Quais mutações são chamadas de espontâneas? Se traduzirmos o termo para uma linguagem acessível, são erros naturais que ocorrem no processo de interação do material genético com o ambiente interno e/ou externo. Tais mutações são geralmente aleatórias. Eles são observados nos órgãos genitais e em outras células do corpo.
Causas exógenas de mutações
A mutação espontânea pode ocorrer sob a influência de produtos químicos, radiação, temperaturas altas ou baixas, ar rarefeito ou alta pressão.
Todos os anos, em média, uma pessoa absorve cerca de um décimo de um rad de radiação ionizante que compõe a radiação natural de fundo. Esse número inclui a radiação gama do núcleo da Terra, o vento solar e a radioatividade de elementos encontrados na espessura da crosta terrestre e dissolvidos na atmosfera. A dose recebida também depende de onde a pessoa está localizada. Um quarto de todas as mutações espontâneas ocorrem devido a esse fator.
A radiação UV, ao contrário da crença popular, desempenha um papel menor naa ocorrência de quebras de DNA, uma vez que não pode penetrar fundo o suficiente no corpo humano. Mas a pele muitas vezes sofre com a exposição excessiva ao sol (melanoma e outros cânceres). No entanto, organismos unicelulares e vírus sofrem mutações quando expostos à luz solar.
Temperaturas muito altas ou baixas também podem causar alterações no material genético.
Causas endógenas de mutações
As principais razões pelas quais a mutação espontânea pode ocorrer permanecem fatores endógenos. Estes incluem subprodutos metabólicos, erros no processo de replicação, reparo ou recombinação e outros.
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Falhas na replicação:
- transições e inversões espontâneas de bases nitrogenadas;
- inserção incorreta de nucleotídeos devido a erros nas DNA polimerases;- substituição química de nucleotídeos, por exemplo, guanina-citosina em adenina-guanina.
- Erros de restauração:-mutações nos genes responsáveis pelo reparo de seções individuais da cadeia de DNA após a quebra sob a influência de fatores externos.
- Problemas com recombinação:- falhas nos processos de crossing over durante a meiose ou mitose levam à perda e conclusão de bases.
Esses são os principais fatores que causam mutações espontâneas. As razões para as falhas podem estar na ativação de genes mutadores, bem como na conversão de compostos químicos seguros em metabólitos mais ativos que afetam o núcleo da célula. Além disso, há também fatores estruturais. Estes incluem repetições da sequência de nucleotídeos perto do sítiorearranjos de cadeia, a presença de seções de DNA adicionais semelhantes em estrutura ao gene, bem como elementos móveis do genoma.
Patogênese da mutação
A mutação espontânea ocorre devido ao impacto de todos os fatores acima atuando juntos ou separadamente em um determinado período da vida da célula. Existe um fenômeno como uma violação deslizante do emparelhamento das fitas de DNA da filha e da mãe. Como resultado, as alças são frequentemente formadas a partir de peptídeos que não foram capazes de se encaixar adequadamente na sequência. Após a remoção do excesso de fragmentos de DNA da fita filha, as alças podem ser ressecadas (deleções) e incorporadas (duplicações, inserções). As mudanças que apareceram são corrigidas nos próximos ciclos de divisão celular.
A taxa e o número de mutações que ocorrem dependem da estrutura primária do DNA. Alguns cientistas acreditam que absolutamente todas as sequências de DNA são mutagênicas se formarem curvas.
Mutações espontâneas mais comuns
Qual é a manifestação mais comum de mutações espontâneas no material genético? Exemplos de tais condições são a perda de bases nitrogenadas e a remoção de aminoácidos. Os resíduos de citosina são considerados especialmente sensíveis a eles.
Foi comprovado que hoje mais da metade dos vertebrados tem uma mutação de resíduos de citosina. Após a desaminação, a metilcitosina se transforma em timina. A cópia subsequente desta seção repete o erro ou o exclui, ou duplica ese transforma em um novo fragmento.
Outra razão para mutações espontâneas frequentes é um grande número de pseudogenes. Por causa disso, recombinações homólogas desiguais podem se formar durante a meiose. Isso resulta em rearranjos em genes, voltas e duplicações de sequências de nucleotídeos individuais.
Modelo polimerase de mutagênese
Segundo este modelo, as mutações espontâneas ocorrem como resultado de erros aleatórios nas moléculas que sintetizam o DNA. Pela primeira vez, tal modelo foi apresentado por Bresler. Ele sugeriu que as mutações aparecem devido ao fato de que as polimerases em alguns casos inserem nucleotídeos não complementares na sequência.
Anos depois, após longos testes e experimentos, esse ponto de vista foi aprovado e aceito no mundo científico. Certos padrões foram deduzidos que permitem aos cientistas controlar e direcionar mutações, expondo certas seções de DNA à luz ultravioleta. Assim, por exemplo, descobriu-se que a adenina é mais frequentemente incorporada no lado oposto ao tripleto danificado.
Modelo tautomérico de mutagênese
Outra teoria que explica as mutações espontâneas e artificiais foi proposta por Watson e Crick (os descobridores da estrutura do DNA). Eles sugeriram que a mutagênese é baseada na capacidade de algumas bases de DNA se transformarem em formas tautoméricas que mudam a maneira como as bases estão conectadas.
Após a publicação, a hipótese foi ativamente desenvolvida. Novas formas de nucleotídeos foram descobertas apósirradiando-os com luz ultravioleta. Isso deu aos cientistas novas oportunidades de pesquisa. A ciência moderna ainda debate o papel das formas tautoméricas na mutagênese espontânea e sua influência no número de mutações detectadas.
Outros modelos
A mutação espontânea é possível em violação do reconhecimento de ácidos nucleicos por DNA polimerases. Poltaev e co-autores elucidaram o mecanismo que garante o cumprimento do princípio da complementaridade na síntese de moléculas de DNA filhas. Este modelo permitiu estudar as regularidades do aparecimento da mutagénese espontânea. Os cientistas explicaram sua descoberta pelo fato de que a principal razão para a mudança na estrutura do DNA é a síntese de pares não canônicos de nucleotídeos.
Eles sugeriram que a substituição de bases ocorre devido à desaminação de segmentos de DNA. Isso leva a uma mudança na citosina para timina ou uracila. Devido a essas mutações, formam-se pares de nucleotídeos incompatíveis. Portanto, durante a próxima replicação, ocorre uma transição (substituição pontual das bases nucleotídicas).
Classificação das mutações: espontânea
Existem diferentes classificações de mutações, dependendo do critério subjacente a elas. Há uma divisão de acordo com a natureza da mudança na função do gene:
- hipomórfico (alelos mutados sintetizam menos proteínas, mas são semelhantes aos originais);
- amorfo (o gene perdeu completamente suas funções);
- antimórfico (o gene mutado muda completamente esse traço, que representa);- neomórfico (novos sinais aparecem).
Mas uma classificação mais comum que divide todas as mutações em proporção à variávelestrutura. Destaque:
1. Mutações genômicas. Estes incluem poliploidia, ou seja, a formação de um genoma com um conjunto triplo ou mais de cromossomos, e aneuploidia, o número de cromossomos no genoma não é um múltiplo do número haplóide.
2. Mutações cromossômicas. Rearranjos significativos de seções individuais de cromossomos são observados. Há uma perda de informação (deleção), sua duplicação (duplicação), uma mudança na direção das sequências de nucleotídeos (inversão), bem como a transferência de seções cromossômicas para outro local (translocação).3. Mutação de Gene. A mutação mais comum. Na cadeia de DNA, várias bases nitrogenadas aleatórias são substituídas.
Consequências das mutações
Mutações espontâneas são as causas de tumores, doenças de armazenamento, disfunções de órgãos e tecidos em humanos e animais. Se uma célula mutante estiver localizada em um grande organismo multicelular, com alto grau de probabilidade ela será destruída desencadeando a apoptose (morte celular programada). O corpo controla o processo de preservação do material genético e, com a ajuda do sistema imunológico, se livra de todas as possíveis células danificadas.
Em um caso entre centenas de milhares, os linfócitos T não têm tempo de reconhecer a estrutura afetada, e isso dá origem a um clone de células que também contém o gene mutado. O conglomerado de células já tem outras funções, produz substâncias tóxicas e afeta negativamente o estado geral do corpo.
Se a mutação não ocorreu na célula somática, mas na célula germinativa, as mudanças serão observadas nos descendentes. Eles estãomanifestam-se por patologias congênitas de órgãos, deformidades, distúrbios metabólicos e doenças de armazenamento.
Mutações espontâneas: significado
Em alguns casos, mutações aparentemente inúteis podem ser úteis para a adaptação a novas condições de vida. Isso representa a mutação como uma medida da seleção natural. Animais, pássaros e insetos são camuflados de acordo com sua área de residência para se protegerem de predadores. Mas se seu habitat mudar, com a ajuda de mutações, a natureza tentará proteger as espécies da extinção. Sob novas condições, os mais aptos sobrevivem e passam essa habilidade para os outros.
Mutação pode ocorrer em regiões inativas do genoma, e então nenhuma mudança visível no fenótipo é observada. É possível detectar "quebra" apenas com a ajuda de estudos específicos. Isso é necessário para estudar a origem de espécies animais relacionadas e elaborar seus mapas genéticos.
O problema da espontaneidade das mutações
Nos anos 40 do século passado, havia uma teoria de que as mutações são causadas apenas pela influência de fatores externos e ajudam a se adaptar a eles. Para testar esta teoria, foi desenvolvido um método especial de teste e repetição.
O procedimento consistiu no fato de que uma pequena quantidade de bactérias da mesma espécie foi semeada em tubos de ensaio e após várias inoculações foram adicionados antibióticos a eles. Alguns dos microrganismos sobreviveram e foram transferidos para um novo meio. A comparação de bactérias de diferentes tubos mostrou que a resistência surgiuespontaneamente, antes e depois da exposição aos antibióticos.
O método de repetição era que os microrganismos eram transferidos para um pano felpudo e depois transferidos simultaneamente para vários meios limpos. Novas colônias foram cultivadas e tratadas com antibiótico. Como resultado, as bactérias localizadas nas mesmas partes do meio sobreviveram em diferentes tubos de ensaio.
