विश्वविद्यालय जीवविज्ञान — वर्ष 1 · Bachelor Year 1

19जीन अभिव्यक्ति: अनुलेखन और अनुवादन

तीस हज़ार क्षारक युग्मों का कोई जीन चौथाई घंटे में किसी कार्यशील प्रति में पढ़ लिया जाता है, दो हज़ार अक्षरों तक काट दिया जाता है, केंद्रक से बाहर भेजा जाता है, और एक साथ पच्चीस राइबोसोमों द्वारा पाँच सौ ऐमीनो अम्लों के किसी प्रोटीन में अनूदित किया जाता है — हर चार सेकंड में एक, जब तक वह प्रति चले। कोशिका इस पर उससे अधिक ऊर्जा ख़र्च करती है जितनी और किसी काम पर। यह अध्याय जानकारी का DNA से प्रोटीन तक पीछा करता है: किसी जीन की RNA में नक़ल, सुकेंद्रकियों में उस RNA का संपादन, वह कूट जो क्षारकों के त्रिक ऐमीनो अम्लों पर मानचित्रित करता है, वह राइबोसोम जो उसे पढ़ता है, और किसी प्रोटीन का बन जाने के बाद क्या होता है।

19.1 जीन से प्रोटीन तक

प्रतिज्ञप्ति 19.1 (जानकारी का प्रवाह)

आनुवंशिक जानकारी DNA से RNA तक और RNA से प्रोटीन तक बहती है। अनुलेखन किसी जीन की एक लड़ी को ऐसे RNA में नक़ल करता है जिसका अनुक्रम दूसरी लड़ी जैसा है (T की जगह U); और अनुवादन संदेशवाहक RNA को एक बार में तीन क्षारक पढ़ता है और उनसे मेल खाते ऐमीनो अम्लों को किसी बहुपेप्टाइड में जोड़ देता है। हर चरण क्षारकों के युग्मन पर चलता है: अनुलेखन में DNA का RNA से, और अनुवादन में संदेशवाहक का अंतरण RNA से। इस तरह किसी प्रोटीन का अनुक्रम उसके जीन के अनुक्रम की नक़ल है, और एक क्षारक का परिवर्तन एक ऐमीनो अम्ल बदल सकता है — यही उत्परिवर्तन और लक्षणप्ररूप के बीच की कड़ी है। जानकारी प्रोटीन से न्यूक्लिक अम्ल की ओर वापस नहीं बहती; और वह इकलौता उल्टा चरण, यानी प्रतिवर्ती विषाणुओं द्वारा RNA की DNA में नक़ल, प्रोटीन को छूता ही नहीं।

19.2 अनुलेखन

परिभाषा 19.2 (RNA पॉलिमरेज़, उन्नायक, अनुलेखन)

RNA पॉलिमरेज़ किसी DNA साँचे पर RNA संश्लेषित करता है, $5' \to 3'$ , चारों राइबोन्यूक्लियोसाइड ट्राइफ़ॉस्फ़ेटों से, बिना किसी प्राइमर के। वह किसी उन्नायक से शुरू होता है, यानी जीन से ठीक ऊपर-प्रवाह के उस अनुक्रम से जिसे वह पहचानता और बाँधता है; जीवाणुओं में $\sigma$ (सिग्मा) नाम की एक उपइकाई यह पहचान करती है, आरंभ से दस और पैंतीस युग्म पहले के दो संरक्षित खंडों पर। एंजाइम कुंडली के लगभग पंद्रह युग्म खोलकर एक अनुलेखन बुलबुला बनाता है, साँचा लड़ी ( $3' \to 5'$ पढ़ी जाती) को ऐसे RNA में नक़ल करता है जो अनुक्रम में दूसरी, यानी कूटलेखी लड़ी जैसा है, और लगभग पचास न्यूक्लियोटाइड प्रति सेकंड की चाल से आगे बढ़ता है तथा अपने पीछे कुंडली फिर बंद करता जाता है; और RNA बनते ही छिलकर अलग होता जाता है। वह किसी समापक पर रुकता है: जीवाणुओं में यह कोई स्व-पूरक अनुक्रम है जिसका RNA किसी हेयरपिन में मुड़कर अनुलेख को खींचकर मुक्त कर देता है। एक ही जीन के सहारे अनेक पॉलिमरेज़ एक-दूसरे के पीछे चल सकते हैं, इसलिए हर सेकंड एक अनुलेख शुरू किया जा सकता है।

अनुलेखन। पॉलिमरेज़ एक बुलबुला खोलता है, राइबोन्यूक्लियोटाइडों को साँचा लड़ी से युग्मित करता है और उन्हें 5' 3' जोड़ता है; और एंजाइम के आगे बढ़ने पर RNA किसी वाहिनी से बाहर निकलता जाता है। — अनुलेखन। पॉलिमरेज़ एक बुलबुला खोलता है, राइबोन्यूक्लियोटाइडों को साँचा लड़ी से युग्मित करता है और उन्हें $5' \to 3'$ जोड़ता है; और एंजाइम के आगे बढ़ने पर RNA किसी वाहिनी से बाहर निकलता जाता है।

प्रतिज्ञप्ति 19.3 (सुकेंद्रकी अनुलेखन और RNA प्रसंस्करण)

सुकेंद्रकियों में तीन पॉलिमरेज़ हैं: बड़े राइबोसोमी RNA के लिए I, संदेशवाहक RNA के लिए II, और अंतरण तथा छोटे RNA के लिए III। पॉलिमरेज़ II अपना उन्नायक अकेले नहीं पहचानता: उस पर सामान्य अनुलेखन कारकों का एक समुच्चय जमता है (अनेक जीनों में लगभग तीस युग्म ऊपर-प्रवाह के किसी TATA अनुक्रम पर) और वह एंजाइम को बुला लाता है, तथा पास या दूर बँधे नियामक प्रोटीन उस दर को घटाते-बढ़ाते हैं (अध्याय 20)। प्राथमिक अनुलेख का केंद्रक में प्रसंस्करण होता है: $5'$ सिरे पर एक रूपांतरित ग्वानीन की टोपी जोड़ी जाती है, $3'$ सिरे पर कोई दो सौ ऐडेनीनों की एक पुच्छ (पॉली-A), और इंट्रॉन संबंधन से हटा दिए जाते हैं — छोटे RNA तथा प्रोटीनों का एक संकुल, यानी संबंधनकाय, हर इंट्रॉन के आरंभ के GU और उसके अंत के AG को पहचानता है, काटता है, और एक्सॉन जोड़ देता है। तभी परिपक्व संदेशवाहक कोशिकाद्रव को भेजा जाता है। अनेक जीन एक से अधिक ढंगों से संबंधित होते हैं (वैकल्पिक संबंधन), इसलिए एक ही जीन कई प्रोटीन देता है; और बीस हज़ार मानव जीन शायद एक लाख बनाते हैं।

साक्ष्य. शार्प और रॉबर्ट्स (1977) ने किसी विषाणु संदेशवाहक RNA को उसके जीन के DNA से संकरित किया और उन संकरों को इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी में देखा: RNA DNA से कई खंडों में युग्मित था, और उनके बीच DNA अयुग्मित फंदों के रूप में बाहर निकला था — यानी इंट्रॉन, जो जीन में मौजूद हैं और संदेश से अनुपस्थित। इसी तरह जाँचे गए जीवाणु जीनों ने कोई फंदा नहीं दिया। केंद्रक में मापे गए किसी जीन के प्राथमिक अनुलेख का आकार जीन से मेल खाता है; और कोशिकाद्रव्यी संदेशवाहक का आकार अकेले एक्सॉनों से। ∎

किसी सुकेंद्रकी में जीन से संदेशवाहक तक: पूरा जीन अनुलेखित होता है, फिर इंट्रॉन काटे जाते हैं और एक्सॉन जोड़े जाते हैं, एक टोपी तथा एक पॉली-A पुच्छ जोड़ी जाती है, और परिपक्व संदेश केंद्रक से बाहर जाता है।

19.3 आनुवंशिक कूट

परिभाषा 19.4 (आनुवंशिक कूट)

आनुवंशिक कूट संदेशवाहक के क्षारकों के त्रिकों, यानी कोडॉनों को, ऐमीनो अम्लों पर मानचित्रित करता है। 64 कोडॉनों में से 61 बीस ऐमीनो अम्ल बताते हैं और तीन (UAA, UAG, UGA) विराम संकेत हैं; AUG मेथिओनीन बताता है और साथ ही आरंभ कोडॉन भी है, इसलिए हर नया बहुपेप्टाइड मेथिओनीन से शुरू होता है। यह कूट अपह्रासी है — अधिकांश ऐमीनो अम्लों के कई कोडॉन हैं, जो अधिकतर तीसरे स्थान पर भिन्न हैं — अनतिव्यापी है, और बिना किसी विरामचिह्न के उस वाचन-चौखटे में पढ़ा जाता है जिसे आरंभ कोडॉन तय करता है, और वह लगभग सार्वत्रिक है, यानी जीवाणुओं, पौधों और जंतुओं में वही, और सूत्रकणिकाओं में मामूली भेदों के साथ: किसी जीवाणु में डाला गया कोई मानव जीन ठीक-ठीक पढ़ा जाता है।

पहला	दूसरा क्षारक				तीसरा
क्षारक	U	C	A	G	क्षारक
U	Phe Phe Leu Leu	Ser Ser Ser Ser	Tyr Tyr विराम विराम	Cys Cys विराम Trp	U C A G
C	Leu Leu Leu Leu	Pro Pro Pro Pro	His His Gln Gln	Arg Arg Arg Arg	U C A G
A	Ile Ile Ile Met	Thr Thr Thr Thr	Asn Asn Lys Lys	Ser Ser Arg Arg	U C A G
G	Val Val Val Val	Ala Ala Ala Ala	Asp Asp Glu Glu	Gly Gly Gly Gly	U C A G

आनुवंशिक कूट। हर ख़ाना उन चार कोडॉनों को गिनाता है जिनका पहला और दूसरा क्षारक दिया गया है और तीसरा क्षारक क्रम से U, C, A, G है। AUG मेथिओनीन और आरंभ संकेत है; UAA, UAG तथा UGA विराम हैं। तीसरा क्षारक प्रायः मायने नहीं रखता: यह कूट अपह्रासी है।

प्रतिज्ञप्ति 19.5 (कूट कैसे पढ़ा गया)

यह कूट अनतिव्यापी त्रिक कूट है, और हर कोडॉन का अर्थ रसायन से तय किया जा सकता है।

साक्ष्य. क्रिक और ब्रेनर (1961) ने किसी फ़ेज जीन में ऐसे उत्परिवर्तन किए जो एक क्षारक जोड़ते या हटाते थे: ऐसा एक परिवर्तन जीन का कार्य नष्ट कर देता था, और दो भी, पर पास-पास तीन प्रवेश (या तीन विलोपन) उसे लौटा देते थे — यानी संदेश किसी नियत आरंभ-बिंदु से तीन-तीन में पढ़ा जाता है, और कोई भी प्रवेश नीचे-प्रवाह की हर चीज़ का चौखटा खिसका देता है। नीरनबर्ग और मथाई (1961) ने E. coli के किसी कोशिका-मुक्त निष्कर्ष में, बीसों ऐमीनो अम्लों के साथ, केवल यूरैसिलों का कोई कृत्रिम RNA मिलाया: उसने केवल फ़ेनिलऐलानीन की शृंखला बनाई, इसलिए UUU का अर्थ Phe है; और दूसरे कृत्रिम संदेशवाहकों ने, तथा फिर राइबोसोमों पर उनके अंतरण RNA के साथ एकल त्रिन्यूक्लियोटाइडों के बंधन ने, 1966 तक चौंसठों तय कर दिए। ∎

उदाहरण 19.6 (कोई संदेश पढ़ना)

संदेशवाहक $5'$ -…GCAUGGCUUUCGGAUAA…- $3'$ AUG से पढ़ा जाता है: AUG GCU UUC GGA UAA — Met-Ala-Phe-Gly-विराम: यानी चार अवशेषों का एक पेप्टाइड। AUG के बाद का पहला G हटा दीजिए और चौखटा खिसक जाता है: AUG CUU UCG GAU AA… — Met-Leu-Ser-Asp…, यानी अलग लंबाई का एक अलग प्रोटीन। UUC को UUU कर दीजिए और कुछ नहीं बदलता: दोनों Phe हैं, यानी एक मौन उत्परिवर्तन।

19.4 अनुवादन

परिभाषा 19.7 (अंतरण RNA और उसके सिंथेटेज़)

अंतरण RNA (अध्याय 11) कोडॉन और ऐमीनो अम्ल के बीच का अनुकूलक है: उसका प्रतिकोडॉन, यानी किसी फंदे में तीन क्षारक, संदेश के किसी कोडॉन से प्रतिसमांतर युग्म बनाता है, और उसका $3'$ सिरा उससे मेल खाता ऐमीनो अम्ल ढोता है। कोडॉन के तीसरे स्थान पर युग्मन ढीला होता है (डगमग), इसलिए इकसठ कोडॉनों के लिए लगभग चालीस tRNA काफ़ी हैं। हर tRNA को उसका अपना ऐमीनोऐसिल-tRNA सिंथेटेज़ लादता है, यानी वह एंजाइम जो ऐमीनो अम्ल और tRNA दोनों को पहचानता है और उन्हें एक ATP की क़ीमत पर दो चरणों में जोड़ देता है (जो AMP तक टूटता है: यानी दो उच्च-ऊर्जा बंध), और ऐसा करते हुए ऐमीनो अम्ल का प्रूफ़-पठन भी करता है। ये बीस एंजाइम ही वे जगहें हैं जहाँ कूट सचमुच लागू होता है: राइबोसोम यह नहीं जाँचता कि कोई tRNA कौन-सा ऐमीनो अम्ल ढो रहा है, केवल यह कि उसका प्रतिकोडॉन मेल खाता है।

परिभाषा 19.8 (राइबोसोम)

राइबोसोम दो उपइकाइयों का एक कण है, और हर उपइकाई राइबोसोमी RNA तथा प्रोटीनों की है (जीवाणुओं में: एक छोटी 30S उपइकाई और एक बड़ी 50S उपइकाई, जो मिलकर 70S, $2.5\,\mathrm{MDa}$ ; सुकेंद्रकी राइबोसोम बड़े हैं, 80S)। छोटी उपइकाई संदेशवाहक को बाँधती है और उसे पढ़ती है; और बड़ी उपइकाई tRNA थामती है तथा पेप्टाइड बंध बनाती है — और उत्प्रेरक स्वयं राइबोसोमी RNA है। तीन tRNA स्थल दोनों उपइकाइयों पर फैले हैं: A (ऐमीनोऐसिल, जहाँ अगला लदा हुआ tRNA घुसता है), P (पेप्टाइडिल, जो बढ़ती शृंखला थामे है), E (निकास)।

राइबोसोम: संदेशवाहक पर जकड़ी दो उपइकाइयाँ, दरार में दो अंतरण RNA, और बड़ी उपइकाई की एक सुरंग से बाहर जाती बढ़ती शृंखला।

प्रतिज्ञप्ति 19.9 (दीर्घीकरण का चक्र)

अनुवादन तब शुरू होता है जब छोटी उपइकाई आरंभ कोडॉन ढूँढ़ लेती है — जीवाणुओं में AUG से ठीक ऊपर-प्रवाह के किसी स्थल से किसी राइबोसोमी RNA अनुक्रम का युग्म बनाकर, और सुकेंद्रकियों में टोपी बाँधकर तथा पहले AUG तक बुहारते हुए — और आरंभक tRNA (मेथिओनीन) P स्थल में बैठ जाता है; फिर बड़ी उपइकाई आ जुड़ती है। दीर्घीकरण का हर चक्कर एक अवशेष जोड़ता है: कोई लदा हुआ tRNA, जिसका प्रतिकोडॉन A-स्थल के कोडॉन से मेल खाता है, किसी दीर्घीकरण कारक द्वारा पहुँचाया और जाँचा जाता है (एक GTP); बड़ी उपइकाई का राइबोसोमी RNA बढ़ती शृंखला को P-स्थल के tRNA से A-स्थल के tRNA के ऐमीनो अम्ल पर हस्तांतरित करके पेप्टाइड बंध बनाता है; राइबोसोम एक कोडॉन आगे खिसकता है (एक दूसरा GTP), और tRNA P तथा E पर सरक जाते हैं, और ख़ाली वाला निकल जाता है। किसी विराम कोडॉन पर कोई मुक्तिकारक कारक A स्थल में घुसता है और शृंखला जल-अपघटन से मुक्त हो जाती है। जीवाणु राइबोसोम प्रति सेकंड पंद्रह से बीस अवशेष जोड़ते हैं, सुकेंद्रकी दो से पाँच; और एक ही संदेश को कई राइबोसोम एक साथ पढ़ते हैं, जिससे कोई बहुसूत्र बनता है।

दीर्घीकरण का एक चक्कर। कोई लदा हुआ tRNA A स्थल में तभी घुसने पाता है जब उसका प्रतिकोडॉन मेल खाए; राइबोसोमी RNA शृंखला को उसके ऐमीनो अम्ल से जोड़ता है; राइबोसोम एक कोडॉन आगे बढ़ता है, और ख़ाली tRNA निकल जाता है। प्रति अवशेष दो GTP, और साथ में वे दो उच्च-ऊर्जा बंध जो tRNA लादने में ख़र्च हुए।

इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के नीचे बहुसूत्र: किसी संदेशवाहक के सहारे पिरोए राइबोसोम, और हर एक प्रोटीन की अपनी प्रति बनाता हुआ।

विधि 19.10 (किसी प्रोटीन के संश्लेषण का हिसाब)

लंबाई: $n$ अवशेषों के किसी प्रोटीन को $3n + 3$ न्यूक्लियोटाइडों का कूटलेखी अनुक्रम चाहिए (विराम कोडॉन सहित), जो किसी ऐसे संदेशवाहक के भीतर है जो अपने अनूदित न होने वाले सिरों से और, जीन में, अपने इंट्रॉनों से लंबा है।
समय: $n$ को दीर्घीकरण दर से भाग दीजिए (जीवाणुओं में प्रति सेकंड $15\text{ to }20\,$ , सुकेंद्रकियों में $2\text{ to }5\,$ ); संदेश को हर $80\text{ to }100\,$ न्यूक्लियोटाइड पर एक राइबोसोम पढ़ रहा होता है, इसलिए प्रति संदेश उत्पादन हर (दूरी / दर) सेकंड में एक शृंखला है।
ऊर्जा: प्रति अवशेष चार उच्च-ऊर्जा फ़ॉस्फ़ेट बंध (tRNA लादने के लिए दो, राइबोसोम पर दो GTP), और साथ में संदेश का अनुलेखन प्रति न्यूक्लियोटाइड दो पर, जो उस संदेश से बनी सारी शृंखलाओं में बँट जाता है।
सत्यनिष्ठा: $10^4$ कोडॉनों में लगभग एक ग़लत ऐमीनो अम्ल; इसलिए $500\,$ अवशेषों का कोई प्रोटीन बीस में से एक प्रति में कहीं न कहीं ग़लत है — और यह सह्य है, क्योंकि प्रोटीन बदले जा सकते हैं और भूलें वंशागत नहीं होतीं।

19.5 अनुवादन के बाद

प्रतिज्ञप्ति 19.11 (किसी नए बहुपेप्टाइड का क्या होता है)

शृंखला निकलते-निकलते ही मुड़ने लगती है, और परिचारक उसकी मदद करते हैं (अध्याय 12)। उसका गंतव्य उसके अनुक्रम में ही लिखा है: N-सिरे पर कोई संकेत पेप्टाइड किसी संकेत अभिज्ञान कण से बँधता है जो अनुवादन रोक देता है, राइबोसोम को अंतर्द्रव्यी जालिका पर टिका देता है, और शृंखला को उसकी अवकाशिका में पिरो देता है (अध्याय 6); दूसरे अनुक्रम प्रोटीनों को संश्लेषण के बाद सूत्रकणिकाओं, हरितलवकों, केंद्रक या परऑक्सीकायों में भेजते हैं; और जिस प्रोटीन पर कोई संकेत न हो वह कोशिकाद्रव में ही रह जाता है। अनेक प्रोटीन रूपांतरित होते हैं: आरंभिक मेथिओनीन हटा दिया जाता है, ER तथा गॉल्जी में शर्कराएँ जोड़ी जाती हैं, काइनेज़ों तथा फ़ॉस्फ़ेटेज़ों से फ़ॉस्फ़ेट जोड़े और हटाए जाते हैं, लिपिड जोड़े जाते हैं, टुकड़े काटे जाते हैं (इंसुलिन एक ही शृंखला के रूप में बनकर दो में काटा जाता है; ज़ाइमोजन सक्रिय करने के लिए काटे जाते हैं)। और हर प्रोटीन अंततः तोड़ा जाता है: छोटे प्रोटीन यूबिक्विटिन से चिह्नित होकर प्रोटिएज़ोम में खोला और पचाया जाता है, मिनटों (नियामक प्रोटीन) से लेकर महीनों (हीमोग्लोबिन) के जीवन के बाद — ताकि जो प्रोटीन मौजूद हों वे वही हों जिन्हें कोशिका इस समय बना रही है।

उदाहरण 19.12 (किसी कोशिका की संख्याएँ)

बढ़ता हुआ कोई E. coli कोई $20\,000$ राइबोसोम रखता है, और हर एक प्रति सेकंड बीस अवशेष जोड़ता है: यानी प्रति सेकंड $4 \times 10^{5}$ अवशेष, और घंटे भर में $300\,$ अवशेषों के दस लाख प्रोटीन — यानी उसकी अपनी अंतर्वस्तु, और हर घंटे दुगुना होने के लिए यही चाहिए। उसकी आधी ऊर्जा प्रोटीन संश्लेषण में जाती है। किसी यकृत कोशिका में एक करोड़ राइबोसोम हैं और वह विभाजन के लिए नहीं, हफ़्तों के उपयोग के लिए प्रोटीन बनाती है; और प्रतिरक्षी स्रावित करती कोई प्लाज़्मा कोशिका उनमें से लगभग सब एक ही प्रोटीन पर लगा देती है और प्रति सेकंड दो हज़ार अणु उँड़ेलती है।

19.6 अभ्यास

अभ्यास 19.1 ★

साँचा लड़ी $3'$ -TACGGATTC- $5'$ से अनुलेखित RNA दीजिए, और कूटलेखी लड़ी भी।

हल

हल — अभ्यास 19.1.

RNA $5'$ -AUGCCUAAG- $3'$ ; कूटलेखी लड़ी $5'$ -ATGCCTAAG- $3'$ ।

अभ्यास 19.2 ★

किसी सुकेंद्रकी प्राथमिक अनुलेख के वे तीन रूपांतरण गिनाइए जिनसे वह केंद्रक छोड़ने से पहले गुज़रता है।

हल

हल — अभ्यास 19.2.

एक $5'$ टोपी (रूपांतरित ग्वानीन), एक $3'$ पॉली-A पूँछ, और अंतर्वेशियों का विभाजन द्वारा हटाया जाना।

अभ्यास 19.3 ★

कूट सारणी से $5'$ -AUGCCGAAAGUUUGA- $3'$ का अनुवाद कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 19.3.

AUG CCG AAA GUU UGA: मेट-प्रो-लिस-वैल, फिर विराम।

अभ्यास 19.4 ★

राइबोसोम के तीनों tRNA स्थल बताइए और हर एक में क्या होता है।

हल

हल — अभ्यास 19.4.

A: आती हुई आवेशित tRNA भीतर ली और जाँची जाती है। P: बढ़ती शृंखला ढोती tRNA; बंध उसकी शृंखला और A-स्थल के ऐमीनो अम्ल के बीच बनता है। E: खाली हुई tRNA अपने निकलने के रास्ते पर।

अभ्यास 19.5 ★★

$2400\,$ न्यूक्लियोटाइडों के किसी संदेशवाहक में $5'$ अनूदित न होने वाला क्षेत्र $150\,$ का है और $3'$ अनूदित न होने वाला क्षेत्र तथा पॉली-A $450\,$ के। प्रोटीन में कितने अवशेष हैं? प्रति सेकंड चार अवशेषों पर एक राइबोसोम उसे बनाने में कितना समय लेता है, और प्रति $90\,$ न्यूक्लियोटाइड एक की दर से कितने राइबोसोम उस संदेश को एक साथ पढ़ सकते हैं?

हल

हल — अभ्यास 19.5.

कूटलेखी $2400 - 600 = 1800$ न्यूक्लियोटाइड: यानी 599 अवशेष (600 कूटशब्द, जिनमें एक विराम)। समय $599/4 = 150\,\mathrm{s}$ । एक साथ राइबोसोम $1800/90 = 20$ ।

अभ्यास 19.6 ★★

समझाइए कि तीन प्रवेश किसी जीन का वाचन-चौखटा क्यों लौटा देते हैं जबकि एक या दो नहीं, और तिहरे प्रवेश से बना प्रोटीन कैसा दिखता है।

हल

हल — अभ्यास 19.6.

संदेश किसी नियत आरंभ से तीन-तीन में पढ़ा जाता है; एक या दो अतिरिक्त क्षार आगे के हर कूटशब्द को खिसका देते हैं और प्रोटीन का बाकी हिस्सा बकवास हो जाता है, जो आम तौर पर किसी समय-पूर्व विराम पर खत्म होता है। तीन अतिरिक्त क्षारक एक कूटशब्द जोड़ते हैं और फ्रेम बहाल कर देते हैं: प्रोटीन में एक अतिरिक्त अवशेष और प्रवेशनों के बीच कुछ गलत अवशेष रहते हैं, और वह अक्सर तब भी काम करता है।

अभ्यास 19.7 ★★

$300\,$ कोडॉनों के किसी जीन के बीच में कोई उत्परिवर्तन कोडॉन CAG को UAG कर देता है; कोई दूसरा CAG को CAA; और कोई तीसरा उसे CGG। प्रोटीन पर हर एक का प्रभाव बताइए।

हल

हल — अभ्यास 19.7.

CAG (ग्लन) से UAG (विराम): शृंखला अवशेष 150 पर खत्म हो जाती है, यानी एक कटा-छँटा, लगभग निश्चित रूप से निष्क्रिय प्रोटीन (निरर्थक उत्परिवर्तन)। CAG से CAA: तब भी ग्लन, मौन। CAG से CGG: ग्लन की जगह आर्ज, यानी एक प्रतिस्थापन (कुअर्थक) जिसका असर स्थिति पर निर्भर करता है।

अभ्यास 19.8 ★★

समझाइए कि अनुवादन की सत्यनिष्ठा राइबोसोम पर नहीं बल्कि ऐमीनोऐसिल-tRNA सिंथेटेज़ों पर क्यों टिकी है, और उस प्रयोग का वर्णन कीजिए जिसने यह दिखाया (अपने tRNA से जुड़ी किसी सिस्टीन को रासायनिक रूप से ऐलानीन में बदल दिया जाता है; वह ऐलानीन कहाँ पहुँचती है?)।

हल

हल — अभ्यास 19.8.

राइबोसोम केवल कूटशब्द–प्रतिकूटशब्द का युग्मन जाँचता है; वह ऐमीनो अम्ल देख ही नहीं सकता। यदि अपनी tRNA पर बैठी सिस्टीन रासायनिक ढंग से ऐलानीन में बदल दी जाए, तो राइबोसोम वहीं ऐलानीन डाल देता है जहाँ संदेश सिस्टीन कहता है: यानी tRNA पढ़ी जाती है, ऐमीनो अम्ल नहीं। इसलिए सिंथेटेज़, जो हर ऐमीनो अम्ल को सही tRNA के साथ जोड़ती है, ही असली अनुवादक है।

अभ्यास 19.9 ★★

$400\,$ अवशेषों के किसी प्रोटीन की लागत उच्च-ऊर्जा बंधों में निकालिए, और उसका वह भिन्न भी जो राइबोसोम पर ख़र्च होता है।

हल

हल — अभ्यास 19.9.

$400\times 4 = 1600$ बंध; इनमें राइबोसोम के प्रति अवशेष दो GTP आधे हैं, और सिंथेटेज़ों के दो बाकी आधे।

अभ्यास 19.10 ★★★

जीवाणुओं में राइबोसोम किसी संदेश का अनुवाद तब शुरू कर देते हैं जब वह अभी अनुलेखित ही हो रहा होता है; सुकेंद्रकियों में वे ऐसा नहीं कर सकते। समझाइए कि क्यों (दो कारण), और यह भेद सुकेंद्रकियों में क्या संभव बनाता है।

हल

हल — अभ्यास 19.10.

सुकेंद्रकियों में अनुलेख केंद्रक में बनता है और राइबोसोम कोशिकाद्रव्य में होते हैं, जिन्हें आवरण अलग करता है; और अनुलेख तब तक संदेशवाहक नहीं होता जब तक उसका विभाजन तथा टोपी न हो जाए। यह अलगाव उस प्रसंस्करण को ही संभव बनाता है — वैकल्पिक विभाजन, निर्यात का नियंत्रण, और यह जाँच कि पढ़े जाने से पहले संदेश पूरा है।

अभ्यास 19.11 ★★★

पाँच एक्सॉनों के किसी जीन को इस तरह संबंधित किया जा सकता है कि एक्सॉन 3 ( $90\,$ न्यूक्लियोटाइड) और एक्सॉन 4 ( $100\,$ न्यूक्लियोटाइड) रखे जाएँ या छोड़ दिए जाएँ। संभव संदेशवाहक गिनाइए और बताइए कि कौन-से एक्सॉन 5 का वाचन-चौखटा बनाए रखते हैं। इससे वैकल्पिक संबंधन के बारे में क्या पता चलता है?

हल

हल — अभ्यास 19.11.

चार संदेशवाहक: दोनों बहिर्वेशियों के साथ (190 न्यूक्लियोटाइड जुड़े), केवल 3 के साथ (90), केवल 4 के साथ (100), किसी के बिना (0)। फ्रेम तब बचता है जब जुड़ी लंबाई 3 का गुणज हो: 0 और 90 उसे बचाते हैं; 100 और 190 उसे खिसका देते हैं, इसलिए अकेले एक्सॉन 4 वाले या दोनों वाले संदेशवाहक एक्सॉन 5 को फ्रेम से बाहर पढ़ते हैं और प्रोटीन काट देते हैं। वैकल्पिक विभाजन को फ्रेम का आदर करना ही पड़ता है, और इसी कारण एक्सॉन अक्सर तीन के गुणज होते हैं।

अभ्यास 19.12 ★★★

“कूट एक जमा हुआ संयोग है: मनमाना, पर बदलने में बहुत महँगा।” एक अनुच्छेद में चर्चा कीजिए: कूट में क्या मनमाना दिखता है, क्या अनुकूलित (तीसरा स्थान, मिलते-जुलते ऐमीनो अम्लों के लिए मिलते-जुलते कोडॉन), और किसी सिंथेटेज़ की विशिष्टता बदलने वाला उत्परिवर्तन लगभग सदा जानलेवा क्यों होता है।

हल

हल — अभ्यास 19.12.

मनमाना: रसायन में ऐसा कुछ नहीं जो कहे कि UUU का अर्थ फ़ेन ही हो; ये नियुक्तियाँ सिंथेटेज़ों की थामी हुई रूढ़ियाँ हैं। अनुकूलित: तीसरी स्थिति सबसे अधिक अपह्रासी है, इसलिए जो गलतियाँ और उत्परिवर्तन वहाँ पड़ते हैं वे अक्सर मौन होते हैं, और जो कूटशब्द एक क्षारक से भिन्न होते हैं वे प्रायः मिलते-जुलते ऐमीनो अम्ल कूटबद्ध करते हैं, इसलिए कोई प्रतिस्थापन अक्सर हलका रहता है — कूट गलती की हानि न्यूनतम कर देता है। जमा हुआ: जो सिंथेटेज़ अपनी विशिष्टता बदले वह कोशिका के हर प्रोटीन को, हज़ारों को, उसी क्षण बदल देती; कोई कोशिका इसे शायद ही सह पाती है, इसलिए कूट बह नहीं सकता और सारे जीवधारियों के साझे पूर्वज से नियत बना हुआ है।

19.7 समस्या: किसी जीन से किसी प्रोटीन तक

समस्या 19.1

सप्ताहांत समस्या — तीस किलोक्षारक का एक जीन पाँच सौ अवशेषों के प्रोटीन तक पीछा किया गया: अनुलेखन समयबद्ध, संबंधन तौला गया, राइबोसोम गिने गए, ऊर्जा तथा भूलें आँकी गईं, और अंत में एक प्रोटीन की ATP में क़ीमत

कोई मानव जीन $30\,\mathrm{kb}$ में फैला है जिसमें आठ एक्सॉन मिलकर परिपक्व संदेशवाहक के $2000\,$ न्यूक्लियोटाइड बनाते हैं, जिनमें से $1503\,$ कूट करते हैं (500 अवशेष और विराम)। पॉलिमरेज़ II प्रति सेकंड $30\,$ न्यूक्लियोटाइड अनुलेखित करता है; राइबोसोम प्रति सेकंड $4\,$ अवशेष दीर्घित करते हैं और प्रति $80\,$ न्यूक्लियोटाइड एक की दूरी पर बैठते हैं; और संदेशवाहक का अर्ध-आयु $2\,\mathrm{h}$ है। लागत: प्रति अनुलेखित न्यूक्लियोटाइड दो उच्च-ऊर्जा बंध, और प्रति अनूदित अवशेष चार; एक उच्च-ऊर्जा बंध को एक ATP मानिए। भूल-दरें: प्रति अनुलेखित न्यूक्लियोटाइड $10^{-5}$ , प्रति अनूदित कोडॉन $10^{-4}$ ।

भाग I — अनुलेखन और संबंधन।

एक पॉलिमरेज़ को जीन अनुलेखित करने में कितना समय लगता है?
संबंधन प्राथमिक अनुलेख का कितना भिन्न हटा देता है?
परिपक्व संदेशवाहक के हर न्यूक्लियोटाइड के लिए कितने न्यूक्लियोटाइड अनुलेखित होते हैं?
एक प्राथमिक अनुलेख के अनुलेखन पर ख़र्च ATP निकालिए।
यदि हर $10\,\mathrm{s}$ में एक पॉलिमरेज़ शुरू हो, तो एक साथ जीन पर कितने पॉलिमरेज़ होते हैं, और वह जीन प्रति घंटा कितने संदेशवाहक बनाता है?
इंट्रॉनों की संख्या और उनकी माध्य लंबाई निकालिए।
संबंधनकाय हर इंट्रॉन लगभग एक मिनट में, समांतर में हटाता है। जीन से संदेशवाहक तक का समय संबंधन तय करता है या अनुलेखन?
जीन की और परिपक्व संदेशवाहक की भौतिक लंबाई निकालिए (प्रति न्यूक्लियोटाइड $0.34\,\mathrm{nm}$ )।

भाग II — अनुवादन।

एक राइबोसोम को वह प्रोटीन बनाने में कितना समय लगता है?
एक संदेशवाहक को एक साथ कितने राइबोसोम पढ़ते हैं?
एक संदेशवाहक प्रति घंटा कितने प्रोटीन अणु देता है?
अपने $2\,\mathrm{h}$ के अर्ध-आयु में वह कुल कितने देता है (अर्ध-आयु $t_{1/2}$ का कोई संदेश औसतन $t_{1/2}/\ln 2$ घंटे का पूरा उत्पादन देता है)?
एक प्रोटीन के अनुवादन पर ख़र्च ATP निकालिए।
प्रति प्रोटीन अनुलेखन पर ख़र्च ATP निकालिए, और अनुलेख की लागत प्रश्न 12 के प्रोटीनों में बाँटिए।
एक प्रोटीन की कुल लागत और उसका वह भिन्न निकालिए जो अनुवादन का है।

भाग III — भूलें।

यह प्रायिकता निकालिए कि किसी दिए गए संदेशवाहक के $1503\,$ कूटलेखी न्यूक्लियोटाइडों में कम से कम एक अनुलेखन भूल है।
यह प्रायिकता निकालिए कि किसी दिए गए प्रोटीन अणु में कम से कम एक अनुवादन भूल है।
न्यूक्लियोटाइड परिवर्तनों का लगभग एक-चौथाई मौन है और ऐमीनो-अम्ल प्रतिस्थापनों का एक-तिहाई हानिरहित। बने हुए प्रोटीन अणुओं का कितना भिन्न दोषपूर्ण है?
कोई दोषपूर्ण संदेशवाहक दो घंटे तक दोषपूर्ण प्रोटीन देता है; और कोई दोषपूर्ण प्रोटीन एक ही अणु है। समझाइए कि कोशिका अनुवादन की भूल-दर अनुलेखन की दर से दस गुना, और दोनों को प्रतिकृतिकरण की दर से कहीं ऊपर, क्यों सह सकती है।

भाग IV — कोशिका का बजट। कोशिका इस प्रोटीन की $3000$ प्रतियाँ प्रति घंटा बनाती है, और कुल मिलाकर प्रतिदिन प्रोटीन के $3 \times 10^{9}$ अवशेष।

इस जीन के कितने संदेशवाहक एक साथ मौजूद होने चाहिए (हर एक प्रश्न 11 की संख्या देता है)?
इस प्रोटीन में कितने राइबोसोम लगे रहते हैं?
कोशिका अपने सारे प्रोटीन संश्लेषण पर प्रतिदिन जितना ATP ख़र्च करती है वह (प्रति अवशेष चार) निकालिए, और $50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ पर $2000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ की किसी कोशिका के लिए शक्ति वाट में।
यदि कोशिका प्रति सेकंड $1 \times 10^{9}\,$ ATP खपाती हो तो उसकी कुल शक्ति से तुलना कीजिए।
कोई दवा संबंधनकाय रोक देती है। इस प्रोटीन पर और किसी जीवाणु प्रोटीन पर उसके प्रभाव की भविष्यवाणी कीजिए।
परिणाम बताइए: उस प्रोटीन के एक अणु की ATP लागत, अनुवादन तथा अनुलेखन में बँटी हुई, और अनुलेखन शुरू होने से पहले पूरे प्रोटीन तक का समय।

हल

हल — समस्या 19.1.

1. $30\,000/30 = 1000\,\mathrm{s}$ , यानी लगभग $17\,\mathrm{min}$ । 2. $28\,000/30\,000 = 93\,\%$ । 3. $30\,000/2000 = 15$ । 4. $2\times 30\,000 = 60\,000$ ATP. 5. जीन पर $1000/10 = 100$ पॉलिमरेज़; प्रति घंटा 360 संदेशवाहक। 6. सात इंट्रॉन, माध्य $28\,000/7 = 4000\,$ न्यूक्लियोटाइड। 7. अनुलेखन ( $17\,\mathrm{min}$ ); इंट्रॉन बनते-बनते ही निकाल दिए जाते हैं, और आखिरी केवल एक मिनट जोड़ता है। 8. जीन $30\,000\times 0.34\,\mathrm{nm} = 10\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; संदेशवाहक $0.68\,\text{µ}\mathrm{m}$ । 9. $500/4 = 125\,\mathrm{s}$ । 10. $2000/80 = 25$ । 11. हर $80/4 = 20\,\mathrm{s}$ में एक शृंखला पूरी होती है: यानी प्रति घंटा 180. 12. पूरे उत्पादन के $2/\ln 2 = 2.9\,\mathrm{h}$ : यानी लगभग 520 प्रोटीन। 13. $4\times 500 = 2000$ ATP. 14. प्रति प्रोटीन $60\,000/520 = 115$ ATP. 15. लगभग 2100 ATP, जिसका $95\,\%$ अनुवादन में। 16. $1 - (1 - 10^{-5})^{1503} \approx 1503\times 10^{-5} = 1.5\,\%$ । 17. $1 - (1 - 10^{-4})^{500} \approx 5\,\%$ । 18. अनुलेखन: $1.5\%\times 0.75\times 0.67 \approx 0.75\%$ संदेशवाहक दोषपूर्ण, और इसलिए उतने ही प्रोटीन; अनुवादन: $5\%\times 0.67 = 3.3\%$ ; यानी अणुओं का लगभग $4\,\%$ । 19. प्रोटीन की कोई गलती एक ही अणु तक सीमित रहती है, जो जल्दी ही नष्ट हो जाता है; संदेशवाहक की गलती सैकड़ों प्रोटीनों में नकल हो जाती है; और प्रतिकृतिकरण की गलती हर वंशज को सदा के लिए वंशागत होती है। किसी गलती की लागत, और इसलिए वह शुद्धता जिसकी कीमत चुकाना बनता है, हर पिछले चरण पर चढ़ती जाती है। 20. उपस्थित संदेशवाहक $3000/180 = 17$ । 21. $17\times 25 = 420$ राइबोसोम। 22. प्रति दिन $3 \times 10^{9}\times 4 = 1.2 \times 10^{10}$ ATP $= 2 \times 10^{-14}\,\mathrm{mol}$ , यानी प्रति दिन $1 \times 10^{-9}\,\mathrm{J}$ , यानी $1.2 \times 10^{-14}\,\mathrm{W}$ — यानी प्रति घन माइक्रोमीटर $6\,\mathrm{fW}$ । 23. प्रति सेकंड $10^9$ ATP यानी प्रति दिन $8.6 \times 10^{13}$ : इस धीरे नवीकृत होती कोशिका में प्रोटीन-संश्लेषण उसका सौवाँ भाग है (किसी विभाजित होते बैक्टीरियम में वह आधा है)। 24. कोई परिपक्व संदेशवाहक नहीं: प्राथमिक अनुलेख केंद्रक में जमा हो जाते हैं और प्रोटीन अपने संदेशवाहकों के क्षय होते ही घंटों के भीतर लुप्त हो जाता है। बैक्टीरिया का प्रोटीन, जिसके जीन में कोई इंट्रॉन नहीं, अछूता रहता है। 25. प्रति अणु लगभग 2100 ATP — अनुवादन के लिए 2000, और अनुलेख में उसके हिस्से के लिए सौ; पहला प्रोटीन $1000\,\mathrm{s}$ के अनुलेखन, एक मिनट के प्रसंस्करण तथा निर्यात, और $125\,\mathrm{s}$ के अनुवादन के बाद: यानी लगभग बीस मिनट।

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