Механизм действия мутагенов: физических и химических

Физические и химические мутагены и механизм их действия

Содержание мутантов в микробной популяции можно резко повысить, если подвергнуть их мутагенезу.

Факторы, вызывающие мутации, относят к разряду физиче­ских, химических или биологических, и называют мутагенами.

Мутагены по действию подразделяют на два класса — прямого (на нуклеиновые кислоты) и непрямого, или опосредованного действия (преимущественно — через первичные метаболиты, или белки.

В качестве физических мутагенов могут быть повышенная или пониженная температура, различного рода излучения (ультрафи­олетовое, ионизирующее), ультразвук.

При температурном воз­действии на клетки более нестабильными в составе ДНК оказыва­ются пуриновые основания, вследствие чего могут возникнуть апуриновые сайты (выпадение пуринов из ДНК).

Так называемый «температурный шок» может приводить к существенным измене­ниям в различных клетках — возрастает частота летальных и видимых мутаций.

Очевидно, что воздействие температуры, выхо­дящей за пределы нормальной для данного организма, сильнее отражается на клетках гомойотермных видов (имеющих постоян­ную температуру тела) в сравнении с пойкилотермными видами, температура тела которых зависит от окружающей среды.

Ультрафиолетовые лучи (УФЛ) име­ют большую длину волн, чем ионизиру­ющие излучения, и обладают меньшей энергией. Их мутагенное действие от­крыл А. А. Промптов в 1931 г. УФЛ с длиной волны 260 нм поглощаются ДНК, при этом разрываются водородные свя­зи между комплементарными нитями ДНК и рядом расположенные тиминовые основания образуют ковалентно связанные димеры, останавливающие ее репликацию; ядро теряет способность к деле­нию и клетка погибает.

В мутировавших клетках УФЛ вы­зывают в основном внутригенные пе­рестройки. Мутации, затрагивающие нуклеиновые основания, больше отно­сятся к типу трансверсий.

При образовании тиминовых димеров клетки компенсаторно продуци­руют ферменты, комплексующиеся с ними и катализирующие реакции восстановления исходной структуры ДНК.

Лишь один фермент, невысвобождающийся из комплекса с ДНК (он здесь неактивен), отделяется в активной форме под действием видимого света (фотореактивация) и затем вновь катализирует реакцию восстановления поврежденной ДНК (фотолиаза + hn).Следова­тельно, мутагенный эффект УФЛ может быть снят или уменьшен видимым светом.

Становится все более очевидным, что УФЛ действуют на разные гены и поэтому сущность такого мута­генеза остается до конца не разрешенной. Более того, известны естественно устойчивые организмы к УФЛ, например, Salmonella typhimurium.

В отличие от УФЛ, излучения типа быстрых электронов, позитронов, протонов, α-частиц, нейтронов, рентгеновских и γ-лучей относятся к ионизирующим, то есть их первичный биологический эффект связан с ионизацией в тканях высших эукариот; вторичный эффект является следствием теплового возбуждения молекул.

Косвенный эффект излучений проявляется в возникновении из клеточной воды свободных радикалов, вступающих в реакции с кислородом клеточных структур (образование переки­сей) с органическими молекулами или взаимодействующих между собой.

Происходит окисление или передача энергии молекулам ДНК (РНК). Свободнорадикальные процессы могут завершиться дезаминированием и дегидроксилированием оснований, разрывом N-гликозидных связей между основаниями и пентозой, деструк­цией пиримидинов, окислением пентозы, высвобождением пирофосфата. Вот почему различные излучения могут индуцировать самые разнообразные мутации.

Приминительно к ультразвуковым колебаниям (акустические колебания частотой свыше 2*104 Гц) считают, что под их влиянием наблюдаются последовательные изменения вначале в пиримидинах, а затем – в пуринах.

К химическим мутагенам относят: ингибиторы синтеза нукле­иновых кислот, аналоги азотистых оснований, алкилирующие соединения, окислители, восстановители, свободные радикалы, акридиновые красители, некоторые антибиотики. Среди ингибиторов синтеза предше­ственников НК имеются антиметаболиты (азогуанидин, 5-аминоурацил, 6-меркаптопурин, 5-фтордезоксиуридин). Нуклеозиды, со­держащиеся в клетках или добавляемые извне, играют роль анти­мутагенов, снижающих мутагенный эффект названных веществ.

В основе алкилирования НК лежат такие реакции как депуринизация с разрывом сахарно-фосфатной цепи в ДНК; взаимодей­ствие алкилирующих агентов с адениловой, цитидиловой и тимидиловой кислотами с последующей утратой способности алкилированных А, Ц и Т спариваться с комплементарными основаниями; взаимодействие с фосфатными группами НК; взаимодействие двух функциональных групп алкилирующего агента с нуклеофильными группами НК. Представителями алкилирующих мутагенов являются: нитрозогуанидин, этилметансульфонат, акридиновые красители.

К биологическим мутагенам относят вирусы (фаги), живые вакцины, некоторые биотоксины, образуемые грибами, протозоа и гельминтами. Так, изменения в хромосомах вызывают цитомегаловирус, вирус простого герпеса, вирус Сендай, вирус саркомы Роуса и др. Из грибных токсинов — мутагенов ранее был назван афлатоксин В1. Можно назвать еще треморген, образуемый рядом аспергиллов и др.

Фагоустойчивые мутанты актиномицетов и лактобактерий пред­ставляют интерес для соответствующих производств, например, антибиотиков и молочнокислых продуктов.

Следует отметить, что в живых клетках существуют механизмы исправления (репарации) повреждений ДНК. Процессы репарации связаны с функционированием определенных ферментных систем, контролируемых соответствующими генами. Мутации в этих генах (а также в некоторых генах, ответственных за репликацию ДНК) превращают их в гены-мутаторы, существенно повышающие частоту спонтанных мутаций. Нормальное функционирование систем репарации может сильно снижать эффективность мутагенеза. Известно, например, что в клетках бактерий существуют системы, которые исправляют повреждения ДНК, вызванные алкилирующими соединениями.

Выбор мутагена определяется типом мутации, которую желательно получить (т. е. делеция, замена оснований или сдвиг рамки считывания), а также эффективностью мутагена в отношении данного микроорганизма. Следует отметить, что разные виды микроорганизмов могут требовать разных доз и условий для эффективного мутагенеза.

Простым и удобным методом получения мутантов разного типа является УФ-облучение. Однако высокая частота мутаций достигается здесь при низкой выживаемости клеток. Кроме того, облучение необходимо проводить в условиях, исключающих фотореактивацию. Из химических мутагенов широкое применение в селекционной работе с микроорганизмами получил нитрозогуанидин. Алкилируя основания в точке репликации, где ДНК существует в однонитевой форме, он часто вызывает множественные мутации на ограниченном участке хромосомы (а также в различных районах хромосомы).

Множественность мутаций, как правило, является негативным фактором, поскольку наряду с желательными мутациями могут возникать мутации, снижающие жизнеспособность клетки. Однако иногда полезный и стабильный признак может быть получен при одновременном изменении нескольких генов или даже нескольких участков одного и того же гена. Наличие селективных методов позволяет выделять такие мутанты, возникающие обычно с низкой частотой. Применение мутагенов повышает частоту мутантов в 100—1000 раз, что облегчает работу по их выделению методом отпечатков.

Производственные штаммы с высокой продуктивностью крайне нестабильны вследствие того, что многочислен­ные искусственные изменения в геноме клеток штамма сами по себе для жизнеспособности этих клеток положительного значе­ния не имеют. Поэтому мутантные штаммы требуют постоянного контроля при хранении: популяцию клеток высеивают на твер­дую среду и полученные из отдельных колоний культуры прове­ряют на продуктивность.

Совершенствование биообъектов применительно к производ­ству не исчерпывается только повышением их продуктивности. С экономической точки зрения весьма важно получение мутантов, способных ис­пользовать более дешевые и менее дефицитные питательные сре­ды.

Другой пример: в случае некоторых биообъектов культуральная жидкость после окончания ферментации имеет неблагопри­ятные в технологическом отношении реологические свойства. Поэтому в цехе выделения и очистки целевого продукта, работая с культуральной жидкостью повышенной вязкости, сталкиваются с трудностями при использовании сепараторов, фильтр-прессов и т.д. Мутации, соответствующим образом меняющие метаболизм биообъекта, в значительной мере снимают эти трудности.

Большое значение в отношении гарантии надежности произ­водства приобретает получение фагоустойчивых биообъектов. Со­блюдение асептических условий при проведении ферментации прежде всего касается предотвращения попадания в посевной материал (а также в ферментационный аппарат) клеток и спор посторонних бактерий и грибов (в более редких случаях водорос­лей и простейших).

Предотвратить проникновение в ферментер фагов вместе с технологическим воздухом, стерилизуемым путем фильтрации, крайне трудно. Поэтому ос­новной путь борьбы с бактериофагами, актинофагами и фагами, поражающими грибы, — получение устойчивых к ним мутантных форм биообъектов.

Не касаясь специальных случаев работы с биообъектами-пато­генами, следует подчеркнуть, что иногда задача совершенствова­ния биообъектов исходит из требований промышленной гигиены. Например, выделенный из природного источника продуцент од­ного из важных беталактамных антибиотиков в значительном ко­личестве образовывал летучие вещества с неприятным запахом гниющих овощей.

Мутации, ведущие к удалению генов, кодирующих ферменты, участвующие в синтезе этих летучих веществ, приобрели в дан­ном случае практическое значение для производства.

Из всего изложенного следует, что современный биообъект, используемый в биотехнологической промышленности, — это суперпродуцент, отличающийся от исходного природного штам­ма не по одному, а, как правило, по нескольким показателям.

Мутагены: что это и характеристика

Мутагены (от лат. mutatio — изменение и греч. -genes-рождающий, рожденный), химические и физические факторы, вызывающие наследственные изменения — мутации.

Мутагенами могут быть различные факторы, вызывающие изменения в структуре генов, структуре и количестве хромосом.

Действие мутагенов, рассеянных в окружающей среде, вызывает увеличение частоты возникновения мутаций, что ведет к росту так называемого генетического груза, выражающегося в увеличении наследственной патологии, а также частоты онкологических заболеваний.

Еще в 1925 г. российские генетики Г.А.Надсон и Г.С.Филиппов показали, что при облучении дрожжей лучами радия возникают разнообразные новые формы, в 1927 г. Г.Меллер показал на дрозофиле, хорошо изученной к тому времени генетиками, что под действием рентгеновских лучей у дрозофил возникают мутации.

Мутагенез — возникновение мутаций внезапных качественных изменений генетической информации.

Термин мутация был предложен голландским ученым де Фрисом (Н.de Vries) в 1901г.

Мишенью действия мутагенов в клетке являются главным образом ДНК и, возможно, некоторые белки. К последним относят в основном белки, играющие структурную роль в организации генома или принимающие участие в репликации (самовоспроизведении молекулы нуклеиновых кислот), рекомбинации (перераспределении генетического материала родителей в потомстве) или репарации (восстановлении поврежденной структуры ДНК).

Для устранения первичных повреждений генетических структур, вызванных мутагенами, в клетке существует ряд систем восстановления, или репарации, генетических повреждений.

В настоящее время таких систем насчитывается более десяти. Однако в ходе репарации часть первичных повреждений может остаться и привести к возникновению мутаций.

Классификация мутагенов и их характеристика

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 классифицирует на физические, химические и биологические.

Физическими мутагенами называются любые физические воздействия на живые организмы, которые оказывают либо прямое влияние на ДНК или вирусную РНК, либо опосредованное влияние через системы репликации, репарации, рекомбинации

Первые физические мутагены, открытые учеными,- это разные виды излучений: ионизирующее излучение, радиоактивный распад, ультрафиолетовое излучение.

Первичный эффект ионизирующих и ультрафиолетовых излучений заключается в образовании одиночных или двойных разрывов в молекуле ДНК.

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.

Механизмы действия основных мутагенов

Мутагены – это различные факторы, вызывающие мутации — изменения в наследственных структурах (генах, хромосомах).

По происхождению мутагены классифицируют на:

  1. — эндогенные — образующиеся в процессе жизнедеятельности организма
  2. — экзогенные — все прочие факторы, в том числе и условия окружающей среды.

По природе возникновения мутагены классифицируют на:

  • физические,
  • химические
  • биологические:

На человека, как правило, действует комбинация мутагенных факторов.

К физическим мутагенам относятся:

  • — ионизирующее излучение (альфа-, бета-, гамма-, нейтронное, рентгеновское),
  • — коротковолновое ультрафиолетовое излучение,
  • — СВЧ-излучение,
  • — электромагнитных полей, источниками которых, в том числе, являются и бытовые приборы (компьютеры, мобильные телефоны и т.д.).
  • — действие экстремальных температур,
  • — вибрация
  • — высокое давление

Этот вид мутагенов является самым сильным.

Действие ионизирующего излучения особенно опасно, т.к. обладает большой проникающей способностью. Оно сновано на ионизации компонентов цитоплазмы клетки (например воды) и ее ядерного матрикса.

В результате образуются высокоактивные химические вещества (ионы Н+, ОН-, свободные радикалы), вступающие в химические, которые различным образом действуют на клеточные структуры, например вызывают разрыв нитей ахроматинового веретена деления, разрыв цепи ДНК, изменяют азотистые основания, расщепляют органические вещества.

Известны следующие механизмы мутагенного воздействия ионизирующего излучения.

Непосредственное воздействие частиц с высокой энергией на ДНК, которое приводит к ее разрывам: одиночным (под воздействием гамма-квантов, рентгеновских лучей) или множественных (под воздействием альфа-частиц, нейтронного излучения). Это универсальный механизм возникновения хромосомных перестроек (мутаций) на всех стадиях клеточного цикла, но он действует очень грубо – обычно клетки теряют способность к нормальному делению и погибают.

К разрывам ДНК приводит и ультрафиолетовое облучение.

Опосредованное воздействие ионизирующих факторов связано с нарушением структуры ферментов, контролирующих репликацию, репарацию и рекомбинацию ДНК.

Этот механизм наиболее эффективно действует в синтетическом периоде интерфазы. При больших дозах мутагенов клетки погибают. Поскольку раковые клетки делятся непрерывно, то облучение является универсальным средством подавления развития метастазов при онкологических заболеваниях – непрерывно делящиеся раковые клетки более уязвимы, чем медленно пролиферирующие или непролиферирующие нормальные клетки.

Опосредованное воздействие ионизирующих факторов индуцирует самые разнообразные генные и хромосомные мутации. При опосредованном действии ионизирующих факторов их мутагенный эффект может быть снижен с помощью специальных веществ – радиопротекторов — различных антиоксидантов, взаимодействующих с продуктами ионизации. В то же время, мутагенный эффект может быть усилен, например, высокая температура повышает мутагенный эффект радиации.

Ионизирующая радиация действует неспецифически, характеризуется отсутствием пороговой дозы и кумулятивным эффектом (способна накапливаться в организме — один и тот же эффект будет получен как при однократном облучении дозой 20 рад, так и при воздействии четыре раза по 5 рад.), причем мутации могут проявляться в последующих поколениях.

Чувствительность организмов к действию ионизирующей радиации разная — летальная доза (разовая минимальная, вызывающая смертельный исход) для человека – 600 рад или 6 Гр (для мыши – 900 рад или 9 Гр; для амебы – 100000 рад или 1000 Гр.).

Радиационный фон Земли повышается за счет испытаний ядерного оружия; использования ядерных взрывов в мирных целях; роста числа АЭС (проблема утилизации радиоактивных отходов); внедрения изотопных методов в лечение и рентгенодиагностику в медицине, промышленности и сельском хозяйстве; экстремальных выбросов во внешнюю среду радиоактивных компонентов в результате катастроф на АЭС, утери, кражи источников радиации, радиоактивного загрязнения внешней среды в ходе терактов.

Известно, что примерно 25% от общего числа естественных мутаций обусловлено энергией естественного фона радиации.

Удвоение энергии радиации в среде может существенно повлиять на здоровье нынешнего и будущих поколений.

Особенности мутагенного действия ультрафиолетовых лучей

ДНК интенсивно поглощает жесткий ультрафиолет с длиной волны ≈ 254 нм. Основным результатом этого процесса является образование нуклеотидных димеров: два нуклеотида, расположенных рядом в одной цепи ДНК, «замыкаются» сами на себя, образуя пары «тимин–тимин» или «тимин–цитозин».

При репликации ДНК напротив такой пары в достраивающейся цепи могут стать два любых нуклеотида, т.е. принцип комплементарности не выполняется.

Ультрафиолетовый свет – это сравнительно мягкий мутаген, поэтому его широко используют в селекции растений, облучая проростки, или для получения искусственного загара в солярии.

Однако, применяя ультрафиолетовое излучение, нужно помнить о правильном выборе дозы облучения для предотвращения возникновения мутаций.

Особенности мутагенного действия экстремальных температур

Собственный мутагенный эффект экстремальных температур не доказан. Предполагалось, что усиление теплового движение атомов в молекулярных структурах должно способствовать мутационному процессу.

Было показано, что очень низкие или очень высокие температуры нарушают деление клетки (возникают геномные мутации). Экстремальные температуры могут усиливать действие других мутагенов, поскольку снижают ферментативную активность репарационных систем. Так повышение температуры окружающей среды приводит к увеличению частоты мутаций у дрозофилы, у курящих людей чаще, чем у некурящих, наблюдается рак губы.

Электромагнитные излучения, даже очень слабые, тоже обладают мутагенным действием.

Источниками ЭМИ являются компьютеры и мобильные телефоны, телевизор, микроволновая печь, электронные часы и др. Эти приборы формируют «электромагнитный смог», он превышает фоновые показатели в 10-20 раз.

Причем чем выше мощность прибора, тем агрессивнее поле.

Наиболее мощное у СВЧ-печей, холодильников с системой «без инея», электроплит и мобильных телефонов. Сравнительно безвредным считается низкочастотное переменное поле, распространяющееся от электросети. Дейтвие ЭМИ может быть причиной функциональных расстройств ЦНС (субьективные ощущения – повышенная утомляемость, сонливость или нарушение сна, головные боли).

При систематическом облучении возможны стойкие нервно-психические расстройства, нарушения работы сердца (замедление пульса), изменение АД, изменение гормонального фона (снижение продукции тиреотропного гормона, влияющего на работу щитовидной железы и скорость обменных процессов), снижение иммунитета и ускоренное старение организма.

Исследование действия сотовых телефонов на здоровье человека началось в 1999 г.

Доказано, что излучение от них повышает риск развития рака мозга, глаз, слюнных желез, яичка (при ношении телефона на поясе брюк), провоцирует лимфомы и лейкемии.

Дети, подростки и молодежь являются наиболее уязвимыми, поскольку их организм еще формируется и эти возрастные группы наиболее часто пользуются мобильным телефоном. Помимо онкологических заболеваний ношение мобильного телефона на поясе может привести к уменьшению плотности костей и развитию остеопороза.

ЭМП нельзя характеризовать как однозначно негативное – оно используется в терапии многих заболеваний, поскольку ускоряет заживление тканей, имеет противовоспалительный эффект.

Физиотерапия – направление в медицине с использованием ЭМИ. Многие крупные молекулы нашего организма полярны, поэтому в результате воздействия на них непостоянного магнитного поля активизируются обмен веществ, ферментные процессы, улучшается клеточный метаболизм. Это позволяет применять магнитотерапию при отёках, лечении суставов и для рассасывания кровоизлияний. Действие импульсов постоянного тока малой силы на структуры головного мозга способствует более глубокому и спокойному сну.

Такой электросон – важная часть терапии гипертонической болезни, неврастении, снохождения и некоторых сосудистых заболеваний. При острых воспалительных процессах применяют всем известное УВЧ – прибор, генерирующий электромагнитное поле ультравысокой частоты с короткой длиной волны.

Ткани нашего организма поглощают эти волны и преобразуют их в тепловую энергию. В результате ускоряется движение крови и лимфы, ткани освобождаются от застоя жидкости (обычного при воспалениях), активизируются функции соединительной ткани. Аппарат для УВЧ-терапии позволяет также снимать спазмы гладкой мускулатуры желудка, кишечника, желчного пузыря, ускоряет восстановление нервной ткани, понижает чувствительность концевых нервных рецепторов, то есть способствует обезболиванию.

А ещё уменьшает тонус капилляров и артериол, понижает артериальное давление и снижает частоту сердечных сокращений.

cyber
Оцените автора
CyberLesson | Быстро освоить программирование Pascal и C++. Решение задач Pascal и C++
Добавить комментарий