माध्यमिक जीवविज्ञान · Grades 10–12

14जीन से प्रोटीन तक

1961 में किसी जीव-रसायनज्ञ ने जीवाणुओं के कोशिका-रहित सत्त को ऐसा कृत्रिम RNA खिलाया जो केवल U अक्षर के दोहराव से बना था। उस सत्त ने ऐसा प्रोटीन बनाया जो केवल एक ही ऐमीनो अम्ल, फेनिलऐलानिन, के दोहराव से बना था। उस अकेले प्रयोग से आनुवंशिक कूट का पहला शब्द पढ़ लिया गया: UUU का अर्थ है फेनिलऐलानिन। पाँच साल के भीतर चौंसठों शब्द ज्ञात हो गए, और वे किसी जीवाणु, गेहूँ के पौधे और मनुष्य में वही शब्द निकले। यह अध्याय किसी जीन के न्यूक्लियोटाइड अनुक्रम से किसी प्रोटीन के ऐमीनो अम्ल अनुक्रम तक के रास्ते पर चलता है — वही रास्ता जिस पर अध्याय 13 का हर लक्षण दौड़ता है।

14.1 जीन प्रोटीन बनाते हैं

प्रतिज्ञप्ति 14.1 (एक जीन, एक प्रोटीन)

कोई जीन तब अभिव्यक्त होता है जब कोशिका उसके अनुक्रम से वह प्रोटीन बनाती है जिसका वह कूट है। अधिकांश लक्षण प्रोटीनों पर टिके हैं — एंजाइम, संरचनात्मक तंतु, वाहक, ग्राही — और कोई उत्परिवर्तन किसी लक्षण को उसके जीन के बनाए प्रोटीन को बदलकर ही बदलता है।

साक्ष्य. बीडल और टैटम (1941) ने ब्रेड की फफूँद के बीजाणुओं पर विकिरण डाला और ऐसे उत्परिवर्ती इकट्ठे किए जो न्यूनतम माध्यम पर तब तक नहीं उग सकते थे जब तक कोई एक ख़ास पदार्थ, जैसे ऐमीनो अम्ल आर्जिनीन, मिलाया न जाए। हर उत्परिवर्ती में अभिक्रियाओं की उस शृंखला का, जो वह पदार्थ बनाती है, कोई एक एंजाइम नहीं था; हर ख़राबी अकेले एक जीन की तरह विरासत में मिलती थी; और उसी शृंखला के अलग-अलग क़दमों पर रुके उत्परिवर्ती अलग-अलग जीनों में उत्परिवर्तन ढोते थे। एक जीन, एक एंजाइम — और, जैसा बाद के काम ने सामान्य किया, एक जीन, एक पॉलिपेप्टाइड शृंखला। ∎

परिभाषा 14.2 (प्रोटीन, ऐमीनो अम्ल अनुक्रम)

प्रोटीन ऐमीनो अम्लों की एक शृंखला है, जो कुछ दर्जन से लेकर कई हज़ार तक लंबी होती है और बीस क़िस्मों के समुच्चय से ली जाती है। अनुक्रम — यानी ऐमीनो अम्लों का क्रम — ही वह चीज़ है जिसे जीन तय करता है; और बन जाने के बाद वह शृंखला उसी अनुक्रम से तय एक निश्चित त्रि-आयामी आकार में मुड़ जाती है, तथा वही आकार उसका काम तय करता है। एक ऐमीनो अम्ल बदलिए और वह मोड़, तथा वह काम, बदल सकता है।

14.2 अनुलेखन: जीन की RNA में नक़ल

परिभाषा 14.3 (संदेशवाहक RNA और अनुलेखन)

RNA (राइबोन्यूक्लिक अम्ल) DNA जैसे ही न्यूक्लियोटाइडों की इकहरी लड़ी वाली शृंखला है, बस उसकी शर्करा राइबोस है और थाइमीन (T) की जगह क्षारक यूरैसिल (U) आता है। अनुलेखन किसी जीन के अनुक्रम की संदेशवाहक RNA (mRNA) के एक अणु में नक़ल है: एंजाइम RNA पॉलिमरेज़ जीन के साथ-साथ दोहरी कुंडली खोलता है, एक लड़ी (यानी साँचा लड़ी) पढ़ता है और उसके पूरक RNA को जोड़ देता है, जिसमें U के सामने A, A के सामने T, G के सामने C और C के सामने G आता है। उस mRNA का अनुक्रम जीन की दूसरी लड़ी वाला होता है, बस T की जगह U; और वह केंद्रक छोड़कर कोशिकाद्रव्य में चला जाता है।

अनुलेखन। RNA पॉलिमरेज़ कुंडली खोलता है, साँचा लड़ी पढ़ता है और उसका पूरक संदेशवाहक RNA बनाता है (T की जगह U)। एंजाइम के पीछे कुंडली दोबारा बंद हो जाती है; और वह RNA छिलकर अलग हो जाता है।

उदाहरण 14.4 (एक अनुलेख)

साँचा लड़ी 3’-TAC GGA CTT ATC-5’ से mRNA 5’-AUG CCU GAA UAG-3’ बनता है। जीन की दूसरी लड़ी 5’-ATG CCT GAA TAG-3’ पढ़ी जाती है: mRNA उसी लड़ी का अनुक्रम है, बस T की जगह U के साथ, और इसीलिए जीन-अनुक्रम परिपाटी के अनुसार उसी लड़ी के रूप में लिखे जाते हैं, यानी कूट लड़ी के रूप में।

14.3 आनुवंशिक कूट

परिभाषा 14.5 (कोडॉन और आनुवंशिक कूट)

mRNA किसी तय शुरुआती बिंदु से तीन-तीन न्यूक्लियोटाइडों के लगातार समूहों में, यानी कोडॉनों में, पढ़ा जाता है। आनुवंशिक कूट 64 संभव कोडॉनों और 20 ऐमीनो अम्लों के बीच का मेल है: 61 कोडॉन कोई ऐमीनो अम्ल तय करते हैं, तीन (UAA, UAG, UGA) विराम संकेत हैं जो शृंखला ख़त्म कर देते हैं, और AUG, जो मेथिओनीन तय करता है, आरंभ कोडॉन का भी काम करता है। यह कूट अपह्रासित है — अधिकांश ऐमीनो अम्लों के कई कोडॉन हैं — और सार्वत्रिक: वही तालिका हर ज्ञात जीव के काम आती है, विरले छोटे-मोटे भेदों के साथ।

	दूसरा अक्षर
पहला	U	C	A	G	तीसरा
U	UUU Phe	UCU Ser	UAU Tyr	UGU Cys	U
	UUC Phe	UCC Ser	UAC Tyr	UGC Cys	C
	UUA Leu	UCA Ser	UAA विराम	UGA विराम	A
	UUG Leu	UCG Ser	UAG विराम	UGG Trp	G
C	CUU Leu	CCU Pro	CAU His	CGU Arg	U
	CUC Leu	CCC Pro	CAC His	CGC Arg	C
	CUA Leu	CCA Pro	CAA Gln	CGA Arg	A
	CUG Leu	CCG Pro	CAG Gln	CGG Arg	G
A	AUU Ile	ACU Thr	AAU Asn	AGU Ser	U
	AUC Ile	ACC Thr	AAC Asn	AGC Ser	C
	AUA Ile	ACA Thr	AAA Lys	AGA Arg	A
	AUG Met	ACG Thr	AAG Lys	AGG Arg	G
G	GUU Val	GCU Ala	GAU Asp	GGU Gly	U
	GUC Val	GCC Ala	GAC Asp	GGC Gly	C
	GUA Val	GCA Ala	GAA Glu	GGA Gly	A
	GUG Val	GCG Ala	GAG Glu	GGG Gly	G

आनुवंशिक कूट, जो mRNA पर पढ़ा जाता है। हर कोडॉन अपने पहले अक्षर (पंक्ति), दूसरे अक्षर (स्तंभ) और तीसरे अक्षर (खंड के भीतर की पंक्ति) से मिलता है। AUG मेथिओनीन भी है और आरंभ का संकेत भी; और तीन कोडॉन विराम हैं।

प्रतिज्ञप्ति 14.6 (कूट पढ़ा कैसे गया)

हर कोडॉन का अर्थ प्रयोग से स्थापित किया गया था।

साक्ष्य. नीरेनबर्ग और मात्थाई (1961) ने राइबोसोम, ऐमीनो अम्ल और प्रोटीन-संश्लेषण के एंजाइम रखते किसी कोशिका-रहित सत्त में अकेले एक दोहराए गए न्यूक्लियोटाइड का कृत्रिम RNA मिलाया: पॉली-U ने फेनिलऐलानिनों की शृंखला दी, पॉली-C ने प्रोलीनों की, और पॉली-A ने लाइसीनों की। दोहराए गए जोड़ों और तिकड़ियों वाले कृत्रिम RNA ने, और बाद में इकहरी तिकड़ियों के राइबोसोमों से बँधने ने, बचे हुए कोडॉन 1966 तक तय कर दिए। तीन अक्षरों की लंबाई गणित से अनुमानित की गई थी (दो अक्षर केवल 16 मेल देते हैं, जो 20 ऐमीनो अम्लों के लिए बहुत कम हैं; तीन 64 देते हैं) और उत्परिवर्तनों ने उसकी पुष्टि की: किसी जीन में एक या दो न्यूक्लियोटाइड डालने से उसका प्रोटीन नष्ट हो जाता है, और तीन डालने से लगभग सामान्य प्रोटीन लौट आता है। ∎

विधि 14.7 (किसी अनुक्रम का अनुवादन)

कूट लड़ी लिखिए (या साँचा लड़ी का अनुलेखन कीजिए): mRNA पाने के लिए T की जगह U रख दीजिए।
पहला AUG ढूँढ़िए: वही आरंभ है, और वाचन चौखट उसी से तय हो जाती है।
उस AUG से mRNA को लगातार तिकड़ियों में काटिए और हर एक को तालिका में पढ़िए।
पहले विराम कोडॉन पर रुक जाइए; क्रम से गिनाए गए वे ऐमीनो अम्ल ही प्रोटीन का अनुक्रम हैं।
किसी उत्परिवर्ती के लिए यही दोहराइए और तुलना कीजिए: वही प्रोटीन (मूक), एक ऐमीनो अम्ल बदला (कुअर्थी), समय से पहले विराम (निरर्थक), उत्परिवर्तन के बाद सब कुछ बदला (चौखट-खिसकाव)।

उदाहरण 14.8 (चार उत्परिवर्तन, चार नतीजे)

कूट लड़ी ATG CCT GAA TTC TAG: mRNA AUG CCU GAA UUC UAG, प्रोटीन Met–Pro–Glu–Phe।

ATG CCC GAA TTC TAG: CCC अब भी Pro है — यानी मूक।
ATG CCT GCA TTC TAG: GCA यानी Ala — Met–Pro–Ala–Phe, यानी कुअर्थी।
ATG CCT TAA TTC TAG: UAA यानी विराम — Met–Pro, यानी निरर्थक, एक कटा हुआ प्रोटीन।
ATG CCAT GAA TTC TAG: डाला गया एक A चौखट खिसका देता है: AUG CCA UGA… Met–Pro–विराम — यानी चौखट-खिसकाव।

14.4 अनुवादन: संदेश पढ़ा गया

प्रतिज्ञप्ति 14.9 (अनुवादन)

अनुवादन कोशिकाद्रव्य में राइबोसोमों पर होता है। कोई राइबोसोम mRNA से उसके आरंभ कोडॉन पर बँधता है और उसके साथ-साथ कोडॉन-दर-कोडॉन चलता है। हर कोडॉन से कोई अंतरण RNA (tRNA) मेल खाता है, यानी छोटा-सा ऐसा RNA जो एक सिरे पर उस कोडॉन का पूरक तीन-न्यूक्लियोटाइड वाला प्रतिकोडॉन ढोता है और दूसरे सिरे पर उससे मेल खाता ऐमीनो अम्ल। राइबोसोम हर लाए गए ऐमीनो अम्ल को बढ़ती शृंखला से जोड़ देता है और ख़ाली tRNA छोड़ देता है; और किसी विराम कोडॉन पर वह पूरी हुई शृंखला छोड़ देता है, जो मुड़ जाती है। कई राइबोसोम एक ही mRNA को एक के बाद एक पढ़ते हैं, और एक mRNA नष्ट होने से पहले उस प्रोटीन की सैकड़ों प्रतियाँ दे देता है।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

अनुवादन। राइबोसोम दो कोडॉन थामे रहता है; और जिस tRNA का प्रतिकोडॉन किसी कोडॉन से मेल खाता है वह अपना ऐमीनो अम्ल लाता है, शृंखला नए आए ऐमीनो अम्ल पर चढ़ा दी जाती है, और राइबोसोम एक कोडॉन आगे बढ़ जाता है। विराम कोडॉन पर वह शृंखला छोड़ देता है।

उदाहरण 14.10 (रफ़्तार और उपज)

कोई राइबोसोम प्रति सेकंड 5 से 20 ऐमीनो अम्ल जोड़ता है: यानी 300 ऐमीनो अम्लों का प्रोटीन मिनट भर से भी कम लेता है। राइबोसोम किसी mRNA पर लगभग 80 न्यूक्लियोटाइड की दूरी पर एक-दूसरे के पीछे चलते हैं, इसलिए 900 न्यूक्लियोटाइडों का संदेश एक साथ दर्जन भर ढोता है; और कुछ घंटों के अपने जीवन में अकेला एक mRNA प्रोटीन के हज़ार अणु बना देता है। E. coli की एक कोशिका प्रति सेकंड क़रीब $20\,000$ प्रोटीन अणु बनाती है; और लाल रक्त कोशिका की पूर्ववर्ती अपने जीवन भर में क़रीब $5 \times 10^{8}$ हीमोग्लोबिन अणु।

14.5 एक जीन, कई संदेश

प्रतिज्ञप्ति 14.11 (सुकेंद्रकियों में संदेश का परिपक्व होना)

सुकेंद्रकी कोशिकाओं में किसी जीन का अनुक्रम इंट्रॉनों से टूटा रहता है, यानी ऐसे खंडों से जिनका अनुलेखन तो होता है पर जो RNA के केंद्रक छोड़ने से पहले उसमें से काट दिए जाते हैं; और जो खंड रखे जाकर सिरे से सिरा जोड़ दिए जाते हैं, यानी एक्सॉन, वही परिपक्व mRNA बनाते हैं। बहुत-से जीन एक से अधिक तरीक़ों से काटे जा सकते हैं, जिनमें एक्सॉनों के अलग-अलग समुच्चय रखे जाते हैं (वैकल्पिक स्प्लाइसिंग), जिससे एक ही जीन कई अलग mRNA और कई मिलते-जुलते प्रोटीन देता है: मनुष्य के $20\,000$ जीन $100\,000$ से कहीं अधिक प्रोटीनों के कूट हैं।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

सुकेंद्रकी जीन का पूरा अनुलेखन होता है, फिर इंट्रॉन हटा दिए जाते हैं। सारे एक्सॉन रखने से, या उनमें से एक छोड़ देने से, एक ही जीन से दो mRNA और दो प्रोटीन बनते हैं।

टिप्पणी 14.12 (जानकारी का बहाव)

DNA का अनुलेखन RNA में होता है, RNA का अनुवादन प्रोटीन में, और प्रोटीन लक्षण बनाता है: यानी जानकारी एक ही दिशा में बहती है। कोई बदला हुआ प्रोटीन जीन को दोबारा कभी नहीं लिखता, और इसीलिए जीवन भर का प्रशिक्षण या धूप की जलन विरासत में नहीं जाती, तथा इसीलिए अगली पीढ़ी को जो मिलता है उसे केवल DNA के उत्परिवर्तन (अध्याय 13) ही बदलते हैं। ये तीनों क़दम हर जीव की हर कोशिका में, उसी कूट में चलते हैं: यानी अध्याय 3 वाली सार्वत्रिकता, अब आख़िरी शब्द तक।

14.6 अभ्यास

अभ्यास 14.1 ★

DNA और RNA के बीच तीन फ़र्क़ बताइए।

हल

हल — अभ्यास 14.1.

RNA इकहरी लड़ी वाला है, उसकी शर्करा राइबोस है, और वह थाइमीन की जगह यूरैसिल इस्तेमाल करता है (वह अल्पजीवी भी है और केंद्रक छोड़ देता है)।

अभ्यास 14.2 ★

साँचा लड़ी 3’-TAC CGA AAA ATT-5’ का mRNA में अनुलेखन कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 14.2.

5’-AUG GCU UUU UAA-3’।

अभ्यास 14.3 ★

कूट तालिका से mRNA AUG GGC AAA UGU UAA का अनुवादन कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 14.3.

Met–Gly–Lys–Cys, फिर विराम।

अभ्यास 14.4 ★

अनुवादन में राइबोसोम की और अंतरण RNA की क्या भूमिकाएँ हैं?

हल

हल — अभ्यास 14.4.

राइबोसोम mRNA को कोडॉन-दर-कोडॉन पढ़ता है और ऐमीनो अम्लों को शृंखला में जोड़ता है; और हर अंतरण RNA अपने प्रतिकोडॉन से किसी एक कोडॉन से मेल खाता है तथा उससे मेल खाता ऐमीनो अम्ल ले आता है।

अभ्यास 14.5 ★

कूट को प्रति ऐमीनो अम्ल कम से कम तीन न्यूक्लियोटाइड क्यों चाहिए?

हल

हल — अभ्यास 14.5.

4 अक्षरों के साथ दो-दो के शब्द $4^2 = 16$ मेल देते हैं, जो 20 ऐमीनो अम्लों से कम हैं; और तीन-तीन के शब्द 64 देते हैं, जो काफ़ी हैं।

अभ्यास 14.6 ★★

किसी प्रोटीन में 412 ऐमीनो अम्ल हैं। विराम कोडॉन समेत उसके mRNA के कूट वाले हिस्से की और उससे मेल खाते जीन की, क्षारक-जोड़ों में, न्यूनतम लंबाई क्या है?

हल

हल — अभ्यास 14.6.

$412 \times 3 + 3 = 1239$ न्यूक्लियोटाइड; यानी कम से कम 1239 क्षारक-जोड़ों का जीन (किसी सुकेंद्रकी में इंट्रॉनों के साथ उससे अधिक)।

अभ्यास 14.7 ★★

कूट लड़ी ATG AAA GGC TGG TAA उत्परिवर्तित होकर ATG AAA GGC TGA TAA बन जाती है। दोनों प्रोटीन बताइए और उत्परिवर्तन का वर्गीकरण कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 14.7.

मूल: Met–Lys–Gly–Trp। उत्परिवर्ती: UGA विराम है, इसलिए Met–Lys–Gly: यानी निरर्थक उत्परिवर्तन, जो प्रोटीन को काट देता है।

अभ्यास 14.8 ★★

वही शुरुआती अनुक्रम ATG AAG GGC TGG TAA और ATG AAA GGG CTG GTA A में बदलता है। हर एक का वर्गीकरण कीजिए और दोनों प्रोटीन बताइए।

हल

हल — अभ्यास 14.8.

AAG अब भी Lys है: यानी मूक, और Met–Lys–Gly–Trp अनबदला। दूसरा एक G का निवेशन है जो चौखट खिसका देता है: AUG AAA GGG CUG GUA A… Met–Lys–Gly–Leu–Val…, यानी चौखट-खिसकाव, और इस टुकड़े में कोई विराम नहीं।

अभ्यास 14.9 ★★

तालिका की मदद से समझाइए कि किसी कोडॉन के तीसरे स्थान पर प्रतिस्थापन अक्सर मूक क्यों रहता है।

हल

हल — अभ्यास 14.9.

तालिका के अधिकांश खंडों में पहले दो अक्षर बाँटते चारों कोडॉन एक ही ऐमीनो अम्ल तय करते हैं (Pro, Thr, Ala, Gly, Val, Ser, Leu…): इसलिए तीसरा अक्षर बदलने से कुछ नहीं बदलता। कूट का अपह्रास मुख्यतः तीसरे स्थान पर ही बैठा है।

अभ्यास 14.10 ★★

पॉली-UC वाला RNA (UCUCUCUC…) ऐसा प्रोटीन देता है जिसमें सेरीन और ल्यूसीन बारी-बारी से आते हैं। दिखाइए कि यह तीन अक्षरों वाले कूट से संगत है और उससे दो कोडॉन तय कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 14.10.

तीन-तीन में पढ़ने पर UCU CUC UCU CUC… दो कोडॉन बारी-बारी से देता है, यानी UCU और CUC, इसलिए प्रोटीन में दो ऐमीनो अम्ल बारी-बारी से आते हैं — ठीक जैसा देखा गया। दो अक्षरों वाले कूट के साथ वही दोहराव अकेला एक कोडॉन और अकेला एक ऐमीनो अम्ल देता। और चूँकि पॉली-U Phe देता है तथा तालिका में UCU यानी Ser और CUC यानी Leu है, इसलिए यह प्रयोग UCU को Ser और CUC को Leu सौंपता है (या उल्टा, जिसे दूसरे प्रयोग तय करते हैं)।

अभ्यास 14.11 ★★

$30\,000$ क्षारक-जोड़ों वाला कोई मानव जीन 500 ऐमीनो अम्लों का प्रोटीन बनाता है। इस बेमेल को समझाइए।

हल

हल — अभ्यास 14.11.

कूट अनुक्रम के लिए केवल 1503 क्षारक-जोड़े चाहिए; बाक़ी इंट्रॉन हैं, जो अनुलिखित होकर पूर्व-mRNA में से काट दिए जाते हैं, और साथ में जीन के सिरों पर नियामक अनुक्रम।

अभ्यास 14.12 ★★★

कोई दवा जीवाणुओं के राइबोसोम रोक देती है पर मनुष्य के नहीं। समझाइए कि वह प्रतिजैविक क्यों हो सकती है, और उसका होना दोनों समूहों के राइबोसोमों के बारे में क्या बताता है।

हल

हल — अभ्यास 14.12.

अनुवादन रोक देने से जीवाणु मर जाता है जबकि रोगी की कोशिकाएँ काम करती रहती हैं। दवा का यह चुनाव यह बताता है कि जीवाणु और मानव राइबोसोम, वही काम उसी कूट से करते हुए भी, बनावट में इतने अलग हैं कि कोई अणु एक से बँधे और दूसरे से नहीं — यानी उनके अलग होने के बाद जमा हुआ फ़र्क़।

अभ्यास 14.13 ★★★

इस अध्याय की शब्दावली में समझाइए कि अध्याय 3 वाला जेलीफ़िश का जीन कोई चूहा कैसे पढ़ सका, और चूहा कोई और कूट इस्तेमाल करता तो क्या होता।

हल

हल — अभ्यास 14.13.

चूहे के RNA पॉलिमरेज़ ने जेलीफ़िश के जीन का अनुलेखन किया, और उसके राइबोसोमों तथा tRNA ने उसी कोडॉन तालिका से उस mRNA का अनुवादन किया, इसलिए वही ऐमीनो अम्ल अनुक्रम, और इसलिए वही प्रतिदीप्त प्रोटीन बना। किसी और कूट के साथ वे कोडॉन दूसरे ऐमीनो अम्लों की तरह पढ़े जाते और वह प्रोटीन एक निरर्थक, बिना चमक वाली शृंखला होता।

अभ्यास 14.14 ★★★

कोई उत्परिवर्तन उस tRNA को बदल देता है जिसका प्रतिकोडॉन UAG पढ़ता है, ताकि वह रोकने के बजाय कोई ऐमीनो अम्ल ढो लाए। कोशिका के प्रोटीनों पर आम तौर पर, और समय से पहले UAG ढोते किसी उत्परिवर्ती जीन पर, उसके असर का अनुमान लगाइए।

हल

हल — अभ्यास 14.14.

UAG अब अनुवादन रोकता ही नहीं: जिस भी प्रोटीन का जीन UAG पर ख़त्म होता है वह अपने सामान्य अंत से आगे खिंच जाता और अक्सर अपना काम खो देता — यानी बड़े पैमाने पर नुक़सान। पर समय से पहले आए किसी UAG से कटा हुआ जीन अब पूरा पढ़ा जाता, और लगभग पूरी लंबाई का प्रोटीन लौट आता: यानी दूसरा उत्परिवर्तन पहले को दबा देता है।

अभ्यास 14.15 ★★★

चर्चा कीजिए कि किसी जीन के आरंभ के पास का चौखट-खिसकाव उसके अंत के पास वाले से लगभग हमेशा बुरा क्यों होता है, और कोई कुअर्थी उत्परिवर्तन हानिरहित से लेकर जानलेवा तक कुछ भी क्यों हो सकता है।

हल

हल — अभ्यास 14.15.

चौखट-खिसकाव उसके आगे का सब कुछ गड्डमड्ड कर देता है और आमतौर पर कुछ ही कोडॉनों में किसी विराम से जा मिलता है: आरंभ के पास कोई भी सही प्रोटीन बनता ही नहीं; और अंत के पास प्रोटीन का अधिकांश हिस्सा सही-सलामत रहता है तथा मुड़ कर काम भी कर सकता है। कुअर्थी एक ऐमीनो अम्ल बदलता है: यदि वह स्थान बदलाव सह ले तो हानिरहित, और यदि वह सक्रिय स्थल पर हो या मोड़ तोड़ दे तो जानलेवा — यानी असर इस पर निर्भर है कि कौन-सा ऐमीनो अम्ल, कहाँ।

14.7 समस्या: एक जीन, चार तरह से पढ़ा गया

समस्या 14.1

सप्ताहांत समस्या — एक छोटा जीन अनुलिखित, अनुवादित, तीन बार उत्परिवर्तित और समयबद्ध किया गया: DNA से ऐमीनो अम्लों तक, और वे साठ सेकंड जो किसी प्रोटीन में लगते हैं

किसी छोटे जीन की कूट लड़ी यह पढ़ी जाती है:

ATG GCT TGG AAA CCC GAA TAC GGT CAT TTC TGA

भाग I — जीन पढ़ना।

साँचा लड़ी लिखिए।
जीन से अनुलिखित mRNA लिखिए।
उसका कोडॉन-दर-कोडॉन अनुवादन कीजिए और प्रोटीन के ऐमीनो अम्लों का अनुक्रम बताइए।
उस प्रोटीन में कितने ऐमीनो अम्ल हैं, और उन्हें तय करने में, विराम समेत, mRNA के कितने न्यूक्लियोटाइड लगते हैं?
पढ़ना किस कोडॉन से शुरू हुआ, और बाक़ी सबके लिए वाचन चौखट किससे तय होती है?

भाग II — तीन उत्परिवर्ती।

उत्परिवर्ती 1: ATG GCT TGG AAA CCG GAA TAC GGT CAT TTC TGA। प्रोटीन बताइए और उत्परिवर्तन का वर्गीकरण कीजिए।
उत्परिवर्ती 2: ATG GCT TGG AAA CCC GAA TAC GGT CAT TTC TGA जिसमें नौवाँ कोडॉन CAT बदलकर CGT हो गया है। प्रोटीन बताइए और वर्गीकरण कीजिए।
उत्परिवर्ती 3: ATG GCT TGA AAA CCC GAA TAC GGT CAT TTC TGA। प्रोटीन बताइए और वर्गीकरण कीजिए। कौन-से अकेले प्रतिस्थापन ने उसे बनाया?
उत्परिवर्ती 4: छठे न्यूक्लियोटाइड के बाद एक T डाला गया है: ATG GCT TTG GAA ACC CGA ATA CGG TCA TTT CTG A। प्रोटीन बताइए और वर्गीकरण कीजिए।
प्रोटीन के लिए चारों उत्परिवर्तियों को सबसे कम से सबसे अधिक विघटनकारी के क्रम में रखिए और कारण बताइए।

भाग III — कूट ऐसा क्यों है।

ल्यूसीन के कितने कोडॉन हैं? सेरीन के? ट्रिप्टोफ़ैन के? किसी यादृच्छिक प्रतिस्थापन से अपने कोडॉन में बदल जाने की सबसे अधिक संभावना किस ऐमीनो अम्ल की है, और सबसे कम किसकी?
किसी ल्यूसीन कोडॉन CUx के तीसरे स्थान पर होने वाले सारे प्रतिस्थापनों में से मूक रहने वालों का अंश निकालिए।
समझाइए कि दो अक्षरों वाला कूट क्यों नहीं चल सकता था, और चार अक्षरों वाला क्यों नहीं चाहिए।
पॉली-U पॉली-फेनिलऐलानिन देता है और पॉली-A पॉली-लाइसीन। ये दोनों प्रयोग तालिका की कौन-सी प्रविष्टियाँ स्थापित करते हैं?
कूट जीवाणु में और मनुष्य में एक ही है। पारजीनन के लिए इसका नतीजा बताइए, और नातेदारी के लिए भी।

भाग IV — कारख़ाने की समय-सारणी। कोई राइबोसोम प्रति सेकंड 10 ऐमीनो अम्ल जोड़ता है और राइबोसोम किसी mRNA के साथ-साथ 80 न्यूक्लियोटाइड की दूरी पर एक-दूसरे के पीछे चलते हैं; और हर mRNA 2 घंटे जीता है।

इस जीन के प्रोटीन का अनुवादन करने में एक राइबोसोम को कितना समय लगता है? और 600 ऐमीनो अम्लों के प्रोटीन में?
1800 न्यूक्लियोटाइडों वाले किसी mRNA को एक साथ कितने राइबोसोम पढ़ सकते हैं?
यदि हर 8 सेकंड में एक नया राइबोसोम शुरू हो, तो एक mRNA अपने जीवन भर में उस प्रोटीन की कितनी प्रतियाँ देता है?
किसी जीवाणु को 10 मिनट में किसी एंजाइम की $2000$ प्रतियाँ चाहिए। एक साथ अनुलिखित उस जीन के कितने mRNA चाहिए?
परिणाम लिखिए: उस जीन के कूट वाला प्रोटीन, चारों में से वह उत्परिवर्तन जिसने उसे मिटा दिया, और एक राइबोसोम को उसे बनाने में लगने वाला समय।

हल

हल — समस्या 14.1.

1. 3’-TAC CGA ACC TTT GGG CTT ATG CCA GTA AAG ACT-5’।

2. AUG GCU UGG AAA CCC GAA UAC GGU CAU UUC UGA।

3. Met–Ala–Trp–Lys–Pro–Glu–Tyr–Gly–His–Phe, फिर विराम।

4. 10 ऐमीनो अम्ल; 33 न्यूक्लियोटाइड (विराम समेत 11 कोडॉन)।

5. AUG; उस पहले AUG की जगह ही चौखट तय करती है, और उसके बाद का हर कोडॉन उसी से क़दम मिलाकर पढ़ा जाता है।

6. CCG अब भी Pro है: यानी मूक, और प्रोटीन अनबदला।

7. His की जगह CGU यानी Arg: यानी कुअर्थी, Met–Ala–Trp–Lys–Pro–Glu–Tyr–Gly–Arg–Phe।

8. UGA विराम है: यानी Met–Ala, निरर्थक। तीसरे कोडॉन में G से A का अकेला एक प्रतिस्थापन (TGG से TGA)।

9. mRNA AUG GCU UUG GAA ACC CGA AUA CGG UCA UUU CUG A: Met–Ala–Leu–Glu–Thr–Arg–Ile–Arg–Ser–Phe–Leu…, और इस टुकड़े में कोई विराम नहीं: यानी चौखट-खिसकाव, जिसमें दूसरे के बाद का हर ऐमीनो अम्ल बदल गया है।

10. उत्परिवर्ती 1 (मूक, कोई बदलाव नहीं) $<$ उत्परिवर्ती 2 (एक ऐमीनो अम्ल बदला, काम शायद बना रहे) $<$ उत्परिवर्ती 4 (चौखट-खिसकाव, दो को छोड़कर सारे ऐमीनो अम्ल ग़लत) $\approx$ उत्परिवर्ती 3 (निरर्थक, दो ऐमीनो अम्लों का टुकड़ा: यानी प्रोटीन गया)।

11. Leu 6, Ser 6, Trp 1. किसी भी प्रतिस्थापन से Trp बदल जाता है, क्योंकि उसका अकेला एक कोडॉन है; और छह कोडॉन वाले Leu या Ser सबसे अधिक बार अनबदले रहते हैं।

12. CUU, CUC, CUA, CUG सब Leu हैं: यानी तीसरे स्थान पर संभव तीनों प्रतिस्थापनों में से हर एक मूक है — यानी 100%।

13. दो अक्षर 16 कोडॉन देते हैं, जो 20 ऐमीनो अम्लों और एक विराम के लिए बहुत कम हैं; तीन 64 देते हैं, जो पहले ही ज़रूरत से अधिक हैं, इसलिए चार (256) फ़िज़ूलख़र्ची होती।

14. UUU $=$ Phe और AAA $=$ Lys।

15. जातियों के बीच अंतरित कोई जीन एक जैसा ही पढ़ा जाता है, इसलिए पारजीनन चलता है; और अनबदला विरासत में मिला साझा कूट इस बात का साक्ष्य है कि सारे जीव किसी ऐसे साझा पूर्वज से उतरे हैं जो उसे पहले से इस्तेमाल कर रहा था।

16. 10 ऐमीनो अम्ल: $1\,\mathrm{s}$ । 600 ऐमीनो अम्ल: $60\,\mathrm{s}$ ।

17. एक साथ $1800/80 \approx 22$ राइबोसोम।

18. $7200/8 = 900$ प्रतियाँ।

19. एक mRNA 10 मिनट में $600/8 = 75$ प्रतियाँ देता है; इसलिए लगभग 27 mRNA चाहिए।

20. वह प्रोटीन Met–Ala–Trp–Lys–Pro–Glu–Tyr–Gly–His–Phe है; उत्परिवर्ती 3 ने, यानी तीसरे कोडॉन पर विराम बनाने वाले उस अकेले G-से-A प्रतिस्थापन ने, उसे मिटा दिया; और एक राइबोसोम उन दस ऐमीनो अम्लों को लगभग एक सेकंड में बना देता है।

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