Biotransformacja trucizn
Andrzej Kunt
Wykład VI
Biotransformacja trucizn
Andrzej Kunt
Wykład VI
Biotransformacja trucizn
Substancje obce ulegają w organizmie różnorodnym przemianom
chemicznym, czyli biotransformacji. Przemiany ksenobiotyków w organizmie
można podzielić na reakcje pierwszej fazy, czyli funkcjonalizacji, tj.:
utleniania, redukcji i hydrolizy, oraz reakcje drugiej fazy, czyli
sprzęgania (biosyntezy). Reakcje pierwszej fazy modyfikują strukturę
chemiczną sub stancji przez wytworzenie grup funkcyjnych, które są
niezbędne do procesu sprzęgania. Metabolity powstające podczas reakcji
drugiej fazy są na ogół bardziej polarne niż substancje macierzyste, a tym
samym łatwiej wydalają się z organizmu.
Niekiedy jednak produkty drugiej fazy ulegają aktywacji metabolicznej np.
do wolnych rodników (karboniowego, nitreniowego, episulfoniowego).
Przemiany te zaliczane są do reakcji trzeciej fazy biotransformacji.
Zazwyczaj każda substancja ulega w organizmie różnym przemianom, w
wyniku których tworzy się kilka, a nawet kilkanaście metabolitów.
Biotransformacja ksenobiotyków zachodzi przy udziale
enzymów zlokalizowanych w wątrobie, nerkach, płucach, jelicie
cienkim, łożysku, jądrach, jajnikach, skórze, siatkówce oka,
osoczu krwi.
Enzymy katalizujące utlenianie ksenobiotyków są zaliczane do
monooksygenaz*( dawniej: oksydazy o funkcji mieszanej). W
wyniku przebiegu reakcji jeden z atomów cząsteczki tlenu
zostaje wprowadzony do substratu, drugi zaś - kosztem donora
wodoru - redukuje się, tworząc cząsteczkę wody.
Reakcję katalizowaną przez monooksygenazy przedstawia
równanie:
RH + O2 + NADPH + H+ -> ROH + H2O + NADP
W wyniku biotransformacji ksenobiotyków powstają metabolity
o różnej aktywności biologicznej. W przypadku tworzenia się
produktów o słabszym działaniu toksycznym lub nieczynnych
biologicznie mamy do czynienia z detoksykacją. Taki
charakter mają zazwyczaj reakcje sprzęgania z kwasem
glukuronowym, siarkowym i glicyną oraz reakcje hydrolizy.
Także wiele metabolitów, utworzonych w wyniku redukcji i
utleniania wykazuje mniejszą toksyczność od substancji
macierzystych (hydroksylacja fenobarbitalu, demetylacja
morfiny).
Dość często w wyniku biotransformacji następuje aktywacja
metaboliczna substancji nieczynnej biologicznie lub
wykazującej słabe właściwości toksykodynamiczne do silnie
toksycznego metabolitu (utlenianie insektycydów
fosforoorganicznych, N-demetylacja kodeiny do morfiny,
utlenienie metanolu do formaldehydu, redukcja nitrobenzenu
do fenylohydroksyloaminy).
Bardzo niebezpieczne są silnie reaktywne metabolity, np.:
aldehydy, ketony, chinony, chinonoiminy, chlorki acylowe,
epoksydy oraz wolne rodniki, które przez tworzenie
toksycznych metabolitów tlenu zapoczątkowują peroksydację
lipidów, niszcząc błony biologiczne komórek.
Przykłady:
- hydroksylacja
Przykładem detoksykacji jest reakcja hydroksylacji
łańcucha bocznego barbituranów.
- epoksydacja
Epoksydacja polega na przyłączeniu do podwójnego wiązania
atomu tlenu. Metabolity epoksydowe są związkami silnie
reaktywnymi o działaniu mutagennym i rakotwórczym.
- dealkilacja
- oksydatywna deaminacja
- desulfuracja
Insektycydy pochodne kwasu tiofosforowego, tiobarbiturany,
pochodne tio-mocznika ulegają biotransformacji do
odpowiednich analogów tlenowych. Metabo lity te są zazwyczaj
bardziej toksyczne od substancji macierzystych. W wyniku de-
sulfuracji insektycydów fosforoorganicznych (np.
metyloparationu) powstają meta bolity, które są właściwymi
inhibitorami cholinoesterazy.
- biotransformacja alkoholi:
metylowego
etylowego
Reakcje sprzęgania:
- z kwasem glukuronowym (forma najczęstsza)
- z kwasem siarkowym (typowa detoksykacja)
- metylacja (małe znaczenie w biotransformacji)
- acetylacja (sprzeganie amin, sulfonamidów)
- sprzęganie z aminokwasami (najczęściej z gliceryną)
- sprzęganie z glutationem
Znaczenie procesów biotransformacji
w przebiegu zatrucia.
W mechanizmach toksyczności bardzo ważną rolę odgrywa
fakt odwracalności procesów biotransformacji. Raz
zmetabolizowany ksenobiotyk w każdej chwili może ulec
kolejnej biotransformacji, a to oznacza detoksykację lub
aktywację metabolitu.
- stres oksydacyjny (wolne rodniki)
Bardzo poważnym zagrożeniem dla komórki jest stres
oksydacyjny. Charakteryzuje się on obecnością zwiększonej
ilości reaktywnych wolnych rodników, których komórka nie jest
w stanie zdetoksykować.
- interakcje z endogennymi cząsteczkami docelowymi
Olbrzymia większość substancji toksycznych oddziałuje jednak z
endogennymi cząsteczkami docelowymi. W zależności od rodzaju
cząsteczki docelowej, jej funkcji i znaczenia w organizmie zatrucie będzie
miało różny przebieg i może objawiać się np. niedomogą pewnych funkcji
komórki, a w najgorszym przypadku przyczynić się do jej śmierci.
Szkody wyrządzone przez substancje toksyczne w organizmie mogą
zostać usunięte dzięki występowaniu licznych mechanizmów
naprawczych. Jednak uszkodzenie tych mechanizmów lub przekroczenie
zdolności naprawczych organizmu również będzie prowadzić do
powstania efektu toksycznego w postaci martwicy tkanki, zwłóknienia lub
rozwoju nowotworu.
Interakcje z materiałem genetycznym
Mutacje są to zmiany informacji genetycznej zawartej w
materiale genetycznym, która jest przekazywana następnym
pokoleniom komórek lub osobników. Mutacje mogą również
powstawać spontanicznie. Efekty mutagenne substancji
chemicznych i promieniowania oraz konsekwencje dla zdrowia
ludzkiego wynikające z narażenia na mutageny są
przedmiotem badań toksykologii genetycznej.
Rozróżniamy trzy rodzaje mutacji:
1. Mutacje genowe (punktowe) polegające na zmianie sekwencji nukleotydów
w jednym lub kilku segmentach kodujących w genie.
2. Mutacje chromosomowe (zwane także aberracjami chromosomalnymi)
dotyczące zmian w strukturze chromosomu. Można je obserwować metodami
cytologicznymi w mikroskopie świetlnym w postaci złamań chromosomów,
delecji, duplikacji, inwersji i translokacji materiału chromosomowego z jednego
chromosomu do innego. Niektóre z tych zmian mogą okazać się trwałe i mogą
być przekazywane w procesach podziałów komórkowych ich kolejnym
generacjom, a także przyszłym pokoleniom.
3. Mutacje genomowe dotyczące zmiany liczby chromosomów w genomie.
Zmiany aneuploidalne polegają na zwiększeniu lub utracie jednego lub kilku
chromosomów. Zmiany poliploidalne obejmują wzrost liczby zestawów
chromosomów, np. z 46 do 69.
Mechanizm działania rakotwórczego
Jakkolwiek czynniki genotoksyczne wywołują mutacje w wielu
genach, to jednak w celu zapoczątkowania transformacji
nowotworowej istotna jest mutacja w niewielkiej liczbie genów
kontrolujących cykl komórkowy, transdukcję sygnału, regulację
transkrypcji oraz prawidłową naprawę uszkodzeń DNA.
Ponad 30% związków wykazujących in vivo działanie rakotwórcze
nie daje pozytywnych wyników w testach na genotoksyczność. Są
to niegenotoksyczne kancerogeny i(lub) promotory wzrostu
nowotworowego. Działają one przez nasilenie procesów podziału
komórek i zahamowanie apoptozy. Hamują one także
międzykomórkową wymianę informacji, zapobiegając interwencji
sąsiadujących komórek.
Wśród niegenotoksycznych kancerogenów wyróżniamy:
1) ksenobiotyki pobudzające mitozę: fenobarbital, estry forbolu,
proliferatorylperoksysomów (klofibrat, nafenopin), insektycydy
chloroorganiczne (DDT, aldrin, chlordan, dieldryna), TCDD, dibromek etylenu,
azotan ołowiu(II),
2) endogenne mitogeny: czynniki wzrostu, np. TGF-oc, estrogeny pobudzające
mitozę komórek gruczołu sutkowego i wątroby, tyreotropina stymulująca
komórki pęcherzykowe tarczycy, gonadotropina B (luteinizing hormone, LH)
pobudzająca rozrost komórek śródmiąższowych jąder,
3) związki chemiczne podawane przez dłuższy czas, wywołujące przewlekły
stan uszkodzenia komórki, czyli indukujące martwicę komórek, której
następstwem jest regeneracyjna proliferacja. Czynnikami indukującymi mogą
być: chloroform, tetrachlorek węgla, limonen, częściowa hepatektomia i
wirusowe zapalenie wątroby.
Podsumowując, proces powstawania nowotworu obejmuje
etapy inicjacji, promocji i progresji.
W pierwszych dwóch etapach znaczącą rolę odgrywają
ksenobiotyki i ich aktywne metabolity.
Dziękuję za uwagę