CZYNNIKI MUTAGENNE: SPOSÓB DZIAŁANIA, RODZAJE I PRZYKŁADY - BIOLOGIA - 2026

Czynniki mutagenne, znane również jako mutageny, to cząsteczki o różnym charakterze, które powodują zmiany w zasadach tworzących część nici DNA. W ten sposób obecność tych czynników wzmacnia tempo mutacji w materiale genetycznym. Są podzielone na mutageny fizyczne, chemiczne i biologiczne.

Mutageneza jest zjawiskiem wszechobecnym w organizmach biologicznych i niekoniecznie przekłada się na negatywne zmiany. W rzeczywistości jest źródłem zmienności, która umożliwia zmianę ewolucyjną.

DNA może zostać uszkodzone przez światło UV.
Źródło: praca pochodna: Mouagip (dyskusja) DNA_UV_mutation.gif: NASA / David Herring Ten nieokreślony obraz wektorowy W3C został utworzony za pomocą programu Adobe Illustrator.

Co to jest mutacja?

Zanim przejdziemy do tematu mutagenów, należy wyjaśnić, czym jest mutacja. W genetyce mutacja to trwała i dziedziczna zmiana sekwencji nukleotydów w cząsteczce materiału genetycznego: DNA.

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

Mutacje ogólnie wpływają na funkcję genu i mogą utracić lub zmienić swoją funkcję.

Ponieważ zmiana sekwencji DNA wpływa na wszystkie kopie białek, niektóre mutacje mogą być wyjątkowo toksyczne dla komórki lub ogólnie dla organizmu.

W organizmach mutacje mogą występować w różnej skali. Mutacje punktowe wpływają na pojedynczą zasadę w DNA, natomiast mutacje na większą skalę mogą wpływać na całe regiony chromosomu.

Czy mutacje są zawsze śmiertelne?

Błędem jest myślenie, że mutacja zawsze prowadzi do powstania chorób lub stanów patologicznych dla organizmu, który ją nosi. 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, warunkiem sine qua non dla zmiany populacji jest istnienie zmienności. Ta zmienność wynika z dwóch głównych mechanizmów: mutacji i rekombinacji.

Zatem w kontekście ewolucji darwinowskiej konieczne jest, aby w populacji istniały warianty - i aby warianty te miały większą biologiczną adekwatność związaną z nimi.

Jak powstają mutacje?

Mutacje mogą powstać spontanicznie lub mogą zostać wywołane. Wewnętrzna niestabilność chemiczna zasad azotowych może powodować mutacje, ale z bardzo niską częstotliwością.

Częstą przyczyną spontanicznych mutacji punktowych jest deaminacja cytozyny do uracylu w podwójnej helisie DNA. Proces replikacji tej nici prowadzi do zmutowanej córki, w której pierwotna para GC została zastąpiona parą AT.

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

Ponadto naturalne narażenie organizmu na określone czynniki środowiskowe prowadzi do pojawienia się mutacji. Wśród tych czynników mamy między innymi promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie jonizujące, różne chemikalia.

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

Rodzaje czynników mutagennych

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

Mutageny chemiczne

Mutageny o charakterze chemicznym obejmują między innymi następujące klasy chemikaliów: akrydyny, nitrozoaminy, epoksydy. Istnieje podklasyfikacja dla tych czynników w:

Zasady analogiczne

Cząsteczki, które wykazują strukturalne podobieństwo do zasad azotowych, mają zdolność wywoływania mutacji; do najczęstszych należą 1,5-bromouracyl i 2-aminopuryna.

Czynniki, które reagują z materiałem genetycznym

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

Czynniki pośrednie

Istnieje szereg cząsteczek, takich jak akrydyny, bromek etydyny (szeroko stosowany w laboratoriach biologii molekularnej) i proflawina, które mają płaską strukturę molekularną i potrafią dostać się 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 rodzaj czynników mutagennych to czynniki fizyczne. W tej kategorii znajdujemy różne rodzaje promieniowania, które wpływają na DNA.

Mutageny biologiczne

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

Jak działają?: Rodzaje mutacji wywołanych czynnikami mutagennymi

Obecność czynników mutagennych powoduje zmiany w zasadach DNA. Jeśli wynik obejmuje zmianę zasady purynowej lub pirymidynowej na jedną o tej samej naturze chemicznej, mówimy o przejściu.

W przeciwieństwie do tego, jeśli zmiana zachodzi między zasadami różnych typów (puryna na pirymidynę lub odwrotnie), nazywamy ten proces transwersją. Przejścia mogą wystąpić w przypadku następujących wydarzeń:

Podstawowa tautomeryzacja

W chemii termin izomer jest używany do opisania właściwości cząsteczek o tym samym wzorze cząsteczkowym, które mają różne struktury chemiczne. Tautomery to izomery, które różnią się od swoich rówieśników tylko pozycją grupy funkcyjnej, a między tymi dwiema formami istnieje równowaga chemiczna.

Jednym z rodzajów tautomerii jest keto-enol, w którym następuje migracja wodoru i zmienia się ona między obiema formami. Istnieją również zmiany między formą iminową a aminową. Dzięki swojemu składowi chemicznemu podstawy DNA doświadczają tego zjawiska.

Na przykład adenina zwykle występuje w postaci grupy aminowej i par - normalnie - z tyminą. Jednak gdy znajduje się w swoim izomerze iminowym (bardzo rzadko), łączy się z niewłaściwą zasadą: cytozyną.

Wprowadzenie analogicznych zasad

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

Bezpośrednia akcja na podstawach

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

Zmiana może również wystąpić na cytozynie, a uracyl jest otrzymywany jako produkt deaminacji. Podstawienie pojedynczej zasady w DNA ma bezpośredni wpływ na procesy transkrypcji i translacji sekwencji peptydowej.

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

Dodawanie lub usuwanie baz

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

Poprzez środki interkalacyjne

Jak wspomnieliśmy, czynniki pośrednie to płaskie cząsteczki, które mają zdolność interkalacji (stąd ich nazwa) pomiędzy podstawami nici, zniekształcając ją.

W czasie replikacji to odkształcenie w cząsteczce prowadzi do delecji (czyli utraty) lub insercji zasad. Kiedy DNA traci zasady lub dodaje nowe, ma to wpływ na otwartą ramkę odczytu.

Przypomnijmy, że kod genetyczny obejmuje odczyt trzech nukleotydów, które kodują aminokwas. Jeśli dodamy lub usuniemy nukleotydy (w liczbie innej niż 3), wpłynie to na cały odczyt DNA, a białko będzie zupełnie inne.

Te typy mutacji nazywane są przesunięciem ramki lub zmianami 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 atmosfery ziemskiej.

Cząsteczka DNA pochłania promieniowanie i następuje tworzenie dimerów pirymidynowych. Oznacza to, że zasady pirymidynowe są połączone za pomocą wiązań kowalencyjnych.

Sąsiednie tyminy na 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 fotolazą. Enzym ten wykorzystuje światło widzialne do przekształcenia dimerów w dwie oddzielne zasady.

Jednak naprawa przez wycięcie nukleotydów nie ogranicza się do błędów spowodowanych przez światło. Mechanizm naprawy jest rozbudowany i może naprawić uszkodzenia spowodowane różnymi czynnikami.

Kiedy ludzie prześwietlają nas na słońcu, nasze komórki otrzymują nadmierne ilości promieniowania ultrafioletowego. Konsekwencją jest wytwarzanie dimerów tyminy, które mogą powodować raka skóry.

Bibliografia

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Niezbędna biologia komórki. Garland Science.
2. Cooper, GM i Hausman, RE (2000). Komórka: podejście molekularne. Sinauer Associates.
3. Curtis, H. i Barnes, NS (1994). Zaproszenie na biologię. Macmillan.
4. Karp, G. (2009). Biologia komórkowa i molekularna: koncepcje i eksperymenty. John Wiley & Sons.
5. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Biologia komórki molekularnej. Macmillan.
6. Singer, B. i Kusmierek, JT (1982). Mutageneza chemiczna. Annual review of biochemistry, 51 (1), 655-691.
7. Voet, D. i Voet, JG (2006). Biochemia. Panamerican Medical Ed.