I.S.I.S. Giulio Natta 5 C LST A.S. 2013/14 1

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1 A cura di: Balsamo Melissa 1

2 PREMESSA Ho scelto come argomento della mia tesina la mutagenesi ambientale, perché approfondendo i miei studi sulla biologia, ho ritenuto particolarmente interessante la scienza che indaga le conseguenze dell inquinamento ambientale sull uomo. Durante la mia ricerca ho constatato che l avidità di potere e di ricchezza delle persone ha superato qualsiasi limite, anche quello di arricchirsi a discapito della salute. Ho trovato molti dati allarmanti riguardo questo problema, per esempio, secondo le stime di Paolo Crosignani, epidemiologo dell Istituto dei tumori di Milano, nel capoluogo lombardo, dei circa 900 tumori al polmone all anno, più di 200 sono da attribuire alle polveri generate dal traffico e dai riscaldamenti. Il rapporto più allarmante è stato presentato l anno scorso dall Ufficio ambientale dell Organizzazione mondiale della sanità di Roma, che nelle 13 città più grandi d Italia circa 8 mila morti all anno sono causati dagli effetti cronici dell inquinamento atmosferico, di cui una parte non irrilevante viene giocata dai tumori ai polmoni (750 casi all anno), alle vie respiratorie e leucemie da benzene e linfomi. Proprio per questi elementi ho deciso di focalizzare parte delle mie indagini sulle conseguenze dell inquinamento ambientale sull uomo, tema non trattato adeguatamente dai mass media. Tramite la mia tesina voglio spiegare il concetto di mutagenesi ambientale, da quando è nata e di cosa si occupa; inoltre vorrei mettere in evidenza come i primi segnali di mutagenesi si siano sviluppati nella Prima Guerra Mondiale. Infine esplicherò le cause e le conseguenze dell inquinamento ambientale sul DNA e in generale sul corpo umano. 2

3 INDICE CAPITOLO 1: NASCITA E STORIA DELLA MUTAGENESI AMBIENTALE CAPITOLO 2: TRACCE DELLA MUTAGENESI NELLA PRIMA GUERRA MONDIALE CAPITOLO 3: IL DNA E LE MUTAZIONI CAPITOLO 4: LE CAUSE DELLE MUTAZIONI INDOTTE CAPITOLO 5: LE CAUSE DELLE MUTAZIONI SPONTANEE CAPITOLO 6: LE CONSEGUENZE SUL CORPO UMANO CAPITOLO 7: TESTIMONIANZE CONCRETE DELLA MUTAGENESI CONCLUSIONE SITOGRAFIA E BIBLIOGRAFIA 3

4 NASCITA E STORIA DELLA MUTAGENESI AMBIENTALE La mutagenesi ambientale nasce all inizio del 1900 con la scoperta della genetica moderna. Attualmente la si può trovare in diversi ambiti scientifici quali: Medicina, Ecologia, Chimica e Fisica. Tale disciplina si occupa di meccanismi molecolari e biochimici responsabili di mutazioni spontanee nel DNA che sono prodotte da agenti chimici o fisici. Le conseguenze mutagene di questi agenti erano già state ipotizzate alla fine dell'ottocento grazie a Thomas Hunt Morgan ed in seguito avvalorate da numerosi esperimenti fatti sul moscerino della frutta Drosophila melanogaster. In seguito al riconoscimento di un numero crescente di sostanze mutagene si resero sempre più necessari provvedimenti per il controllo di queste sostanze. Un contributo importante per lo sviluppo di questa scienza è dato da Charlotte Auerbach. Lei iniziò i suoi studi con la mutagenesi chimica per poi approdare a quella ambientale. Nel 1914, anno di inizio della prima guerra mondiale, i farmacologi individuarono una strana somiglianza tra le ustioni prodotte dalle radiazioni X e dal gas mostarda (meglio noto come solfuro di dicloroetile). Per spiegare le ustioni provocate dai raggi X si giunse alla conclusione che questi influenzassero la mitosi e quindi che potesse condurre a lesioni cromosomiche. Da qui si ipotizzò che le conseguenze sull uomo del gas asfissiante fossero dovute dalle stesse cause dei raggi X. La Auerbach, sfruttando questa ipotesi, decise di attuare un esperimento: somministrò un induzione di alleli letali recessivi in una Drosophila ottenendo una mutazione compresa tra il 7% e il 24%. Da qui poté concludere che le mutazioni prodotte da agenti chimici erano principalmente indotte su organismi pluricellulari, aventi più di un patrimonio genetico, mentre quelle indotte dalle radiazioni ionizzanti erano whole-body (tutto il corpo). Inoltre le mutazioni puntiformi e cromosomiche si manifestarono in percentuali differenti: dopo il trattamento chimico la percentuale di mutazioni indotte fu altissima rispetto al trattamento con radizioni ionizzanti. Nel del 1973 il batteriologo Bruce Ames utilizzò Salmonella typhimurium come base di un esame, che consisteva nel misurare quantitativamente le capacità mutagene delle sostanze chimiche. Il test venne denominato con il nome del suo scopritore ed emerse un importante coincidenza: spesso, le sostanze dotate di capacità mutagene sono anche quelle note per le loro capacità cancerogene. Da qui si fondò la base per lo studio sui tumori. 4

5 TRACCE DELLA MUTAGENESI NELLA PRIMA GUERRA MONDIALE La Prima Guerra mondiale iniziò il 28 giugno 1914 a Sarajevo a causa dello studente Serbo-Bosniaco Gavrillo Princip, che uccise l arciduca Francesco Ferdinando, erede al trono. Tutt ora non sono chiare le responsabilità serbe riguardanti l assassinio, ma la risposta austriaca arrivò prontamente. Il 23 luglio 1914 l Austria inviò alla Serbia una nota di proteste che prevedeva: La fine della propaganda antiaustriaca L arresto dei sospettati Partecipazione dei propri poliziotti alle indagini. Nonostante la Serbia accettò le richieste austriache, il 28 luglio 1914 la guerra fu inevitabile; a causa di ciò molte potenze europee si schierarono con le proprie fazioni stabilitesi precedentemente. In particolare il 30 luglio la Russia, protettrice serba ordinò la mobilitazione generale attuata in seguito anche dalla Germania e dall Austria-Ungheria. Il 1 agosto la Russia dichiarò guerra agli imperi centrali, mentre il 3 agosto la Germania dichiarò guerra alla Francia. Il 4 agosto fu la volta della Gran Bretagna che entrò in guerra a fianco della Francia e della Russia.Gli schieramenti furono così segnati: da una parte la Triplice Alleanza formata da: Germania, impero Austro-Ungarico ed Italia, dall altra la Triplice Intesa costituita da: Francia, Gran Bretagna e Russia. I fronti di combattimento furono principalmente due: quello occidentale che vedeva i tedeschi contro i francesi ed inglesi ed in seguito nel 1917 anche gli americani; quello orientale che vedeva gli imperi centrali contro Russia e Serbia. La guerra iniziò sulla zona occidentale dove la Germania per evitare di combattere su due fronti diversi, attaccò la Francia approfittando della lentezza russa. Il piano di Schlieffen, capo di stato maggiore tedesco, prevedeva il passaggio dell esercito dagli Stati neutrali Belgio e Lussemburgo, violando il diritto internazionale. Una volta stabilitosi la linea militare, questa prevedeva 800 chilometri di trincee, dalla Manica alla Svizzera, trasformandosi in una guerra di logoramento. Anche sul fronte orientale l iniziativa fu tedesca, registrando due vittorie sull esercito russo; a loro volta i russi ebbero la meglio sugli austriaci in Galizia. Dopo molte offensive su ogni fronte, fino alla fine del 1916, nessuno dei due schieramenti in campo aveva ottenuto vittorie decisive. 5

6 Oltre alle nazioni sopra citate, nel 1914 entrò in guerra il Giappone a fianco dell Intesa, mentre a sostegno della Triplice Alleanza accorse l impero Ottomano. Solo nel 1915 l Italia prese parte al conflitto, schierandosi a fianco di Francia e Inghilterra, poiché il 26 aprile 1915 firmò il trattato di Londra che sanciva l impegno ad entrare in guerra nell arco di un mese; nel caso di vittoria della guerra, da parte della Triplice Intesa, sarebbero stati ceduti: Trentino Alto Adige, Trieste, Istria (ad eccezione di Fiume), Dalmazia, Valonia (Albania) e le isole del Dodecaneso. Contemporaneamente con l Italia si schierò anche la Bulgaria al fianco della Russia. Infine nel 1917 accorsero altri alleati dell Intesa: USA, Grecia e Cina. Il Giappone condusse una guerra indipendentemente dalle altre. Infatti occupò alcune isole del Pacifico già di dominio tedesco e la concessione cinese (aree della Cina in cui erano presenti degli insediamenti delle principali potenze). Durante il periodo della Grande Guerra si poté individuare un numero di morti molto elevato; infatti tra il 1914 ed il 1918 i decessi risultarono essere circa 9 milioni, con circa 40 milioni i feriti. I simboli della morte di massa sono diversi: le trincee furono scavate nel fango e vennero recintate con il filo spinato. I soldati erano costretti a conviverci fino al raggiungimento dell obiettivo militare, implicando delle condizioni di sopravvivenza estreme, portatrici dell esasperazione psicologica e fisica. Un altro simbolo fu l efficienza tecnologica delle armi: l artiglieria aveva il potenziale distruttivo più alto. Infine con lo sviluppo della chimica, vennero introdotte nuove armi come gli esplosivi ad alto potenziale ed i gas tossici. Con l introduzione di queste nuove armi chimiche si individuarono delle mutazioni genetiche sull uomo. Il 22 aprile 1915, sul fronte occidentale, i tedeschi utilizzarono un gas tossico, in particolare il solfuro di dicloroetile. Questo gas è oggi noto con il nome di gas mostarda o iprite, dalla località colpita per prima, Ypres. Queste armi chimiche provocano una morte lenta e dolorosa, oppure gravi mutilazioni, come la cecità. Durante la Prima Guerra Mondiale furono sintetizzati moltissimi altri gas tossici contenenti cloro, quali il fosgene e il difosgene (1915, dai tedeschi), il cloroacetone (1916, dagli alleati), la cloropicrina e le cloroarsine (1917, dai tedeschi). In particolare furono utilizzati 4 categorie di gas: i lacrimogeni, gli starnutenti, gli irritanti dell`apparato respiratorio e gli ulceranti. 6

7 LACRIMOGENI Benzil bromide: tedesco; primo uso marzo 1915; Bromacetone: usato da alleati e austriaci; moderatamente persistente; asfissiante in concentrazione elevata; introdotto nel 1916; Dibromoetiletilchetone: usato da tedeschi e austriaci; letale se concentrato; introdotto nel 1916 Etiliodoacetato: britannico; alta persistenza; gli effetti terminano fuori dall'area contaminata; introdotto nel 1916; Monobromoetiletilchetone: tedesco e austriaco; potentissimo; moderatamente persistente; asfissiante in concentrazione elevata; introdotto nel 1916; Xililbromuro: tedesco; potente; introdotto nel STARNUTENTI Difenilcloroarsina: tedesco; consisteva in una polvere finissima capace di penetrare le maschere antigas, dispersa tramite proiettili di artiglieria; in concentrazione provocava conati di vomito e potenti mal di testa; noto come "Croce Blu", introdotto nel 1917; Difenilcianoarsina: tedesco; potentissimo; identiche caratteristiche rispetto al precedente, che sostituì all'interno dei proiettili "Croce Blu"; Etildicloroarsina: tedesco; noto come "Croce Gialla I" e più tardi come "Croce Verde III", introdotto nel marzo IRRITANTI DELL APPARATO RESPIRATORIO Arsenicotricloruro: Alleato; miscela basata sul cianogeno; immediatamente mortale se concentrato, altrimenti incapacitante; causa vertigini, malditesta, dolori polmonari, ma nessun effetto permanente; disperso tramite proiettili d'artiglieria; introdotto nel 1916; Clorina: usato sia da alleati che dai tedeschi; irrorato tramite bombole; con l'umidità formava acido cloridrico; causava vomito e se concetrato poteva provocare la morte per spasmi della laringe; introdotto nel 1915; Cloroformio: Alleato; miscela basata sul cianogeno; immediatamente mortale se concentrato, altrimenti incapacitante; causa vertigini, mal di testa, dolori polmonari, ma nessun effetto permanente; disperso tramite proiettili d'artiglieria; introdotto nel 1916; Cloromethil cloroformato: impiegato da alleati e tedeschi; disperso da proiettili di artiglieria; introdotto nel 1915; 7

8 Cloropicrin: usato sia da alleati che da tedeschi; potentissimo; utilizzabile sia tramite bombole che tramite proiettili, ma in particolare con questi ultimi in congiunzione con altri gas; noto come "Croce Verde I", introdotto nel 1916; Cloruro di stagno: austriaco; miscela basata sul cianogeno; immediatamente mortale se concentrato, altrimenti incapacitante; causa vertigini, malditesta, dolori polmonari, ma nessun effetto permanente; introdotto nel 1916; Diclorometiletere: tedesco; introdotto nel 1918; Idrogeno cianuro: Alleato; miscela basata sul cianogeno; immediatamente mortale se concentrato, altrimenti incapacitante; causa vertigini, mal di testa, dolori polmonari, ma nessun effetto permanente; disperso tramite proiettili d'artiglieria; introdotto nel 1916; Fosgene (carbonil cloruro): usato da alleati e tedeschi; potentissimo; pericoloso in particolare per i suoi effetti ritardati che causavano una morte improvvisa anche 48 ore dopo l'esposizione e spesso la vittima non realizzava neppure di essere stata sottoposta al gas; irrorato da bombole in congiunzione con la Chlorine e da proiettili d'artiglieria da sola; introdotta nel 1915; Cloruro di stannio: Alleato; miscela basata sul cianogeno; immediatamente mortale se concentrato, altrimenti incapacitante; causa vertigini, mal di testa, dolori polmonari, ma nessun effetto permanente; disperso tramite proiettili d'artiglieria; introdotto nel 1916; Triclorometilcloroformato (difosgene): alleato e tedesco; stessi effetti del fosgene; disperso da proiettili d'artiglieria di solito in combinazione con altri gas; introdotto nel ULCERANTI Diclorometilsolfuro (gas mostarda o iprite): usato da alleati, tedeschi e austriaci; noto anche come "Croce Gialla"; uno dei gas più efficaci, benché ufficialmente i suoi effetti non venissero considerati letali; provoca vesciche e ustioni sulla pelle, anche attraverso i vestiti, causando cecità (normalmente temporanea) e se inalato la morte, bruciando l'apparato respiratorio; diffuso tramite proiettili d'artiglieria; persisteva anche diversi giorni in ideali condizioni climatiche; introdotto nel Sono giunte a noi delle testimonianze scritte riguardo gli orrori che accaddero durante la Grande Guerra. Un esempio è dato da Giuseppe Ungaretti che scrisse Veglia, appartenente alla silloge L Allegria, composta da due strofe irregolari formate da versi liberi. 8

9 Cima Quattro il 23 dicembre 1915 Un'intera nottata buttato vicino a un compagno massacrato con la sua bocca digrignata volta al plenilunio con la congestione delle sue mani penetrata nel mio silenzio ho scritto lettere piene d'amore Non sono mai stato tanto attaccato alla vita Un altra toccante testimonianza è fornita dal poeta inglese Wilfred Owen, attraverso la poesia Dulce et Decorum Est. Bent double, like old beggars under sacks, Knock-kneed, coughing like hags, we cursed through sludge, Till on the haunting flares we turned our backs And towards our distant rest began to trudge. Men marched asleep. Many had lost their boots But limped on, blood-shod. All went lame; all blind; Drunk with fatigue; deaf even to the hoots Of tired, outstripped Five-Nines that dropped behind. Gas! Gas! Quick, boys! An ecstasy of fumbling, Fitting the clumsy helmets just in time; But someone still was yelling out and stumbling And flound ring like a man in fire or lime... Dim, through the misty panes and thick green light, As under a green sea, I saw him drowning. In all my dreams, before my helpless sight, He plunges at me, guttering, choking, drowning. If in some smothering dreams you too could pace Behind the wagon that we flung him in, And watch the white eyes writhing in his face, His hanging face, like a devil s sick of sin; If you could hear, at every jolt, the blood Come gargling from the froth-corrupted lungs, 9

10 IL DNA E LE MUTAZIONI Obscene as cancer, bitter as the cud Of vile, incurable sores on innocent tongues, My friend, you would not tell with such high zest To children ardent for some desperate glory, The old Lie: Dulce et decorum est Pro patria mori. Le cellule sono in grado di sintetizzare proteine solo se dispongono di precise informazioni. Queste informazioni sono codificate dagli acidi nucleici e servono per individuare la corretta sequenza di amminoacidi nelle proteine da sintetizzare. Negli organismi sono presenti due diversi acidi nucleici: l acido ribonucleico (RNA) e l acido deossiribonucleico (DNA); quest ultimo insieme alle proteine compongono il cromosoma eucariote. L RNA è formato dallo zucchero ribosio, mentre il DNA dal deossiribosio. Entrambi si formano mediante reazioni di condensazione che conferisce loro la proprietà di esser lineari. Gli acidi nucleici sono formati da lunghe catene di nucleotidi, che a loro volta sono formati da un gruppo fosfato, uno zucchero a cinque atomi di carbonio ed una base azotata. Il gruppo fosfato (PO 4 3- ) è uno ione dell acido fosforico con proprietà acide. Lo zucchero può essere un monosaccaride del ribosio o il deossiribosio, al quale manca un atomo di ossigeno. La base azotata quindi contiene azoto ed ha proprietà basiche. Esistono 5 diverse basi azotate: adenina (A), guanina (G), citosina (C), uracile (U), timina (T). Esistono due tipi di basi azotate: le purine (formate da una struttura a due anelli) e le pirimidine, ad un solo anello. Della prima fanno parte adenina (A) e guanina (G), mentre della seconda fanno parte la citosina (C) e la timina (T). Timina ed adenina sono complementari tra loro: si possono legare mediante un doppio legame idrogeno, mentre guanina e citosina sono a loro volta correlati mediante tre legami idrogeno. Inoltre ogni base azotata forma un legame covalente con la molecola di zucchero nel tratto di montante adiacente ad esso. Una tripletta di basi azotate forma un codone : ognuno di questi codifica per un determinato amminoacido, che è l unità fondamentale di una proteina. Il DNA è formato da due filamenti di nucleotidi avvolti a spirale portatori del messaggio genetico. Le informazioni sono organizzate in geni e vengono ereditate dai genitori. 10

11 I nucleosomi sono le unità fondamentali di condensazione della cromatina e sono formati da un unità di DNA e da 8 istoni, che sono proteine specifiche. In aggiunta i nucleosomi si strutturano in polinucleosomi. Essi si condensano ulteriormente in nucleofilamenti, che si associano in anse su una struttura polisaccaridica, detta Scaffold, che costituisce proprio lo scheletro del cromosoma. Le mutazioni Nel 1901 Hugo de Vries fu il primo ad introdurre il termine mutazione genetica, definendola come variazioni di carattere di un organismo. Nel 1927 il termine mutazione cambiò significato e venne inteso come modifica stabile ed ereditabile nella sequenza nucleotidica di un genoma o più generalmente di materiale genetico (sia DNA che RNA) dovuta ad agenti esterni o al caso, ma non alla ricombinazione genetica. Esistono diversi tipi di mutazioni: geniche (o puntiformi), cromosomiche (comprendono la mutazione del numero di cromosomi o la mutazione di struttura) e genomiche. Inoltre possono essere classificate in vari modi in base: all origine, al tipo di cellule colpite, agli effetti e alla dimensione della regione colpita. GENICHE o PUNTIFORMI Una mutazione genica è una mutazione che altera un singolo gene del corpo umano. Può essere suddivisa in: sostituzione SILENTE o STESSO-SENSO: questa mutazione è causata dal logoramento del codice. Essa avviene quando la sostituzione di un singolo nucleotide provoca la sostituzione di una tripletta con un altra diversa, ma che codifica per lo stesso amminoacido. MIS-SENSO: avviene a causa della degenerazione del codice, quando si ha la sostituzione di una tripletta con un altra codificante per una amminoacido diverso. NON-SENSO: quando una tripletta che codifica per un amminoacido viene sostituita con una sequenza di stop. Comporta la perdita di uno o più amminoacidi della proteina matura. Questo tipo di modifica può non avere effetti sul fenotipo, ma l accumulo di mutazioni in siti specifici possono determinare l evento canceroso. 11

12 Inserzione Le inserzioni comportano l aggiunta di nucleotidi ad un certo livello della sequenza del DNA. Se l inserzione avviene tra basi che fanno parte di triplette codificanti del gene (quelle che poi saranno tradotte in amminoacidi), si possono avere due diverse conseguenze: una prende il nome di frameshift, cioè lo slittamento delle basi nel sistema di lettura per l inserzione di una o più basi all interno della sequenza nucleotidica. L altra conseguenza si verifica quando viene inserita una base all interno della sequenza nucleotidica e questa permette la codifica di un amminoacido più lungo. Inversione Si ha quando una regione del DNA appartenente ad un gene si stacca e si reinserisce in maniera inversa e produce dei gravi effetti fenotipici. CROMOSOMICHE Questa mutazione colpisce la struttura dei cromosomi sovvertendola per regioni di DNA più o meno ampie. Può essere suddivisa in: Delezione La perdita di un segmento cromosomico implica la perdita di tutte le informazioni presenti sulla parte deleta del DNA. Inversione Rottura e reinserimento in una parte errata di un segmento di cromosoma. Questo può portare alla formazioni di gameti anormali (durante il crossing-over). Può causare una selezione prenatale del feto (aborto, malformazioni). Inserzione Inserzione di un frammento cromosomico all interno di un altro cromosoma. Duplicazione Indica la presenza di un segmento cromosomico duplicato, implicando la copia dei geni presenti sul quella frazione. 12

13 Traslocazione Trasferimento di un segmento cromosomico su un altro cromosoma. Se la traslocazione avviene da un cromosoma ad un altro, allora è detta traslocazione non reciproca, mentre è detta reciproca se avviene lo scambio tra due cromosomi non omologhi. GENOMICHE Questa mutazione avviene quando non si rispetta la corretta distribuzione numerica dei cromosomi durante la meiosi o la mitosi o durante la fase iniziale dello sviluppo dell individuo. Può essere suddivisa in: Poliploida quando il numero di cromosomi è un multiplo del numero aploide (23 nell uomo) comporta l aberrazione letale nell uomo. Aneuploida il numero di cromosomi è diverso dal numero aploide. 13

14 LE CAUSE DELLE MUTAZIONI INDOTTE Gli agenti mutageni che causano mutazioni indotte, possono essere suddivisi in: agenti fisici, come le radiazioni (raggi X o raggi UV) e agenti chimici, che sono analoghi delle basi azotate, gli agenti modificanti delle basi o gli agenti intercalanti. I mutageni fisici sono costituiti dalle radiazioni, che possono alterare la configurazione elettronica degli atomi, che costituiscono il DNA. I mutageni chimici, invece, presentano delle elevate affinità con le basi azotate, alle quali si legano e compromettono il corretto appaiamento delle eliche di DNA. MUTAGENI CHIMICI Gli agenti mutageni chimici agiscono in maniera differente: quelli analoghi alle basi azotate sostituiscono fisicamente le basi durante la replicazione del DNA, in seguito cambiano conformazione in modo da modificare le loro proprietà di accoppiamento. Gli agenti che modificano le basi attuano cambiamenti chimici alterando le proprietà di accoppiamento. Entrambi gli agenti danno origine a sostituzione. Le mutazioni frameshift sono provocate dagli agenti intercalanti, che vengono inseriti tra le basi durante la replicazione. Le conseguenze possono essere l inserzione o la delezione delle singole coppie di basi. Gli agenti chimici e le mutazioni del DNA indotte da essi possono essere una conseguenza dell azione dell inquinamento chimico dell uomo. 14

15 L inquinamento chimico può derivare da diversi fattori ambientali, quali l incendio di foreste o boschi, ma la maggior parte della contaminazione dell ambiente deriva dall attività umana. Aria: i processi di combustione, in particolare i combustibili fossili, materiale organico ed inorganico, rappresentano le principali fonti di inquinamento. Le emissioni più importanti derivano dalle fabbriche, impianti di riscaldamento domestico ed inceneritori. Nell aria vengono immessi principalmente Benzeni, idrocarburi policiclici aromatici (IPA) ed i loro nitroderivati. Questi costituisono i principali agenti genotossici. Acqua: l inquinamento con possibile attività mutagena/cancerogena è spesso correlata alle acque superficiali, inquinante dai reflussi industriali. Le acque profonde invece spesso mostrano la presenza di insetticidi e concimazione organica ed inorganica. Inoltre è stata dimostrata l eventuale presenza di sottoprodotti genotossici dati dall interazione tra disinfettanti e basi di cloro. Suolo: la contaminazione del suolo è causata dall acqua proveniente da corsi già precedentemente inquinati e dall utilizzo di compost o ammendanti contenenti mutageni del metabolismo. Inoltre vengono usati composti chimici come atrazina e i suoi derivati quali erbicidi, anticrittogamici e i cardammati, composti organo-stannici e insetticidi quali il DDT o idrocarburi alogenati. Ambiente confinato: è meno studiato rispetto all ambiente esterno, ma hanno lo stesso un notevole peso sugli effetti umani: in particolare i piani abitativi più vicini al suolo nonché le strade ad alto traffico. Un esempio sono i materiali utilizzati per la tinteggiatura di pareti o il fumo sprigionato dalla cottura di determinati cibi, il fumo da sigarette, comporta l emissione di agenti mutageni come gli IPA (idrocarburi policiclici aromatici). Alimentazione: alcuni mutageni ambientali naturali sono prodotti dalle piante per autodifesa. Questi risultano essere dannosi per l uomo sia per le linee somatiche che germinali. Sono stati individuati potenti mutageni nel latte, nei muschi e nelle leguminose. Additivi alimentari e processo di cottura: sono quattro i gruppi importanti portatori delle sostanze cancerogene. 1. I composti N-nitroso: sono i più potenti agenti mutageni presenti nel campo alimentare (almeno su esperimenti basati su animali). Questi vengono usati per la conservazione dei cibi e l uomo tutt ora risulta essere meno esposto a questi agenti. 15

16 2. IPA: gli idrocarburi policiclici aromatici vengono prodotti quando un cibo, in particolare la carne, è a contatto con una fiamma libera. Questo scaturisce una reazione di pirolisi dei grassi formando questi composti. Inoltre questi composti sono presenti su una grande quantità di verdura, causato dall inquinamento atmosferico e dall affumicatura di carne e pesce. 3. Ammine eterocicliche AEC: questi mutageni sono causati dai diversi metodi di cottura della carne. Quando viene riscaldata i precursori dell AEC migrano verso la superficie generando reazioni di condensazione e ciclizzazione. 4. Il quarto gruppo riguarda agenti aromatizzanti, coloranti e spezie che possono esser presenti in molti cibi. Circa il 15% di queste sostanze sembrano essere mutageni a causa della formazione di radicali liberi. Altre sostanze invece sono risultate essere inibitori della cancerogenesi come la salsa di soia fermentata, la salsa wasabi o la curcumina dietetica. Esistono nei composti aromatici inibitori e promotori della funzione cancerogena delle cellule a tal punto da risultare difficile la corretta classificazione. Metalli pesanti: a causa dell inquinamento ambientale vengono rilasciati nell aria alcuni metalli pesanti nocivi per l uomo. Di questi metalli fanno parte: arsenico, cromo, nichel e cadmio. Questi in particolare sono la causa del cancro occupazionale insieme al cobalto e composti inorganici del piombo. È noto come questi metalli possano interferire direttamente o indirettamente con i processi di ricombinazione omologa oppure inibendo il processo di riparazione del DNA. A livello genomico invece, la genotossicità del Cr si manifesta come mutazione genica o come lesioni del DNA, mentre dal punto di vista cellulare può portare all arresto del normale ciclo cellulare, apoptosi e/o trasformazione neoplastica. Fumo di tabacco: la composizione chimica del fumo dipende da molti fattori come il tipo di filtro, la composizione del tabacco e la tipologia di sigarette. Quando viene fumato del tabacco vengono introdotte all interno dell organismo sostanze mutagene individuabili tramite l analisi delle urine e del sangue. Queste sostanze ( nitrosammine, idrazina, acido cianidrico, formaldeide, IPA) possono oltre che provocare il cancro, possono introdursi nelle pareti cellulari degli organi sessuali aumentando la possibilità di riscontrare nella prole malformazioni o morte perinatale. 16

17 MUTAGENI FISICI Le radiazioni si dividono in onde elettromagnetiche (caratterizzate da un campo elettrico e che in un dato punto variano ciclicamente) ed in onde corpuscolari (dalla definizione di energia quantistica, dove le onde sono formate da particelle dette fotoni). Per far avvenire un interazione tra radiazioni e materia, quest ultima deve assorbire la sua energia tramite un meccanismo di eccitazione o ionizzazione. Il primo avviene solo quando il valore della radiazione è minore di 12 ev (radiazione non ionizzante). Il meccanismo di eccitazione degli elettroni consiste nel somministrare energia tale a tal punto da far transitare da un livello energetico ad un altro elettrone. È un processo reversibile e non provoca alcun cambiamento di stabilità al nucleo. La ionizzazione avviene solo quando l energia supera i 12 ev di potenza. Questo processo consiste nel somministrare un valore tale di energia da causare la perdita di uno o più elettroni, detti anche elettroni primari. Gli elettroni strappati se dotati di energia, tale da poter ionizzare gli atomi adiacenti, danno luogo ad una ionizzazione secondaria. Le radiazioni ionizzanti possono interagire direttamente o indirettamente con la materia. La prima consiste nella ionizzazione degli atomi del DNA, prima causa principale di conseguenze dannose, per esempio: le radiazioni α e β. 17

18 L azione indiretta consiste nell interazione tra radiazioni ed altro materiale biologico che non hanno a che fare col DNA. Tramite l emissione di elettroni secondari, si potrebbe determinare la ionizzazione del materiale ereditario modificandolo. Le radiazioni ionizzanti (con una lunghezza d onda compresa tra 10-8 e in poi) comprendono la luce ultravioletta (raggi UV), i raggi gamma ed infine la radiazione secondaria di quota. Esse penetrano all interno dei tessuti con una notevole profondità. Durante il loro percorso collidono con altri atomi, provocando il rilascio degli elettroni, implicando la formazione di ioni positivi. Questo processo viene ripetuto per ogni atomo che incontra la radiazione durante il suo percorso, formando così un cono di ioni attraverso il tessuto vivente. Le radiazioni ionizzanti possono provocare rotture cromosomiche e quindi ri-arrangiamenti cromosomici o mutazioni puntiformi. I raggi UV inducono la formazione di dimeri di timina adiacenti del DNA modificandone la conformazione a elica. Questa distorsione è possibile ripararla mediante fotoreattivazione e escissione. LE CAUSE DELLE MUTAZIONI SPONTANEE Nell uomo la mutazione spontanea può assumere diversi significati a seconda che si consideri una cellula della linea somatica o germinale. Le prime cellule si moltiplicano esclusivamente per mitosi e compongono il soma del corpo, quindi dando vita ai tessuti dell organismo. Esse sono destinate ad invecchiare ed a morire, al contrario delle cellule germinali, che hanno il compito di attuare tutti i processi di riproduzione cellulare. Linea somatica: il rischio di accumulare mutazioni aumenta con l invecchiamento della cellula, anche se le mutazioni non hanno effetti sull individuo in quanto possono insorgere sui genomi non codificanti. Se insorgessero a livello di cellule importanti e portassero alla morte della cellula, risulterebbe la morte di una singola cellula all interno dell organismo e quindi privo di importanza patologica. Nel momento in cui però la cellula ha proprietà neoplastiche, dato che il processo di cancerosi nasce dall accumulo di mutazioni in geni specifici, si avrà la formazione di un tumore maligno. Questo evento può richiedere anche diversi anni per manifestarsi e la probabilità di manifestare un tumore insorge con l avanzamento dell età dell individuo. Linea germinale: l insorgenza di mutazioni geniche nella linea germinale è correlata con l età dei genitori, in particolare dall età del padre. Con l avanzare degli anni avviene un processo di degrado negli spermatozoi, aumentando la probabilità che a fecondare un ovulo sia uno spermatozoo non sano. L età materna entra in gioco durante le mutazioni cromosomiche. Con il passare del tempo c è più probabilità che 18

19 l ovulo possa contenere un cromosoma X in più o in meno generando mutazioni dei gameti. Una parte delle mutazioni spontanee può esser attribuita a delle cause esogene (presenza di agenti mutageni nell ambiente), mentre la restante parte può essere attribuita a fattori endogeni correlati a processi fisico-chimico. Cause chimiche: può succedere che durante la replicazione possano insorgere mutazioni dovute alla tautomerizzazione delle basi. Queste si possono trovare con ri-arrangiamenti di protoni ed elettroni. Questo è dovuto allo spostamento di atomi di idrogeno o doppi legami che possono portare ad appaiamenti errati, causa di mutazioni. Esistono alterazioni spontanee nelle basi: depurinazione, depirimidinazione e deamminazione. Le molecole d acqua danno idrolisi dei legami glicosidici del DNA originando siti abasici AP (apurinici o apirimidinici). Nelle cellule metabolicamente attive la forma del DNA è quella completamente idratata, quindi aumentan il rischio che vada in contro o a depurinazione o a depirimidinazione. La deamminazione invece consiste nel cambiamento nucleotidico del DNA. Questo porta l errato appaiamento: avendo una coppia G:C T:A si originano per processo di deamminazione rispettivamente ipoxantina, xantina e uracile. Dato che l uracile è soggetto ad enzimi di riparazione (uracilglicosilasi) non desta preoccupazioni per mutazioni varie, mentre la deamminazione della 5-metilcitosina porta a transizioni durante la replicazione, generando appaiamenti sbagliati C T. Altri errori possono presentarsi nella sintesi o nella replicazione del DNA sempre dovuti ad appaiamenti errati di basi non individuati e non riparati, oppure durante la metabolizzazione di amminoacidi o zuccheri che possono dar vita ad agenti mutageni endogeni. 19

20 CONSEGUENZE SUL CORPO UMANO Le conseguenze degli agenti mutageni sono indipendenti dal metabolismo o dalla complessità cellulare dell organismo esposto. Per quanto riguarda le conseguenze, invece, non è possibile distinguere con sicurezza la loro natura. Mutageni fisici L interazione tra cellula e radiazione può avvenire solo se quest ultima colpisce la cellula. I cambiamenti biologici avvenuti per causa fisica si manifestano solo dopo un certo periodo di latenza (periodo di tempo che può variare da ore ad anni). Un esempio è il cancro indotto: si manifesta quando le radiazioni colpiscono la linea germinale (adibite alla riproduzione di cellule) manifestando il cancro nelle generazioni successive. I fattori che possono essere messi in relazione sono vari, per esempio il tipo di radiazione o il tipo di cellule e la velocità con cui queste si dividono. Gli effetti sul materiale biologico sono stati individuati sia a livello molecolare (DNA, mrna) sia a livello cellulare intaccando le membrane, il citoplasma e il nucleo. Si distinguono due tipi di effetti a seconda che le radiazioni inducano eccitazione elettronica o ionizzazione. I raggi UV appartengono al primo gruppo (lunghezza d onda (λ)= 260nm), che portano una dimerizzazione delle due timine adiacenti sullo stesso filamento di DNA provocando la formazione di legami covalenti o anelli di ciclo butano. Le radiazioni ionizzanti appartengono alla seconda categoria, queste provocano il distacco o l eliminazione di basi azotate con la conseguente formazione di siti apirimidinici o apurinici attraverso reazioni con radicali liberi. Nelle cellule batteriche, se questo errore non fosse modificato porterebbe alla morte dell organismo, mentre negli organismi superiori come i mammiferi porterebbe alla mutazione genica nel DNA. Esistono altri tipi di lesioni del DNA indotte da agenti fisici quali: a singolo filamento (SSB), a doppio filamento (DSB) e legami incrociati. Le prime avvengono in seguito alle rotture a singolo filamento causate dall idrolisi del legame fosfodiesterico e all eliminazione di un gruppo fosfato attraverso una reazione radicalica (OH ). Il DNA subisce un numero di lesioni SSB pari alla quantità di radiazione somministrata. La rottura DBS è la più letale in quanto causa morte cellulare, aberrazioni cromosomiche ed infine il cancro; inoltre il suo meccanismo di riparazione risulta essere molto complesso. Queste lesioni si possono verificare sia per azione diretta che indiretta delle radiazioni. Come citato in precedenza il DNA subisce un numero di lesione pari alla quantità di radiazione somministrata, quindi raddoppiando la 20

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