เมื่อ วอตสัน (James Watson) และคริก (Francis Crick) ค้นพบโครงสร้างทางเคมีของ DNA แล้ว ขั้นตอนต่อไปก็คือ การพิสูจน์และตรวจสอบว่าโครงสร้างของ DNA นี้ มีสมบัติเพียงพอที่จะเป็นสารพันธุกรรมได้หรือไม่ ซึ่งการที่จะเป็นสารพันธุกรรมได้นั้น ย่อมต้องมีสมบัติสำคัญ คือ ต้องสามารถเพิ่มจำนวนตัวเองได้โดยมีลักษณะเหมือนเดิม เพื่อให้สามารถถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมจากรุ่นพ่อแม่ไปยังรุ่นลูกได้ ต้องสามารถควบคุมให้เซลล์สังเคราะห์สารต่างๆ เพื่อแสดงลักษณะทางพันธุกรรมให้ปรากฏ และต้องสามารถเปลี่ยนแปลงได้บ้าง ซึ่งการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นอาจก่อให้เกิดลักษณะพันธุกรรมที่ผิดแปลกไปจากเดิม และเป็นช่องทางให้เกิดสิ่งมีชีวิตสปีชีส์ใหม่ๆขึ้น

การสังเคราะห์ DNA (DNA replication)

ในปี พ.ศ. 2496 วอตสันและคริกได้พิมพ์บทความพยากรณ์การจำลองตัวของ DNA ว่า ในการจำลองตัวของ DNA พอลินิวครีโอไทด์ 2 สายจะแยกออกจากกันเหมือนการรูดซิบ โดยการสลายพันธะไฮโดเจนระหว่างเบส A กับ T และเบส C กับ G ทีละคู่

พอลินิวคลีโอไทด์แต่ละสายทำหน้าที่เป็นแม่พิมพ์สำหรับการสร้างสายใหม่ มีการนำนิวคลีโอไทด์อิสระที่อยู่ในเซลล์เข้ามาจับกับพอลินิวคลีโอไทด์สายเดิม โดยเบส A จับกับ T และเบส C จับกับ G หมู่ฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์อิสระจะจับกับน้ำตาลดีออสซีไรโบสของ DNA

วิธีนี้เรียกว่า การสังเคราะห์ DNA ทำให้มีการเพิ่มโมเลกุลของ DNA จาก 1 โมเลกุลเป็น 2 โมเลกุล DNA แต่ละโมเลกุลมีพอลินิวคลีโอไทด์สายเดิม 1 สาย และสายใหม่มา 1 สาย จึงเรียกการจำลองลักษณะนี้ว่า เป็นแบบกึ่งอนุรักษ์ (semiconservative replication)

อาร์เธอร์ คอนเบิร์ก (Arthur Kornberg) นักเคมีชาวอเมริกัน เป็นคนแรกที่สามารถสังเคราะห์โมเลกุลของ DNA ในหลอดทดลองได้สำเร็จ โดยนำเอ็นไซม์ DNA พอลิเมอเรส (DNA polymerase) ซึงสกัดจากแบคทีเรีย E. coli ใส่ในหลอดทดลอง ที่มีสารประกอบที่จำเป็นต่อการสังเคราะห์ครบสมบูรณ์ ได้แก่ DNA แม่พิมพ์ นิวคลีโอไทด์ 4 ชนิด คือ นิวคลีโอไทด็ที่มีเบส A นิวคลีโอไทด์ที่มีเบส T นิวคลีโอไทด์ที่มีเบส C และนิวคลีโอไทด์ที่มีเบส G และเอนไซม์ DNA พอลิเมอเรส ซึ่งทำหน้าที่เชื่อมนิวคลีโอไทด์ให้ต่อกันกลายเป็นสายยาว โดยมีทิศทางการสังเคราะห์สาย DNA สายใหม่ จากปลาย 5 ไปยังปลาย 3

ตารางแสดงอัตราส่วนของเบสใน DNA ที่สังเคราะห์ได้ในหลอดทดลองและ DNA แม่พิมพ์

จากผลการทดลองพบว่า DNA ที่สังเคราะห์ได้ในหลอดทดลอง มีอัตราส่วนของเบส A+T ต่อ C+G แทบจะกล่าวได้ว่าเท่ากัน อัตราส่วนดังกล่าวนี้ไม่ได้เป็นความบังเอิญ เพราะจากผลการทดลองเป็นเช่นนี้เสมอไม่ว่าจะได้ DNA ของสิ่งมีชีวิตชนิดใดเป็นแม่พิมพ์ก็ตามใช่

การค้นพบเอนไซม์ที่ใช้ในการเชื่อมนิวคลีโอไทด์เข้าด้วยกัน นับว่ามีความสำคัญอย่างยิ่งในประวัติศาสตร์ของวิชาพันธุศาสตร์ โดยเฉพาะการพบว่าการสังเคราะห์ DNA สามารถเกิดขึ้นได้ในหลอดทดลองโดยไม่จำเป็นต้องเกดขึ้นในเซลล์เท่านั้น และ DNA มีกระบวนการจำลองตัว เป็นไปแบบกึ่งอนุรักษ์ จากความรู้ที่ว่าการสังเคราะห์พอลินิวคลีโอไทด์ สายใหม่จะต้องสร้างในทิศ 5 ไป 3 เสมอ

เครื่องมือที่ใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ DNA (DNA replication) 

- DNA แม่พิมพ์ (DNA template)
- นิวคลีโอไทด์อิสระชนิดเบส A T C G
- เอนไซม์ DNA polymerase ใช้สร้าง DNA สายใหม่
- เอนไซม์ helicase ใช้แยก DNA ต้นแบบที่พันเป็นเกลียวให้เป็นสายเดี่ยว
- เอนไซม์ topoisomerase คลายปมเหนือจุดแยก ป้องกัน DNA เสียหาย
- เอนไซม์ DNA primase สร้าง RNA primer เป็นจุดเริ่มต้นการสร้าง DNA
- เอนไซม์ ligase เชื่อม DNA สายฝั่งแลกกิงสแตรนด์ (Lagging strand)

สรุปการสังเคราะห์ DNA (DNA replication)

1. พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายของ DNA ต้นแบบที่พันเป็นเกลียวนั้น คลายเกลียวออกจากกันเป็น 2 สายเดี่ยว

2. แต่ละสายที่คลายเกลียวจะทำหน้าที่เป็นแม่พิมพ์ ควบคุมการเรียงตัวของนิวคลีโอไทด์ชุดใหม่ โดยลำดับเบสในนิวคลีโอไทด์ที่เป็นแม่พิมพ์จะกำหนดลำดับเบสใน DNA สายใหม่

3. การจับคู่ของเบสเป็นไปตามกฎของเบสคู่สม คือ A คู่ T และ C คู่ G

4. การเรียงตัวของนิวคลีโอไทด์ใหม่มีการจับคู่ของเบส กับเบสนิวคลีโอไทด์ของสายแม่พิมพ์ด้วยพันธะไฮโดรเจน

5. นิวคลีโอไทด์ใหม่เชื่อมติดกันด้วยพันธะฟอสฟไดเอสเทอร์ โดยเริ่มจากปลาย 5 ไปปลาย 3

6. จะได้ DNA สายใหม่เกิดขึ้น 2 โมเลกุล แต่ละโมเลกุลประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์เดิม 1 สาย และพอลินิวคลีโอไทด์ใหม่ 1 สาย เรียกการจำลองลักษณะว่า แบบกึ่งอนุรักษ์ (semiconservative replication) 

จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ พบว่าการสังเคราะห์ DNA สายใหม่ 2 สาย มีส่วนแตกต่างกันคือ สายหนึ่งจะสร้างต่อเนื่องกันเป็นสายยาว เรียกสายนี้ว่า ลีดดิงสแตรนด์ (leading strand) ส่วนสายใหม่อีกสายหนึ่งไม่สามารถสร้างต่อกันเป็นสายยาวได้เหมือนสายแรก เนื่องจากทิศทางการสร้างจากปลาย 5 ไปยังปลาย 3 นั้น สวนทางกับทิศทางคลายเกลียวของ DNA โมเลกุลเดิม จึงสร้างพอลินิวคลีโอไทด์สายสั้นๆ ที่มีทิศทางจาก 5 ไป 3 จากนั้น เอนไซม์ไลเกส จะเชื่อมต่อสายสั้นๆ เหล่านี้ให้เป็นสายเดียวกัน เรียกว่า สายแลกกิงสแตรนด์ (lagging strand) หรือ โอกาซากิแฟรกเมนต์ (Okazaki fragment)

การควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมโดย DNA

โปรตีนเป็นสารอินทรีย์ มีหลายชนิด มีบทบาทในการแสดงลักษณะเฉพาะของเชลล์ได้ เช่น เชลล์กล้ามเนื้อมีโปตีนแอกทินและไมโอซิน เซลล์เม็ดเลือดแดงมีมีโปรตีนฮีโมโกลบิน นอกจากนี้ เอนไซม์ทุกชนิดที่ช่วยให้เกิดการเกิดปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ภายในเซลล์ก็เป็นโปรตีนด้วย เช่น ปฏิกิริยาสังเคราะห์สารและสลายสารต่างๆ ต้องอาศัยเอ็นไซม์ จึงอาจกล่าวได้ว่าโปตีนเกี่ยวข้องกับการแสดงทางพันธุกรรม และการดำรงชีวิตทั้งโยทางตรงและทางอ้อม 

นอกจาก DNA ที่เป็นกรดนิวคลีอิกแล้ว ก็ยังมี RNA (ribonucleic acid) ที่เป็นกรดนิวคลีอิกเช่นเดียวกัน ซึ่ง RNA มีลักษณะเป็นพอลิเมอร์สายยาวของนิวคลีโอไทด์ ที่เชื่อมต่อด้วยพันธะโคเวเลนซ์ระหว่างหมู่ฟอสเฟต และหมู่ไฮดรอกซิลของโมเลกุลน้ำตาล เช่นเดียวกับโมเลกุลของ DNA แต่ RNA แตกต่างจาก DNA ตรงที่น้ำตาลเพนโทสที่ประกอบขึ้นเป็น RNA นั้น เป็นน้ำตาลไรโบส (ribose) แทนน้ำตาลดีออกซีไรโบส และจะไม่พบเบสไทมีน (T) เป็นองค์ประกอบ แต่จะมีเบสยูลาซิว (U) แทน

RNA มีทั้งหมด 3 ชนิด ได้แก่

1. mRNA (messenger RNA) เป็นตัวถ่ายทอดข้อมูลทางพันธุกรรมจาก DNA ออกมานอกนิวเคลียสเพื่อสังเคราะห์โปรตีน

2. tRNA (transfer RNA) ช่วยนำกรดอะมิโนมาเรียงร้อยต่อกันเป็นโปรตีน

3. rRNA (ribosomal RNA) เป็นองค์ประกอบที่สำคัญของไรโบโซมที่ใช้ในการสังเคราะห์โปรตีน

สิ่งมีชีวิตพวกยูคาริโอตมี DNA อยู่ภายในนิวเคลียส แต่การสังเคราะห์โปรตีนเกิดในไซโทพลาสซึม โดยเฉพาะบริเวณที่มีเอ็นโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบผิวขรุขระ

จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์พบว่า ข้อมูลทางพันธุกรรมใน DNA ได้ส่งไปยังการสังเคราะห์โปรตีนโดยตรง แต่จะมีตัวแทนทำหน้าที่เป็นสื่อกลาง นักวิทยาศาสตร์ได้มีข้อเสนอว่า RNA เป็นตัวกลางที่อยู่ระหว่าง DNA กับไรโบโชรมตาม สมมุติฐาน RNA เป็นตัวกลางนี้ถือว่า mRNA (messenger RNA) จะเป็นข้อมูลทางพันธุกรรมจาก DNA ไปยังไรโบโซม โดยกระบวนการสังเคราะห์โปรตีนประกอบด้วย

- กระบวนการถอดรหัส (transcription) คือ สังเคราะห์ mRNA จาก DNA แม่พิมพ์ เกิดในนิวเคลียส

- กระบวนการแปลรหัส (translation) การสังเคราะห์กรดอะมิโนเกิดในไซโทพลาซึม

การสังเคราะห์ RNA หรือเรียกว่า กระบวนการถอดรหัส (transcription) โดยมี DNA เป็นแม่พิมพ์ จะคล้ายกับการสังเคราะห์ DNA แต่การสังเคราะห์ RNA จะใช้ DNA เพียงสายเดียวเป็นแม่พิมพ์ และใช้เอนไซม์ RNA polymerase และไรโบนิวคลีโอไทด์ 4 ชนิด คือ A U C G

ขั้นตอนกระบวนการถอดรหัส (transcription)

1. ขั้นเริ่มต้น เอนไซม์ RNA polymerase จะเข้าไปจับกับ DNA ตรงบริเวณที่จะสังเคราะห์ RNA ทำให้พันธะไฮโดเจนระหว่างคู่เบสสลาย พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายของ DNA จะคลายเกลียวแยกออกจากกัน โดยมีสายใดสายหนึ่งเป็นแม่พิมพ์

2. ขั้นการต่อสายยาว ไรโบนิวคลีโอไทด์ที่มีเบสที่เข้าคู่กับนิวคลีโอไทด์ของ DNA สายแม่พิมพ์ คือ เบส C เข้าคู่กับ G และเบส U เข้าคู่กับ A จะเข้ามาจับกับนิวคลีโอไทด์ของ DNA แม่พิมพ์ เอนไชม์ RNA polymerase จะเชื่อมไรโบนิวคลีโอไทด์อิสระมาต่อกันเป็นสายยาว โดยมีทิศทางการสังเคราะห์สาย RNA จากปลาย 5 ไปยังปลาย 3 และกาวสร้างสาย RNA นั้น จะเรียงสลับกับทิศสาย DNA ที่เป็นแม่พิมพ์

3. ขั้นสิ้นสุด เอนไซม์ RNA polymerase หยุดทำงาน และแยกตัวออกจาก DNA สายแม่พิมพ์สาย RNA ที่สังเคราะห์ได้จะแยกออกจาก DNA ไปยังไซโทพลาสซึม ส่วน DNA 2 สายจะจับคู่กันและบิดเป็นเกลียวเหมือนเดิม

หลังจากที่ได้ mRNA ที่ถอดรหัสพันธุกรรมมาจาก DNA แล้ว mRNA จะเดินทางออกมาที่ไซโทพลาซึมเพื่อเข้าสู่กระบวนการแปลรหัส (translation) เพื่อสังเคราะห์กรดอะมิโนต่อไป

รหัสพันธุกรรม (genetic code) 1 รหัส คือ กลุ่มของลำดับเบส 3 ลำดับที่เรียงติดต่อกันภายในโมเลกุล mRNA เรียกรหัสพันธุกรรมว่า โคดอน (codon หรือ triplet code) โดยแต่ละรหัสพันธุกรรมจะเฉพาะเจาะจงกับกรดอะมิโนแต่ละชนิด เนื่องจากโมเลกุล mRNA ประกอบด้วย เบส 4 ชนิด คือ A U G และ C และในแต่ละรหัสพันธุกรรมประกอบด้วยเบส 3 ลำดับ ดังนั้น จำนวนของรหัสพันธุกรรมทั้งหมดจะเท่ากับ 43 หรือ 64 รหัส

รหัสพันธุกรรมมีคุณลักษณะดังนี้

1. รหัสพันธุกรรม 1 รหัส ประกอบด้วยลำดับเบส 3 ตัว เรียงติดต่อกันบนสาย mRNA 

2. รหัสพันธุกรรม ไม่มีการเว้น (comma less) โดยที่ไรโบโซมจะอ่านรหัสพันธุกรรมอย่างต่อ เนื่องครั้งละ 3 นิวคลีโอไทด์ โดยไม่มีการเว้นหรือข้ามนิวคลีโอไทด์ระหว่างรหัส

3. รหัสพันธุกรรมไม่มีการเหลื่อมซ้อนกัน (non overlapping) ในกระบวนแปลรหัสพบว่า รหัสพันธุกรรมจะถูกอ่านเรียงต่อกันอย่างเป็นลำดับ ลำดับละ 3 เบสนับตั้งแต่จุดเริ่มต้น โดยไม่มีการอ่านการเหลื่อมซ้อนกันของเบสที่อยู่ต่างรหัสพันธุกรรมกัน

4. มีรหัสพันธุกรรมมากกว่า 1 รหัสที่กำหนดกรดอะมิโนชนิดเดียวกัน เรียกรหัสเหล่านี้ว่า degenerate code เช่น กรดอะมิโน leucine มีรหัสพันธุกรรม 6 รหัส ได้แก่ CUU CUC CUA CUG UUA และ UUG 

5. รหัสพันธุกรรม 3 รหัส คือ UAA (ochre), UAG (amber) และ UGA (opal) เป็นรหัสหยุดการสังเคราะห์โปรตีน (stop codon) รหัสเหล่านี้ช่วยให้เกิดการสิ้นสุดการสังเคราะห์โปรตีน คือไม่สามารถแปลรหัสออกมาเป็นกรดอะมิโนได้

6. รหัสพันธุกรรมส่วนใหญ่เป็นสากล (universal codon) คือ รหัสพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตเกือบทั้งหมดจะเหมือนกัน ยกเว้นรหัสพันธุกรรมที่พบในไมโตคอนเดรียของสิ่งมีชีวิตชั้นสูงบางชนิด 

7. รหัสพันธุกรรม 1 รหัสสามารถกำหนดให้เป็นกรดอะมิโนได้มากกว่า 1 ชนิด เรียกว่า ambiguous code โดยความจริงแล้วยังไม่สามารถบ่งชี้ได้แน่ชัด 

ขั้นตอนกระบวนการแปลรหัส (translation)

เป็นขั้นตอนการแปลรหัสที่อยู่บน mRNA ให้เป็นกรดอะมิโนแต่ละชนิดจนได้โปรตีน โดยอาศัยความร่วมมือกันของ tRNA และ rRNA การแปลรหัสในเส้น mRNA จะเริ่มจากปลาย 5 ไปยังปลาย 3 เสมอ ขั้นตอนนี้จะเกิดขึ้นในไซโทพลาสซึมของเซลล์ โดยแบ่งออกเป็นขั้นตอนย่อยๆ ดังนี้

1. ขั้นเริ่มต้น (initiation) ไรโบโซมหน่วยย่อยขนาดเล็ก (small subunit) และปัจจัยเริ่มต้นซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยากับ mRNA กรดอะมิโนเมไทโอนีนที่มีหมู่ฟอร์มิลที่ปลายสุด เป็นกรดอะมิโนตัวแรกที่ tRNA นำมายังรหัสหรือโคดอนเริ่มต้น AUG ทางปลาย 5 ของ mRNA ไรโบโซมหน่วยย่อยขนาดใหญ่จะเข้าประกบกับไรโบโซมหน่วยย่อยขนาดเล็ก จึงทำให้เกิดเป็นไรโบโซมสมบูรณ์พร้อมจะทำหน้าที่ต่อไป

2. ขั้นต่อให้ยาว (elongation) tRNA โมเลกุลที่ 2 ที่มี anticodon เข้าคู่กับ codon ถัดไปของ mRNA นำกรดอะมิโนตัวที่ 2 เข้ามาเชื่อมกับกรดอะมิโนตัวแรก แล้วสร้างพันธะเพปไทด์ ไรโบโซมจะเคลื่อนที่ไปยังโคดอนถัดไปในทิศทางจาก 5 ไป 3

tRNA โมเลกุลแรกจะหลุดออกไป tRNAโมเลกุลที่ 3 ที่มี anticodon เข้าคู่กับ codon ลำดับถัดไป นำกรดอะมิโนตัวที่ 3 เข้าจับกับ mRNA ตรง codon ที่ว่าง แล้วสร้างพันธะเพปไทด์ระหว่างกรดอะมิโนตัวที่ 2 กับกรดอะมิโนตัวที่ 3 ได้เป็นไตรเพปไทด์

ไรโบโซมจะเคลื่อนที่ต่อไปทีละ codon ตามลำดับและกระบวนการต่างๆ จะดำเนินต่อไปเช่นเดียวกับที่กล่าวมาข้างต้น จะได้สายที่มีกรดอะโนต่อกันเป็นสายยาวเรียกว่าพอลิเพปไทด์ (polypeptide)

3. กระบวนการสิ้นสุดการสังเคราะห์ (termination) เมื่อไรโบโซมเคลื่อนที่ต่อไปบน mRNA พบกับ stop codon จะยุติการสร้าง ได้แก่ UAA UAG UGA รหัสใดรหัสหนึ่ง จะไม่มี tRNA เข้ามาจับกับรหัสหยุด ทำให้หยุดการแปลรหัส 3 พอลิเพปไทด์จับกับ tRNA ตัวสุดท้ายจะถูกตัดออกและแยกออกจากกันไป ไรโบโซมหน่วยย่อยขนาดเล็ก และหน่วยย่อยขนาดใหญ่ จะแยกออกจากกัน และ mRNA จะหลุดออกจากไรโบโซม ทำให้การสังเคราะห์โปรตีนสิ้นสุดลง

พัดชา วิจิตรวงศ์