Mutasie

Alle mutasies wat in die natuur plaasvind, kan as spontane mutasies beskou word. Die kans dat 'n spontane mutasie in 'n bepaalde geen sal plaasvind, is egter baie gering - gemiddeld ongeveer een mutasie vir 'n totaal van 1 000 000 geenduplikasies in bakterieë. Wanneer egter in ag geneem word dat die menslike chromosoom minstens 10 000 gene bevat, is die kans dat daar in een van die gene 'n mutasie sal plaasvind, glad nie meer so gering nie.

Die ontstaan van antibiotika- weerstandige bakterieë is 'n goeie voorbeeld van hoe sekere organismes onder die bepaalde omstandighede (in die geval die aanwesigheid van antibiotika) deur spontane mutasies 'n groot voordeel verkry in vergelyking met die wilde tipe en sodoende hut lewensvatbaarheid dramaties verbeter. Wat vir die bakterieë 'n voordeel is, is nie noodwendig vir ander spesies soos die mens voordelig nie. Daar is gevolglik vandag reeds baie siekteveroorsakende bakterieë wat nie meer effektief met behulp van penisillien of ander antibiotika bestry kan word nie. Ook ontwikkel insekte weerstand teen insekte giwwe. Dit het tot gevolg dat daar vandag steeds sterker gifstowwe gebruik moet word, wat vir die mens self ook gevaar kan inhou.

In 1927 het die Nobelpryswenner Joseph Muller (1890-1967) ontdek dat mutasies deur straling veroorsaak kan word. Hy het vasgestel dat die aantal mutante wat van die vrugtevlieg (genus Drosophila) verkry kan word, baie toeneem onder die invloed van X-strate (röntgenstrale). Later het dit duidelik geword dat ultraviolet strale, wat 'n veel kleiner deurdringingsvermoë het, ʼn soortgelyke effek op die eiers van die vrugtevlieë het. Radioaktiewe straling kan ook mutasies veroorsaak.

As gevolg van straling neem die aantal mutasies wat 'n nadelige of dodelike uitwerking het, honderd- tot duisendvoudig toe. Straling oefen sy effek direk op die DNS uit. 'n Hoe stralingsdosis veroorsaak breuke in die DNS en kan allerhande chromosomale afwykings tot gevolg hê. 'n Lae dosis kan ook die DNS beskadig, maar die sel is gewoonlik daartoe in staat om die geringe skade te herstel. Die uiteindelike mutasie word veroorsaak deur klein foute wat by die herstel gemaak word.

Van groot belang is die kumulatiewe stralingsdosis, dit wil sê die effek van straling word bepaal deur die produk van die stralingsdosis en die tydsduur van die blootstelling daaraan. Dit beteken dat ʼn lae stralingsdosis oor ʼn lang tydperk dieselfde skadelike effek as ʼn hoë dosis oor ʼn kort periode kan hê. By die gebruik van radioaktiewe stowwe moet voorsorgmaatreëls getref word om nadelige mutasies te voorkom. Mutasies kan ook deur sekere chemiese stowwe veroorsaak word.

Daar is vandag 'n hele reeks verbindings met 'n sterk mutagene werking bekend. Nitrososuur (HNO₂), byvoorbeeld, reageer direk met nukleïensuur en kan so veranderinge in die basisse veroorsaak. Ander verbindings weer het strukture wat nou verwant is aan die basisse wat in DNS voorkom en kan verkeerdelik in DNS ingebou word, 'n reaksie wat later foutiewe replikasie van die DNS tot gevolg kan hê. Daar bestaan ook ʼn samehang tussen kanker en mutagene stowwe.

Die meeste kankerwekkende stowwe het 'n mutagene effek, en omgekeerd is die meeste mutagene stowwe ook kankerwekkend. Dit wil nie sê dat kanker deur 'n enkele somatiese mutasie veroorsaak word nie. Een van die verskillende teorieë oor die ontstaan van kanker berus egter wel op die verlies van noodsaaklik beheerfunksies in die sel as gevolg van die akkumulatiewe effek van verskeie somatiese mutasies. Hoewel die teorie nie direk bewys kan word nie, is daar min twyfel dat kankerwekkende stowwe, net soos mutagene stowwe, veranderinge in die DNS van selle bewerkstellig.

Geïnduseerde mutasies kan 'n baie goeie hulpmiddel wees in die veredeling van landbougewasse. Die spontane mutasietempo in die natuur is betreklik laag en die kunsmatige bestraling van sade deur radioaktiewe materiaal stel navorsers daartoe in staat om binne 'n baie kort periode groot hoeveelhede nuwe mutante te isoleer. Hoewel slegs 'n baie geringe persentasie van sulke mutasies 'n spesifieke voordeel vir die betrokke gewas inhou, kan dit tog op die duur lei tot 'n verbetering van eienskappe soos smaak, vrugopbrengs, weerstand teen plantsiektes en kleur. Op die manier kan byvoorbeeld nuwe blomvariëteite met 'n veranderde blomvorm of kleur ontwikkel word. In die geval van plantveredeling is mutasies dikwels verkiesliker bo kruisings omdat daar in die geval van mutasies slegs enkele gene verander word en nie die hele genotipe, soos by kruisings die geval is nie. Die isolasie van bakteriële mutante was onontbeerlik in die bakteriële genetika. Danksy sulke mutante hoop wetenskaplikes om uiteindelik al die genetiese materiaal van Escherichia coli te kan karakteriseer. Mutante het ook 'n belangrike rol gespeel in die veredeling van die skimmels wat penisillien en ander antibiotika produseer. Daardeur kon groot verbeterings in die produksie van natuurlike antibiotika bewerkstellig word.

In al die selle van alle lewende organismes kom daar twee groepe molekules voor wat as die sogenaamde informasiemolekules bekend staan. Hierdie molekules is die nukleïensure en die proteïene. AI die erflike eienskappe van ʼn organisme, soos byvoorbeeld struktuur, kleur, groeiwyse, ensovoorts, word deur proteïene bepaal. Die groot verskeidenheid proteïene wat in die natuur aangetref word, oefen hierdie funksie uit deur onder meer as katalisators op te tree vir byna al die verskillende biochemiese reaksies in die selle van 'n organisme.

Die ander tipe informasiemolekules, die nukleïensure, bevat die genetiese voorskrif of grondplan met behulp waarvan 'n sel al hierdie lewensnoodsaaklike proteïene kan sintetiseer. Deur middel van nukleïensuurduplikasie word hierdie inligting van ouer- na dogterselle oorgedra. Een fundamentele kenmerk van alle informasiemolekules is dat hulle bestaan uit lang kettings van aaneengekoppelde struktuureenhede. In die geval van proteïene is die struktuureenhede die aminosure en by nukleïensure is dit die nukleotiede.

Die volgorde waarin die verskillende struktuureenhede in die informasiemolekules voorkom, bepaal die individuele eienskappe van die molekules. Die struktuureenhede kan dus vergelyk word met die letters van 'n alfabet. Die volgorde waarin die letters gerangskik is, bepaal die betekenis van die woorde in 'n sin. 'n Gemiddelde proteïen bestaan uit 'n kombinasie van sowat 20 verskillende aminosure wat in ʼn karakteristieke volgorde aan mekaar gekoppel is tot 'n aminosuurketting van 300 tot 500 aminosure.

Die aminosuurvolgorde bepaal die eienskappe van die proteïen. Proteïene is onontbeerlik vir bykans elke fisiologiese reaksie in die sel. Die selle kan die proteïene nie van buite opneem nie, maar moet self daartoe in staat wees om dit te vervaardig. Die genetiese inligting hiervoor word in nukleïensuur geberg. Twee klasse nukleïensure kan onderskei word, naamlik DNS en ribonukleïensuur (RNS, ook bekend as RNA). 'n Tipiese DNS-geen wat die inligting bevat vir die sintese van 'n proteïen van byvoorbeeld 300 aminosure, bestaan uit 'n dubbelketting van meer as 900 opeenvolgende nukleotiede.

Die nukleotiede verskil slegs ten opsigte. van die aanwesigheid van die stikstofbevattende basisse adenien (A), guanien (G), sitosien (C) of timien (T) . Die eenhede waaruit RNS saamgestel is, bevat dieselfde basisse, behalwe dat timien deur urasiel (U) vervang is. Die volgorde waarin A, G, C en T in 'n DNS-ketting voorkom, bepaal die aminosuurvolgorde van die proteïen waarvoor die DNS-geen die informasie bevat. Die DNS-molekule bestaan normaalweg uit twee kettings wat oor hulle volle lengte aan mekaar gekoppel word deur waterstofbindings tussen die basisse wat teenoor mekaar op die twee kettings geleë is.

Die basisvolgordes in die twee kettings is komplementêr, wat beteken dat A altyd met T en G altyd met C gepaar is. Identiese dubbelketting- DNS-molekules kan dus deur basisparing uit elk van die twee komplementere enkelkettings saamgestel word. Dit vorm die basis van duplikasie van genetiese inligting. Die kode met behulp waarvan die nukleotiedvolgorde van DNS in die aminosuurvolgorde van 'n proteïen "vertaal" word, staan bekend as die genetiese kode en is vandag volledig opgeklaar.

Elke drie opeenvolgende basispare (basistriplet) in 'n DNS-ketting spesifiseer (kodeer) die inbou van 'n bepaalde aminosuur in die proteïenketting. Die aminosuur wat deur elkeen van die moontlike basistriplette gekodeer word, is bekend. Proteïensintese vind op die ribosome in die sitoplasma van die sel plaas, dit wil sê buite die kern, waarin die selluêre DNS geleë is. Die boodskap word van die DNS na die ribosome oorgedra met behulp van 'n tussenganger-nukleïensuur, die boodskapper-RNS.

Die boodskapper-RNS bevat dieselfde genetiese inligting as die DNS, waarvan dit oorgeskryf is. Die proses waartydens die inligting in die aminosuurvolgorde van ʼn proteïen vertaal word, staan bekend as translasie.

'n Mutasie is ʼn verandering in die basisvolgorde van nukleïensuur. Die kleinste verandering is 'n verandering in een basispaar en dit staan bekend as ʼn puntmutasie. Vier verskillende soorte puntmutasies kan onderskei word. In die geval van 'n transisie word een basispaar deur 'n ander vervang (byvoorbeeld A-T deur G-C). By 'n omkering vind ʼn verwisseling van die basisse op die ketting plaas (byvoorbeeld A-T word deur T -A vervang).

Wanneer 'n ekstra basispaar ingelas word, staan dit bekend as 'n invoeging, en wanneer 'n basispaar wegval, word dit 'n delesie genoem. Die eerste twee tipes mutasies is gewoonlik "goedaardig" omdat dit hoogstens die inbou van 'n enkele verkeerde aminosuur tot gevolg het. Die gemuteerde proteïen is gewoonlik nog volledig funksioneel en die tipe mutasie staan as 'n stilmutasie bekend (Engels: silent mutation). Die invoegings- en delesiemutasies is veel ingrypender omdat die invoeging of die weglating van ʼn basispaar veroorsaak dat al die daaropvolgende kodons in die verkeerde raam gelees word. Dit kan die hele proteïen verander en die tipe mutasie is dikwels dodelik,

Op molekulêre vlak kan drie tipes geenmutasies onderskei word, naamlik leesraamverskuiwings-, fout- en nonsensmutasies (Engels onderskeidelik: frameshift, missense en nonsense). 'n Leesraamverskuiwing is die algemene term vir die tipe mutasie waar basisse in die bestaande DNS-ketting ingelas of weggelaat word. Sulke delesie- of invoegingsmutasies is baie drasties. Die basistriplette op die DNS-geen lê direk agtermekaar, sonder enige spasiëring.

As daar een of twee basispare ingelas of weggelaat word, word al die daaropvolgende basisse op 'n ander manier in groepe van drie elk ('n kodon) ingedeel. Die leesraam het verskuif en omdat al die kodons as gevolg daarvan verander, verander ook die ooreenstemmende aminosuurketting. Slegs wanneer ʼn veelvoud van drie basisbane ingelas word of wegval, word die daaropvolgende kodons weer in die regte leesraam gelees en is die verandering in die proteïen betreklik klein.

Die plek waar die mutasie plaasvind, is ook baie belangrik. Wanneer die aktiewe sentrum van ʼn ensiem deur 'n mutasie verander word, word die ensiemaktiwiteit baie nadeliger beïnvloed as wanneer die mutasie op 'n ander deel van die ensiem voorkom. By 'n foutmutasie is daar ʼn verandering in een of meer van die basispare. Na gelang van die aard van die gesubstitueerde aminosuur en die plek in die proteïen waar die aminosuurverandering plaasvind, kan die mutasie 'n groot of 'n baie geringe uitwerking hê.

Omdat die genetiese kode gedegenereer is - dit wil sê daar is meer as een kodon vir elke aminosuur - kan dit gebeur dat die kodon wat as gevolg van 'n mutasie ontstaan, nog steeds vir dieselfde amimosuur bly kodeer. In so 'n geval bly die proteïen onveranderd. In die genetiese kode is daar ook kodons wat deur die proteïensintese- apparaat van die sel as ʼn stopteken vertolk word. Dit is moontlik dat daar deur 'n mutasie een van hierdie sogenaamde stopkodons ontstaan. In so 'n geval word van 'n nonsensmutasie gepraat en word die aaneenkoppeling van verdere aminosure in die proteïenketting beëindig. As die foutiewe stopteken al vroeg in die geen voorkom, word slegs ʼn nuttelose stukkie proteïen gesintetiseer.

Mutasies kan voorkom as gevolg van foute wat in die duplikasie van DNS gemaak word. Fisiese oorsake soos straling en die invloed van chemiese mutagene stowwe soos akridien en vyf-bromourasiel kan ook mutasies veroorsaak. Daar kan ook tydens die transkripsie- en translasieprosesse foute voorkom.

Hoewel dit verkeerde proteïene tot gevolg kan hê, is laasgenoemde nie werklik permanente mutasies nie omdat die genetiese materiaal van die sel, die DNS, nie self betrokke is nie en die mutasie dus ook nie soos by DNS-mutasies na die volgende selgenerasie of die nageslag oorgedra word nie. Hoër organismes besit gelukkig 'n duplikaat van elkeen van die chromosome, uitgesonderd die geslagschromosome van die man. Omdat daar dus twee DNS-kopieë van elke DNS-geen voorkom, kan daar vir 'n fout in een van die twee kopieë gekompenseer word deur die inligting in die ander kopie te gebruik.