AGENTI MUTAGENI: COME FUNZIONANO, TIPI ED ESEMPI - BIOLOGIA - 2024

Gli agenti mutageni, detti anche mutageni, sono molecole di diversa natura che provocano cambiamenti nelle basi che fanno parte dei filamenti di DNA. In questo modo, la presenza di questi agenti amplifica il tasso di mutazione nel materiale genetico. Sono classificati in mutageni fisici, chimici e biologici.

La mutagenesi è un evento onnipresente nelle entità biologiche e non si traduce necessariamente in cambiamenti negativi. In effetti, è la fonte della variazione che consente il cambiamento evolutivo.

Il DNA può essere danneggiato dalla luce UV.
Fonte: lavoro derivato: Mouagip (talk) DNA_UV_mutation.gif: NASA / David Herring Questa immagine vettoriale non specificata dal W3C è stata creata con Adobe Illustrator.

Cos'è una mutazione?

Prima di entrare nell'argomento dei mutageni, è necessario spiegare cos'è una mutazione. In genetica, una mutazione è un cambiamento permanente ed ereditabile nella sequenza dei nucleotidi nella molecola di materiale genetico: il DNA.

Tutte le informazioni necessarie per lo sviluppo e il controllo di un organismo risiedono nei suoi geni, che si trovano fisicamente sui cromosomi. I cromosomi sono costituiti da una lunga molecola di DNA.

Le mutazioni generalmente influenzano la funzione di un gene e può perdere o modificare la sua funzione.

Poiché un cambiamento nella sequenza del DNA colpisce tutte le copie delle proteine, alcune mutazioni possono essere estremamente tossiche per la cellula o per il corpo in generale.

Le mutazioni possono verificarsi a scale diverse negli organismi. Le mutazioni puntiformi influenzano una singola base nel DNA, mentre le mutazioni su larga scala possono interessare intere regioni di un cromosoma.

Le mutazioni sono sempre letali?

Non è corretto pensare che la mutazione porti sempre alla generazione di malattie o condizioni patologiche per l'organismo che la trasporta. Esistono infatti mutazioni che non modificano la sequenza delle proteine. Se il lettore vuole capire meglio il motivo di questo fatto, può leggere della degenerazione del codice genetico.

Infatti, alla luce dell'evoluzione biologica, la condizione sine qua non affinché si verifichi un cambiamento nelle popolazioni è l'esistenza della variazione. Questa variazione deriva da due meccanismi principali: mutazione e ricombinazione.

Pertanto, nel contesto dell'evoluzione darwiniana, è necessario che vi siano varianti nella popolazione - e che queste varianti abbiano una maggiore adeguatezza biologica ad esse associata.

Come nascono le mutazioni?

Le mutazioni possono sorgere spontaneamente o possono essere indotte. L'intrinseca instabilità chimica delle basi azotate può provocare mutazioni, ma a una frequenza molto bassa.

Una causa comune di mutazioni puntiformi spontanee è la deaminazione della citosina in uracile nella doppia elica del DNA. Il processo di replicazione di questo filamento porta a una figlia mutante, dove la coppia GC originale è stata sostituita da una coppia AT.

Sebbene la replicazione del DNA sia un evento che si verifica con una precisione sorprendente, non è del tutto perfetta. Gli errori nella replicazione del DNA portano anche a mutazioni spontanee.

Inoltre, l'esposizione naturale di un organismo a determinati fattori ambientali porta alla comparsa di mutazioni. Tra questi fattori abbiamo le radiazioni ultraviolette, le radiazioni ionizzanti, varie sostanze chimiche, tra gli altri.

Questi fattori sono mutageni. Di seguito descriveremo la classificazione di questi agenti, come agiscono e le loro conseguenze nella cellula.

Tipi di agenti mutageni

Gli agenti che causano mutazioni nel materiale genetico sono di natura molto diversa. In primo luogo, esploreremo la classificazione dei mutageni e forniremo esempi di ciascun tipo, quindi spiegheremo i diversi modi in cui i mutageni possono produrre cambiamenti nella molecola di DNA.

Mutageni chimici

I mutageni di natura chimica comprendono le seguenti classi di sostanze chimiche: acridine, nitrosammine, epossidi, tra gli altri. Esiste una sottoclassificazione per questi agenti in:

Basi analoghe

Le molecole che mostrano somiglianza strutturale con basi azotate hanno la capacità di indurre mutazioni; tra i più comuni vi sono l 5-bromouracile e 2-aminopurina.

Agenti che reagiscono con il materiale genetico

L'acido nitroso, l'idrossilammina e un certo numero di agenti alchilanti reagiscono direttamente sulle basi che compongono il DNA e possono passare da purine a pirimidine e viceversa.

Agenti surriscaldanti

Esistono una serie di molecole come acridina, etidio bromuro (ampiamente utilizzato nei laboratori di biologia molecolare) e proflavina, che hanno una struttura molecolare piatta e riescono ad entrare nel filamento di DNA.

Reazioni ossidative

Il normale metabolismo della cellula ha come prodotto secondario una serie di specie reattive dell'ossigeno che danneggiano le strutture cellulari e anche il materiale genetico.

Mutageni fisici

Il secondo tipo di agenti mutageni sono fisici. In questa categoria troviamo i diversi tipi di radiazioni che influenzano il DNA.

Mutageni biologici

Infine, abbiamo i mutanti biologici. Sono organismi che possono indurre mutazioni (comprese anomalie a livello cromosomico) in virus e altri microrganismi.

Come funzionano?: Tipi di mutazioni causate da agenti mutageni

La presenza di agenti mutageni causa cambiamenti nelle basi del DNA. Se il risultato comporta il cambio di una base purica o pirimidinica con una della stessa natura chimica, si parla di transizione.

Al contrario, se il cambiamento avviene tra basi di diverso tipo (una purina per una pirimidina o il contrario) chiamiamo il processo una trasversione. Le transizioni possono verificarsi per i seguenti eventi:

Tautomerizzazione di base

In chimica, il termine isomero viene utilizzato per descrivere la proprietà delle molecole con la stessa formula molecolare di avere strutture chimiche diverse. I tautomeri sono isomeri che differiscono dai loro pari solo nella posizione di un gruppo funzionale, e tra le due forme c'è un equilibrio chimico.

Un tipo di tautomeria è il cheto-enolo, in cui si verifica la migrazione di un idrogeno e si alterna tra le due forme. Ci sono anche cambiamenti tra l'imino e la forma amminica. Grazie alla sua composizione chimica, le basi del DNA subiscono questo fenomeno.

Ad esempio, l'adenina si trova normalmente come aminoacidi e si accoppia - normalmente - con la timina. Tuttavia, quando è nel suo isomero immino (molto raro) si accoppia con la base sbagliata: la citosina.

Incorporazione di basi analoghe

L'incorporazione di molecole che assomigliano a basi può interrompere il modello di accoppiamento delle basi. Ad esempio, l'incorporazione del 5-bromouracile (al posto della timina) si comporta come la citosina e porta alla sostituzione di una coppia AT con una coppia CG.

Azione diretta sulle basi

L'azione diretta di alcuni mutageni può influenzare direttamente le basi del DNA. Ad esempio, l'acido nitroso converte l'adenina in una molecola simile, l'ipossantina, attraverso una reazione di deaminazione ossidativa. Questa nuova molecola si accoppia con la citosina (e non con la timina, come farebbe normalmente l'adenina).

Il cambiamento può verificarsi anche sulla citosina e l'uracile si ottiene come prodotto della deaminazione. La sostituzione di una singola base nel DNA ha conseguenze dirette sui processi di trascrizione e traduzione della sequenza peptidica.

Un codone di stop può apparire presto e la traduzione si interrompe prematuramente, influenzando la proteina.

Aggiunta o eliminazione di basi

Alcuni mutageni come gli agenti intercalanti (acridina, tra gli altri) e le radiazioni ultraviolette hanno la capacità di modificare la catena nucleotidica.

Intercalando agenti

Come abbiamo accennato, gli agenti surriscaldanti sono molecole piatte e hanno la capacità di intercalarsi (da cui il loro nome) tra le basi del filo, distorcendolo.

Al momento della replicazione, questa deformazione nella molecola porta alla delezione (cioè a una perdita) o all'inserimento di basi. Quando il DNA perde basi o se ne aggiungono di nuove, il frame di lettura aperto viene influenzato.

Ricordiamo che il codice genetico prevede la lettura di tre nucleotidi che codificano per un amminoacido. Se aggiungiamo o rimuoviamo nucleotidi (in un numero diverso da 3) tutta la lettura del DNA sarà influenzata e la proteina sarà totalmente diversa.

Questi tipi di mutazioni sono chiamati frame shift o cambiamenti nella composizione delle terzine.

Radiazioni ultraviolette

La radiazione ultravioletta è un agente mutageno ed è un normale componente non ionizzante della normale luce solare. Tuttavia, il componente con il più alto tasso mutageno è intrappolato dallo strato di ozono dell'atmosfera terrestre.

La molecola di DNA assorbe le radiazioni e si verifica la formazione di dimeri di pirimidina. Cioè, le basi pirimidiniche sono legate per mezzo di legami covalenti.

Le timine adiacenti sul filamento di DNA possono unirsi per formare dimeri di timina. Queste strutture influenzano anche il processo di replica.

In alcuni organismi, come i batteri, questi dimeri possono essere riparati grazie alla presenza di un enzima riparatore chiamato fotoliasi. Questo enzima utilizza la luce visibile per riconvertire i dimeri in due basi separate.

Tuttavia, la riparazione per escissione dei nucleotidi non è limitata agli errori causati dalla luce. Il meccanismo di riparazione è ampio e può riparare i danni causati da vari fattori.

Quando gli esseri umani ci sovraespongono al sole, le nostre cellule ricevono quantità eccessive di radiazioni ultraviolette. La conseguenza è la generazione di dimeri di timina e possono causare il cancro della pelle.

Riferimenti

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