МУТАГЕННЫЕ ФАКТОРЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АППАРАТ ЧЕЛОВЕКА Аргунова В.С. Тюменский государственный медицинский университет Министерства здравоохранения Российской Федерации Тюмень, Россия MUTAGENIC FACTORS AND THEIR INFLUENCE ON THE GENETIC HUMAN DEVICE Argunova V.S. Tyumen state medical university of Health Ministry of the Russian Federation, Tyumen, Russia Содержание Введение……………………………………………………………………… 2 стр. Теоретическая часть………………………………………………………………….3 стр. 1.1 Понятие и виды мутаций 1.2 Мутагенные факторы, виды мутагенных факторов 1.3 Роль мутационного процесса Заключение………………………………………………………………………………. 9 стр. Список использованной литературы………………………………………..10 стр. 1 Введение С древних времён человек заметил, что дети обладают чертами родителей. Если для древнего человека этот процесс оставался тайным и недоступным для понимания, то к началу ХХI века каждый образованный человек знает о том, что наследственная информация заключена в генах – молекулах ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты).В генах закодирована информация об индивидуальной последовательности белков, о принципах строения и функционирования систем организма, принадлежащего к данной систематической группе. Однако ни для кого не секрет, что генетическая информация способна изменяться, данный процесс был назван мутационной изменчивостью. Мутации могут носить как положительный характер, например, повышать резистентность организма к неблагоприятному воздействию со стороны окружающей среды, так и негативный, например, снижать жизнеспособность организма, вызывать необратимые заболевания, несовместимые с жизнью. Установлено, что мутации возникают под влиянием мутагенных факторов, которые могут быть вызваны самыми различными причинами от химического до физического воздействия, но, так или иначе, пагубное воздействие мутагенных факторов направлено в первую очередь на наследственный аппарат человека. Проблема влияния мутагенных факторов на различные системы организма человека стала особенно актуальна в период с конца ХХ века. Технологии значительно шагнули вперёд: человек «приручил» энергию атома, создал новые химические препараты, достижения генной инженерии стали активно внедряться во многие сферы жизни человека. Однако есть и обратная сторона медали: загрязнение окружающей среды мутагенами различной природы. Проблема мутагенного загрязнения на сегодняшний день одна из самых острых. Каким образом мутагены влияют на генетический аппарат человека? Так какую цену придётся заплатить человеку за свои достижения? 2 Теоретическая часть 1.1 Понятие мутаций, виды мутаций. Вся генетическая информация об аминокислотной последовательности заключена в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты, или же ДНК. ДНК хранится в клеточном ядре в виде хромосом – спирализованного хроматина (гистоновые белки, соединённые с молекулами ДНК). Наследственная информация передаётся организму от родительских особей. Наследственная передача признаков от родителей к потомству – консервативный процесс, но эта консервативность не является абсолютной. Иногда происходят ошибки, в результате чего количество ДНК или последовательность нуклеотидов в дочерней ДНК изменяется. Эти изменения наследственного материала называют мутациями. Термин «мутация» был введён нидерландским ботаником Гуго де Фризом в ходе изучения наследственности и изменчивости у растений. Сам учёный понятие мутации определял как «скачкообразное изменение наследственного признака». Позднее он сформулировал мутационную теорию, положения которой гласят, что мутации – устойчивые наследственные изменения, могут носить разный характер воздействия на организм, спонтанны. Выделяют три основных вида мутаций: 1. Генные или точечные мутации. Точечные мутации вызывают изменения в последовательности нуклеотидов в цепочке ДНК. Сущность генных мутаций может сводиться к четырём типам: замена пар оснований в молекуле ДНК, делеция одной пары или группы нуклеотидов, вставка дополнительной пары или группы оснований, перестановка положения нуклеотида внутри гена. Изменения в молекулярной структуре гена ведут к новым последовательностям нуклеотидов или сдвигу рамки считывания, вследствие чего возникают новые аминокислотные последовательности, при этом клетка перестаёт синтезировать необходимые для нормальной жизнедеятельности белки. Однако стоит отметить, что в клетке существуют механизмы репарации, заключающиеся в исправлении ошибок, вызванных генными мутациями. Различают «световую» и «темновую» репарации, восстанавливающие разные виды повреждений ДНК. 3 И всё-таки если действие мутагенных факторов достаточно сильно, системы репарации клетки не способны устранить мутацию. 2. Хромосомные мутации. Хромосомные мутации характеризуются изменениями в структуре хромосомы. К хромосомным мутациям относят делецию (утрату участка хромосомы), дупликацию (удвоение одного из участков), инверсию (поворот участка хромосомы на 180 градусов), транслокацию (перенос участка хромосомы на негомологичную ей). 70% генетических патологий связано с возникновением под действием мутагенных факторов хромомсомных мутаций. 3. Геномные мутации. Геномные мутации – это мутации, связанные с изменением числа хромосом в геноме человека. При изменениях такого рода в одних случаях количество наследственного материала остаётся неизменным, как при центрическом слиянии либо разделении (слиянии негомологичных хромосом либо делении одной хромосомы на две соответственно), в других – изменяется. К таким случаям относят анеуплоидию – некратное изменение количества хромосом, и нуллисомию – отсутствие пары гомологичных хромосом. Как правило, отсутствие какой-либо хромосомы делает организм крайне нежизнеспособным, наличие лишних хромосом влечёт за собой серьёзные патологии. Выше была приведена классификация мутация по масштабу изменений. Кроме того, мутации классифицируют по месту возникновения (гаметические или соматические в зависимости от клеток, в которых произошла мутация), по причинам возникновения (спонтанные и индуцированные, то есть вызванные влиянием естественных мутагенов и, соответственно, искусственным воздействием мутагенов на организм, в свою очередь, индуцированные мутации можно разделить на контролируемые и неконтролируемые), по биологическому значению ( благоприятные повышают жизнеспособность и приспособляемость организма, нейтральные не влияют на жизнедеятельность, патогенные приводят либо к гибели, либо к развитию наследственных патологий). 1.2 Мутагенные факторы, виды, причины возникновения. Итак, мутагенным фактором является фактор окружающей среды, способный вызвать мутации. В зависимости от происхождения, мутагены разделяют на классы: 4 физические, химические, биологические и аутомутагенты. Рассмотрим подробнее каждый из них. Физические мутагены. К физическим мутагенам относят ионизирующее радиационное, рентгеновское, ультрафиолетовое излучения. Под воздействием ультрафиолетового излучения организмы находятся постоянно вследствие того, оно попадает в атмосферу Земли вместе с лучами Солнца. На живые организмы ультрафиолетовое излучение в малых дозах способно оказывать благотворное влияние: под его воздействием вырабатываются витамины группы D, улучшаются иммунобиологические свойства организма. Однако в больших дозах оно способно оказывать пагубное воздействие на эпидермис, сетчатку глаза. Ионизирующее излучение представлено альфа-, бета- и гаммаизлучениями. Биологическое действие данных видов излучения обусловлено способностью вызывать возбуждение и ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе. Под воздействием энергии излучения в клетке возникают возбуждённые и ионизированные молекулы. Ими могут оказаться как неорганические, так органические молекулы. Перераспределение энергии излучения между ионизированными молекулами ведёт к радиолизу – разрушению химических связей с образованием свободных радикалов. При ионизации ДНК поглощённая энергия излучения расходуется на разрушение структуры азотистых оснований. Такой процесс возможен, потому что при ионизации возникает электронный дефицит в молекуле, который может «перемещаться» по нуклеотидной цепи и локализоваться в «слабых местах» - фосфатно-углеродная связь, пуриновые и пиримидиновые кольца. Кроме того, происходит разрыв сахарофосфатного остова молекулы. Непрямое воздействие радиации на молекулы ДНК реализуется за счёт продуктов радиолиза воды –активных форм кислорода, гидроксильных радикалов. В частности, гидроксильный радикал – основной агент, вызывающий радиолиз азотистых оснований и дезоксирибозофосфатного фрагмента ДНК. Альфа-, бета- и гамма-излучения различаются по проникающей способности, следовательно, и по генетическому эффекту. Так, альфаизлучение останавливается эпидермисом кожи, бета-излучение проникает вглубь тканей на 2-3 сантиметра, а гамма-излучение проходит через все ткани, встречающиеся у него на пути. 5 Также установлена пропорциональная зависимость между частотой сцепленных с полом рецессивных мутаций и дозой облучения, частотой хромосомных перестроек и дозой радиационного излучения. Любая доза ионизирующего излучения оказывает губительное воздействие на клетку и её генетический аппарат, не существует «безопасной дозы». Особенно опасно ионизирующее излучение для клеток, имеющих более крупные ядра и, соответственно, чаще делящихся (клетки крови, эпителия, мужские гаметы). Химические мутагены. Химическими мутагенами называют химические вещества, способные в ходе вступать в реакцию с компонентами ДНК и тем самым вызывать в ней нарушения, такие как химические перестройки азотистых оснований (дезаминирование, нарушение кольцевой структуры, элиминация), нарушение сахарофосфатного остова молекулы, ковалентное связывание азотистых оснований с алифатическими и ароматическими радикалами. Наиболее важными характеристиками химического мутагенеза являются количественные закономерности зависимости эффекта от концентрации и природы вещества, а также времени воздействия. К химическим мутагенам относят неорганические (азотистую кислоту, соли тяжёлых металлов, сернистый газ, соли азотной кислоты, пероксид водорода) и органические вещества (формальдегид, хлороформ, некоторые алкалоиды, бензол, циклические соединения). Мутагенными являются используемые в сельском хозяйстве пестициды, многие лекарственные препараты (например, производные этиленимина, дихлордиэтиламина, тиофосфамид, дегранол, гормональные препараты, хлоридин, амидопирин). Механизм действия химических мутагенов основан на разрушении химических связей в молекуле ДНК после проникновения его внутрь клетки. Изменённая в ходе химических превращений ДНК (алкилирование, образование димеров и т.д.) реплицируется с нарушениями, что приводит к мутациям. Химические мутагены делят на мутагены прямого и непрямого действия. Последние (промутагены) сами по себе инертны, но в ходе реакций ферментативного окисления способны превращаться в мутагены (например, превращение этилового спирта в канцерогенный ацетальдегид). 6 Биологические мутагены. К биологическим мутагенам относят специфические последовательности ДНК – транспозоны (элементы генома, способные вызывать значительные хромосомные мутации, встраиваясь в геном), микротоксины – продукты жизнедеятельности микроорганизмов (например, афлатоксин), плазмиды, вирусы кори, оспы, гриппа, гепатита. Биологические мутагены способны «вырезать» фрагменты ДНК, вставлять новые, провоцировать генные мутации, в частности, замену одного нуклеотида на другой. Таким образом, природа мутагена может быть различной, но его действие всегда направлено на генетический аппарат клетки. Однако в клетке существует система защиты от разрушительного влияния мутагенных факторов. Во-первых. Это уже названая ранее система репарации (самовосстановления ДНК). Для фоторепарации необходимо присутствие видимого света: энергия видимого света запускает ферментативную реакцию, в ходе которой происходит разрезание димеров и восстановление нативной структуры ДНК. Процесс темновой репарации был открыт в 1955 году. При темновой репарации восстановление идёт путём удаления повреждённого участка нити ДНК и застройки бреши на основе генетической информации нормального участка нити. Процесс идёт поэтапно: вначале специфическая эндонуклеаза находит повреждение и надрезает около него ту нить ДНК, в которой локализовано повреждение, затем экзонуклеаза расширяет надрез, «откусывая» нуклеотиды, в том числе и поражённый участок, и после этого с помощью полимеразы достраивается новый фрагмент по принципу комплиментарности, который будет сшит со старым фрагментом нити на границе бреши полинуклеотидлигазой. Кроме того, некоторые химические вещества также способны снижать повреждающий эффект мутагенов. Их называют антимутагенами. К таким веществам относят соединения тиолового ряда (цистеин, цистин, глутатион, бетааминоэтилизомочевина), фосфорилированные тиолы, органические соединения селена, пропиленгиколь, глицерол, соединения с выраженной токсикологической и фармакологической активностью (гистамин, триптамин, серотонин, аминооксиды). Однако проблема в использовании данных веществ в качестве антимутагенов заключается в том, что многие виды протекторов эффективны в высоких, близких к токсичным концентрациям, однако в перспективе разработка таких антимутагенов, применение которых будет безопасным для человека. 7 1.2 Роль мутационного процесса. Последние несколько десятилетий перед учёными стоит вопрос разрешения проблемы мутагенного загрязнения окружающей среды. Всё живое на планете живёт под влиянием естественного радиационного фона. Роль мутаций сложно переоценить: они являются одной из движущих сил эволюции, обеспечивая биологическим видам наилучшую приспособляемость к меняющимся условиям окружающей среды. Однако деятельность человека заметно повысила содержание мутагенов в окружающей среде. Такие мутагены не только не полезны, но и вредны для организмов: увеличивается частота мутаций, рождается больше нежизнеспособных особей или особей с врождёнными дефектами, передающимися по наследству. В перспективе создание более совершенных систем защиты человека от радиационного излучения, химических веществ и препаратов, не обладающих мутагенными свойствами, разработка методов применения антимутагенов. По мнению экспертов Всемирной Организации Здравоохранения, идеальной стратегией, направленной к сведению до минимума возможности неблагоприятного мутагенного действия, связанного с химическими веществами, было бы осуществление требования обязательного испытания в тест-системах на мутагенность. В разработке методов профилактики и лечения заболеваний, связанных с воздействием радиоактивного излучения, принимает участие клиническая радиология – раздел медицинской радиологии. 8 Заключение Научно-техническая революция преобразовала среду обитания человека, наполнила её обилием мутагенов, способных вызывать необратимые нарушения в генетическом аппарате человека. Собственные системы защиты генетической информации в клетке перестают справляться вследствие обилия воздействия мутагенных факторов различной природы. Проблема загрязнения окружающей среды является проблемой международного масштаба. Необходимо ясно оценивать тенденции загрязнения среды мутагенами и их возможные последствия: повышение уровня мутагенов и токсических веществ может повлечь за собой крупные перестройки экосистем с утратой биологических видов, снижение жизнеспособности живых организмов. Если будет допущено неконтролируемое загрязнение биосферы мутагенами, в принципе, можно будет говорить о возможной угрозе в виде генетической катастрофы для человечества. Охрана генетической информации и борьба за создание полноценных условий для её проявления при развитии каждого человека – это обязательное условие дальнейшего социального прогресса человечества. 9 Список использованных ресурсов 1. Дубровин, Н. П. Общая генетика, изд. 2-е / Н.П. Дубровин - М.: Наука, 1976. - 572 с. 2. Сюсюкин, А.Е. Клиническая радиология: учебник для вузов / А Сюсюкин, А.Н. Власенко - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. - 244 с. 3. Мутовин, Г.Р. Клиническая генетика. Геномика и протеомика наследственной патологии: учебное пособие. - изд. 3-е, перераб. и доп./ Г.Р. Мутовин - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. - 832 с. 4. Бочков, Н.П. Химический мутагенез у человека и прогнозирование его эффектов. / Н.П. Бочков // Генетика и благосостояние человечества. Труды XIV Междунарожного генетического конгресса. - 1981. - с.185-193 5. Айла, Ф. Современная генетика: в 3-х т. Т. 2. / Ф. Айла, Дж. Кайгер; пер. с англ. - М.: Мир, 1998. - 368 с 10
