Toxikológia živočíchov

Obsah

Mechanizmus toxikóz

Mechanizmy toxického účinku

  • Pôsobenie xenobiotík na organizmus sa môže prejaviť celou škálou rozmanitých symptómov: od ľahkej nevoľnosti, podráždenie a poruchy trávenia, poruchy CNS až smrť.
  • Podľa prejavu (manifestácie) rozdeľujeme toxický účinok:
    1. Priamy toxický účinok – poškodenie až odumretie buniek určitého orgánu,
    2. Biochemický účinok – napr. inhibícia enzýmu (enzýmov),
    3. Imunotoxický účinok – zníženie imunity alebo hypersenzitivita (alergické reakcie),
    4. Mutagénny účinok – dochádza k zmene genetickej informácie vedúcej k zmene vlastností nasledovných generácií,
    5. Karcinogénny účinok – zmena genetickej informácie vyvolávajúca neotransformáciu buniek,
    6. Teratogénny účinok – poškodenie plodu, narodenie defektných jedincov

Priamy toxický účinok

  • Niektoré xenobiotiká pôsobia priamo na bunky tkanív
  • Najčastejšie sa jedná o bunky pečene, obličiek, pľúc, pankreasu
  1. dráždivý účinok – dochádza k podráždeniu alebo poškodeniu sliznice očí, dýchacích ciest, zažívacieho aparátu alebo kože - kyseliny, luhy, látky s oxidačným účinkom, organické rozpúšťadla.
  2. narkotický účinok – spôsobujú látky, ktoré brzdia prenos nervového vzruchu a tým potláčajú aktivitu CNS, napr. alkoholy, HCCl3, CCl4, benzén, toluén.

Biochemický účinok

  • Väzbou xenobiotík na funkčné skupiny enzýmov (-SH, -NH2) dochádza k inaktivácii enzýmov, prestáva byť katalyzátorom ale stáva sa inhibítorom reakcií,
  • inhibícia enzýmov napr.: v blokovaní prenosu O2 krvou a to dvoma spôsobmi:
    1. toxická látka je na hemoglobín (Hb) viazaná účinnejšie ako O2 - napr. pri otrave oxidom uhoľnatým CO-CO je účinnejšie viazaný na Hb, vzniká pevnejšia väzba (CO- Hb) ako (O2-Hb). Liečba takejto formy otravy si vyžaduje zmenu parciálneho tlaku O2. Počas liečby takejto formy otravy je potrebné zvýšiť parciálny tlak O2 v krvi a tým vytlačiť CO (hyperbarická komora).
    2. oxidácia Hb - toxická látka zoxiduje Hb na methemoglobín alebo hemiglobín, ktorý je neschopný prenášať kyslík.
      • spôsobujú napr. dusitany, chlorečnany, metabolity anilínu alebo nitrobenzénu.
      • liečbou takýchto otráv sa musí vzniknutý hemiglobín zredukovať späť na Hb.

Imunotoxický účinok

  • Úloha imunitného systému je rozpoznať v organizme cudzorodú látku a pokúsiť sa ju eliminovať (odstrániť). Cudzorodá látka – antigén (Ag)
  • Niektoré xenobiotiká môžu imunitné reakcie pozmeniť:
    • imunosupresia - napr. benzén, polycyklické aromatické uhľovodíky, PCB, ozón
    • hypersenzitivitu IS napr. akryláty,

Mutagénny účinok

  • Pôsobením xenobiotika dôjde k zmene štruktúry niektorých báz NK
  • takto pozmenená báza nie je schopná vytvoriť príslušný pár. Dôjde k zmene kódovanej a prenášanej informácie - mutácia
  • Benzopyrén, PAH, benzén, aromatické amíny, As, Cd, Ni

Karcinogénny účinok

  • Mutácia DNA alebo RNA, ktorá sa prejaví malígnym bujnením tkaniva (vznik nádorov),
  • Mutagenita nie je nutnou podmienkou karcinogenity,
  • vyvolávajú látky nemutagénne - poškodenie reparačných mechanizmov NK
  • Karcinogenitu môžu vyvolať napr. azbest, amínozlúčeniny, vinylchlorid, polyaromatické zlúčeniny, aromatické nitrozlúčeniny, heteroaromatické nitrozlúčeniny.

Teratogénny účinok

  • Xenobiotiká poškodzujúce embryo alebo plod dávkami, ktoré sú pre matku netoxické
  • teratogénne látky – vyvolávajú ťažkú deformáciu mláďat (farmakum THALIDOMID sedatívum)
  • skrátené končatiny, malformácie vnútorných orgánov, a pod.
  • Povinnosť testovania všetkých liečiv na teratogenitu

Toxikokinetika

  • Študuje rýchlosť a mechanizmus účinku toxických látok na živý organizmus za rôznych podmienok
  • Skúma osud toxickej látky organizme po celú dobu prítomnosti v organizme
  • Charakterizuje priebeh:
    • absorpcie
    • distribúcie
    • biotransformácie
    • exkréciu

Absorpcia

  • Absorpcia – vstup xenobiotika do organizmu
    1. Tráviaci systém – perorálny – absorpcia na rôznom stupni GIT (ústna dutina, žalúdok, tenké črevo, hrubé črevo, konečník), hlavne lipofilné látky,
    2. Pľúca – inhalácia xenobiotík vo forme plynu, pary, aerosólu, prachu, (otravy napr. CO, fosgén, chlór, yperit), dobre rozpustné vo vode (sliznica – alveolykrv),
    3. Koža (druhová individualita, vlhkosť kože, teplota, vek) – u ľudí nervové plyny CCl4 , insekticídy a pod., účinok lokálny (podráždenie pokožky) až systémový (vstrebanie látky do krvi),

Distribúcia

  • Distribúcia - dynamické rozdelenie xenobiotík do jednotlivých buniek, tkanív a orgánov
    1. Pasívna difúzia
    2. Špeciálny transport
  • Závislá od lipofility xenobiotika (lipofilné dobre prechádzajú b. membránou a hromadia sa v orgánoch s vysokým zastúpení tukov), napr. DDT alebo PCB (depot - riziko počas rapídneho chudnutia prestup do krvi - otrava)
  • Pb, F, Sr a iné sa ukladajú v kostiach.

Biotransformácia

  • Biotransformácia = metabolické premeny xenobiotík
    • Niektoré xenobiotiká sú eliminované bez premeny
    • Väčšina látok podlieha chemickým premenám (biotransformácia, metabolické premeny) – biokatalyzátory - enzýmy
  • premena na menej toxickú látku – detoxikácia
  • premena na toxickejšiu látku - metabolická aktivácia (kyselina dusitá, alkylačné látky)

Biotransformácia

  • Reakcie I. fázy
    • Oxidácia
    • Redukcia
    • Hydrolýza
  • Reakcie II. Fázy
    • Konjugácia (s kys. glukurónovou, GSH, kys. sírovou)
    • Metylácia
    • Acetylácia

Exkrécia

Vylúčenie toxickej látky alebo ich metabolitov:

  • močom – podmienka ich rozpustnosť vo vode
  • výkalmi – cudzorodá látka z pečene cez žlč do čriev (vysokomolekulárne látky napr. tetracyklínové antibiotiká)
  • vydychovaným vzduchom – látky ktoré sa neabsorbujú v dýchacom systéme
  • potom - veľmi nepríjemné (napr. thioly, kyselina maslová)
  • materským mliekom – hlavne toxické látky rozpustné v tukoch (DDT, PCB)

Štruktúra xenobiotík a ich metabolizmus

  • Pasívne procesy metabolizmu xenobiotík: absorpcia a distribúcia závislá od lipofility a veľkosti molekúl
  • Aktívny metabolizmus xenobiotík závislí od molekulovej štruktúry, geometrických a elektrochemických vlastností
  • Väzba xenobiotík na transportné systémy a biotransformačné enzýmy závisí od lipofility, distribúcii elektrónov, a ionizácie
  • Enzýmová katalýza je závislá od elektrochemických vlastností, konfigurácie a konformácie xenobiotika

Štruktúra xenobiotík a ich metabolizmus

  • Metabolizmus xenobiotika odvodený od metabolizmu chirálnych látok
  • Chirálne objekty nie sú totožné zo svojím zrkadlovým obrazom, nemajú stred ani rovinu symetrie,
  • Enantiomérne zlúčeniny obsahujú jedno chirálne centrum v dvoch formách, ktoré sú vzájomne zrkadlovité obrazy,
  • Stereoselektivita: enzým (molekula) uprednostňuje k interakcii jeden z enantiomérov viac než druhý
  • Stereošpecificita: pokiaľ je v procese biotransformácie tvorený vo väčšej miere jeden enantiomer než druhý

Základné biotransformačné reakcie xenobiotík

  • 1 fáza - konverzia - do štruktúry xenobiotika sú vnesené alebo odkryté funkčné skupiny,
  • 2 fáza – konjugácia – xenobiotikum alebo konverziou vzniknutý metabolit reaguje s endogénnou zlúčeninou
  • 3 fáza – transport xenobiotika a jeho metabolitov,

Prvá fáza biotransformácie

Oxidácia

  • Hydroxylácia – xenobiotiká s alifatickým reťazcom alebo aromatickým kruhom
  • Dealkylácia xenobiotiká obsahujúce alkoxy- a alkyl-thiolovú skupinu
  • Oxidačná deaminácia
  • Amín ketón amoniak
  • Oxidačná dehalogenácia – odstránenie halogénu
  • N-oxidácia – amínov, amidov, imínov, hydrazínov, a heterocyklických zlúčenín
  • S-oxidácia – vznikajú sulfoxidy a sulfóny
  • Oxidácia alkoholov

Alkohol - aldehyd -karboxylové kyseliny

  • Oxidácia aldehydov
  • Redukcie
  • Redukcia nitrozlúčenín, azozlúčenín – nitrozlúčeniny sa redukujú na amíny resp. z azozlúčenín vznikajú amíny
  • Redukcia N-oxidov a S-oxidov – vznik amínov a sulfidov
  • Redukcia karbonylových zlúčenín a chinónov
  • Hydrolýza
  • estery, epoxidy, amidy, hydrazidy a karbamáty – špecifické hydrolázy

Enzýmy oxidujúce xenobiotiká

  • Enzýmy 1. fázy biotransformácie
  • Cytochróm P450 (CYP)
  • hemoproteíny, 35 izoforiem z nich 18 je schopná metabolizovať xenobiotiká
  • najviac sa nachádza v bunkách pečene, pľúc, obličiek, prakticky vo všetkých
  • Flavínové monooxigenázy (FMO)
  • obsahujú jednu molekulu koenzýmu FAD
  • membránové proteíny na HER
  • v bunkách pečene

Cytochrómové enzýmy

  • Cytochróm P4503A4
  • HER, mikrozómy
  • Pečeň, GIT, obličky, pľúca
  • Substráty: aflatoxíny, cyklosporíny, ergotamín, erytromycín, ethynylestradiol, kokain, kodein, lidokain, methadon, taxol, verapamil
  • Inhibítory: makrolidové ATB, ketokonazol, lovastatín, chinín, grapefruitový džús
  • Induktory: barbituráty, rifampicín, dexamethason, karbamezepín

Ostatné oxidázy

  • Flavínové monooxigenázy (FMO)
    • 5 izoforiem
    • Substráty: organické zlúčeniny obsahujúce N, S, P, Se, (amíny, thioly, sulfidy, selenidy), napr.: nikotín, thiobenzamid, efedrín, forat
  • Peroxidázy
  • nadrodina hemoproteínov,
  • intracelulárne enzýmové antioxidanty
  • Gltationperoxidáza (GPx), myeloperoxidáza (MPO),
  • Substráty: PAH, fenoly, katecholy, thioly
  • Alkoholdehydrogenázy (ADH)
    • metaloproteíny (obsahujúce Zn)
    • v cytosóle hepatálnych buniek,
    • Substrát: etanol, (vznik aldehydov a ketónov)
  • Monoaminooxidázy (MAO, DAO)
    • MAO membrána mitochondrií (pečeň, obličky, mozog), DAO cytozolové
    • oxidačná deaminácia biogénnych amínov (histamín, Ach, 5-HT a pod.)

Enzýmy redukujúce xenobiotiká

  • Aldo-ketoreduktázy (AKR)
  • cytozol väčšiny buniek (tkanivové izoformy)
  • substráty: akrolein, daunorubicin, doxorubicín, oracín, dolasetron
  • Dehydrogenázy/reduktázy s krátkym reťazcom (SDR)
  • cytozol, HER
  • substráty: menadion, oracin, metyrapon, warfarín, acetohexamid

Hydrolázy xenobiotík

  • Esterázy
  • Acetylcholínesteráza – tetramér, ukončuje aktivitu acetylcholínu
  • Pseudocholinesteráza – širšia substrátová selektivita, hydrolyzuje Ach, Bch, sukcinylcholín, ale aj necholínové ako prokain, aspirin, atropín,
  • Karboxyesterázy – hydrolyzujú acylkarnitín, aromatické estery

Konjugačné enzýmy

  • Katalyzujú tzv. druhú fázu biotransormácie xenobiotík (metabolitov)
  • Enzýmy cytosólové alebo mikrozomálne - pečeň
  • Glukuronidácia
  • Konjugácia s kyselinou glukurónovou – hlavná konjugačná reakcia xenobiotík
  • Kofaktorom glukuronácie je UDP-glukurónová kyselina (UDP-GA)
  • UDP-glukuronozyltransferáza – HER, orgánové izoformy
  • Eobiotické (EOB) substráty: bilirubín, steroidné hormóny
  • Xenobiotické (XEB) substráty: alkohol, fenoly, thioly, amíny, amidy (paracetamol, kodein, morfín, diklofenak, ketoprofén, ibuprofén atď.)
  • Konjugácia s glutatiónom (GSH)
  • GSH – glutamát, cysteín, glycín
  • Thiolová skupina cysteínu predá slabé nukleofilné vlastnosti vďaka, ktorým GSH je schopná vytvárať konjugáty s xenobiotikami resp. s ich metabolitmi,
  • Katalyzovaná s glutathion-S-transferázami (GST) – cytosól, mitochondrie, peroxizómy, HER,
  • Orgánové izoformy
  • Eobiotické substráty: steroidy, prostaglandíny, leukotreíny
  • Xenobiotické substráty: epoxidy, nitrozlúčeniny, nenasýtené alifatické uhľovodíky (paracetamol, morfín, cyklofosfamid, atď.)
  • Sulfonácia (sulfatácia)
  • zdroj síranu najčastejšie cysteín
  • katalyzovaná sulfotransfeázami (SULT)
  • cytosólový enzým
  • Orgánové izoformy (3-4)
  • Eobiotické substráty: katecholamíny, steroidy, thyroidné hormóny,
  • Xenobiotické substráty: fenoly, alkoholy, amíny (paracetamol, chloramfenikol, salicilamid, PAH, atď.)
  • Konjugácia s aminokyselinami
  • nutnosť zastúpenia karboxylovej skupiny (EUB aj XEN)
  • najčastejšia konjugácia glycínom, taurínom a glutamínom
  • katalyzovaná acetyl-CoA-syntetázy
  • Lokalizácia – mitochondrie, mikrozómy
  • Orgány – pečeň, črevá, obličky
  • EOB – žlčové kyseliny
  • XEB – benzoová kyselina, acetylsalicylová kyselina, nesteroidné antiflogistiká
  • Acetylácia
  • prebieha len v metabolitoch ktoré vznikli v dealkyláciou v I. fáze biotransformácie
  • Acetylkoenzým A → enzým → acetyl sa prenesie na cysteínový zvyšok → koenzým A sa odbúra až v druhom kroku sa na acetylový zvyšok naviaže XEB a acetyl je prenesený z enzýmu na NH2- skupinu XEB
  • katalyzovaná N-acetyltransferázou (NAT)
  • dve izoformy, cytosól, väčšina tkanív (pečeň, črevá)
  • XEB: amíny, hydrazíny (aminosalicylová kyselina, isoniazid, PAH)
  • Metylácia
  • Metylová skupiny naviazaná cez O, S, N
  • O-metylácia - fenolycké látky (katecholy)
  • S-metylácia - thioly
  • N-metylácia – dusíkaté heterocyklické zlúčeniny
  • katalyzované metyltransferázami (MT)
  • 5 (a viac) izoforiem, pečeň, črevá, mozog, Er,
  • EOB: katecholamíny, estrogény, NK, proteíny
  • XEB: fenoly, thioly, amíny (nikotín, theofylín, azathioprin atď.)

Exkrécia

  • Glukuronidy sú vylučované močom (s nižšou Mr) alebo žlčou(Mr>350)
  • GSH konjugáty vylučované žlčou alebo premenené na merkapturové kyseliny vylučované močom
  • Konjugáty s AMK – žlčou, močom