वंशागति के आणविक आधार | Molecular Basis of Inheritance
DNA की संरचना
प्रतिकृति (Replication)
अनुलेखन व अनुवादन
DNA फिंगरप्रिंटिंग
वंशागति के आणविक आधार
(Molecular Basis of Inheritance)
(Molecular Basis of Inheritance)
DNA, RNA और आनुवंशिक जानकारी के प्रवाह का आणविक और वैज्ञानिक अध्ययन
जीवन की ब्लूप्रिंट
प्रत्येक जीवित कोशिका के केंद्रक में छिपा वह रहस्य, जो पीढ़ियों को एक धागे में पिरोता है।
प्रस्तावना और DNA की संरचना
पिछले अध्याय में हमने मेंडल के वंशागति के नियमों और 'कारकों' (Factors) के बारे में पढ़ा। अगले सौ वर्षों की खोजों ने यह स्पष्ट कर दिया कि अधिकांश जीवों में डीऑक्सीराइबोन्यूक्लिक अम्ल (DNA) ही वह आनुवंशिक पदार्थ (Genetic material) है। कुछ विषाणुओं (Viruses) में राइबोन्यूक्लिक अम्ल (RNA) आनुवंशिक पदार्थ के रूप में कार्य करता है, लेकिन मुख्य रूप से RNA एक संदेशवाहक (Messenger) के रूप में कार्य करता है।
पॉलीन्यूक्लियोटाइड श्रृंखला (Polynucleotide Chain)
DNA और RNA दोनों न्यूक्लियोटाइड्स के लंबे बहुलक (Polymers) हैं। एक न्यूक्लियोटाइड (Nucleotide) के तीन घटक होते हैं: एक नाइट्रोजनी क्षार (Nitrogenous base), एक पेंटोज शर्करा (Pentose sugar - RNA में राइबोज और DNA में डीऑक्सीराइबोज), और एक फॉस्फेट समूह (Phosphate group)।
- प्यूरीन (Purines): एडेनिन (A) और ग्वानिन (G)। (ये दोनों DNA और RNA में होते हैं)।
- पिरिमिडीन (Pyrimidines): साइटोसिन (C), थाइमिन (T) और यूरैसिल (U)। (DNA में साइटोसिन और थाइमिन होते हैं; RNA में थाइमिन की जगह यूरैसिल होता है)।
एक न्यूक्लियोटाइड का फॉस्फेट समूह अगले न्यूक्लियोटाइड की शर्करा के 3'-OH समूह से 3'-5' फॉस्फोडाइएस्टर बंध (Phosphodiester bond) द्वारा जुड़कर एक पॉलीन्यूक्लियोटाइड श्रृंखला बनाता है। इस श्रृंखला के एक सिरे पर स्वतंत्र 5'-फॉस्फेट होता है (5' end) और दूसरे सिरे पर स्वतंत्र 3'-OH होता है (3' end)।
वाटसन और क्रिक का डबल हेलिक्स मॉडल (1953)
मॉरिस विल्किंस (Wilkins) और रोज़ालिंड फ्रैंकलिन (Franklin) के एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) डेटा और चारगाफ के नियम (Chargaff's Rule - A=T और G=C) के आधार पर, जेम्स वाटसन और फ्रांसिस क्रिक ने DNA का प्रसिद्ध द्विकुंडलिनी मॉडल (Double Helix Model) प्रस्तुत किया।
मुख्य विशेषताएं:
1. DNA दो पॉलीन्यूक्लियोटाइड श्रृंखलाओं से बना है, जिनकी बैकबोन शर्करा-फॉस्फेट की होती है और क्षार अंदर की ओर होते हैं。
2. दोनों श्रृंखलाएं प्रति-समानांतर (Anti-parallel) होती हैं (एक की ध्रुवीयता 5'→3' तो दूसरे की 3'→5')。
3. दोनों श्रृंखलाओं के क्षार हाइड्रोजन बंध (Hydrogen bonds) द्वारा जुड़े होते हैं। A हमेशा T के साथ 2 H-बंध बनाता है, और G हमेशा C के साथ 3 H-बंध बनाता है。
4. दोनों श्रृंखलाएं दाहिने हाथ (Right-handed) की दिशा में कुंडलित होती हैं। हेलिक्स का पिच (Pitch) 3.4 nm होता है और प्रत्येक घुमाव में लगभग 10 bp (base pairs) होते हैं। (दो bp के बीच की दूरी 0.34 nm होती है)।
मुख्य विशेषताएं:
1. DNA दो पॉलीन्यूक्लियोटाइड श्रृंखलाओं से बना है, जिनकी बैकबोन शर्करा-फॉस्फेट की होती है और क्षार अंदर की ओर होते हैं。
2. दोनों श्रृंखलाएं प्रति-समानांतर (Anti-parallel) होती हैं (एक की ध्रुवीयता 5'→3' तो दूसरे की 3'→5')。
3. दोनों श्रृंखलाओं के क्षार हाइड्रोजन बंध (Hydrogen bonds) द्वारा जुड़े होते हैं। A हमेशा T के साथ 2 H-बंध बनाता है, और G हमेशा C के साथ 3 H-बंध बनाता है。
4. दोनों श्रृंखलाएं दाहिने हाथ (Right-handed) की दिशा में कुंडलित होती हैं। हेलिक्स का पिच (Pitch) 3.4 nm होता है और प्रत्येक घुमाव में लगभग 10 bp (base pairs) होते हैं। (दो bp के बीच की दूरी 0.34 nm होती है)।
DNA कुंडली का पैकेजिंग (Packaging of DNA Helix)
एक विशिष्ट स्तनधारी कोशिका (Human cell) में DNA की कुल लंबाई लगभग 2.2 मीटर होती है! इतनी लंबी रचना को एक छोटे से केंद्रक (लगभग 10-6 m) में कैसे पैक किया जाता है?
यूकैरियोट्स में, यह कार्य हिस्टोन (Histones) नामक धनात्मक (+) आवेशित क्षारीय प्रोटीनों के एक समूह द्वारा किया जाता है। हिस्टोन 8 अणुओं की एक इकाई बनाते हैं जिसे हिस्टोन अष्टक (Histone octamer) कहते हैं।
ऋणात्मक (-) आवेशित DNA इस धनात्मक हिस्टोन अष्टक के चारों ओर लिपटकर एक संरचना बनाता है जिसे न्यूक्लियोसोम (Nucleosome) कहते हैं। एक विशिष्ट न्यूक्लियोसोम में 200 bp DNA हेलिक्स होता है।
इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के नीचे, न्यूक्लियोसोम धागे पर मोतियों (Beads-on-string) की तरह दिखते हैं। ये संरचनाएं आगे कुंडलित होकर क्रोमेटिन फाइबर और अंततः कोशिका विभाजन के दौरान गुणसूत्र (Chromosomes) बनाती हैं।
आनुवंशिक पदार्थ की खोज (The Search for Genetic Material)
लंबे समय तक वैज्ञानिकों में बहस थी कि आनुवंशिक पदार्थ प्रोटीन है या DNA। इसे सिद्ध करने के लिए कई क्लासिक प्रयोग किए गए:
1. ग्रिफिथ का रूपांतरण प्रयोग (Transforming Principle - 1928)
फ्रेडरिक ग्रिफिथ (Frederick Griffith) ने Streptococcus pneumoniae (निमोनिया पैदा करने वाला जीवाणु) और चूहों पर प्रयोग किए। उन्होंने जीवाणु के दो स्ट्रेन लिए: S-strain (Smooth/रोगजनक, कैप्सूल युक्त) और R-strain (Rough/अहानिकर)।
• S-strain चूहों में इंजेक्ट किया → चूहे मर गए。
• R-strain इंजेक्ट किया → चूहे जीवित रहे。
• ताप-मृत (Heat-killed) S-strain इंजेक्ट किया → चूहे जीवित रहे。
• Heat-killed S-strain + जीवित R-strain इंजेक्ट किया → चूहे मर गए! और मरे हुए चूहों से जीवित S-strain प्राप्त हुए।
निष्कर्ष: R-strain जीवाणु, ताप-मृत S-strain द्वारा किसी तरह "रूपांतरित" (Transformed) हो गए थे। ग्रिफिथ ने इसे 'रूपांतरण सिद्धांत' कहा, लेकिन इसकी जैव-रासायनिक प्रकृति का पता नहीं लगा सके।
• S-strain चूहों में इंजेक्ट किया → चूहे मर गए。
• R-strain इंजेक्ट किया → चूहे जीवित रहे。
• ताप-मृत (Heat-killed) S-strain इंजेक्ट किया → चूहे जीवित रहे。
• Heat-killed S-strain + जीवित R-strain इंजेक्ट किया → चूहे मर गए! और मरे हुए चूहों से जीवित S-strain प्राप्त हुए।
निष्कर्ष: R-strain जीवाणु, ताप-मृत S-strain द्वारा किसी तरह "रूपांतरित" (Transformed) हो गए थे। ग्रिफिथ ने इसे 'रूपांतरण सिद्धांत' कहा, लेकिन इसकी जैव-रासायनिक प्रकृति का पता नहीं लगा सके।
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रूपांतरण सिद्धांत का जैव रासायनिक लक्षण-वर्णन (1933-44): ओसवाल्ड एवरी (Avery), कॉलिन मैकलियोड (MacLeod) और मैकलिन मैक्कार्टी (McCarty) ने ग्रिफिथ के ताप-मृत S-कोशिकाओं से जैव रसायनों (प्रोटीन, DNA, RNA) को शुद्ध किया। उन्होंने देखा कि केवल S-strain का DNA ही R-strain को S-strain में बदलने के लिए जिम्मेदार था। (प्रोटीएज और आरएनऐज एंजाइमों ने रूपांतरण को प्रभावित नहीं किया, लेकिन DNase ने रूपांतरण को रोक दिया)। फिर भी, सभी जीवविज्ञानी आश्वस्त नहीं थे।
3. हर्शे-चेस का प्रयोग (Hershey-Chase Experiment - 1952)
अल्फ्रेड हर्शे और मार्था चेस ने बैक्टीरियोफेज (Bacteriophages - जीवाणुभोजी विषाणु) का उपयोग करके अंतिम और निर्विवाद प्रमाण (Unequivocal proof) दिया कि DNA ही आनुवंशिक पदार्थ है।
उन्होंने कुछ विषाणुओं को रेडियोधर्मी फास्फोरस (32P - जो केवल DNA में जाता है) और कुछ को रेडियोधर्मी सल्फर (35S - जो केवल प्रोटीन में जाता है) वाले माध्यम में उगाया。
• जब 35S (रेडियोधर्मी प्रोटीन) वाले विषाणुओं ने E. coli को संक्रमित किया, तो संक्रमण के बाद जीवाणु रेडियोधर्मी नहीं पाए गए。
• जब 32P (रेडियोधर्मी DNA) वाले विषाणुओं ने E. coli को संक्रमित किया, तो जीवाणु रेडियोधर्मी पाए गए。
निष्कर्ष: विषाणु से जीवाणु में प्रवेश करने वाला पदार्थ DNA था, प्रोटीन नहीं। अतः DNA ही आनुवंशिक पदार्थ है।
उन्होंने कुछ विषाणुओं को रेडियोधर्मी फास्फोरस (32P - जो केवल DNA में जाता है) और कुछ को रेडियोधर्मी सल्फर (35S - जो केवल प्रोटीन में जाता है) वाले माध्यम में उगाया。
• जब 35S (रेडियोधर्मी प्रोटीन) वाले विषाणुओं ने E. coli को संक्रमित किया, तो संक्रमण के बाद जीवाणु रेडियोधर्मी नहीं पाए गए。
• जब 32P (रेडियोधर्मी DNA) वाले विषाणुओं ने E. coli को संक्रमित किया, तो जीवाणु रेडियोधर्मी पाए गए。
निष्कर्ष: विषाणु से जीवाणु में प्रवेश करने वाला पदार्थ DNA था, प्रोटीन नहीं। अतः DNA ही आनुवंशिक पदार्थ है।
RNA World: हालाँकि DNA मुख्य आनुवंशिक पदार्थ है, लेकिन RNA पहला आनुवंशिक पदार्थ था। जीवन की आवश्यक प्रक्रियाएं (मेटाबॉलिज्म, ट्रांसलेशन, स्प्लिसिंग) RNA के इर्द-गिर्द विकसित हुईं। RNA उत्प्रेरक (Catalyst / Ribozyme) के रूप में भी कार्य करता है। लेकिन उत्प्रेरक के रूप में RNA प्रतिक्रियाशील और अस्थिर था। इसलिए, रासायनिक संशोधनों के साथ RNA से DNA (जो अधिक स्थिर है) का विकास हुआ।
DNA प्रतिकृति (DNA Replication)
वाटसन और क्रिक ने DNA का डबल हेलिक्स मॉडल देते समय तुरंत सुझाव दिया था कि इसकी प्रतिकृति अर्ध-संरक्षी (Semi-conservative) होनी चाहिए। इसका अर्थ है कि प्रतिकृति के बाद, प्रत्येक DNA अणु में एक पैतृक स्ट्रैंड (Parental strand) और एक नया संश्लेषित (Newly synthesized) स्ट्रैंड होगा।
मेसेल्सन और स्टाल का प्रयोग (Meselson & Stahl - 1958)
उन्होंने E. coli को एक ऐसे माध्यम में उगाया जिसमें 15NH4Cl (भारी नाइट्रोजन) था, जब तक कि 15N उनके DNA में पूरी तरह से शामिल नहीं हो गया।
फिर उन्होंने इन कोशिकाओं को सामान्य 14NH4Cl वाले माध्यम में स्थानांतरित किया और विभिन्न समय अंतरालों (हर 20 मिनट में E. coli विभाजित होता है) पर DNA के नमूने निकाले। उन्होंने सीज़ियम क्लोराइड (CsCl) घनत्व प्रवणता अपकेंद्रण का उपयोग करके DNA को अलग किया。
• एक पीढ़ी (20 मिनट) के बाद, DNA का घनत्व मध्यवर्ती (Hybrid - 15N/14N) था。
• दो पीढ़ियों (40 मिनट) के बाद, हाइब्रिड और हल्के (14N/14N) DNA का समान अनुपात मिला。
इसने पूरी तरह से साबित कर दिया कि DNA प्रतिकृति अर्ध-संरक्षी है। (टेलर ने Vicia faba / फवा बीन्स पर रेडियोधर्मी थाइमिडीन का उपयोग करके भी इसे पौधों में सिद्ध किया)।
फिर उन्होंने इन कोशिकाओं को सामान्य 14NH4Cl वाले माध्यम में स्थानांतरित किया और विभिन्न समय अंतरालों (हर 20 मिनट में E. coli विभाजित होता है) पर DNA के नमूने निकाले। उन्होंने सीज़ियम क्लोराइड (CsCl) घनत्व प्रवणता अपकेंद्रण का उपयोग करके DNA को अलग किया。
• एक पीढ़ी (20 मिनट) के बाद, DNA का घनत्व मध्यवर्ती (Hybrid - 15N/14N) था。
• दो पीढ़ियों (40 मिनट) के बाद, हाइब्रिड और हल्के (14N/14N) DNA का समान अनुपात मिला。
इसने पूरी तरह से साबित कर दिया कि DNA प्रतिकृति अर्ध-संरक्षी है। (टेलर ने Vicia faba / फवा बीन्स पर रेडियोधर्मी थाइमिडीन का उपयोग करके भी इसे पौधों में सिद्ध किया)।
मशीनरी और एंजाइम (The Machinery and Enzymes)
प्रतिकृति के लिए एंजाइमों के एक सेट की आवश्यकता होती है। मुख्य एंजाइम DNA-dependent DNA Polymerase है। यह डीऑक्सीन्यूक्लियोटाइड्स के बहुलकीकरण (Polymerization) को उत्प्रेरित करता है। यह एंजाइम अत्यधिक कुशल है; E. coli में 4.6 × 106 bp को केवल 38 मिनट में कॉपी कर लेता है (लगभग 2000 bp प्रति सेकंड)!
A
प्रतिकृति का मूल (Origin of Replication - ori): DNA प्रतिकृति यादृच्छिक रूप से कहीं से भी शुरू नहीं होती; यह DNA में विशिष्ट क्षेत्रों से शुरू होती है जिन्हें 'ori' कहा जाता है। हेलीकेस (Helicase) एंजाइम DNA के डबल हेलिक्स को खोलता है, जिससे प्रतिकृति कांटा (Replication fork) बनता है।
B
सतत और असतत संश्लेषण (Continuous & Discontinuous): DNA पोलीमरेज़ केवल एक ही दिशा (5' → 3') में बहुलकीकरण उत्प्रेरित कर सकता है।
इसलिए, 3'→5' ध्रुवता वाले टेम्पलेट स्ट्रैंड पर, प्रतिकृति सतत (Continuous) होती है (Leading strand)।
लेकिन दूसरे टेम्पलेट (5'→3' ध्रुवता) पर, प्रतिकृति असतत (Discontinuous) होती है, जो छोटे टुकड़ों में बनती है जिन्हें ओकाजाकी खंड (Okazaki fragments) कहते हैं (Lagging strand)।
इसलिए, 3'→5' ध्रुवता वाले टेम्पलेट स्ट्रैंड पर, प्रतिकृति सतत (Continuous) होती है (Leading strand)।
लेकिन दूसरे टेम्पलेट (5'→3' ध्रुवता) पर, प्रतिकृति असतत (Discontinuous) होती है, जो छोटे टुकड़ों में बनती है जिन्हें ओकाजाकी खंड (Okazaki fragments) कहते हैं (Lagging strand)।
C
लाइगेज (Ligase): असतत रूप से संश्लेषित ओकाजाकी खंडों को बाद में DNA लाइगेज (DNA Ligase) एंजाइम द्वारा आपस में जोड़ (Seal) दिया जाता है।
अनुलेखन (Transcription)
DNA से आनुवंशिक जानकारी को RNA में कॉपी करने की प्रक्रिया को अनुलेखन (Transcription) कहा जाता है। प्रतिकृति के विपरीत, अनुलेखन में जीव के कुल DNA का केवल एक खंड (Segment) और केवल एक स्ट्रैंड ही RNA में कॉपी किया जाता है। (यदि दोनों स्ट्रैंड कॉपी किए जाएं, तो वे डबल-स्ट्रैंडेड RNA बना लेंगे जो आगे प्रोटीन नहीं बना पाएगा)।
अनुलेखन इकाई (Transcription Unit)
DNA में एक अनुलेखन इकाई के मुख्य रूप से 3 भाग होते हैं:
1. उन्नायक (Promoter): यह अनुलेखन की शुरुआत (5' छोर की ओर) का प्रतीक है। यह वह स्थान है जहाँ RNA Polymerase एंजाइम जुड़ता है।
2. संरचनात्मक जीन (Structural Gene): जिस DNA स्ट्रैंड की ध्रुवता 3'→5' होती है, वह टेम्पलेट (Template strand) के रूप में कार्य करता है। दूसरे स्ट्रैंड (5'→3') को कोडिंग स्ट्रैंड (Coding strand) कहते हैं (यद्यपि यह किसी चीज़ के लिए कोड नहीं करता, लेकिन RNA का अनुक्रम ठीक कोडिंग स्ट्रैंड जैसा ही होता है, बस थाइमिन की जगह यूरैसिल होता है)।
3. समापक (Terminator): यह कोडिंग स्ट्रैंड के 3' छोर की ओर स्थित होता है और अनुलेखन प्रक्रिया के अंत को परिभाषित करता है।
प्रक्रिया (प्रोकैरियोट्स बनाम यूकैरियोट्स)
प्रोकैरियोट्स में अनुलेखन (Bacteria)
जीवाणुओं में केवल एक ही DNA-dependent RNA Polymerase होता है जो सभी प्रकार के RNA (mRNA, tRNA, rRNA) का अनुलेखन करता है। यह प्रमोटर से जुड़ता है और दीर्घाकरण (Elongation) शुरू करता है। शुरुआत करने के लिए यह सिग्मा कारक (σ) और समाप्त करने के लिए रो कारक (ρ) के साथ जुड़ता है। बैक्टीरिया में चूँकि कोई केंद्रक नहीं होता, अनुलेखन और अनुवादन (Translation) एक साथ (Coupled) हो सकते हैं।
यूकैरियोट्स में अनुलेखन (जटिलता)
यूकैरियोट्स में दो मुख्य जटिलताएं हैं:
1. केंद्रक में कम से कम तीन RNA Polymerase होते हैं (Pol I → rRNA, Pol II → mRNA/hnRNA, Pol III → tRNA)।
2. यूकैरियोटिक जीन विभक्त (Split genes) होते हैं। इनमें कोडिंग अनुक्रम (Exons) और नॉन-कोडिंग अनुक्रम (Introns) दोनों होते हैं। प्राथमिक प्रतिलेख (hnRNA) को सक्रिय mRNA बनने के लिए एक प्रक्रिया से गुजरना पड़ता है जिसे स्प्लिसिंग (Splicing) कहते हैं (जिसमें Introns हटा दिए जाते हैं)। इसके अलावा, 5' सिरे पर कैपिंग (Capping - Methyl guanosine triphosphate) और 3' सिरे पर टेलिंग (Tailing - Poly A tail) की जाती है। इसके बाद ही परिपक्व mRNA केंद्रक से बाहर साइटोप्लाज्म में आता है।
1. केंद्रक में कम से कम तीन RNA Polymerase होते हैं (Pol I → rRNA, Pol II → mRNA/hnRNA, Pol III → tRNA)।
2. यूकैरियोटिक जीन विभक्त (Split genes) होते हैं। इनमें कोडिंग अनुक्रम (Exons) और नॉन-कोडिंग अनुक्रम (Introns) दोनों होते हैं। प्राथमिक प्रतिलेख (hnRNA) को सक्रिय mRNA बनने के लिए एक प्रक्रिया से गुजरना पड़ता है जिसे स्प्लिसिंग (Splicing) कहते हैं (जिसमें Introns हटा दिए जाते हैं)। इसके अलावा, 5' सिरे पर कैपिंग (Capping - Methyl guanosine triphosphate) और 3' सिरे पर टेलिंग (Tailing - Poly A tail) की जाती है। इसके बाद ही परिपक्व mRNA केंद्रक से बाहर साइटोप्लाज्म में आता है।
आनुवंशिक कूट और अनुवादन (Genetic Code & Translation)
प्रतिकृति और अनुलेखन में न्यूक्लिक एसिड से न्यूक्लिक एसिड (DNA से RNA) की कॉपी होती है, जो पूरकता (Complementarity) के आधार पर समझना आसान है। लेकिन अनुवादन (Translation) में न्यूक्लियोटाइड्स के क्रम से अमीनो अम्लों (Amino acids) का बहुलक (प्रोटीन) बनता है। इसके लिए एक कूट (Code) की आवश्यकता थी।
आनुवंशिक कूट (The Genetic Code) के मुख्य गुण
भौतिक विज्ञानी जॉर्ज गैमो (George Gamow) ने तर्क दिया कि चूँकि 4 ही क्षार (Bases) हैं और 20 अमीनो अम्ल हैं, इसलिए कोड को क्षारों के संयोजन से बनना चाहिए। 3 क्षारों का क्रम (43 = 64) पर्याप्त होगा। हरगोबिंद खुराना और मार्शल निरेनबर्ग ने इसे डिकोड करने में मदद की।
• कोडॉन त्रिक (Triplet) है: 61 कोडॉन अमीनो अम्लों के लिए कोड करते हैं और 3 कोडॉन (UAA, UAG, UGA) किसी भी अमीनो अम्ल के लिए कोड नहीं करते (वे स्टॉप/नॉनसेंस कोडॉन हैं)।
• असंदीग्ध (Unambiguous) और विशिष्ट (Specific): एक कोडॉन केवल एक ही अमीनो अम्ल के लिए कोड करता है।
• अपह्रासित (Degenerate): कुछ अमीनो अम्ल एक से अधिक कोडॉन द्वारा कोड किए जाते हैं।
• सार्वभौमिक (Universal): बैक्टीरिया से लेकर मनुष्य तक, UUU फेनिलएलनिन के लिए ही कोड करेगा।
• AUG के दोहरे कार्य: यह मेथियोनिन (Met) के लिए कोड करता है और यह प्रारंभक (Initiator) कोडॉन भी है।
• कोडॉन त्रिक (Triplet) है: 61 कोडॉन अमीनो अम्लों के लिए कोड करते हैं और 3 कोडॉन (UAA, UAG, UGA) किसी भी अमीनो अम्ल के लिए कोड नहीं करते (वे स्टॉप/नॉनसेंस कोडॉन हैं)।
• असंदीग्ध (Unambiguous) और विशिष्ट (Specific): एक कोडॉन केवल एक ही अमीनो अम्ल के लिए कोड करता है।
• अपह्रासित (Degenerate): कुछ अमीनो अम्ल एक से अधिक कोडॉन द्वारा कोड किए जाते हैं।
• सार्वभौमिक (Universal): बैक्टीरिया से लेकर मनुष्य तक, UUU फेनिलएलनिन के लिए ही कोड करेगा।
• AUG के दोहरे कार्य: यह मेथियोनिन (Met) के लिए कोड करता है और यह प्रारंभक (Initiator) कोडॉन भी है।
अनुवादन (Translation) की प्रक्रिया
अनुवादन वह प्रक्रिया है जिसमें अमीनो अम्लों के बहुलकीकरण से पॉलीपेप्टाइड (प्रोटीन) बनता है। अमीनो अम्लों को mRNA तक लाने और कोडॉन को 'पढ़ने' का काम tRNA (Transfer RNA) करता है, जिसे अनुकूलक अणु (Adapter molecule) भी कहते हैं। tRNA में एक एंटीकोडॉन लूप (जो mRNA पर कोडॉन के पूरक होता है) और एक अमीनो एसिड स्वीकर्ता सिरा होता है।
1
अमीनोएसाइलेशन (Aminoacylation of tRNA): सबसे पहले अमीनो अम्ल ATP की उपस्थिति में सक्रिय होते हैं और अपने विशिष्ट tRNA से जुड़ जाते हैं। इसे tRNA की चार्जिंग भी कहते हैं।
2
प्रारंभ (Initiation): यह प्रक्रिया राइबोसोम (Ribosome) में होती है। राइबोसोम की छोटी उप-इकाई mRNA से (AUG कोडॉन पर) जुड़ती है। फिर प्रारंभिक tRNA (Met के साथ) आता है और बड़ी उप-इकाई जुड़ जाती है।
3
दीर्घाकरण (Elongation): राइबोसोम mRNA पर कोडॉन दर कोडॉन आगे बढ़ता है। उपयुक्त tRNA नए अमीनो अम्ल लाते हैं। दो अमीनो अम्लों के बीच पेप्टाइड बंध (Peptide bond) बनता है (इस कार्य में राइबोसोम राइबोजाइम / उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है)।
4
समापन (Termination): जब राइबोसोम किसी स्टॉप कोडॉन (UAA, UAG, UGA) पर पहुंचता है, तो कोई tRNA नहीं आता। एक रिलीज फैक्टर स्टॉप कोडॉन से जुड़ता है और बनी हुई नई प्रोटीन श्रृंखला (Polypeptide) को मुक्त कर देता है।
जीन अभिव्यक्ति का नियमन: लैक ओपेरॉन (Lac Operon)
जीन अभिव्यक्ति (Gene Expression) का परिणाम एक पॉलीपेप्टाइड का निर्माण है। इसे विभिन्न स्तरों पर नियंत्रित किया जा सकता है (अनुलेखन स्तर, स्प्लिसिंग स्तर, RNA परिवहन स्तर, और अनुवादन स्तर)। प्रोकैरियोट्स में, जीन अभिव्यक्ति का नियंत्रण मुख्य रूप से अनुलेखन के प्रारंभन (Transcriptional initiation) के स्तर पर होता है।
लैक ओपेरॉन की कार्यप्रणाली (Francois Jacob & Jacques Monod)
E. coli जीवाणु में, लैक्टोज (Lactose) के चयापचय के लिए जिम्मेदार 3 संरचनात्मक जीनों को एक ही प्रमोटर और ऑपरेटर द्वारा एक साथ (पॉलीसिस्ट्रोनिक) नियंत्रित किया जाता है। इस व्यवस्था को लैक ओपेरॉन (Lac Operon) कहते हैं।
जीन संरचना:
• i जीन (नियामक जीन): यह लगातार (Constitutively) एक दमनकारी (Repressor) प्रोटीन बनाता है।
• z जीन: यह β-galactosidase (β-gal) के लिए कोड करता है (लैक्टोज को ग्लूकोज + गैलेक्टोज में तोड़ता है)।
• y जीन: Permease के लिए कोड करता है (लैक्टोज के लिए कोशिका की पारगम्यता बढ़ाता है)।
• a जीन: Transacetylase के लिए कोड करता है।
• i जीन (नियामक जीन): यह लगातार (Constitutively) एक दमनकारी (Repressor) प्रोटीन बनाता है।
• z जीन: यह β-galactosidase (β-gal) के लिए कोड करता है (लैक्टोज को ग्लूकोज + गैलेक्टोज में तोड़ता है)।
• y जीन: Permease के लिए कोड करता है (लैक्टोज के लिए कोशिका की पारगम्यता बढ़ाता है)।
• a जीन: Transacetylase के लिए कोड करता है।
लैक्टोज की अनुपस्थिति में (In absence of Inducer):
दमनकारी (Repressor) प्रोटीन ऑपरेटर (Operator - o) क्षेत्र से मजबूती से जुड़ जाता है। यह RNA Polymerase को प्रमोटर से जुड़ने और संरचनात्मक जीनों को अनुलेखित (Transcribe) करने से रोकता है। (ओपेरॉन बंद/Switched OFF रहता है)।
लैक्टोज की उपस्थिति में (In presence of Inducer):
लैक्टोज (या एलोलैक्टोज) एक प्रेरक (Inducer) के रूप में कार्य करता है। यह दमनकारी प्रोटीन से जुड़ जाता है और उसे निष्क्रिय (Inactive) कर देता है। अब दमनकारी ऑपरेटर से नहीं जुड़ सकता। RNA Polymerase प्रमोटर से जुड़ता है और z, y, a जीनों का अनुलेखन करता है (ओपेरॉन चालू/Switched ON हो जाता है)।
चूँकि लैक ओपेरॉन का नियंत्रण एक दमनकारी (Repressor) द्वारा होता है, इसलिए इसे नकारात्मक नियमन (Negative regulation) का एक उत्कृष्ट उदाहरण माना जाता है।
मानव जीनोम परियोजना और DNA फिंगरप्रिंटिंग
मानव जीनोम परियोजना (Human Genome Project - HGP)
मानव जीनोम में लगभग 3 × 109 bp (base pairs) होते हैं। 1990 में शुरू की गई 'मानव जीनोम परियोजना' एक 13 साल लंबी 'मेगा-परियोजना' थी जिसका उद्देश्य मानव DNA के संपूर्ण न्यूक्लियोटाइड अनुक्रम का पता लगाना था।
- मुख्य विशेषताएं: मानव जीनोम में लगभग 3164.7 मिलियन न्यूक्लियोटाइड क्षार हैं। जीन की औसत लंबाई 3000 क्षार है। सबसे बड़ा ज्ञात मानव जीन डिस्ट्रोफिन (Dystrophin - 2.4 मिलियन क्षार) है।
- खोजे गए जीनों की कुल संख्या लगभग 30,000 आंकी गई है। 50% से अधिक जीनों का कार्य अज्ञात है। 2% से भी कम जीनोम प्रोटीन के लिए कोड करता है।
- पुनरावृत्त अनुक्रम (Repeated sequences): मानव जीनोम का बहुत बड़ा हिस्सा बनाते हैं (ये कोड नहीं करते, लेकिन क्रोमोसोम संरचना और विकास पर प्रकाश डालते हैं)। क्रोमोसोम 1 में सबसे अधिक (2968) और क्रोमोसोम Y में सबसे कम (231) जीन होते हैं। SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms): 1.4 मिलियन स्थानों पर एकल आधार DNA अंतर पहचाने गए हैं।
DNA फिंगरप्रिंटिंग (DNA Fingerprinting)
दुनिया के किन्हीं भी दो व्यक्तियों का 99.9% DNA अनुक्रम एक समान होता है। जो 0.1% अंतर है, वही प्रत्येक व्यक्ति को अद्वितीय (Unique) बनाता है। दो व्यक्तियों के DNA की तुलना करने की सबसे तेज़ विधि DNA फिंगरप्रिंटिंग है। इस तकनीक का प्रारंभिक विकास एलेक जेफ्रीज (Alec Jeffreys) ने किया था।
सिद्धांत और VNTRs
यह तकनीक DNA अनुक्रम के कुछ विशिष्ट क्षेत्रों में अंतर की पहचान करने पर आधारित है जिन्हें पुनरावृत्त DNA (Repetitive DNA) कहा जाता है। घनत्व प्रवणता अपकेंद्रण (Density gradient centrifugation) के दौरान, मुख्य (Bulk) DNA एक बड़ी चोटी (Peak) बनाता है, जबकि ये छोटे हिस्से छोटी चोटियां बनाते हैं जिन्हें सैटेलाइट DNA (Satellite DNA) कहा जाता है।
इन्हीं सैटेलाइट DNA में उच्च स्तर की बहुरूपता (Polymorphism) दिखाई देती है। एलेक जेफ्रीज ने VNTR (Variable Number of Tandem Repeats) का उपयोग एक जांच (Probe) के रूप में किया, जो एक मिनी-सैटेलाइट है। प्रत्येक व्यक्ति में (जुड़वां बच्चों को छोड़कर) इन रिपीट्स की लंबाई और संख्या अद्वितीय होती है।
इन्हीं सैटेलाइट DNA में उच्च स्तर की बहुरूपता (Polymorphism) दिखाई देती है। एलेक जेफ्रीज ने VNTR (Variable Number of Tandem Repeats) का उपयोग एक जांच (Probe) के रूप में किया, जो एक मिनी-सैटेलाइट है। प्रत्येक व्यक्ति में (जुड़वां बच्चों को छोड़कर) इन रिपीट्स की लंबाई और संख्या अद्वितीय होती है।
DNA फिंगरप्रिंटिंग के चरण
1. अलगाव (Isolation): कोशिका से DNA को अलग करना。
2. पाचन (Digestion): प्रतिबंध एंडोन्यूक्लिएज (Restriction Endonucleases) एंजाइमों द्वारा DNA को विशिष्ट स्थानों पर काटना。
3. पृथक्करण (Separation): जेल इलेक्ट्रोफोरेसिस (Gel Electrophoresis) द्वारा DNA के टुकड़ों को उनके आकार के अनुसार अलग करना。
4. ब्लॉटिंग (Blotting): अलग किए गए DNA के टुकड़ों को सिंथेटिक झिल्ली (जैसे नाइट्रोसेल्यूलोज या नायलॉन) पर स्थानांतरित करना (सदर्न ब्लॉटिंग / Southern blotting)。
5. संकरण (Hybridisation): लेबल किए गए VNTR प्रोब का उपयोग करके DNA के विशिष्ट टुकड़ों को पहचानना और जोड़ना。
6. ऑटोरेडियोग्राफी (Autoradiography): एक्स-रे फिल्म पर संकरित DNA टुकड़ों की पहचान करना। यह फिल्म पर गहरे रंग की पट्टियों (Bands) के रूप में दिखाई देता है।
2. पाचन (Digestion): प्रतिबंध एंडोन्यूक्लिएज (Restriction Endonucleases) एंजाइमों द्वारा DNA को विशिष्ट स्थानों पर काटना。
3. पृथक्करण (Separation): जेल इलेक्ट्रोफोरेसिस (Gel Electrophoresis) द्वारा DNA के टुकड़ों को उनके आकार के अनुसार अलग करना。
4. ब्लॉटिंग (Blotting): अलग किए गए DNA के टुकड़ों को सिंथेटिक झिल्ली (जैसे नाइट्रोसेल्यूलोज या नायलॉन) पर स्थानांतरित करना (सदर्न ब्लॉटिंग / Southern blotting)。
5. संकरण (Hybridisation): लेबल किए गए VNTR प्रोब का उपयोग करके DNA के विशिष्ट टुकड़ों को पहचानना और जोड़ना。
6. ऑटोरेडियोग्राफी (Autoradiography): एक्स-रे फिल्म पर संकरित DNA टुकड़ों की पहचान करना। यह फिल्म पर गहरे रंग की पट्टियों (Bands) के रूप में दिखाई देता है।
अध्याय का संपूर्ण सारांश (Chapter Summary)
आनुवंशिकी का आणविक आधार हमें बताता है कि DNA कैसे जीवन का ब्लूप्रिंट है, यह कैसे अपनी प्रतिलिपि बनाता है, और कैसे अपने कोड को RNA के माध्यम से प्रोटीन (जीवन के कार्य) में बदलता है।
DNA और खोज
डबल हेलिक्स संरचना। ग्रिफिथ का रूपांतरण सिद्धांत। हर्शे-चेस ने सिद्ध किया कि DNA आनुवंशिक पदार्थ है।
प्रतिकृति और अनुलेखन
मेसेल्सन-स्टाल का अर्ध-संरक्षी मॉडल। DNA से RNA (अनुलेखन - प्रमोटर से टर्मिनेटर)।
कूट और अनुवादन
64 त्रिक कोडॉन (AUG प्रारंभक)। tRNA अमीनो अम्ल लाता है और राइबोसोम प्रोटीन (Translation) बनाते हैं।
लैक ओपेरॉन व HGP
लैक्टोज द्वारा जीन नियंत्रण। HGP ने 30,000 जीन खोजे। VNTR आधारित DNA फिंगरप्रिंटिंग।