सर्व जनुकांचा संच म्हणजेच सजीवांचा जीनोम (Genome) होय. काही विषाणूंचा अपवाद वगळता सर्व सजीवांचा जीनोम डीएनए रेणूच्या स्वरूपात असतो.
इतिहास : रशियन वैज्ञानिक फीबस लेव्हीन (Phoebus Levene) यांनी डीएनए रेणूची रासायनिक रचना उलगडण्यासाठी संशोधन केले. डीएनए रेणू हा शर्करा (Sugar), नायट्रोजनयुक्त आधारक (Nitrogenous bases) आणि फॉस्फेट गट (Phosphate group) यांपासून बनलेला आहे, हे लेव्हीन यांनी सिद्ध केले. तसेच त्यांनी न्यूक्लिओटाइडची रासायनिक रचनाही मांडली. १९२९ मध्ये लेव्हीन यांनी डीऑक्सिरायबोज शर्करेचा शोध लावला. प्रत्येक डीएनए हा चार न्यूक्लिओटाइडांचा संच असतो, तसेच ही रचना जनुकीय माहिती साठवण्यास अपूर्ण आहे, असा विचार त्यांनी मांडला. परंतु, पुढे काही काळातच तसे नसल्याचे प्रयोगातून सिद्ध झाले. ऑस्वाल्ड ॲव्हरी (Oswald Avery), कॉलिन मॅक्लिओड (Colin MacLeod) आणि मॅक्लिन मॅकार्थी (Maclyn McCarty) यांचा प्रयोग यासाठी महत्त्वाचा ठरला. स्ट्रेप्टोकॉकस न्यूमोनिए (Streptococcus pneumoneae) या जीवाणूंवरील प्रयोगातून त्यांनी जनुकामध्ये डीएनए असतो हे अधोरेखित केले. या प्रयोगातून डीएनएवरील संशोधनाला वेग आला.
अर्विन शार्गाफ (Erwin Chargaff) यांनी १९५० मध्ये डीएनएच्या रचनेसंबंधी दोन प्रमुख निष्कर्ष पुढे आणले :
(१) विविध सजीवांच्या डीएनएमध्ये न्यूक्लिओटाइडचे प्रमाण भिन्न असते. म्हणजेच डीएनएमध्ये फक्त चार न्यूक्लिओटाइडची पुनरावृत्ती होत नाही. विविध जनुकांमध्ये न्यूक्लिओटाइड वेगवेगळ्या क्रमाने येतात.
(२) प्युरिन आधारक म्हणजे ॲडेनीन (A) आणि ग्वानीन (G) तसेच पिरिमिडीन आधारक म्हणजे थायमीन (T) आणि सायटोसीन (C) नेहमीच समप्रमाणात आढळतात. म्हणजेच डीएनएमध्ये जेवढे प्युरिन आधारक असतात तेवढेच पिरिमिडीन आधारक असतात. या निष्कर्षांना ‘शार्गाफचे नियम’ म्हणून मान्यता मिळाली.
या संशोधनाच्या आधारे रोझालिंड फ्रँक्लिन (Rosalind Franklin) व मॉरिस विल्किन्झ (Maurice Wilkins) यांनी डीएनएच्या त्रिमितीय (3D) रचनेचा अभ्यास सुरू केला. ही निरीक्षणे वापरून १९५३ मध्ये जेम्स वॉटसन (James Watson) आणि फ्रान्सिस क्रिक (Francis Crick) यांनी डीएनए रेणूची तपशीलवार रचना जगासमोर आणली. हा शोध जीवविज्ञानातील मैलाचा दगड मानला जातो. १९६२ मध्ये या शोधासाठी वॉटसन, क्रिक आणि विल्किन्झ यांना नोबेल पुरस्काराने सन्मानित केले गेले.
डीएनएची रासायनिक संरचना : डीएनए हा केंद्रकाम्लाचा (Nucleic acids) प्रकार आहे. डीएनए रेणू म्हणजे न्यूक्लिओटाइड रेणूंच्या दीर्घ शृंखला असतात. बहुवारिक (Polymer) डीएनए रेणूचे न्यूक्लिओटाइड हे एकक (Monomer) आहे. डीऑक्सिरायबोज शर्करा, नायट्रोजनयुक्त आधारक आणि फॉस्फेट गट या तीन घटकापासून न्यूक्लिओटाइड बनलेले असते. प्रत्येक डीएनए रेणू म्हणजे न्यूक्लिओटाइडचे एकमेकांभोवती गुंफलेले दोन धागे (Strand) असतात. नायट्रोजनयुक्त आधारकामधील हायड्रोजन बंधामुळे हे धागे एकमेकांना जोडलेले राहतात. डीएनए रेणूच्या दुहेरी गोफाकार रचनेला व्दिसर्पिल (Double helix) असे संबोधतात. द्विसर्पिल डीएनए रेणूमधील धागे ३४० मध्ये वळलेले असतात व त्याचा व्यास २ नॅमी. (nm – Nanometer) असतो. लगतच्या दोन न्यूक्लिओटाइडमध्ये ०.३४ नॅमी. अंतर असते. निसर्गात व्दिसर्पिल डीएनए दक्षिणावर्ती (Right-handed) संरचनेत आढळतो.
न्यूक्लिओटाइडांच्या दोन बहुवारिक साखळ्या एकत्र येऊन डीएनए रेणू बनलेला असतो. एकत्र आलेल्या साखळीस द्विसर्पिल असे म्हणतात. फक्त पेशी विभाजनावेळी द्विसर्पिल साखळी उलगडून त्याचे एक स्वतंत्र साखळी बनते. न्यूक्लिओटाइडातील शर्करा आणि फॉस्फेट गट रेणूच्या बाह्य बाजूस, तर नायट्रोजनयुक्त आधारक व्दिसर्पिलाच्या आतील बाजूला असतात. एका न्यूक्लिओटाइडमधील फॉस्फेट गट आणि पुढील न्यूक्लिओटाइडची शर्करा यामधील फॉस्फोडायईस्टर बंध (Phosphodiester bond) असतो. हा बंध या शृंखलांचा कणा असतो.
डीएनए रेणूमध्ये थायमीन (T), ॲडेनीन (A), ग्वानीन (G), सायटोसीन (C) हे नायट्रोजेन आधारक आढळतात. ॲडेनीन (A) आणि
थायमीन (T) तसेच ग्वानीन (G) आणि सायटोसीन (C) यांचा परस्पर बंध होऊ शकतो. ॲडेनीन (A) आणि थायमीन (T) एकमेकांशी दुहेरी हायड्रोजन बंध, तर ग्वानीन (G) आणि सायटोसीन (C) यांच्यामध्ये तिहेरी हायड्रोजन बंध असतात.
न्यूक्लिओटाइड धाग्यांना ध्रुवीयता (Polarity) असते. धाग्यांची दोन टोके ५’ (5 prime) आणि ३’ (3 prime) या चिन्हांद्वारे दर्शवतात. ५’ टोकाला मुक्त फॉस्फेट गट असतो, तर ३’ टोकाला शर्करेतील मुक्त हायड्रॉक्सिल गट असतो. द्विसर्पिल डीएनए रेणूमधील धागे एकमेकांच्या विरुद्ध दिशेने असतात. एका धाग्याचे ५’ टोक विरुद्ध धाग्याचे ३’ टोकाशी जुळते. सर्व जैविक प्रक्रियांमध्ये डीएनए रेणूमधील माहिती नेहमी ५’ टोकापासून वाचली जाते.
वर्गीकरण : निसर्गात डीएनए रेणूचे तीन प्रकार आढळतात : ए-डीएनए (A-DNA), बी-डीएनए (B-DNA) आणि झेड-डीएनए (Z-DNA). ए-डीएनए, बी-डीएनए आणि झेड-डीएनए यांचा वलिय कोन (Pitch angle), व्यास आणि सजलता (Hydration) यांमध्ये थोडेफार फरक असतात. क्ष-किरण प्रतिमेमध्ये ए-डीएनएचा रेणू बी-डीएनए रेणूपेक्षा उंचीने कमी व रुंद दिसतो. पेशींमध्ये आढळणारा डीएनए प्रामुख्याने बी-डीएनए प्रकारचा असतो. ए-डीएनए पेशींमध्ये क्वचितच आढळतो. झेड-डीएनए वामवर्ती (Left handed) असतो. झेड-डीएनए हा पेशींमध्ये अल्प प्रमाणात आढळत असल्यामुळे त्याचे गुणधर्म पूर्णपणे माहित नव्हते. तथापि अलिकडील प्रयोगांमधून पेशीमधील झेड-डीएनएच्या नवनवीन भूमिका समोर येत आहेत. सी-डीएनए (C-DNA), पी-डीएनए (P-DNA), एस्-डीएनए (S-DNA) हे डीएनएचे आणखी काही प्रकार अस्तित्वात आहेत. परंतु, ते निसर्गात आढळत नाहीत. हे प्रकार फक्त प्रयोगशाळेत विशिष्ट आर्द्रतेला आणि आयनांच्या उपस्थितीमुळे तयार होतात.
पेशीमध्ये डीएनए व प्रथिने यांच्या विविध क्लिष्ट संरचना आढळतात. आदिकेंद्रकी (Prokaryotes) आणि दृश्यकेंद्रकी पेशींमधील (Eukaryotes) या संरचना वेगवेगळ्या असतात. दृश्यकेंद्रकी पेशींच्या केंद्रकामध्ये व तंतुकणिकांमध्ये (Mitochondria) डीएनए रेणू आढळतो.
केंद्रकात डीएनए रेणूचे लांबलचक धागे प्रथिनांनी घट्ट बांधलेले असतात. हिस्टोन (Histones) प्रथिने या रचनेत मदत करतात. प्रथिनांनी बांधलेल्या या धाग्यांना क्रोमॅटिन (Chromatin) म्हणतात. सामान्यत: क्रोमॅटिन धागे दोऱ्याच्या जुडीप्रमाणे संक्षिप्त रूपात, घट्ट गुंडाळलेले आढळतात. ही रचना म्हणजेच गुणसूत्रे (Chromosome) होत. याउलट आदिकेंद्रकी पेशीमध्ये केंद्रक नसते. पेशीद्रव्यात (Cytoplasm) डीएनए एका वर्तुळाकार रचनेत आढळतो.
तसेच हिस्टोन प्रथिनेदेखील आदिकेंद्रकी पेशींमध्ये आढळत नाहीत. डीएनए हा सजीव पेशींची रचना आणि बांधणी याचा मूलभूत आराखडा आहे. संगणकाच्या भाषेत सांगायचे तर सर्व सजीवांची आज्ञावली (Programme) डीएनएच्या भाषेत तयार झाली आहे. डीएनए रेणूच्या विविधांगी अभ्यासातून अनेक जैवप्रक्रिया समजण्यास मदत होते.
पहा : केंद्रकाम्ले, न्यूक्लिइक अम्ले, पेशी विभाजन, रायबोन्यूक्लिइक अम्ल.
संदर्भ :
- https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26821/
- Minchin Steve and Lodge Julia, 2019, Understanding biochemistry: structure and function of nucleic acids, Essays Biochem.,63(4), 433–456
- https://www.nature.com/scitable/topicpage/discovery-of-dna-structure-and-function-watson-397
- Watson, James D. and Andrew Berry. 2003. DNA: The Secret of Life. New York: Alfred A. Knopf.
- Calladine, Chris R. Horace Drew, Ben Luisi, Andrew Travers 2004. Undertanding DNA- The Molecule and How it Works, Academic Press.
समीक्षक : प्रमोद जोगळेकर
