Мутагенные факторы

Мутации возникают под действием факторов среды, которые называются мутагенными факторами.
Их можно разделить на три группы – физические, химические и биологические мутагены.
1. Физические мутагенные факторы (радиация, критические температуры, ультразвук)
Особое значение среди физических мутагенов имеет радиация. Различают неионизирующую и ио-
низирующую радиацию.
Неионизирующая радиация (УФ-лучи):
• определяет фотохимические реакции;
• вызывает генетические изменения на уровне ДНК;
• широко используется в селекции микроорганизмов.
Ионизирующая радиация (рентгеновские лучи, γ-лучи, α-частицы, β-частицы):
• воздействуют на растительные и животные ткани, вызывая изменения в наследственном материале;
• индуцирует радиолиз воды и образование перекиси водорода;
• подавляет деление клеток;
• вызывает многочисленные нарушения на уровне ДНК и/или хромосом.
Существует несколько единиц измерения радиации:
а) рентген – 1 рентген равен количеству радиации, необходимой для образования 2,08 х 109 пар ио-
нов в 1см3 воздуха при О оС и давлении 760 мм рт.ст.
б) рад (поглощенная доза излучения) – 1 рад представляет собой энергию, поглощенную в виде иони-
зирующих излучений и равную 10–2 Дж/кг;
в) грей (Гр) – единица измерения поглощенной дозы ионизирующего излучения в системе СИ. Один
грей равен дозе, полученной облученным организмом при поглощении 1Дж/кг (1 Гр = 100 рад).
Живые организмы обладают определенной чувствительностью к радиации, которая неодинакова у
разных организмов. Для характеристики чувствительности организмов к радиации используются два
показателя:
а) летальная доза 100 (ЛД 100) – доза, которая вызывает гибель всех облученных организмов в те-
чение 30 дней;
б) летальная доза 50 (ЛД 50) – доза, при которой в течение 30 дней погибают 50 % облученных ор-
ганизмов.
В таблице указаны летальные дозы 50 для различных видов растений и животных.
Летальная доза 50 (ЛД 50) для некоторых видов организмов
Вид ЛД 50 (рад)
Человек
Мышь
Заяц
Дрозофила
Инфузория
Картофель
Фасоль
Рожь
Томаты
Капуста
450
550
950
46000
350000
5000
8000
10000–15000
30000–40000
75000–100000
Эффект радиации зависит от ряда факторов, среди которых:
• природа вида (см. таблицу);
• этап онтогенеза (молодые растения более чувствительны к радиации, чем взрослые растения);
1. 12 Мутагенные факторы
1. Основы генетики 51
• степень специализации клетки (дифференцированные клетки отличаются большей устойчиво-
стью, чем меристематические);
• число хромосом (с увеличением числа хромосом в кариотипе возрастает устойчивость организма
к радиации);
• различные факторы среды (температура, концентрация газов, влажность и др.).
2. Химические мутагенные факторы (алкилирующие соединения, аналоги пуринов и пиримиди-
нов и др.)
Алкилирующие соединения (иприт, этиленамин, митомицин, формальдегид и др.):
• блокируют клеточное деление;
• вызывают ошибки в репликации ДНК;
• индуцируют удаление пуриновых оснований.
Аналоги пуринов и пиримидинов (5-бромурацил, 2-аминопурин и др.):
• индуцируют замены в ДНК, т. к. включаются в состав ДНК, замещая нормальные азотистые осно-
вания.
Другие химические мутагены (формалин, пестициды, нитраты, тяжелые металлы и др.):
• обладают ярко выраженным мутагенным эффектом;
• имеют специфический механизм действия;
• в определенных условиях некоторые химические мутагены имеют также и антимутагенный эффект;
• некоторые химические вещества (супермутагены) значительно увеличивают (примерно в 100 раз)
спектр генных мутаций.
Химические вещества, обладающие мутагенным эффектом, применяются в различных областях
промышленности, сельского хозяйства, медицины. Они поступают в воздух, почву и воду. В таблице
представлены допустимые нормы (ДН) для различных химических веществ.
Допустимые нормы (ДН) для некоторых химических веществ
Химическое вещество
или элемент
ДН в воде
(мг/л) ДН в воздухе (мг/м3) ДН в почве (мг/кг)
Свинец (Pb)
Стронций (Sr)
Хром (Cr)
Фенолы
Медь (Cu)
Ацетон
Формальдегид
Уксусная кислота
Нитраты
Хлорид калия (KCl)
0,1
50,0
0,5
0,001
1,0
-----
0,0003
-
0,0015
--
0.35
0,0030
0,06
--
30,0
---
3,0
--
0,06
130,0
560,0
Мутагенные вещества могут попадать в ткани растений и животных как прямо, так и косвенным
путем.
Пестициды, наряду с индуцированием мутаций, могут поражать ЦНС человека, вызывая различ-
ные психические расстройства.
Некоторые минеральные удобрения (нитраты, нитриты) отрицательно влияют на развитие орга-
низма человека и вызывают различные хромосомные мутации и нарушения в центральной нервной
системе. Повышение концентрации этих веществ вызывает головную боль, тошноту, обмороки и т.д.
3. Биологические мутагенные факторы (вирусы, микоплазмы):
• индуцируют различные мутации на уровне ДНК и хромосом;
• поражают различные группы организмов (растения, животные, микроорганизмы);
В природных сообществах организмов существуют различные вирусы и микоплазмы, которые мо-
гут влиять на наследственность организмов.
52 1. Основы генетики
Для уменьшения вредного действия мутагенных веществ могут быть использованы некоторые
химические соединения и физические факторы, стимулирующие физиологические и биохимические
процессы в живых организмах. Они называются антимутагенами. Природа антимутагенов очень раз-
нообразна (см. таблицу).
Некоторые группы антимутагенов
Группа Примеры
Витамины
Ферменты
Лекарственные препараты
Аминокислоты
Ингибиторы радикалов
Неионизирующие агенты
А (ретинол), С (аскорбиновая кислота), Е (токоферол)
Каталазы, полимеразы, нуклеазы
Сульфаниламиды, стрептомицин
Глутаминовая кислота, аргинин, гистидин
Фенолы, галлиевая кислота
УФ лучи, лазерные лучи
В качестве антимутагенов могут быть использованы также некоторые продукты животного проис-
хождения, например: рыба, молоко, сливочное масло и др.
Антимутагены выполняют различные функции:
• сокращают частоту хромосомных нарушений;
• усиливают процессы репарации ДНК;
• нейтрализуют действие различных мутагенов;
• активируют ферментные системы клетки, которые участвуют в детоксикации вредных веществ.
Из сказанного можно заключить, что мутагенные факторы существенно нарушают наследственный
материал организмов и являются опасными для их жизнедеятельности. С этой точки зрения особое
значение имеет своевременное тестирование возможных мутагенных веществ и разработка методов
предотвращения их отрицательного влияния на живые организмы.
Однако мутации могут иметь и положительное значение (экспериментальный мутагенез) и широ-
ко используются в практической деятельности человека для получения высокопродуктивных штам-
мов микроорганизмов и сортов растений. Так, путем экспериментального мутагенеза были получены
штаммы Penicillium crysogenum, интенсивно синтезирующие пенициллин, а также тетраплоидные со-
рта винограда с высокой урожайностью.
Основными источниками загрязнения окружающей среды являются радиация, отходы промыш-
ленного и сельскохозяйственного производства, химические вещества антропогенного происхожде-
ния (лекарства, пестициды, пищевые вещества, моющие средства, косметические препараты, реком-
бинантные молекулы ДНК). Многие из этих веществ через воздух, воду, почву или ряд организмов
попадают в организм человека и вызывают различные мутации.
Например, после атомных взрывов в Японии (1945) у 18,7 % беременных женщин наблюдались
спонтанные аборты, 23,3 % детей родились мертвыми, а 26 % погибли сразу после рождения.
Катастрофа в Чернобыле (1986) повлекла за собой резкое увеличение частоты врожденных анома-
лий у новорожденных.
Широко применяемые в сельском хозяйстве пестициды (гербициды, инсектициды, фунгициды) мо-
гут накапливаться в окружающей среде (в растениях, воде, почве) и индуцировать различные мутации.
Вредным действием обладают и некоторые консерванты, используемые в пищевой промышленно-
сти, лекарственные препараты, красители тканей и др.
В рамках генетического мониторинга проводится анализ мутагенного потенциала различных хи-
мических веществ, физических и биологических факторов. Для этого в качестве тест-систем исполь-
зуют ряд организмов, отличающихся простой организацией и неприхотливостью к условиям выра-
щивания. К ним относятся некоторые грибы, бактерии и др. В последнее время все более широкое
применение находят культуры растительных и животных клеток in vitro.