Мутагены

Учебник Биология — ВУНМЦ 2000

4.11. МУТАГЕННЫЕ ФАКТОРЫ

Любые мутации могут возникнуть спонтанно или быть индуцированными. Спонтанные мутации появляются под влиянием неизвестных природных факторов и приводят к ошибкам при репликации ДНК.

Индуцированные мутации возникают под воздействием специальных направленных факторов, повышающих мутационный процесс.

Мутагенным действием обладают факторы физической, химической и биологической природы.

Среди физических мутагенов наиболее сильное мутантное действие оказывает ионизирующая радиация — рентгеновские лучи, α-, β-, γ-лучи. Обладая большой проникающей способностью, при действии на организм они вызывают образование свободных радикалов ОН или НО₂ из воды, находящейся в тканях. Эти радикалы обладают высокой реакционной способностью. Они могут расщеплять нуклеиновые кислоты и другие органические вещества.

Облучение вызывает как генные, так и хромосомные перестройки.

Ультрафиолетовое излучение характеризуется меньшей энергией, не вызывающей ионизацию тканей. Действие УФ-излучения приводит к образованию тимидиновых димеров. Присутствие димеров в ДНК приводит к ошибкам при ее репликации.

Химические мутагены должны обладать следующими качествами:

• высокой проникающей способностью;

• свойством изменять коллоидное состояние хромосом;

• определенным действием на состояние хромосомы или гена. К химическим веществам, вызывающим мутации, можно отнести органические и неорганические вещества, такие, как кислоты, щелочи, перекиси, соли металлов, формальдегид, пестициды, дефолианты, гербициды, колхицин и др.

Некоторые вещества способны усиливать мутационный эффект в сотни раз по сравнению со спонтанным. Их называют супермутагенами. Эти супермутагены вызывают широкий спектр точковых мутаций в концентрациях меньше тех, которые индуцируют хромосомные перестройки, видимые под микроскопом. Супермутагенной активностью обладают нитрозосоединения (иприт, диэтилнитрозамин, уретан и др.).

Некоторые лекарственные препараты также обладают мутагенным эффектом. Например, цитостатики, производные этиленимина, нитрозомочевина. Они повреждают ДНК в процессе репликации.

Химические мутагены могут вызывать нарушение мейоза, приводящее к нерасхождению хромосом, разрыву хромосом, точковым мутациям. Некоторые химические мутагены проходят через метаболическую систему организма самыми непредсказуемыми путями, превращаются в другие соединения. При этом они могут потерять свою мутагенную активность, или приобрести такие мутагенные свойства, которые отсутствовали у исходного соединения. Некоторые немутагенные химические вещества, включившись в обмен веществ, превращаются в мутагены. Например, цитостатик — циклофосфамид — не мутаген, но в организме млекопитающих превращается в высокомутагенное соединение.

Кроме мутагенов физической и химической природы, в окружающей среде имеются биологические факторы мутагенеза.

Вирусы оспы, кори, ветряной оспы, эпидемического паротита, гепатита, краснухи и др. способны вызывать разрывы хромосом. Вирусы могут усиливать темпы мутации клеток хозяина за счет подавления активности репарационных систем. Есть данные о возрастании числа хромосомных перестроек в клетках человека после пандемий, вызванных вирулентными вирусами.

Возникновение мутаций приводит к различным патологиям. Для предотвращения негативных последствий, связанных с действием различных мутагенных факторов среды, проводят мероприятия, снижающие вероятность возникновения мутаций. С этой целью используют вещества, называемые антимутагенными. В настоящее время выделено около 200 природных и синтетических соединений, обладающих антимутагенной активностью. Это аминокислоты (гистидин, метионин и др.), витамины (токоферол, каротин, ретинол, аскорбиновая кислота и др.), ферменты (оксидаза, каталаза и др.), интерферон и др.

Потребляемая пища содержит большое количество мутагенов и антимутагенов. Их соотношение зависит от способов обработки пищи, сроков ее хранения и т.д. Правильное питание — один из путей предотвращения вредного воздействия мутагенных факторов среды.

ПредыдущаяСледующая

Виды мутагенов

Теперь, когда вы знаете, что это – мутаген, можно немного углубиться в тему. Как уже отмечалось, к мутагенам можно отнести любые факторы, приводящие к мутации. Теперь стоит разделить их на две категории – эндогенные и экзогенные.

Первые вырабатываются в организме любого живого существа на протяжении всей эволюции. Эндогенные (внутренние) мутагены могут активизироваться в случае, если условия окружающей среды, к которому организм привык за тысячи и миллионы лет, внезапно резко изменились. В остальное же время они дремлют, никак не проявляясь.

Более интересными являются внешние, или экзогенные мутагены. Они гораздо более многочисленные и могут привести к возникновению мутаций в любой момент. Поэтому они представляют наибольшую опасность для любых живых организмов, включая людей. Неслучайно работают целые научные институты, главной целью которых является выявление мутагенов в различных продуктах питания. Любой продукт, прежде чем попасть на полки магазинов, в обязательном порядке проходит через сложную систему тестов и проверок.

В художественной литературе

В научной фантастике мутагены часто представляют как вещества, способные полностью изменить форму реципиента или наделить его сверхспособностями. Мощные излучения являются агентами мутации для супергероев из « Фантастической четверки» Marvel Comics , Сорвиголовы и Халка , в то время как во франшизе « Черепашки-ниндзя » мутаген является химическим агентом, также называемым «слизью», а для нелюдей мутаген является мутагеном. Terrigen Mist . Мутагены также используются в видеоиграх, таких как Cyberia , The Witcher , Metroid Prime: Trilogy , Resistance: Fall of Man , Resident Evil , Infamous , Freedom Force , Command & Conquer , Gears of War 3 , StarCraft , BioShock , Fallout и Maneater. . В фильмах о «ядерных монстрах» 1950-х годов ядерное излучение мутирует людей и обычных насекомых, зачастую до огромных размеров и агрессивности; эти фильмы включают Годзиллу , они ! , Атака 50-футовой женщины , Тарантул! , и Удивительный колоссальный человек .

Как ограничить действие канцерогенов?

Специалисты считают, что канцерогенез протекает в организме человека перманентно и им можно управлять. В силу того, что злокачественные клетки являются для нас инородными, иммунная система быстро распознает их и успешно разрушает. Таким образом, укрепляя собственный иммунитет, можно успешно противостоять не только вредному влиянию канцерогенов, но и онкологическим заболеваниям. Доказательство этому – клинические наблюдения за пациентами с признаками ослабления иммунной системы, у которых злокачественные новообразования встречаются в десятки раз чаще, чем у людей с крепким иммунитетом. При этом уже образованная опухоль обладает ярко выраженным иммуносупрессивным действием. Подавляя естественную сопротивляемость организма, она беспрепятственно разрастается и дает метастазы.

Что касается самих канцерогенов, то избежать их влияния на 100% невозможно. Ультрафиолетовые лучи, выбросы промышленных предприятий, выхлопные газы автомобилей и множество других факторов повышают концентрацию канцерогенов в окружающей среде. От них не скрыться в квартире, напичканной бытовой химией, отделочными материалами, микроволновыми печами, датчиками пожара, ионизаторами и прочей техникой. Не говоря уже о том, что профессиональная деятельность человека может быть связана с горным делом, химической промышленностью, производством кожи, асбеста, деревообработкой, строительством, ремонтом и другими сферами, предполагающими непосредственный контакт с сильнейшими канцерогенами. Что же делать?

Все очень просто! Если избежать контакта с канцерогенами невозможно, то необходимо ограничить их дозу и длительность воздействия. Для этого нужно взять на вооружение несколько простых рекомендаций.

1. Исключить из рациона продукты питания сомнительного происхождения и качества.
2. Ограничить потребление продуктов с консервантами.
3. Не злоупотреблять копченостями и блюдами, приготовленными на гриле или на открытом огне.
4. Не пережаривать мясо, рыбу и другие продукты, а так же регулярно менять масло для жарки.
5. Избегать продуктов питания с высоким содержанием пищевых добавок.
6. Отказаться от курения и электронных сигарет.
7. Ограничить потребление спиртных напитков до минимума, а лучше вообще отказаться от них.

Ну, и, конечно же, укреплять свой иммунитет. Увеличить физическую активность и стараться придерживаться принципов здорового образа жизни. Раз в год проходить обследование на рак, скрытые инфекции и другие патологии.

Выявление источников мутагенов в окружающей среде (косвенно) и оценка возможных последствий их влияния на собственный организм

Источники мутагенов способны оказывать косвенное влияние на окружающую среду и здоровье человека. Рассмотрим основные категории данных опасных соединений и особенности их воздействия:

Смотри также:

• Виды мутаций и их причины. Значение изменчивости в жизни организмов и в эволюции
• Значение генетики для медицины. Наследственные болезни человека, их причины, профилактика
• Селекция, ее задачи и практическое значение

Химический мутагенез

Ультрафиолет сильно поглощается тканями и вызывает мутации лишь в поверхностно расположенных клетках многоклеточных животных, однако на одноклеточных он действует эффективно. Мутагенное действие ультрафиолета было установлено в 1931 г. А.Н.Промптовым.

Другими физическими мутагенами являются частицы разной природы, имеющие высокую энергию: это альфа- и бета-излучения радиоактивных веществ и нейтронное излучение.

В случае прямого влияния на ДНК основную роль играют два параметра: величина энергии воздействующей частицы и способность биологического материала поглощать эту энергию.

Повреждения ДНК могут быть двух типов: двунитевые и однонитевые разрывы.

Мутации может вызывать также высокая или низкая температура. В 1928 г. Меллер показал, что повышение температуры на 10 градусов по С повышает частоту мутаций у дрозофил в 2-3 раза.

Зная способ действия этих мутагенов, можно было предположить, что они должны действовать на ДНК любых организмов.

И действительно, вскоре было обнаружено, что например, рентгеновские лучи вызывают мутации у самых разных животных, растений и микроорганизмов.

Выяснено, что мутации, вызванные излучениями, могут затрагивать любые признаки организма, так как квант излучения или частица с высокой энергией чисто случайно может повредить любой участок ДНК. Число возникающих мутаций тем больше, чем выше интенсивность излучения, то есть чем больше квантов или частиц попало в клетку в единицу времени.

Также было показано, что физические факторы вызывают те же мутации, которые возникают и при спонтанном мутагенезе.

У высших живых существ есть вещества, ослабляющие действие излучения фотопротекторы, а многие растения содержат алкалоиды и кумарины, они усиливают процессы, вызванные радиацией и эти вещества опасны для животных.

Физические мутагены и их действие сильно зависит от предварительной эволюции организма.

К постоянно действующим мутагенам виды выработали устойчивость. Физический мутагенез может не регистрироваться из-за быстрой гибели мутантных организмов.

К химическим мутагенам относятся многие химические соединения самого разнообразного строения. Наибольшую мутагенную активность проявляют различные алкилирующие соединения, а также нитрозосоединения, некоторые антибиотики, обладающие противоопухолевой активностью.

Химические мутагены делят на мутагены прямого действия (соединения, реакционная способность которых достаточна для химической модификации ДНК, РНК и некоторых белков), и мутагены непрямого действия (промутагены — вещества, которые сами по себе инертны, но превращаются в организме в мутагены, в основном в результате ферментативного окисления).

Мишенью действия мутагенов в клетке являются ДНК и некоторые белки.

Физические мутагены

К физическим мутагенам относятся все виды электромагнитных излучений. При этом, чем меньше длина волны излучения, тем больше количество содержащейся в нём энергии и большая способность проникать внутрь живых клеток.

Инфракрасное излучение (тепловое). Обладает незначительной способностью вызывать мутации так же, как высокие и низкие температуры.

Ультрафиолетовое излучение. Обладает слабой способностью проникать внутрь клеток, но под его воздействием легко изменяется ДНК, что приводит к структурным нарушениям на молекулярном уровне, способствуя появлению рака кожи.

Ионизирующее излучение (гамма- и рентгеновские лучи, протоны, нейтроны и др.). Самый опасный вид излучения, под воздействием его лучей даже электроны сходят с атомных орбит, что приводит к появлению химически активных положительно-заряженных ионов внутри клетки. Воздействие ионизирующего излучения может отрицательно влиять на ДНК и хромосомы, вызывая мутации. Однако, если мутации не произошли непосредственно в половых клетках, то они не наследуются. Риск подвергнуться сильному ионизирующему облучению присутствует в местах выхода на поверхность урановых руд, на высокогорье от космических лучей, в местах ядерных испытаний и выбросов, а также при использовании рентгеновских лучей в медицине. Первые искусственные химические мутации получены у дрожжей под воздействием радиоактивного излучения радия в 1925 году Г. А. Надсеном и Г. С. Филипповым. С помощью рентгеновского излучения Г. Меллером в 1927 г. впервые были получены мутации у дрозофилы. Частота мутаций, возникающих у дрозофилы (и других организмов), прямо пропорциональна дозе облучения. Определенная доза облучения вызывает одинаковое число мутаций как при однократном сильном, так и при нескольких облучениях небольшими дозами.

Единицей дозы излучения служит рентген (Р) — количество излучения, которое вызывает образование 2*109 пар ионов/см3 воздуха. На практике пользуются единицей рад , служащей мерой поглощения энергии; в воздухе 1 Р эквивалентен 0,876 рад.

ссылки

1. Альбертс Б., Брей Д., Хопкин К., Джонсон А.Д., Льюис Дж., Рафф М., … и Уолтер П. (2015). Основная клеточная биология. Гирлянда Наука.
2. Купер Дж. М. и Хаусман Р. Э. (2000). Клетка: Молекулярный подход. Sinauer Associates.
3. Curtis, H. & Barnes, N.S. (1994). Приглашение к биологии. Macmillan.
4. Карп Г. (2009). Клеточная и молекулярная биология: концепции и эксперименты. Джон Вили и сыновья.
5. Lodish, H., Berk, A., Darnell, J.E., Kaiser, C.A., Krieger, M., Scott, M.P., … & Matsudaira, P. (2008). Молекулярно-клеточная биология. Macmillan.
6. Singer B. & Kusmierek, J. T. (1982). Химический мутагенез. Ежегодный обзор биохимии, 51(1), 655-691.
7. Voet, D. & Voet, J. G. (2006). биохимия. Ed. Panamericana Medical.

Открытие

Первыми мутагенами, которые были идентифицированы, были канцерогены , вещества, которые, как было показано, связаны с раком . Опухоли были описаны более чем за 2000 лет до открытия хромосом и ДНК ; в 500 г. до н.э. греческий врач Гиппократ назвал опухоли, напоминающие краба каркинос (от которого слово «рак» происходит от латинского), что означает краб. В 1567 году швейцарский врач Парацельс предположил, что неидентифицированное вещество в добытой руде ( в современное время называемое газом радоном ) вызывало у шахтеров болезнь истощения, а в 1761 году в Англии Джон Хилл впервые установил прямую связь рака с химическими веществами. отмечая, что чрезмерное употребление нюхательного табака может вызвать рак носа. В 1775 году сэр Персивалл Потт написал статью о высокой заболеваемости раком мошонки у трубочистов и предположил, что дымоходная сажа является причиной рака мошонки. В 1915 году Ямагава и Итикава показали, что повторное нанесение каменноугольной смолы на уши кролика вызывает злокачественный рак. Впоследствии, в 1930-х годах, канцерогенный компонент каменноугольной смолы был идентифицирован как полиароматический углеводород (ПАУ), бензо пирен . Полиароматические углеводороды также присутствуют в саже, которая, как предполагалось, была возбудителем рака более 150 лет назад.

Связь воздействия радиации и рака наблюдалась еще в 1902 году, через шесть лет после открытия рентгеновских лучей Вильгельмом Рентгеном и радиоактивности Анри Беккерелем . Георгий Надсон и Герман Филиппов были первыми, кто создал мутанты грибов под действием ионизирующего излучения в 1925 году. Мутагенные свойства мутагенов были впервые продемонстрированы в 1927 году, когда Герман Мюллер обнаружил, что рентгеновские лучи могут вызывать генетические мутации у плодовых мушек , вызывая также фенотипические мутанты. как наблюдаемые изменения хромосом, видимые из-за наличия увеличенных «политенных» хромосом в слюнных железах плодовой мушки. Его сотрудник Эдгар Альтенбург также продемонстрировал мутационный эффект УФ-излучения в 1928 году. Мюллер продолжал использовать рентгеновские лучи для создания мутантов дрозофилы, которые он использовал в своих исследованиях генетики . Он также обнаружил, что рентгеновские лучи не только мутируют гены у плодовых мушек, но также влияют на генетический состав человека. Аналогичная работа Льюиса Стадлера также показала мутационный эффект рентгеновских лучей на ячмень в 1928 году и ультрафиолетового (УФ) излучения на кукурузу в 1936 году. Эффект солнечного света ранее был отмечен в девятнадцатом веке, когда были обнаружены сельские рабочие и моряки. быть более предрасположенным к раку кожи.

Химические мутагены не вызывали мутаций до 1940-х годов, когда Шарлотта Ауэрбах и Дж. М. Робсон обнаружили, что горчичный газ может вызывать мутации у плодовых мух. С тех пор было идентифицировано большое количество химических мутагенов, особенно после разработки Брюсом Эймсом теста Эймса в 1970-х годах, который проверяет мутагены и позволяет предварительно идентифицировать канцерогены. Ранние исследования Эймса показали, что около 90% известных канцерогенов могут быть идентифицированы в тесте Эймса как мутагенные (однако более поздние исследования дали более низкие цифры), и ~ 80% мутагенов, идентифицированных с помощью теста Эймса, также могут быть канцерогенами. Мутагены не обязательно являются канцерогенами, и наоборот. Азид натрия, например, может быть мутагенным (и высокотоксичным), но канцерогенность не доказана.

Как они действуют? Виды мутаций, вызванных мутагенными агентами.

Наличие мутагенных агентов вызывает изменения в основаниях ДНК. Если результат включает в себя замену пиримидинового или пиримидинового основания на одно и то же химическое строение, мы говорим о переходе.

Напротив, если изменение происходит между основаниями разных типов (пурином пиримидином или иным образом), мы называем процесс трансверсией. Переходы могут произойти из-за следующих событий:

Таутомеризация оснований

В химии термин изомер используется для описания свойства молекул с одинаковой молекулярной формулой представления различных химических структур. Таутомеры — это изомеры, которые отличаются только от своей пары положением функциональной группы, и между двумя формами существует химическое равновесие..

Тип таутомерии кето-енол, где происходит миграция водорода и чередуется между обеими формами. Есть также изменения между имино-амино-формой. Благодаря своему химическому составу основы ДНК испытывают это явление.

Например, аденин обычно находится в виде аминокислоты и пары — обычно — с тимином. Тем не менее, когда он обнаружен в их иноизомере (очень редко), он соединяется с неправильным основанием: цитозином.

Включение аналогичных баз

Включение молекул, которые напоминают основания, может помешать модели спаривания оснований. Например, включение 5-бромурацила (вместо тимина) ведет себя как цитозин и приводит к замене пары AT на пару CG.

Прямое действие на базах

Прямое действие определенных мутагенов может напрямую влиять на основания ДНК. Например, азотистая кислота превращает аденин в аналогичную молекулу, гипоксантин, посредством реакции окислительного дезаминирования. Эта новая молекула соединяется с цитозином (а не с тимином, как это обычно бывает с аденином).

Изменение также может происходить в цитозине, и в результате дезаминирования получается урацил. Замена одного основания в ДНК имеет прямые последствия для процессов транскрипции и трансляции пептидной последовательности.

Стоп-кодон может появиться заранее, и трансляция останавливается преждевременно, влияя на белок.

Добавление или удаление баз

Некоторые мутагены, такие как интеркалирующие агенты (в частности, акридин) и ультрафиолетовое излучение, способны модифицировать нуклеотидную цепь.

Интеркалирующими агентами

Как уже упоминалось, интеркалирующие агенты представляют собой плоские молекулы и обладают способностью переслоенный (отсюда и название) между основаниями нити, искажая его.

Во время репликации эта деформация в молекуле приводит к делеции (т.е. потере) или вставке оснований. Когда ДНК теряет базы или добавляются новые, это влияет на открытую рамку считывания..

Напомним, что генетический код включает считывание трех нуклеотидов, кодирующих аминокислоту. Если мы добавим или удалим нуклеотиды (в количестве, которое не равно 3), все считывания ДНК будут затронуты, и белок будет совершенно другим.

Эти типы мутаций называются сдвиг кадра или изменения в составе триплетов.

Ультрафиолетовое излучение

Ультрафиолетовое излучение является мутагенным агентом и является обычным неионизирующим компонентом обычного солнечного света. Однако компонент с самой высокой мутагенной скоростью захватывается озоновым слоем земной атмосферы..

Молекула ДНК поглощает излучение, и происходит образование димеров пиримидина. То есть пиримидиновые основания связаны ковалентными связями.

Смежные тимины в цепи ДНК могут соединяться, образуя димеры тимина. Эти структуры также влияют на процесс репликации.

В некоторых организмах, таких как бактерии, эти димеры могут быть восстановлены благодаря присутствию репаративного фермента, называемого фотолиазой. Этот фермент использует видимый свет для преобразования димеров в две отдельные основы.

Однако эксцизионная репарация нуклеотидов не ограничивается ошибками, вызванными светом. Механизм ремонта обширен и может восстанавливать повреждения, вызванные различными факторами..

Когда люди подвергают нас чрезмерному воздействию солнца, наши клетки получают чрезмерное количество ультрафиолетового излучения. Следствием этого является образование димеров тимина, которые могут вызвать рак кожи..

Защита среды от загрязнения мутагенами

После выявления отрицательного воздействия мутагенов на все живое, человек всерьез задумался о защите окружающей среды от этих опасных факторов. На сегодняшний день мерами защиты человеческого организма и природы от вредных мутагенных воздействий являются:

1. Изъятие с последующей нейтрализацией мутагенных факторов.
2. Создание в промышленности безотходных технологий с замкнутыми циклами производства.
3. Прохождение тестирования на наличие мутагенных свойств пестицидами и фармацевтическими препаратами.
4. Выведение устойчивых сортов растений, способных произрастать без применения средств химзащиты.
5. Применение в сельском хозяйстве биологических средств защиты вместо химических.

С целью снижения темпов мутационного процесса в природе и человеческом организме принято решение применять антимутагены (соединения, снижающие частоту мутаций). Установлено более 200 природных синтетических соединений:

Их действие позволяет нейтрализовать мутагены по отношению к молекулам ДНК либо снимать повреждения ДНК, вызванные мутагенными частицами. Наиболее известными антимутагенными свойствами обладают:

• дневной свет;
• витамины;
• серотонин;
• глутамин;
• каротин. 

Защититься от вредных мутагенов помогают иммунные свойства организма. Поэтому рекомендуется приниматься как можно раньше за лечение хронических заболеваний организма, способных ослаблять иммунитет и усиливать действие мутагенов. Во взрослом состоянии рекомендуется периодически очищать печень травяными сборами, способными биотрансформировать вредные вещества. Среди таких сборов особенно полезны:

• володушка золотистая;
• расторопша пятнистая. 

Не рекомендуется пить разные медикаментозные средства, не проконсультировавшись предварительно с врачом. Особенно следует опасаться антибиотиков! При возникновении необходимости их приема рекомендуется параллельно принимать медикаменты с полезными бактериями, обеспечивающими защиту от мутагенов. 

Усилению вредного действия мутагенов способствуют «комутагенамы», к которым относят:

• отдельные фармакологические препараты;
• кофеин;
• гельминтные токсины.

Отдельные пищевые добавки также могут вызывать развитие в организме мутаций. Это:

• натриевый нитрит (Е250);
• натриевый цикламат (Е952);
• сахарин (Е954);
• аспартам (Е 951);
• натриевый глутамат (Е621).

Не рекомендуется употреблять часто и в больших количествах пищу, богатую данными соединениями. Вредное мутагенное влияние на человеческий геном усиливает современное состояние биосферы. Поэтому человек должен остановить загрязнение биосферы мутагенами!