Текст книги "Генетика на пальцах"

Глава 6
Мутации

Эта глава – самая важная в книге. После ее прочтения вы можете считать себя человеком, разбирающимся в генетике. Почему самая важная глава идет по счету шестой, а не первой? Потому что для знакомства с мутациями нужно иметь определенный багаж знаний.

Главной движущей силой эволюции является естественный отбор, увеличивающий количество особей, обладающих более высокой приспособленностью к условиям среды, и, соответственно, уменьшающий количество плохо приспособленных. А задумывались ли вы когда-нибудь над тем, что служит «топливом» для естественного отбора? Точнее даже не топливом, а поставщиком материала… В результате чего появляются новые признаки?

Разумеется, в результате изменений генетического материала. Не так скопировали, не там разрезали, не то сшили… Короче говоря – ошиблись.

Все то буйное великолепие живой природы, которое существует на нашей планете, является результатом цепи нескончаемых ошибок, которые превратили Самую Первую Клетку в миллионы биологических видов. Да и человека, при всех его достоинствах, можно с полным правом называть не «венцом творения», а «ошибкой природы». Нет, лучше не «ошибкой природы», а «результатом мутаций», так будет правильно с генетической точки зрения.

Мутацией[25]25
    От латинского «mutatio» – изменение.


[Закрыть] называется стойкое изменение генома (структурная перестройка в гене), приводящее к изменению наследственной информации. Слово «стойкое» означает, что это изменение может передаваться потомкам.

Полное современное определение мутации звучит следующим образом: это внезапное качественное изменение структуры ДНК в одном локусе (генная мутация) или изменение числа или микроструктуры хромосом (хромосомная мутация). Мутация может затрагивать как отдельный ген, так и хромосому. Транслокации, с которыми мы ознакомились в предыдущей главе, являются одной из разновидностей хромосомных мутаций.

Процесс возникновения мутаций называется мутагенезом. Различают естественный и искусственный мутагенез. Естественный, или спонтанный, мутагенез происходит вследствие воздействия на генетический материал факторов окружающей среды, таких как ультрафиолетовое или радиоактивное излучение, а также некоторых химических веществ. Суть заключается не в самих факторах, а в характере их воздействия на организм. Если они воздействуют спонтанно, случайно, сами по себе, то мутагенез будет считаться естественным. Если же клетки облучаются ультрафиолетом в ходе эксперимента, то вызванный облучением мутагенез будет считаться искусственным.

Кстати говоря, именно мутации, точнее – вызванные ими изменения фенотипа, позволили ученым обоснованно предположить существование генов в то время, когда этих самых генов никто и в глаза не видел. Ход рассуждений был примерно таков:

– первое: нет сомнений в том, что у всех собак был общий предок (собаки взяты в качестве примера произвольно, на их месте могла бы оказаться капуста или, скажем, лук);

– второе: но при этом собаки разных пород очень сильно отличаются друг от друга; самец среднеазиатской овчарки алабай имеет высоту в холке около семидесяти сантиметров и может весить восемьдесят килограммов, а самец чихуахуа весит в среднем два с половиной килограмма, к тому же по внешнему виду алабай и чихуахуа отличаются друг от друга, как небо и земля;

– третье: как сотни пород собак (или десятки сортов лука) могли произойти от одного общего предка?

– четвертое: они могли произойти от одного общего предка в результате изменения неких носителей наследственных признаков, которые назвали генами; одни гены определяют основные видовые[26]26
    Согласно одной классификации, биологический вид Собака относится к роду Волки семейства Псовых. Альтернативная классификация считает собак подвидом вида Волк обыкновенный из рода Волки семейства Псовых. Вторая классификация выглядит более правильной, так как потомки собак и обыкновенных (серых) волков способны размножаться, а основной характеристикой биологического вида является способность его представителей скрещиваться друг с другом с образованием плодовитого (способного размножаться) потомства. А вот потомство лошади и осла, относящихся к разным видам семейства Лошадиных, размножаться не способно (исключения крайне редки).


[Закрыть] признаки (два уха, четыре лапы, наличие хвоста, умение лаять и т. п.), а другие – второстепенные признаки (размеры и пропорции тела, форму ушей, длину шерсти…).

Начали с того, как непохожи друг на друга собаки разных пород, а пришли к генам!

Не имея никакого понятия о мутациях и генах, наши предки, тем не менее, успешно использовали мутации, возникавшие у растений или животных. Любой случайно появившийся полезный (с точки зрения человека)[27]27
    Признак растения или животного, который может выглядеть полезным с точки зрения человека, с точки зрения естественного отбора может быть вредным. Например – короткие ноги овец, речь о которых пойдет чуть ниже.


[Закрыть] признак, человек старался сохранить и распространить посредством скрещивания, для которого отбирались особи, обладавшие этим признаком. Спустя энное количество поколений человек получал новый сорт растения или новую породу животного.

Типичным и часто приводящимся в научной литературе примером использования полезной мутации является выведение породы анконских овец, о которых в труде «Изменчивость животных и растений в одомашненном состоянии» упоминал Чарльз Дарвин.

В 1791 году на одной ферме в американском штате Массачусетс родился ягненок с длинным туловищем и очень короткими искривленными ногами, по внешнему виду настоящий урод. Когда «урод» вырос в здорового взрослого барана, его хозяин оценил преимущество «коротконогости». Из-за своих коротких ног баран не мог перепрыгивать через изгороди пастбищ, подобно своим собратьям. Выгода получалась двойной – отпадала необходимость в пастухах и собаках, которым приходилось постоянно сгонять разбежавшихся овец обратно, и не наносился ущерб полям. А ущерб этот был значительным, поскольку овцы не только поедали всходы, но и вытаптывали их. Фермер скрестил коротконогого барана с его матерью и получил ожидаемое коротконогое потомство. Селекция была простой, так как проводилась по одному-единственному признаку, иначе говоря, нужно было закрепить в потомстве всего один ген. Вдобавок у родоначальника новой породы был «готовый» полезный признак, который оставалось только растиражировать. В большинстве же случаев к желаемому признаку приходилось идти длинным путем. В аналогичном случае селекционерам, желавшим вывести коротконогую породу овец, пришлось бы годами скрещивать особей, ноги которых были короче, чем у других. А массачусетскому фермеру природа преподнесла признак «на блюдечке с голубой каемочкой».

Важно понимать, что мутации не накапливаются до какого-то критического порога, чтобы затем проявиться. Мутации происходят внезапно, случайно, скачкообразно. Не было никаких изменений в гене – и вдруг оно произошло! Знакомьтесь: я ваша новая мутация!

Предупреждение: кому-то может показаться, что эта книга структурирована неправильно. Мы с вами уже ознакомились с хромосомной теорией наследственности, сейчас будем знакомиться с мутационной теорией Коржинского – Де Фриза[28]28
    Русский ботаник и генетик-эволюционист Сергей Иванович Коржинский опубликовал свой труд «Гетерогенезис и эволюция. К теории происхождения видов» в 1899 году, на два года раньше выхода книги голландца Хуго де Фриза «Die Mutationstheorie» (Мутационная теория), но заслуга Фриза состоит в том, что он подтвердил все положения мутационной теории в ходе множества экспериментов и объединил все, что было известно о мутациях, в целостную теорию. Также де Фриз ввел в науку термин «мутация».


[Закрыть], а опыты Грегора Менделя, с которых, собственно, и началась генетика, отложили на потом. Но мы же изучаем генетику, а не историю генетики, верно? А для того, чтобы понимать суть опытов Менделя, нужно обладать определенными знаниями. Иначе вы окажетесь в положении Менделя, который сделал великое открытие и даже пришел к определенным выводам, но многого не понял, потому что просто не мог понять.

Мутации внезапны, они представляют собой дискретные изменения признаков – это первое и главное положение мутационной теории Коржинского – Де Фриза, являющейся одной из основ генетики.

Вот другие положения этой теории (существующие в наше время формулировки могут различаться, но суть их едина):

– мутации устойчивы, то есть передаются по наследству;

– в отличие от ненаследственных изменений, мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо среднего типа, а представляют собой качественные скачки изменений;

– мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными;

– мутации индивидуальны;

– мутации спонтанны, то есть протекают самопроизвольно и носят случайный характер;

– одни и те же мутации могут возникать неоднократно.

Фразы «мутации не образуют непрерывных рядов» и «мутации не группируются вокруг какого-либо среднего типа» для непосвященных могут звучать непонятно, но мы это сейчас быстро исправим.

Непрерывный ряд – понятие не столько генетическое, сколько статистическое, общее. Признак может иметь прерывное (дискретное) или непрерывное изменение.

Признак имеет непрерывное изменение в том случае, если он может принимать любое значение. Разумеется, в определенных границах. Для таких признаков статистики строят интервальные или непрерывные вариационные ряды.

Примером непрерывного признака может служить масса тела, которая является ненаследственным изменением. Унаследовать можно предрасположенность к ожирению, но не конкретную массу тела как признак. В определенных границах масса тела может иметь любое значение и изменяется она постепенно. Непрерывные признаки могут принимать любые значения в определенном интервале.

Дискретные ряды строят для признаков дискретных, с прерывным изменением. Цвет глаз – это дискретный признак. Дискретные признаки могут принимать только отдельные значения из некоторого набора вероятностей.

Средний тип – это тоже статистическое понятие. Вокруг среднего типа или среднего значения группируются непрерывные признаки. Так, например, можно сказать, что средняя масса тела взрослого мужчины составляет семьдесят килограммов, и прочие значения будут группироваться вокруг этой цифры. А у дискретных признаков понятия среднего типа не существует. Выражение «средний цвет глаз» звучит смешно, не так ли?

Можно сказать и проще, не углубляясь в статистическую премудрость: мутации представляют собой скачкообразные изменения.

Генные мутации представляют собой изменение строения одного гена, то есть изменение последовательности нуклеотидов. Нуклеотид может выпасть при репликации (копировании) молекулы ДНК, он может быть заменен на другой, или же может произойти вставка нуклеотида, которого прежде в цепи не было. Вариантов несколько, а итог один – изменение генетического кода и изменение молекулы белка, синтезируемого по этому коду.

Если изменяется код, то изменяется и кодируемый им признак! Иначе быть не может. Но мутация гена может не отразиться на фенотипе, то есть не проявиться в признаке, если действие мутировавшего гена будет подавлено парным геном из гомологичной хромосомы или если изменение в молекуле синтезируемого белка не будет нарушать его функций.

Вы можете сейчас удивиться: каким образом изменение в молекуле синтезируемого белка не будет нарушать его функций? Ведь химия учит, что любое изменение молекулы приводит к превращению одного вещества в другое. «Одна молекула – одно вещество» – на этом краеугольном камне стоит вся химическая наука.

Да, это так. Уберите из молекулы или добавьте в нее один атом, поменяйте местами одинарную и двойную связь – и вы получите новое вещество. Но дело в том, что белковые молекулы огромны и разные их участки (разные аминокислоты) различаются по своей значимости, по своим «полномочиям», точно так же как различаются детали автомобиля. Без фары или бампера автомобиль ехать может, а без двигателя или колеса – нет. Отсутствие одной аминокислоты или замена ее на другую может отразиться на функции белка, а может и не отразиться.

Так, например, замена глутаминовой кислоты на валин в молекуле глобина (белковой части гемоглобина, осуществляющего транспорт кислорода в крови) приводит к катастрофическим, без преувеличения, последствиям.

Структурная формула глутаминовой кислоты

Структурная формула валина

Гемоглобин начинает хуже связывать (а стало быть, и переносить) кислород. Эритроциты, в которых содержится гемоглобин, становятся непрочными и легко разрушаются. Вследствие замены одной из ста сорока шести аминокислот на другую развивается тяжелое заболевание – серповидноклеточная анемия. Серповидноклеточной ее назвали, потому что эритроциты с измененным гемоглобином имеют форму серпа.

Сравните структурные формулы валина и глутаминовой кислоты. Не такая уж и большая между ними разница, верно? И меняется всего одна аминокислота из ста сорока шести! И такие последствия…

Мутации, которые изменяют структуру хромосом, называются хромосомными перестройками, или хромосомными аберрациями, а то и просто хромосомными мутациями.

Хромосомные аберрации подразделяются на:

– транслокации – обмен сегментами между двумя негомологичными хромосомами;

– делеции – выпадение участка хромосомы;

– дупликации – повторение участка хромосомы, возникающее в результате неравного кроссинговера или самовоспроизведения какого-то фрагмента хромосомы; «самовоспроизведение» – это не опечатка, в молекулах ДНК существуют элементы, которые могут самовоспроизводиться, они называются транспозонами; разновидностью дупликации является амплификация – многократное повторение участка хромосомы, о которой мы поговорим особо, потому что она имеет важное практическое значение;

– инверсии – поворот отдельных участков хромосом на 180°;

Делеция

Дупликация

Инверсия

– кольцевые хромосомы, возникающие при разрывах в обоих плечах одной хромосомы, концевые фрагменты при этом теряются, а центральная часть хромосомы замыкается в кольцо;

Образование кольцевой хромосомы

– изохромосомы, образующиеся при поперечном, а не продольном делении центромеры в мейозе; вместо одного из плеч изохромосома обладает удвоенным вторым плечом.

Образование изохромосомы

Изменение числа хромосом правильнее считать не хромосомной, а геномной мутацией, поскольку она носит более глобальный характер, чем изменение одной хромосомы. Чаще всего наблюдается увеличение на одну хромосому (трисомия) или уменьшение на одну (моносомия).

Согласно принятой в наше время номенклатуре хромосомы нумеруются от 1 до 23 по мере убывания их длины. 23-я пара – это половые хромосомы. Изменение числа крупных хромосом приводит к гибели организма, а количественные изменения малых хромосом (начиная с 16-й пары) и половых X– и Y-хромосом совместимы с жизнью, но сопровождаются различными дефектами развития.

Разбирая репликацию молекул ДНК, мы с вами не рассмотрели амплификацию – процесс образования дополнительных копий участков хромосомной ДНК. Как правило, амплификация происходит на участках, содержащих гены, а не на «мусорных» участках. Хотя, возможно, на амплификации «мусорных» участков обращается меньше внимания, поскольку они никак себя не проявляют.

Амплификация – явление нежелательное, вредное. Лишние гены наносят вред организму. В лучшем случае ухудшится «обслуживание» хромосом подобно тому, как ухудшается оно при наличии дополнительной хромосомы. В худшем случае амплификация может привести к развитию онкологических заболеваний. В генетике не принято говорить «много – не мало» или «запас карман не тянет». Наследственной информации должно быть ровно столько, сколько ее должно быть.

Однако «в пробирке», то есть вне живого организма, амплификация используется очень широко. Просто невозможно представить, что бы делали генетики без амплификации.

Допустим, что вы криминалист-генетик, которому принесли на экспертизу пиджак с микроскопическим пятнышком крови на рукаве. Пятнышко давнее, да к тому же от него усердно пытались избавиться – замывали, обрабатывали какими-то химикатами. Вам удалось выделить из крови ДНК, но совсем чуть-чуть, буквально считанные молекулы. А вам предстоит масштабный поиск, в ходе которого придется сравнивать полученный образец с множеством образцов ДНК других людей, счет которым может идти на сотни. Кроме того, вам нужно отправить образец выделенной ДНК в центральную структуру, которая также будет вести поиск, и еще отправить образец в архив ДНК.

Или допустим, что вы генный инженер. Вам повезло, удалось получить ценный материал, какую-то уникальную ДНК, которую вы должны «пересадить» в клетки пшеницы, и тогда эта пшеница будет давать невероятное количество урожая. Только вот у вас этой уникальной ДНК буквально кот наплакал, а для пересадки нужно как минимум в тысячу раз больше.

А возможно, что вы крупный ученый, генетик с мировым именем и лауреат всех мыслимых и немыслимых премий, кроме Нобелевской. И для получения этой премии вам необходимо произвести серию экспериментов с ДНК, обнаруженной в гробнице фараона Хеопса. ДНК у вас чуть-чуть (ясное дело, столько тысячелетий прошло), а экспериментов нужно произвести больше, чем камней в пирамиде этого самого Хеопса. Что вы станете делать?

Вы просто возьмете прибор, называемый амплификатором, и с его помощью «наштампуете» себе сколько угодно копий вашей драгоценной ДНК.

Принцип работы амплификатора заключается в обеспечении периодического охлаждения и нагревания пробирок с точностью до 0,1 °C. Изменение температуры нужно для управления полимеразной цепной реакцией – образования копий ДНК с участием фермента ДНК-полимеразы.

Амплификатор

В пробирку закладываются копируемые молекулы ДНК, свободные нуклеотиды из которых будут собираться в копии, молекулы ДНК-полимеразы и так называемые праймеры – инициаторы синтеза ДНК. Праймер представляет собой короткий фрагмент нуклеиновой кислоты, состоящий из нескольких нуклеотидов. Он должен быть комплементарным по отношению к «тиражируемому» ДНК, то есть, по сути дела, должен представлять собой концевой обрывок синтезируемой ДНК. Обратите внимание: концевой обрывок синтезируемой ДНК, а не той ДНК, с которой снимается копия!

Как понять слова «должен быть комплементарным»?

Комплементарностью называется взаимное соответствие молекул или их фрагментов, обеспечивающее образование связей между ними. В частности, в двух цепочках, составляющих молекулу ДНК, напротив азотистого основания тимина (Т) в другой цепочке должен обязательно находиться аденин (А), а напротив гуанина (Г) – цитозин (Ц). При синтезе матричных РНК на матрице цепочки ДНК вместо тимина, которого в молекулах РНК не бывает, аденин будет непременно соседствовать с урацилом (У).

Между членами пар «А – Т» («А – У») и «Г – Ц» образуются водородные связи, которые удерживают две цепочки вместе. Водородные связи могут разрушаться и образовываться вновь, а структура цепочек при этом не изменяется. Так, например, во время репликации двойная спираль молекулы ДНК расплетается на отдельные «нити», которые затем снова сплетаются вместе без какого-либо ущерба для себя и всей молекулы ДНК в целом.

«А – Т» (или «А – У») плюс «Г – Ц» – таков секретный код нуклеиновых кислот! Нарушить его невозможно – это все равно что пытаться открыть замок при помощи «чужого» ключа.

Вернемся к нашему процессу.

Праймеров нужно два – начальный и конечный. Возможно, что вам нужно копировать не всю молекулу ДНК, а какой-то ее фрагмент. Ничего сложного – нужно только подобрать необходимые праймеры, которые прикрепятся к «матричной» молекуле ДНК, ограничивая участок работы ДНК-полимеразы.

Именно к праймеру ДНК-полимераза начинает присоединять аминокислоты, создавая новую молекулу ДНК. Полимеразе нужен фрагмент, который она станет дополнять. Сама по себе, с нуля, она начать синтез молекулы ДНК не может, ей нужно за что-то «зацепиться». Образно говоря, праймеры выполняют роль закваски, запускающей процесс копирования молекул ДНК. Также они и останавливают этот процесс в нужный момент – дойдя до конечного праймера, ДНК-полимераза прекращает работу и начинает искать другой начальный праймер.

А вы думали, что генные инженеры сидят у электронного микроскопа и собирают вручную копии молекул ДНК из нуклеотидов? Все гораздо проще. Нужно собрать в одном месте образец, материал для создания копий, рабочих, которые будут эти копии создавать, и обеспечить им необходимые условия для работы. Только и всего!

Процесс амплификации в пробирке проходит в несколько этапов.

На первом этапе исходную двунитевую молекулу ДНК нагревают для того, чтобы она распалась на две отдельные нити вследствие разрушения водородных связей между нитями.

На втором этапе к разделенным молекулам добавляют праймеры и охлаждают смесь ДНК с праймерами для того, чтобы праймеры осели на комплементарных участках ДНК. Это происходит благодаря все тем же водородным связям, которые возникают при обычных температурах, а разрушаются при высоких.

На третьем этапе к смеси ДНК и праймеров добавляют фермент ДНК-полимеразу и свободные нуклеотиды, после чего устанавливают температуру 37 °C, необходимую для оптимальной работы ДНК-полимеразы. Фермент начинает действовать, и спустя некоторое время количество ДНК в пробирке удваивается. Цикл удвоения можно повторять столько раз, сколько требуется.

Мутации могут происходить в любых клетках – и в соматических, и в половых. Коренное отличие мутации в соматической клетке многоклеточного организма от мутации в половой клетке заключается в том, что соматическая мутация не способна передаваться по наследству. Соматическая мутация может привести к гибели клетки или же запустить неконтролируемое деление, приводящее к появлению опухолей, но потомству она не передастся. Вы с этим согласны?

Вот вам вопрос на сообразительность: в каких случаях мутации, возникшие в соматических клетках, все же передаются по наследству?

Подсказка номер один: «такое в принципе невозможно» будет неправильным вариантом ответа.

Подсказка номер два – начинайте с растений.

Ответ вы, как обычно, найдете в конце этой главы.

По результатам мутации подразделяют на полезные, нейтральные и вредные, которые в свою очередь делятся на стерильные, полулетальные и летальные.

Нейтральными называются мутации, которые никак не влияют на жизнеспособность организма. Например, в результате мутации котенок родился с глазами разных цветов, один глаз зеленый, а другой – голубой. Осложнит такой признак жизнь своему обладателю? Нет, разве что к участию в выставках его могут не допустить как «бракованного», но это уже хозяйские проблемы, а не кошачьи.

Полулетальными называются вредные мутации, значительно снижающие жизнеспособность организма, но, в отличие от летальных, не приводящие к его гибели. Например, детеныш шимпанзе в результате мутации не может усваивать мясо (шимпанзе, если кто не знал, не являются вегетарианцами). Признак, исключающий из рациона животную пищу, понизит жизнеспособность шимпанзе, но не убьет его.

Летальные мутации вызывают такие изменения в развитии, которые несовместимы с жизнедеятельностью. Примером может служить отсутствие перегородки между правым и левым желудочками сердца, в результате чего сердце не может выполнять свою насосную функцию.

Стерильные мутации не влияют на жизнеспособность организма, но резко снижают его способность к размножению. Обратите внимание: не лишают способности, а резко снижают ее. С точки зрения существования биологического вида стерильные мутации равнозначны летальным, поскольку биологической целью существования любого организма является производство потомства.

Одна и та же мутация может оказаться полезной или вредной при разных условиях окружающей среды. Так, например, мутация, вызывающая альбинизм[29]29
    Альбинизмом называется полное или частичное отсутствие пигмента меланина в коже, волосах и радужной оболочке глаз.


[Закрыть], окажется полезной для животного, обитающего там, где круглый год или бо́льшую часть года лежит снежный покров. В таких условиях альбинизм является маскирующим признаком, увеличивающим шансы особи на выживание. А вот в степи заяц-альбинос будет хорошо заметен, здесь этот признак окажется вредным, демаскирующим. Все живое, которому нужно маскироваться, имеет соответствующую окраску тела и набор необходимых привычек благодаря естественному отбору.

А теперь давайте вспомним то, что было сказано выше о «воспитании» пшеницы холодом. Высаживаем пшеницу в северных условиях и дальше работаем с выжившими всходами – продолжаем высаживать их в прежних условиях и делаем так несколько раз. В результате такого вот закаливающего «воспитания» должен получиться новый холодоустойчивый сорт пшеницы. Для далеких от генетики эта ахинея может звучать логично и убедительно: если человек может закаляться, то почему не может закалиться пшеница? Но на самом деле ни высаживанием в холодных условиях, ни высаживанием в жарком климате нового сорта пшеницы получить нельзя.

Новый сорт – это новый генотип!

Новый генотип можно создать с помощью мутаций. «Воспитатели», желавшие создать новый сорт пшеницы, должны были вызывать в зернах пшеницы мутации с помощью факторов, которые их вызывают. Эти факторы называют мутагенными факторами, или мутагенами. Мутагены воздействуют на молекулы ДНК, изменяя их структуру, а также могут повреждать некоторые белки, участвующие в процессе репликации молекул ДНК или в процессе клеточного деления.

Обработали зерна мутагенами, высеяли в холодных условиях и смотрим, как они будут расти. Если всходы быстро погибли, обрабатываем новую порцию зерен и высаживаем ее… Долго? Да, такой процесс может растянуться на годы, ведь он осуществляется буквально вслепую, но с помощью мутагенов можно создавать новые сорта, а посредством «закаливающего воспитания» этого не добиться. В наше время возможности генной инженерии существенно расширились, но в середине прошлого века, когда «воспитание» растений было широко распространено, других вариантов реального получения новых сортов, кроме «слепого» использования мутагенов, не существовало.

Подведем итог сказанному: мутаген – это некий агрессивный фактор, способный вызывать изменения в молекулах ДНК, РНК и белков, а также блокировать белки.

Каким образом мутагены изменяют молекулы? Посредством разрушения связей между атомами. Одни связи удерживают атомы в молекуле, другие – придают молекуле определенную конфигурацию, третьи могут объединять несколько молекул в группу… Мутаген можно сравнить с ножом, разрезающим химическую связь. Но среди мутагенов есть не только «ножи». Встречаются и блокаторы, которые связываются с белками, участвующими в делении клетки, блокируя тем самым их функции. Чуть позже мы познакомимся с одним таким блокатором.

По своей природе мутагены подразделяются на физические, химические и биологические.

Самыми известными физическими мутагенами являются различные виды ионизирующего излучения: ультрафиолетовое, нейтронное, рентгеновское, гамма-излучение и др. Эти излучения называются ионизирующими благодаря своей способности образовывать ионы[30]30
    Ионами называют атомы или молекулы, имеющие электрический заряд.


[Закрыть] из нейтральных атомов или молекул в тех веществах, через которые они проходят. Этот процесс называется ионизацией. Чем сильнее ионизация, тем больше разрывов в молекулах ДНК. Чем больше разрывов, тем больше ошибок при их ликвидации, тем больше мутаций.

Важно понимать, что сам по себе мутаген не создает мутацию. Он создает условия для возникновения мутаций – разрывает молекулы ДНК, которые могут быть сшиты с ошибками, а также повреждает молекулы РНК и белков, нарушая тем самым их функционирование.

Кстати говоря, не стоит чрезмерно пугаться ультрафиолетового излучения и передвигаться на открытых пространствах только под зонтом. Значительная часть ультрафиолетового излучения поглощается тканями организма, и потому у многоклеточных организмов, к которым мы с вами относимся, оно способно вызывать мутации только в поверхностно расположенных клетках, которые мы защищаем при помощи одежды и головных уборов. (Ответьте сами на вопрос: полезен ли загар?)

Высокие или низкие температуры также могут вызывать мутации, но, в отличие от ионизирующего излучения, мутагенное действие температур избирательно. Так, например, у ржи или пшеницы температуры никаких мутаций не вызывают, а вот у мушек-дрозофил повышение температуры окружающей среды на 10 °C увеличивает частоту мутаций в три раза. Почему так происходит? Потому что молекулы ДНК дрозофил чувствительны к нагреву. Образование химической связи между двумя атомами всегда сопровождается выделением определенного количества энергии, а разрыв химической связи, напротив, протекает с поглощением энергии. Повышается температура окружающей среды → нагревается организм дрозофилы → связи в молекулах ДНК поглощают тепловую энергию → связи разрываются.

На сегодняшний день нет данных о том, что изменение температуры окружающей среды может вызывать мутации у человека. Так что можете смело париться в бане и купаться в проруби (при условии, что состояние здоровья позволяет вам этим заниматься).

Химических мутагенов существует великое множество, многие тысячи. У всех них есть одно общее свойство – высокая химическая активность. Химические мутагены охотно вступают в реакцию с другими веществами, не требуя катализаторов[31]31
    Катализатором называется химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не расходующееся в процессе реакции.


[Закрыть] или особых условий. Но при этом химические мутагены не должны обладать прямым повреждающим действием на ткани организма, потому что в мертвой ткани мутации возникнуть не могут. Например, соляная кислота или гидроксид калия мутагенами при всей своей высокой химической активности считаться не могут, потому что они убивают клетки.

Давайте рассмотрим действие колхицина, одного из самых известных химических мутагенов.

Колхицин представляет собой азотсодержащее органическое вещество природного происхождения, обладающее свойствами слабого основания.

Структурная формула колхицина

Мутагенное действие: колхицин способен связываться с белком тубулином, из которого состоят микротрубочки, участвующие в процессе деления клетки (давайте вспомним, что они растаскивают хромосомы к полюсам, обеспечивая честную дележку наследственного материала между дочерними клетками). В больших дозах колхицин полностью блокирует процесс клеточного деления, а в малых – нарушает процесс равномерного распределения хромосом между дочерними клетками, в результате чего образуются клетки с удвоенным количеством хромосом. Селекционеров, работающих с некоторыми видами растений (например, с орхидеями), интересует получение особей с увеличенным в несколько раз количеством хромосом, и они активно используют колхицин в работе.

Химические мутагены подразделяются на мутагены прямого действия, у которых достаточно сил (химики называют силу вещества «реакционной способностью») для повреждения молекул ДНК, РНК и белков, а также на мутагены непрямого действия, которые сами по себе мутагенного действия оказывать не способны, но превращаются в мутагены после поступления в организм.

Каким образом безвредные вещества превращаются в мутагены? Очень просто: вступают в химическую реакцию с каким-нибудь веществом, имеющимся в организме, и в результате образуется мутагенное вещество.

У подавляющего большинства мутагенных факторов мутагенность сочетается с канцерогенностью, способностью вызывать онкологические заболевания, ведь способность к неконтролируемому делению, которая лежит в основе всех онкологических процессов, нормальные соматические клетки приобретают в результате мутаций и, надо сказать, приобретают довольно-таки легко. Поэтому любой здравомыслящий человек, заботящийся о своем здоровье, должен беречься от мутагенов.

Как вы думаете, есть ли разница между мутациями, вызываемыми физическими факторами, и мутациями, вызываемыми химическими факторами?

Никакой разницы нет. Мутация есть мутация, вне зависимости от вызвавшего ее фактора.

К биологическим мутагенам относят некоторые белки и продукты окисления жиров, транспозоны – специфические элементы ДНК, способные к самовоспроизводству, и некоторые вирусы (например, вирусы кори и краснухи). Те ученые, которые считают вирусы неживыми структурами, относят их не к биологическим, а к химическим мутагенам.