WYKŁAD 3

Mechanizmy działania trucizn

1. Receptorowe

-Agonista,

-antagonista,

-„cichy receptor” (tk. Tłuszcowa-magazynuje np. insektycydy; białka krwi- chłoną chrom; tk. Kostna- magazynuje ołów; w pewnych warunkach substancje te ulegaja uwolnieniu dając objawy zatrucia)

Receptor- struktura zdolna do przyłączania ligandu i indukowania określonych reakcji biochemicznych; mogą je stanowić zarówno wyspecjalizowane struktury błonowe i wewnątrz jądrowe (receptor jądrowy dla glikokortykosteroidów) a także centrum aktywne enzymów, białka regulatorowe i transportowe, kwasy nukleinowe.

Teoria receptorowa (Erlicha)

Efekt biologiczny jest wynikiem fiz. - chem. oddziaływania trucizn, a struktury zdolne do oddziaływania z określonymi grupami czynnymi ksenobiotyku nazwano receptorami.

Receptory posiadają zdolność do wiązania się z substancjami endogennymi (ligandami wewnętrznymi) i substancjami dostającymi się do organizmu z zewnątrz (ligandy zewnętrzne). Reagując z receptorem ligandy zewnętrzne mogą go pobudzać - działają agonistycznie:

receptor + agonista = efekt stymulujący

lub blokują go działając antagonistycznie:

receptor + antagonista = zablokowanie,.konkurencja.

Clark stworzył hipotezę okupacyjną receptorowego działania trucizn. Zgodnie z nią efekt działania jest wprost proporcjonalny do liczby utworzonych połączeń związek - receptor przy założeniu, że wszystkie receptory posiadają takie same powinowactwo do analizowanego ksenobiotyku. Liczba połączeń zależna będzie od liczby receptorów i stężenia działającego ksenobiotyku. Maksymalny efekt osiągniemy, gdy wszystkie receptory zastaną wysycone przez związek. Rozwinięciem tej hipotezy była hipoteza dynamiczna, wg. Której efekt biologiczny nie zależy od ilości a od szybkości połączeń związek - receptor, a podstawowym wykładnikiem siły działania biologicznego w tej hipotezie jest liczba połączeń z receptorem przypadająca na jednostkę czasu.

Mechanizmy receptorowego działania trucizn tłumaczy hipoteza molekularnej perturbacji - powstanie połączenia ksenobiotyk - receptor prowadzi do zmian energii spinowej i elektronowej cząstek co z kolei powoduje zmianę ukształtowania samego receptora i jego energii.

Głównym założeniem receptorowej teorii działania trucizn jest to, iż nasilenie efektu jest proporcjonalne do ilości związku w miejscu receptorowym i szybkości połączeń w jakie ta substancja wchodzi z receptorem. W chwili ustalenia się równowagi kinetycznej szybkość tworzenia się połączeń jest równa szybkości ich rozpadu, a efekt biologiczny zależy od stężenia związku w tkance.

Część substancji chemicznej tworzy kompleksy o różnej trwałości z pewnymi elementami organizmu, czasami nie wyzwalając efektu. Są to „ciche receptory” lub miejsca strat. Tą rolę odgrywa tkanka tłuszczowa gromadząca polichlorowane pestycydy, tkanka kostna i ołów, białka krwi i chrom.

Ciche receptory ograniczają czynną pulę ksenobiotyków. Pełnią funkcję ochronną lub prowadzą do wtórnego zatrucia.

Ksenobiotyk może łączyć się z receptorem nieodwracalnie. Takie działanie wykazują nie substancje macierzyste, ale ich metabolity. Przykładem jest wiązenie metabolitów iperytu azotowego ze składnikami komórek: kwasy nukleinowe, lipidy, enzymy. Podobnie działają aktywne metabolity chloroacetofenonu lub czterochlorku węgla.

2. Pozareceptorowe (fizykochemiczne)

Rozpuszczalność, współczynnik podziału lipidy / woda, aktywność powierzchniowa, stan jonizacji cząsteczki, właściwości elektrochemiczne

Ksenobiotyki o małej reaktywności mają ograniczone działanie biologiczne, a ich działanie zależy od właściwości fiz. - chem.: rozpuszczalność, współczynnik podziału lipidy / woda, aktywność powierzchniowa, właściwości elektrochemiczne.

Interakcje wewnątrzustrojowe idą w trzech kierunkach:

• Narażenia integralności i funkcji błon komórkowych i błon organelli komórkowych (mitochondria, lizosomy)

• W kierunku ograniczenia procesów energetycznych komórki

• Działanie ogólnoustrojowe (wykazuja je głównie substancje bardzo litofilne)

Wiele związków chemicznych wywiera działanie na:

• Zw.cynoorganiczne - hamują transport jonów przez kanały sodowe błon aksonów wywołując paraliż mięśni

• CCl₄ - narusza ciągłość błon lizosomów, uwalnia enzymy w nich zawarte do przestrzeni międzykomórkowej i prowadzi do samostrawienia błon komórek sąsiadujących

• Związki methemoglobinotwórcze (np. anilina, azotany) - utleniają atom Fe w hemie ograniczając dopływ tlenu do tkanek

• Cyjanki, siarkowodór, azydki - blokują oksydazę cytochromową upośledzając wykorzystanie tlenu w komórce

• Nitrofenole - rozprzęgając fosforylację oksydatywną hamują utlenianie węglowodorów i powstawanie ATP

• Wziewne środki znieczulenia ogólnego - depresyjne działanie na OUN, po wchłonięciu gromadzą się w lipidach komórek proporcjonalnie do wartości ich współczynników podziału lipidy / woda. Przyczyną tego działania jest zmiana płynności błon komórkowych.

• Fluorooctany, kwizyt - przerywa łańcuch utleniania kwasów karboksylowych, powoduje powstawanie bloku metabolicznego prowadzącego do śmierci organizmu.

• DDT - zmienia szybkość repolaryzacji błon komórkowych co stanowi podstawę oddziaływania neurotoksycznego.

• Specjalne

„stres oksydacyjny”

zaburzenie homeostazy wapnia

Stres oksydacyjny - związki o określonych właściwościach fiz. - chem. wnikając do organizmu tworzą cząsteczki o charakterze elektrofilowym (np. wolne rodniki, które reagując z nukleofilowymi składnikami komórki prowadzą do jej destrukcji).

W organizmie powstają wolne rodniki: jon ponadtlenkowy (0°), jon hydroksylowy (OH°), alkilorodniki nadtlenkowe. Wszystkie one mają niesparowany elektron w cząsteczce i dużą aktywność utleniającą.

W reakcjach ze strukturami lipidowymi i białkami błon komórkowych zapoczątkowując kaskadowo przebiegające reakcje peroksydacji lipidów tworząc rodniki nadtlenkowe i hydroksylowe lipidów - działają destrukcyjnie na samą komórkę (głownie na DNA oraz błony-komórkową, lizosomalną, mitochondrialną; powodują zmiany mutagenne i rakotwórcze oraz śmierć komórki).

Poprzez mechanizm wolnorodnikowy działają kadm, ołów, herbicydy .dwupirydyliowe(parakwat), aromatyczne dwusiarczki, składniki smogu, dymu tytoniowego, barwniki azowe.

Homeostaza wapnia - naruszenie gospodarki wapnia, a głównie nagromadzenie się jonów wapniowych w komórkach, prowadzi do ich śmierci. Destrukcyjny wpływ jonów Ca na komórki wynika z ich funkcji jako II przekaźnika. Następuje nadmierne pobudzenie aktywności enzymów: fosfolipazy, proteazy, endonukleazy. Enzymy te pełnią funkcje ochronne błon komórkowych w procesie peroksydacji lipidów. W efekcie końcowym obserwujemy skutki cytostatyczne. Na drodze takiego mechanizmu działają węglowodory chlorowane, nitrofenole, dioksyny, chinony, nadtlenki, aldehydy.

Poniższe uszkodzenia narządów są końcowym skutkiem działania ksenobiotyków:

Działanie:

• hepatotoksyczne

• nefrotoksyczne

• kardiotoksyczne

• teratogenne

• embriotoksyczne







Mechanizmy działania toksycznego:

1. Zahamowanie aktywności enzymów:

• RNA polimeraza - amanityna

• ALA syntetaza - ołów

• Ach esteraza - związki fosforoorganiczne

• 2, 3 - epoksydowa reduktaza wit. K - warfaryna

• Hamowanie szlaków metabolicznych

• glikoliza, cykl Krebsa, odsydatywna fosforylacja (hamują - CO, -H₂S, - CN)

• glukoneogeneza - etanol

3. Uszkodzenie komórki

• tworzenie wolnych rodników - parakwat,dikwat, CCl₄

4. Wiązanie z receptorami

• jako agonista

• jako antagonista




Substancje mutagenne:

Powodują powstawanie nowotworów, zaburzenia immunologiczne i hematologiczne, mutacje zarówno w obrębie komórek somatycznych i rozrodczych.

• kwas azotowy

• barwniki akrydynowe

• aminofenole

• kolchicyna

• iperyt azotowy

• analogi zasad purynowych i pirymidynowych (6-merkaptopuryna, bromouracyl)

• modyfikatory komórkowe: estrogeny

• immunosupresanty

• pojęcie karcenogenu, prokarcenogenu (jony Br⁺⁶), biokarcenogenu (jon alkiloamoniowy, jony Cr⁺³),

• Promotor (zwiększa proliferację np. estry karbolu, węglowodory chlorowcopochodne)

• Mechanizmy:

• genotoksyczny- subst. uszkadzające DNA, działające bezpośrednio- np. czynniki alkilujące

• epigenetyczne- nieuszkadzające DNA, promotory, fenol, kwasy żółciowe, kwas nitrylotiooctowy)

• różne- kadm, N-nitrozamina, aflatoksyny

Czynniki warunkujące toksyczność:

I.

właściwości fiz. - chem. substancji toksycznej

1. rozpuszczalność

2. zdolność do dysocjacji

3. temperatura wrzenia i parowania

4. wielość cząsteczek (rozdrobnienie)

5. budowa chemiczna związku (rodzaje wiązań, długość łańcucha, izomeria, występowanie grup funkcyjnych)

6. cechy organoleptyczne (mogą pomóc w identyfikacji toksyny-np. mogdałowy zapach związków cyjanowych)

7. litofilność/hydrofilność-współczynnik podziału olej/woda

Rozpuszczalność

Im szybciej substancja rozpuszcza się tym szybciej występują objawy zatrucia, a substancja nierozpuszczalna nie ma działania toksycznego.

Przykłady: (

• sole Ba (chlorek, węglan) są silnymi truciznami, siarczan i siarczek Ba są trudno rozpuszczalne i nie stanowią zagrożenia.

• Sublimat HgCl₂ - łatwo rozpuszcza się w wodzie, ma silniejsze działanie niż trudno rozpuszczalny kalomel (Hg₂Cl₂)

Na rozpuszczalność ma wpływ pokarm w przewodzie pokarmowym:

• napoje alkoholowe

ułatwiają wchłanianie związków, także ostre przyprawy i ocet poprzez przekrwienie błon śluzowych ułatwiają wchłanianie

• obfita ilość pokarmów i płynów rozcieńcza truciznę - działanie osłaniające lub wiążące - białko, śluzy, garbniki

• substancje nierozpuszczalne i niewchłaniające się z przewodu pokarmowego nie SA toksyczne !

Lipofilowość/hydrofilowość

Podział woda/olej- drogi oddechowe, podział olej/woda-skóra; w zależności od drogi eliminacji zwiększenie rozp. W wodzie lub tłuszczach przyspiesza eliminacje toksyny.

Zdolność do dysocjacji

Nie zjonizowane formy trucizn rozpuszczają się w lipidach błon komórkowych, przenikają do tkanek, wywołują określone działanie.

-zależnie od pH zmienia się wydalanie substancji np. alkalizacja moczu pięciokrotnie zwiększa wydalanie aspiryny, gdyż jest kwasowa i w tym środowisku ulega dysocjacji.

Temperatura wrzenia i parowania

Benzen i jego homologi (toluen, ksylen).

Benzen jako trucizna przemysłowa ma niską temp. wrzenia - szybko przechodzi w stan pary i wywołuje zatrucie szybciej niż jego homologi.

-rtęć metaliczna nie wchłania się, więc jest nie toksyczna; bardzo toksyczne są pary rtęci.

Wpływ rozdrobnienia przy substancji trudno rozpuszczalnych

• zatrucia szarą maścią zawierającą rozdrobnioną rtęć metaliczną

• tlenek cynku - powoduje gorączkę odlewników przy topieniu tego metalu

• toksyczne gazy i aerozole:

• substancje >5μm docierają tylko w górne drogi oddechowe (nos, gardło) i odkrztuszamy je- sa nie toksyczne

• substancje 1-5μm docierają do oskrzeli i pęcherzyków płucnych i są bardzo toksyczne

Budowa chemiczna

Obecność w cząsteczce związków alifatycznych wiązania nienasyconego wpływa na wzrost jego reaktywności, hydrofilności, toksyczności. Wiązanie nienasycone wywiera działanie utleniające ważnych dla organizmu grup SH, ułatwia wchłanianie związku przez płuca i powoduje jego działanie narkoyczne.

Długość łańcucha - związki alifatyczne po zwiększeniu liczby atomów węgla w łańcuchu oraz rozbudowie jego rozgałęzień są bardziej toksyczne.

Izomeria położenia:

Związki aromatyczne o ugrupowaniu:

• para - toksyczne

• orto - mniej toksyczne

• meta - rzadko toksyczne

Stereozomeria- izomeria optyczna

• L - izomery są bardzo toksyczne dla ludzi (bardziej toksyczne niż D - izomery). Wykorzystuje się to zjawisko w przemyśle farmaceutycznym - forma D jest bardziej toksyczna dla bakterii niż L. L-nikotyna jest 40krotnie toksyczniej sza niż D-nikotyna, L-adrenalia jest bardziej toksyczna niż D-adrenalina

• Izomery trans są bardziej toksyczne niż cis.

• Substancje alifatyczne nierozgałęzione są bardziej toksyczne np. alkohol N-butylowy jest bardziej tox. Niż alkohol izobutylowy

Grupy funkcyjne

1. podstawniki zmniejszające lub znoszące toksyczność związku:

• diazowa

• karboksylowa np. kwas benzoesowy jest mniej tox. niż benzen

• sulfonowa

• tiolowa

• etoksylowa

• metoksylowi

2. grupy zwiększające toksyczność:

• *nitrowa

• *nitrozowa

• *amoniowa

• *aminowa

• *są methemoglobinotwórcze

• cyjankowa np. amigdalina łatwo rozkłada się do aldehydu benzoesowego i cyjanowodoru i jest bardzo tox., natomiast cyjanokobalamina (Wit. B₁₂) nie jest tox. bo grupa cyjanowa trudno się uwalnia.

• pierwiastki: F, J Br, Cl, N np. kwas trichlorooctowy bardziej tox. niż HCl

3. grupy obniżające lub zwiększające toksyczność w zależności od rodzaju związku, którym występują:

• OH (w zw. alifatycznych wzrost grup -OH zmniejsza tox. np. kolejno propanol-> 1,2 propanodiol -> 1,2,3 propanotriol (gliceryna najmniej tox.)

• CH₃ (w związkach pierścieniowych zwiększa działanie narkotyczne np. kolejno benzen-> toluen-> ksylen (najbardziej tox.)

• Grupa OH przy benzenie zwiększa toksyczność

• Grupa OH w związkach alifatycznych - wzrost liczby grup obniża toksyczność

• Etanol, metanol są bardzo toksyczne

• Glikole są mniej toksyczne

• Wiązania podwójne- zwiększają tox. bo są bardziej reaktywne np. kolejno etan-> etylen-> acetylen (najb. Tox.) mogą utleniac grupy tlenowe

Organoleptyczne cechy:

Smak, zapach, barwa: cyjanowodór-zapach gorzkich mogdałow, siarkowodór- zapach zgniłych jaj, podrażnienie nerwów npwęchowych, łzawienie oczu

*substancje zwodnicz- kwas γmasłowy, flunitrazepam- bezbarwne, bezzapachowe

II.

Czynniki bioligiczne.

1. Czynniki genetyczne

Niedobór dehydrogenazy glukozo - 6 - fosforanowej częściej występuje u rasy czarnej. Niedobór powoduje obniżenie odporności organizmu na działanie trucizn hemolitycznych.

Obniżenie aktywności transferazy glukuronowej - ludzie mają trudności z wytworzeniem glukuronidu bilirubiny. Powstaje wówczas żółtaczka. Występuje brak zdolności tworzenia glukuronidów takich substancji jak salicylany. Pojawia się nadwrażliwość na związki, które w procesie detoksykacji wymagają sprzęgania z kwasem glukuonowym (np. alkohole, fenole, bilirubina).

Deficyt białek (choroba Wilsona związana z niedoborem ceruloplazminy - bardziej wrażliwi na działanie wanadu albo niedobór α₁ antytrypsyny - następuje obniżenie oporności na działanie proteolityczne trypsyny skierowane do tkanki płucnej; większa wrażliwość na działanie trucizn oddechowych).

Anomalie ze strony cząsteczki białek (anomalie w budowie hemoglobin, osoby z genetycznie uwarunkowaną anemią sierpowatą lub talasemią będą wrażliwe na działanie benzenu i ołowiu).

• Spadek ilości N-acetylotransferazy powoduje wzrost tox. izoniazydu

2. Czynniki fizjologiczne

Wiek osobnika (odmienną reaktywność mają małe dzieci i osoby starsze). Wpływ ma na to ilość tk. Tłuszczowej, stan skóry i błon śluzowych, rozwój układy immunologicznego, stan narządów. U dzieci związana jest to z niedojrzałością mechanizmów odtruwających, wolniejszą eliminacją, mniejszym wiązaniem z białkami osocza, większą reaktywnością receptorów. Starsi - związane z wyczerpaniem czynności życiowych czyli obniżenie czynników hormonalnych, zmiany w krążeniu, niedotlenienie narządów, upośledzone ich funkcje detoksykacyjne, obniżenie ilości wody w organizmie co sprzyja wzrastaniu stężenia trucizny w obrębie receptora.

• U starszych osób przeważają procesy kościogubne- uwalnianie nagromadzonego ołowiu-> zatrucie

• Rtęć u dzieci i mężczyzn wchłania się szybciej

Płeć - kobiety bardziej wrażliwe - mają mniejszą masą ciała niż mężczyźni, więc dawki toksyczne są mniejsze. Mają większą pobudliwość układu nerwowego, są narażone na działanie środków nasennych lub pobudzających OUN. Wrażliwość wzmaga się w okresie menstruacji, ciąży, laktacji - związane jest to z wpływem estrogenów i androgenów na enzymy mikrosomalne wątroby (ponieważ wpływaja na sprzęganie z kwasami uronowymi i ich detoksykację).

• Benzen jest bardziej toksyczny dla młodych dziewczyn i kobiet w wieku rozrodczym

Choroby nerek, wątroby, serca

Chorzy z ostrym wirusowym zapaleniem wątroby mają osłabioną zdolność przemiany ksenobiotyków przez oksygenazy. Występuje też przedłużenie biologicznego okresu półtrwania ksenobiotyków. W marskości wątroby osłabiona jest dehydrogenaza alkoholowa.

Nerki - wydalają ksenobiotyki, chorzy na nerki wydalają wolniej, a biologiczny okres półtrwania leków jest wydłużony.

Serce - choroby związane z hemodynamiką krwi, zaburzony transport metabolitów, zaburzone odżywienie komórek

Tarczyca i nadnercza (kortyzol)- wpływ na enzymy mikrosomalen

3. Czynniki środowiskowe

• czynniki natury środowiskowej

Ciśnienie atmosferyczne - gwałtowne jego zmiany powodują zmiany w hemodynamice krwi i ciśnienia krwi. Powoduje to zmiany w przepływie krwi przez serce, wątrobę, nerki - powoduje to niedotlenienie, niedożywienie, obniżenie metabolizmu w wątrobie, ograniczenie eliminacji przez nerki.

Światło - decyduje o rytmie dobowym, aktywności enzymów biorących udział w detoksykacji.

Temperatura otoczenia - zimno jest czynnikiem wpływającym na zmiany w hemodynamice krwi.

Promieniowanie jonizujące - radioliza H₂O w komórkach - powstają wolne rodniki

• czynniki natury chemicznej

• metale (ołów, rtęć, kadm)

• dwutlenek siarki

• tlenki azotu, azotyny

• nikotyna

Powyższe związki biorą udział w regulacji enzymów mikrosomalnych wątroby.

4. Sposób odżywniania się

• Szybka utrata tk. Tłuszczowej- uwolnienie toksyn (DDT- zatrucie wtórne)

• Przewodnienie organizmu- wzrost rozpuszczlnosci ksenobiotyków

• Ostre przyprawy

• kawa

Strona 8 z 8

---