Molecular Basis of Inheritanceवंशागति का आणविक आधारMolecular Basis of Inheritance

• Genetic code: the relationship between the sequence of nucleotides (bases) on mRNA and the sequence of amino acids in a protein. George Gamow suggested a triplet code: 4³ = 64 codons for 20 amino acids. Har Gobind Khorana's chemical method (RNA with defined bases) and Marshall Nirenberg's cell-free system helped decode it; Severo Ochoa's enzyme (polynucleotide phosphorylase) made RNA with defined sequences.
• Features: (i) codon is a triplet; 61 codons code for amino acids, 3 are stop codons (UAA, UAG, UGA). (ii) One codon codes for only one amino acid — unambiguous and specific. (iii) Degenerate — some amino acids have more than one codon. (iv) Read in mRNA continuously without punctuation (comma-less). (v) Nearly universal — e.g. UUU codes phenylalanine in bacteria to humans (exceptions in mitochondria and some protozoans). (vi) AUG has dual function: codes methionine and is the initiator (start) codon.
• Non-overlapping: each base is part of only one codon.
• Mutations and code: point mutation (sickle-cell) changes one codon; insertion/deletion of one or two bases causes frame-shift; insertion/deletion of three bases adds/removes one amino acid.

• आनुवंशिक कूट: mRNA पर न्यूक्लियोटाइड (क्षारक) अनुक्रम और प्रोटीन में अमीनो अम्ल अनुक्रम का संबंध। जॉर्ज गैमो ने त्रिक कूट सुझाया: 20 अमीनो अम्लों हेतु 4³ = 64 कोडॉन। हरगोविंद खुराना की रासायनिक विधि (निश्चित क्षारकों वाला RNA) तथा मार्शल निरेनबर्ग के कोशिका-मुक्त तंत्र से कूट पढ़ा गया; सेवेरो ओचोआ के एंज़ाइम (पॉलीन्यूक्लियोटाइड फ़ॉस्फ़ोरिलेज़) से निश्चित क्रम का RNA बना।
• लक्षण: (i) कोडॉन त्रिक है; 61 कोडॉन अमीनो अम्ल कूटित करते हैं, 3 समापन कोडॉन (UAA, UAG, UGA)। (ii) एक कोडॉन केवल एक अमीनो अम्ल — स्पष्ट व विशिष्ट। (iii) अपह्रासित — कुछ अमीनो अम्लों के एक से अधिक कोडॉन। (iv) mRNA में लगातार बिना विराम पढ़ा जाता है (अल्पविराम-रहित)। (v) लगभग सार्वभौमिक — जैसे UUU जीवाणु से मनुष्य तक फ़ेनिलऐलानीन (माइटोकॉन्ड्रिया व कुछ प्रोटोज़ोआ में अपवाद)। (vi) AUG की दोहरी भूमिका: मेथियोनीन कूटित करता है और प्रारंभन कोडॉन है।
• अनतिव्यापी: प्रत्येक क्षारक केवल एक कोडॉन का भाग।
• उत्परिवर्तन व कूट: बिंदु उत्परिवर्तन (दात्र-कोशिका) एक कोडॉन बदलता है; एक या दो क्षारकों के निवेशन/विलोपन से फ्रेमशिफ्ट; तीन क्षारकों के निवेशन/विलोपन से एक अमीनो अम्ल जुड़ता/हटता है।

• Genetic code: mRNA par nucleotide (base) sequence aur protein mein amino acid sequence ka rishta. George Gamow ne triplet code suggest kiya: 20 amino acids ke liye 4³ = 64 codons. Har Gobind Khorana ki chemical method (fixed bases wala RNA) aur Marshall Nirenberg ke cell-free system se code padha gaya; Severo Ochoa ke enzyme (polynucleotide phosphorylase) se fixed sequence ka RNA bana.
• Features: (i) codon triplet hai; 61 codons amino acids code karte, 3 stop codons (UAA, UAG, UGA). (ii) Ek codon sirf ek amino acid — unambiguous aur specific. (iii) Degenerate — kuch amino acids ke ek se zyada codons. (iv) mRNA mein lagaatar bina punctuation padha jaata (comma-less). (v) Lagbhag universal — jaise UUU bacteria se insaan tak phenylalanine (mitochondria aur kuch protozoa mein exceptions). (vi) AUG ka dual kaam: methionine code karta aur initiator (start) codon hai.
• Non-overlapping: har base sirf ek codon ka hissa.
• Mutation aur code: point mutation (sickle-cell) ek codon badalta; ek ya do bases ke insertion/deletion se frame-shift; teen bases ke insertion/deletion se ek amino acid judta/hatta.

💡 MCQ: stop codons UAA, UAG, UGA; start codon AUG (methionine).MCQ: समापन कोडॉन UAA, UAG, UGA; प्रारंभन कोडॉन AUG (मेथियोनीन)।MCQ: stop codons UAA, UAG, UGA; start codon AUG (methionine).

• Nucleotide = nitrogenous base + pentose sugar + phosphate. Nucleoside = base + sugar only (no phosphate). DNA sugar: deoxyribose; RNA sugar: ribose.
• Bases: purines — adenine (A), guanine (G); pyrimidines — cytosine (C), thymine (T, only DNA), uracil (U, only RNA). Base joins sugar by N-glycosidic bond; nucleotides join by 3'–5' phosphodiester bonds.
• Watson and Crick (1953) proposed the double helix using X-ray diffraction data of Maurice Wilkins and Rosalind Franklin, and Chargaff's rule (A = T, G = C; ratio A/T and G/C = 1).
• Two antiparallel polynucleotide strands (one 5'→3', other 3'→5'); sugar–phosphate backbone outside, bases inside. A pairs with T by 2 hydrogen bonds, G with C by 3. A purine always faces a pyrimidine, so the helix has a uniform width of about 2 nm.
• Right-handed coil; pitch 3.4 nm; about 10 bp per turn; 0.34 nm between two base pairs. Stacking of base pairs and H-bonds give stability.
• Human haploid DNA has 3.3 × 10⁹ bp; total DNA length in a diploid human cell ≈ 2.2 m (6.6 × 10⁹ bp × 0.34 × 10⁻⁹ m).

• न्यूक्लियोटाइड = नाइट्रोजनी क्षारक + पेंटोज़ शर्करा + फ़ॉस्फ़ेट। न्यूक्लियोसाइड = केवल क्षारक + शर्करा (फ़ॉस्फ़ेट नहीं)। DNA शर्करा: डीऑक्सीराइबोज़; RNA शर्करा: राइबोज़।
• क्षारक: प्यूरीन — एडेनीन (A), ग्वानीन (G); पिरिमिडीन — साइटोसीन (C), थाइमीन (T, केवल DNA), यूरेसिल (U, केवल RNA)। क्षारक शर्करा से N-ग्लाइकोसिडिक बंध से; न्यूक्लियोटाइड 3'–5' फ़ॉस्फ़ोडाइएस्टर बंध से जुड़ते हैं।
• वाटसन व क्रिक (1953) ने मॉरिस विल्किन्स व रोज़ालिंड फ्रैंकलिन के X-किरण विवर्तन आँकड़ों तथा शारगॉफ़ नियम (A = T, G = C; A/T व G/C = 1) से द्विकुंडली मॉडल दिया।
• दो प्रतिसमांतर पॉलीन्यूक्लियोटाइड श्रृंखलाएँ (एक 5'→3', दूसरी 3'→5'); शर्करा–फ़ॉस्फ़ेट मेरुदंड बाहर, क्षारक भीतर। A–T में 2 हाइड्रोजन बंध, G–C में 3। प्यूरीन सदा पिरिमिडीन के सामने, अतः कुंडली की चौड़ाई लगभग 2 nm समान।
• दक्षिणावर्ती कुंडली; पिच 3.4 nm; प्रति घुमाव लगभग 10 bp; दो क्षारक युग्मों के बीच 0.34 nm। क्षारक युग्मों का चट्टा व H-बंध स्थिरता देते हैं।
• मानव अगुणित DNA में 3.3 × 10⁹ bp; द्विगुणित मानव कोशिका में DNA की कुल लंबाई ≈ 2.2 m (6.6 × 10⁹ bp × 0.34 × 10⁻⁹ m)।

• Nucleotide = nitrogenous base + pentose sugar + phosphate. Nucleoside = sirf base + sugar (phosphate nahi). DNA sugar: deoxyribose; RNA sugar: ribose.
• Bases: purines — adenine (A), guanine (G); pyrimidines — cytosine (C), thymine (T, sirf DNA), uracil (U, sirf RNA). Base sugar se N-glycosidic bond se; nucleotides 3'–5' phosphodiester bond se judte hain.
• Watson aur Crick (1953) ne Maurice Wilkins aur Rosalind Franklin ke X-ray diffraction data aur Chargaff rule (A = T, G = C; A/T aur G/C = 1) se double helix model diya.
• Do antiparallel polynucleotide strands (ek 5'→3', doosra 3'→5'); sugar–phosphate backbone bahar, bases andar. A–T mein 2 hydrogen bonds, G–C mein 3. Purine hamesha pyrimidine ke saamne, isliye helix ki chaudai lagbhag 2 nm barabar.
• Right-handed coil; pitch 3.4 nm; har turn mein lagbhag 10 bp; do base pairs ke beech 0.34 nm. Base pairs ki stacking aur H-bonds stability dete hain.
• Human haploid DNA mein 3.3 × 10⁹ bp; diploid human cell mein DNA ki total lambai ≈ 2.2 m (6.6 × 10⁹ bp × 0.34 × 10⁻⁹ m).

• Griffith (1928) — transforming principle: used Streptococcus pneumoniae (causes pneumonia). S strain (smooth, mucous coat, virulent) killed mice; R strain (rough, no coat) did not. Heat-killed S did not kill; heat-killed S + live R killed mice and live S bacteria were recovered — R was transformed by some 'transforming principle'.
• Avery, MacLeod and McCarty (1933–44): purified the transforming principle; proteases and RNases did not stop transformation but DNase did → DNA is the transforming (genetic) material.
• Hershey and Chase (1952): bacteriophages grown with radioactive phosphorus (³²P) had labelled DNA; those grown with radioactive sulphur (³⁵S) had labelled protein. After infecting E. coli, blending and centrifuging, radioactivity was in bacteria only for ³²P phages (³⁵S stayed in supernatant) → DNA, not protein, enters bacteria and is the genetic material.
• Criteria for genetic material: able to replicate, chemically and structurally stable, able to mutate slowly (for evolution), able to express as Mendelian characters.
• RNA was the first genetic material (RNA world); it is reactive and catalytic. DNA is more stable (double-stranded, deoxyribose, thymine instead of uracil), so it is preferred for storing information; RNA is better for expression. Some viruses (e.g. TMV, QB bacteriophage) have RNA as genetic material.

• ग्रिफ़िथ (1928) — रूपांतरण सिद्धांत: स्ट्रेप्टोकोकस न्यूमोनी (निमोनिया कारक) प्रयुक्त। S प्रभेद (चिकना, श्लेष्मी आवरण, उग्र) चूहों को मारता; R प्रभेद (खुरदरा, आवरणहीन) नहीं। ताप-मारित S नहीं मारता; ताप-मारित S + जीवित R ने चूहे मारे और जीवित S जीवाणु मिले — R किसी 'रूपांतरण सिद्धांत' से रूपांतरित हुआ।
• एवरी, मैकलियोड व मैकार्टी (1933–44): रूपांतरण सिद्धांत शुद्ध किया; प्रोटिएज़ व RNase से रूपांतरण नहीं रुका पर DNase से रुका → DNA रूपांतरक (आनुवंशिक) पदार्थ है।
• हर्शे व चेस (1952): रेडियोधर्मी फ़ॉस्फ़ोरस (³²P) पर पले जीवाणुभोजी का DNA चिह्नित; रेडियोधर्मी सल्फ़र (³⁵S) पर पले का प्रोटीन चिह्नित। ई. कोलाई संक्रमण, ब्लेंडिंग व अपकेंद्रण के बाद ³²P वाले में रेडियोधर्मिता जीवाणुओं में (³⁵S अधिप्लावी में) → प्रोटीन नहीं, DNA जीवाणु में जाता है और आनुवंशिक पदार्थ है।
• आनुवंशिक पदार्थ के मापदंड: प्रतिकृति बनाने योग्य, रासायनिक व संरचनात्मक रूप से स्थिर, धीमा उत्परिवर्तन (विकास हेतु), मेंडलीय लक्षणों के रूप में अभिव्यक्ति।
• RNA पहला आनुवंशिक पदार्थ था (RNA संसार); यह क्रियाशील व उत्प्रेरक है। DNA अधिक स्थिर (द्विरज्जुक, डीऑक्सीराइबोज़, यूरेसिल के स्थान पर थाइमीन), अतः सूचना संग्रह हेतु श्रेष्ठ; RNA अभिव्यक्ति हेतु श्रेष्ठ। कुछ विषाणुओं (जैसे TMV, QB जीवाणुभोजी) में RNA आनुवंशिक पदार्थ है।

• Griffith (1928) — transforming principle: Streptococcus pneumoniae (pneumonia karta hai) use kiya. S strain (smooth, mucous coat, virulent) chuhe maarta; R strain (rough, coat nahi) nahi. Heat-killed S nahi maarta; heat-killed S + zinda R ne chuhe maare aur zinda S bacteria mile — R kisi 'transforming principle' se badal gaya.
• Avery, MacLeod aur McCarty (1933–44): transforming principle shuddh kiya; proteases aur RNases se transformation nahi ruka par DNase se ruka → DNA transforming (genetic) material hai.
• Hershey aur Chase (1952): radioactive phosphorus (³²P) par pale bacteriophage ka DNA labelled; radioactive sulphur (³⁵S) par pale ka protein labelled. E. coli infection, blending aur centrifuging ke baad ³²P wale mein radioactivity bacteria mein (³⁵S supernatant mein) → protein nahi, DNA bacteria mein jaata hai aur genetic material hai.
• Genetic material ki shartein: replicate kar sake, chemically aur structurally stable, dheema mutation (evolution ke liye), Mendelian characters ke roop mein express ho.
• RNA pehla genetic material tha (RNA world); ye reactive aur catalytic hai. DNA zyada stable (double-stranded, deoxyribose, uracil ki jagah thymine), isliye information store ke liye behtar; RNA expression ke liye behtar. Kuch viruses (jaise TMV, QB bacteriophage) mein RNA genetic material hai.

• Three major RNAs in bacteria: mRNA (messenger — carries the code from DNA to ribosome, template for translation), tRNA (transfer — brings amino acids, reads the code), rRNA (ribosomal — structural and catalytic role in ribosome).
• tRNA (adapter molecule, named sRNA earlier): secondary structure looks like a clover-leaf; actual 3-D structure is an inverted L. It has an anticodon loop (bases complementary to the codon), an amino acid acceptor end (3' end, binds the amino acid), and T-loop / D-loop. There are specific tRNAs for each amino acid and an initiator tRNA; no tRNA for stop codons.
• In bacteria one RNA polymerase makes all RNAs. In eukaryotes: RNA polymerase I — rRNAs (28S, 18S, 5.8S); II — hnRNA (precursor of mRNA); III — tRNA, 5S rRNA, snRNAs.
• DNA vs RNA (compact): sugar deoxyribose vs ribose | thymine vs uracil | usually double-stranded vs usually single-stranded | stable vs reactive, can be catalytic | genetic material in most organisms vs in some viruses | located mainly in nucleus vs mostly cytoplasm.

• जीवाणुओं में तीन मुख्य RNA: mRNA (संदेशवाहक — DNA से राइबोसोम तक कूट ले जाता, स्थानांतरण का साँचा), tRNA (वाहक — अमीनो अम्ल लाता, कूट पढ़ता), rRNA (राइबोसोमल — राइबोसोम में संरचनात्मक व उत्प्रेरक भूमिका)।
• tRNA (अनुकूलक अणु, पहले sRNA कहा गया): द्वितीयक संरचना तिपतिया पत्ती जैसी; वास्तविक त्रिविमीय संरचना उल्टे L जैसी। इसमें प्रतिकोडॉन लूप (कोडॉन के पूरक क्षारक), अमीनो अम्ल ग्राही सिरा (3' सिरा, अमीनो अम्ल जुड़ता है), T-लूप / D-लूप। प्रत्येक अमीनो अम्ल हेतु विशिष्ट tRNA तथा एक प्रारंभक tRNA; समापन कोडॉन हेतु कोई tRNA नहीं।
• जीवाणुओं में एक ही RNA पॉलीमरेज़ सभी RNA बनाता है। यूकैरियोट में: RNA पॉलीमरेज़ I — rRNA (28S, 18S, 5.8S); II — hnRNA (mRNA का पूर्ववर्ती); III — tRNA, 5S rRNA, snRNA।
• DNA बनाम RNA (संक्षिप्त): शर्करा डीऑक्सीराइबोज़ बनाम राइबोज़ | थाइमीन बनाम यूरेसिल | प्रायः द्विरज्जुक बनाम प्रायः एकरज्जुक | स्थिर बनाम क्रियाशील, उत्प्रेरक हो सकता | अधिकांश जीवों में आनुवंशिक पदार्थ बनाम कुछ विषाणुओं में | मुख्यतः केंद्रक में बनाम अधिकतर कोशिकाद्रव्य में।

• Bacteria mein teen main RNA: mRNA (messenger — DNA se ribosome tak code le jaata, translation ka template), tRNA (transfer — amino acids laata, code padhta), rRNA (ribosomal — ribosome mein structural aur catalytic role).
• tRNA (adapter molecule, pehle sRNA kaha gaya): secondary structure clover-leaf jaisi; asli 3-D structure ulta L. Ismein anticodon loop (codon ke complementary bases), amino acid acceptor end (3' end, amino acid judta hai), T-loop / D-loop. Har amino acid ke liye specific tRNA aur ek initiator tRNA; stop codons ke liye koi tRNA nahi.
• Bacteria mein ek hi RNA polymerase saare RNA banata hai. Eukaryotes mein: RNA polymerase I — rRNAs (28S, 18S, 5.8S); II — hnRNA (mRNA ka precursor); III — tRNA, 5S rRNA, snRNAs.
• DNA vs RNA (short): sugar deoxyribose vs ribose | thymine vs uracil | aksar double-stranded vs aksar single-stranded | stable vs reactive, catalytic ho sakta | zyadatar jeevon mein genetic material vs kuch viruses mein | mainly nucleus mein vs zyadatar cytoplasm mein.

• 99.9% of base sequence is the same in all humans; DNA fingerprinting compares the 0.1% differences — mainly repetitive DNA — to identify individuals.
• Repetitive DNA separates as satellite DNA (small peaks) during density-gradient centrifugation of bulk DNA. Satellite DNA is classified by base composition, length of segment and number of repeats (micro-satellites, mini-satellites); it does not code for proteins but shows high polymorphism.
• Polymorphism (variation at genetic level) arises from mutations; inheritance of these polymorphisms is the basis of paternity testing.
• Developed by Alec Jeffreys, using VNTR (Variable Number of Tandem Repeats, a satellite DNA) as probe. Steps: (i) isolation of DNA, (ii) digestion by restriction endonucleases, (iii) separation of fragments by electrophoresis, (iv) transfer (blotting) to nitrocellulose or nylon membrane (Southern blotting), (v) hybridisation with labelled VNTR probe, (vi) detection by autoradiography.
• VNTR size varies from 0.1 to 20 kb, so bands differ between individuals (except identical twins); a child inherits half its bands from each parent.
• Applications: forensic science (identifying criminals from blood, hair, semen, skin), paternity/maternity disputes, studying population and genetic diversity. Now PCR allows using a single cell.

• सभी मनुष्यों में 99.9% क्षारक क्रम समान; DNA अंगुलिछापी 0.1% अंतर — मुख्यतः पुनरावृत्त DNA — की तुलना कर व्यक्ति की पहचान करती है।
• बल्क DNA के घनत्व प्रवणता अपकेंद्रण में पुनरावृत्त DNA उपग्रह DNA (छोटे शिखर) के रूप में अलग होता है। उपग्रह DNA क्षारक संघटन, खंड की लंबाई व पुनरावृत्तियों की संख्या से वर्गीकृत (माइक्रो-सैटेलाइट, मिनी-सैटेलाइट); प्रोटीन कूटित नहीं करता पर अत्यधिक बहुरूपता दिखाता है।
• बहुरूपता (आनुवंशिक स्तर पर विभिन्नता) उत्परिवर्तन से उत्पन्न; इसकी वंशागति पितृत्व परीक्षण का आधार।
• एलेक जेफ़्रीज़ द्वारा विकसित, VNTR (परिवर्ती संख्या अग्रानुक्रम पुनरावृत्ति, एक उपग्रह DNA) को प्रोब बनाकर। चरण: (i) DNA पृथक्करण, (ii) प्रतिबंधन एंडोन्यूक्लिएज़ से पाचन, (iii) वैद्युत कण संचलन से खंडों का पृथक्करण, (iv) नाइट्रोसेलुलोज़ या नायलॉन झिल्ली पर स्थानांतरण (सदर्न ब्लॉटिंग), (v) चिह्नित VNTR प्रोब से संकरण, (vi) ऑटोरेडियोग्राफ़ी से पहचान।
• VNTR का आकार 0.1 से 20 kb, अतः पट्टियाँ व्यक्तियों में भिन्न (समरूप जुड़वाँ को छोड़कर); संतान को आधी पट्टियाँ प्रत्येक जनक से।
• अनुप्रयोग: न्यायालयिक विज्ञान (रक्त, बाल, वीर्य, त्वचा से अपराधी की पहचान), पितृत्व/मातृत्व विवाद, जनसंख्या व आनुवंशिक विविधता अध्ययन। अब PCR से एक कोशिका से भी संभव।

• Sab insaanon mein 99.9% base sequence same; DNA fingerprinting 0.1% farq — mainly repetitive DNA — compare karke insaan ki pehchaan karta hai.
• Bulk DNA ke density-gradient centrifugation mein repetitive DNA satellite DNA (chhote peaks) ke roop mein alag hota hai. Satellite DNA base composition, segment ki lambai aur repeats ki ginti se classify (micro-satellites, mini-satellites); protein code nahi karta par bahut polymorphism dikhata hai.
• Polymorphism (genetic level par variation) mutation se aata hai; iski inheritance paternity testing ka aadhaar.
• Alec Jeffreys ne banaya, VNTR (Variable Number of Tandem Repeats, ek satellite DNA) ko probe banakar. Steps: (i) DNA isolation, (ii) restriction endonucleases se digestion, (iii) electrophoresis se fragments alag, (iv) nitrocellulose ya nylon membrane par transfer (Southern blotting), (v) labelled VNTR probe se hybridisation, (vi) autoradiography se detection.
• VNTR ka size 0.1 se 20 kb, isliye bands har insaan mein alag (identical twins chhodkar); bachche ko aadhe bands har parent se.
• Applications: forensic science (khoon, baal, semen, skin se criminal ki pehchaan), paternity/maternity vivaad, population aur genetic diversity study. Ab PCR se ek cell se bhi possible.