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:
- Priamy toxický účinok – poškodenie až odumretie buniek určitého orgánu,
- Biochemický účinok – napr. inhibícia enzýmu (enzýmov),
- Imunotoxický účinok – zníženie imunity alebo hypersenzitivita (alergické reakcie),
- Mutagénny účinok – dochádza k zmene genetickej informácie vedúcej k zmene vlastností nasledovných generácií,
- Karcinogénny účinok – zmena genetickej informácie vyvolávajúca neotransformáciu buniek,
- 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
- dráždivý účinok – dochádza k podráždeniu alebo poškodeniu sliznice očí, dýchacích ciest, zažívacieho aparátu alebo kože - kyseliny, luhy, látky s oxidačným účinkom, organické rozpúšťadla.
- 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:
- 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).
- 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
- Tráviaci systém – perorálny – absorpcia na rôznom stupni GIT (ústna dutina, žalúdok, tenké črevo, hrubé črevo, konečník), hlavne lipofilné látky,
- Pľúca – inhalácia xenobiotík vo forme plynu, pary, aerosólu, prachu, (otravy napr. CO, fosgén, chlór, yperit), dobre rozpustné vo vode (sliznica – alveolykrv),
- 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
- Pasívna difúzia
- 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