MUTAGÉNNE AGENS: AKO FUNGUJÚ, TYPY A PRÍKLADY - BIOLÓGIE - 2026

Tieto mutagénne látky, známej tiež mutagény, sú molekuly o rôznej povahy, ktoré spôsobujú zmenu báz, ktoré tvoria časť reťazcov DNA. Týmto spôsobom prítomnosť týchto látok zvyšuje mieru mutácie v genetickom materiáli. Rozdeľujú sa na fyzikálne, chemické a biologické mutagény.

Mutagenéza je všadeprítomná udalosť v biologických entitách a nemusí sa nevyhnutne premietnuť do negatívnych zmien. V skutočnosti je to zdroj variácií, ktorý umožňuje evolučnú zmenu.

DNA môže byť poškodená UV svetlom.
Zdroj: derivátová práca: Mouagip (talk) DNA_UV_mutation.gif: NASA / David HerringTento vektorový obrázok nešpecifikovaný W3C bol vytvorený pomocou programu Adobe Illustrator.

Čo je to mutácia?

Predtým, ako sa pustíme do mutagénov, je potrebné vysvetliť, čo je mutácia. V genetike je mutácia trvalá a dedičné zmeny v sekvencii nukleotidov v molekule genetického materiálu: DNA.

Všetky informácie potrebné na vývoj a kontrolu organizmu sú obsiahnuté v jeho génoch - ktoré sa fyzicky nachádzajú na chromozómoch. Chromozómy sú tvorené jednou dlhou molekulou DNA.

Mutácie vo všeobecnosti ovplyvňujú funkciu génu a môžu stratiť alebo zmeniť svoju funkciu.

Pretože zmena v sekvencii DNA ovplyvňuje všetky kópie proteínov, určité mutácie môžu byť extrémne toxické pre bunku alebo pre telo všeobecne.

Mutácie sa môžu vyskytovať v rôznych mierkach v organizmoch. Bodové mutácie ovplyvňujú jednu bázu v DNA, zatiaľ čo väčšie mutácie môžu ovplyvniť celé oblasti chromozómu.

Sú mutácie vždy smrtiace?

Nie je správne si myslieť, že mutácia vedie vždy k vzniku chorôb alebo patologických stavov pre organizmus, ktorý ich nesie. V skutočnosti existujú mutácie, ktoré nemenia sekvenciu proteínov. Ak chce čitateľ lepšie porozumieť príčine tejto skutočnosti, môže si prečítať o degenerácii genetického kódu.

V skutočnosti vo svetle biologického vývoja je podmienkou sine qua non, aby došlo k zmene populácie, existencia variácie. Táto variácia vzniká dvoma hlavnými mechanizmami: mutáciou a rekombináciou.

Preto je v súvislosti s darwinovským vývojom nevyhnutné, aby existovali varianty v populácii - a aby tieto varianty mali väčšiu biologickú primeranosť s nimi spojenú.

Ako vznikajú mutácie?

Mutácie môžu vzniknúť spontánne alebo môžu byť vyvolané. Vnútorná chemická nestabilita dusíkatých báz môže viesť k mutáciám, ale pri veľmi nízkej frekvencii.

Bežnou príčinou spontánnych bodových mutácií je deaminácia cytozínu na uracil v dvojitej špirále DNA. Replikačný proces tohto vlákna vedie k dcére mutanta, kde bol pôvodný pár GC nahradený párom AT.

Hoci replikácia DNA je udalosť, ktorá sa vyskytuje s prekvapujúcou presnosťou, nie je úplne dokonalá. Chyby v replikácii DNA tiež vedú k spontánnym mutáciám.

Prirodzená expozícia organizmu určitým environmentálnym faktorom ďalej vedie k výskytu mutácií. Medzi tieto faktory patrí okrem iného ultrafialové žiarenie, ionizujúce žiarenie, rôzne chemikálie.

Tieto faktory sú mutagény. Ďalej popíšeme klasifikáciu týchto látok, ich pôsobenie a ich následky v bunke.

Druhy mutagénnych látok

Činidlá, ktoré spôsobujú mutácie v genetickom materiáli, sú svojou povahou veľmi rozmanité. Najprv preskúmame klasifikáciu mutagénov a uvedieme príklady každého typu, potom vysvetlíme rôzne spôsoby, akými môžu mutagény spôsobiť zmeny v molekule DNA.

Chemické mutagény

Medzi mutagény chemickej povahy patria tieto triedy chemikálií: akridíny, nitrozamíny, epoxidy. Pre tieto látky existuje subklasifikácia v:

Analogické základy

Molekuly, ktoré vykazujú štrukturálnu podobnosť s dusíkatými bázami, majú schopnosť indukovať mutácie; medzi najbežnejšie patria 15-brómuracil a 2-aminopurín.

Činidlá, ktoré reagujú s genetickým materiálom

Kyselina dusitá, hydroxylamín a množstvo alkylačných činidiel reagujú priamo na bázy, ktoré tvoria DNA a môžu sa meniť z purínu na pyrimidín a naopak.

Ohrievacie činidlá

Existuje celý rad molekúl, ako sú akridíny, etídiumbromid (bežne sa používajú v laboratóriách molekulárnej biológie) a proflavín, ktoré majú plochú molekulárnu štruktúru a dokážu vstúpiť do reťazca DNA.

Oxidačné reakcie

Normálny metabolizmus bunky má ako sekundárny produkt sériu reaktívnych druhov kyslíka, ktoré poškodzujú bunkové štruktúry a tiež genetický materiál.

Fyzikálne mutagény

Druhý typ mutagénnych činidiel je fyzikálny. V tejto kategórii nájdeme rôzne typy žiarenia, ktoré ovplyvňujú DNA.

Biologické mutagény

Nakoniec máme biologické mutanty. Sú to organizmy, ktoré môžu vyvolať mutácie (vrátane abnormalít na úrovni chromozómov) vo vírusoch a iných mikroorganizmoch.

Ako fungujú?: Typy mutácií spôsobených mutagénnymi pôvodcami

Prítomnosť mutagénnych látok spôsobuje zmeny v bázach DNA. Ak výsledok zahŕňa zmenu purínovej alebo pyrimidínovej bázy pre jednu z rovnakých chemických látok, hovoríme o prechode.

Naopak, ak dôjde k zmene medzi bázami rôznych typov (purín pre pyrimidín alebo naopak), nazývame tento proces transverziu. Prechody sa môžu vyskytnúť pri nasledujúcich udalostiach:

Základná tautomerizácia

V chémii sa pojem izomér používa na opis vlastností molekúl s rovnakým molekulárnym vzorcom, ktoré majú rôzne chemické štruktúry. Tautoméry sú izoméry, ktoré sa líšia od svojich rovesníkov iba v polohe funkčnej skupiny a medzi týmito dvoma formami existuje chemická rovnováha.

Jedným typom tautomérie je ketoenol, kde dochádza k migrácii vodíka a strieda sa medzi oboma formami. Medzi iminoskupinou a aminoskupinou tiež existujú zmeny. Vďaka svojmu chemickému zloženiu zažívajú základy DNA tento jav.

Napríklad adenín sa bežne vyskytuje ako aminoskupina a páry - obvykle - s tymínom. Ak je však vo svojom imino izoméri (veľmi zriedkavý), páruje sa so zlou bázou: cytozínom.

Začlenenie analogických báz

Začlenenie molekúl, ktoré sa podobajú bázám, môže narušiť vzorec párovania báz. Napríklad inkorporácia 5-brómuracilu (namiesto tymínu) sa správa ako cytozín a vedie k nahradeniu AT páru CG párom.

Priame pôsobenie na základe

Priame pôsobenie určitých mutagénov môže priamo ovplyvniť bázy DNA. Napríklad kyselina dusitá konvertuje adenín na podobnú molekulu, hypoxantín, oxidačnou deaminačnou reakciou. Táto nová molekula sa spáruje s cytozínom (a nie s tymínom, ako by to adenín normálne).

Zmena sa môže vyskytnúť aj na cytozíne a uracil sa získa ako produkt deaminácie. Substitúcia jednej bázy v DNA má priame dôsledky na procesy transkripcie a translácie peptidovej sekvencie.

Stop kodón sa môže objaviť skoro a translácia sa zastaví predčasne, čo ovplyvňuje proteín.

Pridávanie alebo odstraňovanie základov

Niektoré mutagény, ako sú interkalačné činidlá (akridín, okrem iného) a ultrafialové žiarenie, majú schopnosť modifikovať nukleotidový reťazec.

Interkalačnými činidlami

Ako sme už spomenuli, činidlá na zahrievanie sú ploché molekuly a majú schopnosť interkalovať (odtiaľ ich meno) medzi základmi vlákna a zdeformovať ho.

V čase replikácie vedie táto deformácia v molekule k delécii (to znamená k strate) alebo vloženiu báz. Keď DNA stratí bázy alebo nové, pridá sa otvorený čítací rámec.

Pripomeňme, že genetický kód zahŕňa čítanie troch nukleotidov, ktoré kódujú aminokyselinu. Ak pridáme alebo odstránime nukleotidy (v počte, ktorý nie je 3), ovplyvní sa to všetko čítanie DNA a proteín bude úplne iný.

Tieto typy mutácií sa nazývajú posunutie rámca alebo zmeny v zložení tripletov.

Ultrafialové žiarenie

Ultrafialové žiarenie je mutagénne činidlo a je to normálna neionizujúca zložka bežného slnečného žiarenia. Zložka s najvyššou mutagénnou rýchlosťou je však zachytená ozónovou vrstvou zemskej atmosféry.

Molekula DNA absorbuje žiarenie a dochádza k tvorbe dimérov pyrimidínu. To znamená, že pyrimidínové bázy sú spojené pomocou kovalentných väzieb.

Susedné tymíny na vlákne DNA sa môžu spojiť za vzniku tymínových dimérov. Tieto štruktúry tiež ovplyvňujú proces replikácie.

V niektorých organizmoch, ako sú baktérie, môžu byť tieto diméry opravené vďaka prítomnosti opravného enzýmu nazývaného fotolyáza. Tento enzým využíva viditeľné svetlo na premenu dimérov na dve samostatné bázy.

Oprava nukleotidovej excízie sa však neobmedzuje iba na chyby spôsobené svetlom. Mechanizmus opráv je rozsiahly a dokáže opraviť škody spôsobené rôznymi faktormi.

Keď nás ľudia nadmerne vystavujú slnku, naše bunky dostávajú nadmerné množstvo ultrafialového žiarenia. Dôsledkom je tvorba dimérov tymínu a môžu spôsobiť rakovinu kože.

Referencie

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M., … & Walter, P. (2015). Základná bunková biológia. Garland Science.
2. Cooper, GM, a Hausman, RE (2000). Bunka: Molekulárny prístup. Sinauer Associates.
3. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Pozvánka do biológie. Macmillan.
4. Karp, G. (2009). Bunková a molekulárna biológia: koncepty a experimenty. John Wiley a synovia.
5. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Molekulárna bunková biológia. Macmillan.
6. Singer, B., & Kusmierek, JT (1982). Chemická mutagenéza. Ročný prehľad biochémie, 51 (1), 655-691.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biochémie. Panamerican Medical Ed.