डीएनए प्रतिकृति के आणविक तंत्र। जीव विज्ञान में प्रतिकृति शरीर की कोशिकाओं की एक महत्वपूर्ण आणविक प्रक्रिया है। प्रतिकृति के एंजाइम और प्रोटीन
डीएनए प्रतिकृति प्रक्रिया का मुख्य कार्यात्मक महत्व संतानों को आनुवंशिक जानकारी प्रदान करना है। किसी जीव और प्रजाति की आनुवंशिक स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए, डीएनए को पूरी तरह से और बहुत उच्च निष्ठा के साथ दोहराया जाना चाहिए। डीएनए प्रतिकृति की प्रक्रिया अत्यधिक जटिल है। इसमें कई एंजाइम्स होते हैं. डीएनए प्रतिकृति का पहला एंजाइमोलॉजिकल अध्ययन आर्थर कोर्नबर्ग द्वारा किया गया था, जिन्होंने एस्चेरिचिया कोली में एक एंजाइम की खोज की थी जिसे अब डीएनए पोलीमरेज़ I कहा जाता है। यह एंजाइम कई प्रकार की एंजाइमेटिक गतिविधि प्रदर्शित करता है और एक जटिल संरचना की विशेषता है। सब्सट्रेट के रूप में, डीएनए पोलीमरेज़ I एडेनिन, गुआनिन, साइटोसिन और थाइमिन से प्राप्त डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोसाइड ट्राइफॉस्फेट का उपयोग करता है। पोलीमरेज़ गतिविधि, जिसे सबसे पहले डीएनए पोलीमरेज़ I के लिए प्रदर्शित किया गया था, प्रोकैरियोटिक और यूकेरियोटिक कोशिकाओं के अन्य पोलीमरेज़ की विशेषता है, यह याद रखना महत्वपूर्ण है कि ई. कोलाई डीएनए पोलीमरेज़ 1 का मुख्य कार्य डीएनए की मरम्मत करना पाया गया है।
डीएनए संश्लेषण की शुरूआत
डीएनए संश्लेषण शुरू करने के लिए (चित्र 38.13), छोटे (10-200 न्यूक्लियोटाइड) आरएनए अनुक्रमों की आवश्यकता होती है जो प्राइमर (प्राइमर) के रूप में कार्य करते हैं। संश्लेषण आरएनए प्राइमर के 3-हाइड्रॉक्सिल समूह और डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोसाइड ट्राइफॉस्फेट के ए-फॉस्फेट समूह के बीच एक प्रतिक्रिया से शुरू होता है, जिसके दौरान डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोसाइड अवशेष पायरोफॉस्फेट के एक साथ दरार के साथ आरएनए प्राइमर से जुड़ा होता है। संलग्न डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोसाइड मोनोफॉस्फेट का 3-हाइड्रॉक्सिल समूह फिर अगले एम्बेडिंग डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोसाइड ट्राइफॉस्फेट के ए-फॉस्फेट समूह पर न्यूक्लियोफिलिक हमला करता है, वह भी पायरोफॉस्फेट दरार के साथ। स्वाभाविक रूप से, संश्लेषण के प्रत्येक चरण में अगले न्यूक्लियोटाइड का चुनाव वॉटसन और क्रिक द्वारा प्रस्तावित नियमों के अनुसार टेम्पलेट डीएनए श्रृंखला द्वारा निर्धारित किया जाता है (चित्र 38.14)। इसलिए, यदि एडेनिन डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोसाइड मोनोफॉस्फेट का अवशेष मैट्रिक्स श्रृंखला की संबंधित स्थिति में है, तो थाइमिडीन ट्राइफॉस्फेट प्रतिक्रिया में प्रवेश करेगा और इसके ए-फॉस्फेट समूह पर बढ़ती श्रृंखला के अंतिम अवशेष के 3-हाइड्रॉक्सिल समूह द्वारा हमला किया जाएगा। . प्रतिक्रिया केवल तभी होती है जब सम्मिलित न्यूक्लियोटाइड डीएनए टेम्पलेट श्रृंखला के अगले न्यूक्लियोटाइड के साथ एक पूरक जोड़ी बनाता है और, हाइड्रोजन बांड के कारण, एक स्थिति पर कब्जा कर लेता है जिसमें बढ़ती श्रृंखला का 3-हाइड्रॉक्सिल समूह नए न्यूक्लियोटाइड पर हमला करता है और इसे इसमें शामिल करता है बहुलक. आरएनए प्राइमरों से जुड़े डीएनए अनुक्रमों का नाम उनकी खोज करने वाले जापानी वैज्ञानिक के नाम पर रखा गया था - ओकाज़ाकी टुकड़े (चित्र 38.15)। स्तनधारियों में, ओकाज़ाकी टुकड़ों की एक महत्वपूर्ण संख्या के गठन के बाद, प्रतिकृति परिसर शुरू होता है
(स्कैन देखें)
चावल। 38.13. आरएनए प्राइमर द्वारा डीएनए संश्लेषण की शुरुआत और उसके बाद एक दूसरा डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोसाइड ट्राइफॉस्फेट जोड़ना।
चावल। 38.14. आरएनए प्राइमर द्वारा शुरू किए गए पूरक स्ट्रैंड के संश्लेषण के दौरान डीएनए स्ट्रैंड का टेम्पलेट फ़ंक्शन।
चावल। 38.15. डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोटाइड्स का असंतत पोलीमराइजेशन और ओकाजाकी टुकड़ों का निर्माण।
आरएनए प्राइमरों को हटाने और संबंधित डीऑक्सीराइबो-न्यूक्लियोटाइड्स के साथ परिणामी अंतराल को भरने के लिए। फिर, डीएनए लिगेज की मदद से, डीएनए की एक सतत श्रृंखला बनाने के लिए टुकड़ों को एक साथ "सिलाया" जाता है।
प्रतिकृति की ध्रुवीयता
जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, डीएनए अणुओं में दो एंटीपैरलल स्ट्रैंड होते हैं। प्रो- और यूकेरियोट्स में डीएनए प्रतिकृति दोनों स्ट्रैंड पर एक साथ होती है। हालाँकि, डीएनए संश्लेषण को दिशा में ले जाने वाला कोई एंजाइम नहीं है, और परिणामस्वरूप, ऐसा प्रतीत होता है कि नए संश्लेषित स्ट्रैंड एक ही समय में एक ही दिशा में नहीं बढ़ सकते हैं। इस विरोधाभास के बावजूद, एक ही एंजाइम दोनों श्रृंखलाओं का लगभग समकालिक संश्लेषण करता है। इस मामले में, 5-Y दिशा ("अग्रणी") में संश्लेषित श्रृंखला निरंतर बनी रहती है। दूसरी ("लैगिंग") श्रृंखला का संश्लेषण 150-200 न्यूक्लियोटाइड के टुकड़ों में किया जाता है। इन टुकड़ों के संश्लेषण की शुरुआत के अगले कार्य, प्रत्येक दिए गए क्षण में भी दिशा में होते हैं, जैसे ही प्रतिकृति कांटा एक दिशा में चलता है। "अर्ध-निरंतर" डीएनए संश्लेषण की योजना अंजीर में दिखाई गई है। 38.16.
स्तनधारियों में परमाणु डीएनए की प्रतिकृति के दौरान
चावल। 38.16. डबल-स्ट्रैंडेड डीएनए के दोनों स्ट्रैंड की अर्ध-निरंतर, एक साथ प्रतिकृति की प्रक्रिया।
प्रक्रिया के अंत में अधिकांश आरएनए प्राइमर हटा दिए जाते हैं, जबकि माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम की प्रतिकृति के दौरान, आरएनए के छोटे टुकड़े एक बंद गोलाकार डीएनए अणु में एकीकृत रहते हैं।
डीएनए पोलीमराइजेशन और एंजाइमों की मरम्मत
स्तनधारी कोशिकाओं के नाभिक में पोलीमरेज़ का एक वर्ग होता है, तथाकथित अल्फा पोलीमरेज़ (पोल ए), जो क्रोमोसोमल प्रतिकृति के लिए जिम्मेदार होता है। एक पोल एक अणु बढ़ती श्रृंखला में प्रति सेकंड लगभग 100 न्यूक्लियोटाइड शामिल करने में सक्षम है, इस प्रकार यह जीवाणु डीएनए पोलीमरेज़ की तुलना में लगभग दस गुना धीमी गति से कार्य करता है। गति में कमी को न्यूक्लियोसोम के हस्तक्षेप से समझाया जा सकता है। डीएनए पोलीमरेज़ न्यूक्लियोसोम को कैसे पार करता है यह अज्ञात है। हालाँकि, यह ज्ञात है कि प्रतिकृति के पूरा होने के बाद, संबंधित न्यूक्लियोसोम को दोनों बेटी श्रृंखलाओं में यादृच्छिक रूप से वितरित किया जाता है।
स्तनधारी कोशिकाओं के नाभिक में, पोल ए, पोलीमरेज़ बीटा (पोल) की तुलना में कम आणविक भार वाला एक डीएनए पोलीमरेज़ भी पाया गया, जो सामान्य प्रतिकृति प्रक्रिया में शामिल नहीं है, लेकिन डीएनए की मरम्मत के लिए आवश्यक है (नीचे देखें)। एक अन्य, माइटोकॉन्ड्रियल, डीएनए गामा पोलीमरेज़ (पॉली) गोलाकार माइटोकॉन्ड्रियल जीनोम की नकल करता है।
स्तनधारी जीनोम की पूर्ण प्रतिकृति 9 घंटे में पूरी हो जाती है, जो एक द्विगुणित विभाजित कोशिका की आनुवंशिक सामग्री को दोगुना करने के लिए आवश्यक समय है। ऐसी गति इंगित करती है कि प्रतिकृति कई क्षेत्रों में एक साथ शुरू होती है, जिसे प्रतिकृति उत्पत्ति कहा जाता है और ओरी (अंग्रेजी मूल से - शुरुआत) द्वारा दर्शाया जाता है। ऐसे लगभग 100 बिंदु (साइट) हैं। प्रतिकृति दो दिशाओं में होती है, और दोनों श्रृंखलाओं को एक साथ दोहराया जाता है। इस मामले में, तथाकथित "प्रतिकृति बुलबुले" गुणसूत्र पर बनते हैं (चित्र 38.17)।
यूकेरियोट्स में प्रतिकृति की उत्पत्ति के रूप में कार्य करने वाली साइटें स्पष्ट रूप से परिभाषित नहीं हैं। इस संबंध में यीस्ट और कई पशु वायरस के लिए अधिक संपूर्ण डेटा उपलब्ध है। यह निश्चित रूप से कहा जा सकता है कि आरंभिक प्रक्रियाओं को स्थान और समय दोनों के संदर्भ में नियंत्रित किया जाता है, क्योंकि पड़ोसी समूहों को समकालिक रूप से आरंभ किया जाता है। ऐसी धारणा है कि कार्यात्मक क्रोमैटिन डोमेन अभिन्न इकाइयों के रूप में दोहराए जाते हैं। इसका तात्पर्य यह है कि प्रतिलेखन इकाइयों के संबंध में प्रतिकृति उत्पत्ति काफी निश्चित तरीके से स्थित है।
चावल। 38.17. डीएनए संश्लेषण के दौरान "प्रतिकृति बुलबुले" का निर्माण। प्रतिकृति की द्विदिशात्मकता और प्रतिकृति फोर्क्स में चेन-अनवाइंडिंग प्रोटीन के प्रस्तावित स्थान को दिखाया गया है।
चावल। 38.18. प्रतिकृति फोर्क में एकल-फंसे डीएनए के लिए विशिष्ट प्रोटीन की क्रिया की काल्पनिक योजना। जैसे ही दूसरा स्ट्रैंड संश्लेषित होता है, प्रोटीन मुक्त हो जाता है और एकल-स्ट्रैंड डीएनए के नवगठित खंडों से जुड़ जाता है। (डब्ल्यू. अल्बर्ट्स के सौजन्य से)
(स्कैन देखें)
चावल। 38.19. डीएनए सिंगल-स्ट्रैंड टूटने की मरम्मत करने वाली दो प्रकार की प्रतिक्रियाओं की तुलना। बाईं ओर दिखाई गई प्रतिक्रियाएँ डीएनए लिगेज द्वारा उत्प्रेरित होती हैं और दाईं ओर दिखाई गई प्रतिक्रियाएँ डीएनए टोपोइज़ोमेरेज़ द्वारा उत्प्रेरित होती हैं। (लेह्निंगर ए.एल. की अनुमति से थोड़ा संशोधित और पुनरुत्पादित: बायोकैमिस्ट्री, दूसरा संस्करण। वर्थ, 1975।)
प्रतिकृति के दौरान, डबल-स्ट्रैंडेड डीएनए को अलग-अलग स्ट्रैंड में विभाजित किया जाना चाहिए ताकि प्रत्येक स्ट्रैंड एक टेम्पलेट के रूप में कार्य कर सके। डीएनए स्ट्रैंड्स को अलग करने की सुविधा विशिष्ट प्रोटीन के अणुओं द्वारा की जाती है जो प्रतिकृति फोर्क की प्रगति के दौरान एकल-स्ट्रैंडेड संरचना को स्थिर करते हैं। स्थिर करने वाले प्रोटीन टेम्पलेट के रूप में कार्य करने वाले न्यूक्लियोटाइड के साथ हस्तक्षेप किए बिना स्टोइकोमेट्रिक रूप से एक ही स्ट्रैंड से जुड़ते हैं (चित्र 38.18)। जंजीरों के अलग होने के साथ-साथ, हेलिक्स का खुलना (प्रत्येक 10 न्यूक्लियोटाइड के लिए 1 मोड़) भी होना चाहिए, साथ ही नई संश्लेषित बेटी श्रृंखलाओं का मुड़ना भी होना चाहिए। प्रोकैरियोट्स में प्रतिकृति बनने में लगने वाले समय को देखते हुए, यह गणना की जा सकती है कि एक डीएनए अणु को 400,000 आरपीएम की गति से घूमना चाहिए, जो पूरी तरह से असंभव है। इसलिए, डीएनए अणु की पूरी लंबाई के साथ कई "टिकाएं" स्थित होनी चाहिए। हिंज के कार्य एक विशेष एंजाइम (डीएनए टोपोइज़ोमेरेज़) द्वारा किए जाते हैं, जो अनट्विस्टेड डबल हेलिक्स की श्रृंखलाओं में से एक में ब्रेक लाता है। अतिरिक्त ऊर्जा लागत के बिना उसी एंजाइम द्वारा ब्रेक को जल्दी से सिल दिया जाता है, क्योंकि आवश्यक ऊर्जा एक मैक्रोर्जिक सहसंयोजक बंधन के रूप में संग्रहीत होती है जो डीएनए श्रृंखला और टोपोइज़ोमेरेज़ के चीनी-फॉस्फेट रीढ़ के बीच होती है। चित्र में दिखाया गया है। 38.19 इस प्रक्रिया की योजना की तुलना डीएनए लिगेज द्वारा उत्प्रेरित डीएनए ब्रेक-लिंकिंग घटनाओं के अनुक्रम से की जा सकती है। डीएनए टोपोइज़ोमेरेज़ सुपरकोइल्ड डीएनए को खोलने के लिए भी जिम्मेदार हैं। सुपरकॉइल्ड डीएनए एक उच्च क्रम वाली संरचना है जो हिस्टोन कोर के चारों ओर घूमते समय गोलाकार या अतिरिक्त-लंबे डीएनए अणुओं द्वारा बनाई जाती है (चित्र 38.20)।
पशु वायरस (रेट्रोवायरस) के वर्गों में से एक में एंजाइम होते हैं जो आरएनए टेम्पलेट से डीएनए अणु को संश्लेषित करने में सक्षम होते हैं। आरएनए-निर्भर डीएनए पोलीमरेज़, या रिवर्स ट्रांसक्रिपटेस (यह इस एंजाइम का नाम है), पहले एक टेम्पलेट के रूप में वायरस के राइबोन्यूक्लिक जीनोम का उपयोग करके एक आरएनए-डीएनए हाइब्रिड को संश्लेषित करता है। फिर एंजाइम RNase H आरएनए स्ट्रैंड को हटा देता है, और शेष डीएनए स्ट्रैंड बदले में दूसरे डीएनए स्ट्रैंड के संश्लेषण के लिए एक टेम्पलेट के रूप में कार्य करता है। इस प्रकार, एक सीडीएनए-डबल-स्ट्रैंडेड डीएनए प्रतिलिपि प्रकट होती है, जिसमें जानकारी होती है जो मुख्य रूप से रेट्रोवायरस आरएनए जीनोम के रूप में प्रस्तुत की जाती है।
डीएनए संश्लेषण का विनियमन
पशु और मानव कोशिकाओं में, डीएनए प्रतिकृति कोशिका के जीवन की एक निश्चित अवधि के दौरान ही होती है। इस अवधि को सिंथेटिक (तथाकथित चरण) कहा जाता है। -चरण को माइटोसिस से पूर्व-सिंथेटिक और पोस्टसिंथेटिक अवधियों द्वारा अलग किया जाता है (चित्र 38.21)।
चावल। 38.20. डीएनए सुपरकोलिंग. बेलनाकार कोर हटा दिए जाने पर बाएं हाथ का टोरॉयडल (सोलेनॉइड) सुपरहेलिक्स (बाएं) दाएं हाथ में बदल जाता है। सांद्रित खारे घोल के साथ हिस्टोन निष्कर्षण के मामले में न्यूक्लियोसोम के विनाश के दौरान एक समान संक्रमण होता है।
कोशिका द्वारा अपने स्वयं के डीएनए के संश्लेषण का प्राथमिक विनियमन यह है कि प्रतिकृति एक कड़ाई से परिभाषित समय पर होती है और मुख्य रूप से विभाजन की तैयारी करने वाली कोशिकाओं में होती है। चक्रीय प्यूरीन न्यूक्लियोटाइड और, संभवतः, डीएनए संश्लेषण के सब्सट्रेट स्वयं α-चरण में कोशिका प्रवेश के नियमन में शामिल होते हैं। इस विनियमन का तंत्र अज्ञात बना हुआ है। कई ओंकोवायरस आंतरिक सूचना लिंक को कमजोर या नष्ट करने में सक्षम हैं जो -चरण में कोशिकाओं के प्रवेश को नियंत्रित करते हैं। फिर, तंत्र अस्पष्ट बना हुआ है, हालांकि इसमें मेजबान कोशिका में कुछ प्रोटीन अणुओं का फॉस्फोराइलेशन शामिल हो सकता है।
चरण में, स्तनधारी कोशिकाओं में कोशिका चक्र की गैर-सिंथेटिक अवधि की तुलना में अधिक मात्रा में पोलीमरेज़ होता है। इसके अलावा, चरण में, डीएनए संश्लेषण (डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोसाइड ट्राइफॉस्फेट) के लिए सब्सट्रेट के निर्माण में शामिल एंजाइमों की गतिविधि बढ़ जाती है। α-चरण से बाहर निकलने पर इन एंजाइमों की गतिविधि कम हो जाती है और डीएनए संश्लेषण की बहाली के लिए संकेत आने तक निम्न स्तर पर रहती है। -चरण में, परमाणु डीएनए की पूर्ण और सख्ती से एकल प्रतिकृति होती है। ऐसा लगता है कि परिणामस्वरूप, प्रतिकृति क्रोमैटिन को किसी तरह से चिह्नित किया गया है
चावल। 38.21. स्तनधारियों में कोशिका विभाजन का चक्र. डीएनए संश्लेषण चरण (-चरण) को अवधि जी, और जी द्वारा माइटोसिस से अलग किया जाता है। (तीर कोशिका विकास चक्र की दिशा को इंगित करता है।)
जो आगे की प्रतिकृति में तब तक बाधा डालता है जब तक कि कोशिका का समसूत्री विभाजन न हो जाए। यह माना जा सकता है कि मिथाइल समूह ऐसे सहसंयोजक मार्कर के रूप में कार्य करते हैं (यानी, डीएनए अंकन इसके मिथाइलेशन के कारण किया जाता है)।
एक नियम के रूप में, गुणसूत्रों की प्रत्येक जोड़ी एक साथ और एस-चरण के कड़ाई से परिभाषित अंतराल में दोहराती है। इस स्तर पर डीएनए संश्लेषण को विनियमित करने वाले संकेतों की प्रकृति अज्ञात है, लेकिन, जाहिर है, प्रत्येक व्यक्तिगत गुणसूत्र में ऐसा नियामक तंत्र होता है।
डीएनए क्षरण और मरम्मत
वंशानुगत जानकारी का विकृत रूप में संचरण प्रत्येक व्यक्तिगत जीव और संपूर्ण प्रजाति दोनों के अस्तित्व के लिए सबसे महत्वपूर्ण शर्त है। इसलिए, विकास ने एक ऐसी प्रणाली विकसित की होगी जो कोशिका को प्रतिकृति त्रुटियों या हानिकारक पर्यावरणीय प्रभावों के कारण होने वाली डीएनए क्षति को ठीक करने की अनुमति देती है। यह अनुमान लगाया गया है कि इन कारणों से होने वाली क्षति के परिणामस्वरूप, मानव रोगाणु कोशिकाओं के जीनोम में प्रति वर्ष औसतन छह न्यूक्लियोटाइड परिवर्तन होते हैं। जाहिर है, प्रति वर्ष दैहिक कोशिकाओं में लगभग इतनी ही संख्या में उत्परिवर्तन होते हैं।
जैसा कि अध्याय में वर्णित है। 37, सटीक प्रतिकृति के लिए मुख्य शर्त न्यूक्लियोटाइड जोड़े का सही गठन है। पूरक अंतःक्रियाओं की सटीकता इस बात पर निर्भर करती है कि क्या प्यूरीन और पाइरीमिडीन न्यूक्लियोटाइड युग्मन के लिए अनुकूल टॉटोमेरिक रूप में हैं (चित्र 34.7)। संतुलन में, न्यूक्लियोटाइड्स के अनुकूल टॉटोमेरिक रूपों की सांद्रता प्रतिकूल टॉटोमेरिक की सांद्रता से 104-105 गुना अधिक हो जाती है। यह स्पष्ट रूप से त्रुटि-मुक्त पहचान सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त नहीं है। इसीलिए बैक्टीरिया और स्तनधारी कोशिकाओं में न्यूक्लियोटाइड युग्मन की सटीकता की निगरानी के लिए एक विशेष प्रणाली होती है। इस चरण की दो बार जाँच की जाती है: पहली बार - जब डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोसाइड ट्राइफॉस्फेट को बढ़ती श्रृंखला में शामिल किया जाता है, और दूसरी बार - पहले से ही शामिल किए जाने के बाद, नए संश्लेषित डीएनए स्ट्रैंड से गलती से डाले गए न्यूक्लियोटाइड को हटाने के लिए एक ऊर्जा-निर्भर तंत्र का उपयोग किया जाता है। इस नियंत्रण के कारण, समावेशन त्रुटियाँ प्रति 108-10e आधार जोड़े में 1 बार से अधिक नहीं होती हैं। ई. कोलाई कोशिकाओं में, यह तंत्र एक सक्रिय डीएनए पोलीमरेज़ द्वारा प्रदान किया जाता है। इसी समय, स्तनधारी डीएनए पोलीमरेज़ में स्पष्ट सुधारात्मक न्यूक्लियस गतिविधि नहीं होती है।
भौतिक और रासायनिक पर्यावरणीय कारक डीएनए में चार प्रकार की क्षति का कारण बनते हैं (तालिका 38.2 देखें)। क्षतिग्रस्त क्षेत्रों की मरम्मत की जा सकती है, पुनर्संयोजन द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है, या अपरिवर्तित रखा जा सकता है। बाद के मामले में, उत्परिवर्तन होता है, जिससे संभावित रूप से कोशिका मृत्यु हो जाती है। मरम्मत और प्रतिस्थापन की संभावना डबल-स्ट्रैंडेड डीएनए संरचना में एन्कोड की गई जानकारी की अतिरेक पर आधारित है: एक डीएनए स्ट्रैंड के दोषपूर्ण क्षेत्र को एक अक्षुण्ण पूरक स्ट्रैंड द्वारा ठीक किया जा सकता है।
सभी पुनर्संयोजन और मरम्मत की घटनाओं का मुख्य क्षण एक दोष की पहचान है, जिसके साथ या तो प्रत्यक्ष मरम्मत या बाद के सुधार के लिए अंकन होता है। प्यूरीन के एन-ग्लाइकोसिडिक बॉन्ड की थर्मोलेबिलिटी 37 डिग्री सेल्सियस पर लगभग 5000-10000 प्रति सेल (प्रति दिन) की आवृत्ति पर डीएनए डीप्यूरिनेशन की ओर ले जाती है। डीप्यूरिनेशन साइटों को विशेष एंजाइमों द्वारा पहचाना जाता है,
तालिका 38.2. डीएनए क्षति के प्रकार
विशेष रूप से अणु की फॉस्फोडाइस्टर रीढ़ को तोड़े बिना अंतर को भरना।
साइटोसिन और एडेनिन दोनों आधार क्रमशः यूरैसिल और हाइपोक्सैन्थिन बनाने के लिए स्वचालित रूप से विघटित हो जाते हैं। चूँकि सामान्य डीएनए में न तो यूरैसिल होता है और न ही हाइपोक्सैन्थिन, इसलिए यह आश्चर्य की बात नहीं है कि विशिष्ट α-ग्लाइकोसिलेज़ इन असामान्य आधारों को पहचानते हैं और उन्हें हटा देते हैं। परिणामी गैप मरम्मत प्यूरीन- या पाइरीमिडीन-विशिष्ट एंडोन्यूक्लाइजेस की कार्रवाई के लिए एक संकेत के रूप में कार्य करता है, जो क्षति के संबंधित स्थल के पास फॉस्फोडाइस्टर बंधन को तोड़ देता है। उसके बाद, एक्सोन्यूक्लिज़ की क्रमिक क्रिया के साथ, डीएनए पोलीमरेज़ और डीएनए लिगेज की मरम्मत करके, अंतर को भर दिया जाता है और मूल सही संरचना को बहाल कर दिया जाता है (चित्र 38.22)। घटनाओं की इस श्रृंखला को एक्सिसनल रिपेयर कहा जाता है। इसी तरह, एल्काइलेटेड बेस और बेस एनालॉग्स वाले डीएनए की मरम्मत की प्रक्रिया होती है।
विलोपन की बहाली और सम्मिलन को हटाना पुनर्संयोजन प्रक्रियाओं के माध्यम से होता है, जो प्रतिकृति के साथ या उसके बिना भी हो सकता है।
पराबैंगनी विकिरण पाइरीमिडीन-पाइरीमिडाइन डिमर्स के निर्माण को प्रेरित करता है।
चावल। 38.22. एंजाइम यूरैसिल-डीएनए-ग्लाइकोसिलेज़ यूरैसिल को हटा देता है, जो साइटोसिन के सहज डीमिनेशन के दौरान होता है। (डब्ल्यू. अल्बर्ट्स के सौजन्य से)
चावल। 38.23. थाइमिन-थाइमिन डिमर आसन्न थाइमिन आधारों के बंधन से बनता है।
यह प्रक्रिया मुख्य रूप से एक श्रृंखला के थाइमिन आधारों को प्रभावित करती है जो एक दूसरे के नीचे स्थित होते हैं (चित्र 38.23)। कोशिका में थाइमिन डिमर को हटाने के लिए दो तंत्र हैं: एक्सिसनल रिपेयर और फोटोरिएक्टिवेशन। इस मरम्मत विधि में दृश्य प्रकाश के साथ एक विशिष्ट एंजाइम का फोटोएक्टिवेशन शामिल होता है, जो उस प्रक्रिया को उलट देता है जिसके कारण डिमेरिक संरचना का निर्माण हुआ।
आयनीकृत विकिरण के कारण होने वाले डीएनए सिंगल-स्ट्रैंड के टूटने को सीधे बंधाव या पुनर्संयोजन द्वारा ठीक किया जा सकता है। विपरीत धागों के आधारों के बीच या डीएनए और प्रोटीन के बीच क्रॉस-लिंक की मरम्मत में शामिल तंत्र को अच्छी तरह से समझा नहीं गया है।
तो, आयनकारी विकिरण और बेस एल्किलेशन के कारण होने वाली क्षति की मरम्मत छोटे डीएनए खंडों के एक्साइज़िंग और पुनर्संश्लेषण द्वारा की जाती है। पराबैंगनी विकिरण, साथ ही क्रॉस-लिंक के कारण होने वाली क्षति को उसी तरह से हटाया जाता है, लेकिन इस मामले में, डीएनए के अधिक विस्तारित हिस्से प्रभावित होते हैं। स्तनधारी कोशिकाओं में, मरम्मत प्रतिकृति की घटना अनिर्धारित डीएनए संश्लेषण द्वारा प्रमाणित होती है; एस-चरण के बाहर रेडियोधर्मी पूर्ववर्तियों के डीएनए में समावेशन।
स्तनधारी कोशिकाओं में हानिकारक प्रभावों के जवाब में छांटना मरम्मत प्रक्रियाओं की तीव्रता के साथ, एंजाइम पॉली (एओपी-राइबोसिल) -पोलीमरेज़ की गतिविधि बढ़ जाती है। यह एंजाइम, एक कोएंजाइम की भागीदारी के साथ, क्रोमैटिन प्रोटीन के एडीपी-राइबोसाइलेशन की प्रतिक्रिया करता है। अधिकतर मोनो-एडीपी-राइबोसाइलेशन होता है, लेकिन कभी-कभी होमोपोलिमर चेन (एडीपी-राइबोस) भी जुड़ जाता है। एक्सिशनल रिपेयर की प्रक्रिया में पॉली (एओपी-राइबोसिल)-पोलीमरेज़ या उसके उत्पाद - (एडीपी-राइबोस) का कार्य पूरी तरह से स्पष्ट नहीं है। तीव्रता के बीच समय में एक संबंध है
मरम्मत प्रक्रियाएँ और एंजाइम गतिविधि में वृद्धि। इस एंजाइम की गतिविधि का विशिष्ट निषेध डीएनए श्रृंखला में टूटने को रोकता है। पॉली (एडीपी-राइबोसिल) पोलीमरेज़ की गतिविधि में वृद्धि स्पष्ट रूप से नाभिक में डीएनए विखंडन के कारण होती है। इस तरह का विखंडन मुख्य रूप से भौतिक एजेंटों (उदाहरण के लिए, एक्स-रे) द्वारा प्रेरित हो सकता है, और पराबैंगनी क्षति या अल्काइलेटिंग एजेंटों के कारण होने वाली क्षति की मरम्मत के दौरान भी अनुचित तरीके से हो सकता है। डीएनए टूटने के कारण एंजाइम गतिविधि में वृद्धि इतनी अधिक हो सकती है कि इससे NAD+ कोएंजाइम की इंट्रासेल्युलर आपूर्ति में कमी आ सकती है।
ज़ेरोडर्मा पिगमेंटोसा एक ऑटोसोमल रिसेसिव वंशानुगत बीमारी है। क्लिनिकल सिंड्रोम में सूर्य के प्रकाश (पराबैंगनी) के प्रति संवेदनशीलता शामिल है, जो त्वचा कैंसर और मृत्यु के कई फॉसी के गठन की ओर ले जाती है। यह रोग, जाहिरा तौर पर, मरम्मत प्रक्रियाओं के उल्लंघन से जुड़ा है। पिगमेंट ज़ेरोडर्मा वाले रोगियों की सुसंस्कृत कोशिकाओं में, थाइमिन डिमर के फोटोरिएक्टिवेशन की तीव्रता कम हो जाती है। हालाँकि, ज़ेरोडर्मा पिगमेंटोसम की ओर ले जाने वाले वास्तविक आनुवंशिक विकारों में कम से कम 7 पूरक समूह होते हैं, जो इस बीमारी का कारण बनने वाले कारणों की जटिलता को इंगित करता है।
यूसेरोडर्मा पिगमेंटोसम में, अधिकांश (यदि सभी नहीं) पूरक समूहों की कोशिकाएं पराबैंगनी विकिरण के प्रति पॉली (एओपी-राइबोसिल) पोलीमरेज़ प्रतिक्रिया की दर और तीव्रता में असामान्यताएं दिखाती हैं। कम से कम एक पूरक समूह की कोशिकाओं में, एंजाइम गतिविधि में कमी स्पष्ट रूप से क्षतिग्रस्त स्थल पर डीएनए श्रृंखला को काटने में असमर्थता से जुड़ी होती है, क्योंकि ऐसी दोषपूर्ण कोशिकाओं में डीऑक्सीराइबोन्यूक्लिज़ के जुड़ने से पॉली (एओपी-राइबोसिल) का स्तर सामान्य हो जाता है - पोलीमरेज़ गतिविधि.
गतिभंग - टेलैंगिएक्टेसिया (एक ऑटोसोमल रिसेसिव बीमारी जो अनुमस्तिष्क गतिभंग और लिम्फोरेटिकुलर नियोप्लाज्म की ओर ले जाती है) वाले रोगियों में, एक्स-रे विकिरण के प्रति संवेदनशीलता बढ़ जाती है। फैंकोनी एनीमिया (ऑटोसोमल रिसेसिव एनीमिया, कैंसर और क्रोमोसोमल अस्थिरता की बढ़ती घटनाओं के साथ) वाले रोगियों में, क्रॉस-लिंक मरम्मत प्रणाली संभवतः ख़राब हो जाती है। वर्णित सभी तीन सिंड्रोम ट्यूमर की बढ़ती घटनाओं की विशेषता रखते हैं। यह बहुत संभव है कि निकट भविष्य में डीएनए क्षति मरम्मत प्रणाली में गड़बड़ी के कारण होने वाली अन्य मानव बीमारियों की पहचान की जाएगी।
साहित्य
बाउर डब्ल्यू.आर. एट अल. सुपरकोइल्ड डीएनए, एससी। पूर्वाह्न। (जुलाई), 1980, 243, 118।
कैंटर सी.आर. डीएनए कोरियोग्राफी, सेल, 1981, 25, 293। इगो-केमेनेस टी., होर्ज़ डब्ल्यू., ज़ाचौ एच.जी. क्रोमैटिन, अन्नू।
रेव बायोकेम., 1982, 51, 89.
जेलिनेक डब्ल्यू.आर.. श्मिड सी.डब्ल्यू. यूकेरियोटिक डीएनए में दोहराव वाले अनुक्रम और उनकी अभिव्यक्ति, अन्नू। रेव बायोकेम., 1982.51, 813.
जोंगस्ट्रा जे. एट अल. सिमियन वायरस 40 एन्हांसर और प्रमोटर तत्वों द्वारा परिवर्तित क्रोमैटिन संरचनाओं का प्रेरण, प्रकृति, 1984, 307, 708।
कोर्नबर्ग ए. डीएनए प्रतिकृति, फ्रीमैन, 1980।
लिंडाहल टी. डीएनए मरम्मत एंजाइम, अन्नू। रेव बायोकेम., 1982, 51, 61.
लोएब एल. ए., कुंकेल टी. ए. डीएनए संश्लेषण की निष्ठा, अन्नू। रेव
बायोकेम, 1982, 51, 429।
मैकघी जे.डी., फेल्सनफेल्ड जी. न्यूक्लियोसोम संरचना, अन्नू। रेव
बायोकेम., 1980, 49, 1115.
नोसल एन.जी. प्रोकैरियोटिक डीएनए प्रतिकृति प्रणाली, अन्नू। रेव बायोकेम., 1983, 52, 581.
न्यूक्लिक एसिड जीवित जीवों की कोशिकाओं की महत्वपूर्ण गतिविधि सुनिश्चित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। कार्बनिक यौगिकों के इस समूह का एक महत्वपूर्ण प्रतिनिधि डीएनए है, जो सभी आनुवंशिक जानकारी रखता है और आवश्यक विशेषताओं की अभिव्यक्ति के लिए जिम्मेदार है।
प्रतिकृति क्या है?
कोशिका विभाजन की प्रक्रिया में केन्द्रक में न्यूक्लिक एसिड की मात्रा को बढ़ाना आवश्यक होता है ताकि इस प्रक्रिया में आनुवंशिक जानकारी का नुकसान न हो। जीव विज्ञान में, प्रतिकृति नए स्ट्रैंड के संश्लेषण के माध्यम से डीएनए का दोहराव है।
इस प्रक्रिया का मुख्य लक्ष्य आनुवंशिक जानकारी को बिना किसी उत्परिवर्तन के अपरिवर्तित रूप में बेटी कोशिकाओं में स्थानांतरित करना है।
प्रतिकृति के एंजाइम और प्रोटीन
डीएनए अणु के दोहराव की तुलना कोशिका में किसी भी चयापचय प्रक्रिया से की जा सकती है जिसके लिए उपयुक्त प्रोटीन की आवश्यकता होती है। चूँकि प्रतिकृति जीव विज्ञान में कोशिका विभाजन का एक महत्वपूर्ण घटक है, इसलिए, कई सहायक पेप्टाइड्स यहाँ शामिल हैं।
- डीएनए पोलीमरेज़ सबसे महत्वपूर्ण पुनर्विकास एंजाइम है, जो बेटी श्रृंखला के संश्लेषण के लिए जिम्मेदार है। कोशिका के साइटोप्लाज्म में, प्रतिकृति की प्रक्रिया में, न्यूक्लिक ट्राइफॉस्फेट की उपस्थिति अनिवार्य है, जो सभी न्यूक्लिक आधारों को लाते हैं।
ये आधार न्यूक्लिक एसिड मोनोमर्स हैं, इसलिए अणु की पूरी श्रृंखला इनसे बनी है। डीएनए पोलीमरेज़ सही क्रम में संयोजन प्रक्रिया के लिए जिम्मेदार है, अन्यथा सभी प्रकार के उत्परिवर्तन की उपस्थिति अपरिहार्य है।
- प्राइमेज़ एक प्रोटीन है जो डीएनए टेम्पलेट स्ट्रैंड पर प्राइमर के निर्माण के लिए ज़िम्मेदार है। इस प्राइमर को प्राइमर भी कहा जाता है; इसमें प्रारंभिक मोनोमर्स की उपस्थिति होती है जिससे डीएनए पोलीमरेज़ एंजाइम के लिए संपूर्ण पॉलीन्यूक्लियोटाइड श्रृंखला का आगे संश्लेषण संभव होता है। यह कार्य प्राइमर और उसके संबंधित एंजाइम द्वारा किया जाता है।
- हेलिकेज़ (हेलिकेज़) एक प्रतिकृति कांटा बनाता है, जो हाइड्रोजन बांड को तोड़कर मैट्रिक्स श्रृंखलाओं का विचलन है। इससे पोलीमरेज़ के लिए अणु तक पहुंचना और संश्लेषण शुरू करना आसान हो जाता है।
- टोपोइज़ोमेरेज़। यदि आप डीएनए अणु को एक मुड़ी हुई रस्सी के रूप में कल्पना करते हैं, तो जैसे ही पोलीमरेज़ श्रृंखला के साथ चलता है, मजबूत घुमाव के कारण एक सकारात्मक वोल्टेज बनेगा। इस समस्या को टोपोइज़ोमेरेज़ द्वारा हल किया जाता है, एक एंजाइम जो थोड़े समय के लिए श्रृंखला को तोड़ता है और पूरे अणु को खोल देता है। उसके बाद, क्षतिग्रस्त क्षेत्र को फिर से सिल दिया जाता है, और डीएनए को तनाव का अनुभव नहीं होता है।
- पुनर्विकास प्रक्रिया के अंत से पहले हाइड्रोजन बांड के पुन: गठन को रोकने के लिए एसएसबी प्रोटीन प्रतिकृति कांटे पर डीएनए स्ट्रैंड से क्लस्टर की तरह जुड़ते हैं।
- लिगाज़। इसमें डीएनए अणु के लैगिंग स्ट्रैंड पर ओकाज़ाकी टुकड़ों को सिलाई करना शामिल है। यह प्राइमरों को एक्साइज़ करने और उनके स्थान पर देशी डीऑक्सीराइबोन्यूक्लिक एसिड मोनोमर्स डालने से होता है।
जीव विज्ञान में, प्रतिकृति एक जटिल बहु-चरणीय प्रक्रिया है जो कोशिका विभाजन में अत्यंत महत्वपूर्ण है। इसलिए, कुशल और सही संश्लेषण के लिए विभिन्न प्रोटीन और एंजाइमों का उपयोग आवश्यक है।
दोहराव तंत्र
ऐसे 3 सिद्धांत हैं जो डीएनए दोहराव की प्रक्रिया की व्याख्या करते हैं:
- रूढ़िवादी का दावा है कि एक बेटी न्यूक्लिक एसिड अणु में मैट्रिक्स प्रकृति होती है, और दूसरा पूरी तरह से खरोंच से संश्लेषित होता है।
- वॉटसन और क्रिक द्वारा प्रस्तावित अर्ध-रूढ़िवादी और 1957 में ई. कोली पर प्रयोगों में इसकी पुष्टि की गई। यह सिद्धांत बताता है कि दोनों बेटी डीएनए अणुओं में एक पुराना स्ट्रैंड और एक नया संश्लेषित होता है।
- फैलाव तंत्र इस सिद्धांत पर आधारित है कि बेटी अणुओं में उनकी पूरी लंबाई के साथ वैकल्पिक खंड होते हैं, जिसमें पुराने और नए दोनों मोनोमर्स शामिल होते हैं।
एक अर्ध-रूढ़िवादी मॉडल अब वैज्ञानिक रूप से सिद्ध हो चुका है। आणविक स्तर पर प्रतिकृति क्या है? शुरुआत में, हेलिकेज़ डीएनए अणु के हाइड्रोजन बंधन को तोड़ देता है, जिससे पोलीमरेज़ एंजाइम के लिए दोनों श्रृंखलाएं खुल जाती हैं। उत्तरार्द्ध, बीज बनने के बाद, 5'-3' दिशा में नई श्रृंखलाओं का संश्लेषण शुरू करते हैं।
डीएनए एंटीपैरेललिज्म का गुण लीडिंग और लैगिंग स्ट्रैंड के निर्माण का मुख्य कारण है। अग्रणी स्ट्रैंड पर, डीएनए पोलीमरेज़ लगातार चलता रहता है, और लैगिंग स्ट्रैंड पर, यह ओकाज़ाकी टुकड़े बनाता है, जो भविष्य में लिगेज की मदद से जुड़ा होगा।
प्रतिकृति की विशेषताएं
प्रतिकृति के बाद नाभिक में कितने डीएनए अणु होते हैं? इस प्रक्रिया में स्वयं कोशिका के आनुवंशिक सेट का दोगुना होना शामिल है, इसलिए, माइटोसिस की सिंथेटिक अवधि के दौरान, द्विगुणित सेट में डीएनए अणुओं की संख्या दोगुनी होती है। ऐसी प्रविष्टि को आमतौर पर 2n 4c के रूप में चिह्नित किया जाता है।
प्रतिकृति के जैविक अर्थ के अलावा, वैज्ञानिकों ने चिकित्सा और विज्ञान के विभिन्न क्षेत्रों में इस प्रक्रिया के लिए अनुप्रयोग ढूंढे हैं। यदि जीव विज्ञान में प्रतिकृति डीएनए का दोहराव है, तो प्रयोगशाला में न्यूक्लिक एसिड अणुओं के पुनरुत्पादन का उपयोग कई हजार प्रतियां बनाने के लिए किया जाता है।
इस विधि को पोलीमरेज़ चेन रिएक्शन (पीसीआर) कहा जाता है। इस प्रक्रिया का तंत्र विवो में प्रतिकृति के समान है, इसलिए, इसके पाठ्यक्रम के लिए समान एंजाइम और बफर सिस्टम का उपयोग किया जाता है।
निष्कर्ष
जीवित जीवों के लिए प्रतिकृति का अत्यधिक जैविक महत्व है। कोशिका विभाजन के दौरान संचरण डीएनए अणुओं के दोहराव के बिना पूरा नहीं होता है, इसलिए सभी चरणों में एंजाइमों का समन्वित कार्य महत्वपूर्ण है।
मूल डीएनए अणु के मैट्रिक्स पर. इस मामले में, डीएनए में एन्कोडेड आनुवंशिक सामग्री दोगुनी हो जाती है और बेटी कोशिकाओं के बीच विभाजित हो जाती है।
लिंक
डीएनए प्रतिकृति (एनीमेशन) (अंग्रेजी)
विकिमीडिया फ़ाउंडेशन. 2010 .
देखें अन्य शब्दकोशों में "प्रतिकृति (जीव विज्ञान)" क्या है:
- (देर से लैटिन प्रतिकृति पुनरावृत्ति से), दोहराव, ऑटो-प्रतिकृति, टी के लिए न्यूक्लिक एसिड के मैक्रोमोलेक्यूल्स के स्व-प्रजनन की प्रक्रिया, आनुवंशिक की सटीक प्रतिलिपि प्रदान करती है। जानकारी और उसका पीढ़ी दर पीढ़ी प्रसारण। आर के तंत्र के केंद्र में ... ... जैविक विश्वकोश शब्दकोश
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विभाजन कोशिकाओंमाइटोसिस के माध्यम से होता है, जबकि आनुवंशिक जानकारी के नुकसान से बचने के लिए, संपूर्ण परमाणु जीनोम पहले कोशिका चक्र के एस-चरण में दोगुना हो जाता है। एस-चरण की अवधि 8 घंटे है। क्रोमोसोमल सेंट्रोमियर डीएनए माइटोसिस के मध्य चरण के दौरान प्रतिकृति बनाता है, जो क्रोमोसोम पृथक्करण की प्रक्रिया से पहले होता है।
प्रतिकृति माइटोकॉन्ड्रियल और परमाणुकोशिका चक्र के विभिन्न चरणों में होता है। इस तथ्य के बावजूद कि उच्च प्राणियों (यूकेरियोट्स) और बैक्टीरिया (प्रोकैरियोट्स) में परमाणु डीएनए की प्रतिकृति में चरणों का सामान्य क्रम समान है, इस प्रक्रिया में मामूली अंतर हैं। तो, यूकेरियोट्स में, प्रतिकृति के दौरान, डीएनए (परमाणु) न्यूक्लियोसोमल विन्यास में रहता है।
टुकड़े टुकड़े डीएनए, जी-सी बेस जोड़े (कॉम्पैक्टेड क्रोमैटिन में यूक्रोमैटिन के आर-बैंड) से भरपूर, हाउसकीपिंग जीन व्यक्त करते हैं जो शरीर की सभी कोशिकाओं में कार्य करते हैं। इन टुकड़ों को एस-चरण की शुरुआत में दोहराया जाता है। ए-टी बेस जोड़े (जी-बैंड) से समृद्ध हेटेरोक्रोमैटिन क्षेत्र कम संख्या में जीन व्यक्त करते हैं और एस-चरण में देर से दोहराते हैं।
जीनए-टी जोड़े की उच्च सामग्री के साथ, विभिन्न गुणों को एन्कोड करना और केवल कुछ कोशिकाओं में कार्य करना, ऐच्छिक हेटरोक्रोमैटिन का हिस्सा हैं। उनकी प्रतिकृति एस-चरण के प्रारंभिक चरण में केवल उन कोशिकाओं में होती है जिनमें वे व्यक्त होते हैं, और बाद के चरणों में - उन कोशिकाओं में जहां अभिव्यक्ति नहीं होती है।
सर्पिल क्षेत्र डीएनए, जो प्रतिकृति की शुरुआत में सबसे पहले खुलता है, उसे प्रतिकृति की शुरुआत की साइट (प्रतिकृति) कहा जाता है। इस बिंदु पर, हेलिकेज़ एंजाइम द्वारा डबल स्ट्रैंड को खोल दिया जाता है, जो आधार अनुक्रम को प्रकट करता है। प्रतिकृति प्रक्रिया एक स्ट्रैंड के साथ दोनों दिशाओं में एक साथ लगभग 40-50 न्यूक्लियोटाइड प्रति सेकंड की दर से होती है। उच्चतर प्राणियों के पास 50,000-300,000 बीपी की दूरी पर स्थित कई प्रतिकृतियां हैं। डीएनए स्ट्रैंड के अलग होने के स्थान पर, प्रतिकृति सूजन दिखाई देती है, जिसके प्रत्येक सिरे पर एक प्रतिकृति कांटा बनता है।
नया डीएनएडीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोटाइड ट्राइफॉस्फेट (एटीपी, जीटीपी, आदि) से डीएनए पोलीमरेज़ नामक एंजाइम की भागीदारी से संश्लेषित किया जाता है, जो मोनोफॉस्फेट न्यूक्लियोटाइड (एएमपी, जीएमपी, आदि) में परिवर्तित हो जाते हैं। ट्राइफॉस्फेट से पायरोफॉस्फेट की दरार और हाइड्रोलिसिस प्रक्रिया को ऊर्जा प्रदान करती है और इसे पूरी तरह से अपरिवर्तनीय बनाती है, जिससे डीएनए अणु पर्याप्त रूप से स्थिर हो जाता है।
सभी डीएनए पोलीमरेज़केवल 5" से 3" सिरे की दिशा में ही नया डीएनए बना सकता है। इसका मतलब यह है कि एंजाइमों को टेम्पलेट श्रृंखला के साथ 3' से 5' अंत तक चलना चाहिए। इस संबंध में, प्रतिकृति केवल एक श्रृंखला के साथ प्रतिकृति से लगातार हो सकती है, जिसे अग्रिम कहा जाता है। शर्करा के स्थान के कारण, दूसरे, लैगिंग स्ट्रैंड के साथ प्रतिकृति केवल छोटे हिस्सों पर होती है जिसे ओकाजाकी टुकड़े के रूप में जाना जाता है।
नये की लंबाई डीएनए के टुकड़े, लैगिंग श्रृंखला के साथ गठित, औसतन 100-200 आधार जोड़े। संश्लेषण के दौरान, ओकाज़ाकी टुकड़े एंजाइम डीएनए लिगेज द्वारा क्रॉसलिंक किए जाते हैं। प्रतिकृति की प्रत्याशा में, लैगिंग स्ट्रैंड के प्राथमिक एकल-फंसे न्यूक्लियोटाइड अनुक्रम की स्थिरता एकल-फंसे डीएनए बाइंडिंग प्रोटीन (या हेलिक्स-अस्थिर प्रोटीन) द्वारा बनाए रखी जाती है।
संश्लेषण के लिए अग्रणीश्रृंखला को एंजाइम डीएनए पोलीमरेज़ एस की आवश्यकता होती है, और लैगिंग डीएनए पोलीमरेज़ ए के संश्लेषण के लिए। उत्तरार्द्ध में डीएनए प्राइमेज़ नामक एक सबयूनिट होता है, जो एक छोटे आरएनए प्राइमर को संश्लेषित करता है जो प्राइमर के रूप में कार्य करता है। माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए की प्रतिकृति नाभिक में प्रक्रियाओं से स्वतंत्र रूप से होती है। इस मामले में, कई अन्य एंजाइमों का उपयोग किया जाता है, जिनमें से एक डीएनए पोलीमरेज़ वाई है।
जीनोम में शामिल हैं प्रतियों की एक बड़ी संख्यापांच हिस्टोन जीन, जिसके परिणामस्वरूप कई हिस्टोन का संश्लेषण होता है (विशेषकर एस-चरण के दौरान), जो प्रतिकृति के तुरंत बाद, एक नए डीएनए स्ट्रैंड से जुड़े होते हैं।
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि प्रक्रिया प्रतिकृतिअर्ध-रूढ़िवादी कहा जाता है, क्योंकि बेटी डीएनए अणुओं की संरचना में एक प्राथमिक श्रृंखला और एक संश्लेषित शामिल है।
डीएनए टेलोमेयर प्रतिकृति
संश्लेषण की मुख्य समस्या डीएनएलैगिंग स्ट्रैंड के अंत में डीएनए पोलीमरेज़ को उस अनुक्रम के अंत से ऊपर संलग्न करने की आवश्यकता होती है जिसे दोहराया जाता है और 5" से 3" अंत तक की दिशा में समीपस्थ रूप से काम करता है। इस समस्या को हल करने के लिए, एक डीएनए-सिंथेटिक एंजाइम, टेलोमेरेज़ की आवश्यकता होती है, जो लैगिंग श्रृंखला का विस्तार करता है।
टेलोमिरेज- राइबोन्यूक्लियोप्रोटीन जिसमें अनुक्रम 3"-AAUCCAAAU-5" के साथ मैट्रिक्स RNA होता है, जो छह-बेसिक टेलोमेरिक डीएनए (5"-GGGTTA-3") के डेढ़ दोहराव का पूरक है। आरएनए टेलोमेरेज़ का 3'-एएयू अनुक्रम टुकड़ा टीटीए-5' टेम्पलेट लैगिंग स्ट्रैंड के टर्मिनल छोर से जुड़ जाता है, जिससे बाकी आरएनए मुक्त हो जाता है। फिर डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोटाइड्स को इस दूत आरएनए से जोड़ा जाता है, जिससे डीएनए में दोहराव अनुक्रम एक खंड तक बढ़ जाता है।
इसके बाद टेलोमिरेजइसे अलग कर दिया जाता है और अनुक्रम TTA-5" के साथ दूसरे टर्मिनल छोर पर भेज दिया जाता है, और प्रक्रिया दोहराई जाती है। जैसे ही एक पर्याप्त लंबा टर्मिनल रिपीट दिखाई देता है, डीएनए पोलीमरेज़ परिणामी एकल-स्ट्रैंड वाले टुकड़े से जुड़ जाता है और दूसरे स्ट्रैंड को पूरा करता है समीपस्थ 5"-3" दिशा में संपूरकता विधि के अनुसार, पहले से मौजूद डबल-स्ट्रैंडेड साइट की ओर बढ़ते हुए, जिसके साथ बाद का संलयन डीएनए लिगेज की क्रिया के कारण होता है।
डीएनए मरम्मत तंत्र
कभी-कभी बढ़ने में जंजीरएक मिसबेस गलती से फंस जाता है, लेकिन सौभाग्य से, स्वस्थ कोशिकाओं में प्रतिकृति के बाद मरम्मत करने वाले एंजाइम और एक बेस मिसमैच सुधार प्रणाली होती है जो ऐसी त्रुटियों को ठीक करती है। इन प्रणालियों की क्रिया का तंत्र मैट्रिक्स श्रृंखला के अनुक्रम के अनुसार गलत तरीके से डाले गए आधारों को हटाने और बदलने पर आधारित है। उन्हें कार्य करने के लिए डीएनए पोलीमरेज़ बी और ई की आवश्यकता होती है।
डीएनए में दर्ज जानकारी को न केवल कोशिकाओं और जीवों के विकास की प्रक्रिया में लागू किया जाना चाहिए, बल्कि अगली पीढ़ी तक भी पूरी तरह से स्थानांतरित किया जाना चाहिए। इसके लिए कोशिका विभाजन से पहले उसमें एक प्रक्रिया को अंजाम दिया जाता है। प्रतिकृति, अर्थात। डीएनए की मात्रा दोगुनी करना।
प्रतिकृति के तंत्र के बारे में जानकारी डीएनए में ही निहित है: कुछ जीन एंजाइमों को एन्कोड करते हैं जो डीएनए अग्रदूतों - न्यूक्लियोटाइड्स को संश्लेषित करते हैं, अन्य - एंजाइम जो सक्रिय न्यूक्लियोटाइड्स के कनेक्शन को एक श्रृंखला में सुनिश्चित करते हैं। प्रतिकृति की क्रियाविधि सबसे पहले जे. वाटसन और एफ. क्रिक द्वारा प्रतिपादित की गई थी, जिन्होंने कहा था कि डीएनए श्रृंखलाओं की संपूरकता से पता चलता है कि यह अणु स्वयं की नकल कर सकता है। उन्होंने सुझाव दिया कि दोहरीकरण के लिए हाइड्रोजन बांड को तोड़ने और श्रृंखलाओं को अलग करने की आवश्यकता होती है, जिनमें से प्रत्येक एक पूरक श्रृंखला के संश्लेषण में एक टेम्पलेट की भूमिका निभाता है। एक दोहराव क्रिया के परिणामस्वरूप, दो डबल-स्ट्रैंडेड डीएनए अणु बनते हैं, जिनमें से प्रत्येक में एक मूल स्ट्रैंड और एक नया होता है (चित्र देखें)।
तंत्र का नाम दिया गया है अर्ध-रूढ़िवादी प्रतिकृति. बाद में, मैट्रिक्स प्रकृति और डीएनए प्रतिकृति के अनुमानित सिद्धांत की पुष्टि कई प्रयोगात्मक डेटा द्वारा की गई।
डीएनए प्रतिकृति गुणसूत्र पर विशिष्ट बिंदुओं पर शुरू होती है - प्रतिकृति आरंभ स्थल (उत्पत्ति)। प्रतिकृति प्रक्रिया बड़ी संख्या में एंजाइमों द्वारा संचालित होती है। जीवाणु डीएनए प्रतिकृति के उपकरण, विशेष रूप से ई. कोलाई, का सबसे गहन अध्ययन किया गया है। प्रोकैरियोट्स में डीएनए अणु को खोलने का कार्य विशिष्ट एंजाइमों द्वारा किया जाता है। हेलीकॉप्टर , जो काम के लिए एटीपी हाइड्रोलिसिस की ऊर्जा का उपयोग एडीपी में करते हैं। वे अक्सर एक प्रोटीन कॉम्प्लेक्स के हिस्से के रूप में कार्य करते हैं जो कांटा घुमाता है और बिना मुड़े हुए फिलामेंट्स की नकल करता है। अन्य विशिष्ट प्रोटीन जो एकल-फंसे हुए क्षेत्रों से जुड़ते हैं, डीएनए स्ट्रैंड को दोबारा जुड़ने से रोकते हैं। ये खंड, अलग-अलग दिशाओं में विचरण करते हुए, एक विशिष्ट संरचना बनाते हैं - प्रतिकृति कांटा (किर्न्स कांटा)। यह डीएनए अणु का वह हिस्सा है जिसमें वर्तमान में एक नए स्ट्रैंड का संश्लेषण हो रहा है। प्रोटीन फोर्क को बढ़ावा देने में बड़ी भूमिका निभाता है गिरजा , टोपोलॉजिकल आइसोमेरेज़ की श्रेणी से संबंधित है। यह केवल बैक्टीरिया में पाया जाता है। गाइरेज़ एक आरामदायक एंजाइम है, जो डबल-स्ट्रैंड ब्रेक का उत्पादन करके, सकारात्मक (कांटे के सामने) को हटा देता है और आराम से डीएनए में नकारात्मक (कांटे के पीछे) सुपरकोइल के गठन को बढ़ावा देता है।
मातृ डीएनए का प्रत्येक स्ट्रैंड बेटी अणुओं के संश्लेषण के लिए एक टेम्पलेट के रूप में कार्य करता है। एक स्ट्रैंड पर, संश्लेषण 5" से 3" सिरे तक की दिशा में लगातार चलता रहता है। इस श्रृंखला को लीडर कहा जाता है। विपरीत दिशा वाली दूसरी श्रृंखला, जिसे लैगिंग कहा जाता है, को अलग-अलग टुकड़ों के रूप में संश्लेषित किया जाता है, जिन्हें फिर लिगेज द्वारा एक सतत अणु में क्रॉसलिंक किया जाता है। टुकड़ों का नाम अमेरिकी वैज्ञानिक आर. ओकाज़ाकी के नाम पर रखा गया है, जिन्होंने सबसे पहले डीएनए संश्लेषण की इस विधि को प्रतिपादित किया था, ओकाजाकी के टुकड़े. संश्लेषण के दौरान, प्रतिकृति कांटा टेम्पलेट के साथ चलता है, और नए डीएनए खंड क्रमिक रूप से तब तक खोले जाते हैं जब तक कि कांटा संश्लेषण के अंतिम बिंदु (समाप्ति बिंदु) तक नहीं पहुंच जाता।
एक नए डीएनए स्ट्रैंड के संश्लेषण के लिए प्राइमर के रूप में एक छोटे आरएनए टुकड़े की आवश्यकता होती है इसके प्रमुख एंजाइम, डीएनए पोलीमरेज़ को काम करने के लिए एक मुक्त 3 "ओएच समूह की आवश्यकता होती है। समान कार्यों वाले तीन अलग-अलग डीएनए पोलीमरेज़, जिन्हें पोली, पोलीआईआई और पोलीIII के रूप में नामित किया गया है, प्रोकैरियोट्स में पाए गए हैं। डीएनए पोलीमरेज़ I का पूरी तरह से अध्ययन किया गया है। यह है बहुकार्यात्मक गतिविधि वाला एक एकल पॉलीपेप्टाइड (पोलीमरेज़, 3 "→ 5" एक्सोन्यूक्लिज़ और 5 "→ 3" एक्सोन्यूक्लिज़)। प्राइमर (प्राइमर) का संश्लेषण एंजाइम प्राइमेज़ द्वारा किया जाता है, जो कभी-कभी कॉम्प्लेक्स का हिस्सा होता है - प्राइमोसोम 15-20 प्रोटीन जो मैट्रिक्स को सक्रिय करते हैं। प्राइमर में 10 -60 राइबोन्यूक्लियोटाइड होते हैं। ई. कोली में डीएनए संश्लेषण के प्रमुख एंजाइम के बाद - पोलIII - पहले डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोटाइड्स को बीज से जोड़ता है, इसे पोली का उपयोग करके हटा दिया जाता है, जिसमें 3 " → 5" एक्सोन्यूक्लिज़ गतिविधि, यानी 3" - श्रृंखला के अंत से टर्मिनल न्यूक्लियोटाइड को अलग करने की क्षमता। बीज को प्रत्येक ओकाज़ाकी टुकड़े की शुरुआत में लैगिंग स्ट्रैंड में भी संश्लेषित किया जाता है। इसका विदलन, साथ ही पोलIII द्वारा संश्लेषित टुकड़ों का विस्तार, पोली द्वारा किया जाता है। ई. कोलाई डीएनए प्रतिकृति में पोलीआईआई की भूमिका अभी भी पूरी तरह से स्पष्ट नहीं है।
यूकेरियोटिक डीएनए प्रतिकृति के दौरान, गुणसूत्रों में प्रोटीन की उपस्थिति से प्रतिकृति प्रक्रिया जटिल होती है। डीएनए को सुलझाने के लिए, डीएनए और हिस्टोन के अत्यधिक संघनित परिसर को नष्ट करना आवश्यक है, और प्रतिकृति के बाद, फिर से बेटी अणुओं को संकुचित करना आवश्यक है। डीएनए के अनवाइंडिंग से प्रतिकृति फोर्क के पास स्थित क्षेत्रों में सुपरकोलिंग हो जाती है। परिणामी तनाव को दूर करने और कांटे की मुक्त गति के लिए, विशिष्ट विश्राम एंजाइम यहां काम करते हैं - टोपोईसोमेरासिज़. विभिन्न जीवों में दो प्रकार के टोपोइज़ोमेरेज़ की पहचान की गई है: प्रकार I और II। वे एक (प्रकार I टोपोइज़ोमेरेज़) या दोनों डीएनए स्ट्रैंड (प्रकार II टोपोइज़ोमेरेज़) में ब्रेक उत्पन्न करके सुपरकोइलिंग की डिग्री और सुपरकोइल के प्रकार को बदलते हैं और डीएनए उलझाव के जोखिम को खत्म करते हैं।
बैक्टीरियल डीएनए प्रतिकृति शुरुआत के एक ही स्थान के साथ एक द्विदिश प्रक्रिया है। इसके विपरीत, यूकेरियोटिक गुणसूत्र में अलग-अलग प्रतिकृति साइटें होती हैं - प्रतिकृतियां और कई दीक्षा साइटें होती हैं। प्रतिकृतियाँ अलग-अलग समय पर और अलग-अलग दरों पर दोहराई जा सकती हैं। यूकेरियोटिक कोशिकाओं में डीएनए प्रतिकृति की दर प्रोकैरियोटिक कोशिकाओं की तुलना में बहुत कम है। ई. कोलाई में, दर लगभग 1500 बीपी है। प्रति सेकंड, यूकेरियोट्स में - 10-100 बीपी। प्रति सेकंड। कुछ वायरस के डबल-स्ट्रैंडेड गोलाकार डीएनए एक रोलिंग रिंग पैटर्न में दोहराते हैं। इस मामले में, डीएनए के एक स्ट्रैंड को एक विशिष्ट एंजाइम द्वारा एक स्थान पर काट दिया जाता है, और न्यूक्लियोटाइड पोलIII एंजाइम की मदद से बने मुक्त 3 "ओएच-एंड से जुड़ना शुरू कर देते हैं। आंतरिक गोलाकार अणु एक मैट्रिक्स के रूप में कार्य करता है। कटे हुए स्ट्रैंड को विस्थापित किया जाता है और फिर लैगिंग चेन ई. कोली की तरह दोगुना करके टुकड़े बनाए जाते हैं जो लिगेज द्वारा क्रॉसलिंक किए जाते हैं।
