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🎓 B.Sc. (Hons.) Agriculture — Semester 3 📘 Subject Code: GPB 211 🧬 Subject: Principles of Genetics ⚖️ Credits: 3 (2+1) 📑 Lecture 24 of 27

Lecture 24: Translational Mechanism of Genetic Material

व्याख्यान 24: आनुवंशिक पदार्थ की स्थानांतरण क्रियाविधि (आनुवंशिक कूट, वोबल परिकल्पना, राइबोसोम, tRNA चार्जिंग एवं प्रोटीन संश्लेषण के चरण)

प्रस्तावना एवं अध्ययन के उद्देश्य (Introduction & Learning Objectives)

आणविक जीवविज्ञान के सेंट्रल डोग्मा (Central Dogma) का अंतिम और सबसे जटिल चरण स्थानांतरण या अनुवादन (Translation) है। पिछले व्याख्यान (Lecture 23) में हमने देखा कि डीएनए की आनुवंशिक सूचना का अनुलेखन mRNA के न्यूक्लियोटाइड क्षारक अनुक्रम (4 अक्षरों की भाषा: A, U, G, C) में होता है।

स्थानांतरण (Translation) की परिभाषा: “कोशिकाद्रव्य में स्थित राइबोसोम (Ribosomes) पर दूत आरएनए (mRNA) में निहित त्रिक न्यूक्लियोटाइड कोडॉनों (Triplet Codons) के अनुक्रम को पढ़कर, अंतरण आरएनए (tRNA — Adaptor molecule) की सहायता से अमीनो अम्लों को पेप्टाइड बंधों (Peptide bonds) द्वारा जोड़कर एक विशिष्ट पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला (प्रोटीन — 20 अमीनो अम्लों की भाषा) के संश्लेषण की जैव-रासायनिक प्रक्रिया को स्थानांतरण या अनुवादन (Translation) कहते हैं।”

mRNA (5′ ⟶ 3′ Triplet Codons) ⎯⎯^{Ribosome (70S / 80S) + Aminoacyl-tRNA + GTP}⎯⎯→ Polypeptide Chain (N-terminus ⟶ C-terminus)

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

आनुवंशिक कूट (Genetic Code) को समझना: जॉर्ज गैमो की त्रिक परिकल्पना, नीरेनबर्ग-मथाई, हर गोबिंद खुराना तथा रॉबर्ट होले के नोबेल पुरस्कार विजेता योगदान और आनुवंशिक कूट की 8 प्रमुख विशेषताओं का अध्ययन करना।
वोबल परिकल्पना (Wobble Hypothesis — Francis Crick, 1966) का विश्लेषण: कोडॉन के तीसरे क्षारक (3′) और एंटीकोडॉन के पहले क्षारक (5′) के बीच लचीले क्षारक-युग्मन और इनोसिन (I) की भूमिका को समझना।
स्थानांतरण मशीनरी का अध्ययन: 70S एवं 80S राइबोसोम के तीन कार्यात्मक स्थलों (A-site, P-site, E-site), शाइन-डालगार्नो अनुक्रम (Shine-Dalgarno sequence) एवं कोज़ाक अनुक्रम (Kozak sequence) को जानना।
अमीनो अम्ल सक्रियण एवं tRNA चार्जिंग: अमीनोएसिल-tRNA सिंथेटेज (Aminoacyl-tRNA synthetase) की द्वि-चरणीय अभिक्रिया को समझना।
स्थानांतरण के सभी चरणों, कारकों एवं ऊर्जा बजट को समझना: प्रारंभन (IF-1, IF-2, IF-3 / eIFs, fMet-tRNA_f^Met), दीर्घीकरण (EF-Tu, EF-Ts, EF-G, 23S rRNA पेप्टिडिल ट्रांसफरेज राइबोजाइम) तथा समापन (RF-1, RF-2, RF-3) और प्रति अमीनो अम्ल 4 उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट बंधों की गणना करना।

प्रमुख वैज्ञानिक शब्दावली (Key Scientific Terminology)

वैज्ञानिक शब्द (Term)	हिंदी नाम (Hindi Term)	सटीक वैज्ञानिक परिभाषा (Scientific Definition)
Codon (Triplet)	कोडॉन (प्रकूट / त्रिक)	mRNA पर 5′ → 3′ दिशा में स्थित तीन क्रमिक न्यूक्लियोटाइड क्षारकों का समूह जो किसी विशिष्ट अमीनो अम्ल या प्रोटीन संश्लेषण के प्रारंभ/समापन को निर्दिष्ट करता है।
Anticodon	एंटीकोडॉन (प्रतिकूट)	अंतरण आरएनए (tRNA) के एंटीकोडॉन लूप में स्थित तीन न्यूक्लियोटाइड क्षारकों का वह समूह जो mRNA के कोडॉन के साथ प्रति-समांतर (3′ → 5′) पूरक क्षारक-युग्मन करता है।
Degeneracy of Genetic Code	आनुवंशिक कूट की अपहासितता	जब एक ही अमीनो अम्ल को एक से अधिक कोडॉनों (पर्यायवाची कोडॉनों / Synonymous codons) द्वारा कोडित किया जाता है, तो इस गुण को कूट की अपहासितता (Degeneracy) कहते हैं (केवल मेथियोनीन AUG और ट्रिप्टोफैन UGG इसके अपवाद हैं)।
Wobble Base	वोबल क्षारक (लचीला क्षारक)	mRNA कोडॉन का तीसरा क्षारक (3′ सिरा) और tRNA एंटीकोडॉन का पहला क्षारक (5′ सिरा) जहाँ गैर-वाटसन-क्रिक (Non-standard) हाइड्रोजन बंध बन सकते हैं (फ्रांसिस क्रिक, 1966)।
Shine-Dalgarno Sequence (SD Sequence)	शाइन-डालगार्नो अनुक्रम	प्रोकैरियोटिक mRNA में प्रारंभन कोडॉन (AUG) से 7–10 nt अपस्ट्रीम स्थित प्यूरीन-समृद्ध अनुक्रम (5′-AGGAGG-3′) जो 30S राइबोसोम के 16S rRNA से जुड़ता है।
Kozak Consensus Sequence	कोज़ाक अनुक्रम	यूकैरियोटिक mRNA में प्रारंभन कोडॉन (AUG) के चारों ओर स्थित संरक्षित अनुक्रम (5′-ACCAUGG-3′) जिसे 40S राइबोसोमल उप-इकाई स्कैन करके पहचानती है (मर्लिन कोज़ाक, 1984)।
Aminoacyl-tRNA Charging	tRNA का आवेशन (चार्जिंग)	ATP की उपस्थिति में अमीनोएसिल-tRNA सिंथेटेज एंजाइम द्वारा विशिष्ट अमीनो अम्ल को उसके सजातीय tRNA के 3′-CCA-OH सिरे से जोड़ने की प्रक्रिया।
Peptidyl Transferase	पेप्टिडिल ट्रांसफरेज (राइबोजाइम)	बड़ी राइबोसोमल उप-इकाई (50S के 23S rRNA या यूकैरियोट्स के 60S के 28S rRNA) की अंतर्निहित राइबोजाइम गतिविधि जो दो अमीनो अम्लों के बीच पेप्टाइड बंध (–CO–NH–) का निर्माण करती है।
Translocation	स्थानांतरण (राइबोसोम विस्थापन)	प्रत्येक पेप्टाइड बंध बनने के बाद EF-G (Translocase) और GTP की सहायता से राइबोसोम का mRNA पर 5′ → 3′ दिशा में ठीक एक कोडॉन (3 न्यूक्लियोटाइड) आगे खिसकना।
Polyribosome (Polysome)	पॉलीराइबोसोम (पॉलीसोम)	जब एक ही mRNA रज्जुक पर एक साथ अनेक राइबोसोम मोती की माला की तरह जुड़कर तीव्र गति से एक ही प्रोटीन की अनेक प्रतियाँ बनाते हैं, तो इस संरचना को पॉलीसोम कहते हैं।

आनुवंशिक कूट: ऐतिहासिक खोज एवं 8 प्रमुख विशेषताएँ (The Genetic Code)

1. आनुवंशिक कूट की खोज में वैज्ञानिकों का योगदान (Historical Discovery)

जॉर्ज गैमो (George Gamow, 1954 — भौतिकशास्त्री): इन्होंने सर्वप्रथम त्रिक कूट परिकल्पना (Triplet Code Hypothesis / Diamond Code) दी। उन्होंने गणितीय तर्क दिया कि mRNA में केवल 4 नाइट्रोजनी क्षारक (A, U, G, C) होते हैं जबकि प्रोटीन बनाने वाले मानक अमीनो अम्ल 20 हैं:
- यदि कूट 1 अक्षर का हो (Singlet code): 4¹ = 4 कोडॉन (20 अमीनो अम्लों के लिए अपर्याप्त)।
- यदि कूट 2 अक्षरों का हो (Doublet code): 4² = 16 कोडॉन (20 अमीनो अम्लों के लिए अपर्याप्त)।
- यदि कूट 3 अक्षरों का हो (Triplet code): 4³ = 4 × 4 × 4 = 64 कोडॉन (20 अमीनो अम्लों को कोडित करने के लिए पूर्णतः पर्याप्त)।
क्रिक, ब्रेनर एवं सहयोगी (Crick, Brenner et al., 1961): T4 बैक्टीरियोफेज के rII क्षेत्र में एक्रिडीन डाई (Proflavin) द्वारा फ्रेमशिफ्ट उत्परिवर्तनों (+1, +2, +3 insertions/deletions) का अध्ययन कर प्रायोगिक रूप से सिद्ध किया कि आनुवंशिक कूट वास्तव में त्रिक (Triplet), अनतिव्यापी (Non-overlapping) एवं अल्पविराम-रहित (Commaless) होता है।
मार्शल नीरेनबर्ग एवं जे. हेनरिक मथाई (Marshall Nirenberg & J. Heinrich Matthaei, 1961): इन्होंने कोशिका-मुक्त प्रोटीन संश्लेषण तंत्र (Cell-free system) में कृत्रिम सम-बहुलक Poly-(U) (UUUUUU…) का उपयोग करके दुनिया का पहला कोडॉन डिकोड किया: UUU = Phenylalanine (Phe)। (बाद में CCC = Proline एवं AAA = Lysine भी खोजा)।
सेवेरो ओचोआ (Severo Ochoa, 1955): इन्होंने पॉलीन्यूक्लियोटाइड फॉस्फोराइलेज (Polynucleotide phosphorylase — Ochoa’s enzyme) की खोज की जो बिना किसी टेम्पलेट के कृत्रिम आरएनए बनाता है।
डॉ. हर गोबिंद खुराना (Dr. Har Gobind Khorana): इन्होंने निश्चित पुनरावृत्ति अनुक्रम वाले कृत्रिम को-पॉलीमर (जैसे ACACAC…, UCUCUC…, UUGUUG…) के रासायनिक संश्लेषण की विधि विकसित कर शेष जटिल कोडॉनों को डिकोड किया।
मार्शल नीरेनबर्ग एवं फिलिप लेडर (Nirenberg & Philip Leder, 1964): इन्होंने राइबोसोम बाइंडिंग तकनीक (Triplet binding assay) द्वारा सभी 64 कोडॉनों का शब्दकोश पूर्ण किया।
1968 का नोबेल पुरस्कार: आनुवंशिक कूट की व्याख्या और प्रोटीन संश्लेषण में उसके कार्य के लिए मार्शल डब्ल्यू. नीरेनबर्ग, हर गोबिंद खुराना एवं रॉबर्ट डब्ल्यू. होले (जिन्होंने Alanine-tRNA की क्लोवरलीफ संरचना खोजी) को संयुक्त रूप से 1968 का चिकित्सा/शरीर-क्रिया विज्ञान का नोबेल पुरस्कार दिया गया।

2. आनुवंशिक कूट की 8 प्रमुख विशेषताएँ (8 Salient Features of the Genetic Code)

कूट त्रिक होता है (The Code is a Triplet): कुल 64 कोडॉनों में से 61 कोडॉन सार्थक (Sense Codons) होते हैं जो 20 अमीनो अम्लों को कोडित करते हैं, जबकि 3 कोडॉन निरर्थक या समापन कोडॉन (Nonsense / Stop / Termination Codons) होते हैं जो किसी भी अमीनो अम्ल को कोडित नहीं करते।
प्रारंभन एवं समापन कोडॉन (Start & Stop Codons — अति-महत्वपूर्ण):
- प्रारंभन कोडॉन (Initiation / Start Codon): AUG के दोहरे कार्य हैं — यह पॉलीपेप्टाइड संश्लेषण का प्रारंभ करता है और यूकैरियोट्स में मेथियोनीन (Methionine — Met) तथा प्रोकैरियोट्स में N-फॉर्माइल मेथियोनीन (N-formylmethionine — fMet) को कोडित करता है। (कभी-कभी जीवाणुओं में GUG [Valine] या UUG भी प्रारंभन कोडॉन का कार्य करते हैं)।
- तीन समापन कोडॉन (3 Stop / Nonsense Codons):
  1. UAA — ओकर (Ochre)
  2. UAG — अंबर (Amber) (बर्नस्टीन एवं सहयोगियों द्वारा खोजा गया)
  3. UGA — ओपल या अंबर (Opal / Umber)
कूट असंदिग्ध एवं विशिष्ट होता है (Unambiguous and Specific): एक विशिष्ट कोडॉन सदैव केवल एक ही निश्चित अमीनो अम्ल को कोडित करता है (जैसे UUU हमेशा फेनिलएलनिन को ही कोड करेगा, किसी अन्य को नहीं)।
कूट अपहासित होता है (The Code is Degenerate / Redundant): चूंकि 20 अमीनो अम्लों के लिए 61 सार्थक कोडॉन हैं, इसलिए अधिकांश अमीनो अम्ल एक से अधिक कोडॉनों द्वारा कोडित होते हैं:
- केवल 1 कोडॉन वाले अमीनो अम्ल (Non-degenerate — केवल 2): मेथियोनीन (Methionine — AUG) तथा ट्रिप्टोफैन (Tryptophan — UGG)।
- सर्वाधिक 6 कोडॉन वाले अमीनो अम्ल (3 अमीनो अम्ल): ल्यूसीन (Leucine — Leu), सेरीन (Serine — Ser) तथा आर्जिनिन (Arginine — Arg) (प्रत्येक के 6 कोडॉन होते हैं)।
कूट अल्पविराम-रहित होता है (Commaless / Continuous): mRNA पर दो क्रमिक कोडॉनों के बीच कोई विराम चिह्न या खाली न्यूक्लियोटाइड नहीं होता; इसे लगातार तीन-तीन के समूह में पढ़ा जाता है।
कूट अनतिव्यापी होता है (Non-overlapping): सामान्यतः एक न्यूक्लियोटाइड क्षारक केवल एक ही कोडॉन का हिस्सा होता है (अपवाद: φX174 जीवाणुभोजी में अतिव्यापी जीन / Overlapping genes पाए जाते हैं)।
कूट की ध्रुवता निश्चित होती है (Fixed Polarity): आनुवंशिक कूट को सदैव 5′ → 3′ दिशा में ही पढ़ा जाता है।
कूट लगभग सार्वभौमिक होता है (Nearly Universal): जीवाणु (E. coli) से लेकर मनुष्य और पौधों तक समान कोडॉन समान अमीनो अम्ल को कोडित करते हैं। (अपवाद: माइटोकॉन्ड्रिया में UGA समापन के बजाय ट्रिप्टोफैन को कोडित करता है; Paramecium में UAA और UAG ग्लूटामिन को कोडित करते हैं)।
(नोट: 21वाँ अमीनो अम्ल सेलेनोसिस्टीन [Selenocysteine] प्रसंग-विशेष में UGA द्वारा तथा 22वाँ अमीनो अम्ल पाइरोलाइसिन [Pyrrolysine] आर्किया में UAG द्वारा कोडित होता है)।

क्रिक की वोबल परिकल्पना (Crick’s Wobble Hypothesis, 1966)

वर्ष 1966 में फ्रांसिस क्रिक (Francis Crick) ने यह समझाने के लिए वोबल परिकल्पना (Wobble Hypothesis) प्रस्तुत की कि कैसे एक ही tRNA अणु एक से अधिक पर्यायवाची कोडॉनों (Synonymous codons) को पहचान सकता है (जिसके कारण कोशिका को 61 सार्थक कोडॉनों के लिए 61 अलग-अलग tRNA नहीं बनाने पड़ते; लगभग 31–45 tRNA ही पर्याप्त होते हैं):

mRNA के कोडॉन (5′ → 3′) के प्रथम दो क्षारक (Position 1 & 2) tRNA के एंटीकोडॉन (3′ → 5′) के साथ सख्त मानक वाटसन-क्रिक क्षारक-युग्मन (A=U तथा G≡C) बनाते हैं, जो अमीनो अम्ल की विशिष्टता प्रदान करता है।
परंतु कोडॉन के तीसरे क्षारक (3′ सिरा) और एंटीकोडॉन के पहले क्षारक (5′ सिरा — Wobble position) के बीच त्रिविम ज्यामितीय लचीलापन (Steric flexibility / “Wobble”) होता है, जिससे वहाँ गैर-मानक (Non-Watson-Crick) हाइड्रोजन बंध भी बन सकते हैं:

tRNA एंटीकोडॉन के 5′ सिरे (1st Base / Wobble Base) पर स्थित क्षारक	mRNA कोडॉन के 3′ सिरे (3rd Base) पर पहचाने जाने वाले क्षारक
C (Cytosine)	केवल G (सख्त युग्मन)
A (Adenine)	केवल U (सख्त युग्मन)
U (Uracil)	A अथवा G (वोबल युग्मन)
G (Guanine)	C अथवा U (वोबल युग्मन)
I (Inosine — हाइपोजैंथिन युक्त दुर्लभ प्यूरीन न्यूक्लियोसाइड)	U, C अथवा A (एक साथ तीन कोडॉनों को पहचान सकता है!)

चित्र 24.1: क्रिक की वोबल परिकल्पना — कोडॉन के तीसरे (3′) क्षारक और एंटीकोडॉन के पहले (5′) क्षारक के बीच लचीला युग्मन

स्थानांतरण मशीनरी: राइबोसोम एवं उसके 3 कार्यात्मक स्थल (Ribosomes & Sites)

राइबोसोम (Ribosomes — जॉर्ज पैलाडे, 1955; “कोशिका की प्रोटीन फैक्ट्री”) राइबोसोमल आरएनए (rRNA) और प्रोटीनों से बने राइबोन्यूक्लियोप्रोटीन कण हैं। प्रत्येक राइबोसोम दो उप-इकाइयों से मिलकर बनता है जो केवल प्रोटीन संश्लेषण के समय Mg²⁺ आयनों (0.001 M से अधिक सांद्रता) की उपस्थिति में आपस में जुड़ती हैं:

प्रोकैरियोटिक राइबोसोम (70S):
- छोटी उप-इकाई (30S): इसमें 16S rRNA (1542 nt) + 21 प्रोटीन (S1–S21) होते हैं। यह mRNA से जुड़ती है।
- बड़ी उप-इकाई (50S): इसमें 23S rRNA (2904 nt — Peptidyl transferase ribozyme) + 5S rRNA (120 nt) + 31 प्रोटीन (L1–L31) होते हैं।
यूकैरियोटिक राइबोसोम (80S):
- छोटी उप-इकाई (40S): इसमें 18S rRNA + 33 प्रोटीन होते हैं।
- बड़ी उप-इकाई (60S): इसमें 28S rRNA (Peptidyl transferase) + 5.8S rRNA + 5S rRNA + 49 प्रोटीन होते हैं।

राइबोसोम के तीन tRNA बंधन स्थल (Three Functional Sites on Ribosome: E, P, A)

A-स्थल (Aminoacyl Site / Acceptor Site — ग्राही स्थल): प्रारंभक fMet-tRNA को छोड़कर, प्रत्येक नया आने वाला आवेशित अमीनोएसिल-tRNA (Charged tRNA) सबसे पहले इसी A-स्थल में प्रवेश करता है।
P-स्थल (Peptidyl Site / Donor Site — दाता स्थल): इस स्थल पर वह tRNA स्थित होता है जिस पर बढ़ती हुई पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला जुड़ी होती है। प्रारंभक fMet-tRNA_f^Met (या यूकैरियोट्स में Met-tRNA_i^Met) एकमात्र ऐसा tRNA है जो सीधे P-स्थल पर आकर जुड़ता है!
E-स्थल (Exit Site — निकास स्थल): अपना अमीनो अम्ल देने के बाद अनावेशित (Uncharged / Deacylated) हुआ tRNA राइबोसोम से बाहर निकलने से पहले क्षणिक रूप से इस E-स्थल से होकर बाहर निकलता है।

अमीनो अम्लों का सक्रियण एवं tRNA का आवेशन (Activation & Charging / Aminoacylation of tRNA)

राइबोसोम पर जाने से पूर्व कोशिकाद्रव्य में उपस्थित प्रत्येक अमीनो अम्ल का सक्रिय होना और अपने विशिष्ट tRNA से जुड़ना अनिवार्य है। यह कार्य अत्यंत विशिष्ट एंजाइम अमीनोएसिल-tRNA सिंथेटेज (Aminoacyl-tRNA Synthetase — कोशिका में 20 अमीनो अम्लों के लिए 20 अलग-अलग सिंथेटेज एंजाइम होते हैं) द्वारा Mg²⁺ और ATP की उपस्थिति में दो चरणों में किया जाता है:

चरण 1: अमीनो अम्ल का सक्रियण (Activation of Amino Acid — Adenylylation)

अमीनो अम्ल (AA) का कार्बोक्सिल समूह (−COOH) ATP के साथ अभिक्रिया कर एंजाइम से बंधा हुआ मध्यवर्ती यौगिक अमीनोएसिल-एडेनिलेट (Aminoacyl-AMP-Enzyme complex) बनाता है और पाइरोफॉस्फेट (PP_i) मुक्त होता है:

Amino Acid (AA) + ATP ⎯⎯^{Aminoacyl-tRNA Synthetase (Mg²⁺)}⎯⎯→ [AA ~ AMP–Enzyme] + PP_i

चरण 2: सक्रिय अमीनो अम्ल का tRNA पर स्थानांतरण (Charging / Aminoacylation of tRNA)

इसके बाद अमीनोएसिल-tRNA सिंथेटेज इस सक्रिय अमीनो अम्ल को उसके विशिष्ट सजातीय tRNA (Cognate tRNA) के 3′-CCA-OH ग्राही सिरे (Acceptor stem के अंतिम एडेनोसिन के 2′-OH या 3′-OH समूह) के साथ एक उच्च-ऊर्जा एस्टर बंध (Ester bond) द्वारा जोड़ देता है और AMP मुक्त हो जाता है:

[AA ~ AMP–Enzyme] + tRNA ⎯⎯→ Aminoacyl-tRNA (Charged tRNA) + AMP + Enzyme

💡 ऊर्जा लेखांकन नोट (Energy Equivalence of Charging)

चूंकि इस अभिक्रिया में ATP → AMP + PP_i में टूटता है और PP_i आगे 2 P_i में जल-अपघटित हो जाता है, इसलिए एक अमीनो अम्ल के tRNA आवेशन (Charging) में कुल 2 उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट बंध (2 High-energy phosphate bonds, equivalent to 2 ATP) खर्च होते हैं!

प्रोटीन संश्लेषण (स्थानांतरण) के तीन मुख्य चरण (Three Stages of Translation)

राइबोसोम पर पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला का संश्लेषण सदैव अमीनो सिरे (N-terminus / −NH₂) से कार्बोक्सिल सिरे (C-terminus / −COOH) की दिशा में होता है, जबकि राइबोसोम mRNA को 5′ → 3′ दिशा में पढ़ता है। इसके तीन चरण हैं:

चरण 1: प्रारंभन (Initiation of Translation)

प्रोकैरियोट्स में प्रारंभन आवश्यकताएं: 30S एवं 50S राइबोसोमल उप-इकाइयाँ, mRNA, विशेष प्रारंभक N-फॉर्माइल-मेथियोनिल-tRNA (fMet-tRNA_f^Met), GTP, Mg²⁺ तथा तीन प्रारंभन कारक (IF-1, IF-2, IF-3):
1. IF-3 (Anti-association factor): यह 30S उप-इकाई से जुड़कर उसे बिना mRNA के समय से पहले 50S उप-इकाई से जुड़ने से रोकता है।
2. शाइन-डालगार्नो अनुक्रम (Shine-Dalgarno Sequence — 5′-AGGAGG-3′): mRNA के प्रारंभन कोडॉन (AUG) से 7–10 nt अपस्ट्रीम स्थित यह अनुक्रम 30S उप-इकाई के 16S rRNA के 3′ सिरे (3′-UCCUCCA-5′) के साथ पूरक युग्मन करता है, जिससे AUG कोडॉन ठीक P-स्थल (P-site) पर स्थापित हो जाता है।
3. IF-1: यह 30S के A-स्थल को ब्लॉक करता है ताकि प्रारंभक tRNA गलती से A-स्थल पर न जुड़े।
4. IF-2 (एक GTPase प्रोटीन): यह GTP के साथ जुड़कर केवल प्रारंभक fMet-tRNA_f^Met को लाता है और उसे सीधे P-स्थल पर स्थित AUG कोडॉन से जोड़ता है (इससे 30S Initiation Complex बनता है)।
5. 70S प्रारंभन संकुल का निर्माण: अब बड़ी उप-इकाई (50S) आकर जुड़ती है, IF-2 से जुड़े GTP का जल-अपघटन (GDP + P_i) होता है, तीनों कारक (IF-1, IF-2, IF-3) बाहर निकल जाते हैं और कार्यात्मक 70S प्रारंभन संकुल (70S Initiation Complex) तैयार हो जाता है।
यूकैरियोट्स में प्रारंभन विशेषता: यूकैरियोट्स में प्रारंभक अमीनो अम्ल बिना फॉर्माइल समूह वाला सामान्य मेथियोनीन (Met-tRNA_i^Met) होता है। इसमें 12 से अधिक प्रारंभन कारक (eIFs, जैसे कैप-बाइंडिंग कारक eIF4E एवं eIF2-GTP) भाग लेते हैं। 40S उप-इकाई 5′ m⁷G कैप से जुड़कर आगे खिसकती हुई कोज़ाक अनुक्रम (Kozak sequence: 5′-ACCAUGG-3′) में स्थित प्रथम AUG को पहचानती है।

चरण 2: पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला का दीर्घीकरण (Elongation — 3 चक्रीय उप-चरण)

प्रोकैरियोट्स में दीर्घीकरण के लिए तीन दीर्घीकरण कारक — EF-Tu, EF-Ts तथा EF-G (यूकैरियोट्स में eEF1α, eEF1βγ एवं eEF2) और GTP आवश्यक होते हैं:

(a) A-स्थल पर नए अमीनोएसिल-tRNA का आगमन: दीर्घीकरण कारक EF-Tu–GTP अगले आवेशित अमीनोएसिल-tRNA को राइबोसोम के खाली A-स्थल पर लाता है। सही कोडॉन-एंटीकोडॉन युग्मन होने पर 1 GTP का जल-अपघटन होता है और EF-Tu–GDP बाहर निकल जाता है (जिसे EF-Ts पुनः EF-Tu–GTP में रीसायकल करता है)।
(b) पेप्टाइड बंध का निर्माण (Peptide Bond Formation by Ribozyme): अब बड़ी उप-इकाई (50S) के 23S rRNA (यूकैरियोट्स में 28S rRNA) में स्थित पेप्टिडिल ट्रांसफरेज राइबोजाइम (Peptidyl Transferase Ribozyme) P-स्थल के अमीनो अम्ल (या पेप्टाइड श्रृंखला) के कार्बोक्सिल समूह (−CO−) को A-स्थल पर बैठे नए अमीनो अम्ल के मुक्त अमीनो समूह (−NH₂) पर स्थानांतरित कर उनके बीच पेप्टाइड बंध (−CO−NH−) बना देता है। इस चरण में किसी अतिरिक्त ATP/GTP की आवश्यकता नहीं होती (ऊर्जा tRNA के एस्टर बंध के टूटने से मिलती है)।
(c) स्थानांतरण या राइबोसोम विस्थापन (Translocation by EF-G): अब दीर्घीकरण कारक EF-G (Translocase) 1 GTP के जल-अपघटन की सहायता से राइबोसोम को mRNA पर 5′ → 3′ दिशा में ठीक एक कोडॉन (3 न्यूक्लियोटाइड) आगे खिसका देता है। इससे P-स्थल का खाली tRNA E-स्थल से बाहर निकल जाता है, A-स्थल का पेप्टिडिल-tRNA खिसककर P-स्थल पर आ जाता है, और A-स्थल अगले नए कोडॉन के लिए पुनः खाली हो जाता है।

चरण 3: समापन (Termination of Translation)

जब राइबोसोम के A-स्थल पर तीन समापन कोडॉनों (UAA, UAG या UGA) में से कोई एक आ जाता है, तो कोशिका में उसे पहचानने वाला कोई भी सामान्य tRNA नहीं होता।
इसके स्थान पर प्रोटीन से बने विमोचन कारक (Release Factors — RFs) A-स्थल में प्रवेश करते हैं:
- प्रोकैरियोट्स में विमोचन कारक:
  - RF-1: यह समापन कोडॉन UAA तथा UAG को पहचानता है।
  - RF-2: यह समापन कोडॉन UAA तथा UGA को पहचानता है।
  - RF-3 (GTP-binding protein): यह GTP के जल-अपघटन द्वारा RF-1/RF-2 को राइबोसोम से मुक्त कराने में मदद करता है।
- यूकैरियोट्स में विमोचन कारक: केवल एक ही कारक eRF1 तीनों समापन कोडॉनों (UAA, UAG, UGA) को पहचान लेता है (जिसकी सहायता eRF3-GTP करता है)।
विमोचन कारक पेप्टिडिल ट्रांसफरेज को जल का एक अणु (H₂O) जोड़ने के लिए प्रेरित करता है, जिससे P-स्थल के tRNA से तैयार पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला मुक्त हो जाती है, और RRF (Ribosome Recycling Factor) + EF-G राइबोसोम की दोनों उप-इकाइयों को अलग कर देते हैं।

चित्र 24.2: राइबोसोम के E, P एवं A स्थलों पर प्रोटीन संश्लेषण (स्थानांतरण) की विस्तृत क्रियाविधि

प्रोटीन संश्लेषण का ऊर्जा बजट एवं एंटीबायोटिक संदमक (Energy Budget & Inhibitors)

1. प्रति अमीनो अम्ल ऊर्जा खर्च (Energy Cost per Amino Acid Incorporated)

पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला में प्रत्येक एक अमीनो अम्ल को जोड़ने में कुल 4 उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट बंध (4 High-energy phosphate bonds — 2 ATP समतुल्य + 2 GTP) खर्च होते हैं:

tRNA चार्जिंग (Aminoacylation): 1 ATP → AMP + PP_i = 2 उच्च-ऊर्जा बंध।
A-स्थल पर EF-Tu द्वारा tRNA बंधन: = 1 GTP।
EF-G द्वारा ट्रांसलोकेशन (Translocation): = 1 GTP।
कुल योग (Per Amino Acid): 2 + 1 + 1 = 4 उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट बंध! (यदि N अमीनो अम्लों की पॉलीपेप्टाइड हो, तो प्रारंभन और समापन के GTP मिलाकर कुल लगभग 4N उच्च-ऊर्जा बंध लगते हैं)।

2. प्रोटीन संश्लेषण के प्रमुख एंटीबायोटिक संदमक (Key Antibiotic Inhibitors of Translation)

प्रतियोगी परीक्षाओं (ICAR-JRF/SRF/NET) में विभिन्न एंटीबायोटिक दवाओं की कार्यप्रणाली पर सीधे प्रश्न पूछे जाते हैं:

एंटीबायोटिक / विष (Inhibitor)	लक्ष्य जीव (Target)	सटीक आणविक क्रियाविधि (Mechanism of Action)
स्ट्रेप्टोमाइसिन (Streptomycin)	प्रोकैरियोट्स (30S उप-इकाई)	30S राइबोसोम से जुड़कर प्रारंभन को रोकता है और mRNA कोडॉनों के गलत पठन (Misreading of genetic code) को प्रेरित करता है।
टेट्रासाइक्लिन (Tetracycline)	प्रोकैरियोट्स (30S उप-इकाई)	30S उप-इकाई के A-स्थल को ब्लॉक कर अमीनोएसिल-tRNA के प्रवेश को रोकता है।
क्लोरैम्फेनिकॉल (Chloramphenicol)	प्रोकैरियोट्स (50S उप-इकाई)	50S उप-इकाई के पेप्टिडिल ट्रांसफरेज (23S rRNA) की गतिविधि को रोकता है।
एरिथ्रोमाइसिन (Erythromycin)	प्रोकैरियोट्स (50S उप-इकाई)	50S के पेप्टाइड निकास सुरंग को ब्लॉक कर ट्रांसलोकेशन (Translocation) को रोकता है।
प्यूरोमाइसिन (Puromycin)	प्रोकैरियोट्स एवं यूकैरियोट्स दोनों	यह टायरोसिल-tRNA के 3′ सिरे का संरचनात्मक अनुरूप (Structural analog of Tyrosyl-tRNA) है; यह A-स्थल में घुसकर पेप्टाइड श्रृंखला का अकाल समापन (Premature chain termination) कर देता है।
साइक्लोहेक्सिमाइड (Cycloheximide)	केवल यूकैरियोट्स (60S उप-इकाई)	यूकैरियोटिक 60S उप-इकाई के पेप्टिडिल ट्रांसफरेज और ट्रांसलोकेशन को रोकता है।
डिफ्थीरिया टॉक्सिन (Diphtheria Toxin)	केवल यूकैरियोट्स (eEF2)	यूकैरियोटिक दीर्घीकरण कारक eEF2 का ADP-ribosylation कर ट्रांसलोकेशन को निष्क्रिय कर देता है।

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

🧬 आनुवंशिक कूट एवं स्थानांतरण (Genetic Code & Translation: mRNA ⟶ Protein)

1. आनुवंशिक कूट (64 Codons)

खोज: गैमो (त्रिक), नीरेनबर्ग-मथाई (UUU=Phe), खुराना, होले (1968 नोबेल)
61 सार्थक + 3 समापन: UAA (Ochre), UAG (Amber), UGA (Opal)
प्रारंभन कोडॉन: AUG (Met / fMet)
अपहासितताहीन (1 कोडॉन): केवल AUG (Met) व UGG (Trp)
6 कोडॉन वाले: Leu, Ser, Arg
वोबल परिकल्पना: क्रिक (1966) — 3rd कोडॉन क्षारक लचीला

2. राइबोसोम एवं tRNA चार्जिंग

प्रोकैरियोट (70S): 30S (16S rRNA) + 50S (23S, 5S rRNA)
यूकैरियोट (80S): 40S (18S rRNA) + 60S (28S, 5.8S, 5S)
3 स्थल: A-site (नया tRNA), P-site (पेप्टाइड श्रृंखला), E-site (निकास)
tRNA चार्जिंग: अमीनोएसिल-tRNA सिंथेटेज + ATP (3′-CCA-OH सिरे पर)

3. स्थानांतरण के 3 चरण

प्रारंभन: IF-1, IF-2, IF-3 + fMet-tRNA_f^Met (सीधे P-site पर); SD अनुक्रम (AGGAGG) बनाम कोज़ाक (ACCAUGG)
दीर्घीकरण: EF-Tu (A-site प्रवेश), 23S/28S rRNA पेप्टिडिल ट्रांसफरेज राइबोजाइम, EF-G (ट्रांसलोकेशन)
समापन: RF-1 (UAA/UAG), RF-2 (UAA/UGA), RF-3 (यूकैरियोट्स में eRF1)

4. ऊर्जा एवं संदमक

दिशा: mRNA 5′ → 3′ ; प्रोटीन N-terminus → C-terminus
ऊर्जा खर्च: 4 उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट बंध प्रति अमीनो अम्ल
प्यूरोमाइसिन: Tyrosyl-tRNA अनुरूप (अकाल समापन)
क्लोरैम्फेनिकॉल: 50S पेप्टिडिल ट्रांसफरेज अवरोधक
स्ट्रेप्टोमाइसिन / टेट्रासाइक्लिन: 30S अवरोधक

महत्वपूर्ण तुलनात्मक सारणियाँ (Master Comparison Tables)

सारणी 10.1: प्रोकैरियोटिक बनाम यूकैरियोटिक स्थानांतरण (Prokaryotic vs. Eukaryotic Translation)

लक्षण (Feature)	प्रोकैरियोटिक स्थानांतरण (Prokaryotic — जैसे E. coli)	यूकैरियोटिक स्थानांतरण (Eukaryotic — पादप एवं जंतु)
अनुलेखन के साथ संबंध	अनुलेखन और स्थानांतरण युग्मित (Coupled / Simultaneous) होते हैं (एक ही कोशिकाद्रव्य कक्ष में)	अनुलेखन केंद्रक में और स्थानांतरण कोशिकाद्रव्य में पृथक समय व स्थान पर (Uncoupled) होता है
राइबोसोम का प्रकार	70S राइबोसोम (30S + 50S उप-इकाइयाँ)	80S राइबोसोम (40S + 60S उप-इकाइयाँ)
mRNA पहचान अनुक्रम	शाइन-डालगार्नो अनुक्रम (Shine-Dalgarno: 5′-AGGAGG-3′) (16S rRNA से जुड़ता है)	5′ m⁷Gppp कैप + कोज़ाक अनुक्रम (Kozak sequence: 5′-ACCAUGG-3′)
प्रथम प्रारंभक अमीनो अम्ल	N-फॉर्माइल मेथियोनीन (fMet-tRNA_f^Met)	सामान्य मेथियोनीन (Met-tRNA_i^Met) (अफॉर्माइलेटेड)
प्रारंभन कारक (Initiation Factors)	केवल 3 कारक: IF-1, IF-2, IF-3	12 से अधिक कारक: eIF1, eIF2, eIF3, eIF4A/E/G, eIF5, eIF6 आदि
दीर्घीकरण कारक (Elongation Factors)	EF-Tu, EF-Ts तथा EF-G	eEF1α, eEF1βγ तथा eEF2
पेप्टिडिल ट्रांसफरेज राइबोजाइम	50S उप-इकाई का 23S rRNA	60S उप-इकाई का 28S rRNA
समापन विमोचन कारक (Release Factors)	तीन कारक: RF-1 (UAA/UAG), RF-2 (UAA/UGA), RF-3	दो कारक: eRF1 (तीनों स्टॉप कोडॉन पहचानता है) एवं eRF3
संश्लेषण की गति	तीव्र (लगभग 15–20 अमीनो अम्ल/सेकंड)	तुलनात्मक रूप से धीमी (लगभग 2–6 अमीनो अम्ल/सेकंड)

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

🧮 सूत्र पेटी (Master Formulas for Codon, Nucleotide & Amino Acid Calculations)

यदि किसी पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला में कुल N अमीनो अम्ल हैं, तो:
- आवश्यक सार्थक कोडॉनों की संख्या (Sense codons): = N
- समापन कोडॉन सहित कुल कोडॉन (Total codons including 1 stop codon): = N + 1
- सार्थक भाग में न्यूक्लियोटाइडों की संख्या (Coding nucleotides without stop codon): = 3N
- समापन कोडॉन सहित mRNA के कोडिंग क्षेत्र (ORF) में कुल न्यूक्लियोटाइड: = 3(N + 1) = 3N + 3
- बनने वाले कुल पेप्टाइड बंधों की संख्या (Number of peptide bonds): = N − 1
- कुल उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट बंध खर्च (Total high-energy bonds used): ≈ 4N

उदाहरण 1 (Nucleotides to Amino Acids Calculation with Stop Codon):

प्रश्न: किसी परिपक्व दूत आरएनए (mRNA) के खुले पठन फ्रेम (Open Reading Frame) में प्रारंभन कोडॉन (AUG) से लेकर अंतिम समापन कोडॉन (UAA) तक कुल 903 न्यूक्लियोटाइड क्षारक उपस्थित हैं। इस mRNA के स्थानांतरण से बनने वाली पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला में (a) कुल कितने अमीनो अम्ल होंगे, (b) कितने पेप्टाइड बंध होंगे, और (c) कितने उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट बंध खर्च होंगे?

हल (Step-by-Step Solution):

कुल कोडॉनों की संख्या: Total Codons = कुल न्यूक्लियोटाइड (903)3 = 301 कोडॉन
(a) अमीनो अम्लों की संख्या (N): चूंकि अंतिम 301वाँ कोडॉन समापन कोडॉन (UAA) है जो किसी अमीनो अम्ल को कोडित नहीं करता, इसलिए: अमीनो अम्लों की संख्या (N) = 301 − 1 = 300 अमीनो अम्ल
(b) कुल पेप्टाइड बंधों की संख्या: Peptide Bonds = N − 1 = 300 − 1 = 299 पेप्टाइड बंध
(c) कुल उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट बंध खर्च: Energy Cost = 4 × N = 4 × 300 = 1200 उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट बंध

उदाहरण 2 (Premature Nonsense Mutation Truncation Problem):

प्रश्न: एक mRNA में 50 सार्थक कोडॉन हैं जो 50 अमीनो अम्लों की एक सामान्य पॉलीपेप्टाइड बनाते हैं। यदि बिंदु उत्परिवर्तन (Point mutation) के कारण इसके 25वें कोडॉन (UAC — Tyrosine) में परिवर्तन होकर वह UAA (Ochre stop codon) में बदल जाता है, तो बनने वाली पॉलीपेप्टाइड में कुल कितने अमीनो अम्ल होंगे?

हल: चूंकि 25वाँ कोडॉन अब एक समापन कोडॉन (UAA) बन चुका है, इसलिए राइबोसोम 1 से 24वें कोडॉन तक के अमीनो अम्लों को जोड़ेगा और 25वें कोडॉन पर पहुँचते ही प्रोटीन संश्लेषण रुक जाएगा। अतः केवल 24 अमीनो अम्लों वाली छोटी (Truncated) पॉलीपेप्टाइड बनेगी।

उदाहरण 3 (DNA Template to mRNA Codons to tRNA Anticodons & Polypeptide):

प्रश्न: किसी जीन के टेम्पलेट डीएनए रज्जुक का अनुक्रम 3′-T A C A A A T T C A C T-5′ है। इससे बनने वाले (i) mRNA कोडॉन, (ii) संगत tRNA एंटीकोडॉन तथा (iii) अमीनो अम्ल श्रृंखला लिखिए।

DNA Template (3′ ⟶ 5′): 3′ — TAC | AAA | TTC | ACT — 5′
(i) mRNA Codons (5′ ⟶ 3′): 5′ — AUG | UUU | AAG | UGA — 3′
(ii) tRNA Anticodons (3′ ⟶ 5′): 3′ — UAC | AAA | UUC | [Stop: No tRNA]
(iii) Polypeptide Chain: NH₂ — Met — Phe — Lys — COOH (3 अमीनो अम्ल)

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

Q1. यह सर्वप्रथम किसने सुझाया था कि 20 अमीनो अम्लों को कोडित करने के लिए आनुवंशिक कूट को 3 न्यूक्लियोटाइड क्षारकों का ‘त्रिक’ (Triplet code: 4³ = 64) होना चाहिए? (Who first proposed that the genetic code must be a triplet of nucleotides?)

(A) जॉर्ज गैमो (George Gamow, 1954)
(B) मार्शल नीरेनबर्ग (Marshall Nirenberg, 1961)
(C) हर गोबिंद खुराना (Har Gobind Khorana)
(D) रॉबर्ट होले (Robert Holley)