55

Wprowadzenie

W środowisku życia człowieka występuje wiele różnorodnych związków

chemicznych. Większość z nich, mimo bezpośredniej styczności z organizmem ży-
wym, nie przenika do jego wnętrza. Niektóre elementy środowiska (powietrze, wo-
da, pożywienie) dostarczają organizmowi niezbędnych składników do metabolizmu
pośredniego i umożliwiają jego istnienie. Wraz z nimi przedostają się do organizmu
substancje obce, k s e n o b i o t y k i, które mogą wywierać działanie szkodliwe.
Często również substancje te są wprowadzane celowo do organizmu jako leki,
używki, trucizny.

Jeśli pominąć działanie miejscowe, np. żrących kwasów lub zasad, niezbęd-

nym warunkiem do wystąpienia jakiegokolwiek działania biologicznego, w tym
także toksycznego, jest wchłonięcie substancji chemicznej do krwiobiegu, a następ-
nie jej przedostanie się, w dostatecznym stężeniu, do odpowiednich tkanek i narzą-
dów. Nie zawsze w tkance, w której trucizna występuje w największych ilościach,
występują najbardziej widoczne skutki działania. Przykładem tego są insektycydy
polichlorowe, które nagromadzając się w tkance tłuszczowej nie wywołują w niej
ujemnych skutków.

Niezależnie od drogi podania, substancje chemiczne ulegają w organizmie

wielu różnorodnym procesom. Całość procesów, określających los substancji ob-
cych w organizmie

, nazywamy też m e t a b o l i z m e m k s e n o b i o t y k ó w.

Błędne jest ograniczenie tego pojęcia wyłącznie do biotransformacji.

5.1

JERZY KRECHNIAK

5

ABSORPCJA, DYSTRYBUCJA,
BIOTRANSFORMACJA I WYDALANIE
TRUCIZN

56

Dystrybucja – w szerszym ujęciu – obejmuje zarówno rozmieszczenie sub-

stancji obcych między poszczególnymi tkankami i narządami, jak i przenikanie
przez bariery wewnątrzustrojowe, nieswoiste wiązanie z białkami osocza i narzą-
dów oraz wybiórcze odkładanie się w tkankach (kumulacja).

Uproszczony schemat metabolizmu ksenobiotyków w organizmie przedsta-

wiono na ryc. 5.1.

Badaniem kinetyki wchłaniania, rozmieszczenia, biotransformacji i wydala-

nia substancji obcych oraz odpowiadających im skutków toksycznych zajmuje się
toksykokinetyka

.

Można więc powiedzieć, że toksykokinetyka odpowiada na pytanie: co dzieje

się z trucizną w organizmie? Natomiast t o k s y k o d y n a m i k a odpowiada na
pytanie: co dzieje się z organizmem pod wpływem trucizny?

Działanie substancji zależy od podanej dawki. Jednak decydujące znaczenie

będzie miało jej stężenie w organie docelowym. Zaledwie niewielki ułamek dawki
ksenobiotyku dociera do miejsca działania i wywołuje skutki biologiczne, łącząc
się swoiście z r e c e p t o r a m i, tj. wybiórczo reagującymi strukturami, zazwyczaj
białkowymi, umiejscowionymi najczęściej na powierzchni komórek lub w ich wnę-
trzu.

Dostępność substancji do receptora zależy od równowagi dynamicznej, jaka

istnieje między przeciwstawnymi procesami. Z jednej strony na zwiększenie stęże-
nia substancji wpływają procesy inwazyjne – absorpcja i dystrybucja, a z drugiej

Głównymi procesami m e t a b o l i z m u k s e n o b i o t y k ó w w orga-

nizmie są:

– wchłanianie (absorpcja),
– rozmieszczenie (dystrybucja),
– przemiany biochemiczne (biotransformacja),
– wydalanie.

Ryc. 5.1.

Losy ksenobiotyków w organizmie: X – ksenobiotyk, M – metabolit, R – receptor

B – białko osocza, B' – białko narządów.

57

zmniejsza je e l i m i n a c j a, obejmująca wydalanie i biotransformację. Ten ostatni
proces prowadzi jednak często do powstania metabolitu bardziej toksycznego od
substancji macierzystej.

Istotną rolę w transporcie substancji obcych w organizmie odgrywa układ

krwionośny, za pomocą którego trucizny są przenoszone z miejsca wchłaniania,
rozprowadzone do poszczególnych tkanek i narządów, a w końcu usunięte z orga-
nizmu w procesie wydalania. Stężenie substancji obcych w poszczególnych tkan-
kach w dużym stopniu zależy od przepływu krwi.

Przedostając się do miejsca działania, substancja obca musi przeniknąć w or-

ganizmie przez kilka błon biologicznych. Podczas wchłaniania ksenobiotyk prze-
chodzi przez bariery odgraniczające środowisko wewnętrzne od środowiska ze-
wnętrznego: wielowarstwowy naskórek, jednowarstwowy nabłonek oddechowy lub
jednowarstwowy nabłonek jelitowy. Następnie przenika przez błony naczyń włoso-
watych, błony komórkowe narządów oraz błony organelli komórkowych.

Mechanizmy transportu przez błony komórkowe

Każda komórka jest otoczona półprzepuszczalną błoną, przez którą przenika-

ją z różną szybkością jony i cząsteczki. Mimo całej swej różnorodności błony po-
szczególnych komórek mają zbliżoną budowę. Grubość ich wynosi zazwyczaj 7–
–10 nm. Poglądy na budowę błon komórkowych zmieniają się wraz z postępem
wiedzy.

Robinson w 1959 r., przedstawiając model błony elementarnej, zakładał po-

wszechność występowania regularnego układu trójwarstwowego: białka–lipidy–
–białka we wszystkich strukturach laminarnych komórek. Grubość każdej z tych
warstw wynosi 2,5–3,0 nm (ryc. 5.2).

Błona komórkowa składa się z dwuwarstwy lipidowej, otoczonej z obu stron

warstwą białek. Błony są strukturami płynnymi. Lipidy błonowe składają się z fos-
folipidów (fosfatydylocholina, fosfatydyloetanoloamina, fosfatydyloseryna, fosfa-
tydyloinozytol, sfingomielina) i cholesterolu. Łańcuchy kwasów tłuszczowych
wchodzących w skład fosfolipidów zawierają najczęściej 16 lub 18 atomów węgla.
Kwasy tłuszczowe mogą być nasycone lub nienasycone. Lipidy błonowe są czą-
steczkami amfipatycznymi, zawierającymi zarówno grupy hydrofilowe (fosforano-
wa, wodorotlenowa), jak i hydrofobowe (łańcuchy węglowodorowe). Lipidy zwró-

Ogólnie biorąc w metabolizmie ksenobiotyków biorą udział:
– procesy t r a n s p o r t u (wchłanianie, dystrybucja, wydalanie),

w których substancje przechodzą przez błony biologiczne,

– procesy b i o t r a n s f o r m a c j i, w których w przemianach enzyma-

tycznych lub nieenzymatycznych ksenobiotyki ulegają przekształceniu do jed-
nego lub kilku metabolitów.

5.2

58

cone są hydrofobowymi łańcuchami węglowodorowymi do siebie, z grupami polar-
nymi do otaczającej je fazy wodnej, gdzie oddziałują z polarnymi cząsteczkami
białek, jonami i wodą. Białka błonowe (m.cz. 5–250 · 10

3

) mają również charakter

amfipatyczny i są osadzane w dwuwarstwie lipidowej, a w niektórych miejscach
przenikają na wylot przez całą dwuwarstwę. Białka te spełniają wiele funkcji
w błonie i działają jak pompy, kanały, przenośniki, receptory i enzymy. Na ze-
wnątrz komórek zwierzęcych występuje warstwa glikoprotein i glikolipidów, za-
wierająca reszty cukrowe. Warstwa ta jest nośnikiem właściwości antygenowych
komórki, decyduje także o jej ładunku elektrostatycznym, co ma duże znaczenie
w transporcie różnych substancji do wnętrza komórki.

Hipoteza błony elementarnej została rozwinięta w postaci modelu dynamicz-

nego, w którym lipidy i białka są zorganizowane w strukturze mozaikowej (ryc.
5.3). Zgodnie z tym podstawą błony jest dwuwarstwa lipidowa, w której w różnym
stopniu są osadzone białka integralne i peryferyjne. Białka integralne są dużymi
cząsteczkami o budowie kulistej, osadzonymi najczęściej przez całą grubość dwu-
warstwy lipidowej błony, zorientowane grupami polarnymi i zjonizowanymi ku śro-
dowisku wewnątrz- i zewnątrzkomórkowemu. Białka peryferyjne są związane za
pomocą oddziaływań elektrostatycznych lub hydrofobowych z zewnętrznymi po-
wierzchniami białek strukturalnych.

Składniki błony komórkowej, w zależności od temperatury otoczenia, mogą

występować jako struktury krystaliczne lub ciekłe, mające swój charakterystyczny
punkt przejścia fazowego ciecz

↔

ciało stałe. Temperatura przejścia fazowego błon

jest uwarunkowana głównie długością łańcucha alifatycznego kwasów tłuszczo-
wych, wchodzących w skład błony, oraz liczbą i pozycją podwójnych wiązań nie-
nasyconych, a także konfiguracją cis i trans łańcucha alifatycznego. Ze względu na

Ryc. 5.2.

Model błony elementarnej.

Ryc. 5.3.

Model mozaiki płynnej błony komórkowej.

59

różnorodny skład lipidów, w błonach komórkowych występuje mieszanina reszt
kwasów tłuszczowych o różnej długości i różnym stopniu nasycenia. W związku
z tym przejście fazowe następuje stopniowo w szerokim zakresie temperatur.
Składniki błony, dzięki temu że znajdują się w warunkach fizjologicznych w stanie
ciekłym, ulegają dyfuzji. Lipidy w błonie mogą dyfundować lateralnie lub prze-
mieszczać się z jednej warstwy lipidowej do sąsiedniej. Białka błon osadzone
w warstwie lipidowej ulegają rotacji wokół swej osi, prostopadle do powierzchni
błony. Model mozaiki płynnej lepiej tłumaczy niektóre funkcje błony, np. transport
aktywny.

Transport ksenobiotyków przez błony biologiczne (ryc. 5.4) odbywa się

przez:

1) transport bierny (dyfuzja bierna),
2) transport przez pory (absorpcja konwekcyjna),
3) transport ułatwiony,
4) transport aktywny,
5) transport przez pary jonowe,
6) endocytozę.

Większość substancji obcych przechodzi przez błony za pomocą dyfuzji

biernej

. Zachodzi ona bez nakładu energii wytworzonej przez komórkę i odbywa

się zgodnie z różnicą (gradientem) stężeń lub potencjałów na obu powierzchniach
błony. Przenikanie substancji przez błony zależy od ich lipofilności i zmniejsza się

Ryc. 5.4.

Mechanizmy transportu ksenobiotyków przez błony biologiczne.

60

wraz ze zwiększeniem stopnia jonizacji. Dyfuzja organicznych elektrolitów zacho-
dzi w ten sposób, że substancja w fazie rozpuszczonej dociera do błony, rozpuszcza
się w niej, przenika przez błonę i przechodzi do kolejnej fazy wodnej (osocze,
chłonka, płyn mózgowo-rdzeniowy, płyn wewnątrzkomórkowy). Warunkiem dyfu-
zji jest pewien stopień rozpuszczalności substancji zarówno w lipidach, jak i w wo-
dzie.

Ilościowo proces dyfuzji opisuje p r a w o F i c k a. Szybkość dyfuzji jest

wprost proporcjonalna do wielkości powierzchni błony i różnicy stężeń po obu jej
stronach, a odwrotnie proporcjonalna do grubości błony:

v = D ·

gdzie:
v

– szybkość dyfuzji,

D

– współczynnik dyfuzji, zależny od właściwości substancji (masa cząsteczkowa, konfigura-

cja przestrzenna, współczynnik podziału olej:woda, stopień jonizacji) i właściwości bło-
ny,

A

– wielkość powierzchni błony,

d

– grubość błony,

c

1

–c

2

– różnica stężeń po obu stronach błony.

Wiele ksenobiotyków występuje w roztworach zarówno w postaci zjonizowa-

nej, jak i niezjonizowanej. Wielkość dyfuzji zależy od lipofilności fazy niezjonizo-
wanej związku. Forma zjonizowana, ze względu na słabą rozpuszczalność w lipi-
dach, najczęściej nie przenika przez błony.

Ilość słabego kwasu lub zasady w formie niezjonizowanej zależy od pH śro-

dowiska oraz od stałej dysocjacji, której ujemnym logarytmem jest wykładnik kwa-
sowości (stała dysocjacji kwasowej) – pK

a

. Przyjęło się zarówno dla kwasów, jak

i zasad używanie pK

a

jako wielkości charakteryzującej dany związek. Gdy wartość

pH równa jest wykładnikowi kwasowości – pK

a,

połowa ilości związku występuje

w formie niezjonizowanej, połowa w formie zjonizowanej. Kwas o małym pK

a

jest

silnym kwasem, natomiast zasada o małym pK

a

jest słabą zasadą. Wartość pK

a

nie

decyduje jednak, czy związek jest kwasem, czy zasadą, ponieważ zasada może
mieć pK

a

mniejsze od 7 (kofeina 0,6, fenazon 1,4), a kwas większe od 7 (fenol 9,9,

pentobarbital 8,1). Odsetek niezjonizowanego związku zależy zarówno od jego
pK

a

, jak i pH roztworu, w którym jest rozpuszczony.

Jeżeli 2 przedziały (kompartmenty) w organizmie oddzielone przez błony li-

pidowe wykazują różne wartości pH, w stanie równowagi całkowite stężenie sła-
bych elektrolitów będzie w obu przedziałach różne.

Ilościowo zależność tę opisuje równanie Hendersona i Hasselbalcha dla kwa-

sów:

pK

a

– pH = log

dla zasad:

pK

a

– pH = log

A c

1

c

2

±

(

)

d

-------------------------

forma niezjonizowana

(

)

forma zjonizowana

(

)

----------------------------------------------------------

forma zjonizowana

(

)

forma niezjonizowana

(

)

----------------------------------------------------------

61

Wpływ zmiany pH na jonizację słabego kwasu i słabej zasady na przykładzie

kwasu salicylowego (pK

a

3) i aniliny (pK

a

5) przedstawiono na ryc. 5.5.

Przy pH 3 kwas salicylowy występuje w 50% w formie niezjonizowanej

i w 50% w formie zjonizowanej. Przy zmniejszeniu wartości pH, wskutek przyłą-
czenia protonów, przechodzi w formę niezjonizowaną; natomiast przy wzroście pH
kwas staje się donorem protonów i przechodzi w formę anionową. W przypadku
aniliny zmniejszenie pH powoduje przyłączenie przez zasadę protonów i przejście
w postać kationową. Gdy pH wzrasta, wówczas więcej zasady jest w stanie elek-
trycznie obojętnym.

Ponieważ formy niezdysocjowane słabych elektrolitów łatwiej przechodzą

przez błony, kwasy organiczne łatwiej ulegają dyfuzji biernej w środowisku kwa-
śnym, a zasady organiczne w środowisku zasadowym.

Swoistą odmiana dyfuzji jest transport par jonowych. Silnie zjonizowane

aniony (kwasy sulfonowe) lub kationy organiczne (czwartorzędowe zasady amo-
niowe) mogą tworzyć z jonami organicznymi środowiska lub błony o przeciwnym
znaku kompleksy cząsteczek obojętnych elektrycznie, które przechodzą przez błonę
na zasadzie dyfuzji biernej.

Tak jak dyfuzja bierna jest podstawowym mechanizmem transportu dla sub-

stancji lipofilnych, absorpcja konwekcyjna (transport przez pory) umożliwia prze-
nikanie przez błony jonów i substancji hydrofilnych o m.cz. do ok. 200.

Substancje te są transportowane wraz z wodą przez pory mające na zewnętrz-

nej powierzchni błony ładunek dodatni lub ujemny, bądź są elektrycznie obojętne.
Średnica porów w błonach komórkowych wynosi 0,7–1,0 nm.

Przenikanie substancji przez pory zależy głównie od różnicy ciśnienia hydro-

statycznego lub osmotycznego po obu stronach błony.

Szybkość przenikania substancji przez błony (v) określa równanie:

v =

(c

1

– c

2

)

gdzie:
A

– powierzchnia błony,

Ryc. 5.5.

Wpływ pH na stopień jonizacji słabych elektrolitów.

1

η

---

n r

2

A

⋅

⋅

d

--------------------

62

n

– liczba porów,

r

– promień porów,

c

1

– c

2

– różnica stężeń,

d

– grubość błony,

η

– lepkość.

Za pomocą absorpcji konwekcyjnej są transportowane np. zjonizowane sulfo-

namidy.

Niektóre substancje, zwłaszcza o dużej cząsteczce i słabej rozpuszczalności

w lipidach, przenikają przez błony szybciej, niż to wynika z prawa Ficka, tworząc
kompleksy ze znajdującymi się w błonach przenośnikami białkowymi. Związek
niezjonizowany lub jon wiąże się z przenośnikiem na jednej powierzchni błony
w postaci kompleksu przechodzi przez błonę i odłącza się na jej drugiej powierzch-
ni. Przenośnik następnie wiąże kolejną cząsteczkę substratu.

Cechami charakterystycznymi transportu przy udziale przenośników są :
– swoistość – dany związek lub grupa związków tworzy kompleks z okre-

ślonym przenośnikiem,

– wysycenie – przy dużych stężeniach substancji mechanizm transportu jest

wysycony i nie ma możliwości zwiększenia jego szybkości,

– hamowanie kompetycyjne – substancja o większym powinowactwie do

przenośnika hamuje transport innego związku chemicznego.

Za pomocą przenośników są transportowane zwykle substancje niezbędne do

metabolizmu pośredniego organizmu lub te z ksenobiotyków, które zbliżone są do
nich budową.

Transport przy udziale przenośników, odbywający się zgodnie z różnicą stę-

żeń po obu stronach błony, a więc bez wkładu energii komórki, nosi nazwę trans-
portu ułatwionego

. W ten sposób jest transportowana w organizmie np. glukoza,

witamina B

12

.

Transport aktywny

substancji odbywa się wbrew gradientowi stężeń lub po-

tencjałów. Do tego celu niezbędna jest energia, wyzwolona najczęściej z hydrolizy
ATP pod wpływem ATPazy. Transport aktywny może być hamowany przez inhibi-
tory mitochondrialnego łańcucha transportu elektronów lub substancje rozkojarza-
jące fosforylację oksydacyjną.

Szczególnie ważne znaczenie fizjologiczne ma transport aktywny jonów so-

dowych i potasowych, zwany pompą sodowo-potasową, oraz wydzielanie jonów
wodorowych w błonie śluzowej żołądka i kanalikach nerkowych. Za pomocą tego
mechanizmu jest transportowany w organizmie wapń i żelazo. Białko wiążące
wapń (calcium-binding protein) może również służyć do transportu strontu, a praw-
dopodobnie i kadmu. Natomiast ferrytyna oprócz żelaza transportuje kobalt, nikiel
i mangan. Za pomocą transportu aktywnego przemieszczają się również w organi-
zmie aminokwasy i zasady nukleinowe. Substancje obce o zbliżonej budowie, np.
5-fluorouracyl, są transportowane przy udziale przenośników właściwych dla sub-
stratów naturalnych (w tym przypadku uracylu).

Także parakwat, herbicyd bispirydylowy, transportowany jest wybiórczo do

komórek pęcherzyka oddechowego (pneumocyty typu I i II) za pomocą mechani-
zmu właściwego dla endogennych poliamin (putrescyna, spermina, spermidyna),
spełniających ważne funkcje fizjologiczne związane z proliferacją i wzrostem ko-
mórkowym.

63

W toksykologii szczególną rolę odgrywa transport aktywny zachodzący przy

wydalaniu niektórych trucizn z organizmu. Specjalne systemy transportu dla sła-
bych kwasów i słabych zasad występują w kanalikach nerkowych, hepatocytach
i splocie naczyniowym komory mózgu.

Makrocząsteczki, rozproszone lub zawieszone w środowisku, są pobierane

przez komórkę podczas endocytozy. W przypadku cząstek stałych zjawisko to jest
nazywane f a g o c y t o z ą, pobieranie zaś makrocząsteczek rozpuszczonych w śro-
dowisku, np. białek, p i n o c y t o z ą. W początkowym etapie endocytozy cząstki
zostają zaadsorbowane na powierzchni błony komórkowej, która po pewnym czasie
wgłębia się w tym miejscu, tworząc pęcherzyk zwany endosomem. Następnie endo-
som wraz z całą zawartością zamyka się i odrywa od błony komórkowej. Wewnątrz
komórki endosomy zlewają się z pęcherzykami lizosomów zawierającymi enzymy
hydrolityczne potrzebne do rozkładu pobranego materiału. Produkty rozpadu po-
branych makrocząsteczek przenikają do cytoplazmy. Endosomy, które nie uległy
strawieniu, zostają wydalone z komórek w procesie e g z o c y t o z y.

Za pomocą tego mechanizmu są transportowane np. tłuszcze, glicerol, białka,

witaminy A, D, E, K, skrobia, cholesterol, ferrytyna, a także jaja pasożytów, włosy
i bakterie.

Endocytoza ma istotne znaczenie w usuwaniu substancji stałych (pyłów)

z pęcherzyków płucnych oraz niektórych trucizn z krwią przez komórki układu sia-
teczkowo-śródbłonkowego wątroby i śledziony.

Wchłanianie

Wchłanianie zachodzi różnymi drogami:
– pokarmową,
– skórną (dermalną),
– wziewną (inhalacyjną),
– pozajelitową (parenteralną) – dożylną, dootrzewnową, domięśniową, do-

skórną, podskórną, dordzeniową,

– przez jamy ciała – dospojówkową, donosową, doodbytniczą, dopochwo-

wą.

W toksykologii największe znaczenie ma droga doustna, wziewna i skórna.
Niezależnie od drogi podania wchłanianie ksenobiotyków zależy od masy

cząsteczkowej, konfiguracji przestrzennej, rozpuszczalności w lipidach, stopnia jo-
nizacji, stężenia, rozdrobnienia, a także od wielkości powierzchni wchłaniania
i ukrwienia miejsca, w którym zachodzi absorpcja.

Szybkość wchłaniania wpływa na intensywność nasilenia objawów i czas

trwania zatrucia.

Wchłanianie (absorpcja) polega na przejściu substancji ze środowiska

zewnętrznego do krążenia ogólnego (krew, chłonka).

5.3