MUTAGENE WIRKSTOFFE: FUNKTIONSWEISE, TYPEN UND BEISPIELE - BIOLOGIE - 2025

Die mutagenen Mittel, auch bekannte Mutagene, sind Moleküle unterschiedlicher Natur, die Veränderungen in den Basen verursachen, die Teil der DNA-Stränge sind. Auf diese Weise verstärkt das Vorhandensein dieser Mittel die Mutationsrate im genetischen Material. Sie werden in physikalische, chemische und biologische Mutagene eingeteilt.

Mutagenese ist ein allgegenwärtiges Ereignis in biologischen Einheiten und führt nicht unbedingt zu negativen Veränderungen. Tatsächlich ist es die Quelle der Variation, die den evolutionären Wandel ermöglicht.

DNA kann durch UV-Licht beschädigt werden.
Quelle: abgeleitete Arbeit: Mouagip (Diskussion) DNA_UV_mutation.gif: NASA / David HerringDieses W3C-nicht spezifizierte Vektorbild wurde mit Adobe Illustrator erstellt.

Was ist eine Mutation?

Bevor wir uns mit Mutagenen befassen, müssen wir erklären, was eine Mutation ist. In der Genetik ist eine Mutation eine dauerhafte und vererbbare Veränderung der Sequenz von Nukleotiden im Molekül des genetischen Materials: DNA.

Alle Informationen, die für die Entwicklung und Kontrolle eines Organismus erforderlich sind, befinden sich in seinen Genen, die sich physikalisch auf den Chromosomen befinden. Chromosomen bestehen aus einem langen DNA-Molekül.

Mutationen beeinflussen im Allgemeinen die Funktion eines Gens und es kann seine Funktion verlieren oder ändern.

Da eine Änderung der DNA-Sequenz alle Kopien von Proteinen betrifft, können bestimmte Mutationen für die Zelle oder den Körper im Allgemeinen extrem toxisch sein.

Mutationen können in Organismen in unterschiedlichem Ausmaß auftreten. Punktmutationen betreffen eine einzelne Base in der DNA, während Mutationen in größerem Maßstab ganze Regionen eines Chromosoms betreffen können.

Sind Mutationen immer tödlich?

Es ist falsch zu glauben, dass die Mutation immer zur Entstehung von Krankheiten oder pathologischen Zuständen für den Organismus führt, der sie trägt. Tatsächlich gibt es Mutationen, die die Sequenz von Proteinen nicht verändern. Wenn der Leser den Grund für diese Tatsache besser verstehen will, kann er über die Entartung des genetischen Codes lesen.

Tatsächlich ist unter dem Gesichtspunkt der biologischen Evolution die unabdingbare Voraussetzung für das Auftreten von Veränderungen in Populationen das Vorhandensein von Variationen. Diese Variation ergibt sich aus zwei Hauptmechanismen: Mutation und Rekombination.

Im Kontext der darwinistischen Evolution ist es daher notwendig, dass es Varianten in der Bevölkerung gibt - und dass diese Varianten eine größere biologische Angemessenheit aufweisen.

Wie entstehen Mutationen?

Mutationen können spontan auftreten oder induziert werden. Die intrinsische chemische Instabilität stickstoffhaltiger Basen kann zu Mutationen führen, jedoch mit sehr geringer Häufigkeit.

Eine häufige Ursache für spontane Punktmutationen ist die Desaminierung von Cytosin zu Uracil in der DNA-Doppelhelix. Der Replikationsprozess dieses Strangs führt zu einer mutierten Tochter, bei der das ursprüngliche GC-Paar durch ein AT-Paar ersetzt wurde.

Obwohl die DNA-Replikation ein Ereignis ist, das mit überraschender Präzision auftritt, ist sie nicht ganz perfekt. Fehler in der DNA-Replikation führen auch zu spontanen Mutationen.

Darüber hinaus führt die natürliche Exposition eines Organismus gegenüber bestimmten Umweltfaktoren zum Auftreten von Mutationen. Unter diesen Faktoren haben wir unter anderem ultraviolette Strahlung, ionisierende Strahlung und verschiedene Chemikalien.

Diese Faktoren sind Mutagene. Im Folgenden beschreiben wir die Klassifizierung dieser Wirkstoffe, ihre Wirkung und ihre Folgen in der Zelle.

Arten von Mutagenen

Die Wirkstoffe, die Mutationen im genetischen Material verursachen, sind sehr unterschiedlich. Zuerst werden wir die Klassifizierung von Mutagenen untersuchen und Beispiele für jeden Typ geben, dann werden wir die verschiedenen Möglichkeiten erklären, wie Mutagene Veränderungen im DNA-Molekül hervorrufen können.

Chemische Mutagene

Mutagene chemischer Natur umfassen die folgenden Klassen von Chemikalien: Acridine, Nitrosamine, Epoxide, unter anderem. Für diese Wirkstoffe gibt es eine Unterklassifizierung in:

Analoge Basen

Moleküle, die strukturelle Ähnlichkeit mit stickstoffhaltigen Basen aufweisen, können Mutationen induzieren. Zu den häufigsten gehören l 5-Bromouracil und 2-Aminopurin.

Wirkstoffe, die mit genetischem Material reagieren

Salpetersäure, Hydroxylamin und eine Reihe von Alkylierungsmitteln reagieren direkt auf den Basen, aus denen die DNA besteht, und können von Purin zu Pyrimidin und umgekehrt wechseln.

Zwischenwärmer

Es gibt eine Reihe von Molekülen wie Acridine, Ethidiumbromid (in molekularbiologischen Labors weit verbreitet) und Proflavin, die eine flache Molekülstruktur haben und in den DNA-Strang gelangen.

Oxidative Reaktionen

Der normale Stoffwechsel der Zelle hat als Sekundärprodukt eine Reihe reaktiver Sauerstoffspezies, die die Zellstrukturen und auch das genetische Material schädigen.

Physikalische Mutagene

Die zweite Art von Mutagenen ist physikalisch. In dieser Kategorie finden wir die verschiedenen Arten von Strahlung, die die DNA beeinflussen.

Biologische Mutagene

Schließlich haben wir die biologischen Mutanten. Sie sind Organismen, die Mutationen (einschließlich Anomalien auf Chromosomenebene) in Viren und anderen Mikroorganismen induzieren können.

Wie funktionieren sie? Arten von Mutationen, die durch mutagene Mittel verursacht werden

Das Vorhandensein mutagener Mittel verursacht Veränderungen in den DNA-Basen. Wenn das Ergebnis die Änderung einer Pur- oder Pyrimidinbase für eine gleiche chemische Natur beinhaltet, sprechen wir von einem Übergang.

Im Gegensatz dazu nennen wir den Prozess eine Transversion, wenn die Änderung zwischen Basen verschiedener Typen auftritt (ein Purin für ein Pyrimidin oder das Gegenteil). Übergänge können für folgende Ereignisse auftreten:

Basentautomerisierung

In der Chemie wird der Begriff Isomer verwendet, um die Eigenschaft von Molekülen mit derselben Molekülformel zu beschreiben, unterschiedliche chemische Strukturen zu haben. Tautomere sind Isomere, die sich nur in der Position einer funktionellen Gruppe von ihren Kollegen unterscheiden, und zwischen den beiden Formen besteht ein chemisches Gleichgewicht.

Eine Art der Tautomerie ist Keto-Enol, bei dem die Migration eines Wasserstoffs stattfindet und zwischen beiden Formen wechselt. Es gibt auch Änderungen zwischen der Imino- und Aminoform. Aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung erfahren die DNA-Basen dieses Phänomen.

Zum Beispiel wird Adenin normalerweise als Amino gefunden und paart sich - normalerweise - mit Thymin. Wenn es sich jedoch in seinem Imino-Isomer befindet (sehr selten), paart es sich mit der falschen Base: Cytosin.

Einbau von analogen Basen

Der Einbau von Molekülen, die Basen ähneln, kann das Basenpaarungsmuster stören. Beispielsweise verhält sich der Einbau von 5-Bromouracil (anstelle von Thymin) wie Cytosin und führt zum Ersatz eines AT-Paares durch ein CG-Paar.

Direkte Aktion auf den Basen

Die direkte Wirkung bestimmter Mutagene kann die DNA-Basen direkt beeinflussen. Beispielsweise wandelt salpetrige Säure Adenin durch eine oxidative Desaminierungsreaktion in ein ähnliches Molekül, Hypoxanthin, um. Dieses neue Molekül paart sich mit Cytosin (und nicht mit Thymin, wie es Adenin normalerweise tun würde).

Die Veränderung kann auch bei Cytosin auftreten, und Uracil wird als Produkt der Desaminierung erhalten. Die Substitution einzelner Basen in DNA hat direkte Konsequenzen für die Transkriptions- und Translationsprozesse der Peptidsequenz.

Ein Stoppcodon kann früh auftreten und die Translation stoppt vorzeitig, was sich auf das Protein auswirkt.

Hinzufügen oder Löschen von Basen

Einige Mutagene wie Interkalationsmittel (unter anderem Acridin) und ultraviolette Strahlung können die Nukleotidkette modifizieren.

Durch Interkalationsmittel

Wie bereits erwähnt, sind Zwischenwärmer flache Moleküle, und sie können zwischen den Basen des Strangs interkalieren (daher ihr Name) und ihn verzerren.

Zum Zeitpunkt der Replikation führt diese Verformung im Molekül zur Deletion (dh zum Verlust) oder zur Insertion von Basen. Wenn DNA Basen verliert oder neue hinzugefügt werden, ist der offene Leserahmen betroffen.

Denken Sie daran, dass der genetische Code das Lesen von drei Nukleotiden beinhaltet, die für eine Aminosäure kodieren. Wenn wir Nukleotide hinzufügen oder entfernen (in einer Zahl, die nicht 3 ist), wird der gesamte DNA-Messwert beeinflusst und das Protein ist völlig anders.

Diese Arten von Mutationen werden als Frame Shift oder Änderungen in der Zusammensetzung von Tripletts bezeichnet.

UV-Strahlung

Ultraviolette Strahlung ist ein mutagenes Mittel und eine normale nichtionisierende Komponente des normalen Sonnenlichts. Die Komponente mit der höchsten Mutagenrate wird jedoch von der Ozonschicht der Erdatmosphäre eingefangen.

Das DNA-Molekül absorbiert Strahlung und es kommt zur Bildung von Pyrimidindimeren. Das heißt, die Pyrimidinbasen sind über kovalente Bindungen verbunden.

Benachbarte Thymine am DNA-Strang können sich zu Thymindimeren verbinden. Diese Strukturen wirken sich auch auf den Replikationsprozess aus.

In einigen Organismen wie Bakterien können diese Dimere dank des Vorhandenseins eines reparierenden Enzyms namens Photolyase repariert werden. Dieses Enzym verwendet sichtbares Licht, um Dimere in zwei getrennte Basen umzuwandeln.

Die Nukleotid-Exzisionsreparatur ist jedoch nicht auf durch Licht verursachte Fehler beschränkt. Der Reparaturmechanismus ist umfangreich und kann Schäden reparieren, die durch verschiedene Faktoren verursacht werden.

Wenn Menschen uns der Sonne überbelichten, erhalten unsere Zellen übermäßig viel ultraviolette Strahlung. Die Folge ist die Bildung von Thymindimeren, die Hautkrebs verursachen können.

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