Влияние экологических факторов на частоту возникновения генетических аномалий и мутагенез Курсовая работа (проект)

«Генетика» в современном понимании - это наука о наследовании и ее изменчивости. Законы, лежащие в основе современной генетической теории наследования хромосом, были открыты в начале 20-го века. Генетика достигла особенно больших успехов в последнее время благодаря внедрению достижений в области физики, химии и их принципиально новых направлений в биологии.

Генетические аномалии - это морфофункциональные нарушения в организме, обусловленные мутациями генов и хромосом. Мутации генов могут нарушать морфогенез органов и тканей на разных этапах онтогенеза, отсюда и широкий спектр врожденных аномалий, связанных с изменением молекулы ДНК.

Мутации генов являются аномалиями в нуклеотидной последовательности [1].

В наши дни ученые обнаружили основные факторы, которые приводят к мутациям - мутагены.

Известно, что мутации вызваны условиями, в которых находится организм: его питанием, температурой и т. д., или воздействием таких факторов, как определенные химические вещества или радиоактивные элементы. Самый опасный мутаген - это вирусы.

Последствия мутаций могут быть разными. Мутации смертельны, сублетальны, нейтральны и жизненны. [2].

Хромосомные заболевания или хромосомные синдромы представляют собой комплексы множественных врожденных пороков развития, которые вызваны численными или структурными изменениями в хромосомах и видны под световым микроскопом.

Нарушения в структуре хромосом, изменения их количества, генные мутации могут возникать на разных этапах развития организма. Если они встречаются в гаметах родителей, аномалия наблюдается во всех клетках организма (полный мутант).

Если они возникают в ходе эмбрионального развития, хромосома различна в разных клетках организма. Несколько последовательных поколений клеток с различными наборами хромосом появляются в процессе развития. При небольшом количестве аномальных клеток болезнь может не появиться в будущем.

Причинами хромосомных заболеваний являются все хромосомные мутации (отклонения в структуре и функциях) и некоторые геномные мутации (изменения в количестве хромосом).

Генетические аномалии - это морфофункциональные нарушения в организме, обусловленные мутациями генов и хромосом. Мутации генов могут нарушать морфогенез органов и тканей на разных этапах онтогенеза, отсюда и широкий спектр врожденных аномалий, связанных с изменением молекулы ДНК.

Генные мутации

Мутации генов являются аномалиями в нуклеотидной последовательности [1].

В наши дни ученые обнаружили основные факторы, которые приводят к мутациям - мутагены.

Известно, что мутации вызваны условиями, в которых находится организм: его питанием, температурой и т. д., или воздействием таких факторов, как определенные химические вещества или радиоактивные элементы. Самый опасный мутаген - это вирусы.

Последствия мутаций могут быть разными. Мутации смертельны, сублетальны, нейтральны и жизненны. [20].

Организмы погибают при наличии любых летальных генов на всех стадиях своего развития. Чаще всего, губительное действие таких генов рецессивно: проявляется только тогда, когда они находятся в гомозиготном состоянии. 

Организм гибнет, не оставляя после себя потомства, если возникает мутация с доминирующим летальным действием [2].

Сублетальные гены уменьшают жизнеспособность организма, нейтральные не влияют на его жизненные функции, а витальные относятся к полезным мутациям.

Также различают спонтанные и индуцированные мутации. Спонтанные мутации проявляются в течение всей жизни организма случайно в нормальных условиях окружающей среды.

Индуцированные мутации — наследуемые изменения генома, которые возникают в результате различных мутаций в искусственных условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды.

Генные мутации

По особенностям структурных изменений можно отметить несколько групп разнообразных мутаций [16]: 

- замена одних азотистых оснований другими (транспозиция); 

- изменение количества нуклеотидных пар в структуре гена (дупликация, инсерция, делеция); 

- изменение порядка последовательности нуклеотидов в составе гена (инверсии); 

- разрыв цепей; образование сшивок.

Замена азотистых оснований (транспозиция) 

Причинами этого рода мутаций являются: 

- ошибки репликации;

- влияние определенных химических агентов. 

Под воздействием химических агентов структура азотистого основания уже связанного нуклеотида может быть повреждена. Например, самопроизвольное дезаминирование цитозина может происходить под влиянием азотистой кислоты.

В результате цитозин превращается в урацил. Затем урацил связывается с аденином в цикле репликации, который связывается с нуклеотидом тимидина в следующем цикле.

Другой причиной может быть неправильное включение нуклеотида с модифицированным основанием в образованную цепь ДНК. Если это не замечено репаративными ферментами, модифицированное основание включается в процесс репликации, что может привести к замене основной пары другой [5].

Мутации из-за замены азотистых оснований сначала происходят в одной из цепей ДНК. Если они не исправлены во время восстановления, они будут зафиксированы в обеих цепях молекулы в последующих репликациях.

Следствием этого является формирование нового триплета в генетическом коде ДНК. Это может повлиять на первичную структуру кодируемого белка, его пространственную организацию и функцию. Изменения в первичной структуре пептида не происходят, если новый триплет является «синонимичным» с первым, то есть кодирует ту же аминокислоту.

Факторами, вызывающими (индуцирующими) мутации, могут быть самые разнообразные влияния внешней среды: 

- температура;

- ультрафиолетовое излучение;

- радиация (как естественная, так и искусственная);

- действия различных химических соединений – мутагенов. 

Мутагены - патогены окружающей среды, вызывающие определенные изменения генотипа  мутации, а процесс мутаций - мутагенез.

Радиоактивный мутагенез изучался в 1920-х годах. В 1925 г. советские ученые Г. С. Филиппов и Г. А. Надсон впервые в истории генетики использовали рентгеновские лучи для создания мутаций на дрожжах. 

Годом позже американский исследователь Г. Меллер (впоследствии дважды лауреат Нобелевской премии), долгое время работавший в Москве в институте, возглавляемом Н. К. Кольцовым, использовал тот же мутаген на дрозофиле.

Химический мутагенез впервые был специально изучен на дрозофиле в 1931 году коллегой Кольцовой Сахаровым при воздействии йода, а затем Лобашовым.

К химическим мутагенам относятся различные вещества (алкилирующие соединения, перекись водорода, альдегиды и кетоны, азотная кислота и ее аналоги, различные антиметаболиты, соли тяжелых металлов, красители с основными свойствами, вещества из ароматического поля), инсектициды, гербициды, наркотики, алкоголь, никотин, некоторые лекарственные средства и многие другие.

Генетически активные факторы можно разделить на 3 категории: физические, химические и биологические [9].

Физические факторы

К ним относятся различные виды ионизирующего излучения и ультрафиолетового излучения. Исследования влияния радиации на процесс мутации показали, что пороговой дозы нет, и даже самые малые дозы повышают вероятность мутаций у популяции. 

Диагностика

С развитием медицины способность выявить наследственные заболевания возрастает. Этот фактор свидетельствует о растущем значении медицинских и генетических исследований человека. 

Меры, принимаемые в целях раннего выявления наследственных заболеваний, могут предотвратить их развитие. Диетические меры могут предотвратить такие патологические последствия, как галактоземия, фенилкетонурия и другие наследственные заболевания обмена веществ.

При диагностике наследственных заболеваний руководствуются следующими принципами:

- применять клинико-генеалогический метод, который позволяет обнаруживать «семейные» болезни;

- часто к наследственным относятся заболевания, повторяющиеся хронически и длительно не поддающиеся лечению, особенно в детском возрасте;

- на возможную наследственную форму заболевания указывают редко встречающиеся специфические симптомы;

- то же относится к патологическим изменениям многих органов и систем.

Для многих наследственных заболеваний стала возможной так называемая пренатальная (т.е. пренатальная) диагностика. Это метод амниоцентеза, который заключается в получении шприцом 10-15 мл амниотической жидкости, содержащей клетки плода.

Таким образом, определяется соотношение метаболитов, отражающее нормальное или патологическое состояние плода. Культивированные эмбриональные клетки используются для определения количества хромосом и возможных хромосомных отклонений [12].

Методы лечения

Первый метод - диетотерапия: исключение или добавление в рацион определенных веществ. Примером могут служить диеты: при галактоземии, фенилкетонурии, гликогенезе и др.

Второй метод - компенсация веществ, не синтезированных в организме, так называемая заместительная терапия. Инсулин используется при сахарном диабете. Известны и другие примеры заместительной терапии: введение антигемофильного глобулина при гемофилии, гамма-глобулина при иммунодефицитных состояниях и др.

В мире

Хотя редкие и генетические заболевания, и во многих случаях симптомы, являются необычными для большинства врачей, редкие заболевания в целом представляют собой серьезную медицинскую проблему. Объедините это с отсутствием финансовых или рыночных стимулов для лечения или излечения редких заболеваний, и у вас есть серьезная проблема общественного здравоохранения.

По данным ВОЗ, 5–7% новорожденных имеют различную наследственную патологию, в которой моногенные формы составляют 3–5%. Число зарегистрированных наследственных болезней постоянно растет. Многие генетически обусловленные заболевания проявляются не сразу после рождения, а спустя некоторое, порой весьма долгое, время. 

К примеру, 30 миллионов человек в Соединенных Штатах живут с редкими заболеваниями. Это 1 из 10 американцев или 10% населения США, при этом 80% редких заболеваний являются генетическими по происхождению и, таким образом, присутствуют на протяжении всей жизни человека, даже если симптомы сразу не проявляются. [24]

В РБ

В Республике Беларусь ежегодно рождается свыше 3500 детей с врожденными и наследственными заболеваниями. Часть детей умирает в раннем возрасте, большинство из оставшихся в живых являются инвалидами с детства. Более половины из них имеют выраженные отклонения в развитии, препятствующие обучению, правильному произношению речи, самостоятельному передвижению и адекватному поведению. Средняя продолжительность жизни больных с врожденной и наследственной патологией ниже, чем в популяции. 

Установлено, что 50-60 % самопроизвольных выкидышей в ранние сроки беременности, 50-70% врожденной глухоты и слепоты, до 80 % умственной отсталости обусловлены наследственными факторами.

В развитых странах именно генетические болезни составляют существенную долю в структуре перинатальной и младенческой смертности. В Беларуси их доля — 19,3%, а показатель инвалидности — 40-45%.

В результате изучения данных Национального статистического комитета РБ установлено, что примерно 5-6 детей из 100 рождаются с какими-нибудь генетически обусловленными заболеваниями. В большинстве - это заболевания с генетическими предрасположенностями. 

На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Факторами, вызывающими (индуцирующими) мутации, могут быть самые разнообразные влияния внешней среды: 

- температура;

- ультрафиолетовое излучение;

- радиация (как естественная, так и искусственная);

- действия различных химических соединений – мутагенов. 

Мутагены - патогены окружающей среды, вызывающие определенные изменения генотипа  мутации, а процесс мутаций - мутагенез.

Генетически активные факторы можно разделить на 3 категории: физические, химические и биологические.

К химическим мутагенам относятся различные вещества (алкилирующие соединения, перекись водорода, альдегиды и кетоны, азотная кислота и ее аналоги, различные антиметаболиты, соли тяжелых металлов, красители с основными свойствами, вещества из ароматического поля), инсектициды, гербициды, наркотики, алкоголь, никотин, некоторые лекарственные средства и многие другие.

К физическим относятся различные виды ионизирующего излучения и ультрафиолетового излучения. Исследования влияния радиации на процесс мутации показали, что пороговой дозы нет, и даже самые малые дозы повышают вероятность мутаций у популяции. 

Помимо физических и химических мутагенов, некоторые факторы биологической природы также обладают генетической активностью. Механизмы мутагенного действия этих факторов изучены в наименьшей степени.

2. С развитием медицины способность выявить наследственные заболевания возрастает. Этот фактор свидетельствует о растущем значении медицинских и генетических исследований человека. 

Меры, принимаемые в целях раннего выявления наследственных заболеваний, могут предотвратить их развитие. Диетические меры могут предотвратить такие патологические последствия, как галактоземия, фенилкетонурия и другие наследственные заболевания обмена веществ.

Первый метод лечения - диетотерапия: исключение или добавление в рацион определенных веществ. Второй метод - компенсация веществ, не синтезированных в организме, так называемая заместительная терапия.