ยีนซึ่งเป็นดีเอนเอเกลียวคู่นั้น ก่อนเกิดการลอกแบบเพื่อสร้าง DNA สายใหม่ หรือคัดลอกเพื่อให้เป็น RNA จะต้องมีการคลายเกลียวออก การคลายเกลียวของ DNA ในนิวเคลียสซึ่งขดกันอยู่อย่างแออัดยัดเยียดนี้เป็นการสร้างปัญหาให้แก่สิ่งมีชีวิต จึงต้องมีกลไกการคลายเกลียวและคืนเกลียวอย่างพิเศษ คือ

  • ต้องมีการง้าง DNA ให้เปิดขึ้นโดยเอนไซม์เฮลิเคส (helicase) และต้องมีการตัดสายบางส่วนโดยเอนไซม์โทโปไอโซเมอเรส (topoisomerase) เพื่อระบายการขดตัว

  • DNA ส่วนที่ถูกง้างขึ้นมานี้จะมีการสร้างสายใหม่ ซึ่งเกิดจากการรวมตัวของนิวคลีโอไทด์เดี่ยว (mononucleotide) โดยเอนไซม์ ดีเอนเอโพลีเมอเรส (DNA polymerase) เพื่อสร้าง DNA และ อาร์เอนเอโพลีเมอเรส (RNA polymerase) เพื่อสร้าง RNA
  • หากจะมีการต่อ DNA ให้ยาวขึ้น สายโพลีนิวคลีโอไทด์ที่สร้างขึ้นใหม่อาจจะต้องใช้เอนไซม์ชื่อ ไลเกส (ligase)


         ก่อนจะพูดถึงการแสดงออกของยีนซึ่งก็คือการคัดลอก และแปลรหัส จะพูดถึงเรื่องที่เกี่ยวข้อง คือการลอกแบบ DNA การลอกแบบ DNA ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดพบว่ามีลักษณะเฉพาะที่เหมือนกันหมดคือใช้สายเก่าเป็นแม่แบบในการสร้างสายใหม่ทุกครั้ง ดังนั้น DNA ใหม่ที่ได้ 2 สายจึงประกอบด้วยโพลีนิวคลีโอไทด์สายเก่า 1 สายและสายใหม่ 1 สาย เรียกการลอกแบบลักษณะนี้ว่าการลอกแบบกึ่งอนุรักษ์ (semiconservative replication) (ภาพที่ 3.1)

ภาพที่ 3.1 การลอกแบบ DNA แบบกึ่งอนุรักษ์

 
  คำถาม : 
ปฏิกิริยาการสร้าง DNA สายใหม่เกิดขึ้นได้เร็วมาก เพราะเป็นปฏิกิริยาดูดพลังงานหรือคายพลังงาน

 

          การลอกแบบ DNA เป็นการเพิ่มปริมาณสารพันธุกรรมที่เหมือนกันไว้ใช้ในการทำกิจกรรมต่างๆ ของเซลล์ และเพื่อถ่ายทอดไปสู่ลูกหลานต่อไปในกระบวนการแบ่งเซลล์  การลอกแบบของ DNA มีขั้นตอนต่างๆ ดังนี้

          1. เอนไซม์เฮลิเคส (helicase) เข้าสลายพันธะไฮโดรเจนที่จุดใดจุดหนึ่งบนเกลียวคู่ (ภาพที่ 3.2) เรียกจุดนี้ว่าทางแยกของการลอกแบบหรือ เรพลิเคชันฟอร์ค (replication fork)

ภาพที่ 3.2  เอนไซม์เฮลิเคสเริ่มสลายพันธะไฮโดรเจน

 

           2. โปรตีน SSB (Single Strand Binding protein) เข้ามาเกาะบริเวณสายเดี่ยวที่แยกออกเพื่อป้องกันการพันเกลียวกลับ (ภาพที่ 3.3)

ภาพที่ 3.3  โปรตีน SSB เข้าเกาะสาย DNA ที่แยกออก

 

          3. เกิดการสร้าง RNA ชิ้นเล็กๆที่เรียกว่า อาร์เอนเอไพรเมอร์ (RNA primer) โดย อาร์เอนเอไพรเมส (RNA primase) ซึ่งไพรเมอร์นี้จะเป็นจุดที่เริ่มต้นการสังเคราะห์ DNA สายใหม่ (ภาพที่ 3.4)

ภาพที่ 3.4  การสร้างอาร์เอนเอไพรเมอร์

 

คำถาม :
จากภาพที่ 3.4 เป็นไปได้หรือไม่ที่จะใช้ดีเอนเอไพรเมอร์ แทน อาร์เอนเอไพรเมอร์ ในการลอกแบบดีเอนเอ

 

          4. เอนไซม์ดีเอนเอโพลีเมอเรสนำดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์เดี่ยว (deoxyribonucleotide) เข้ามาต่อสายในทิศทาง 5'-3' โดยเชื่อมเบสที่คู่กันเข้าด้วยกันด้วยพันธะไฮโดรเจน และเชื่อมหมู่ฟอสเฟตของแต่ละนิวคลีโอไทด์ให้เป็นพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ เมื่อจุดคลายเกลียวเลื่อนขึ้นไปก็จะได้ DNA สายใหม่ที่ยาวขึ้น เรียก DNA สายนี้ว่า สายนำ (leading strand) (ภาพที่ 3.5)

ภาพที่ 3.5 การสร้าง DNA สาย leading

 

           5. ในขณะที่เกิดการสังเคราะห์ DNA ขึ้นในสาย leading ก็จะเกิดการสังเคราะห์ DNA ในอีกสายหนึ่งซึ่งอยู่ตรงกันข้ามควบคู่กันไปด้วย สำหรับการสังเคราะห์ DNA ในสายตรงกันข้ามนี้เนื่องจากทิศทางการสังเคราะห์เป็นแบบ 5'-3' เสมอ เมื่อจุดคลายเกลียวเลื่อนขึ้น ไพรเมสจะสร้างอาร์เอนเอไพรเมอร์จับกับ DNA แม่แบบอีกสายหนึ่ง จากนั้นดีเอนเอโพลีเมอเรสจึงนำดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์เข้ามาต่อเป็นสายไปทางด้านจุดเริ่มต้นการสร้าง  (origin of replication) การทำเช่นนี้เป็นช่วงๆ จะได้เป็นชิ้น DNA สั้นๆ ที่ติดกับอาร์เอนเอไพรเมอร์ เรียกว่า ชิ้นส่วนโอกาซากิ (Okazaki fragment) อยู่ห่างกันเป็นช่วงๆ เรียก DNA สายนี้ว่า สายตาม(lagging strand) (ภาพที่ 3.6)

 
  
 ภาพที่ 3.6 การสร้าง DNA สาย lagging

 

          6. เมื่อการสังเคราะห์ DNA ดำเนินต่อไป ดีเอนเอโพลีเมอเรสจะมีการกำจัดอาร์เอนเอไพรเมอร์ออกด้วยคุณสมบัติของ 5'-3' เอ็กโซนิวคลีเอส (5'-3' exonuclease) และเติมดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ด้วยคุณสมบัติ 5'-3' โพลีเมอเรส และตามด้วยการเชื่อมพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ของชิ้นส่วนโอกาซากิแต่ละโมเลกุลเข้าด้วยกันด้วยเอนไซม์ไลเกส (ligase) ในที่สุดได้เป็น DNA ใหม่ 2 โมเลกุล โดยแต่ละโมเลกุลมีสายเดิมอยู่ 1 สาย (ภาพที่ 3.7)

 

 

 

ภาพที่ 3.7 การเชื่อม DNA สาย lagging

 
คำถาม :
"ขนาดของเอนไซม์จะใหญ่กว่าสับสเตรทเสมอ" ท่านคิดว่าคำพูดนี้ถูกหรือไม่ ลองยกตัวอย่างมาอธิบาย

 

          การสร้าง สาย leading และ สาย lagging สายใหม่มีทิศทางการสร้างที่สวนทางกัน (สาย leading สร้างยาวขึ้นในทิศทางการขยายของ ทางแยกของการลอกแบบ ส่วนสาย lagging สร้างยาวขึ้นไปทางด้านจุดเริ่มต้นของการสร้าง ซึ่งตรงข้ามกับการขยายของทางแยกของการลอกแบบ) เชื่อว่าการสร้างสายใหม่ทั้ง 2 สายนี้เกิดขึ้นพร้อมกัน (ภาพที่ 3.8 )

ภาพที่ 3.8 การทำงานของดีเอนเอโพลีเมอเรส ในการสร้างสาย lagging และ leading

 
คำถาม :
เพราะเหตุใดการสังเคราะห์ DNA ขึ้นใหม่จากต้นแบบทั้ง 2 สายจึงมีวิธีการที่ต่างกัน

 

          การคลายเกลียวคู่ของ DNA ออกจากกันทำให้ส่วนเหนือขึ้นไปขดเป็นเกลียวแน่นขึ้น ซึ่งสามารถแก้ไขได้โดยเอนไซม์   โทโปไอโซเมอเรสซึ่งจะตัด DNA สายใดสายหนึ่งเหนือทางแยกของการลอกแบบ เพื่อให้สามารถคลายเกลียวที่แน่นออกได้และเชื่อมต่อใหม่ (ภาพที่ 3.9)

 

 

 

ภาพที่ 3.9 การทำงานของโทโปไอโซเมอเรส


         ในการลอกแบบ DNA การขยายของทางแยกของการลอกแบบ (เรพลิเคชันฟอร์ค) จะเป็นแบบ 2 ทิศทางพร้อมกัน (bidirectional DNA replication) ทั้งในโปรคาริโอตและยูคาริโอต (ภาพที่ 3.10)

 


ภาพที่ 3.10  การลอกแบบ DNA โดยเรพลิเคชันฟอร์ค เกิด 2 ทิศทางพร้อมกัน

                                        (บน) ในโปรคาริโอตเกิดทีละตำแหน่งในโครโมโซมวงแหวน

                                        (ล่าง) ในยูคาริโอตเกิดพร้อมกันหลายตำแหน่งในโครโมโซมแท่ง

 

ภาพยนตร์ที่เกี่ยวข้องกับบทเรียน
ชื่อเรื่อง
ขนาด
DNA replication movie
9,863 KB
RNA replication movie
9,032 KB

 

ที่มา : www.whfreeman.com/lodish