Ksenobiotyki

Ksenobiotyki

xenos (obcy)

związki egzogenne występujące w organizmie, który

ani go nie produkuje ani też w normalnych warunkach

nie przyjmuje z pożywieniem. Inaczej jest to

substancja chemiczna nie będąca naturalnym

składnikiem żywego organizmu.

Główne grupy substancji obcych dla
człowieka to:
- leki,
- pestycydy,
- niektóre substancje celowo dodane do
żywności,

- zanieczyszczenia środowiska
zewnętrznego

pochodzenia zawodowego i

komunalnego,

wewnątrzdomowe i zewnątrzdomowe
pochodzenia chemicznego i

organicznego.

Metabolizm ksenobiotyków

Metabolizm ksenobiotyków

w organizmie obejmuje

w organizmie obejmuje

:

:

• wchłanianie (absorbcja)
• rozmieszczenie (dystrybucja)
• przemiany biochemiczne

( biotransformacja)

• wydalanie

Toksykokinetyka jest dziedziną nauki zajmującą się losami
ksenobiotyków w organizmie

Drogi wchłaniania trucizn

Drogi wchłaniania trucizn

Trucizna = Toksyna = Ksenobiotyk

Egzogenne substancje toksyczne

wchłaniane są do organizmu trzema
głównymi drogami:

• Przenikanie przez skórę
• Układ oddechowy
• Układ pokarmowy

Substancje chemiczne do tkanek i narządów dostają się po

przeniknięciu przez błony biologiczne na zasadzie transportu:

- biernego
- nośnikowego
- aktywnego
Zostają wówczas pokonane bariery nabłonkowe

poszczególnych układów oraz błony białkowo-lipidowe

oddzielające różne tkanki od płynów ustrojowych.

Związki silnie polarne np. kwasy sulfonowe lub aminy

czwartorzędowe, czy też substancje bardzo lotne np. eter

etylowy

NIE ULEGAJĄ PRZEMIANOM METABOLICZNYM

w

ustroju człowieka. Wydalane są w swej pierwotnej formie.

Substancje:
• polarne - przez włókna białkowe
• niepolarne - przez obszary lipidowe
• lipofilowe łatwo przenikają przez skórę

Drogi wchłaniania trucizn przez organizm

Przenikanie przez skórę

Drogi wchłaniania trucizn przez organizm

Przenikanie przez skórę



Wnikanie substancji poprzez:



szczeliny przy torebkach

włosowych



kanaliki potowe



Dyfuzja przez naskórek - pasywne

wnikanie ksenobiotyków przez

szereg warstw komórek.



Substancje polarne wnikają do

wnętrza komórki przez włókna

białkowe



Substancje niepolarne wnikają przez

matryce lipidowe



Uwodnienie naskórka poprawia

przenikanie substancji polarnych



Substancje lipofilowe łatwo

przenikające przez warstwę

zewnętrzną naskórka

5

a – transport transfolikularny
b – transport transepidermalny

sk

ó

ra

w

ła

śc

iw

a

n

a

sk

ó

re

k

Oddychanie – czynność automatyczna
• Czynniki warunkujące wchłanianie

gazów

– Rozpuszczalność w wodzie
– Reaktywność chemiczna

(stężenie gazu

reaktywnego w przestrzeni dróg oddechowych gwałtownie
spada w miarę przechodzenia przez warstwę śluzu i
komórek nabłonkowych, gdzie jest wiązany, w konsekwencji
niewiele dostaje się go do krwi)

– Areozole

(wielkość ziaren od 1-5 μm zatrzymują się

głównie w górnych drogach oddechowych)

Drogi wchłaniania trucizn przez

Drogi wchłaniania trucizn przez

organizm

organizm

Przenikanie przez układ oddechowy

Przenikanie przez układ oddechowy

Drogi wchłaniania trucizn przez

Drogi wchłaniania trucizn przez

organizm

organizm

Przenikanie przez układ oddechowy

Przenikanie przez układ oddechowy



Naczynia krwionośne są w bezpośrednim kontakcie

z komórkami nabłonka oddechowego

wyściełającego pęcherzyki płucne.



Może zachodzić swobodna dyfuzja gazów oraz

substancji w nich rozpuszczonych



Wdychane ksenobiotyki mogą powodować:



niszczenie tkanki układu oddechowego



zatrucie całego organizmu w wyniku wniknięcia do

układu krwionośnego.



ilość trucizny wprowadzonej do płuc (gaz, aerozol,

małe cząsteczki) zależy od stężenia substancji

toksycznej w powietrzu oraz tzw. minutowej

objętości oddychania (minutowa objętość oddychania

jest iloczynem objętości wdechu – około 500 ml oraz

liczby oddechów na minutę – ok.15).

6

Wchłanianie drogą pokarmową

Wchłanianie drogą pokarmową

• Jama ustna – ominięcie krążenia

wątrobowego powoduje długie pozostawanie

w tkankach w biologicznie czynnej postaci

• Żołądek – możliwa zmiana toksyczności

dzięki enzymom trawiennym, kwasowi

żołądkowemu

• Jelita – wielkość powierzchni wchłaniania

(200-300 m

2

), ksenobiotyki wchłonięte w

jelitach przed dotarciem do krwioobiegu

trafiają do wątroby, gdzie zachodzą procesy

biotransformacji

Drogi wchłaniania trucizn przez

Drogi wchłaniania trucizn przez

organizm

organizm

Przenikanie przez układ pokarmowy

Przenikanie przez układ pokarmowy



Absorpcja związków chemicznych wprowadzonych doustnie zachodzi na

całej długości przewodu pokarmowego.



Zawarte w układzie pokarmowym substancje mogą zmieniać toksyczność

związku.



Istnieją ilościowe różnice w toksyczności związku w zależności od tego, czy

został podany z pokarmem, czy został wprowadzony do pustego żołądka.



Część ksenobiotyków wchłania się, na drodze podobnej jak substancje

pokarmowe, w jelicie cienkim.



Rozpuszczalne kwasy i zasady organiczne są absorbowane w formie

niezjonizowanej na drodze dyfuzji pasywnej.



Cząsteczki większe, o średnicy kilku nanometrów mogą być absorbowane z

układu żołądkowo-jelitowego w procesie pinocytozy

Dystrybucja ksenobiotyków

Dystrybucja ksenobiotyków

• Obcy związek przenika od miejsca

wchłaniania do tkanki, skąd na drodze
dyfuzji dostaje się do krwi

• We krwi ksenobiotyk wiązany jest przez

krwinki lub białka osocza i dalej jest
transportowany do tkanek, w których ulega
przemianie, wywierając toksyczne
działanie

• Metabolity substancji mogą wrócić do krwi

i zostać wydalone

Większość ksenobiotyków ulega

BIOTRANSFORMACJI

Wydalane są z ustroju w postaci metabolitów.
 
1.  Metabolity są mniej toksyczne w stosunku do
substratu,
lub wręcz stają się nietoksyczne –

DETOKSYKACJA

2.  Metabolity te mogą stawać się bardziej
toksyczne niż
dostarczony do organizmu substrat.
 
W związku z tym na określenie przemian
wewnątrzustrojowych ksenobiotyków używany jest
termin “biotransformacja”.

Celem biotransformacji ksenobiotyków jest
zwiększenie ich rozpuszczalności w wodzie
(czyli zwiększenie ich polarności) dzięki czemu
ułatwione jest ich wydalanie z ustroju.
Bardzo silnie hydrofobowe ksenobiotyki mogłyby
przebywać
w tkance tłuszczowej niezmiernie długo.
 

* Monitoring biologiczny - systematyczny pomiar stężeń
substancji toksycznych lub ich metabolitów w tkankach,
wydzielinach lub wydalinach, oddzielnie lub łącznie, mający na
celu ocenę wielkości narażenia oraz ryzyka dla zdrowia, przy
przyjęciu za podstawę oceny odpowiednich danych
interpretacyjnych.

Metabolizm ksenobiotyków

Metabolizm ksenobiotyków

• rozpuszczalne w wodzie (hydrofilowe)

są wydalane w pierwotnej postaci (bez
metabolizmu)

• lipofilowe są usuwane pod wpływem

soków trawiennych lub mogą ulec
metabolizmowi (wg schematu)

KSENOBIOTYK

KSENOBIOTYK

akumulacja w
tkance tłuszczowej

Faza I

Faza I

bioaktywacja lub
inaktywacja utlenianie,
redukcja hydroliza

Faza II

Faza II

inaktywacja,
sprzęganie

Przemieszczanie poza komórką

wydalanie z żółcią

wydalanie z moczem

silnie lipofilny, trudno
ulegający przemianom

lipofilny polarny hydrofilny

polarny

hydrofilny

osocze

Metabolizm lipofilowych ksenobiotyków

można podzielić na dwie fazy:

• w I fazie do ksenobiotyku

wprowadzana jest polarna, reaktywna
grupa funkcyjna

• w II fazie (reakcja koniugacji) do

reaktywnej grupy funkcyjnej przyłącza
się endogenny substrat, rozpuszczalny
w wodzie

Metabolizm ksenobiotyków

Metabolizm ksenobiotyków

Reakcje metabolizmu I fazy :

1. Utleniania
a) epoksydacja
b) hydroksylacja
c) deaminacja
d) desulfuracja

2.Redukcji
a) aldehydy i ketony
b) aromatyczne zw. nitrowe
c) związki siarki

3. Degradacji
a) hydroliza
b) dealkilacja
c) degradacja pierścienia

FAZA PIERWSZA

FAZA PIERWSZA

Sumaryczne procesy reakcji

fazy I

FAZA PIERWSZA

FAZA PIERWSZA

1. hydroksylacja - podstawienie grupy hydroksylowej do

łańcuchów bocznych węglowodorów aromatycznych i

barbituranów

2. epoksydacja - przyłączenie do podwójnego wiązania atomu

tlenu z utworzeniem pierścienia trójczłonowego:

(wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne) metabolity

epoksydowe mogą wykazywać działanie mutagenne i

rakotwórcze

3.   oksydatywna dezaminacja - utlenienie amin endogennych

(aminy katecholowe, poliaminy, histamina) -> do ketonów pod

wpływem oksydazy aminowej w obecności NADPH i tlenu

cząsteczkowego

4. desulfurylacja - podstawienie tlenu w miejsce siarki

(insektycydy fosfororganiczne, tiobarbiturany) -> ulegają

biotransformacji do metabolitów z reguły bardziej toksycznych

5. redukcja związków nitrowych - odpowiednie reduktazy w

warunkach beztlenowych przekształcają aromatyczne związki

nitrowe i azozwiązki (nitrobenzen, chloramfenikol) do amin

pierwszorzędowych.

Metabolizm ksenobiotyków

Metabolizm ksenobiotyków

Hydroksylacja jest główną reakcja zachodzącą w fazie I. Jest
ona katalizowana przez enzymy zwane monooksygenazami
lub enzymami grupy cytochromu P-450

RH + O

2

+ NADPH + H

+

→ R-OH + H

2

O + NADP

• W fazie II związki hydroksylowane lub

zmienione w inny sposób w fazie pierwszej
ulegają przekształceniom przez swoiste
enzymy do różnych metabolitów polarnych
przez sprzęganie z:

– kwasem glukuronowym
– kwasem siarkowym
– kwasem octowym
– z pewnymi aminokwasami
– przez metylację

FAZA DRUGA

FAZA DRUGA

Sumaryczny proces sprzęgania, di jakiego dochodzi w

reakcjach fazy II

FAZA DRUGA

Glukuronidacja – reszta glukuronidowa z kwasu UDP-glukuronowego przy udziale

enzymów -transferaz glukuronylowych - ulega związaniu przez tlen, azot lub grupę

siarkową z substancjami, które posiadają grupy wodorotlenowe, karboksylowe,

aminowe i sulfhydrolowe.

Wiele związków np. fenole, sterole, alanina, kwas benzoesowy wydalane są pod

postacią glukuronidów.

Sprzęganie z siarką i siarczanami (sulfatacja)
-  fenole, alkohole pierwszo-i drugorzędowe, aminozwiązki alifatyczne i aromatyczne

po reakcji sprzęgania z siarczanem przechodzą w estry siarkowe, cyjanowodór i

cyjanki przechodzą w rodanki (izotiocyjaniany), niektóre metale przechodzą w

siarczki.

Sprzęganie z glutationem
Sprzęganie substratu z aktywną grupą glutationu (reszta sulfhydrylowa SH cysteiny).

Koniugaty glutationowe ulegają dalszym przemianom: odszczepienie grupy

glutamylowej i glicynowej, przyłączenie grupy aminowej.

Metylowanie i acetylowanie - reakcje te mają dużą rolę w przemianach endogennych

np. adrenalina jest metylowana do noradrenaliny, natomiast w metabolizowaniu

obcych związków organicznych zachodzą rzadziej.

Reakcje II fazy

Reakcje II fazy

(reakcje sprzęgania)

Sprzężenie elektrofilowe:

R-X: +

+

Y:Z

-

R-X-Y + :Z

Ksenobiotyk elektrofilowy
nukleofilowy czynnik sprz.

X = atom O, N lub S

• Czynnik elektrofilowy - atom lub grupa atomów

„lubiąca” elektrony.

• Czynnik nukleofilowy - atom lub grupa atomów

„lubiąca” jądra atomowe

Rodzaje reakcji II fazy

Rodzaje reakcji II fazy

• Glukuronidacja

Donorem reszty glukuronylowej jest kwas

UDP-glukuronowy, a enzymami –
transferazy glukuronylowe występujące w
siateczce śródplazmatycznej i cytoplazmie

Glukuronidacja jest najczęściej spotykana

reakcją sprzęgania

Sprzęganie z glutationem

Rodzaje reakcji II fazy

Rodzaje reakcji II fazy

γ

Sprzężenie z

glutationem

• Sprzęganie z siarczanem (sulfatacja)

-

niektóre alkohole, aminy aromatyczne i fenole.

Donorem reszty siarczanowej jest

3’-fosfoadenozyno-5’fosfosiarczan
(PAPS)

• Acetylacja

donorem aktywnego octanu jest acetylo-CoA.

Reakcje te są katalizowane przez

acetylotransferazy występujące w cytoplazmie

różnych tkanek, szczególnie wątroby.

• Metylacja

Rodzaje reakcji II fazy

Rodzaje reakcji II fazy

Sprzęganie z siarczanem alkoholi,

fenoli i amin aromatycznych

• Głównym celem obu faz przemiany

ksenobiotyków jest zwiększenie ich

zwiększenie ich

rozpuszczalności w wodzie

rozpuszczalności w wodzie

(zwiększenie polarności) dzięki czemu
ułatwione jest ich wydalanie z ustroju

• Silnie hydrofobowe ksenobiotyki

mogłyby przebywać w tkance
tłuszczowej nieograniczenie długo

Cytochrom P-450 uważany jest za najbardziej

wszechstronny ze znanych biokatalizatorów

Cytochrom P450

Cytochrom P450

to rodzina enzymów wykazujących aktywność
monooksygenazy

Występują powszechnie w niemal wszystkich
tkankach, największą aktywność wykazując jednak w
wątrobie i rdzeniu nadnerczy. Nie stwierdzono ich
obecności w dojrzałych erytrocytach i mięśniach
szkieletowych.

Cytochrom P-450 są to transbłonowe białka o masie
cząsteczkowej 50-55 kDa. Zawierają hem jako grupę
prostetyczną.

…

…

i jeszcze o cytochromie

i jeszcze o cytochromie

• CYP450 jest związany z błoną retikulum

endoplazmatycznego oraz wewnętrzną błoną

mitiochondrium, co stawia substratom

warunek lipofilności

• Produkty są hydrofilne, co ułatwia ich

usuwanie z organizmu

• Bierze udział w metabolizmie kwasów

tłuszczowych i ksensobiotyków oraz syntezie

cholesterolu

• Silnie dezaktywowany przez cyjanki oraz CO

• Bierze udział w metabolizmie amfetaminy

(oksydacyjna deaminacja) oraz detoksykacji

alkoholowej (obok dehydrogenazy alkoholowej)

Centrum aktywne cytochromu P-450 stanowi grupa
hemowa, w której Fe

3+

jest związane czterema

wiązaniami kowalencyjnymi z pierścieniami
pirolowymi porfiryny. Po przyłączeniu elektronu atom
Fe ulega przemianie z formy żelazowej (Fe III) do
formy żelazawej (Fe II).

• Oksydaza cytochromowa odbiera elektrony od

cytochromu c (utlenia go) i przekazuje te

elektrony na jeden atom tlenu w cząsteczce

O

2

. Do tlenu cząsteczkowego dołączane są

dwa elektrony z cytochromu c i dwa protony

ze środowiska wodnego, redukując go do H

2

O.

• Drugi atom tlenu jest włączany w substrat

Cytochrom P450 jest końcowym

Cytochrom P450 jest końcowym

elementem łańcucha przekazu

elementem łańcucha przekazu

elektronów, pełni rolę końcowej

elektronów, pełni rolę końcowej

oksydazy tego łańcucha

oksydazy tego łańcucha

Metabolizm ksenobiotyków

Metabolizm ksenobiotyków

Podstawowe reakcje katalizowane

przez enzymy współdziałające z
cytochromem P-450 wiążą się z
wprowadzaniem tlenu do cząsteczki
(katalizuje reakcję hydroksylacji)

RH

+ O

2

+ NADPH + H

+

ROH

+ H

2

O +

NADP

+

Po związaniu substratu z grupą hemową, przyjmuje ona elektron
z NADPH, czemu towarzyszy redukcja Fe

3+

do Fe

2+

, co umożliwia

związanie cząsteczki O

2

. Następuje przyjęcie drugiego elektronu

i przegrupowanie ładunku, wskutek czego żelazo zyskuje
stopień utlenienia +3, a tlen -2. Następnie jeden atom z
cząsteczki tlenu ulega redukcji do H

2

O, a drugi atom – rodnik O

-

, przypuszcza atak na cząsteczkę substratu dla utworzenia np.

grupy hydroksylowej.
Końcowym etapem cyklu przemian jest odłączenie cząsteczki
produktu i odtworzenie cząsteczki cytochromu.

Przebieg reakcji z udziałem cytochromu P-

450

RH + O

2

R-OH + H

2

O

Postać
zredukowana
cytochromu P-450

Postać utleniona
cytochromu P-450

Schemat reakcji katalizowanej przez

Schemat reakcji katalizowanej przez

cytochrom P-450

cytochrom P-450

Mechanizm działania cytochromu P-450 polega na tym,
że współpracując z NADPH i tlenem, wprowadza jeden
atom tlenu do substratu.

Cytochromu P-450 jest częścią kompleksu enzymatycznego, w
skład którego wchodzi także reduktaza NADPH-cytochrom P-450.
Reduktaza NADPH-cytochromu P-450 jest flawoproteiną
zawierającą cząsteczkę FMN i FAD. Zadaniem tego enzymu jest
przenoszenie elektronów z NADPH na cytochrom P-450.

Metabolizm ksenobiotyków

W zależności od rodzaju
substratu oraz pozycji w
cząsteczce, do której zostaje
dołączony atom tlenu
cytochrom P-450 może
katalizować różne reakcje.

Oprócz reakcji hydroksylacji
katalizuje również
epoksydację, dealkilację,
oksydacyjną deaminację
(np. w metabolizmie
amfetaminy), N- oraz S-
oksydację,

desulfurację,

denitryfikację

i

dehalogenację.

Metabolizm ksenobiotyków

Bierze również udział
(obok dehydrogenazy
alkoholowej) w
detoksykacji
alkoholowej.

Wszystkie te reakcje
wymagają obecności
tlenu i NADPH.

Metabolizm ksenobiotyków

Procesy I fazy uwalniają bardzo reaktywne związki:

• wolne rodniki
• substancje silnie elektrofilowe
• naprężone pierścienie trójczłonowe

Powodują w żywym organizmie:
• zmiany w strukturze DNA → błędne replikacje i

transkrypcje

• zmiany w strukturze RNA → synteza niepożądanych

białek → zmiana aktywności enzymatycznej

Cytochrom P-450 jest mieszaniną co najmniej 10
izoenzymów

Izoenzymy są enzymami o różnym składzie
chemicznym

ale spełniającymi te same funkcje katalityczne

(z różną reaktywnością do substratu)

Indukcja enzymatyczna -

ksenobiotyk wzmaga biosyntezę

enzymu

Inhibicja enzymatyczna -

ksenobiotyk osłabia biosyntezę

enzymu

Indukcja i inhibicja

Indukcja i inhibicja

cytochromu P-450

cytochromu P-450

Inne izoenzymy…

• CYP

2C19

(m.in. aktywacja proguanilu do cykloguanilu)

• CYP

2E1

katalizuje utlenianie wielu prokancerogenów –

chlorku winylu, benzenu, CCl

4

, chloroformu

Indukowany przez alkohol, aceton, długotrwały post

• CYP

1A1

hydrolizuje wiele węglowodorów aromatycznych

do kancerogennych półproduktów

• CYP

1A2

metabolizm m.in.

kofeiny, aflatoksyny B

1

CYP1A kontrolowane przez

AhR

(

polimorficzny receptor

węglowodorów aromatycznych

) o zróżnicowanym

powinowactwie do induktora
AhR czynnikiem transkrypcyjnym (ligandem dioksyna,

WWA, halogenowe WA)

ok. 10% rasy kaukaskiej ma

AhR o wysokim powinowactwie

Etanol

Etanol

nie jest mutagenem ani karcynogenem,

ale w pewnych warunkach może wykazywać

działanie komutagenne i kokarcynogenne.

Spożywany w ilościach ponad 80 g dziennie

zwiększa ryzyko zachorowania na raka

przełyku 18-krotnie, palenie papierosów 5-

krotnie a oba czynniki łącznie 44-krotnie

Toksyczne działanie etanolu jest spowodowane

aktywnością produktów powstających

podczas jego przemian w organizmie oraz

jego wpływem na szybkość metabolizmu

ksenobiotyków

• Utlenianie 1 g etanolu do CO

2

i H

2

O

dostarcza 30 kJ (7 kcal) energii czyli
spożycie 100-120g alkoholu może
zaspokoić połowę dobowego,
podstawowego zapotrzebowania na
energię

• Etanol utlenia się w wątrobie przy

współudziale cytosolu i mitochondriów

1. Dehydrogenaza

alkoholowa – największa
aktywność w wątrobie i
żołądku

2. Cytochromy – tworzenie

wolnych rodników

3. Katalaza utlenianie z

utworzeniem H

2

O

2

4. Dehydrogenaza

aldehydowa

5. Oksydazy, ksantynowa i

aldehydowa

Etanol jest metabolizowany do aldehydu octowego, który
ulega przemianie do kwasu octowego.

Etanol jest

przekształcany do aldehydu octowego przez trzy różne systemy
enzymatyczne.

• Powstały octan jest aktywowany przez

połączenie z CoA-SH powstaje acetylo~S-CoA

• Cykl Krebsa
– powstanie nadmiaru NADH
– niedobór GTP → ograniczone utlenianie octanu

Efekty
→ wzrost produkcji tłuszczów, zahamowanie

cyklu Krebsa, glikolizy i glukoneogenezy,

hipoglikemia

→ Octan przenika do krwi i jest transportowany

do różnych narządów, najintensywniej proces

utleniania przebiega w mięśniu sercowym

BIOMARKERY

Do oceny efektów działania substancji

chemicznych na organizm oraz określenia

interakcji między układem biologicznym a

zagrożeniem środowiskowym (chemicznym,

fizycznym i biologicznym) służą biomarkery.

 
Biomarker –wskaźnik procesów zachodzących w

organizmie, pozwalający na ocenę wielkości

narażenia na czynniki chemiczne i efektów

działania w postaci skutków zdrowotnych, jakie

te czynniki powoduję w eksponowanym

organizmie.

 

Najczęściej wyróżnia się trzy klasy biomarkerów:
 
biomarkery ekspozycji:
egzogenne substancje lub ich metabolity, a także produkty
interakcji między czynnikiem chemicznym (ksenobiotykiem)
i docelowymi cząsteczkami lub komórkami; są one obecne i
mierzone w wewnętrznych przedziałach organizmu
biomarkery skutków (efektu) –
mierzalne biochemiczne, fizjologiczne, behawioralne i inne
zmiany zachodzące wewnątrz organizmu, które mogą być
rozpoznane jako łączące się z:
- już obecnymi,
-mogącymi się pojawić zaburzeniami zdrowia
biomarkery wrażliwości –
wskaźniki wrodzonej lub nabytej zdolności organizmu do
odpowiedzi wywołanej ekspozycją na specyficzny
ksenobiotyk
Część związków chemicznych o charakterze ksenobiotyków
po dostaniu się do organizmu może ulegać:
1. bioakumulacji.
2. biotransformacji.