DNA की कॉपी क्यों ज़रूरी है?
DNA में जीव को बनाने और चलाने के सारे निर्देश होते हैं। यह केंद्रक के गुणसूत्रों में रहता है।
जब एक कोशिका दो में बँटती है, तो दोनों नई कोशिकाओं को पूरे निर्देश चाहिए। इसलिए बँटने से पहले, कोशिका चक्र के S चरण में, कोशिका अपने पूरे DNA की हूबहू कॉपी बनाती है। इसे DNA प्रतिकृति (DNA replication) कहते हैं।
प्रतिकृति माइटोसिस (शरीर कोशिकाएँ) और मियोसिस (युग्मक बनाने वाली कोशिकाएँ) दोनों से पहले होती है।
DNA की बनावट जो कॉपी आसान बनाती है
DNA एक दोहरी कुंडली (double helix) है: दो लंबे स्ट्रैंड जो घुमावदार सीढ़ी की तरह एक-दूसरे पर लिपटे हैं।
- हर स्ट्रैंड की रीढ़ शर्करा और फ़ॉस्फ़ेट से बनी है।
- हर शर्करा पर एक क्षार (base) होता है: एडेनीन (A), थाइमीन (T), ग्वानीन (G) या साइटोसीन (C)।
- आमने-सामने के क्षार कमज़ोर हाइड्रोजन बंध से जुड़ते हैं: A–T और G–C। इसे पूरक क्षार युग्मन (complementary base pairing) कहते हैं।
इस नियम से एक स्ट्रैंड बता देता है कि दूसरा क्या होगा। एक स्ट्रैंड ATGC हो तो दूसरा TACG होगा। इसीलिए एक स्ट्रैंड नए स्ट्रैंड का साँचा (template) बन सकता है।
DNA प्रतिकृति के चरण और एंज़ाइम
- खुलना: हेलिकेज़ एंज़ाइम क्षार जोड़ों के बीच हाइड्रोजन बंध तोड़कर दोनों स्ट्रैंड अलग करता है। Y आकार की इस जगह को प्रतिकृति द्विशाख (replication fork) कहते हैं।
- शुरुआत: एक छोटा शुरुआती टुकड़ा (प्राइमर) लगता है ताकि कॉपी करने वाले एंज़ाइम को शुरू करने की जगह मिले।
- बनाना: DNA पॉलिमरेज़ हर पुराने स्ट्रैंड पर चलता है और केंद्रक में तैरते न्यूक्लियोटाइड जोड़ता है, हर एक अपने जोड़ीदार से मेल खाता: T के सामने A, C के सामने G। यह एक ही दिशा में जोड़ सकता है, इसलिए एक नया स्ट्रैंड लगातार बनता है और दूसरा छोटे-छोटे टुकड़ों में।
- जोड़ना: लाइगेज़ एंज़ाइम छोटे टुकड़ों को जोड़कर एक लगातार स्ट्रैंड बना देता है।
एंज़ाइम एक प्रोटीन है जो कोशिका में किसी अभिक्रिया को तेज़ करता है और खुद खर्च नहीं होता।
अर्ध-संरक्षी प्रतिकृति
अंत में दो DNA अणु बनते हैं। हर एक में एक पुराना स्ट्रैंड (बचा हुआ, 'संरक्षित') और एक नया स्ट्रैंड होता है। हर अणु का आधा भाग पुराना है, इसलिए इसे अर्ध-संरक्षी (semi-conservative) प्रतिकृति कहते हैं।
1958 में मेसेल्सन और स्टाल ने भारी और हल्के नाइट्रोजन में उगाए बैक्टीरिया से यह दिखाया। एक बार कॉपी होने के बाद सारा DNA ठीक बीच के भार का निकला: आधा पुराना, आधा नया।
गलतियाँ और सुरक्षा: जाँच (प्रूफ़रीडिंग) और उत्परिवर्तन
DNA पॉलिमरेज़ कभी-कभी गलत क्षार लगा देता है (जैसे T के सामने G)। यह प्रूफ़रीडिंग करता है: हर नई जोड़ी जाँचता है, गलत क्षार हटाकर सही लगाता है। बाद में मरम्मत करने वाले दूसरे एंज़ाइम फिर से जाँचते हैं।
इसलिए लगभग हर एक अरब क्षारों में केवल 1 गलती बचती है। जो गलती ठीक न हो, वह स्थायी बदलाव बन जाती है: उत्परिवर्तन (mutation)। ज़्यादातर उत्परिवर्तन कुछ नहीं करते; कुछ नुकसान करते हैं (कुछ कैंसर); कुछ उपयोगी होते हैं और विकास (evolution) को आगे बढ़ाते हैं। धूप की UV किरणें, X-किरणें और तंबाकू का धुआँ DNA को नुकसान पहुँचाते हैं, इसलिए सनस्क्रीन और धूम्रपान न करना कोशिकाओं की रक्षा करते हैं।
वायरस में प्रतिकृति
वायरस कोशिका नहीं है। यह प्रोटीन के खोल में बंद आनुवंशिक पदार्थ (DNA या RNA) है। यह खुद अपनी कॉपी नहीं बना सकता।
वायरस किसी कोशिका (परपोषी) में घुसकर उसके एंज़ाइम, न्यूक्लियोटाइड और ऊर्जा से अपने जीन की कॉपियाँ बनवाता है और नए वायरस कण बनाता है। ये बाहर निकलकर और कोशिकाओं को संक्रमित करते हैं। कई एंटीवायरल दवाएँ वायरस के जीन कॉपी करने वाले एंज़ाइम को रोककर काम करती हैं। RNA वाले वायरस (जैसे फ़्लू) कम जाँच के साथ कॉपी होते हैं, इसलिए जल्दी बदलते हैं; इसी से फ़्लू का टीका हर साल बदलता है।
करके देखो: हाथ से DNA स्ट्रैंड कॉपी करो
घर पर: एक कागज़ की पट्टी पर लिखो: A T G C C A T G, और उसके साथ दूसरी पट्टी पर जोड़ीदार: T A C G G T A C। अब दोनों को अलग करो। दो नई पट्टियों पर हर आधे का जोड़ीदार लिखो। जाँचो: अब दो जोड़े हैं, हर एक में एक पुरानी और एक नई पट्टी।
3D में: आखिरी चरण में स्लाइडर धीरे-धीरे चलाओ और हर नया अक्षर आने से पहले बोलो। फिर 'गलती डालो' दबाओ।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- क्षार युग्मन: A — T, G — C
- पुराना स्ट्रैंड ATGC → नया जोड़ीदार TACG
- दोहरे स्ट्रैंड वाले DNA में: %A = %T और %G = %C
- n बार प्रतिकृति के बाद: 1 DNA → 2ⁿ DNA अणु
- मुख्य एंज़ाइम: हेलिकेज़ (खोलना), DNA पॉलिमरेज़ (बनाना + जाँचना), लाइगेज़ (जोड़ना)
हल किए गए उदाहरण
1. एक DNA स्ट्रैंड है 5′-AGTCCA-3′। इसके सामने DNA पॉलिमरेज़ कौन सा नया स्ट्रैंड बनाएगा?
हर क्षार का जोड़ीदार: A→T, G→C, T→A, C→G, C→G, A→T। नया स्ट्रैंड TCAGGT (पुराने के नीचे 3′ से 5′ दिशा में)।
2. एक DNA नमूने में 30% एडेनीन है। थाइमीन, ग्वानीन और साइटोसीन कितने प्रतिशत हैं?
A का जोड़ा T है, तो T = 30%। A + T = 60%, बाकी 40% G + C। G = C, इसलिए G = 20% और C = 20%।
3. एक DNA अणु लगातार 3 बार कॉपी होता है। कितने अणु बनेंगे, और कितनों में मूल पुराना स्ट्रैंड होगा?
हर बार दोगुना: 1 → 2 → 4 → 8 अणु। मूल 2 स्ट्रैंड कभी नहीं टूटते, इसलिए 8 में से ठीक 2 अणुओं में पुराना स्ट्रैंड होगा।
4. मनुष्य की कोशिका में पॉलिमरेज़ 6 अरब क्षार कॉपी करता है और हर अरब में लगभग 1 गलती छोड़ता है। एक बार कॉपी में लगभग कितनी गलतियाँ रहेंगी?
6 अरब ÷ 1 अरब = हर कोशिका विभाजन में लगभग 6 नई गलतियाँ।
आम गलतियाँ
- यह सोचना कि नए DNA के दोनों स्ट्रैंड नए हैं। हर नए अणु में एक पुराना स्ट्रैंड रहता है (अर्ध-संरक्षी)।
- A को G से या C को T से जोड़ना। केवल A–T और G–C ही जुड़ते हैं।
- हेलिकेज़ और पॉलिमरेज़ को उलट देना। हेलिकेज़ खोलता है; पॉलिमरेज़ नया स्ट्रैंड बनाता है।
- यह मानना कि प्रतिकृति माइटोसिस के दौरान होती है। यह पहले, अंतरावस्था के S चरण में होती है।