Физические мутагены

2.1 Влияние ионизирующего облучения на живой организм

при действии физических мутагенов возникают так же, как и при действии
мутагенов химических. Вначале возникает первичное повреждение . Если оно не будет полностью исправлено в
результате ,
то при последующем репликативном синтезе будут возникать .
Специфика
(процесса возникновения )
при действии физических факторов связана с характером первичных повреждений , вызываемых ими.

Ионизирующее
излучение
– это поток заряженных или нейтральных частиц и квантов электромагнитного
излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и
возбуждению атомов или молекул среды.

Ионизирующее
излучение может вызвать мутации – внезапные естественные или вызванные
искусственно наследуемые изменения генетического материала, приводящие к
изменению тех или иных признаков организма.

Есть мутации спонтанные,
возникающие под влиянием природных факторов внешней среды или в результате
биохимических изменений в самом организме, и индуцированные, возникающие
под воздействием мутагенных факторов, например, ионизирующего излучения
химических веществ.

Мутации могут
быть прямыми, если их проявление приводит к отклонению от признаков так
называемого дикого типа и обратными, если они приводят к восстановлению
дикого типа.

Мутации в
половых клетках – генеративные – передаются следующим поколениям; мутации в
любых других клетках организма – соматические – наследуются только дочерними
клетками и оказывают воздействие лишь на тот организм, в котором возникли.

Ядерные
мутации затрагивают хромосомы ядра, цитоплазматические – генетический материал,
заключенный в цитоплазматических органоидах клетки – митохондриях, пластидах.

В зависимости
от характера изменений в генетическом материале различают точечные мутации,
геномные мутации и хромосомные аберрации (перестройки). Точечные мутации
представляют собой результат изменения последовательности нуклеотидов в
молекуле ДНК, являющейся носителем генетической информации и связаны с
добавлением, выпадением или перестановкой оснований в ДНК. Геномные мутации
связаны с изменением числа хромосом в клетке, кратным одинарному набору
хромосом, а также увеличением или уменьшением числа отдельных хромосом.

Радиоактивные
вещества могут воздействовать на организм человека внешне и внутренне. Внешнее
облучение характеризуется воздействием ионизирующего излучения извне и обусловлено
различной проникающей способностью частиц. Внутреннее облучение связано с
попаданием радиоактивного вещества внутрь человеческого организма с пищей, с
вдыхаемым воздухом или через открытую рану.

Воздействие
радиоактивного излучения на организм человека зависит от многих факторов и
определяется:

— скоростью
радиоактивного распада радионуклида;

— скоростью
выведения РВ из организма;

— типом
радиоактивного излучения;

Острые
последствия проявляются в первые несколько дней (недель) после облучения.
Отдаленные последствия – последствия, которые развиваются не сразу после
облучения, а спустя некоторое время.

Острая
лучевая болезнь возникает после тотального однократного внешнего равномерного
облучения. Между величиной поглощенной дозы в организме и средней продолжительностью
жизни существует строгая зависимость.

При воздействии ионизирующего излучения в дозах, не вызывающих
острую или хроническую лучевую болезнь, происходит изменениях в основных
регуляторных системах организма и функциональные изменения деятельности
основных физиологических систем чаще всего носят полисиндромный характер. Это
проявляется в развитии донозологических состояний, переходящих с ростом дозы к
клинической патологии.

В структуре неврологической заболеваемости особое место занимает
синдром вегетативной дистонии, повышения тревожности как устойчивой личностной
черты, отмечается ускорение перехода психофизиологических расстройств в стойкие
психосоматические.

При
дополнительном воздействии других неблагоприятных факторов существует вероятность
роста общесоматических заболеваний. Радиационный фактор выступает лишь как одно
из условий этого роста.

Классификация

Мутагенами могут быть различные факторы, вызывающие изменения в структуре генов, структуре и количестве хромосом. По происхождению мутагены классифицируют на эндогенные, образующиеся в процессе жизнедеятельности организма и экзогенные — все прочие факторы, в том числе и условия окружающей среды.

По природе возникновения мутагены классифицируют на физические, химические и биологические:

Физические мутагены

• ионизирующее излучение (рентгеновское- и гамма-излучения);
• электромагнитное излучение (ультрафиолетовое, в некоторых случаях — видимый свет);
• радиоактивный распад;.

Химические мутагены

Химические мутагены являются самыми распространёнными в группе. К ним относятся следующие группы соединений:

• некоторые алкалоиды: колхицин — один из самых распространённых в селекции мутагенов, винкамин, подофиллотоксин;
• окислители и восстановители (нитраты, азотистая кислота и её соли — нитриты, активные формы кислорода);
• алкилирующие агенты (например, иодацетамид, эпоксибензантрацен);
• нитропроизводные мочевины: нитрозометилмочевина, нитрозоэтилмочевина, нитрозодиметилмочевина — часто применяются в сельском хозяйстве;
• этиленимин, этилметансульфонат, диметилсульфат, 1,4-бисдиазоацетилбутан (известный как ДАБ);
• некоторые пестициды (пестициды группы альдрина, гексахлоран);
• некоторые пищевые добавки (например, ароматические углеводороды (бензол и т.п.), цикламаты);
• продукты переработки нефти;
• органические растворители;
• лекарственные препараты (например, цитостатики, препараты ртути, иммунодепрессанты).

К химическим мутагенам условно можно отнести и ряд вирусов (мутагенным фактором вирусов являются их нуклеиновые кислоты — ДНК или РНК).

Биологические мутагены

• специфические последовательности ДНК  — транспозоны;
• некоторые вирусы (вирус кори, краснухи, гриппа);
• продукты обмена веществ (продукты окисления липидов);
• антигены некоторых микроорганизмов.

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.

[править] Химические мутагены

Способность химических веществ вызывать мутации открыта в 1932 В. В. Сахаровым (действием иода на дрозофилы). Систематизация химических мутагенов начата в 1945 году, и с тех пор в список входят различные вещества, число которых возрастает по мере обнаружения мутагенного действия соединений, ранее в этом отношении не изученных. Наиболее сильные химические мутагены, увеличивающие частоту мутаций в сотни раз, называются супермутагенами. К химическим мутагенам относятся:

• азотистая кислота;
• акридиновые красители;
• алкилирующие агенты (например, иприт, диметилсульфат, нитрозометилмочевина, иодацетамид);
• аналоги азотистых оснований нуклеиновых кислот (например, 5-бромурацил, 2-аминопурин);
• лекарственные препараты (например, цитостатики, препараты ртути, иммунодепрессанты, некоторые алкалоиды);
• некоторые пищевые добавки (например, ароматические углеводороды, цикламаты);
• органические растворители;
• перекись водорода;
• пестициды (например гербициды, фунгициды);
• продукты переработки нефти, бензол;
• биополимеры (чужеродная ДНК, а также, по-видимому, чужеродная РНК);
• формальдегид.

Когда мутагены идут на пользу

Но говоря о вреде мутагенов, стоит подчеркнуть, что именно благодаря мутациям возможна эволюция. Из простейшей амебы развились сложные существа, а из обезьяны, согласно известной теории, — человек. Взгляните на окружающий вас удивительный мир. Каждое последующее поколение животных, птиц, рыб и растений приспосабливалось, старалось получить какие-то преимущества. Все это стало возможным благодаря миллионам накопленных мутаций: острые зубы, защитная окраска, ночное зрение и многое другое, позволяющее живым организмам выживать в агрессивной среде.

Поэтому стоит признать, что мутагены сыграли огромную положительную роль в создании современного мира.

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.

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..

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.

Эффекты

Мутагены могут вызывать изменения в ДНК и, следовательно, генотоксичны . Они могут влиять на транскрипцию и репликацию ДНК, что в тяжелых случаях может привести к гибели клеток. Мутаген вызывает мутации в ДНК, и вредная мутация может привести к аберрантной, нарушенной или потере функции конкретного гена, а накопление мутаций может привести к раку. Следовательно, мутагены также могут быть канцерогенами. Однако некоторые мутагены проявляют свой мутагенный эффект через свои метаболиты, и поэтому то, действительно ли такие мутагены становятся канцерогенными, может зависеть от метаболических процессов в организме, а соединение, оказывающее мутагенное действие в одном организме, не обязательно может быть канцерогенным для другого.

Различные мутагены по-разному действуют на ДНК. Мощные мутагены могут привести к хромосомной нестабильности, вызывая хромосомные разрывы и перестройку хромосом, такую ​​как транслокация , делеция и инверсия . Такие мутагены называют кластогенами .

Мутагены также могут изменять последовательность ДНК; изменения в последовательностях нуклеиновых кислот в результате мутаций включают замену пар нуклеотидных оснований, а также вставки и делеции одного или нескольких нуклеотидов в последовательностях ДНК. Хотя некоторые из этих мутаций являются летальными или вызывают серьезное заболевание, многие из них имеют незначительные эффекты, поскольку они не приводят к изменениям остатков, которые существенно влияют на структуру и функцию белков . Многие мутации молчащие мутации , не вызывая никаких видимых эффектов на всех, либо потому , что они встречаются в некодирующих или нефункциональных последовательностях, или они не изменяют аминокислотную последовательность из — за избыточности из кодонов .

Некоторые мутагены могут вызывать анеуплоидию и изменять количество хромосом в клетке. Они известны как анеуплоидогены.

В тесте Эймса, где в тесте используются различные концентрации химического вещества, полученная кривая доза-ответ почти всегда линейна, что предполагает отсутствие порога мутагенеза. Аналогичные результаты получены и в исследованиях с радиацией, что указывает на то, что безопасного порога для мутагенов может не быть . Однако беспороговая модель оспаривается некоторыми аргументами в пользу порога мутагенеза, зависящего от мощности дозы . Некоторые предполагают, что низкий уровень некоторых мутагенов может стимулировать процессы репарации ДНК и, следовательно, не обязательно быть вредным. Более поздние подходы с чувствительными аналитическими методами показали, что могут быть нелинейные или билинейные зависимости от дозы для генотоксических эффектов, и что активация путей репарации ДНК может предотвратить возникновение мутации, возникающей из-за низкой дозы мутагена.

Что такое мутагены, и как они влияют на организм?

Ежедневно человеческий организм подвергается воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды

Многие из них так или иначе сказываются на состоянии здоровья и, что очень важно, влияют на будущее поколение. Одним из самых пагубных факторов является мутаген

Что такое мутаген? И какое влияние он оказывает на человека или иной организм? Давайте рассмотрим это.

Определение

Это понятие довольно часто находится на слуху у современного человека, но мало кто знает, что такое мутаген.

Так называют некоторую совокупность факторов, которая оказывает серьезное влияние на организм и влечет за собой определенные мутации, иными словами — наследственные изменения.

Впервые мутации были получены во время экспериментальной работы, в процессе которой на дрожжи воздействовали изучением такого радиоактивного элемента, как радий.

Мутагены — это определенный набор факторов, который воздействует на организм, внося изменения в структуру генетического аппарата. Эти изменения могут наблюдаться на разных уровнях: от генных до хромосомных.

Учитывая то, что мутагены — это множество факторов, их можно подразделить на:

• Физические.
• Биологические.
• Химические.

Физические

Что такое мутагены физического характера? Это определенные факторы, которые включают в себя воздействия различного рода излучений. Последние могут быть как электромагнитными, так и ионизирующими.

В природе существуют свои собственные фоны излучений, которые, не превышая определенный уровень, не приносят вреда организму. Однако, если порог подобного процесса в окружающей среде поднимется, это может привести к мутациям. Кроме того, сильное радиоактивное излучение провоцирует лучевую болезнь и даже летальный исход.

Также к физическим факторам можно отнести температурный режим, а точнее, его резкие перепады, аномально высокие или низкие показатели.

Химические

Химические факторы, среди прочих, наиболее распространены в окружающей среде. Источниками мутагенов такого характера могут служить:

• Продукты нефтяной переработки.
• Некоторые из лекарственных препаратов.
• Многие химические пищевые добавки.
• Некоторые представители пестицидной группы.
• Растворители органического происхождения.
• Кислоты и щелочи.

Также к химическим факторам можно отнести определенную группу вирусов, нуклеиновые кислоты которых оказывают мутагенное воздействие.

Пагубное влияние многих соединений было обнаружено сравнительно недавно, менее ста лет назад. За этот период было открыто огромное количество веществ, которые окружают человека в повседневной жизни и приводят к мутационным изменениям.

Химические мутагены опасны также и тем, что одновременно с развитием мутаций они могут оказывать канцерогенное влияние, то есть провоцировать образование злокачественных и доброкачественных опухолей.

Биологические

Биологические мутагены представлены зачастую многими вирусами, проникающими в организм и влияющими на образование мутаций. К таким факторам можно отнести такие распространенные вирусы, как корь и грипп. Они могут провоцировать такое явление, как наследственная изменчивость.

К мутагенам биологического характера можно отнести продукты распада и обмена веществ и некоторые антигены, попадающие в организм.

Также к биологическим факторам, воздействующим на организм, можно отнести некоторых представителей растительного мира. Например, безвременник осенний.

Влияние мутагенов на организм

Огромное количество мутаций, которые человек накопил за годы эволюции естественным путем, хранятся в генотипе так называемым генетическим грузом. Многие из них были полезны и поспособствовали определенным эволюционным продвижениям. Однако вредные накопленные мутации стали причиной множества генетических и наследственных болезней.

Что такое мутаген в нашей жизни? Это наше постоянное окружение. Плохая экологическая ситуация, загрязненность воздуха химическими веществами, продукты и бытовые приспособления, содержащие в своем составе мутагены, негативно влияют на организм человека, способствуя развитию генетических аномалий в организме и, как следствие, возникновению различных дефектов у нового поколения.

Многократно увеличенное количество мутагенов формирует огромное число мутаций, которые популяция не в состоянии переработать эволюционным путем. Этот факт может поставить сообщество организмов под угрозу вымирания.

Мутагены влияют не только на появление новых особей с несколько иной структурой генетической системы, но также способствуют появлению у ныне живущих организмов склонности к различного рода серьезным заболеваниям, например, онкологии.