Katedra Biochemii Farmakologii

i Toksykologii Wydział Medycyny

Weterynaryjnej Uniwersytetu

Przyrodniczego we Wrocławiu

Trucizny i ich właściwości

opracował prof. dr Marcin Świtała

Materiały wykładowe z przedmiotu

Toksykologia weterynaryjna i Ochrona

Środowiska (w.1b/2010)

Definicje:

Trucizna to substancja , która po wchłonięciu

do o

rg

r anizm

z u

m lub w

y

w two

w rzo

z na w

w org

r anizm

z i

m e

e

powoduje zaburzenia jego funkcji lub

śmierć. . PTT 1994

Truciznę można zdefiniować jako substancję,

która po wprowadzeniu do organizmu

wywołuje w nim uszkodzenia, zaburzenia

czynności fizjologicznych i śmierć.

Bardzo toksyczna substancja powoduje te

skut

u ki p

o

p pod

p

an

od

i

an u

u bar

b

dz

d o

z małych

h i

lości

(dawek), natomiast substancja mało toksyczna

wywiera działanie szkodliwe po podaniu w

odpowiednio dużej ilości.

Chmielnicka 1990

Toksyna to substancja trująca produkowana

przez żywy organizm: bakterie, grzyby, rośliny

lub zwierzęta.

Jad - to wyd

o w

z

yd i

z elina

n pr

p od

r

u

od k

u owan

ow

a

an pr

p ze

z z

z

gruczoły organizmów wyższych (np. owadów,

węży i in.), zawierająca toksyny,

wykorzystywana do celów obronnych lub

drapieżnych.

Ksenobiotyk to substancja chemiczna, obca dla

organizmu, nie będąca jego naturalnym

składnikiem, stanowiąca w organizmie zawsze

czynnik egzogenny.

Definicja ta obejmuje większość trucizn i leków.

Ważną grupę ksenobiotyków, z toksykologicznego

punktu widzenia, stanowią związki chemiczne

otrzymane przez człowieka, o strukturze chemicznej

nie występującej w przyrodzie.

Ksenobiotyki tego rodzaju określane są często jako

tzw. materiał antropogenny.

Podział trucizn

kryterium -

budowa chemiczna

nieorganiczne, organiczne

pochodzenie

naturalne, syntetyczne

źródło narażenia

•p

• r

p ze

z mysłowe

ow ,

•rolnicze,

•paszowe,

•środki stosowane w lecznictwie,

•środki stosowane

w gospodarstwie domowym i in.

Podział trucizn

kryterium -

miejsce działania

o działaniu miejscowym

i wywoływania

uszkodzeń

o działaniu ogólnym

uszkodzeń

o działaniu ogóln

uszkadzające np.

tkankę nerwową

krew

narządy miąższowe

mitozę i inne

Podział trucizn

kryterium -

mechanizm działania z uwzględnieniem miejsca uszkadzania 1. ż

1. r

ż ąc

ą e i d

r

d aż

a n

ż i

n ąc

ą e w

w miejscu

u k

ont

on aktu

2. wywołujące śmierć z powodu anoksji

3. uszkadzające narządy miąższowe i naczynia

krwionośne (trucizny protoplazmatyczne)

4. działające na centralny układ nerwowy

Podział trucizn

kryterium -

analityka chemiczna (ze względu na drogę

wyodrębniania z materiału biologicznego)

1. l

1. otne

n w

w fazi

az e wod

w

n

od e

n j (de

d styluj

u ąc

ą e s

ię z

z par

p

ą wod

w

n

od ą

n )

ą

- ekstrahujące się ze środowiska kwaśnego

- ekstahujące się ze środowiska zasadowego

2. rozpuszczalne w wodzie

3. rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych

4. wymagające mineralizacji

Ilość trucizny a działanie toksyczne

Wszystko j

ko est t

ruc

u izną

n

ą i

ni

n c n

i

n ą n

ą i

n e j

est.

Daw

D

ka de

aw

cyduj

du e t

ylko, c

ko, zy c

oś ni

n e j

est t

ruc

u izną

n .

Paracelsus (1525)

Wpływ trucizny na organizm jest funkcją

osiąganego przez nią stężenia i czasu działania.

E - efekt

c - stężenie

t - czas

c

E

E =

c

.

t

t

Na podstawie przedstawionej graficznie zależności można przyjąć, że do efektu toksyczny mogą wywołać nie tylko duże ilości trucizny w krótkim czasie, ale także małe jej ilości działające w odpowiednio długim czasie.

Rodzaje dawek trucizn

1. dawka podprogowa (obojętna) - to taka ilość pobranej substancji, po której nie występują objawy jej wpływu na organizm.

2. dawka minimalna (progowa, graniczna), - to taka ilość trucizny, po podaniu której występują pierwsze objawy jej uszkadzającego działania.

3. dawki toksyczne (trujące) - to takie ilości trucizny, po wprowadzeniu których występują najczęściej odwracalne objawy zatrucia.

4. d

awk

w i

i ś

mi

m e

i r

e t

r el

e n

l e (le

l t

e a

t l

a n

l e)

e -

to

t t

a

t k

a ie

i

e i

l

i o

l ści

c

i t

r

t uci

c z

i n

z y,

y k

tó

t re

e u

c

z

c ę

z ś

ę ci

c

i l

u

l b

całej populacji zwierząt wywołują uszkodzenia prowadzące do śmierci. W zależności od odsetka padłych zwierząt, dawki śmiertelne oznacza się odpowiednimi wyznacznikami

liczbowymi np. DL , DL , DL , DL

.

1

10

50 ,

100

DL

D

- nos

n i naz

n

w

az

medialnej dawki miertelnej

50

ę medialnej dawki śmiertelne

Ocena siły toksycznego działania ksenobiotyków

Ocenę tą wyznacza porównanie doświadczalnie wyznaczonej medialnej dawki śmiertelnej ( DL

) a następnie jej porównanie

50

z wartościami klasyfikacji toksyczności.

Często wykorzystuje się klasyfikacje zaproponowaną przez Hodge

H

'a i St

S ernera.

Przyjęto w niej 6 klas toksyczności ksenobiotyków na podstawie wartości DL lub CL

uzyskanych dla danej substancji w trzech

50

50

testach toksyczności ostrej:

na szczurach po podaniu per os

na szczurach po podaniu inhalacyjnym

na królikach po podaniu dermalnym

Klasyfikacja toksyczności ksenobiotyków

zaproponowana przez Hodge'a i Sternera.

klasa

określenie

DL50 per os

CL50

DL50

toksyczności

u szczura

inhalacyjnie

dermalnie

g/kg

u szczura

u szczura

ppm

g/kg

1

nadzwyczaj

<0.001

<10

<0.005

toksyczna

2

bardz

d o

z

0.0

. 5

0

100

0

0.0

. 4

0 3

toksyczna

3

średnio

0.5

1 000

0.34

toksyczna

4

słabo

5.0

10 000

2.81

toksyczna

5

praktycznie

15.0

100 000

22.6

nietoksyczna

6

stosunkowo

>15.0

>100 000

>22.6

nieszkodliwa

Właściwości trucizn warunkujących ich toksyczność

I. Właściwości fizykochemiczne

• rozpuszcalność w tłuszczach i wodzie

• zdolność dysocjacji

• temperatura wrzenia i parowania

• wi

w elkoś

o ć c

zą

z s

ą teczk

z i

• cechy organoleptyczne

II. Budowa chemiczna

• obecność bardzo aktywnych grup chemicznych

• charakter izomerii

corpora non agunt nihil nisi fluida

substancje nie reagują

Roz

R

p

oz u

p s

u zc

z zal

z no

n ść

jeżeli nie są rozpuszczone

truc

u izn

z y

n

działanie toksyczne może przejawiać tylko ksenobiotyk rozpuszczalny w tłuszczach i (lub) w wodzie.

Istotne jest rozmieszczanie się ksenobiotyku na granicy faz :

az lipi

p dow

d

e

ow j i

wod

w

n

od e

n j

Lipofilny charakter ksenobiotyku

Związki hydrofilne

oznacza

- z trudem przenikają przez

- łatwość biernego przechodzenia przez

błony lipidowo-białkowe

błony lipidowo-białkowe

- mają utrudniony dostęp do

- zdolność odkładania się w tkance

wewnątrzkomórkowych

tłuszczowej

enzymów degradujacych

- dla wielu związków również zdolność

- praktycznie nie ulegają

przenikania przez barierę krew-mózg resorbcji zwrotnej w nerkach

Miarą rozmieszczania się ksenobiotyku na granicy faz jest wsp

s ół

p czy

z nn

n i

n k

k

pod

p

z

od i

z ału

u okt

ok anol

an (olej) /

w

oda

od

Model podziału na granicy oktanol/woda

imituje w organizmie dwa przenikające się

środowiska :

oktanol

wodne i lipidowe jako odpowiedniki

woda

środowisk: krew - tkanka tłuszczowa,

krew - lipidy tkanki nerwowej

a na poziomie komórkowym :

płyn lipidy płyn śródtkankowy - błony komórkowej - wewnątrzkomórkowy (cytosol)

Wartości współczynnika olej/woda dla niektórych ksenobiotyków: alkohol etylowy - ok. 0,05; fenol - ok. 0,5; anilina - ok. 5.0; benzen ok.- 100; trójchloroetylen ok. -

400; ksylen - ok. 6000

Inny współczynnik podziału woda/powietrze (istotny dla gazów i par) określa zdolność wchłaniania ksenobiotyku przez płuca.

Zd

Z ol

d no

n ść dys

d ocjacji

HR H+

+ R-

oznacza "egzystencję" ksenobiotyku w organizmie w dwóch formach: nie

i z

e d

z ysocj

c owa

w nej

e

j -

prz

r y

z z

w

z .

w org

r anic

i z

c n

z ych

c b

ard

r zi

z e

i j

e l

i

l p

i ofil

i n

l ej

e s

tąd

łatwiej penetrującej błony komórkowe,

zdysocjowanej - zmieniającej przewodność elektryczną fazy wodnej, stąd oddziałującej istotnie na mobilność jonów

przez błony (kanały jonowe)

Proporcja stężeń obu form zależy od odczynu środowiska (pH)

Miarą zdolności dysocjacji jest stała dysocjacji - K

H+ + R-

K = -----------

HR

Pochodną tej wielkości dla dysocjujących związków

jest wartość pKa

pK = -log K

a

Stanowi ona informację o stopniu dysocjacji związku w

środowisku o danym pH (gdy pH jest mniejsze od pK dla

a

związku o charakterze kwaśnym występuje on wówczas

głównie w formie niezdysocjowanej, zaś związek zasadowy głównie w formie zdysocjowanej i odwrotnie).

W tabeli podano zachowanie się proporcji formy niezdysocjowanej i zdysocjowanej (ASA/ASA-) kwasu acetylosalicylowego o pKa = 3.5 w środowiskach o różnym pH

środowisko

pH

ASA

ASA-

forma

forma

niezdysocjowana

zdysocjowana

krew/płyn tkankowy

7,4

1

8000

tr

t e

r ś

e ć

ś

ć ż

o

ż łą

ł d

ą ka

1,0

,

1

0

,0

, 03

treść jelit

5,3

1

64

mocz kwaśny

6,8

1

2000

mocz zasadowy

7,8

1

20000

Znajomość tych zależności daje możliwość oddziaływania na kinetykę trucizny np.

przez odpowiednie zmiany pH w żołądku (wpływ na wchłanialność) lub pH w moczu (wpływ resorbcję zwrotną w nefronie)

Wchłanianie z żołądka słabego kwasu lub zasady

w zależności od pH treści

substancja

pKa

wchłanianie z żołądka (%)

pH = 1 pH = 8

kw

k a

w s

a

s s

a

s l

a i

l c

i y

c l

y o

l w

o y

w

3,

3 0

,

61

6

13

1

anilina (zasada)

4,6

6

56

Te

T mpe

p ratur

u a w

a r

w ze

z ni

n a i par

p

ow

ar

an

ow

i

an a

Istotna dla cieczy o stosunkowo niskiej temperaturze wrzenia i parowania, łatwo nasycających środowisko.

Niska temperatura wrzenia i parowania może istotnie

zwiększać toksyczność ksenobiotyku.

Przykładem są homologi benzenu.

Benzen ma zbliżoną DL do swoich homologów (toluenu,

ksylenu, etylobenzenu) lecz jest kilkukrotnie bardziej toksyczny, przy narażeniu przez wdychanie z powodu niższej temperatury parowania, co istotnie podnosi prężność jego pary.

Wi

W el

e ko

k ść

ć cz

c ą

z stec

e ze

z k

Stan rozdrobnienia (dyspersja) ksenobiotyków jest bardzo istotny zwłaszcza dla ich wchłaniania przez płuca. Drobne cząstecki wchłaniają się zdecydowanie lepiej, co zwiększa toksyczność związku.

Dot

D yczy

z to s

o ub

u s

b tacji ciekłych

h (

aeroz

r

ol

oz e) jak i

s

tałych

h (

pył

p y)

Np. tlenek cynku uważany za substancję o niskiej toksyczność po wchłonięciu z dymem (odlewnie) w którym wielkość jego

cząsteczki wynosi ok. 0,1-0,3 µm wywołuje ostre objawy zatrucia zwanego gorączką odlewników

Ce

C c

e h

c y o

rg

r anolep

e tycz

c n

z e

Brak zapachu i smaku zwiększa prawdopodobieństwo

pr

p zyp

z

ad

yp

k

ad owe

ow go lub

u m

b

oż

o l

ż iwo

w ś

o ć celowe

ow go zat

go z ruc

u ia (np

n .

p

związki arsenu)

Budowa chemiczna ksenobiotyku warunkuje:

a. zdolność wiązania z związkami wykazującymi wyżej zorganizowaną strukturę przestrzenną, najczęściej białkami enzymatycznymi lub strukturalnymi, a także kwasami nukleinowymi - w miejscach określanymi jako receptory dla ich działania.

(decyduje to o uszkadzaniu przez tego rodzaju trucizny w pierwszym etapie działania -

określonych struktur komórkowych)

b. siłę wiązania z endogennymi związkami w organizmie wynikającą głównie z układu elektronów w cząsteczce ksenobiotyku od czego zależy zdolność oddawania lub przyjmowania prz

r e

z z

e

z tą

ą cz

c ą

z s

ą tec

e z

c k

z ę

ę el

e ek

e tro

r nów

w w

w za

z c

a h

c odzą

z c

ą e

c j

e re

r a

e k

a cj

c i (

d

( ec

e y

c d

y uje

e to o

dwr

w a

r c

a a

c l

a ności

c lub

nieodwracalności reakcji trucizny z tkankami organizmu) c. sposób degradacji metabolicznej ksenobiotyku przez enzymy organizmu, co związane jest z rodzajem najbardziej aktywnych grup (podstawniów) w jego cząsteczce (decyduje to o rodzaju powstających metabolitów)

d. wpływa na jego właściwości fizykochemiczne (rozpuszalność, zdolność dysocjacji, aktywność powierzchniową,) determinujące zdolność wchłaniania, rozmieszczania się w organizmie i sposób eliminacji a także niektóre rodzaje działania toksycznego np. działanie na centralny system nerwowy.

Działanie toksyczne ksenobiotyku zależy oczywiście

od zasadniczej struktury chemicznej jego cząsteczki,

lecz także uwarunkowane jest :

rod

r

z

od aj

z em i u

k

u łade

ad m p

od

p

s

od tawn

aw i

n ków,

ów

izomerią związku oraz

rodzajem wiązań występujących w cząsteczce.

Podstawniki zazwyczaj zmniejszające toksyczność

związku:

grupa

działanie

karkoksylowa duża hydrofilność i dobre wydalanie z moczem,

-COOH

łatwość sprzęgania w proceach detoksykacyjnych

sulfonowa

zwiększenie rozpuszczalności w wodzie i dobre

-SO3H

wydalanie przez nerki

sy

s l

y f

l h

f y

h d

y r

d y

r l

y o

l w

o a

w

ut

u l

t e

l n

e i

n a

i

a s

i

s ę

i

ę d

o

d

o m

a

m ł

a o

ł

o t

o

t k

o s

k y

s c

y z

c n

z y

n c

y h

c

h z

w

z i

w ą

i z

ą k

z ó

k w

ó

(tiolowa)

sulfonylowych i poddaje reakcji sprzęgania, duża

-SH

aktywność grupy w reakcjach oks.-red.

acetylowa

duża reaktywność tych grup w procesach

-CH3CO

biotransformacji z wyraźną tendencją do

metoksylowa przechodzenia w związki mniej toksyczne

-CH3O

etoksylowa

-C2H5O

diazowa

-N=N-

Podstawniki zazwyczaj zwiększające toksyczność związku: grupa

działanie

nitrowa -NO2 silne działanie utleniające, methemoglobinotwórcze nitrozowa - NO (utlenianie żelaza dwu- do trójwartościowego) aminowa

działa silnie methemoglobinotwórczo -j.w. w aminach

-NH2

alifatycznych i aromatycznych uwalnia się ze

związków alifatycznych jako amoniak uszkadzający

wtórnie centralny system nerwowy

cyjanowa

tworzy nieodwracalne połączenia z układami

-CN

oddechowymi (cytochromy i hemoglobina)

o sile związku decyduje jednak zdolność dysocjacji

ch

c loro

r w

o ce

c

postaw

a i

w en

e ie

e w

o

w doru

r c

h

c loro

r wc

w e

c m

m w

w z

w

z i

w ąz

ą k

z ac

a h

c

organicznych zwiększa ich toksyczność

fluor F

najbardziej toksyczne są proste fluorki, fluorowane

węglowodory (m. in. freony) są mało toksyczne bo nie

uwalniają wolnego fluoru - mają zdolność wiązania i

przenoszenia tlenu

chlor Cl

łatwiej od fluoru odłącza się od związków organicz-

nych, zwiększenie liczby podstawnika zwiększa

wyraźnie toksyczność w związkach alifatycznych i

aromatycznych

brom Br

związki tych chlorowców są zazwyczaj bardziej

jod J

toksyczne niż analogiczne związki chloru

Podstawniki zmniejszające lub zwiększające

toksyczność w zależności od rodzaju związku:

grupa

działanie

hydroksylowa - spadek toksyczności w związkach alifatycznych

-OH

- wzrost toksyczności w związkach aromatycznych

me

m t

e yl

y o

l w

o a

w

b

r

b a

r k

a

k w

y

w r

y a

r ź

a n

ź y

n c

y h

c

h z

a

z l

a eż

e n

ż o

n ś

o c

ś i

c ,

i

- wzrost toksyczności wraz z liczbą grup w związ-

kach aromatycznych i rozgałęzień w związkach

alifatycznych

- metylowanie związków w wątrobie wywołuje

spadek ich toksyczności

2. Wpływ izomerii na toksyczność ksenobiotyku

Izomeria strukturalna

W związkach cyklicznych położenie podstawników względem siebie wyraźnie wpływa na ich toksyczność.

Uszeregowanie toksyczności różnego rodzaju wzajemnych położeń pod

o sta

t wn

w ik

i ó

k w

ó o

d n

aj

a mn

m ie

i jsz

s ej

j d

o

o n

aj

a wi

w ęk

ę sze

z j.

j

orto < meta < para

Izomeria optyczna

Lewoskrętne izomery trucizn są dla organizmu zwierząt bardziej toksyczne. Organizm zbudowany jest z lewoskrętnych aminokwasów tworzących białka i dlatego izomeria lewoskrętna zwiększa udział

trucizn w przemianach.

t

o

t k

o s

k yc

y zno

n ś

o ć

ś

D-izomer < L-izomer

Nie jest to jednak żelazną regułą. Np. prawoskrętny izomer amfeta- miny działa na centralny system nerwowy 3-4 razy silniej niż izomer lewoskrętny

W świecie bakterii występują D- aminokwasy i białka. W związku z tym D- izomery antybiotyków są aktywniejsze niż formy lewoskrętne.

3. Wpływ wiązań nienasyconych

obecność wiązań nienasyconych zwiększa aktywność chemiczną (duży potencjał oksydacyjny), hydrofilność, ułatwia wchłanianie przez płuca, zwiększa toksyczność np. przez utlenianie grup -SH

4. Wpływ długości łańcucha i jego rozgałęzień

Wydłużenie łańcuch zw. alifatycznego i rozbudowa jego rozgałęzień zwiększa jego toksyczność przez zwiększenie rozpuszczalności związku a tym samym jego biodostępności.