Toksykologia wykład 14.11.2013

Losy trucizn w organizmie

Całość procesów, określających los substancji obcych w organizmie, nazywamy metabolizmem ksenobiotyków:

• wchłanianie

• rozmieszczenie (dystrybucja)

• wydalanie

• biotransformacja

Wraz z elementami środowiska przedostają się do organizmu substancje obce - ksenobiotyki,

które mogą wywierać działanie szkodliwe

• często tez te substancje są wprowadzane celowo do organizmu jako leki.

• używki

• trucizny

Niezbędnym warunkiem do wystąpienia jakiegokolwiek działania biologicznego w tym także toksycznego jest:

• wchłanianie substancji chemicznej do krwiobiegu

• przedostanie się w dostatecznym stężeniu do odpowiednich tkanek i narządów

• nie zawsze w tkance w której jest największe stężenie trucizny występuje największy efekt : insektycydy polichlorowe (gromadzą się w tkance tłuszczowej)

Wchłanianie:

• efekt toksyczny powstaje wówczas kiedy podajemy truciznę, a trucizna ulega wchłanianiu

• podawanie - to jest wprowadzanie substancji toksycznej do ustroju

1. dożylnie

2. podskórnie

3. dootrzewnowo

4. dotchawiczo

5. dożołądkowo

6. z pożywieniem

Wchłanianie par i gazów,

Mechanizm oparty jest na zjawisku dyfuzji gazów , wydajność określana jest współczynnikiem podziału krew\powietrze, im ten współczynnik wyższy tym bardziej rośnie wydajność wchłaniania.

• Aerozole - wzrost średnicy cząsteczki powoduje, że szybkości dyfuzji maleje, rośnie natomiast grawitacyjna szybkość sedymentacji.

1. Duże ziarna osadzają się w górnych drogach oddechowych , usuwane są dzięki nabłonkowi rzęskowemu (10nm\min)

2. Małe cząsteczki usuwane są bardzo wolno w wyniku fagocytozy (przez makrofagi) i pinocytozy.

• Tkanka płucna zawiera układy mikrosomalne podobnie jak wątroba jednak o niższym poziomie P450 (niższa wydajność procesów biotransformacji)

• zawiera również matalotioneinę - odpowiada za regulację gospodarki cynku i miedzi,

bierze udział w metabolizmie metali ciężkich.

Wchłanianie przez skórę:

• przez przydatki skóry - mieszek włosowy, przewód i gruczoły łojowe - transport

trans-folikularny.

• przez kolejne warstwy naskórka - transport transepitelialny

• czynniki wpływające na szybkość wchłaniania przez skórę :

1. usuwanie lub uszkodzenie warstwy zrogowaciałej naskórka,

2. temperatura,

3. stosowanie rozpuszczalnika

np. DMSO , detergenty , rozpuszczalniki organiczne.

Skóra tak jak wątroba zawiera cytochrom P450- ma duże możliwości metabolizowania ksenobiotyków , mikrosomalne enzymy skóry są indukcyjne, co ma istotne znaczenie w przypadku WWA czy arsenu (nowotwory).

Czynniki ograniczające wchłanianie jelitowe:

• transport przenośnikowy np. wysycenie białka przenośnikowego stanowi barierą powyżej której następuje zahamowanie wchłaniania . W wyniku tego następuje kompetencyjna modyfikacja wchłaniania metali.

Przykłady :

1. epidemiologiczna zależność pomiędzy twardością wody pitnej a wystąpienie chorób sercowo-naczyniowych.

2. wchłanianie kadmu w obecności twardej wody (wapń, magnez) - kompetycyjne hamowanie wchłaniania kadmu przez Ca i Mg.

• obecność indukcyjnego białka (metalotioneina) powoduje,że duża ilość metali (miedz , cynk) w postaci kompleksów są stabilne wewnątrz komórki, (nie dyfundują łatwo przez błonę) pozostają w nabłonku jelitowym, w wyniku złuszczania zastają usunięte takie pierwiastki jak : Cd,Hg,Bi,Ag,Au.

• Jelita ssaków są miejscem bardzo intensywnej działalności metabolicznej a procesy są takie same jakie zachodzą w wątrobie tj. I i II fazy.

• Szczególną rolę w metabolizmie ksenobiotyków pełni flora bakteryjna.

Rozmieszczenie :

• przenikanie - przechodzenie substancji obcych przez błony biologiczne odbywa się w wyniku :

1. dyfuzji przez pory

2. biernej dyfuzji przez błony lipidowo-białkowe

3. transport przenośnikowy

4. pinocytozy

1 i 2 - zgodnie i wyłącznie z gradientem stężeń (w dół stężeń) nie wymaga rozkładu energii oraz chemicznego udziału składników błony lub otoczenia.

Dyfuzja:

• ilościowo proces dyfuzji opisuje prawo Ficka.

Szybkość dyfuzji jest wprost proporcjonalna do wielkości powierzchni błony i różnicy stężeń po obu stronach, a odwrotnie proporcjonalna do grubości błony.

• Decydującymi parametrami jest

• wielkość cząsteczki ,

• konfiguracja przestrzenna

• rozpuszczalność w tłuszczach

(im większy współczynnik podziału tłuszcz woda tym szybciej przechodzą)

Transport czynny:

• zachodzi wbrew gradientowy stężeń po obu stronach błony, przy udziale enzymów klasyfikowanych przez ATP+azy (dostarczyciele energii)

transport wapnia przez błony jelitowe odbywa się z udziałem Calcium Banding Protein

Pinocytoza:

• Zachodzi poprzez tworzenie wpuklenia i wakuolizacji - powstałe wakuole odrywają się od błony zewnętrznej i ulegają trawieniu przez lizosomy.

• znaczenie - w procesach wchłaniania aerozoli w drogach oddechowych, w połączeniu metali z kompleksami białkowymi w przewodzie pokarmowym, oraz odkładanie białkowych kompleksów metali w tkance wątroby i innych tkankach.

Rozmieszczenie substancji w organizmie:

• zależy od :

1. czynników fizjologicznych (stan zdrowia),

2. właściwości fizykochemicznych substancji.

• W początkowej fazie dystrybucji największą role odgrywa pojemność minutowa serca i przepływ krwi przez poszczególne narządy.

• W drugiej fazie w ciągu kilku minut po absorpcji największa ilość substancji dochodzi do serca , wątroby, mózgu , nerek i innych dobrze ukrwionych narządów.

• Przenikanie ksenobiotyków do do mięśni , skóry ............

• Dystrybucję związków lipofilnych ogranicza szybkość przepływu krwi przez dany narząd.

• Rozmieszczenie substancji dobrze rozpuszczalnych w wodzie ogranicza szybkość dyfuzji

• Rozmieszczenie substancji w organizmie jest uwarunkowane powinowactwem do krwi i tkanek.

• Substancje intensywnie wiązane przez białka osocza w mniejszym stopniu przenikają do narządów

• Natomiast substancje o dużym powinowactwie do tkanek występują w osoczu w małym stężeniu.

Transport i wiązanie we krwi :

• substancje obce po pokonaniu bariery nabłonka jelitowego przedostają się do naczyń włosowatych układu żylnego lub naczyń limfatycznych gdzie ulegają wiązaniu:

np. przez krwinki - Hb, CC - karboksyhemoglobina

• Wyższe stężenie w krwinkach czerwonych niż osoczu - wtedy związki te przebywają w organizmie 100 dni.

• Albuminy - duża ilość ksenobiotyków zarówno związki organiczne jak i nieorganiczne

np. barbiturany witamina C

• Globuliny - insektycydy policholorowe, cholesterol, B12, A, D, E, K.

• Kumulacja substancji w tkance tłuszczowej dotyczy głównie substancji lipofilnych tzn. 'parszywa dwunastka' (z neta: aldryna, chlordan, DDT, dieldryna, endryna, furany, heptochlor, heksachlorobenzen, mireks, polichlorowane bifenyle PCB, toksafen)inaczej grupa TZO (trwale zanieczyszczenia organiczne) - DDT, lindan, metoksychlor, dioksyny , PCB

• Współczynnik nagromadzenia - stosunek stężeń substancji w tkance tłuszczowej do jego stężenia w diecie.

Odkładanie substancji w tkance kostnej:

• głównie kolagen i Ca również Mg, Co, Cu, ZN, Mn, Mo , Cr, Fe, rola osteoblastów i osteoklastów (całkowita odnowa kości nawet 20 lat)

Kontrola Ca- parathormon stymuluje resorpcje wapnia

Kalcytonina hamuje resorpcję.

Biotransformacja ksenobiotyków:

- Organizm dysponuje komórkowym systemem enzymatycznym, który zdolny jest do biotransformacji lipidowych związków chemicznych w polarne metabolity, łatwiej rozpuszczalne w wodzie i tym samym usuwalne z organizmu.

• Głównym narządem transformacji jest wątroba, proces ten może też zachodzić w komórkach wielu innych narządów.

reakcje procesu transformacji:

• katalizowane przez enzymy związane z błonami siateczki endoplazmatycznej (SER)

• 2 fazy :

Faza 1 - wprowadzenie grup polarnych lub odłączenie grup alkilowych (w wyniku hydroksylacji, utleniania lub redukcji)

Faza 2 - powstały metabolit lub ksenobiotyk z ugrupowaniem polarnym sprzęga się z kwasem glukuronowym, siarkowym, glutationem , glicyną, serotonina, tauryną, kwasami tłuszczowymi.

Cytochrom P450:

• zespół różnych hemoprotein o podobnej strukturze aminokwasów , katalizujący aktywację tlenu cząsteczkowego i wbudowanie go w strukturę ksenobiotyku lub substancji pochodzenia endogennego.

• określany mianem:

1. mikrosomalnych mono oksygenaz

2. hydroksylaz

3. oksydaz o funkcji mieszanej.

• wiele form izoenzymów , różnią się min. masą cząsteczkowa i substratowa specyficzność narządowa zależna jest od płaci i wieku.

• powstawanie jego kodowane jest przez wiele genów

• hydroksylacja - zwykle zwiększa rozpuszczalność i ułatwia wydalanie , może również zwiększać toksyczność np. dla aflatoksyny B1.

• utlenianie - główna rola, może również prowadzić do aktywacji związków nietoksycznych w wysoce reaktywne metabolity.

• możliwość powstania w trakcji reakcji wolnych rodników tlenowych - martwica, nowotwory.

• Benzopiren, policykliczne węglowodory aromatyczne, aminy aromatyczne, aflatoksyny posiadają właściwości mutagenne dopiero po oksydacyjnych przemianach z udziałem mikrosomalnych mono-oksygenaz.

• w metabolizmie 1 fazy uczestniczą inne enzymy np. dehydrogenaza alkoholowa i aldehydowa

Reakcje 2 fazy:

• sprzęganie z kw glukuronowych , siarkowym, glutationem , aminokwasami, lizyna, tauryna, kwasami tłuszczowymi.

• metylacja

• acetylacja

• glikozylacja

• tworzenie adduktów z mocznikiem

• wiązanie do polipeptydów.

1. W wyniku połączenia polarnego metabolitów lub ksenobiotyków z kwasem glukuronowym powstają glukuronidy - eliminowane do zoli i jelit.

2. Z kwasem siarkowym - katalizowane przez sulfotransferazy - zwiększa rozpuszczalność ksenobiotyków w wodzie.

3. Metylacja - udział biorą metylotransferazy o rożnej specyficzności substratowej.

4. Acetylacja - enzymy zlokalizowane w cytozolu, o różnej swoistości substratowej, występują w wątrobie, płucach, nerkach, jelitach, (aminy aromatyczne i alifatyczne, sulfonamidy)

5. Połączenia z glutationem - transferazy glutationowe zlokalizowane w cytozolu i frakcji mikrosomalnej, może powodować zmniejszenie lub zwiększenie toksyczności, nie zawsze prowadzi do utworzenia kwasów merkapturowych.

6. Sprzęganie z aminokwasami - głównie z glicyną, także z glutaminą, omityną, seryną, tauryną, lizyną, produkty wydalane z moczem i dobrze rozpuszczalne w wodzie.

Jedną z właściwości układu monooksygenaz cytochromu P450 jest częsta zmienność aktywności pod wpływem różnych substratów: wyróżniamy induktory i inhibitory.

Typ barbiturany powodują: - proliferacje siateczki szorstkiej (SER) - zwiększenie masy wątroby - zwiększenie fosfolipidów i białka mikrosomalnego (barbital, DDT, PCB)

Węglowodory Przekształcenie ksenobiotyku w reaktywne intermedianty mogące iniciowac: - mutagenezę - chemiczną kancerogenezę- reakcje immunotoksyczne - inne formy toksyczności chemicznej (3-metylocholan, benzapiren, WWA, TCDD)

---