1. न्यूक्लिक अम्ल: जीवन के अणु (Nucleic Acids: Molecules of Life)

1.1 परिचय और ऐतिहासिक पृष्ठभूमि (Introduction and Historical Background)

जीवित तंत्र (Living Systems) में दो प्रकार के मुख्य अणु पाए जाते हैं जो आनुवंशिक जानकारी (Genetic Information) को संचित और स्थानांतरित करते हैं। इन्हें न्यूक्लिक अम्ल (Nucleic Acid) कहा जाता है। ये कोशिका के केंद्रक में पाए जाने वाले सबसे महत्वपूर्ण जैव-अणु (Biomolecules) हैं।

न्यूक्लिक अम्ल की खोज का श्रेय फ्रेडरिक मिशर (Friedrich Miescher) को जाता है। 1869 में, उन्होंने एक बहुत ही महत्वपूर्ण प्रयोग किया। उन्होंने पट्टियों पर लगे मवाद (Pus) की कोशिकाओं (Pus cells) को इकट्ठा किया। मवाद कोशिकाओं के केंद्रक (Nucleus) से उन्होंने एक फास्फोरस युक्त पदार्थ अलग किया। चूंकि यह पदार्थ केंद्रक (Nucleus) के अंदर मिला था और इसकी प्रकृति अम्लीय (Acidic) थी, इसलिए उन्होंने इसे 'न्यूक्लिन' (Nuclein) नाम दिया। बाद में, जब इसके रासायनिक गुणों का विस्तार से अध्ययन किया गया, तो इसे 'न्यूक्लिक अम्ल' (Nucleic Acid) कहा जाने लगा।

न्यूक्लिक अम्ल मुख्य रूप से दो प्रकार के होते हैं:

• डीऑक्सीराइबोन्यूक्लिक अम्ल (Deoxyribonucleic Acid - DNA): यह अधिकांश जीवों (जैसे मनुष्य, जानवर, पौधे, बैक्टीरिया, कवक) में आनुवंशिक पदार्थ (Genetic Material) के रूप में कार्य करता है। यह वह मास्टर कॉपी है जिसमें जीव के निर्माण की सारी जानकारी सुरक्षित रहती है।
• राइबोन्यूक्लिक अम्ल (Ribonucleic Acid - RNA): यह कुछ विषाणुओं (Viruses) में आनुवंशिक पदार्थ होता है (जैसे HIV, TMV, QB Bacteriophage), लेकिन अधिकांश उन्नत जीवों (जैसे मनुष्य) में यह आनुवंशिक पदार्थ नहीं होता। यहाँ यह मुख्य रूप से एक संदेशवाहक (Messenger), अनुकूलक (Adapter), और कभी-कभी उत्प्रेरक (Catalyst) के रूप में कार्य करता है।

1.2 न्यूक्लिक अम्ल की रासायनिक संरचना (Chemical Structure of Nucleic Acid)

न्यूक्लिक अम्ल (DNA या RNA) एक लंबा बहुलक (Polymer) होता है। "बहुलक" का अर्थ है एक बहुत बड़ी चेन जो छोटी-छोटी इकाइयों के बार-बार जुड़ने से बनती है। जिस तरह एक दीवार ईंटों से बनी होती है, या एक माला मोतियों से बनी होती है, उसी तरह न्यूक्लिक अम्ल छोटी-छोटी इकाइयों से मिलकर बना होता है। इन इकाइयों को न्यूक्लियोटाइड (Nucleotide) कहते हैं।

इसीलिए DNA या RNA को पॉलीन्यूक्लियोटाइड (Polynucleotide) श्रृंखला भी कहा जाता है। "पॉली" का अर्थ है "बहुत सारे"। यानी बहुत सारे न्यूक्लियोटाइड की चेन।

एक न्यूक्लियोटाइड के तीन घटक (Three Components of a Nucleotide)

एक अकेला न्यूक्लियोटाइड अपने आप में तीन अलग-अलग रासायनिक घटकों से मिलकर बना होता है। यह समझना बहुत जरूरी है क्योंकि बोर्ड परीक्षा में अक्सर पूछा जाता है कि न्यूक्लियोटाइड और न्यूक्लियोसाइड में क्या अंतर है।

ये तीन घटक हैं:

1. पेंटोस शर्करा (Pentose Sugar)

2. नाइट्रोजनी क्षार (Nitrogenous Base)

3. फॉस्फेट समूह (Phosphate Group)

आइए इन तीनों को विस्तार से, एक-एक करके समझते हैं।

(क) पेंटोस शर्करा (Pentose Sugar)

"पेंटोस" शब्द का अर्थ है "पाँच"। यानी यह 5-कार्बन वाली शर्करा (Sugar) होती है। न्यूक्लिक अम्ल के प्रकार (DNA या RNA) के आधार पर यह शर्करा दो अलग-अलग रूपों में पाई जाती है।

• राइबोज (Ribose): यह शर्करा RNA में पाई जाती है। इसका रासायनिक सूत्र C5H10O5 होता है। इसकी संरचना में, दूसरे कार्बन (2'C) स्थान पर एक हाइड्रॉक्सिल समूह (-OH) उपस्थित होता है। यह -OH समूह इसे रासायनिक रूप से सक्रिय बनाता है।

• डीऑक्सीराइबोज (Deoxyribose): यह शर्करा DNA में पाई जाती है। इसका सूत्र C5H10O4 होता है। नाम पर ध्यान दें: "De-oxy" का अर्थ है "ऑक्सीजन का हट जाना"। राइबोज की तुलना में, इसके दूसरे कार्बन (2'C) पर एक ऑक्सीजन परमाणु कम होता है। वहाँ -OH की जगह सिर्फ हाइड्रोजन (-H) होता है। यही एक छोटा सा अंतर DNA को RNA की तुलना में रासायनिक रूप से बहुत अधिक स्थिर (Stable) बनाता है। चूंकि आनुवंशिक पदार्थ को जीवन भर सुरक्षित रहना होता है, इसलिए यह स्थिरता बहुत महत्वपूर्ण है।

(ख) नाइट्रोजनी क्षार (Nitrogenous Bases)

ये नाइट्रोजन युक्त चक्रीय यौगिक (Cyclic compounds) होते हैं जो न्यूक्लिक अम्ल को उसका विशिष्ट कोड प्रदान करते हैं। इनकी रासायनिक संरचना के आधार पर इन्हें दो वर्गों में बांटा गया है:

विशेषता

प्यूरीन (Purines)

पिरिमिडीन (Pyrimidines)

संरचना (Structure)

ये दो रिंग (Double ring) वाली बड़ी संरचनाएं हैं। इसमें एक 6-सदस्यीय रिंग और एक 5-सदस्यीय रिंग जुड़ी होती है।

ये एक रिंग (Single ring) वाली छोटी संरचनाएं हैं। इसमें केवल एक 6-सदस्यीय रिंग होती है।

उदाहरण (Examples)

एडेनिन (Adenine - A) और ग्वानिन (Guanine - G)

साइटोसिन (Cytosine - C), थाइमिन (Thymine - T), और यूरेसिल (Uracil - U)

उपस्थिति (Occurrence)

DNA और RNA दोनों में एडेनिन और ग्वानिन समान रूप से पाए जाते हैं।

साइटोसिन (C) DNA और RNA दोनों में पाया जाता है। थाइमिन (T) केवल DNA में होता है, जबकि यूरेसिल (U) केवल RNA में होता है।

(ग) फॉस्फेट समूह (Phosphate Group)

यह फॉस्फोरिक अम्ल (\(\ce{H3PO4}\)) से प्राप्त होता है। जब यह न्यूक्लियोटाइड में जुड़ता है, तो यह न्यूक्लिक अम्ल को अम्लीय (Acidic) प्रकृति प्रदान करता है। DNA पर जो ऋणात्मक आवेश (Negative Charge) होता है, वह इसी फॉस्फेट समूह के कारण होता है। यही कारण है कि DNA विद्युत क्षेत्र (Electric Field) में एनोड (Positive pole) की ओर गति करता है (जेल वैद्युत कण संचलन / Gel Electrophoresis में)।

1.3 न्यूक्लियोसाइड और न्यूक्लियोटाइड में अंतर (Difference between Nucleoside and Nucleotide)

यह अवधारणा बोर्ड परीक्षा के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। छात्र अक्सर इसमें भ्रमित हो जाते हैं। आइए इसे स्पष्ट करें।

1. न्यूक्लियोसाइड (Nucleoside):

जब एक नाइट्रोजनी क्षार (चाहे वह प्यूरीन हो या पिरिमिडीन), पेंटोस शर्करा के पहले कार्बन (1'C) से जुड़ता है, तो बनी संरचना को न्यूक्लियोसाइड कहते हैं। यह जुड़ाव N-ग्लाइकोसिडिक बंध (N-glycosidic bond) द्वारा होता है।

• सूत्र: शर्करा + नाइट्रोजनी क्षार = न्यूक्लियोसाइड
• उदाहरण:
• एडेनिन + राइबोज = एडेनोसिन (Adenosine)
• एडेनिन + डीऑक्सीराइबोज = डीऑक्सीएडेनोसिन (Deoxyadenosine)
• इसी प्रकार ग्वानोसिन, साइटिडिन, यूरिडिन आदि।

2. न्यूक्लियोटाइड (Nucleotide):

न्यूक्लियोटाइड, न्यूक्लियोसाइड से एक कदम आगे की संरचना है। जब न्यूक्लियोसाइड के शर्करा वाले भाग के 5' कार्बन (5'C) पर एक फॉस्फेट समूह जुड़ जाता है, तो यह पूरा अणु न्यूक्लियोटाइड बन जाता है। यह जुड़ाव फॉस्फोएस्टर बंध (Phosphoester bond) द्वारा होता है।

• सूत्र: न्यूक्लियोसाइड + फॉस्फेट = न्यूक्लियोटाइड
• या विस्तार में: शर्करा + नाइट्रोजनी क्षार + फॉस्फेट = न्यूक्लियोटाइड
• उदाहरण: एडेनिलिक अम्ल (Adenylic acid) या एडेनोसिन मोनोफॉस्फेट (AMP)।

इस अंतर को याद रखने के लिए एक कहानी सोचिए। मान लीजिए 'शर्करा' एक घर है। 'नाइट्रोजनी क्षार' उस घर में रहने आया एक व्यक्ति है। जब ये दोनों साथ होते हैं, तो इसे हम 'न्यूक्लियोसाइड' (Side = केवल दो लोग एक साइड) कहते हैं। अब अगर इस घर में एक 'फॉस्फेट' (Phosphate - P for Power) का बिजली कनेक्शन भी लग जाए, तो यह पूरा घर पूरी तरह से तैयार हो गया, जिसे हम 'न्यूक्लियोटाइड' (Tied = तीनों बंधे हुए) कहते हैं।

1.4 पॉलीन्यूक्लियोटाइड श्रृंखला का निर्माण (Formation of Polynucleotide Chain)

अब हमारे पास ईंटें (न्यूक्लियोटाइड) तैयार हैं। अब दीवार (DNA/RNA) कैसे बनेगी? यानी एक न्यूक्लियोटाइड दूसरे से कैसे जुड़ता है?

यह जुड़ाव बहुत विशिष्ट होता है। एक न्यूक्लियोटाइड के शर्करा का तीसरा कार्बन (3'C), जिस पर एक मुक्त -OH समूह होता है, अगले न्यूक्लियोटाइड के 5' कार्बन (5'C) पर स्थित फॉस्फेट समूह के साथ जुड़ता है। इस बंधन को 3'-5' फॉस्फोडाइएस्टर बंध (3'-5' Phosphodiester bond) कहते हैं। "डाइएस्टर" इसलिए क्योंकि फॉस्फेट समूह दोनों तरफ एस्टर बॉन्ड बनाता है (एक अपनी खुद की शर्करा के साथ और एक ऊपर वाली शर्करा के साथ)।

इस प्रकार, जब हजारों न्यूक्लियोटाइड एक के बाद एक जुड़ते जाते हैं, तो एक लंबी श्रृंखला बनती है। इस श्रृंखला की एक खास दिशा होती है:

• एक सिरे पर शर्करा का 5' कार्बन मुक्त होता है (जहाँ फॉस्फेट जुड़ा है)। इसे 5' सिरा (5' end) कहते हैं।
• दूसरे सिरे पर शर्करा का 3' कार्बन मुक्त होता है (जहाँ -OH समूह है)। इसे 3' सिरा (3' end) कहते हैं।

यह दिशा (5' 3') DNA के कार्य करने के तरीके (जैसे प्रतिकृति और अनुलेखन) के लिए बहुत महत्वपूर्ण है।

2. डीएनए की संरचना (Structure of DNA)

डीएनए (DNA) केवल एक रासायनिक अणु नहीं है; यह एक अत्यंत सुंदर और जटिल संरचना है। इसकी संरचना को समझने के लिए हमें 1950 के दशक में जाना होगा।

2.1 वॉटसन और क्रिक का मॉडल (Watson and Crick Model)

वर्ष 1953 जीव विज्ञान के इतिहास में स्वर्ण अक्षरों में लिखा गया है। इसी वर्ष जेम्स वॉटसन (James Watson) और फ्रांसिस क्रिक (Francis Crick) ने डीएनए का प्रसिद्ध द्विकुंडली मॉडल (Double Helix Model) प्रस्तुत किया। यह मॉडल इतना सटीक और क्रांतिकारी था कि इसने हमें यह समझने में मदद की कि जीवन कैसे काम करता है। इस खोज के लिए वॉटसन, क्रिक और मौरिस विल्किन्स (Maurice Wilkins) को 1962 में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया।

लेकिन वॉटसन और क्रिक ने यह मॉडल हवा में नहीं बनाया था। उन्होंने दो प्रमुख वैज्ञानिक खोजों का सहारा लिया:

• एक्स-रे विवर्तन डेटा (X-ray Diffraction Data): यह डेटा मौरिस विल्किन्स (Maurice Wilkins) और रोजलिंड फ्रैंकलिन (Rosalind Franklin) द्वारा तैयार किया गया था। फ्रैंकलिन ने DNA के रेशों पर एक्स-रे डालकर उनकी छाया (Shadow) की तस्वीरें लीं। इन तस्वीरों ने स्पष्ट संकेत दिया कि DNA एक हेलिक्स (कुंडली) या सीढ़ी जैसी संरचना है।

• चारगाफ का नियम (Chargaff's Rule): ऑस्ट्रियाई जैव-रसायनज्ञ इर्विन चारगाफ (Erwin Chargaff) ने DNA के क्षारों (Bases) का विश्लेषण किया और कुछ महत्वपूर्ण नियम दिए:

• किसी भी DNA अणु में, प्यूरीन की कुल मात्रा हमेशा पिरिमिडीन की कुल मात्रा के बराबर होती है।
• गणितीय रूप में: A + G = T + C।
• अधिक विशिष्ट रूप से: एडेनिन की मात्रा हमेशा थाइमिन के बराबर होती है (A = T) और ग्वानिन की मात्रा हमेशा साइटोसिन के बराबर होती है (G = C)।
• उन्होंने यह भी बताया कि अनुपात एक प्रजाति के लिए स्थिर (Constant) होता है, लेकिन अलग-अलग प्रजातियों में यह अलग-अलग हो सकता है।

अक्सर बोर्ड परीक्षाओं में चारगाफ के नियम पर आधारित प्रश्न पूछे जाते हैं।

• प्रश्न: यदि एक DNA के नमूने में साइटोसिन (C) 18% है, तो एडेनिन (A) का प्रतिशत क्या होगा?
• हल:
• चारगाफ के नियम के अनुसार: G = C और A = T।
• दिया है: C = 18% इसलिए, G = 18% होगा।
• G + C = 18% + 18% = 36%
• हम जानते हैं कि कुल DNA = 100% है।
• शेष (A + T) = 100% - 36% = 64%
• चूंकि A और T बराबर हैं, इसलिए A = = 32%।
• उत्तर: एडेनिन का प्रतिशत 32% होगा।

2.2 द्विकुंडली संरचना की मुख्य विशेषताएं (Salient Features of Double Helix Structure)

वॉटसन और क्रिक के मॉडल के अनुसार, DNA (विशेष रूप से B-DNA, जो कोशिकाओं में सबसे आम है) की संरचना की मुख्य विशेषताएं निम्नलिखित हैं:

• दो रज्जुक (Two Strands): DNA का अणु दो लंबी पॉलीन्यूक्लियोटाइड श्रृंखलाओं का बना होता है। कल्पना कीजिए एक घुमावदार सीढ़ी की। सीढ़ी के दोनों तरफ की रेलिंग शर्करा और फॉस्फेट की बनी होती है (इसे Backbone या आधार कहते हैं)। सीढ़ी के पायदान (Steps) नाइट्रोजनी क्षारों के बने होते हैं जो अंदर की ओर उभरे होते हैं।
• प्रति-समानांतर ध्रुवता (Anti-parallel Polarity): यह एक बहुत महत्वपूर्ण बिंदु है। दोनों श्रृंखलाएं एक-दूसरे के समानांतर तो होती हैं, लेकिन उनकी दिशा विपरीत होती है। यदि एक श्रृंखला की दिशा 5' 3' है (ऊपर से नीचे), तो दूसरी श्रृंखला की दिशा 3' 5' होगी (नीचे से ऊपर)। इसे प्रति-समानांतर व्यवस्था कहते हैं।
• क्षार युग्मन (Base Pairing): दोनों रज्जुकों के क्षार आपस में हाइड्रोजन बंध (Hydrogen Bonds) द्वारा जुड़े होते हैं। यह जुड़ाव यादृच्छिक (Random) नहीं होता, बल्कि बहुत विशिष्ट होता है:
• एडेनिन (A) हमेशा थाइमिन (T) के साथ जुड़ता है। इनके बीच दो हाइड्रोजन बंध (A=T) बनते हैं।
• ग्वानिन (G) हमेशा साइटोसिन (C) के साथ जुड़ता है। इनके बीच तीन हाइड्रोजन बंध (G ≡ C) बनते हैं।
• महत्व: चूंकि एक बड़ी प्यूरीन (दो रिंग) हमेशा एक छोटी पिरिमिडीन (एक रिंग) के सामने आती है, इसलिए दोनों रज्जुकों के बीच की दूरी हमेशा लगभग समान (2 nm) बनी रहती है। इससे हेलिक्स स्थिर रहता है।
• कुंडलित संरचना (Coiled Structure): दोनों चेन एक काल्पनिक केंद्रीय अक्ष (Axis) के चारों ओर दक्षिणावर्त (Right-handed) दिशा में मुड़ी होती हैं। जैसे एक पेंच (Screw) को कसते हैं।

5. आयाम (Dimensions): ये आँकड़े परीक्षा के लिए बहुत महत्वपूर्ण हैं, इन्हें याद रखें:

• हेलिक्स का व्यास (Diameter): 20 Å (2 nm)।
• एक पूर्ण घुमाव (Pitch) की लंबाई: 34 Å (3.4 nm)। एक पूरा चक्कर लगाने में हेलिक्स इतनी दूरी तय करता है।
• एक घुमाव में क्षार युग्मों (Base Pairs) की संख्या: 10।
• दो क्रमागत क्षार युग्मों के बीच की दूरी: चूंकि 34 Å में 10 युग्म हैं, तो दो युग्मों के बीच की दूरी = 3.4 Å (0.34 nm) होती है।

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3. डीएनए कुंडली का पैकेजिंग (Packaging of DNA Helix)

[Place diagram for DNA Packaging and Nucleosome Structure here]

यह जीव विज्ञान का एक बड़ा रहस्य था कि एक कोशिका के छोटे से केंद्रक में इतना लंबा DNA कैसे फिट होता है। आइए गणित से समझते हैं। एक सामान्य मानव कोशिका (द्विगुणित) में \(6.6 \times 10^9\) क्षार युग्म (bp) होते हैं। दो क्षार युग्मों के बीच की दूरी \(0.34 \times 10^{-9}\) मीटर होती है।

तो, DNA की कुल लंबाई = \(6.6 \times 10^9\) × \(0.34 \times 10^{-9}\) ≈ 2.2 मीटर।

सोचिए! 2.2 मीटर लंबा धागा एक ऐसे केंद्रक में समाया है जिसका व्यास केवल \(10^{-6}\) मीटर (माइक्रोमीटर) है। यह वैसे ही है जैसे एक क्रिकेट के मैदान जितने लंबे धागे को एक टेनिस बॉल के अंदर डालना। यह संभव होता है DNA पैकेजिंग के जरिए।

3.1 प्रोकैरियोट्स में पैकेजिंग (Packaging in Prokaryotes)

प्रोकैरियोट्स (जैसे E. coli बैक्टीरिया) में स्पष्ट केंद्रक नहीं होता, लेकिन इसका मतलब यह नहीं कि DNA पूरे कोशिका द्रव्य में बिखरा रहता है।

• इनका DNA ऋणात्मक रूप से आवेशित (Negatively Charged) होता है।
• यह कुछ धनात्मक रूप से आवेशित (Positively Charged) प्रोटीन्स (जिन्हें Non-histone proteins कहते हैं) के साथ जुड़कर एक जगह इकट्ठा रहता है।
• इस क्षेत्र को केंद्रकाभ (Nucleoid) कहते हैं। यहाँ DNA बड़े-बड़े लूप्स (Loops) के रूप में व्यवस्थित होता है।

3.2 यूकेरियोट्स में पैकेजिंग (Packaging in Eukaryotes)

यूकेरियोट्स (जैसे हम मनुष्य) में यह प्रक्रिया बहुत जटिल और सुव्यवस्थित होती है। इसमें विशेष प्रकार के प्रोटीन्स की भूमिका होती है जिन्हें हिस्टोन (Histones) कहते हैं।

हिस्टोन प्रोटीन (Histone Proteins)

• हिस्टोन क्षारीय (Basic) प्रकृति के प्रोटीन होते हैं। ऐसा क्यों? क्योंकि इनमें क्षारीय अमीनो अम्ल लाइसिन (Lysine) और आर्जिनिन (Arginine) बहुत अधिक मात्रा में पाए जाते हैं।
• इन अमीनो अम्लों की साइड चेन पर धनात्मक आवेश (Positive charge) होता है।
• विज्ञान का नियम है: विपरीत आवेश एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं। चूंकि DNA पर फॉस्फेट समूह के कारण ऋणात्मक आवेश होता है, इसलिए यह धनात्मक हिस्टोन प्रोटीन के साथ बहुत मजबूती से चिपक जाता है।

न्यूक्लियोसोम (Nucleosome)

DNA पैकेजिंग की सबसे बुनियादी इकाई न्यूक्लियोसोम कहलाती है।

• हिस्टोन अष्टक (Histone Octamer): हिस्टोन प्रोटीन्स अकेले नहीं होते। चार प्रकार के हिस्टोन अणुओं (H2A, H2B, H3, H4) के दो-दो अणु मिलकर एक गेंद जैसी संरचना बनाते हैं, जिसे हिस्टोन अष्टक (आठ अणुओं का समूह) कहते हैं।
• संरचना: ऋणात्मक आवेशित DNA का धागा इस धनात्मक हिस्टोन अष्टक के चारों ओर लिपट जाता है, जैसे गेंद पर धागा लपेटा गया हो। एक न्यूक्लियोसोम में लगभग 200 क्षार युग्म (200 bp) DNA लिपटा होता है।
• लिंकर DNA (Linker DNA): दो न्यूक्लियोसोम मोतियों की माला की तरह एक-दूसरे से जुड़े होते हैं। बीच के जोड़ने वाले DNA को लिंकर DNA कहते हैं। इस लिंकर DNA के साथ H1 हिस्टोन जुड़ा होता है। H1 हिस्टोन अष्टक का हिस्सा नहीं होता, बल्कि यह बाहर से न्यूक्लियोसोम को "सील" या लॉक करता है ताकि DNA खुल न जाए।

क्रोमैटिन (Chromatin)

जब हम इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी (Electron Microscope) में केंद्रक को देखते हैं, तो न्यूक्लियोसोम की यह श्रृंखला "धागे पर पड़ी मनकों" (Beads-on-string) जैसी दिखाई देती है। इस संरचना को क्रोमैटिन (Chromatin) कहते हैं।

पैकेजिंग के स्तर (Levels of Packaging):

1. न्यूक्लियोसोम (Nucleosome): 10-11 nm व्यास वाला फाइबर।

• सोलेनोइड (Solenoid): न्यूक्लियोसोम की माला और अधिक कुंडलित होकर एक स्प्रिंग जैसी संरचना बनाती है, जिसे 30 nm फाइबर कहते हैं।

3. क्रोमैटिन फाइबर: यह और अधिक संघनित होकर लूप बनाता है।

• गुणसूत्र (Chromosome): कोशिका विभाजन की मध्यावस्था (Metaphase) में, क्रोमैटिन अत्यधिक संघनित (Condense) होकर मोटे गुणसूत्र का रूप ले लेता है। उच्च स्तर पर इस पैकेजिंग के लिए कुछ अतिरिक्त प्रोटीन्स की आवश्यकता होती है जिन्हें गैर-हिस्टोन गुणसूत्रीय प्रोटीन (Non-Histone Chromosomal - NHC Proteins) कहते हैं।

यूक्रोमैटिन और हेटेरोक्रोमैटिन (Euchromatin and Heterochromatin)

केंद्रक के अंदर, क्रोमैटिन एक जैसा नहीं होता। यह दो रूपों में पाया जाता है, और इनके बीच का अंतर परीक्षा में अक्सर पूछा जाता है:

विशेषता

यूक्रोमैटिन (Euchromatin)

हेटेरोक्रोमैटिन (Heterochromatin)

पैकिंग

यह ढीला बंधा हुआ (Loosely packed) होता है।

यह सघन रूप से बंधा हुआ (Densely packed) होता है।

अभिरंजन (Staining)

यह हल्का रंग (Light stain) लेता है।

यह गाढ़ा रंग (Dark stain) लेता है।

क्रियाशीलता

यह आनुवंशिक रूप से सक्रिय (Transcriptionally Active) होता है।

यह आनुवंशिक रूप से निष्क्रिय (Inactive) होता है।

महत्व

इसमें वे जीन होते हैं जो सक्रिय रूप से mRNA बना रहे होते हैं।

यह संरचनात्मक भूमिका निभाता है और जीन को बंद (Silent) रखता है।

4. आनुवंशिक पदार्थ की खोज (The Search for Genetic Material)

आज हम जानते हैं कि DNA ही आनुवंशिक पदार्थ है, लेकिन हमेशा ऐसा नहीं था। लंबे समय तक वैज्ञानिक मानते थे कि प्रोटीन आनुवंशिक पदार्थ है क्योंकि प्रोटीन बहुत विविधतापूर्ण होते हैं। यह सिद्ध करने के लिए कि DNA ही वह मास्टर मॉलिक्यूल है, वैज्ञानिकों ने कई ऐतिहासिक प्रयोग किए। आइए उन प्रयोगों को कहानी की तरह समझते हैं।

4.1 ग्रिफिथ का रूपांतरण प्रयोग (Griffith's Transforming Principle - 1928)

फ्रेडरिक ग्रिफिथ (Frederick Griffith) एक ब्रिटिश चिकित्सक थे। उन्होंने 1928 में स्ट्रेप्टोकोकस निमोनिया (Streptococcus pneumoniae ) नामक जीवाणु पर प्रयोग किया। यह जीवाणु निमोनिया (Pneumonia) रोग उत्पन्न करता है।

इस जीवाणु के दो अलग-अलग रूप या प्रभेद (Strains) होते हैं:

• S-प्रभेद (Smooth/S-Strain): इन जीवाणुओं की बाहरी सतह पर पॉलीसैकराइड (शर्करा) का एक चिकना आवरण (Mucus coat) होता है। यह आवरण उन्हें हमारे शरीर की सुरक्षा प्रणाली से बचाता है। इसलिए, यह उग्र (Virulent) होता है और निमोनिया रोग उत्पन्न करता है।
• R-प्रभेद (Rough/R-Strain): इनमें वह चिकना आवरण नहीं होता, इसलिए इनकी सतह खुरदरी होती है। हमारी प्रतिरक्षा प्रणाली इन्हें आसानी से मार देती है। इसलिए, यह अनुग्र (Non-virulent) होता है और रोग उत्पन्न नहीं करता।

प्रयोग के चरण:

ग्रिफिथ ने चूहों पर चार अलग-अलग प्रयोग किए:

1. S-प्रभेद चूहे में इंजेक्शन चूहा मर गया (निमोनिया से)। (निष्कर्ष: S-प्रभेद जहरीला है)

2. R-प्रभेद चूहे में इंजेक्शन चूहा जीवित रहा। (निष्कर्ष: R-प्रभेद सुरक्षित है)

• ताप-मृत S-प्रभेद (Heat-killed S-strain) चूहे में इंजेक्शन चूहा जीवित रहा। (ग्रिफिथ ने S-प्रभेद को गर्म करके मार दिया। निष्कर्ष: मरे हुए बैक्टीरिया रोग नहीं फैलाते।)

4. ताप-मृत S-प्रभेद + जीवित R-प्रभेद (मिश्रण) चूहे में इंजेक्शन चूहा मर गया!।

आश्चर्यजनक परिणाम:

चौथे चरण में चूहा क्यों मरा? जब ग्रिफिथ ने मरे हुए चूहे के शरीर की जाँच की, तो उन्हें वहां जीवित S-प्रभेद जीवाणु मिले!

ग्रिफिथ ने निष्कर्ष निकाला कि ताप-मृत S-प्रभेद जीवाणुओं से कोई ऐसा रसायन या "सिद्धांत" निकलकर जीवित R-प्रभेद में चला गया, जिसने R-प्रभेद को S-प्रभेद में बदल दिया (रूपांतरित कर दिया)। उन्होंने इसे "रूपांतरण सिद्धांत" (Transforming Principle) कहा। यह पदार्थ R-प्रभेद को वह चिकना आवरण बनाने की क्षमता दे रहा था। हालाँकि, वे यह नहीं बता पाए कि यह रासायनिक पदार्थ क्या था (DNA, प्रोटीन या कुछ और)।

4.2 रूपांतरण सिद्धांत का जैव-रासायनिक लक्षण (Biochemical Characterization - 1933-44)

ग्रिफिथ के प्रयोग के 16 साल बाद, तीन वैज्ञानिकों—ओसवाल्ड एवरी (Oswald Avery), कॉलिन मैकलियोड (Colin MacLeod) और मैकलिन मैककार्टी (Maclyn McCarty)—ने ग्रिफिथ के प्रयोग को आगे बढ़ाया। उनका उद्देश्य यह पता लगाना था कि वह "रूपांतरण पदार्थ" रासायनिक रूप से क्या था।

प्रयोग:

उन्होंने ताप-मृत S-प्रभेद कोशिकाओं से उनके सभी जैव-अणुओं (प्रोटीन, DNA, RNA) को शुद्ध किया और अलग-अलग परखनलियों में R-प्रभेद के साथ मिलाया। उन्होंने यह देखने के लिए विशिष्ट एंजाइमों का उपयोग किया कि कौन सा पदार्थ रूपांतरण के लिए जिम्मेदार है।

• प्रोटीएज (Protease) एंजाइम (प्रोटीन को नष्ट करने वाला) डाला रूपांतरण नहीं रुका। R-प्रभेद अभी भी S-प्रभेद में बदल रहे थे। (निष्कर्ष: प्रोटीन आनुवंशिक पदार्थ नहीं है)।
• आरएनएज (RNase) एंजाइम (RNA को नष्ट करने वाला) डाला रूपांतरण नहीं रुका। (निष्कर्ष: RNA आनुवंशिक पदार्थ नहीं है)।
• डीएनएज (DNase) एंजाइम (DNA को नष्ट करने वाला) डाला रूपांतरण रुक गया (Transformation Inhibited)। R-प्रभेद S-प्रभेद में नहीं बदले।

चूंकि DNA को नष्ट करने पर रूपांतरण रुक गया, इसका अर्थ है कि DNA ही वह पदार्थ है जो R-प्रभेद को S-प्रभेद में रूपांतरित करता है। अतः, DNA आनुवंशिक पदार्थ है। हालांकि, उस समय भी कई वैज्ञानिक (विशेषकर जो प्रोटीन के पक्षधर थे) इससे पूरी तरह आश्वस्त नहीं हुए।

4.3 हर्षे और चेस का प्रयोग (Hershey and Chase Experiment - 1952)

यह वह प्रयोग था जिसने अंतिम रूप से और निर्विवाद रूप से सिद्ध कर दिया कि DNA ही आनुवंशिक पदार्थ है। यह प्रयोग अल्फ्रेड हर्षे (Alfred Hershey) और मार्था चेस (Martha Chase) द्वारा किया गया।

सिद्धांत:

उन्होंने बैक्टीरियोफेज (Bacteriophage) का उपयोग किया। यह एक वायरस है जो बैक्टीरिया को संक्रमित करता है। यह वायरस केवल दो चीजों से बना होता है: प्रोटीन का बाहरी खोल (Capsid) और उसके अंदर DNA। जब यह वायरस बैक्टीरिया पर हमला करता है, तो यह अपना आनुवंशिक पदार्थ बैक्टीरिया के अंदर डाल देता है। सवाल यह था: अंदर क्या जाता है—प्रोटीन या DNA?

हर्षे और चेस ने रेडियोधर्मी समस्थानिकों (Radioactive Isotopes) का उपयोग किया:

• DNA में फॉस्फोरस (P) होता है, सल्फर (S) नहीं।
• प्रोटीन में सल्फर (S) होता है, फॉस्फोरस (P) नहीं (क्योंकि कुछ अमीनो अम्लों में सल्फर होता है)।

प्रयोग की विधि:

1. संवर्धन (Culturing):

• वायरस के एक समूह को रेडियोधर्मी फॉस्फोरस (P32) वाले माध्यम में उगाया। इससे उनका DNA रेडियोधर्मी हो गया (क्योंकि DNA फास्फोरस लेता है)।
• वायरस के दूसरे समूह को रेडियोधर्मी सल्फर (S35) वाले माध्यम में उगाया। इससे उनका प्रोटीन कैप्सिड रेडियोधर्मी हो गया (क्योंकि प्रोटीन सल्फर लेता है)।
• संक्रमण (Infection): इन दोनों प्रकार के रेडियोधर्मी वायरस को अलग-अलग E. coli बैक्टीरिया पर संक्रमण करने दिया गया। वायरस बैक्टीरिया की सतह से चिपक गए और अपना पदार्थ अंदर इंजेक्ट कर दिया।
• अनावरण (Blending): कुछ समय बाद, मिश्रण को एक ब्लेंडर (मिक्सर) में तेजी से हिलाया गया। इससे वायरस के खाली बाहरी खोल (Viral Coats) बैक्टीरिया की सतह से अलग हो गए।
• अपकेंद्रण (Centrifugation): मिश्रण को एक सेंट्रीफ्यूज मशीन में घुमाया गया। चूंकि बैक्टीरिया भारी होते हैं, वे नीचे बैठ गए (Pellet), और हल्के वायरस के खोल ऊपर द्रव (Supernatant) में तैरते रहे।

परिणाम:

• जिस बैक्टीरिया को P32 (रेडियोधर्मी DNA) वाले वायरस ने संक्रमित किया था, वह बैक्टीरिया का पेलेट रेडियोधर्मी पाया गया। इसका अर्थ है कि DNA वायरस से निकलकर बैक्टीरिया के अंदर गया था।
• जिस बैक्टीरिया को S35 (रेडियोधर्मी प्रोटीन) वाले वायरस ने संक्रमित किया था, वह बैक्टीरिया रेडियोधर्मी नहीं था। रेडियोधर्मिता केवल ऊपर तैरते द्रव (जहाँ वायरस के खाली खोल थे) में मिली। इसका अर्थ है कि प्रोटीन बैक्टीरिया के अंदर नहीं गया, वह बाहर ही रह गया।

अंतिम निष्कर्ष:

जीवाणु में प्रवेश करने वाला पदार्थ DNA है, प्रोटीन नहीं। अतः DNA ही आनुवंशिक पदार्थ है।

5. आनुवंशिक पदार्थ के गुण और आरएनए संसार (Properties of Genetic Material & RNA World)

5.1 DNA बनाम RNA: कौन बेहतर? (DNA vs RNA)

अब जब यह सिद्ध हो गया कि DNA आनुवंशिक पदार्थ है, तो सवाल उठता है कि DNA ही क्यों? RNA क्यों नहीं? एक अणु को आदर्श आनुवंशिक पदार्थ होने के लिए निम्नलिखित मानदंडों को पूरा करना चाहिए :

• प्रतिकृति (Replication): उसे अपनी हू-ब-हू प्रतिलिपि (Copy) बनाने में सक्षम होना चाहिए। (DNA और RNA दोनों कर सकते हैं)।
• स्थायित्व (Stability): उसे रासायनिक और संरचनात्मक रूप से स्थिर होना चाहिए। उसे आसानी से नष्ट नहीं होना चाहिए।

3. उत्परिवर्तन (Mutation): विकास (Evolution) के लिए उसमें धीमे परिवर्तनों की संभावना होनी चाहिए।

• अभिव्यक्ति (Expression): उसे मेंडेलियन लक्षणों के रूप में खुद को व्यक्त करने में सक्षम होना चाहिए।

DNA, RNA से अधिक स्थायी क्यों है?

यह एक बहुत महत्वपूर्ण लघु उत्तरीय प्रश्न है। इसके मुख्य कारण हैं:

• '-OH का अभाव: RNA में राइबोज शर्करा के हर न्यूक्लियोटाइड पर 2'-OH समूह होता है। यह समूह बहुत क्रियाशील (Reactive) होता है और RNA को अस्थिर बनाता है। यह आसानी से रासायनिक प्रतिक्रिया कर सकता है और टूट सकता है। DNA में 2'-स्थान पर ऑक्सीजन नहीं होती (Deoxy), जिससे वह कम क्रियाशील और अधिक स्थायी होता है।
• थाइमिन की उपस्थिति: DNA में यूरेसिल (U) के स्थान पर थाइमिन (T) होता है। रासायनिक रूप से थाइमिन को 5-मिथाइल यूरेसिल भी कहते हैं। यह अतिरिक्त मिथाइल समूह DNA को अतिरिक्त स्थायित्व प्रदान करता है और उसे म्यूटेशन से बचाता है।
• द्विकुंडली संरचना: DNA की डबल हेलिक्स संरचना और पूरक रज्जुक इसे मरम्मत (Repair) करने की बेहतर क्षमता देते हैं।

5.2 आरएनए संसार (RNA World)

वैज्ञानिकों का मानना है कि पृथ्वी पर जीवन के विकास की शुरुआत में, RNA पहला आनुवंशिक पदार्थ था। इसे 'आरएनए संसार परिकल्पना' कहते हैं।

• जीवन की आवश्यक प्रक्रियाएं (जैसे चयापचय, अनुवाद, स्प्लिसिंग) RNA के इर्द-गिर्द विकसित हुईं।
• RNA एक बहुमुखी अणु था: यह आनुवंशिक जानकारी भी रख सकता था और एक उत्प्रेरक (Catalyst) (जैसे एंजाइम) के रूप में भी काम कर सकता था। ऐसे RNA एंजाइम को राइबोजाइम (Ribozyme) कहते हैं।
• लेकिन, उत्प्रेरक होने के कारण RNA बहुत प्रतिक्रियाशील और अस्थिर था। इसलिए, विकास के दौरान, जानकारी को सुरक्षित रखने के लिए RNA से रासायनिक संशोधन द्वारा अधिक स्थायी DNA का विकास हुआ। DNA ने जानकारी संग्रह का काम ले लिया और RNA ने संदेशवाहक और उत्प्रेरक का काम जारी रखा।

5.3 सेंट्रल डोग्मा (Central Dogma)

आणविक जीव विज्ञान का एक मूलभूत सिद्धांत है कि जैविक जानकारी का प्रवाह कैसे होता है। इसे फ्रांसिस क्रिक ने 'सेंट्रल डोग्मा' नाम दिया। इसके अनुसार जानकारी एक ही दिशा में बहती है:

अर्थ: DNA अपनी कॉपी खुद बनाता है (प्रतिकृति)। DNA से जानकारी RNA में जाती है (अनुलेखन)। और RNA से जानकारी प्रोटीन में जाती है (स्थानांतरण/अनुवाद)।

अपवाद (Exception): कुछ वायरस (जैसे Retrovirus - HIV) में जानकारी का प्रवाह उल्टा होता है। उनमें RNA से DNA बनता है। इस प्रक्रिया को रिवर्स ट्रांसक्रिप्शन (Reverse Transcription) कहते हैं और एंजाइम को रिवर्स ट्रांसक्रिप्टेज कहते हैं।

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6. डीएनए प्रतिकृति (DNA Replication)

डीएनए प्रतिकृति वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा एक DNA अणु अपनी हू-ब-हू नकल तैयार करता है। यह कोशिका विभाजन के एस-चरण (S-phase) में होता है, ताकि नई बनने वाली दोनों कोशिकाओं को DNA की एक-एक कॉपी मिल सके।

6.1 अर्द्धसंरक्षी विधि (Semi-conservative Mode)

वॉटसन और क्रिक ने DNA का मॉडल देते समय ही प्रतिकृति के तरीके का सुझाव दिया था। उन्होंने कहा कि प्रतिकृति के दौरान DNA की दोनों रज्जुक (Strands) खुल जाती हैं और अलग हो जाती हैं। प्रत्येक अलग हुई पुरानी रज्जुक एक सांचे या टेम्पलेट (Template) का कार्य करती है जिस पर नई पूरक रज्जुक (Complementary Strand) का निर्माण होता है।

जब प्रक्रिया पूरी होती है, तो बनने वाले दो DNA अणुओं में से प्रत्येक में:

• एक रज्जुक पुरानी (Parental) होती है।
• एक रज्जुक नई (Newly Synthesized) होती है।

चूंकि आधा DNA पुराना संरक्षित रहता है, इसलिए इस विधि को अर्द्धसंरक्षी (Semi-conservative) प्रतिकृति कहते हैं।

6.2 मेसेल्सन और स्टाल का प्रयोग (Meselson and Stahl Experiment - 1958)

यह सिद्ध करने के लिए कि DNA प्रतिकृति वास्तव में अर्द्धसंरक्षी होती है, मैथ्यू मेसेल्सन (Matthew Meselson) और फ्रैंकलिन स्टाल (Franklin Stahl) ने एक बहुत ही सुंदर प्रयोग किया।

प्रयोग:

• उन्होंने E. coli बैक्टीरिया को कई पीढ़ियों तक एक ऐसे माध्यम में उगाया जिसमें नाइट्रोजन का भारी समस्थानिक 15NH4Cl (Heavy Isotope) था। (ध्यान दें: यह रेडियोधर्मी नहीं है, केवल भारी है)। कई पीढ़ियों के बाद, बैक्टीरिया के DNA के दोनों रज्जुक भारी (15N) हो गए।
• फिर उन्होंने इन भारी DNA वाले बैक्टीरिया को सामान्य नाइट्रोजन (14NH4Cl) वाले माध्यम में स्थानांतरित कर दिया।
• उन्होंने अलग-अलग समय पर (जब बैक्टीरिया विभाजित हो रहे थे) नमूने लिए और DNA का घनत्व मापने के लिए सीज़ियम क्लोराइड (CsCl) घनत्व प्रवणता अपकेंद्रण (Density Gradient Centrifugation) किया।

परिणाम:

• मिनट (शुरुआत में): केवल भारी DNA (15N-15N) मिला जो टेस्ट ट्यूब में सबसे नीचे बैठा।
• मिनट बाद (1 पीढ़ी): E. coli 20 मिनट में विभाजित होता है। पहली पीढ़ी के बाद, जो DNA मिला उसका घनत्व संकर (Hybrid) था। यानी यह भारी और हल्के के बीच में था (14N-15N)। इसका मतलब था कि एक रज्जुक पुरानी (15N) थी और एक नई (14N) बनी थी। इसने यह साबित कर दिया कि संरक्षी (Conservative) मॉडल गलत था (जिसमें पुराना DNA पूरा अलग और नया पूरा अलग रहता)।
• मिनट बाद (2 पीढ़ी): 50% DNA संकर (14N-15N) था और 50% DNA हल्का (14N-14N) था।

यह प्रयोग पुष्टि करता है कि नया DNA हमेशा पुराने टेम्पलेट पर बनता है और आधा पुराना सुरक्षित रहता है।

6.3 प्रतिकृति द्विशाख (Replication Fork)

DNA बहुत लंबा होता है, इसलिए यह पूरा एक साथ नहीं खुलता (इतनी ऊर्जा नहीं होती)। यह एक छोटी सी जगह पर खुलता है, जिससे Y-आकार की संरचना बनती है। इसे प्रतिकृति द्विशाख (Replication Fork) कहते हैं।

• सतत संश्लेषण (Leading Strand): वह टेम्पलेट रज्जुक जिसकी ध्रुवता 3' 5' है, उस पर नई चेन आसानी से 5' 3' दिशा में लगातार (Continuous) बनती जाती है, जैसे-जैसे फोर्क खुलता है। इसे लीडिंग स्ट्रैंड कहते हैं।
• असतत संश्लेषण (Lagging Strand): दूसरा टेम्पलेट रज्जुक जिसकी ध्रुवता 5' 3' है, उस पर समस्या होती है। पॉलीमरेज को उल्टी दिशा में काम करना पड़ता है। इसलिए, जैसे-जैसे फोर्क खुलता है, वह छोटे-छोटे टुकड़ों में DNA बनाता है और फिर पीछे हटता है। इन टुकड़ों को ओकाजाकी खंड (Okazaki Fragments) कहते हैं। बाद में DNA लाइगेज इन टुकड़ों को जोड़कर एक पूरी चेन बना देता है।

6.4 प्रतिकृति की मशीनरी और एंजाइम (Machinery and Enzymes)

DNA प्रतिकृति अपने आप नहीं होती। यह ऊर्जा की खपत वाली एक जटिल प्रक्रिया है जिसे कई एंजाइम मिलकर पूरा करते हैं:

• हेलिकेज (Helicase): यह "जिपर" की तरह काम करता है। यह DNA की दोनो रज्जुकों के बीच हाइड्रोजन बंध को तोड़कर उन्हें अलग करता है (Unwinding)। यह प्रक्रिया ऊर्जा (ATP) का उपयोग करती है।
• टोपोआइसोमेरेज (Topoisomerase): जब हम रस्सी के दो धागों को खींचकर खोलते हैं, तो ऊपर की तरफ तनाव या ऐंठन (Tension) आ जाती है। यह एंजाइम DNA को काटकर और दोबारा जोड़कर इस तनाव को कम करता है।
• SSB प्रोटीन (Single-Strand Binding Proteins): ये अलग हुए रज्जुकों से चिपक जाते हैं ताकि वे दोबारा आपस में न जुड़ जाएं।
• प्राइमेज (Primase): DNA पॉलीमरेज अपनी मर्जी से नई चेन शुरू नहीं कर सकता। उसे एक "स्टार्टर" चाहिए। प्राइमेज एक छोटा सा RNA का टुकड़ा बनाता है जिसे RNA प्राइमर (Primer) कहते हैं। यह बताता है कि काम कहाँ से शुरू करना है।
• DNA पॉलीमरेज (DNA Polymerase): यह प्रतिकृति का मुख्य हीरो है। यह प्राइमर के आगे डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोटाइड्स को जोड़कर नई श्रृंखला बनाता है। यह बहुत तेज और सटीक होता है। इसकी एक शर्त है: यह केवल 5' 3' दिशा में ही नई चेन बना सकता है।
• DNA लाइगेज (DNA Ligase): यह "गोंद" का काम करता है। यह DNA के कटे हुए टुकड़ों (जैसे ओकाजाकी खंड) को आपस में जोड़ता है।

7. अनुलेखन (Transcription)

[Place diagram for Process of Transcription in Biology here]

सेंट्रल डोग्मा का अगला कदम है—DNA से जानकारी को RNA में कॉपी करना। DNA की एक रज्जुक से आनुवंशिक जानकारी का RNA (विशेषकर mRNA) में प्रतिलिपीकरण करने की प्रक्रिया को अनुलेखन कहते हैं।

सिद्धांत: यह भी पूरकता (Complementarity) के सिद्धांत पर काम करता है। लेकिन यहाँ एडेनिन (A) के सामने थाइमिन (T) की जगह यूरेसिल (U) आता है।

7.1 अनुलेखन इकाई (Transcription Unit)

DNA का वह विशिष्ट खंड जिसका अनुलेखन होना है, अनुलेखन इकाई कहलाता है। इसके मुख्य रूप से तीन भाग होते हैं:

• उन्नायक (Promoter): यह जीन की शुरुआत में (5' सिरे पर) स्थित होता है। यह वह जगह है जहाँ RNA पॉलीमरेज एंजाइम आकर जुड़ता है और प्रक्रिया शुरू करने के लिए जगह बनाता है।
• संरचनात्मक जीन (Structural Gene): यह बीच का मुख्य भाग है। यही वह DNA का हिस्सा है जिसका वास्तव में RNA में अनुवाद होता है।
• समापक (Terminator): यह जीन के अंत में (3' सिरे पर) स्थित होता है। यहाँ पहुँचकर अनुलेखन प्रक्रिया समाप्त हो जाती है और RNA अलग हो जाता है।

रज्जुक (Strands) की पहचान:

यह अक्सर भ्रमित करता है, इसलिए ध्यान दें:

• टेम्पलेट रज्जुक (Template Strand): DNA की वह रज्जुक जिसकी ध्रुवता 3' 5' होती है। RNA इसी रज्जुक को पढ़ता है और इसके पूरक (Complementary) बनता है।
• कोडिंग रज्जुक (Coding Strand): DNA की दूसरी रज्जुक जिसकी ध्रुवता 5' 3' होती है। इसका अनुक्रम (Sequence) बनने वाले RNA जैसा ही होता है (सिर्फ T की जगह U का अंतर होता है)। इसे 'कोडिंग' इसलिए कहते हैं क्योंकि बनने वाले RNA का कोड इसी के समान दिखता है। यह खुद किसी चीज के लिए कोड नहीं करता।

7.2 प्रोकैरियोट्स में अनुलेखन (Transcription in Prokaryotes)

बैक्टीरिया (प्रोकैरियोट्स) में प्रक्रिया थोड़ी सरल होती है। वहां एक ही मुख्य एंजाइम होता है—DNA-आश्रित RNA पॉलीमरेज, जो सभी प्रकार के RNA (mRNA, tRNA, rRNA) बनाता है। इसके तीन चरण हैं:

• प्रारंभन (Initiation): RNA पॉलीमरेज अकेले काम शुरू नहीं कर सकता। वह एक विशेष कारक, सिग्मा कारक (𝜎 factor) के साथ जुड़ता है। यह कॉम्प्लेक्स प्रमोटर को पहचानता है और उससे जुड़कर DNA को खोलता है।
• दीर्धीकरण (Elongation): जैसे ही प्रक्रिया शुरू होती है, सिग्मा कारक अलग हो जाता है। RNA पॉलीमरेज आगे बढ़ता है और राइबोन्यूक्लियोटाइड्स को जोड़कर RNA की चेन लंबी करता जाता है।
• समापन (Termination): जब पॉलीमरेज टर्मिनेटर क्षेत्र में पहुँचता है, तो एक दूसरा कारक, रो कारक (𝜌 factor) उससे जुड़ता है। यह नवनिर्मित RNA और पॉलीमरेज दोनों को DNA से अलग कर देता है। बैक्टीरिया में बना mRNA सीधे काम करने के लिए तैयार होता है, उसे किसी प्रसंस्करण की जरूरत नहीं होती।

7.3 यूकेरियोट्स में अनुलेखन (Transcription in Eukaryotes)

यूकेरियोट्स (जैसे हम) में प्रक्रिया अधिक जटिल होती है। यहाँ "काम का बंटवारा" है:

1. विभिन्न पॉलीमरेज:

केंद्रक में तीन अलग-अलग प्रकार के RNA पॉलीमरेज होते हैं:

• RNA पॉलीमरेज I: यह rRNA (28S, 18S, 5.8S) बनाता है। (याद रखने के लिए: r = First = I)
• RNA पॉलीमरेज II: यह mRNA का पूर्ववर्ती रूप (hnRNA - Heterogeneous nuclear RNA) बनाता है। (m = Middle = II)
• RNA पॉलीमरेज III: यह tRNA, 5S rRNA और snRNA बनाता है।

2. प्रसंस्करण (Processing):

यूकेरियोट्स में जो RNA (hnRNA) बनता है, वह पूरी तरह तैयार नहीं होता।उसमें कुछ काम के हिस्से (एक्जॉन/Exons) और कुछ बेकार हिस्से (इंट्रॉन्स/Introns) होते हैं।

इसे कार्यशील mRNA बनाने के लिए तीन चरणों से गुजरना पड़ता है:

• समबंधन (Splicing): कैंची की तरह, बेकार इंट्रॉन्स को काट कर हटा दिया जाता है और काम के एक्ज़ॉन्स को आपस में जोड़ दिया जाता है।
• आच्छादन (Capping): mRNA के 5' सिरे पर सुरक्षा के लिए एक टोपी पहनाई जाती है। यह मिथाइल ग्वानोसिन ट्राइफॉस्फेट (mGPPP) की बनी होती है।
• पुच्छन (Tailing): 3' सिरे पर लगभग 200-300 एडेनिलाइट अवशेषों की एक लंबी पूंछ (Poly-A tail) जोड़ी जाती है। यह RNA को नष्ट होने से बचाती है।

अब यह पूरी तरह तैयार mRNA केंद्रक से बाहर निकलकर कोशिका द्रव्य में जाता है।

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8. आनुवंशिक कूट (Genetic Code)

[Place diagram for Genetic Code Table (Codons) here]

अब हमारे पास mRNA के रूप में संदेश आ गया है। लेकिन यह संदेश न्यूक्लियोटाइड (A, U, G, C) की भाषा में है, जबकि प्रोटीन अमीनो अम्लों की भाषा में बनता है। इस भाषा के अनुवाद के लिए एक डिक्शनरी की जरूरत होती है, जिसे आनुवंशिक कूट (Genetic Code) कहते हैं।

यह गुत्थी सुलझाने में भौतिक विज्ञानी जार्ज गैमो (George Gamow) ने बड़ा योगदान दिया। उन्होंने तर्क दिया कि हमारे पास 4 क्षार (A, U, G, C) हैं और 20 अमीनो अम्ल।

• अगर 1 क्षार = 1 अमीनो अम्ल, तो केवल 41 = 4 कोड बनेंगे (कम हैं)।
• अगर 2 क्षार = 1 अमीनो अम्ल, तो 42 = 16 कोड बनेंगे (अभी भी कम हैं)।
• अगर 3 क्षार = 1 अमीनो अम्ल, तो 43 = 64 कोड बनेंगे (20 के लिए पर्याप्त हैं)।

अतः, कोड एक त्रिक (Triplet) होना चाहिए। भारतीय मूल के वैज्ञानिक हर गोबिंद खुराना (Har Gobind Khorana) और मार्शल निरेनबर्ग (Marshall Warren Nirenberg) ने प्रयोगों के जरिए इसे डिकोड किया।

आनुवंशिक कूट की विशेषताएं (Salient Features)

• त्रिक (Triplet): एक कोडोन तीन नाइट्रोजनी क्षारों का बना होता है। कुल 64 कोडोन होते हैं। इनमें से 61 अमीनो अम्लों को कोड करते हैं और 3 स्टॉप कोडोन होते हैं।
• सार्वभौमिक (Universal): आनुवंशिक कोड लगभग सार्वभौमिक है। एक कोडोन (जैसे UUU) बैक्टीरिया से लेकर मनुष्य तक एक ही अमीनो अम्ल (फेनिलएलनिन) को कोड करता है। (कुछ अपवाद माइटोकॉन्ड्रिया में होते हैं)।
• असंदिग्ध (Unambiguous): एक विशिष्ट कोडोन केवल एक ही विशिष्ट अमीनो अम्ल को कोड करता है। इसमें कोई कन्फ्यूजन नहीं होता।
• अपभ्रष्ट (Degenerate): चूंकि 64 कोडोन हैं और केवल 20 अमीनो अम्ल, इसलिए कुछ अमीनो अम्ल एक से अधिक कोडोन द्वारा कोड किए जाते हैं। इसे कोड की अपभ्रष्टता कहते हैं।
• विराम चिह्न रहित (Comma-less): कोडोन को mRNA पर लगातार पढ़ा जाता है। बीच में कोई कॉमा या रुकावट नहीं होती।
• प्रारंभक कोडोन (Start Codon): AUG कोडोन दोहरे कार्य करता है। यह प्रोटीन संश्लेषण शुरू करने का संकेत (Start Signal) देता है और साथ ही यह मेथियोनीन (Methionine) अमीनो अम्ल को भी कोड करता है।
• समापन कोडोन (Stop Codons): तीन कोडोन—UAA, UAG, UGA—किसी अमीनो अम्ल को कोड नहीं करते। जहाँ ये आते हैं, वहाँ प्रोटीन बनना बंद हो जाता है। इन्हें नॉन-सेंस कोडोन भी कहते हैं।

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9. स्थानांतरण (Translation)

[Place diagram for Process of Translation (Protein Synthesis) here]

स्थानांतरण या रूपांतरण वह अंतिम प्रक्रिया है जिसमें mRNA में छिपी जानकारी को पढ़कर अमीनो अम्लों को जोड़कर प्रोटीन (पॉलीपेप्टाइड) बनाया जाता है। यह कोशिका द्रव्य (Cytoplasm) में राइबोसोम के अंदर होता है।

आवश्यक मशीनरी:

• mRNA: जिसके पास प्रोटीन बनाने का ब्लूप्रिंट है।
• राइबोसोम (Ribosome): यह "प्रोटीन फैक्ट्री" है, जहाँ संश्लेषण होता है। इसके दो भाग होते हैं: एक छोटा सब-यूनिट और एक बड़ा सब-यूनिट।
• tRNA (Transfer RNA): यह "अनुकूलक अणु" (Adapter molecule) है। इसका एक हाथ अमीनो अम्ल को पकड़ता है और दूसरा हाथ (एंटीकोडोन लूप) mRNA के कोडोन को पढ़ता है। इसकी संरचना क्लोवर लीफ (Clover leaf) जैसी (2D में) या उल्टे L (3D में) जैसी दिखती है।

प्रक्रिया के चरण:

• अमीनो अम्लों का सक्रियण (Activation): सबसे पहले, अमीनो अम्ल ATP ऊर्जा का उपयोग करके सक्रिय होते हैं और अपने विशिष्ट tRNA से जुड़ जाते हैं। इसे tRNA का आवेशन (Charging of tRNA) कहते हैं। बिना चार्ज किए tRNA काम नहीं कर सकता।

• प्रारंभन (Initiation): राइबोसोम की छोटी सब-यूनिट mRNA से जुड़ती है और स्टार्ट कोडोन (AUG) को ढूंढती है। फिर, इनिशिएटर tRNA (जिसमें UAC एंटीकोडोन होता है) मेथियोनीन लेकर आता है और AUG से जुड़ता है। अंत में, राइबोसोम की बड़ी सब-यूनिट आकर जुड़ जाती है।

3. दीर्धीकरण (Elongation): अब असली काम शुरू होता है। राइबोसोम के पास तीन साइट होती हैं (A, P, E)।

• नया tRNA, अगले कोडोन के अनुसार अमीनो अम्ल लेकर A-साइट पर आता है।
• P-साइट पर पहले से मौजूद अमीनो अम्ल और नए अमीनो अम्ल के बीच पेप्टाइड बंध (Peptide bond) बनता है। यह काम पेप्टाइडिल ट्रांसफरेज (Peptidyl transferase) एंजाइम करता है (जो वास्तव में 23S rRNA है, एक राइबोजाइम)।
• राइबोसोम mRNA पर एक कोडोन आगे खिसकता है (Translocation)। खाली tRNA E-साइट से बाहर निकल जाता है और चेन लंबी होती जाती है।

• समापन (Termination): जब राइबोसोम स्टॉप कोडोन (UAA/UAG/UGA) पर पहुँचता है, तो इनके लिए कोई tRNA नहीं होता। एक प्रोटीन जिसे 'विमोचन कारक' (Release Factor) कहते हैं, वहां आता है और पूरी पॉलीपेप्टाइड चेन को राइबोसोम से मुक्त कर देता है।

10. जीन अभिव्यक्ति का नियमन (Regulation of Gene Expression)

हमारे शरीर की हर कोशिका में समान DNA होता है, लेकिन आँख की कोशिका देखने का काम करती है और पेट की कोशिका पाचन का। यह कैसे संभव है? यह जीन नियमन के कारण होता है। कोशिका तय करती है कि कब कौन सा जीन चालू (ON) रखना है और कौन सा बंद (OFF)।

10.1 लैक ओपेरॉन (Lac Operon)

प्रोकैरियोट्स में जीन नियमन को समझने का सबसे अच्छा उदाहरण लैक ओपेरॉन है। इसे 1961 में जैकब और मोनॉड (Jacob and Monod) ने E. coli बैक्टीरिया में खोजा था।

'लैक' का अर्थ है लैक्टोज (Lactose)। E. coli का पसंदीदा भोजन ग्लूकोज है। लेकिन अगर ग्लूकोज खत्म हो जाए और माध्यम में लैक्टोज हो, तो बैक्टीरिया को लैक्टोज पचाने वाले एंजाइम बनाने पड़ते हैं। यानी लैक्टोज से संबंधित जीनों को 'स्विच ऑन' करना पड़ता है।

लैक ओपेरॉन की संरचना:

यह जीनों का एक समूह है जो साथ मिलकर काम करता है:

• नियामक जीन (i gene): 'i' का अर्थ है Inhibitor (अवरोधक)। यह जीन लगातार एक दमनकारी प्रोटीन (Repressor protein) बनाता रहता है।

2. प्रमोटर (Promoter - p): जहाँ RNA पॉलीमरेज जुड़ता है।

3. ऑपरेटर (Operator - o): यह स्विच है। दमनकारी प्रोटीन यहीं आकर जुड़ता है।

4. संरचनात्मक जीन (Structural genes): ये तीन जीन हैं जो एंजाइम बनाते हैं:

• z जीन: यह बीटा-गैलेक्टोसिडेज (𝜷-galactosidase) एंजाइम बनाता है (जो लैक्टोज को ग्लूकोज + गैलेक्टोज में तोड़ता है)।
• y जीन: यह परमिएज (Permease) बनाता है (जो कोशिका में लैक्टोज के प्रवेश को बढ़ाता है)।
• a जीन: यह ट्रांसएसिटाइलेज (Transacetylase) बनाता है।

क्रियाविधि (Mechanism - Switch ON/OFF):

• स्थिति 1: लैक्टोज की अनुपस्थिति में (Switch OFF)

जब माध्यम में लैक्टोज नहीं होता, तो i-जीन द्वारा बनाया गया 'दमनकारी प्रोटीन' जाकर ऑपरेटर (o) क्षेत्र से चिपक जाता है। यह एक बैरियर की तरह काम करता है और RNA पॉलीमरेज को आगे नहीं बढ़ने देता। परिणामस्वरूप, z, y, a जीनों का अनुलेखन नहीं होता। ओपेरॉन बंद (OFF) रहता है।

• स्थिति 2: लैक्टोज की उपस्थिति में (Switch ON)

जब माध्यम में लैक्टोज (जिसे प्रेरक/Inducer कहते हैं) आता है, तो वह दमनकारी प्रोटीन से जुड़ जाता है। इससे दमनकारी प्रोटीन का आकार बदल जाता है और वह ऑपरेटर से नहीं जुड़ पाता (गिर जाता है)। अब रास्ता साफ है! RNA पॉलीमरेज आगे बढ़ता है और z, y, a जीनों का अनुलेखन कर देता है। एंजाइम बनते हैं और बैक्टीरिया लैक्टोज का पाचन शुरू कर देता है।

11. मानव जीनोम परियोजना (Human Genome Project - HGP)

जीव विज्ञान के इतिहास की सबसे महत्वाकांक्षी परियोजनाओं में से एक, मानव जीनोम परियोजना 1990 में शुरू हुई और 13 साल बाद 2003 में पूरी हुई। इसे "मेगा प्रोजेक्ट" कहा जाता है। इसका उद्देश्य मानव DNA के हर एक जीन और हर एक क्षार (Base) का पता लगाना था।

लक्ष्य (Goals) :

1. मानव DNA में मौजूद सभी लगभग 20,000-25,000 जीनों की पहचान करना।

2. DNA बनाने वाले 3 बिलियन (3 × 109) रासायनिक क्षार युग्मों के अनुक्रम (Sequence) का निर्धारण करना।

• इस विशाल जानकारी को डेटाबेस (कंप्यूटर) में संग्रहित करना (इसे जैव सूचना विज्ञान/Bioinformatics कहते हैं)।

4. इस परियोजना से उठने वाले नैतिक, कानूनी और सामाजिक मुद्दों (ELSI) का समाधान करना।

कार्यप्रणाली (Methodology):

वैज्ञानिकों ने दो तरीकों का इस्तेमाल किया:

• ESTs (Expressed Sequence Tags): इसमें केवल उन जीनों की पहचान की गई जो RNA के रूप में व्यक्त होते हैं (यानी जो काम के जीन हैं)।
• अनुक्रम टिप्पण (Sequence Annotation): इसमें पूरे जीनोम (कोडिंग और नॉन-कोडिंग, यानी काम के और बेकार दोनों हिस्सों) को अनुक्रमित किया गया और बाद में कार्यों का निर्धारण किया गया। इसके लिए DNA के छोटे टुकड़े किए गए, उन्हें BAC (Bacterial Artificial Chromosome) और YAC (Yeast Artificial Chromosome) संवाहकों (Vectors) की मदद से बैक्टीरिया/यीस्ट में डालकर उनकी संख्या बढ़ाई गई। फिर फ्रेडरिक सेंगर (Frederick Sanger) द्वारा विकसित विधि से उनका अनुक्रमण (Sequencing) किया गया।

मुख्य विशेषताएं और परिणाम (Salient Features) :

1. मानव जीनोम में कुल 3164.7 मिलियन क्षार युग्म (Base Pairs) हैं।

• औसतन एक जीन में 3000 क्षार होते हैं। सबसे बड़ा ज्ञात मानव जीन डिस्ट्रोफिन (Dystrophin) है जिसमें 2.4 मिलियन क्षार हैं।

3. हैरानी की बात है कि सभी मनुष्यों का DNA 99.9% एक समान है। हम सब में केवल 0.1% का अंतर है।

• पूरे जीनोम का 2% से भी कम हिस्सा प्रोटीन को कोड करता है। बाकी हिस्सा क्या करता है, यह अभी भी पूरी तरह साफ नहीं है (इसे जंक DNA भी कहते थे, पर अब इसके नियामक कार्य पता चल रहे हैं)।

5. मानव गुणसूत्र 1 पर सर्वाधिक जीन (2968) और Y गुणसूत्र पर सबसे कम जीन (231) पाए गए।

• वैज्ञानिकों ने लगभग 1.4 मिलियन ऐसी जगहें खोजीं जहाँ DNA में केवल एक अक्षर (Base) का अंतर होता है। इसे SNPs (Single Nucleotide Polymorphism - स्निप्स) कहते हैं। यह बीमारियों को समझने में बहुत मददगार है।

12. डीएनए फिंगरप्रिंटिंग (DNA Fingerprinting)

[Place diagram for DNA Fingerprinting Process here]

दो व्यक्तियों का DNA 99.9% समान होता है, लेकिन वह 0.1% अंतर ही हमें एक-दूसरे से अलग बनाता है। इसी अंतर का उपयोग करके किसी व्यक्ति की पहचान करना डीएनए फिंगरप्रिंटिंग या DNA प्रोफाइलिंग कहलाता है। इस तकनीक को एलेक जेफरीज (Alec Jeffreys) ने विकसित किया था। भारत में डॉ. लालजी सिंह (Dr. Lalji Singh) को DNA फिंगरप्रिंटिंग का जनक माना जाता है।

सिद्धांत (Principle)

यह तकनीक पुनरावृत्त डीएनए (Repetitive DNA) पर आधारित है। हमारे DNA में कुछ ऐसे हिस्से होते हैं जहाँ एक ही छोटा सा अनुक्रम बार-बार दोहराया जाता है (जैसे ATGC ATGC ATGC...)। इसे सैटेलाइट DNA कहते हैं। ये अनुक्रम किसी प्रोटीन को कोड नहीं करते, लेकिन इन दोहराव की संख्या (Copy number) हर इंसान में अलग-अलग होती है (जैसे किसी में 5 बार, किसी में 10 बार)। इसे VNTR (Variable Number of Tandem Repeats) कहते हैं। यही VNTR फिंगरप्रिंटिंग का आधार है।

प्रक्रिया के चरण (Steps of DNA Fingerprinting) :

• DNA का विलगन (Isolation): अपराध स्थल से मिले खून, बाल, वीर्य या त्वचा की कोशिकाओं से DNA निकाला जाता है।
• पाचन (Digestion): DNA को प्रतिबंध एंडोन्यूक्लिएज (Restriction Endonuclease) एंजाइम (आणविक कैंची) की मदद से छोटे टुकड़ों में काटा जाता है।
• पृथक्करण (Separation): कटे हुए टुकड़ों को जेल इलेक्ट्रोफोरेसिस (Gel Electrophoresis) तकनीक द्वारा उनके आकार के आधार पर अलग किया जाता है। (छोटे टुकड़े तेज भागते हैं, बड़े धीमे)।
• ब्लॉटिंग (Blotting): जेल से DNA टुकड़ों को एक नायलॉन या नाइट्रोसेल्यूलोज झिल्ली (Synthetic Membrane) पर स्थानांतरित (Transfer) किया जाता है। इसे सदर्न ब्लॉटिंग (Southern Blotting) कहते हैं।
• संकरण (Hybridization): झिल्ली को एक रेडियोधर्मी VNTR प्रोब (Probe) के घोल में डाला जाता है। प्रोब केवल VNTR वाले विशिष्ट हिस्सों से जाकर चिपक जाता है।
• ऑटोरेडियोग्राफी (Autoradiography): झिल्ली को एक्स-रे फिल्म के संपर्क में रखा जाता है। जहाँ-जहाँ रेडियोधर्मी प्रोब चिपका होता है, वहां फिल्म पर काली पट्टियाँ (Bands) बन जाती हैं।

इन पट्टियों का पैटर्न हर व्यक्ति के लिए बारकोड की तरह विशिष्ट होता है (सिवाय एकसमान जुड़वा बच्चों के)।

उपयोग (Applications) :

• फोरेंसिक विज्ञान (Forensic Science): हत्या, बलात्कार जैसे अपराधों में अपराधियों की पहचान करने के लिए।
• पैतृत्व परीक्षण (Paternity Testing): यह पता लगाने के लिए कि बच्चे का असली पिता कौन है (बच्चे की पट्टियाँ माता और पिता से मिलनी चाहिए)।
• जैव-विकास (Evolution): विभिन्न प्रजातियों के बीच संबंध पता करने के लिए।

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निष्कर्ष (Conclusion)

बोर्ड परीक्षा के लिए, DNA की संरचना, मेसेल्सन-स्टाल का प्रयोग, अनुलेखन और अनुवाद की प्रक्रिया, लैक ओपेरॉन, और DNA फिंगरप्रिंटिंग सबसे महत्वपूर्ण विषय हैं। अवधारणाओं को गहराई से समझें और डायग्राम का अभ्यास करें।

FUTURE IQRA आपके उज्ज्वल भविष्य की कामना करता है! अपनी पढ़ाई जारी रखें, प्रश्न पूछें और विज्ञान की गहराई में उतरने से न डरें।