Substitutionsmutation

Substitutionsmutation Definition

Eine Substitutionsmutation ist eine Art Replikationsfehler während der DNA-Replikation, bei dem ein falsches Nukleotid oder eine falsche Nukleotidsequenz an die falsche Stelle gesetzt wird. Eine Art der Substitutionsmutation, eine Punktmutation, tritt auf, bei der ein einzelnes Nukleotid ausgetauscht wird. Dies ist in der Abbildung unten zu sehen.

Wichtig ist, dass eine Substitutionsmutation zu einer DNA mit gleicher Länge führt. Sie addiert oder subtrahiert nicht von der Anzahl der Nukleotide in der Sequenz. Eine einzelne Nukleotid-Substitutionsmutation ist die häufigste, da die meisten groß angelegten Nukleotidvertauschungen andere Mechanismen beinhalten. Zum Beispiel beinhaltet eine reziproke Translokation die Bewegung ganzer Chromosomenabschnitte und tauscht einen Abschnitt gegen einen Abschnitt eines anderen Chromosoms aus.

Wie bei allen Mutationen kann eine Substitutionsmutation die von einem Organismus gebildeten Proteine drastisch verändern. Die Proteine, die für das Ablesen der DNA zuständig sind, verarbeiten das Molekül in Einheiten von jeweils drei Basenpaaren. Diese Codons spezifizieren jeweils eine andere Aminosäure. Ändert sich die Sequenz auch nur um ein Nukleotid, wird eine andere Aminosäure im Protein platziert. Die Funktion eines jeden Proteins hängt von der spezifischen Interaktion zwischen den Aminosäuren ab, aus denen es besteht. Eine Substitutionsmutation kann viel mehr als ein Nukleotid verdrängen. In diesem Fall kann sie das Protein völlig funktionsunfähig machen oder ihm eine völlig neue Funktion geben. Neue Anpassungen können auf diese Weise entstehen, wenn sie an die Nachkommen weitergegeben werden und vorteilhaft sind. Die große Mehrheit der Mutationen ist jedoch schädlich oder verursacht negative Auswirkungen.

Was verursacht eine Substitutionsmutation?

Eine Substitutionsmutation kann durch eine Reihe von Quellen verursacht werden, die direkt mit dem Ablesen und Speichern der DNA zusammenhängen. Zum Beispiel verliert jede Zelle in Ihrem Körper jede Stunde etwa 1.000 Nukleotide aus dem DNA-Rückgrat. Diese Nukleotide fallen durch den Prozess der Depurinierung ab. Beim Ersetzen der Nukleotide machen die Proteine, die die DNA verwalten, in ca. 75% der Fälle einen Fehler, denn es stehen nur 4 Nukleotide zur Auswahl. Andere Proteine müssen nachkommen und die DNA auf Fehler überprüfen. Wenn sie die Substitutionsmutation übersehen, kann sie bleiben und repliziert werden.

Ein weiterer Faktor, der eine Substitutionsmutation antreiben kann, ist die Desaminierung, der Prozess, bei dem Aminogruppen von Nukleotiden abgebaut werden. Eine der einzigen Möglichkeiten, wie die Proteinmaschinerie zwischen Nukleotiden unterscheiden kann, sind die an sie gebundenen Aminogruppen. Wenn diese abfallen, kann die Proteinmaschinerie das Nukleotid falsch erkennen und das falsche Nukleotidpaar liefern. Wenn sich die DNA repliziert, wird das neue Nukleotid in einer neuen Zelllinie etabliert.

Zusätzlich zu diesen internen Treibern, die eine Substitutionsmutation verursachen können, gibt es auch externe Kräfte, die einen Nukleotidwechsel verursachen können. Karzinogene und Mutagene sind eine spezielle Klasse von Chemikalien, die die Proteinmaschinerie drastisch behindern und viele Mutationen verursachen. Selbst Sonnenlicht kann die Funktion der DNA beeinträchtigen und eine Substitutionsmutation auslösen.

Beispiele für Substitutionsmutationen

Sichelzellenanämie

Die Blutkrankheit Sichelzellenanämie wird durch eine einfache Substitutionsmutation verursacht. Bei der Mutation wird ein einzelnes Nukleotid in dem Teil der DNA ersetzt, der für eine Einheit des Hämoglobins kodiert. Hämoglobin ist ein Multiproteinkomplex, der für den Sauerstofftransport und die Form der Blutzellen verantwortlich ist. Die Substitutionsmutation bewirkt, dass eine Glutaminsäure im Protein durch eine Valin-Aminosäure ersetzt wird.

Während dies nicht wie eine große Veränderung in einem Protein erscheinen mag, das über 140 Aminosäuren enthält, macht es doch einen großen Unterschied. Valin ist, im Gegensatz zur Glutaminsäure, hydrophob. Als solches stößt es polare Wechselwirkungen ab, wo Glutaminsäure sie anziehen würde. Dies hat schwerwiegende Auswirkungen auf die Funktionsfähigkeit des Proteins. Die Blutzellen spiegeln diese Veränderung sofort wider, sie werden schrumpelig und sichelförmig. Mit einer geringeren Fähigkeit, Sauerstoff zu transportieren, neigen diese Zellen auch eher dazu, in den kleinen Kapillaren der Organe zu gerinnen. Dies kann zu einem erhöhten Risiko für Herzinfarkt, Schlaganfall und andere Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen.

Interessanterweise hat die Substitutionsmutation aus einem überraschenden Grund in der Bevölkerung überlebt. Der Parasit, der Malaria verursacht, ist für einen Teil seines Lebenszyklus auf menschliche Blutzellen angewiesen. Menschen mit der Sichelzell-Substitutionsmutation sind weniger anfällig für Malaria. Offenbar behindert die unterschiedliche Form und Funktion der Blutzellen ihre Fortpflanzung.

Farbenblindheit

Im Auge sind bestimmte Zellen für die Wahrnehmung der Farben Rot, Grün und Blau zuständig. Diese Zellen sind auf unterschiedliche Proteine angewiesen, die auf die verschiedenen Farben reagieren. Eine Substitutionsmutation in der DNA, die für eines dieser Proteine kodiert, kann zu dem Zustand der Farbenblindheit führen. Menschen mit diesem Zustand haben Schwierigkeiten, zwischen den Farben zu unterscheiden, während ihr Sehvermögen ansonsten noch klar ist. Oftmals ist nur eine Farbe ausgefallen. Die verschiedenen Proteine werden an verschiedenen Stellen der DNA kodiert, so dass eine Substitution in allen drei Genen unwahrscheinlich ist.

Typen von Substitutionsmutationen

Übergang

Es gibt zwei grundlegende Typen, die eine Substitutionsmutation sein kann. Innerhalb der vier Nukleotide gibt es zwei Typen: die Purine und Pyrimidine. Adenin (A) und Guanin (G) sind beides Purine, während Cytosin (C) und Thymin (T) Pyrimidine sind. Wenn sich ein Purin in ein Pyrimidin ändert, wird die Substitutionsmutation als Übergang betrachtet. Wenn sich ein Pyrimidin in ein Pyrimidin ändert, ist die Substitutionsmutation ebenfalls ein Übergang. In der Abbildung unten sind die Übergänge durch die Alpha-Linien gekennzeichnet.

Transversion

Das Gegenteil von Übergang ist Transversion. Bei einer Substitutionsmutation, die eine Transversion beinhaltet, wird ein Purin durch ein Pyrimidin ersetzt, oder umgekehrt. In der obigen Abbildung ist eine Transversion durch die Beta-Linien gekennzeichnet. Transversionen sind viel unwahrscheinlicher als Transitionen. Das liegt wahrscheinlich daran, dass die Maschinerie, die zur Reparatur und zum Korrekturlesen der DNA verwendet wird, spezifischer für Purin und Pyrimidin ist als für die Spezifikation zwischen einzelnen Nukleotiden.

Quiz

1. Was ist der Unterschied zwischen einer Substitutionsmutation und einer Deletionsmutation?
A. Kein Unterschied
B. Eine Deletion verursacht eine Rahmenverschiebung
C. Eine Substitution verursacht eine Rahmenverschiebung

2. Betrachten Sie die folgende DNA-Sequenz

• CTTGACTC
• CCTGACTC

Welche der folgenden Vorgänge sind passiert?
A. Deletionsmutation
B. Insertionsmutation
C. Substitutionsmutation

3. Eine Substitutionsmutation trat in einem Organismus auf. Dabei wurde die Sequenz der Aminosäuren nur geringfügig verändert, und die neue Aminosäure unterscheidet sich nur geringfügig von der alten. Führt die Mutation zu einer funktionellen Veränderung?
A. Nein
B. Ja
C. Vielleicht…