विश्वविद्यालय जीवविज्ञान — वर्ष 1 · Bachelor Year 1

18DNA प्रतिकृतिकरण और समसूत्री विभाजन

हर आठ घंटे के आसपास आँत के अस्तर की कोई कोशिका छह अरब क्षारक युग्मों की नक़ल करती है, और उसमें अरब में लगभग एक भूल होती है, फिर दोनों प्रतियाँ दो संततियों में इस तरह छाँटती है कि हर एक को ठीक छियालीस गुणसूत्र मिलें — न पैंतालीस, न सैंतालीस। नक़ल वह मशीन करती है जो एक लड़ी पढ़ती है और उसका पूरक प्रति सेकंड पचास अक्षरों की दर से, एक साथ दसियों हज़ार आरंभ-बिंदुओं से बनाती है; और छँटाई सूक्ष्म नलिकाओं का वह तर्कु करता है जो हर गुणसूत्र की दोनों प्रतियाँ एक लाख विभाजनों में एक भूल की परिशुद्धता से अलग खींच लेता है। यह अध्याय प्रतिकृतिकरण द्विशाख और उसके एंजाइमों, सिरों की समस्या, उस कोशिका चक्र का जो प्रतिकृतिकरण तथा विभाजन का समय तय करता है, और स्वयं विभाजन यानी समसूत्री विभाजन का वर्णन करता है।

18.1 अर्ध-संरक्षी प्रतिकृतिकरण

प्रतिज्ञप्ति 18.1 (हर लड़ी एक साँचा है)

DNA अर्ध-संरक्षी रूप से प्रतिकृत होता है: कुंडली की दोनों लड़ियाँ अलग होती हैं, और हर एक उस साँचे का काम करती है जिस पर एक नई पूरक लड़ी बनाई जाती है, इसलिए हर संतति अणु एक पुरानी लड़ी और एक नई लड़ी का युग्म होता है।

साक्ष्य. मेसेल्सन और स्टाल (1958; जो लाइसेयी खंड से याद है) ने E. coli को भारी नाइट्रोजन पर उगाया, फिर हल्की नाइट्रोजन पर पहुँचाया, और DNA को घनत्व से अलग किया: एक पीढ़ी बाद सारा DNA मध्यवर्ती घनत्व का था, और दो पीढ़ी बाद आधा मध्यवर्ती तथा आधा हल्का — यानी ठीक वही भविष्यवाणी जो प्रति अणु एक पुरानी और एक नई लड़ी की है, और किसी और योजना की नहीं। केर्न्स (1963) ने प्रतिकृत होते जीवाणु गुणसूत्रों को ट्रिटियम से चिह्नित किया और उन्हें स्वप्रकाशचित्रिकी से चित्रित किया: ऐसे वृत्त जिनमें प्रतिकृत होता एक “बुलबुला” था और जिसके दोनों द्विशाख एक उद्गम से विपरीत दिशाओं में चल रहे थे। कोर्नबर्ग (1956) ने ऐसा एंजाइम शुद्ध किया जो परखनली में चारों न्यूक्लियोसाइड ट्राइफ़ॉस्फ़ेटों और किसी साँचे से DNA संश्लेषित करता था, साँचे के ही अनुक्रम में। ∎

परिभाषा 18.2 (प्रतिकृतिकरण द्विशाख और उसके एंजाइम)

प्रतिकृतिकरण किसी उद्गम से शुरू होता है — जीवाणु गुणसूत्र पर एक, किसी सुकेंद्रकी जीनोम पर दसियों हज़ार — जहाँ कुंडली खोली जाती है और दो प्रतिकृतिकरण द्विशाख विपरीत दिशाओं में चल पड़ते हैं। हर द्विशाख पर: कोई हेलिकेज़ कुंडली खोलता है (प्रति क्षारक युग्म एक ATP), एकलड़ी बंधनकारी प्रोटीन अलग हुई लड़ियों को अलग रखते हैं, और द्विशाख से आगे कोई टोपोआइसोमरेज़ उस ऐंठन को ढीला करता है जो खुलने से जमा होती जाती है। DNA पॉलिमरेज़ न्यूक्लियोटाइड केवल किसी मौजूदा शृंखला के $3'$ हाइड्रॉक्सिल पर जोड़ता है, इसलिए हर नई लड़ी $5' \to 3'$ बढ़ती है और कोई भी शून्य से शुरू नहीं हो सकती: पहले कोई प्राइमेज़ एक छोटा RNA प्राइमर बिछाता है जिसे पॉलिमरेज़ बढ़ाता है। जिस साँचे को $3' \to 5'$ पढ़ा जाता है उस पर नई लड़ी द्विशाख की ओर सतत बढ़ती है: यही अग्रणी लड़ी है। दूसरे साँचे पर नई लड़ी को द्विशाख से दूर की ओर बढ़ना पड़ता है, और वह जीवाणुओं में $1000\text{ to }2000\,$ तथा सुकेंद्रकियों में $100\text{ to }200\,$ न्यूक्लियोटाइडों के टुकड़ों में बढ़ती है, यानी ओकाज़ाकी खंडों में, और हर खंड का अपना प्राइमर होता है: यही पश्चगामी लड़ी है। कोई दूसरा पॉलिमरेज़ प्राइमरों की जगह DNA रख देता है और कोई लाइगेज़ उन खंडों को एक लड़ी में सील कर देता है।

एक प्रतिकृतिकरण द्विशाख। हेलिकेज़ जनक द्विलड़ी खोलता है; अग्रणी लड़ी द्विशाख की ओर सतत नक़ल होती है, और पश्चगामी लड़ी पीछे की ओर ओकाज़ाकी खंडों में, क्योंकि पॉलिमरेज़ केवल 5' 3' दिशा में ही बनाते हैं। — एक प्रतिकृतिकरण द्विशाख। हेलिकेज़ जनक द्विलड़ी खोलता है; अग्रणी लड़ी द्विशाख की ओर सतत नक़ल होती है, और पश्चगामी लड़ी पीछे की ओर ओकाज़ाकी खंडों में, क्योंकि पॉलिमरेज़ केवल $5' \to 3'$ दिशा में ही बनाते हैं।

प्रतिज्ञप्ति 18.3 (सत्यनिष्ठा)

अकेला क्षारक-युग्मन $10^5$ में लगभग एक भूल देता; पॉलिमरेज़ प्रूफ़-पठन करता है — कोई $3' \to 5'$ बहिर्न्यूक्लिएज़ क्रिया अगला न्यूक्लियोटाइड जुड़ने से पहले बेमेल न्यूक्लियोटाइड हटा देती है — जिससे भूल $10^7$ में एक रह जाती है; और द्विशाख के गुज़र जाने के बाद कोई बेमेल मरम्मत तंत्र बचे हुए बेमेल ढूँढ़ता है, नई लड़ी पहचानता है, और उसे सुधार देता है: यानी प्रति प्रतिकृतिकरण $10^9$ से $10^{10}$ क्षारक युग्मों में एक भूल। $6.4 \times 10^{9}$ युग्म नक़ल करती कोई मानव कोशिका हर बार विभाजित होने पर मुट्ठी भर उत्परिवर्तन करती है; और कोई जीवाणु, एक हज़ार विभाजनों में एक।

उदाहरण 18.4 (चाल और आरंभ-बिंदु)

कोई जीवाणु द्विशाख प्रति सेकंड $1000\,$ क्षारक युग्म चलता है: दो द्विशाख E. coli की $4.6\,\mathrm{Mb}$ $40\,\mathrm{min}$ में नक़ल कर लेते हैं, और समृद्ध माध्यम में, जहाँ कोशिका हर बीस मिनट में विभाजित होती है, नया चक्कर पिछले के समाप्त होने से पहले ही शुरू हो जाता है। कोई सुकेंद्रकी द्विशाख, जिसे क्रोमैटिन धीमा कर देती है, प्रति सेकंड $50\,$ चलता है: $250\,\mathrm{Mb}$ के किसी मानव गुणसूत्र को एक उद्गम से नक़ल करने में महीना लग जाता, इसलिए जीनोम कोई $40\,000$ उद्गमों से आठ घंटे में नक़ल किया जाता है, और वह भी हर कोशिका-प्रकार के लिए नियत क्रम में।

18.2 सिरे

प्रतिज्ञप्ति 18.5 (सिरा-प्रतिकृतिकरण की समस्या और टीलोमरेज़)

किसी रैखिक गुणसूत्र पर पश्चगामी लड़ी बिलकुल सिरे तक पूरी नहीं की जा सकती: जब अंतिम प्राइमर हटाया जाता है तब ऊपर की ओर कोई ऐसा $3'$ हाइड्रॉक्सिल नहीं होता जिससे वह ख़ाली जगह भरी जा सके, और हर प्रतिकृतिकरण गुणसूत्र को $50\text{ to }100\,$ न्यूक्लियोटाइड छोटा कर देता। सुकेंद्रकी अपने गुणसूत्रों के सिरों पर टीलोमियर रखते हैं, यानी किसी छोटी पुनरावृत्ति (कशेरुकियों में TTAGGG) की हज़ारों प्रतियाँ, जिन पर कोई जीन नहीं होते, और जनन कोशिकाएँ तथा मूल कोशिकाएँ टीलोमरेज़ ढोती हैं, यानी वह एंजाइम जिसका अपना RNA साँचा है और जो $3'$ सिरे पर पुनरावृत्तियाँ जोड़ देता है और वह लौटा देता है जो प्रतिकृतिकरण खोता है। अधिकांश कायिक कोशिकाओं में वह नहीं होता: उनके टीलोमियर हर विभाजन पर छोटे होते जाते हैं, और संवर्धन में कोई पचास विभाजनों के बाद वे विभाजित होना बंद कर देती हैं। जीवाणुओं के, जिनके गुणसूत्र वर्तुल हैं, कोई सिरे ही नहीं होते।

सिरा-प्रतिकृतिकरण की समस्या (ऊपर) और उसका समाधान (नीचे)। पश्चगामी लड़ी गुणसूत्र के सिरे पर छोटी रह जाती है; और टीलोमरेज़ साँचे के 3' सिरे पर पुनरावृत्तियाँ जोड़ देता है ताकि हानि उस अनुक्रम पर पड़े जिस पर कोई जीन नहीं है। — सिरा-प्रतिकृतिकरण की समस्या (ऊपर) और उसका समाधान (नीचे)। पश्चगामी लड़ी गुणसूत्र के सिरे पर छोटी रह जाती है; और टीलोमरेज़ साँचे के $3'$ सिरे पर पुनरावृत्तियाँ जोड़ देता है ताकि हानि उस अनुक्रम पर पड़े जिस पर कोई जीन नहीं है।

18.3 कोशिका चक्र

परिभाषा 18.6 (कोशिका चक्र)

किसी सुकेंद्रकी कोशिका के कोशिका चक्र की चार प्रावस्थाएँ हैं। G $_1$ (अंतराल 1): कोशिका बढ़ती है और प्रतिकृतिकरण के एंजाइम बनाती है; S (संश्लेषण): वह अपना DNA प्रतिकृत करती है, जिससे हर गुणसूत्र सेंट्रोमियर पर जुड़ी दो एक जैसी सहोदर क्रोमैटिडें बन जाता है; G $_2$ : वह और बढ़ती है और प्रतियाँ जाँचती है; M: समसूत्री विभाजन, यानी केंद्रक का विभाजन, और उसके बाद कोशिकाद्रव्य-विभाजन, यानी कोशिकाद्रव्य का विभाजन। G $_1$ , S और G $_2$ मिलकर अंतरावस्था हैं, जिसमें गुणसूत्र फैले और सक्रिय रहते हैं; और जो कोशिका विभाजित होना बंद कर देती है वह G $_1$ से निकलकर किसी विश्राम अवस्था, G $_0$ , में चली जाती है। विभाजित होती किसी मानव कोशिका को लगभग $24\,\mathrm{h}$ लगते हैं: G $_1$ $10\,\mathrm{h}$ , S $8\,\mathrm{h}$ , G $_2$ $4\,\mathrm{h}$ , M $1\,\mathrm{h}$ ; किसी खमीर को $90\,\mathrm{min}$ ; और किसी आरंभिक मेंढक-भ्रूण को तीस मिनट, बिना किसी अंतराल के।

24\, h के एक कोशिका चक्र में किसी केंद्रक की DNA मात्रा। वह S प्रावस्था के दौरान q (एक क्रोमैटिड के 2n गुणसूत्र) से 2q (दो क्रोमैटिडों के 2n गुणसूत्र) तक दुगुनी हो जाती है, और समसूत्री विभाजन के अंत में हर संतति में q पर लौट आती है; और गुणसूत्रों की संख्या कभी नहीं बदलती। — $24\,\mathrm{h}$ के एक कोशिका चक्र में किसी केंद्रक की DNA मात्रा। वह S प्रावस्था के दौरान $q$ (एक क्रोमैटिड के 2n गुणसूत्र) से $2q$ (दो क्रोमैटिडों के 2n गुणसूत्र) तक दुगुनी हो जाती है, और समसूत्री विभाजन के अंत में हर संतति में $q$ पर लौट आती है; और गुणसूत्रों की संख्या कभी नहीं बदलती।

प्रतिज्ञप्ति 18.7 (जाँच-बिंदु)

चक्र को प्रोटीन काइनेज़ों का एक कुल आगे धकेलता है, जिन्हें बारी-बारी से साइक्लिन कहलाते प्रोटीन सक्रिय करते हैं और जिनके स्तर चक्र भर चढ़ते-उतरते रहते हैं, और वह जाँच-बिंदुओं पर तब तक रोका जाता है जब तक शर्तें पूरी न हों: G $_1$ के अंत में कोशिका प्रतिकृतिकरण के लिए तभी प्रतिबद्ध होती है जब वह पर्याप्त बड़ी हो, पोषित हो और विभाजित होने का संकेत पा चुकी हो, और उसका DNA अक्षत हो; G $_2$ के अंत में वह समसूत्री विभाजन में तभी घुसती है जब प्रतिकृतिकरण पूरा हो; और विभाजन में क्रोमैटिडें तभी अलग होती हैं जब हर गुणसूत्र दोनों ओर से तर्कु से जुड़ा हो। क्षति चक्र रोक देती है और, यदि उसकी मरम्मत न हो सके, तो कोशिका की मृत्यु करा देती है। इस नियंत्रण की आणविक मशीनरी वर्ष 3 के खंड की है; और उसका चूकना कैंसर है।

18.4 समसूत्री विभाजन

परिभाषा 18.8 (समसूत्री विभाजन)

समसूत्री विभाजन प्रतिकृत गुणसूत्रों को इस तरह बाँटता है कि हर संतति केंद्रक को हर गुणसूत्र की एक क्रोमैटिड मिले — यानी जनक जितनी ही संख्या और वही जीन। उसकी अवस्थाएँ:

पूर्वावस्था: गुणसूत्र संघनित होकर दिखने वाली छड़ें बन जाते हैं, और हर छड़ दो सहोदर क्रोमैटिडों की है जिन्हें कोहेसिन प्रोटीन उनकी पूरी लंबाई भर जोड़े रखते हैं; दोनों तारककाय दूर हटते हैं और उनके बीच सूक्ष्म नलिकाओं का समसूत्री तर्कु उगता है;
पूर्वमध्यावस्था: केंद्रक आवरण टूट जाता है; और तर्कु की सूक्ष्म नलिकाएँ विपरीत ध्रुवों से हर क्रोमैटिड के गतिबिंदु से जुड़ जाती हैं, जो सेंट्रोमियर पर की एक प्रोटीन संरचना है;
मध्यावस्था: गुणसूत्र तर्कु की भूमध्य रेखा पर पंक्तिबद्ध हो जाते हैं, और हर एक दोनों ध्रुवों से तनाव में रहता है;
पश्चावस्था: कोहेसिन काट दिया जाता है, सहोदर क्रोमैटिडें अलग होती हैं और सूक्ष्म नलिकाओं के छोटा होते जाने पर विपरीत ध्रुवों की ओर खींची जाती हैं (पश्चावस्था A) तथा ध्रुव दूर हटते हैं (पश्चावस्था B);
अंत्यावस्था: गुणसूत्र फिर फैल जाते हैं, और हर समुच्चय के चारों ओर एक केंद्रक आवरण फिर बन जाता है।

फिर कोशिकाद्रव्य-विभाजन कोशिकाद्रव्य को बाँटता है: जंतु कोशिकाओं में ऐक्टिन तथा मायोसिन की कोई संकुचनशील वलय कोशिका को चुटककर दो कर देती है; और पादप कोशिकाओं में गॉल्जी से आई पुटिकाएँ भूमध्य रेखा पर जुड़कर एक कोशिका पट्ट बनाती हैं जो बाहर की ओर बढ़कर नई भित्ति बन जाता है।

प्याज़ की जड़-सिरे की कोशिकाएँ अंतरावस्था, पूर्वावस्था, मध्यावस्था, पश्चावस्था, अंत्यावस्था में, और कोशिकाद्रव्य-विभाजन के बाद बीच में नई भित्ति के साथ। गुणसूत्र केवल तभी दिखते हैं जब वे संघनित हों, यानी पूर्वावस्था से अंत्यावस्था तक।

किसी जंतु कोशिका में समसूत्री विभाजन की चार अवस्थाएँ। पूर्वावस्था: दोनों तारककायों से तर्कु बनते समय गुणसूत्र संघनित होते हैं। मध्यावस्था: हर गुणसूत्र भूमध्य रेखा पर बैठा है, दोनों ध्रुवों से जुड़ा। पश्चावस्था: सहोदर क्रोमैटिडें अलग खींची जाती हैं। अंत्यावस्था: दो केंद्रक फिर बनते हैं और खाँच कोशिका को बाँट देती है।

मध्यावस्था पर संवर्धित एक कोशिका, जिसकी सूक्ष्म नलिकाएँ हरी और गुणसूत्र नीले चिह्नित हैं: तर्कु कोशिका को ध्रुव से ध्रुव तक पार करता है और गुणसूत्र उसकी भूमध्य रेखा पर एक पट्ट बनाते हैं।

प्रतिज्ञप्ति 18.9 (समसूत्री विभाजन क्या संरक्षित करता है)

समसूत्री विभाजन वह विभाजन है जो गुणसूत्र संख्या संरक्षित करता है: 2n गुणसूत्रों (मनुष्य में 46) वाली कोई कोशिका 2n वाली दो कोशिकाएँ देती है। DNA की मात्रा $2q$ (प्रतिकृतिकरण के बाद) से हर संतति में $q$ हो जाती है; गुणसूत्रों की संख्या कभी नहीं बदलती, क्योंकि गुणसूत्र उसके सेंट्रोमियर से गिना जाता है, और हर क्रोमैटिड, अलग होते ही, एक गुणसूत्र है। इस तरह किसी शरीर की हर कोशिका उस अंडे के आनुवंशिक रूप से समान है जिससे वह उतरी है, सिवाय उन उत्परिवर्तनों के जो नक़ल ने डाले हैं। जो विभाजन गुणसूत्र संख्या आधी करता है, यानी अर्धसूत्री विभाजन, वह वर्ष 2 के खंड का है।

विधि 18.10 (किसी कोशिका-चक्र प्रयोग को पढ़ना)

प्रति कोशिका DNA मापिए (कोई ऐसा रंजक जिसकी प्रतिदीप्ति DNA के समानुपाती हो, कोशिका-दर-कोशिका): $q$ पर की कोशिकाएँ G $_1$ में हैं, $2q$ पर G $_2$ या M में, और बीच वाली S में। भिन्न अवधियाँ दे देते हैं: किसी प्रावस्था का चक्र में हिस्सा उसका कोशिकाओं में हिस्सा ही है।
चिह्नित न्यूक्लियोटाइड (ब्रोमोडिऑक्सीयूरिडीन) का एक स्पंद दीजिए: उसे केवल S प्रावस्था की कोशिकाएँ लेती हैं; चिह्नित भिन्न ही S भिन्न है, और चिह्न का समसूत्री विभाजन तक पीछा करने से G $_2$ की लंबाई मिल जाती है।
किसी रंगे हुए काट में समसूत्री आकृतियाँ गिनिए: समसूत्री सूचकांक, यानी M में कोशिकाओं का भिन्न, चक्र का वह भिन्न है जो M घेरता है — एक घंटे के विभाजन वाले $24\,\mathrm{h}$ के चक्र के लिए $4\,\%$ ।
किसी चरण को रोकिए (कोई दवा जो सूक्ष्म नलिकाएँ विबहुलकित करती है कोशिकाओं को मध्यावस्था में रोक देती है; और जो DNA संश्लेषण रोकती है उन्हें S में) और देखिए कि क्या जमा होता है।

उदाहरण 18.11 (आवर्तन)

छोटी आँत की उपकला हर चार दिन में नई हो जाती है, त्वचा हर महीने, और लाल कोशिकाएँ हर चार महीने में मज्जा से, जो प्रति सेकंड बीस लाख बनाती है; कोई यकृत कोशिका साल में एक बार के आसपास विभाजित होती है और कोई न्यूरॉन कभी नहीं। किसी अर्बुद की कोशिकाएँ अपने जाँच-बिंदु खो चुकी हैं: वे तब विभाजित होती हैं जब उन्हें नहीं होना चाहिए, ग़लत छँटे गुणसूत्र सह लेती हैं, और वे उत्परिवर्तन जमा करती जाती हैं जो उन्हें और तेज़ विभाजित होने देते हैं। कीमोथेरैपी इसी फ़र्क़ का लाभ उठाती है: जो दवाएँ तर्कु या पॉलिमरेज़ को विषाक्त करती हैं वे उन्हीं कोशिकाओं को मारती हैं जो सबसे अधिक विभाजित होती हैं।

18.5 अभ्यास

अभ्यास 18.1 ★

समझाइए कि किसी द्विशाख पर एक लड़ी सतत और दूसरी टुकड़ों में क्यों नक़ल होती है।

हल

हल — अभ्यास 18.1.

पॉलिमरेज़ न्यूक्लियोटाइड केवल किसी $3'$ सिरे पर जोड़ती हैं, इसलिए नई लड़ियाँ $5' \to 3'$ बढ़ती हैं; और दोनों टेम्पलेट प्रतिसमांतर हैं, इसलिए किसी द्विशाखिका पर एक नई लड़ी द्विशाखिका की ओर लगातार बढ़ सकती है जबकि दूसरी को उससे दूर बढ़ना पड़ता है, और ज्यों-ज्यों और टेम्पलेट खुलता है त्यों-त्यों टुकड़ों में फिर से शुरू होना पड़ता है।

अभ्यास 18.2 ★

किसी प्रतिकृतिकरण द्विशाख के एंजाइम तथा प्रोटीन गिनाइए और हर एक का काम बताइए।

हल

हल — अभ्यास 18.2.

हेलिकेज़ (खोलती है), एकलड़ी-बंधनकारी प्रोटीन (लड़ियों को अलग थामे रखते हैं), टोपोआइसोमरेज़ (आगे का ऐंठन ढीला करती है), प्राइमेज़ (RNA प्राइमर), DNA पॉलिमरेज़ (प्राइमर बढ़ाती और शुद्धि जाँचती है), एक दूसरी पॉलिमरेज़ (प्राइमर बदलती है), लाइगेज़ (टुकड़े सील करती है)।

अभ्यास 18.3 ★

DNA-मात्रा वाले आलेख से G $_1$ , G $_2$ में और समसूत्री विभाजन के बाद DNA की मात्रा पढ़िए, और हर एक में गुणसूत्रों की संख्या भी।

हल

हल — अभ्यास 18.3.

G $_1$ : $q$ , एक क्रोमैटिड वाले 2n गुणसूत्र। G $_2$ : $2q$ , दो क्रोमैटिडों वाले 2n गुणसूत्र। समसूत्री विभाजन के बाद: प्रति संतति $q$ , और हर एक में 2n गुणसूत्र।

अभ्यास 18.4 ★

समसूत्री विभाजन की अवस्थाएँ क्रम में रखिए और हर एक की परिभाषक घटना दीजिए।

हल

हल — अभ्यास 18.4.

पूर्वावस्था (संघनन, तर्कु बनता है), पूर्व-मध्यावस्था (आवरण टूटता है, गतिबिंब जुड़ते हैं), मध्यावस्था (विषुवत् पर पंक्तिबद्धता), पश्चावस्था (क्रोमैटिड अलग होते हैं), अंत्यावस्था (आवरण फिर बनते हैं), फिर कोशिकाद्रव्य-विभाजन।

अभ्यास 18.5 ★★

मानव जीनोम की नक़ल में बने ओकाज़ाकी खंडों की संख्या निकालिए ( $6.4 \times 10^{9}$ युग्म, $150\,$ के खंड), और इससे निकलती प्राइमरों, प्राइमर-हटावों तथा जोड़ों की संख्या भी।

हल

हल — अभ्यास 18.5.

आधा जीनोम पश्चगामी-लड़ी का संश्लेषण है: $6.4 \times 10^{9}/150 = 4.3 \times 10^{7}$ टुकड़े; और उतने ही प्राइमर, हटाव तथा जोड़।

अभ्यास 18.6 ★★

अकेले किसी पॉलिमरेज़ ( $10^{-5}$ ) के लिए, प्रूफ़-पठन के साथ ( $10^{-7}$ ) और बेमेल मरम्मत के साथ ( $10^{-9}$ ) प्रति मानव जीनोम प्रति प्रतिकृतिकरण भूल-दर निकालिए। हर एक प्रति विभाजन कितने उत्परिवर्तन देती है?

हल

हल — अभ्यास 18.6.

$6.4 \times 10^{9}\times 10^{-5} = 64\,000$ ; $\times 10^{-7}$ : 640; $\times 10^{-9}$ : यानी प्रति विभाजन लगभग 6 उत्परिवर्तन।

अभ्यास 18.7 ★★

कोई कायिक कोशिका प्रति विभाजन टीलोमियर के $80\,$ न्यूक्लियोटाइड खोती है और $10\,\mathrm{kb}$ से शुरू होती है; वह $5\,\mathrm{kb}$ पर विभाजित होना बंद कर देती है। वह कितने विभाजन कर सकती है? किसी कैंसर कोशिका को टीलोमरेज़ क्यों चाहिए?

हल

हल — अभ्यास 18.7.

$5000/80 = 62$ विभाजन। किसी अर्बुद को बिना सीमा विभाजित होना पड़ता है; टीलोमरेज़ के बिना उसके टीलोमर चुक जाते और उसकी कोशिकाएँ रुक जातीं या मर जातीं, इसलिए लगभग हर कर्कट उस एंजाइम को फिर सक्रिय कर देता है।

अभ्यास 18.8 ★★

किसी ऊतक की $5\,\%$ कोशिकाएँ समसूत्री विभाजन में हैं और $30\,\%$ S प्रावस्था में; और विभाजन एक घंटा चलता है। चक्र की लंबाई और S प्रावस्था की लंबाई निकालिए।

हल

हल — अभ्यास 18.8.

चक्र $= 1\,\mathrm{h}/0.05 = 20\,\mathrm{h}$ ; S $= 0.30\times 20 = 6\,\mathrm{h}$ ।

अभ्यास 18.9 ★★

किसी कोशिका का 2n $= 8$ है। गुणसूत्रों की संख्या, क्रोमैटिडों की संख्या और DNA की मात्रा ( $q$ में) दीजिए — G $_1$ में, G $_2$ में, मध्यावस्था में, और अंत्यावस्था के बाद हर संतति में।

हल

हल — अभ्यास 18.9.

G $_1$ : 8 गुणसूत्र, 8 क्रोमैटिड, $q$ । G $_2$ : 8, 16, $2q$ । मध्यावस्था: 8, 16, $2q$ । संतति: 8, 8, $q$ ।

अभ्यास 18.10 ★★★

E. coli को अपना गुणसूत्र प्रतिकृत करने में $40\,\mathrm{min}$ लगते हैं पर वह समृद्ध माध्यम में हर $20\,\mathrm{min}$ में विभाजित होता है। समझाइए कि कैसे, और निकालिए कि विभाजन के क्षण कोशिका में कितने उद्गम तथा द्विशाख होते हैं।

हल

हल — अभ्यास 18.10.

पिछला चक्कर खत्म होने से पहले ही उद्गम पर हर $20\,\mathrm{min}$ में नए चक्कर शुरू हो जाते हैं: प्रतिकृतिकरण अतिव्यापी है, और किसी नवजात कोशिका के पास पहले से ही अंशतः प्रतिकृत DNA होता है। विभाजन पर जो गुणसूत्र अपना चक्कर पूरा कर रहा होता है वह $40\,\mathrm{min}$ पहले शुरू हुआ था, $20\,\mathrm{min}$ पहले शुरू हुए दूसरे चक्कर की द्विशाखिकाएँ आधे रास्ते हैं, और तीसरा अभी शुरू ही हो रहा है: विभाजित होती कोशिका में 4 उद्गम और 6 द्विशाखिकाएँ।

अभ्यास 18.11 ★★★

कोल्चिसिन सूक्ष्म नलिकाओं को विबहुलकित कर देता है। भविष्यवाणी कीजिए कि उससे उपचारित किसी विभाजित होती कोशिका का क्या होता है, यदि वह फिर अंतरावस्था में घुसे तो उसकी गुणसूत्र संख्या का क्या होता है, और यह दवा गुणसूत्र-चित्र बनाने में क्यों काम आती है।

हल

हल — अभ्यास 18.11.

कोई तर्कु नहीं बनता: गुणसूत्र संघनित तो होते हैं पर न पंक्तिबद्ध हो सकते हैं न अलग, और कोशिका मध्यावस्था-जैसी अवस्था में तर्कु-जाँचबिंदु पर रुक जाती है। यदि वह बिना विभाजित हुए अंतरावस्था में फिसल जाए तो उसके पास 4n गुणसूत्र (चतुर्गुणित) होते हैं। संघनित, अलग गुणसूत्रों वाली रुकी कोशिकाएँ ठीक वही हैं जो किसी गुणसूत्र-चित्र को चाहिए: उन्हें जमा करने के लिए यह औषधि लगाई जाती है।

अभ्यास 18.12 ★★★

“समसूत्री विभाजन जीनोम की नक़ल है और उसके बाद एक गिनती।” एक अनुच्छेद में चर्चा कीजिए: प्रतिकृतिकरण क्या पक्का करता है, तर्कु क्या पक्का करता है, उनके बीच के जाँच-बिंदु, और उस कोशिका में क्या चूकता है जो किसी गुणसूत्र को ग़लत छाँट देती है।

हल

हल — अभ्यास 18.12.

प्रतिकृतिकरण यह पक्का करता है कि हर गुणसूत्र दो समरूप क्रोमैटिड बने, एक अरब में एक गलती तक; और तर्कु यह पक्का करता है कि हर संतति को हर जोड़े में से एक मिले, हर गुणसूत्र को दोनों ध्रुवों से जोड़कर और पश्चावस्था को तब तक रोककर जब तक हर एक तनाव में न आ जाए। G $_2$ जाँचबिंदु यह पक्का करता है कि गिनती शुरू होने से पहले नकल पूरी हो चुके; और तर्कु-जाँचबिंदु यह कि अलगाव से पहले गिनती बैठ चुके। जो कोशिका गलत बाँटती है उसके पास एक गुणसूत्र अधिक या कम रह जाता है (असुगुणिता): यानी अक्षर-अक्षर सही कोई नकल, जो गलत पते पर पहुँचाई गई — और यही ऐसी अधिकांश कोशिकाओं को मार डालता है तथा अधिकांश कर्कटों का लक्षण है।

18.6 समस्या: किसी मानव जीनोम की नक़ल

समस्या 18.1

सप्ताहांत समस्या — आठ घंटे की एक S प्रावस्था: द्विशाख समयबद्ध, उद्गम गिने गए, खंड तथा प्राइमर जोड़े गए, भूलें आँकी गईं, और किसी जीवाणु से तुलना, और अंत में उद्गमों की न्यूनतम संख्या

कोई मानव कोशिका $6.4 \times 10^{9}$ क्षारक युग्म $8\,\mathrm{h}$ की किसी S प्रावस्था में प्रतिकृत करती है। कोई सुकेंद्रकी द्विशाख $50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ चलता है; और कोई जीवाणु द्विशाख $1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ । ओकाज़ाकी खंड सुकेंद्रकियों में $150\,$ न्यूक्लियोटाइड के हैं और जीवाणुओं में $1500\,$ । हर जुड़ते न्यूक्लियोटाइड की क़ीमत दो ATP तुल्यांक है (ट्राइफ़ॉस्फ़ेट पूर्ववर्ती)। प्रति क्षारक भूल-दर: अकेले पॉलिमरेज़ के लिए $10^{-5}$ , प्रूफ़-पठन के साथ $10^{-7}$ , और बेमेल मरम्मत के साथ $10^{-9}$ ।

भाग I — द्विशाख और उद्गम।

एक द्विशाख $8\,\mathrm{h}$ में कितने क्षारक युग्म नक़ल करता है?
कोई उद्गम दो द्विशाख भेजता है। एक उद्गम $8\,\mathrm{h}$ में कितने क्षारक युग्म नक़ल करता है?
यदि सारे उद्गम आरंभ में ही चल पड़ें तो जीनोम को $8\,\mathrm{h}$ में नक़ल करने के लिए चाहिए उद्गमों की न्यूनतम संख्या निकालिए।
DNA के सहारे इन उद्गमों की माध्य दूरी किलोक्षारक में और माइक्रोमीटर में निकालिए।
असल में उद्गम पूरी S प्रावस्था भर चलते हैं और लगभग $40\,000$ काम में आते हैं। माध्य दूरी और एक द्विशाख सचमुच जो माध्य दूरी चलता है वह निकालिए।
सबसे बड़े गुणसूत्र ( $250\,\mathrm{Mb}$ ) को उसके बीच के किसी एक ही उद्गम से नक़ल करने में कितना समय लगता?
समझाइए कि S प्रावस्था छोटी करने के लिए विकास ने द्विशाख की चाल नहीं, उद्गमों की संख्या क्यों समायोजित की।

भाग II — खंड और प्राइमर।

एक S प्रावस्था में बने ओकाज़ाकी खंडों की संख्या निकालिए।
बिछाए गए RNA प्राइमरों की संख्या निकालिए, जिसमें प्रति उद्गम प्रति अग्रणी लड़ी एक भी गिनिए।
चाहिए जोड़ों की संख्या निकालिए।
बहुलकित कुल न्यूक्लियोटाइड निकालिए (पूरे जीनोम की दोनों लड़ियाँ)।
बहुलकीकरण पर ख़र्च ATP तुल्यांक, और S प्रावस्था भर प्रति सेकंड माध्य दर निकालिए।
विश्राम कर रही किसी कोशिका के लगभग $10^9$ प्रति सेकंड के ATP आवर्तन से तुलना कीजिए: कोशिका की ऊर्जा का कितना भिन्न बहुलकीकरण में जाता है?

भाग III — भूलें।

तीनों भूल-दरों में से हर एक पर प्रति S प्रावस्था भूलों की संख्या निकालिए।
किसी जीन का कूटलेखी अनुक्रम $1.5\,\mathrm{kb}$ है। पूरी मशीनरी के साथ, किसी दिए गए जीन में एक विभाजन में उत्परिवर्तन आने की प्रायिकता क्या है?
किसी व्यक्ति की कोशिकाएँ जीवन भर में कोई $10^{16}$ विभाजन करती हैं। $10^{-9}$ पर कुल कितने उत्परिवर्तन? शरीर इसे क्यों सह लेता है?
कोई उत्परिवर्तन बेमेल मरम्मत को बेकार कर देता है। उत्परिवर्तन दर कितने गुणक से चढ़ती है, और जीवन भर में कैंसर के जोखिम पर इसका क्या असर पड़ता है?

भाग IV — जीवाणु। E. coli: $4.6\,\mathrm{Mb}$ , एक उद्गम, दो द्विशाख।

गुणसूत्र प्रतिकृत करने का समय निकालिए।
समृद्ध माध्यम में कोशिका हर $20\,\mathrm{min}$ में विभाजित होती है। एक साथ प्रतिकृतिकरण के कितने चक्कर चल रहे होते हैं, और कोई नई जन्मी कोशिका कितने उद्गम ढोती है?
प्रति चक्कर और प्रति सेकंड ओकाज़ाकी खंडों की संख्या निकालिए।
$10^{-9}$ पर प्रति चक्कर भूलें और संतति कोशिकाओं का वह भिन्न निकालिए जो कोई नया उत्परिवर्तन ढोती हैं।
प्रति मिलीलीटर $10^9$ कोशिकाओं का कोई संवर्धन एक बार विभाजित होता है। एक मिलीलीटर में कितने नए उत्परिवर्तन उभरते हैं, और $1\,\mathrm{kb}$ के किसी दिए गए जीन पर कितने पड़ते हैं?
समझाइए कि किसी संवेदनशील नस्ल के लगभग किसी भी बड़े संवर्धन में प्रतिजैविक प्रतिरोध क्यों मिल जाता है।
दोनों जीवों की तुलना कीजिए: क्षारक युग्म, उद्गम, द्विशाख की चाल, S-प्रावस्था की अवधि, और वह अभिकल्पना जो बड़े जीनोम को तुलनीय समय में नक़ल होने देती है।
परिणाम बताइए: $8\,\mathrm{h}$ की किसी मानव S प्रावस्था के लिए उद्गमों की न्यूनतम संख्या, और असली संख्या तथा दूरी।

हल

हल — समस्या 18.1.

1. $50\times 28\,800 = 1.44 \times 10^{6}\,\mathrm{bp}$ । 2. $2.88 \times 10^{6}\,\mathrm{bp}$ । 3. $6.4 \times 10^{9}/2.88 \times 10^{6} = 2220$ उद्गम। 4. $2.9\,\mathrm{Mb}$ , यानी उद्गमों के बीच DNA की $2.9\times 10^6\times 0.34\,\mathrm{nm} = 0.98\,\mathrm{mm}$ । 5. $6.4 \times 10^{9}/40\,000 = 160\,\mathrm{kb}$ का अंतराल; हर द्विशाखिका लगभग $80\,\mathrm{kb}$ चलती है, यानी आधे घंटे का काम। 6. $50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ पर प्रति द्विशाखिका $125\,\mathrm{Mb}$ : $2.5 \times 10^{6}$ s, यानी 29 दिन। 7. द्विशाखिका की चाल रसायन से और क्रोमैटिन से सीमित है (बैक्टीरिया के सापेक्ष बीस गुनी धीमी); उद्गम बिना सीमा बढ़ाए जा सकते हैं, इसलिए S प्रावस्था द्विशाखिकाओं को दौड़ाकर नहीं, शुरुआती बिंदु जोड़कर छोटी की जाती है। 8. पश्चगामी संश्लेषण आधे जीनोम को ढँकता है, यानी $3.2 \times 10^{9}$ न्यूक्लियोटाइड: $2.1 \times 10^{7}$ टुकड़े (हर उद्गम की दोनों द्विशाखिकाओं की अपनी पश्चगामी लड़ी होती है, और दोनों आधे मिलकर एक जीनोम जितने बनते हैं)। 9. $2.1 \times 10^{7} + 2\times40\,000 = 2.1 \times 10^{7}$ प्राइमर। 10. लगभग $2.1 \times 10^{7}$ जोड़ (प्रति टुकड़ा एक) जोड़ द्विशाखिकाओं की हर भेंट पर एक। 11. $2\times6.4 \times 10^{9} = 1.28 \times 10^{10}$ न्यूक्लियोटाइड। 12. $2.56 \times 10^{10}$ ATP; $28\,800\,\mathrm{s}$ भर, प्रति सेकंड $8.9 \times 10^{5}$ । 13. यानी कोशिका के ATP-आवर्तन का लगभग $0.1\,\%$ : बहुलकन सस्ता है; महँगा है न्यूक्लियोटाइड और हिस्टोन बनाना। 14. $64\,000$ , 640 और 6.4 गलतियाँ। 15. $1500\times 10^{-9} = 1.5 \times 10^{-6}$ : यानी प्रति विभाजन सात लाख में एक जीन। 16. $10^{16}\times 6.4 = 6.4 \times 10^{16}$ उत्परिवर्तन — यानी जीनोम का हर संभव एकल बदलाव कई-कई बार, जो $10^{13}$ कोशिकाओं में बिखरा है: लगभग सारे अकूटलेखी DNA में या ऐसी कोशिकाओं में पड़ते हैं जो झड़ जाती हैं, और कोई उत्परिवर्तित कोशिका अरबों में से एक है; केवल किसी एक ही कोशिका के कुछ ही संयोजन मायने रखते हैं। 17. सौ गुना ( $10^{-7}$ ): कर्कट बनाने वाले उत्परिवर्तनों का जो क्रम $10^{-9}$ पर जमा होने में दशकों लेता है, वह कहीं जल्दी जमा हो जाता है — बेमेल-मरम्मत के वंशागत दोष जवानी में ही बृहदांत्र-कर्कट कर देते हैं। 18. $1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ पर प्रति द्विशाखिका $2.3 \times 10^{6}$ युग्म: $2300\,\mathrm{s}$ , यानी $38\,\mathrm{min}$ । 19. लगभग दो चक्कर अतिव्यापी; कोई नवजात कोशिका दो उद्गम ढोती है (हर एक की एक बार नकल हो चुकी) और उन पर द्विशाखिकाएँ आधे रास्ते: उसका गुणसूत्र जन्म पर ही अंशतः प्रतिकृत होता है। 20. प्रति चक्कर $4.6 \times 10^{6}/1500 = 3070$ टुकड़े, यानी प्रति सेकंड लगभग 1.3. 21. प्रति चक्कर $4.6 \times 10^{6}\times 10^{-9} = 4.6 \times 10^{-3}$ गलतियाँ: यानी 200 में लगभग एक संतति कोई नया उत्परिवर्तन ढोती है। 22. प्रति मिलीलीटर $10^9\times4.6 \times 10^{-3} = 4.6 \times 10^{6}$ नए उत्परिवर्तन; और किसी दिए गए $1\,\mathrm{kb}$ जीन पर $4.6 \times 10^{6}\times 1000/4.6 \times 10^{6} = 1000$ बार चोट पड़ती है। 23. प्रति मिलीलीटर प्रति विभाजन किसी भी दिए गए जीन में हज़ार स्वतंत्र उत्परिवर्तनों के साथ, हर संभव एकल बदलाव — वे भी जो प्रतिरोध देते हैं — प्रतिजैविक लगाए जाने से पहले ही किसी बड़ी संवर्धि में मौजूद रहता है; औषधि चुनती है, बनाती नहीं। 24. मनुष्य: $6.4 \times 10^{9}$ युग्म, $40\,000$ उद्गम, $50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ , $8\,\mathrm{h}$ । बैक्टीरियम: $4.6 \times 10^{6}$ युग्म, एक उद्गम, $1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ , $40\,\mathrm{min}$ । यानी हज़ार गुना बड़ा जीनोम, बीस गुना धीमी द्विशाखिकाओं से नकल किया जाता, और केवल बारह गुने समय में: यह अंतर समांतर में काम करते दसियों हज़ार उद्गमों का है। 25. कम से कम लगभग $2200$ उद्गम, यदि सब एक साथ चलें; असल में लगभग $40\,000$ , हर $160\,\mathrm{kb}$ पर एक, जो एक के बाद एक चलते हैं ताकि हर द्विशाखिका लगभग $80\,\mathrm{kb}$ चले।

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