डीएनए प्रतिकृति: एक डीएनए से दो समान प्रतियाँ कैसे बनती हैं

सिमुलेशन का उपयोग कैसे करें

1. सबसे पहले "प्रतिकृति फोर्क" दृश्य देखें: मूल डीएनए दाईं ओर अभी जुड़ा हुआ है, फोर्क के पास हेलिकेज़ उसे खोल रहा है, और बाईं ओर दो नए रज्जुक बन रहे हैं।
2. "एंज़ाइम चुनकर देखें" सूची से एक-एक करके चुनें: हेलिकेज़ कहाँ काम कर रहा है, प्राइमेज़ कब प्राइमर लगा रहा है, पॉलीमरेज़ कैसे रज्जुक बढ़ा रहा है, लाइगेज़ कब जोड़ रहा है।
3. "टेम्पलेट अनुक्रम" में तीन नमूने बदलकर देखें कि क्षारक-युग्मन के रंग कैसे बदलते हैं; फिर "स्वयं लिखें" चुनकर अपने A, T, G, C अक्षर टाइप करें और तुरंत उसका पूरक रज्जुक बनते देखें।
4. "क्षारक युग्मन पर ज़ूम" दृश्य में जाकर हर युग्म के बीच खींची रेखाएँ गिनें — A-T के लिए दो, G-C के लिए तीन।
5. "मेसेल्सन-स्टाल प्रयोग" दृश्य में "पीढ़ी" स्लाइडर को 0 से धीरे-धीरे बढ़ाएँ और देखें नली में भारी, हाइब्रिड और हल्के बैंड कैसे बदलते हैं; सही प्रतिशत दाईं ओर लिखा मिलेगा।
6. मापन पैनल में देखें कि कॉपी हुए क्षारक और बने ओकाज़ाकी खंड की संख्या चलते-चलते बढ़ती रहती है; ज़रूरत हो तो "फिर से शुरू" दबाकर दोनों को शून्य से शुरू करें।

कटी उंगली फिर जुड़ जाती है: डीएनए हर दिन कॉपी होता है

हाथ में लगी छोटी चोट कुछ दिनों में भर जाती है। बाल कटवाने के बाद फिर बढ़ते हैं। खून देने के बाद शरीर नई रक्त कोशिकाएँ बना लेता है। इन सभी के पीछे एक ही घटना है: पुरानी कोशिकाएँ खत्म होती हैं और नई कोशिकाएँ बनती हैं, और हर नई कोशिका को ठीक पुरानी कोशिका जैसा डीएनए चाहिए। एक भी अक्षर गलत जगह लग जाए तो कोशिका ठीक से काम नहीं करती, और कभी-कभी यह कैंसर जैसी बीमारी का कारण भी बन सकता है।

तो कोशिका के भीतर लंबा डीएनए अणु ठीक अपनी ही तरह एक और प्रति कैसे बनाता है? इसी सवाल का जवाब है डीएनए प्रतिकृति। इस पृष्ठ पर हम देखेंगे डीएनए की संरचना, वह कैसे खुलकर कॉपी होता है, कौन-सा एंज़ाइम कौन-सा काम करता है, और वैज्ञानिकों ने कैसे साबित किया कि यह प्रक्रिया "अर्धसंरक्षी" है — भारी और हल्के नाइट्रोजन तथा एक अपकेंद्रित्र (centrifuge) की मदद से।

यही सिद्धांत, प्रयोगशाला की एक नली में दोहराया जाए तो फोरेंसिक वैज्ञानिकों को एक बाल या लार की बूँद से अपराधी पहचानने में मदद करता है — इस तकनीक को PCR कहते हैं, जो कुछ ही डीएनए अणुओं से अरबों प्रतियाँ बना देती है। पृष्ठ के अंत में इसका विस्तार से ज़िक्र है।

शुरुआत से समझें: डीएनए प्रतिकृति क्या है

डीएनए (डीऑक्सीराइबोन्यूक्लिक एसिड) एक मुड़ी हुई सीढ़ी जैसा अणु है — एक द्विकुंडली (double helix) — जो दो रज्जुकों (strands) से मिलकर बना होता है। हर रज्जुक न्यूक्लियोटाइड की एक लंबी शृंखला है, और हर न्यूक्लियोटाइड में तीन भाग होते हैं: एक डीऑक्सीराइबोज़ शर्करा, एक फॉस्फेट समूह, और चार में से एक नाइट्रोजनी क्षारक। शर्करा और फॉस्फेट मिलकर शर्करा-फॉस्फेट मूलक (backbone) बनाते हैं, जबकि क्षारक भीतर की ओर सीढ़ी के डंडों जैसे टिके रहते हैं।

चार क्षारक हैं: एडेनिन (A), थाइमिन (T), ग्वानिन (G) और साइटोसिन (C)। एक रज्जुक का A सदैव दूसरे रज्जुक के T से जुड़ता है, और G सदैव C से। यही वाटसन-क्रिक क्षारक-युग्मन नियम है, जो जेम्स वाटसन और फ्रांसिस क्रिक ने 1953 में प्रस्तावित द्विकुंडली संरचना से आया (रोज़लिंड फ्रैंकलिन के एक्स-रे चित्रों की सहायता से)। दो रज्जुक विपरीत दिशा में चलते हैं — एक 5′ से 3′ की ओर, तो दूसरा उसके ठीक बगल में 3′ से 5′ की ओर — इसे प्रतिसमांतर (antiparallel) व्यवस्था कहते हैं।

परिभाषा इस तरह लिखें: डीएनए प्रतिकृति वह जैवरासायनिक प्रक्रिया है जिसमें डीएनए अणु के दो रज्जुक अलग होते हैं, और हर पुराना रज्जुक एक टेम्पलेट की तरह काम करके अपने पूरक नए रज्जुक का संश्लेषण कराता है, जिससे दो समान द्विरज्जुकी डीएनए अणु बनते हैं। हर नए अणु में एक पुराना और एक नया रज्जुक होता है — यही आधा-आधा बँटवारा "अर्धसंरक्षी" शब्द का मतलब है।

यह प्रक्रिया कोशिका चक्र की S अवस्था में होती है, कोशिका विभाजन से ठीक पहले। जिस स्थान से दो रज्जुक पहले अलग होते हैं उसे प्रतिकृति का उद्गम स्थल (origin of replication) कहते हैं; जीवाणु के एक वृत्ताकार गुणसूत्र में एक ही उद्गम स्थल होता है, जहाँ से दो प्रतिकृति फोर्क विपरीत दिशाओं में आगे बढ़ते हैं।

इस अध्याय के महत्वपूर्ण शब्द

ये शब्द इस अध्याय के लगभग हर प्रश्न में आते हैं — एक बार अच्छी तरह समझ लें, आगे पढ़ना आसान हो जाएगा।

क्षारक युग्मन, हाइड्रोजन बंध और चारगैफ का नियम

1950 के दशक में जीवरसायनज्ञ इरविन चारगैफ ने कई प्रजातियों के डीएनए की जाँच करके पाया कि किसी भी डीएनए अणु में एडेनिन की मात्रा सदैव थाइमिन के बराबर होती है, और ग्वानिन की मात्रा सदैव साइटोसिन के बराबर — भले ही A+T और G+C का अनुपात हर प्रजाति में अलग हो सकता है। इसी को चारगैफ का नियम कहते हैं, और यही नियम बाद में वाटसन-क्रिक के क्षारक-युग्मन मॉडल का आधार बना।

इसका कारण हाइड्रोजन बंधों की संख्या में छिपा है। A और T के बीच दो हाइड्रोजन बंध बनते हैं, जबकि G और C के बीच तीन। अधिक बंध होने से G-C युग्म A-T युग्म से थोड़ा अधिक स्थिर और ऊष्मा-प्रतिरोधी होता है। सिमुलेशन के "क्षारक युग्मन पर ज़ूम" दृश्य में ठीक यही डैश रेखाएँ हाइड्रोजन बंध दिखाती हैं।

नीचे दी गई तालिका में सिमुलेशन के तीन नमूना अनुक्रम दिखाए गए हैं। पहला पूरी तरह संतुलित है (हर क्षारक 25%), दूसरा GC-प्रधान और तीसरा AT-प्रधान है। ध्यान दें, तीनों में %A = %T और %G = %C — यही चारगैफ का नियम है, अनुक्रम कैसा भी हो। GC-प्रधान अनुक्रम में हाइड्रोजन बंध भी अधिक हैं, इसलिए वह डीएनए भाग ऊष्मा में अधिक स्थिर रहता है।

अर्धसंरक्षी सिद्धांत और मेसेल्सन-स्टाल प्रयोग

द्विकुंडली संरचना पता चलने के बाद यह सवाल उठा कि प्रतिकृतियन में दो नए डीएनए वास्तव में कैसे बनते हैं। तीन संभावनाएँ प्रस्तावित हुईं। अर्धसंरक्षी (semi-conservative): हर नए अणु में एक पुराना रज्जुक, एक नया रज्जुक। संरक्षी (conservative): दोनों पुराने रज्जुक साथ रहेंगे, और पूरी तरह नया अणु अलग से बनेगा। परिक्षिप्त (dispersive): पुराने-नए हिस्से दोनों नए अणुओं में मिश्रित होकर बँट जाएँगे।

1958 में मैथ्यू मेसेल्सन और फ्रैंकलिन स्टाल ने एक सुंदर प्रयोग से इन तीनों में सही सिद्धांत चुना। उन्होंने E. coli जीवाणु को पहले भारी नाइट्रोजन समस्थानिक ¹⁵N वाले माध्यम में कई पीढ़ियों तक बढ़ाया, जिससे उनके डीएनए के दोनों रज्जुक भारी हो गए। फिर उन्हें सामान्य, हल्के ¹⁴N वाले माध्यम में स्थानांतरित किया और हर पीढ़ी के बाद डीएनए निकालकर सीज़ियम क्लोराइड (CsCl) घनत्व-प्रवणता अतिकेंद्रापसारण (ultracentrifugation) से जाँचा। इस विधि में भारी डीएनए नली के नीचे की ओर, हल्का डीएनए ऊपर की ओर, और मध्यम घनत्व वाला हाइब्रिड डीएनए (एक भारी + एक हल्का रज्जुक) ठीक बीच में बैंड बनाता है।

ठीक एक पीढ़ी बाद सारा डीएनए एक ही मध्यम (हाइब्रिड) बैंड में जमा हुआ — कोई शुद्ध भारी बैंड नहीं बचा। यह परिणाम संरक्षी मॉडल को तुरंत खारिज कर देता है, क्योंकि संरक्षी मॉडल में पहली पीढ़ी में ही एक शुद्ध भारी बैंड और एक शुद्ध हल्का बैंड, दोनों साथ दिखते। दूसरी पीढ़ी में आधा डीएनए हाइब्रिड रहा और आधा पूरी तरह हल्का हो गया — दो साफ बैंड, कोई धीरे खिसकता एक बैंड नहीं (जो परिक्षिप्त मॉडल में दिखता)। परिणाम पूरी तरह अर्धसंरक्षी मॉडल से मेल खाते हैं, और सिर्फ उससे।

हर पीढ़ी में हाइब्रिड अंश का हिसाब एक सरल नियम से होता है: n पीढ़ी बाद हाइब्रिड द्विरज्जुकों का अंश = (½)^(n−1), बाकी पूरी तरह हल्का होता है। उदाहरण के लिए, पीढ़ी 3 पर हाइब्रिड 25.00% और हल्का 75.00%; पीढ़ी 5 पर हाइब्रिड घटकर मात्र 6.25% रह जाता है, हल्का बढ़कर 93.75% हो जाता है। n ≥ 1 की किसी भी पीढ़ी में पूरी तरह भारी द्विरज्जुक नहीं बचता, क्योंकि हर पुराना भारी द्विरज्जुक अपनी पहली ही प्रतिकृति में दो अलग संतति अणुओं में बँट जाता है। नीचे की तालिका में पीढ़ी 0 से 6 तक का पूरा हिसाब है।

प्रतिकृति के एंज़ाइम और उनका काम

प्रतिकृतियन कोई एक एंज़ाइम अकेले नहीं करता; यह एक टीम का काम है, और हर सदस्य की एक निश्चित ज़िम्मेदारी है। सिमुलेशन की "एंज़ाइम चुनकर देखें" सूची से एक-एक चुनकर हर एंज़ाइम का काम अलग से देखा जा सकता है। नीचे तालिका में संक्षेप में सबका काम दिया गया है।

इन पाँच के अलावा दो सहायक एंज़ाइमों के नाम भी परीक्षा में आ सकते हैं। टोपोआइसोमरेज़ (जाइरेज़) फोर्क के आगे बनने वाली अतिरिक्त कुंडलन (supercoiling) को कम करता है, नहीं तो हेलिकेज़ आगे नहीं खोल पाता। और प्रोकैरियोट में डीएनए पॉलीमरेज़-I हर RNA प्राइमर हटाकर उस जगह डीएनए बिठाता है, फिर लाइगेज़ अंतिम जोड़ लगाता है।

अग्रगामी रज्जुक, पश्चगामी रज्जुक और ओकाज़ाकी खंड

डीएनए पॉलीमरेज़ का एक सख्त नियम है: यह नया रज्जुक केवल 5′→3′ दिशा में बढ़ा सकता है, कभी उल्टी दिशा में नहीं। लेकिन दो पुराने टेम्पलेट रज्जुक विपरीत दिशा (प्रतिसमांतर) में चलते हैं, इसलिए एक ही फोर्क पर दो नए रज्जुकों को दो अलग तरीकों से बनना पड़ता है।

प्रूफरीडिंग और उत्परिवर्तन (mutation)

डीएनए पॉलीमरेज़ लगभग सटीक है, पर पूरी तरह नहीं। गलत क्षारक लगने की मूल दर लगभग 1,00,000 में से 1 है। लेकिन पॉलीमरेज़ की अपनी 3′→5′ एक्सोन्यूक्लिएज़ क्रिया गलत क्षारक को पहचानकर हटा देती है और सही क्षारक लगा देती है। इस "प्रूफरीडिंग" के बाद गलती की दर घटकर लगभग 1,00,00,000 में 1 रह जाती है।

प्रतिकृतियन के बाद एक अलग मिसमैच रिपेयर तंत्र बाकी बची लगभग सभी गलतियाँ पकड़ लेता है। मिलाकर, अंतिम गलती की दर घटकर लगभग 1,00,00,00,000 क्षारकों में 1 रह जाती है। जो थोड़ी-सी गलती प्रूफरीडिंग और रिपेयर दोनों से बच जाती है, वही डीएनए अनुक्रम में स्थायी बदलाव यानी उत्परिवर्तन (mutation) बन सकती है।

उत्परिवर्तन हमेशा हानिकारक नहीं होता। अधिकतर उदासीन होते हैं, कुछ हानिकारक (जैसे किसी काम कर रहे जीन को निष्क्रिय कर देना), और कुछ लाभकारी भी हो सकते हैं, जो विकास (evolution) का कच्चा माल देते हैं। लेकिन जब प्रूफरीडिंग या रिपेयर तंत्र स्वयं बिगड़ जाए, तो उत्परिवर्तन दर बहुत बढ़ जाती है — यह कैंसर के कारणों में एक है।

डीएनए बनाम RNA: ज़रूरी अंतर

डीएनए और RNA दोनों न्यूक्लिक एसिड हैं, पर संरचना और काम में कई अंतर हैं, जो इस अध्याय में बार-बार आते हैं।

सिमुलेशन में स्वयं प्रयोग करें

हर प्रयोग से पहले चाहें तो "फिर से शुरू" दबाकर कॉपी हुए क्षारक और ओकाज़ाकी खंड की गिनती शून्य से शुरू करें।

हल किए गए प्रश्न

नीचे हर संख्या सिमुलेशन के अपने मॉडल से सीधे गणना करके निकाली गई है, इसलिए यह कभी सिमुलेशन से अलग नहीं हो सकती।

वास्तविक जीवन में डीएनए प्रतिकृति का उपयोग

PCR (पॉलीमरेज़ चेन रिएक्शन) डीएनए प्रतिकृति के सिद्धांत को प्रयोगशाला की एक नली में दोहराकर बहुत कम मात्रा के डीएनए से अरबों प्रतियाँ बना देता है। 1983 में केरी मुलिस ने इसे बनाया और इसके लिए नोबेल पुरस्कार जीता। इसमें उच्च तापमान सहने वाला डीएनए पॉलीमरेज़ (Taq पॉलीमरेज़, गर्म झरनों के जीवाणु से पहली बार मिला), प्राइमर, और बार-बार गर्म-ठंडा चक्र लगते हैं, जिससे हर चक्र में डीएनए की मात्रा दोगुनी हो जाती है।

डीएनए फिंगरप्रिंटिंग (डीएनए प्रोफाइलिंग) में PCR से किसी नमूने — बाल, खून की बूँद, लार — से पर्याप्त डीएनए बनाकर कुछ छोटे, बार-बार दोहराए गए भागों (STR) की जाँच की जाती है। इन भागों की लंबाई का पैटर्न लगभग हर व्यक्ति में अलग होता है (समान जुड़वाँ को छोड़कर), इसलिए यह आज फोरेंसिक पहचान और पितृत्व परीक्षण में व्यापक रूप से प्रयोग होता है।

संपूर्ण जीनोम अनुक्रमण (genome sequencing), जीन थेरेपी, फसल और पशु नस्ल सुधार, रोग निदान किट, और कोविड-19 महामारी में इस्तेमाल हुई RT-PCR जाँच — ये सभी एक ही मूल क्षमता पर टिकी हैं: डीएनए (या पहले RNA को डीएनए में बदलकर) सटीक रूप से कॉपी करना।

ये गलतियाँ अक्सर होती हैं

परीक्षा में उत्तर लिखने से पहले इस सूची पर एक नज़र डाल लें।

• "प्रतिकृतियन संरक्षी विधि से होता है" लिखना गलत है। मेसेल्सन-स्टाल के प्रयोग (1958) ने साबित किया कि यह अर्धसंरक्षी है।
• यह मान लेना कि डीएनए पॉलीमरेज़ शून्य से नया रज्जुक शुरू कर सकता है — गलत। यह केवल पहले से मौजूद प्राइमर या रज्जुक के सिरे पर जोड़ सकता है, इसलिए प्राइमेज़ पहले आता है।
• यह सोचना कि अग्रगामी और पश्चगामी रज्जुक अलग-अलग एंज़ाइम बनाते हैं — गलत। एक ही डीएनए पॉलीमरेज़ दोनों बनाता है, अंतर केवल दिशा और प्राइमर की संख्या में है।
• यह सोचना कि ओकाज़ाकी खंड केवल जीवाणु में बनते हैं — गलत। यूकैरियोट और प्रोकैरियोट दोनों में पश्चगामी रज्जुक ओकाज़ाकी खंडों में बनता है, केवल औसत लंबाई अलग होती है।
• यह कहना कि मेसेल्सन-स्टाल की पहली पीढ़ी में हल्का बैंड दिखता है — गलत। पहली पीढ़ी में सारा डीएनए हाइब्रिड होता है; हल्का बैंड दूसरी पीढ़ी से शुरू होता है।
• A-T और G-C के हाइड्रोजन बंध की संख्या भूल जाना। याद रखें, G-C में तीन बंध होते हैं, A-T में दो — इसीलिए GC-प्रधान डीएनए अधिक ऊष्मा-स्थिर होता है।

परीक्षा कॉर्नर: NCERT कक्षा 12

NCERT कक्षा 12 जीव विज्ञान के "वंशागति के आणविक आधार" (Molecular Basis of Inheritance) अध्याय में डीएनए प्रतिकृति विस्तार से पढ़ाई जाती है, और CBSE बोर्ड के साथ-साथ NEET व JEE जैसी प्रवेश परीक्षाओं में भी यह लगातार पूछा जाने वाला विषय है। बहुविकल्पीय प्रश्नों में एंज़ाइम-कार्य मिलान, चारगैफ के नियम पर आधारित गणना, मेसेल्सन-स्टाल के परिणाम और ओकाज़ाकी खंड की परिभाषा सबसे अधिक आती है।

रिवीज़न: अंतिम समय का सारांश

परीक्षा से पहली रात यह कुछ पंक्तियाँ पढ़ लें।

• परिभाषा: एक डीएनए से दो समान प्रतियाँ बनना, हर एक में एक पुराना और एक नया रज्जुक (अर्धसंरक्षी)।
• चारगैफ का नियम: %A = %T, %G = %C। A-T में 2, G-C में 3 हाइड्रोजन बंध।
• मेसेल्सन-स्टाल (1958): ¹⁵N/¹⁴N से साबित हुआ प्रतिकृतियन अर्धसंरक्षी है; पीढ़ी 1 पूरी तरह हाइब्रिड, हर पीढ़ी में हाइब्रिड अंश आधा होता जाता है।
• एंज़ाइम क्रम: हेलिकेज़ खोलता है → SSB थामे रखता है → प्राइमेज़ प्राइमर लगाता है → पॉलीमरेज़ 5′→3′ बढ़ाता है → लाइगेज़ जोड़ लगाता है।
• अग्रगामी रज्जुक: निरंतर, एक प्राइमर। पश्चगामी रज्जुक: ओकाज़ाकी खंडों में, कई प्राइमर।
• प्रूफरीडिंग पॉलीमरेज़ की अपनी क्षमता है; मिसमैच रिपेयर बाकी पकड़ लेता है, अंतिम गलती दर एक अरब में एक से भी कम हो जाती है।
• वास्तविक उपयोग: PCR, डीएनए फिंगरप्रिंटिंग, फोरेंसिक पहचान, संपूर्ण जीनोम अनुक्रमण।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न