19.9: Mutación

Objetivos de aprendizaje

1. Defina lo siguiente:
   1. genotipo
   2. fenotipo
   3. alelo
   4. mutación
   5. mutación espontánea
   6. mutación inducida
2. Describir dos mecanismos diferentes de mutación espontánea y, en términos de síntesis de proteínas, describir los cuatro posibles resultados que pueden ocurrir como resultado de estas mutaciones.
3. Describa brevemente tres formas en que funcionan los mutágenos químicos.
4. Comparar la radiación ultravioleta y la radiación gamma en términos de cómo inducen mutación.

Como aprendimos antes, la secuencia de bases desoxirribonucleotídicas en los genes que componen el ADN de una bacteria determina el orden de aminoácidos en las proteínas y polipéptidos elaborados por ese organismo. Este orden de bases de ADN constituye el genotipo del organismo. Un organismo particular puede poseer formas alternas de algunos genes. Tales formas alternas de genes se denominan alelos. Las características físicas que posee un organismo, basadas en su genotipo y la interacción con su entorno, conforman su fenotipo.

La mutación es un error durante la replicación del ADN que resulta en un cambio en la secuencia de bases de desoxirribonucleótidos en el ADN. La mutación espontánea ocurre naturalmente (una tasa de error normal) alrededor de una de cada millón a una en cada mil millones de divisiones y probablemente se deba a mutágenos naturales de bajo nivel normalmente presentes en el ambiente. La mutación inducida es causada por mutágenos, sustancias que provocan una tasa de mutación mucho mayor.

Mecanismos de Mutación

Existen dos mecanismos generales de mutación.

1. Sustitución de un nucleótido (mutaciones puntuales): sustitución de un desoxirribonucleótido por otro durante la replicación del ADN (ver Figura\(\PageIndex{1}\)). Este es el mecanismo de mutación más común. La sustitución de un nucleótido por otro es el resultado del desplazamiento tautomérico, un raro proceso por el cual los átomos de hidrógeno de una base desoxirribonucleotídica se mueven de una manera que cambia las propiedades de su enlace de hidrógeno. Por ejemplo, un desplazamiento en el átomo de hidrógeno de la adenina le permite formar enlaces de hidrógeno con citosina en lugar de timina. Asimismo, un desplazamiento en el átomo de hidrógeno en la timina le permite unirse con guanina en lugar de adenina.
2. Deleción o adición de un nucleótido (mutaciones de desplazamiento de marco): deleción o adición de un desoxirribonucleótido durante la replicación del ADN (ver Figura\(\PageIndex{2}\) y Figura\(\PageIndex{3}\)).

Resultados de Mutación

Una de cuatro cosas puede suceder como resultado de estos mecanismos de mutación y el cambio resultante en la secuencia de bases de desoxirribonucleótidos mencionada anteriormente:

• Se produce una mutación sin sentido. Esto generalmente se ve con una sola mutación de sustitución y da como resultado un codón incorrecto y un aminoácido incorrecto (Figura\(\PageIndex{4}\)).

Figura\(\PageIndex{4}\): Resultados en un codón incorrecto y un aminoácido incorrecto.

• Se produce una mutación sin sentido. Si el cambio en la secuencia de bases de desoxirribonucleótidos da como resultado la transcripción de un codón de parada o sin sentido, la proteína terminaría en ese punto del mensaje (Figura\(\PageIndex{5}\)).

Figura\(\PageIndex{5}\): Resultados en un codón de “parada” y terminación prematura de la proteína.

• Se produce una mutación sentido. Esto se ve a veces con una única mutación de sustitución cuando el cambio en la secuencia de bases de ADN da como resultado un nuevo codón que aún codifica para el mismo aminoácido (Figura\(\PageIndex{6}\)). (A excepción de la metionina, todos los aminoácidos están codificados por más de un codón).

Figura\(\PageIndex{6}\): Resultados en un nuevo codón que aún codifica para el mismo aminoácido.

• Se produce una mutación de desplazamiento de marco. Esto se ve cuando se agrega o elimina un número de nucleótidos de ADN no divisibles por tres. Recuerde, el código genético es un código triplete donde tres nucleótidos consecutivos codifican para un aminoácido específico. Esto provoca un cambio del marco de lectura y todos los codones y todos los aminoácidos después de esa mutación suelen estar equivocados (Figura\(\PageIndex{7}\)); frecuentemente uno de los codones equivocados resulta ser un codón de parada o sin sentido y la proteína termina en ese punto.

Figura\(\PageIndex{7}\): Resultados en un desplazamiento del marco de lectura. Todos los codones y todos los aminoácidos después del cambio suelen estar equivocados.

Película de YouTube que ilustra mutaciones de desplazamiento de marco (www.youtube.com/V/O-OTJTJ3N_E)

La mutación inducida es causada por mutágenos, sustancias que provocan una tasa de mutación mucho mayor. Los mutágenos químicos generalmente funcionan de una de tres maneras.

1. Algunos mutágenos químicos, como el ácido nitroso y la nitrosoguanidina, funcionan al provocar modificaciones químicas de bases de purina y pirimidina que alteran sus propiedades de enlace de hidrógeno. Por ejemplo, el ácido nitroso convierte la citosina en uracilo que luego forma enlaces de hidrógeno con adenina en lugar de guanina.

2. Otros mutágenos químicos funcionan como análogos de bases. Son compuestos que químicamente se asemejan a una base nucleotídica lo suficientemente cerca como para que durante la replicación del ADN, puedan incorporarse al ADN en lugar de la base natural. Los ejemplos incluyen 2-amino purina, un compuesto que se asemeja a la adenina, y 5-bromouracilo, un compuesto que se asemeja a la timina. Los análogos de base, sin embargo, no tienen las propiedades de enlace de hidrógeno de la base natural.

3. Otros mutágenos químicos funcionan como agentes intercalantes. Los agentes intercalantes son moléculas planas de tres anillos que son aproximadamente del mismo tamaño que un par de bases nucleotídicas. Durante la replicación del ADN, estos compuestos pueden insertarse o intercalarse entre pares de bases adyacentes, empujando así los nucleótidos lo suficientemente lejos como para que a menudo se agregue un nucleótido adicional a la cadena en crecimiento durante la replicación del ADN. Un ejemplo es el bromuro de etidio.

Cuando están bajo estrés por antibióticos u otros químicos dañinos, algunas bacterias encienden genes cuyos productos proteicos pueden aumentar la tasa de mutación dentro de la bacteria 10,000 veces más rápido que la tasa de mutación que ocurre durante la fisión binaria normal. Esto provoca una especie de hiperevolución donde la mutación actúa como un mecanismo de autodefensa para la población bacteriana al aumentar la probabilidad de formar un mutante resistente a antibióticos que es capaz de sobrevivir a expensas de la mayoría de la población. (Recuerde que la mayoría de las mutaciones son dañinas para una célula; vea la reparación SOS a continuación).

Ciertos tipos de radiación también pueden funcionar como mutágenos.

1. Radiación Ultravioleta La porción ultravioleta del espectro de luz incluye todas las radiaciones con longitudes de onda de 100 nm a 400 nm. Tiene baja longitud de onda y baja energía. La actividad microbicida de la luz ultravioleta (UV) depende de la duración de la exposición: cuanto mayor sea la exposición, mayor será la actividad cida. También depende de la longitud de onda de UV utilizada. Las longitudes de onda más cidas de la luz UV se encuentran en el rango de 260 nm - 270 nm donde es absorbida por el ácido nucleico.

En cuanto a su modo de acción, la luz UV es absorbida por el ADN microbiano y hace que las bases de timina adyacentes en la misma cadena de ADN se unan covalentemente, formando lo que se denomina dímeros de timina-timina (ver Figura\(\PageIndex{8}\)). A medida que el ADN se replica, los nucleótidos no se emparejan de bases complementarias con los dímeros de timina y esto termina la replicación de esa cadena de ADN. Sin embargo, la mayor parte del daño de la radiación UV en realidad proviene de la célula tratando de reparar el daño al ADN mediante un proceso llamado reparación SOS. En el ADN muy dañado que contiene grandes cantidades de dímeros de timina, se activa un proceso llamado reparación SOS como una especie de último esfuerzo de zanja para reparar el ADN. En este proceso, un producto génico del sistema SOS se une a la ADN polimerasa permitiéndole sintetizar nuevo ADN a través del ADN dañado. Sin embargo, esta ADN polimerasa alterada pierde su capacidad de corrección, lo que resulta en la síntesis de ADN que ahora contiene muchas bases mal incorporadas. (La mayoría de los mutágenos químicos mencionados anteriormente también activan la reparación de SOS).

Video que ilustra mutaciones de desplazamiento de fotogramas (www.youtube.com/V/AZSZODOHxQK)

2. Radiación Ionizante. La radiación ionizante, como los rayos X y los rayos gamma, tiene mucha más energía y poder penetrante que la radiación ultravioleta. Ioniza agua y otras moléculas para formar radicales (fragmentos moleculares con electrones desapareados) que pueden romper cadenas de ADN y alterar bases de purina y pirimidina.

Resumen

1. La secuencia de bases desoxirribonucleotídicas en los genes que componen el ADN de un organismo determina el orden de aminoácidos en las proteínas y polipéptidos elaborados por ese organismo. Este orden de bases de ADN constituye el genotipo de la bacteria.
2. Un organismo particular puede poseer formas alternas de algunos genes denominados alelos.
3. Las características físicas que posee un organismo, basadas en su genotipo y la interacción con su entorno, conforman el fenotipo de un organismo.
4. La mutación es un error durante la replicación del ADN que resulta en un cambio en la secuencia de bases de desoxirribonucleótidos en el ADN.
5. La mutación espontánea ocurre de forma natural (una tasa de error normal) alrededor de una de cada millón a una de cada mil millones de divisiones y probablemente se deba a mutágenos naturales de bajo nivel normalmente presentes en el ambiente; la mutación inducida es causada por mutágenos, sustancias que provocan una tasa de mutación mucho mayor.
6. Existen dos mecanismos primarios de mutación: la sustitución de un desoxirribonucleótido (mutaciones puntuales) por lo que un desoxirribonucleótido se sustituye por otro durante la replicación del ADN; y la deleción o adición de un nucleótido (mutaciones de desplazamiento de marco) donde los desoxirribonucleótidos se agregan o eliminan durante el ADN. replicación. Las mutaciones puntuales son las más comunes.
7. Hay cuatro posibles resultados de una mutación: falta de sentido, tontería, sentido o desplazamiento de marco.
8. Una mutación sin sentido generalmente se ve con una sola mutación de sustitución y da como resultado un codón incorrecto y un aminoácido incorrecto.
9. Una mutación sin sentido ocurre cuando el cambio en la secuencia de bases de desoxirribonucleótidos da como resultado la transcripción de un codón de parada o sin sentido. La proteína se terminaría en ese punto del mensaje.
10. Una mutación sentido ocurre a veces se ve con una sola mutación de sustitución cuando el cambio en la secuencia de bases del ADN da como resultado un nuevo codón que aún codifica para el mismo aminoácido.
11. Una mutación de desplazamiento de marco ocurre cuando se agrega o elimina un número de nucleótidos de ADN no divisibles por tres. Esto provoca un cambio del marco de lectura y todos los codones y todos los aminoácidos después de esa mutación suelen estar equivocados; frecuentemente uno de los codones equivocados resulta ser un codón de parada o sin sentido y la proteína termina en ese punto.
12. Cuando están bajo estrés por químicos nocivos, algunas bacterias encienden genes cuyos productos proteicos pueden aumentar la tasa de mutación dentro de la bacteria 10,000 veces más rápido que la tasa de mutación que ocurre durante la fisión binaria normal. Esto provoca una hiperevolución donde la mutación actúa como un mecanismo de autodefensa para la población bacteriana al aumentar la probabilidad de formar un mutante resistente a antibióticos que es capaz de sobrevivir a expensas de la mayoría de la población.