Chromosome
สาย DNA ที่พันรอบ histone protein ทั้ง 8 สองรอบ เรียกว่า nucleosome แล้วขดพันกันอีกที่ใน mitotic phase สามารถเห็นเป็นรูปตัว X ได้อย่างชัดเจนสิ่งมีชีวิต eukaryote ส่วนใหญ่มีโครโมโซมในลักษณะ diploid ซึ่งเป็นสอง sister chromatid ที่ยึดติดกันบริเวณ centromere ส่วน prokaryote มักมี chromosome ในลักษณะ haploid และอาจมี DNA วงแหวนที่เรียกว่า plasmid ที่อยู่แยกออกไปจาก chromosome
การค้นพบ DNA
Johannes Miecher เค้าเป็นนักศึกษาแพทย์แต่ดันติดไข้รากสากใหญ่สูญเสียความสามารถในการได้ยินบ้างส่วนจึงเปลี่ยนมาเรียนเคมีอินทรีย์ เค้าได้เอาเซลล์อสุจิของปลาบางชนิดและเซลล์เม็ดเลือดขาวที่ติดยู่กับผ้าพันแผลของคนไข้มาตรวจแล้วเพื่อศึกษาองค์ประกอบในนิวเคลียสเนื่องจากมีไซโทพลาสซึมน้อยสามารถแยกนิวเคลียสออกได้ง่าย จากนั้นเขาก็พบสารชนิดหนึ่งมีฤทธิ์เป็นกรดประกอบด้วย N และ P เป็นส่วนใหญ่ ต่อมาถูกเรียกว่า deoxyribonucleic acidในช่วงแรกสงสัยระหว่างโปรตีนกับกรดนิวคลิอิก บ้างก็ว่าโปรตีนมีตั้ง 20 ชนิดซึ่งสามารถจัดเรียงได้หลากหลายพอที่จะเป็นตัวกำหนดลักษณะพันธุกรรมได้ ตอนนั้น
การค้นพบความสามารถในการถ่ายทอดสารพันธุกรรมของแบคทีเรียที่ตายแล้วให้แก่แบคทีเรียที่ยังมีชีวิต
Frederick Griffith ที่พยายามผลิตวัคซีนปอดอักเสบ (pneumonia) เขาเอา streptococcus pnemonia ที่เป็นตัวการมาสองชนิด คือ สายพันธ์ุ R เพราะมีโคโลนีหยาบเนื่องจากไม่มีแคปซูล ส่วนอีกตัวสายพันธ์ุ S เพราะโคโลนีเรียบเนื่องจากมีแคปซูล การทดลองเขาเป็นดังนี้==> ฉีด R หนูไม่ตาย : ดังนั้นสายพันธ์ุ R ไม่ก่อให้เกิดโรค พบสายพันธุ์ R ที่ยังมีชีวิตในเลือด==> ฉีด S หนูตาย : ดังนั้นสายพันธ์ุ S ก่อให้เกิดโรค พบสายพันธุ์ S ที่ยังมีชีวิตในเลือด==> ฉีด S ที่ถูกฆ่าด้วยความร้อน : หนูไม่ตาย ไม่พบสายพันธ์ุ S ท่ียังมีชีวิตในเลือด==> ฉีด S ที่ตายเพราะความร้อนกับ R ที่ยังมีชีวิต : ปรากฎว่าหนูตายและพบสายพันธ์ุ S ที่มีชีวิตในเลือดสรุปได้ว่าความร้อนสามารถทำลายผนังเซลล์แบคทีเรียได้แต่ไม่สามารถทำลายสารพันธุกรรมได้ สารพันธุกรรมที่ว่าจึงถูกส่งให้แบคทีเรียที่ยังมีชีวิตทำให้สายพันธุ์ R เปลี่ยนเป็นายพันธ์ุ S ที่ก่อโรคได้
DNA Replication
สามรถเกิดขึ้นพร้อมกันได้หลายตำแหน่ง เริ่มจาก helicase จะสลายพันธะ H ระหว่าง nitrogenuous base ของ DNA ทำให้สายทั้งสองแยกออกจากกัน single-strand binding protein เข้ามาจับกับแต่ละสายที่คลายออกป้องกันไม่ให้กลับไปสร้างพันธะอีก เมื่อสาย DNA คลายไปเรื่อยๆ จะเกิดปมขึ้นและได้รับความเสียหาย แต่ topoisomere สามารถป้องกันปัญหานั้นได้โดยช่วยคลายสาย DNA ที่พันกัน primase จะสังเคราะห์ primer ซึ่งเป็น RNA สายสั้นๆ จาก DNA แม่แบบ แล้ว DNA polymerase III จึงสังเคราะห์ nucleotide โดยใช้สาย DNA เป็นแม่แบบก่อนเติม nucleotide ต่อจาก primer ด้านปลาย 3' กลายเป็น Okazaki fragment โดย nucleotide จะถูกสังเคราะห์จากด้าย 5' ไป 3' เสมอ การเติม nucleotide อาจเป็นแบบ leading strand หรือ lagging strand ก็ได้มีโอกาสเกิดเท่าๆ กัน DNA polymerase I จะนำ primer ออกเมื่อ Okazaki fragment มาถึงแล้วสังเคราะห์ nucleotide เข้าไปแทนที่ primer นั้นและพันธะระหว่างแต่ละ nucleotide จะถูกเชื่อมโดย DNA ligase
Nucleotide Excision Repair
กระบวนการตรวจสอบและซ่อมแซม DNA หลัง DNA replication หากพบ DNA ที่เสียหาย DNA pol I จะตัดส่วนนั้นออกเช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นกับ primere แล้วสังเคราะห์ nucleotide กลับเข้าไป
Telomere
ส่วนปลายของโครโมโซมป้องกันการถูกทำลายในระหว่างการแบ่งเซลล์จะสั้นลงเรื่อยๆ ในทุกครั้งที่เกิดการแบ่งเซลล์เนื่องจาก primer ของสาย DNA แม่แบบที่มีปลาย 3' จะสิ้นสุดด้วย primer ซึ่ง DNA polymerase III ไม่เป็นเช่นนั้นเพราะ telomerase คอยรักษาไม่ให้สาย DNA สั้นลง Zygote จึงมี DNA ยาวเท่าเดิม
Tumor
ในเซลล์ที่เป็นเนื้องอกจะมี telomere ที่สั้นกว่าปกติเนื่องจากการแบ่งเซลล์ที่มากเกินไป แต่ telomerase ในเซลล์มะเร็งลับมีการทำงานที่มากผิดปกติ จึงสามารถแบ่งเซลล์ได้เรื่อยๆ ได้มีการศึกษาถึงการยับยั้ง telomerase ในเซลล์ที่เป็นมะเร็งในหนูทดลองถึงแม้เซลล์จะสามารถรักษาความยาวของ telomere ไว้ได้ด้วย pathway อื่นแต่ก็ตายอยู่ดี
Mutation
ก่อให้เกิดการแปรผันทางพันธุกรรมเกิดขึ้นได้จากหลายสามารถทั้งการซ่อมแซม DNA ที่ผิดพลาด จากรังสี สารเคมี เป็นต้น หากเกิดใน germ cell จะถ่ายทอดทางพันธุกรรม
ระบบควบคุมการแบ่งเซลล์
การแบ่งเซลล์จะถูกตรวจสอบโดย checkpoint ตามจุดต่างๆ โดย kinase ที่ทำงานร่วมกับ cyclin เรียกว่า cyclin-dependent kinase (CDKs) ที่ฝังตัวอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ซึ่งยังไม่สามารถทำงานได้จนกว่าจะจับเข้ากับ cyclin อีกตัว kinase เพียงตัวเดียวไม่สามารถทำงานเองได้เช่นกันโดยปราศจาก cyclin ที่ถูกสร้างขึ้นในช่วงท้ายของ S phase ไปจนถึงช่วงต้นของ G2 phase แล้วจับกับ CDK ได้สารประกอบเป็น maturation-promoting factor (MPF) แต่จะเข้าใจว่าเป็น mitotic-phase promoting factor ก็ได้เพราะมันควบคุม chechpoint ก่อนเข้าสู่ Μ-phase นอกจากนั้นยังทำงานทางตรงในการเกิด phosphorylation ในหลายโปรตีนของ nuclear lamina ทำให้เกิดการสลายของ nuclear envelope และช่วยในการจัดเรียงตัวของ spindle fiber ใน prophase ช่วง anaphase นั้น MPF จะแยกตัวออกจาก cyclin และเริ่มกระบวนการสลาย cyclin และทางอ้อมโดยการกระตุ้น kinase ส่วน checkpoint ช่วง G1 ถูกควบคุมโดย cyclin-Cdk protein complex หากตรวจพบเหตุการณ์ผิดจะส่งสัญญาณให้หยุดการแบ่งเซลล์ทันที
Transcription
Procaryote==> initiation : RNA polymerase เข้ามาจับกับ promoter หรือที่เรียกว่า termination แล้วคลายสาย DNA ออกจากกัน==> elongation : สังเคราะห์ RNA จาก 5' ไป 3' หากบริเวณไหนเกิด transcription เรียบร้อย DNA จะกลับไปสร้างพันธะกันกลายเป็น duble-helix ดังเดิม==> termination : RNA polymerase หลุดออกจากสาย DNAEucaryote==> initiation : Protein factor ตัวหนึ่งจับเข้ากับ promoter ที่บริเวณ TATA box ซึ่งเป็นบริเวณที่ประกอบด้วย nucleotide TATA แล้วทำการจดจำตำแหน่งเพื่อให้ RNA polymase II สามารถจับกับ DNA ได้ถูกตำแหน่ง เรียกรวมกันเป็น transcription initiation complex และเริ่มการสังเคราะห์ RNA==> elongation : RNA polymerase II เติมแต่ละ nucleotide บน polyadenylation ของ DNA ยีนหนึ่งยีนสามารถจับได้กับหลาย RNA pol II ทำให้สังเคราะห์ mRNA ได้มากขึ้น==> termination : เมื่อสังเคราะห์มาถึงบริเวณเฉพาะของ polyadenylation (AAUAAA) ที่มี nucleotide เรียงกันหกตัวซึ่งเกาะอยู่กับโปรตีนใน nucleous โปรตีนตัวนั้นจะตัด RNA transcript ออกจาก polymerase ได้เป็น pre-mRNA
การปรับแต่ง RNA
ที่ด้านปลาย 5' จะถูกเติมส่วนที่เรียกว่า cap ซึ่งเป็น guanine nucleotide และเติม poly-A tail ที่ด้าน 3' ซึ่งเป็น adenine polynucleotide ทั้งสองนั้นเป็นส่วนที่สำคัญช่วยในการลำเลียง mRNA ออกไปยัง cytoplasm ป้องกันการถูกทำลายโดย hydrolytic enzyme และยังช่วยในการจับของ ribosome กับ mRNA โดยที่ปลายทั้งสองข้างของ mRNA นั้นมีส่วนที่เรียกว่า untrancripted region (UTRs) เป็นส่วนที่จะไม่เกิด translation แต่ช่วยในการเกาะของ ribosome
RNA Splicing
การตัด intron (interventing) ส่วนที่ไม่ได้เก็บข้อมูลหน้าที่ที่เฉพาะเจาะจงไว้ซึ่งแทรกอยู่ระหว่าง exon ออกแล้วต่อ exon ที่อยู่ข้างๆ เข้าด้วยกัน exon มักแสดงออกอยู่ที่ส่วนปลาย (expressed) ในกระบวนการ transcription เอนไซม์ RNA polymersae II จะ transcript ทั้งสาย RNA จะได้ primary RNA ที่มี TATA box ก่อนเกิดการ transcript โดย RNA pol I และ RNA pol III ต่อจึงจะได้เป็น pre-mRNA แล้วเข้าสู่ RNA splicing โดย spliceosome ซึ่งเป็นโมเลกุลของ RNA ขนาดเล็กจะมาจับกับหลาย nucleotide ที่ประกอบด้วย intron เพื่อตัด intron ออกไปหรืออาจสลายตัวก็ได้แล้วทำการเชื่อม exon เข้าด้วยกันหน้าที่นี้มี RNA ที่เป็นส่วนหนึ่งของ spliceosome เป็นส่วนสำคัญที่ทำหน้าที่กระตุ้นการเชื่อมของ exon การค้นพบนี้ทำให้ทราบว่าไ่ม่ได้มีเพียงแค่โปรตีนที่เป็นเอนไซม์เท่านั้นแต่ RNA เองก็สามารถทำหน้าที่เป็น enzyme ได้เรียก RNA นั้นว่า ribozyme การที่ RNA สามารถทำหน้าที่เหมือน enzyme ได้นั่นเพราะอย่างแรก RNA มีลักษณะเป็นสายเดี่ยวเมื่อจับกับอีก RNA ที่มี complementary base จะมีโครงสร้างเป็นสามมิติซึ่งเป็นรูปร่างของ ribozyme อย่างที่สอง amine acid เป็นหมู่ฟังก์ชันของ enzyme ดังนั้น RNA เองก็มีหมู่ฟังก์ชันที่ทำให้สามารถกระตุ้นการเกิดปฏิกิริยาได้เช่นกัน สุดท้าย RNA สามารถสร้าง H bond ระหว่างแต่ละ nucleotide ได้ (DNA, RNA) บวกกับลักษณะจำเพาะที่เป็นตัวกระตุ้นปฏิกิริยา
Alternative RNA Splicing
แต่ละยีนสามารถสร้าง polypeptide ได้มากกว่าหนึ่งชนิดนั่นเพราะกระบวนการที่เรียกว่า alternative RNA splicing คือ การตัด exon บางส่วนออกซึ่งจะช่วยเพิ่มความหลากหลายให้แก่โปรตีนที่ผลิตออกมาได้ โมเลกุลของโปรตีนนั้นประกอบด้วยแต่ละส่วนที่เรียกว่า domain ซึ่งแต่ละ domain ของ polypeptide จะทำหน้าที่แตกต่างกันไป เช่น บาง domain อาจเป็น active side เป็นต้น
tRNA (transfer RNA)
การลำเลียง amino acid ที่มีอยู่ใน cytosol หรือจากโครงสร้างอื่นหรือจากวิธีอื่นก็ตามมาต่อเป็น polypeptide เป็นหน้าที่ของ tRNA ที่ถูกสร้างขึ้นมาใน nucleus ด้วยกระบวนการเดียวกันกับ mRNA คือ trancription สาย RNA นี้จะสร้าง H bond กับตัวเองได้เป็น 3D โมเลกุลคล้ายตัว Lปลาย 3' ที่ยื่นออกมาบริเวณส่วนท้ายของโครงสร้างจะสร้าง covalent bond กับ amino acid โดยมี aminoacyl-tRNA synthetase เป็นตัวกระตุ้นโดยใช้ ATP ขับเคลื่อน tRNA และ amino acid ของ codon นั้นจะมาจับกับ active site แล้วเกิด covalent bond ซึ่ง amino acid นั้นมีทั้งหมด 20 ชนิดแต่ในแบคทีเรียกลับมี tRNA เพียงแค่ 45 แบบจากรหัสที่สามารถสังเคราะห์ amino acid ทั้งหมด 61 รหัสแต่นั่นก็เพียงพอเพราะ RNA นั้นมี base U ที่สามารถสร้าง H bond กับ A และ G ได้เรียกเบสที่มีความยึดหยุ่นในกราทำหน้าที่นี้ว่า wobbleส่วนอีกปลายที่เป็นห่วงซึ่งประกอบด้วย anticodon ในลักษณะ triplet จะจับกับ mRNA ที่เป็น complementary base โดย triplet ของ anticodon นั้นจะอ่านจากด้าน 3' ไป 5' ซึ่งตรงกันข้ามกับ codon ของ mRNA ที่อ่านจาก 5' ไป 3'การสังเคราะห์ polypeptide นั้นจะถูกต้องหรือไม่ขึ้นอยู่กับสองอย่าง ประการแรกคือ tRNA นั้นขน amino acid ที่ตรงกับ anticodon ไหมและสอง ribosome แปลรหัสบน mRNA ถูกต้องหรือเปล่าtRNA ถูกใช้ซ้ำได้
โครงสร้างและหน้าที่ของ ribosome
Ribosome ในแบคทีเรียและ eucaryote มีโครงสร้างและหน้าที่เดียวกันแต่มีองค์ประกอบของโมเลกุลต่างกันซึ่งแสดงให้เห็นได้ในทางการแพทย์ คือ การตอบสนองต่อยาอย่าง pennicilin ที่สามารถยับยั้ยการทำงานของ ribosome ของแบคทีเรียได้แต่กลับไม่ส่งผลต่อ ribosome ของ eucaryoteแบ่งออกเป็นสองหน่วยย่อย คือ ขนาดใหญ่และเล็ก น้ำหนัก 1 ใน 3 เป็นโปรตีนในแบคทีเรียประกอบด้วย 3 rRNA ส่วน eucaryote ประกอบด้วย 4 rRNA ถูกสร้างขึ้นใน nucleoside ส่วนที่เป็นโปรตีนเองก็ถูกนำเข้ามาจาก cytoplasm กลายเป็น ribosome ก่อนถูกส่งออกไปยัง cytoplasm ผ่าน nucleopor mRNA มี binding site ของ ribosome ท่ี ribosome เองก็มี binding site ของ mRNA และ tRNA ribosome หน่วยย่อยขนาดใหญ่มี binding site ของ tRNA ได้แก่ P site (peptidyl-tRNA binding site), A site (aminoacyl-tRNA binding site), E site (exit site) ที่ P site tRNA จะต่อกับ polypeptide ที่ถูกสร้างขึ้น A site จะเป็น tRNA ที่ขน amino acid ต่อตัวไป ส่วน tRNA ที่ปล่อย amino acid ออกไปแล้วจะถูกปล่อยออกทาง E site และ ribosome หน่วยย่อยขนาดเล็กมี binding site ของ mRNARibosomal protein ช่วยในการเปลี่ยนรูปร่างของโมเลกุล rRNA และกระตุ้นการสร้าง peptide bond ของแต่ละ amino acid polypeptide ที่ทำการสังเคราะห์เสร็จสิ้นจะถูกส่งออกยังทาง exit tunnel
Translation
0
การขนส่ง polypeptide ที่เสร็จแล้ว
หลังจากเสร็จสิ้น translation polypeptide จะถูกส่งไปยังเป้าหมายต่อไปางที่อาจถูกนำไปปรับแต่งโดยการเติม polysaccharide สายสั้นๆ หมู่ฟอสเฟตหรืออื่นๆ บางทีอาจมีการตัดปลายสายออกไปบ้าง ตัดเป็นส่วน หรือนำบางส่วนมาต่อกันหากเป็น quaternary protein เช่น hemoglobinใน cytosol จะมี ribosome ที่เป็นอิสระซึ่งสังเคราะห์โปรตีนที่จะถูกใช้ภายในเซลล์และ ribosome ที่ติดอยู่กับ ER ทำหน้าที่สร้างผนังเซลล์แต่ก่อนที่จะมาติดกับ ER ribosome นั้นก็เคยเป็นอิสระมาก่อน สิ่งที่กำหนดว่า ribosome นั้นๆ จะเป็นแบบไหน คือ signal peptide ซึ่งเป็น polypeptide ที่มี amino acid ยาวประมาณ 3-4 โมเลกุลติดอยู่ที่ N-terminus เป็นเหมือน zip code ที่ระบุตำแหน่งของเป้าหมายที่จะถูกส่งไปซึ่งแตกต่างกันไปแต่ละจุดไม่ว่าจะเป็น mitrocondria ER nucleus เป็นต้นเมื่อ polypeptide ที่มี signal peptide มาถึง ER จากนั้น signal-recognition participle (SRP) จะจับกับ polypeptide ที่ signal peptide แล้วไปจับกับ receptor protein เพื่อส่ง polypeptide เข้าไปทาง protein pore ก่อนที่ SRP จะหลุดออกไปแล้ว enzyme ของ receptor protein จะแยก signal peptide ออกจาก polypeptide ก่อนส่งเข้าไปใน ER lumen แบคทีเรียเองก็ใช้ signal peptide ในการลำเลียง polypeptide ไปยังเป้าหมาย
Gene Mutation
Nucleotide-pair substitution : เบสถูกเปลี่ยน==> silent mutation : ไม่เกิดส่งผลต่อ phynotype เพราะชนิดของ amino acid ยังคงเหมือนเดิมแม้รหัสจะเปลี่ยนไป==> missense : มักส่งผลต่อโปรตีนที่ผลิตออกมาทำให้ทำงานได้ไม่มีประสิทธิภาพหรือทำงานไม่ได้เลย เช่น การเปลี่ยน glutamic acid เป็น valine ในยีนที่เก็บข้อมูลของ β-globin ทำให้เกิด sickle-cell desease หรือการเปลียน tyrosine เป็น histidine ใน tyrosinase gene ทำให้เกิดลักษณะผิวเผือก==> nonsense : เกิด stop codon ทำให้การสังเคราะห์โปรตีนหยุดลงก่อนที่ควรInsertion & Deletion : การเพิ่มและลดของเบสทำให้เกิด missense จำนวนมากและอาจเกิด nonsense เร็วขึ้นหรือช้าลงถึงแม้จะเกิดนอกบริเวณที่มีรหัสพันธุกรรมแต่ก็สามารถส่งผลต่อ phynotype ได้