Мутагенні агенти, як вони діють, типи та приклади

мутагенні агенти, також звані мутагени, являють собою молекули різної природи, які викликають зміни в основах, які є частиною ланцюгів ДНК. Таким чином, присутність цих агентів посилює швидкість мутації у генетичному матеріалі. Вони класифікуються як фізичні, хімічні та біологічні мутагени.

Мутагенез є повсюдним явищем у біологічних об'єктах і не обов'язково призводить до негативних змін. Фактично це джерело варіацій, яке дозволяє еволюційним змінам.

• 1 Що таке мутація?
  • 1.1 Чи завжди мутації летальні?
  • 1.2 Як виникають мутації?
  • 2.1 Хімічні мутагени
  • 2.2 Фізичні мутагени
  • 2.3 Біологічні мутагени
  • 3.1 Таутомеризація основ
  • 3.2 Включення аналогічних баз
  • 3.3 Пряма дія на базах
  • 3.4 Додавання чи видалення баз

  Що таке мутація?

  Перш ніж увійти до теми мутагенів, необхідно пояснити, що таке мутація. У генетиці мутація – це постійна зміна послідовності нуклеотидів у молекулі генетичного матеріалу: ДНК.

  Вся інформація, необхідна для розвитку та контролю організму, знаходиться у його генах, які фізично розташовані у хромосомах. Хромосоми складаються із довгої молекули ДНК.

  Як правило, мутації впливають на функцію гена, і він може втратити або змінити свою функцію.

  Оскільки зміна послідовності ДНК торкається всіх копій білків, певні мутації можуть бути надзвичайно токсичними для клітини або організму в цілому.

  Мутації можуть виникати у різних масштабах в організмів.Точкові мутації впливають на одну основу в ДНК, тоді як мутації більшого масштабу можуть зачіпати цілі області хромосоми.

  Чи завжди мутації смертельні?

  Неправильно думати, що мутація завжди призводить до виникнення захворювань чи патологічних станів організму, що її переносить. Насправді є мутації, які не змінюють послідовність білків. Якщо читач хоче краще зрозуміти причину цього факту, він може прочитати про виродженість генетичного коду.

  Насправді, у світлі біологічної еволюції, стан неодмінна умова у тому, щоб відбулися зміни у популяції, існує наявність варіацій. Ця варіація виникає через два основні механізми: мутації та рекомбінації.

  Таким чином, у контексті дарвінівської еволюції необхідно, щоб у популяції були варіанти, і щоб ці варіанти асоціювалися з більшою біологічною адаптацією.

  Як виникають мутації?

  Мутації можуть бути спонтанно або можуть бути викликані. Власна хімічна нестабільність азотистих основ може бути перетворена на мутації, але з дуже низькою частотою.

  Частою причиною спонтанних точкових мутацій є дезамінування цитозину до урацилу у подвійній спіралі ДНК. Процес реплікації цього ланцюга призводить до дочірнього мутанта, де вихідна пара GC була замінена на пару AT.

  Хоча реплікація ДНК – це подія, яка відбувається з дивовижною точністю, вона не є досконалою у всій повноті. Помилки реплікації ДНК також призводять до появи спонтанних мутацій.

  З іншого боку, природний вплив на організм певних чинників довкілля призводить до появи мутацій.Серед цих факторів ми маємо ультрафіолетове випромінювання, іонізуюче випромінювання, різні хімічні речовини, серед інших.

  Ці фактори є мутагенними. Далі ми опишемо класифікацію цих агентів, як вони діють та їх наслідки у клітині.

  Типи мутагенних агентів

  Агенти, які викликають мутації у генетичному матеріалі, дуже різноманітні за своєю природою. Спочатку ми розглянемо класифікацію мутагенів і наведемо приклади кожного типу, а потім пояснимо різні способи, якими мутагени можуть викликати зміни в молекулі ДНК.

  Хімічні мутагени

  Мутагени хімічної природи включають такі класи хімічних речовин: акридини, нітрозаміни, епоксиди та інші. Існує підкласифікація цих агентів у:

  Аналогічні засади

  Молекули, які мають структурну схожість з азотистими основами, мають здатність викликати мутації; l 5-бромурацил та 2-амінопурин є найбільш поширеними.

  Агенти, які реагують із генетичним матеріалом

  Азотиста кислота, гідроксиламін та ряд алкілуючих агентів реагують безпосередньо в підставах, які складають ДНК, і можуть переходити з пурину в піримідин і навпаки.

  Інтерстиціальні агенти

  Існує цілий ряд молекул, таких як акридини, бромід етідія (широко використовуються в лабораторіях молекулярної біології) та профлавін, які мають плоску молекулярну структуру і здатні проникати в ланцюг ДНК.

  Окисні реакції

  Нормальний метаболізм клітини має як вторинний продукт ряд активних форм кисню, які пошкоджують клітинні структури, а також генетичний матеріал.

  Фізичні мутагени

  Другий тип мутагенних агентів – фізичні.У цій категорії ми знаходимо різні типи випромінювання, що впливають на ДНК.

  Біологічні мутагени

  Зрештою, у нас є біологічні мутанти. Це організми, які можуть спричиняти мутації (у тому числі аномалії на рівні хромосом) у вірусах та інших мікроорганізмах.

  Як вони діють? Види мутацій, спричинених мутагенними агентами.

  Наявність мутагенних агентів викликає зміни у підставах ДНК. Якщо результат включає заміну піримідинової або піримідинової основи на одну і ту ж хімічну будову, ми говоримо про перехід.

  Навпаки, якщо зміна відбувається між основами різних типів (пурином піримідином чи іншим чином), ми називаємо процес трансверсією. Переходи можуть статися через такі події:

  Таутомеризація основ

  У хімії термін ізомер використовується для опису властивості молекул з однаковою молекулярною формулою подання різних хімічних структур. Таутомери – це ізомери, які відрізняються тільки від своєї пари положенням функціональної групи, і між двома формами існує хімічна рівновага.

  Тип таутомерії кето-енол, де відбувається міграція водню та чергується між обома формами. Є також зміни між іміно-аміно-формою. Завдяки своєму хімічному складу основи ДНК зазнають цього явища.

  Наприклад, аденін зазвичай знаходиться у вигляді амінокислоти та пари – зазвичай – з тиміном. Проте, коли він виявлений у їхньому іноізомері (дуже рідко), він з'єднується з неправильною основою: цитозином.

  Включення аналогічних баз

  Увімкнення молекул, що нагадують основи, може перешкодити моделі спарювання основ. Наприклад, включення 5-бромурацила (замість тиміну) поводиться як цитозин і призводить до заміни пари AT на пару CG.

  Пряма дія на базах

  Пряма дія певних мутагенів може безпосередньо впливати на основи ДНК. Наприклад, азотиста кислота перетворює аденін на аналогічну молекулу, гіпоксантин, за допомогою реакції окисного дезамінування. Ця нова молекула поєднується з цитозином (а не з тиміном, як це зазвичай буває з аденіном).

  Зміна також може відбуватися у цитозині, і в результаті дезамінування утворюється урацил. Заміна однієї основи ДНК має прямі наслідки для процесів транскрипції і трансляції пептидної послідовності.

  Стоп-кодон може з'явитися заздалегідь і трансляція зупиняється передчасно, впливаючи на білок.

  Додавання або видалення баз

  Деякі мутагени, такі як інтеркалюючі агенти (зокрема, акридин) та ультрафіолетове випромінювання, здатні модифікувати нуклеотидний ланцюг.

  Інтеркалюючими агентами

  Як уже згадувалося, інтеркалюючі агенти являють собою плоскі молекули і мають здатність перешарований (звідси і назва) між основами нитки, спотворюючи його.

  Під час реплікації ця деформація в молекулі призводить до делеції (тобто втрати) або вставки підстав. Коли ДНК втрачає бази або додаються нові, це впливає на відкриту рамку зчитування.

  Нагадаємо, що генетичний код включає зчитування трьох нуклеотидів, що кодують амінокислоту. Якщо ми додамо або видалимо нуклеотиди (у кількості, яка не дорівнює 3), всі зчитування ДНК будуть порушені і білок буде зовсім іншим.

  Ці типи мутацій називаються зсув кадру або зміни у складі триплетів.

  Ультрафіолетове випромінювання

  Ультрафіолетове випромінювання є мутагенним агентом і є звичайним неіонізуючим компонентом звичайного сонячного світла.Однак компонент з найвищою мутагенною швидкістю захоплюється озоновим шаром земної атмосфери.

  Молекула ДНК поглинає випромінювання і відбувається утворення димерів піримідину. Тобто піримідинові основи пов'язані ковалентними зв'язками.

  Суміжні тиміни в ланцюзі ДНК можуть з'єднуватися, утворюючи димери тиміну. Ці структури також впливають процес реплікації.

  У деяких організмах, таких як бактерії ці димери можуть бути відновлені завдяки присутності репаративного ферменту, званого фотоліазою. Цей фермент використовує видиме світло для перетворення димерів на дві окремі основи.

  Однак ексцизійна репарація нуклеотидів не обмежується помилками, спричиненими світлом. Механізм ремонту великий і може відновлювати пошкодження, викликані різними факторами.

  Коли люди піддають нас надмірному впливу сонця, наші клітини одержують надмірну кількість ультрафіолетового випромінювання. Наслідком цього є утворення димерів тиміну, які можуть викликати рак шкіри.

  посилання

  1. Альбертс Би., Брей Д., Хопкін К., Джонсон А.Д., Льюїс Дж., Рафф М., . та Уолтер П. (2015). Основна клітинна біологія. Гірлянда наука.
  2. Купер Дж. М. та Хаусман Р. Е. (2000). Молекулярний підхід. Sinauer Associates.
  3. Curtis, H. & Barnes, N.S. (1994). Запрошення до біології. Macmillan.
  4. Короп Г. (2009). Клітинна та молекулярна біологія: концепції та експерименти. Джон Вілі та сини.
  5. Лодіш, Х., Berk, A., Darnell, J.E., Kaiser, C.A., Krieger, M., Scott, M.P., . & Matsudaira, P. (2008). Молекулярно-клітинна біологія. Macmillan.
  6. Singer B. & Kusmierek, J. T. (1982). Хімічний мутагенез. Щорічний огляд біохімії, 51(1), 655-691.
  7. Voet, D. & Voet, J. G. (2006). біохімія. Ed. Panamericana Medical.

  У природі є безліч різних мутагенів. Під їх впливом у організмах постійно виникають різноманітні мутації. Мутагени найчастіше класифікуються за природою факторів, що впливають. Розрізняють фізичні, хімічні та біологічні мутагенні фактори. Мутагени також поділяють на групи з їхнього походження – спонтанні та індуковані. Спонтанні мутагени діють у нормальних природних умовах без видимих ​​причин, а індуковані спеціально застосовують людину для ініціювання мутацій. Однак і в спонтанному, і в індукованому мутагенезі діючим початком виступають або фізичні, хімічні або біологічні властивості мутагенів.

  Раніше за інших, ще на початку XX століття, були відкриті фізичні мутагени. Серед них найвідоміша радіація. У 30-х роках Т. Морган використовував вплив іонізуючої радіації у дослідах із дрозофілою. У цей час було відкрито хімічний мутагенез, і біля витоків цього відкриття стояли вітчизняні вчені. Так, генетики В.В. Сахаров та М.Є. Лобашев показали, що під дією хімічних сполук (йод, оцтова кислота, аміак) збільшується частота мутацій у клітинах рослини греки. Пізніше І.А. Рапопорт (СРСР) та Ш. Ауербах (Великобританія) відкрили потужні хімічні мутагени, названі ними супермутагенами.

  В даний час нерідко до фізичних, хімічних, біологічних мутагенів додають ще мутагени навколишнього середовища та лікарські мутагени.

  Фізичні мутагени

  До 20-х років ХХ століття генетики мали справу лише зі спонтанними мутаціями. Лише 1925 року радянські мікробіології Г.А. Надсон та Г.С. Філіппов використовували промені радію з метою підвищення частоти спадкової мінливості у нижчих грибів.У 1927 році Г. Меллер застосував рентгенівські промені в дослідах із дрозофілою. При цьому він запропонував кількісний метод обліку рецесивних летальних мутацій у X-хромосомі у цього об'єкта, що стало класичним і широко використовуваним методом генетики.

  Відкриття з використанням фізичних мутагенів для отримання індукованих мутацій сприяли внесенню цього методу в практичну роботу генетиків. На їх основі було відкрито низку основних положень теорії мутаційного процесу.

  До іонізуючих випромінювань відносять електромагнітні, рентгенівські та гамма-промені, а також елементарні частинки (альфа, бета, нейтрони та ін.). У процесі впливу іонізуючих випромінювань на організм компоненти клітини, зокрема молекули ДНК, поглинають певну кількість (дозу) енергії. При цьому та сама доза може бути досягнута при слабкій інтенсивності опромінення протягом тривалого часу або шляхом короткочасного опромінення з високою інтенсивністю. Наслідком опромінення можуть бути розрив водневих зв'язків у подвійній спіралі молекули ДНК, розриви одного або двох ланцюгів ДНК, утворення нових стійких зв'язків (зшивок) між двома ланцюгами однієї молекули ДНК, між різними молекулами ДНК або між ДНК та молекулами білків. Експериментально було отримано такий висновок.

  Частота виникнення (індукції) мутацій пропорційна дозі опромінення. Зі збільшенням дози зростає ймовірність ураження.

  Радіаційне пошкодження генетичного матеріалу не є прямим джерелом виникнення змін у клітинах організму, пошкоджених опроміненням. Справа в тому, що у будь-яких організмів у клітинах є вода.Тому випромінювання як безпосередньо «вдаряє» по чутливим генетичним структурам, а й діє ними опосередковано з допомогою розкладання води. Цей процес призводить до утворення короткоживучих, так званих вільних радикалів (водню H+ і гідроксилу OH-), що об'єднуються з утворенням води або хімічно активних, а отже, біологічно дуже небезпечних молекул – перекису водню та атомарного кисню. У свою чергу, вони здатні викликати кілька нових актів іонізації. Таким чином, відбувається лавиноподібне збільшення частоти влучень у «мішені». Тому сполуки, здатні взаємодіяти з вільними радикалами (антиоксиданти), захищають молекули-мішені від непрямої дії радіації. До таких антиоксидантів, наприклад, відносяться токоферол (вітамін Е), мікроелемент селен та ін.

  На відміну від рентгенівських, ультрафіолетові промені не мають достатньої енергії іонізації. Однак вона поглинається азотистими основами (пуринами і піримідинами), що входять до складу ДНК, переводячи їх в енергетично нестійкий, збуджений стан. Це призводить до помилок при реплікації ДНК.

  Хімічні мутагени

  Широке вивчення хімічного мутагенезу почалося по тому, як і 1946 року вітчизняний учений І.А. Рапопорт виявив потужну мутагенну дію етиленіміну та формальдегіду, а Ш. Ауербах (Великобританія) такі ж властивості виявив у іприту та його похідних. З того часу було виявлено багато хімічних сполук, що мають мутагенну активність. Серед них – волокнистий мінерал азбест, етилен-імін, бензопірен, нітрити, альдегіди, сполуки свинцю, пестициди, деякі лікарські препарати та ін.Нерідко ці ж речовини одночасно є канцерогенами, тобто речовинами, здатними викликати розвиток в організмі злоякісних новоутворень (пухлин).

  Біологічні мутагени

  Як біологічні мутагени були виявлені деякі рослини, наприклад лисій осінній (Colchicum autumnale), і багато вірусів. Вилучений з лихоліття алкалоїд колхіцин часто використовується для штучного отримання поліплоїдів, так як він блокує розбіжність хромосом, що подвоїлися.

  Віруси можуть викликати різні хромосомні мутації (аберації), що зумовлюють спадкову мінливість.

  Спонтанні мутагени

  Фактори, що викликають мимовільний (спонтанний) мутагенний ефект, поділяють на зовнішні або екзогенні, і внутрішні або ендогенні. До екзогенних факторів спонтанного мутагенезу відносять природне радіаційне тло, а також дію на соматичні або статеві клітини організму високих або низьких температур.

  Відомо, що серед рослинних організмів високогірних чи арктичних районів часто зустрічаються поліплоїдні форми, що виникають як наслідок спонтанних мутацій геному. Це з різкими перепадами температур під час вегетації, а горах – з сильної УФ-радиацией. Експериментально доведено, що різке підвищення температури навколишнього середовища на кожні 10 °C вп'ятеро збільшує частоту мутацій. Невипадково високогір'я є центрами походження багатьох видів рослин, які у культуру як поліплоїди.

  До ендогенних факторів спонтанного мутагенезу відносять мутагенну активність спеціальних елементів геному – генів-мутаторів та дію ендогенних метаболітів.Так, генетична стабільність більшості генів визначається як особливостями їх будови, а й рівнем загальної мутабельності клітини, контрольованої генами-мутаторами і генами-антимутаторами, які, очевидно, задіяні у процесах реплікації, репарації і рекомбінації ДНК. До класу ендогенних метаболітів відносять хімічні сполуки, що спонтанно виникають, викликають мутагенний ефект. Наприклад, при загоєнні фізичних травм у рослин утворюються так звані калюсні клітини, які в нормі відсутні. При цьому індукується синтез додаткових ферментів та метаболітів, необхідних для загоєння рани. Якщо в калюсній тканині виникають нирки, то деякі пагони з цих бруньок виявляються поліплоїдними, тобто метаболіти калюсної тканини здатні викликати геномні мутації. Мутагенний ефект мають і вільні радикали, що виникають при перекисному окисленні ліпідів клітинних мембран.

  Спонтанний мутагенез постійно протікає в усіх живих організмів як і соматичних, і у статевих клітинах. При цьому спонтанно виникають різні типи генних, хромосомних та геномних мутацій.

  Будь-якому школяру знайоме таке слово, як мутаген. Це вивчається ще у курсі біології середньої школи. Але при цьому не всі дорослі люди зможуть легко відповісти, що означає це слово, не кажучи вже про наявність загального уявлення про те, як мутагени можуть впливати на різні живі організми. Тому буде корисно розповісти про них детальніше, усуваючи цю прогалину у знаннях.

  Що таке мутаген

  У першу чергу слід зазначити, що мутагеном називають будь-який фактор, здатний викликати якісь спадкові зміни, які давньогрецькою мовою називають мутацією. Вперше вдалося встановити вплив мутагенів на живі організми ще 1925 року. Тоді радянський вчений Георгій Надсон проводив експерименти з опромінення радієм дріжджів, отримуючи нове покоління.

  Через два роки, в 1927 році, американський вчений Меллер повторив цей експеримент, використовуючи рентгенівське випромінювання і мушок дрозофіл, які активно використовуються генетиками.

  Види мутагенів

  Тепер, коли ви знаєте, що це – мутаген, можна трохи заглибитись у тему. Як зазначалося, до мутагенів можна зарахувати будь-які чинники, які призводять до мутації. Тепер варто розділити їх на дві категорії – ендогенні та екзогенні.

  Перші виробляються в організмі будь-якої живої істоти протягом усієї еволюції. Ендогенні (внутрішні) мутагени можуть активізуватися у разі, якщо умови довкілля, якого організм звик за тисячі й мільйони років, раптово різко змінилися. В інший час вони сплять, не проявляючись.

  Цікавішими є зовнішні, або екзогенні мутагени. Вони набагато численніші і можуть призвести до виникнення мутацій у будь-який момент. Тому вони становлять найбільшу небезпеку будь-яких живих організмів, включаючи людей. Невипадково працюють цілі наукові інститути, головною метою яких є виявлення мутагенів у різних продуктах харчування. Будь-який продукт, перш ніж потрапити на полиці магазинів, обов'язково проходить через складну систему тестів та перевірок.

  Звідки вони беруться

  Усі мутагени, які у організм живого істоти ззовні, називають екзогенними. І джерела мутагенів серед досить різноманітні. Тому їх прийнято поділяти на три категорії: фізичні, хімічні та біологічні. Вони досить різноманітні, тому варто розповісти про кожну з цих груп більш докладно.

  Насамперед розглянемо фізичні мутагени. Це будь-яка дія навколишнього світу на живий організм. Сюди можна віднести радіацію, ультрафіолет, що надходить від сонця, а також різке підвищення та зниження температури. Будь-яке випромінювання може стати причиною мутації саме собою, призводять до появи хворого (що мутував) і найчастіше нежиттєздатного потомства. Але в той же час випромінювання, як і перепади температури, може підвищити швидкість позитивної реакції, хоча це трапляється значно рідше. Наприклад, лабораторні миші, що живуть при вкрай низькій температурі, приносять потомство з густішим підшерстком, що швидко накопичує жирові відкладення. Причому ці особливості зберігаються після того, як температура повернулася до вихідної.

  Наступний вид мутаген – хімічний. Ця група є найпоширенішою і, мабуть, небезпечною. Справа в тому, що в останні десятиліття чимала частина продуктів, що вживаються людьми, містить хімічні мутагени.

  В першу чергу сюди можна віднести багато алколоїдів (колхіцин, вінкамін та інші). Деякі лікарські препарати містять їх, хоча, з офіційної точки зору, їх кількість замала, щоб завдати шкоди людині.

  Також до числа хімічних мутагенів входять деякі хімічні добрива та отрути, що використовуються в сільському господарстві, харчові добавки, органічні розчинники, хімікати, які отримують з нафти. На жаль, вони оточують сучасну людину, і вирватися з подібної пастки досить складно. Але зустрічаються мутагени і в навколишньому середовищі – деякі рослини містять їх у великій кількості, що робить їх вживання вкрай небезпечним.

  Нарешті, третя група мутагенів – це біологічні. До них входять різні віруси (грип, краснуха, кір) і продукти, що виникають при неправильному обміні речовин в організмі людини та будь-якої іншої складної істоти.

  Небезпека мутагенів

  Цілком зрозуміло, що будь-яка згадка про мутагени, що викликають мутацію, асоціюється у більшості людей з чимось поганим. Ні, самому організму вони шкоди практично не завдають (тільки якщо йдуть у комплексі з якимись отрутами, як це часто буває на сьогоднішній день).

  Головний удар припадає по наступним поколінням. Як говорилося вище, переважна більшість мутацій є негативними, які носії найчастіше – нежиттєздатними. Тому в основному мутагени є справжнім злом.

  Коли мутагени йдуть на користь

  Але говорячи про шкоду мутагенів, варто наголосити, що саме завдяки мутаціям можлива еволюція. З найпростішої амеби розвинулися складні істоти, та якщо з мавпи, відповідно до відомої теорії, – людина. Погляньте на навколишній дивовижний світ. Кожне наступне покоління тварин, птахів, риб та рослин пристосовувалося, намагалося отримати якісь переваги.Все це стало можливим завдяки мільйонам накопичених мутацій: гострі зуби, захисне забарвлення, нічний зір та багато іншого, що дозволяє живим організмам виживати в агресивному середовищі.

  Тому варто визнати, що мутагени відіграли величезну позитивну роль у створенні сучасного світу.

  Висновок

  На цьому закінчуємо нашу статтю. Тепер ви стали краще розбиратися в мутагенах, їх різновидах, а також речовинах, що містять їх. Отже, стали більш цікавим співрозмовником, розширивши сферу інтересів.