Slide 1

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 2

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 3

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 4

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 5

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 6

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 7

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 8

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 9

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 10

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 11

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 12

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 13

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 14

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 15

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 16

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 17

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 18

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 19

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 20

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 21

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 22

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 23

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 24

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 25

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 26

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 27

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 28

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 29

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 30

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 31

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 32

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 33

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 34

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 35

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 36

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 37

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 38

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 39

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 40

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 41

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 42

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 43

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 44

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 45

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 46

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 47

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 48

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน


Slide 49

The Molecular Basis of Inheritance

The structure of
DNA strand
DNA คือสาย polynucleotide
โดยมี nucleotide ซึง่ เป็ นหน่วย
ย่อยมาต่อกัน ในแต่ละ
nucleotide มี nitrogenous
base (T,A,C,G), sugar
deoxyribose และ phosphate
group Phosphate group ของ
nucleotide หนึง่ จะต่อกับ sugar
ของอีก nucleotide หนึง่ เป็ น
backbone

The double helix

โครงสร้ างของ DNA เป็ นสาย polynucleotide 2 สายมาพันกันเป็ นเกลียวในทิศตามเข็ม
นาฬิกา ตาม model ของ Watson & Crick มีเส้ นผ่าศูนย์กลางเป็ น 2 nm คู่ baseจะอยูห่ า่ ง
กันประมาณ 0.34 nm ดังนัน้ 1 รอบของการหมุน 360 o มีความยาว 3.4 nm มี 10 คู่

Base pairing in
DNA
Base ของทัง้ 2 สาย
polynocleotide จะยึดกัน
ด้ วย H-bond และจับคูก่ นั
อย่างเฉพาะเจาะจง คือ A
กับ T ด้ วย 2 H-bond และ
G กับ C ด้ วย 3 H-bond

DNA replication: semiconservative model
PARENT CELL

FIRST
REPLICATION

SECOND
REPLICATION

DNA replication เป็ น
กระบวนการเพิ่มจานวน
โมเลกุล DNA โดยแบบที่
เรี ยกว่า semiconservative
model กล่าวคือ
polynucleotide 2 สายแยก
ออกจากกัน ทาหน้ าที่เป็ น
แม่พิมพ์ในการสังเคราะห์สาย
ใหม่ ผลที่ได้ จะได้ DNA 2
โมเลกุลที่เหมือนกันและ
เหมือนเดิม คือสายหนึง่ เป็ น
สายเดิม และอีกสายหนึง่ เป็ น
สายใหม่

Origins of replication
(b)

(a)

Orgins of replication (จุดเริ่มต้ นของการจาลองตัวเอง)
(a) การจาลองตัวเองของ DNA จะเริ่มต้ นที่บริเวณ
เฉพาะที่สายคู่ของ DNA คลายออก เป็ นส่ วนที่เรียกว่ า bubble ใน
พวก eukaryote จะมีตาแหน่ งของ bubble นับเป็ นจานวนร้ อย
หรือพันตลอดสาย DNA ส่ วน bubble นีจ้ ะยืดยาวออก ขณะที่มี
การสร้ าง DNA ทัง้ 2 ทิศทาง ในที่สุด bubble จะพบกัน (รูปกลาง)
และมีการจาลอง DNA สายใหม่ เรียบร้ อยแล้ ว (รูปล่ าง)
(b) รูป TEM แสดง bubble ของสาย DNA ลูกศรคือทิศ
ทางการจาลองตัวเองของ DNA ที่ปลายทัง้ 2 ข้ างของ bubble

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand

Incorporation of a nucleotide into a DNA strand
การเพิ่มโมเลกุลของ nucleotide ที่สาย DNA โดย
nucleoside triphosphate จะเชื่อมต่ อกับ 3’ –OH ของโมเลกุล
นา้ ตาลของสาย DNA ที่กาลังสร้ าง โดยปล่ อย Phosphate 2
โมเลกุล ในรูปของ Pyrophosphate ออกไป

The two strands
of DNA are
antiparallel
สายทัง้ 2 ของ
polynucleotide จะ
ขนานกัน และมีทิศทาง
ตรงกันข้ าม โดยสาย
หนึง่ จะมีทิศจาก 5’ ไป
3’ ส่วนอีกสายหนึง่ จะมี
ทิศทางจาก 3’ ไป 5’
โดยที่ปลาย 5’ มีหมู่
phosphate และที่
ปลาย 3’ มีหมู่ OH

DNA replication

DNA replication (การสร้ างถอดแบบจาลอง DNA)
1. เอนไซม์ Helicase ช่วยคลายเกลียว DNA ตรงจุดที่มีการถอดแบบ
2. Single Strand Binding Proteins ช่วยทาให้ DNA สายเดี่ยวที่เพิ่งแยก
ออกมีความมัน่ คงดี
3. DNA สาย Leading strand ถูกสร้ างขึ ้นอย่างต่อเนื่อง ในทิศทาง 5’ ไป
3’ โดย DNA polymerase
4. DNA สาย Lagging strand ถูกสร้ างขึ ้นเป็ นชิ ้นส่วนสันๆ
้ โดย Primase
สังเคราะห์ RNA primer ซึง่ เป็ นตัวเริ่มต้ นบน DNA สายต้ นแบบตรงจุดแยกนัน้
จากนันการสั
้
งเคราะห์ DNA สายใหม่ช่วงสัน้ (Okazaki fragment) จะเริ่มขึ ้นโดยการ
ทางานของ DNA polymerase
5. เมื่อ Okazaki fragment เกือบชน Okazaki fragment ที่สร้ างขึ ้นก่อนหน้ า
นัน้ RNA primer จะถูกตัดออกไปโดย DNA polymerase อีกตัวหนึง่ แล้ ว DNA
ligase จะเชื่อม Okazaki fragment ให้ ติดกัน เป็ น DNA สายใหม่
แผนภาพสรุ ป DNA Replication แสดงให้ เห็นว่ า เกิดขึน้ ได้ ทัง้ 2 ทิศทาง
พร้ อมๆกัน

From Gene to Protein
One gene – one enzyme hypothesis
Beadle และ Tatum ได้ ศึกษาเพื่อทดสอบสมมุตฐิ านว่ ายีน
หนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง (One gene – one
enzyme hypothesis) โดยศึกษาในราชนิดหนึ่ง (Neurospora crassa) ซึ่ง
มีวงชีวิตส่ วนใหญ่ แบบ haploid (n) ราชนิดนีส้ ามารถเพาะเลีย้ งได้ ใน
หลอดทดทองที่มีสารอาหารอย่ างง่ าย (Minimal medium = MM) ที่มี
สารประกอบได้ แก่ นา้ ตาลซูโคส เกลือแร่ ต่างๆ และวิตามิน รานีใ้ ช้
กระบวนการที่ประกอบด้ วยหลายขัน้ ตอนในการสังเคราะห์ กรดอะมิ
โน arginine จากสารเริ่มต้ น (precursor)

One gene - one enzyme hypothesis

Beadle & Tatum ฉายแสงอุลตราไวโอเลตเพื่อชักนาให้ ราพันธุ์
ปกติ (wide type) เกิด gene mutation และสามารถแยกราพันธุ์ mutant ได้
3 class (class I, II, III) ที่ไม่ สามารถสังเคราะห์ arginine ได้ mutant แต่ ละ
class มีขัน้ ตอนของกระบวนการสังเคราะห์ arginine ที่ถูกยับยัง้ ต่ างกัน (X
ในแผนภาพ) ตัวอย่ างเช่ น class II mutants ไม่ สามารถเติบโตใน
สารอาหารที่เป็ น MM หรื อ MM+ ornithine แต่ ถ้าเติม citrulline หรื อ
arginine จะสามารถเติบโตได้ สรุ ปว่ า Class II mutants ขาดเอนไซม์ ท่ จี ะ
เปลี่ยน ornithine ไปเป็ น citrulline ดังนัน้ การเติม citrulline ในอาหารรา
จะสามารถเติบโตได้ ส่ วน mutants class อื่นขาดเอนไซม์ อ่ ืนดังในภาพ
Beadle และ Tatum สรุ ปว่ า mutants แต่ ละชนิดมีความผิดปกติของยีนที่
ต่ างกัน แต่ ละยีนเป็ นตัวกาหนดเอนไซม์ แต่ ละชนิด ดังนัน้ สนับสนุน
สมมุตฐิ านที่ว่า ยีนหนึ่งทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ เอนไซม์ หนึ่ง

ต่ อมานักวิทยาศาสตร์ พบว่ า สิ่งมีชีวิตทั่วไปมียีนบาง
ยีนที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ โปรตีนที่ไม่ ใช่ เอนไซม์ และโปรตีน
บางชนิดอาจประกอบด้ วยสาย polypeptide มากกว่ า 1 สาย
จากข้ อมูลเหล่ านีจ้ งึ ต้ องปรับสมมุตฐิ านใหม่ เป็ น ยีนหนึ่งทา
หน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ polypeptide สายหนึ่ง (one gene –
one polypeptide hypothesis)

กระบวนการสังเคราะห์ โปรตีน
ในกระบวนการสังเคราะห์ โปรตีนมีขัน้ ตอนหลัก 2 ขัน้ ตอน
ได้ แก่ Transcription (การถอดรหัส) และ Translation (การแปล
รหัส) รหัส DNA ที่เป็ นข้ อมูลทางพันธุกรรมจะถูกถอดแบบออกมา
เป็ นรหัสอีกรูปแบบหนึ่งในโมเลกุล mRNA โดยกระบวนการ
transcription รหัสในโมเลกุล RNA จะถูกแปลความหมายออกมา
ในรูปของกรดอะมิโนในโมเลกุลของโปรตีน ในกระบวนการ
translation ซึ่งเกิดขึน้ บน ribosome

โมเลกุล RNA ทัง้ 3 ชนิดที่จาเป็ นสาหรั บกระบวนการสังเคราะห์ ไปรตีน คือ
1. mRNA เป็ นโมเลกุลขนาดใหญ่ ประกอบด้ วย nucleotide เป็ นจานวนมาก
mRNA สร้ างมาจาก DNA ต้ นแบบสายใดสายหนึง่ โดยการทางานของ RNA
polymerase กระบวนการ transcription คล้ ายกับ กระบวนการ DNA replication คือ
RNA polymerase เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้ นเรื่ อยไปตามลาดับบนสาย DNA ต้ นแบบ
ในขณะเดียวกับที่สาย RNA มี nucleotide เพิ่มขึ ้นจนจบกระบวนการ กลุม่ เบส 3 ตัว
เรี ยงตามลาดับใน mRNA มีความหมายเป็ นสูตรรหัส 1 สูตร (codon) เป็ นตัวกาหนด
กรดอะมิโน 1 ชนิดบนสาย polypeptide
2. tRNA เป็ นโมเลกุลขนาดเล็ก ทาหน้ าที่เป็ นตัวนากรดอะมิโนต่อเข้ าด้ วยกัน
บน ribosome จนเป็ น polypeptide สายยาวตามลาดับของ codon บนสาย mRNA
tRNA แต่ละชนิดมีความจาเพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดด้ วย ซึง่ พบว่ามี tRNA ไม่
น้ อยกว่า 20 ชนิด
3. rRNA เป็ นโมเลกุลขนาดแตกต่างกันออกไป และเป็ นองค์ประกอบร่วมกับ
โปรตีนใน ribosome การสังเคราะห์ของโปรตีนเกิดขึ ้นบน ribosome แต่ยงั ไม่ทราบ
กลไกที่แน่นอนเกี่ยวกับการทางานของ ribosome

The Structure of transfer RNA
(a) แผนภาพโครงสร้ างของ tRNA ที่
ปลายด้ าน 3’ ของ tRNA ทุกชนิด มีเบส
เป็ นอิสระ 3 ตัว คือ ACC ซึ่งเป็ นส่ วนที่
จับกับกรดอะมิโน ส่ วนบริเวณแฉกด้ าน
ตรงกันข้ ามมีเบสเป็ นอิสระ 3 ตัว
เช่ นเดียวกัน เรี ยกว่ า anticodon ซึ่งเป็ น
สูตรรหัสทาหน้ าที่แปลรหัสจาก codon
ในสาย mRNA และแตกต่ างกันแล้ วแต่
ชนิดของ tRNA
(b) ภาพแสดงโครงสร้ าง 3 มิตชิ อง
tRNA
(c) โครงสร้ างอย่ างง่ ายของ tRNA ที่ใช้
อธิบายในรู ปต่ อๆไป

กระบวนการสั งเคราะห์ โปรตีน

(a) แผนภาพแสดงการสังเคราะห์ โปรตีนของ prokaryotic cell ซึ่งไม่ มี
นิวเคลียส โดยกระบวนการ transcription และ translation

(b) แสดงการสังเคราะห์โปรตีนของ
พวก Eukaryotic cell โดย
transcription เกิดขึ ้นในนิวเคลียส
ส่วน translation เกิดขึ ้นในไซโต
พลาสซึม mRNA เคลื่อนออกจาก
นิวเคลียสโดยผ่านทางรูที่เยื่อหุ้ม
นิวเคลียส (nuclear envelope) RNA
เริ่ มแรกที่ถกู ถอดรหัสจาก DNA ที่
เรี ยกว่า pre-mRNA จะถูก
เปลี่ยนเป็ น mRNA ด้ วย
กระบวนการ RNA processing หลาย
ขันตอนก่
้
อนที่จะออกจากนิวเคลียส
รหัสในโมเลกุล mRNA จะถูกแปล
ความหมายออกมาในรูปของกรดอะ
มิโนในโมเลกุลของโปรตีน ใน
กระบวนการ translation ซึง่ เกิดขึ ้น
บน ribosome ในไซโตพลาสซึม

The
triplet
code

The tripet code (สูตรรหัสพันธุกรรมประกอบด้ วยเบส 3
โมเลกุล)
ในแต่ละยีน สาย DNA สายใดสายหนึง่ จะทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบใน
กระบวนการ transcription โดยรหัสของเบสเป็ นแบบเดียวกับการจาลองตัวเองของ
สาย DNA แต่ตา่ งกันที่ เปลี่ยนจาก Thymine (T) เป็ น Uracil (U) ในสาย RNA ใน
ระหว่างกระบวนการ translation กลุม่ เบสทีละ 3 ตัว ซึง่ เรี ยกว่า codon จะเป็ น
ตัวกาหนดชนิดของลาดับกรดอะมิโนบนสาย polypeptide

The
dictionary
of genetic
code

The dictionary of genetic code
แสดงสูตรรหัสพันธุกรรม หรื อ codon ทัง้ 64 สูตรที่มีความหมาย
ต่างๆกันในสาย mRNA แต่ละ codon ประกอบด้ วย เบส 3 โมเลกุลจากเบส
ทังหมด
้
4 ชนิด จึงมี codon ทังหมด
้
64 แบบ (4x4x4) ซึง่ มีจานวนมากเพียงพอ
ในการกาหนดขนิดของกรดอะมิโน 20 ชนิด จะเห็นว่า
1. สูตรรหัสหลายสูตรเป็ นตัวกาหนดกรดอะมิโนตัวเดียวกัน
ตัวอย่างเช่น UUU และ UUC สาหรับ Phenylalanine (Phe)
2. AUG เป็ นสูตรรหัสสาหรับ methionine และเป็ นสูตรรหัสเริ่มต้ นของ
กระบวกการสังเคราะห์ polypeptide
3. UAA, UAG และ UGA เป็ นสูตรรหัสสาหรับเป็ นสัญญาณบอกการ
สิ ้นสุดของกระบวนการ translation

รหัสพันธุกรรมนีส้ ามารถใช้ ได้ กับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ไม่
ว่ าจะเป็ น bacteria, yeast ต้ นไม้ หรือมนุษย์ สิ่งมีชีวิตเหล่ านี ้
จะมีการใช้ รหัส codon เหมือนกันในการกาหนดชนิดของ
กรดอะมิโนเดียวกัน จึงเป็ นหลักฐานที่สาคัญว่ า สิ่งมีชีวิต
ทัง้ หมดบนโลกนีม้ ีวิวัฒนาการจากบรรพบุรุษเดียวกัน

จากการศึกษายีนของ Eukaryotic cell พบว่ า บางยีนมี
แบบแผนถูกแบ่ งแยกเป็ นส่ วนย่ อยๆ ส่ วนย่ อยซึ่งแปลรหัสเป็ น
ข้ อมูลทางพันธุกรรม เรียกว่ า exon และส่ วนย่ อยที่ไม่ มี
ความหมายทางพันธุกรรมที่เรียกว่ า intron exon อยู่สลับกับ
intron เช่ น ยีนสาหรับ b polypeptide ของ hemoglobin
ประกอบด้ วยกรดอะมิโน 146 โมเลกุล ยีนนีถ้ ูกแบ่ งแยกเป็ น
exon 3 หน่ วย และ intron 2 หน่ วย

RNA processing
addition of the 5’ cap and poly (A) tail

กระบวนการ RNA processing เริ่มด้ วยการเพิ่ม guanosine triphosphate เข้ าที่
ปลายด้ าน 5’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วน cap และยังมีการเพิ่ม poly (A) ซึ่งประกอบด้ วย adenine
ถึง 200 โมเลกุลที่ปลายด้ าน 3’ ซึ่งถือว่ าเป็ นส่ วนหาง เข้ าใจว่ าการเพิ่ม cap และ poly
(A) จะช่ วยให้ mRNA มีความมั่นคงยิ่งขึน้

RNA splicing

เป็ นกระบวนการตัดต่ อเพื่อทาให้ ส่วนของ intron ถูกตัดออกจากโมเลกุล
และทาให้ ส่วนที่เป็ น exon เลื่อนเข้ ามาติดกันได้ ถูกต้ องตามลาดับจนได้ เป็ น
mRNA ก่ อนที่จะถูกส่ งออกไปสู่ไซโตพลาสซึม เพื่อทาหน้ าที่เป็ นต้ นแบบในการ
แปลรหัสสาหรั บการสังเคราะห์ โปรตีนต่ อไป

Polyribosome
สาย mRNA สายหนึ่งอาจเป็ นต้ นแบบสาหรับกระบวนการ
translation ได้ หลายครัง้ ทาให้ เกิดสาย polypeptide อย่ างเดียวกัน
จานวนมากมาย ตามความต้ องการของเซลล์ จึงมักพบว่ ามี
ribosome หลายหน่ วยเข้ ามาเป็ นฐานรองรับสาย mRNA พร้ อมๆ
กัน ทาให้ เกิดสภาพ ribosome แถวยาวเรียกว่ า polyribosome ซึ่ง
เป็ นลักษณะเฉพาะของเซลล์ ท่ มี ีการสังเคราะห์ โปรตีนมาก พบได้
ทัง้ prokaryotic และ eukaryotic cell

Polyribosomes

(a) แผนภาพแสดง mRNA พาดอยู่
บน polyribosome

(b) ภาพถ่ าย TEM แสดง polyribosome

Transcription and Translation in Bacteria
ในเซลล์ แบคทีเรียเนื่องจากไม่ มี
เยื่อหุ้มนิวเคลียส พบว่ าปลาย
ข้ างหนึ่งที่เป็ นอิสระคือ ปลาย
ด้ าน 5’ ของ mRNA ที่กาลัง
ถอดรหัสจาก DNA ไปพาดอยู่
บน ribosome เพื่อทาให้ เกิด
กระบวนการแปลรหัสในเวลา
เดียวกัน ในรู ปแสดงสาย DNA
ของ E. coli ที่กาลังถอดรหัสโดย
RNA polymerase และที่ต่อกับ
RNA polymerase คือ สาย
mRNA ที่กาลังถอดรหัสอยู่ ซึ่ง
ได้ ถูกแปลรหัสโดย ribosome
เรียบร้ อยแล้ ว สาย polypeptide
ที่กาลังถูกสังเคราะห์ ขึน้ มองไม่
เห็นจากในรูปนี ้

Transcription
RNA processing

Translation

สรุ ป กระบวนการ transcription และ translation ใน
Eukaryotic cell
1. RNA ถอดรหัสจาก DNA ต้ นแบบ
2. pre-mRNA ถูกตัดต่อและเปลี่ยนแปลงเป็ น mRNA ก่อนที่จะถูกนา
ออกจากนิวเคลียสไปอยูใ่ นไซโตพลาสซึม
3. mRNA ไปติดอยูบ่ น ribosome
4. กรดอะมิโนเกาะติดอยูก่ บั tRNA จาเพาะ โดยการทางานของ
เอนไซม์และ ATP
5. tRNA นากรดอะมิโนต่อกับสาย polypeptide ตาม codon บน
mRNA และเคลื่อนออกไปจาก ribosome เมื่อสิ ้นสุดกระบวนการแล้ ว
สาย polypeptide ถูกแยกออกจาก ribosome

ข้ อสังเกต
1. DNA สามารถถอดรหัสเป็ น RNA ได้ จานวนมาก
2. แต่ ละ mRNA อาจจะแปลรหัสเป็ นโปรตีนได้ จานวน
มาก
3. ยีนบางยีนถอดรหัสเป็ น tRNA และ rRNA

โดยทั่วไป transcription และ translation ของ prokaryotic และ
eukaryotic cell คล้ ายกัน มีข้อแตกต่ างกันคือ มีกระบวนการ
mRNA processing เกิดขึน้ ในนิวเคลียสของ eukaryotic cell

Regulation of metabolic pathway
การควบคุมปฏิกิริยาเคมีใน
กระบวนการเมทาโบลิซมึ ของ
สิ่งมีชีวิต มีกลไกสาคัญ 2 แบบ
ได้ แก่ โดยการลดการสังเคราะห์ให้
น้ อยลง โดยปิ ดการทางานของยีนที่
เกี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์นนั ้
(Regulation of gene expression)
หรื อ โดยการลดหรื อยับยังกิ
้ จกรรม
ของเอนไซม์ทเี่ กี่ยวข้ องอันเป็ นผลทา
ให้ ปฏิกิริยาเคมีลดน้ อยลงหรื อหยุด
ในทันที (Regulation of enzyme
activity) เรี ยกกลไกนี ้ว่า feedback
inhibition ตัวอย่างเช่น การ
สังเคราะห์ tryptophan ในรูป ถ้ ามี
จานวน tryptophan มาก จะมีกลไก
ยับยังโดย
้ (a) หรื อ (b)

Operon
1. Repressible Operon (ระบบการยับยัง้ การปรับควบคุมการ
ทางานของเอนไซม์ )
The trp operon: regulated synthesis of repressible enzymes
Tryptophan หรื อ trp operon ใน E. coli

(a) Operon นีป้ ระกอบด้ วย ยีน 5 ยีน เรียงตัวติดกันตามลาดับคือ trpE, trpD, trpC, trpB และ trpA ยีน
ทัง้ 5 นีอ้ ยู่ภายใต้ การควบคุมของ operator ซึ่งอยู่ตดิ กับ promotor ขณะที่ operon เปิ ด เอนไซม์ RNA
polymerase จะเข้ าไปที่ DNA ตรงตาแหน่ ง promotor นี ้ ซึ่งทาให้ กระบวนการ transcription ดาเนินการ
ต่ อไปได้ ส่ วน regulatory gene อยู่ห่างออกไปจากกลุ่ม operon พอสมควร ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ repressor repressorนีส้ ามารถปิ ด operon โดยเข้ าไปจับที่ operator และขัดขวางการ
ทางานของเอนไซม์ RNA polymerase แต่ repressor protein ที่ถูกสร้ างขึน้ อยู่ในสภาพ inactive และ
อยู่ในสถาพนัน้ ถ้ าไม่ มี tryptophan เมื่อไม่ มี repressor ไปจับที่ operator operon เปิ ด กระบวนการ
transcription เพื่อสังเคราะห์ เอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับการสังเคราะห์ tryptophan จึงดาเนินการต่ อไปได้

(b) เมื่อมี tryptophan มากเพียงพอในเซลล์ tryptophan จะเข้ าไปรวมกับ repressor
เพื่อไปทาหน้ าที่ปิด operon และยับยัง้ กระบวนการ transcription

2. Inducible operon (ระบบการชักนาการสังเคราะห์
เอนไซม์ )
The lac operon : regulated synthesis of inducible enzymes
E. coli ควบคุมกระบวนการเมทาโบลิซมึ ของแลกโตส ด้ วย
เอนไซม์ 3 ชนิด ยีนที่ทาหน้ าที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์เอนไซม์ทงสามนี
ั้
้
รวมอยูใ่ น lac operon ได้ แก่ lacZ ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์
เอนไซม์ b-galactosidase ซึง่ ทาหน้ าที่ยอ่ ยสลาย lactose ให้ เป็ น glucose
และ galactose lacY ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์เอนไซม์ permease
ซึง่ ทาหน้ าที่นา lactose เข้ าไปในเซลล์ lacA ทาหน้ าที่ควบคุมการ
สังเคราะห์ transacetylase ซึง่ มีบทบาทที่ยงั ไม่ทราบแน่ชดั ยีนอีกชุดหนึง่
ได้ แก่ lacI ทาหน้ าที่ควบคุมการสังเคราะห์ lac repressor ซึง่ อยูต่ ิดกับ
lac operon

(a) ในกรณีท่ ีขาด lactose repressor อยู่ในสภาพ active และปิ ด operon โดยไปจับ
กับ operator ทาให้ มีผลยับยัง้ กระบวนการ transcription ของยีนเกี่ยวกับการ
สังเคราะห์ เอนไซม์ ทงั ้ สามชนิดได้

(b) ในกรณีท่ ีมี lactose อยู่ lactose จะถูกเปลี่ยนไปเป็ น allolactose ที่ทาหน้ าที่เป็ น
inducer เข้ าไปจับกับ repressor ทาให้ อยู่ในสภาพ inactive ไม่ ไปจับกับ operator
ซึ่งจะเปิ ดทางให้ RNA polymerase ทาหน้ าที่ transcription ต่ อไปได้

Control of gene expression in eukaryotic cell
นักวิทยาศาสตร์ พบว่ า
กลไกการควบคุมการ
แสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote มีความ
ซับซ้ อนมากกว่ าในพวก
prokaryote การควบคุม
การแสดงออกของยีนใน
พวก eukaryote อาจ
เกิดขึน้ มี่จุดใดจุดหนึ่งใน
ขัน้ ตอนต่ างๆของ
กระบวนการดังนี ้
(ในกรอบสีขาวแสดง
ขัน้ ตอนที่อาจถูกยับยัง้
ได้ )

นอกจากนีย้ ังพบว่ า โปรตีนที่เป็ นส่ วนประกอบของ
โครโมโซมและมีสภาพเป็ นกรด (acidic chromosomal protein)
และโปรตีนในโครโมโซมที่ไม่ ใช่ ฮีสโตน (non-histone
chromosomal protein) ซึ่งอาจรวมกับพวกสเทรอยด์ ฮอร์ โมน
กลายเป็ นสารประกอบเชิงซ้ อนที่มีบทบาทสาคัญในการช่ วย
กระตุ้นกระบวนการ transcription นอกจากนีย้ ังพบว่ าโปรตีนที่
เป็ นกรดนัน้ มีหลายชนิด แต่ ละชนิดพบในแหล่ งเนือ้ เยื่อ
ต่ างๆกัน ซึ่งสัมพันธ์ กับการแสดงออกของยีนต่ างๆที่อยู่ใน
เนือ้ เยื่อแต่ ละชนิด นักวิทยาศาสตร์ หวังว่ ากลไกการควบคุม
การแสดงออกของยีนใน eukaryote จะถูกค้ นพบได้ ในไม่ ช้า

ตัวอย่ างกลไกการควบคุมของยีนในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงที่นักวิทยาศาสตร์ ค้นพบ
ได้ แก่ ระบบการสร้ างภูมคิ ้ ุมกัน
ในสิ่งมีชีวติ ชัน้ สูงมีระบบสร้ างภูมคิ ้ ุมกันในร่ างกายเพื่อต่ อต้ านกับ
สิ่งแปลกปลอมที่อาจเข้ าในร่ างกาย โดยสร้ าง antibody ซึ่งมีสมบัตสิ ามารถ
ทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับสิ่งแปลกปลอมนัน้ (antigen)
antibody เป็ นโปรตีนประกอบด้ วยหน่ วยย่ อย 2 หน่ วย คือ light
chain หรื อ L 2 สาย กับ heavy chain หรื อ H 2 สาย โดยยึดติดกันด้ วย S-S
bond antibody ชนิดต่ างๆจะมีส่วนที่มีลาดับกรดอะมิโนเหมือนกันเรี ยกว่ า
constant หรื อ C กับส่ วนที่มีความแตกต่ างแปรผัน เรี ยกว่ า variable หรื อ V
ส่ วนที่แปรผันนีเ้ องทาให้ เกิดความจาเพาะของ antibody ชนิดต่ างๆกันที่
สามารถทาปฏิกริ ิยาจาเพาะกับ antigen ชนิดต่ างๆได้ อย่ างสมบูรณ์ แบบ
ที่สุด เชื่อว่ าความแตกต่ างแปรผันของชนิดและลาดับของกรดอะมิโนใน
ส่ วนนี ้ เกิดจากความแตกต่ างแปรผันของลาดับเบสใน DNA และเกิด
recombination ระหว่ างรหัสพันธุกรรมเหล่ านัน้

DNA rearrangement in the maturation of an immunoglobulin (antibody) gene
(กลไกการสร้ างแอนตีบอดี)

ในเซลล์ เอมบริโอ (undifferentiated cell) มียนี หลายชนิดที่ควบคุมการสร้ าง
L chain อยู่ห่างกันบนโครโมโซมเดียวกันคั่นด้ วย intron เริ่มจาก 5’ ไป 3’ ดังนี ้ V J
และ C V คือยีนที่ควบคุม variable region J ควมคุมการสร้ างของกรดอะมิโนของ
variable region และ C ควมคุมการสร้ างส่ วน constant region V มีมากมายหลายแบบ
คือประมาณ 150 แบบ (ในที่นีแ้ สดงเพียง 3 แบบ คือ V1, V2 และ V3) มี J 5 แบบ (ใน
ที่นีแ้ สดงเพียง 1 แบบ) และ C มีเพียงแบบเดียว
เมื่อเซลล์ เอมบริโอพัฒนาเป็ นเซลล์ สร้ างแอนตีบอดี (B lymphocyte) จะเกิด
การเปลี่ยนที่ DNA ใหม่ โดยส่ วนของ DNA ที่ไม่ ใช้ จะโค้ งขึน้ ดึงเอาส่ วนยีนที่อยู่ห่าง
กันมาอยู่ใกล้ กันตามความต้ องการแล้ วเชื่อมต่ อกัน เรี ยกว่ า V/J recombination ทาให้
ได้ V2 และ J อยู่ต่อกันซึ่งเป็ นยีนซึ่งสามารถทางานได้ แต่ ยงั อยู่ห่างจาก C เรี ยกว่ า
functional gene ซึ่งจะเป็ นแม่ พมิ พ์ ให้ สร้ าง pre-mRNA แล้ วเกิดกระบวนการตัดต่ อ
(RNA processing) ให้ ได้ mRNA ที่เหมาะสม กล่ าวคือ variable region เชื่อมต่ อกับ
constant region สาหรั บใช้ สร้ าง L chain ต่ อไป การต่ อกันของ V และ J นีเ้ ป็ นการต่ อ
เพียงอย่ างละ 1 copy ต่ อหนึ่งเซลล์ ดังนัน้ ถ้ าเลือก V และ J มาต่ อกันแบบสุ่มจะเห็น
ว่ ามี variable region ได้ แบบต่ างๆ คานวณได้ 150x5 = 750 แบบ ใช้ ในการสร้ าง L
chain ของ antibody ซึ่งมีความจาเพาะต่ อ antigen ชนิดต่ างๆ

People and other mammals use different genes in
different cells at different times during development

People and Other Mammals Use Different Genes in
Defferent Cells at Different Times During Development
ในสิ่งมีชีวติ หลายเซลล์ มีกระบวนการพัฒนาการเปลี่ยนแปลง หรื อ
differntiation ของกลุ่มเซลล์ ต่างๆ ซึ่งล้ วนแต่ มีองค์ ประกอบทางพันธุกรรม
เหมือนกันทุกประการ ไปเป็ นกลุ่มเซลล์ หรื อเนือ้ เยื่อที่ทาหน้ าที่เฉพาะ ตัวอย่ างเช่ น
ในร่ างกายคน มีเซลล์ เม็ดเลือดแดง เซลล์ ท่ ผี ิวหนัง และเซลล์ ท่กี ระเพาะอาหาร ซึ่ง
กลุ่มเซลล์ เหล่ านีไ้ ด้ ผ่านกระบวนการ differentiation เพื่อทาหน้ าที่เฉพาะทางไปแล้ ว
มียนี บางยีนหมดหน้ าที่และไม่ active อีกต่ อไป
ในรู ป เซลล์ ทุกชนิดมีองค์ ประกอบทางพันธุกรรมเหมือนกัน คือต่ างก็มียนี
สาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบิน โปรตีนที่ผิวหนัง และเอนไซม์ ช่วยย่ อยอาหาร ใน
เซลล์ แต่ ละชนิดจะมียนี ที่ active ต่ างกัน เช่ น ในเซลล์ เม็ดเลือดแดงที่กาลังเจริญ
ยีนสาหรั บการสังเคราะห์ ฮีโมโกลบินจะ active ขณะที่ยนี อื่นๆไม่ active เป็ นต้ น
แสดงให้ เห็นว่ า ยีนที่ควบคุมการสังเคราะห์ สาย polypeptide ชนิดต่ างๆ activeใน
เซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน หรื อกล่ าวได้ ว่า มีระบบควบคุมการทางานของ
ยีนหรื อกลุ่มยีนในเซลล์ แต่ ละชนิดในช่ วงเวลาต่ างกัน