Химические мутагены
Химические мутагены
Химические мутагены
Отдельно выделена группа биологически активных веществ, которые влияют не только на процессы роста и развития растений, но и вызывают наследственные изменения в организме — химические мутагены.
Химические мутагены используют как дополнительный метод в селекции растений для расширения генетического разнообразия видов и форм растений и как специфические стимуляторы роста и развития организмов.
В настоящее время разработана достаточно надежная теоретическая база, позволяющая с успехом применять химические и другие мутагенные факторы для повышения уровня генетического разнообразия культурных растений. С помощью мутагенов можно разорвать сцепленно наследуемые признаки, преодолеть нескрещиваемость между отдаленными формами и стерильность собственной пыльцы, решить задачи, не поддающиеся разрешению при использовании других методов селекции. В ряде случаев возникают совершенно новые формы и признаки, не встречающиеся в природе, что позволяет расширить естественное разнообразие форм культурных растений .
В зависимости от дозы мутагенов возникают различные виды мутаций: генные (точечные микромутации), хромосомные (структурные) и геномные. Наибольший выход положительных мутаций при дозах мутагенов, которые не оказывают угнетающего действия на рост и развитие растений. Более грубые типы нарушений, вызванные высокими дозами мутагенов, как правило, индуцируют отрицательные неадаптивные мутации, которые отбраковывают отбором. При использовании более низких доз мутагенов индуцируются микромутации, затрагивающие изменение отдельных признаков: продуктивность, изменение качества, раннеспелости, некоторых биохимических показателей организма. Именно генные микромутации служат основным материалом при естественном отборе. Они составляют самую большую долю всех наследственных изменений и являются необходимой предпосылкой ускорения эволюции.
Химические мутагены в малых дозах вызывают различные стимулирующие эффекты, модификации не генетического характера. В последнее время стимуляционная селекция широко применяется в селекции и в производстве. В результате стимуляции некоторых сельскохозяйственных культур химическими мутагенами повышается урожайность в 2—3 раза.
В отличие от действия ростовых стимуляторов ауксинов, гиббереллинов, цитокининов, действующих на этапах вегетативного роста, стимулирующий эффект химических мутагенов после обработки семян более ранний. Химические мутагены действуют на первые этапы эмбриональной детерминации в развивающихся семенах и тем самым стимулируют основные созидательные градиенты растений.
Известно множество химических соединений, обладаюших мутагенной активностью: алкилирующие препараты, перекиси, гидроксиламины, аналоги оснований ДНК, соли тяжелых металлов, некоторые ароматические соединения (алкалоиды, лекарственные препараты, гербициды) и др. Большую группу химических мутагенов представляют алкилирующие соединения. В настоящее время в практике научных исследований широко применяют следующие мутагены: нитрозопроизводные мочевины — нитрозометилмочевина (НММ), нитрозоэтилмочевина (НЭМ), нитрозодиметилмочевина (НДММ); этиленимин (ЭИ), этилметансульфонат (ЭМС), диметилсульфат (ДМС), 1,4-бисдиазоацетилбутан (1,4-ДАБ), колхицин и др.
Из приведенного обзора физико-химических свойств мутагенов видно, что все химические мутагены токсичны. Большинство из них не только сильные яды, но и канцерогены. Поэтому препараты разрешены для использования только в научных учреждениях с соблюдением соответствующих мер безопасности.
Источник: Применение регуляторов роста в виноградарстве и питомниководстве. Шерер В. А., Гадиев Р. Ш. Киев, 1991
Мутагены, их классификация и характеристика. Генетическая опасность загрязнения природной среды мутагенами.
Мутагены — химические и физические факторы, вызывающие наследственные изменения — мутации. Впервые искусственные мутации получены в 1925 году Г. А. Надсеном иГ. С. Филипповым у дрожжей действием радиоактивного излучения радия; в 1927 году Г. Мёллер получил мутации у дрозофилы действием рентгеновских лучей. Способность химических веществ вызывать мутации (действиемиода на дрозофилы) открыта И. А. Рапопортом. У особей мух, развившихся из этих личинок, частота мутацийоказалась в несколько раз выше, чем у контрольных насекомых.
По происхождению (:) на эндогенные, образующиеся в процессе жизнедеятельности организма и экзогенные — все прочие факторы, в том числе и условия окружающей среды.
По природе возникновения (:) на физические, химические и биологические:
Физические мутагены: 1ионизирующее излучение; 2радиоактивный распад; 3ультрафиолетовое излучение; 4чрезмерно высокая или низкая температура.
Химические мутагены: 1некоторые алкалоиды: колхицин – один из самых распространённых в селекции мутагенов. 2окислители и восстановители (нитраты, нитриты, активные формы кислорода); 3нитропроизводныемочевины – часто применяются в сельском хозяйстве;
этиленимин, этилметансульфонат, диметилсульфат, 1,4-бисдиазоацетилбутан (известный как ДАБ);
некоторые пестициды; некоторые пищевые добавки (например, ароматические углеводороды, цикламаты); продукты переработки нефти; органические растворители;
лекарственные препараты (например, цитостатики, препараты ртути, иммунодепрессанты).
Биологические мутагены:специфические последовательности ДНК — транспозоны; некоторые вирусы (вирус кори, краснухи, гриппа);продукты обмена веществ (продукты окисления липидов);
антигены некоторых микроорганизмов.
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
– это разные виды излучений: ионизирующее излучение, радиоактивный распад, ультрафиолетовое излучение.
Первичный их эффект в образовании одиночных или двойных разрывов в молекуле ДНК. УФ сильно поглощается тканями и вызывает мутации лишь в поверхностно расположенных клетках многоклеточных животных, однако на одноклеточных он действует эффективно. 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.
изотопы, которых радиоактивны. К таким элементам относятся все естественные элементы с атомным номером выше 83 (Bi). Вредное воздействие радиоактивных элементов определяется ионизирующим излучением, характер которого зависит от типа радиоактивного распада данного изотопа.
Существуют естественные радионуклиды, образующиеся под действием постоянно попадающего на Землю космического излучения и техногенные.
К загрязнению атмосферы радионуклидами приводят ядерные реакторы, работа тепловых электростанций, сжигающих каменный уголь. Он всегда содержит небольшие примеси урана, тория и продукты их распада. При сжигании топлива эти радионуклиды частично переходят в аэрозоли и попадают в атмосферу.
К загрязнению почвы радионуклидами может приводить использование фосфорных минеральных удобрений. Примеси урана и тория всегда есть в исходном сырье, которое используют при производстве этих удобрений. При переработке сырья радионуклиды частично переходят в удобрения, а из них и в почвы и передаются дальше по трофическим цепям.
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. Очень низкие или очень высокие температуры нарушают деление клетки (возникают геномные мутации). Экстремальные температуры усиливают действие других мутагенов, поскольку снижают ферментативную активность репарационных систем.
Физические факторы вызывают те же мутации, которые возникают и при спонтанном мутагенезе.
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. Ряд мутагенов вызывают мутации, не связываясь ковалентно с ДНК. В этом случае матричный синтез на ДНК протекает с ошибками. В синтезируемой нити ДНК оказывается на один нуклеотид больше или меньше обычного и возникают мутации.
Существуют мутагены, ингибирующие синтез предшественников ДНК. В результате происходит замедление или даже остановка синтеза ДНК. Мутагенные и канцерогенные свойства химических веществ тесно связаны между собой. Поэтому выявление возможных мутагенов в окружающей среде, испытание на мутагенность продуктов промышленного синтеза (красители, лекарственные средства, пестициды и др.) – важная задача современной генетики.
Установлено, что мутагенной активностью обладает несколько тысяч химических соединений. Однако в отличие от ионизирующего и ультрафиолетового излучений для химических мутагенов характерна специфичность действия, зависящая от природы объекта и стадии развития клетки. При взаимодействии химических мутагенов с компонентами наследственных структур (ДНК и белками) возникают первичные повреждения последних. В дальнейшем эти первичные повреждения ведут к возникновению мутаций.
К биологическим мутагенам относят ДНК- и РНК-содержащие вирусы, некоторые полипептиды и белки, например О-стрептолизин и ряд ферментов рестриктаз, а также препараты некоторых ДНК и определенные плазмиды.
Механизмы образования мутаций при действии различных биологических факторов не вполне ясны, однако агенты, содержащие нуклеиновые кислоты, могут вызывать нарушение процессов рекомбинации, что приводит к возникновению мутаций. Действие рестриктаз сводится к «разрезанию» цепей ДНК в месте (локусе) определенной последовательности нуклеотидов, специфичном для каждой рестриктазы.
Биологические мутагены: – специфические последовательности ДНК – транспозоны;
– некоторые вирусы (вирус кори, краснухи, гриппа); – продукты обмена веществ (продукты окисления липидов);
Транспозоны – один из классов мобильных элементов генома которые, встраиваясь в геном, могут вызывать мутации, в том числе и такие значительные как хромосомные перестройки.
Они играют важную роль в процессах переноса лекарственной устойчивости среди микроорганизмов, рекомбинации, и обмена генетическим материалом между различными видами как в природетак и в ходе генно-инженерных исследований.
Проблема заключается в том, что ускорение частоты мутаций ведет к увеличению числа особей с врожденными дефектами и вредными отклонениями, передающимися по наследству.Главная опасность загрязнения окружающей среды мутагенами, как полагают генетики, заключается в том, что вновь возникающие мутации, не “переработанные” эволюционно, отрицательно повлияют на жизнеспособность любых организмов. Мутагены окружающей среды влияют на величины рекомбинаций наследственных молекул, являющихся также источником наследственных изменений.
Химические мутагены;
Температурные воздействия
Предполагалось, что тепловое движение атомов в молекулярных структурах гена в некоторых случаях может привести к перестановкам атомов, появлением новых молекул, а следовательно – к мутациям. В таком случае, чем выше температура, тем выше интенсивность теплового движения, тем чаще будут происходить мутации. Это положение нашло хорошее экспериментальное подтверждение. Однако уже в работах, выполненных в 30-х годах было показано, что понижение температуры также вызывает мутации [Керкис Ю.Я., 1939].
Более опасным является воздействие температуры на вещества, с которыми контактирует человек. Так с увеличением температуры возрастает мутагенность конденсата сигаретного дыма [Crebelli R., Conti L., Fuselli S et all., 1981].
В 1985г. был проведён совместный японо-американский семинар по итогам исследований, посвящённых мутагенности, канцерогенности и метаболизму гетероциклических аминов, образующихся при термической обработке мяса и рыбы. В пиролизатах некоторых аминокислот и белков обнаружены производные пиридоимидазола, аминокарболина, имидазолхинолина и др. Большинство этих соединений являются промутагенами. Продукты их метаболизма связываются с макромолекулами и вызывают мутагенный эффект [Ленинджер А., 1985]. Во многих исследованиях показано наличие мутагенных соединений в моче и фекалиях человека, получавшего жареные или копчёные продукты [Ревазова Ю.А.,1994].
С присутствием гетероциклических аминов, по-видимому, связана также мутагенная активность в тесте Эймса разных образцов гамбургеров, “hotdogs” и других видов быстрой пищи.
Условно подразделяются на следующие группы
1. Мутагены промышленного производства
2. Мутагены сельскохозяйственного производства
3. Бытовые мутагены
а) Пищевые
б) Лекарственные препараты
1.2.1. Промышленные вещества – мутагены
Наиболее опасными мутагенами, образующимися при сжигании угля, газа, нефти, производствах химической, нефтехимической, металлургической, целлюлозно-бумажной промышленности, являются вещества группы ПАУ (полициклические ароматические углеводороды) и, в особенности, диоксины. Оба названия собирательные. Группа ПАУ объединяет десятки веществ с тремя и более бензольными кольцами. Группа диоксинов объединяет сотни веществ, содержащих гетероциклическую структуру с атомом хлора в качестве заместителей. Многие из ПАУ являются мутагенами, например, бенз(а)пирен. Адсорбируясь на частичках сажи ПАУ уносятся за многие сотни километров от зон выбросов (например, горящие леса, свалки, газовые факелы и т.д.). В комнате, наполненной дымом, ПАУ примерно в 100 раз больше, чем в городском воздухе. Прослеживается чёткая зависимость числа заболевания раком лёгкого с годами курения. Показано, что возникновение раковых заболеваний происходит при введении бензо(а)пирена с пищей, а также при контакте с кожей. В атмосфере ПАУ довольно устойчивы. Их постепенная трансформация происходит при взаимодействии с озоном и диоксидом азота (продукты – нитробенз(а)пирены обладают высокой мутагенностью).
“Грязной дюжиной” называют 12 токсических хлорорганических веществ. В эту группу входят ДДТ (см. далее) и три группы веществ, объединённых по качеству сходства их токсических свойств – политоксичности. Эта группа носит название – диоксины. Длительное воздействие диоксинов на организм в ничтожных концентрациях приводит к росту онкологических заболеваний, гибели плода в матке, врождённым порокам развития, потере иммунитета. Это дало основание назвать токсикацию диоксинами – химическим СПИДом. Недавно выявлено ещё одно действие диоксина – он приводит к фертильности (потеря оплодотворяющей способности) мужской спермы. Самая лёгкая форма поражения человека диоксинами – потеря способности к длительным физическим и умственным усилиям. Выброс диоксинов происходит в основном на мусоросжигательных заводах, где сжигаются пластиковые изделия. Для уменьшения выбросов диоксина мусор сортируют, пластик отбрасывают.
Другие источники ПАУ и диоксинов – ТЭЦ и лесные пожары. Осуществление программы строительства мусоросжигательных заводов в Татарстане может привести к быстрому росту загрязнения диоксином республики. Путешествуют диоксины, как и ПАУ на частичках сажи. Разрушаются в основном под действием Уф лучей. Диоксины взаимодействуют с ДНК непосредственно и косвенно. Образуя комплекс с ферментом монооксигеназой, диоксины меняют свойства фермента. Активируется окисление, идущее с образованием свободных радикалов – сильных мутагенов. Основная масса диоксина попадает в организм с пищей [Фёдоров Л.А., 1993; Юфит С.С., 1996].
Весьма опасными загрязнителями окружающей среды являются нитросоединения: окиси азота, нитраты, нитриты, нитрозамины и др. Все они в различной степени являются мутагенами. Но наиболее опасны в мутагенном отношении нитрозамины. Нитраты с пищей попадают в желудочно-кишечный тракт человека и превращаются там в нитриты. Последние вступают в реакцию со вторичными аминами пищевых масс, образуя нитрозамины. Нитриты и нитрозамины могут образовываться в сельскохозяйственных продуктах во время их хранения. Даже хранение в холодильнике не защищает от образования нитритов. Наиболее существенным источником нитратов являются минеральные и органические удобрения. Нитраты дают значительную добавку в весе овощей и фруктов. Погоня за лишним весом приводит к тому, что при подкорме сельскохозяйственных культур используется значительный избыток удобрений. Это приводит к накоплению нитратов в зерне, овощах и фруктах в количествах опасных для здоровья. Употребление их может привести к нарушению нормальной работы наследственного аппарата клеток. Нитросоединения опасны ещё и тем, что приводят к образованию метгемоглобина. В процессе его образования происходит генерация активных форм кислорода, которые также являются опасными мутагенами.
В 1960-1970 гг. у детей некоторых фермеров в США была обнаружена метгемоглобинемия. Причину заболевания долго не могли выяснить, пока случайно не связали три факта. Во-первых, известно, что нитросоединения вызывают образование метгемоглобина. Во-вторых, все заболевшие дети были из фермерских хозяйств, где использовали в больших количествах азотные удобрения. И, наконец, в овощах, которыми питались дети выявлено большое количество нитратов.
Несколько слов о неорганических токсинах. В связи с разработкой дешёвых и точных методов анализа в последнее время стали особенно интенсивно изучаться токсические эффекты 13 металлов, токсичных во всех своих водо-, щелочно- и кислоторастворимых соединениях (Be, Al, Cr, As, Se, Ag, Cd, Sn, Sb, Ba, Hg, Te, Pb). Многие из них оказались мутагенами. Все они продукты промышленного производства. Эту группу токсинов возглавляет “ мрачная тройка “ – Pb, Cd, Hg. Когда в рекламе водоочистителей сообщают об эффективном удалении из воды тяжёлых металлов, имеются в виду ионы этой тройки. Постановка Pb на первое место в этой тройке не случайна. История его применения самая древняя: сурик, свинцовые белила, глазури, водопровод древнего Рима, электрические кабели, свинцовые аккумуляторы, лаки, спички. пластмассы, хрусталь и многое другое.
Многие из вас слышали передачи по телевизору, в которых призывали “ не держите долго в хрустальной посуде воду, вино, т.к. свинец, используемый при изготовлении хрусталя, может перейти в содержимое вашего бокала.
Ежегодно, содержание Pb в воздухе увеличивается на 5%, удвоение происходит за 14 лет. Недавно учёные США пришли к заключению, что токсикация Pb – причина агрессивного поведения школьников и снижение их способности к обучению. Pb попадает в организм человека в основном с растительной пищей. Меньше всего Pb в бобовых, больше всего в кабачках. Меньше Pb попадает в организм с водой. Источник – сплавы, используемые при соединении водопроводных труб. В последнее время выявлен мутагенный эффект соединений свинца [Уэр.Дж., 1993].
Химический символ кадмия – Cd курильщикам можно читать как аббревиатуру английского Cancer disease – раковое заболевание. Оксид кадмия, поступающий в альвеолы из табачного дыма индуцирует мутации ДНК клеток лёгких. Табак – растение, в наибольшей мере аккумулирующее соли Cd из почвы. Наиболее серьёзные последствия Cd-токсикации – почечная недостаточность. Cd поступает в воздух при сжигании угля, нефти, в почву с минеральными удобрениями [Ершов Ю.А., Плетнёва Т.В., 1989].
В настоящее время мы часто слышим по радио, видим по телевидению, узнаем из газет, что в том или ином районе России, в городе, школе, фабрике обнаружен очаг загрязнения ртутью. Срочно эвакуируются люди, и производится сбор ртути с последующей специальной обработкой очага. Это действительно необходимо. Металлическая ртуть, помимо общетоксического действия, вызывает значительные нарушения нормальной деятельности генетического аппарата. Особенно опасны органические соединения ртути. Ртуть обладает способностью накапливаться в организмах рыб и моллюсков. Коэффициент накопления может достигать 300 (т.е. в организме ртути может оказаться в 300 раз больше, чем в морской воде). В последнее время значительно возрасла концентрация ртути в Балтийском море (его иронически называют “кухонный таз Европы”). Туда практически сбрасывают отходы вся Европа. Из-за медленной биологической инактивации вредных веществ в Балтийском море ртутные соединения и пестициды накапливаются в рыбе и ещё больше в птицах, которые едят её. Это привело к гибели красивой птицы – балтийского пеликана. Швеция, Финляндия и Дания запретили своим судам ловить рыбу в большинстве районов Балтийского моря [20? 21]. Ртуть поступает во внешнюю среду в количестве более чем 10 тыс. тонн в год.
Во Франции, с 2000 года планируется полностью запретить пользоваться в больницах и быту градусники содержащие ртуть. Они будут полностью заменены на электрические, химические и другие виды приборов способных мгновенно показывать температуру любых участков тела.
Винилхлорид, используемый для производства пластических упаковок и изоляционного материала на протяжение 45 лет, вызывает в соматических клетках рабочих на химических производствах повреждения хромосом.
Особо следует обратить внимание на обнаруженную в последнее время мутагенность асбестовой пыли. Этот широко используемый строительный материал способен вызывать рак лёгких. Это послужило основанием для некоторых фирм США снести здания, при строительстве которых использовался асбест.
Источники:
http://vinograd.info/spravka/himikaty-i-udobreniya/himicheskie-mutageny.html
http://studopedia.ru/12_191889_mutageni-ih-klassifikatsiya-i-harakteristika-geneticheskaya-opasnost-zagryazneniya-prirodnoy-sredi-mutagenami.html
http://studopedia.su/10_145405_himicheskie-mutageni.html
