I mutageni chimici diretti

I mutageni diretti possono interagire direttamente con il DNA anche senza l'intervento dei sistemi metabolici.
ANALOGHI DI BASI
Gli analoghi delle basi sono composti chimici dalla struttura molto simile alle normali basi del DNA, sono, in altre parole, purine e pirimidine. Ad esempio la 5-Bromouracile (BU) è la pirimidina più nota come agente mutageno. La sua struttura è molto simile a quella della timina, dalla quale differenzia solo per la presenza di un atomo di Br in C5 al posto del metile. L'incorporazione di questo mutageno al posto della timina non danneggia affatto il DNA, il quale può replicarsi e trascrivere in modo del tutto normale. Tuttavia BU subisce con più facilità della T una transizione tautomerica da forma chetonica a forma ionizzata enolica che porta all'appaiamento con più con l'adenina ma con la guanina (transizione).
Un altro analogo delle basi è la fludarabina, un analogo delle purine molto usato nel trattamento dei tumori del sangue (leucemia mieloide acuta. Esso inibisce, infatti, la sintesi del DNA interferendo con la ribonucleotide reduttasi e con la DNA polimerasi.
AGENTI CHE REAGISCONO CON IL DNA
I mutageni diretti che agiscono principalmente con il DNA sono principalmente due. L'acido nitroso che ossida a gruppi chetonici (=O) dei gruppi amminici liberi (-NH2); quindi delle quattro basi del DNA, la timina non reagisce con HNO2 poiché non possiede gruppi amminici, mentre le altre tre vengono trasformate rispettivamente: la citosina in uracile (U), l'adenina in ipoxantina (H) e la guanina in xantina (X). Alla successiva replicazione del DNA, U si appaia con l'adenina, H con la citosina, mentre X non è in grado di formare legami stabili con nessuna base e pertanto porta all'arresto della sintesi del DNA.
L'idrossilammina (NH2OH), invece, è un composto che reagisce con  le pirimidine non metilate (C e U) e in modo particolare con le citosine a pH debolmente acido (pH6). La struttura della citosina viene alterata in modo che essa si accoppi con l'adenina anziché con la guanina e di conseguenza si verifica una transizione G:C→A:T. Comunque, l'idrossilammina è utilizzata, principalmente, nell'industria elettronica per la pulizia delle superfici metalliche, nella produzione del nylon, di inchiostri e nell'industria farmaceutica e fotografica. Il problema maggiore nella sua manipolazione risiede nella sua elevata instabilità. Infatti, non può essere utilizzata, conservata o trasportata allo stato puro, ma solo in soluzione acquosa.
Altri agenti che interagiscono con il DNA sono gli agenti alchilanti, composti elettrofili con affinità per i centri nucleofili presenti nelle macromolecole organiche. Sono quindi comprese in questa categoria moltissime sostanze in grado di legarsi al DNA: una gran parte di questi composti sono agenti cancerogeni mentre altri possono essere intermedi del normale metabolismo. In generale, l'azione mutagena di questi composti è dovuta all'alchilazione delle purine. In altre parole, essi attaccano un gruppo alchilico (-CH3 oppure -CH2CH3) ad un azoto (generalmente l'azoto in posizione 7) di una purina, preferenzialmente la guanina. Questo può portare o ad una depurinazione quindi la perdita della guanina e la comparsa di un sito apurinico (sito AP) in cui alla successiva replicazione si potrà inserire un nucleotide a caso oppure, ad un errore di accoppiamento, ossia la guanina alterata non si accoppierà più con la citosina ma con la timina. Alla successiva replicazione del DNA, la timina si accoppierà normalmente con l'adenina e la conseguenza finale sarà una transizione G:C→A:T. Uno dei più conosciuti agenti alchilanti è l'Ethyl methane sulfonate (EMS), un composto organico mutagenico, teratogeno e cancerogeno con formula C3H8O3S. Esso produce mutazioni a random nel materiale genetico introducendo sostituzioni nucleotidiche tramite alchilazione appunto della guanina. Infatti, il gruppo etile dell'EMS reagisce con la G formando una base anomala la O-6-ethylguanine che si appaia con la T invece che con la C. Oppure può causare l'alchilazione dell'azoto in posizione 7, determinando una redistribuzione delle cariche che rende il legame della G con lo zucchero molto labile e come prima conseguenza abbiamo la perdita della stessa G.
Alcuni agenti alchilanti, inoltre, sono chiamati multifunzionali in quanto hanno più di un sito reattivo. Si conseguenza, oltre a formare monoaddotti, possono reagire con due diversi centri nucleofili del DNA. Se i due siti sono sui due filamenti polinucleotidici opposti si avrà un legame crociato tra le eliche (cross-link interstrand) impedendo in questo modo la separazione dei due filamenti di DNA e quindi la replicazione e la trascrizione; se i siti, invece, sono sulla stessa catena di DNA duplice, il prodotto di reazione sarà definito come legame crociato intraelica (cross-link intrastrand); Tra gli agenti cross-linking troviamo il cis-platino che non si dissocia all'esterno della membrana cellulare grazie all'elevata concentrazione di ioni Cl, ma una vota all'interno della cellula, invece, si dissocia in presenza di acqua diventando estremamente reattivo e si lega alle basi del DNA. I legami più frequenti sono i cross link 1,2 intrastrand con le purine (CpG o ApG) e 1,3 cross link intrastrand (GpXGp).
Infine, un ultimo agente che reagisce con il DNA che prendiamo in considerazione, è la formaldeide (HCHO), utilizzata in diversi settori industriali e materiali di ampio uso, come i detergenti. I principali siti di attacco nel DNA per la formaldeide sono i gruppi amminici di guanina, citosina e adenina che danno origine a derivati idrossimetilici. Inoltre può facilmente inattivare la DNA- o RNA-polimerasi, enzimi coinvolti nella riparazione del DNA o enzimi come la catalasi, coinvolta nel controllo delle specie reattive dell'ossigeno. Inoltre, bisogna dire, che la formaldeide nel corpo viene convertita in acido formico, questo determina un aumento dell'acidità del sangue (acidosi), respirazione veloce e poco profonda, visione vaga o cecità completa fino nei casi più gravi alla morte. Nel corpo, la formaldeide può indurre, anche, le proteine a legarsi irreversibilmente al DNA.
AGENTI INTERCALANTI
Gli agenti intercalanti sono potenti mutageni in quanto inducono modificazioni strutturali al DNA che possono portare a modificazioni funzionali come l'inibizione della trascrizione e del processo di replicazione. Essi sono spesso usati nel trattamento chemioterapico per inibire la replicazione del DNA nelle cellule tumorali in attiva proliferazione. Tra i più noti agenti intercalanti vi sono le acridine, rappresentate da una serie di sostanze ben note, come la 2,8-diamminoacridina (proflavina) che si intercala nella doppia elica, determinando la delezione o l'aggiunta di una base. Un altro agente intercalante è il bromuro d'etidio (EtBr) utilizzato comunemente in laboratorio per colorare gli acidi nucleici durante l'elettroforesi su gel. EtBr emette fluorescenza quando esposto ai raggi UV, in maniera molto più intensa quando è legato al DNA. Comunque, le proprietà intercalanti di questo agente sono dovute alla struttura altamente aromatica che ne permette l'inserimento all'interno della doppia elica del DNA, e lo rendono altamente mutageno.