนมาก จึงเป็นไปได้ว่า DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์จำนวนมากมาเชื่อมต่อกัน การต่อเชื่อมกันเกิดจากการสร้างพันธะโคเวเลนซ์ระหว่างหมู่ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์หนึ่งกับหมู่ไฮดรอกซิลที่อยู่ที่คาร์บอน ตำแหน่งที่ 3 ของน้ำตาลในอีกนิวคลีโอไทด์หนึ่ง เมื่อหลาย ๆ นิวคลีโอไทด์มาเชื่อมต่อกันเกิดเป็นสายพอลินิวคลีโอไทด์ ปลายสายด้านหนึ่งจะมีหมู่ฟอสเฟตเชื่อมอยู่กับน้ำตาลดีออกซีไรโบสที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 5 เรียกปลายด้านนี้ว่า ปลาย 5′ (5 ไพร์ม) ปลายอีกด้านหนึ่งจะมีหมู่ไฮดรอกซิลที่คาร์บอนตำแหน่งที่ 3 ที่เป็นอิสระ เรียกปลายด้านนี้ว่าปลาย 3′ ( 3 ไพร์ม) พอลินิวคลีโอไทด์แต่ละสายแตกต่างกันที่จำนวนของนิวคลีโอไทด์และลำดับของนิวคลีโอไทด์

          ในปี พ.ศ. 2492 เออร์วิน ชาร์กาฟฟ์(Erwin Chargaff) นักชีวเคมีชาวอเมริกัน พบว่าอัตราส่วนของเบส 4 ชนิด ใน DNA ที่สกัดจากสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ จะแตกต่างกัน ขณะที่อัตราส่วนของน้ำตาลและหมู่ฟอสเฟตมีค่าค่อนข้างคงที่ พบว่าปริมาณของเบส A ใกล้เคียงกับ T และเบส C ใกล้เคียงกับ G เสมอ เรียกว่า กฏของชาร์กาฟฟ์ (Chargaff ‘ s Rule) และสิ่งมีชีวิตจะมีอัตราส่วนระหว่างเบส A:T และอัตราส่วนระหว่างเบส G:C คงที่เสมอ จากอัตราส่วนของเบสที่พบ อาจเป็นไปได้ว่าเบส A จับคู่กับ T และเบส G จับคู่กับ C อัตราส่วนนี้ชี้ให้เห็นว่า DNA จะต้องมีการจัดเรียงตัวของนิวคลีโอไทด์ 4 ชนิด ที่ทำให้จำนวนของเบสชนิดA เท่ากับ T และชนิด C เท่ากับ G เสมอ

โครงสร้างของ DNA

          ปี พ.ศ. 2493-2494 เอ็ม เอช เอฟ วิลคินส์ (M. H.F. Wilkins) และ โรซาลินด์ แฟรงคลิน (Rosalind Franklin)
นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษศึกษาโครงสร้างของ DNA ในสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ โดยใช้เทคนิคเอกซ์เรย์ดิฟแฟรกชัน( X-ray diffraction) ฉายรังสีเอกซ์ผ่านผลึก DNA การหักเหของรังสีเอกซ์ ทำให้เกิดภาพบนแผ่นฟิล์ม ได้ภาพถ่ายที่ชัดเจนมาก จากภาพถ่ายนักฟิสิกส์แปลผลได้ว่าโครงสร้างของ DNA จากสิ่งมีชีวิตชนิด ต่างๆ มีลักษณะที่คล้ายกันมาก คือ
ประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์มาก กว่า 1สาย มีลักษณะเป็นเกลียว เกลียวแต่ละรอบมีระยะห่างเท่าๆ กัน

          ปี พ.ศ. 2496 เจ ดี วอตสัน (J.D.Watson)นักชีวเคมีชาวอเมริกัน และ เอฟ คริก (F.Crick) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ
ได้เสนอแบบจำลองโครงสร้างโมเลกุลของ DNA ที่สมบูรณ์ที่สุด โดยรวบรวมข้อมูลต่างๆจากโครงสร้างทางเคมีของส่วนประกอบของโมเลกุล DNA จากผลการทดลองของชาร์กาฟฟ์ ที่แสดงให้เห็นว่า DNA มีเบส A เท่ากับ T และเบส C เท่ากับ G และภาพจากเทคนิคเอกซ์เรย์ดิฟแฟรกชันของผลึก DNA นำความรู้ที่ได้ มารวมกันเป็นแนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างของ DNA

          จากข้อมูลของชาร์กาฟฟ์ทำให้วอตสันและคริกพบพันธะเคมีที่เชื่อมพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายให้ติดกันคือ พันธะไฮโดรเจนซึ่งเกิดขึ้นระหว่างคู่เบสแม้ว่าจะไม่แข็งแรง แต่เมื่อมีจำนวนมากก็จะมีความแข็งแรงพอที่จะยึดสายพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายให้เข้าคู่กันได้ และพบว่าระหว่างเบส A กับ T สามารถเกิดพันธะไฮโดรเจนได้ 2 พันธะ และระหว่างเบส C และ G เกิดได้ 3 พันธะ

          วอตสันและคริกได้สร้างแบบจำ ลอง DNA ตามแนวคิด โดยให้พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายเรียงสลับทิศกัน ปลาย 3 ‘ ของสายหนึ่งเข้าคู่กับปลาย 5 ‘ ของอีกสายหนึ่ง เบส A ของสายหนึ่งตรงกับเบส T ของอีกสายหนึ่ง เบส C ของสายหนึ่งตรงกับเบส G ของอีกสายหนึ่งเสมอ จากนั้นจึงเสนอโครงสร้างโมเลกุลของ DNA ว่าประกอบด้วยพอลินิวคลีไทด์ 2 สาย เบสในแต่ละสายของ DNA ที่เป็น เบสคู่สม (complementary base pair) ยึดกันด้วยพันธะไฮโดรเจนโดยมีเบส A จับคู่กับเบส Tและเบส C จับคู่กับเบส G โดยมีทิศทางจากปลาย 5′ ไปยังปลาย 3’ แต่สวนทางกันและพันกันบิดเป็น เกลียวคู่( double helix ) เวียนขวาตามเข็มนาฬิกา เกลียวแต่ละรอบห่างเท่า ๆ กันและมีคู่เบสเท่ากัน โครงสร้างเกลียวคู่ทำให้โครงสร้างของ DNA มีลักษณะคล้ายบันไดเวียน โดยมีน้ำตาลดีออกซีไรโบสจับกับหมู่ ฟอสเฟตเป็นราวบันได (backbones) และบันไดแต่ละขั้นคือ คู่เบส 1 คู่ พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายห่างกัน 20 อังสตรอม เกลียวแต่ละรอบยาว 34 อังสตรอม นิวคลีโอไทด์ แต่ละโมเลกุล ห่างกัน 3.4 อังตรอม

          โครงสร้างของ DNA ประกอบด้วย นิวคลีโอไทด์จำนวนมาก แม้ว่า DNA จะมีนิวคลีโอไทด์เพียง 4 ชนิด แต่โมเลกุลของ DNA มีความแตกต่างกันได้หลายชนิด แต่ละโมเลกุล อาจประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์หลายพันคู่จนถึงแสนคู่ ตัวอย่างเช่น ถ้า DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ 2 โมเลกุลเรียงกันจะสามารถจัด เรียงให้แตกต่างกันได้ 16 แบบ ดังนั้นถ้าโมเลกุล DNA ประกอบด้วยนิวคลีไทด์จำนวนมาก การเรียงลำดับของเบสก็จะแตกต่างกันมากด้วย

สมบัติของสารพันธุกรรม

• ประการแรก ต้องสามารถเพิ่มจำนวน ตัวเองได้โดยมีลักษณะเหมือนเดิม เพื่อให้สามารถ ถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมจากรุ่นพ่อแม่ไปยังรุ่นลูกได้
• ประการที่สอง สามารถควบคุมให้เซลล์ สังเคราะห์สารต่างๆเพื่อ แสดงลักษณะทางพันธุกรรมให้ปรากฎ
• ประการที่สาม ต้องสามารถเปลี่ยนแปลงได้บ้าง ซึ่งการเปลี่ยนแปลงที่เกิด ขึ้นอาจก่อให้เกิดลักษณะทางพันธุกรรมที่ผิดแผกไปจากเดิมและเป็น ช่องทางให้เกิดสิ่งมีชีวิตสปีชีส์ใหม่ๆ ขึ้น

          10 ปีต่อมา สามารถพิสูจน์ได้ว่า DNA มีสมบัติเป็นสารพันธุกรรม วอตสันและคริกจึงได้รับรางวัลโนเบลด้วยผลงานการค้นพบโครงสร้างของ DNA ในปี พ.ศ. 2505   นับว่าเป็นความก้าวหน้าที่สำคัญยิ่งทางด้าน วิทยาศาสตร์ และเป็นจุดเริ่มต้นให้กับนักวิทยาศาสตร์ที่จะค้นคว้าในระดับโมเลกุลต่อไป

การสังเคราะห์ DNA

          ในปี พ.ศ. 2496 วอตสันและคริก ได้พิมพ์ บทความพยากรณ์การจำลองตัวเองของ DNA ไว้ว่า ในการจำลองตัวเองของ DNA พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย แยกออกจากกันเหมือนการรูดซิป โดยการสลายพันธะไฮโดรเจนระหว่าง เบส A กับ T และเบส G กับ C ทีละคู่

          พอลินิวคลีโอไทด์แต่ละสายทำหน้าที่เป็นแม่พิมพ์สำหรับการสร้างสายใหม่ มีการนำนิวคลีโอไทด์อิสระที่อยู่ในเซลล์เข้ามาจับกับพอลินิวคลีโอไทด์สายเดิม โดยเบส A จับกับ T และเบส C จับกับ G หมู่ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์ อิสระจะจับกับน้ำตาลดีออกซีไรโบส ของนิวคลีโอไทด์ที่อยู่ถัดไปทำให้ DNA ที่สังเคราะห์ใหม่เหมือนกับ DNA โมเลกุลเดิมทุกประการ

          การสังเคราะห์ DNA หรือการจำลองตัวเองของ DNA เรียกว่า DNA เรพลิเคชัน (DNA replication) ทำให้มีการเพิ่ม โมเลกุลของ DNA จาก 1 โมเลกุล เป็น 2 โมเลกุล DNA แต่ละโมเลกุลมีพอลินิวคลีโอไทด์ สายเดิม 1 สาย และสายใหม่ 1 สาย จึงเรียกวิธีการ จำลองลักษณะนี้เป็น แบบกึ่งอนุรักษ์ ( semiconservative) แนวคิดที่เกี่ยวข้อง กับการจำลอง DNA ที่วอตสันและคริกเสนอนั้น เป็นเพียงสมมติฐาน

          ปี พ.ศ. 2499 อาร์เธอร์ คอนเบิร์ก( Arthur Kornberg) นักเคมีชาวอเมริกันเป็น คนแรกที่สามารถสังเคราะห์โมเลกุลของ DNA ในหลอดทดลองได้สำเร็จ โดยนำเอนไซม์ DNA พอลิเมอเรส (DNA polymerase) ซึ่งสกัดจากแบคทีเรีย E.coli ใส่ในหลอดทดลองที่มีสารประกอบที่จำเป็นต่อการสังเคราะห์ครบสมบูรณ์ ได้แก่ DNA แม่พิมพ์ นิวคลีโอไทด์ 4 ชนิด คือ นิวคลีโอไทด์ที่มีเบส

• A นิวคลีโอไทด์ที่มีเบส
• T นิวคลีโอไทด์ ที่มีเบส
• C และนิวคลีโอไทด์ที่มีเบส
• G และเอนไซม์ DNA พอริเมอเรส

          ซึ่งจะทำหน้าที่เชื่อมนิวคลีโอไทด์ให้ต่อกันเป็นสายยาว โดยมีทิศทางการสังเคราะห์สาย DNA สายใหม่จากปลาย 5 ‘ ไปยัง ปลาย 3 ‘ การค้นพบเอนไซม์ที่ใช้ในการเชื่อม  นิวคลีโอไทด์เข้าด้วยกันมีความสำคัญอย่างมาในประวัติศาสตร์ของวิชาพันธุศาสตร์ เพราะเท่ากับว่านักวิทยาศาสตร์พบว่า  การสังเคราะห์ DNA สามารถเกิดขึ้นได้ในหลอดทดลองโดยไม่จำเป็นต้องเกิดขึ้นภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเท่านั้น

การจำลองตัวของ DNA Replication

          การสังเคราะห์ DNA สายใหม่ 2 สาย มีความแตกต่างกันคือ สายหนึ่งจะสร้างต่อเนื่องกันเป็นสายยาวเรียกว่า สายลีดดิงแสตรนด์ (leading stand) ส่วนสายใหม่อีกสายหนึ่งไม่ได้สร้างต่อกันเป็นสายยาว เนื่องจากทิศทางการสร้าง
จากปลาย 5′ ไปยังปลาย 3′ จะสวนทางกับทิศทางการคลายเกลียวของ DNA โมเลกุลเดิม จึงสร้างพอลินิวคลีโอไทด์
สายสั้น ๆ จากปลาย 5′ ไปปลาย 3′ เอนไซม์ไลเกส (liase) จะเชื่อมต่อสายสั้น ๆ ให้ยาวเป็นสายเดียวกัน เรียก DNA สายสั้น ๆ ว่า แลกกิงแสตรนด์ (lagging strand)

          การจำลองตัวเองของ DNA มีลักษณะเฉพาะที่เหมือนกัน คือใช้สายเก่าเป็นแม่แบบในการสร้างสายใหม่ทุกครั้ง ดังนั้น DNA ใหม่ที่ ได้ 2 สายจึงประกอบด้วยโพลีนิวคลี โอไทด์ สายเก่า 1 สายและสายใหม่ 1 สาย เรียกการจำลอง
แบบนี้ว่า การลอกแบบกึ่งอนุรักษ์ (semiconservative replication)

          การจำลองตัวเองของ DNA เป็นการเพิ่มปริมาณ สารพันธุกรรมที่เหมือนกันไว้ใช้ในการทำกิจกรรมต่างๆ ของเซลล์และเพื่อถ่ายทอดไปสู่ลูกหลานต่อไป

          ในกระบวนการแบ่งเซลล์การจำลองตัวเองของ DNA มีขั้นตอนต่างๆ ดังนี้

1. เอนไซม์เฮลิเคส (helicase) เข้าสลายพันธะไฮโดรเจนที่จุดใดจุดหนึ่งบนเกลียวคู่ เรียกจุดนี้ว่า
ทางแยกของการลอกแบบหรือ เรพลิเคชันฟอร์ค (replication fork)

2. โปรตีน SSB( Single Strand Binding protein) เข้ามาเกาะบริเวณสายเดี่ยวที่แยกออกเพื่อป้องกันการพันเกลียวกลับ

3. เกิดการสร้าง RNA ชิ้นเล็กๆที่เรียกว่า อาร์เอนเอไพรเมอร์ (RNA primer) โดย อาร์เอนเอไพรเมส (RNA primase) ซึ่งไพรเมอร์นี้เป็นจุดที่เริ่มต้นการสังเคราะห์ DNA สายใหม่

4. เอนไซม์ดีเอนเอโพลีเมอเรส นำ ดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์เดี่ยว (deoxyribonucleotide) เข้ามาต่อสายในทิศทางปลาย 5 ‘ ไปยังปลาย 3 ‘ โดยเชื่อม เบสที่คู่กันเข้าด้วยกันด้วยพันธะไฮโดรเจน และเชื่อมหมู่ฟอสเฟตของแต่ละนิวคลีโอไทด์ให้เป็นพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ เมื่อจุดคลายเกลียวเลื่อนขึ้นไปก็จะได้ DNA สายใหม่ที่ยาวขึ้น เรียก DNA สายนี้ว่า สายใหม่ที่นำหน้าการถ่ายแบบ (leading strand)

5. ในขณะที่เกิดการถ่ายแบบของ DNA ขึ้นในสาย leading ก็จะเกิดการสังเคราะห์ DNA ในอีกสายหนึ่งซึ่งอยู่ตรงกันข้าม ควบคู่กันไปด้วย สำหรับการสังเคราะห์ DNA ในสายตรงกันข้ามนี้ เนื่องจากทิศทางการ สังเคราะห์เป็นแบบ 5 ‘ ไป 3 ‘ เสมอ เมื่อจุดคลายเกลียวเลื่อนขึ้น ไพรเมสจะสร้างอาร์เอนเอไพรเมอร์จับกับ DNA แม่แบบอีกสายหนึ่ง จากนั้นดีเอนเอโพลีเมอเรส จึงนำดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์เข้ามาต่อเป็นสายไปทางด้านจุดเริ่มต้นการสร้าง (origin of replication)

          การทำเช่นนี้เป็นช่วงๆ จะได้เป็นชิ้น DNA สั้นๆ ที่ติดกับอาร์เอนเอไพรเมอร์ เรียกว่า ชิ้นส่วนโอกาซากิ (Okazaki fragment) อยู่ห่างกันเป็นช่วงๆ เรียก DNA สายนี้ว่า สายตามหลัง (lagging strand)

6. เมื่อการถ่ายแบบของ DNA ดำเนินต่อไป ดีเอนเอโพลีเมอเรส จะมีการกำจัดอาร์เอนเอไพรเมอร์ออกด้วยคุณสมบัติของ 5 ‘- 3 ‘ เอ็กโซนิวคลีเอส (5 ‘- 3 ‘ exonuclease) และเติมดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ ด้วยคุณสมบัติ 5 ‘- 3 ‘ โพลีเมอเรส และตามด้วยการเชื่อมพันธะ ฟอสโฟไดเอสเทอร์ของชิ้นส่วนโอกาซากิแต่ละโมเลกุลเข้าด้วยกันด้ว ย่อยเอนไซม์ไลเกส (ligase) ในที่สุดได้เป็น DNA ใหม่ 2 โมเลกุล โดยแต่ละโมเลกุลมีสายเดิมอยู่ 1 สาย

การเชื่อมต่อ DNA สาย lagging

          การสร้าง สาย leading และ สาย lagging สายใหม่ มีทิศทางการสร้างที่สวนทางกัน เชื่อว่าการสร้างสายใหม่ทั้ง 2 สายนี้ เกิดขึ้นพร้อมกัน

          การคลายเกลียวคู่ของ DNA ออกจากกันทำให้ส่วนเหนือขึ้นไปขดเป็น เกลียวแน่นขึ้น ซึ่งสามารถแก้ไขได้โดยเอนไซม์โทโปไอโซเมอเรส ซึ่งจะตัด DNA สายใดสายหนึ่งเหนือทางแยกของการถ่ายแบบ เพื่อให้สามารถคลายเกลียวที่แน่นออกได้และเชื่อมต่อใหม่

          ในการลอกแบบ DNA การขยายของทางแยกของการลอกแบบ (เรพลิเคชันฟอร์ค) จะเป็นแบบ 2 ทิศทางพร้อมกัน (bidirectional DNA replication) ทั้งในโปรคาริโอตและยูคาริโอต

          การลอกแบบ DNAในโปรคาริโอตเกิดทีละตำแหน่งในโครโมโซมวงแหวน การลอกแบบ DNA ในยูคาริโอต  
เกิดพร้อมกันหลายตำแหน่งในโครโมโซมแท่งเดียวกัน

การถอดรหัส Transcription

          การถอดรหัสมีกลไกคล้ายกับการลอกแบบเพื่อสร้าง DNA การคัดลอกเพื่อสร้าง RNA นั้น DNA จะต้องมีการคลายเกลียวออก และใช้หลักการของการเกิดเบสคู่สม ลำดับเบสบน RNA จะมีลำดับเบสที่เป็นคู่สมกันกับลำดับเบสบน DNA สายแม่แบบ แต่การสร้าง RNA จะใช้ไรโบนิวคลีโอไทด์เป็นสับสเตรท (สร้างโดยอาร์เอนเอโพลีเมอเรส) และไม่ต้องการไพรเมอร์

          การถอดรหัสเป็นการสังเคราะห์ mRNA โดยใช้ DNA เป็นแม่แบบ ใน DNA เกลียวคู่จะใช้สายใดสายหนึ่งเป็นแม่แบบเรียกว่าสาย template ส่วนอีกสายที่ไม่ได้ใช้เป็นแม่แบบในการสังเคราะห์ RNA เรียกสาย coding

ขั้นตอนการสังเคราะห์ RNA แบ่งเป็น 3 ขั้นตอนคือ

• ขั้นเริ่มต้น (initiation)
• ขั้นต่อสาย (elongation)
• ขั้นหยุด (termination)

สิ่งที่ต้องใช้ในการการถอดรหัสหรือการสังเคราะห์RNA ได้แก่

• DNA เพียงสายเดียวเป็นแม่พิมพ์
• เอนไซม์ RNA พอลิเมอเรส ( RNA polymerase )

ไรโบนิวคลีโอไทด์ 4 ชนิด คือ

• ไรโบนิวคลีโอไทด์ที่มีเบส A
• ไรโบนิวคลีโอไทด์ที่มีเบส U
• ไรโบนิวคลีโอไทด์ที่มีเบส C
• ไรโบนิวคลีโอไทด์ที่มีเบส G

การสังเคราะห์ RNA จาก DNA แม่พิมพ์

          มีขั้นตอนดังนี้ ขั้นเริ่มต้น (Initiation) อาร์เอนเอโพลีเมอเรส (RNA polymerase) จะมาจับกับ DNA สายแม่แบบตรงตำแหน่ง โปรโมเตอร์ (promotor) โดยอาศัยการทำงานร่วมกันของอินนิทิเอชันแฟคเตอร์ (initiation factor) หลายชนิด ซึ่งจะเข้ามาเกาะบริเวณโปรโมเตอร์ และเอนฮานเซอร์ (enhancer) ก่อน จากนั้นจึงเหนี่ยวนำให้อาร์เอนเอโพลีเมอเรสเข้ามาจับโปรโมเตอร์ได้ และทำให้เกลียวคู่ของ DNA โป่งออกบริเวณที่มีการลอกรหัส

          ขั้นตอนเริ่มต้นของการคัดลอกดีเอนเอโดยเอนไซม์อาร์เอนเอโพลีเมอเรสและแฟคเตอร์ต่างๆ บริเวณ โปรโมเตอร์ของ DNA

ขั้นต่อสายยาว( Elongation) เป็นขั้นต่อสาย RNA ให้ยาวขึ้น โดยมีอีลองเกชันแฟกเตอร์ (elongation factor)
ช่วยในการสร้าง โดยอาร์เอนเอโพลีเมอเรสทำหน้าที่นำนิวคลีโอไทด์เข้ามาต่อสาย RNA ในทิศทาง 5′ ไป 3′
บริเวณปลาย 5′ (ส่วนต้น) ของ RNA ที่กำลังสร้างจะแยกออกจาก DNA และปล่อยให้ DNA 2 สายพันกันเป็นเกลียวเหมือนเดิม มีเฉพาะช่วงปลาย 3′ ช่วงสั้นๆ ที่กำลังเติมนิวคลีโอไทด์ที่ยังพันอยู่กับ DNA ยีนต่างๆที่ใช้เป็นแม่แบบในการคัดลอกมีตำแหน่งกระจายตัวอยู่บน DNA ทั้ง 2 สาย ดังนั้นการสังเคราะห์ RNA สามารถเกิดขึ้นพร้อมกันได้ในหลายๆ ยีนบน DNA โมเลกุลเดียวกันไรโบนิวคลีโอไทด์ที่มีเบสที่เข้าคู่กับนิวคลีโอไทด์ของ DNA สายแม่พิมพ์คือ เบส C เข้าคู่กับ G

ขั้นสิ้นสุด (Termination) เป็นขั้นตอนหยุดการสังเคราะห์ RNA โดยอาศัยโครงสร้างร่วมกับเทอร์มิเนเตอร์ (terminator) หรือ รหัสหยุด (termination signal) บน DNA ที่ประกอบด้วยเบส A ต่อกันเป็นจำนวนมากเมื่อ RNA สร้างมาถึงตำแหน่งนี้ อาร์เอนเอโพลีเมอเรสจะไม่สามารถนำนิวคลีโอไทด์มาจับกับ DNA แม่แบบได้อีก จึงหยุดการสร้างสาย RNA และจัดโครงสร้างRNA เป็นรูปห่วง (hairpin loop) DNA 2 สายจะจับคู่กันและบิดเป็นเกลียวเหมือนเดิม

รหัสพันธุกรรม Genetic code

          DNA เป็นแม่พิมพ์ในการสังเคราะห์ mRN ดังนั้นข้อมูลทางพันธุกรรมใน DNA จะถ่ายทอดให้กับ mRNA ลำดับของนิวคลีโอไทด์ของ mRNA จึงเป็นตัวกำหนดการเรียงลำดับของกรดอะมิโนเพื่อสังเคราะห์โปรตีน กรดอะมิโนที่ใช้ในการสังเคราะห์โปรตีนมีประมาณ 20 ชนิด การกำหนดรหัสพันธุกรรมในสาย mRNA ในสาย mRNA  จะ ประกอบด้วยกี่นิวคลีโอไทด์ ต่อ1รหัสพันธุกรรม จึงจะครอบคลุมชนิดของ กรดอะมิโนทั้ง 20 ชนิดโมเลกุล RNA มีนิวคลีโอไทด์ 4 ชนิด ถ้า 1 รหัสพันธุกรรม ประกอบด้วย1นิวคลีโอไทด์ จะได้ 4 รหัส  รหัสพันธุกรรมประกอบด้วย 2 นิวคลีโอไทด์ เมื่อเรียงสลับกันก็จะได้เพียง 16 รหัส จึงเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากจำนวนของรหัสพันธุกรรมไม่เพียงพอกับจำนวนของกรดอะมิโน ทำนองเดียวกันถ้ารหัสพันธุกรรม ประกอบด้วย 3 นิวคลีโอไทด์ ก็จะได้ 64 รหัส ซึ่งเพียงพอกับจำนวนชนิดของกรดอะมิโน

          คริกและคณะได้ให้ความเห็นไว้ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2504 ว่ากรดอะมิโนแต่ละโมเลกุลถูกควบคุมด้วยรหัสพันธุกรรม ซึ่งประกอบด้วย 3 นิวคลีโอไทด์ เรียงต่อกันในปีเดียวกัน เอ็ม ดับเบิลยู นิเรนเบิร์ก(M.W. Nirenberg) และ เจ เอช แมททัย (J.H. Matthei) ชาวอเมริกัน  ค้นพบรหัสพันธุกรรมรหัสแรก คือ UUU ซึ่งเป็นรหัสของกรดอะมิโน ฟีนิลอะลานีน (phenylalanine) และมีการค้นพบรหัสพันธุกรรมเพิ่มเติมขึ้นเรื่อยๆ

          พ.ศ. 2509 พบรหัสพันธุกรรมถึง 61 ชนิด ที่กำหนดชนิดกรดอะมิโน เหลือ 3 รหัส คือ UAA UAG และ UGA ซึ่งไม่กำหนดกรดอะมิโนชนิดใด ต่อมาจึงทราบว่าทั้ง 3 รหัสนี้ เป็นรหัสหยุดการสังเคราะห์โปรตีน (stop codon) พบว่า AUG เป็นรหัสของกรดอะมิโนชนิด เมไทโอนีน (methionine) เป็นรหัสตั้งต้นของการสังเคราะห์โปรตีน

          รหัสพันธุกรรมที่ประกอบด้วย นิวคลีโอไทด์ 3 โมเลกุลเรียงกัน (tripet code) ตามลำดับใน mRNA เป็น 1 รหัส
เรียกว่าโคดอน (codon) แต่ละโคดอนสื่อความหมายสำหรับกรดอะมิโน 1 ชนิด ลำดับเบสของ tRNA ที่เข้าคู่กับลำดับเบสของโคดอนใน mRNA เรียกว่า แอนติโคดอน (anticodon) สิ่งมีชีวิตทุกชนิดใช้รหัสเหล่านี้แปลความหมายจาก mRNA เป็นกรดอะมิโนเหมือน ๆ กัน

รหัสพันธุกรรมมีความเป็นสากล
          ลำดับนิวคลีโอไทด์ของ mRNA ทำหน้าที่กำหนดชนิดและ ลำดับของกรดอะมิโนในสายพอลิเพปไทด์ที่สังเคราะห์ขึ้น ลำดับนิวคลีโอไทด์ของ mRNA จะถอดรหัสพันธุกรรมจาก DNA และ ลำดับนิวคลีโอไทด์ของ mRNA ทำหน้าที่เป็นรหัสพันธุกรรม สำหรับกรดอะมิโนทความแตกต่างของนิวคลีไทด์มาจากชนิดของเบสที่เป็นองค์ประกอบในโมเลกุล ดังนั้นลำดับนิวคลีโอไทด์ในสาย DNA และ RNA จึงอาจเรียกแทนด้วยลำดับเบส

การแปลรหัส Translation

          สิ่งมีชีวิตเมื่อมีการถอดรหัสจาก DNA ได้เป็น mRNA ซึ่งจะนำรหัสพันธุกรรมไปสู่การสังเคราะห์โปรตีน โดยการทำงานของไรโบโซมในไซโทพลาสซึมร่วมกับ tRNA ที่ทำหน้าที่นำกรดอะมิโนมาเรียงต่อกัน ตามรหัสพันธุกรรมของ mRNA ได้เป็นสายพอลิเพปไทด์ เรียกกระบวนการนี้ว่า การแปลรหัส หรือ ทรานสเลชัน( translation) หรือกระบวนการสังเคราะห์โปรตีนไรโบโซมจะเคลื่อนที่ไปบน mRNA จากปลาย 5 ‘ ไปยังปลาย 3 ‘

          การแปลรหัสจะเริ่มที่โคดอนที่เป็นรหัสเริ่มต้น(AUG) แล้วดำเนินไปทีละโคดอนตามลำดับ โดยมี tRNA และไรโบโซมทำหน้าที่ในกระบวนการแปลรหัส โมเลกุลของ tRNA มีแอนติโคดอนที่จะเข้าคู่กับโคดอนของ mRNA โดย tRNA 1 โมเลกุล นำกรดอะมิโนได้ 1 โมเลกุลที่จำเพาะกัน

ขั้นตอนการสังเคราะห์โปรตีนในสิ่งมีชีวิตพวกโพคาริโอต

1. กระบวนการเริ่มต้น

          ไรโบโซมหน่วยย่อยขนาดเล็ก และปัจจัยเริ่มต้น ซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยามาจับกับ mRNA กรดอะมิโนเมไทโอนีนที่มีหมู่ฟอร์มิลที่ปลายสุด(N-formylmetthionine: f-met) เป็นกรดอะมิโนตัวแรกที่ tRNA นำมายังรหัสหรือโคดอนเริ่มต้น AUG ของ mRNA

          ไรโบโซมหน่วยย่อยขนาดใหญ่จะเข้ามาประกบกับไรโบโซมหน่วยย่อยขนาดเล็ก จึงทำให้ไรโบโซมพร้อมจะทำหน้าที่ต่อไป

2. กระบวนการต่อสาย
          tRNA โมเลกุลที่ 2 ที่มีแอนติโคดอนเข้าคู่กับโคดอนถัดไปของ mRNA นำกรดอะมิโนตัวที่ 2 เข้ามาเรียงต่อกับ
กรดอะมิโนตัวแรกแล้วสร้างพันธะเพปไทด์เชื่อมระหว่างกรดอะมิโนทั้งสองไรโบโซมจะเคลื่อนที่ไปยังโคดอนถัดไปในทิศทางจาก 5 ‘ ไป 3 ‘ tRNA โมเลกุลแรกจะหลุดออกไป tRNA โมเลกุลที่ 3 ที่มีแอนติโคดอนเข้าคู่กับโคดอนลำดับถัดไปนำกรดอะมิโนตัวที่ 3 เข้าจับกับ mRNA ตรงโคดอนที่ว่าง แล้วสร้างพันธะเพปไทด์ระหว่างกรดอะมิโนตัวที่ 2 กับกรดอะมิโนตัวที่ 3

          ไรโบโซมจะเคลื่อนที่ต่อไปทีละโคดอนตามลำดับและกระบวนการต่างๆ จะดำเนินต่อไปเช่นเดียวกันแล้วข้างต้นจะได้สายที่มีกรดอะมิโนต่อกันเป็นสายยาวเรียกว่า พอลิเพปไทด์

          tRNA  โมเลกุลที่ 3 ที่มีแอนติโคดอนเข้าคู่กับโคดอนลำดับถัดไป นำกรดอะมิโนตัวที่ 3 เข้าจับกับ  mRNA  ตรงโคดอนที่ว่าง แล้วสร้างพันธะเพปไทด์ระหว่างกรดอะมิโนตัวที่ 2 กับกรดอะมิโนตัวที่ 3

          ไรโบโซมจะเคลื่อนที่ต่อไปทีละโคดอนตามลำดับและกระบวนการต่างๆ จะดำเนินต่อไปเช่นเดียวกัน  แล้วข้างต้น จะได้สายที่มีกรดอะมิโนต่อกันเป็นสายยาวเรียกว่า พอลิเพปไทด์

3. กระบวนการสิ้นสุดการสังเคราะห์

          เมื่อไรโบโซมเคลื่อนที่ต่อไปบน mRNA จนพบกับโคดอนยุติการสร้าง ได้แก่ UAA UAG และ UGA รหัสใดรหัสหนึ่ง จะไม่มี tRNA เข้ามาจับกับรหัสหยุด ทำให้หยุดการแปลรหัส พอลิเพปไทด์ที่ยึดกับ tRNA ตัวสุดท้ายจะถูกตัดออกไปและแยกออกจากกัน ไรโบโซมหน่วยย่อยขนาดเล็กและหน่วยย่อยขนาดใหญ่จะแยกออกจากกัน และ mRNA จะหลุดออกจากไรโบโซม

          การสังเคราะห์โปรตีนในสิ่งมีชีวิตพวกยูคาริโอต จะมีกระบวนการถอดรหัสภายในนิวเคลียส mRNA จะออกจากนิวเคลียส แล้วจึงมีการแปลรหัสในไซโทพลาสซึม ส่วนในสิ่งมีชีวิตพวกโพคาริโอต กระบวนการถอดรหัสและกระบวนการแปลรหัสสามารถเกิดได้ต่อเนื่องกันโดยที่ mRNA ที่สังเคราะห์มาจาก DNA จะถูกนำไปแปลรหัสทันทีทั้ง ๆ ที่กระบวนการถอดรหัสยังไม่สิ้นสุด

          กระบวนการสังเคราะห์โปรตีนส่วนใหญ่จะมีการแปลรหัสโดยไรโบโซมหลายโมเลกุลที่อยู่บน mRNA สายเดียวกันไรโบโซ มแต่ละโมเลกุลจะสังเคราะห์พอลิเพปไทด์ที่สมบูรณ์และเกิดขึ้นพร้อมๆกันเรียก mRNA ที่มีไรโบโซมหลายๆ อันที่กำลังแปลรหัสอยู่บน mRNA นี้ว่า พอลิโซม (polysome) หรือ พอลิไรโบโซม(polyribosome)

          สายพอลิเพปไทด์ที่สังเคราะห์ได้หลังจากการแปลรหัสสิ้นสุดจะมีการเปลี่ยนแปลงบางอย่าง ทำให้มีการจัดรูปร่างและการเข้าจับกับพอลิเพปไทด์ เพื่อให้ได้โปรตีนที่มีความเหมาะสมและพร้อมที่จะทำงานได้

บทบาทและหน้าที่ของโปรตีน

• ทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบของโครงสร้าง เช่น คอลลาเจน และเคอราทินในสัตว์ โปรตีน ที่ผนังเซลล์ของพืช และโปรตีนที่ผนังเซลล์ของพืช และโปรตีนที่เป็นองค์ประกอบของไรโบโซม
• ทำหน้าที่เกี่ยวกับการเคลื่อนไหว เช่น แอกทินและไมโอซินในกล้ามเนื้อของคน ทูบูลินซึ่งมีบทบาทในการเคลื่อนไหวของซิเลียหรือแฟลเจลลาในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว
• ทำหน้าที่ในระบบคุ้มกัน เช่น อิมมูโนโกลบูลิน ( immunoglobulin) ในสัตว์ ซิสเทมิน( systemin) และโปรตีนเนสอินฮิบิเตอร์(protenase inhibitor) ในพืชทำหน้าที่ควบคุมปฏิกิริยาต่างๆ ในสิ่งมีชีวิต เช่น เอนไซม์ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง และเอนไซม์ในกระบวนการสลายสารอาหาร เป็นต้น
• ทำหน้าที่ในการติดต่อสื่อสารระหว่างเซลล์ชนิดต่างๆ เช่น ฮอร์โมนต่างๆ เป็นต้น

          DNA เกี่ยวข้องกับการแสดงลักษณะของสิ่งมีชีวิต ซึ่งความสำคัญของ DNA คือเป็นแหล่งข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตแล้วถ่ายทอด ข้อมูลให้กับ RNA และแปลรหัสจาก RNAเป็นกรดอะมิโน ในที่สุด DNA ควบคุมการสังเคราะห์โปรตีนได้เป็นโปรตีนโครงสร้างโปรตีนที่เป็นเอนไซม์และสารอื่นๆ อยู่ภายในเซลล์ มีผลทำให้เซลล์และสิ่งมีชีวิตปรากฎลักษณะต่างๆ ได้

การถอดรหัสเพื่อสังเคราะห์ RNA (DNA transcription)