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🎓 B.Sc. (Hons.) Agriculture — Semester 3 📘 Subject Code: GPB 211 🧬 Subject: Principles of Genetics ⚖️ Credits: 3 (2+1) 📑 Lecture 22 of 27

Lecture 22: Replication of Genetic Material

व्याख्यान 22: आनुवंशिक पदार्थ की प्रतिकृति (डीएनए द्विगुणन की अर्ध-संरक्षी क्रियाविधि, प्रयोग एवं एंजाइम तंत्र)

प्रस्तावना एवं अध्ययन के उद्देश्य (Introduction & Learning Objectives)

किसी भी जीवित कोशिका के आनुवंशिक पदार्थ (Genetic Material) का सबसे मौलिक गुण यह है कि वह कोशिका विभाजन (Cell Division) से पूर्व अपनी बिल्कुल सटीक प्रतिलिपि (Exact Copy) बनाने में सक्षम हो। डीएनए से डीएनए की नई हूबहू प्रतियों के निर्माण की जैव-रासायनिक प्रक्रिया को डीएनए प्रतिकृति या डीएनए द्विगुणन (DNA Replication) कहते हैं। वर्ष 1953 में जब जेम्स वाटसन एवं फ्रांसिस क्रिक (James Watson and Francis Crick) ने डीएनए की द्विकुंडली संरचना (Double Helix Model) प्रस्तुत की, तो उन्होंने अपने ऐतिहासिक शोध-पत्र में तुरंत यह निष्कर्ष निकाला:

💡 वाटसन और क्रिक का ऐतिहासिक कथन (Watson & Crick’s Famous Statement, 1953)

“It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.”
हिंदी भावार्थ: “यह बात हमारे ध्यान से नहीं छूटी है कि हमने जिस विशिष्ट क्षारक-युग्मन (Specific Base Pairing: A = T तथा G ≡ C) की परिकल्पना की है, वह तत्काल आनुवंशिक पदार्थ की प्रतिलिपि बनाने की एक संभावित क्रियाविधि सुझाता है।”

कोशिका चक्र (Cell Cycle) की अंतरावस्था (Interphase) की संश्लेषण प्रावस्था (S-Phase / Synthesis Phase) के दौरान डीएनए प्रतिकृति संपन्न होती है। फ्रांसिस क्रिक द्वारा प्रतिपादित आणविक जीवविज्ञान के सेंट्रल डोग्मा (Central Dogma of Molecular Biology, 1958) में सूचना के प्रवाह का प्रथम चरण प्रतिकृति (Replication / Autocatalysis) ही है:

DNA ↺ (Replication) ⟶ mRNA (Transcription) ⟶ Protein (Translation)

🎯 इस व्याख्यान के प्रमुख अध्ययन उद्देश्य (Key Learning Objectives)

प्रतिकृति के तीन सैद्धांतिक मॉडलों को समझना: अर्ध-संरक्षी (Semiconservative), संरक्षी (Conservative) तथा परिक्षेपी (Dispersive) डीएनए प्रतिकृति मॉडलों का तुलनात्मक विश्लेषण करना।
प्रायोगिक प्रमाणों का अध्ययन करना: E. coli में मेसेल्सन एवं स्टाल प्रयोग (Meselson and Stahl Experiment, 1958), Vicia faba में टेलर, वुड्स एवं ह्यूजेस प्रयोग (Taylor, Woods and Hughes Experiment, 1957) और केयर्न्स के ऑटोरेडियोग्राफी प्रयोग (Cairns’ Experiment, 1963) को गहराई से समझना।
प्रतिकृति एंजाइम तंत्र (Replisome Machinery) का विश्लेषण: डीएनए हेलिकेज (DNA Helicase), एसएसबी प्रोटीन (SSB Proteins), टोपोआइसोमरेज/गायरेज (Topoisomerase/DNA Gyrase), आरएनए प्राइमेज (RNA Primase), प्रोकैरियोटिक एवं यूकैरियोटिक डीएनए पॉलीमरेज (DNA Polymerases I, II, III एवं α, β, γ, δ, ε) तथा डीएनए लाइगेज (DNA Ligase) के सटीक कार्यों को जानना।
अर्ध-असतत प्रतिकृति (Semi-discontinuous Replication) को स्पष्ट करना: अग्रगामी रज्जुक (Leading Strand), पश्चगामी रज्जुक (Lagging Strand), ओकाजाकी खंड (Okazaki Fragments) तथा प्रूफरीडिंग (Proofreading) की कार्यप्रणाली समझना।
विशेष प्रतिकृति तंत्र: थीटा (θ) मॉडल, रोलिंग सर्कल (σ) मॉडल और यूकैरियोट्स में अंत्य-प्रतिकृति समस्या (End-Replication Problem) एवं टेलोमरेज (Telomerase) की भूमिका को समझना।

प्रमुख वैज्ञानिक शब्दावली (Key Scientific Terminology)

वैज्ञानिक शब्द (Term)	हिंदी नाम (Hindi Term)	सटीक वैज्ञानिक परिभाषा (Scientific Definition)
Semiconservative Replication	अर्ध-संरक्षी प्रतिकृति	प्रतिकृति की वह विधि जिसमें प्रत्येक संतति डीएनए अणु (Daughter DNA molecule) में एक पुराना पैतृक रज्जुक (Parental strand) तथा एक नव-संश्लेषित पूरक रज्जुक (Newly synthesized strand) होता है।
Replicon	रेप्लिकॉन (प्रतिकृति इकाई)	डीएनए या जीनोम की वह स्वतंत्र इकाई जो एक एकल प्रतिकृति मूल (Single Origin of Replication) से अपनी प्रतिकृति प्रारंभ एवं पूर्ण करती है (जैकब एवं ब्रेनर, 1963)।
*Origin of Replication (oriC* / ARS)**	प्रतिकृति का मूल बिंदु	डीएनए अणु पर स्थित वह विशिष्ट न्यूक्लियोटाइड अनुक्रम जहाँ से द्विकुंडली का खुलना (Unwinding) और डीएनए संश्लेषण प्रारंभ होता है। E. coli में इसे oriC (245 bp) तथा यीस्ट में ARS (Autonomously Replicating Sequence) कहते हैं।
Replication Fork (Y-Fork)	प्रतिकृति द्विशाख (वाई-फोर्क)	डीएनए द्विकुंडली के खुलने वाले सक्रिय क्षेत्र पर बनने वाली ‘Y’-आकार की संरचना जहाँ पैतृक रज्जुक अलग होते हैं और नए रज्जुकों का संश्लेषण साथ-साथ चलता है।
Primosome	प्राइमोसोम कॉम्प्लेक्स	प्रतिकृति द्विशाख पर डीएनए हेलिकेज (DnaB), आरएनए प्राइमेज (DnaG) और सहायक प्रोटीनों से बना बहु-प्रोटीन संकुल जो आरएनए प्राइमर का निर्माण करता है।
Leading Strand	अग्रगामी रज्जुक (सतत रज्जुक)	वह नया डीएनए रज्जुक जिसका संश्लेषण 3′ → 5′ पैतृक टेम्पलेट पर प्रतिकृति फोर्क के बढ़ने की दिशा में (Toward the replication fork) 5′ → 3′ दिशा में सतत रूप से (Continuously) होता है।
Lagging Strand	पश्चगामी रज्जुक (असतत रज्जुक)	वह नया डीएनए रज्जुक जिसका संश्लेषण 5′ → 3′ पैतृक टेम्पलेट पर प्रतिकृति फोर्क के विपरीत दिशा में (Away from the replication fork) 5′ → 3′ दिशा में छोटे-छोटे खंडों के रूप में असतत रूप से (Discontinuously) होता है।
Okazaki Fragments	ओकाजाकी खंड	पश्चगामी रज्जुक (Lagging strand) पर असतत रूप से बनने वाले छोटे डीएनए खंड। इनकी लंबाई प्रोकैरियोट्स में 1000–2000 nt तथा यूकैरियोट्स में 100–200 nt होती है (रीजी एवं त्सुनेको ओकाजाकी, 1968)।
Processivity	प्रोसेसिविटी (संश्लेषण क्षमता)	किसी डीएनए पॉलीमरेज एंजाइम द्वारा टेम्पलेट रज्जुक से एक बार जुड़ने के बाद बिना अलग हुए जोड़े गए कुल न्यूक्लियोटाइडों की औसत संख्या।
Klenow Fragment	क्लेनो खंड	E. coli के डीएनए पॉलीमरेज I को सबटिलिसिन (Subtilisin) प्रोटिएज से उपचारित करने पर प्राप्त बड़ा प्रोटीन खंड जिसमें 5′ → 3′ पॉलीमरेज और 3′ → 5′ प्रूफरीडिंग एक्सोन्यूक्लिएज गतिविधि होती है, परंतु 5′ → 3′ एक्सोन्यूक्लिएज गतिविधि अनुपस्थित होती है।

डीएनए प्रतिकृति के तीन प्रस्तावित मॉडल (Three Proposed Models of DNA Replication)

वाटसन एवं क्रिक (1953) के मॉडल के पश्चात वैज्ञानिकों के समक्ष यह प्रश्न था कि पैतृक डीएनए द्विकुंडली (Parental DNA Double Helix) से दो संतति डीएनए अणुओं के निर्माण के समय पुराने और नए रज्जुकों का वितरण किस प्रकार होता है। इसके लिए मैक्स डेलब्रुक (Max Delbrück) एवं अन्य वैज्ञानिकों ने तीन संभावित सैद्धांतिक मॉडल प्रस्तुत किए:

1. अर्ध-संरक्षी मॉडल (Semiconservative Model — Watson & Crick, 1953)

इस मॉडल के अनुसार, प्रतिकृति के समय पैतृक डीएनए द्विकुंडली के दोनों रज्जुक (Strands) अपने बीच के हाइड्रोजन बंधों के टूटने से अलग हो जाते हैं।
प्रत्येक अलग हुआ पैतृक रज्जुक एक साँचे या टेम्पलेट (Template) की तरह कार्य करता है और पूरक क्षारक-युग्मन (A = T, G ≡ C) के नियम के अनुसार अपने सामने एक नए पूरक रज्जुक (Complementary strand) का संश्लेषण करता है।
परिणाम: बनने वाले दोनों संतति डीएनए द्विकुंडलियों (Daughter DNA duplexes) में 50% भाग (एक रज्जुक) पुराना पैतृक डीएनए और 50% भाग (एक रज्जुक) नव-संश्लेषित डीएनए होता है। चूंकि पैतृक डीएनए का आधा भाग संरक्षित रहता है, इसलिए इसे अर्ध-संरक्षी (Semiconservative) कहते हैं। यह सार्वभौमिक रूप से सही एवं प्रमाणित मॉडल है।

2. संरक्षी मॉडल (Conservative Model)

इस परिकल्पना के अनुसार, पैतृक डीएनए की द्विकुंडली खुले बिना (या प्रतिकृति के बाद पुनः जुड़कर) पूर्णतः सुरक्षित रहती है और पूरी द्विकुंडली से एक बिल्कुल नया संतति डीएनए अणु बनता है।
परिणाम: प्रथम पीढ़ी में प्राप्त दो डीएनए अणुओं में से एक अणु (100%) पूर्णतः पुराना पैतृक डीएनए होता है और दूसरा अणु (100%) पूर्णतः नव-संश्लेषित डीएनए होता है। इसमें कोई संकर (Hybrid) अणु नहीं बनता।

3. परिक्षेपी या विखंडी मॉडल (Dispersive Model — Max Delbrück, 1954)

इस मॉडल के अनुसार, पैतृक डीएनए अणु छोटे-छोटे खंडों में टूट जाता है, और नए डीएनए खंडों के संश्लेषण के बाद पुराने और नए खंड आपस में जुड़कर दो द्विकुंडली बनाते हैं।
परिणाम: संतति डीएनए के दोनों रज्जुकों में ही पुराने और नए डीएनए के टुकड़े (Segments) एकांतर क्रम में बिखरे हुए (Interspersed/Patchwork) पाए जाते हैं।

चित्र 22.1: डीएनए प्रतिकृति के तीन प्रस्तावित मॉडलों (Semiconservative, Conservative एवं Dispersive) की प्रथम एवं द्वितीय पीढ़ी में तुलना

अर्ध-संरक्षी प्रतिकृति के प्रायोगिक प्रमाण (Experimental Proofs of Semiconservative Replication)

1. मेसेल्सन एवं स्टाल का प्रयोग (Meselson and Stahl Experiment, 1958 — E. coli में प्रमाण)

वर्ष 1958 में कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (Caltech) के वैज्ञानिक मैथ्यू मेसेल्सन (Matthew Meselson) तथा फ्रैंकलिन स्टाल (Franklin Stahl) ने जीवाणु Escherichia coli (E. coli) पर एक अत्यंत सुंदर प्रयोग करके यह निर्विवाद रूप से सिद्ध किया कि डीएनए की प्रतिकृति अर्ध-संरक्षी (Semiconservative) होती है। विज्ञान के इतिहास में इस प्रयोग को “जीवविज्ञान का सबसे सुंदर प्रयोग” (The Most Beautiful Experiment in Biology) कहा जाता है।

प्रायोगिक सामग्री एवं तकनीक (Experimental Design & Technique):

प्रयुक्त समस्थानिक (Isotopes Used): उन्होंने नाइट्रोजन के दो गैर-रेडियोधर्मी (Non-radioactive) द्रव्यमान समस्थानिकों का उपयोग किया — भारी नाइट्रोजन समस्थानिक (¹⁵N) (स्रोत: ¹⁵NH₄Cl) तथा सामान्य/हल्का नाइट्रोजन समस्थानिक (¹⁴N) (स्रोत: ¹⁴NH₄Cl)।
(परीक्षा हेतु विशेष ध्यान दें: ¹⁵N एक भारी समस्थानिक (Heavy Isotope) है, यह रेडियोधर्मी (Radioactive) समस्थानिक नहीं है!)
पृथक्करण तकनीक (Separation Technique): विभिन्न घनत्व वाले डीएनए अणुओं को अलग करने के लिए उन्होंने 6 M सीज़ियम क्लोराइड (CsCl) साम्यावस्था घनत्व प्रवणता अपकेंद्रण (Equilibrium Density Gradient Ultracentrifugation) का उपयोग 40,000–50,000 rpm पर 20–48 घंटों तक किया।
उत्प्लावन घनत्व मान (Buoyant Density Values in CsCl):
- पूर्णतः भारी डीएनए (¹⁵N–¹⁵N Heavy DNA): घनत्व = 1.724 g/cm³ (अपकेंद्रण नली में सबसे नीचे बैठता है)।
- संकर/मध्यवर्ती डीएनए (¹⁵N–¹⁴N Hybrid DNA): घनत्व = 1.717 g/cm³ (नली के मध्य में पट्टी बनाता है)।
- पूर्णतः हल्का डीएनए (¹⁴N–¹⁴N Light DNA): घनत्व = 1.710 g/cm³ (नली में सबसे ऊपर पट्टी बनाता है)।

प्रायोगिक चरण एवं परिणाम (Steps & Generation-wise Observations):

पीढ़ी 0 (Generation 0 — 0 min): E. coli कोशिकाओं को कई पीढ़ियों तक केवल ¹⁵NH₄Cl वाले माध्यम में उगाया गया जिससे उनके समस्त डीएनए के दोनों रज्जुक भारी (¹⁵N/¹⁵N) हो गए। CsCl अपकेंद्रण पर 1.724 g/cm³ पर केवल एक भारी पट्टी (100% Heavy Band) प्राप्त हुई।
पीढ़ी 1 (Generation 1 — 20 min पश्चात): इसके बाद जीवाणुओं को अचानक सामान्य हल्के ¹⁴NH₄Cl माध्यम में स्थानांतरित किया गया। E. coli का विभाजन काल 20 मिनट होता है। 20 मिनट (प्रथम पीढ़ी) बाद डीएनए निकालने पर भारी पट्टी गायब हो गई और 1.717 g/cm³ पर केवल एक मध्यवर्ती/संकर पट्टी (100% Intermediate Hybrid ¹⁵N/¹⁴N Band) प्राप्त हुई।
निष्कर्ष 1: इस परिणाम ने संरक्षी मॉडल (Conservative Model) को तुरंत गलत साबित कर दिया, क्योंकि संरक्षी मॉडल के अनुसार प्रथम पीढ़ी में दो पट्टियाँ (50% भारी + 50% हल्की) मिलनी चाहिए थीं।
पीढ़ी 2 (Generation 2 — 40 min पश्चात): 40 मिनट (द्वितीय पीढ़ी) बाद डीएनए का अपकेंद्रण करने पर बराबर तीव्रता की दो पट्टियाँ प्राप्त हुईं — 50% संकर डीएनए (¹⁵N/¹⁴N, 1.717 g/cm³) तथा 50% हल्का डीएनए (¹⁴N/¹⁴N, 1.710 g/cm³)।
निष्कर्ष 2: इस परिणाम ने परिक्षेपी मॉडल (Dispersive Model) को भी खारिज कर दिया, क्योंकि परिक्षेपी मॉडल के अनुसार द्वितीय पीढ़ी में भी केवल एक ही पट्टी (हल्के और संकर के बीच के घनत्व वाली) मिलनी चाहिए थी।
पीढ़ी 3 (Generation 3 — 60 min पश्चात): कुल 2³ = 8 डीएनए द्विकुंडलियों में से 2 संकर (25% ¹⁵N/¹⁴N) तथा 6 हल्के (75% ¹⁴N/¹⁴N) प्राप्त हुए (अनुपात = 1 : 3)।

चित्र 22.2: मेसेल्सन एवं स्टाल प्रयोग (1958) में 0, 20, 40 एवं 60 मिनट पर CsCl अपकेंद्रण नलियों में प्राप्त डीएनए पट्टियाँ

2. टेलर, वुड्स एवं ह्यूजेस का प्रयोग (Taylor, Woods & Hughes Experiment, 1957 — गुणसूत्र स्तर पर प्रमाण)

वैज्ञानिक: जे. हर्बर्ट टेलर (J. Herbert Taylor), फिलिप वुड्स (Philip Woods) एवं वाल्टर ह्यूजेस (Walter Hughes) ने 1957 में यूकैरियोटिक पादप बाकला फली / ब्रॉड बीन (Vicia faba, 2n = 12) की मूल शिखाओं (Root tips) पर प्रयोग किया।
प्रयुक्त रेडियोधर्मी पदार्थ: उन्होंने ट्रिटिएटेड थाइमिडीन (³H-Thymidine — रेडियोधर्मी हाइड्रोजन ³H युक्त) और ऑटोरेडियोग्राफी (Autoradiography) तकनीक का उपयोग किया तथा मेटाफेज गुणसूत्रों को देखने के लिए कोल्चिसिन (Colchicine) का प्रयोग किया।
परिणाम: प्रथम कोशिका विभाजन (प्रथम S-phase में ³H-Thymidine में वृद्धि) के मेटाफेज में प्रत्येक गुणसूत्र के दोनों अर्धगुणसूत्र (Both Sister Chromatids) समान रूप से रेडियोधर्मी (Labeled) दिखाई दिए। जब इन जड़ों को सामान्य गैर-रेडियोधर्मी थाइमिडीन माध्यम में स्थानांतरित करके द्वितीय मेटाफेज का निरीक्षण किया गया, तो प्रत्येक गुणसूत्र की दो सिस्टर क्रोमैटिड्स में से केवल एक क्रोमैटिड रेडियोधर्मी (Labeled) थी और दूसरी पूर्णतः गैर-रेडियोधर्मी (Unlabeled) थी।
निष्कर्ष: इससे सिद्ध हुआ कि यूकैरियोटिक गुणसूत्रों में भी डीएनए का द्विगुणन अर्ध-संरक्षी (Semiconservative) होता है तथा एक क्रोमैटिड में एक ही लंबा द्वि-रज्जुकी डीएनए अणु (Unineme model of chromosome) होता है।

3. जॉन केयर्न्स का ऑटोरेडियोग्राफी प्रयोग (John Cairns’ Autoradiography Experiment, 1963)

जॉन केयर्न्स (John Cairns, 1963) ने E. coli जीवाणु को ³H-Thymidine में उगाकर उसके संपूर्ण वृत्ताकार डीएनए (Circular chromosome) की प्रतिकृति का ऑटोरेडियोग्राफी द्वारा अध्ययन किया।
उन्होंने देखा कि वृत्ताकार जीवाणु गुणसूत्र की प्रतिकृति के दौरान ग्रीक अक्षर थीटा (θ — Theta structure) जैसी आकृति बनती है, जिसे थीटा (θ) प्रतिकृति मॉडल (Theta Replication / Cairns Mode) कहा जाता है।
इस प्रयोग ने सिद्ध किया कि: (i) जीवाणु का डीएनए वृत्ताकार (Circular) होता है, (ii) इसमें प्रतिकृति एक निश्चित मूल बिंदु (Origin) से प्रारंभ होती है, और (iii) प्रतिकृति दोनों दिशाओं में (द्विदिशीय / Bidirectional) दो प्रतिकृति फोर्क्स (Two Replication Forks) के माध्यम से आगे बढ़ती है।

प्रतिकृति का मूल बिंदु एवं रेप्लिकॉन अवधारणा (Origin of Replication & Replicon Concept)

फ्रांस्वा जैकब एवं सिडनी ब्रेनर (François Jacob and Sydney Brenner, 1963) ने रेप्लिकॉन परिकल्पना (Replicon Hypothesis) प्रस्तुत की। उनके अनुसार डीएनए का वह खंड जो एक एकल प्रतिकृति मूल (Origin of replication) के नियंत्रण में प्रतिकृति करता है, रेप्लिकॉन (Replicon) कहलाता है। प्रत्येक रेप्लिकॉन में दो घटक होते हैं: (1) प्रतिकृति मूल (Origin / ori) जहाँ से प्रतिकृति शुरू होती है, और (2) इनिशिएटर प्रोटीन (Initiator Protein, जैसे DnaA) जो मूल बिंदु को पहचानता है।

1. प्रोकैरियोट्स में प्रतिकृति मूल (oriC in E. coli — Monorepliconic)

E. coli का संपूर्ण वृत्ताकार गुणसूत्र (4.6 × 10⁶ bp) केवल एक ही रेप्लिकॉन (Single Replicon / Monorepliconic) से बना होता है।
इसके प्रतिकृति मूल बिंदु को oriC कहते हैं, जिसकी कुल लंबाई 245 क्षारक युग्म (245 bp) होती है।
oriC क्षेत्र में दो अत्यंत महत्वपूर्ण संरक्षित अनुक्रम (Conserved consensus repeats) होते हैं:
1. पाँच 9-mer अनुक्रम (Five 9-bp repeats / R-sites): इन स्थलों पर DnaA इनिशिएटर प्रोटीन ATP की उपस्थिति में आकर जुड़ता है।
2. तीन 13-mer समृद्ध A=T अनुक्रम (Three 13-bp AT-rich repeats / DUE — DNA Unwinding Element): चूंकि एडेनिन और थाइमिन के बीच केवल दो हाइड्रोजन बंध (A=T) होते हैं (जबकि G≡C में तीन हाइड्रोजन बंध होते हैं), इसलिए A=T समृद्ध क्षेत्र को कम ऊर्जा में आसानी से खोला (Melt/Unwind) जा सकता है।

2. यूकैरियोट्स में प्रतिकृति मूल (Multiple Replicons / Multirepliconic)

यूकैरियोटिक जीवों का जीनोम अत्यंत विशाल और रैखिक (Linear) होता है, तथा यूकैरियोटिक डीएनए पॉलीमरेज की गति धीमी (लगभग 50–100 न्यूक्लियोटाइड/सेकंड) होती है।
अतः समय पर प्रतिकृति पूर्ण करने के लिए प्रत्येक यूकैरियोटिक गुणसूत्र में सैकड़ों से हजारों प्रतिकृति मूल बिंदु (Multiple Origins of Replication / Multirepliconic) पाए जाते हैं।
खमीर (Yeast — Saccharomyces cerevisiae) में इन मूल बिंदुओं को ARS (Autonomously Replicating Sequences — लगभग 100–200 bp लंबे) कहा जाता है, जिनसे ORC (Origin Recognition Complex — 6 प्रोटीन उप-इकाइयों का संकुल) जुड़ता है।

डीएनए प्रतिकृति के एंजाइम एवं प्रोटीन तंत्र (Enzymes & Proteins of DNA Replication)

डीएनए प्रतिकृति एक अत्यंत उच्च-परिशुद्धता (High-fidelity) वाली बहु-एंजाइमी प्रक्रिया है। प्रतिकृति द्विशाख (Replication fork) पर एक साथ मिलकर कार्य करने वाले समस्त एंजाइमों और प्रोटीनों के समूह को सामूहिक रूप से रेप्लिसोम (Replisome) कहते हैं।

1. सहायक एवं प्रारंभन प्रोटीन (Unwinding, Stabilizing & Priming Proteins)

(a) इनिशिएटर प्रोटीन (DnaA Protein in E. coli / ORC in Eukaryotes): यह oriC के 9-mer अनुक्रमों से जुड़ता है और 13-mer A=T समृद्ध क्षेत्र को खोलकर ‘ओपन कॉम्प्लेक्स’ (Open Complex) बनाता है।
(b) डीएनए हेलिकेज (DNA Helicase — DnaB gene product in E. coli / MCM2-7 in Eukaryotes): इसे “आणविक ज़िपर खोलने वाला एंजाइम” (Molecular Unwinding Enzyme) कहते हैं। यह एक षट्भुजीय रिंग (Hexameric ring) प्रोटीन है जो ATP के जल-अपघटन (ATP Hydrolysis) से ऊर्जा प्राप्त कर दोनों पैतृक रज्जुकों के मध्य स्थित हाइड्रोजन बंधों (Hydrogen Bonds) को तोड़ता है और द्विकुंडली को खोलकर प्रतिकृति फोर्क को आगे बढ़ाता है। (DnaC प्रोटीन हेलिकेज लोडर का कार्य करता है)।
(c) एकल-रज्जुक बंधन प्रोटीन (Single-Strand Binding Proteins — SSBs in Prokaryotes / RPA in Eukaryotes): हेलिकेज द्वारा अलग किए गए एकल डीएनए रज्जुकों से SSB प्रोटीन (चतुष्टय/Tetramer के रूप में) तुरंत जुड़ जाते हैं। इसके दो मुख्य कार्य हैं:
1. यह दोनों पृथक रज्जुकों को पुनः आपस में जुड़ने (Re-annealing) और हेयरपिन लूप बनाने से रोकता है।
2. यह एकल-रज्जुकी डीएनए को कोशिका के न्यूक्लिएज एंजाइमों के आक्रमण (Nuclease degradation) से बचाता है।
(d) टोपोआइसोमरेज / डीएनए गायरेज (Topoisomerases / DNA Gyrase): जब हेलिकेज डीएनए द्विकुंडली को खोलता है, तो प्रतिकृति फोर्क के आगे के हिस्से में अत्यधिक धनात्मक अति-कुंडलन (Positive Supercoiling / Torsional Strain) उत्पन्न हो जाता है। इसे दूर करने के लिए टोपोआइसोमरेज एंजाइम कार्य करते हैं:
- टोपोआइसोमरेज I (Topoisomerase I): यह डीएनए के केवल एक रज्जुक (Single strand) में अस्थायी कट (Nick) लगाकर तनाव दूर करता है और इसे ATP की आवश्यकता नहीं होती।
- टोपोआइसोमरेज II / डीएनए गायरेज (Topoisomerase II / DNA Gyrase in Bacteria): यह डीएनए के दोनों रज्जुकों (Both strands) को काटकर धनात्मक सुपरकॉइलिंग को समाप्त करता है और ऋणात्मक सुपरकॉइलिंग (Negative Supercoiling) उत्पन्न करता है। इसके लिए ATP आवश्यक होता है।
(e) आरएनए प्राइमेज (RNA Primase — DnaG gene product in E. coli): विश्व का कोई भी ज्ञात डीएनए पॉलीमरेज एंजाइम नए सिरे से (de novo) डीएनए रज्जुक का संश्लेषण प्रारंभ नहीं कर सकता; उसे न्यूक्लियोटाइड जोड़ने के लिए पहले से उपस्थित एक मुक्त 3′-OH समूह (Free 3′-OH end) की आवश्यकता होती है। इसलिए आरएनए प्राइमेज (जो वास्तव में एक DNA-dependent RNA Polymerase है) पैतृक डीएनए टेम्पलेट पर लगभग 10–12 राइबोन्यूक्लियोटाइड लंबा एक छोटा आरएनए प्राइमर (Short RNA Primer) बनाता है, जो डीएनए पॉलीमरेज को मुक्त 3′-OH सिरा उपलब्ध कराता है।

2. प्रोकैरियोटिक डीएनए पॉलीमरेज एंजाइम (Prokaryotic DNA Polymerases in E. coli)

E. coli में कुल पाँच डीएनए पॉलीमरेज (DNA Pol I, II, III, IV एवं V) पाए जाते हैं, जिनमें से प्रथम तीन सर्वाधिक महत्वपूर्ण हैं:

गुणधर्म (Property)	DNA Polymerase I (Kornberg Enzyme)	DNA Polymerase II	DNA Polymerase III (Holoenzyme)
खोजकर्ता एवं वर्ष (Discovery)	आर्थर कोर्नबर्ग (Arthur Kornberg, 1956) — प्रथम खोजा गया पॉलीमरेज (1959 नोबेल पुरस्कार)	थॉमस कोर्नबर्ग एवं एम. गेटर (T. Kornberg & Gefter, 1970)	थॉमस कोर्नबर्ग एवं मैल्कम गेटर (1970)
संरचनात्मक जीन (Gene)	polA जीन	polB जीन	polC (या dnaE) एवं अन्य जीन
अणुभार एवं उप-इकाइयाँ	103 kDa (एकल पॉलीपेप्टाइड / Monomeric — 928 अमीनो अम्ल)	88 kDa (Monomeric — 783 अमीनो अम्ल)	~900 kDa (असममित द्विलक बहु-उपइकाई होलोएंजाइम — 10 प्रकार की उप-इकाइयाँ)
प्रति कोशिका अणु संख्या	लगभग 400 अणु/कोशिका (सर्वाधिक संख्या)	लगभग 40–100 अणु/कोशिका	केवल 10–20 अणु/कोशिका
5′ → 3′ पॉलीमरेज गतिविधि	हाँ (उपस्थित)	हाँ (उपस्थित)	हाँ (उपस्थित — अत्यंत तीव्र)
3′ → 5′ एक्सोन्यूक्लिएज (Proofreading)	हाँ (त्रुटि सुधार हेतु)	हाँ (त्रुटि सुधार हेतु)	हाँ (ε / एप्सिलॉन उप-इकाई द्वारा)
5′ → 3′ एक्सोन्यूक्लिएज (Primer Removal)	हाँ (केवल DNA Pol I में उपस्थित!) — RNA प्राइमर हटाने एवं Nick Translation हेतु	नहीं (अनुपस्थित)	नहीं (अनुपस्थित)
बहुलकीकरण दर (Polymerization Rate)	मध्यम (16–20 न्यूक्लियोटाइड/सेकंड)	धीमी (5–40 न्यूक्लियोटाइड/सेकंड)	अत्यंत तीव्र (~1000 न्यूक्लियोटाइड/सेकंड)
प्रोसेसिविटी (Processivity)	कम (3–200 न्यूक्लियोटाइड)	मध्यम (~1500 न्यूक्लियोटाइड)	अत्यधिक उच्च (>5,00,000 न्यूक्लियोटाइड — β-sliding clamp के कारण)
प्रमुख जैविक कार्य (Main Biological Role)	RNA प्राइमर को हटाना (Primer excision), खाली स्थान भरना (Gap filling) एवं डीएनए मरम्मत (DNA Repair)	क्षतिग्रस्त डीएनए की मरम्मत (SOS DNA Repair) और रुके हुए प्रतिकृति फोर्क को पुनः चालू करना	मुख्य प्रतिकृति एंजाइम (Main Replicative Enzyme) — अग्रगामी एवं पश्चगामी दोनों रज्जुकों का मुख्य संश्लेषण

🔬 DNA Polymerase III Holoenzyme की प्रमुख उप-इकाइयाँ एवं कार्य

α (Alpha — dnaE): इसमें मुख्य 5′ → 3′ डीएनए पॉलीमरेज संश्लेषण गतिविधि होती है।
ε (Epsilon — dnaQ): इसमें 3′ → 5′ प्रूफरीडिंग एक्सोन्यूक्लिएज (Proofreading exonuclease) गतिविधि होती है।
θ (Theta — holE): यह ε उप-इकाई को सक्रिय और स्थिर रखती है। (α + ε + θ मिलकर Core Enzyme बनाते हैं)।
β (Beta — dnaN): यह एक रिंग के आकार का स्लाइडिंग क्लैम्प (β-Sliding Clamp) बनाता है जो डीएनए के चारों ओर लिपटकर एंजाइम की प्रोसेसिविटी (Processivity) को >5,00,000 न्यूक्लियोटाइड तक बढ़ा देता है।
τ (Tau — dnaX): यह दो कोर एंजाइमों को आपस में जोड़कर द्विलक (Dimer) बनाता है ताकि अग्रगामी और पश्चगामी रज्जुकों का संश्लेषण एक साथ समन्वित रूप से हो सके।
γ कॉम्प्लेक्स (Gamma Complex — γ, δ, δ’, χ, ψ): यह क्लैम्प लोडर (Clamp Loader) की तरह कार्य करता है जो ATP का उपयोग कर β-स्लाइडिंग क्लैम्प को डीएनए पर चढ़ाता है।

3. यूकैरियोटिक डीएनए पॉलीमरेज (Eukaryotic DNA Polymerases)

यूकैरियोटिक कोशिकाओं में पाँच प्रमुख क्लासिकल डीएनए पॉलीमरेज पाए जाते हैं, जिनका कार्य-विभाजन अत्यंत विशिष्ट होता है:

DNA Polymerase α (Alpha): इसमें अंतर्निहित प्राइमेज गतिविधि (Associated Primase activity) होती है। यह प्रतिकृति का प्रारंभन (Initiation) करता है और लगभग 10 nt का आरएनए प्राइमर तथा उसके आगे 20–30 nt का छोटा डीएनए खंड (iDNA) बनाता है। इसमें 3′ → 5′ प्रूफरीडिंग नहीं होती।
DNA Polymerase δ (Delta): यह पश्चगामी रज्जुक (Lagging Strand / Okazaki fragments) के मुख्य संश्लेषण और प्रूफरीडिंग के लिए उत्तरदायी है। इसकी उच्च प्रोसेसिविटी के लिए PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen — यूकैरियोटिक स्लाइडिंग क्लैम्प) आवश्यक होता है।
DNA Polymerase ε (Epsilon): यह अग्रगामी रज्जुक (Leading Strand) के सतत संश्लेषण तथा प्रूफरीडिंग का मुख्य एंजाइम है। (Pol α से Pol δ/ε के प्रतिस्थापन को Polymerase Switching कहते हैं)।
DNA Polymerase β (Beta): यह केंद्रक में डीएनए मरम्मत (Base Excision Repair — BER) का कार्य करता है।
DNA Polymerase γ (Gamma): यह कोशिकाद्रव्यी अंगकों — माइटोकॉन्ड्रिया (Mitochondria) और हरितलवक/प्लास्टिड (Chloroplast) के डीएनए की प्रतिकृति करता है।

4. डीएनए लाइगेज (DNA Ligase — “Molecular Glue / आणविक गोंद”)

जब DNA Pol I (प्रोकैरियोट्स में) या RNase H1 + FEN-1 (यूकैरियोट्स में) आरएनए प्राइमर को हटाकर उसके स्थान पर डीएनए न्यूक्लियोटाइड भर देते हैं, तब भी दो क्रमिक ओकाजाकी खंडों के बीच शर्करा-फॉस्फेट रीढ़ में एक एकल बंध की कमी रह जाती है जिसे निक (Nick) कहते हैं। डीएनए लाइगेज (DNA Ligase) एंजाइम एक खंड के मुक्त 3′-OH सिरे और अगले खंड के 5′-PO₄ सिरे के बीच 3’–5′ फॉस्फोडाइएस्टर बंध (Phosphodiester bond) बनाकर इस दरार (Nick) को सील कर देता है।
सह-कारक (Cofactor): E. coli के डीएनए लाइगेज को ऊर्जा के लिए NAD⁺ की आवश्यकता होती है, जबकि जीवाणुभोजी T4 (Bacteriophage T4) और यूकैरियोटिक डीएनए लाइगेज को ATP की आवश्यकता होती है।

अर्ध-असतत प्रतिकृति की संपूर्ण क्रियाविधि (Mechanism of Semi-Discontinuous Replication)

प्रतिकृति अर्ध-असतत (Semi-discontinuous) क्यों होती है?

डीएनए द्विकुंडली के दोनों पैतृक रज्जुक प्रति-समांतर (Antiparallel: एक 3′ → 5′ दिशा में और दूसरा 5′ → 3′ दिशा में) होते हैं, परंतु सभी डीएनए पॉलीमरेज एंजाइम नए रज्जुक का संश्लेषण केवल एक ही दिशा में — अर्थात् 5′ → 3′ दिशा में (मुक्त 3′-OH सिरे पर नया डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोसाइड ट्राइफॉस्फेट dNTP जोड़कर) कर सकते हैं:

(DNA)_n [Free 3′-OH] + dNTP ⎯⎯^{DNA Polymerase (Mg²⁺)}⎯⎯→ (DNA)_n+1 + PP_i (Pyrophosphate)

रिलीज हुए पाइरोफॉस्फेट (PP_i) का अकार्बनिक पाइरोफॉस्फेटेज (Inorganic pyrophosphatase) द्वारा दो अकार्बनिक फॉस्फेट (2 P_i) में जल-अपघटन हो जाता है, जो इस अभिक्रिया को ऊष्मागतिकीय रूप से अनुत्क्रमणीय (Irreversible) और आगे बढ़ने योग्य बनाता है।

1. अग्रगामी रज्जुक (Leading Strand — सतत संश्लेषण)

पैतृक डीएनए का वह रज्जुक जिसकी ध्रुवता प्रतिकृति फोर्क की दिशा में 3′ → 5′ होती है, उसे अग्रगामी रज्जुक का टेम्पलेट (Leading Strand Template) कहते हैं।
इस टेम्पलेट पर केवल एक ही प्रारंभिक आरएनए प्राइमर (Single RNA Primer) की आवश्यकता होती है, जिसके बाद DNA Pol III (या यूकैरियोट्स में Pol ε) प्रतिकृति फोर्क के खुलने की दिशा में ही (Toward the replication fork) बिना रुके सतत रूप से (Continuously) 5′ → 3′ दिशा में नया रज्जुक बनाता चला जाता है।

2. पश्चगामी रज्जुक एवं ओकाजाकी खंड (Lagging Strand & Okazaki Fragments — असतत संश्लेषण)

पैतृक डीएनए का दूसरा रज्जुक जिसकी ध्रुवता फोर्क की दिशा में 5′ → 3′ होती है, उस पर नया रज्जुक फोर्क की दिशा में नहीं बन सकता (क्योंकि 3′ → 5′ पॉलीमरेज उपलब्ध नहीं है)।
अतः जैसे-जैसे प्रतिकृति फोर्क थोड़ा खुलता है, आरएनए प्राइमेज फोर्क के पास बार-बार अनेक छोटे आरएनए प्राइमर (Multiple RNA Primers) बनाता है, और DNA Pol III (या यूकैरियोट्स में Pol δ) प्रतिकृति फोर्क से दूर विपरीत दिशा में (Away from the replication fork) 5′ → 3′ दिशा में छोटे-छोटे डीएनए टुकड़ों का संश्लेषण करता है।
जापानी वैज्ञानिक रीजी ओकाजाकी एवं त्सुनेको ओकाजाकी (Reiji and Tsuneko Okazaki, 1968) ने T4 बैक्टीरियोफेज और E. coli में पल्स-चेज़ (³H-Thymidine pulse-labeling) प्रयोग द्वारा इन असतत टुकड़ों की खोज की, जिन्हें ओकाजाकी खंड (Okazaki Fragments) कहते हैं:
- प्रोकैरियोट्स में ओकाजाकी खंड की लंबाई: 1000 से 2000 न्यूक्लियोटाइड (1000–2000 nt)।
- यूकैरियोट्स में ओकाजाकी खंड की लंबाई: 100 से 200 न्यूक्लियोटाइड (100–200 nt)।
अंत में DNA Polymerase I अपनी 5′ → 3′ एक्सोन्यूक्लिएज गतिविधि से आरएनए प्राइमरों को हटाता है, अपनी 5′ → 3′ पॉलीमरेज गतिविधि से रिक्त स्थान भरता है, और डीएनए लाइगेज (DNA Ligase) सभी ओकाजाकी खंडों को जोड़कर एक अखंड रज्जुक बना देता है।
चूंकि एक रज्जुक सतत (Continuous) और दूसरा रज्जुक असतत (Discontinuous) रूप से बनता है, इसलिए डीएनए प्रतिकृति को अर्ध-असतत (Semi-discontinuous) कहा जाता है।

चित्र 22.3: डीएनए प्रतिकृति फोर्क का विस्तृत आरेख — अग्रगामी रज्जुक, पश्चगामी रज्जुक, ओकाजाकी खंड एवं रेप्लिसोम एंजाइम

3. प्रूफरीडिंग एवं उच्च परिशुद्धता (Proofreading & High Fidelity of Replication)

डीएनए प्रतिकृति अत्यंत सटीक प्रक्रिया है जिसमें अंतिम त्रुटि दर केवल 10⁻⁹ से 10⁻¹⁰ प्रति क्षारक युग्म (अर्थात् प्रति 1 से 10 अरब क्षारकों में केवल 1 गलती) होती है। यह परिशुद्धता तीन स्तरों पर सुनिश्चित की जाती है:

सटीक क्षारक चयन (Base Selection by Polymerase): 5′ → 3′ पॉलीमरेज सक्रिय स्थल केवल सही वाटसन-क्रिक ज्यामिति वाले न्यूक्लियोटाइड को ही जोड़ता है (त्रुटि दर 10⁻⁴ से 10⁻⁵)।
3′ → 5′ एक्सोन्यूक्लिएज प्रूफरीडिंग (Proofreading by 3′ → 5′ Exonuclease): यदि गलती से कोई गलत न्यूक्लियोटाइड (Mismatched base, जैसे टॉटोमेरिक शिफ्ट के कारण A के सामने C) जुड़ जाता है, तो DNA Pol III की ε (Epsilon) उप-इकाई (या DNA Pol I / Pol δ / Pol ε) आगे बढ़ने से पहले पीछे लौटकर (3′ → 5′ दिशा में) उस गलत न्यूक्लियोटाइड को तुरंत काटकर हटा देती है और सही न्यूक्लियोटाइड जोड़ती है (त्रुटि दर घटकर 10⁻⁷ हो जाती है)।
प्रतिकृति-पश्चात मिसमैच मरम्मत (Post-replicative Mismatch Repair — Dam Methylation & MutS/MutL/MutH system): प्रतिकृति के बाद बची हुई त्रुटियों को मिसमैच रिपेयर तंत्र सुधारता है, जिससे समग्र परिशुद्धता 10⁻⁹–10⁻¹⁰ हो जाती है। (E. coli में Dam methylase एंजाइम 5′-GATC-3′ अनुक्रम के एडेनिन का मिथाइलेशन करता है जिससे पैतृक रज्जुक मिथाइलेटेड और नया रज्जुक कुछ समय तक अन-मिथाइलेटेड रहता है)।

4. प्रतिकृति का समापन (Termination of Replication — Ter Sites & Tus Protein)

E. coli के वृत्ताकार गुणसूत्र में oriC के ठीक विपरीत (180° पर) समापन क्षेत्र में विशिष्ट Ter अनुक्रम (TerA–TerJ, प्रत्येक 23 bp) होते हैं। इन Ter स्थलों से Tus प्रोटीन (Terminus Utilization Substance) जुड़ता है, जो विपरीत दिशा से आने वाले DnaB हेलिकेज को रोककर प्रतिकृति फोर्क का समापन करता है। अंत में आपस में गुंथे हुए दोनों वृत्ताकार संतति गुणसूत्रों (Catenanes) को टोपोआइसोमरेज IV (Topoisomerase IV) अलग (Decatenate) करता है।

विशेष प्रतिकृति मॉडल एवं यूकैरियोट्स में टेलोमरेज (Special Modes & Telomerase)

1. रोलिंग सर्कल प्रतिकृति मॉडल (Rolling Circle Replication / σ-Mode — Gilbert & Dressler, 1968)

प्रतिपादक: वाल्टर गिलबर्ट एवं डेविड ड्रेसलर (Walter Gilbert and David Dressler, 1968)।
उदाहरण: जीवाणुभोजी φX174 (केवल अपने RF / Replicative Form द्विकुंडली अवस्था के दौरान), बैक्टीरियोफेज लैम्ब्डा (λ-phage), M13 फेज, जीवाणु संयुग्मन (Bacterial conjugation) के समय F-प्लाज्मिड (F-factor) तथा Xenopus उभयचर के अंडों में rRNA जीनों के प्रवर्धन (Gene amplification) में।
क्रियाविधि: वृत्ताकार द्वि-रज्जुकी डीएनए के बाहरी धनात्मक रज्जुक (+ strand) पर एक विशिष्ट एंडोन्यूक्लिएज (जैसे φX174 में Gene A protein) एक कट (Nick) लगाता है जिससे मुक्त 3′-OH और 5′-PO₄ सिरे बनते हैं। भीतरी ऋणात्मक रज्जुक (− strand) एक बंद वृत्ताकार साँचे (Rolling template) की तरह घूमता है और मुक्त 3′-OH सिरे पर बिना किसी आरएनए प्राइमर के नया डीएनए जुड़ता जाता है, जबकि 5′ सिरा एक लंबी पूँछ (Tail) के रूप में बाहर निकलता जाता है, जिससे ग्रीक अक्षर सिग्मा (σ) जैसी आकृति बनती है। इस लंबी पूँछ में जीनोम की अनेक क्रमिक प्रतियाँ होती हैं जिन्हें कॉनकैटेमर (Concatemer) कहते हैं।

2. डी-लूप (विस्थापन लूप) प्रतिकृति (D-Loop / Displacement Loop Replication)

यह तंत्र माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए (mtDNA) तथा क्लोरोप्लास्ट डीएनए (cpDNA) जैसे कोशिकाद्रव्यी अंगकों में पाया जाता है।
इसमें भारी रज्जुक (H-strand) और हल्के रज्जुक (L-strand) के प्रतिकृति मूल बिंदु अलग-अलग होते हैं। पहले एक रज्जुक का संश्लेषण प्रारंभ होता है जो दूसरे पैतृक रज्जुक को विस्थापित करके एक ‘D’-आकार का लूप (Displacement Loop) बनाता है।

3. अंत्य-प्रतिकृति समस्या एवं टेलोमरेज एंजाइम (End-Replication Problem & Telomerase)

समस्या (End-Replication Problem): प्रोकैरियोट्स का डीएनए वृत्ताकार होता है, इसलिए प्राइमर हटने के बाद पीछे से आने वाला 3′-OH सिरा खाली स्थान को भर देता है। परंतु यूकैरियोटिक गुणसूत्र रैखिक (Linear) होते हैं। जब रैखिक गुणसूत्र के बिल्कुल अंतिम सिरे (Telomere end) पर पश्चगामी रज्जुक (Lagging strand) का सबसे आखिरी आरएनए प्राइमर हटता है, तो उसके पीछे कोई 3′-OH समूह उपलब्ध नहीं होता। फलस्वरूप प्रत्येक कोशिका विभाजन में गुणसूत्र का 5′ सिरा 50–200 bp छोटा होता जाएगा।
समाधान — टेलोमरेज एंजाइम (Telomerase — Greider & Blackburn, 1985):
- खोजकर्ता: एलिजाबेथ ब्लैकबर्न (Elizabeth Blackburn), कैरोल ग्राइडर (Carol Greider) एवं जैक जोस्टाक (Jack Szostak) ने प्रोटोजोआ Tetrahymena में टेलोमरेज (Telomerase) एंजाइम की खोज की, जिसके लिए उन्हें 2009 में चिकित्सा का नोबेल पुरस्कार प्रदान किया गया।
- प्रकृति: टेलोमरेज एक राइबोन्यूक्लियोप्रोटीन एंजाइम (Ribonucleoprotein enzyme: TERT प्रोटीन + TER/TR आरएनए घटक) है।
- क्रियाविधि: टेलोमरेज के भीतर स्वयं का एक अंतर्निहित आरएनए टेम्पलेट (Intrinsic RNA Template, जैसे मानव में 3′-AAUCCC-5′) होता है। यह एक विशेष आरएनए-निर्भर डीएनए पॉलीमरेज अर्थात् रिवर्स ट्रांसक्रिप्टेज (Reverse Transcriptase) की तरह कार्य करता है और पैतृक 3′ ओवरहैंग सिरे पर बार-बार टेलोमेरिक डीएनए पुनरावृत्तियाँ (मानव में 5′-TTAGGG-3′ तथा Arabidopsis पादप में 5′-TTTAGGG-3′) जोड़कर उसे लंबा कर देता है, जिस पर फिर प्राइमेज और DNA Pol α/δ पूरक रज्जुक पूरा कर लेते हैं।

माइंड मैप एवं त्वरित दृश्य पुनरीक्षण (Mind Map & Visual Summary)

🧬 डीएनए प्रतिकृति (DNA Replication — S-Phase of Interphase)

1. प्रतिमान एवं प्रायोगिक प्रमाण

अर्ध-संरक्षी (Semiconservative): वाटसन एवं क्रिक (1953)
मेसेल्सन एवं स्टाल (1958): E. coli, ¹⁵N/¹⁴N भारी समस्थानिक + CsCl अपकेंद्रण
टेलर एवं सहयोगी (1957): Vicia faba मूल शिखा, ³H-Thymidine ऑटोरेडियोग्राफी
जॉन केयर्न्स (1963): E. coli में द्विदिशीय थीटा (θ) प्रतिकृति

2. रेप्लिसोम एंजाइम मशीनरी

DnaA / ORC: मूल बिंदु (oriC / ARS) की पहचान
DNA Helicase (DnaB): हाइड्रोजन बंध तोड़ना (ATP)
SSB / RPA: एकल रज्जुक को स्थिर रखना
DNA Gyrase (Topo II): धनात्मक सुपरकॉइलिंग हटाना
RNA Primase (DnaG): 10–12 nt आरएनए प्राइमर बनाना
DNA Ligase: फॉस्फोडाइएस्टर बंध द्वारा निक सील करना

3. डीएनए पॉलीमरेज तंत्र

DNA Pol I (Kornberg): 5′ → 3′ एक्सोन्यूक्लिएज द्वारा प्राइमर हटाना + गैप भरना
DNA Pol II: SOS डीएनए मरम्मत
DNA Pol III Holoenzyme: मुख्य प्रतिकृति एंजाइम (~1000 nt/s, β-clamp)
यूकैरियोट्स: Pol α (प्राइमर), Pol ε (लीडिंग), Pol δ (लैगिंग), Pol β (रिपेयर), Pol γ (mtDNA)

4. अर्ध-असतत एवं विशेष तंत्र

संश्लेषण दिशा: सदैव 5′ → 3′
लीडिंग रज्जुक: फोर्क की ओर सतत संश्लेषण
लैगिंग रज्जुक: फोर्क से दूर ओकाजाकी खंडों (1000–2000 nt प्रोकैरियोट्स; 100–200 nt यूकैरियोट्स) द्वारा असतत
रोलिंग सर्कल (σ): φX174, λ-phage, F-plasmid
टेलोमरेज (1985): यूकैरियोटिक सिरों का रिवर्स ट्रांसक्रिप्टेज

महत्वपूर्ण तुलनात्मक सारणियाँ (Master Comparison Tables)

सारणी 10.1: अग्रगामी रज्जुक बनाम पश्चगामी रज्जुक (Leading Strand vs. Lagging Strand)

तुलना का आधार (Basis)	अग्रगामी रज्जुक (Leading Strand)	पश्चगामी रज्जुक (Lagging Strand)
पैतृक टेम्पलेट की दिशा (Template Polarity)	प्रतिकृति फोर्क की ओर 3′ → 5′ दिशा में	प्रतिकृति फोर्क की ओर 5′ → 3′ दिशा में (अर्थात् फोर्क से दूर 3′ → 5′)
नए रज्जुक के संश्लेषण की दिशा	5′ → 3′ दिशा में — प्रतिकृति फोर्क की ओर (Toward the replication fork)	5′ → 3′ दिशा में — प्रतिकृति फोर्क से दूर (Away from the replication fork)
संश्लेषण की प्रकृति (Nature of Synthesis)	सतत संश्लेषण (Continuous Synthesis) — एक अखंड रज्जुक के रूप में	असतत संश्लेषण (Discontinuous Synthesis) — छोटे-छोटे खंडों के रूप में
ओकाजाकी खंड (Okazaki Fragments)	अनुपस्थित (कोई ओकाजाकी खंड नहीं बनते)	उपस्थित (प्रोकैरियोट्स: 1000–2000 nt; यूकैरियोट्स: 100–200 nt)
आरएनए प्राइमर की आवश्यकता (RNA Primer)	प्रारंभ में केवल एक आरएनए प्राइमर (Single RNA Primer) की आवश्यकता होती है	प्रत्येक ओकाजाकी खंड के लिए अनेक आरएनए प्राइमरों (Multiple RNA Primers) की आवश्यकता होती है
यूकैरियोट्स में मुख्य पॉलीमरेज	DNA Polymerase ε (Epsilon)	DNA Polymerase δ (Delta)
डीएनए लाइगेज की भूमिका (DNA Ligase)	केवल अंतिम समापन पर आवश्यक	प्रत्येक ओकाजाकी खंड के बीच की दरार (Nick) को जोड़ने के लिए निरंतर आवश्यक

सारणी 10.2: प्रोकैरियोटिक बनाम यूकैरियोटिक डीएनए प्रतिकृति (Prokaryotic vs. Eukaryotic DNA Replication)

लक्षण (Feature)	प्रोकैरियोटिक प्रतिकृति (Prokaryotic — जैसे E. coli)	यूकैरियोटिक प्रतिकृति (Eukaryotic — जैसे पादप एवं जंतु)
कोशिका में स्थान एवं समय	कोशिकाद्रव्य (Cytoplasm / Nucleoid) में कोशिका विभाजन से पूर्व किसी भी समय	केंद्रक (Nucleus) में केवल कोशिका चक्र की S-प्रावस्था (S-Phase of Interphase) में
डीएनए का स्वरूप	वृत्ताकार द्वि-रज्जुकी डीएनए (Circular dsDNA), हिस्टोन-रहित	रैखिक द्वि-रज्जुकी डीएनए (Linear dsDNA), न्यूक्लियोसोम हिस्टोन (H2A, H2B, H3, H4) के साथ
रेप्लिकॉन एवं मूल बिंदु (Origins)	एकल रेप्लिकॉन (Monorepliconic) — केवल एक मूल बिंदु (oriC, 245 bp)	बहु-रेप्लिकॉन (Multirepliconic) — प्रति गुणसूत्र सैकड़ों से हजारों मूल बिंदु (ARS)
मुख्य प्रतिकृति पॉलीमरेज	DNA Polymerase III Holoenzyme (अग्रगामी एवं पश्चगामी दोनों पर)	DNA Pol ε (लीडिंग) एवं DNA Pol δ (लैगिंग), प्रारंभन DNA Pol α द्वारा
स्लाइडिंग क्लैम्प प्रोटीन	β-Sliding Clamp (समद्विलक / Homodimer)	PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen) (समत्रिलक / Homotrimer)
प्रतिकृति की गति (Speed)	अत्यंत तीव्र (लगभग 1000–2000 न्यूक्लियोटाइड/सेकंड)	तुलनात्मक रूप से धीमी (लगभग 50–100 न्यूक्लियोटाइड/सेकंड)
ओकाजाकी खंडों का आकार	बड़े (1000–2000 न्यूक्लियोटाइड)	छोटे (100–200 न्यूक्लियोटाइड)
आरएनए प्राइमर हटाने वाला एंजाइम	DNA Polymerase I (5′ → 3′ Exonuclease activity)	RNase H1 एवं FEN-1 (Flap Endonuclease-1)
टेलोमरेज की आवश्यकता	नहीं (क्योंकि डीएनए वृत्ताकार है, कोई मुक्त सिरा नहीं होता)	हाँ (रैखिक गुणसूत्रों के सिरों को छोटा होने से बचाने के लिए आवश्यक)

हल किए गए संख्यात्मक प्रश्न (Solved Numericals & Practical Examples)

🧮 सूत्र पेटी (Master Formula Box for Meselson-Stahl & Replication Calculations)

यदि एक पूर्णतः भारी नाइट्रोजन (¹⁵N/¹⁵N) युक्त डीएनए अणु को हल्के ¹⁴N माध्यम में n पीढ़ियों (Generations) तक द्विगुणित कराया जाए, तो:

कुल संतति डीएनए अणु (Total DNA duplex molecules after n generations): N_total = 2ⁿ
कुल एकल डीएनए रज्जुक (Total single DNA strands): 2 × 2ⁿ = 2ⁿ⁺¹ (जिनमें पैतृक ¹⁵N रज्जुक सदैव 2 होते हैं)
भारी डीएनए अणु (¹⁵N/¹⁵N Heavy molecules for n ≥ 1): 0
संकर डीएनए अणु (¹⁵N/¹⁴N Hybrid molecules for n ≥ 1): सदैव 2 (प्रारंभिक प्रत्येक पैतृक अणु के लिए 2)
हल्के डीएनए अणु (¹⁴N/¹⁴N Light molecules): 2ⁿ − 2
संकर : हल्के डीएनए का अनुपात (Hybrid : Light Ratio): 2 : (2ⁿ − 2) = 1 : (2ⁿ⁻¹ − 1)

उदाहरण 1 (Meselson-Stahl Generation Problem):

प्रश्न: एक E. coli कोशिका जिसका डीएनए पूर्णतः ¹⁵N से चिह्नित (Labeled) है, उसे ¹⁴NH₄Cl वाले संवर्धन माध्यम में रखा जाता है। यदि E. coli प्रत्येक 20 मिनट में विभाजित होता है, तो 80 मिनट बाद प्राप्त होने वाले डीएनए अणुओं में भारी (¹⁵N/¹⁵N), संकर (¹⁵N/¹⁴N) एवं हल्के (¹⁴N/¹⁴N) डीएनए अणुओं की संख्या, प्रतिशत एवं अनुपात ज्ञात कीजिए।

हल (Step-by-Step Solution):

पीढ़ियों की संख्या (n): n = कुल समय (Total Time)विभाजन काल (Generation Time) = 80 min20 min = 4 पीढ़ियाँ (4 Generations)
कुल संतति डीएनए अणुओं की संख्या (N_total): N_total = 2ⁿ = 2⁴ = 16 डीएनए अणु
विभिन्न प्रकार के डीएनए अणुओं की गणना:
- भारी डीएनए (¹⁵N/¹⁵N) = 0 (0%)
- संकर डीएनए (¹⁵N/¹⁴N) = सदैव 2 अणु ⇒ प्रतिशत = (2 / 16) × 100 = 12.5%
- हल्का डीएनए (¹⁴N/¹⁴N) = 2⁴ − 2 = 16 − 2 = 14 अणु ⇒ प्रतिशत = (14 / 16) × 100 = 87.5%
अनुपात (Heavy : Hybrid : Light): 0 : 2 : 14 या सरल अनुपात (Hybrid : Light) = 1 : 7।

उदाहरण 2 (Bidirectional Replication Time Calculation):

प्रश्न: E. coli के वृत्ताकार गुणसूत्र में कुल 4.6 × 10⁶ क्षारक युग्म (bp) होते हैं। यदि प्रतिकृति एकल मूल बिंदु (oriC) से द्विदिशीय (Bidirectional — दो प्रतिकृति फोर्क्स द्वारा) रूप से होती है और प्रत्येक प्रतिकृति फोर्क की गति 1000 bp/second है, तो संपूर्ण जीनोम की प्रतिकृति पूर्ण होने में कितना समय (मिनट में) लगेगा?

हल (Step-by-Step Solution):

चूंकि प्रतिकृति द्विदिशीय (Bidirectional) है, इसलिए दो प्रतिकृति फोर्क एक साथ विपरीत दिशाओं में चलते हैं। अतः दोनों फोर्क्स की संयुक्त प्रतिकृति दर: संयुक्त दर (Combined Rate) = 2 × 1000 bp/sec = 2000 bp/second
संपूर्ण जीनोम (4.6 × 10⁶ bp) की प्रतिकृति में लगने वाला कुल समय (T): T = 4.6 × 10⁶ bp2000 bp/sec = 2300 seconds = 230060 ≈ 38.33 मिनट

उदाहरण 3 (Template to Newly Synthesized Strand Polarity & Sequence):

प्रश्न: यदि किसी डीएनए के टेम्पलेट रज्जुक का अनुक्रम 3′-T A C G G C A T T A-5′ है, तो डीएनए प्रतिकृति के दौरान बनने वाले नए पूरक डीएनए रज्जुक का अनुक्रम और ध्रुवता क्या होगी?

हल: डीएनए प्रतिकृति में नया रज्जुक सदैव 5′ → 3′ दिशा में बनता है तथा A के सामने T (ध्यान दें: डीएनए प्रतिकृति में थाइमिन T जुड़ता है, यूरेसिल U नहीं!) और G के सामने C जुड़ता है:

पैतृक टेम्पलेट (Template): 3′ — T A C G G C A T T A — 5′
नया संतति रज्जुक (New DNA): 5′ — A T G C C G T A A T — 3′

20 बहुविकल्पीय प्रश्न — उत्तर एवं व्याख्या सहित (20 Solved MCQs)

Q1. जीवाणु E. coli में डीएनए की अर्ध-संरक्षी प्रतिकृति (Semiconservative replication of DNA) का सर्वप्रथम प्रायोगिक प्रमाण किसने प्रस्तुत किया था? (Who experimentally proved semiconservative replication of DNA in E. coli?)

(A) वाटसन एवं क्रिक (Watson and Crick, 1953)
(B) मेसेल्सन एवं स्टाल (Meselson and Stahl, 1958)
(C) टेलर, वुड्स एवं ह्यूजेस (Taylor, Woods and Hughes, 1957)
(D) हर्शे एवं चेज़ (Hershey and Chase, 1952)