माध्यमिक जीवविज्ञान · Grades 10–12

3DNA: एक सार्वत्रिक आनुवंशिक अणु

अँधेरी प्रयोगशाला में, नीले लैंप के नीचे, दो सफ़ेद चूहों में से एक नाक से पूँछ तक हरा चमक रहा है। वह अपनी हर कोशिका में प्रशांत महासागर में चमकने वाली एक जेलीफ़िश से लिया गया अकेला एक जीन ढोता है — और चूहे की कोशिकाएँ जेलीफ़िश के उस जीन को ठीक वैसे ही पढ़ती हैं जैसे ख़ुद जेलीफ़िश की कोशिकाएँ। यह प्रयोग इसलिए चलता है कि हर सजीव अपने जीन उसी एक अणु में, उन्हीं चार अक्षरों से लिखता है और उन्हें उन्हीं नियमों से पढ़ता है। यह अध्याय उसी अणु, यानी DNA, के बारे में है: वह बना कैसे है, उसकी बनावट क्या-क्या समझाती है, और वह चमकता चूहा क्या सिद्ध करता है।

3.1 आनुवंशिक पदार्थ

परिभाषा 3.1 (आनुवंशिक जानकारी)

किसी कोशिका की आनुवंशिक जानकारी निर्देशों का वह समुच्चय है जो कोशिका से उसकी पुत्री कोशिकाओं तक और जनकों से संतान तक पहुँचता है और जो जीव के लक्षण तथा उसकी कोशिकाओं के बना सकने वाले प्रोटीन तय करता है। हर सजीव में उसे DNA (डिऑक्सीराइबोन्यूक्लिक अम्ल) के अणु ढोते हैं, जो प्रोटीनों के साथ कसकर गुणसूत्रों में बँधे रहते हैं — सुकेंद्रकी कोशिका में केंद्रक के भीतर, और जीवाणु में कोशिकाद्रव्य में खुले।

प्रतिज्ञप्ति 3.2 (DNA ही आनुवंशिकता का अणु है)

किसी कोशिका का वंशागत पदार्थ उसका DNA है, न कि उसके प्रोटीन या कोई और घटक: शुद्ध किया गया DNA जीवाणुओं के एक प्रभेद से दूसरे में पहुँचाने पर पहले प्रभेद के लक्षण भी साथ पहुँच जाते हैं।

साक्ष्य. ग्रिफ़िथ (1928) ने पाया कि निमोनिया के हानिरहित जीवाणु किसी घातक प्रभेद की मारी हुई कोशिकाओं के साथ मिलाने पर ख़ुद घातक हो गए और पीढ़ियों तक वैसे ही बने रहे: मरी हुई कोशिकाओं की किसी चीज़ ने उन्हें “रूपांतरित” कर दिया था। एवरी, मैक्लॉड और मैक्कार्टी (1944) ने मरी हुई कोशिकाओं के सत्त को उसके अणु-कुलों में अलग किया और हर एक को परखा: केवल DNA वाला अंश रूपांतरित करता था; DNA को नष्ट करने वाले एंजाइम से सत्त का उपचार करने पर असर ख़त्म हो गया, जबकि प्रोटीन या RNA नष्ट करने वाले एंजाइमों से नहीं। तो रूपांतरित करने वाला पदार्थ, और इसलिए वंशागत लक्षण का वाहक, DNA था। ∎

उदाहरण 3.3 (DNA है कहाँ)

DNA के लिए विशिष्ट कोई रंजक गाल की कोशिका के केंद्रक को रँगता है और कोशिकाद्रव्य में और कुछ नहीं; विभाजित होती कोशिका में वह सघन गुणसूत्रों को रँगता है। जीवाणु उस रंजक को बिना किसी लिफ़ाफ़े वाले एक केंद्रीय क्षेत्र में ग्रहण करता है। दोनों में DNA की मात्रा हर विभाजन से पहले दोगुनी होती है और दोनों पुत्री कोशिकाओं के बीच आधी-आधी बँट जाती है — यानी ठीक वह व्यवहार जिसकी उम्मीद उस जानकारी से की जाती है जिसकी नक़ल बनाकर उसे बाँटना है।

3.2 DNA की बनावट

परिभाषा 3.4 (न्यूक्लियोटाइड)

DNA न्यूक्लियोटाइडों की एक शृंखला है। हर न्यूक्लियोटाइड तीन हिस्सों से बना है: एक फ़ॉस्फ़ेट समूह, एक शर्करा (डिऑक्सीराइबोस) और नाइट्रोजनयुक्त चार में से एक क्षारक: एडेनीन (A), थाइमीन (T), ग्वानीन (G) और साइटोसीन (C)। शर्कराएँ और फ़ॉस्फ़ेट बारी-बारी से आकर शृंखला की रीढ़ बनाते हैं; क्षारक उससे बाहर निकले रहते हैं, हर न्यूक्लियोटाइड पर एक। चारों न्यूक्लियोटाइड केवल अपने क्षारक से अलग हैं, इसलिए DNA की किसी लड़ी का वर्णन उसके क्षारकों के अनुक्रम से किया जाता है, जिसे अक्षरों की एक माला की तरह लिखा जाता है: ATGGCTTAC…

DNA की दोनों लड़ियाँ, चपटी खींची हुई। हर लड़ी न्यूक्लियोटाइडों (फ़ॉस्फ़ेट, शर्करा, क्षारक) की एक शृंखला है। दोनों लड़ियाँ उल्टी दिशाओं में चलती हैं और क्षारक-जोड़ों से आपस में बँधी रहती हैं: A हमेशा T के सामने, G हमेशा C के सामने। हर 0.34\, nm पर अगला क्षारक-जोड़ा आता है। — DNA की दोनों लड़ियाँ, चपटी खींची हुई। हर लड़ी न्यूक्लियोटाइडों (फ़ॉस्फ़ेट, शर्करा, क्षारक) की एक शृंखला है। दोनों लड़ियाँ उल्टी दिशाओं में चलती हैं और क्षारक-जोड़ों से आपस में बँधी रहती हैं: A हमेशा T के सामने, G हमेशा C के सामने। हर $0.34\,\mathrm{nm}$ पर अगला क्षारक-जोड़ा आता है।

प्रतिज्ञप्ति 3.5 (द्विकुंडली)

DNA का अणु दो लड़ियों से बना है जो एक-दूसरे के चारों ओर लगभग $2\,\mathrm{nm}$ चौड़ी दक्षिणावर्त द्विकुंडली में लिपटी रहती हैं, और हर दस क्षारक-जोड़ों ( $3.4\,\mathrm{nm}$ ) पर एक चक्कर पूरा होता है। दोनों लड़ियाँ उल्टी दिशाओं में चलती हैं और अपने क्षारकों से एक-दूसरे के सामने रहती हैं, जो पूरकता के एक कड़े नियम से जोड़े बनाते हैं: A केवल T के साथ, G केवल C के साथ। इसलिए एक लड़ी का अनुक्रम दूसरी का अनुक्रम तय कर देता है।

साक्ष्य. शारगाफ़ (1950) ने बहुत-सी जातियों के DNA का क्षारक-संघटन मापा और हर एक में A जितना T और G जितना C पाया, जबकि A+T और G+C का अनुपात जाति-दर-जाति बदलता था — यानी यह कोई रासायनिक संयोग नहीं, एक जोड़ी बनाने का नियम था। फ़्रैंकलिन के DNA तंतुओं के एक्स-किरण चित्रों (1952) ने $2\,\mathrm{nm}$ व्यास और $3.4\,\mathrm{nm}$ चक्कर वाली कुंडली के लक्षण दिखाए। वाटसन और क्रिक (1953) ने वही अकेला मॉडल बनाया जो दोनों पर खरा उतरता है: दो रीढ़ें बाहर, जुड़े हुए क्षारक भीतर, और A–T तथा G–C जोड़े एक ही चौड़ाई के, ताकि कुंडली नियमित रहे। ∎

उदाहरण 3.6 (अंकों में शारगाफ़ का नियम)

मानव DNA: A 30.9%, T 29.4%, G 19.9%, C 19.8% — यानी माप की यथार्थता के भीतर A $\,\approx\,$ T और G $\,\approx\,$ C, और A+T $= 60\%$ । E. coli: A 24.7%, T 23.6%, G 26.0%, C 25.7%, A+T $= 48\%$ । खमीर: A+T $= 64\%$ । यदि किसी DNA नमूने में 32% A हो, तो पूरकता से 32% T और G तथा C में से हर एक का $(100 - 64)/2 = 18\%$ निकलता है।

चार जातियों के DNA का क्षारक-संघटन। हर एक में A और T की पट्टियाँ आपस में मेल खाती हैं और G तथा C की भी — यही क्षारक-जोड़ी बनने का लक्षण है — जबकि A+T का हिस्सा एक जाति से दूसरी में बदल जाता है।

विधि 3.7 (पूरक लड़ी लिखना)

एक लड़ी दी हो तो हर क्षारक के नीचे उसका साथी लिखिए (A $\leftrightarrow$ T, G $\leftrightarrow$ C), और फिर, यदि अभ्यास की परिपाटी माँगे, तो परिणाम को उल्टी दिशा में पढ़िए। 5’-ATGGCTTAC-3’ के लिए साथी लड़ी, उसी की अपनी दिशा में पढ़ने पर, 5’-GTAAGCCAT-3’ है। गिनती: जिस लड़ी में $n_\mathrm{A}$ एडेनीन हैं उसके सामने वाली लड़ी में $n_\mathrm{A}$ थाइमीन होते हैं, इसलिए पूरे अणु में $n_\mathrm{A} = n_\mathrm{T}$ और $n_\mathrm{G} = n_\mathrm{C}$ ।

प्रतिज्ञप्ति 3.8 (बनावट क्या-क्या समझाती है)

आनुवंशिक पदार्थ के दो गुण इसी बनावट से निकलते हैं।

जानकारी: किसी लड़ी के साथ-साथ क्षारकों का क्रम रसायन से बँधा नहीं है — कोई भी अनुक्रम संभव है — इसलिए वह अनुक्रम कोई संदेश ढो सकता है, ठीक जैसे अक्षरों का क्रम कोई इबारत ढोता है। मानव कोशिका गुणसूत्रों के हर समुच्चय में $3.2 \times 10^{9}$ क्षारक-जोड़े रखती है।
नक़ल: चूँकि हर लड़ी दूसरी को तय करती है, इसलिए लड़ियों को अलग करके हर एक पर नया साथी बनाकर अणु की प्रतिलिपि बनाई जा सकती है। यह क्रियाविधि अध्याय 11 का विषय है।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

3.3 जीन, युग्मविकल्पी, गुणसूत्र

परिभाषा 3.9 (जीन और युग्मविकल्पी)

जीन किसी DNA अणु का वह खंड है — आमतौर पर कुछ हज़ार क्षारक-जोड़ों का — जिसका अनुक्रम एक प्रोटीन (या कभी-कभी RNA का एक काम करने वाला अणु) बनाने के निर्देश ढोता है। वह किसी दिए हुए गुणसूत्र पर एक तय स्थान घेरता है। किसी जीन के वे रूप जो चंद क्षारकों से अलग होते हैं, उसके युग्मविकल्पी कहलाते हैं: वही स्थान, वही काम, ज़रा-सा अलग अनुक्रम, और इसलिए अक्सर ज़रा-सा अलग प्रोटीन।

उदाहरण 3.10 (अंक)

मानव जीनोम — यानी गुणसूत्रों का एक पूरा समुच्चय — $3.2 \times 10^{9}$ क्षारक-जोड़े और लगभग $20\,000$ जीन ढोता है; जीन अनुक्रम का केवल कुछ प्रतिशत घेरते हैं। E. coli की एक कोशिका $4.6 \times 10^{6}$ क्षारक-जोड़ों वाला एक वृत्ताकार DNA अणु और लगभग 4300 जीन ढोती है। आपस में असंबंधित दो मनुष्य मोटे तौर पर हज़ार में एक क्षारक पर अलग होते हैं: यानी क़रीब तीस लाख स्थानों पर, जिनमें से अधिकांश जीनों के बाहर और बेअसर हैं, और चंद ऐसे युग्मविकल्पी हैं जो किसी लक्षण को बदल देते हैं।

प्रतिज्ञप्ति 3.11 (गुणसूत्र)

गुणसूत्र एक ही DNA अणु है, जो कसने वाले प्रोटीनों के चारों ओर लिपटा और अपने ही ऊपर कुंडलित रहता है। फैलाकर रखें तो मनुष्य के एक गुणसूत्र का DNA $1.5\,\mathrm{cm}$ से $8.5\,\mathrm{cm}$ तक लंबा होगा; किसी कोशिका के 46 गुणसूत्र मिलकर $6\,\text{µ}\mathrm{m}$ चौड़े एक केंद्रक में लगभग $2\,\mathrm{m}$ DNA थामे रहते हैं। गुणसूत्र अलग-अलग पिंडों के रूप में केवल कोशिका विभाजन के दौरान दिखते हैं, जब वे सबसे कसकर कुंडलित होते हैं; विभाजनों के बीच वे खुले रहते हैं और केंद्रक को एक उलझी हुई ताँत की तरह भर देते हैं।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

3.4 सब सजीवों के लिए एक ही अणु

प्रतिज्ञप्ति 3.12 (DNA की सार्वत्रिकता)

सभी सजीव — जीवाणु, कवक, पौधे, जंतु — अपनी आनुवंशिक जानकारी उन्हीं चार न्यूक्लियोटाइडों से बने DNA के रूप में ढोते हैं, और किसी जीन का अनुक्रम उन्हीं नियमों से पढ़ते हैं। इसलिए एक जाति से लिया गया जीन दूसरी के DNA में डाल देने पर पाने वाली जाति की कोशिकाएँ उसे पढ़ लेती हैं और वह जिस प्रोटीन का कूट है उसे बना देती हैं: यानी पारजीनन संभव है, और पारजीनी जीव उस बाहरी जीन को अपने वंशजों तक किसी भी दूसरे जीन की तरह पहुँचा देता है।

साक्ष्य. जेलीफ़िश Aequorea victoria के हरे प्रतिदीप्त प्रोटीन (GFP) का जीन जीवाणुओं, खमीर, पौधों, मछलियों, चूहों और ख़रगोशों में डाला जा चुका है: उनमें से हर एक वह प्रोटीन बनाता है और नीले प्रकाश में हरा चमकता है, और यह लक्षण वंशागत भी होता है। 1978 में E. coli में डाला गया इंसुलिन का मानव जीन उस जीवाणु से मानव इंसुलिन बनवाता है, और तब से मधुमेह के रोगियों के लिए यही हॉर्मोन का स्रोत रहा है। ऐसी कोई जाति ज्ञात नहीं जिसके जीन किसी और रसायन में लिखे हों। ∎

पारजीनन: एक जाति से अलग किया गया जीन दूसरी जाति के निषेचित अंडाणु के DNA में डाल दिया जाता है। बनने वाले जीव की हर कोशिका उसे ढोती है, पढ़ती है और आगे पहुँचाती है।

नीले प्रकाश में, जेलीफ़िश का हरे प्रतिदीप्त प्रोटीन वाला जीन ढोता एक चूहा किसी साधारण चूहे के पास हरा चमक रहा है। वही अणु, वही पढ़ने के नियम: जेलीफ़िश का निर्देश चूहे में चल रहा है।

उदाहरण 3.13 (पारजीनन के उपयोग)

जीवाणुओं से बना मानव इंसुलिन और वृद्धि हॉर्मोन; मक्का या कपास में डाला गया किसी कीट-पीड़क के प्रति प्रतिरोध का जीन; विटामिन A के पूर्ववर्ती को बनाने वाले जीन ढोता चावल; और किसी दूसरे जीन के साथ जोड़ा गया GFP जीन, ताकि जिन कोशिकाओं में वह जीन सक्रिय हो वे सूक्ष्मदर्शी के नीचे जल उठें — यह आख़िरी उपयोग, यानी शोध का एक औज़ार, सबसे आम है। हर उपयोग सुरक्षा के और पर्यावरण पर पड़ने वाले असर के अपने सवाल खड़े करता है; और हर उपयोग उसी एक तथ्य पर टिका है, यानी आनुवंशिक अणु की सार्वत्रिकता पर।

टिप्पणी 3.14 (अणुओं के स्तर पर एकता और विविधता)

DNA की सार्वत्रिकता अध्याय 1 में मिली जीवन की उसी एकता का आणविक चेहरा है: पृथ्वी के हर जीव के लिए एक रसायन, एक ही जानकारी-अणु, एक ही पढ़ने की व्यवस्था — और साझा उद्गम की भविष्यवाणी ठीक यही है (अध्याय 6)। जीवन की विविधता भी उसी अणु में लिखी है, अनुक्रम के फ़र्क़ों के रूप में: दो विकल्पियों के बीच चंद क्षारक, दो जातियों के बीच जीनोम का कुछ प्रतिशत, और किसी जीवाणु तथा मनुष्य के बीच उस पूरी इबारत का संगठन।

3.5 अभ्यास

अभ्यास 3.1 ★

न्यूक्लियोटाइड के तीन हिस्सों और DNA के चारों क्षारकों के नाम लिखिए।

हल

हल — अभ्यास 3.1.

एक फ़ॉस्फ़ेट समूह, एक शर्करा (डिऑक्सीराइबोस) और एक क्षारक। क्षारक: एडेनीन, थाइमीन, ग्वानीन, साइटोसीन।

अभ्यास 3.2 ★

TACGGATTCA की पूरक लड़ी लिखिए।

हल

हल — अभ्यास 3.2.

ATGCCTAAGT, क्षारक के नीचे क्षारक लिखते हुए।

अभ्यास 3.3 ★

किसी DNA नमूने में 21% ग्वानीन है। C, A और T के प्रतिशत बताइए।

हल

हल — अभ्यास 3.3.

C $= 21\%$ ; A $=$ T $= (100 - 42)/2 = 29\%$ हर एक।

अभ्यास 3.4 ★

जीन और युग्मविकल्पी की एक-एक वाक्य में परिभाषा दीजिए, और उसमें “अनुक्रम” शब्द का इस्तेमाल कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 3.4.

जीन DNA का वह खंड है जिसका अनुक्रम एक प्रोटीन के निर्देश ढोता है और जो किसी गुणसूत्र पर एक तय स्थान पर बैठा होता है। युग्मविकल्पी किसी जीन के उन रूपों में से एक है जो अपने अनुक्रम के चंद क्षारकों से बाक़ी रूपों से अलग पड़ता है।

अभ्यास 3.5 ★

पारजीनी जीव क्या होता है? अध्याय से उसके दो उदाहरण दीजिए।

हल

हल — अभ्यास 3.5.

वह जीव जिसके DNA में किसी दूसरी जाति का जीन डाला गया हो और जो उसे पढ़ता तथा आगे पहुँचाता हो। उदाहरण: जेलीफ़िश का GFP जीन ढोते चूहे; मानव इंसुलिन का जीन ढोता E. coli।

अभ्यास 3.6 ★★

कोई जीन 1500 क्षारक-जोड़े लंबा है। नैनोमीटर में उसकी लंबाई क्या है, और वह कुंडली के कितने चक्कर बनाता है?

हल

हल — अभ्यास 3.6.

$1500 \times 0.34 = 510\,\mathrm{nm}$ ; $1500/10 = 150$ चक्कर।

अभ्यास 3.7 ★★

मानव की एक कोशिका में DNA की कुल लंबाई निकालिए, यह देते हुए कि गुणसूत्रों के प्रति समुच्चय $3.2 \times 10^{9}$ क्षारक-जोड़े हैं और प्रति कोशिका दो समुच्चय। केंद्रक के व्यास $6\,\text{µ}\mathrm{m}$ से तुलना कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 3.7.

$2 \times 3.2 \times 10^{9} \times 0.34\,\mathrm{nm} \approx 2.2\,\mathrm{m}$ , यानी केंद्रक के व्यास का लगभग $3.6 \times 10^{5}$ गुना।

अभ्यास 3.8 ★★

एवरी के प्रयोग में DNA को नष्ट करने वाले एंजाइम से उपचारित सत्त को भी परखना क्यों ज़रूरी था, केवल शुद्ध किया गया DNA वाला अंश ही क्यों नहीं?

हल

हल — अभ्यास 3.8.

किसी “शुद्ध किए गए” अंश में दूसरे अणुओं के अंश अब भी हो सकते हैं, इसलिए अकेली उसकी सक्रियता यह सिद्ध नहीं करती कि ज़िम्मेदार DNA ही है। पूरे सत्त में ख़ास तौर पर DNA को नष्ट करके यह देखना कि सक्रियता ग़ायब हो गई, जबकि प्रोटीन और RNA नष्ट करने वाले एंजाइम उसे छोड़ देते हैं, असर को DNA पर और किसी और पर नहीं टिका देता है।

अभ्यास 3.9 ★★

समझाइए कि शारगाफ़ के आँकड़ों ने ऐसे मॉडल को क्यों ख़ारिज कर दिया जिसमें क्षारक ATGCATGC… जैसे नियमित दोहराव में सजे होते।

हल

हल — अभ्यास 3.9.

कोई नियत दोहराव हर जाति में एक ही संघटन (हर क्षारक का 25%) देता। शारगाफ़ ने A+T को जातियों के बीच काफ़ी फैला हुआ पाया: क्षारकों का क्रम कोई नियत ढर्रा नहीं है, इसलिए अनुक्रम बदलने को स्वतंत्र है — और यही उसे जानकारी ढोने के लायक़ बनाता है।

अभ्यास 3.10 ★★

किसी जीन के दो युग्मविकल्पी 2000 में से एक ही क्षारक पर अलग हैं। समझाइए कि इतना छोटा फ़र्क़ किसी प्रोटीन को कैसे बदल सकता है, और वह कुछ भी क्यों न बदले, यह भी।

हल

हल — अभ्यास 3.10.

प्रोटीन बनाने के लिए अनुक्रम क्रम से पढ़ा जाता है; जिस स्थान पर कोई ऐमीनो अम्ल तय होता है वहाँ बदला हुआ क्षारक एक ऐमीनो अम्ल की जगह दूसरा बिठा सकता है और प्रोटीन का आकार या सक्रियता बदल सकता है। पर यदि बदला हुआ क्षारक जीन के किसी न पढ़े जाने वाले हिस्से में हो, या वही ऐमीनो अम्ल तय करता हो, तो प्रोटीन अनबदला रहता है।

अभ्यास 3.11 ★★

चूहे के निषेचित अंडाणु में डाला गया GFP जीन उसकी त्वचा की कोशिकाओं में, यकृत की कोशिकाओं में और शुक्राणुओं में मिलता है। कोशिका सिद्धांत और प्रतिज्ञप्ति 3.8 की मदद से समझाइए कि ऐसा क्यों है।

हल

हल — अभ्यास 3.11.

चूहे की सारी कोशिकाएँ निषेचित अंडाणु से विभाजन द्वारा उतरी हैं; हर विभाजन पर DNA की, पारजीन समेत, नक़ल (पूरकता से) बनती है और वह बँट जाता है। इसलिए त्वचा, यकृत और शुक्राणु — सब उस जीन को ढोते हैं, और शुक्राणु उसे अगली पीढ़ी तक पहुँचा देता है।

अभ्यास 3.12 ★★★

किसी जीवाणु का DNA अणु $4.6 \times 10^{6}$ क्षारक-जोड़े लंबा है। उसकी लंबाई निकालिए; कोशिका के $2\,\text{µ}\mathrm{m}$ से तुलना कीजिए; फिर समझाइए कि इसके बावजूद जीवाणु में उसके लिए जगह कैसे बन जाती है।

हल

हल — अभ्यास 3.12.

$4.6 \times 10^{6} \times 0.34\,\mathrm{nm} \approx 1.6\,\mathrm{mm}$ , यानी कोशिका की लंबाई का क़रीब 800 गुना। पर अणु केवल $2\,\mathrm{nm}$ चौड़ा है: उसका आयतन, लगभग $\pi \times 1^2 \times 1.6 \times 10^{6}\, \mathrm{nm}^{3} \approx 5 \times 10^{-3}\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ , कोशिका के आयतन का क़रीब 1% है; मोड़ा और कुंडलित किया हुआ वह जगह बचाकर समा जाता है।

अभ्यास 3.13 ★★★

कोई मित्र दावा करता है कि मानव DNA जीवाणु के DNA से “अधिक जटिल” ज़रूर होगा, क्योंकि उसमें अधिक क्षारक हैं। $3.2 \times 10^{9}$ और $4.6 \times 10^{6}$ क्षारक-जोड़ों की तुलना $20\,000$ और 4300 जीनों से कीजिए, और चर्चा कीजिए कि वह अतिरिक्त DNA क्या है और क्या नहीं।

हल

हल — अभ्यास 3.13.

मानव DNA 700 गुना लंबा है पर उसमें जीन केवल लगभग 5 गुना अधिक हैं: उसका अधिकांश हिस्सा जीन है ही नहीं। उस अतिरिक्त DNA का एक हिस्सा यह नियंत्रित करता है कि जीन कब इस्तेमाल हों, और एक हिस्सा दोहराया हुआ अनुक्रम है जिसका कोई ज्ञात काम नहीं। क्षारकों की गिनती इबारत का आकार नापती है, जीव की जटिलता नहीं; जीनों की संख्या और सबसे बढ़कर उनके मेल तथा नियंत्रण का ढंग कहीं अधिक मायने रखते हैं।

अभ्यास 3.14 ★★★

मान लीजिए कोई ऐसी जाति खोजी जाती है जिसका आनुवंशिक पदार्थ किसी और अणु और किसी और कूट का इस्तेमाल करता हो। वह अध्याय की किन प्रतिज्ञप्तियों का खंडन करती, और उस जाति तथा बाक़ी जीवन के साझा उद्गम के लिए उसका क्या मतलब होता?

हल

हल — अभ्यास 3.14.

वह DNA की सार्वत्रिकता का खंडन करती (प्रतिज्ञप्ति 3.12)। चूँकि साझा अणु और साझा कूट किसी साझा पूर्वज से विरासत में मिलते हैं, इसलिए ऐसी जाति को जीवन के किसी अलग उद्गम से उतरा होना पड़ता: उसके जीन हमारी कोशिकाएँ पढ़ ही नहीं पातीं, और दोनों वंशक्रमों के बीच पारजीनन असंभव होता।

अभ्यास 3.15 ★★★

जीवाणुओं से बने मानव इंसुलिन ने सूअरों के अग्न्याशय से निकाले जाने वाले इंसुलिन की जगह ले ली। जीवाणु वाला उत्पाद बेहतर क्यों था, इसके दो जैविक कारण गिनाइए, और एक ऐसा सवाल भी जो किसी नियामक को फिर भी पूछना पड़ता।

हल

हल — अभ्यास 3.15.

जीवाणु वाला उत्पाद ठीक-ठीक वही मानव प्रोटीन है (सूअर का इंसुलिन एक ऐमीनो अम्ल से अलग होता है और प्रतिरक्षा प्रतिक्रियाएँ भड़का सकता है), और वह असीमित मात्रा में तथा सूअर के रोगजनकों से मुक्त बनता है। कोई नियामक फिर भी पूछता कि शुद्ध किया गया प्रोटीन जीवाणु के संदूषकों से मुक्त है या नहीं, और वह ठीक से मुड़ा हुआ तथा सक्रिय है या नहीं।

3.6 समस्या: जेलीफ़िश का जीन

समस्या 3.1

सप्ताहांत समस्या — जेलीफ़िश का एक जीन चूहे तक पीछा किया गया: उसकी लंबाई, उसके अक्षर, चूहा उसे पढ़ क्यों सकता है, और वे दो मीटर DNA जो उसे हर कोशिका में ढोते हैं

जेलीफ़िश Aequorea victoria का हरा प्रतिदीप्त प्रोटीन 238 ऐमीनो अम्लों की एक शृंखला है। प्रयोगशाला में इस्तेमाल होने वाला उसका जीन 720 क्षारक-जोड़ों का एक DNA खंड है। प्रति क्षारक-जोड़ा $0.34\,\mathrm{nm}$ , प्रति चक्कर दस क्षारक-जोड़े, और चूहे का जीनोम गुणसूत्रों के प्रति समुच्चय $2.7 \times 10^{9}$ क्षारक-जोड़े तथा प्रति कोशिका दो समुच्चय लीजिए।

भाग I — अणु।

GFP जीन की लंबाई नैनोमीटर में और उसके बनाए कुंडली के चक्करों की संख्या निकालिए।
जीन की एक लड़ी ATGAGTAAAGGAGAAGAAC से शुरू होती है। उसकी पूरक लड़ी लिखिए।
पूरे जीन में एडेनीन क्षारकों का 27% है। बाक़ी तीनों क्षारकों के प्रतिशत बताइए।
जीन में 720 क्षारक-जोड़े हैं और वह 238 ऐमीनो अम्लों का कूट है। अनुपात निकालिए, और सुझाइए कि इससे एक ऐमीनो अम्ल कितने क्षारकों से तय होता है इस बारे में क्या पता चलता है (यह परिकल्पना अध्याय 14 पक्की करेगा)।
सिद्धांततः 720 क्षारकों के कितने अलग-अलग अनुक्रम संभव हैं? उत्तर 4 की घात के रूप में लिखिए, फिर एक वाक्य में समझाइए कि उस अनुक्रम को जानकारी क्यों कहा जा सकता है।

भाग II — चूहा उसे पढ़ क्यों सकता है।

DNA का वह गुण बताइए जिसकी वजह से चूहे की कोशिका जेलीफ़िश के जीन का इस्तेमाल कर पाती है।
जीन किसी वयस्क चूहे की त्वचा में नहीं, बल्कि निषेचित अंडाणु में डाला जाता है। कोशिका सिद्धांत की मदद से समझाइए कि इससे जीन कहाँ पहुँचेगा, इस पर क्या फ़र्क़ पड़ता है।
वयस्क चूहा हर ऊतक में चमकता है। इससे उसकी अलग-अलग तरह की कोशिकाओं की DNA-मात्रा के बारे में क्या पता चलता है?
चमकते चूहे का संगम किसी साधारण चूहे से कराया जाता है। कारण सहित अनुमान लगाइए कि संतानों में से कुछ चमकेंगी या नहीं।
एक नियंत्रण चूहे में जीन के बजाय शुद्ध किया गया GFP प्रोटीन इंजेक्ट किया जाता है: वह कुछ दिन फीका चमकता है, फिर रुक जाता है। दोनों प्रयोगों का अंतर समझाइए।

भाग III — कहानी के पीछे का साक्ष्य।

एवरी के प्रयोग में उस अंश का नाम बताइए जिसने जीवाणुओं को रूपांतरित किया, और उस उपचार का भी जिसने रूपांतरण मिटा दिया।
समझाइए कि रूपांतरण का प्रयोग पारजीनन का ही एक प्राकृतिक रूप क्यों है।
शारगाफ़ ने हर जाति में A $\,=\,$ T और G $\,=\,$ C पाया, पर A+T 25% से 75% तक बदलता हुआ। दोनों प्रेक्षणों में से कौन-सा क्षारक-जोड़ी का समर्थन करता है, और कौन-सा दिखाता है कि अनुक्रम स्वतंत्र है?
फ़्रैंकलिन के चित्रों ने कुंडली का व्यास $2\,\mathrm{nm}$ बताया। समझाइए कि किसी बड़े क्षारक को किसी छोटे के साथ जोड़ने (A को T के साथ, G को C के साथ) से, न कि दो बड़ों को आपस में, कुंडली नियमित क्यों बनती है।
बनावट की खोज ने तुरंत यह क्यों सुझा दिया कि DNA की नक़ल कैसे बनती है?

भाग IV — किसी केंद्रक में दो मीटर।

चूहे की एक कोशिका में DNA की कुल लंबाई निकालिए।
केंद्रक $6\,\text{µ}\mathrm{m}$ चौड़ा है। समा जाने के लिए DNA को कुंडलन से कितने गुना छोटा होना पड़ेगा?
कोशिका के DNA का कितना अंश GFP जीन है?
चूहे में लगभग $2 \times 10^{4}$ जीन हैं, जिनकी औसत लंबाई अकूट हिस्सों समेत $3 \times 10^{4}$ क्षारक-जोड़े है। जीन जीनोम का कितना अंश घेरते हैं?
परिणाम एक वाक्य में लिखिए: चूहे की एक कोशिका कितना DNA ढोती है, और उस DNA के बारे में वह अकेला कौन-सा तथ्य है जिसकी वजह से उसके हज़ारों जीनों के बीच जेलीफ़िश का एक जीन पढ़ा जा सकता है?

हल

हल — समस्या 3.1.

1. $720 \times 0.34 \approx 245\,\mathrm{nm}$ ; $720/10 = 72$ चक्कर।

2. TACTCATTTCCTCTTCTTG।

3. T $= 27\%$ ; G $=$ C $= (100 - 54)/2 = 23\%$ ।

4. $720/238 \approx 3.0$ : यानी प्रति ऐमीनो अम्ल तीन क्षारक (आख़िरी तीन शृंखला का अंत बताते हैं)।

5. $4^{720}$ अनुक्रम, यानी लगभग $10^{433}$ । रसायन किसी भी क्रम की छूट देता है, इसलिए इतनी सब संभावनाओं में से चुना गया वह ख़ास क्रम एक संदेश है — यानी जानकारी।

6. सार्वत्रिकता: हर सजीव उन्हीं चार न्यूक्लियोटाइडों का इस्तेमाल करता है और किसी अनुक्रम को उन्हीं नियमों से पढ़ता है।

7. चूहे की सारी कोशिकाएँ अंडाणु से विभाजन द्वारा उतरी हैं, इसलिए अंडाणु में डाला गया जीन हर कोशिका में नक़ल हो जाता है। वयस्क की त्वचा में डाला गया वह केवल उपचारित त्वचा कोशिकाओं और उनके वंशजों में ही होता।

8. हर तरह की कोशिका में पूरा DNA रहता है, पारजीन समेत: विशेषीकरण जीनों को फेंकता नहीं।

9. हाँ: जनन कोशिकाएँ वह जीन ढोती हैं। यदि चूहे में जोड़े के एक गुणसूत्र पर उसकी एक प्रति हो, तो उसकी लगभग आधी संतानें उसे पाएँगी और चमकेंगी।

10. प्रोटीन जानकारी नहीं है: वह ख़र्च हो जाता है और दोबारा कभी नहीं बनता, इसलिए चमक फीकी पड़ जाती है। जीन की नक़ल हर विभाजन पर बनती है और वह लगातार पढ़ा जाता है, इसलिए चमक स्थायी और वंशागत होती है।

11. DNA वाला अंश; और DNA को नष्ट करने वाले एंजाइम से उपचार।

12. जीवाणुओं ने दूसरे प्रभेद का DNA ग्रहण किया, उसे अपने में जोड़ा, उस लक्षण को व्यक्त किया और आगे पहुँचाया: यानी एक जीव से दूसरे में जीन का अंतरण, और पारजीनन जानबूझकर यही करता है।

13. A $\,=\,$ T और G $\,=\,$ C क्षारक-जोड़ी का समर्थन करते हैं; बदलता हुआ A+T हिस्सा दिखाता है कि जोड़ों का क्रम स्वतंत्र है।

14. A और G दो-वलय वाले बड़े क्षारक हैं, T और C एक-वलय वाले छोटे: कोई बड़ा किसी छोटे के साथ जुड़े तो दूरी हमेशा एक ही बनती है, इसलिए दोनों रीढ़ें पूरे अणु भर $2\,\mathrm{nm}$ की दूरी पर बनी रहती हैं। दो बड़े क्षारक उभार बनाते और दो छोटे एक ख़ाली जगह छोड़ देते।

15. क्योंकि हर लड़ी दूसरी की पूरक है: उन्हें अलग कीजिए, जोड़ी के नियम से हर एक पर साथी बनाइए, और दो एक जैसे अणु बन जाते हैं।

16. $2 \times 2.7 \times 10^{9} \times 0.34\,\mathrm{nm} \approx 1.8\,\mathrm{m}$ ।

17. $1.8\,\mathrm{m} / 6\,\text{µ}\mathrm{m} = 3 \times 10^{5}$ : यानी तीन लाख गुना सघनन।

18. $720 / 5.4 \times 10^{9} \approx 1.3 \times 10^{-7}$ : यानी कोशिका के DNA का लगभग एक करोड़वाँ हिस्सा।

19. $2 \times 10^{4} \times 3 \times 10^{4} = 6 \times 10^{8}$ क्षारक-जोड़े, यानी जीनोम का लगभग 22%; बाक़ी जीनों के बीच में पड़ा है।

20. चूहे की एक कोशिका लगभग $1.8\,\mathrm{m}$ DNA ढोती है; और चूँकि वह DNA ठीक वैसे ही बना और वैसे ही पढ़ा जाता है जैसे जेलीफ़िश का, इसलिए उसके बीस हज़ार जीनों के बीच वह अकेला बाहरी जीन भी बाक़ियों जैसा ही पढ़ा जाता है।

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