การสังเคราะห์กรดนิวคลีอิกและโปรตีน (Biosynthesis of nucleic acid and protein)

- การสังเคราะห์ DNA

- การสังเคราะห์ RNA

- กระบวนการเปลี่ยนแปลงภายหลังการสร้าง RNA

- การสังเคราะห์โปรตีน

- แอนติไบโอติก


เนื่องจาก DNA เป็นสารพันธุกรรม (genetic material) ที่บรรจุข้อความทางพันธุกรรม (genetic information) ของสิ่งมีชีวิต กระบวนการสังเคราะห์ DNA จึงเป็นกระบวนการ สร้าง DNA ใหม่ให้เหมือน DNA เดิมทุกประการ เพื่อเป็นการรักษาข้อความทางพันธุกรรม ที่จะถูกถ่ายทอดไปยังลูกหลานต่อไป


การสร้าง DNA ใหม่แบบ Semiconservative Replication

Semiconservative replication หมายถึง การสังเคราะห์ DNA ใหม่ โดยการที่ DNA เดิม ซึ่งเป็นเกลียวคู่อยู่ นั้นแยกสาย polydeoxyribonucleotide ออกมาเป็นเส้นเดี่ยวก่อน จากนั้นแต่ละสายทำหน้าที่เป็นแม่แบบใน การสังเคราะห์ polydeoxyribonucleotide สายใหม่ขึ้นมา ผลที่ได้คือ DNA ที่สร้างขึ้นมาใหม่นี้ประกอบขึ้นจาก polydeoxyribonucleotide สองสาย โดยสายหนึ่งมาจาก DNA เดิม อีกสายหนึ่งมาจาก การสังเคราะห์ขึ้นใหม่

กลไกการสังเคราะห์ DNA ใน E. coli
Origin of replication ของ E. Coli มีชื่อว่า OriC เมื่อจะมีการสังเคราะห์ DNA เอนไซม์เฮลิเคส (Helicase) จะเข้ามาจับที่ OriC แล้วทำให้ DNA คลายเกลียวออกเป็น สายเดี่ยว DNA สายเดี่ยวที่เกิดขึ้นนี้ไม่มีเสถียรภาพ จึงมีกลุ่มโปรตีนชื่อ single strand DNA binding protein (SSB) มาจับเอาไว้เพื่อป้องกันการกลับมารวมกัน ของสาย DNA เป็นเกลียวคู่ การแยกสาย DNA โดยเอนไซม์ Helicase นั้นเป็นการแยกทั้งสองทางของ origin of replication เรียกลักษณะเช่นนี้ว่า bidirectional replication หลังจากที่ได้ DNA สายเดี่ยวแล้ว DnaG (primase) จึงเริ่มมาจับกับสาย DNA นั้นเพื่อสร้าง RNA primer ขึ้นมา ซึ่ง RNA primer นี้ทำหน้าที่เป็นผู้ให้ ้หมู่ 3'-OH แก่ DNA polymerase ในการสังเคราะห์ DNA ต่อไป การคลายเกลียว DNA ออกเป็นเส้นเดี่ยวทำ ให้โมเลกุล DNA ส่วนที่อยู่เหนือจุดคลายเกลียวมีการขดม้วนตัวพันแน่นขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้นจึงมีเอนไซม์ topoisomerase (DNA gyrase) มาทำหน้าที่คลายการขดม้วนของ DNA โดยการทำลาย พันธะ phosphodiester ทำให้ DNA เกิดการหมุนคลายเกลียวก่อนที่จะกลับมาเชื่อมกัน อย่างเดิม


สารตั้งต้นในการสังเคราะห์ DNA โดย DNA polymerase ได้แก่ DNA template, RNA primer และ dNTP เมื่อเริ่มสังเคราะห์ DNA เอนไซม์ DNA polymerase III จะเข้ามา จับบนสาย DNA ต่อจาก RNA primer แล้วอ่านลำดับเบสบนสาย DNA template ในทิศ 3'>5'พร้อมกับสร้าง DNA สายใหม่ในทิศทาง 5'>3'


เนื่องจาก DNA polymerase สังเคราะห์ DNA ได้เพียงทิศทางเดียวคือ 5'>3' การสังเคราะห์ DNA ที่เกิดขึ้นในแต่ละฝั่งของ replication fork จึงต่างกัน ด้านที่มีการสังเคราะห์ DNA ใหม่ สามารถสังเคราะห์ ในทิศ 5'>3'ได้ตามการเคลื่อนที่ของ helicase ก็จะสังเคราะห์ DNA ได้ต่อเนื่องเป็นเส้นยาวเรียกว่า leading strand ส่วนฝั่ง ตรงกันข้ามการสังเคราะห์ DNA ในทิศ 5'>3'นั้นสวนทางกับการเคลื่อนที่ของ helicase จึง สังเคราะห์ได้เป็น DNA สายสั้นๆเรียกว่า lagging strand (Okazaki fragment) ก่อน ที่จะมาเชื่อมกัน ภายหลัง


เมื่อ DNA polymerase III สร้าง DNA สายใหม่ขึ้นมาจนกระทั่งชนกับ RNA primer ที่อยู่ก่อนหน้านั้น DNA polymerase III จะหลุดออก จากนั้น DNA polymerase I จะเข้า มาทำหน้าที่แทนโดยใช้ 5'>3'exonuclease activity ย่อย RNA primer ทิ้งแล้วใช้ 5'>3'polymerase activity สร้างสาย DNA ลง แทนตำแหน่งของ RNA primer จนหมด และเอนไซม์ DNA ligase ทำหน้าที่เชื่อม DNA ทั้งสองส่วนนี้เข้า ด้วยกัน การสังเคราะห์ DNA จึงเสร็จสมบูรณ์

 

 

 

 

 

 

 

 

 


โปรตีนและเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการ Semiconservative Replication

1. เอนไซม์ Type II โทโปไอโซเมอเรส (Type II topoisomerase) ในโปรคาริโอติกเซลล์หรือเรียกว่า DNA ไจเรส (DNA gyrase) ทำหน้าที่คลายเกลียวซูเปอร์คอยด์ ของ DNA มีหน่วยย่อย ( subunit ) 2 คู่ คือ A และ B นอกจากทำหน้าที่คลายเกลียวซูเปอร์คอยด์แล้วยังทำหน้าที่ในการเกิดเกลียวซูเปอร์คอยด์ของ DNA คู่ใหม่ที่ถูก สร้างขึ้นโดยกระบวน replication ปฏิกิริยานี้ต้องการพลังงานจากการสลาย ATP ไปเป็น ADP และ Pi


2. เฮลิเคส (helicase) ทำหน้าที่คลายเกลียวคู่ (double helix) ของ DNA ที่บริเว replication fork (เป็นบริเวณที่มีการคลายเกลียวพร้อมๆ กับมีการสร้าง DNA สายใหม่)


3. โปรตีนจับกับ DNA สายเดี่ยว (single-strand binding protein, SSB) ทำหน้าที่ป้องกันการกลับมาเกิด เป็นเกลียวคู่ของ DNA ก่อนที่จะเกิดการสร้าง DNA โดย SSB จะเข้ามาจับที่ DNA แต่ละสายอย่างแน่น


4. เอนไซม์สร้าง RNA ไพรเมอร์ (RNA primer) มีชื่อเรียกว่า primase


5. DNA พอลิเมอเรส (DNA polymerase)


6. เอนไซม์กำจัด RNA ไพรเมอร์


7. เอนไซม์เชื่อมชิ้นส่วนโอกาซากิ (Okazagi fragment) มีชื่อเรียกว่า DNA ligase

 


ที่มา: www.cbs.dtu.dk