Czynniki mutagenne, jak działają, rodzaje i przykłady



The czynniki mutagenne, zwane także mutagenami, to cząsteczki o różnym charakterze, które powodują zmiany w zasadach, które są częścią łańcuchów DNA. W ten sposób obecność tych środków wzmacnia szybkość mutacji w materiale genetycznym. Są one klasyfikowane jako mutageny fizyczne, chemiczne i biologiczne.

Mutageneza jest wszechobecnym wydarzeniem w jednostkach biologicznych i niekoniecznie przekłada się na negatywne zmiany. W rzeczywistości jest to źródło zmienności, które umożliwia zmianę ewolucyjną.

Indeks

  • 1 Co to jest mutacja?
    • 1.1 Czy mutacje są zawsze śmiertelne??
    • 1.2 Jak powstają mutacje?
  • 2 Rodzaje czynników mutagennych
    • 2.1 Mutageny chemiczne
    • 2.2 Fizyczne mutageny
    • 2.3 Biologiczne mutageny
  • 3 Jak one działają: rodzaje mutacji powodowanych przez czynniki mutagenne
    • 3.1 Tautomeryzacja zasad
    • 3.2 Włączenie analogicznych podstaw
    • 3.3 Bezpośrednie działanie na bazy
    • 3.4 Dodawanie lub usuwanie baz
  • 4 odniesienia

Co to jest mutacja?

Przed przystąpieniem do tematu mutagenów konieczne jest wyjaśnienie, czym jest mutacja. W genetyce mutacja jest trwałą i dziedziczną zmianą sekwencji nukleotydów w cząsteczce materiału genetycznego: DNA.

Wszystkie informacje niezbędne do rozwoju i kontroli organizmu znajdują się w jego genach - które fizycznie znajdują się w chromosomach. Chromosomy składają się z długiej cząsteczki DNA.

Ogólnie, mutacje wpływają na funkcję genu i mogą utracić lub zmodyfikować jego funkcję.

Ponieważ zmiana sekwencji DNA wpływa na wszystkie kopie białek, pewne mutacje mogą być bardzo toksyczne dla komórki lub dla ciała w ogóle.

Mutacje mogą występować w różnych skalach w organizmach. Mutacje punktowe wpływają na pojedynczą zasadę w DNA, podczas gdy mutacje na większą skalę mogą wpływać na całe regiony chromosomu.

Czy mutacje są zawsze śmiertelne??

Błędem jest sądzić, że mutacja zawsze prowadzi do powstawania chorób lub stanów patologicznych dla organizmu, który ją przenosi. W rzeczywistości istnieją mutacje, które nie zmieniają sekwencji białek. Jeśli czytelnik chce lepiej zrozumieć przyczynę tego faktu, może przeczytać o degeneracji kodu genetycznego.

W rzeczywistości, w świetle ewolucji biologicznej, stan sine qua non aby zmiana populacji nastąpiła, istnieje zmienność. Ta zmienność wynika z dwóch głównych mechanizmów: mutacji i rekombinacji.

Tak więc w kontekście ewolucji darwinowskiej konieczne jest istnienie wariantów w populacji - i że te warianty wiążą się z większą adaptacją biologiczną.

Jak powstają mutacje?

Mutacje mogą powstać spontanicznie lub mogą zostać wywołane. Wewnętrzna niestabilność chemiczna zasad azotowych może być przekształcona w mutacje, ale z bardzo małą częstotliwością.

Częstą przyczyną spontanicznych mutacji punktowych jest deaminacja cytozyny na uracyl w podwójnej helisy DNA. Proces replikacji tej nici prowadzi do zmutowanej córki, gdzie oryginalna para GC została zastąpiona parą AT..

Chociaż replikacja DNA jest zdarzeniem, które zachodzi z zaskakującą precyzją, nie jest doskonałe w całości. Błędy w replikacji DNA prowadzą również do pojawienia się spontanicznych mutacji.

Ponadto naturalna ekspozycja organizmu na pewne czynniki środowiskowe prowadzi do pojawienia się mutacji. Wśród tych czynników mamy między innymi promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie jonizujące, różne chemikalia.

Te czynniki są mutagenne. Następnie opiszemy klasyfikację tych czynników, sposób ich działania i ich konsekwencje w komórce.

Rodzaje czynników mutagennych

Środki powodujące mutacje w materiale genetycznym mają bardzo zróżnicowany charakter. Po pierwsze, zbadamy klasyfikację mutagenów i podamy przykłady każdego typu, a następnie wyjaśnimy różne sposoby, w których mutageny mogą powodować zmiany w cząsteczce DNA.

Chemiczne mutageny

Mutageny o charakterze chemicznym obejmują następujące klasy chemikaliów: między innymi akrydyny, nitrozoaminy, epoksydy. Dla tych agentów istnieje podklasyfikacja w:

Analogiczne zasady

Cząsteczki o podobieństwie strukturalnym do zasad azotowych mają zdolność indukowania mutacji; Najczęściej występują 5-bromouracyl i 2-aminopuryna.

Środki reagujące z materiałem genetycznym

Kwas azotawy, hydroksyloamina i szereg środków alkilujących reagują bezpośrednio z zasadami tworzącymi DNA i mogą zmieniać się z puryn na pirymidynę i odwrotnie.

Środki śródmiąższowe

Istnieje wiele molekuł, takich jak akrydyny, bromek etydyny (szeroko stosowany w laboratoriach biologii molekularnej) i proflavine, które mają płaską strukturę molekularną i udaje im się wejść do nici DNA.

Reakcje utleniające

Normalny metabolizm komórki ma jako produkt wtórny szereg reaktywnych form tlenu, które uszkadzają struktury komórkowe, a także materiał genetyczny.

Fizyczne mutageny

Drugi typ czynników mutagennych jest fizyczny. W tej kategorii odnajdujemy różne rodzaje promieniowania, które wpływają na DNA.

Biologiczne mutageny

Wreszcie mamy biologiczne mutanty. Są to organizmy, które mogą wywoływać mutacje (w tym anomalie na poziomie chromosomów) w wirusach i innych mikroorganizmach.

Jak działają?: Rodzaje mutacji powodowanych przez czynniki mutagenne

Obecność czynników mutagennych powoduje zmiany w zasadach DNA. Jeśli wynik obejmuje zmianę zasady pirymidyny lub pirymidyny na zasadę o takim samym charakterze chemicznym, mówimy o przejściu.

W przeciwieństwie do tego, jeśli zmiana zachodzi między podstawami różnych typów (puryną przez pirymidynę lub inaczej), nazywamy proces transwersją. Przejścia mogą wystąpić z powodu następujących zdarzeń:

Tautomeryzacja zasad

W chemii termin izomer jest używany do opisu właściwości cząsteczek o tym samym wzorze cząsteczkowym przedstawiającym różne struktury chemiczne. Tautomery są izomerami, które różnią się jedynie od pary w pozycji grupy funkcjonalnej, a między tymi dwiema postaciami występuje równowaga chemiczna.

Typem tautomerii jest keto-enol, w którym występuje migracja wodoru i na przemian obie formy. Istnieją również zmiany między formą iminową a aminową. Dzięki swojemu składowi chemicznemu podstawy DNA doświadczają tego zjawiska.

Na przykład adenina jest zwykle znajdowana jako amino i pary - normalnie - z tyminą. Jednakże, gdy znajduje się w jego izomerze iminowym (bardzo rzadko), łączy się z niepoprawną zasadą: cytozyną.

Włączenie analogicznych zasad

Włączenie cząsteczek przypominających zasady może zakłócać wzór parowania zasad. Na przykład włączenie 5-bromouracylu (zamiast tyminy) zachowuje się jak cytozyna i prowadzi do zastąpienia pary AT przez parę CG.

Bezpośrednie działanie na bazy

Bezpośrednie działanie niektórych mutagenów może bezpośrednio wpływać na zasady DNA. Na przykład, kwas azotawy przekształca adeninę w podobną cząsteczkę, hipoksantynę, za pomocą reakcji oksydacyjnej deaminacji. Ta nowa cząsteczka łączy się z cytozyną (a nie z tyminą, jak zwykle adenina).

Zmiana może również wystąpić na cytozynie, a w wyniku deaminacji otrzymuje się uracyl. Podstawienie pojedynczej zasady w DNA ma bezpośrednie konsekwencje dla procesów transkrypcji i translacji sekwencji peptydowej.

Kodon stop może pojawić się wcześniej, a translacja zatrzymuje się przedwcześnie, wpływając na białko.

Dodawanie lub usuwanie zasad

Niektóre mutageny, takie jak środki interkalujące (między innymi akrydyna) i promieniowanie ultrafioletowe, mają zdolność modyfikowania łańcucha nukleotydowego.

Przez środki interkalujące

Jak wspomniano, środki interkalujące są płaskimi cząsteczkami i mają zdolność do przeplatany (stąd jego nazwa) między podstawami nici, zniekształcając ją.

W czasie replikacji ta deformacja w cząsteczce prowadzi do usunięcia (tj. Utraty) lub wstawienia zasad. Gdy DNA traci podstawy lub dodawane są nowe, wpływa to na otwartą ramkę odczytu.

Przypomnijmy, że kod genetyczny polega na odczytaniu trzech nukleotydów kodujących aminokwas. Jeśli dodamy lub usuniemy nukleotydy (w liczbie, która nie jest 3), cały odczyt DNA zostanie zmieniony, a białko będzie zupełnie inne.

Te typy mutacji są nazywane przesunięcie ramki lub zmiany w składzie trojaczków.

Promieniowanie ultrafioletowe

Promieniowanie ultrafioletowe jest czynnikiem mutagennym i jest normalnym niejonizującym składnikiem zwykłego światła słonecznego. Jednak składnik o najwyższym współczynniku mutagenności jest uwięziony przez warstwę ozonową ziemskiej atmosfery.

Cząsteczka DNA absorbuje promieniowanie i powstaje dimery pirymidynowe. Oznacza to, że zasady pirymidynowe są związane wiązaniami kowalencyjnymi.

Sąsiednie tyminy w nici DNA mogą łączyć się tworząc dimery tyminy. Struktury te wpływają również na proces replikacji.

W niektórych organizmach, takich jak bakterie, dimery te można naprawić dzięki obecności enzymu naprawczego zwanego fotoliase. Enzym ten wykorzystuje światło widzialne do przekształcenia dimerów w dwie oddzielne zasady.

Jednak naprawa wycinków nukleotydów nie ogranicza się do błędów spowodowanych światłem. Mechanizm naprawy jest rozległy i może naprawić uszkodzenia spowodowane różnymi czynnikami.

Kiedy ludzie narażają nas nadmiernie na słońce, nasze komórki otrzymują nadmierne ilości promieniowania ultrafioletowego. Konsekwencją jest wytwarzanie dimerów tyminy i może powodować raka skóry.

Referencje

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A.D., Lewis, J., Raff, M., ... i Walter, P. (2015). Niezbędna biologia komórki. Garland Science.
  2. Cooper, G. M. i Hausman, R. E. (2000). Komórka: podejście molekularne. Sinauer Associates.
  3. Curtis, H. i Barnes, N. S. (1994). Zaproszenie do biologii. Macmillan.
  4. Karp, G. (2009). Komórka i biologia molekularna: koncepcje i eksperymenty. John Wiley & Sons.
  5. Lodish, H., Berk, A., Darnell, J.E., Kaiser, C.A., Krieger, M., Scott, M.P., ... & Matsudaira, P. (2008). Biologia komórek molekularnych. Macmillan.
  6. Singer, B. i Kusmierek, J. T. (1982). Mutageneza chemiczna. Roczny przegląd biochemii, 51(1), 655-691.
  7. Voet, D. i Voet, J. G. (2006). Biochemia. Ed. Panamericana Medical.