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Mutagene

Eine Mutation ist eine permanente und plötzliche Veränderung, die in der DNA eines Lebewesens passiert. Oft können Mutationen während der DNA-Replikation oder durch Mutagene entstehen. Beide Fehlerarten können durch spezifische Enzyme repariert werden. Wenn die Fehler nicht behoben werden können, kann es z. B. zu Erbkrankheiten oder Krebserkrankungen kommen. Aber auf welche Weise können Mutagene die DNA so weit beeinflussen, dass Mutationen…

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Mutagene

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Eine Mutation ist eine permanente und plötzliche Veränderung, die in der DNA eines Lebewesens passiert. Oft können Mutationen während der DNA-Replikation oder durch Mutagene entstehen. Beide Fehlerarten können durch spezifische Enzyme repariert werden. Wenn die Fehler nicht behoben werden können, kann es z. B. zu Erbkrankheiten oder Krebserkrankungen kommen. Aber auf welche Weise können Mutagene die DNA so weit beeinflussen, dass Mutationen auftreten und was sind Mutagene überhaupt genau?

Mutagene – Definition

Mutagene oder Mutagene Faktoren sind äußere Einwirkungen, die Genmutationen oder Chromosomenaberrationen auslösen können. Das bedeutet, dass sie das Erbgut verändern. Meist sind Mutagene chemische oder physikalische Einflüsse. Die Fähigkeit, Mutationen auszulösen, nennt man Mutagenität. Mutagene verursachen DNA-Schäden und führen so zu Mutationen. Sie führen zum Anstieg der natürlichen Mutationsrate, die eigentlich bei 10-5 bis 10-9 pro Gen und Generation liegen.

Die Chromosomenaberration ist eine Unregelmäßigkeit. Sie betrifft entweder die Struktur oder die Anzahl der betroffenen Chromosomen. Das heißt, dass die Anzahl der Chromosomen zunehmen oder abnehmen kann. Während die Chromosomenabschnitte zusammengefügt werden, kann es zu Fehlern kommen. So können einige Stücke fehlen oder einige Stücke zu viel eingefügt werden.

Mutagene – Arten

Man unterscheidet zwischen drei Arten der Mutagene:

  • physikalische Mutagene: Strahlung und hohe Temperaturen
  • chemische Mutagene: Nitrosamine, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe
  • biologische Mutagene: HP-Viren, Epstein-Barr-Virus

Die EU Chemikalienverordnung (CLP) stuft die Stoffe je nach Mutagenität in den Keimzellen in drei verschiedene Kategorien ein:

  1. Kategorie 1A: Die Stoffe, die vererbbare Mutationen in menschlichen Keimzellen verursachen. Die Einstufung beruht auf Befunden aus epidemiologischen Studien an Menschen.
  2. Kategorie 1B: Die Stoffe, die ebenfalls vererbbare Mutationen in menschlichen Keimzellen verursachen. Die Annahme beruht auf geeigneten Langzeit-Tierversuchen.
  3. Kategorie 2: Die Stoffe, die vermutlich/möglicherweise vererbbare Mutationen in menschlichen Keimzellen auslösen können. Die Annahmen beruhen auf geeigneten Tierversuchen. Sie können trotzdem nicht in Kategorien 1 oder 2 eingestuft werden.

Mutagene Stoffe und Substanzen

Es gibt einige chemische Stoffe, die Veränderungen im menschlichen Erbgut auslösen können. Dazu zählen unter anderem:

  • Teerstoffe
  • Basenanaloga
  • Salpetrige Säure
  • Acridinfarbstoffe

Andere mutagene Substanzen sind z. B. Pflanzengifte, Nitrosamine und Schwermetallsalze.

MuTeerstoffe

Teerstoffe, die in Tabakwaren enthalten sind, wirken krebserregend. Sie besitzen ein Molekül mit Ringsystem und können sich zwischen die Nukleotide schieben. So täuschen sie den Enzymen eine nichtexistierende Base vor. Während der DNA-Replikation wird an dieser Base eine andere beliebige Base angelagert. So ist der neu entstehende DNA-Strang um ein Nukleotid länger.

Wenn Du mehr über die DNA-Replikation wissen willst, schau Dir den passenden Artikel dazu auf StudySmarter an!

Bromuracil (Basenanaloga)

Basenanaloga weisen in ihrer chemischen Struktur eine Ähnlichkeit zu den normalen Basen der DNA auf. Sie können deswegen eine Base ersetzen und entsprechende Basenpaare bilden. Während der Replikation ersetzt Bromuracil das Thymin. Somit liegt die Basenpaarung Adenin-Bromuracil vor.

Bromuracil ist eine instabile Base. Sollte ein Wasserstoffatom umgelagert werden, kommt es zur Paarung von Bromuracil mit Guanin statt Adenin. Entsprechend kommt es bei der Replikation zu einem Austausch des ursprünglichen Basenpaares Adenin-Thymin durch das Basenpaar Guanin-Cytosin und damit zu einer Mutation.

Salpetrige Säure

Die salpetrige Säure führt zur Desaminierung, wobei die Base Cytosin verändert wird. Hier wird Cytosin in Uracil umgewandelt. Uracil ist aber nicht komplementär zu Guanin, sondern zu Adenin. Wenn es zur Replikation kommt, bildet sich das Basenpaar Adenin-Uracil statt Guanin-Cytosin. Es entsteht ein Replikationsfehler. Es kommt in der Folge auch zu Fehlern während des Ablesevorgangs, wodurch defekte Proteine entstehen können.

Bei dem Prozess der Desaminierung wird eine Aminogruppe chemisch abgespalten. Aminogruppen sind wichtige Bestandteile der Nukleotide.

Acridinfarbstoffe

Acridinfarbstoffe sind aromatische Verbindungen, die die Basenabfolge ändern, indem sie sich zwischen die Nukleotide schieben. Dadurch werden Leserastermutationen hervorgerufen.

Eine Leserastermutation – auch frameshift mutation – ist eine Art der Genmutationen. Bei solcher Mutationen wird der Leseraster entweder durch das Entfernen (deletion) oder das Einfügen (insertion) einer Base modifiziert. Meist führt diese Mutation zu einem früh auftretenden Stopcodon, wodurch das Leseraster vorzeitig beendet wird.

Mutagene – Wirkung auf die DNA

Physikalische Mutagene, z. B. ultraviolette Strahlung, radioaktive Strahlung oder Röntgenstrahlung, wirken sich ebenfalls negativ auf die DNA eines Lebewesens aus.

Ultraviolette Strahlung

Die ultraviolette Strahlung ist eine sehr energiereiche Strahlung und hat eine Wellenlänge von 280 bis 320 nm. Allgemein beeinflusst diese Strahlung die oberen Epithelzellen.

Durch die ultraviolette Strahlung vereinen sich zwei benachbarte Thyminbasen zu einem Thymin-Dimer. Sie bilden eine dauerhafte, kovalente Bindung miteinander. Thymin-Dimere bilden kleine Blasen, die die DNA-Polymerase nicht überwinden kann. Somit wird die Replikation nicht vervollständigt. Das gleiche Problem tritt bei der Transkription auf, da die RNA-Polymerase das eingebaute Thymin-Dimer nicht überwinden kann. Somit kann die Transkription nicht vollständig ablaufen.

Dimer sind Moleküle, die aus zwei Monomeren, also zwei Untereinheiten, bestehen. Wenn sich beispielsweise zwei benachbarte Thyminbasen verknüpfen, entsteht ein Thymin-Dimer. So eine Verbindung wird als Dimerisierung benannt.

Röntgenstrahlung

Die Röntgenstrahlung hat eine Wellenlänge von unter 10 nm. Die DNA wird nur selten durch Röntgenstrahlung gebrochen und zerstört. Das passiert nur, wenn das Zucker-Phosphat-Rückgrat an einer Stelle aufgetrennt wird. Meist kommt es in einem solchen Fall zum einseitigen Strangbruch. Dieser Bruch hindert die DNA-Polymerase an der vollständigen Replikation und die RNA-Polymerase an der vollständigen Transkription.

Radioaktive Strahlung

Radioaktive Strahlung hat einen höheren Energiegehalt als Röntgenstrahlung. Durch die radioaktive Strahlung entstehen Radikale, die die DNA chemisch verändern können.

Radikale sind Moleküle oder Atome, die sehr reaktiv sind, weil sie ein ungebundenes Elektron besitzen.

Die radioaktive Strahlung hat aber noch mehr Auswirkungen auf die DNA. Auch hier kann es zum einseitigen Strangbruch kommen, wobei die Phosphodiesterbindung zwischen dem Zucker und dem Phosphat getrennt wird. Die Trennung kann einseitig, aber auch zweiseitig erfolgen. Außerdem können Pyrimidinbasen chemisch modifiziert werden, d. h. sie werden dimerisiert. Es kann auch zu gehäuften Läsionen kommen.

Läsionen sind mehrere Schäden, die nah beieinander liegen.

Hohe Temperaturen

Durch Hitzeschocks werden die Basen Adenin und Guanin von ihren Zuckern abgespalten. Solche depurinierten Bereiche können Punktmutationen oder eine Deletion verursachen.

Bei einer Punktmutation wird ein einzelnes Basenpaar in der DNA verändert. Die betroffene Base wird mit einer anderen Basen ausgetauscht. Dadurch können andere Proteine entstehen, als die, die eigentlich gebraucht werden.

Die Deletion stellt den Entfall eines Abschnitts der DNA dar. Durch eine Deletion können einzelne Basen (Punktmutation) oder mehrere Basen bis große Basensequenzen beschädigt werden.

Viren (biologische Mutagene)

Viren benötigen eine Wirtszelle, um sich reproduzieren oder vermehren zu können. Wenn ein Virus eine Wirtszelle gefunden hat, schleust es die eigene Erbinformation und spezifische Enzyme in die Wirtszelle ein. Manche Viren sind in der Lage, ihr Erbgut mithilfe von Enzymen in die DNA der Wirtszelle einzubauen. Es ist zwar abhängig vom Ort der eingebauten DNA, aber Veränderungen führen meist zu großen Schäden.

Das Epstein-Barr-Virus kann als Herpesvirus Zellen latent infizieren. Es verharrt also in einer Art Ruhezustand im Körper seines Wirts, indem es sein Erbgut in die Wirtszelle einschleust, ohne sich zu vermehren. Unter bestimmten Bedingungen kann das Epstein-Barr-Virus reaktiviert werden. Normalerweise bleibt die Reaktivierung vom Wirt unbemerkt und wird schnell vom Immunsystem unterdrückt. Bei Immunsuppression (z. B. bei HIV-Infizierten oder Organempfängern) kann sich das Virus unkontrolliert vermehren und zur Entstehung verschiedener seltener Krebsarten beitragen.

Eine EBV-Infektion gilt als möglicher Risikofaktor für Tumore der Nase oder des Kehlkopfes. EBV allein reicht jedoch nicht aus, um Krebs zu induzieren. Hier spielen andere Faktoren eine Rolle (chromosomale Translokationen von MYC-Genen). Auch Malaria wird als potenzieller Kofaktor diskutiert. Menschliche Brustkrebszellen werden ebenfalls häufig mit dem Epstein-Barr-Virus infiziert, ohne dass ein Zusammenhang beobachtet wird.

Mutagene Beispiele

Mutagene, wie z. B. Strahlung, Hitze, Viren oder chemische Stoffe können zu Veränderungen in dem Erbgut führen.

Chemische Mutagene

Chemische Substanzen, wie z. B. Nitrosamine, Basenanaloga, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, Arsensäure und deren Salze, Asbest, Benzol, Acrylamid und Rohöl sind Mutagene. Überwiegend führen chemische Mutagene zu Doppelstrangbrüchen.

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe können sich zwischen Basen schieben. So führen diese zu Rastermutationen (Genmutation). Dieser Vorgang der Einlagerung bezeichnet man als Interkalation. Durch die Interkalation wird die Replikation und die Transkription der DNA gestört.

Ein typisches Beispiel für polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe ist Ethidiumbromid. In der Gentechnik wird es zum spezifischen Nachweis von Nukleinsäuren eingesetzt. Die Moleküle des Ethidiumbromids lagern sich in die Basenabfolge und verschieben damit das Leseraster.

Nitrosamine

Nitrosamine können beim Frittieren, Grillen oder Braten bestimmter Lebensmittel auftreten. So entstehen sie zum Beispiel bei der Hocherhitzung von Fleischwaren, die Nitritpökelsalz enthalten. Nitrosamine können sich auch beim Verzehr von pflanzlichen Nahrungsmitteln entwickeln, die intensiv gedüngt wurden. Die DNA-Basen werden dadurch chemisch stark verändert.

Aflatoxine

Aflatoxine sind hochgiftige Produkte der Schimmelpilze, die sich an die DNA-Basen anlagern. Schon bei sehr geringen Mengen von 10 µg/kg Körpergewicht können diese toxisch und krebserregend wirken.

Biologische Mutagene

Biologische Mutagene, wie z. B. HI-Viren, Epstein-Barr-Viren oder HP-Viren können zur Folge haben, dass Mutationen entstehen.

HP-Viren (HPV)

HP-Viren – auch Humane Papillomviren – sind DNA-Viren. Sie infizieren Epithelzellen der Haut und einige Schleimhäute. Bei Infizierten können solche Viren zu einem unkontrollierten tumorartigen Wachstum der infizierten Zellen führen. Meist sind die Tumoren gutartig und es kommt nur zur Bildung von Warzen. Manchmal sind die Tumoren bösartig und es kommt bei Frauen zum Gebärmutterhalskrebs.

Die Viren machen den Zelltod (Apoptose) unmöglich, weil einige bestimmte Gene das verhindern. Durch die Genproduktion ist die Reparatur der DNA auch nicht möglich.

Physikalische Mutagene

Physikalische Mutagene, wie z. B. Röntgen- oder UV-Strahlung haben überwiegend die Folge, dass es zu Mutationen, Doppelstrangbrüchen und Chromosomenaberrationen kommt.

Mutagene - Das Wichtigste

  • Mutagene sind äußere Einwirkungen, die Genmutationen oder Chromosomenaberrationen verursachen können.
  • Man unterscheidet zwischen den physikalischen, chemischen und biologischen Mutagenen:
    • Physikalische Mutagene sind Strahlung und hohe Temperaturen.
    • Chemische Mutagene sind einige chemische Stoffe, wie z. B. polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, salpetrige Säure und Teerstoffe.
    • Biologische Mutagene sind DNA-Viren, wie z. B. HP-Viren und HI-Viren.
  • Die meisten Mutagene wirken negativ auf die DNA und verursachen Mutationen durch Rastermutationen oder Strangbrüche.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Mutagene

Es gibt physikalische, biologische oder chemische Mutagene. Physikalische Mutagene sind meist Strahlungen oder hohe Temperaturen. Chemische Mutagene sind chemische Stoffe, wie z.B. polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe und Basenanaloga. Biologische Mutagene sind bestimmte Viren, die das Erbgut ihrer Wirtszelle verändern können, z.B. HI-Viren.

Beispiele für chemische Mutagene sind Teerstoffe, Basenanaloga oder salpetrige Säure. Beispiele für physikalische Mutagene sind UV-Strahlung, Röntgenstrahlung oder hohe Temperaturen. Beispiele für biologische Mutagene sind Epstein-Barr-Virus und HP-Viren.

Strahlungen, wie z.B. Röntgen- und UV-Strahlung führen dazu, dass die Replikation und die Transkription unvollständig ablaufen. Hohe Temperaturen führen zu Punktmutationen. Die meisten chemischen Mutagene führen zu Strangbrüchen. HP-Viren führen zu unkontrolliertem tumorartigen Wachstum der infizierten Zellen.

Die Wirkung von Mutagene ist je nach Stoff unterschiedlich. UV-Strahlung führt zur Bildung eines Dimers, was die DNA-Polymerase und die RNA-Polymerase hindert. Röntgenstrahlung führt meist zu einem einseitigen Strangbruch und selten zu einem Doppelstrangbruch. Durch radioaktive Strahlung werden Radikale gebildet, die die DNA chemisch verändern. Viren brauchen eine Wirtszelle. Dort wird ihre DNA in die DNA der Wirtszelle eingebaut. Je nach Ort der eingebauten DNA können die Veränderungen große Folgen haben.

Finales Mutagene Quiz

Mutagene Quiz - Teste dein Wissen

Frage

Was ist ein Mutagen?

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Antwort

Mutagene sind äußere Einflüsse, die Veränderungen im Erbgut eines Organismus hervorrufen können.

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Frage

Welche Arten von Mutagenen kann man unterscheiden und wo ordnet man Strahlung ein?

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Antwort

Allgemein kann man chemische Mutagene, dazu gehören Nitrosamine oder polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, biologische Mutagene, wie verschiedene Viren, aber auch physikalische Mutagene unterscheiden.

Strahlung wird zu den physikalischen Mutagenen gezählt.

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Frage

Was ist eine Mutation?

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Antwort

Eine Mutation ist eine natürlich oder durch Mutagene verursachte Veränderung des Erbguts. Die entweder als Genommutation, Chromosomenmutation oder als Punktmutation auftritt.

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Frage

Wie kann man Strahlung grundlegend unterscheiden?

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Antwort

  • ionisierende oder nicht ionisierende Strahlung 
  • Unterscheidung durch Wellenlänge

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Frage

Was ist der Unterschied zwischen Radioaktivität und radioaktiver Strahlung?

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Antwort

Radioaktivität bezeichnet die Eigenschaft instabiler Atomkerne, spontan radioaktive Strahlung auszusenden.
Bei radioaktiver Strahlung handelt es sich um ionisierende Strahlung.

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Frage

Welche genetischen Auswirkungen hat UV-Strahlung?

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Antwort

  • UV-Strahlen verknüpfen aneinanderliegende Thyminbasen
  • keine Paarung mehr mit Adenin möglich 
  • Dimerisierung von Thyminbasen 
  • Replikation nicht mehr möglich

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Frage

Was ist eine Punktmutation?

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Antwort

Bei einer Punktmutation wird ein Basenpaar entweder ausgetauscht, entfernt oder eingesetzt.

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Frage

Was passiert an der DNA, wenn radioaktive Strahlung auf den Körper trifft?

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Antwort

Wenn radioaktive Strahlung auf den menschlichen Körper trifft, hat diese oftmals keine direkte Wirkung auf die DNA. Jedoch bilden sich beim Auftreffen der Strahlung Radikale aus Wassermolekülen, die dann die Bestandteile der DNA angreifen. Dabei kann es zu Einzel- oder Doppelstrangbrüchen kommen. Des Weiteren kann die radioaktive Strahlung eine Punktmutation verursachen.

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Frage

Wofür wird radioaktive Strahlung in der Medizin verwendet?

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Antwort

Radioaktive Strahlung wird in der sogenannten Nuklearmedizin verwendet. Dabei werden Patienten radioaktive Arzneimittel verabreicht, mit denen verschiedene Organe markiert werden können und so die Funktion oder auch Dysfunktion dieser Organe untersucht wird. 

Frage anzeigen

Frage

Was kann Gamma-Strahlung verursachen?

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Antwort

Gamma-Strahlung hat im Körper gravieriende Wirkung. Sie wirkt im menschlichen Gewebe ionisierend. Es entstehet Sekundärstrahlungen, die das Erbgut des Menschen schädigt und chemische Verbindungen im Körper aufbricht..

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Frage

Was passiert bei der Exzisionsreaparatur?

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Antwort

Bei der Exzisionsreparatur wird der fehlerhafte Teil der DNA mit dem Enzym Nuklease ausgeschnitten. Jedoch gibt es zwei verschiedene Arten der Exzisionsreparatur. 

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Frage

Welche Arten der Exzisionsreparatur kann man unterscheiden?

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Antwort

Die Basenexzisionsreparatur repariert nur Mutationen der Basenpaarung auf den DNA-Strängen.

Wohingegen die Nukleotidexzisionsreparatur nicht die einzelnen Basen, sondern komplette Veränderungen der DNA-Konformation betrifft.

Frage anzeigen

Frage

Was versteht man unter Mutagenen?

Antwort anzeigen

Antwort

äußere Einwirkungen, die Mutationen auslösen

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Frage

Was sind Chromosomenaberrationen?

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Antwort

Eine Chromosomenaberration ist eine Unregelmäßigkeit, die die Anzahl oder die Struktur der Chromosomen betrifft.

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Frage

Welche Arten der Mutagene gibt es?

Antwort anzeigen

Antwort

physikalische Mutagene

Frage anzeigen

Frage

Welche chemischen Substanzen oder Stoffe können Veränderungen im Erbgut auslösen?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Teerstoffe
  • Basenanaloga
  • salpetrige Säure
  • Acridinfarbstoffe
  • polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe
  • Nitrosamine
  • Aflatoxine

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Frage

Was sind Beispiele für physikalische Mutagene?

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Antwort

Röntgenstrahlung

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Frage

Welche Wirkung hat Röntgenstrahlung auf die DNA?

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Antwort

Selten kommt es zur Zerstörung der DNA. Das passiert nur, wenn das Zucker-Phosphat-Rückgrat aufgetrennt wird. 


Meistens kommt es zum Einzelstrangbruch. Der Bruch hindert die DNA-Polymerase von der vollständigen Replikation und die RNA-Polymerase von der vollständigen Transkription.

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Frage

Was haben hohe Temperaturen für eine Wirkung auf die DNA?

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Antwort

Punktmutationen

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Frage

Was haben polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe für eine Wirkung auf die DNA?

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Antwort

Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe schieben sich zwischen Basen (=Interkalation). Dieser Prozess führt zu Rastermutationen. Dadurch wird die Replikation und die Transkription der DNA zerstört.

Frage anzeigen

Frage

Welche Wirkung haben physikalische Mutagene auf die DNA?

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Antwort

Mutationen

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Frage

Welche Wirkung haben HP-Viren auf dem menschlichen Körper?

Antwort anzeigen

Antwort

HP-Viren infizieren die Epithelzellen der Haut. Sie führen zu unkontrolliertes tumorartiges Wachstum der infizierten Zellen


Wenn die Tumoren gutartig sind, entstehen nur Warzen


Wenn die Tumoren bösartig sind, kann zum Gebärmutterhalskrebs kommen. 


Die Gene, die in der Wirtszelle vermehrt wurden, verhindern den Zelltod und die Reparatur der DNA.

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Frage

Wie bezeichnet man die Eigenschaft der Mutagene, Mutationen auszulösen?

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Antwort

Mutagenität

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