7.1: Mutaciones y Mutágenos
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Tipos de muaciones
Las sustituciones de nucleótidos son una de dos clases. En una transición, un nucleótido de purina se reemplaza por un nucleótido de purina, o un nucleótido de pirimidina se reemplaza por un nucleótido de pirimidina. En otras palabras, la base en el nuevo nucleótido está en la misma clase química que la del nucleótido original. En una transversión, la clase química de la base cambia, es decir, un nucleótido de purina se reemplaza por un nucleótido de pirimidina, o un nucleótido de pirimidina se reemplaza por un nucleótido de purina.
La comparación de las secuencias de genes homólogos entre especies revela una pronunciada preferencia por las transiciones sobre las transversiones (aproximadamente 10 veces), lo que indica que las transiciones ocurren con mucha más frecuencia que las transversiones.
Errores en la replicación
A pesar de las funciones efectivas de corrección de pruebas en muchas ADN polimerasas, ocasionalmente se incorpora el nucleótido equivocado. Se estima que la holoenzima ADN polimerasa III de E. coli (con una actividad correctora completamente funcional) utiliza el nucleótido incorrecto durante la elongación aproximadamente 1 de cada 10 8 veces. Es más probable que un nucleótido de pirimidina incorrecto se incorpore opuesto a un nucleótido de purina en la cadena molde, y que un nucleótido de purina se incorpore opuesto a un nucleótido de pirimidina. Por lo tanto, estas incorporaciones erróneas que resultan en una sustitución de transición son más comunes. Sin embargo, la incorporación de un nucleótido de pirimidina opuesto a otro nucleótido de pirimidina, o un nucleótido de purina opuesto a otro nucleótido de purina, puede ocurrir, aunque a frecuencias progresivamente más bajas. Estas inincorporaciones más raras conducen a transversiones.
Ejercicio\(\PageIndex{1}\)
Si se incorpora un dCTP en una cadena de ADN en crecimiento opuesta a una A en la cadena molde, ¿qué mutación resultará? ¿Es una transición o una transversión?
Ejercicio\(\PageIndex{2}\)
Si se incorpora un dCTP en una cadena de ADN en crecimiento opuesta a una T en la cadena molde, ¿qué mutación resultará? ¿Es una transición o una transversión?
Un cambio en la forma isomérica de una base purina o pirimidina en un nucleótido puede resultar en una mutación. Las reglas de emparejamiento de bases se basan en la capacidad de enlace de hidrógeno de los nucleótidos con sus bases en el cetotautomero. Un nucleótido cuya base está en el tautomero de enol puede emparejarse con la base “incorrecta” en otro nucleótido. Por ejemplo, una T en el isómero enol raro se emparejará con un ceto-G (Figura\(\PageIndex{2}\)), y un enol G se emparejará con un ceto-T.
Los tautomeros enoles de los desoxinucleótidos normales guanidilato y timidilato son raros, lo que significa que una sola molécula está en forma cetogénica la mayor parte del tiempo, o dentro de una población de moléculas, la mayoría de ellas están en forma cetogénica. Sin embargo, ciertos análogos de nucleósidos y bases adoptan estos isómeros alternativos más fácilmente. Por ejemplo, la 5-bromo-desoxiuridina (o 5-BrdU) es un análogo de desoxitimidina (dT) que está en el tautomero de enol con mayor frecuencia que dT (aunque la mayoría de las veces está en el ceto tautomero).
Así, la frecuencia de incorporación errónea puede incrementarse por el crecimiento en presencia de análogos de bases y nucleósidos. Por ejemplo, el crecimiento en presencia de 5-BrdU da como resultado un incremento en la incorporación de G frente a una T en el ADN, como se ilustra en la Figura\(\PageIndex{3}\). Después de que las células toman el nucleósido 5-BrdU, se convierte en 5-BrdUTP por enzimas de rescate de nucleótidos que agregan fosfatos a su extremo 5'. Durante la replicación, 5-BrdUTP (en el cetotautomero) incorporará una A opuesta en el ADN. El 5-BrdU puede cambiar a la forma enol mientras está en el ADN, de manera que cuando sirve como molde durante la siguiente ronda de replicación (flecha 1 en el diagrama a continuación), dirigirá la incorporación de una G en la cadena complementaria. Esta G a su vez dirigirá la incorporación de una C en la hebra superior en la siguiente ronda de replicación (flecha 2). Esto deja un par de bases C:G donde había un par de bases T:A en el ADN parental. Una vez que la pirimidina vuelve al ceto tautomero favorito, puede dirigir la incorporación de una A, para dar el segundo producto en el diagrama a continuación (con un par de bases Bru-a).
Ejercicio\(\PageIndex{3}\)
¿Dónde están los enlaces de hidrógeno en un par de bases entre enol-guanidina y ceto-timidina en el ADN?
Asimismo, la mala incorporación de A y C puede ocurrir cuando se encuentran en los raros imino tautomeros en lugar de los amino tautomeros favorecidos. En particular, el imino C se emparejará con el amino A, y el imino A se emparejará con el amino C (Figura\(\PageIndex{4}\)).
La mala incorporación durante la replicación es la vía principal para introducir transversiones en el ADN. Normalmente, el ADN es una serie de pares de bases purina:pirimidina, pero para tener una transversión, una pirimidina tiene que ser emparejada con otra pirimidina, o una purina con una purina. El ADN tiene que sufrir cambios estructurales locales para acomodar estos pares de bases inusuales. Una forma en que esto puede suceder para un par de bases purina-purina es que uno de los nucleótidos de purina cambie de la conformación anti preferida a la conformación sin. Los átomos en el “lado posterior” del nucleótido de purina en el isómero syn pueden formar enlaces de hidrógeno con átomos en el raro tautomero del nucleótido de purina, aún en la conformación anti preferida. Por ejemplo, un nucleótido A en el isómero syn -, amino - puede emparejarse con un nucleótido A en la forma anti -, imino - (Figura\(\PageIndex{5}\)). Por lo tanto, la transversión requirió un cambio en la forma tautomérica de la base en un nucleótido así como un cambio en la conformación base-azúcar (anti a syn) del otro nucleótido.
Ejercicio\(\PageIndex{4}\)
¿Por qué el cambio de un nucleótido de purina de anti a syn ayuda a permitir un par de bases purina:purina? ¿Esto es necesario para un par de bases pirimidina:pirimidina?
Los errores en la replicación no se limitan a sustituciones. Los errores de deslizamiento durante la replicación agregarán o eliminarán nucleótidos. Una ADN polimerasa puede insertar nucleótidos adicionales, más comúnmente cuando las repeticiones cortas en tándem son el molde (por ejemplo, repetir dinucleótidos CA). A veces la cadena molde puede formar un bucle y formar una estructura secundaria que la ADN polimerasa no lee. En este caso, resultará una deleción en la hebra naciente.