МУТАГЕННІ АГЕНТИ: ЯК ВОНИ ПРАЦЮЮТЬ, ТИПИ ТА ПРИКЛАДИ - БІОЛОГІЯ

У мутагенні агенти, також відомі мутагени, є молекули з різною природи , які викликають зміни в базах , які утворюють частину ланцюгів ДНК. Таким чином, присутність цих агентів посилює швидкість мутації в генетичному матеріалі. Їх класифікують на фізичні, хімічні та біологічні мутагени.

Мутагенез - це всюдисуща подія в біологічних утвореннях, і це не обов'язково перетворюється на негативні зміни. Насправді саме джерело варіацій дозволяє еволюційні зміни.

ДНК може бути пошкоджена УФ-світлом.
Джерело: похідна робота: Mouagip (розмова) DNA_UV_mutation.gif: NASA / David HerringЦе не визначене W3C векторне зображення було створено за допомогою Adobe Illustrator.

Що таке мутація?

Перш ніж зайнятися предметом мутагенів, необхідно пояснити, що таке мутація. У генетиці мутація - це постійна і спадкова зміна послідовності нуклеотидів у молекулі генетичного матеріалу: ДНК.

Вся інформація, необхідна для розвитку та контролю організму, знаходиться у його генах - які фізично розташовані на хромосомах. Хромосоми складаються з однієї довгої молекули ДНК.

Мутації, як правило, впливають на функцію гена, і він може втратити або змінити свою функцію.

Оскільки зміна послідовності ДНК впливає на всі копії білків, певні мутації можуть бути вкрай токсичними для клітини або для організму в цілому.

Мутації можуть відбуватися в різних масштабах в організмах. Точкові мутації впливають на єдину основу в ДНК, тоді як мутації в більш масштабних масштабах можуть впливати на цілі ділянки хромосоми.

Чи завжди мутації є летальними?

Неправильно думати, що мутація завжди призводить до породження захворювань або патологічних станів для організму, який її переносить. Насправді є мутації, які не змінюють послідовність білків. Якщо читач хоче краще зрозуміти причину цього факту, він може прочитати про виродження генетичного коду.

Насправді, у світлі біологічної еволюції, неодмінною умовою зміни змін у популяції є наявність варіації. Ця варіація виникає за двома основними механізмами: мутацією та рекомбінацією.

Таким чином, в умовах еволюції дарвінів необхідно, щоб існували варіанти популяції - і ці варіанти були пов'язані з більшою біологічною придатністю.

Як виникають мутації?

Мутації можуть виникати спонтанно або можуть бути індукованими. Власна хімічна нестабільність азотистих основ може спричинити мутації, але з дуже низькою частотою.

Поширеною причиною спонтанних точкових мутацій є дезамінація цитозину на урацил у подвійній спіралі ДНК. Процес реплікації цієї нитки призводить до мутантної дочки, де вихідна пара GC була замінена парою AT.

Хоча реплікація ДНК - це подія, яка відбувається з дивовижною точністю, вона не зовсім досконала. Помилки в реплікації ДНК також призводять до мимовільних мутацій.

Крім того, природне потрапляння організму до певних факторів навколишнього середовища призводить до появи мутацій. Серед цих факторів у нас є ультрафіолетове, іонізуюче випромінювання, різні хімічні речовини, серед інших.

Ці фактори є мутагенами. Нижче ми опишемо класифікацію цих агентів, як вони діють та їх наслідки в клітині.

Види мутагенних агентів

Агенти, що викликають мутації в генетичному матеріалі, мають дуже різноманітний характер. Спочатку ми вивчимо класифікацію мутагенів та наведемо приклади кожного типу, потім пояснимо різні способи, якими мутагени можуть викликати зміни в молекулі ДНК.

Хімічні мутагени

Мутагени хімічної природи включають такі класи хімічних речовин: акридини, нітрозаміни, епоксиди, серед інших. Для цих агентів існує підкласифікація:

Аналогічні бази

Молекули, які демонструють структурну схожість з азотистими основами, мають здатність індукувати мутації; серед найпоширеніших є 5-бромурацил та 2-амінопурин.

Агенти, що реагують на генетичний матеріал

Азотна кислота, гідроксиламін та ряд алкилирующих агентів реагують безпосередньо на підставах, що складають ДНК, і можуть змінюватися від пурину до піримідину і навпаки.

Інтергенегенти

Існує серія молекул, таких як акридини, бромід етидію (широко застосовується в лабораторіях молекулярної біології) та профлавін, які мають плоску молекулярну структуру і встигають увійти в ланцюг ДНК.

Окислювальні реакції

Нормальний метаболізм клітини є вторинним продуктом серії реактивних видів кисню, які пошкоджують клітинні структури, а також генетичний матеріал.

Фізичні мутагени

Мутагенні засоби другого типу - фізичні. У цій категорії ми знаходимо різні види випромінювання, які впливають на ДНК.

Біологічні мутагени

Нарешті, у нас є біологічні мутанти. Вони є організмами, які можуть індукувати мутації (включаючи порушення на рівні хромосом) у вірусів та інших мікроорганізмів.

Як вони працюють?: Типи мутацій, викликані мутагенними агентами

Наявність мутагенних агентів викликає зміни в базах ДНК. Якщо результат передбачає зміну пурикової або піримідинової основи на одну і ту ж хімічну природу, ми говоримо про перехід.

На відміну від цього, якщо зміна відбувається між базами різних типів (пурином для піримідину чи протилежним), ми називаємо процес перетворенням. Переходи можуть відбуватися для таких подій:

Базова таутомеризація

У хімії термін ізомер використовується для опису властивості молекул з однаковою молекулярною формулою мати різні хімічні структури. Таутомери - це ізомери, які відрізняються від однолітків лише положенням функціональної групи, а між двома формами існує хімічна рівновага.

Один з типів таутомерії - кето-енол, де відбувається міграція водню і чергується в обох формах. Існують зміни також між іміно-аміно-формою. Завдяки своєму хімічному складу основи ДНК переживають це явище.

Наприклад, аденін зазвичай знаходиться як аміно, а пари - в нормі - з тиміном. Однак, коли він знаходиться у своєму іміно-ізомері (дуже рідко), він з'єднується з неправильною основою: цитозином.

Включення аналогічних баз

Включені молекули, що нагадують основи, можуть порушити схему сполучення основ. Наприклад, включення 5-бромурацилу (замість тиміну) поводиться як цитозин і призводить до заміни пари AT на CG-пару.

Пряма дія на підставах

Пряма дія певних мутагенів може безпосередньо впливати на основи ДНК. Наприклад, азотна кислота перетворює аденін в аналогічну молекулу, гіпоксантин, через реакцію окислювального дезамінування. Ця нова молекула поєднується з цитозином (а не тиміном, як це зазвичай робив аденін).

Зміна може статися і на цитозині, і урацил отримують як продукт дезамінації. Заміна однієї основи в ДНК має прямі наслідки на процеси транскрипції та трансляції пептидної послідовності.

Стоп-кодон може з’явитися рано, а трансляція припиняється передчасно, впливаючи на білок.

Додавання або видалення баз

Деякі мутагени, такі як інтеркалюючі агенти (акридин, серед інших) та ультрафіолетове випромінювання, мають здатність змінювати нуклеотидні ланцюги.

За допомогою інтеркаляційних агентів

Як ми вже згадували, агенти, що перегріваються, - це плоскі молекули, і вони мають здатність взаємозв'язуватися (звідси їх назва) між основами нитки, спотворюючи її.

Під час реплікації ця деформація в молекулі призводить до делеції (тобто до втрати) або вставки підстав. Коли ДНК втрачає основи або додаються нові, це впливає на відкриту рамку зчитування.

Нагадаємо, що генетичний код передбачає зчитування трьох нуклеотидів, які кодують амінокислоту. Якщо ми додамо або вилучимо нуклеотиди (в кількості, яка не дорівнює 3), все зчитування ДНК вплине, і білок буде абсолютно іншим.

Ці типи мутацій називаються зрушенням кадру або зміною складу трійки.

Ультрафіолетове випромінювання

Ультрафіолетове випромінювання є мутагенним агентом, і це нормальний неіонізуючий компонент звичайного сонячного світла. Однак компонент з найбільшою мутагенною швидкістю потрапляє в озоновий шар земної атмосфери.

Молекула ДНК поглинає випромінювання і відбувається утворення піримідинових димерів. Тобто основи піримідину пов'язані за допомогою ковалентних зв’язків.

Суміжні тиміни на нитці ДНК можуть приєднуватися до утворення димерів тиміну. Ці структури також впливають на процес реплікації.

У деяких організмах, таких як бактерії, ці димери можуть бути відремонтовані завдяки наявності відновлюючого ферменту, який називається фотоляза. Цей фермент використовує видиме світло для перетворення димерів на дві окремі основи.

Однак відновлення нуклеотидного висічення не обмежується помилками, спричиненими світлом. Механізм ремонту є обширним і може відшкодувати пошкодження, спричинені різними факторами.

Коли людина перенапружує нас сонцем, наші клітини отримують надмірну кількість ультрафіолетового випромінювання. Наслідком цього є вироблення тимерових димерів, і вони можуть спричинити рак шкіри.

Список літератури

Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Основна клітинна біологія. Гарленд Наука.
Cooper, GM, & Hausman, RE (2000). Клітина: Молекулярний підхід. Sinauer Associates.
Кертіс, Х. та Барнс, штат Нью-Йорк (1994). Запрошення до біології. Макміллан.
Карп, Г. (2009). Клітинна та молекулярна біологія: концепції та експерименти. Джон Вілі та сини.
Лодіш, Х., Берк, А., Дарнелл, Дж. Е., Кайзер, Каліфорнія, Крігер, М., Скотт, депутат, … і Мацудайра, П. (2008). Молекулярна клітинна біологія. Макміллан.
Singer, B., & Kusmierek, JT (1982). Хімічний мутагенез. Щорічний огляд біохімії, 51 (1), 655-691.
Voet, D., & Voet, JG (2006). Біохімія. Panamerican Medical Ed.

МУТАГЕННІ АГЕНТИ: ЯК ВОНИ ПРАЦЮЮТЬ, ТИПИ ТА ПРИКЛАДИ - БІОЛОГІЯ - 2025