ครูเอื้อมพร เอี่ยมแพร ยีนและโครโมโซม ครูเอื้อมพร เอี่ยมแพร

พ.ศ. 2427 นักวิทยาศาสตร์พบว่าฮิสโตนเป็นโปรตีนที่มีองค์ประกอบ ส่วนใหญ่เป็นกรดอะมิโนที่มีประจุบวก (basic amino acid) เช่น ไลซีน และ อาร์จีนีน สมบัติในการเกาะจับกับสาย DNA ซึ่งมีประจุลบ ทำให้เกิดการสร้างสมดุลของประจุ (neutralize) ของโครมาทินด้วยสาย DNA พันรอบกลุ่มโปรตีนฮิสโตนคล้ายเม็ดลูกปัด เรียกโครงสร้างนี้ว่า นิวคลีโอโซม (nucleosome)

Nucleosome

รูปร่างของโครโมโซม สามารถจำแนกตามรูปร่างลักษณะ ขนาด และตำแหน่งของเซนโทรเมียร์ ที่แตกต่างกัน ได้ดังนี้ Metacentric chromosome คือ โครโมโซมที่จุดเซนโทรเมียร์อยู่ตรงกลาง และแขนทั้งสองข้างยาวเท่ากัน Submetacentric chromosome คือ โครโมโซมที่จุด เซนโทรเมียร์อยู่ค่อนไปทางใดทางหนึ่ง Acrocentric chromosome คือ โครโมโซมที่จุดเซนโทรเมียร์อยู่ใกล้ปลายสุดทางใดทางหนึ่ง Telocentric chromosome คือ โครโมโซมที่จุดเซนโทรเมียร์อยู่ตรงปลายสุดทางใดทางหนึ่ง

กรดนิวคลีอิก (Nucleic acid) ประกอบด้วย กรดนิวคลีอิก 2 ชนิด (1) DNA (deoxyribonucleic acid) (2) RNA (Ribonucleic acid) กรดนิวคลีอิก ประกอบด้วย polynucleotide ซึ่งเป็นการเชื่อมต่อด้วยนิวคลีโอไทด์ (nucleotide) หลายชนิด Nucleotide แต่ละอัน ประกอบด้วย - หมู่ฟอสเฟต (phosphate) - น้ำตาลเพนโทส (pentose) - ไนโตรจีนัสเบส (nitrogenous base)

น้ำตาลเพนโทส มี 2 ชนิด ได้แก่ PENTOSE น้ำตาลเพนโทส มี 2 ชนิด ได้แก่ - Ribose มีคาร์บอน 5 อะตอม และพบใน RNA เท่านั้น จึงเรียก กรดนิวคลีอิกชนิดนี้ว่า Ribonucleic acid - Deoxyribose เป็นน้ำตาลที่คล้ายกับพวกแรกต่างกันที่ ขาด Oxygen หนึ่งโมเลกุล (ที่คาร์บอนตัวที่ 2’) น้ำตาลพวกนี้พบใน DNA เท่านั้นจึงเรียกชื่อกรดนิวคลีอิก นี้ว่า Deoxyribonucleic acid

เบส (base) Pyrimidine base (one ring base) มีสองชนิด (1) thymine (T) พบใน DNA เท่านั้นส่วนใน RNA จะพบ uracil (U) ซึ่งมีโครงสร้างคล้ายกับ thymine (2) cytosine (C) 2. Purine two ring base มีสองชนิด คือ (1) Adinine (A) (2) Guanine (G)

DNA (Deoxyribonucleic acid) องค์ประกอบ - deoxyribose sugar - Base (1) pyrimidine (thymine ;T, cytosine; C) (2) purine (adinine: A, guanine; G) - phosphoric acid, phosphate

กฎของชาร์กาฟฟ์ (Chargaff s’ Rule) จากการวิเคราะห์ DNA พบว่ามีส่วนประกอบที่สำคัญ 3 ประการ (1) DNA ไม่ว่าสิ่งที่มีชีวิตชนิดใด จะมีอัตราส่วน purine และ Pyrimidine เท่ากันเสมอ (A+G = T+C) (2) ปริมาณของ adenine = thymine, (A=T), Guanine=cytosine (G=C) (3) อัตราส่วน A+T/G+C จะไม่คงที่ในสิ่งมีชีวิตทั่วไป

เปอร์เซ็นต์ของเบสใน DNA ของสิ่งมีชีวิตต่างๆ (ที่มา; ไพศาล, 2525) สัตว์/พืช purine pyrimidine A+G/C+T A G C T คน หนู ข้าวสาลี ยีสต์ 31.0 28.7 32.8 31.1 19.1 22.2 17.7 18.7 18.4 22.0 17.4 17.1 31.5 27.2 32.1 32.9 1.00 1.03 1.02

การศึกษาโครงสร้างของ DNA ปี พ.ศ. 2493 – 2494 เอ็ม เอช เอฟ วิลคินส์ (M. H.F Wilkins) และโรซาลินด์ แฟรงคลิน (Rosalind Franklin) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ศึกษาโครงสร้างของ DNA โดยใช้เทคนิค เอกซ์เรย์ดิฟแฟรกชัน (X-ray diffraction) ด้วยการฉายรังสีเอกซ์ผ่านผลึก DNA การหักเหของรังสีเอกซ์ทำให้เกิดภาพบนแผ่นฟิล์ม ได้ภาพถ่ายที่ชัดเจนมาก

เอกซ์เรย์ดิฟแฟรกชัน (X-ray diffraction)

ปี พ.ศ. 2496 เจ ดี วอตสัน (J.D. Watson) นักชีวเคมีชาวอเมริกัน และ เอฟ คริก (F. Crick) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ได้เสนอแบบจำลองโครงสร้างโมเลกุลของ DNA ที่สมบูรณ์ที่สุด

Figure 16.1 How was the structure of DNA determined?

Nucleotide

Sugar–phosphate backbone 5 end Sugar (deoxyribose) 3 end Nitrogenous bases Thymine (T) Adenine (A) Figure 16.5 The structure of a DNA strand Cytosine (C) Phosphate DNA nucleotide Sugar (deoxyribose) 3 end Guanine (G)

The structure of part of a DNA double helix ที่มา : http://en.wikipedia.org/wiki/Image:DNA_Overview.png

Image:DNA chemical structure ที่มา : http://en.wikipedia.org/wiki/Image:DNA_chemical_structure.svg

5 end Hydrogen bond 3 end 1 nm 3.4 nm 3 end 0.34 nm 5 end Figure 16.7 The double helix 3 end 0.34 nm 5 end (a) Key features of DNA structure (b) Partial chemical structure

Sugar-phosphate backbone Nitrogenous bases G C Sugar-phosphate backbone C G A T C G Hydrogen bond T A

พฤติกรรมของสารพันธุกรรม (Central Dogma) Transcription Translation DNA RNA Protein Replication/ Duplication

การจำลองตัวเองของ DNA ตามสมมติฐานของนักวิทยาศาสตร์มีดังนี้ 1. แบบกึ่งอนุรักษ์ (semiconservative replication) เมื่อมีการจำลองตัวเองของ DNA แล้ว DNA แต่ละโมเลกุลมีพอลินิวคลีโอไทด์ สายเดิมและสายใหม่ ซึ่งเป็นแบบจำลองของวอตสันและคลิก 2. แบบอนุรักษ์ (conservative replication) เมื่อมีการจำลองตัวเองของ DNA แล้ว พอลินิวคลีโอไทด์ทั้งสองสายไม่แยกจากกันยังเป็นสายเดิม จะได้ DNA โมเลกุลใหม่ที่มีสายของโมเลกุลพอลินิวคลีโอไทด์สายใหม่ทั้งสองสาย 3. แบบกระจัดกระจาย (dispersive replication) เมื่อมีการจำลองตัวเองของ DNA จะได้ DNA ที่เป็นของเดิมและของใหม่ปะปนกันไม่เป็นระเบียบ

Bacteria cultured in medium containing 15N 2 EXPERIMENT 1 Bacteria cultured in medium containing 15N 2 Bacteria transferred to medium containing 14N RESULTS 3 DNA sample centrifuged after 20 min (after first application) 4 DNA sample centrifuged after 20 min (after second replication) Less dense Figure 16.11 Does DNA replication follow the conservative, semiconservative, or dispersive model? More dense

Semiconservative model CONCLUSION First replication Second replication Conservative model Semiconservative model Figure 16.11 Does DNA replication follow the conservative, semiconservative, or dispersive model? Dispersive model

(b) Separation of strands C G C G C G C G T A T A T A T A A T A T A T A T G C G C G C G C (a) Parent molecule (b) Separation of strands (c) “Daughter” DNA molecules, each consisting of one parental strand and one new strand Figure 16.9 A model for DNA replication: the basic concept

Condensin and DNA (yellow) Outline of nucleus Condensin (green) RESULTS Condensin and DNA (yellow) Outline of nucleus Condensin (green) DNA (red at periphery) Figure 16.22 What role does histone phosphorylation play in chromosomal behavior during meiosis? Normal cell nucleus Mutant cell nucleus

Animation: Origins of Replication Getting Started Replication begins at special sites called origins of replication, where the two DNA strands are separated, opening up a replication “bubble” A eukaryotic chromosome may have hundreds or even thousands of origins of replication Replication proceeds in both directions from each origin, until the entire molecule is copied Animation: Origins of Replication Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 16-12 Origin of replication Parental (template) strand Daughter (new) strand Replication fork Double- stranded DNA molecule Replication bubble 0.5 µm Two daughter DNA molecules (a) Origins of replication in E. coli Origin of replication Double-stranded DNA molecule Parental (template) strand Daughter (new) strand Figure 16.12 Origins of replication in E. coli and eukaryotes 0.25 µm Bubble Replication fork Two daughter DNA molecules (b) Origins of replication in eukaryotes

At the end of each replication bubble is a replication fork, a Y-shaped region where new DNA strands are elongating Helicases are enzymes that untwist the double helix at the replication forks Single-strand binding protein binds to and stabilizes single-stranded DNA until it can be used as a template Topoisomerase corrects “overwinding” ahead of replication forks by breaking, swiveling, and rejoining DNA strands Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 16-13 Primase Single-strand binding proteins 3 Topoisomerase 5 RNA primer Figure 16.13 Some of the proteins involved in the initiation of DNA replication 5 5 3 Helicase

Overall directions of replication Fig. 16-15a Overview Origin of replication Leading strand Lagging strand Primer Lagging strand Leading strand Figure 16.15 Synthesis of the leading strand during DNA replication Overall directions of replication

Fig. 16-15b Origin of replication 3 5 RNA primer 5 “Sliding clamp” DNA pol III Parental DNA 3 5 Figure 16.15 Synthesis of the leading strand during DNA replication 5 3 5

Animation: Lagging Strand To elongate the other new strand, called the lagging strand, DNA polymerase must work in the direction away from the replication fork The lagging strand is synthesized as a series of segments called Okazaki fragments, which are joined together by DNA ligase Animation: Lagging Strand Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Overall directions of replication Fig. 16-16 Overview Origin of replication Leading strand Lagging strand Lagging strand 2 1 Leading strand Overall directions of replication 3 5 5 3 Template strand 3 RNA primer 3 5 1 5 Okazaki fragment 3 5 3 1 5 5 3 3 Figure 16.6 Synthesis of the lagging strand 2 1 5 3 5 3 5 2 1 5 3 3 1 5 2 Overall direction of replication

Overall directions of replication Fig. 16-16a Overview Origin of replication Leading strand Lagging strand Lagging strand 2 1 Leading strand Figure 16.6 Synthesis of the lagging strand Overall directions of replication

Fig. 16-16b6 Figure 16.6 Synthesis of the lagging strand 3 5 5 3 Template strand 3 5 RNA primer 3 1 5 3 Okazaki fragment 5 3 5 1 3 5 3 2 1 5 5 3 Figure 16.6 Synthesis of the lagging strand 3 5 2 1 5 3 3 1 5 2 Overall direction of replication

Table 16-1

Fig. 16-UN5