Мутаген

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

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.

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.

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.

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

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.

Механизм действия канцерогенов

Канцерогенез – это сложный и многоэтапный процесс, однако он запускается не спонтанно. Специалисты полагают, что одним из спусковых механизмов для появления раковой опухоли, является повреждение генетического материала клетки. Таким образом, повреждаемые канцерогенами специфические участки ДНК, утрачивают контроль над пролиферацией и дифференцировкой клеток, что и приводит к возникновению опухоли. Другими словами: канцерогены «взламывают» программу ДНК наших клеток и они начинают бесконтрольно делиться, создавая новообразования – опухоли.

Однако не все так страшно! Раковая опухоль возникает не сразу после контакта с канцерогеном. Для ее образования должно пройти время, в течение которого повреждения ДНК клеток будут накапливаться и в конечном итоге приведут к сбоям в программах пролиферации и дифференцировки. Это так называемый латентный период, средняя продолжительность которого 15 – 20 лет. При этом прослеживается прямая зависимость онкогенного эффекта от дозы и длительности воздействия канцерогенов. Это значит, что чем больше и дольше канцероген будет поступать в организм, тем короче будет латентный период. И наоборот – снижение дозы канцерогенов и времени их действия, замедлит (отстрочит) процесс образования опухоли и сведет к минимуму вероятность ее появления.

Вывод: ограничение действия канцерогенов снижает риск развития раковых новообразований!

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 канцерогены?

Согласно определению ВОЗ, канцерогены – это различного рода агенты, способные вызвать необратимые изменения (или повреждения) генетического аппарата, контролирующего жизнедеятельность соматических клеток. Другими словами – это вещества или факторы, которые нарушают программу нашей ДНК, что приводит к сбоям в работе всех клеток организма (кроме гамет) и, как следствие, может спровоцировать развитие канцерогенеза – патофизиологический процесс образования и развития раковой опухоли. Таким образом, канцерогены – это потенциально опасные для организма человека агенты, воздействие которых увеличивает вероятность развития злокачественной опухоли. Но что же представляют собой эти агенты?

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.

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.

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.

Заключение

На этом заканчиваем нашу статью. Теперь вы стали немного лучше разбираться в мутагенах, их разновидностях, а также веществах, содержащих их. А значит, стали более интересным собеседником, расширив сферу интересов.

Что это — мутагены, в чем они содержатся и как влияют на жизнь человека на News4Auto.ru.

Наша жизнь состоит из будничных мелочей, которые так или иначе влияют на наше самочувствие, настроение и продуктивность. Не выспался — болит голова; выпил кофе, чтобы поправить ситуацию и взбодриться — стал раздражительным. Предусмотреть всё очень хочется, но никак не получается. Да ещё и вокруг все, как заведённые, дают советы: глютен в хлебе — не подходи, убьёт; шоколадка в кармане — прямой путь к выпадению зубов. Мы собираем самые популярные вопросов о здоровье, питании, заболеваниях и даем на них ответы, которые позволят чуть лучше понимать, что полезно для здоровья.