Біологія 11 клас

РОЗДІЛ І РОЗМНОЖЕННЯ


ТЕМА 3. ЗАКОНОМІРНОСТІ МІНЛИВОСТІ


§ 15. ЧОМУ ВИНИКАЮТЬ МУТАЦІЇ. МУТАГЕНИ


Терміни і поняття: мутагенез (експериментальний, спонтанний); мутагени фізичні, хімічні і біологічні; мутації індуковані і спонтанні; лейкоз; репарація.

Поняття мутагенезу. З самого початку становлення генетики особливу увагу вчені приділяли причинам і природі мутацій. їх насамперед дуже цікавило: звідки беруться раптові стрибкоподібні зміни фенотипу. Першим реальним кроком у цьому напрямі стали дослідження з експериментального мутагенезу (від мутаціо і генезіс), тобто впливу на організм мутагенами — сильнодіючими фізичними факторами або хімічними речовинами, що спричиняють появу мутацій. Впровадження математичних методів, за допомогою яких став можливим суворий облік мутацій, що виникають під час дії мутагенів, дало ряд цікавих результатів, котрі стимулювали подальший розвиток генетики. Більше того: їх спрямований пошук у природі показав наявність так званого спонтанного мутагенезу.

Мутації, викликані у лабораторних умовах, згодом стали називати індукованими мутаціями, а знайдені у природних популяціях — спонтанними мутаціями. І ті, і другі, як правило, за своїм фенотиповим проявом майже не відрізняються. Проте вчені все-таки відзначали, що індуковані мутації набагато різноманітніші й фенотипово проявляються сильніше, ніж спонтанні. Наприклад, у дрозофіл (мал. 54)дочисла більш-менш поширених відносять мутації «жовте тіло» і «закручені крила», їх можна викликати в лабораторії й спостерігати в природі, але виразність цих аномалій завжди сильніша в особин, у яких ці мутації були штучно індуковані.

Що таке фізичний мутагенез. Уперше принципову можливість штучного викликання мутацій довів у 1927 р. американський дослідник Герман Джозеф Мьоллер (1890—1967), який опромінював дрозофіл рентгенівськими променями. Нині доведено, що всі види іонізуючого опромінення є потужними фізичними мутагенами. У лабораторних умовах використовуються майже винятково рентгенівські й гамма-промені. Це пов’язано з        тим, що вони краще, ніж потоки заряджених частинок, проникають усередину організму. Фізичними мутагенами також є ультрафіолетові промені та підвищена температура.

Механізм мутагенного впливу полягає у такому. Проходячи крізь цитоплазму або каріоплазму, промені на своєму шляху виривають електрони зовнішньої оболонки атомів і перетворюють їх у позитивно заряджені іони. Електрони, що вивільняються, приєднуються до інших атомів, надаючи їм негативного заряду. В результаті у клітині і ядрі утворюється величезна кількість високоактивних хімічних радикалів. Якщо вони взаємодіють із структурними білками або ферментами,


 


Мал. 54. Приклади мутацій дрозофіли, що можуть бути індуковані мутагенами або виникати у природних умовах: а — жовте тіло; б — скручені крила.


змінюючи їх структури, то це тільки на якийсь час призводить до порушень функціонування клітини. Якщо ж вони взаємодіють з ДНК, відбуваються необоротні зміни — мутації. Мутації можуть бути пов’язані з порушеннями структури як одного нуклеотида, так і відразу низки сусідніх нуклеотидів. У результаті в першому випадку у ході реплікації можуть виникати генні (точкові) мутації, а в другому — перебудови хромосом. Цікаво, що вплив іонізуючого опромінення найчастіше призводить саме до другого типу мутацій.

Дуже часто дію іонізуючого випромінювання, особливо заряджених частинок, порівнюють із влученнями у мішень, якою в цьому випадку є генетичний апарат клітини. Як не всяка куля знаходить свою ціль, так і не всяка заряджена частинка влучає в ядро. Якщо ж таке відбувається, то можна припустити, що мутагенний ефект від опромінення буде набагато вищим у тканин, клітини яких постійно діляться (у таких клітин у середньому відносно більший розмір ядра порівняно з клітинами, що не діляться). Крім того, мутагенний ефект опромінювання повинен більше проявлятися у разі опромінення чоловічих гамет, ніж жіночих (пригадайте ядерно-цитоплазматичні співвідношення в сперматозоїдах і яйцеклітинах). Проведені дослідження показали, що ця закономірність справді має місце.

Мутагенний ефект випромінювання у клітинах, що діляться, вищий ще й тому, що генні мутації найчастіше виникають у процесі реплікації ДНК. У клітинах, що не діляться, багато з порушень структури нуклеотида (метилювання, амінування, фосфорилювання азотистих основ) — це ще не власне мутації, а швидше схильність до них. Такі зміни структури нуклеотида різко підвищують імовірність неправильної реплікації й тільки порушення синтезу ДНК безпосередньо призводять до мутації. Не випадково, що в людини радіація насамперед уражує клітини епітеліальної тканини (у тому числі сперматозоїди, які постійно утворюються шляхом поділу сперматогоній) і деяких видів сполучної тканини, насамперед кістковий мозок, де постійно поділом клітин попередників утворюються формені елементи крові. Одним з найбільш небезпечних наслідків опромінення кісткового мозку є лейкоз — злоякісне переродження кровотвірної системи. Дуже чутливі до дії іонізуючого опромінення людські ембріони.

Саме через те, що опромінення уражує передусім клітини, які перебувають у стані поділу, дуже стійкими до його впливу виявилися дорослі комахи. Як відомо, на стадії імаго у комах повністю припиняється ріст і, відповідно, клітинні поділи. Тому, приміром, тарган рудий може витримати опромінення у кілька сотень рентгенів, тоді як для людини критичними є дози на рівні 50 рентгенів.

На властивості іонізуючого опромінення уражувати клітини, що діляться, ґрунтується терапевтичний ефект гамма-променів. За їх допомогою убивають ракові клітини, які перебувають у стані постійних поділів, й у такий спосіб гальмують розвиток злоякісних пухлин.

Важливою властивістю фізичних мутагенів є пряма залежність між дозою опромінення, яку дістає організм, і виходом мутацій (мал. 55). Чим більша доза, тим, відповідно, більше мутацій. Звідси був зроблений висновок, що не існує граничних доз дії іонізуючого опромінення, нижче яких воно не шкідливе, просто за малих доз рівень мутування не дуже помітний. Якщо ж організм пробуде в умовах низького рівня радіації досить тривалий період,


Мал. 55. Прямолінійна залежність між частотою мутацій у дрозофіли і дозою рентгенівського опромінення, яку дістали дослідні особини.



Мал. 56. Формула бензопірену — мутагену й одного із забруднювачів навколишнього середовища.


накопичений мутагенний ефект може бути не менший за одержання великої дози за дуже короткий період часу.

Особливості хімічного мутагенезу. Хімічний мутагенез було відкрито пізніше фізичного, у 1940 році. Честь його відкриття належить видатному генетику, уродженцеві м. Чернігова Йосипу Абрамовичу Рапопорту (1912—1990), який вирощував дрозофіл на середовищі з формальдегідом.

Хімічні мутагени — речовини певних типів хімічних сполук, що, взаємодіючи з ДНК, уражують саме генетичний апарат клітини. До хімічних мутагенів відносять: неорганічні речовини (оксиди сірки SO2 і азоту NO2, перекис водню Н2O2, азотисту кислоту HNO2, солі азотної кислоти HN03, сполуки Плюмбуму та Гідраргіуму); прості органічні сполуки (формальдегід СН2 = О, хлороформ СНСl3) та набагато складніші органічні сполуки. Сильними мутагенами є органічні сполуки, здатні переносити групи СН3 і С2Н5 Деякі з них настільки мутагенні, що їх називають супермутагенами. Сильні мутагенні властивості мають циклічні органічні сполуки, у яких бере участь атом Нітрогену. До цієї групи сполук відносять усі аналоги азотистих основ. Мутагенами виявилися й багато отрутохімікатів, що використовуються для боротьби із сільськогосподарськими шкідниками.

Механізм дії хімічних сполук багато в чому нагадує дію опромінювання. Тільки у цьому випадку хімічно активні речовини не утворюються у клітині під дією зовнішньої енергії, а проникають у клітину як чужорідні речовини, після чого починають реагувати з ДНК, змінюючи її структуру, що згодом провокує неправильну реплікацію і таким чином призводить до мутацій. Є особливі форми хімічних мутагенів, які не змінюють первинну структуру ДНК, а утворюють комплекси з ДНК. У цьому разі також спостерігаються порушення синтезу ДНК.

Хімічний мутагенез має багато спільного з фізичним. Зокрема, чим вища доза хімічного мутагену, тим більший вихід мутацій. Але хімічний мутагенез має ряд особливостей. По-перше, хімічні мутагени діють більш специфічно, часто викликаючи певні мутації. По-друге, у них пролонгований ефект. Це означає, що мутації можуть проявитися через кілька клітинних поділів або навіть через два-три покоління нащадків.

Одним з наймасовіших небезпечних хімічних мутагенів є поліциклічний вуглеводень — бензопірен (мал. 56), який міститься у бензині, а також утворюється під час горіння нікотину. Це дуже стійка сполука, небезпечна тим, що може накопичуватися у навколишньому середовищі або організмі, а тому навіть мінімальні її дози рано чи пізно можуть призвести до мутагенних і канцерогенних (від лат. канцер — рак і генезіс) ефектів. Саме цій речовині завзяті чоловіки-курці найчастіше зобов’язані безплідністю.

Біологічні мутагени. До середини 40-х років XX ст., як це не дивно, ніхто й не припускав, що ДНК — основна речовина ядра — є носієм генетичної інформації. Тоді вважали, що ця інформація записана в особливих білках. Довести, що саме ДНК є носієм спадкової інформації, вдалося академіку НАН України Сергію Михайловичу Гершензону (1906—1998) та його учням. Вони вирощували дрозофіл на середовищі, насиченому ДНК. Виявилося, що у таких колоніях масово виникають мутації, тоді як у пробірках, середовище яких містило різноманітні білки, мутації не спостерігалися. Звідси був зроблений висновок, що ДНК є генетично активною речовиною. Далі численні досліди з різноманітними видами організмів підтвердили, що чиста ДНК справді є сильним мутагеном.

Очевидно, що мутагенні ефекти можуть давати і вірусні інфекції. Адже у цих випадках ДНК потрапляє безпосередньо у генетичний апарат, викликаючи порушення його роботи. Справді, в уражених вірусами клітинах дуже часто спостерігаються хромосомні перебудови, що зовні не відрізняються від тих, які викликають гамма-промені.

Саме на мутагенній дії ґрунтується і канцерогенний ефект вірусів, адже виникнення злоякісних пухлин розпочинається з переродження соматичних клітин, викликаного порушеннями їх генетичного апарату різноманітними мутагенами.

Спонтанні мутації у природі. Що може бути причиною рідкісних випадків мутування організмів, які живуть у чистому середовищі і не зазнають дії фізичних та хімічних мутагенів? Адже у таких місцях, на відміну від лабораторій, на організми не впливають ані сильнодіючі хімічні сполуки, ані іонізуюче випромінювання. Якщо нині на Землі можна знайти безліч місць, забруднених мутагенами (території, потерпілі від аварій на ядерних реакторах, наприклад Чорнобильська зона, ділянки, заражені отрутохімікатами та відходами шкідливого виробництва), то ще сто років тому нічого подібного не було. Проте мутації траплялися завжди.

Можливо, спонтанні мутації викликають малопомітні природні фактори, скажімо, природний радіаційний фон, ультрафіолетові промені Сонця, раптові підвищення температури тощо. Ці фактори завжди були присутні на Землі й впливали на організми. Однак спеціальні розрахунки показують, що підвищеним радіаційним фоном можна пояснити не більше 10—25 % усіх спонтанних мутацій у людини. Очевидно, причиною всетаки є випадкові помилки під час реплікації, які й призводять до мутацій.

Доведено, що спонтанні мутації у бактерій становлять десь 10-5, а в еукаріотичних організмів вони мають частоту не вище 10-6. Це означає, що в кожної мільйонної новонародженої



Мал. 57. С. М. Гершензон


 наявна мутація певного гена. Очевидно, реальна частота спонтанних мутацій набагато вища, але клітини мають спеціальні механізми репарації (від лат. репараціо — відновлення) — систему спеціальних ферментів, які виправляють ушкодження й розриви ДНК, відновлюють цілісність її молекул.

Мутації можна викликати штучно, впливаючи фізичними агентами (іонізуючим випромінюванням) або хімічними речовинами певної природи на клітини або організм у цілому. При цьому частота індукованих мутацій тим вища, чим більша доза радіації або концентрація хімічних мутагенів в організмі. У природних умовах без впливу певних мутагенів виникають спонтанні мутації. Частота спонтанних мутацій набагато нижча за частоту індукованих. У середньому спонтанна мутація трапляється не частіше, ніж одна на мільйон генів.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити