סוכנים מוטגניים: איך הם עובדים, סוגים ודוגמאות - ביולוגיה - 2025

הסוכנים מוטגנים, הידוע גם מוטציות, הם מולקולות של אופי שונה שגורם לשינויים שחלו בבסיסי כי טופס חלק גדילי דנ"א. באופן זה, נוכחותם של חומרים אלו מגבירה את קצב המוטציה בחומר הגנטי. הם מסווגים למוטגנים פיזיים, כימיים וביולוגיים.

מוטגנזה היא אירוע בכל מקום ביישויות ביולוגיות, והיא לא בהכרח מתורגמת לשינויים שליליים. למעשה, זהו מקור השונות המאפשר שינוי אבולוציוני.

DNA יכול להיפגע על ידי אור UV.
מקור: עבודה נגזרת: Mouagip (שיחה) DNA_UV_mutation.gif: נאס"א / דיוויד הרינג. תמונת וקטור לא מוגדרת W3C-לא מוגדרת נוצרה באמצעות Adobe Illustrator.

מהי מוטציה?

לפני שנכנסים לנושא המוטגנים, יש צורך להסביר מהי מוטציה. בגנטיקה, מוטציה היא שינוי קבוע וירשתי ברצף הנוקלאוטידים במולקולה של החומר הגנטי: DNA.

כל המידע הדרוש להתפתחות ובקרה של אורגניזם שוכן בגנים שלו - הנמצאים פיזית על הכרומוזומים. הכרומוזומים מורכבים ממולקולה ארוכה אחת של DNA.

מוטציות בדרך כלל משפיעות על תפקודו של גן והוא יכול לאבד או לשנות את תפקודו.

מכיוון ששינוי ברצף ה- DNA משפיע על כל העותקים של חלבונים, מוטציות מסוימות יכולות להיות רעילות ביותר לתא או לגוף בכלל.

מוטציות יכולות להופיע בקנה מידה שונה באורגניזמים. מוטציות נקודתיות משפיעות על בסיס יחיד ב- DNA, ואילו מוטציות בהיקף גדול יותר יכולות להשפיע על אזורים שלמים בכרומוזום.

האם מוטציות תמיד קטלניות?

לא נכון לחשוב שהמוטציה מובילה תמיד ליצירת מחלות או מצבים פתולוגיים לאורגניזם הנושא אותה. למעשה, ישנן מוטציות שאינן משנה את רצף החלבונים. אם הקורא רוצה להבין טוב יותר את הסיבה לעובדה זו, הוא יכול לקרוא על ניוון הקוד הגנטי.

למעשה, לאור האבולוציה הביולוגית, התנאי הלא-פשוט לשינוי באוכלוסיות להתרחש הוא קיומה של שונות. וריאציה זו מתעוררת על ידי שני מנגנונים עיקריים: מוטציה ושילוב מחדש.

לפיכך, בהקשר של האבולוציה הדרוויניסטית, יש צורך שיהיו וריאנטים באוכלוסייה - וכי וריאנטים אלו בעלי יכולת ביולוגית גדולה יותר הקשורה אליהם.

כיצד נוצרות מוטציות?

מוטציות יכולות להתעורר באופן ספונטני או יכולות להיגרם. חוסר היציבות הכימית המהותית של בסיסים חנקניים יכולה לגרום למוטציות, אך בתדירות נמוכה מאוד.

גורם שכיח למוטציות נקודתיות ספונטניות הוא דימינציה של ציטוזין לאורציל בסליל הכפול של ה- DNA. תהליך השכפול של גדיל זה מוביל לבת מוטציה, שם הוחלף צמד ה- GC המקורי על ידי זוג AT.

למרות שכפול DNA הוא אירוע המתרחש בדיוק מפתיע, הוא לא לגמרי מושלם. טעויות בשכפול ה- DNA גורמים גם למוטציות ספונטניות.

יתר על כן, חשיפה טבעית של אורגניזם לגורמים סביבתיים מסוימים מובילה להופעת מוטציות. בין הגורמים הללו יש לנו קרינה אולטרה סגולה, קרינה מייננת, כימיקלים שונים, בין היתר.

גורמים אלה הם מוטגנים. להלן נתאר את הסיווג של סוכנים אלה, כיצד הם פועלים והשלכותיהם בתא.

סוגי חומרים מוטגניים

הסוכנים הגורמים למוטציות בחומר הגנטי הם מגוונים מאוד באופיים. ראשית, נחקור את סיווג המוטגנים וניתן דוגמאות מכל סוג, לאחר מכן נסביר את הדרכים השונות בהן מוטגנים יכולים לגרום לשינויים במולקולת ה- DNA.

מוטגנים כימיים

מוטגנים בעלי אופי כימי כוללים את הקטגוריות הבאות של כימיקלים: אקרדינים, ניטרוסמינים, אפוקסידים, בין היתר. קיימת קטגוריית משנה עבור סוכנים אלה ב:

בסיסים אנלוגיים

למולקולות המראות דמיון מבני לבסיסים חנקניים יש יכולת לגרום למוטציות; בין הנפוצים ביותר הם l 5-bromouracil ו- 2-aminopurine.

סוכנים המגיבים עם חומר גנטי

חומצה חנקנית, הידרוקסילמין ומספר חומרים אלקילטיים מגיבים ישירות על הבסיסים המרכיבים DNA ויכולים להשתנות מפורין לפירימידין ולהפך.

סוכנים משתנים

יש סדרה של מולקולות כמו אקרידינים, אתידיום ברומיד (בשימוש נרחב במעבדות לביולוגיה מולקולרית) ופרופלין, שיש להן מבנה מולקולרי שטוח ומצליחות להיכנס לחוט DNA.

תגובות חמצוניות

למטבוליזם התקין של התא יש כמוצר משני סדרה של מיני חמצן תגוביים הפוגעים במבני התא וגם בחומר גנטי.

מוטגנים גופניים

הסוג השני של חומרים מוטגניים הם פיזיים. בקטגוריה זו אנו מוצאים את סוגי הקרינה השונים המשפיעים על ה- DNA.

מוטגנים ביולוגיים

לבסוף, יש לנו את המוטנטים הביולוגיים. הם אורגניזמים שיכולים לגרום למוטציות (כולל חריגות ברמה הכרומוזומית) בנגיפים ובמיקרואורגניזמים אחרים.

איך הם עובדים?: סוגים של מוטציות הנגרמים כתוצאה מגורמים מוטגניים

נוכחותם של חומרים מוטגניים גורמת לשינויים בבסיסי ה- DNA. אם התוצאה כרוכה בשינוי של בסיס פוריק או פירימידין לאחד מאותו אופי כימי, אנו מדברים על מעבר.

לעומת זאת, אם השינוי מתרחש בין בסיסים מסוגים שונים (פורין לפירימידין או ההפך), אנו קוראים לתהליך טרנספורמציה. מעברים יכולים להתרחש עבור האירועים הבאים:

Tautomerization בסיס

בכימיה משתמשים במושג איזומר כדי לתאר את המאפיין של מולקולות בעלות אותה נוסחה מולקולרית שיש לה מבנים כימיים שונים. Tautomers הם איזומרים אשר נבדלים רק מבני גילם במצב של קבוצה פונקציונאלית, ובין שתי הצורות יש איזון כימי.

סוג אחד של tautomerism הוא keto-enol, שם נדידת מימן מתרחשת ומחליפה בין שתי הצורות. ישנם גם שינויים בין האימינו לצורת האמינו. בזכות ההרכב הכימי שלה, בסיסי ה- DNA חווים תופעה זו.

לדוגמא, אדנין נמצא בדרך כלל כאמינו וזוגות - בדרך כלל - עם תימין. עם זאת, כאשר הוא נמצא באיזומר האימינו שלו (נדיר מאוד) הוא מזדווג עם הבסיס הלא נכון: ציטוזין.

שילוב בסיסים אנלוגיים

שילוב מולקולות הדומות לבסיסים יכול לשבש את דפוס התאמת הבסיס. לדוגמה, שילוב 5-ברומורציל (במקום תימין) מתנהג כמו ציטוזין ומוביל להחלפת זוג AT על ידי זוג CG.

פעולה ישירה על הבסיסים

הפעולה הישירה של מוטגנים מסוימים יכולה להשפיע ישירות על בסיסי ה- DNA. לדוגמה, חומצה חנקתית ממירה אדנין למולקולה דומה, היפוקסנתין, דרך תגובת דימינציה חמצונית. המולקולה החדשה הזו מזדווגת עם ציטוזין (ולא תימין, כפי שהיה בדרך כלל אדנין).

השינוי יכול להתרחש גם בציטוזין, וורציל מתקבל כתוצר של דימינציה. להחלפת הבסיס היחיד ב- DNA יש השלכות ישירות על תהליכי התמלול והתרגום של רצף הפפטיד.

קודון עצור עשוי להופיע מוקדם, והתרגום נעצר בטרם עת ומשפיע על החלבון.

הוספה או מחיקה של בסיסים

יש מוטגנים כמו חומרים משתלבים (אקרדין, בין השאר) וקרינה אולטרה סגולה, בעלי יכולת לשנות את שרשרת הנוקלאוטידים.

על ידי סוכנים משתנים

כפי שציינו, סוכני התחממות הם מולקולות שטוחות, ויש להם יכולת להתערבב (ומכאן שמם) בין בסיסי הגדיל, ולעוות אותו.

בזמן שכפול, עיוות זה במולקולה מוביל למחיקה (כלומר לאובדן) או להכנסת בסיסים. כאשר ה- DNA מאבד בסיסים או שנוספים חדשים, מסגרת הקריאה הפתוחה מושפעת.

נזכיר כי הקוד הגנטי כרוך בקריאה של שלושה נוקליאוטידים המקודדים חומצה אמינית. אם נוסיף או נסיר נוקלאוטידים (במספר שאינו 3) כל קריאת ה- DNA תושפע, והחלבון יהיה שונה לחלוטין.

סוגים אלה של מוטציות נקראים שינוי מסגרת או שינויים בהרכב השלשות.

קרינה אולטרא - סגולה

קרינה אולטרה סגולה היא גורם מוטגן, והוא מרכיב רגיל שאינו מיינן באור שמש רגיל. עם זאת, הרכיב בעל השיעור המוטגני הגבוה ביותר נלכד על ידי שכבת האוזון באטמוספירה של כדור הארץ.

מולקולת ה- DNA סופגת קרינה ונוצרת דימרים של פירימידין. כלומר, בסיסי הפירימידין מקושרים באמצעות קשרים קוולנטיים.

תימינים סמוכים בחוט ה- DNA יכולים להצטרף ליצירת דימרים. מבנים אלה משפיעים גם על תהליך השכפול.

בחלק מהאורגניזמים, כמו חיידקים, ניתן לתקן דימרים אלה בזכות נוכחותו של אנזים מתקן הנקרא פוטוליאז. אנזים זה משתמש באור גלוי בכדי להמיר דימרים לשני בסיסים נפרדים.

עם זאת, תיקון כריתת נוקליאוטידים אינו מוגבל לטעויות הנגרמות כתוצאה מאור. מנגנון התיקון הוא נרחב, ויכול לתקן נזקים שגורמים גורמים שונים.

כאשר בני האדם חושפים אותנו יתר על המידה לשמש, התאים שלנו מקבלים כמויות מופרזות של קרינה אולטרה סגולה. התוצאה היא יצירת דימרים של תימין והם יכולים לגרום לסרטן העור.

הפניות

1. אלברטס, ב., בריי, ד., הופקין, ק., ג'ונסון, א.ד., לואיס, ג'., רף, מ., … & וולטר, פ. (2015). ביולוגיה חיונית של תאים. גרלנד מדע.
2. קופר, GM ו- Hausman, RE (2000). התא: גישה מולקולרית. מקורבי סינאור.
3. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). הזמנה לביולוגיה. מקמילן.
4. Karp, G. (2009). ביולוגיה תאית ומולקולרית: מושגים וניסויים. ג'ון וויילי ובניו.
5. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). ביולוגיה מולקולרית של התא. מקמילן.
6. זינגר, ב., וקוסמירק, ג'יי.טי (1982). מוטגנזה כימית. סקירה שנתית של ביוכימיה, 51 (1), 655-691.
7. Voet, D., & Voet, JG (2006). בִּיוֹכִימִיָה. פנמריקנית רפואית אד.