Физические мутагены

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.

Генные мутации

Они представляют собой трансформацию последовательности нуклеотидов. Мутационный процесс в этом случае изменяет характер действия гена. Обычно имеет место молекулярная трансформация, вызывающая фенотипический эффект. Предположим, что в определенном гене в конкретной точке кодов есть ЦТТ, кодирующий глутаминовую кислоту. При замене только одного нуклеотида он может превратиться в кодон ГТТ. Он будет участвовать в синтезе не глутаминовой кислоты, а глутамина. Исходная и мутантная белковые молекулы отличаются, и, вероятно, это повлечет вторичные различия фенотипического характера. Точная репликация нового аллеля будет происходить до момента, пока не случится новое изменение. При генной мутации таким образом возникает серия или пара гомологичных элементов. Можно сделать и обратный вывод. Наличие аллельной изменчивости по тому или иному гену означает, что он в определенное время подвергался мутации.

Что такое мутация?

Прежде чем войти в тему мутагенов, необходимо объяснить, что такое мутация. В генетике мутация — это постоянное и наследуемое изменение последовательности нуклеотидов в молекуле генетического материала: ДНК.

Вся информация, необходимая для развития и контроля организма, находится в его генах, которые физически расположены в хромосомах. Хромосомы состоят из длинной молекулы ДНК.

Как правило, мутации влияют на функцию гена, и он может потерять или изменить свою функцию..

Поскольку изменение последовательности ДНК затрагивает все копии белков, определенные мутации могут быть чрезвычайно токсичными для клетки или организма в целом.

Мутации могут возникать в разных масштабах у организмов. Точечные мутации влияют на одно основание в ДНК, тогда как мутации более крупного масштаба могут затрагивать целые области хромосомы..

Всегда ли мутации смертельны??

Неправильно думать, что мутация всегда приводит к возникновению заболеваний или патологических состояний организма, который ее переносит. На самом деле, есть мутации, которые не изменяют последовательность белков. Если читатель хочет лучше понять причину этого факта, он может прочитать о вырожденности генетического кода.

На самом деле, в свете биологической эволюции, состояние непременное условие для того, чтобы произошли изменения в популяции, существует наличие вариаций. Эта вариация возникает из-за двух основных механизмов: мутации и рекомбинации.

Таким образом, в контексте дарвиновской эволюции необходимо, чтобы в популяции были варианты, и чтобы эти варианты ассоциировались с большей биологической адаптацией..

Как возникают мутации?

Мутации могут возникать спонтанно или могут быть вызваны. Собственная химическая нестабильность азотистых оснований может быть преобразована в мутации, но с очень низкой частотой.

Частой причиной спонтанных точечных мутаций является дезаминирование цитозина до урацила в двойной спирали ДНК. Процесс репликации этой цепи приводит к дочернему мутанту, где исходная пара GC была заменена на пару AT..

Хотя репликация ДНК — это событие, которое происходит с удивительной точностью, оно не является совершенным во всей полноте. Ошибки в репликации ДНК также приводят к появлению спонтанных мутаций.

Кроме того, естественное воздействие на организм определенных факторов окружающей среды приводит к появлению мутаций. Среди этих факторов мы имеем ультрафиолетовое излучение, ионизирующее излучение, различные химические вещества, среди других.

Эти факторы являются мутагенными. Далее мы опишем классификацию этих агентов, как они действуют и их последствия в клетке.

2.1 Влияние ионизирующего облучения на живой организм

Мутациипри действии физических мутагенов
возникают так же, как и при действии
мутагенов химических. Вначале возникает
первичное повреждениеДНК.
Если оно не будет полностью исправлено
в результатерепарации,
то при последующем репликативном синтезеДНКбудут возникатьмутации.
Спецификамутагенеза(процесса возникновениямутаций)
при действии физических факторов связана
с характером первичных поврежденийгенома,
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.

Любому школьнику знакомо такое слово, как мутаген. Это изучается еще в курсе биологии средней школы. Но при этом не все взрослые люди смогут легко ответить, что же означает это слово, не говоря уж о наличии общего представления о том, как мутагены могут воздействовать на различные живые организмы. Поэтому будет полезно рассказать о них поподробнее, устраняя данный пробел в знаниях.

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.

Дополнительно

Гетерозиготное состояние, диплоидный генотип, «молчащая ДНК» – все это ловушки для мутаций. При вырожденности генетического кода редкости возникновения трансформаций говорят о репарации. Мутационные процессы должны возникать у существующих живых организмов с определенной частотой. Она должна быть достаточной для того, чтобы вызывать изменения, посредством которых популяции выводились бы на новый уровень. Мутации обнаруживаются в различных концентрациях. Часть из них должна участвовать в историческом процессе развития живых организмов, способствуя формированию новых таксонов. Мутации, как правило, появляются без переходов, дискретно и скачкообразно. Появившееся однажды изменение устойчиво. Оно передается потомкам. Мутации возникают не направленно. Одно и то же изменение способно повторяться неоднократно.

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

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

Отличие наследственной изменчивости от модификационной

В отличие от ненаследственной (модификационной, или фенотипической) изменчивости мутации:

• передаются по наследству;
• устойчивы;
• могут быть как вредными, так и полезными;
• возникают внезапно, не развиваются постепенно, не имеют непрерывных рядов изменчивости и нормы реакции;
• ненаправлены (неопределённы) – могут возникать в генах, хромосомах и геноме. Нельзя предсказать, где и когда они появятся и к каким последствиям для организма приведут. Однако есть закономерность в сходном характере наследственной изменчивости у генетически близких видов и родов (см. закон гомологических рядов наследственной изменчивости Н.И. Вавилова);
• проявляются индивидуально, не нося массового характера;
• одинаковые или близкие мутации могут возникать многократно.

Значение мутационного процесса

Важность обуславливается тем, что при постоянном возникновении спонтанных изменений и их сочетаний при скрещивании возникают новые комбинации генов и трансформаций. Это, в свою очередь, неизбежно приводит к наследственным корректировкам в популяции

Роль мутационного процесса состоит в повышении генетической гетерогенности. Вместе с тем без участия прочих факторов он не в состоянии направлять трансформацию природной популяции.

Мутационный процесс – источник элементарного материала, резерва изменчивости. Появление трансформаций обладает статистическим и вероятностным характером. Эволюционное значение процесса заключается в поддержании высокой гетерогенности природных популяций, участии в формировании разнообразных аллелей и возникновении новых генов. Мутационный процесс создает полный спектр изменчивости конкретного генофонда. При своем постоянном течении он обладает ненаправленным и случайным характером.

Положительный эффект

За счет присутствия мутантных аллелей в генофонде в гетерозиготном генотипе исключается непосредственное негативное влияние на фенотипическое выражение того признака, который контролируется данным геном.

За счет гибридной мощности (гетерозиса) многие мутации в гетерозиготном состоянии зачастую способствуют повышению жизнеспособности организма.

Посредством сохранения аллелей, которые не обладают приспособительной ценностью в настоящей среде существования, но способны ее приобрести или в будущем, или при освоении других экологических ниш, формируется резерв изменчивости.

Геномная мутация

Геномные мутации связаны с изменением числа хромосом.

Полиплоидия – вид геномной мутации, связанный с увеличением хромосомного набора. У полиплоидов гаплоидный (n) набор хромосом повторяется не два раза, как у диплоидов, а три, четыре или более. Возникновение такого вида мутации связано с нарушением митоза или мейоза.

Полиплоидия часто встречается среди растений, у животных она тоже может быть, но встречается крайне редко. Растения-полиплоиды с кратным увеличением набора (4n, 6n, 8n и т. д.) отличаются крупными размерами, объёмными плодами, что делает их ценными продуктами питания и незаменимыми объектами для селекции. Организмы с некратным набором хромосом из-за нарушения мейоза (3n, 5n …) наоборот становятся малоплодовитыми. Некоторые виды, например пшеница, иногда могут мутировать с образованием гаплоидного набора, такие растения не способны размножаться половым путём.

Полиплоидия

Полиплоиды у которых повторяется собственный генотип называют автополиплоидами, а возникшие в результате межвидовой гибридизации (с разными наборами хромосом) – аллополиплоидами.

Гетероплоидия, или анеуплоидия – изменение числа хромосом, некратное гаплоидному набору. Трисомия – набор 2n+1, возникает в случае нерасхождения пары гомологичных хромосом, они отходят в гамету вместе. Другая же гамета наоборот будет лишена этой хромосомы и её генотип будет 2n-1 – моносомия. Например, люди с синдромом Дауна трисомики с лишней 21-й хромосомой. Анеуплоидия по большему числу хромосом встречается очень редко. Хотя при таком нарушении присутствуют все гены, иногда совместная работа лишнего числа аллелей приводит к несовместимым с жизнью эффектам.

Синдром Кляйнфельтера, являющийся причиной мужской импотенции, обусловлен тем, что у мужчины появляется лишняя хромосома X. Синдром Тернера – отсутствие у женщины внешних женских признаков – связан с наличием лишь одной хромосомы X вместо положенных двух.

У человека была измерена частота мутаций

В течение многих лет мы могли оценивать уровень мутаций человека только при помощи косвенных методов. Первая попытка их подсчёта предпринята в 1930 г. Дж. Б. С. Холдейном в работе по гемофилии. Теперь с помощью быстрого и дешёвого способа секвенирования целых геномов мы можем непосредственно измерять частоту мутаций человека, сравнивая геномы родителей и потомства.

Недавнее исследование семьи из Исландии говорит о том, что у каждого человека в течение жизни происходит примерно 70 мутаций и 76% из них абсолютно новые. Они наблюдаются в отцовском геноме, и их количество увеличивается с возрастом отца. Другие методы, включая оригинальный метод Холдейна, нашли причину отцовского уклона. Вероятнее всего это отражение популяции стволовых клеток, которые дают начало сперматозоидам, мутирующим с возрастом.

Вставки и удаления не менее 50 оснований встречаются с частотой примерно от 1/5 до 1/10 новых мутаций. Удаления и дублирования происходят гораздо медленнее (1 новая мутация на 42 новорождённых). Некоторые из них – мобильные генетические элементы, засоряющие наш геном, могут активно передвигаться. Скорость вставки мобильного элемента равна 1 на 20 родов.

Если бы со временем в генах не происходило никаких изменений, то эволюции бы не случилось. Однако слишком много изменений вредны для особи. Нужно соблюдение хрупкого баланса между количеством новых вариаций, возникающих у всего вида, и здоровьем отдельных особей.

Адаптивная ценность

Большая часть новых мутантов отличается существенно низкой жизнеспособностью, чем дикий/нормальный тип. При этом она выражается в различной степени: от субвитального едва заметного до полулетального и летального состояния. При анализе жизнеспособности мутантов мухи дрозофилы, появившихся при изменениях в Х-хромосоме, у 90% особей она была ниже, чем у нормальных. У 10% отмечалось супервитальное состояние – повышенная жизнеспособность. В целом же адаптивная ценность появившихся мутантов, как правило, понижена. Она характеризуется функциональной полезностью морфологических признаков и плодовитостью, физиологической жизнеспособностью.