МУТАГЕННЫЕ АГЕНТЫ: КАК ОНИ ДЕЙСТВУЮТ, ВИДЫ И ПРИМЕРЫ - БИОЛОГИЯ - 2025

В мутагенные агенты, также известные мутагены, являются молекулы с различной природы , которые вызывают изменения в базах , которые образуют часть цепей ДНК. Таким образом, присутствие этих агентов увеличивает скорость мутации генетического материала. Они подразделяются на физические, химические и биологические мутагены.

Мутагенез является повсеместным явлением в биологических объектах, и он не обязательно приводит к негативным изменениям. Фактически, это источник вариаций, который делает возможными эволюционные изменения.

ДНК может быть повреждена УФ-светом.
Источник: производная работа: Mouagip (talk) DNA_UV_mutation.gif: NASA / David Herring Это векторное изображение, не определенное W3C, было создано с помощью Adobe Illustrator.

Что такое мутация?

Прежде чем перейти к теме мутагенов, необходимо объяснить, что такое мутация. В генетике мутация - это постоянное и наследуемое изменение последовательности нуклеотидов в молекуле генетического материала: ДНК.

Вся информация, необходимая для развития организма и управления им, содержится в его генах, которые физически расположены в хромосомах. Хромосомы состоят из одной длинной молекулы ДНК.

Мутации обычно влияют на функцию гена, и он может потерять или изменить свою функцию.

Поскольку изменение последовательности ДНК затрагивает все копии белков, определенные мутации могут быть чрезвычайно токсичными для клетки или организма в целом.

Мутации у организмов могут происходить на разных уровнях. Точечные мутации влияют на одно основание в ДНК, в то время как более масштабные мутации могут влиять на целые области хромосомы.

Всегда ли мутации смертельны?

Неверно думать, что мутация всегда приводит к возникновению болезней или патологических состояний для организма, который ее переносит. На самом деле существуют мутации, не меняющие последовательность белков. Если читатель хочет лучше понять причину этого факта, он может прочитать о вырожденности генетического кода.

Фактически, с точки зрения биологической эволюции, непременным условием изменения популяций является наличие вариации. Это изменение возникает в результате двух основных механизмов: мутации и рекомбинации.

Таким образом, в контексте дарвиновской эволюции необходимо, чтобы в популяции были варианты - и чтобы эти варианты имели большую биологическую адекватность, связанную с ними.

Как возникают мутации?

Мутации могут возникать спонтанно или индуцироваться. Внутренняя химическая нестабильность азотистых оснований может приводить к мутациям, но с очень низкой частотой.

Распространенной причиной спонтанных точечных мутаций является дезаминирование цитозина до урацила в двойной спирали ДНК. Процесс репликации этой цепи приводит к появлению дочернего мутанта, в котором исходная пара GC заменена парой AT.

Хотя репликация ДНК - это событие, которое происходит с удивительной точностью, она не совсем идеальна. Ошибки в репликации ДНК также приводят к спонтанным мутациям.

Кроме того, естественное воздействие на организм определенных факторов окружающей среды приводит к появлению мутаций. Среди этих факторов есть ультрафиолетовое излучение, ионизирующее излучение, различные химические вещества и другие.

Эти факторы являются мутагенами. Ниже мы опишем классификацию этих агентов, как они действуют и их последствия в клетке.

Виды мутагенных агентов

Агенты, вызывающие мутации в генетическом материале, очень разнообразны по своей природе. Сначала мы рассмотрим классификацию мутагенов и приведем примеры каждого типа, а затем объясним различные способы, которыми мутагены могут вызывать изменения в молекуле ДНК.

Химические мутагены

Мутагены химической природы включают следующие классы химических веществ: акридины, нитрозамины, эпоксиды и другие. Для этих агентов существует подклассификация:

Аналогичные базы

Молекулы, которые демонстрируют структурное сходство с азотистыми основаниями, обладают способностью вызывать мутации; среди наиболее распространенных - 15-бромурацил и 2-аминопурин.

Агенты, реагирующие с генетическим материалом

Азотистая кислота, гидроксиламин и ряд алкилирующих агентов вступают в реакцию непосредственно с основаниями, составляющими ДНК, и могут изменяться с пурина на пиримидин и наоборот.

Промежуточные агенты

Существует ряд молекул, таких как акридины, бромистый этидий (широко используемый в лабораториях молекулярной биологии) и профлавин, которые имеют плоскую молекулярную структуру и способны проникать в цепь ДНК.

Окислительные реакции

Нормальный метаболизм клетки имеет вторичным продуктом ряд активных форм кислорода, которые повреждают клеточные структуры, а также генетический материал.

Физические мутагены

Второй тип мутагенных агентов - физические. В этой категории мы находим различные типы излучения, влияющие на ДНК.

Биологические мутагены

Наконец, у нас есть биологические мутанты. Это организмы, которые могут вызывать мутации (включая аномалии на уровне хромосом) в вирусах и других микроорганизмах.

Как они работают?: Типы мутаций, вызванные мутагенными агентами

Присутствие мутагенных агентов вызывает изменения в основаниях ДНК. Если результат включает замену пуринового или пиримидинового основания на основание той же химической природы, мы говорим о переходе.

Напротив, если изменение происходит между основаниями разных типов (пурин для пиримидина или наоборот), мы называем этот процесс трансверсией. Переходы могут происходить при следующих событиях:

Базовая таутомеризация

В химии термин изомер используется для описания свойства молекул с одинаковой молекулярной формулой иметь разные химические структуры. Таутомеры - это изомеры, которые отличаются от своих аналогов только положением функциональной группы, и между двумя формами существует химическое равновесие.

Одним из типов таутомерии является кето-енол, при котором происходит миграция водорода и чередуется между обеими формами. Также есть изменения между имино и амино формой. Благодаря своему химическому составу основания ДНК испытывают это явление.

Например, аденин обычно находится в виде амино и пары - обычно - с тимином. Однако, когда он находится в своем имино-изомере (очень редко), он соединяется с неправильным основанием: цитозином.

Включение аналогичных баз

Включение молекул, которые напоминают основания, может нарушить структуру спаривания оснований. Например, включение 5-бромурацила (вместо тимина) ведет себя как цитозин и приводит к замене пары AT на пару CG.

Прямое действие по базам

Прямое действие некоторых мутагенов может напрямую влиять на основания ДНК. Например, азотистая кислота превращает аденин в аналогичную молекулу, гипоксантин, посредством реакции окислительного дезаминирования. Эта новая молекула соединяется с цитозином (а не с тимином, как обычно с аденином).

Изменение также может происходить на цитозине, а урацил получается как продукт дезаминирования. Замена одного основания в ДНК имеет прямое влияние на процессы транскрипции и трансляции пептидной последовательности.

Стоп-кодон может появиться раньше, и трансляция преждевременно останавливается, влияя на белок.

Добавление или удаление баз

Некоторые мутагены, такие как интеркалирующие агенты (среди прочего, акридин) и ультрафиолетовое излучение, обладают способностью изменять нуклеотидную цепь.

Интеркалирующими агентами

Как мы уже упоминали, промежуточные агенты представляют собой плоские молекулы, и они обладают способностью вставляться (отсюда и их название) между основаниями цепи, искажая ее.

Во время репликации эта деформация в молекуле приводит к делеции (то есть к потере) или вставке оснований. Когда ДНК теряет основания или добавляются новые, это влияет на открытую рамку считывания.

Напомним, что генетический код включает считывание трех нуклеотидов, кодирующих аминокислоту. Если мы добавим или удалим нуклеотиды (в количестве, отличном от 3), это повлияет на все считывание ДНК, и белок будет совершенно другим.

Эти типы мутаций называются сдвигом рамки считывания или изменением состава троек.

Ультрафиолетовое излучение

Ультрафиолетовое излучение - это мутагенный агент, и это обычный неионизирующий компонент обычного солнечного света. Однако компонент с наибольшей мутагенной способностью улавливается озоновым слоем атмосферы Земли.

Молекула ДНК поглощает излучение, и происходит образование димеров пиримидина. То есть пиримидиновые основания связаны ковалентными связями.

Соседние тимины на цепи ДНК могут соединяться с образованием димеров тимина. Эти структуры также влияют на процесс репликации.

У некоторых организмов, таких как бактерии, эти димеры можно восстановить благодаря присутствию восстанавливающего фермента, называемого фотолиазой. Этот фермент использует видимый свет для преобразования димеров в два отдельных основания.

Однако эксцизионная репарация нуклеотидов не ограничивается ошибками, вызванными светом. Механизм ремонта обширен и может устранить повреждения, вызванные различными факторами.

Когда люди подвергают нас чрезмерному воздействию солнца, наши клетки получают чрезмерное количество ультрафиолетового излучения. Следствием этого является образование димеров тимина, которые могут вызвать рак кожи.

Ссылки

1. Альбертс, Б., Брей, Д., Хопкин, К., Джонсон, А.Д., Льюис, Дж., Рафф, М.,… и Уолтер, П. (2015). Существенная клеточная биология. Наука о гирляндах.
2. Купер, Г. М., и Хаусман, Р. Е. (2000). Клетка: молекулярный подход. Sinauer Associates.
3. Кертис, Х., и Барнс, Н.С. (1994). Приглашение в биологию. Macmillan.
4. Карп, Г. (2009). Клеточная и молекулярная биология: концепции и эксперименты. Джон Вили и сыновья.
5. Лодиш, Х., Берк, А., Дарнелл, Дж. Э., Кайзер, Калифорния, Кригер, М., Скотт, М. П.,… и Мацудаира, П. (2008). Молекулярная клеточная биология. Macmillan.
6. Сингер Б. и Кусмерек Дж. Т. (1982). Химический мутагенез. Ежегодный обзор биохимии, 51 (1), 655-691.
7. Воет, Д. и Воет, Дж. Г. (2006). Биохимия. Panamerican Medical Ed.