Процесс деления клеток чрезвычайно точный и приводит к появлению огромного количества клеток с одинаковым набором хромосом. Однако хромосомы - это не инертные, стабильные структуры, которые неподвижно хранят генетическую информацию в первоначальном виде. Они постоянно испытывают разного рода изменений. Отдельные перестройки в хромосомах происходят в процессе нормальной жизнедеятельности организма (перемещение отдельных генов или их групп в рамках как одной и той же хромосомы, так и между разными хромосомами - транспозиция; генетическая рекомбинация при слиянии половых клеток; внедрения вирусов в геном организма, трансформация и конъюгация бактерий и др..).

 

Гены несут информацию, которая определяет характер взаимодействия клетки с наружным и внутренней средой организма. Они отличаются высокой устойчивостью и способны оставаться неизменными на протяжении многих поколений. Однако, несмотря на устойчивость, гены способны изменяться (мутировать) под воздействием радиации, химических и биологических факторов. Такие измененные гены называют мутантными. Они несут искаженную информацию. Некоторые изменения в ДНК носят случайный, спонтанный характер и легко подвергаются исправления, поскольку организм имеет мощные системы репарации (восстановления) структуры ДНК. Генетическая информация в ДНК записана в обеих цепях двойной спирали и, благодаря их комплементарности, информацию, потерянную в одной из цепей, можно восстановить с помощью другой цепи. Например, в ходе репликации в ДНК могут возникнуть одноланцю-Хови разрывы. Эти разрывы восстанавливаются благодаря ДНК-полимеразы I и ДНК-лигазы. Таким же образом может быть заменен ошибочно встроенный нуклеотид благодаря корректирующей способности ферментов.

 

Действие различных факторов внешней и внутренней среды приводит к изменениям в ДНК. Если клетка не исправляет изменения, возникающие, это приводит к появлению унаследованной изменения - мутации. Мутации - это изменения в нуклеотидной последовательности гена. Факторы, приводящие к мутациям, получили название мутагенов. Мутации бывают хромосомные, охватывающих хромосому или большую ее часть и точечные, или генные. Мутациям приводят различные воздействия: изменение генетического материала в результате действия химических агентов; включения аналогов азотистых оснований, вызывающих ошибки при репликации ДНК, например, включение 5-бромурацилу вместо тимина; добавления некоторых химических соединений, которые сами не включаются в ДНК, но вызывают аномалии при ее репликации, например, производные акридина, хинолина; действие ионизирующего излучения (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного, космического). Ультрафиолетовое (УФ) излучение, которое составляет значительную часть солнечного спектра, может вызвать химические изменения в ДНК клеток кожного покрова.

 

В результате поглощения УФ-лучей пуриновые и пиримидиновые основания переходят в возбужденное состояние, при котором возможны ковалентные изменения, например, образование димеров тимидиловои кислоты между двумя соседними тимина с образованием между ними циклобутанового кольца. Димеры могут оказаться непреодолимым препятствием для ДНК-полимеразы при репликации той части полинуклеотидной цепи, который находится по диммером. Ионизирующее излучение может «выбить» один или несколько электронов с биомолекул, что приводит к образованию свободных радикалов, нестабильных ионов, перекисных соединений, которые вызывают у ДНК аномальные химические изменения азотистых оснований и разрыв нуклеотидных цепей. Этим объясняется летальная действие ионизирующей радиации. К счастью, большая часть этих повреждений быстро исправляется клетками с помощью ферментативных механизмов.

 

Многочисленные повреждения возникают при действии различных химических соединений, которые приводят к дезаминирования оснований, отщепления их и образование ковалентных связей между цепями ДНК. Чаще при этом происходит гидролитическое отщепление пуриновых оснований. В результате депуринизации ДНК диплоидных клеток человек за сутки может терять около 5-104 нук-леотидив. Менее характерным является процесс депиримидинизации. В клетке существуют системы репарации (ДНК-ферментативные механизмы), которые обнаруживают и исправляют повреждения. Если обобщить, репарация происходит следующим образом. Например, если поврежден азотистые основания, то они проявляются и удаляются ДНК-гликозидазамы, которые гидролитически расщепляют связь между поврежденной основой и дезоксирибозы-ным остатком. В результате этого на молекуле ДНК образуется пен-тозофосфатний цепь без азотистых оснований. Специфические эндонуклеазы узнают такие участки и удаляют некоторое количество нуклеотидных остатков по обе стороны от места разрыва, а затем ДНК-полимераза I достраивает поврежден нуклеотидный цепь. Известно несколько систем репарации, которые удаляют повреждения различного типа.

 

Генные мутации. Это наследуемые изменения первичной структуры ДНК, которые приводят или к прекращению синтеза белка, который кодируется поврежденным геном, или к синтезу измененного, дефектного белка. Мутации в регуляторных участках оперона приводят к нарушению регуляции или прекращение биосинтеза белка. Механизмы мутагенеза сложные и недостаточно изучены.

 

На молекулярном уровне различают несколько типов точечных (генных) мутаций.

 

Замена одного основания на другую (АТЦ ^ АТТ). В этом случае изменяется кодирующих значение одного из триплетов ДНК и кодонов мРНК, в результате чего в соответствующем белке одна аминокислота заменяется на другую. Действие некоторых мутагенов основано на химических модификациях оснований ДНК. Так, за действия азотистой кислоты (предшественниками ее являются нитриты, нитраты, нитрозоамины) цитозин, испытывая окислительного дезаминирования, превращается в урацил, который ведет себя при кодировании как тимин. Вследствие этого изменяется комплементарное взаимодействие: если выходной цитозин является комплементарным гуанина, то образованный урацил - аденина, то есть изменяется содержание кодонов, что приводит к синтезу измененного белка. Аденин может превратиться в 6-гидроксипурин (гипоксантин), который отвечает уже не тимина, а цитозина. Источниками нитратов главным образом минеральные удобрения. Нитраты в процессе бактериального восстановления превращаются в нитриты, которые в результате реакции с вторичными аминами превращаются в нитрозоамины. Другими источниками азотсодержащих соединений, которые вызывают дезаминирования, могут быть бытовые и канализационные сточные воды, отходы промышленных производств, распад органических остатков и т.д.. Если в результате замены из кодонов образуется один из терминуючих триплетов (УГА, УАГ, УАА), то синтез полипептидной цепи обрывается, и образуется незавершенный полипептидная цепь белка.

 

Инверсия - перемена мест двух соседних нуклеотидов, например АТЦ ^ АЦТ, как и замещения, приводит к изменению значения кодонов и к замене аминокислоты или к обрыву синтеза полипептида, если это перемещение повлечет появление терминуючих триплетов.

 

Делеция - выпадение (потеря) части генетического материала, которое может ограничиваться одним и более нуклеотидом ДНК (АЦТ ^ АЦ_). При повышенной температуре, изменения рН, за действия алкилую-ющих веществ могут образовываться производные азотистых оснований, неспособны к комплементарного спаривания, что приводит к выпадению основ в кодонах. Алкилирующие агенты - это широкий класс органических соединений, которые характеризуются исключительной реакционной активностью. Они являются источниками введение в молекулу ДНК метиловых, этиловый, пропиловый и других радикалов.

 

Делеция может захватить часть цистрона или даже несколько цистрона. При этом синтез одного или нескольких белков будет невозможным. Если делеция происходит в зоне гена-регулятора, синтез соответствующего белка становится нерегулируемым.

 

Вставка лишнего нуклеотида внутри полинуклеотидной цепи ДНК, как и делеция приводит к смещение рамки считывания всей цепи нуклеотидов (АТЦ ^ АТТЦ). Вследствие изменения нук-леотиднои последовательности гена изменяется и последовательность нуклеотидов мРНК, из него считывается. Поскольку последняя не имеет знаков препинания, то синтезируется совсем другой белок.

 

Однако, если делеция или вставка охватывает не одну или две основы кодона, а три рядом расположенные нуклеотиды, то порядок чередования следующих за ними кодонов сохраняется; дальше измененным участком белок сохраняет нормальную структуру.

 

Мутации со сдвигом рамки (делеция, вставка) могут индуцироваться некоторыми крупными плоскими ароматическими молекулами, подобными обычных оснований или пар оснований ДНК. Такие молекулы способны интеркалюваты (т.е. встраиваться) между азотистыми основаниями, в результате чего в ДНК появляются дополнительные основания. Например, производные акридина (акридина красители) могут встраиваться между соседними парами оснований ДНК, потиснюючы их. Молчаливая мутация - когда замена одного основания в триплете не изменяет его содержания. Чаще это касается третьего нуклеотида триплета. Например, аминокислота аланин имеет 4 кодона (ГЦА, ГЦГ, ГЦУ, ГЦЦ) они различаются только последней основой, поэтому к мРНК все равно будет присоединяться своим антикодоном тРНК, соединенная с аланином.

 

Нейтральная мутация - когда одна аминокислота заменяется на другую, подобную по свойствам и размеру, по зарядом, за гидрофобностью (эквивалентная замена). Например, вместо лейцина имеем изолейцин и наоборот. Образуется немного измененный белок, но его биологические свойства при этом существенно не меняются - оба остатки аминокислот гидрофобные.

 

Полезная мутация. Если в результате мутации качества белка изменяются таким образом, что организм получает преимущества для выживания, то эта мутация считается биологически полезной.

 

Патологическая мутация. К ним относятся мутации, в результате которых меняется аминокислотный состав в важных участках, например в активном центре фермента, рецептора, в стратегически важных фрагментах третичной структуры протомеры или в четвертичной структуры белка и т.д. Например, в активном центре ацетилхолинес-теразы есть четыре остатки аминокислот: серина, гистидина, тирозина и глутаминовой кислоты. Если в результате мутации серин заменить фенилаланин, то такой фермент не сможет осуществить расщепление ацетилхолина. Вопрос о мутагенные эффекты лекарственных средств имеет важное значение для человека. Проверка на мутагенность лекарственных веществ стала основанием для запрета некоторых из них и ограничения применения других. Исследование мутагенности, тератогенности (воздействие на развитие эмбриона и плода) и канцерогенности является обязательным при Докл-ночном изучении новых лекарственных средств.

 

Частота мутаций. Мутации, в отличие от репарирующих повреждений ДНК, сравнительно редкими явлениями. При репликации они составляют один ложный нуклеотид на 109 - 1010 нуклеотидов, при транскрипции - на 105 - 106 и при трансляции - на 104 нуклеотидов. На сегодня у человека определенные мутации в 2500 различных генах, многие из них ухудшают те или иные функции или приводят в конце концов к летальному исходу. Другие гены человека, испытывающих мутаций, еще не открыты. Очевидно, количество выявленных наследственных заболеваний человека будет расти по мере выявления методов, способных регистрировать последствия мутаций. Наследственные болезни ставят перед биохимией и медициной исключительно важная задача по их определения и лечения.

 

Антимутагены и радиопротекторы. В борьбе против влияния мутагенов на организм человека большие перспективы открывают исследования по выявлению антимутагенов, т.е. соединений, способных ослаблять действие или защищать молекулу ДНК от воздействия мутагенных факторов. Впервые тот факт, что с помощью некоторых веществ можно не только усиливать, но и подавлять процесс мутации, был открыт в начале 50-х годов. Было отмечено, что добавление в среду для выращивания бактерий некоторых пуриновых нуклеозидов, входящих в состав ДНК, приводит к снижению количества спонтанных (естественных) мутаций на 60-70%. Это явление стали называть антимутагенезом, а сами вещества - антимутагеном. Сейчас уже известно около 200 природных и синтетических соединений, которые способны снижать частоту мутаций. Среди них некоторые аминокислоты и их производные (цистеин, цистин, гистидин, аргинин, метионин, цистамин и др..) Витамины, провитамины, витаминоподобные вещества (аскорбиновая, фолиевая и парааминобензойная кислоты, ретиналь (производное витамина А), каротин, токоферолы, филлохинон (витамин К) и др..) ферменты (пероксидаза, НАДФ-оксидаза, каталаза, глутатионпероксидаза и др.).; комплексы соединений, входящих в состав различных продуктов растительного и животного происхождения фармакологические средства (сульфаниламиды, препараты фенотиазинов-го типа, гексамидин, интерферон и др..), большая группа веществ, которые проявляют антиокислительные свойства (производные галловой кислоты, ионол, оксипиридины, дигидропиридины, некоторые соли селена и др.).; микро-и макроэлементы (соли кобальта и др..).

 

Эти же вещества применяются в радиобиологии для защиты биологических систем от повреждений (радиопротекторы).

 

Существуют следующие основные пути воздействия антимутагенов: нейтрализация мутагена до его взаимодействия с ДНК; предотвращения образования в процессе метаболической активации мутагенных соединений с нетоксичных предшественников; предотвращения ошибок в процессе репликации ДНК, активация репарации и других внутриклеточных систем поддержания целостности генетического материала.

 

Особую роль играть антимутагены, которые можно использовать как пищевые добавки и антимутагенные лекарства.

 

Необходимо продолжать научные исследования по созданию эффективных антимутагенов и новых механизмов их влияния на ДНК.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+