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IGNOU MZO-001 Solved Question Paper PDF
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IGNOU MZO-001 Previous Year Solved Question Paper in Hindi
Q1. (a) Explain the structure of microtubules and their functions in the eukaryotic cytoskeleton. (b) Describe how intermediate filaments are assembled, disassembled and regulated.
Ans. (a) माइक्रोट्यूब्यूल की संरचना एवं कार्य
माइक्रोट्यूब्यूल यूकेरियोटिक साइटोस्केलेटन के प्रमुख घटक हैं। ये खोखले, बेलनाकार बहुलक होते हैं जिनका व्यास लगभग 25 नैनोमीटर होता है। इनकी मूल निर्माण इकाई ट्युब्युलिन नामक एक ग्लोबुलर प्रोटीन है, जो एक हेटेरोडाइमर के रूप में मौजूद होता है, जिसमें अल्फा (α) और बीटा (β) ट्युब्युलिन सबयूनिट होते हैं।
संरचना:
- ये डाइमर्स सिरे से सिरे तक जुड़कर एक प्रोटोफिलामेंट बनाते हैं।
- आमतौर पर, 13 प्रोटोफिलामेंट एक गोलाकार व्यवस्था में एकत्रित होकर एक खोखली ट्यूब या माइक्रोट्यूब्यूल का निर्माण करते हैं।
- इस संरचना में एक अंतर्निहित ध्रुवीयता होती है, जिसमें एक तेजी से बढ़ने वाला प्लस (+) सिरा और एक धीमी गति से बढ़ने वाला माइनस (-) सिरा होता है।
- माइनस सिरा अक्सर एक माइक्रोट्यूब्यूल-ऑर्गनाइजिंग सेंटर (MTOC) , जैसे कि सेंट्रोसोम में एम्बेडेड होता है।
- माइक्रोट्यूब्यूल गतिशील अस्थिरता (dynamic instability) नामक एक व्यवहार प्रदर्शित करते हैं, जिसमें वे GTP हाइड्रोलिसिस द्वारा नियंत्रित होकर तेजी से बढ़ते (पॉलिमराइजेशन) और सिकुड़ते (डिपॉलिमराइजेशन) हैं।
कार्य:
- कोशिका आकार और समर्थन: ये कोशिका को संरचनात्मक कठोरता प्रदान करते हैं।
- अंतःकोशिकीय परिवहन: ये मोटर प्रोटीन (जैसे कि काइनेसिन और डायनेन ) के लिए ट्रैक के रूप में कार्य करते हैं, जो ऑर्गेनेल, वेसिकल्स और अन्य कार्गो को कोशिका के भीतर ले जाते हैं।
- कोशिका विभाजन: ये माइटोटिक स्पिंडल का निर्माण करते हैं, जो कोशिका विभाजन के दौरान गुणसूत्रों को अलग करने के लिए महत्वपूर्ण है।
- गतिशीलता: ये यूकेरियोटिक सिलिया और फ्लैगेला के मुख्य संरचनात्मक घटक (एक्सोनीम) हैं, जो कोशिका की गति को संभव बनाते हैं।
(b) इंटरमीडिएट फिलामेंट्स का संयोजन, विघटन और विनियमन
इंटरमीडिएट फिलामेंट्स (IFs) साइटोस्केलेटन के तीसरे प्रमुख घटक हैं, जिनका व्यास 8-12 नैनोमीटर होता है, जो एक्टिन फिलामेंट्स और माइक्रोट्यूब्यूल के बीच का होता है। ये मुख्य रूप से कोशिका को यांत्रिक तनाव से बचाने का कार्य करते हैं।
संयोजन (Assembly):
- मूल इकाई एक लम्बा, रेशेदार मोनोमर होता है जिसमें एक केंद्रीय अल्फा-हेलिकल रॉड डोमेन होता है।
- दो मोनोमर एक दूसरे के चारों ओर लिपटकर एक स्थिर, कॉइल्ड-कॉइल डाइमर बनाते हैं।
- दो डाइमर एक एंटी-पैरेलल (विपरीत दिशा में) तरीके से जुड़कर एक कंपित टेट्रामर का निर्माण करते हैं। यह टेट्रामर गैर-ध्रुवीय होता है, जिसका अर्थ है कि इसके दोनों सिरे समान होते हैं।
- ये टेट्रामर सिरे से सिरे और किनारे से किनारे तक जुड़कर एक प्रोटोफिलामेंट बनाते हैं।
- अंत में, आठ प्रोटोफिलामेंट एक साथ मुड़कर एक रस्सी जैसी, मजबूत इंटरमीडिएट फिलामेंट संरचना का निर्माण करते हैं।
विघटन और विनियमन (Disassembly and Regulation):
माइक्रोट्यूब्यूल और एक्टिन फिलामेंट्स के विपरीत, इंटरमीडिएट फिलामेंट्स बहुत अधिक स्थिर होते हैं और गतिशील अस्थिरता नहीं दिखाते हैं। हालांकि, उनका विघटन और पुनर्गठन कोशिका चक्र जैसी प्रक्रियाओं के दौरान आवश्यक होता है।
- फॉस्फोराइलेशन: इंटरमीडिएट फिलामेंट्स का विनियमन मुख्य रूप से फॉस्फोराइलेशन और डीफॉस्फोराइलेशन के माध्यम से होता है।
- माइटोसिस के दौरान, विशिष्ट किनेसेस (kinases) इंटरमीडिएट फिलामेंट्स (जैसे लैमिन्स) को फॉस्फोराइलेट करते हैं। यह फॉस्फोराइलेशन फिलामेंट्स के टेट्रामर और सबयूनिट्स में विघटित होने का कारण बनता है, जिससे परमाणु आवरण (nuclear envelope) टूट जाता है।
- माइटोसिस के अंत में, फॉस्फेटेसेस (phosphatases) फॉस्फेट समूहों को हटा देते हैं (डीफॉस्फोराइलेशन), जिससे फिलामेंट्स फिर से इकट्ठे हो जाते हैं।
- यह विनियमन सुनिश्चित करता है कि ये मजबूत संरचनाएं आवश्यकतानुसार गतिशील भी हो सकती हैं।
Q2. (a) Explain how glucose is transported into the intestinal cell. (b) Describe how proteins are sorted into mitochondria.
Ans. (a) आंत की कोशिकाओं में ग्लूकोज का परिवहन
आंत की उपकला कोशिकाओं (intestinal epithelial cells) में ग्लूकोज का परिवहन एक जटिल प्रक्रिया है जो सांद्रता प्रवणता (concentration gradient) के विरुद्ध ग्लूकोज को रक्त में ले जाने के लिए डिज़ाइन की गई है। इस प्रक्रिया में कोशिका झिल्ली के दो अलग-अलग डोमेन शामिल होते हैं: एपिकल झिल्ली (जो आंत के लुमेन का सामना करती है) और बेसोलैटरल झिल्ली (जो रक्त वाहिकाओं का सामना करती है)।
परिवहन के चरण इस प्रकार हैं:
- एपिकल झिल्ली पर परिवहन (द्वितीयक सक्रिय परिवहन):
- आंत के लुमेन में ग्लूकोज की सांद्रता आमतौर पर कोशिका के अंदर की तुलना में कम होती है। इसलिए, ग्लूकोज को सांद्रता प्रवणता के विरुद्ध ले जाना पड़ता है।
- यह SGLT1 (सोडियम-ग्लूकोज लिंक्ड ट्रांसपोर्टर 1) नामक एक सह-परिवहनकर्ता (co-transporter) द्वारा संभव होता है।
- SGLT1 एक साथ दो सोडियम आयनों (Na+) और एक ग्लूकोज अणु को लुमेन से कोशिका के अंदर ले जाता है।
- यह प्रक्रिया द्वितीयक सक्रिय परिवहन का एक उदाहरण है क्योंकि यह सीधे एटीपी का उपयोग नहीं करती है। इसके बजाय, यह सोडियम प्रवणता द्वारा संचालित होती है, जिसे Na+/K+ पंप द्वारा बनाए रखा जाता है।
- बेसोलैटरल झिल्ली पर Na+/K+ पंप:
- बेसोलैटरल झिल्ली पर स्थित Na+/K+ पंप एटीपी का उपयोग करके सक्रिय रूप से 3 Na+ आयनों को कोशिका से बाहर और 2 K+ आयनों को अंदर पंप करता है।
- यह कोशिका के अंदर सोडियम की कम सांद्रता बनाए रखता है, जो SGLT1 के कार्य के लिए आवश्यक सोडियम प्रवणता को उत्पन्न करता है।
- बेसोलैटरल झिल्ली पर परिवहन (सुगम विसरण):
- एक बार जब ग्लूकोज कोशिका के अंदर जमा हो जाता है, तो इसकी सांद्रता रक्त में मौजूद सांद्रता से अधिक हो जाती है।
- यह उच्च सांद्रता वाला ग्लूकोज GLUT2 (ग्लूकोज ट्रांसपोर्टर 2) नामक एक अन्य ट्रांसपोर्टर के माध्यम से सुगम विसरण (facilitated diffusion) द्वारा कोशिका से बाहर और रक्तप्रवाह में चला जाता है। GLUT2 बेसोलैटरल झिल्ली पर स्थित होता है।
इस समन्वित तंत्र के माध्यम से, भोजन से ग्लूकोज को कुशलतापूर्वक आंत से अवशोषित कर रक्तप्रवाह में पहुँचाया जाता है।
(b) माइटोकॉन्ड्रिया में प्रोटीन की छंटाई
माइटोकॉन्ड्रिया के अधिकांश प्रोटीन का संश्लेषण साइटोसोल में मुक्त राइबोसोम पर होता है और फिर उन्हें माइटोकॉन्ड्रिया में आयात किया जाता है। इस प्रक्रिया को प्रोटीन छंटाई या टारगेटिंग कहा जाता है।
प्रोटीन को माइटोकॉन्ड्रिया में लक्षित करने और आयात करने की प्रक्रिया इस प्रकार है:
- माइटोकॉन्ड्रियल टारगेटिंग सीक्वेंस (MTS): आयात किए जाने वाले प्रोटीन में आमतौर पर उनके N-टर्मिनस पर 20-50 अमीनो एसिड लंबा एक सिग्नल सीक्वेंस होता है, जिसे माइटोकॉन्ड्रियल टारगेटिंग सीक्वेंस कहा जाता है। यह सीक्वेंस एक एम्फीपैथिक अल्फा-हेलिक्स बनाता है, जिसमें एक तरफ सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए अमीनो एसिड होते हैं।
- साइटोसोलिक चैपेरोन: संश्लेषण के बाद, प्रोटीन को साइटोसोलिक चैपेरोन (जैसे Hsp70) द्वारा अनफोल्डेड (अवलित) अवस्था में रखा जाता है। यह आवश्यक है ताकि प्रोटीन माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली में चैनलों के माध्यम से प्रवेश कर सके।
- बाहरी झिल्ली में स्थानांतरण (TOM कॉम्प्लेक्स):
- प्रोटीन पहले बाहरी माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली पर स्थित TOM कॉम्प्लेक्स (Translocase of the Outer Membrane) के रिसेप्टर से जुड़ता है।
- इसके बाद, प्रोटीन को TOM कॉम्प्लेक्स के सामान्य आयात छिद्र (general import pore) के माध्यम से इंटरमेम्ब्रेन स्पेस में स्थानांतरित किया जाता है।
- आंतरिक झिल्ली में स्थानांतरण (TIM कॉम्प्लेक्स):
- इंटरमेम्ब्रेन स्पेस से, प्रोटीन को आंतरिक माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली पर स्थित TIM कॉम्प्लेक्स (Translocase of the Inner Membrane) में स्थानांतरित किया जाता है।
- यदि प्रोटीन को मैट्रिक्स में जाना है, तो वह TIM23 कॉम्प्लेक्स का उपयोग करता है। यह स्थानांतरण आंतरिक झिल्ली के पार विद्युत रासायनिक प्रवणता (झिल्ली क्षमता) द्वारा संचालित होता है।
- जैसे ही प्रोटीन मैट्रिक्स में प्रवेश करता है, माइटोकॉन्ड्रियल Hsp70 (mtHsp70) इससे जुड़ जाता है और इसे अंदर खींचने में मदद करता है, जो एक एटीपी-निर्भर प्रक्रिया है।
- सिग्नल सीक्वेंस का विदलन: एक बार जब प्रोटीन मैट्रिक्स में आ जाता है, तो मैट्रिक्स प्रोसेसिंग पेप्टिडेज़ (MPP) नामक एक एंजाइम माइटोकॉन्ड्रियल टारगेटिंग सीक्वेंस को काट कर हटा देता है।
- फोल्डिंग: अंत में, प्रोटीन अपने अंतिम त्रि-आयामी संरचना में फोल्ड हो जाता है, जिसमें अक्सर माइटोकॉन्ड्रियल चैपेरोन (जैसे Hsp60) सहायता करते हैं, और अपना कार्य करने के लिए तैयार हो जाता है।
Q3. (a) Give an overview of the G1-phase of cell cycle. (b) Write a brief note on any one secretory gland found in the brain.
Ans. (a) कोशिका चक्र की G1-अवस्था का अवलोकन
G1-अवस्था (गैप 1) यूकेरियोटिक कोशिका चक्र के इंटरफेज़ का पहला चरण है, जो माइटोसिस (M-अवस्था) की समाप्ति और डीएनए संश्लेषण (S-अवस्था) की शुरुआत के बीच होता है। यह अवधि कोशिका के विकास, चयापचय गतिविधियों और अगले चरण के लिए तैयारी के लिए समर्पित है।
G1-अवस्था की प्रमुख विशेषताएँ और घटनाएँ:
- कोशिका वृद्धि: माइटोसिस के बाद, पुत्री कोशिकाएं आकार में छोटी होती हैं। G1-अवस्था के दौरान, कोशिका अपने सामान्य आकार तक पहुँचने के लिए सक्रिय रूप से बढ़ती है।
- प्रोटीन और आरएनए संश्लेषण: कोशिका डीएनए प्रतिकृति और कोशिका वृद्धि के लिए आवश्यक विभिन्न प्रोटीनों और आरएनए अणुओं का संश्लेषण करती है। इसमें एंजाइम, संरचनात्मक प्रोटीन और राइबोसोम शामिल हैं।
- ऑर्गेनेल का निर्माण: माइटोकॉन्ड्रिया और एंडोप्लाज्मिक रेटिकुलम जैसे ऑर्गेनेल की संख्या में वृद्धि होती है।
- चयापचय गतिविधि: यह कोशिका के जीवन की सबसे लंबी और सबसे अधिक चयापचयी रूप से सक्रिय अवधि होती है।
- प्रतिबंध बिंदु (Restriction Point, R): G1-अवस्था में एक महत्वपूर्ण जांच बिंदु होता है जिसे प्रतिबंध बिंदु कहा जाता है। एक बार जब कोशिका इस बिंदु को पार कर लेती है, तो वह कोशिका चक्र को पूरा करने के लिए प्रतिबद्ध हो जाती है, भले ही बाहरी वृद्धि कारक हटा दिए जाएं।
- नियामक अणु: G1-अवस्था से S-अवस्था में प्रगति को प्रोटीन के एक समूह द्वारा कड़ाई से नियंत्रित किया जाता है, जिन्हें साइक्लिन और साइक्लिन-आश्रित किनेसेस (CDKs) कहा जाता है।
- G1-अवस्था के दौरान, साइक्लिन D का स्तर बढ़ता है और यह CDK4 और CDK6 के साथ जुड़कर उन्हें सक्रिय करता है।
- यह सक्रिय कॉम्प्लेक्स रेटिनोब्लास्टोमा प्रोटीन (pRb) को फॉस्फोराइलेट करता है।
- फॉस्फोराइलेटेड pRb ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर E2F से अलग हो जाता है।
- मुक्त E2F फिर उन जीनों के ट्रांसक्रिप्शन को सक्रिय करता है जो S-अवस्था में प्रवेश और डीएनए प्रतिकृति के लिए आवश्यक होते हैं।
यदि परिस्थितियाँ अनुकूल नहीं होती हैं, तो कोशिका G1-अवस्था में रुक सकती है या एक शांत अवस्था में प्रवेश कर सकती है जिसे G0-अवस्था कहा जाता है।
(b) मस्तिष्क में पाई जाने वाली एक स्रावी ग्रंथि: पीयूष ग्रंथि (Pituitary Gland)
पीयूष ग्रंथि, जिसे अक्सर “मास्टर ग्रंथि” कहा जाता है, मस्तिष्क के आधार पर, हाइपोथैलेमस के ठीक नीचे स्थित एक छोटी, मटर के आकार की अंतःस्रावी ग्रंथि है। यह शरीर की कई महत्वपूर्ण ग्रंथियों और प्रक्रियाओं को नियंत्रित करती है। यह संरचनात्मक और कार्यात्मक रूप से दो भागों में विभाजित है: अग्र पीयूष (Anterior Pituitary) और पश्च पीयूष (Posterior Pituitary) ।
अग्र पीयूष (एडिनोहाइपोफिसिस):
- यह एक सच्ची अंतःस्रावी ग्रंथि है जो अपने स्वयं के हार्मोन का संश्लेषण और स्राव करती है।
- इसका नियंत्रण हाइपोथैलेमस द्वारा स्रावित रिलीजिंग और इनहिबिटिंग हार्मोन द्वारा होता है, जो हाइपोथैलेमिक-हाइपोफिसियल पोर्टल सिस्टम के माध्यम से उस तक पहुँचते हैं।
- प्रमुख स्रावित हार्मोन:
- वृद्धि हार्मोन (GH): शरीर की वृद्धि और चयापचय को नियंत्रित करता है।
- थायरॉइड-उत्तेजक हार्मोन (TSH): थायरॉइड ग्रंथि को थायरॉइड हार्मोन स्रावित करने के लिए उत्तेजित करता है।
- एड्रेनोकोर्टिकोट्रोपिक हार्मोन (ACTH): अधिवृक्क ग्रंथि (adrenal gland) को कोर्टिसोल स्रावित करने के लिए उत्तेजित करता है।
- गोनैडोट्रोपिन (LH और FSH): अंडाशय और वृषण के कार्यों को नियंत्रित करते हैं।
- प्रोलैक्टिन (PRL): महिलाओं में दूध उत्पादन को उत्तेजित करता है।
पश्च पीयूष (न्यूरोहाइपोफिसिस):
- यह वास्तव में हाइपोथैलेमस का एक विस्तार है और इसमें तंत्रिका ऊतक होते हैं।
- यह हार्मोन का संश्लेषण नहीं करता है, बल्कि हाइपोथैलेमस में संश्लेषित हार्मोन को संग्रहीत और स्रावित करता है। ये हार्मोन एक्सोन के माध्यम से पश्च पीयूष तक पहुँचाए जाते हैं।
- प्रमुख स्रावित हार्मोन:
- एंटीडाययूरेटिक हार्मोन (ADH) या वैसोप्रेसिन: गुर्दे द्वारा जल पुनर्वसन को नियंत्रित करता है, जिससे रक्तचाप और जल संतुलन बना रहता है।
- ऑक्सीटोसिन: प्रसव के दौरान गर्भाशय के संकुचन और स्तनपान के दौरान दूध के निष्कासन को उत्तेजित करता है।
इस प्रकार, पीयूष ग्रंथि हाइपोथैलेमस के साथ मिलकर शरीर के होमियोस्टेसिस, विकास और प्रजनन को बनाए रखने में एक केंद्रीय भूमिका निभाती है।
Q4. Write short notes on the following : (a) Biological significance of actin cytoskeleton (b) Membrane fluidity (c) Tumor suppressor gene (d) G-Protein Coupled Receptor (GPCR)
Ans. (a) एक्टिन साइटोस्केलेटन का जैविक महत्व
एक्टिन साइटोस्केलेटन, जिसे माइक्रोफिलामेंट्स भी कहा जाता है, ग्लोबुलर एक्टिन (G-actin) प्रोटीन के पॉलिमराइजेशन से बने पतले, लचीले फाइबर (लगभग 7 nm व्यास) होते हैं। ये यूकेरियोटिक कोशिकाओं में कई महत्वपूर्ण कार्यों के लिए आवश्यक हैं।
- कोशिका का आकार और संरचना: एक्टिन फिलामेंट्स कोशिका की सतह के ठीक नीचे एक नेटवर्क बनाते हैं, जिसे सेल कॉर्टेक्स कहा जाता है, जो कोशिका को आकार और यांत्रिक समर्थन प्रदान करता है। यह माइक्रोविली जैसी सतह की संरचनाओं को भी बनाए रखता है।
- कोशिका की गतिशीलता: कोशिका की गति एक्टिन पॉलिमराइजेशन पर बहुत अधिक निर्भर करती है। कोशिकाएं लैमेलिपोडिया (पतली, चादर जैसी संरचनाएं) और फाइलोपोडिया (पतले, उंगली जैसे उभार) का निर्माण करके आगे बढ़ती हैं, जो एक्टिन फिलामेंट्स के संगठित बंडलों से बने होते हैं।
- मांसपेशियों का संकुचन: कंकाल की मांसपेशियों में, एक्टिन फिलामेंट्स मोटर प्रोटीन मायोसिन के साथ मिलकर सार्कोमियर बनाते हैं। मायोसिन हेड एक्टिन फिलामेंट्स के साथ फिसलते हैं, जिससे मांसपेशी का संकुचन होता है।
- साइटोकाइनेसिस: कोशिका विभाजन के अंत में, एक संकुचनशील वलय (contractile ring), जो एक्टिन और मायोसिन II फिलामेंट्स से बना होता है, कोशिका के बीच में बनता है और सिकुड़कर कोशिका को दो पुत्री कोशिकाओं में विभाजित कर देता है।
(b) झिल्ली की तरलता (Membrane fluidity)
द्रव मोज़ेक मॉडल के अनुसार, कोशिका झिल्ली एक स्थिर संरचना नहीं है, बल्कि एक गतिशील, तरल इकाई है। झिल्ली की तरलता इस तथ्य को संदर्भित करती है कि झिल्ली के घटक, जैसे कि फॉस्फोलिपिड और प्रोटीन, झिल्ली के तल में घूम सकते हैं। यह तरलता कई कारकों पर निर्भर करती है:
- फैटी एसिड की संरचना: असंतृप्त (unsaturated) फैटी एसिड की पूंछ में किंक (झुकाव) होते हैं जो लिपिड को कसकर पैक होने से रोकते हैं, जिससे तरलता बढ़ जाती है। इसके विपरीत, संतृप्त (saturated) फैटी एसिड सीधी पूंछ वाले होते हैं, जो कसकर पैक हो सकते हैं और तरलता को कम करते हैं।
- तापमान: उच्च तापमान लिपिड की गति को बढ़ाता है, जिससे झिल्ली अधिक तरल हो जाती है। कम तापमान पर, झिल्ली कम तरल या जेल जैसी हो सकती है।
- कोलेस्ट्रॉल: कोलेस्ट्रॉल एक “तरलता बफर” के रूप में कार्य करता है। उच्च तापमान पर, यह लिपिड की गति को रोककर तरलता को कम करता है। कम तापमान पर, यह लिपिड को क्रिस्टलीकृत होने से रोककर तरलता को बनाए रखता है।
झिल्ली की तरलता महत्वपूर्ण है क्योंकि यह झिल्ली प्रोटीन के कार्य, सिग्नलिंग, और झिल्ली संलयन और विखंडन जैसी प्रक्रियाओं को संभव बनाती है।
(c) ट्यूमर सप्रेसर जीन (Tumor suppressor gene)
ट्यूमर सप्रेसर जीन ऐसे जीन होते हैं जो कोशिकाओं को बहुत तेजी से या अनियंत्रित रूप से बढ़ने से रोकते हैं। वे कोशिका वृद्धि को धीमा करने, कोशिका चक्र के जांच बिंदुओं पर कोशिका विभाजन को रोकने, डीएनए की क्षति की मरम्मत करने या एपोप्टोसिस (क्रमादेशित कोशिका मृत्यु) को प्रेरित करने वाले प्रोटीन बनाते हैं। जब ये जीन उत्परिवर्तित (mutated) हो जाते हैं, तो वे अपना कार्य खो देते हैं, जिससे कोशिकाएं अनियंत्रित रूप से विभाजित हो सकती हैं और कैंसर का विकास हो सकता है।
- उदाहरण: सबसे प्रसिद्ध ट्यूमर सप्रेसर जीन p53 और Rb (रेटिनोब्लास्टोमा) हैं। p53 जीन डीएनए क्षति के जवाब में कोशिका चक्र को रोक सकता है या एपोप्टोसिस को ट्रिगर कर सकता है, इसलिए इसे “जीनोम का संरक्षक” कहा जाता है।
- टू-हिट हाइपोथिसिस: अधिकांश ट्यूमर सप्रेसर जीन के लिए, कैंसर के विकास के लिए जीन की दोनों प्रतियों (एक माँ से और एक पिता से) में उत्परिवर्तन होना आवश्यक है। इसे नुडसन की “टू-हिट हाइपोथिसिस” के रूप में जाना जाता है।
(d) जी-प्रोटीन कपल्ड रिसेप्टर (GPCR)
जी-प्रोटीन कपल्ड रिसेप्टर्स (GPCRs) झिल्ली प्रोटीन का एक बहुत बड़ा परिवार है जो कोशिका के बाहर के संकेतों का पता लगाता है और कोशिका के अंदर प्रतिक्रियाओं को सक्रिय करता है। इन्हें सात-ट्रांसमेम्ब्रेन डोमेन रिसेप्टर्स भी कहा जाता है क्योंकि उनका पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला सात बार कोशिका झिल्ली को पार करती है।
- संरचना: एक GPCR में एक बाह्य लिगैंड-बाइंडिंग डोमेन, सात ट्रांसमेम्ब्रेन अल्फा-हेलिक्स और एक अंतःकोशिकीय डोमेन होता है जो हेटेरोट्राइमेरिक जी-प्रोटीन (अल्फा, बीटा, और गामा सबयूनिट से बना) के साथ संपर्क करता है।
- कार्यप्रणाली:
- जब एक सिग्नल अणु (लिगैंड) GPCR से जुड़ता है, तो रिसेप्टर की आकृति बदल जाती है।
- यह परिवर्तन इसे जी-प्रोटीन को सक्रिय करने की अनुमति देता है।
- सक्रियण में, जी-प्रोटीन के अल्फा सबयूनिट से जुड़ा GDP (गुआनोसिन डाइफॉस्फेट) GTP (गुआनोसिन ट्राइफॉस्फेट) से बदल जाता है।
- GTP-बाउंड अल्फा सबयूनिट बीटा-गामा कॉम्प्लेक्स से अलग हो जाता है और एक इफेक्टर प्रोटीन (जैसे एडिनाइलेट साइक्लेज) को सक्रिय करता है।
- यह इफेक्टर तब द्वितीयक संदेशवाहकों (second messengers) जैसे cAMP, IP3, या DAG का उत्पादन करता है, जो सिग्नल को कोशिका के भीतर फैलाते हैं और एक विशिष्ट कोशिकीय प्रतिक्रिया उत्पन्न करते हैं।
- महत्व: GPCRs दृष्टि, गंध, स्वाद और कई हार्मोन और न्यूरोट्रांसमीटर के प्रति प्रतिक्रियाओं में शामिल होते हैं। वे दवा के विकास के लिए एक प्रमुख लक्ष्य हैं।
Q5. Differentiate between the following pairs of terms : (a) Primary and Secondary lysosome (b) Chemical synopsis and Electrical synopsis (c) Primary and Secondary cell culture (d) Apoptosis and Necrosis
Ans. (a) प्राथमिक और द्वितीयक लाइसोसोम (Primary and Secondary Lysosome)
प्राथमिक लाइसोसोम:
- यह एक छोटा वेसिकल होता है जो सीधे गॉल्जी उपकरण से बनता है।
- इसमें अम्लीय हाइड्रोलेसेस (acid hydrolases) नामक पाचन एंजाइम होते हैं, लेकिन ये एंजाइम निष्क्रिय अवस्था में होते हैं क्योंकि लाइसोसोम का pH अभी तक अम्लीय नहीं हुआ है।
- यह एक “नया” या “अछूता” लाइसोसोम है जिसने अभी तक किसी भी सामग्री के साथ संलयन नहीं किया है।
- इसका मुख्य कार्य पाचन एंजाइमों को संग्रहीत करना और उन्हें कोशिका के अन्य भागों से अलग रखना है।
द्वितीयक लाइसोसोम:
- इसका निर्माण तब होता है जब एक प्राथमिक लाइसोसोम एक एंडोसोम (एंडोसाइटोसिस द्वारा लाई गई सामग्री वाले वेसिकल) या एक फागोसोम (एक बड़ी संरचना, जैसे बैक्टीरिया) के साथ संलयन करता है।
- इस संलयन के बाद, लाइसोसोमल झिल्ली में प्रोटॉन पंप सक्रिय हो जाते हैं, जो आंतरिक pH को लगभग 4.5-5.0 तक कम कर देते हैं।
- इस अम्लीय वातावरण में, हाइड्रोलाइटिक एंजाइम सक्रिय हो जाते हैं और संलग्न सामग्री का पाचन शुरू कर देते हैं।
- इसे एंडोलाइसोसोम भी कहा जा सकता है और यह कोशिका का वास्तविक पाचन केंद्र है।
(b) रासायनिक और विद्युत अन्तर्ग्रथन (Chemical and Electrical Synapse)
रासायनिक अन्तर्ग्रथन (Chemical Synapse):
- इसमें, प्री-सिनेप्टिक और पोस्ट-सिनेप्टिक न्यूरॉन्स के बीच एक भौतिक अंतराल होता है जिसे सिनेप्टिक क्लेफ्ट (20-40 nm चौड़ा) कहा जाता है।
- सिग्नल का संचरण न्यूरोट्रांसमीटर नामक रासायनिक दूतों के माध्यम से होता है।
- जब एक एक्शन पोटेंशिअल प्री-सिनेप्टिक टर्मिनल पर पहुंचता है, तो यह न्यूरोट्रांसमीटर को सिनेप्टिक क्लेफ्ट में छोड़ता है।
- ये न्यूरोट्रांसमीटर पोस्ट-सिनेप्टिक झिल्ली पर विशिष्ट रिसेप्टर्स से जुड़ते हैं, जिससे पोस्ट-सिनेप्टिक न्यूरॉन में एक प्रतिक्रिया उत्पन्न होती है।
- संचरण एक-दिशीय होता है और इसमें एक छोटी देरी (सिनेप्टिक डिले) होती है। यह सिग्नल के मॉड्यूलेशन और एकीकरण की अनुमति देता है।
विद्युत अन्तर्ग्रथन (Electrical Synapse):
- इसमें, प्री-सिनेप्टिक और पोस्ट-सिनेप्टिक न्यूरॉन्स की झिल्लियाँ गैप जंक्शन नामक विशेष चैनलों द्वारा सीधे जुड़ी होती हैं।
- सिग्नल आयनों के सीधे प्रवाह के माध्यम से एक न्यूरॉन से दूसरे में फैलता है। कोई रासायनिक दूत शामिल नहीं होता है।
- सिनेप्टिक क्लेफ्ट बहुत संकीर्ण (लगभग 3.5 nm) होता है।
- संचरण लगभग तात्कालिक होता है और आमतौर पर द्वि-दिशीय (bidirectional) हो सकता है।
- यह उन प्रक्रियाओं में पाया जाता है जिनमें बहुत तेज, समकालिक प्रतिक्रिया की आवश्यकता होती है, जैसे कि रक्षात्मक प्रतिक्रियाएं।
(c) प्राथमिक और द्वितीयक कोशिका संवर्धन (Primary and Secondary Cell Culture)
प्राथमिक कोशिका संवर्धन:
- इसे सीधे किसी जीव के ऊतक से कोशिकाओं को अलग करके स्थापित किया जाता है।
- इन कोशिकाओं ने सीमित संख्या में ही कोशिका विभाजन किया होता है।
- इनका एक सीमित जीवनकाल होता है और अंततः वे सेनेसेंस (वृद्धावस्था) में प्रवेश कर जाती हैं और विभाजित होना बंद कर देती हैं।
- वे अपने मूल ऊतक की विशेषताओं को बहुत निकटता से दर्शाती हैं, जिससे वे in vivo स्थितियों के अध्ययन के लिए अधिक प्रासंगिक होती हैं।
- इनका रखरखाव अधिक कठिन होता है।
द्वितीयक कोशिका संवर्धन:
- इसका निर्माण प्राथमिक संवर्धन से कोशिकाओं को एक नए ग्रोथ मीडियम वाले बर्तन में स्थानांतरित (subculturing or passaging) करके किया जाता है।
- जिन कोशिकाओं को उप-संवर्धित किया जा सकता है, वे एक सेल लाइन का निर्माण करती हैं।
- सेल लाइन या तो परिमित (finite) हो सकती है, जिसका अर्थ है कि वे कुछ निश्चित विभाजनों के बाद मर जाती हैं, या सतत (continuous) हो सकती हैं।
- सतत सेल लाइनें (जैसे कैंसर कोशिकाएं या कृत्रिम रूप से अमर की गई कोशिकाएं) अनिश्चित काल तक विभाजित हो सकती हैं। ये काम करने में आसान होती हैं लेकिन समय के साथ आनुवंशिक परिवर्तन जमा कर सकती हैं।
(d) एपोप्टोसिस और नेक्रोसिस (Apoptosis and Necrosis)
एपोप्टोसिस (Apoptosis):
- यह क्रमादेशित कोशिका मृत्यु (programmed cell death) है, जो एक सक्रिय, आनुवंशिक रूप से नियंत्रित और व्यवस्थित प्रक्रिया है।
- यह विकास और ऊतक होमियोस्टेसिस के लिए सामान्य और आवश्यक है।
- कोशिका सिकुड़ती है, क्रोमेटिन संघनित होता है, और झिल्ली में ब्लेबिंग (blebbing) होती है। कोशिका एपोप्टोटिक बॉडीज नामक छोटे झिल्ली-बद्ध टुकड़ों में टूट जाती है।
- यह एक “स्वच्छ” प्रक्रिया है जिसमें कोशिका की सामग्री बाहर नहीं निकलती है, इसलिए यह सूजन का कारण नहीं बनती है। एपोप्टोटिक बॉडीज को फागोसाइटिक कोशिकाओं द्वारा जल्दी से हटा दिया जाता है।
- यह कैसपेसेस (caspases) नामक प्रोटीनों के एक परिवार द्वारा मध्यस्थ होता है।
नेक्रोसिस (Necrosis):
- यह आकस्मिक कोशिका मृत्यु (accidental cell death) है, जो तीव्र चोट, विषाक्त पदार्थों या बीमारी जैसी बाहरी क्षतियों के कारण होती है।
- यह एक निष्क्रिय और अनियंत्रित प्रक्रिया है।
- कोशिका और उसके ऑर्गेनेल सूज जाते हैं (oncosis) और अंततः झिल्ली फट जाती है, जिससे कोशिका की आंतरिक सामग्री आसपास के ऊतक में फैल जाती है।
- यह हमेशा एक सूजन प्रतिक्रिया (inflammatory response) को जन्म देता है, जो आसपास के ऊतकों को और नुकसान पहुंचा सकता है।
- यह एक रोग संबंधी प्रक्रिया है।
Q6. (a) Discuss the different subphases of Meiosis I. (b) Discuss the structure of the extra-cellular matrix and its functions.
Ans. (a) अर्धसूत्रीविभाजन I की विभिन्न उप-अवस्थाएं (Subphases of Meiosis I)
अर्धसूत्रीविभाजन I (Meiosis I) को न्यूनीकरण विभाजन (reductional division) भी कहा जाता है क्योंकि यह गुणसूत्रों की संख्या को आधा कर देता है। इसका सबसे लंबा और सबसे जटिल चरण प्रोफेज I है, जिसे आगे पांच उप-अवस्थाओं में विभाजित किया गया है:
- लेप्टोटीन (Leptotene):
- गुणसूत्र संघनित और दृश्यमान होने लगते हैं, जो पतले धागों की तरह दिखाई देते हैं।
- प्रत्येक गुणसूत्र में दो सिस्टर क्रोमैटिड होते हैं, लेकिन वे इतने करीब होते हैं कि अलग-अलग दिखाई नहीं देते।
- जाइगोटीन (Zygotene):
- समजात गुणसूत्र (homologous chromosomes) एक दूसरे के साथ जुड़ना शुरू कर देते हैं। इस जुड़ने की प्रक्रिया को सिनेप्सिस (synapsis) कहा जाता है।
- यह जुड़ाव एक प्रोटीन संरचना, सिनेप्टोनीमल कॉम्प्लेक्स (synaptonemal complex) द्वारा स्थिर होता है, जो समजात गुणसूत्रों को एक साथ रखता है। युग्मित समजातों को बाइवैलेंट (bivalent) कहा जाता है।
- पैकेटीन (Pachytene):
- सिनेप्सिस पूरा हो जाता है। गुणसूत्र छोटे और मोटे हो जाते हैं।
- इस चरण की सबसे महत्वपूर्ण घटना क्रॉसिंग ओवर (crossing over) है, जिसमें समजात गुणसूत्रों के नॉन-सिस्टर क्रोमैटिड्स के बीच आनुवंशिक सामग्री का आदान-प्रदान होता है। यह आनुवंशिक पुनर्संयोजन (genetic recombination) का कारण बनता है।
- इस बिंदु पर, बाइवैलेंट में चार क्रोमैटिड होते हैं और इसे टेट्राड (tetrad) कहा जाता है।
- डिप्लोटीन (Diplotene):
- सिनेप्टोनीमल कॉम्प्लेक्स विघटित हो जाता है, और समजात गुणसूत्र एक दूसरे से अलग होने लगते हैं।
- हालांकि, वे उन बिंदुओं पर जुड़े रहते हैं जहां क्रॉसिंग ओवर हुआ था। इन X-आकार के कनेक्शनों को किएज्माटा (chiasmata) कहा जाता है। किएज्माटा समजात गुणसूत्रों को मेटाफेज प्लेट पर सही ढंग से संरेखित करने के लिए महत्वपूर्ण हैं।
- डायाकिनेसिस (Diakinesis):
- गुणसूत्र अपने अधिकतम संघनन तक पहुँच जाते हैं।
- किएज्माटा का अंत की ओर स्थानांतरण (terminalization) होता है।
- नाभिकीय झिल्ली (nuclear envelope) और केंद्रिका (nucleolus) गायब हो जाते हैं, और माइटोटिक स्पिंडल बनना शुरू हो जाता है।
प्रोफेज I के बाद, मेटाफेज I में समजात गुणसूत्रों के जोड़े मेटाफेज प्लेट पर संरेखित होते हैं। एनाफेज I में, समजात गुणसूत्र अलग हो जाते हैं और विपरीत ध्रुवों की ओर चले जाते हैं (सिस्टर क्रोमैटिड्स जुड़े रहते हैं)। अंत में, टिलोफेज I में, दो अगुणित (haploid) कोशिकाएं बनती हैं, जिनमें से प्रत्येक में गुणसूत्रों का एक सेट होता है, जिसमें प्रत्येक गुणसूत्र में दो क्रोमैटिड होते हैं।
(b) बाह्य कोशिकीय मैट्रिक्स (Extra-cellular Matrix – ECM) की संरचना और कार्य
बाह्य कोशिकीय मैट्रिक्स (ECM) कोशिकाओं के बीच के स्थान को भरने वाले मैक्रोमोलेक्यूल्स का एक जटिल नेटवर्क है। यह पशु ऊतकों में बहुतायत से पाया जाता है और ऊतक को संरचनात्मक और जैव रासायनिक समर्थन प्रदान करता है।
संरचना: ECM मुख्य रूप से दो प्रमुख प्रकार के मैक्रोमोलेक्यूल्स से बना है:
- रेशेदार प्रोटीन (Fibrous Proteins):
- कोलेजन (Collagen): यह ECM में सबसे प्रचुर मात्रा में पाया जाने वाला प्रोटीन है। यह तीन पॉलीपेप्टाइड श्रृंखलाओं से बना एक ट्रिपल हेलिक्स है जो मजबूत फाइबर बनाता है। यह ऊतकों को तन्य शक्ति (tensile strength) प्रदान करता है।
- इलास्टिन (Elastin): यह एक लचीला प्रोटीन है जो ऊतकों को खिंचाव के बाद अपने मूल आकार में लौटने की अनुमति देता है। यह रक्त वाहिकाओं, फेफड़ों और त्वचा में प्रचुर मात्रा में होता है।
- प्रोटीओग्लाइकन्स (Proteoglycans) और ग्लाइकोसामिनोग्लाइकन्स (GAGs):
- प्रोटीओग्लाइकन्स में एक कोर प्रोटीन होता है जिससे ग्लाइकोसामिनोग्लाइकन्स (GAGs) की लंबी, बिना शाखा वाली पॉलीसेकेराइड श्रृंखलाएं जुड़ी होती हैं।
- GAGs (जैसे हयालूरोनन, कॉन्ड्रोइटिन सल्फेट) अत्यधिक नकारात्मक रूप से चार्ज होते हैं और बड़ी मात्रा में पानी को आकर्षित करते हैं, जिससे एक हाइड्रेटेड, जेल जैसा पदार्थ बनता है। यह जेल ऊतकों को संपीड़न बलों का विरोध करने में मदद करता है।
- चिपकने वाले ग्लाइकोप्रोटीन (Adhesive Glycoproteins):
- फाइब्रोनेक्टिन (Fibronectin): यह ECM घटकों (जैसे कोलेजन) को कोशिकाओं की सतह पर मौजूद इंटीग्रिन रिसेप्टर्स से जोड़ता है।
- लैमिनिन (Laminin): यह बेसल लैमिना (एक विशेष ECM परत) का एक प्रमुख घटक है और उपकला कोशिकाओं को ECM से जोड़ने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।
कार्य:
- संरचनात्मक समर्थन: ECM ऊतकों और अंगों को आकार और स्थिरता प्रदान करता है।
- कोशिका आसंजन: यह कोशिकाओं को एक दूसरे से और उनके सब्सट्रेट से जुड़ने के लिए एक माध्यम प्रदान करता है।
- कोशिका संचार: ECM कोशिका की सतह पर रिसेप्टर्स (जैसे इंटीग्रिन) के माध्यम से संकेतों को प्रसारित करके कोशिका के व्यवहार, जैसे प्रसार, प्रवासन और विभेदन को प्रभावित करता है।
- ऊतक पृथक्करण: बेसल लैमिना जैसी ECM परतें विभिन्न ऊतक प्रकारों के बीच एक बाधा के रूप में कार्य करती हैं।
- विकास कारकों का भंडारण: ECM विकास कारकों को बांध और संग्रहीत कर सकता है, और उन्हें आवश्यकतानुसार स्थानीय रूप से जारी कर सकता है, जिससे कोशिका वृद्धि और मरम्मत का नियमन होता है।
Q7. (a) Explain the role of ubiquitin in protein turnover. (b) Explain how the Ka value of the cell surface receptor is determined.
Ans. (a) प्रोटीन टर्नओवर में यूबिकिटिन की भूमिका
प्रोटीन टर्नओवर कोशिकाओं में प्रोटीन के संश्लेषण और क्षरण के बीच संतुलन को संदर्भित करता है। यह संतुलन कोशिका को क्षतिग्रस्त या अनावश्यक प्रोटीनों को हटाने और कोशिकीय प्रक्रियाओं को नियंत्रित करने की अनुमति देता है। प्रोटीन क्षरण का एक प्रमुख मार्ग यूबिकिटिन-प्रोटियासोम मार्ग (Ubiquitin-Proteasome Pathway) है, जिसमें यूबिकिटिन एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।
यूबिकिटिन (Ubiquitin): यूबिकिटिन एक छोटा (76 अमीनो एसिड) नियामक प्रोटीन है जो सभी यूकेरियोटिक ऊतकों में पाया जाता है। इसका मुख्य कार्य अन्य प्रोटीनों से जुड़कर उन्हें क्षरण के लिए चिह्नित करना है।
प्रक्रिया: प्रोटीन को यूबिकिटिन के साथ चिह्नित करने की प्रक्रिया, जिसे यूबिकिटिनेशन (ubiquitination) कहा जाता है, में तीन प्रकार के एंजाइमों की एक श्रृंखला शामिल होती है:
- E1 (यूबिकिटिन-एक्टिवेटिंग एंजाइम): यह एंजाइम एटीपी-निर्भर तरीके से यूबिकिटिन अणु को “सक्रिय” करता है और इसे अपने सिस्टीन अवशेष से जोड़ता है।
- E2 (यूबिकिटिन-कंजुगेटिंग एंजाइम): सक्रिय यूबिकिटिन को E1 से E2 एंजाइम में स्थानांतरित किया जाता है।
- E3 (यूबिकिटिन लिगेज): यह एंजाइम प्रणाली की विशिष्टता के लिए जिम्मेदार है। E3 लिगेज एक विशिष्ट लक्ष्य प्रोटीन को पहचानता है और उससे जुड़ता है, और फिर E2 से यूबिकिटिन को लक्ष्य प्रोटीन के एक लाइसिन अवशेष में स्थानांतरित करने की सुविधा प्रदान करता है।
यह प्रक्रिया कई बार दोहराई जाती है, जिससे लक्ष्य प्रोटीन पर यूबिकिटिन अणुओं की एक श्रृंखला ( पॉलीयूबिकिटिन श्रृंखला ) बन जाती है।
क्षरण: एक बार जब एक प्रोटीन को पॉलीयूबिकिटिन श्रृंखला के साथ चिह्नित कर दिया जाता है, तो इसे 26S प्रोटियासोम नामक एक बड़े, एटीपी-निर्भर प्रोटीज कॉम्प्लेक्स द्वारा पहचाना जाता है।
- प्रोटियासोम लक्ष्य प्रोटीन को खोलता है, यूबिकिटिन टैग को हटाता है (ताकि उनका पुन: उपयोग किया जा सके), और प्रोटीन को छोटे पेप्टाइड्स में काट देता है।
- ये पेप्टाइड्स फिर साइटोसोल में अमीनो एसिड में और टूट जाते हैं।
इस प्रकार, यूबिकिटिन एक “मौत के टैग” के रूप में कार्य करता है, जो कोशिका को चुनिंदा रूप से और कुशलता से उन प्रोटीनों को खत्म करने में सक्षम बनाता है जिनकी अब आवश्यकता नहीं है या जो क्षतिग्रस्त हो गए हैं, जिससे सेलुलर होमियोस्टेसिस बना रहता है।
(b) कोशिका सतह रिसेप्टर के Ka मान का निर्धारण
Ka (एसोसिएशन स्थिरांक) एक लिगैंड (जैसे हार्मोन या दवा) और उसके रिसेप्टर के बीच बंधन की आत्मीयता (affinity) का एक माप है। यह उस दर का प्रतिनिधित्व करता है जिस पर लिगैंड और रिसेप्टर एक कॉम्प्लेक्स बनाने के लिए जुड़ते हैं। एक उच्च Ka मान एक उच्च आत्मीयता को इंगित करता है, जिसका अर्थ है कि लिगैंड और रिसेप्टर मजबूती से और आसानी से बंधते हैं।
Ka का निर्धारण आमतौर पर इसके व्युत्क्रम, Kd (डिसोसिएशन स्थिरांक) को मापकर किया जाता है, जहाँ Ka = 1/Kd । Kd वह लिगैंड सांद्रता है जिस पर आधे रिसेप्टर स्थल भरे होते हैं। एक कम Kd मान उच्च आत्मीयता को इंगित करता है।
Kd और Ka का निर्धारण करने की विधि (लिगैंड बाइंडिंग परख):
- तैयारी: कोशिकाएं या झिल्ली के टुकड़े जिनमें रुचि का रिसेप्टर होता है, तैयार किए जाते हैं।
- रेडियोलेबलिंग: लिगैंड को रेडियोधर्मी आइसोटोप (जैसे ³H या ¹²⁵I) के साथ लेबल किया जाता है। यह पता लगाने की अनुमति देता है कि कितना लिगैंड रिसेप्टर्स से बंधा है।
- ऊष्मायन (Incubation): रिसेप्टर तैयारी को रेडियोलेबल वाले लिगैंड की बढ़ती सांद्रता के साथ ऊष्मायन किया जाता है जब तक कि संतुलन (equilibrium) स्थापित न हो जाए।
- पृथक्करण: संतुलन के बाद, बंधे हुए लिगैंड को मुक्त (अनबाउंड) लिगैंड से अलग किया जाता है, आमतौर पर निस्पंदन (filtration) द्वारा। फिल्टर बंधे हुए लिगैंड-रिसेप्टर कॉम्प्लेक्स को बनाए रखता है जबकि मुक्त लिगैंड गुजर जाता है।
- मात्रा का निर्धारण: फिल्टर पर बनाए रखी गई रेडियोधर्मिता को एक सिंटिलेशन काउंटर का उपयोग करके मापा जाता है। यह प्रत्येक लिगैंड सांद्रता पर बंधे हुए लिगैंड की मात्रा ([RL]) देता है।
- गैर-विशिष्ट बंधन का निर्धारण: विशिष्ट बंधन को मापने के लिए, एक समानांतर प्रयोग किया जाता है जिसमें रेडियोलेबल वाले लिगैंड के साथ-_साथ बिना लेबल वाले लिगैंड की एक बड़ी अधिकता भी शामिल होती है। यह बिना लेबल वाला लिगैंड रिसेप्टर्स पर सभी विशिष्ट बंधन स्थलों को संतृप्त कर देगा, इसलिए कोई भी मापा गया बंधन गैर-विशिष्ट (जैसे फिल्टर या गैर-रिसेप्टर प्रोटीन से) होगा। कुल बंधन से गैर-विशिष्ट बंधन को घटाने पर विशिष्ट बंधन प्राप्त होता है।
- डेटा विश्लेषण (स्कैचर्ड प्लॉट):
- परिणामों का विश्लेषण करने का एक क्लासिक तरीका स्कैचर्ड प्लॉट (Scatchard plot) बनाना है।
- इस प्लॉट में, Y-अक्ष पर [बाउंड लिगैंड]/[फ्री लिगैंड] और X-अक्ष पर [बाउंड लिगैंड] को प्लॉट किया जाता है।
- यदि केवल एक प्रकार का बंधन स्थल है, तो यह एक सीधी रेखा उत्पन्न करेगा।
- रेखा का ढलान (slope) -Ka या -1/Kd के बराबर होता है।
- इस प्रकार, प्लॉट के ढलान से, Ka और Kd दोनों की गणना की जा सकती है।
यह विधि शोधकर्ताओं को लिगैंड-रिसेप्टर इंटरैक्शन की आत्मीयता को मात्रात्मक रूप से निर्धारित करने की अनुमति देती है, जो औषध विज्ञान और कोशिका जीव विज्ञान में मौलिक है।
IGNOU MZO-001 Previous Year Solved Question Paper in English
Q1. (a) Explain the structure of microtubules and their functions in the eukaryotic cytoskeleton. (b) Describe how intermediate filaments are assembled, disassembled and regulated.
Ans. (a) Structure and Functions of Microtubules Microtubules are key components of the eukaryotic cytoskeleton. They are hollow, cylindrical polymers with a diameter of about 25 nm. Their basic building block is a globular protein called tubulin , which exists as a heterodimer composed of an alpha (α) and a beta (β) tubulin subunit. Structure:
- These dimers polymerize end-to-end to form a linear chain called a protofilament .
- Typically, 13 protofilaments associate in a circular arrangement to form a hollow tube, the microtubule.
- This structure has an inherent polarity, with a fast-growing plus (+) end and a slow-growing minus (-) end .
- The minus end is often embedded in a Microtubule-Organizing Center (MTOC) , such as the centrosome.
- Microtubules exhibit a behavior called dynamic instability , where they rapidly switch between phases of growth (polymerization) and shrinkage (depolymerization), a process regulated by GTP hydrolysis.
Functions:
- Cell Shape and Support: They provide structural rigidity to the cell, helping it resist compressive forces.
- Intracellular Transport: They act as tracks for motor proteins (like kinesin and dynein ) which transport organelles, vesicles, and other cargo within the cell.
- Cell Division: They form the mitotic spindle , which is essential for segregating chromosomes during cell division.
- Motility: They are the core structural components (axoneme) of eukaryotic cilia and flagella, enabling cell movement.
(b)
Assembly, Disassembly, and Regulation of Intermediate Filaments
Intermediate filaments (IFs) are the third major component of the cytoskeleton, with a diameter of 8-12 nm, which is intermediate between actin filaments and microtubules. They primarily function to protect cells from mechanical stress.
Assembly:
- The basic unit is an elongated, fibrous monomer with a central alpha-helical rod domain.
- Two monomers wrap around each other to form a stable, coiled-coil dimer .
- Two dimers associate in a staggered, anti-parallel fashion to form a tetramer . This tetramer is non-polar, meaning both its ends are identical.
- These tetramers link end-to-end and side-by-side to form a protofilament .
- Finally, eight protofilaments twist together to form the rope-like, strong intermediate filament structure.
Disassembly and Regulation:
Unlike microtubules and actin filaments, intermediate filaments are much more stable and do not exhibit dynamic instability. However, their disassembly and reassembly are necessary during processes like the cell cycle.
- Phosphorylation: The regulation of intermediate filaments is primarily achieved through phosphorylation and dephosphorylation .
- During mitosis, specific kinases phosphorylate IFs (e.g., lamins). This phosphorylation causes the filaments to disassemble into their tetramer and subunit components, leading to the breakdown of the nuclear envelope.
- At the end of mitosis, phosphatases remove the phosphate groups (dephosphorylation), causing the filaments to reassemble.
- This regulation ensures that these robust structures can also be dynamic when required.
Q2. (a) Explain how glucose is transported into the intestinal cell. (b) Describe how proteins are sorted into mitochondria.
Ans. (a) Glucose Transport into the Intestinal Cell The transport of glucose into intestinal epithelial cells is a sophisticated process designed to move glucose against its concentration gradient into the blood. This process involves two distinct domains of the cell membrane: the apical membrane (facing the intestinal lumen) and the basolateral membrane (facing the blood vessels). The steps of transport are as follows:
- Transport at the Apical Membrane (Secondary Active Transport):
- The concentration of glucose in the intestinal lumen is often lower than inside the cell. Therefore, glucose must be moved against its concentration gradient.
- This is achieved by a co-transporter called SGLT1 (Sodium-Glucose Linked Transporter 1) .
- SGLT1 simultaneously transports two sodium ions (Na+) and one glucose molecule from the lumen into the cell.
- This process is an example of secondary active transport because it does not use ATP directly. Instead, it is driven by the sodium gradient, which is maintained by the Na+/K+ pump.
- The Na+/K+ Pump at the Basolateral Membrane:
- The Na+/K+ pump , located on the basolateral membrane, actively pumps 3 Na+ ions out of the cell and 2 K+ ions in, using ATP.
- This maintains a low intracellular sodium concentration, generating the sodium gradient required for SGLT1 to function.
- Transport at the Basolateral Membrane (Facilitated Diffusion):
- Once glucose accumulates inside the cell, its concentration becomes higher than that in the blood.
- This high-concentration glucose moves out of the cell and into the bloodstream via facilitated diffusion through another transporter called GLUT2 (Glucose Transporter 2) , which is located on the basolateral membrane.
Through this coordinated mechanism, glucose from food is efficiently absorbed from the intestine into the bloodstream.
(b)
Protein Sorting into Mitochondria
Most mitochondrial proteins are synthesized on free ribosomes in the cytosol and are subsequently imported into the mitochondria. This process is called protein sorting or targeting.
The process of targeting and importing proteins into the mitochondria is as follows:
- Mitochondrial Targeting Sequence (MTS): Proteins to be imported typically have a signal sequence at their N-terminus, about 20-50 amino acids long, called the Mitochondrial Targeting Sequence . This sequence forms an amphipathic alpha-helix, with positively charged amino acids on one side.
- Cytosolic Chaperones: After synthesis, the protein is kept in an unfolded state by cytosolic chaperones (e.g., Hsp70). This is necessary so the protein can be threaded through the channels in the mitochondrial membranes.
- Translocation across the Outer Membrane (TOM Complex):
- The protein first binds to a receptor on the TOM complex (Translocase of the Outer Membrane) located on the outer mitochondrial membrane.
- The protein is then translocated through the general import pore of the TOM complex into the intermembrane space.
- Translocation across the Inner Membrane (TIM Complex):
- From the intermembrane space, the protein is transferred to a TIM complex (Translocase of the Inner Membrane) on the inner mitochondrial membrane.
- If the protein is destined for the matrix, it uses the TIM23 complex . This translocation is driven by the electrochemical gradient (membrane potential) across the inner membrane.
- As the protein enters the matrix, mitochondrial Hsp70 (mtHsp70) binds to it and helps pull it inside, in an ATP-dependent process.
- Cleavage of the Signal Sequence: Once the protein is in the matrix, an enzyme called Matrix Processing Peptidase (MPP) cleaves off the mitochondrial targeting sequence.
- Folding: Finally, the protein folds into its final three-dimensional conformation, often with the help of mitochondrial chaperones (e.g., Hsp60), and becomes functional.
Q3. (a) Give an overview of the G1-phase of cell cycle. (b) Write a brief note on any one secretory gland found in the brain.
Ans. (a) Overview of the G1-Phase of the Cell Cycle The G1-phase (Gap 1) is the first stage of interphase in the eukaryotic cell cycle, occurring between the end of mitosis (M-phase) and the start of DNA synthesis (S-phase). This period is dedicated to cell growth, metabolic activity, and preparation for the next stage. Key Features and Events of G1-Phase:
- Cell Growth: After mitosis, the daughter cells are smaller in size. During G1, the cell actively grows to reach its normal size.
- Protein and RNA Synthesis: The cell synthesizes various proteins and RNA molecules required for DNA replication and cell growth. This includes enzymes, structural proteins, and ribosomes.
- Organelle Production: Organelles such as mitochondria and the endoplasmic reticulum increase in number.
- Metabolic Activity: It is typically the longest and most metabolically active period of the cell’s life.
- Restriction Point (R): G1 contains a critical checkpoint called the Restriction Point . Once a cell passes this point, it is committed to completing the cell cycle, even if external growth factors are removed.
- Regulatory Molecules: The progression from G1 to S-phase is strictly regulated by a group of proteins called cyclins and Cyclin-Dependent Kinases (CDKs) .
- During G1, levels of Cyclin D rise and bind to CDK4 and CDK6 , activating them.
- This active complex phosphorylates the Retinoblastoma protein (pRb).
- Phosphorylated pRb dissociates from the transcription factor E2F .
- Free E2F then activates the transcription of genes necessary for entry into S-phase and DNA replication.
If conditions are not favorable, the cell can arrest in G1 or enter a quiescent state called the
G0-phase
.
(b)
A Secretory Gland in the Brain: The Pituitary Gland
The pituitary gland, often called the “master gland,” is a small, pea-sized endocrine gland located at the base of the brain, just below the hypothalamus. It controls many of the body’s vital glands and processes. It is structurally and functionally divided into two parts: the
Anterior Pituitary
and the
Posterior Pituitary
.
Anterior Pituitary (Adenohypophysis):
- This is a true endocrine gland that synthesizes and secretes its own hormones.
- Its control comes from releasing and inhibiting hormones secreted by the hypothalamus , which reach it via the hypothalamic-hypophyseal portal system.
- Major Hormones Secreted:
- Growth Hormone (GH): Regulates body growth and metabolism.
- Thyroid-Stimulating Hormone (TSH): Stimulates the thyroid gland to secrete thyroid hormones.
- Adrenocorticotropic Hormone (ACTH): Stimulates the adrenal gland to secrete cortisol.
- Gonadotropins (LH and FSH): Regulate the function of the ovaries and testes.
- Prolactin (PRL): Stimulates milk production in females.
Posterior Pituitary (Neurohypophysis):
- This is actually an extension of the hypothalamus and consists of neural tissue.
- It does not synthesize hormones but rather stores and secretes hormones that are synthesized in the hypothalamus. These hormones are transported down axons to the posterior pituitary.
- Major Hormones Secreted:
- Antidiuretic Hormone (ADH) or Vasopressin: Regulates water reabsorption by the kidneys, thus maintaining blood pressure and water balance.
- Oxytocin: Stimulates uterine contractions during childbirth and milk ejection during breastfeeding.
Thus, the pituitary gland, in conjunction with the hypothalamus, plays a central role in maintaining the body’s homeostasis, growth, and reproduction.
Q4. Write short notes on the following : (a) Biological significance of actin cytoskeleton (b) Membrane fluidity (c) Tumor suppressor gene (d) G-Protein Coupled Receptor (GPCR)
Ans. (a) Biological Significance of Actin Cytoskeleton The actin cytoskeleton, also known as microfilaments , are thin, flexible fibers (about 7 nm in diameter) formed by the polymerization of globular actin (G-actin) protein. They are essential for numerous critical functions in eukaryotic cells.
- Cell Shape and Structure: Actin filaments form a network just beneath the cell surface, called the cell cortex, which provides the cell with its shape and mechanical support. It also maintains surface structures like microvilli.
- Cell Motility: Cell movement is heavily dependent on actin polymerization. Cells crawl by forming lamellipodia (thin, sheet-like structures) and filopodia (thin, finger-like protrusions) at their leading edge, which are built from organized bundles of actin filaments.
- Muscle Contraction: In skeletal muscle, actin filaments, along with the motor protein myosin , form sarcomeres. The sliding of myosin heads along actin filaments generates the force for muscle contraction.
- Cytokinesis: At the end of cell division, a contractile ring, made of actin and myosin II filaments, forms in the middle of the cell and pinches it into two daughter cells.
(b)
Membrane Fluidity
According to the
fluid mosaic model
, the cell membrane is not a static structure but a dynamic, fluid entity. Membrane fluidity refers to the fact that the components of the membrane, such as phospholipids and proteins, are free to move within the plane of the membrane. This fluidity depends on several factors:
- Fatty Acid Composition: The tails of unsaturated fatty acids have kinks that prevent lipids from packing tightly, thus increasing fluidity. In contrast, saturated fatty acids have straight tails, can pack tightly, and decrease fluidity.
- Temperature: Higher temperatures increase the kinetic energy of lipids, making the membrane more fluid. At low temperatures, the membrane can become less fluid or gel-like.
- Cholesterol: Cholesterol acts as a “fluidity buffer.” At high temperatures, it restrains lipid movement, reducing fluidity. At low temperatures, it prevents lipids from crystallizing, thus maintaining fluidity.
Membrane fluidity is crucial as it enables the function of membrane proteins, signaling, and processes like membrane fusion and fission.
(c)
Tumor Suppressor Gene
Tumor suppressor genes are genes that prevent cells from growing too rapidly or in an uncontrolled way. They make proteins that slow down cell growth, stop cell division at checkpoints, repair DNA damage, or induce
apoptosis
(programmed cell death). When these genes are mutated, they lose their function, which can allow cells to divide uncontrollably and lead to the development of cancer.
- Examples: The most well-known tumor suppressor genes are p53 and Rb (Retinoblastoma) . The p53 gene can halt the cell cycle in response to DNA damage or trigger apoptosis, earning it the name “guardian of the genome.”
- Two-Hit Hypothesis: For most tumor suppressor genes, mutations must occur in both copies of the gene (one from each parent) for cancer to develop. This is known as Knudson’s “two-hit hypothesis.”
(d)
G-Protein Coupled Receptor (GPCR)
G-protein coupled receptors (GPCRs) are a very large family of membrane proteins that detect signals outside the cell and activate responses inside the cell. They are also called
seven-transmembrane domain receptors
because their polypeptide chain crosses the cell membrane seven times.
- Structure: A GPCR has an extracellular ligand-binding domain, seven transmembrane alpha-helices, and an intracellular domain that interacts with a heterotrimeric G-protein (made of alpha, beta, and gamma subunits).
- Mechanism:
- When a signal molecule (ligand) binds to the GPCR, the receptor changes its conformation.
- This change allows it to activate the G-protein.
- Activation involves the exchange of GDP (guanosine diphosphate) for GTP (guanosine triphosphate) on the alpha subunit of the G-protein.
- The GTP-bound alpha subunit dissociates from the beta-gamma complex and activates an effector protein (e.g., adenylyl cyclase).
- This effector then produces second messengers like cAMP, IP3, or DAG, which propagate the signal within the cell and elicit a specific cellular response.
- Significance: GPCRs are involved in vision, smell, taste, and responses to many hormones and neurotransmitters. They are a major target for drug development.
Q5. Differentiate between the following pairs of terms : (a) Primary and Secondary lysosome (b) Chemical synopsis and Electrical synopsis (c) Primary and Secondary cell culture (d) Apoptosis and Necrosis
Ans. (a) Primary and Secondary Lysosome Primary Lysosome:
- It is a small vesicle that buds directly from the Golgi apparatus.
- It contains digestive enzymes called acid hydrolases , but these enzymes are in an inactive state because the lysosome’s pH is not yet acidic.
- It is a “new” or “virgin” lysosome that has not yet fused with any material.
- Its main function is to store digestive enzymes and keep them separate from the rest of the cell.
Secondary Lysosome:
- It is formed when a primary lysosome fuses with an endosome (a vesicle containing material brought in by endocytosis) or a phagosome (a larger structure, like a bacterium).
- Following this fusion, proton pumps in the lysosomal membrane become active, lowering the internal pH to about 4.5-5.0.
- In this acidic environment, the hydrolytic enzymes become active and begin to digest the enclosed material.
- It can also be called an endolysosome and is the actual digestive hub of the cell.
(b)
Chemical and Electrical Synapse
Chemical Synapse:
- There is a physical gap, the synaptic cleft (20-40 nm wide), between the pre-synaptic and post-synaptic neurons.
- Signal transmission occurs via chemical messengers called neurotransmitters .
- When an action potential reaches the pre-synaptic terminal, it triggers the release of neurotransmitters into the synaptic cleft.
- These neurotransmitters bind to specific receptors on the post-synaptic membrane, generating a response in the post-synaptic neuron.
- Transmission is unidirectional and involves a short delay (synaptic delay). It allows for modulation and integration of signals.
Electrical Synapse:
- The membranes of the pre-synaptic and post-synaptic neurons are directly connected by special channels called gap junctions .
- The signal propagates from one neuron to the next through the direct flow of ions. No chemical messenger is involved.
- The synaptic cleft is very narrow (about 3.5 nm).
- Transmission is almost instantaneous and can typically be bidirectional.
- It is found in processes that require very fast, synchronized responses, such as escape reflexes.
(c)
Primary and Secondary Cell Culture
Primary Cell Culture:
- It is established by isolating cells directly from the tissue of an organism.
- These cells have undergone a limited number of cell divisions.
- They have a finite lifespan and will eventually enter senescence and stop dividing.
- They closely represent the characteristics of their tissue of origin, making them more relevant for studying in vivo conditions.
- They are more difficult to maintain.
Secondary Cell Culture:
- It is formed by transferring cells from a primary culture to a new vessel with fresh growth medium (a process called subculturing or passaging).
- Cells that can be subcultured constitute a cell line .
- A cell line can be either finite , meaning they die after a certain number of divisions, or continuous .
- Continuous cell lines (like cancer cells or artificially immortalized cells) can divide indefinitely. They are easier to work with but may accumulate genetic changes over time.
(d)
Apoptosis and Necrosis
Apoptosis:
- This is programmed cell death , an active, genetically controlled, and orderly process.
- It is normal and necessary for development and tissue homeostasis.
- The cell shrinks, chromatin condenses, and the membrane undergoes blebbing . The cell breaks into small membrane-bound fragments called apoptotic bodies .
- It is a “clean” process as the cell’s contents are not released, so it does not cause inflammation. Apoptotic bodies are quickly cleared by phagocytic cells.
- It is mediated by a family of proteins called caspases .
Necrosis:
- This is accidental cell death caused by external insults such as acute injury, toxins, or disease.
- It is a passive and uncontrolled process.
- The cell and its organelles swell (oncosis) and the membrane eventually ruptures, spilling the cell’s internal contents into the surrounding tissue.
- It always leads to an inflammatory response , which can cause further damage to surrounding tissues.
- It is a pathological process.
Q6. (a) Discuss the different subphases of Meiosis I. (b) Discuss the structure of the extra-cellular matrix and its functions.
Ans. (a) Subphases of Meiosis I Meiosis I is known as the reductional division because it halves the number of chromosomes. Its longest and most complex stage is Prophase I , which is further divided into five subphases:
- Leptotene:
- Chromosomes begin to condense and become visible, appearing as thin threads.
- Each chromosome consists of two sister chromatids, but they are so closely apposed they are not yet distinguishable.
- Zygotene:
- Homologous chromosomes begin to pair up with each other. This pairing process is called synapsis .
- The pairing is stabilized by a protein structure, the synaptonemal complex , which holds the homologous chromosomes together. The paired homologs are called a bivalent .
- Pachytene:
- Synapsis is complete. The chromosomes become shorter and thicker.
- The most significant event of this stage is crossing over , the exchange of genetic material between non-sister chromatids of homologous chromosomes. This causes genetic recombination.
- At this point, the bivalent contains four chromatids and is called a tetrad .
- Diplotene:
- The synaptonemal complex dissolves, and the homologous chromosomes begin to separate from each other.
- However, they remain connected at the points where crossing over occurred. These X-shaped connections are called chiasmata . Chiasmata are crucial for the correct alignment of homologs on the metaphase plate.
- Diakinesis:
- Chromosomes reach their maximum condensation.
- Terminalization of chiasmata occurs.
- The nuclear envelope and nucleolus disappear, and the meiotic spindle begins to form.
Following Prophase I, in
Metaphase I
, the pairs of homologous chromosomes align at the metaphase plate. In
Anaphase I
, homologous chromosomes separate and move to opposite poles (sister chromatids remain attached). Finally, in
Telophase I
, two haploid cells are formed, each containing one set of chromosomes, with each chromosome still consisting of two chromatids.
(b)
Structure and Functions of the Extra-cellular Matrix (ECM)
The extra-cellular matrix (ECM) is an intricate network of macromolecules that fills the space between cells. It is abundant in animal tissues and provides structural and biochemical support to the tissue.
Structure:
The ECM is composed mainly of two major classes of macromolecules:
- Fibrous Proteins:
- Collagen: This is the most abundant protein in the ECM. It is a triple helix of three polypeptide chains that forms strong fibers. It provides tissues with tensile strength.
- Elastin: This is a resilient protein that allows tissues to stretch and return to their original shape. It is abundant in blood vessels, lungs, and skin.
- Proteoglycans and Glycosaminoglycans (GAGs):
- Proteoglycans consist of a core protein to which long, unbranched polysaccharide chains of glycosaminoglycans (GAGs) are attached.
- GAGs (e.g., hyaluronan, chondroitin sulfate) are highly negatively charged and attract large amounts of water, forming a hydrated, gel-like substance. This gel helps tissues resist compressive forces.
- Adhesive Glycoproteins:
- Fibronectin: This connects ECM components (like collagen) to integrin receptors on the surface of cells.
- Laminin: This is a major component of the basal lamina (a specialized ECM layer) and is crucial for attaching epithelial cells to the ECM.
Functions:
- Structural Support: The ECM provides shape and stability to tissues and organs.
- Cell Adhesion: It provides a medium for cells to attach to each other and to their substrate.
- Cell Communication: The ECM influences cell behavior, such as proliferation, migration, and differentiation, by transmitting signals through receptors (like integrins) on the cell surface.
- Tissue Segregation: ECM layers like the basal lamina act as a barrier between different tissue types.
- Reservoir for Growth Factors: The ECM can bind and store growth factors, releasing them locally as needed, thereby regulating cell growth and repair.
Q7. (a) Explain the role of ubiquitin in protein turnover. (b) Explain how the Ka value of the cell surface receptor is determined.
Ans. (a) Role of Ubiquitin in Protein Turnover Protein turnover refers to the balance between the synthesis and degradation of proteins in cells. This balance allows the cell to remove damaged or unnecessary proteins and to regulate cellular processes. A major pathway for protein degradation is the Ubiquitin-Proteasome Pathway , in which ubiquitin plays a critical role. Ubiquitin: Ubiquitin is a small (76 amino acid) regulatory protein found in all eukaryotic tissues. Its main function is to attach to other proteins, marking them for degradation. The Process: The process of marking a protein with ubiquitin, called ubiquitination , involves a cascade of three types of enzymes:
- E1 (Ubiquitin-Activating Enzyme): This enzyme “activates” the ubiquitin molecule in an ATP-dependent manner and attaches it to its own cysteine residue.
- E2 (Ubiquitin-Conjugating Enzyme): The activated ubiquitin is transferred from E1 to an E2 enzyme.
- E3 (Ubiquitin Ligase): This enzyme is responsible for the specificity of the system. The E3 ligase recognizes and binds to a specific target protein, and then facilitates the transfer of ubiquitin from the E2 to a lysine residue on the target protein.
This process is repeated several times, creating a chain of ubiquitin molecules (a
polyubiquitin chain
) on the target protein.
Degradation:
Once a protein is tagged with a polyubiquitin chain, it is recognized by a large, ATP-dependent protease complex called the
26S proteasome
.
- The proteasome unfolds the target protein, removes the ubiquitin tags (so they can be reused), and chops the protein into small peptides.
- These peptides are then further broken down into amino acids in the cytosol.
Thus, ubiquitin acts as a “tag of death,” enabling the cell to selectively and efficiently eliminate proteins that are no longer needed or are damaged, thereby maintaining cellular homeostasis.
(b)
Determining the Ka Value of a Cell Surface Receptor
The
Ka (association constant)
is a measure of the affinity between a ligand (e.g., a hormone or drug) and its receptor. It represents the rate at which the ligand and receptor associate to form a complex. A high Ka value indicates a high affinity, meaning the ligand and receptor bind strongly and readily.
Ka is typically determined by measuring its inverse, the
Kd (dissociation constant)
, where
Ka = 1/Kd
. The Kd is the ligand concentration at which half of the receptor sites are occupied. A low Kd value indicates high affinity.
Method for Determining Kd and Ka (Ligand Binding Assay):
- Preparation: Cells or membrane fragments containing the receptor of interest are prepared.
- Radiolabeling: The ligand is labeled with a radioactive isotope (e.g., ³H or ¹²⁵I). This allows detection of how much ligand has bound to the receptors.
- Incubation: The receptor preparation is incubated with increasing concentrations of the radiolabeled ligand until equilibrium is established.
- Separation: After equilibrium, the bound ligand is separated from the free (unbound) ligand, usually by filtration. The filter retains the bound ligand-receptor complexes while the free ligand passes through.
- Quantification: The radioactivity retained on the filter is measured using a scintillation counter. This gives the amount of bound ligand ([RL]) at each ligand concentration.
- Determining Non-specific Binding: To measure specific binding, a parallel experiment is run that includes a large excess of unlabeled ligand along with the radiolabeled ligand. This unlabeled ligand will saturate all specific binding sites on the receptors, so any measured binding will be non-specific (e.g., to the filter or non-receptor proteins). Subtracting the non-specific binding from the total binding gives the specific binding.
- Data Analysis (Scatchard Plot):
- A classic way to analyze the results is to create a Scatchard plot .
- In this plot, [Bound Ligand]/[Free Ligand] is plotted on the y-axis against [Bound Ligand] on the x-axis.
- If there is only one type of binding site, this will generate a straight line.
- The slope of the line is equal to -Ka or -1/Kd .
- Thus, from the slope of the plot, both Ka and Kd can be calculated.
This method allows researchers to quantitatively determine the affinity of ligand-receptor interactions, which is fundamental in pharmacology and cell biology.
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