Replication Questions in Gujarati

(A) ટેઈલર અને તેમના સહયોગીઓએ $1958$ માં $Vicia$ $faba$ (વાળના છોડ) પર પ્રયોગો કર્યા હતા.
તેમણે રંગસૂત્રોમાં નવા સંશ્લેષિત $DNA$ ના વિતરણને શોધવા માટે રેડિયોએક્ટિવ થાઈમિડિનનો ઉપયોગ કર્યો હતો.
આ પ્રયોગે સાબિત કર્યું કે રંગસૂત્રોમાં રહેલું $DNA$ પણ અર્ધ-રૂઢિગત રીતે સ્વયંજનન પામે છે.

(D) $DNA$ ના અર્ધ-રૂઢિચુસ્ત સ્વયંજનન માટેનો પ્રાયોગિક પુરાવો સૌપ્રથમ $1958$ માં મેથ્યુ મેસેલ્સન અને ફ્રેન્કલિન સ્ટેહલ દ્વારા આપવામાં આવ્યો હતો.
તેમણે તેમના પ્રયોગો $Escherichia coli$ $(E. coli)$ નામના બેક્ટેરિયા પર કર્યા હતા.
તેમણે $E. coli$ ને ઘણા પેઢીઓ સુધી $^{15}N$ (નાઈટ્રોજનનો ભારે આઈસોટોપ) ધરાવતા માધ્યમમાં ઉછેર્યા, જેના પરિણામે $DNA$ માં $^{15}N$ નો સમાવેશ થયો.
ત્યારબાદ, તેમણે આ બેક્ટેરિયાને $^{14}N$ (નાઈટ્રોજનનો સામાન્ય આઈસોટોપ) ધરાવતા માધ્યમમાં સ્થાનાંતરિત કર્યા.
એક પેઢી પછી, નિષ્કર્ષિત $DNA$ ની ઘનતા હાઇબ્રિડ હતી, અને બે પેઢી પછી, તેમાં હલકું અને હાઇબ્રિડ એમ બંને પ્રકારનું $DNA$ જોવા મળ્યું, જેણે $DNA$ સ્વયંજનનની અર્ધ-રૂઢિચુસ્ત પદ્ધતિની પુષ્ટિ કરી.

(B) આ આકૃતિ $DNA$ પ્રતિકૃતિ ફોર્ક (replication fork) દર્શાવે છે. $DNA$ નું પ્રતિકરણ હંમેશા $5' \rightarrow 3'$ દિશામાં થાય છે.
આપેલ આકૃતિમાં,પ્રતિકૃતિ ફોર્કના સંદર્ભમાં ટેમ્પલેટ શૃંખલાઓની ધ્રુવીયતા ખોટી રીતે દર્શાવવામાં આવી છે.
ખાસ કરીને,ફોર્ક પર $3'$ છેડો ધરાવતી ટેમ્પલેટ શૃંખલા તે હોવી જોઈએ જ્યાં અગ્રેસર શૃંખલા (leading strand) $5' \rightarrow 3'$ દિશામાં સતત સંશ્લેષિત થાય છે.
શૃંખલાઓ પ્રતિસમાંતર (antiparallel) હોવાથી,પ્રતિકૃતિ ફોર્ક પર $3'$ અને $5'$ છેડાઓનું અભિવિન્યાસ અગ્રેસર અને લેગિંગ શૃંખલા બંનેના સંશ્લેષણની દિશા સાથે સુસંગત હોવું જોઈએ.
તેથી,આકૃતિમાં દર્શાવેલ ધ્રુવીયતા ખોટી છે.

(B) $DNA$ નું પ્રતિકૃતિ અર્ધ-રૂઢિચુસ્ત (semi-conservative) છે અને તે $5' \to 3'$ દિશામાં થાય છે.
$DNA$ ના બેવડા કુંડલના બંને શૃંખલાઓ પ્રતિસમાંતર (antiparallel) હોવાથી,પ્રતિકૃતિ કાંટો (replication fork) એક દિશામાં આગળ વધે છે,પરંતુ નવી શૃંખલાઓનું સંશ્લેષણ બંને ટેમ્પલેટ પર અલગ રીતે થાય છે.
અગ્રેસર શૃંખલા (leading strand) નું સંશ્લેષણ પ્રતિકૃતિ કાંટાની દિશામાં $5' \to 3'$ દિશામાં સતત થાય છે.
વિલંબિત શૃંખલા (lagging strand) નું સંશ્લેષણ પ્રતિકૃતિ કાંટાથી દૂર $5' \to 3'$ દિશામાં અસતત રીતે થાય છે,જે ઓકાઝાકી ટુકડાઓ (Okazaki fragments) બનાવે છે.
વિકલ્પ $B$ ટેમ્પલેટ શૃંખલાઓની પ્રતિસમાંતર પ્રકૃતિ ($5' \to 3'$ અને $3' \to 5'$) અને નવી શૃંખલાઓના $5' \to 3'$ દિશામાં થતા સતત અને અસતત સંશ્લેષણને યોગ્ય રીતે દર્શાવે છે.

(N/A) વોટસન અને ક્રિકે અવલોકન કર્યું કે $DNA$ ની બે શૃંખલાઓ એકબીજાને સમાંતર વિરુદ્ધ દિશામાં (anti-parallel) અને તેમના બેઝ ક્રમની દ્રષ્ટિએ એકબીજાની પૂરક હોય છે.
બેઝ જોડી બનાવવાની આ વિશિષ્ટ લાક્ષણિકતાને કારણે તેમણે એવી કલ્પના કરી કે $DNA$ પ્રતિકૃતિ અર્ધ-રૂઢિચુસ્ત (semiconservative) છે.
આનો અર્થ એ છે કે દ્વિ-શૃંખલામય $DNA$ અણુ અલગ થાય છે,અને દરેક અલગ થયેલી શૃંખલા નવી પૂરક શૃંખલાના સંશ્લેષણ માટે ટેમ્પલેટ તરીકે કાર્ય કરે છે.
પરિણામે,દરેક નવા $DNA$ અણુમાં એક પિતૃ શૃંખલા અને એક નવી સંશ્લેષિત પુત્રી શૃંખલા હોય છે.
દરેક પુત્રી અણુમાં માત્ર એક જ પિતૃ શૃંખલા જળવાઈ રહેતી હોવાથી,આ પ્રક્રિયાને પ્રતિકૃતિની અર્ધ-રૂઢિચુસ્ત પદ્ધતિ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

(N/A) ટેમ્પલેટ અને નીપજના આધારે ન્યુક્લિક એસિડ પોલિમરેઝના બે મુખ્ય પ્રકારો છે:
$1$. $DNA$-આધારિત $DNA$ પોલિમરેઝ: આ ઉત્સેચકો $DNA$ ના નવા શૃંખલાના સંશ્લેષણ માટે $DNA$ ટેમ્પલેટનો ઉપયોગ કરે છે. તેઓ મુખ્યત્વે $DNA$ ના સ્વયંજનન (replication) માં સામેલ છે.
$2$. $DNA$-આધારિત $RNA$ પોલિમરેઝ: આ ઉત્સેચકો $RNA$ ના સંશ્લેષણ માટે $DNA$ ટેમ્પલેટ શૃંખલાનો ઉપયોગ કરે છે. તેઓ મુખ્યત્વે પ્રત્યાંકન (transcription) ની પ્રક્રિયામાં સામેલ છે.

(N/A) $DNA$ ની બેવડી કુંતલમય રચના રજૂ કર્યા પછી, વોટ્સન અને ક્રિકે તરત જ $DNA$ ના સ્વયંજનન માટેની એક યોજના સૂચવી હતી.
તેમના મૂળભૂત કથનનો સારાંશ આ મુજબ છે: "વિશિષ્ટ જોડની જાણકારી પછી આનુવંશિક દ્રવ્યના નવા સ્વરૂપના નિર્માણની પ્રક્રિયાઓ વિશે તત્કાલ સુઝાવ (suggestion) કરવાથી બચી શકાતું નથી."
આ યોજના મુજબ, $DNA$ ની બંને શૃંખલાઓ અલગ થાય છે અને દરેક શૃંખલા નવી પૂરક શૃંખલાના નિર્માણ માટે ટેમ્પ્લેટ (સાંચા) તરીકે વર્તે છે.
સ્વયંજનન પછી, દરેક $DNA$ અણુ એક પિતૃ શૃંખલા અને એક નવી સંશ્લેષિત શૃંખલા ધરાવે છે.
આ યોજનાને $DNA$ નું અર્ધરૂઢિગત (semi-conservative) સ્વયંજનન કહેવામાં આવે છે.

(N/A) $DNA$ ના અર્ધરૂઢિગત સ્વયંજનનનું પ્રાયોગિક પ્રમાણ સૌપ્રથમ મેથ્યુ મેસેલ્સન અને ફ્રેન્કલિન સ્ટાલે $1958$ માં ઇશ્વેરેશિયા કોલાઈ $(E. coli)$ નો ઉપયોગ કરીને આપ્યું હતું.
$(i)$ તેઓએ $E. coli$ ને એવા માધ્યમમાં ઉછેર્યા જેમાં નાઇટ્રોજનના એકમાત્ર સ્ત્રોત તરીકે $^{15}NH_4Cl$ ($^{15}N$ એ નાઇટ્રોજનનો ભારે સમસ્થાનિક છે) હતું. પરિણામે,નવા સંશ્લેષિત $DNA$ અને અન્ય નાઇટ્રોજનયુક્ત સંયોજનોમાં $^{15}N$ નો સમાવેશ થયો.
આ ભારે $DNA$ અણુને સીઝિયમ ક્લોરાઇડ $(CsCl)$ ઘનત્વ ઢાળમાં સેન્ટ્રિફ્યુગેશન દ્વારા સામાન્ય $DNA$ થી અલગ કરી શકાય છે. ($^{15}N$ એ કિરણોત્સર્ગી સમસ્થાનિક નથી; તેને માત્ર ઘનત્વના તફાવતને આધારે જ $^{14}N$ થી અલગ કરી શકાય છે.)
$(ii)$ ત્યારબાદ,તેઓએ કોષોને સામાન્ય $^{14}NH_4Cl$ ધરાવતા માધ્યમમાં સ્થાનાંતરિત કર્યા અને કોષોના ગુણન દરમિયાન વિવિધ ચોક્કસ સમયના અંતરાલે નમૂનાઓ લીધા. નિષ્કર્ષિત $DNA$ ને સેન્ટ્રિફ્યુજ કરવામાં આવ્યું અને $CsCl$ ઢાળનો ઉપયોગ કરીને તેની ઘનત્વ માપવામાં આવી.
સેન્ટ્રિફ્યુજમાં,વધુ દ્રવ્યમાન ઘનત્વ ધરાવતા અણુઓ ઓછી ઘનત્વ ધરાવતા અણુઓ કરતા ઝડપથી અવસાદન પામે છે,જેનાથી હાઇબ્રિડ,ભારે અને હલકા $DNA$ અણુઓને અલગ કરી શકાય છે.

સજીવ કોષોમાં DNA સ્વયંજનન
સજીવ કોષોમાં, જેમ કે $E. coli$ માં, સ્વયંજનનની પ્રક્રિયા માટે ઉત્સેચકોના સમૂહની જરૂર હોય છે. મુખ્ય ઉત્સેચક DNA આધારિત DNA પોલિમરેઝ છે. તે DNA ટેમ્પલેટનો ઉપયોગ કરીને DNA ના બહુલીકરણને ઉત્પ્રેરિત કરે છે.
$E. coli$ માં $4.6 \times 10^6$ બેઝ જોડી $(bp)$ હોય છે અને તે $18$ મિનિટમાં સ્વયંજનન પૂર્ણ કરે છે, જેનો અર્થ છે કે બહુલીકરણનો દર આશરે $2000$ $bp$ પ્રતિ સેકન્ડ છે.
સ્વયંજનન એ ઊર્જા-ખર્ચાળ પ્રક્રિયા છે. ડિઑક્સિરિબોન્યુક્લિઓસાઇડ ટ્રાયફૉસ્ફેટ બેવડાં કાર્ય કરે છે: તેઓ પ્રક્રિયાર્થી તરીકે કાર્ય કરે છે અને બહુલીકરણ માટે ઊર્જા પૂરી પાડે છે (અંતિમ બે ફૉસ્ફેટ ઊર્જાસભર બંધ ધરાવે છે).
DNA પોલિમરેઝ ઉપરાંત, પ્રક્રિયા પૂર્ણ કરવા માટે અન્ય ઉત્સેચકોની જરૂર પડે છે:
$1.$ Helicase: સ્વયંજનન ચીપિયા (replication fork) પર DNA કુંતલને ખોલે છે.  
$2.$ Primase: સ્વયંજનન શરૂ કરવા માટે ટૂંકા RNA પ્રાઇમરનું સંશ્લેષણ કરે છે.  
$3.$ DNA ligase: લેગિંગ શૃંખલા પરના તૂટક Okazaki ટુકડાઓને જોડે છે.
DNA પોલિમરેઝ માત્ર $5' \rightarrow 3'$ દિશામાં જ બહુલીકરણને ઉત્પ્રેરિત કરી શકે છે. પરિણામે, $3' \rightarrow 5'$ ધ્રુવીયતા ધરાવતી ટેમ્પલેટ શૃંખલા પર સ્વયંજનન સતત થાય છે, જ્યારે $5' \rightarrow 3'$ ધ્રુવીયતા ધરાવતી ટેમ્પલેટ શૃંખલા પર તે તૂટક હોય છે.
DNA સ્વયંજનન યાદચ્છિક રીતે શરૂ થતું નથી; તે 'સ્વયંજનન ઉત્પત્તિ સ્થાન' $(ori)$ તરીકે ઓળખાતા ચોક્કસ વિસ્તારોમાં શરૂ થાય છે.
સુકોષકેન્દ્રીઓમાં, સ્વયંજનન કોષચક્રના $S$-તબક્કા દરમિયાન થાય છે. DNA સ્વયંજનન પછી કોષવિભાજન ન થવાથી પોલિપ્લોઇડી (રંગસૂત્રીય અનિયમિતતાઓ) સર્જાય છે.

(N/A)

અગ્રેસર શૃંખલા	વિલંબિત શૃંખલા
$(1)$ અગ્રેસર શૃંખલા $5' \rightarrow 3'$ ની દિશામાં સળંગ નિર્માણ પામે છે.	$(1)$ વિલંબિત શૃંખલા $5' \rightarrow 3'$ ની દિશામાં અસતત (ટુકડાઓમાં) નિર્માણ પામે છે.
$(2)$ આમાં ઓકાઝાકી ટુકડાઓનું નિર્માણ થતું નથી.	$(2)$ આમાં ઓકાઝાકી ટુકડાઓનું નિર્માણ થાય છે.
$(3)$ $DNA$ પોલિમરેઝ ઉત્સેચક $3'$ છેડાની દિશામાં નવા ન્યુક્લિઓટાઇડ ઉમેરે છે.	$(3)$ $DNA$ પોલિમરેઝ શૃંખલાની વૃદ્ધિની દિશામાં સળંગ ન્યુક્લિઓટાઇડ ઉમેરી શકતું નથી, તેથી સળંગ સંશ્લેષણ થતું નથી.
$(4)$ શરૂઆતમાં માત્ર એક જ $RNA$ પ્રાઇમરની જરૂર પડે છે.	$(4)$ દરેક ઓકાઝાકી ટુકડા માટે અલગ-અલગ $RNA$ પ્રાઇમરની જરૂર પડે છે.

(N/A) $DNA$ સ્વયંજનન દરમિયાન,પિતૃ $DNA$ અણુની બે પોલિન્યુક્લિઓટાઇડ શૃંખલાઓ વચ્ચેના હાઇડ્રોજન બંધ ચોક્કસ ઉત્સેચકોની હાજરીમાં તૂટે છે.
આ બે શૃંખલાઓ એકબીજાથી અલગ થાય છે.
આ અલગ પડેલી દરેક શૃંખલા પર તેમની પૂરક શૃંખલાનું નિર્માણ થાય છે.
પ્રક્રિયાના અંતે,દરેક નવા બનેલા $DNA$ અણુમાં એક શૃંખલા પિતૃ $DNA$ની અને એક નવી નિર્માણ પામેલી શૃંખલા હોય છે.
તેથી,કહી શકાય કે $DNA$ સ્વયંજનન અર્ધરૂઢિગત પદ્ધતિ છે.

(N/A) $DNA$ ના સ્વયંજનનની શરૂઆત એક ચોક્કસ સ્થાનેથી થાય છે,જેને સ્વયંજનનનું ઉદગમ સ્થાન $(ori)$ કહે છે.
આ બિંદુથી,સ્વયંજનનની પ્રક્રિયા એકસાથે બંને દિશાઓમાં આગળ વધે છે.
આ પ્રક્રિયામાં $DNA$ હેલિકેઝ જેવા ઉત્સેચકો મદદ કરે છે,જે હેલિક્સને ખોલે છે,અને $DNA$ ગાયરેઝ,જે મરોડને દૂર કરે છે.
જેમ જેમ બે શૃંખલાઓ અલગ થાય છે,તેમ તે $Y$ આકારની રચના બનાવે છે,જેને સ્વયંજનન ચીપિયો (replication fork) કહેવામાં આવે છે.
સ્વયંજનનની પ્રક્રિયા ઉદગમ સ્થાનથી બંને વિરુદ્ધ દિશાઓમાં આગળ વધતી હોવાથી,તેને દ્વિદિશીય સ્વયંજનન કહેવામાં આવે છે.

(N/A) કોઈ પણ સજીવની વૃદ્ધિ તેના કોષોના વિભાજન દ્વારા થાય છે. વૃદ્ધિના તબક્કા દરમિયાન,બંધારણીય ઘટકો અને જનીન દ્રવ્ય $(DNA)$ નું પ્રમાણ વધવું આવશ્યક છે,જેથી નવા સર્જાતા કોષોને પિતૃ કોષ જેટલું જ અને સમાન જનીન દ્રવ્ય મળી શકે.
આ માટે,$DNA$ ના નવા સંશ્લેષિત અણુઓમાં ન્યુક્લિઓટાઇડની સંખ્યા,પ્રકાર અને ક્રમ મૂળ અણુ જેવા જ હોવા જોઈએ.
$DNA$ ના મૂળ અણુમાંથી આવા બે નવા અણુ બનવાની પ્રક્રિયાને સ્વયંજનન (Replication) કહે છે.
આમ,કહી શકાય કે $DNA$ નું સ્વયંજનન $DNA$ દ્વારા જ નિર્ધારિત છે.

(N/A) $1.$ ટેમ્પ્લેટ શૃંખલા: $DNA$ ની જે શૃંખલા સ્વયંજનન અથવા પ્રત્યાંકન દરમિયાન પૂરક $DNA$ કે $RNA$ શૃંખલાના નિર્માણ માટે આધાર (ટેમ્પ્લેટ) તરીકે કાર્ય કરે છે,તેને ટેમ્પ્લેટ શૃંખલા કહે છે.
$2.$ અર્ધરૂઢિગત સ્વયંજનન: $DNA$ સ્વયંજનનની એવી પદ્ધતિ જેમાં પિતૃ $DNA$ અણુની બે શૃંખલાઓ અલગ થાય છે અને દરેક શૃંખલા નવી પૂરક શૃંખલાના નિર્માણ માટે ટેમ્પ્લેટ તરીકે કાર્ય કરે છે. પરિણામે,દરેક સંતતિ $DNA$ અણુમાં એક પિતૃ શૃંખલા અને એક નવી સંશ્લેષિત શૃંખલા હોય છે.

(N/A) $E. coli$ માં $DNA$ પોલિમરેઝ બેવડી પ્રવૃત્તિ દર્શાવે છે:
$1$. $DNA$ આધારિત $DNA$ પોલિમરેઝ પ્રવૃત્તિ: તે ટેમ્પલેટ $DNA$ શૃંખલાને વાંચીને ડીઓક્સિરાઈબોન્યુક્લિયોટાઈડ્સના પોલિમરાઈઝેશનને ઉત્પ્રેરિત કરે છે,જે $5' \rightarrow 3'$ દિશામાં પૂરક શૃંખલાનું સંશ્લેષણ સુનિશ્ચિત કરે છે.
$2$. પ્રૂફ-રીડિંગ પ્રવૃત્તિ ($3' \rightarrow 5'$ એક્ઝોન્યુક્લિયેઝ પ્રવૃત્તિ): પ્રતિકૃતિ દરમિયાન,જો કોઈ ખોટો ન્યુક્લિયોટાઈડ ઉમેરાય,તો ઉત્સેચક આ ભૂલને ઓળખે છે. ત્યારબાદ તે તેની $3' \rightarrow 5'$ એક્ઝોન્યુક્લિયેઝ પ્રવૃત્તિનો ઉપયોગ કરીને ખોટા ન્યુક્લિયોટાઈડને દૂર કરે છે અને તેને સાચા ન્યુક્લિયોટાઈડ સાથે બદલે છે,આમ પ્રતિકૃતિની ઉચ્ચ ચોકસાઈ સુનિશ્ચિત કરે છે.

(N/A) $DNA$-આધારિત $DNA$ પોલિમરેઝ ઉત્સેચકો માત્ર એક જ દિશામાં,એટલે કે $5' \rightarrow 3'$ દિશામાં પોલિમરાઈઝેશનને ઉદ્દીપ્ત કરે છે. આ પ્રતિકૃતિ કાંટા (replicating fork) પર કેટલીક વધારાની જટિલતાઓ ઊભી કરે છે. પરિણામે,અગ્રગામી શૃંખલા (leading strand) (જેની ધ્રુવીયતા $3' \rightarrow 5'$ છે) પર પ્રતિકૃતિ સતત થાય છે,જ્યારે પ્રતિકામી શૃંખલા (lagging strand) (જેની ધ્રુવીયતા $5' \rightarrow 3'$ છે) પર તે અસતત હોય છે. અસતત રીતે સંશ્લેષિત થયેલા આ ટુકડાઓને ઓકાઝાકી ટુકડાઓ (Okazaki fragments) કહેવામાં આવે છે,જે પાછળથી $DNA$ લિગેઝ ઉત્સેચક દ્વારા જોડવામાં આવે છે.

(N/A) $DNA$ પોલિમરેઝ એ $DNA$ પ્રતિકૃતિ માટે જવાબદાર ઉત્સેચક છે. તે અત્યંત વિશિષ્ટ સક્રિય સ્થાન ધરાવે છે જે માત્ર ડીઓક્સીરાઈબોન્યુક્લિયોસાઈડ ટ્રાયફોસ્ફેટ્સ $(dNTPs)$ ને જ બંધન કરી શકે છે અને તેને વધતી જતી $DNA$ શૃંખલામાં ઉમેરી શકે છે. તે રાઈબોન્યુક્લિયોસાઈડ ટ્રાયફોસ્ફેટ્સ $(rNTPs)$ ને સ્વીકારી શકતું નથી કારણ કે $rNTPs$ ની રાઈબોઝ શર્કરામાં હાજર $2'$-$OH$ સમૂહ અવકાશી અવરોધ (steric hindrance) પેદા કરે છે,જે તેમને $DNA$ પોલિમરેઝ ઉત્સેચકના સક્રિય સ્થાનમાં બંધબેસતા અટકાવે છે.

(N/A) $(i)$ હેલિકેઝ: બેઝ જોડીઓ વચ્ચેના હાઈડ્રોજન બંધોને તોડીને $DNA$ ની બેવડી કુંડળી (double helix) ને ખોલે છે.
$(ii)$ ટોપોઆઈસોમરેઝ ($DNA$ ગાયરેઝ): પ્રતિકૃતિ કાંટા (replication fork) ની આગળ ઉત્પન્ન થતા મરોડના તાણને (supercoiling) દૂર કરે છે.
$(iii)$ પ્રાઈમેઝ: ટૂંકા $RNA$ પ્રાઈમર્સનું સંશ્લેષણ કરે છે જે $DNA$ પોલિમરેઝને સંશ્લેષણ શરૂ કરવા માટે $3'-OH$ સમૂહ પૂરો પાડે છે.
$(iv)$ ટેલોમરેઝ: રંગસૂત્રોના છેડા (ટેલોમિયર્સ) પર પુનરાવર્તિત ન્યુક્લિયોટાઈડ ક્રમ ઉમેરે છે જેથી પ્રતિકૃતિ દરમિયાન તેમનું વિઘટન અટકાવી શકાય.

(N/A) મેથ્યુ મેસેલ્સન અને ફ્રેન્કલિન સ્ટેહલે $1958$ માં તેમનો સીમાચિહ્નરૂપ પ્રયોગ કર્યો હતો. તેમણે $E. coli$ ને ઘણા પેઢીઓ સુધી નાઈટ્રોજનના એકમાત્ર સ્ત્રોત તરીકે $^{15}NH_4Cl$ ($^{15}N$ એ નાઈટ્રોજનનો ભારે આઈસોટોપ છે) ધરાવતા માધ્યમમાં ઉછેર્યું હતું. પરિણામે,$^{15}N$ નવા સંશ્લેષિત $DNA$ અણુઓમાં સમાવિષ્ટ થયું હતું.
આ ભારે $DNA$ અણુને સીઝિયમ ક્લોરાઈડ $(CsCl)$ ઘનતા ઢાળમાં સેન્ટ્રીફ્યુગેશન દ્વારા સામાન્ય $DNA$ $(^{14}N)$ થી અલગ પાડી શકાય છે. $^{15}N$ નું મહત્વ એ હકીકતમાં રહેલું છે કે તે એક બિન-રેડિયોએક્ટિવ,સ્થિર આઈસોટોપ છે જે $DNA$ શૃંખલાઓને તેમની ઘનતાના તફાવતને આધારે અલગ કરવાની મંજૂરી આપે છે,જેનાથી $DNA$ ના અર્ધ-રૂઢિચુસ્ત (semi-conservative) સ્વયંજનન પદ્ધતિ સાબિત થાય છે.

(N/A) $1$. ઉર્જાની જરૂરિયાત: $DNA$ અણુ ખૂબ જ લાંબો અને સ્થાયી હોય છે. $DNA$ હેલિક્સની સંપૂર્ણ લંબાઈને એકસાથે અલગ કરવા માટે ખૂબ જ વધારે ઉર્જાની જરૂર પડે છે,જે જૈવિક રીતે શક્ય નથી.
$2$. પ્રતિકૃતિ ફોર્ક: આ સમસ્યાને દૂર કરવા માટે,પ્રતિકૃતિ $DNA$ હેલિક્સના એક નાના ભાગમાં થાય છે,જેને પ્રતિકૃતિ ફોર્ક કહેવામાં આવે છે. આ સ્થાનિક ઉદઘાટન પ્રતિકૃતિ મશીનરીને કાર્યક્ષમ રીતે કામ કરવા દે છે.
$3$. $dNTPs$ ના કાર્યો: મોનોમર્સ,જેમને ડીઓક્સિરાઈબોન્યુક્લિયોસાઈડ ટ્રાયફોસ્ફેટ્સ $(dNTPs)$ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે,તે બે મુખ્ય ભૂમિકાઓ ભજવે છે:
$(a)$ તેઓ નવા $DNA$ સ્ટ્રેન્ડના પોલિમરાઈઝેશન માટે સબસ્ટ્રેટ તરીકે કાર્ય કરે છે.
$(b)$ તેઓ તેમના ઉચ્ચ-ઉર્જા ફોસ્ફેટ બોન્ડના જળવિભાજન દ્વારા પોલિમરાઈઝેશન પ્રતિક્રિયા માટે જરૂરી ઉર્જા પૂરી પાડે છે.

(B) $DNA$ સંશ્લેષણ દરમિયાન,ડીઓક્સીરાઇબોઝ શર્કરા પરનો $3'$-$OH$ સમૂહ આવનારા ન્યુક્લિયોટાઇડ સાથે ફોસ્ફોડાયએસ્ટર બંધ બનાવવા માટે આવશ્યક છે.
$2', 3'$-ડાયડીઓક્સી સાયટિડીન ટ્રાયફોસ્ફેટમાં $3'$-$OH$ સમૂહનો અભાવ હોય છે.
તેથી,એકવાર આ અણુ વધતી જતી $DNA$ શૃંખલામાં જોડાઈ જાય,પછી કોઈ વધારાના ન્યુક્લિયોટાઇડ ઉમેરી શકાતા નથી,જેના પરિણામે $DNA$ સંશ્લેષણ અટકી જાય છે.

(D) $DNA$ લિગેઝનો અભાવ ધરાવતા $E. coli$ મ્યુટન્ટ્સમાં,લેગિંગ સ્ટ્રેન્ડ પર $Okazaki$ ટુકડાઓનું જોડાણ ખોરવાય છે.
$DNA$ રેપ્લિકેશન દરમિયાન,લીડિંગ સ્ટ્રેન્ડ સતત સંશ્લેષિત થાય છે,જ્યારે લેગિંગ સ્ટ્રેન્ડ ટૂંકા $Okazaki$ ટુકડાઓ તરીકે સંશ્લેષિત થાય છે.
સામાન્ય રીતે,$DNA$ લિગેઝ આ ટુકડાઓને લાંબી,ઉચ્ચ આણ્વીય ભાર ધરાવતી શૃંખલામાં જોડે છે.
કાર્યકારી $DNA$ લિગેઝની ગેરહાજરીમાં,નવું સંશ્લેષિત $DNA$ ટૂંકા,નીચા આણ્વીય ભાર ધરાવતા ટુકડાઓ તરીકે રહે છે.
જ્યારે આ શૃંખલાઓને ડિનેચ્યુરેશન દ્વારા અલગ કરવામાં આવે છે અને ડેન્સિટી ગ્રેડિયન્ટ સેન્ટ્રિફ્યુગેશન કરવામાં આવે છે,ત્યારે ટૂંકા ટુકડાઓ નીચા આણ્વીય ભારને અનુરૂપ પ્રદેશમાં સ્થળાંતર કરશે.
તેથી,રેડિયોએક્ટિવ સિગ્નલ નીચા આણ્વીય ભારની સ્થિતિ પર એક શિખર દર્શાવશે,જે ગ્રાફ $(d)$ માં દર્શાવેલ છે.

(N/A) $DNA$ ની બેવડી કુંતલમય રચના ઉપરાંત, વોટસન અને ક્રિકે $DNA$ સ્વયંજનન માટે એક યોજના પ્રસ્તાવિત કરી હતી.
તેમનું મૂળ નિવેદન નીચે મુજબ છે:
$(i)$ અમારા ધ્યાનમાં આવ્યું છે કે અમે સૂચવેલી વિશિષ્ટ જોડી આનુવંશિક દ્રવ્ય માટે સંભવિત નકલ કરવાની પદ્ધતિ સૂચવે છે (વોટસન અને ક્રિક, $1953$).
$(ii)$ આ યોજના સૂચવે છે કે બે શૃંખલાઓ અલગ થશે અને નવી પૂરક શૃંખલાઓના સંશ્લેષણ માટે ટેમ્પલેટ તરીકે કાર્ય કરશે.
$(iii)$ સ્વયંજનન પૂર્ણ થયા પછી, દરેક $DNA$ અણુમાં એક પિતૃ અને એક નવી સંશ્લેષિત શૃંખલા હશે.
$(iv)$ આ યોજનાને અર્ધ-રૂઢિચુસ્ત (Semiconservative) $DNA$ સ્વયંજનન કહેવામાં આવ્યું.
તે સાબિત થયું છે કે $DNA$ અર્ધ-રૂઢિચુસ્ત રીતે સ્વયંજનન પામે છે. આ સૌ પ્રથમ $Escherichia coli$ માં અને ત્યારબાદ ઉચ્ચ સજીવો જેવા કે વનસ્પતિ અને માનવ કોષોમાં દર્શાવવામાં આવ્યું હતું.
મેથ્યુ મેસેલ્સન અને ફ્રેન્કલિન સ્ટાલે $1958$ માં નીચે મુજબનો પ્રયોગ કર્યો:
$(i)$ તેઓએ $E. coli$ ને ઘણા પેઢીઓ સુધી માત્ર નાઈટ્રોજન સ્ત્રોત તરીકે $^{15}NH_4Cl$ ($^{15}N$ એ નાઈટ્રોજનનો ભારે આઈસોટોપ છે) ધરાવતા માધ્યમમાં ઉછેર્યા. પરિણામ એ આવ્યું કે $^{15}N$ નવા સંશ્લેષિત $DNA$ (તેમજ અન્ય નાઈટ્રોજનયુક્ત સંયોજનો) માં સમાવિષ્ટ થયું.
$(ii)$ ત્યારબાદ તેઓએ કોષોને સામાન્ય $^{14}NH_4Cl$ ધરાવતા માધ્યમમાં સ્થાનાંતરિત કર્યા અને કોષોના ગુણાકાર સાથે વિવિધ નિશ્ચિત સમયના અંતરાલે નમૂના લીધા. $DNA$ ની ઘનતા માપવા માટે નિષ્કર્ષિત $DNA$ ને સીઝિયમ ક્લોરાઈડ $(CsCl)$ ઘનતા ઢાળમાં સેન્ટ્રીફ્યુજ કરવામાં આવ્યું.
$(iii)$ એક પેઢી ($20$ મિનિટ) પછી સંસ્કૃતિમાંથી નિષ્કર્ષિત $DNA$ ની ઘનતા હાઇબ્રિડ અથવા મધ્યવર્તી હતી. બીજી પેઢી ($40$ મિનિટ) પછી સંસ્કૃતિમાંથી નિષ્કર્ષિત $DNA$ આ હાઇબ્રિડ $DNA$ અને 'હલકા' $DNA$ ના સમાન જથ્થાનું બનેલું હતું.

(N/A) પ્રતિકૃતિની પ્રક્રિયા માટે નીચે મુજબના ઉદ્દીપકો (ઉત્સેચકો) ની જરૂર પડે છે:
$DNA$-આધારિત $DNA$ પોલિમરેઝ: આ મુખ્ય ઉત્સેચક છે જે $DNA$ ટેમ્પલેટનો ઉપયોગ કરીને ડિઓક્સિન્યુક્લિઓટાઇડ્સના પોલિમરાઇઝેશનને ઉદ્દીપ્ત કરે છે. આ ઉત્સેચકો અત્યંત કાર્યક્ષમ હોય છે કારણ કે તેઓએ ખૂબ જ ટૂંકા સમયમાં મોટી સંખ્યામાં ન્યુક્લિઓટાઇડ્સનું પોલિમરાઇઝેશન કરવું પડે છે. ઉદાહરણ તરીકે,$E. coli$ તેના $4.6 \times 10^{6}$ bp જીનોમની પ્રતિકૃતિ $38$ મિનિટમાં પૂર્ણ કરે છે,જેના માટે સરેરાશ પોલિમરાઇઝેશન દર આશરે $2000$ bp પ્રતિ સેકન્ડ જરૂરી છે. આ પોલિમરેઝ ઝડપી અને અત્યંત સચોટ હોવા જોઈએ,કારણ કે ભૂલોને કારણે મ્યુટેશન થઈ શકે છે. ઉર્જાની દ્રષ્ટિએ,પ્રતિકૃતિ એક ખર્ચાળ પ્રક્રિયા છે; ડિઓક્સિરિબોન્યુક્લિઓસાઇડ ટ્રાયફોસ્ફેટ્સ બેવડા હેતુઓ પૂરા પાડે છે: સબસ્ટ્રેટ તરીકે કામ કરવું અને પોલિમરાઇઝેશન પ્રતિક્રિયા માટે ઉર્જા પૂરી પાડવી ($ATP$ ની જેમ જ બે ટર્મિનલ ફોસ્ફેટ્સ ઉચ્ચ-ઉર્જા ધરાવે છે). પ્રોકેરિયોટ્સમાં ત્રણ પ્રકારના ($DNA$ પોલિમરેઝ $I, II, III$) હોય છે,જ્યારે યુકેરિયોટ્સમાં પાંચ પ્રકારના $(\alpha, \beta, \gamma, \delta, \varepsilon)$ ઓળખવામાં આવ્યા છે. તેઓ પ્રૂફરીડિંગ દ્વારા ખોટા ન્યુક્લિઓટાઇડ્સને દૂર કરવામાં પણ મદદ કરે છે.
હેલિકેઝ: તે $DNA$ હેલિક્સને અનવાઇન્ડ કરે છે,એટલે કે પ્રતિકૃતિ ફોર્ક બનાવવા માટે બે સ્ટ્રેન્ડને એક બિંદુએથી અલગ કરે છે.
ટોપોઆઇસોમરેઝ: $DNA$ નું અનવાઇન્ડિંગ $DNA$ સ્ટ્રેન્ડમાં તણાવ પેદા કરે છે,જે ટોપોઆઇસોમરેઝ ઉત્સેચક દ્વારા દૂર કરવામાં આવે છે.
$DNA$ લિગેઝ: તે ફોસ્ફોડાયસ્ટર બોન્ડના નિર્માણને ઉદ્દીપ્ત કરીને $DNA$ ટુકડાઓને (ઓકાઝાકી ફ્રેગમેન્ટ્સ) જોડવાની સુવિધા આપે છે. તે ડુપ્લેક્સ $DNA$ માં સિંગલ-સ્ટ્રેન્ડ બ્રેક્સને રિપેર કરવામાં પણ ભૂમિકા ભજવે છે.
પ્રાઇમેઝ: તે ટૂંકા $RNA$ પ્રાઇમર્સનું સંશ્લેષણ કરે છે જે $DNA$ પોલિમરેઝ માટે નવા $DNA$ સ્ટ્રેન્ડના સંશ્લેષણને શરૂ કરવા માટે જરૂરી છે.

(N/A) $DNA$ પ્રતિકૃતિ દરમિયાન $DNA$ પોલિમરેઝ બેવડું કાર્ય કરે છે:
$1$. પોલિમરાઈઝેશન: તે નવા $DNA$ શૃંખલાના નિર્માણ માટે વધતી જતી $DNA$ શૃંખલાના $3'$ છેડા પર ડીઓક્સિરાઈબોન્યુક્લિયોટાઈડ્સ ઉમેરવાનું કાર્ય કરે છે।
$2$. પ્રૂફરીડિંગ અને રિપેર: તે $3' \to 5'$ એક્સોન્યુક્લિયેઝ પ્રવૃત્તિ ધરાવે છે, જે તેને ખોટી રીતે જોડાયેલા બેઝ (mismatched nucleotides) ને દૂર કરીને તેના સ્થાને સાચા બેઝ ઉમેરવાની મંજૂરી આપે છે, જેથી પ્રતિકૃતિની ચોકસાઈ જળવાઈ રહે છે। આ ઉપરાંત, તે $RNA$ પ્રાઈમરને દૂર કરવામાં અને તે ખાલી જગ્યાઓને $DNA$ ના ટુકડાઓ વડે ભરવામાં પણ મદદ કરે છે।

$(A)$ સાચી જોડ નીચે મુજબ છે:
$(a)$ હેલિકેઝ: હાઇડ્રોજન બંધ તોડીને $DNA$ ના બેવડા કુંતલને ખોલવા માટે જવાબદાર છે $(2)$.
$(b)$ ગાયરેઝ (ટોપોઆઇસોમરેઝ): રેપ્લિકેશન ફોર્કની આગળ આવતા સુપરકોઇલિંગ તણાવને દૂર કરવા માટે જવાબદાર છે, જેમાં $DNA$ નું અનવાઇન્ડિંગ થાય છે $(3)$.
$(c)$ પ્રાઇમેઝ: $DNA$ રેપ્લિકેશન માટે જરૂરી ટૂંકા $RNA$ પ્રાઇમર્સનું સંશ્લેષણ કરે છે $(4)$.
$(d)$ $DNA$ પોલિમરેઝ $III$: ન્યુક્લિયોટાઇડ્સના જોડાણ દ્વારા $DNA$ શૃંખલાના લંબાઈ વધારવા માટે જવાબદાર છે $(1)$.
તેથી, સાચો ક્રમ $(a-2, b-3, c-4, d-1)$ છે.

(N/A) $(1)$ જે ક્રોમેટિન વધુ ઘટ્ટ રીતે ગોઠવાયેલું હોય છે અને ઘેરા રંગનું અભિરંજિત થાય છે તેને હેટરોક્રોમેટિન કહેવામાં આવે છે. તે જનીનિક રીતે નિષ્ક્રિય હોય છે.
$(2)$ અર્ધ-રૂઢિચુસ્ત $DNA$ પ્રતિકૃતિમાં,$DNA$ ના બે શૃંખલાઓ અલગ થાય છે અને દરેક નવી પૂરક શૃંખલાના સંશ્લેષણ માટે ટેમ્પલેટ તરીકે કાર્ય કરે છે. પ્રતિકૃતિ પૂર્ણ થયા પછી,દરેક $DNA$ અણુમાં એક પિતૃ શૃંખલા અને એક નવી સંશ્લેષિત શૃંખલા હોય છે. આ પદ્ધતિને અર્ધ-રૂઢિચુસ્ત $DNA$ પ્રતિકૃતિ કહેવામાં આવે છે.

(B) $DNA$ સ્વયંજનન એ અર્ધ-રૂઢિચુસ્ત (semi-conservative) પ્રક્રિયા છે.
આ પ્રક્રિયા દરમિયાન,પિતૃ $DNA$ અણુની બે શૃંખલાઓ અલગ થાય છે અને દરેક શૃંખલા નવી પૂરક શૃંખલાના સંશ્લેષણ માટે ટેમ્પલેટ તરીકે કાર્ય કરે છે.
પરિણામે,નિર્મિત દરેક બે સંતતિ $DNA$ અણુઓમાં એક મૂળ (પિતૃ) શૃંખલા અને એક નવનિર્મિત શૃંખલા હોય છે.
આ પદ્ધતિ આનુવંશિક માહિતીના વહનની ઉચ્ચ ચોકસાઈ સુનિશ્ચિત કરે છે.

(A) $DNA$ સ્વયંજનનની અર્ધરૂઢીગત પદ્ધતિનો પ્રાયોગિક પુરાવો $1958$ માં મેથ્યુ મેસેલ્સન અને ફ્રેન્કલિન સ્ટાલ દ્વારા આપવામાં આવ્યો હતો. તેમણે $E. coli$ ને $^{15}N$ (નાઈટ્રોજનનો ભારે આઈસોટોપ) ધરાવતા માધ્યમમાં ઘણી પેઢીઓ સુધી ઉછેર્યું,જેના પરિણામે $DNA$ અણુઓમાં $^{15}N$ નો સમાવેશ થયો. જ્યારે આ બેક્ટેરિયાને $^{14}N$ (સામાન્ય આઈસોટોપ) ધરાવતા માધ્યમમાં સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવ્યા,ત્યારે એક પેઢી પછી મેળવેલ $DNA$ મધ્યવર્તી ઘનતા દર્શાવતું હતું,જે પુષ્ટિ કરે છે કે દરેક નવો $DNA$ અણુ એક પિતૃ શૃંખલા અને એક નવી સંશ્લેષિત શૃંખલાનો બનેલો હોય છે.

(A) $DNA$ ના સ્વયંજનનની અર્ધરૂઢીગત પ્રકૃતિ સાબિત કરવાનો પ્રાયોગિક પુરાવો મેથ્યુ મેસેલસન અને ફ્રેન્કલિન સ્ટાલે $1958$ માં આપ્યો હતો.
તેમણે તેમના પ્રયોગો માટે $Escherichia coli$ $(E. coli)$ બેક્ટેરિયાનો ઉપયોગ કર્યો હતો.
તેમણે $E. coli$ ને $^{15}N$ (નાઈટ્રોજનનું ભારે આઈસોટોપ) ધરાવતા માધ્યમમાં ઉછેર્યા અને ત્યારબાદ તેને $^{14}N$ (હલકું આઈસોટોપ) ધરાવતા માધ્યમમાં સ્થાનાંતરિત કર્યા.
સીઝિયમ ક્લોરાઈડ $(CsCl)$ ડેન્સિટી ગ્રેડિયન્ટ સેન્ટ્રીફ્યુગેશન દ્વારા $DNA$ ની ઘનતા તપાસતા માલૂમ પડ્યું કે પ્રથમ પેઢી પછી $DNA$ એ $^{15}N$ અને $^{14}N$ નું સંકર (hybrid) સ્વરૂપ હતું,જે $DNA$ સ્વયંજનનની અર્ધરૂઢીગત પદ્ધતિની પુષ્ટિ કરે છે.

(B) મેસેલસન અને સ્ટાલે $DNA$ નું સ્વયંજનન અર્ધ-રૂઢિચુસ્ત (semi-conservative) છે તે સાબિત કરવા માટે પ્રયોગ કર્યો હતો.
તેમણે સૌપ્રથમ $E. coli$ ને ઘણા પેઢીઓ સુધી નાઈટ્રોજનના એકમાત્ર સ્ત્રોત તરીકે $^{15}NH_4Cl$ ધરાવતા માધ્યમમાં ઉછેર્યું હતું.
આના પરિણામે બેક્ટેરિયાના નવા સંશ્લેષિત $DNA$ માં ભારે આઈસોટોપ $^{15}N$ નો સમાવેશ થયો.
ત્યારબાદ,તેમણે કોષોને સામાન્ય $^{14}NH_4Cl$ ધરાવતા માધ્યમમાં સ્થાનાંતરિત કર્યા અને $CsCl$ ડેન્સિટી ગ્રેડિયન્ટ સેન્ટ્રિફ્યુગેશનનો ઉપયોગ કરીને $DNA$ ની ઘનતા અવલોકવા માટે વિવિધ સમયના અંતરે નમૂના લીધા.

(D) ભારે $DNA$ ($^{15}N$ ધરાવતું) ને સામાન્ય $DNA$ ($^{14}N$ ધરાવતું) થી અલગ કરવા માટે ઘનત્વ ઢાળ સેન્ટ્રિફ્યુગેશન (density gradient centrifugation) પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.
આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ મેસેલ્સન અને સ્ટેહલે તેમના પ્રયોગમાં કર્યો હતો,જેમાં સીઝિયમ ક્લોરાઈડ $(CsCl)$ ના ઘનત્વ ઢાળનો ઉપયોગ થાય છે.
કારણ કે $^{15}N$ એ $^{14}N$ કરતા ભારે છે,તેથી આ આઈસોટોપ્સ ધરાવતા $DNA$ અણુઓ અલગ ઘનત્વ દર્શાવે છે.
તેથી,સેન્ટ્રિફ્યુગેશન દરમિયાન તેઓ $CsCl$ ના દ્રાવણમાં અલગ-અલગ સ્થાને સ્થાયી થાય છે,જેનાથી ઘનત્વના આધારે તેમનું અલગીકરણ શક્ય બને છે.

(C) મેસેલ્સન અને સ્ટાફે અર્ધ-રૂઢિચુસ્ત (semi-conservative) $DNA$ પ્રતિકૃતિ સાબિત કરવા માટે પ્રયોગ કર્યો હતો.
તેમણે $DNA$ ને લેબલ કરવા માટે $E. coli$ ને ઘણા પેઢીઓ સુધી $^{15}N$ (નાઈટ્રોજનનો ભારે આઈસોટોપ) ધરાવતા માધ્યમમાં ઉછેર્યા.
ત્યારબાદ, તેમણે આ બેક્ટેરિયાને $^{14}NH_{4}Cl$ (નાઈટ્રોજનનો સામાન્ય આઈસોટોપ) ધરાવતા માધ્યમમાં સ્થાનાંતરિત કર્યા.
$E. coli$ દર $20$ મિનિટે વિભાજન પામતું હોવાથી, તેમણે સીઝિયમ ક્લોરાઈડ $(CsCl)$ ડેન્સિટી ગ્રેડિયન્ટ સેન્ટ્રિફ્યુગેશનનો ઉપયોગ કરીને $DNA$ ની ઘનતાનું વિશ્લેષણ કરવા માટે $20$ મિનિટના ચોક્કસ સમયના અંતરાલે નમૂનાઓ લીધા હતા.

(B) મેથ્યુ મેસેલ્સન અને ફ્રેન્કલિન સ્ટાલે $1958$ માં એક પ્રયોગ કર્યો હતો જે સાબિત કરે છે કે $DNA$ નું સ્વયંજનન અર્ધ-રૂઢિચુસ્ત (semi-conservative) છે.
તેમણે $E. coli$ ને ઘણા પેઢીઓ સુધી $^{15}N$ (નાઈટ્રોજનનો ભારે આઈસોટોપ) ધરાવતા માધ્યમમાં ઉછેર્યા હતા.
આના પરિણામે નવા સંશ્લેષિત $DNA$ માં $^{15}N$ નો સમાવેશ થયો હતો.
ત્યારબાદ તેમણે આ કોષોને સામાન્ય $^{14}N$ ધરાવતા માધ્યમમાં સ્થાનાંતરિત કર્યા અને તેમને વિભાજન કરવા દીધું.
ભારે $^{15}N-DNA$ ને હળવા $^{14}N-DNA$ થી અલગ કરવા માટે,તેમણે $CsCl$ (સીઝિયમ ક્લોરાઈડ) ઘનતા ગ્રેડિયન્ટ સેન્ટ્રિફ્યુગેશન પદ્ધતિનો ઉપયોગ કર્યો હતો.
આ તકનીક અણુઓને તેમની ઘનતાના આધારે અલગ કરે છે,જે વિવિધ $DNA$ શૃંખલાઓની ઓળખ કરવામાં મદદ કરે છે.

(B) મેસેલ્સન અને સ્ટેહલ દ્વારા ડીએનએ $(DNA)$ ના અર્ધ-રૂઢિચુસ્ત (semi-conservative) સ્વયંજનનને સાબિત કરવા માટે કરવામાં આવેલા પ્રયોગમાં,તેમણે $^{15}N$ (નાઈટ્રોજનનો ભારે આઈસોટોપ) ધરાવતા માધ્યમમાં ઉછરેલા $E. coli$ બેક્ટેરિયાનો ઉપયોગ કર્યો હતો.
ડીએનએ અણુઓને તેમની ઘનતાના આધારે અલગ કરવા માટે,તેમણે ઘનતા ઢોળાંશ સેન્ટ્રિફ્યુગેશન (density gradient centrifugation) પદ્ધતિનો ઉપયોગ કર્યો હતો.
તેમણે ઘનતા ઢોળાંશ બનાવવા માટે $CsCl$ (સીઝિયમ ક્લોરાઈડ) ના દ્રાવણનો ઉપયોગ કર્યો હતો,જે ભારે $(^{15}N)$ ડીએનએને હલકા $(^{14}N)$ ડીએનએથી અલગ કરવામાં મદદરૂપ થયું હતું.

(C) આ પ્રશ્ન મેસેલ્સન અને સ્ટાલના પ્રયોગ પર આધારિત છે, જે $DNA$ ના અર્ધ-રૂઢિચુસ્ત (semi-conservative) સ્વયંજનન પદ્ધતિને દર્શાવે છે.
$E. coli$ બેક્ટેરિયા દર $20$ મિનિટે વિભાજન પામે છે.
શરૂઆતમાં, તમામ $DNA$ ભારે $(^{15}N/^{15}N)$ હોય છે.
$20$ મિનિટ પછી (એક પેઢી), તમામ $DNA$ સંકરિત $(^{15}N/^{14}N)$ બને છે.
$40$ મિનિટ પછી (બે પેઢી), $DNA$ માં $50\%$ સંકરિત $(^{15}N/^{14}N)$ અને $50\%$ હલકું $(^{14}N/^{14}N)$ $DNA$ હોય છે.
તેથી, $40$ મિનિટ પછી નિષ્કર્ષિત $DNA$ માં સંકરિત અને હલકા $DNA$ નું પ્રમાણ સમાન હશે.

(D) $E. coli$ નો પેઢી સમય (generation time) $20$ મિનિટ છે.
$80$ મિનિટ પછી,પેઢીઓની સંખ્યા $(n)$ = $80 / 20 = 4$ પેઢી.
જો આપણે $^{14}N$ $DNA$ (હલકું) થી શરૂઆત કરીએ અને $^{15}N$ માધ્યમમાં વૃદ્ધિ કરીએ,તો પ્રથમ પેઢી પછી કોઈ હલકું $DNA$ બાકી રહેશે નહીં.
પરંતુ,જો પ્રશ્ન મેસેલ્સન-સ્ટાલ પ્રયોગ મુજબ હોય (જ્યાં $^{15}N$ થી $^{14}N$ માં જવાય છે),તો $4$ પેઢી પછી કુલ $16$ $DNA$ અણુઓ મળે.
તેમાંથી $2$ અણુઓ સંકરીત $(^{14}N-^{15}N)$ હશે અને બાકીના $14$ અણુઓ હલકા $(^{14}N-^{14}N)$ હશે.
આમ,હલકા અને સંકરીત $DNA$ નું પ્રમાણ $14 : 2$ એટલે કે $87.5 \% : 12.5 \%$ થશે.

(A) ટેલર અને તેમના સહયોગીઓએ $(1958)$ $DNA$ નું સ્વયંજનન અર્ધ-રૂઢિચુસ્ત (semi-conservative) છે તે સાબિત કરવા માટે $Vicia$ $faba$ (ફાવા બીન્સ) પર પ્રયોગો કર્યા હતા.
તેમણે રંગસૂત્રોમાં નવા સંશ્લેષિત $DNA$ ના વિતરણને શોધવા માટે રેડિયોએક્ટિવ થાઇમિડિનનો ઉપયોગ કર્યો હતો.
આ પ્રયોગે સુકોષકેન્દ્રી સજીવોમાં $DNA$ સ્વયંજનનની અર્ધ-રૂઢિચુસ્ત પદ્ધતિ માટે સીધો પુરાવો પૂરો પાડ્યો હતો.

(C) જે. હર્બર્ટ ટેલર અને તેમના સહયોગીઓએ $1958$ માં $Vicia \text{ } faba$ (વાળ) પર પ્રયોગો કર્યા હતા જેથી સાબિત કરી શકાય કે રંગસૂત્રોમાં $DNA$ નું સ્વયંજનન અર્ધ-રૂઢિચુસ્ત (semi-conservative) છે.
તેમણે રંગસૂત્રોમાં નવા સંશ્લેષિત $DNA$ ના વિતરણને શોધવા માટે રેડિયોએક્ટિવ થાયમિડીન ($^3H$-thymidine) નો ઉપયોગ કર્યો હતો.
થાયમિડીન એ એક ડીઓક્સિરાઈબોન્યુક્લિયોસાઈડ છે જે સ્વયંજનન દરમિયાન ખાસ કરીને $DNA$ માં સમાવિષ્ટ થાય છે, જ્યારે યુરેસીલ $RNA$ માં જોવા મળે છે.

(B) $DNA$ ના સ્વયંજનન માટે જવાબદાર મુખ્ય ઉત્સેચક $DNA$ પોલિમરેઝ છે.
તે અસ્તિત્વ ધરાવતી $DNA$ શૃંખલાને ટેમ્પલેટ તરીકે ઉપયોગ કરીને ડીઓક્સિરાઈબોન્યુક્લિઓટાઈડ્સના પોલિમરાઈઝેશન દ્વારા નવી $DNA$ શૃંખલાનું નિર્માણ કરે છે.
જોકે હેલિકેઝ ($DNA$ ને છૂટું પાડવા માટે) અને ગાયરેઝ (સુપરકોઈલિંગ દૂર કરવા માટે) જેવા અન્ય ઉત્સેચકો પણ પ્રક્રિયામાં ભાગ લે છે,પરંતુ $DNA$ પોલિમરેઝ એ પ્રાથમિક ઉત્સેચક છે જે નવા $DNA$ અણુનું સંશ્લેષણ કરે છે.

(D) $DNA$ પ્રતિકૃતિ (replication) દરમિયાન, $DNA$ પોલિમરેઝ ઉત્સેચક ડીઓક્સિરાઈબોન્યુક્લિયોસાઈડ ટ્રાયફોસ્ફેટ્સ $(dNTPs)$ ના બહુલીકરણ માટે જવાબદાર છે.
તે $DNA$ ની નવી શૃંખલામાં $5' \rightarrow 3'$ દિશામાં ન્યુક્લિયોટાઈડ્સ ઉમેરે છે, જે આનુવંશિક માહિતીની સચોટ નકલ સુનિશ્ચિત કરે છે.
હેલીકેઝ $DNA$ હેલિક્સને ખોલે છે, $SSB$ પ્રોટીન એકલ શૃંખલાઓને સ્થિર કરે છે, અને $RNA$ પોલિમરેઝ (પ્રાઈમેઝ) $RNA$ પ્રાઈમરનું સંશ્લેષણ કરે છે.

(A) $E. coli$ માં $DNA$ સ્વયંજનનની પ્રક્રિયા અત્યંત કાર્યક્ષમ છે. $E. coli$ બેક્ટેરિયાના જિનોમનું કદ $4.6 \times 10^6$ બેઝ જોડી જેટલું હોય છે. અનુકૂળ પરિસ્થિતિઓમાં,તેના સંપૂર્ણ $DNA$ ના સ્વયંજનન માટે આશરે $38$ મિનિટનો સમય લાગે છે. જોકે,ઘણા પ્રમાણભૂત પાઠ્યપુસ્તકોમાં $E. coli$ નો વિભાજન સમય $20$ મિનિટ દર્શાવવામાં આવ્યો છે,અને સ્વયંજનન પ્રક્રિયા સામાન્ય રીતે $18-20$ મિનિટના ગાળામાં પૂર્ણ થાય છે. આપેલા વિકલ્પોને ધ્યાનમાં લેતા,મોટાભાગની સ્પર્ધાત્મક પરીક્ષાઓમાં $18$ મિનિટને સાચો જવાબ ગણવામાં આવે છે.

(B) $E. coli$ માં,$DNA$ સ્વયંજનનની પ્રક્રિયા અત્યંત કાર્યક્ષમ હોય છે. $DNA$ પોલિમરેઝ ઉત્સેચક ન્યુક્લિયોટાઈડ્સના બહુલીકરણ માટે જવાબદાર છે. $E. coli$ માં બહુલીકરણનો દર આશરે $2000$ બેઝ જોડી $(bp)$ પ્રતિ સેકન્ડ હોય છે. આ ઊંચી ઝડપ બેક્ટેરિયાને તેના સમગ્ર જિનોમનું ખૂબ જ ટૂંકા સમયમાં સ્વયંજનન કરવામાં મદદ કરે છે,જે તેના ઝડપી કોષ વિભાજન માટે આવશ્યક છે.

(D) $DNA$ પ્રતિકૃતિ (replication) માં,$dNTPs$ (ડીઓક્સિરાઈબોન્યુક્લિયોસાઈડ ટ્રાયફોસ્ફેટ્સ) બેવડો હેતુ પૂરો પાડે છે:
$1$. તેઓ $DNA$ શૃંખલાના પોલિમરાઈઝેશન માટે સબસ્ટ્રેટ તરીકે કાર્ય કરે છે.
$2$. તેઓ ઉચ્ચ-ઊર્જા ધરાવતા ફોસ્ફેટ બંધોના જળવિભાજન દ્વારા પોલિમરાઈઝેશન પ્રક્રિયા માટે ઊર્જા પૂરી પાડે છે (પાયરોફોસ્ફેટ મુક્ત કરીને).

(D) ડીઓક્સિરાઈબોન્યુક્લિયોસાઈડ ટ્રાયફોસ્ફેટ $(dNTPs)$ $DNA$ પ્રતિકૃતિ (Replication) દરમિયાન બે મુખ્ય કાર્યો કરે છે:
$1$. તેઓ $DNA$ પોલિમરેઝ ઉત્સેચક માટે સબસ્ટ્રેટ (Substrate) તરીકે કાર્ય કરે છે,જે નવી $DNA$ શૃંખલાના નિર્માણ માટે જરૂરી ન્યુક્લિયોટાઈડ્સ પૂરા પાડે છે.
$2$. તેઓ પોલિમરાઈઝેશન પ્રક્રિયા માટે જરૂરી ઉર્જા પૂરી પાડે છે. આ ઉર્જા ટ્રાયફોસ્ફેટના બે ટર્મિનલ ફોસ્ફેટ બંધોના તૂટવાથી મુક્ત થાય છે.

(A) $DNA$ પ્રતિકૃતિ દરમિયાન,$DNA$ ના બેવડા કુંતલની બંને શૃંખલાઓ સંપૂર્ણપણે અલગ થતી નથી કારણ કે આ પ્રક્રિયામાં અણુની સમગ્ર લંબાઈ પર નાઇટ્રોજનયુક્ત બેઇઝ વચ્ચેના હાઇડ્રોજન બંધોને તોડવા માટે ખૂબ જ ઊંચી ઊર્જાની જરૂર પડે છે.
તેના બદલે,પ્રતિકૃતિ એક નાની શરૂઆત જેવી રચનામાં થાય છે જેને પ્રતિકૃતિ કાંટો (replication fork) કહેવામાં આવે છે,જે સમગ્ર $DNA$ અણુને એકસાથે ખોલવા માટે અતિશય ઊર્જાની જરૂરિયાત વગર પ્રક્રિયાને કાર્યક્ષમ રીતે આગળ વધવા દે છે.

(B) $DNA$ સ્વયંજનન દરમિયાન,$DNA$ ના બે કુંતલ (strands) હેલિકેઝ ઉત્સેચક દ્વારા અલગ થાય છે. આ અલગ થવાથી '$Y$' આકારની રચના બને છે જેને સ્વયંજનન ફોર્ક (Replication fork) કહેવામાં આવે છે. આ તે સ્થાન છે જ્યાં નવા $DNA$ શૃંખલાઓનું સંશ્લેષણ થાય છે.

(B) $DNA$ સ્વયંજનન દરમિયાન,$DNA$ પોલિમરેઝ ઉત્સેચક નવી બનતી $DNA$ શૃંખલાના $3'-OH$ છેડા પર ડીઓક્સિરાઈબોન્યુક્લિઓટાઈડ્સ ઉમેરવાનું કાર્ય કરે છે.
કારણ કે આ ઉત્સેચક માત્ર $3'$ છેડા પર જ ન્યુક્લિઓટાઈડ ઉમેરી શકે છે,તેથી નવી $DNA$ શૃંખલાનું સંશ્લેષણ હંમેશા $5' \rightarrow 3'$ દિશામાં થાય છે.
આ તમામ સજીવોમાં $DNA$ સ્વયંજનનનો એક પાયાનો ગુણધર્મ છે.

(B) $DNA$ પ્રતિકૃતિ (replication) દરમિયાન,$DNA$ પોલિમરેઝ ઉત્સેચક માત્ર $5' \rightarrow 3'$ દિશામાં જ નવી શૃંખલાનું સંશ્લેષણ કરી શકે છે.
$DNA$ ના બેવડા કુંતલની બંને શૃંખલાઓ પ્રતિસમાંતર (antiparallel) હોવાથી,એક શૃંખલા (અગ્રેસર શૃંખલા - leading strand) રેપ્લિકેશન ફોર્ક તરફ $5' \rightarrow 3'$ દિશામાં સતત સંશ્લેષિત થાય છે.
બીજી શૃંખલા,જેની ટેમ્પલેટ દિશા $3' \rightarrow 5'$ હોય છે,તેના પર નવી શૃંખલા ટૂંકા ટુકડાઓમાં સંશ્લેષિત થાય છે જેને ઓકાઝાકી ટુકડાઓ (Okazaki fragments) કહેવાય છે.
આમ,તુટક સંશ્લેષણ $3' \rightarrow 5'$ ધ્રુવીયતા ધરાવતી ટેમ્પલેટ શૃંખલા પર થાય છે.