โครโมโซมและสารพันธุกรรม

โครโมโซม (chromosome)

          สิ่งมีชีวิตประกอบด้วยหน่วยพื้นฐานที่สำคัญก็คือ เซลล์ เซลล์มีส่วนประกอบที่สำคัญได้แก่  ส่วนที่ห่อหุ้ม      (เยื่อหุ้มเซลล์และผนังเซลล์)  ไซโตพลาสซึม  และ นิวเคลียส

          ภายในนิวเคลียสของเซลล์มีสารพันธุกรรมเรียกว่า ดีเอ็นเอ (DNA) ดีเอ็นเอและโปรตีนหลายชนิด ประกอบกันเป็นโครงสร้างที่มีลักษณะเป็นสายยาวเรียนกว่า  โครมาทิน (chiomatin) ระหว่างการแบ่งเซลล์ โครมาทินจะขดตัวจนมีลักษณะเป็นท่อนๆ เรียกว่า โครโมโซม (Chromosome) ในระยะแรกของการแบ่งเซลล์ โครโมโซมจะจำลองตัวเอง  กลายเป็นโครมาทินที่ขดสั้นลงเป็น 2 เส้น  แต่ละเส้นเรียกว่า โครมาทิด (chromatid)  ซึ่งยึดติดกันที่ เซนโทรเมียร์ (centromere)

         

         

ภาพ โครงสร้างของนิวเคลียส

ในภาวะปกติเมื่อมองผ่านกล้องจุลทรรศน์จะเห็นโครโมโซมมีลักษณะคล้ายเส้นด้ายบางๆ เรียกว่า  “โครมาทิน (chromatin)” ขดตัวอยู่ในนิวเคลียส เมื่อเซลล์เริ่มแบ่งตัว เส้นโครมาทินจะหดตัวสั้นเข้ามีลักษณะเป็น แท่งจึงเรียกว่า “โครโมโซม” แต่ละโครโมโซมประกอบด้วยแขนสองข้างที่เรียกว่า “โครมาทิด (chomatid)” ซึ่ง แขนทั้งสองข้างจะมีจุดเชื่อมกัน เรียกว่า “เซนโทรเมียร์ (centromere)”

ภาพ โครงสร้างของโครโมโซม

                โครโมโซมเป็นโครงสร้างที่อยู่ในนิวเคลียสของเซลล์ ในขณะที่เซลล์ไม่แบ่งตัวโครโมโซมจะยืดยาวออก คล้าย ๆ เส้นใยเล็ก ๆ สานกันอยู่ในนิวเคลียส เมื่อมีการแบ่งเซลล์จะมีการแบ่งโครโมโซม โดยโครโมโซมจะ จำลองตัวเองขึ้นมาเป็นเส้นคู่ที่เหมือนกันทุกประการ แล้วค่อยๆ ขดตัวสั้นเข้า โครโมโซมก็จะโตมาก การศึกษา โครโมโซมจึงต้องศึกษาในระยะแบ่งเซลล์ ถ้ามีเทคนิคในการเตรียมที่ดี ก็จะสามารถมองเห็นรูปร่างลักษณะของ โครโมโซมจากกล้องจุลทรรศน์ และอาจนับจำนวนโครโมโซมได้ โครโมโซมเป็นโครงสร้างที่อยู่ในนิวเคลียส ของเซลล์ ในขณะที่เซลล์ไม่แบ่งตัวหรืออยู่ในระยะอินเตอร์เฟต (interphase) เราจะไม่เห็นโครโมโซมเนื่องจาก โครโมโซมอยู่ในลักษณะเป็นเส้นใยเล็กๆสานกันอยู่ในนิวเคลียสเส้นใยนี้เรียกว่า โครมาทิน (Chromatin) แต่เมื่อ เซลล์จะแบ่งตัวโครมาตินแต่ละเส้นจะแบ่งจาก 1 เป็น 2 เส้น แล้วขดตัวสั้นเข้าและหนาขึ้นจนมองเห็นเป็นแท่งใน ระยะโพรเฟส และเมทาเฟต และเรียกชื่อใหม่ว่า โครโมโซม ทำให้เรามองเห็นรูปร่างลักษณะและจำนวน โครโมโซมได้
           โครโมโซมที่เห็นได้ชัดในระยะเมทาเฟต ประกอบด้วย โครมาทิด 2 อัน ยึดติดกันตรง เซนโทรเมียร์ ซึ่งก็คือ DNA สายยาวสายเดียวที่พันรอบโปรตีนที่ชื่อ ฮีสโตน (histone) เอาไว้ ทำให้รูปร่างโครมาทินคล้ายลูกปัดที่เรียงต่อๆ กัน แล้วมี DNA พันรอบลูกปัดนั้น ในเซลล์ทั่วๆ ไป เมื่อย้อมสีเซลล์ ส่วนของ โครมาทินจะติดสีได้ดีและมองดูคล้ายตาข่ายละเอียดๆ จึงเห็นนิวเคลียสชัดเจน   

รูปร่าง ลักษณะ และจำนวนโครโมโซม

          สิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งอาจมีโครโมโซมที่มีรูปร่างแบบเดียวหรือหลายแบบ สามารถศึกษาโครโมโซมแบบต่างๆ ได้ดังนี้

1. เมตาเซนตริก (Metacentric) เป็นโครโมโซมที่มีแขนยื่น 2 ข้างออกจากเซนโทรเมียร์เท่ากันหรือเกือบเท่ากัน

2. ซับเมตาเซนตริก (Submetacentric) เป็นโครโมโซมที่มีแขนยื่นออกมา 2 ข้างจากเซนโทรเมียร์ไม่เท่ากัน

3. อะโครเซนตริก (Acrocentric) เป็นโครโมโซมที่มีลักษณะเป็นแท่งโดยมีเซนโทรเมียร์อยู่ใกล้กับปลายข้างใด ข้างหนึ่ง จึงเห็นส่วนเล็กๆ ยื่นออกจากเซนโทรเมียร์

4. เทโลเซนตริก (Telocentric) เป็นโครโมโซมที่มีลักษณะเป็นแท่งโดยมีเซนโทรเมียร์อยู่ตอนปลายสุดของ โครโมโซม 

ภาพ แสดงลักษณะรูปร่างของโครโมโซมแบบต่างๆ ตามตำแหน่งของเซนโทรเมียร์

          ในสิ่งมีชีวิตที่เซลล์ร่างกาย (Somatic cell) มีโครโมโซม 2 ชุด เรียกว่า ดิพลอยด์ (diploid : 2n) โดยชุดหนึ่งได้มาจากพ่อและอีกชุดหนึ่งได้มาจากแม่ตั้งแต่การปฏิสนธิ ประกอบด้วย autosome 22 คู่ + sex chromosome 1 คู่ รวมเป็น 23 คู่ หรือ 46 แท่ง ส่วนเซลล์สืบพันธุ์ (gamete , sex cell) เป็น แฮพลอยด์ (haploid : n) คือมี autosome 22 แท่ง + sex chromosome 1 แท่ง รวมเป็น 23 แท่ง โดยทั่วไปแล้วสิ่งมีชีวิตแต่ละสปีชีส์จะมีจำนวน โครโมโซมคงที่ ดังตารางข้างล่างนี้   

        

                                 ตาราง แสดงจำนวนโครโมโซมในเซลล์ร่างกายของสิ่งมีชีวิตต่างๆ

2.ส่วนประกอบของโครโมโซม
          ถ้าหากจะประมาณสัดส่วนระหว่าง DNA และโปรตีนที่เป็นองค์ประกอบของโครโมโซมของยูคาริโอตจะพบว่าประกอบด้วย DNA 1 ใน 3 และอีก 2 ใน 3 เป็นโปรตีน โดยส่วนที่เป็นโปรตีนจะเป็น ฮิสโตน  (histone) และนอนฮิสโตน (non-histone) อย่างละประมาณเท่าๆ กัน ในปี พ.ศ. 2427 นักวิทยาศาสตร์พบว่าฮิส โตนเป็นโปรตีนที่มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นกรดอะมิโนที่มีประจุบวก (basic amino acid) เช่น ไลซีน และ       อาร์จินีน ทำให้มีสมบัติในการเกาะจับกับสาย DNA ซึ่งมีประจุลบได้เป็นอย่างดี และทำให้เกิดการสร้างสมดุลของ ประจุ (neutralize) ของโครมาทินด้วยสาย DNA พันรอบกลุ่มโปรตีนฮิสโตนคล้ายเม็ดลูกปัดเรียกโครงสร้างนี้ว่า นิวคลีโอโซม (nucleosome) โดยจะมีฮิสโตนบางชนิดเชื่อมต่อระหว่างเม็ดลูกปัดแต่ละเม็ด

          ส่วนของโปรตีนนอนฮิสโตนนั้นมีมากมายหลายชนิด อาจเป็นร้อยหรือพันชนิด ขึ้นอยู่กับชนิดของ สิ่งมีชีวิตโดยโปรตีนเหล่านี้จะมีหน้าที่แตกต่างกันไป บางชนิดมีหน้าที่ช่วยในการขดตัวของ DNA หรือบางชนิดก็ เกี่ยวข้องกับกระบวนการจำลองตัวเองของดีเอ็นเอ (DNA replication) หรือการแสดงออกของยีน เป็นต้น สำหรับ ในโพรคาริโอต เช่น แบคทีเรีย E. coli  มีจำนวนโครโมโซมชุดเดียวเป็นรูปวงแหวนอยู่ใน  ไซโตพลาสซึม ประกอบด้วย DNA 1 โมเลกุล และไม่มีฮิสโตนเป็นองค์ประกอบโครโมโซมของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดที่ปกติจะมี จำนวนคงที่เสมอ และจะมีจำนวนเป็นเลขคู่

โครโมโซมของคน
           โครโมโซมของคนมี 46 แท่ง หรือ 23 คู่ ซึ่ง โครโมโซมแบ่ง ออกเป็น 2 ชนิด คือ
 โครโมโซมร่างกาย (autosome) ไม่มีความสัมพันธ์กับชนิดของเพศ นำลักษณะที่เกิดขึ้นได้เท่าๆกันทั้งสองเพศ มี 22 คู่  หรือ 44 แทง
โครโมโซมเพศ (sex chromosome)  มี 2 โครโมโซม โดยโครโมโซมในเพศหญิงจะมีลักษณะและขนาดเหมือนกันทั้งคู่ใช้สัญลักษณ์ XX  ส่วนโครโมโซมเพศในเพศชายจะมี รูปร่างลักษณะและขนาดต่างกันใช้สัญลักษณ์ XY 

ภาพ แสดงโครโมโซมของมนุษย์

กรดนิวคลีอิก มี 2 ประเภท คือ DNA (deoxyribonucleic acid) และ RNA (ribonucleic acid) เป็น polymer ของ nucleotide แต่ละโมเลกุลของ nucleotide ประกอบด้วยน้ำตาลเพนโตสและหมู่ฟอสเฟต แต่ละ nucleotide จะเชื่อมกันด้วย Phosphodiester bond กลายเป็นสาย polynucleotide ซึ่งมีปลาย 2 ปลาย คือ 5^/ (จบที่  C₅) และ 3^/ (จบที่  C₃)

ไนโตรจีนัสเบส (nitrogenous base) เป็นโครงสร้างประกอบด้วยวงแหวนที่มีอะตอมของคาร์บอนและไนโตรเจนแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ
          เบสพิวรีน (purine) มี 2 ชนิด คือ อะดีนีน (adenineหรือA) และกวานีน(guanine หรือ G)
          เบสไพริมิดีน(pyrimidine) มี 2 ชนิด คือ ไซโทซีน (cytosineหรือ c) และ ไทมีน (tymineหรือ t)
 

ภาพ นิวคลีโอไทด์ ที่มีีเบสชนิดต่างๆ ซึ่งเป็นองค์ประกอบของ DNA

 แบบจำลองดีเอ็นเอ

          แบบจำลองดีเอ็นเอของ วอตตันและคริกสมบูรณ์ที่สุด ใช้ข้อมูลจากชาร์กาฟฟ์ โครงสร้างเคมีและการฉายรังสีเอ็กซ์ใส่ ( X-ray diffraction ) พบว่า DNA มีโครงสร้างเป็นบันไดเวียนคู่ (double helix) วนขวาตามเข็มทั้งสองสายเรียงทอดตัวกลับหัวกลับหาง (antiparallel) คือ 3^/  จับกับ  5^/ ของอีกสาย โดยมีหมู่ฟอสเฟตกับน้ำตาลเป็นราวบันได (sugar-phosphate backbone) มีเบสของแต่ละสาย polynucleotide เป็นขั้นบันได เบสเหล่านี้จะจับคู่กันด้วย hydrogen bond อย่างมีแบบแผนคือ A จับกับ T (สองพันธะ)   Cจับกับ  G (สามพันธะ) เรียกว่าเบสคู่ผสม (complementary base) แต่ละสาย polynucleotide อยู่ห่างกัน 20 อังสตรอมหนึ่งรอบเกลียวยาว 34 อังสตรอม มีอยู่ 10 คู่เบส แสดงว่าแต่ละเบสอยู่ห่างกัน 3.4 อังสตรอม

ภาพแบบจำลองดีเอ็นเอ ของวอตตันและคริก