प्रश्न- मेसेल्सन एवं स्टेहल के उस प्रयोग का वर्णन कीजिए जो अर्द्ध-संरक्षी डी. एन. ए. पुनरावृत्ति को प्रदर्शित करता है।

अथवा
डी. एन. ए. प्रतिवलयन का वर्णन कीजिए।
सम्बन्धित लघु उत्तरीय प्रश्न
1. DNA द्विगुणन पर टिप्पणी लिखिए।
2. DNA की रेप्लीकेशन प्रक्रिया का संक्षेप में वर्णन कीजिए।
3. DNA के रेप्लीकेशन से आप क्या समझते हैं?
4. सेमीकंजरवेटिव DNA रेप्लीकेशन का विस्तृत वर्णन कीजिए।

उत्तर -

डी.एन.ए. की पुनरावृत्ति
(Replication of DNA)

DNA में स्वयं जनन करने की विशेषता पाई जाती है अर्थात् कुछ रासायनिक क्रियाओं (chemical reactions) के फलस्वरूप DNA के एक अणु (molecule) से उसी प्रकार के दो अणुओं का निर्माण हो जाता है और यह क्रिया जीवद्रव्य (protoplasm) के माध्यम से सम्पन्न होती है। कोशिका के केन्द्रकं (nucleus) में उपस्थित प्रत्येक गुणसूत्र के सभी DNA अणुओं में पुनरावृत्ति (replication) की क्षमता होती है जिससे एक गुणसूत्र दो क्रोमेटिड्स (chromatids) में बदल जाता है और कोशिका विभाजन (cell division) के समय एक-एक क्रोमेटिड (chromatid) प्रत्येक सन्तति कोशिका (daughter cell) में चला जाता है, जो उस कोशिका में DNA का संदेश ले जाते हैं। इसी प्रकार का क्रम पीढ़ी-दर-पीढ़ी चलता रहता है।

डी. एन. ए. की पुनरावृत्ति के पक्ष में दो वाद (theories) प्रस्तुत किये गये हैं-

1. वाटसन एवं क्रिक वाद (Watson and Crick theory) - वाटसन एवं क्रिक (Watson and Crick) के अनुसार डी. एन. ए. मॉडल में दो स्ट्रैण्ड्स (strands) होते हैं जो एक ओर (one end) से खुलकर दो अलग-अलग स्ट्रैण्ड्स में पृथक् हो जाते हैं। इस क्रिया में हाइड्रोजन बाण्डस (bonds) टूट जाते हैं।

वाटसन एवं क्रिक के अनुसार डी. एन. ए. की पुनरावृत्ति या द्विगुणन

इस प्रकार पृथक् हुए दोनों एकल स्ट्रैण्ड्स (single strands) नए स्ट्रेण्ड्स का संश्लेषण करते हैं। सूत्री विभाजन (mitosis) में बनी दोनों पुत्री कोशिकाओं (daugher cells) में क्रोमेटिड्स पाये जाते हैं, जो पुनः गुणसूत्र का निर्माण करते हैं जिसके फलस्वरूप DNA द्विगुणन होता है।

पुनरावृत्ति के समय H बन्धनों के ढीले हो जाने के कारण DNA अणु के दोनों कुण्डल (helix) एक सिरे से दूसरे सिरे तक पृथक होते चले जाते हैं और इस प्रकार DNA की दो श्रृंखलाएँ बन जाती हैं।

केन्द्रक रस (nuclear sap) तथा जीवद्रव्य (protoplasm) में उपस्थित विभिन्न प्रकार के क्षारक (base) जैसे - A, G, C एवं T अनेक प्रकार की उपापचयी क्रियाओं द्वारा न्यूक्लियोटाइड ट्राइफॉस्फेट (triphosphate) इकाइयों (units), जैसे ATP, GTP, CTP तथा TTP का निर्माण करते हैं। ये इकाइयाँ दोनों अलग हुए कुण्डलों में क्षारकों को पूरक नियम (complementary law) के अनुसार अपने-अपने पूरक क्षारकों को आकर्षित कर स्थान ग्रहण कर लेती हैं। कुण्डल पर स्थित ऐडेनीन की ओर थायमीन तथा साइटोसिन की ओर ग्वानीन आने लगते हैं तथा हाइड्रोजन बाण्डस (bonds) द्वारा मजबूती के साथ बँध जाते हैं और क्रमानुसार विन्यस्त होकर दूसरे न्यूक्लियोटाइड्स से जुड़ जाते हैं। यह क्रिया डी. एन. ए. पॉलीमरेज (DNA polymerase) एन्जाइम द्वारा होती है।

2. मेसेल्सन एवं स्टेहल वाद (Meselson and Stahl's theory) - मेसेल्सन एवं स्टेहल ने सन 1958 में DNA की पुनरावृत्ति के सम्बन्ध में अपना दृष्टिकोण प्रस्तुत किया। उनके अनुसार पुनरावृत्ति के समय DNA अणु के दोनों वलय (helix) अपनी प्रतिकृतियाँ संश्लेषित करने से पूर्व पूरी तरह विनियोजित नहीं होते अपितु इनके एक सिरे से अकुण्डलन आरम्भ होने के साथ ही अपनी-अपनी न्यूक्लियोटाइड प्रतिकृतियों को आकर्षित करना आरम्भ कर देते हैं। इस प्रकार से वास्तविक DNA वलयकों का अकुण्डलन एवं नवीन DNA वलयकों का संश्लेषण साथ-साथ होता है तथा पुनरावृत्ति की समाप्ति पर दो सन्तति DNA अणुओं का निर्माण होता है। इनमें प्रत्येक का एक वलयक पैतृक तथा दूसरा संश्लेषित होता है। इस प्रकार दोनों सन्तति DNA अणु मूल DNA अणु के प्रतिरूप होते हैं।

मेसेल्सन एवं स्टेहल के प्रयोग के परिणाम का आरेखी प्रदर्शन

मेसेल्सन तथा स्टेहल ने 15N नाइट्रोजन के आइसोटोप (isotope), जो कि सामान्य 14 N नाइट्रोजन अणु से भारी होता है वाले संवर्धन माध्यम में जीवाणु की एक प्रजाति ई. कोलाई को संवर्धित किया। इसी संवर्धन माध्यम में उन जीवाणुओं को कई पीढ़ियों तक पुनरुत्पादन करने दिया गया। इसके पश्चात् इन जीवाणुओं के DNA के दोनों स्ट्रेण्ड का अध्ययन करने पर पाया गया कि उनके प्यूरीन एवं पिरीमिडीन में 14N के स्थान पर 15N नाइट्रोजन के आइसोटोप थे। जब 15 N युक्त जीवाणु को 14 N वाले संवर्धन माध्यम में वृद्धि करने दिया गया तो यह पाया गया कि नयी पीढ़ी के जीवाणु के DNA में एक स्ट्रैण्ड दूसरे की अपेक्षा अधिक भारी था। क्योंकि 14N की अपेक्षा 15N अधिक भारी होता है। अतः स्पष्ट है कि DNA का भारी स्ट्रैण्ड पैतृक स्ट्रैण्ड को प्रदर्शित करता है और इसमें 15N आइसोटोप होता है तथा नए हल्के स्ट्रैण्ड में, जोकि 14N या सामान्य संवर्धन माध्यम में संश्लेषित किया गया है, 14N आइसोटोप हैं। यह DNA द्विगुणन की अर्धसंरक्षी विधि को प्रदर्शित करता है।

मेसेल्सन तथा स्टेहल का प्रयोग में DNA के घनत्व के आमाप से भी इसी तथ्य की पुष्टि होती है। पैतृक पीढ़ी का DNA 15N माध्यम में पुनरावृत्ति के कारण सबसे भारी था। 14 N माध्यम में प्रथम पुनरावृत्ति के बाद बना प्रथम संतति DNA पैतृक DNA की अपेक्षा कम घनत्व का था। 14N माध्यम में पुनः पुनरावृत्ति से बना दूसरी पीढ़ी का DNA माध्यम में दो पट्टियाँ (bands) बनाता है जिनमें एक हल्का DNA (14N युक्त) दूसरा (14N व 15N युक्त) अपेक्षाकृत भारी था। तीसरी पीढ़ी के DNA में 14N DNA की मात्रा 15N DNA की अपेक्षा बहुत कम रह जाती है।

घनत्व के आधार पर अर्धसंरक्षी विधि द्वारा DNA द्विगुणन का प्रदर्शन

डी. एन. ए. पुनरावृत्ति की अवस्थाएँ (Stages in DNA Replication) - यह प्रक्रिया निम्नलिखित अवस्थाओं में पूर्ण होती हैं -

(i) DNA का विकुण्डलन (Uncoiling of DNA Helix) DNA - प्रतिकृतिकरण में यह पहला चरण होता है। DNA की दोनों पॉलीन्यूक्लिओटाइड श्रृंखलाएँ एक-दूसरे से अलग हो जाती हैं। जहाँ से विकुण्डलन आरम्भ होता है उसे विकुण्डलन का आरम्भ स्थल कहते हैं। जीवाणु आदि प्रोकैरियोटिक कोशाओं के DNA अणु में एक ही ऐसा स्थान होता है, परन्तु यूकैरियोटिक कोशाओं के DNA अणु में ऐसे कई स्थान होते हैं।

(ii) श्रृंखलाओं का संश्लेषण (Synthesis of DNA Strands) - इस संश्लेषण के लिये दो एन्जाइम आवश्यक होते हैं.-

(a) DNA पॉलीमरेज (DNA Polymerase)
(b) पॉलीन्यूक्लियोटाइड लाइगेज (Polynucleotide ligase)

DNA की पुनरावृत्ति सदैव 5-3' दिशा की ओर होती है परन्तु DNA की दोनों श्रृंखलाएँ विपरीत दिशाओं में व्यवस्थित होती हैं। DNA पॉलीमरेज III (DNA polymerase III) छोटे-छोटे व्यष्टि न्यूक्लियोटाइडों में लघु DNA के खण्ड तैयार करता है। पॉलीमरेज I अर्थात् कोर्नबर्ग एन्जाइम (Kornberg enzyme) इन छोटे-छोटे खण्डों को मध्यवर्ती आकार के DNA खण्डों में संश्लेषित कर देता है। तत्पश्चात् DNA पॉलीमरेज III मध्यवर्ती खण्डों को पूरे आकार में जोड़कर DNA की पूर्ण लम्बाई की श्रृंखला बनाता है।

DNA लाइगेस एन्जाइम एण्डोन्यूक्लियेस एन्जाइम द्वारा DNA अणु पर क्रिया करने से उत्पन्न खाँच के 3'-OH तथा स्वतन्त्र 5' - P समूहों के मध्य फॉस्फेडायस्टर बन्ध का निर्माण करने में सहायता करते हैं अर्थात् प्रत्येक DNA श्रृंखला की संतति श्रृंखलाओं को जोड़ने का कार्य DNA लाइगेस द्वारा सम्पन्न किया जाता है।

DNA द्विगुणन का महत्व
(Significance of DNA Duplication)

1. DNA में द्विगुणन द्वारा सन्ततियों में पीढ़ी-दर-पीढ़ी अस्तित्व बना रहता है।
2. जीवधारियों का विशेष लक्षण DNA का बार-बार जनन करना होता है जो द्विगुणन द्वारा सम्भव होता है।
3. कोशिका विभाजन में सभी गुणसूत्रों के DNA द्विगुणन करते हैं और गुणसूत्रों की संख्या (2n) हो जाती है।
4. आनुवंशिक लक्षण जो DNA पर उपस्थित होते हैं समान प्रतिरूपों पर आ जाते हैं और सन्तति कोशिकाओं में इनका एक-एक प्रतिरूप पहुँचता है।
5. जनन कोशिकाओं में सन्तति कोशिकाओं में आनुवंशिक संकेत बराबर मात्रा में पहुँचते रहते हैं।

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