Урок . Класифікація мутагенів.

Цілі уроку: ознайомити учнів із основними мутагенними факторами та їх класифікацією; розвивати навички порівняння й аналізу на основі фактів; виховувати інтерес до біології та проблем збереження життя.

Обладнання й матеріали: рисунки й фотографії із зображенням нормальних і мутантних особин різних видів, таблиця зі схемою класифікації мутагенних факторів.

Базові поняття й терміни: мутагени, фізичні, хімічні й біологічні мутагени.

Хід уроку

І. Організаційний етап

II. Актуалізація опорних знань і мотивація навчальної діяльності учнів

                                                                            Питання для бесіди

1. Що таке мутація?

2. Чи завжди мутації призводять до негативних наслідків?

3. Яке значення має мутаційна мінливість для живих організмів?

4. Які приклади мутацій можна навести в людини?

III. Вивчення нового матеріалу                   Розповідь учителя з елементами бесіди

1. Історія вивчення мутагенів.

      Мутагени (від лат. Mutatio - зміна і грец.-Genes-породжує, народжений), хімічні і фізичні фактори, що викликають спадкові зміни - мутації. Мутагенами можуть бути різні фактори, що викликають зміни в структурі генів, структурі і кількість хромосом. Дія мутагенів, розсіяних у навколишньому середовищі, викликає збільшення частоти виникнення мутацій, що веде до зростання так званого генетичного вантажу, що виражається в збільшенні спадкової патології, а також частоти онкологічних захворювань.
В 1925 р . російські генетики Г.А. Надсон і Г.С. Філіппов показали, що при опроміненні дріжджів променями радію виникають різноманітні нові форми.

В 1927 р . Г. Меллер показав на дрозофілі, добре вивченою до того часу генетиками, що під дією рентгенівських променів у дрозофіл виникають мутації.
1901 р голландським ученим де Фрісом (Н. de Vries) був запропонований термін «мутація».

Мутагенез - виникнення мутацій - раптових якісних змін генетичної інформації.
2. Механізм дії мутагенів.

   Мішенню дії мутагенів у клітці є головним чином ДНК і, можливо, деякі білки. До останніх відносять в основному білки, які відіграють структурну роль в організації геному або беруть участь у реплікації (самовідтворення молекули нуклеїнових кислот), рекомбінації (перерозподіл генетичного матеріалу батьків у потомстві) або репарації (відновлення пошкодженої структури ДНК).
Для усунення первинних ушкоджень генетичних структур, викликаних мутагенами, в клітині існує ряд систем відновлення, або репарації, генетичних ушкоджень. В даний час таких систем налічується більше десяти. Проте в ході репарації частина первинних ушкоджень може залишитися і привести до виникнення мутацій.

     Ряд мутагенів викликають мутації, не зв'язуючись ковалентно з ДНК. У цьому випадку матричний синтез на ДНК протікає з помилками. Існують мутагени, інгібуючі синтез попередників ДНК. У результаті відбувається уповільнення або навіть зупинка синтезу ДНК. Мутагенні і канцерогенні властивості хімічних речовин тісно пов'язані між собою. Тому виявлення можливих мутагенів у навколишньому середовищі, випробування на мутагенність продуктів промислового синтезу (барвники, лікарські засоби, пестициди тощо) - важливе завдання сучасної генетики.
 

3. Класифікація мутагенів. 

Мутагени класифікують за різними чиниками.

а) за походженням мутагени класифікують на ендогенні, що утворюються в процесі життєдіяльності організму і екзогенні - всі інші фактори, в тому числі і умови навколишнього середовища.
    б)за природою виникнення мутагени класифікують на фізичні, хімічні та біологічні.
4. Характеристика мутагенів

Фізичними мутагенами називаються будь-які фізичні дії на живі організми, які виявляють або прямий вплив на ДНК або вірусну РНК, або опосередкований вплив через системи реплікації, репарації, рекомбінації
    Перші фізичні мутагени, відкриті вченими, - це різні види випромінювань: іонізуюче випромінювання, радіоактивний розпад, ультрафіолетове випромінювання. Первинний ефект іонізуючих та ультрафіолетових випромінювань полягає в утворенні одиночних або подвійних розривів у молекулі ДНК. Ультрафіолет сильно поглинається тканинами і викликає мутації лише в поверхнево розташованих клітинах багатоклітинних тварин, однак на одноклітинних він діє ефективно. Мутагенну дію ультрафіолету було встановлено в 1931 р . О.М. Промптова.
    Іншими фізичними мутагенами є частинки різної природи, що мають високу енергію: це альфа-і бета-випромінювання радіоактивних речовин і нейтронне випромінювання. У випадку прямого впливу на ДНК основну роль грають два параметри: величина енергії впливає частинки і здатність біологічного матеріалу поглинати цю енергію. Пошкодження ДНК можуть бути двох типів: двунітевих і однониткових розривів.
    Мутації може викликати також висока або низька температура. У 1928 р . Меллер показав, що підвищення температури на 10 градусів за С підвищує частоту мутацій у дрозофіл у 2-3 рази.
     Знаючи спосіб дії цих мутагенів, можна було припустити, що вони повинні діяти на ДНК будь-яких організмів. І дійсно, незабаром було виявлено, що наприклад, рентгенівські промені викликають мутації у самих різних тварин, рослин і мікроорганізмів. З'ясовано, що мутації, викликані випромінюваннями, можуть стосуватися будь-які ознаки організму, так як квант випромінювання або частка з високою енергією чисто випадково може пошкодити будь-яку ділянку ДНК. Число виникаючих мутацій тим більше, чим вище інтенсивність випромінювання, тобто чим більше квантів або часток потрапило в клітку в одиницю часу.
    Також було показано, що фізичні чинники викликають ті ж мутації, які виникають і при спонтанному мутагенезі. У вищих живих істот є речовини, що послаблюють дію випромінювання - фотопротектори, а багато рослин містять алкалоїди та кумарини, вони посилюють процеси, викликані радіацією і ці речовини небезпечні для тварин.
     Фізичні мутагени і їх дія сильно залежить від попередньої еволюції 

   організму. До постійно діючих мутагенів види виробили стійкість.  

Фізичний мутагенез може не реєструватися через швидкої загибелі  

                                       мутантних організмів.
  

До хімічних мутагенів відноситься багато хімічних сполук найрізноманітнішого будови. Найбільшу мутагенну активність виявляють різні алкілуючі сполуки, а також нітрозосполуки, деякі антибіотики, що володіють протипухлинною активністю.
    Хімічні мутагени ділять на мутагени прямої дії (сполуки, реакційна здатність яких достатня для хімічної модифікації ДНК, РНК і деяких білків), і мутагени непрямої дії (промутагени - речовини, які самі по собі інертні, але в організмі перетворюються в мутагени, в основному, в результаті ферментативного окислення).
          Встановлено, що мутагенною активністю володіє декілька тисяч хімічних сполук. Хімічні мутагени:
- окислювачі та відновники;
- алкілуючі агенти та пестициди;
- деякі харчові добавки;
- продукти переробки нафти й органічні розчинники;
- лікарські препарати.
    Однак, на відміну від іонізуючого та ультрафіолетового випромінювань, для хімічних мутагенів характерна специфічність дії, що залежить від природи об'єкта і стадії розвитку клітини.

При взаємодії хімічних мутагенів з компонентами спадкових структур (ДНК і білками) виникають первинні ушкодження останніх.

Надалі ці первинні ушкодження ведуть до виникнення мутацій.
 

До біологічних мутагенів відносять ДНК-і РНК-віруси, деякі поліпептиди і білки, наприклад О-стрептолизин і ряд ферментів рестриктаз, а також препарати деяких ДНК і певні плазміди.
    Механізми утворення мутацій при дії різних біологічних факторів не цілком зрозумілі, проте агенти, що містять нуклеїнові кислоти, можуть викликати порушення процесів рекомбінації, що призводить до виникнення мутацій. Дія рестриктаз зводиться до «розрізання» ланцюгів ДНК в місці (локусі) певної послідовності нуклеотидів, специфічному для кожної рестріктази.
Біологічні мутагени:
- специфічні послідовності ДНК - транспозони;
- деякі віруси (вірус кору, краснухи, грипу);
- продукти обміну речовин (продукти окислення ліпідів);
     Транспозони - один з класів мобільних елементів геному які, вбудовуючись в геном, можуть викликати мутації, в тому числі і такі значні як хромосомні перебудови. Вони відіграють важливу роль у процесах переносу лікарської стійкості серед мікроорганізмів, рекомбінації, та обміну генетичним матеріалом між різними видами як у природі, так і в ході генно-інженерних досліджень.

IV. Узагальнення, систематизація й контроль знань і вмінь учнів

Дати відповіді на питання:

1. Які види мутагенів вам відомі?

2. Які ви можете навести приклади різноманітності мутагенів?

3. Чим характеризуються різні види мутагенів?

4. Які ви можете навести приклади фізичних, хімічних і біологічних мутагенів?

Творче запитання. Порівняйте фотографії  і передбачте які мутагени могли спричинити такі мутації.