Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство здравоохранения и социального развития Российской Федерации
Казанский государственный медицинский университет
Кафедра медицинской биологии и генетики
Мутагены. Проблемы антимутагенеза.
Казань, 2005
Рассматриваемые вопросы
Введение
1. Факторы, повреждающие генетический аппарат человека
1.1.1. Ионизирующие излучения
1.1.2. Температурные воздействия
1.2. Химические мутагены
1.2.1. Промышленные вещества – мутагены
1.2.2. Вещества-мутагены, используемые в сельском хозяйстве
1.2.3. Бытовые мутагены
1.3.Биологические факторы мутагенеза
1.4. Мутагены внешней среды Республики Татарстан
1.5. Антимутагены - факторы защиты генома а защиты генома.
ВВЕДЕНИЕ
Учёные определили, что десять тысяч лет тому назад численность населения Земли составляла 5 миллионов человек, во времена Римской империи – 150 миллионов, к 1840 г. она достигла первого миллиарда. Пятый миллиард народился всего за 12 лет. А поскольку такое стремительное развитие человека идёт только за счёт использования ресурсов внешней среды, то общее потребление их за период в 10 тысяч лет возросло примерно в 100 раз [Фешбах М., Френдли А. 1992].
В настоящее время мы живём в период научно-технологической революции. Он характеризуется резким увеличением потребностей человека и удовлетворением их за счёт природной кладовой. За период жизни только одного поколения появились телевизоры, магнитофоны, сотовые телефоны, спутники, сверхзвуковые самолеты и т.д. Это привело к резким изменениям экологических условий в масштабе всей планеты, размах и характеристики которых не встречались в длительной эволюции человека. Парадоксальным является то, что из сырья, которое человек добывает у природы, в конечный продукт перерабатывается лишь 2 – 9 %, остальные 91 – 98 % представляют собой отбросы, значительная часть которых попадает во внешнюю среду, превращаясь в составную часть среды его обитания [Fishbein U., 1984].
Ежегодно в мире синтезируется более 200 химических соединений используемых в медицине, сельском хозяйстве, производстве, быту и т. д. В 1991 году на территории России было захоронено 1,6 млрд. тонн токсических промышленных отходов. С 1985 по 1991 годы произошло более 240 химических аварий с летальным поражением людей. Очевидно, что аналогичных случаев, сопровождающихся введением в среду потенциальных мутагенов несравненно больше [Варенин С.А., Поделякин Н.А, 1992]. Всё это приводит к тому, что в среде накапливаются чужеродные антропогенные факторы, с которыми человек не встречался на протяжении своей эволюции и, следовательно, не мог адаптироваться к ним. Поэтому в большинстве своём они являются опасными для его метаболизма. В случае их высокой концентрации в среде, защитные системы организма становятся не способны нейтрализовать их повреждающий эффект, и тогда развивается какая - либо патология, в том числе, связанная с дестабилизацией генома человека. К последней относятся опухолевые и наследственные заболевания, спонтанные аборты и врожденные пороки развития, нарушение антиоксидантных, энергетических и иммунных систем организма, сокращение продолжительности жизни [Бочков Н.П., Чеботарёв А.Н., 1989].
Пожалуй, впервые связь между вредными факторами среды и повреждением генетического аппарата обнаружил английский врач Потт. Ещё в прошлом веке работая над проблемой опухолевых заболеваний он столкнулся с поразительным фактом: – в стране оказалось достаточно много больных раком мошонки. Осмотр этих больных показал, что в основном это худенькие, небольшого роста мальчики. Странным оказалось то, что все они работали трубочистами. Несколько лет напряжённой работы врача показали следующее. В Англии широко использовались камины. Для сохранения тепла трубы в этих сооружениях были чрезвычайно узкие и не всегда прямые. Поэтому для их очистки от быстро накапливающейся сажи использовали худеньких мальчиков. Сидя верхом на пропущенной между ног верёвки они очищали стенки дымоходов от сажи. Верёвка и одежда были пропитаны сажей. Постоянные движения приводили к тому, что сажа с верёвки постоянно втиралась в кожу мошонки. А так как при сжигании органических веществ образуются сильные мутагены (бензпирен и другие), то при втирании они проникали в клетки мошонки, трансформируя их в злокачественные.
Развернувшиеся широкие исследования по канцерогенам показали, что из всех химических веществ, распространённых в среде обитания, около 10% обладают выраженными мутагенными свойствами. Почти 90% мутагенов внешней среды могут вызвать злокачественные новообразования, т.е. являются канцерогенами. По расчётам специалистов при сохранении существующих тенденций загрязнения среды, количество новых случаев рака в мире в 2000 году достигнет 10 миллионов. В СССР в 1970 году число новообразований достигло 400 тысяч, сейчас опухолевые заболевания диагностируются у каждого 5-го жителя. [Худолей В.В.,1997].
1. Факторы, повреждающие генетический аппарат человека
Находящиеся во внешней среде вещества могут использоваться организмом для своих нужд и не использоваться. Последние являются для человека чужеродными веществами и называются ксенобиотиками. К ним чаще всего относятся искусственно синтезированные соединения, не представляющие для метаболизма никакого интереса. Случайно проникая внутрь с пищей, водой, воздухом в лучшем случае они могут оказаться нейтральными и выделиться без каких-либо последствий, в худшем, могут привести к поломкам различных структур и физиологических систем [Литвицкий П.Ф., 1997]. Ксенобиотики, повреждающие генетический аппарат человека подразделяются на экзо- и эндомутагены. Экзомутагены - это мутагены среды обитания человека. Попадая в организм человека они подвергаются атаке различных ферментов, в результате чего могут превращаться в другие вещества – метаболиты, обладающие или не обладающие мутагенной активностью. Если экзомутаген, не имеющий мутагенной активности, приобретает её в результате метаболической трансформации, то такой мутаген называют косвенным, непрямым мутагеном или промутагеном. Ксенобиотик, показавший мутагенную активность без метаболической активации, называют прямым мутагеном. Эндомутагены – собственные продукты метаболизма образующиеся в результате обменных реакций в организме и представляющие угрозу для генетического аппарата человека. В настоящее время мутагены называют ещё кластогены.
Классификация мутагенов достаточно обширная. Их классифицируют в зависимости от химической структуры, механизма действия, происхождения и т.д. Мы используем классификацию мутагенов достаточно часто применяемую на практике. По этой классификации мутагены делят на три группы [Дубинин Н.П., Пашин Ю.В.; 1978]: физические, химические и биологические. На человека как правило действует комбинация мутагенных факторов.
Среди них различают:
1.Ионизирующие излучения
2.Температурные воздействия
3.Высокое давление
4.Вибрация
5.Электромагнитные волны высокой частоты.
Рассмотрим некоторые из них.
1.1.1. Ионизирующие излучения
В настоящее время радиационный фон Земли постоянно повышается за счёт следующих факторов:
а) Не прекращающихся испытаний ядерных, водородных и нейтронных бомб.
В 1963 г. был заключён договор между государствами, имеющими ядерное вооружение, о частичном запрещении испытаний ядерного оружия. Государства, не подписавшие соглашение, продолжают испытывать ядерное оружие, насыщая среду жизни человека новыми порциями радиоактивных соединений. При взрыве бомб в окружающую среду поступают стронций-90, цезий-137, углерод-14. Попадая в организм человека, они депонируются в костях, и поступая оттуда в кровь могут повредить наследственный аппарат половых и соматических клеток [Литвицкий П.Ф., 1997].
Испытания ядерных бомб может оказаться опасным не только для страны – испытательницы.
Одно время Китай, не подписавший соглашения о прекращении ядерных испытаний, производил ядерные взрывы на своем полигоне. Радиоактивные вещества поднимались в верхние слои атмосферы, которые перемещались по направлению к Канаде, где они выпадали в виде осадков. Правительство Канады не раз направляло ноту протеста Китаю. Беспокойство канадцев понятно. Эта страна продаёт зерно практически всем странам мира. Кто же будет закупать радиоактивное зерно? В настоящее время в Канаде разработана долгосрочная программа развития здравоохранения. В ней сделан особый упор на строительство новых онкологических клиник, подготовку врачей – онкологов, выпуску необходимого оборудования. Взрывы в Китае не остались без последствий. Через несколько лет в Канаде ожидается повышение онкологических заболеваний [Дубинин Н.П., Пашин Ю.В., 1978].
б) Продолжающейся практике использования ядерных взрывов в мирных целях.
Ядерные взрывы при проведении больших геологических работ намного дешевле обычных взрывных работ. Поэтому ядерные взрывы используют при разработке полезных ископаемых, строительстве дамб, водохранилищ [Дубинин Н.П., Пашин Ю.В., 1978].
В 80-х годах на страницах журналов и газет в СССР обсуждалась грандиозная по масштабам идея, выдвинутая несколькими крупнейшими институтами: - при помощи ядерных взрывов перебросить полноводные северные реки в Волгу, испытывающую дефицит воды. Хорошо, что идея так и осталась проектом. В противном случае помимо экологических бедствий нас могло ожидать повышение радиоактивного фона в районах взрыва [Фешбах М., Френдли А., 1992].
Американцы и сейчас планируют при помощи ядерных взрывов проложить новый канал, параллельный Панамскому. Возможно особое значение будут иметь ядерные взрывы для борьбы с особо опасными стихийными бедствиями.
в) Не прекращающийся рост числа АЭС.
В этом случае опасность представляет хранение радиоактивных отходов. Ранее их в специальных железно-бетонных ёмкостях сбрасывали в океане. Однако в настоящее время появляется всё больше фактов, свидетельствующих об утечке радиоактивных отходов из мест океанического затопления.
За последние несколько лет поступило несколько сообщений от океанических научно-исследовательских судов России и других стран о том, что в некоторых местах океана обнаружены пласты радиоактивной воды на разных глубинах. Эти пласты перемещаются. Серьёзную тревогу вызывает то, что рыба, отловленная в этих радиоактивных водах, имеет повышенную радиоактивность и не пригодна для употребления. Предполагается, что некоторые контейнеры с радиоактивными отходами, лежащие на дне океана в необычных условиях (высокое давление, водная солевая среда) стали разрушаться. Смертельная радиация вырвалась наружу.
В настоящее время захоронение отходов производят в соляных копях.
г) Внедрение изотопных методов в лечение и рентгенодиагностику в медицине, промышленности и сельском хозяйстве.
Эти методы позволяют автоматически и дистанционно контролировать современные технологические процессы в металлургической, автомобильной и с/х производстве.
В медицине рентгенодиагностика общеизвестна. Применение кобальтовых и цезиевых “пушек” спасло или продлило жизнь не одной тысяче людей.
Но, несмотря на все положительные моменты, изотопы и рентгеновские лучи представляют угрозу для наследственного аппарата человека.
д) Экстремальными выбросами во внешнюю среду радиоактивных компонентов, обусловленных катастрофами на АЭС, утерей, кражами источников радиации и радиоактивным специальным загрязнением внешней среды в связи с террористическими актами. Наиболее близкий для нас пример — авария на Чернобыльской АЭС.
В 1 ч. 23 мин. ночи в субботу, 26 апреля 1986г. в результате 2-х взрывов на 4 блоке Чернобыльской АЭС произошёл выброс в атмосферу радиоактивного вещества. Его количество превышало то, что было выброшено в Хиросиме и Нагасаки. 30 млн. кюри рассеяно на территории охватывающей Швецию, Германию, Польшу, Австрию, Грецию и Югославию. 20 млн. выпали на территорию Белоруссии, Украины, Запада России до Ленинграда. После взрыва никакой информации от правительства в прессу не поступало. 28 апреля шведы обнаружили у себя резкое повышение радиоактивности. Они и подняли тревогу, заставив признать факт аварии на Чернобыльской АЭС. Разумеется, вклад аварии на ЧАЭС в естественный радиоактивный фон огромен.
По подсчётам учёных примерно 25% от общего числа естественных мутаций обусловлено энергией естественного фона радиации. Понятно, что удвоение энергии радиации в среде может существенно повлиять на здоровье нынешнего и будущего поколения.
1.1.2. Температурные воздействия
Предполагалось, что тепловое движение атомов в молекулярных структурах гена в некоторых случаях может привести к перестановкам атомов, появлением новых молекул, а следовательно - к мутациям. В таком случае, чем выше температура, тем выше интенсивность теплового движения, тем чаще будут происходить мутации. Это положение нашло хорошее экспериментальное подтверждение. Однако уже в работах, выполненных в 30-х годах было показано, что понижение температуры также вызывает мутации [Керкис Ю.Я., 1939].
Более опасным является воздействие температуры на вещества, с которыми контактирует человек. Так с увеличением температуры возрастает мутагенность конденсата сигаретного дыма [Crebelli R., Conti L., Fuselli S et all., 1981].
В 1985г. был проведён совместный японо-американский семинар по итогам исследований, посвящённых мутагенности, канцерогенности и метаболизму гетероциклических аминов, образующихся при термической обработке мяса и рыбы. В пиролизатах некоторых аминокислот и белков обнаружены производные пиридоимидазола, аминокарболина, имидазолхинолина и др. Большинство этих соединений являются промутагенами. Продукты их метаболизма связываются с макромолекулами и вызывают мутагенный эффект [Ленинджер А., 1985]. Во многих исследованиях показано наличие мутагенных соединений в моче и фекалиях человека, получавшего жареные или копчёные продукты [Ревазова Ю.А.,1994].
С присутствием гетероциклических аминов, по-видимому, связана также мутагенная активность в тесте Эймса разных образцов гамбургеров, "hotdogs" и других видов быстрой пищи.
1.2. Химические мутагены
б) Лекарственные препараты
в) Косметика
г) Игрушки
д) и т.д.
1.2.1. Промышленные вещества – мутагены
Наиболее опасными мутагенами, образующимися при сжигании угля, газа, нефти, производствах химической, нефтехимической, металлургической, целлюлозно-бумажной промышленности, являются вещества группы ПАУ (полициклические ароматические углеводороды) и, в особенности, диоксины. Оба названия собирательные. Группа ПАУ объединяет десятки веществ с тремя и более бензольными кольцами. Группа диоксинов объединяет сотни веществ, содержащих гетероциклическую структуру с атомом хлора в качестве заместителей. Многие из ПАУ являются мутагенами, например, бенз(а)пирен. Адсорбируясь на частичках сажи ПАУ уносятся за многие сотни километров от зон выбросов (например, горящие леса, свалки, газовые факелы и т.д.). В комнате, наполненной дымом, ПАУ примерно в 100 раз больше, чем в городском воздухе. Прослеживается чёткая зависимость числа заболевания раком лёгкого с годами курения. Показано, что возникновение раковых заболеваний происходит при введении бензо(а)пирена с пищей, а также при контакте с кожей. В атмосфере ПАУ довольно устойчивы. Их постепенная трансформация происходит при взаимодействии с озоном и диоксидом азота (продукты – нитробенз(а)пирены обладают высокой мутагенностью).
"Грязной дюжиной" называют 12 токсических хлорорганических веществ. В эту группу входят ДДТ (см. далее) и три группы веществ, объединённых по качеству сходства их токсических свойств – политоксичности. Эта группа носит название – диоксины. Длительное воздействие диоксинов на организм в ничтожных концентрациях приводит к росту онкологических заболеваний, гибели плода в матке, врождённым порокам развития, потере иммунитета. Это дало основание назвать токсикацию диоксинами – химическим СПИДом. Недавно выявлено ещё одно действие диоксина – он приводит к фертильности (потеря оплодотворяющей способности) мужской спермы. Самая лёгкая форма поражения человека диоксинами – потеря способности к длительным физическим и умственным усилиям. Выброс диоксинов происходит в основном на мусоросжигательных заводах, где сжигаются пластиковые изделия. Для уменьшения выбросов диоксина мусор сортируют, пластик отбрасывают.
Другие источники ПАУ и диоксинов – ТЭЦ и лесные пожары. Осуществление программы строительства мусоросжигательных заводов в Татарстане может привести к быстрому росту загрязнения диоксином республики. Путешествуют диоксины, как и ПАУ на частичках сажи. Разрушаются в основном под действием Уф лучей. Диоксины взаимодействуют с ДНК непосредственно и косвенно. Образуя комплекс с ферментом монооксигеназой, диоксины меняют свойства фермента. Активируется окисление, идущее с образованием свободных радикалов – сильных мутагенов. Основная масса диоксина попадает в организм с пищей [Фёдоров Л.А., 1993; Юфит С.С., 1996].
Весьма опасными загрязнителями окружающей среды являются нитросоединения: окиси азота, нитраты, нитриты, нитрозамины и др. Все они в различной степени являются мутагенами. Но наиболее опасны в мутагенном отношении нитрозамины. Нитраты с пищей попадают в желудочно-кишечный тракт человека и превращаются там в нитриты. Последние вступают в реакцию со вторичными аминами пищевых масс, образуя нитрозамины. Нитриты и нитрозамины могут образовываться в сельскохозяйственных продуктах во время их хранения. Даже хранение в холодильнике не защищает от образования нитритов. Наиболее существенным источником нитратов являются минеральные и органические удобрения. Нитраты дают значительную добавку в весе овощей и фруктов. Погоня за лишним весом приводит к тому, что при подкорме сельскохозяйственных культур используется значительный избыток удобрений. Это приводит к накоплению нитратов в зерне, овощах и фруктах в количествах опасных для здоровья. Употребление их может привести к нарушению нормальной работы наследственного аппарата клеток. Нитросоединения опасны ещё и тем, что приводят к образованию метгемоглобина. В процессе его образования происходит генерация активных форм кислорода, которые также являются опасными мутагенами.
В 1960-1970 гг. у детей некоторых фермеров в США была обнаружена метгемоглобинемия. Причину заболевания долго не могли выяснить, пока случайно не связали три факта. Во-первых, известно, что нитросоединения вызывают образование метгемоглобина. Во-вторых, все заболевшие дети были из фермерских хозяйств, где использовали в больших количествах азотные удобрения. И, наконец, в овощах, которыми питались дети выявлено большое количество нитратов.
Несколько слов о неорганических токсинах. В связи с разработкой дешёвых и точных методов анализа в последнее время стали особенно интенсивно изучаться токсические эффекты 13 металлов, токсичных во всех своих водо-, щелочно- и кислоторастворимых соединениях (Be, Al, Cr, As, Se, Ag, Cd, Sn, Sb, Ba, Hg, Te, Pb). Многие из них оказались мутагенами. Все они продукты промышленного производства. Эту группу токсинов возглавляет “ мрачная тройка “ – Pb, Cd, Hg. Когда в рекламе водоочистителей сообщают об эффективном удалении из воды тяжёлых металлов, имеются в виду ионы этой тройки. Постановка Pb на первое место в этой тройке не случайна. История его применения самая древняя: сурик, свинцовые белила, глазури, водопровод древнего Рима, электрические кабели, свинцовые аккумуляторы, лаки, спички. пластмассы, хрусталь и многое другое.
Многие из вас слышали передачи по телевизору, в которых призывали “ не держите долго в хрустальной посуде воду, вино, т.к. свинец, используемый при изготовлении хрусталя, может перейти в содержимое вашего бокала.
Ежегодно, содержание Pb в воздухе увеличивается на 5%, удвоение происходит за 14 лет. Недавно учёные США пришли к заключению, что токсикация Pb – причина агрессивного поведения школьников и снижение их способности к обучению. Pb попадает в организм человека в основном с растительной пищей. Меньше всего Pb в бобовых, больше всего в кабачках. Меньше Pb попадает в организм с водой. Источник – сплавы, используемые при соединении водопроводных труб. В последнее время выявлен мутагенный эффект соединений свинца [Уэр.Дж., 1993].
Химический символ кадмия – Cd курильщикам можно читать как аббревиатуру английского Cancer disease – раковое заболевание. Оксид кадмия, поступающий в альвеолы из табачного дыма индуцирует мутации ДНК клеток лёгких. Табак – растение, в наибольшей мере аккумулирующее соли Cd из почвы. Наиболее серьёзные последствия Cd-токсикации – почечная недостаточность. Cd поступает в воздух при сжигании угля, нефти, в почву с минеральными удобрениями [Ершов Ю.А., Плетнёва Т.В., 1989].
В настоящее время мы часто слышим по радио, видим по телевидению, узнаем из газет, что в том или ином районе России, в городе, школе, фабрике обнаружен очаг загрязнения ртутью. Срочно эвакуируются люди, и производится сбор ртути с последующей специальной обработкой очага. Это действительно необходимо. Металлическая ртуть, помимо общетоксического действия, вызывает значительные нарушения нормальной деятельности генетического аппарата. Особенно опасны органические соединения ртути. Ртуть обладает способностью накапливаться в организмах рыб и моллюсков. Коэффициент накопления может достигать 300 (т.е. в организме ртути может оказаться в 300 раз больше, чем в морской воде). В последнее время значительно возрасла концентрация ртути в Балтийском море (его иронически называют “кухонный таз Европы”). Туда практически сбрасывают отходы вся Европа. Из-за медленной биологической инактивации вредных веществ в Балтийском море ртутные соединения и пестициды накапливаются в рыбе и ещё больше в птицах, которые едят её. Это привело к гибели красивой птицы – балтийского пеликана. Швеция, Финляндия и Дания запретили своим судам ловить рыбу в большинстве районов Балтийского моря [20? 21]. Ртуть поступает во внешнюю среду в количестве более чем 10 тыс. тонн в год.
Во Франции, с 2000 года планируется полностью запретить пользоваться в больницах и быту градусники содержащие ртуть. Они будут полностью заменены на электрические, химические и другие виды приборов способных мгновенно показывать температуру любых участков тела.
Винилхлорид, используемый для производства пластических упаковок и изоляционного материала на протяжение 45 лет, вызывает в соматических клетках рабочих на химических производствах повреждения хромосом.
Особо следует обратить внимание на обнаруженную в последнее время мутагенность асбестовой пыли. Этот широко используемый строительный материал способен вызывать рак лёгких. Это послужило основанием для некоторых фирм США снести здания, при строительстве которых использовался асбест.
1.2.2. Вещества-мутагены, используемые в сельском хозяйстве
Это - прежде всего пестициды и азотные удобрения. Пестициды занимают 9-е место по степени загрязнения биосферы, хотя и составляют лишь около 1% от всего количества циркулирующих в ней соединений [Ковда В.А., Глазовская М.А., Соколов М.С., Стрекозов Б.П., 1977]. Широкое использование пестицидов экономически оправдано. Если в 1979 г. пестицидами обрабатывалось около 20% земель, то к 2010 эта площадь увеличится до 90%. По подсчётам специалистов, если сейчас отказаться от пестицидов мы не дополучим 60% урожая, а цены на с/х продукцию поднимутся на 75%. В качестве пестицидов сейчас используется около 600 соединений. Примерно 500 проверено на мутагенность. Среди них около 65% обнаружили мутагенную активность. Не смотря на это, их продолжают использовать. Это привело к тому, что у работников, контактирующих с пестицидами и у населения, проживающего в зонах с интенсивным применением пестицидов выявляются различные хромосомные аберрации в лимфоцитах крови. Опасность применения пестицидов – мутагенов можно проиллюстрировать следующим примером. В 50-х годах во всём мире стали интенсивно применять в сельском хозяйстве новый препарат – ДДТ. За короткий срок он привёл к резкому подъёму урожайности с/х культур. Позволил уничтожить многие вредные насекомые, снизил заболеваемость малярией, энцефалитом за счёт уничтожения в очагах заболеваемости переносчиков этих болезней. Производство и применение чудо – препарата стремительно нарастало до тех пор пока учёные не обнаружили у ДДТ 3 новых, чрезвычайно опасных свойства:
Для борьбы с малярийными комарами озеро Клир – Лейк в Калифорнии было обработано ДДТ. Анализ содержания ДДТ через некоторое время показал, что по отношению к воде озера его содержание в планктоне выше в 500 раз, в рыбах, питающихся планктоном в 45 тысяч раз, в птицах, питающихся рыбой в 105 тысяч раз. Через сезон поголовье птиц стало катастрофически сокращаться [Дубинин Н.П., Пашин Ю.В., 1978].
В СССР ДДТ запретили в 1970 г. в США – в 1972 г. Однако, сейчас на полях, в реках, озёрах сохраняется значительная часть того, что было использовано. Оно продолжает накапливаться в органах и тканях людей, вызывая самые разнообразные мутации.
На международном симпозиуме выступила учёный из США. Эта женщина – хирург определяла содержание ДДТ в тканях оперированных. После изложения своих данных, где достоверно было показано высокое содержание ДДТ в организме, она сказала:-“В заключение, я, к сожалению, должна констатировать, что содержание ДДТ в органах и тканях американцев такое, что они стали несъедобными“.
В настоящее время ДДТ запрещён во всём мире, за исключением слаборазвитых стран, где его используют для обработки плантаций апельсинов и мандаринов.
1.2.3. Бытовые мутагены
Источником мутагенных соединений являются некоторые пищевые продукты. Мутагены поступают в организм человека прямым путем (некоторые безалкогольные напитки и др.), или пройдя через пищевую цепочку. Развитие технологии консервирования ставит потребителей в условия непосредственного контакта с мутагенами: формалином, пропиленом гликолем, гексаметилентетрамином, нитратом калия, нитратом натрия и др. В своей совокупности современная мировая консервная промышленность представляет существенный источник мутагенов для человека в связи со слабым государственным санитарным контролем во многих странах. До недавнего времени в Японии среди ряда широко распространённых пищевых консервантов широко использовался агент АF-2/транс-2/фурин-3-/5-нитро-2-/фурил/-акриламид, подавляющий рост бактерий в соевом молоке и в рыбных сосисках. В 1973 г. японские специалисты – члены «Японского общества мутагенов среды» сообщили, что этот консервант вызывает широкий спектр мутаций на ряде тест-систем, начиная от бактерий до культур клеток человека. Выявлены также и канцерогенные свойства этого соединения. Федеральное управление по качеству пищи и лекарств США запретило использование АF-2 и выразило большую озабоченность в связи с возможной мутагенной активностью многих лекарственных средств, консервантов и пищевых добавок, очень широко используемых фирмами медицинской и пищевой промышленности США (De Serres, 1974).
Так, например, на мясном рынке особым спросом пользовался нитрат натрия. Помимо того, что он обладал хорошими консервирующими свойствами, он ещё придавал мясу свежий, сочный, красный цвет. Такое, “аппетитно” выглядевшее мясо, быстро раскупалось. Парадное шествие этого консерванта по кухням мира остановили генетики, обнаружившие у него способность повреждать геном соматических и половых клеток.
Весьма актуальными являются вопросы радио-стерилизации пищевых продуктов. При этом продукты питания не только предохраняются от преждевременной порчи, но и обезвреживаются (как, например, мясо кур от сальмонелл и т.п.). Корнеплоды после радиационной обработки даже в условиях тепла и влажности длительное время не подвергаются гниению и не прорастают. После 1963 г. в США использовалось кратковременное, но мощное излучение кобальта-60 и др. источников для обработки некоторых мясных продуктов, когда нет возможности использовать для хранения холодильные установки. Однако в 1968-1971 гг. из-за отсутствия четких данных о полной безопасности такого облучения широкое применение этого метода было прекращено. В результате облучения высокими дозами лучевой энергии в продуктах могут появиться эпоксиды, хитоны, пероксиды, гидроксиалкилпероксиды и др., которые, как указывалось выше, являются мутагенами. Тем не менее, этот перспективный метод стерилизации продуктов заслуживает тщательного изучения, так как его использование равносильно значительному повышению урожайности сельскохозяйственных культур, увеличению производства мяса и др.
В последнее время особое внимание обращают на мутагенность питьевой воды. Вода, используемая для питья, содержит небольшое количество органической примеси. При обеззараживании воды к ней добавляют хлор. В результате реакции хлора с органическими веществами образуются хлорорганические соединения, обладающие мутагенной активностью (например, тригалометаны) [Ревазова Ю.А., 1994].
Мы уже подчёркивали, что в жаренном мясе и рыбе содержатся мутагены. Возникают они в результате пиролиза триптофана и некоторых других органических соединений. Необработанные термически продукты также могут содержать мутагены. Так мутагены найдены в некоторых видах бобовых, неочищенном хлопковом масле, чёрном перце, грибах и некоторых других продуктах.
В начале 80-х г. в фермерском хозяйстве США обнаружили одинаковые врожденные дефекты у новорожденного ребенка, выводка щенят и козлят. Тщательные исследования показали, что в период беременности женщина и собака употребляли молоко, полученное от домашних коз. которых кормили люпином. Анализ люпина показал наличие в нём мутагенов. В настоящее время внедрены новые сорта люпина, в которых мутагенов практически нет.
В целом по некоторым оценкам человек в день с пищей, водой и воздухом получает примерно 2-3 гр. мутагенов [Ревазова Ю.А., 1994]. В связи с ухудшающейся экологической обстановкой количество мутагенов способных попасть в организм человека, будет постоянно увеличиваться.
На международном съезде медицинских генетиков выступила исследовательница из Канады. Областью её интересов было изучение мутагенной активности лекарственных соединений. Она предложила участникам съезда прислать ей в президиум записки, с перечислением лекарственных веществ, находящихся в карманах у мужчин и сумочках женщин. Анализ присланных записок показал, что в карманах мужчин содержится одно какое-либо лекарство. Это были в основном сердечные препараты и препараты, уменьшающие табачный и алкогольный запах изо рта. В сумочках женщин оказалось по 3 препарата. Спектр их был очень разнообразен. Но чаще всего присутствовал аспирин и лекарства против головной боли. Всё это свидетельствует о том, что лекарства стали необходимым компонентом нашей среды обитания.
К числу лекарств обладающих мутагенным эффектом прежде всего необходимо отнести противоопухолевые препараты. Особенно опасны алкилирующие соединения. Есть сведения, что при лечении основных опухолей эти препараты способствуют возникновению вторичных раковых очагов. Такие антибиотики как пенициллин, стрептомицин и тетрациклин повышают уровень различных аберраций в опытах на животных, растениях и микроорганизмах. Мутагенную активность показали и широко применяемые аспирин и амидопирин.
В области косметики среди различных препаратов благодаря широкому применению высокочувствительных тестов было найдено, что большинство коммерческих красителей волос, поступающих в США, Англию, Японию имеют значительный мутагенный потенциал. Только в США 89% (150 из 169 исследованных рецептур) коммерческих красителей окислительного типа являются мутагенными для сальмонелл. В Японии их оказалось 82%. Опасность усугубляется тем, что кожа головы представляет собой идеальную всасывающую поверхность. Поэтому при обесцвечивании волос, например, перекисью водорода, значительная часть этого мутагена попадает в организм, индуцируя различные повреждения в генетическом аппарате клеток. Понятно, что женщинам детородного возраста лучше не употреблять это чрезвычайно опасное соединение.
Приведём некоторые данные из обзора Долла [Doll R., 1972]. На основании анализа большого числа фактов, автор считает доказанным причину возникновения около 20 различных форм рака. Так, выяснена связь между возникновением аденокарциномы у молодых женщин, матери которых принимали стильбэстрол. У женщин, которые использовали в качестве противозачаточных средств стероидные гормоны, наблюдались опухоли печени. Известна роль алкоголя в возникновении рака рта, глотки и носоглотки. Процент возникновения рака этой локализации обычно высокий у содержателей баров, официантов и всех работающих с алкоголем. Однако, остается не ясным сам ли алкоголь провоцировал возникновение опухолей или это были другие компоненты алкогольных напитков. Доказанным является факт, что у пьющих и курящих лиц риск заболеть на 50 % больше, чем у только пьющих или только курящих. Это подтверждается многочисленными исследованиями, что алкоголь усиливает мутагенную и канцерогенную опасность различных соединений. До сих пор имеются противоречивые данные по поводу мутагенности кофеина. Исследователи согласны в одном, большие дозы кофеина обладают мутагенным и канцерогенным действием.
1.3.Биологические факторы мутагенеза
Кроме мутагенов физической и химической природы, в окружающей среде имеются биологические факторы мутагенеза. Этот раздел в генетической токсикологии наименее изучен, хотя факты мутагенных повреждений, например, вирусами при заражении ими клеток, известны давно. В конце 30-х годов С.М. Гершензон установил мутагенный эффект ДНК и вирусов. Позже было выяснено, что хромосомные разрывы могут индуцировать вирусы, вызывающие грипп, оспу, корь, ветряную оспу, эпидемический паротит и др. [Ильинских Н.Н., Медведев М.А., Бессуднова С.С. и др.; 1990
Обращает на себя внимание группа непатогенных вирусов для человека, животных, растений. Они присутствуют почти во всех клетках, хотя внешне их присутствие в клетке практически ничем не проявляется. Они создают поток чужеродной ДНК, который постоянно воздействует на клетки хозяина. Из литературных данных известно, что чужеродная ДНК обладает мутагенными свойствами.
Вирусы, так же, как организм их хозяина, подвергаются воздействию мутагенов среды, особенно в клетках с нарушенными репарационными механизмами, в результате чего возникают новые расы вирусов с измененными мутагенными свойствами. Обнаружена достоверная связь между эпидемиями некоторых вирусных заболеваний и последующим развитием рака носоглотки.
Различные токсины биологической природы могут давать мутагенный эффект. Показано, что паразиты кишечника человека (гельминты) выделяют мутагенные продукты своего метаболизма. В некоторых районах земного шара страдает от паразитов 100 % населения. Стрептолизин – О, токсин гемолитического стрептококка, повышает частоту мутаций в культуре эмбриональных фибробластов человека.
В последнее время выявлено, что вакцинация людей и использование лечебных сывороток также может привести к повышению уровня хромосомных аберраций.
Ю.Я. Керкис показал мутагенный эффект иммунологического стресса при пересадке и отторжении(в силу тканевой несовместимости) кожного лоскута у мышей.
Под руководством М.Е. Лобашова ещё в 60-е годы на кафедре генетики и селекции Ленинградского университета были начаты эксперименты, доказывающие роль нервной системы в контроле частоты хромосомных аберраций в соматических клетках у мышей. Запах взрослого самца повышает частоту цитологических нарушений в сперматогенезе у молодых самцов, увеличивает частоту аномальных сперматозоидов и доминантных летальных мутаций.
1.4. Мутагены внешней среды Республики Татарстан
Прежде всего, необходимо отметить, что целенаправленных исследований по определению мутагенов в почве, воде и воздухе Татарстана не производилось. Однако, целый ряд фактов не позволяет говорить о нормальном их содержании во внешней среде Республике. Необходимо отметить, что в республике сложились крупные урбоэкосистемы с преобладанием химического, нефтеперерабатывающего, энергетического и машиностроительного профиля. Такие производства при современной, практически не замкнутой, технологии представляют значительную угрозу для экологии. И действительно, подсчитано, что в атмосферу республики ежегодно поступает порядка 1 млн. тонн загрязняющих веществ, среди которых присутствуют не только токсиканты, но и вещества разрушающие генетический аппарат человека. В республике можно определить 5 районов с наиболее интенсивным загрязнением воздушного бассейна: – Юго-восточный район (нефтегазодобывающие предприятия), Нижнекамский (нефтехимия, энергетика), Казанский (нефтехимия, машиностроение, энергетика, стройматериалы), Набережно- Челнинский (машиностроение, стройиндустрия, энергетика) и Елабужский (машиностроение, нефтегазодобыча, минеральные удобрения). По уровню загрязнения Юго-Восточный район РТ стоит в одном ряду с Московской областью.
В значительной степени загрязнена и почва Татарстана. Часть этих загрязнений попадает в неё в виде осадков из атмосферы, источником других являются нефте- и газодобывающие и перерабатываюшие предприятия. Проведённые сотрудниками кафедры медицинской биологии и генетики совместно с кафедрой коммунальной гигиены исследования загрязнённости почвы Юго – Восточного района и реки Зай показало высокую мутагенную активность почвенного покрова и воды на всём протяжении реки Зай.
Существенный вклад вносят химические вещества используемые в сельском хозяйстве. В РТ удельная нагрузка на гектар пашни пестицидов в 1996 г. была 0,42 кг. Это значительно меньше, чем 10 лет назад. Ранее и сейчас применяют пестициды из группы стойких хлорорганических соединений. В 1992 г. использовали 11 видов фунгицидов, 6 видов протравителей, 27 видов гербицидов. На долю сильнодействующих приходилось свыше 30 %, на долю высоко аккумулятивных – примерно 17 %. В числе используемых - метилмеркаптофос, гранозан, полихлорпилен и др., показавшие in vitro мутагенную активность.
До настоящего времени в РТ нет ни одного предприятия или полигона по обезвреживанию или захоронению твердых бытовых отходов. Раньше отходы утилизировали на экспериментальном заводе в Уфе. Сейчас утилизация там прекращена. На Казанском заводе “Эликон” изготовлена опытная передвижная установка для утилизации отходов. В республике ежегодно образуется 2,5 млн. т. твёрдых бытовых отходов, которые вывозятся в основном на свалки, т.к. до сих пор не построен ни один мусоросжигательный завод. По официальным данным из 3,7 млн. человек населения республики более 1 млн. проживает в зонах с периодическим превышением предельно допустимых концентраций, загрязняющих ингредиентов в воздухе и воде.
На территории Татарстана расположено более 2 тыс. предприятий, половина из них сбрасывают сточные воды в реки практически без очистки. Реки нашей республики делятся на 3 класса: сильно-, средне- и слабозагрязнённые. 25% рек на территории республики – слабозагрязнённые. К сильнозагрязнённым рекам относятся – Зай, Шешма, Казанка, Низовья Тоймы.
60-70 % населения РТ пользуется подземной водой. В настоящее время и в ней отмечают наличие вредных веществ, попавших с загрязнённой поверхности. Частично это связано с тем, что промышленные предприятия отбирают подземные воды для промышленных нужд, что приводит к обезвоживанию подземных горизонтов на больших площадях. Возникающие при этом “депрессионные воронки” создают условия для поступления в эти горизонты поверхностных загрязнений из негерметичных нефтепромысловых сооружений, земляных амбаров с технологической жидкостью и т.д.
Что касается г. Казани, то основной вклад в загрязнение воздуха вносят ПО “Оргсинтез”, Тасма, ТЭЦ-3, НПО им. Ленина. В атмосферу они выбрасывают диоксид серы, оксид углерода, диоксид азота, углеводороды, фенолы. Интенсивное загрязнение воздушного бассейна наблюдается в Автозаводском и Кировском районах.
Примерно 1 % городской почвы сильно загрязнено вредными веществами. В основном, это зоны внутри или вокруг крупных предприятий. К категориям почвы со средней загрязнённостью относится примерно 8 % площади города. Это, в основном, юго-восточная часть города. Изученная сотрудниками кафедры медицинской биологии и генетики загрязнённость главных магистралей города показала, что около половины взятых проб почвы обладают способностью повреждать генетический аппарат клеток растений.
В жилых районах Казани интенсивность электромагнитных измерений (ЭМИ) в основном на уровне допустимых величин. Наиболее мощными источниками ЭМИ являются теле- и радиостанции, радиолокационные установки, линии электропередача сверх- и ультравысокого напряжения. Эти излучения на близком расстоянии от источника превышают допустимые нормы примерно в 10 и более раз.
О наличии мутагенов в среде обитания жителей РТ свидетельствует тот факт, что в структуре младенческой смертности 2-е место занимают врождённые пороки развития – 21,6 %, возникновение которых связано с повреждением генетического аппарата половых или эмбриональных клеток.
1.5. Антимутагены – факторы защиты генома.
Первые работы, показавшие возможность снизить мутагенное повреждение генома относятся к 50-м годам 20 века. Вещества, снижающие уровень индуцированных мутаций назвали антимутагенами. Достаточно быстро обнаружили, что антимутагены предохраняют геном от разрушения на различных уровнях – генном, геномном и хромосомном у всех организмов от микроорганизмов до человека.. В настоящее время известно более 300 антимутагенов. По механизму действия их можно условно подразделить на 4 группы.
Очевидно, что в случае непреднамеренного, случайного контакта человека с мутагенами, одним из действенных средств защиты генетических структур является применение десмутагенов, т.е. веществ, способных инактивировать мутагенный агент или предупреждать его образование в химических реакциях in vivo.
Известно, что активированные макрофаги и бактерии могут продуцировать опасные канцерогены (нитрозосоединения) в результате реакции между амидами, аминами и нитратами. Процесс нитрозирования может происходить в желудочно-кишечном тракте, куда с пищей поступают необходимые компоненты реакции, а так же в тех местах где имеется воспаление (например, в мочевом пузыре, почках, кости и т.д.). Ингибиторы нитрозирования разрушают компоненты реакции, действуя как конкуренты за субстрат. Таким ингибитором является аскорбиновая кислота. Экзогенный глутатион может инактивировать мутагенные электрофилы. Аналогичное действие оказывает витамин Е, ряд природных и синтетических фенолов. Гуминовая кислота способна адсорбировать бенз(а)пирен, 3-аминоантрацен.
Особенно интенсивно поиском десмутагенов занимаются японские ученые. Они например обнаружили, что свойствами десмутагенов обладают многие овощные соки (капусты, редиса, сельдерея и т.д.). Было выделено действующее начало из соков, которое оказалось белком, обладающее свойством антиокислительных ферментов. Белок разлагается при повышении температуры и полностью теряет активность. В соках найден и другой антимутагенный фактор, который в отличии от первого оказался термостабильным.
Мутагены могут образовывать неактивные комплексы с пищевыми волокнами, которые представляют собой сложные углеводы двух типов – водо-растворимые и водо-нерастворимые. Первые присутствуют в овощах, фруктах, некоторых злаков (овсе). Они ингибируют канцерогенез в кишечнике, вызываемый канцерогенами пищи сдвигая метаболизм кишечника в сторону детоксикации. Напротив, нерастворимые в воде пищевые волокна, присутствующие в пшенице, рисе, не метаболизируются ферментами кишечной флоры, а действуют через другие механизмы, в частности путём задержки воды, “разводя” подобным образом канцерогены и снижая тем самым частоту возникновения рака кишечника. Пищевые волокна снижают частоту рака молочной железы у животных и людей. Таким образом применение злаков, фруктов может предупреждать возникновение опухолей у человека, о чём свидетельствуют эпидемиологические данные.
Неоднократно демонстрировалось, что влияние на системы метаболизма мутагенных ксенобиотиков, может модифицировать их повреждающее действие. Под влиянием индукторов метаболических систем снижаются эффекты прямых мутагенов, а ингибиторы метаболизма ослабляют повреждающее действие веществ, требующих для проявления мутагенных эффектов метаболической активации.
Например, снижение уровней хромосомных аберраций, индуцированных прямым мутагеном фотрином у мышей, было показано на фоне индукции микросомальных ферментов фенобарбиталом. В то же время было установлено, что в ряде случаев в результате интенсификации метаболизма прямых мутагенов их повреждающее действие может усиливаться за счёт образования метаболитов, более активных в генетическом отношении, чем исходное соединение. Такие эффекты были продемонстрированы при исследовании различных форм нитрозомочевины на клетках китайского хомячка в присутствии микросомальной фракции S-9, индуцированной фенобарбиталом.
Эффект непрямого мутагена циклофосфамида, как и следовало ожидать, усиливался в результате химической индукции ферментных систем у мышей, дрозофилы, в тестах на микроорганизмах с метаболической активацией. Аналогичный эффект наблюдали в отношении нитрозоморфолина, 2-аминоантрацена и бенз(а)пирена, тогда как селен, ингибирующий метаболизм последнего ксенобиотика, одновременно снижал его мутагенное действие [ Дурнёв А.Д., Середенин С.Б., 1994].
В результате многолетних фундаментальных исследований показано, что нативный и рекомбинативный интерфероны стимулируют эксцизионную репарацию ДНК и, таким образом, защищают генетические структуры культивируемых клеток человека от радиационного и химически индуцированного (4-нитрохинолин-1-оксид) мутагенеза, регистрируемого методом учёта хромосомных аберраций.
Репарагеном является также пара-аминобензойная кислота (предшественник витамина В), оказавшая ингибирующее влияние на мутагенные эффекты нитрозопроизводных мочевины и ряда других мутагенов в экспериментах на E. coli. Дальнейшее изучение показало, что ПАБК снимает мутагенный эффект гипербарической оксигенации, снижает уровень аберраций, индуцированных N-нитрозоэтилмочевиной у мышей одной линии, но достоверно увеличивает количество клеток, повреждённых использованным мутагеном, у мышей другой линии и не влияет на частоту генных мутаций в меланоцитах мышей [Алекперов У.К., 1984].
Анализ литературы показал, что эффективными антимутагенами являются мексамин, активирующий синтез лигаз (ферментов, участвующих в эксцизионной репарации), интерферона, ванилина, хлорида кобальта и других соединений усиливающие процессы репарации повреждений ДНК. Так двухвалентный кобальт, в большом количестве содержащийся в плаценте человека и млекопитающих обуславливает высокую антимутагенную активность экстрактов плаценты.
4. Вещества с антиокислительной активностью.
В современной литературе всё более утверждается мнение о том, что свободно-радикальные механизмы лежат в основе повреждающего действия большинства мутагенов, что делает изучение антимутагенных свойств антиоксидантов весьма перспективным с практической точки зрения. Немаловажно также отметить, что сведения, полученные в ходе фундаментального изучения свободно-радикальных процессов в биологических системах, позволяют проводить направленный поиск фармакологических средств защиты генетических структур на основе изучения свободно-радикальных механизмов индуцированного мутагенеза.
Наиболее хорошо исследованные на сегодняшний день естественные компоненты антиоксидантной защиты: глутатион, аскорбиновая кислота, токоферол, витамин А.
Глутатион в микробиологических тестах продемонстрировал мутагенное действие опосредованное процессами автоокисления и образованием АФК. В эукариотических тест-системах (V79-E клетки) было показано, что L-цистеин в совокупности с глутатионом образует систему, способную трансформировать гидропероксид водорода в гидропероксидный радикал, который и обусловливает наблюдаемый мутагенный эффект.
Витамин С вне связи с другими элементами антирадикальной цепи способен к перехвату супероксидного анион-радикала в водной фазе клетки. Однако в этом случае в качестве промежуточного продукта инактивации супероксидного анион-радикала кислорода возникает ещё более высокореакционный радикал HOO.
Хорошо зарекомендовал себя в качестве “ловушек” свободных радикалов витамин Е. Отмечено, что применение витамина Е у мышей увеличивает продолжительность жизни.
Соединения группы витамина А и его предшественники каротиноиды рассматриваются как важные элементы антиокислительной системы. Они являются ловушками СРК, взаимодействуют с радикалами органических молекул.
Необходимо отметить, что больше всего антиоксидантов содержится в овощах и фруктах. Употребление их значительно снижает угрозу повреждения генетического аппарата клетки [Дурнёв А.Д., Середенин С.Б., 1994].