Мутационная изменчивость

Мутации – внезапные наследственные изменения генетического материала, возникающие спонтанно или могут быть индуцированы внешним воздействие на организм.

Мутагены – факторы, вызывающие мутации.

Мутагенез – процесс возникновения мутаций.

Мутант – организм, приобретший новый признак в результате мутаций.

Мутагенные факторы

Факторы бывают:

1. Физические.

2. Химические.

3. Биологические.

Среди физических – наиболее опасное – рентгеновские лучи, альфа -, бета – гамма – лучи: они вызывают образование в организме свободных радикалов ОН или НО₂ из воды, которые обладают большой реакционной способностью (могут расщеплять нуклеиновые кислоты и т.д.). Доза облучения в 10 рад удваивает частоту мутаций у человека (при однократном облучении – эффект гораздо выше. чем при хроническом).

Большую опасность представляют химические мутагены. В мире известно 5 – 7 млн. химических соединений: кислоты, щелочи, перекиси, соли металлов, формальдегид, колхицин. Супермутагенной активностью обладают нитрозосоединения (иприт, диэтилнитрозамин, уретан и др.)

В народном хозяйстве, в быту, на производстве применяется 50-60 тыс. хим-их веществ. Из них 5 – 10% - мутагены (300 тыс.).+ лекарственные соединения (цитостатики – в организме превращается в мутагены), среди пестицидов – 50%.

Биологические факторы: вирусы (оспы, кори, ветряной оспы, гепатита, краснухи, эпидемического паротита).

С целью снижения действия мутагенных факторов используются около 200 природных и синтетических соединений:

• Аминокислоты (гистидин, метионин и др.);

• Витамины (токоферол, каротин, ретинол, аскорбиновая кислота и др.);

• Ферменты (оксидаза, каталаза и др.);

• интерферон

Свойства мутаций:

1. возникают внезапно, скачкообразно;

2. наследственны;

3. ненаправленны – может мутировать любой локус хромосом;

4. возникают повторно;

5. могут быть полезными и вредными; доминантными и рецессивными.

Большинство мутаций рецессивно, у гетерозигот не проявляются  накапливаются в генофонде, уклоняясь от естественного отбора. Мутации могут быть летальные и полулетальные. Прямые мутации – от нормального гена к патологическому (обратные).

По месту возникновения:

1. Генеративные (возникают в половых клетках и проявляются в следующих поколениях).

2. Соматические (по наследству не передаются, только при бесполом размножении). Возникают часто и оказываются незамеченными, но если образуются клетки с повышенной скоростью роста и деления, то дают начало опухоли.

По уровню возникновения:

• Генные – изменение структуры гена.

• Хромосомные – изменение структуры хромосом.

• Геномные – изменение числа хромосом.

Генные мутации

Возникают в результате замены одной или нескольких пар азотистых оснований; сдвиг рамки считывания информации, связанный с выпадением или вставкой одного или нескольких азотистых оснований.

Эти мутации образуются наиболее часто.

Точковые мутации – затрагивают одну пару оснований  замена на другую, удвоение, делеция и т.д. Т.о. происходит нарушение последовательности нуклеотидов в ДНК  изменяется строение белка  изменяются биохимические признаки.

Транзиции - пуриновые основания (А, Г) меняются между собой или пиримидиновые (Ц, Т). Возникают при репликации ДНК.

Трансверсии – пуриновые на пиримидиновые и наоборот.

Замены оснований приводят к появлению в и-РНК двух кодонов, приводящих к мутациям:

1. Миссенс мутация (с измененным смыслом) – одна аминокислота заменена на

другую.

Например: при серповидно-клеточной анемии появляется аномальный гемоглобин (в его молекуле глутаминовая кислота заменена валином)  гемоглобин S кристализуется при низкой концентрации кислорода, а в венозной крови такие эритроциты становятся серповидными и быстро разрушаются  анемия.

Это рецессивная мутация.

Такие мутации влияют на активность ферментов (снижают их активность или количество) и приводят к появлению заболеваний, связанных нарушением обмена веществ:

• Ферментопатии – «фенилкетонурия» - отсутствие ферменты фенилаланингидроксилазы; гликогенозы (мутация ферментов углеводного обмена); липидозы (ненормальный обмен жиров).

• Нарушение обмена аминокислот – «гистидинемия», «оротовая ацидурия» - блокада пиримидиновых нуклеотидов, «синдром Леш-Найхана» - дефект синтеза пуриновых оснований (подагра).

2. Нонсенс – мутации (без смысла) – нонсенс-кодон появляется не в конце гена, а раньше  обрыв полипептидной цепи.

   • Мутации со сдвигом рамки-считывания (вставка или выпадение нуклеотидов).

Если условия обитания не изменяются, то генные мутации могут снижать выживаемость вида, а если изменяются условия обитания, то мутации могут повышать жизнестойкость.

Появление генных мутация связано с изменением структуры ДНК, которая спо-собна к восстановлению или к репарации – ферментативное разрушение изменен-ного участка ДНК с восстановлением комплементарных последовательностей.

При удвоении ДНК ошибки возникают в среднем с частотой 1 х 10^-6 комплементарных пар оснований. Важная роль в поддержании высокой точности репликации принадлежит ДНК-полимеразе (или редактирующей эндонуклеазе): «механизм самокоррекции»: отщепление ошибочно включенного в цепь ДНК нуклеотида, не спаренного с матрицей Þ снижение частоты ошибок в 10 раз (с 10^-5 до 10^-6). В некоторых случаях фермент может разрушить фрагмент нормальной цепи, комплементарной поврежденной Þ образуется двойная мутантная спираль.

«Механизм репарации» - молекулярное восстановление исходной нуклеотидной последовательности:

1. Фотореактивация – действие УФ – излучения приводит к снижению летального эффекта в несколько раз (расщепляются пиримидиновые димеры: Г=Ц и восстанавливается водородная связь А-Т):

А Г А А Ц Т Видимый свет А Г А А Ц Т

фермент

Т Ц Т Т Г А Т Ц Т Т Г А

2. Эксцизионная (дорепликативная) или темновая репарация – ф-т эндонуклеаза – узнает повреждение, разрывает фосфоэфирную связь Þ ф-т экзонуклеаза – удаляет поврежденный участок, ДНК – полимераза – восстанавливает в соотетствии с информацией комплементарной цепи.

А Г А А Ц Т А Г А А Ц Т А Г А А Ц Т

 

Т Ц Т Т Г А Т Ц Т Т Г А Т Ц Т А

Г

 Т

эндонуклеаза Т

Ц

3. Пострепликативная репарация (в синтетическом периоде митоза) – обмен фрагментами между двумя вновь образованными двойными спиралями ДНК: тимидиновые димеры –Т-Т- не редуплицируются, на их месте образуются бреши Þ недостающие фрагменты достраиваются по принципу комплементарности.

Ферменты ДНК-гликозилазы (20 шт.) – восстанавливают исходную структуру ДНК.

Если в клетке, несмотря на репарацию, количество пораженной ДНК остается высоким, то в ней блокируются процессы репликации Þ клетка не делится. Т.о. с помощью процессов репарации осуществляется непрерывный «осмотр» ДНК, удаляя из нее поврежденные участки и способствуя поддержанию стабильности клеточного материала.

При размере генома млекопитающих 3 х 10⁹ нуклеотидных пар и частоте ошибок в ДНК 1 х 10^-9 это означает появление около 3 ошибок на реплицирующийся геном Þ этот уровень достаточен для образования значительного генетического разнообразия в виде генных мутаций за время существования жизни на Земле.