โครงสร้างของ ( DNA Deoxyribonucleic acid )

ปี พ.ศ. 2493-2494 เอ็ม เอช เอฟ วิลคินส์ (M. H.F. Wilkins) และ โรซาลินด์ แฟรงคลิน (Rosalind Franklin)  นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้ศึกษาโครงสร้างของ DNA ในสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ โดยใช้เทคนิคเอกซ์เรย์ดิฟแฟรกชัน(X-ray diffraction) โดยการฉายรังสีเอกซ์ผ่านผลึก DNA การหักเหของรังสีเอกซ์ทำให้เกิดภาพบนแผ่นฟิล์ม ได้ภาพถ่ายที่ชัดเจนมาก ดังภาพที่ 5-2 จากภาพถ่ายนี้นักฟิสิกส์แปลผลได้ว่าโครงสร้างของ DNA จากสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ มีลักษณะที่คล้ายกันมาก คือประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์มากกว่า 1 สาย มีลักษณะเป็นเกลียว เกลียวแต่ละรอบมีระยะห่างเท่าๆกัน จากผลการศึกษาทำให้เข้าใจโครงสร้างทางกายภาพของ DNA

ปี พ.ศ. 2496 เจ ดี วอตสัน (J.D. Watson) นักชีวเคมีชาวอเมริกัน และ เอฟ คริก (F. Crick) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ได้เสนอแบบจำลองโครงสร้างโมเลกุลของ DNA ที่สมบูรณ์ที่สุด โดยรวบรวมข้อมูลต่างๆ จากโครงสร้างทางเคมีของส่วนประกอบของโมเลกุล DNA  จากผลการทดลองของชาร์กาฟฟ์ที่แสดงให้เห็นว่า DNA มีเบส A เท่ากับ T และเบส C เท่ากับ G และภาพจากเทคนิคเอกซ์เรย์ดิฟแฟรกชันของผลึก DNA โดยนักฟิสิกส์ นำความรู้ที่ได้มารวมกันเป็นแนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างของ DNA

จากข้อมูลของชาร์กาฟฟ์ทำให้วอตสันและคลิกพยายามหาพันธะเคมีที่จะเชื่อมพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายให้ติดกัน ต่อมาได้พบว่าพันธะดังกล่าวคือพันธะไฮโดรเจน ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างคู่เบส แม้ว่าจะไม่แข็งแรง แต่เมื่อมีจำนวนมากก็จะมีความแข็งแรงพอที่จะยึดสายพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายให้เข้าคู่กันได้ และจากการศึกษาโครงสร้างของเบสทั้ง 4 ชนิด พบว่าระหว่างเบส A กับ T สามารถเกิดพันธะไฮโดรเจนได้ 2 พันธะ และระหว่างเบส C และ G เกิดได้ 3 พันธะ

หลังจากนั้นวอตสันและคริกจึงสร้างแบบจำลอง DNA ตามแนวคิด โดยให้พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายเรียงสลับทิศกันปลาย 3' ของสายหนึ่งเข้าคู่กับปลาย 5' ของอีกสายหนึ่ง เบส A ของสายหนึ่งตรงกับเบส T ของอีกสายหนึ่ง และเบส C ของสายหนึ่งตรงกับเบส G ของอีกสายหนึ่งเสมอ จากนั้นจึงเสนอโครงสร้างโมเลกุลของ DNA ว่าประกอบด้วยพอลินิวคลีไทด์ 2 สาย เบสในแต่ละสายของ DNA ที่เป็นเบสคู่สม (complementary base pair) ยึดกันด้วยพันธะไฮโดรเจนโดยมีเบส A จับคู่กับเบส Tและเบส C จับคู่กับเบส G โดยมีทิศทางจากปลาย  5' ไปยังปลาย 3'  แต่สวนทางกันและพันกันเป็นเกลียวคู่(double helix) เวียนขวาตามเข็มนาฬิกา เกลียวแต่ละรอบห่างเท่าๆกันและมีคู่เบสจำนวนเท่ากันโครงสร้างเกลียวคู่ทำให้โครงสร้างของ DNA  มีลักษณะคล้ายบันไดเวียน โดยมีน้ำตาลดีออกซีไรโบสจับกับหมู่ฟอสเฟตเป็นราวบันได(backbones) และบันไดแต่ละขั้นคือ คู่เบส 1 คู่

จากภาพโครงสร้างของ DNA พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย อยู่ห่างกัน 20 อังสตรอม(Å) เกลียวแต่ละรอบยาว 34 อังสตรอม แต่ละนิวคลีไทด์มีระยะห่างกัน 3.4 อังสตรอม นักเรียนได้ศึกษามาแล้วว่าโครงสร้างของ DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์จำนวนมาก แม้ว่า DNA จะมีนิวคลีโอไทด์เพียง 4 ชนิด แต่โมเลกุลของ DNA มีความแตกต่างกันได้หลายชนิด แต่ละโมเลกุลอาจประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์หลายพันคู่จนถึงแสนคู่ ตัวอย่างเช่นถ้า DNA ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ 2 โมเลกุลเรียงกัน จะสามารถจัดเรียงให้แตกต่างกันได้ 16 แบบ (4²) ดังนั้นถ้าโมเลกุล DNA ประกอบด้วยนิวคลีไทด์จำนวนมาก การเรียงลำดับของเบสก็จะแตกต่างกันมากด้วยเช่นเดียวกัน

ลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งๆ มีหลายลักษณะ และลำดับเบสของ DNA  ซึ่งเกิดจากเบสชนิดต่างๆ กันนั้นมีหลายรูปแบบก็น่าจะมากพอที่จะทำหน้าที่ควบคุมหรือกำหนดลักษณะ

พันธุกรรมต่างๆได้ สิ่งที่น่าสนใจก็คือ DNA กำหนดและควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตได้อย่างไร

จากประเด็นคำถาม “เป็นไปได้หรือไม่ว่าเบส A จับคู่กับเบส T และแบส C จับคู่กับเบส G ถ้าเป็นดังที่กล่าวแล้วโครงสร้างของ DNA น่าจะเป็นอย่างไร”  ที่กำหนดและผลจากการสืบค้นข้อมูลนักเรียนสามารถสรุปได้ว่า วิลคินส์และแฟลงคลินศึกษาโครงสร้างของ DNA จากการฉายรังสีเอกซ์ผ่านผลึก DNA จะเกิดการหักเหของรังสีเอกซ์ทำให้เกิดภาพบนแผ่นฟิล์ม วินคินส์และแฟลงคลิน ใช้ประจักษ์พยานมาแปลข้อมูลทำให้ทราบว่า

1.สิ่งมีชีวิตชนิดต่าง ๆ มีโครงสร้างของ DNA คล้ายกันมาก
2. DNA ประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์มากกว่า 1 สาย
3. พอลินิวคลีโอไทด์มีลักษณะเป็นเกลียว
4. เกลียวของพอลินิวคลีโอไทด์แต่ละรอบมีระยะห่างเท่ากัน    วอตสันและคริกได้สร้างแบบจำลองโมเลกุลของ DNA โดยนำข้อมูลจากการค้นพบของ   นิวคลีโอไทด์และแฟลงคลิน และการสืบค้นที่เกี่ยวกับโครงสร้างของ DNA นำมาสร้างแบบจำลองของ DNA ดังนี้

 1. สร้างพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย โดยปลาย 3' ของพอลินิวคลีโอไทด์สายหนึ่งจับกับปลาย 5' ของ สายพอลินิวคลีโอไทด์อีกสายหนึ่ง แต่ละสายมีทิศทางจากปลาย 5' ไปยังปลาย 3' เรียงสลับทิศทางกัน
 2. ให้เบส A จับกับเบส T และเบส C จับกับบเส G
 3. เบส A ยึดกับเบส T ด้วยพันธะไฮโดรเจน 2 พันธะ เบส C ยึดกับเบส G ด้วยพันะไฮโดรเจน 3 พันธะ
 4. พอลินิวคลีโอไทด์ 2 สาย พันกันบิดเป็นเกลียวคู่ คล้ายบันไดเวียน โดยมีน้ำตาลดีออกซีไรโบสจับหมู่ฟอสเฟตคล้ายเป็นราวบันได
 5. เกลียวแต่ละรอบห่างเท่ากัน 34 A^° และคู่เบสแต่ละคู่ห่างกัน 3.4 A^° และพอลินิวคลีโอไทด์ 2 สายห่างกัน 20 A^°

การศึกษาพันธุกรรมของเมนเดล

                โยฮันน์ เกรกอร์ เมนเดล เกิดในปี ค.ศ.1822 เป็นบาทหลวงชาวออสเตรีย และในขณะเดียวกันเขาก็เป็นอาจารย์สอนหนังสือให้แก่นักเรียน ถึงเรื่องพันธุกรรมด้วย เมนเดลมีความสนใจศึกษาด้านวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะด้านพันธุศาสตร์ เขาได้ใช้สถานที่ภายในบริเวณวัดเพื่อทำการทดลองสิ่งต่างๆ ที่เขาสนใจ เมนเดลเริ่มต้นทดลองเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ.1856 เรื่องที่เขาทำการทดลองคือ การรวบรวมต้นถั่วลันเตา( Pisum sativum )หลายๆพันธุ์นำมาผสมกันหลายๆวิธีเขาใช้เวลาทดลองต่อเนื่องถึง 7 ปี จนได้ข้อมูลมากเพียงพอ ในปี ค.ศ.1865 เมนเดล จึงได้ รายงานผลการทดลอง ซึ่งเกี่ยวข้องกับการผสมพันธุ์ ต้นถั่ว ให้แก่ที่ประชุม Natural History Society ในกรุงบรุนน์ ( Brunn ) ผลงานของเขาได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ออกไปทั่วทวีปยุโรปและอเมริกาในปีต่อมา

      ปี ค.ศ.1866 ผลงานของเขาถูกปล่อยไว้นานถึง 34 ปี จนกระทั่งปี ค.ศ.1900 ได้มีนักชีววิทยา 3 ท่าน คือ ฮูโก เดฟรีส์ ชาวฮอลันดา คาร์ล คอเรนส์ ชาวเยอรมันและ เอริช ฟอน แชร์มาค ชาวออสเตรเลีย ได้ทดลองผสมพันธุ์พืชชนิดอื่นๆ และได้ผลการทดลองตรงกับที่เมนเดลเคยรายงานไว้ ทำให้เมนเดลเป็นที่รู้จัก ในวงการพันธุศาสตร์นับแต่นั้นเป็นต้นมา และ เมนเดลยังได้รับการยกย่องว่าเป็น บิดาแห่งวิชาพันธุศาสตร์

สิ่งมีชีวิตที่ควรเลือกมาใช้ในการศึกษาทางพันธุศาสตร์ ควรมีลักษณะดังนี้

1. ปลูกง่าย อายุสั้น ผลดก

2. มีการแปรผันมาก มีความแตกต่างของลักษณะที่ต้องศึกษาชัดเจนและสามารถหาพันธุ์แท้ได้ง่าย

3. มี RECOMBINATION คือการรวมกันของลักษณะของพ่อและแม่เมื่อมีการผสมพันธุ์

4. ความคุมการผสมพันธุ์ได้สามารถกำหนดให้มีลักษณะต่างๆเข้าผสมกันได้ตามต้องการ

การทดลองของเมนเดล

                 เมนเดลประสบผลสำเร็จในการทดลอง จนตั้งเป็นกฎเกี่ยวกับการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมจากพ่อแม่มายังลูกหลานในช่วงต่อๆมาได้เนื่องจากสาเหตุสำคัญสองประการคือ

1. เมนเดลรู้จักเลือกชนิดของพืชมาทำการทดลอง พืชที่เมนเดลใช้ในการทดลองคือถั่วลันเตา (Pisum sativum) ซึ่งมีข้อดีในการศึกษาด้านพันธุศาสตร์หลายประการ เช่น

    1.1 เป็นพืชที่ผสมตัวเอง (self- fertilized) ซึ่งสามารถสร้างพันธุ์แท้ได้ง่าย หรือจะทำการผสมข้ามพันธุ์ (cross-fertilized) เพื่อสร้างลูกผสมก็ทำได้ง่ายโดยวิธีผสมโดยใช้มือช่วย (hand pollination)

    1.2 เป็นพืชที่ปลูกง่าย ไม่ต้องทำนุบำรุงรักษามากนัก ใช้เวลาปลูกตั้งแต่ปลูก จนถึงเก็บเกี่ยวภายในหนึ่งฤดูปลูก (growing season) หรือประมาณ 3 เดือน เท่านั้น และยังให้เมล็ดในปริมาณที่มากด้วย

    1.3 เป็นพืชที่ มีลักษณะทางพันธุกรรม ที่แตกต่างกันชัดเจนหลายลักษณะ ซึ่งในการทดลองดังกล่าว เมนเดลได้นำมาใช้ 7 ลักษณะด้วยกัน

2. เมนเดลรู้จักวางแผนการทดลอง

    2.1 เลือกศึกษาการถ่ายทอดลักษณะของถั่วลันเตาแต่ละลักษณะก่อน เมื่อเข้าใจหลักการถ่ายทอดลักษณะนั้น ๆ แล้ว เขาจึงได้ศึกษาการถ่ายทอดสองลักษณะไปพร้อม ๆ กัน

    2.2 ในการผสมพันธุ์จะใช้พ่อแม่ พันธุ์แท้ (pure line) ในลักษณะที่ตรงกันข้ามกัน มาทำการผสมข้ามพันธุ์เพื่อสร้างลูกผสมโดยใช้มือช่วย (hand pollination )

    2.3 ลูกผสมจากข้อ 2.2 เรียกว่าลูกผสมช่วงที่ 1 หรือ F1( first filial generation) นำลูกผสมที่ได้มาปลูกดูลักษณะที่เกิดขึ้นว่าเป็นอย่างไร บันทึกลักษณะและจำนวนที่พบ

    2.4 ปล่อยให้ลูกผสมช่วงที่ 1 ผสมกันเอง ลูกที่ได้เรียกว่า ลูกผสมช่วงที่ 2 หรือ F2( second filial generation) นำลูกช่วงที่ 2 มาปลูกดูลักษณะต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นว่าเป็นอย่างไร บันทึกลักษณะและจำนวนที่พบ

ลักษณะต่าง ๆ ของถั่วลันเตาที่เมนเดล ใช้ในการศึกษาการถ่ายทอดลักษณะพันธุกรรม

1. ลักษณะของเมล็ด - เมล็ดกลม และ เมล็ดย่น (round & wrinkled)

2. สีของเปลือกหุ้มเมล็ด - สีเหลือง และ สีเขียว (yellow & green)

3. สีของดอก - สีม่วงและ สีขาว (purple & white)

4. ลักษณะของฝัก - ฝักอวบ และ ฝักแฟบ (full & constricted)

5. ลักษณะสีของฝัก - สีเขียว และ สีเหลือง (green & yellow )

6. ลักษณะตำแหน่งของดอก-ดอกติดอยู่ที่กิ่ง และเป็นกระจุกที่ปลายยอด (axial & terminal)

7. ลักษณะความสูงของต้น - ต้นสูง และ ต้นเตี้ย (long & short)

ข้อสรุปจากการวิเคราะห์ของเมนเดล

1. การถ่ายทอดลักษณะหนึ่งลักษณะใดของสิ่งมีชีวิตถูกควบคุมโดยปัจจัย (fector) เป็นคู่ๆ ต่อมาปัจจัยเหล่านั้นถูกเรียกว่า ยีน (gene)

2. ยีนที่ควบคุมลักษณะต่างๆจะอยู่กันเป็นคู่ๆ และสามารถถ่ายทอดไปยังรุ่นต่อไปได้

3. ลักษณะแต่ละลักษณะจะมียีนควบคุม 1 คู่ โดยมียีนหนึ่งมาจากพ่อและอีกยีนมาจากแม่

4. เมื่อมีการสร้างเซลล์สืบพันธุ์(gamete) ยีนที่อยู่เป็นคู่ๆจะแยกออกจากกันไปอยู่ในเซลล์สืบพันธุ์ของแต่ละเซลล์และยีนเหล่านั้นจะเข้าคู่กันได้ใหม่อีกในไซโกต

5. ลักษณะที่ไม่ปรากฏในรุ่น F1  ไม่ได้สูญหายไปไหนเพียงแต่ไม่สามารถแสดงออกมาได้                                     6. ลักษณะที่ปรากฏออกมาในรุ่น F1   มีเพียงลักษณะเดียวเรียกว่า ลักษณะเด่น ( dominant) ส่วนลักษณะที่ปรากฏในรุ่น F2  และมีโอกาสปรากฏในรุ่นต่อไปได้น้อยกว่า เรียกว่า ลักษณะด้อย(recessive)

7. ในรุ่น F2 จะได้ลักษณะเด่นและลักษณะด้อยปรากฏออกมาเป็นอัตราส่วน เด่น : ด้อย = 3 : 1