X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Воздействовать на код наследственности способны тысячи внешних факторов. Это и космическое излучение, присутствующее постоянно на протяжении веков эволюции живой материи и вредные факторы среды обитания, связанные с человеческой деятельностью (загрязнение окружающей среды вследствие развития промышленности, увеличение радиационного фона, лекарственная терапия ,вирусы и др. В современных аптеках насчитывается до 50 тысяч медикаментов, ежегодно синтезируется до 200 тысяч химических соединений. Все это обрушивается на человеческий организм, в том числе на аппарат наследственности. В результате возникают поломки — мутации — хромосом и генов. Каждая из них может быть причиной тяжелого недуга.

Химический мутагенез впервые целенаправленно начали изучать сотрудник Н. К. Кольцова В. В. Сахаров в 1931 г. на дрозофиле при воздействии на её яйца йодом, а позже М. Е. Лобашов.

К химическим мутагенам относятся самые разнообразные вещества (алкилирующие соединения, перекись водорода, альдегиды и кетоны, азотная кислота и её аналоги, различные антиметаболиты, соли тяжёлых металлов, красители, обладающие основными свойствами, вещества ароматического ряда), инсектициды (от лат.insecta – насекомые, cida – убийца), гербициды (то лат. herba – трава), наркотики, алкоголь, никотин, некоторые лекарственные вещества и многие другие.

Актуальность темы работы обусловлена важностью и необходимостью знания влияний химических факторов на частоту геномных и хромосомных мутаций.В наше время ученые обнаружили главные факторы, приводящие к мутациям — мутагены. Известно, что мутации вызываются условиями, в которых находится организм: его питанием, температурным режимом и т. д. или действием таких факторов, как некоторыми химическими веществами или радиоактивными элементами.

Задача моей работы – рассмотрение влияния химических факторов на частоту геномных и хромосомных мутаций.

Решению этой цели служат следующие задачи:

раскрыть понятие геномных и хромосомных мутаций

рассмотреть причину возникновения геномных и хромосомных мутаций

рассмотреть химическое увеличение частоты мутаций

Основные понятия геномных и хромосомных мутаций

Геномной мутацией называется изменение числа хромосом. Геномные мутации возникают в результате нарушения нормального хода митоза или мейоза.

Гаплоидия — уменьшение числа полных гаплоидных наборов хромосом.

Полиплоидия — увеличение числа полных гаплоидных наборов хромосом: триплоиды (3n), тетраплоиды (4n) и т.д.

Гетероплоидия (анеуплоидия) — некратное увеличение или уменьшение числа хромосом. Чаще всего наблюдается уменьшение или увеличение числа хромосом на одну (реже две и более).

Наиболее вероятной причиной гетероплоидии является нерасхождение какой-либо пары гомологичных хромосом во время мейоза у кого-то из родителей. В этом случае одна из образовавшихся гамет содержит на одну хромосому меньше, а другая — на одну больше. Слияние таких гамет с нормальной гаплоидной гаметой при оплодотворении приводит к образованию зиготы с меньшим или большим числом хромосом по сравнению с диплоидным набором, характерным для данного вида: нулесомия (2n - 2), моносомия (2n - 1), трисомия (2n + 1), тетрасомия (2n + 2) и т.д.

Хромосомные мутации

Это изменения структуры хромосом. Перестройки могут осуществляться как в пределах одной хромосомы — внутрихромосомные мутации (делеция, инверсия, дупликация, инсерция), так и между хромосомами — межхромосомные мутации (транслокация).Делеция — утрата участка хромосомы; инверсия — поворот участка хромосомы на 180° ; дупликация — удвоение одного и того же участка хромосомы; инсерция —перестановка участка.

Химические мутагены

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 хромосомных и геномных мутаций.[5, c 3]

Химические мутагены:

окислители и восстановители;

алкилирующие агенты и пестициды;

некоторые пищевые добавки;

продукты переработки нефти и органические растворители;

лекарственные препараты.

Причины возникновения геномных и хромосомных мутаций

Хромосомные аномалии могут возникать под влиянием самых разнообразных химических (мутагены), физических (облучение, температурный шок) и биологических (вирусные инфекции) факторов.

При этом повреждающие агенты могут быть экзогенными (большинство известных мутагенов), либо иметь эндогенную природу и быть следствием ошибок метаболизма, нарушений функций генов системы детоксикации токсических метаболитов (свободные радикалы, перекисные соединения и т. д.) или генов репарации ДНК, результатом стресса или нарушений гормонального гомеостаза. В последнем случае особенно важную роль в механизмах нерасхождения хромосом отводят процессам внутрифолликулярного и внефолликулярного перезревания гамет, подробно исследованных в экспериментах на мышах и золотистых хомячках. Считается, что длительное (много лет и даже десятилетий) пребывание яйцеклеток в фолликулах на фоне постоянно меняющегося гормонального фона, а также достаточно долгая (несколько дней) миграция овулировавшей яйцеклетки к месту оплодотворения приводят к кристаллизации и дегенеративным изменениям актиновых нитей митотического веретена и, как следствие, к нарушению сегрегации мейотических и митотических хромосом. [1, C 1]

Прямые данные о влиянии различных факторов на возникновение хромосомных аномалий у человека весьма ограничены. Обычно о них судят путем экстраполяции на человека экспериментальных данных, либо по частотам так называемых «маркерных», или «сигнальных», фенотипов, таких как спонтанные аборты и некоторые хромосомные синдромы (болезнь Дауна, Эдвардса и др.) Важная информация о влиянии радиации на гаметогенез и эмбриогенез человека была получена на основании обширных цитогенетических исследований ликвидаторов аварии на Чернобыльской АЭС 1985 года, а также жителей пораженных областей Украины и Белоруссии и их потомства. качестве других мутагенных факторов рассматривают курение, различные химические, в том числе и лекарственные, препараты (антифолиевые препараты, цитостатики). Из факторов, провоцирующих образование несбалансированных гамет и зигот у человека, к настоящему времени общепризнанными являются лишь возраст матери и гетерозиготное носительство хромосомных транслокаций. Однако, если вероятность образования несбалансированных гамет у носителя структурной перестройки хромосом безусловно, увеличена, то влияние других факторов на возникновение хромосомных аномалий не столь очевидно. С другой стороны, не вызывает сомнения, что у некоторых супружеских пар частота хромосомных аберраций у потомства существенно выше популяционной, и они должны быть отнесены к группе высокого риска. Эти наблюдения послужили основой при разработке показаний для кариотипирования плода с целью профилактики хромосомных болезней.

Химические увеличение частоты мутаций

 Наконец, надо указать, что высокая температура также в известной степени повышает частоту спонтанных мутаций. Повышение температуры благоприятствует всем химическим реакциям. Часто наблюдаемое возрастание частоты мутаций (иногда в 5 раз при повышении температуры на 10°) можно поэтому считать доводом в пользу мнения, что мутации обычно индуцируются химическими реакциями, протекающими в хромосомах. Однако было также замечено, что высокая температура может вызвать значительные структурные изменения хромосом. Таким образом, увеличение частоты мутаций при повышении температуры может быть следствием увеличения числа как внутримолекулярных изменений, так и структурных аберраций. Распространение мутагенов в окружающей среде чревато повышением частоты мутаций, а следовательно, увеличением генетического груза человечества, что в свою очередь влечет за собой физические страдания больных, ставит сложные моральные проблемы перед обществом и, наконец, ложится на его плечи тяжелым экономическим бременем. Генетическая токсикология изучает мутагенную активность факторов антропогенной природы, прежде всего химических соединений, разрабатывает методы и способы оценки их генетической активности. Эта наука ставит своей целью свести к минимуму степень риска мутагенных воздействий, уменьшить генетическую опасность во всех областях человеческой деятельности.   Увеличение частоты мутаций, обусловленное химическими мутагенами.  В последнее время доказано, что связь между облучением и мутационными изменениями может носить и не прямой характер. По-видимому, энергия излучения может вызвать в среде, окружающей хромосому, химические изменения, которые ведут к индуцированию генных мутаций и структурных перестроек в хромосомах. Следовательно, мутации могут индуцироваться и пострадиационными химическими изменениями, происшедшими в среде.  Ионизирующая радиация и химические мутагены. любой возможный подъем уровня радиации, любое облучение может на несколько процентов увеличить частоту мутаций. Принимая во внимание флуктуации спонтанной частоты мутаций, обусловленной например, изменениями возрастной структуры родителей, какое-либо увеличение, связанное с радиацией, может оказаться даже незамеченным без применения тонких эпидемиологических методов. Все же эффект имеет место. Следовательно, одной из основных задач профилактической медицины будущего является поддержание радиации на как можно более низком уровне. Кое-что в этом отношении дает усовершенствование технологии, поскольку основным источником радиации в настоящее время является медицинская диагностическая аппаратура. Самыми опасными последствиями загрязнений является возможность неблагоприятных мутаций в организме человека в результате увеличения химических мутагенов в окружающей среде. Как следствие увеличивается частота врожденных дефектов умственного и физического развития, бесплодных браков и генетическая предрасположенность к некоторым тяжелым болезням. Уже сейчас смертность от врожденных болезней во многих странах превышает смертность от детских инфекций. Мутации, возникающие в половых клетках, могут приводить к спонтанным абортам, врожденным порокам развития, мертворождениям, к увеличению частоты наследственных заболеваний. Мутации, возникающие в соматических клетках, способны инициировать развитие злокачественных новообразований, сокращать продолжительность жизни, вызывать преждевременное старение, а также неблагоприятно воздействовать на целый ряд жизненно важных функций организма. В связи с этим проблемам, связанным с индуцированным мутагенезом, уделяют пристальное внимание. Основные закономерности индуцированного мутационного процесса у человека на генном, хромосомном и геномном уровнях изложены в многочисленных работах, выполненных как в нашей стране, так и за рубежом. Большая часть исследований проводится на соматических клетках, — наиболее доступным и удобным объекте исследования. При изучении индуцированного мутагенеза основное внимание уделяют следующим вопросам спектру мутаций количественной зависимости частоты мутаций от дозы мутагена и его качества (т.е. вида) репарации повреждений ДНК особенностям действия малых доз мутагена влиянию антимутагенов индивидуальной чувствительности организма. [2, c 9]

Методы лечения

Основные принципы лечения: исключение или ограничение продуктов, превращение которых в организме в отсутствии необходимого фермента приводят к патологическому состоянию; терапия замещения дефицитным в организме ферментом или нормальным конечным продуктом искажённой реакции; индукция дефицитных ферментов. Большое значение предаётся фактору своевременности терапии. Терапию следует начинать до развития у больного выраженных нарушений в тех случаях, когда больной рождается ещё фенотипически нормальным. Некоторые биохимические дефекты могут частично компенсироваться с возрастом или в результате вмешательства. В перспективе большие надежды возлагаются на генную инженерию, под которой подразумевается направленное вмешательство в структуру и функционирование генетического аппарата удаление или исправление мутантных генов, замена их нормальными. [8, c 3]

Заключение

Благодаря прогрессу медицинской генетики и расширению представлений о характере наследования всевозможных заболеваний и влияний факторов внешней среды на проявляемость мутантных генов, стали намного яснее пути лечения, а самое главное профилактика наследственных заболеваний.

Развитие генетики для изучения проблем человека связана с ее общими научными успехами и с тем, что эти успехи начинают занимать большое место в идущей научно-технической революции. Развитие генетики имеет важное значение для познания явлений жизни и в том числе для медицины.

Факторами, вызывающими геномные и хромосомные мутации, могут быть самые разнообразные влияния внешней среды: температура, ультрафиолетовое излучение, радиация (как естественная, так и искусственная), действия различных химических соединений – мутагенов. Мутагенами называют агенты внешней среды, вызывающие те или иные изменения генотипа – мутацию, а сам процесс образования мутаций – мутагенезом.

Химические:

окислители и восстановители (нитраты, нитриты, активные формы кислорода);

алкилирующие агенты (например, иодацетамид);

пестициды (например гербициды, фунгициды);

некоторые пищевые добавки (например, ароматические углеводороды, 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).

Генетика – это фундамент медицины. Задача состоит в том, чтобы генетическая программа каждого человека была бы полноценной и высокоактивной во всех клетках человека, поэтому важнейшей задачей медицинской генетики остается профилактика наследственных заболеваний, своевременное предупреждение появления на свет больных детей.

Важнейшей является и проблема генетической информации людей. Генетическая информация людей – это самое драгоценное естественное достояние страны, которое нужно беречь несравнимо в большей степени, чем нефть, руды, газ, каменный уголь и другие ресурсы.

В России разрабатывается система генетической службы, которая позволит следить за процессами, идущими в наследственности людей, прогнозировать эти процессы. Эта работа выполняется в Институте общей генетики Академии наук Российской Федерации.

Список использованной литературы

Гвоздев В.А. Подвижная ДНК эукариот. Часть 2. Роль в регуляции активности генов и эволюции генома // Сорос. образоват. журнал2013,№ 8,с. 15—21.

Ярыгин В.Н., Васильев В.И. «Биология» //Высшая школа. 2008. С. 84.

Рис Э, Стернберг М. Введение в молекулярную биологию (от клеток к атомам): пер. с англ. / под ред. Ю.С. Лазуркина, В.А. Ткачука. - М.: Мир, 2014. - 142 с.

Шевченко В.А., Топорнина Н.А., Стволинская Н.С. Генетика человека: учебник для вузов. - 2-е изд. испр. и доп. - М.: Владос, 2004. - 240 с.

Шкундина И.С., Тер-Аванесян М.Д. Прионы // Успехи биологической химии. - М., 2013. - Т. 46. - С. 3-42.

Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология: учебное пособие: пер. с англ. / под ред. А.И. Арчакова. - М.: Наука/Интерпериодика, 2013.

Розанов, В. А. Биология человека и основы генетики: Учебное пособие / В. А. Розанов. – Одесса: ВМВ, 2012. – 435 с.

Источники электронной информации

http://genetics.prep74.ru/mutazii.html

https://studfiles.net/preview/2073954/page:5/

http://xn--80ahc0abogjs.com/

https://books.google.ru/

http://medbiol.ru/medbiol/genetic_sk/0006147a.htm

Код для цитирования: Скопировать