Мутагены и их классификация

Продукты питания и мутагены

Сегодня в продуктовой промышленности есть разрешение на использование некоторых продуктов, которые содержат компоненты генетически модифицированной кукурузы, сои и Их можно встретить в сиропах, муке, масле, крахмале. Именно эти основы применяются в больших объемах для производства многих продуктов, начиная с питания, колбасы и заканчивая соусами. Возможно, на себе мы не заметим генетических перемен, вызванных подобным питанием, но их, очевидно, ощутят наши внуки.

В лабораториях всего мира продолжают проводиться опыты с животными, которые подвергаются влиянию этих мутагенов. Результаты исследований показывают, что со временем развивается бесплодие, а частота мутаций в следующих поколениях увеличивается в сотни раз. Также стоит отметить, что мутагены могут образоваться в некоторых испорченных продуктах. Например, в несвежей сметане, масле, яйцах образуются соединения, превращающиеся в мутаген. Если мясо готовится в собственном соку, также происходит этот процесс.

75 Генетический груз.

В генетически полиморфной
популяции (наличие в популяции нескольких
генотипов) из поколения в поколение
рождаются организмы, приспособленность
которых неоди­накова. Жизнеспособность
такой популяции ниже уровня, который
был бы достигнут при наличии в ней лишь
наиболее «удачных» генотипов. Величину,
на которую приспособлен­ность реальной
популяции отличается от приспособленности
идеаль­ной популяции, возможных при
данном генофонде, называют генетическим
грузом. Он является
своеобразной платой за экологическую
и эволюционную гибкость. Генетический
груз — неизбежное следствие генетического
полиморфизма.

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.

Мутанты

• Леонардо (был детенышем красноухой черепахи, теперь мутант-гуманоид красноухой черепахи)
• Донателло (был детенышем красноухой черепахи, теперь мутант-гуманоид красноухой черепахи)
• Рафаэль (был детенышем красноухой черепахи, теперь мутант-гуманоид красноухой черепахи)
• Микеланджело (был детенышем красноухой черепахи, теперь мутант-гуманоид красноухой черепахи)
• Сплинтер (был человеком, теперь мутантный гибрид человека и коричневой крысы)
• Змейквьюн (был человеком, теперь мутантный гибрид человека и плюща)
• Паукус (был человеком, теперь мутантный гибрид человека и паука)
• Доктор Роквэлл (был человеком, теперь мутантный гибрид человека и шимпанзе)
• Голубь Пит (был лесным голубем, теперь мутантный гуманоидный лесной голубь)
• Рахзар (был человеком, затем мутантным гибридом человека и акиты, теперь супер мутантный гибрид человека и акиты)
• Саблезуб (был человеком, теперь мутантный гибрид человека и рыбы)
• Кожеголовый (был аллигатором, теперь гуманоидный аллигатор)
• Крысиный король (был человеком, а теперь человек с мутировавшим мозгом)
• Джастин (был создан из добавления мутагена в смесь случайных образцов ДНК)
• Таракан-Терминатор (был тараканом, теперь кибернетический мутантный гуманоидный таракан)
• Мутагеноид (был человек, теперь мутант человек, капля кишок и мутаген)
• Осы мутанты (были осы, теперь гигантская мутантные осы)
• Белконоиды (были восточные серые белки, теперь мутантный гуманоид восточная серой белки)
• Слэш (был любимой ручной черепашкой Рафа, теперь мутантный гуманоид черепахи)
• Гриб-гигант (был грибом, теперь мутантный циклоп и грибной гибрид)
• Грибные человечки (были грибы, теперь мутантные грибы)
• Морозильная кошка (был полосатый кот, теперь мутант мороженое и полосатый кот гибрид)
• Тигриный коготь (был человеком, теперь мутантный гибрид человека и бенгальского тигра)
• Черепашки-ниндзя 1987 (были детеныши красно-ушастых черепах, теперь мутантные гибриды человека и красно-ушастой черепахи)
• Сэр Малахай (был человеком, теперь мутантный человек и домашний воробей)
• Бакстер Муха  (был человеком, теперь мутантный гибрид человека и домашней мухи, теперь снова человек)
• Пиццелиций (был человек, теперь мутант человек, пепперони и гриб пицца)
• Карай (была человеческая дочь Сплинтера, взятая Шреддером, теперь мутантный гибрид человека и белой рогатой гадюки)
• Кирби Мышь (сначала был человеком, а потом мутантным гибридом человека и летучей мыши, теперь снова человек)
• Крип была грязь, и обычная трава, теперь мутантное земное существо)
• Аттила (был лягушкой, теперь мутант гуманоидная лягушка)
• Доктор Кудахченнко (был курицей, а теперь курицей с чересчур большим мозгом)
• Химера (была птица, рыба и червь, теперь мутант птице-рыба-червь)
• Клоны Шреддера  (были ракообразные, потом мутантные человеческие и ракообразные гибриды с ДНК Шредера, теперь Мега-Шредер)
• Бибоп (был человеком, теперь кибернетический мутантный гибрид человека и бородавочника)
• Рокстеди (был человеком, теперь мутантный гибрид человека и белого носорога)
• Макмэн (был человеком, теперь мутантный гибрид человека и мусора)
• Мондо Гекко (был человеком, теперь мутантный гибрид человека и геккона)
• Алопекс  (была человеком, теперь мутантный гибрид человека и красной лисы)
• Шреддер (был человеком, потом биоинженерным монстром неизвестного вида; теперь стал немертвой версией этого после его возрождения)
• Первобытные люди (раньше были обезьянами до того, как Крэнги их обработали мутагеном и превратили в людей).
• Все люди, что выжили после мутагенной бомбы.

Откуда они берутся

Все мутагены, поступающие в организм живого существа извне, называют экзогенными. И источники мутагенов в среде довольно разнообразны. Поэтому их принято делить на три категории: физические, химические и биологические. Они довольно разнообразны, так что стоит рассказать о каждой из этих групп более подробно.

В первую очередь рассмотрим физические мутагены. Это любое воздействие окружающего мира на живой организм. Сюда можно отнести радиацию, ультрафиолет, поступающий от солнца, а также резкое повышение и понижение температуры. Любое излучение может стать причиной мутации само по себе, приводят к появлению больного (мутировавшего) и чаще всего нежизнеспособного потомства. Но в то же время излучение, как и перепады температуры, может повысить скорость положительной реакции, хотя это и случается значительно реже. К примеру, лабораторные мыши, живущие при крайне низкой температуре, приносят потомство с более густым подшерстком, быстро накапливающее жировые отложения. Причем эти особенности сохраняются даже после того, как температура вернулась к исходной.

Следующий вид мутагенов – химический. Данная группа является наиболее распространенной и, пожалуй, опасной. Дело в том, что в последние десятилетия немалая часть продуктов, употребляемых людьми, содержит химические мутагены.

В первую очередь сюда можно отнести многие алколоиды (колхицин, винкамин и прочие). Некоторые лекарственные препараты содержат их, хотя, с официальной точки зрения, их количество слишком мало, чтобы нанести вред человеку.

Также в число химических мутагенов входят некоторые химические удобрения и яды, используемые в сельском хозяйстве, пищевые добавки, органические растворители, химикаты, получаемые из нефти. Увы, они окружают современного человека, и вырваться из подобной ловушки довольно сложно. Но встречаются мутагены и в окружающей среде – некоторые растения содержат их в большом количестве, что делает их употребление в пищу крайне опасным.

Наконец, третья группа мутагенов — это биологические. В их число входят различные вирусы (грипп, краснуха, корь) и продукты, возникающие при неправильном обмене веществ в организме человека и любого другого сложного существа.

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;
• чрезмерно высокая или низкая температура.

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.

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.

Искусственный мутагенез

Сайт-направленный мутагенез. Синтезируют пару праймеров, несущих мутацию, и пару праймеров, комплементарных концам нужного фрагмента ДНК. В ходе первых двух реакций образуются фрагменты ДНК с мутацией, которые объединяют в третьей реакции. Полученный фрагмент вставляют в нужную генно-инженерную конструкцию.

Искусственный мутагенез широко используют для изучения белков и улучшения их свойств (направленной эволюции (англ.)).

Ненаправленный мутагенез

Методом ненаправленного мутагенеза в последовательность ДНК вносятся изменения с определённой вероятностью. Мутагенными факторами (мутагенами) могут быть различные химические и физические воздействия — мутагенные вещества, ультрафиолет, радиация. После получения мутантных организмов производят выявление (скрининг) и отбор тех, которые удовлетворяют цели мутагенеза. Ненаправленный мутагенез более трудоемок и его проведение оправдано, если разработана эффективная система скрининга мутантов.

Направленный мутагенез

Основная статья: Сайт-направленный мутагенез

В направленном (сайт-специфическом) мутагенезе изменения в ДНК вносятся в заранее известный сайт (DNA binding site). Для этого синтезируют короткие одноцепочечные молекулы ДНК (праймеры), комплементарные целевой ДНК за исключением места мутации.

Мутагенез по Кункелю

Для бактериальной плазмиды (внехромосомной кольцевой ДНК) получают уридиновую матрицу, то есть такую же молекулу, в которой остатки тимина заменены на урацил. Праймер отжигают на матрице, проводят его достройку in vitro с помощью полимеразы до кольцевой ДНК, комплементарной уридиновой матрице. Двухцепочечной гибридной ДНК трансформируют бактериальные клетки, внутри клетки уридиновая матрица разрушается как чужеродная, и на мутантной одноцепочеченой кольцевой ДНК достраивается вторая цепь. Эффективность такого способа мутагенеза менее 100 %.

Мутагенез с помощью ПЦР

Полимеразная цепная реакция позволяет проводить сайт-направленный мутагенез с использованием пары праймеров, несущих мутацию, а также случайный мутагенез. В последнем случае ошибки в последовательность ДНК вносятся полимеразой в условиях, понижающих её специфичность.

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.

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.

Механизм воздействия химических мутагенов

Механизм воздействия основывается на образовании с нуклеиновыми основаниями так называемых ДНК-аддуктов. Чем больше таких ДНК-аддуктов образуется в молекуле, тем сильнее изменяется нативная структура ДНК, что приводит к невозможности правильного протекания процессов биосинтеза белка (транскрипцию и репликацию) и тем самым порождает экспрессию мутантных белков. Практически все химические мутагены являются источниками злокачественных опухолей (обладают канцерогенностью), однако не все канцерогены проявляют мутагенные свойства.

Рассмотрим механизм воздействия одного из мутагенов — эпоксида бензола.

Сам по себе бензол не обладает мутагенной активностью, т.е. является промутагеном. Однако в результате биологического окисления и биотрансформации в клетках печени, почек и особенно в миелоидной ткани красного костного мозга он приобретает мутагенные свойства. Попадая в гепатоцит, бензол немедленно гидроксилируется микросомальной системой окисления, катализируемой группой ферментов семейства цитохрома P450 до эпоксида. Эпоксид бензола обладает чрезвычайно высокой реакционной способностью за счёт образования напряжённого цикла между атомом кислорода и молекулой бензола. Он способен очень быстро алкилировать молекулы нуклеиновой кислоты, в частности ДНК. В механизме образования ДНК-аддукта эпоксидом бензола лежит реакция нуклеофильного замещения S_N2: электрофил — в данном случае им является эпоксид (за счёт разрыва цикла он становится электронодефицитным), — который взаимодействует с нуклеофильными центрами — NH₂-группами (являющимися электроноизбыточными) азотистых оснований, — образуя с ними ковалентные связи (зачастую очень прочные). Особенно это свойство к алкилированию проявляется у гуанина, так как в его молекуле больше всего нуклеофильных центров, с образованием, например, N7-фенилгуанина. Образовавшийся ДНК-аддукт может привести к изменению структуры ДНК, тем самым нарушается правильное протекание процессов транскрипции и репликации, что является источником генетических мутаций. Накопление эпоксида в клетках печени ведёт к необратимым последствиям: увеличению алкилирования ДНК, а вместе с тем и к увеличению экспрессии мутантных белков, являющихся продуктами генетической мутации; торможению апоптоза; трансформации и даже гибели клеток. Помимо яркой выраженной генотоксичности и мутагенности, он обладает и сильной канцерогенной активностью, особенно этот эффект проявляется в клетках миелоидной ткани (клетки данной ткани очень чувствительны к подобному роду воздействиям ксенобиотиков).

Как это работает

Ил идет из желез Краататрогонов. Крэнг «доит» их, чтобы получить Мутаген.

До сих пор было установлено, что после попадания в слизь существо (будь то человек или животное) получает свою ДНК, смешанную с последним живым существом, которого оно коснулось, в результате чего появляется мутант. Однако Кожеголовый мутировал в измерении Крэнга и просто превратился в более умного и крупного аллигатора. Это добавляет к тому факту, что вещество работает иначе на Земле, чем в измерении Х. Тем не менее, это также произошло с черепахами и осколком, когда они подверглись воздействию этого, так что это может просто произойти с нечеловеческими существами, если нет другой ДНК. Кроме того, если бы человек вступил в контакт с мутагеном, но недавно не вступил в контакт с животным или растением, результат был бы чем-то вроде мутагена человека. Иногда живые существа также мутируют с неодушевленными предметами, что приводит к таким результатам, как Пиццелиций  или Морозильная кошка. Кроме того, если мутант снова вступает в контакт с мутагеном, он мутирует его дальше, усиливая все свои текущие способности, а также может привести к новым способностям. Но Крэнг упомянул, что мутаген непредсказуем, так что это может означать, что не все мутации имеют одинаковый результат. Кроме того, в некоторых случаях некоторые мутации могут заставить жертв потерять разум, например. Когда он был усовершенствован, он может превращать живые существа в Крэнгазоидов (зомби, как гуманоидный Краанг) и неодушевленные предметы в кристалл.

Эффекты

• Если человек касается мутагена, то его ДНК смешивается с ДНК другого живого существа. Иногда люди мтируют вместе с неодушевлёнными предметами.
• Если животное вступает в контакт с механизмами, оно может слиться воедино в такой мутации, как Таракан-Терминатор.
• Рептилии-Становятся Гуманоидными Гибридами.
• Амфибии-Становятся Гуманоидными Гибридами.
• Птицы-Становятся Гуманоидными Гибридами.
• Млекопитающие-Становятся Гуманоидными Гибридами.
• Насекомые и жуки — становятся крупнее.
• Уже мутанты-становятся более крупными и нестабильными гуманоидными гибридами.
• Транспортное средство-превратитс из неразумного в разумное существо. Если ДНК водителя человека сливается с его транспортным средством автомобиль может обрести сознание и ожить.

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.