TOKSYKOLOGIA - WYKŁAD 2

Trucizny. Ogólne zagadnienia toksykologiczne

! Trucizna:

Trucizna - jest to substancja, która po wchłonięciu do organizmu lub wytworzona w organizmie powoduje zaburzenie jego funkcji lub śmierć

• naturalne( zootoksyny i fitotoksyny)

• syntetyczne

1. zoocyty- toksyny zwierzęce

Jad wydalany przez:

• gąbki,

• jamochłony,

• skorupiaki,

• stawonogi

• gady,

• płazy

• owady

• ryby

2. fitotoksyny- toksyny roślinne

• glikozydy cyjanogenne

• alkaloidy(kokaina)

• polipeptydy

• amigdalina (gencjobiozyd)- migdały, pestki wiśni

• aflatoksyna- pleśń Aspergillus flavus

• haszysz-żywica z konopi

• marihuana- liscie i szczyty roślin z konopi

• opium- mleczko makowe

• meskalina- kaktusy (Lophophora Williamsi)

• atropina- wilcza jagoda

! Cele i zadania toksykologii:

• prowadzenie badań mających na celu rozszerzenie wiedzy o szkodliwym działaniu związków chemicznych

• ocena ryzyka, jakie stanowią substancje chemiczne dla organizmów żywych w zależności od ich poziomu w środowisku człowieka

• zalecanie społeczeństwu środków kontroli i zapobiegania szkodliwym skutkom działania związków chemicznych

• monitoring związków chemicznych

• rozpoznawanie i leczenie zatruć

! Podstawowe definicje toksykologiczne:

Narażenie (ekspozycja) - fizyczny kontakt żywego organizmu z czynnikiem chemicznym, fizycznym lub biologicznym, wyrażony stężeniem lub natężeniem i czasem trwania

Efekt - każda biologiczna zmiana w organizmie, narządzie lub tkance spowodowana lub związana z narażeniem na substancje chemiczną

Efekt szkodliwy - nieodwracalna zmiana biologiczna pojawiająca się podczas lub po narażeniu na substancję chemiczną. Jest to uszkodzenie czynnościowe lub uszkodzenie morfologiczne, które może wpływać na wydolność całego organizmu lub może zmniejszać jego sprawność w warunkach dodatkowego obciążenia( wysiłek fizyczny).Może również zwiększać wrażliwość na działanie innych czynników.

Stężenie krytyczne w komórce jest to stężenie, przy którym zachodzą zmiany czynnnościowe komórki odwracalne lub nieodwracalne, niepożądane lub szkodliwe.

Narządem krytycznym nazywamy narząd, który jako pierwszy osiąga stężenie krytyczne substancji toksycznej.

Podział nauk toksykologicznych:

• Toksykologia ogólna

• mechanizmy działania trucizn

• losy trucizn w organizmie

• powstawanie i przebieg zatruć

• interakcje toksykologiczne

• Toksykologia szczegółowa

1. Toksykologia teoretyczna

• opracowywanie i zastosowanie modeli matematycznych w toksykologii

2. Toksykologia doświadczalna

• toksykologia metali

• pestycydów;

• rozpuszczalników;

• tworzyw sztucznych;

• promieniowania jonizującego;

Dziedziny toksykologii

• T. lekow

• T. zawodowa

• T. środowiskowa

• T. żywności

• T. pestycydów

• T. kliniczna

• T. sądowo- lekarska

• T. wojskowa

• T. ustawodawcza

Toksykologia ogólna:

Zajmuje się definiowaniem podstawowych pojęć i terminów (takich jak: trucizna, zatrucie, toksyczność) oraz uogólnionym zapisem zjawisk i współzależności warunkujących powstawanie, rozwój i siłę działania toksycznego.

Toksykologia szczegółowa:

Zajmuje się systematycznym badaniem i opisem trucizn, uwzględniając podział na grupy (wynikający z ich budowy chemicznej, właściwości i zastosowań)

• toksykologia leków

• toksykologia metali

• t. rozpuszczalników

• t. środków ochrony roślin i środków chemicznych stosowanych w rolnictwie

• t. tworzyw sztucznych i środków stosowanych w gospodarstwie domowym

• t. związków promieniotwórczych

Toksykologia doświadczalna:

Opracowuje modele badawcze, umożliwiające śledzenie trucizn w organizmie, mechanizmów toksycznego działania

• t. środowiskowa

• t. przemysłowa

• t. żywności

! Definicja dawki i sposoby jej określania:

Toksyczne działanie substancji leczniczej zależy od jej dawki, czasu narażenia i stężenia w narządzie lub układzie tarczowym.

Dawka - ilość substancji chemicznej podana, pobrana lub wchłonięta do organizmu w określony sposób, warunkująca brak lub wystąpienie efektów biologicznych wyrażonym odsetkiem organizmów odpowiadających na tę dawkę.

• dawka wyrażona jest w jednostkach wagowych na masę lub powierzchnie ciała ,niekiedy dodatkowo na dobę np. .mg/kg, m.c., μg/m².

Rodzaje dawek:

• dawka graniczna lub dawka progowa( dosis minima, DM) - ilość substancji wywołująca pierwsze dostrzegalne skutki biologiczne

• określane jest to progiem działania, który zdefiniowano jako najmniejsze narażenie lub najmniejsza dawka, która powoduje zmiany biochemiczne, przekraczające granice przystosowania homeostatycznego.

• dawka lecznicza(dosis therapeutica, dosis curtiva,DC) - wywołuje działanie farmakoterapeutyczne i nie wywołuje istotnych zakłóceń procesów fizjologicznych.

• dawka toksyczna (dosis toxica,DT)- taka ilość substancji która po wchłonięciu do organizmu wywołuje efekty toksyczne.

• dawka śmiertelna (dosis letalis,DL)-ilość substancji która wywołuje śmierć organizmu po jednorazowym podaniu

• dawka śmiertelna medialna /median lethal dose LD50/ - statystycznie obliczona na podstawie wyników badań doświadczalnych ilość substancji chemicznej, która powoduje śmierć 50% populacji badane

• dawka pobrana - ilość substancji zawarta w przyjmowanym pokarmie, wdychanym powietrzu lub materiale nałożonym na skórę.

• dawka wchłonięta - ilość substancji, która przeniknęła przez granicę faz do organizmu ze środowiska zewnętrznego

• dawka referencyjna / RfD/ -oszacowane dzienne narażenie populacji ludzkiej / z uwzględnieniem grup wrażliwych/ , które nie powinno spowodowac występowania szkodliwych skutków w ciągu całego życia

Zatrucia wśród ludzik
zatrucia rozmyślne		zatrucia przypadkowe
samobójcze	zbrodnicze	leki(50% ogółu zatruć) alkohol metylowy tlenek węgla środki ochrony roślin chemikalia używane w gospodarstwie domowym skażona żywność
leki(barbiturany, benzodiazepiny, fenatiazyny) chinina tal fosforek cynku gaz	arszenik strychnina sublimat cyjanek potasu

! Rodzaje zatruć:

Zatrucie - jest to proces chorobowy z klinicznymi objawami podmiotowymi i przedmiotowymi, wywołany przez substancje chemiczna pochodzenia egzo- lub endogennego

• zatrucie ostre - charakteryzuje się szybkim rozwojem szkodliwych zmian w organizmie, powstających w ciągu krótkiego czasu po wprowadzeniu jednorazowej dawki trucizny dożołądkowo, inhalacyjnie lub na skore

• objawy uszkodzenia organizmu lub śmierć organizmu występują po 24 godzinach

• objawy kliniczne charakteryzują się duża dynamika.

• zatrucie podostre - szkodliwe zmiany w organizmie występują mniej gwałtownie po podaniu jednorazowej lub kilkakrotnej dawki.

• w zatruciach podostrych wykrycie powstałych zmian patologicznych jest możliwe po zastosowaniu fizjologicznych badań czynnościowych narządów.

• zatrucia przewlekle- powstają wskutek działania małych dawek trucizny zwykle kumulującej się w organizmie, wchłanianych przez dłuższy okres

• zatrucia te maja najczęściej charakter zatruć przypadkowych np. zatrucia przemysłowe

! Losy trucizny w ustroju:

Los substancji obcych w organizmie - metabolizm ksenobiotykow

Metabolizm ksenobiotyków:

• wchłanianie (absorpcja)

• rozmieszczenie (dystrybucja)

• przemiany biochemiczne (biotransformacja)

• wydalanie

Wchłanianie

Wchłanianie(absorpcja) - polega na przejściu substancji ze środowiska zewnętrznego do krążenia ogólnego (krew, chłonka)

• drogi wchłaniania:

• pokarmowa

• skórna (dermalna)

• wziewna(inhalacyjna)

• pozajelitowa (parenteralna)-dożylna, dootrzewnowa, domięśniowa, podskórna, dordzeniowa

• przez jamy ciała- dospojówkowa, donosowa, doodbytnicza, dopochwowa

Wchłanianie przez skórę

• powierzchnia skory dorosłego człowieka wynosi 1.25-2.0 m²

• transport transepidermalny- zachodzi przez warstwy komórek naskórka oraz przestrzenie międzykomórkowe za pomocą dyfuzji biernej lub absorpcji konwekcyjnej

• dyfuzja bierna- związki organiczne o dużym współczynniku podziału olej woda(>1) i małym stopniu jonizacji:




• węglowodory aromatyczne i alifatyczne

• aminy aromatyczne

• związki nitrowe

• fenole

• insektycydy fosforoorganiczne

• disiarczek węgla

• tetraetylek ołowiu

• gazy(cyjanowodór, siarkowodór, amoniak)

• pary(nitrobenzen, anilina, fenol)

• transport folikularny - zachodzi przez przydatki skóry, głównie przez gruczoły łojowe i mieszki włosów, w mniejszym stopniu przez gruczoły potowe. Wchłanianie przez mieszki włosowe i gruczoły łojowe następuje za pomocą absorpcji konwekcyjnej / ułatwia to przenikanie substancji przez struktury hydrofobowe skóry z ominięciem bariery naskórka :

• elektrolity, metale cięzkie / połączenia organiczne/

Wchłanianie przez układ oddechowy

• trucizny wchłaniane tą drogą są rozprowadzane z krwią, z ominięciem wątroby do tkanek i narządów

• wchłanianie par i gazów - dyfuzja

• górne drogi oddechowe - amoniak, chlorowodór, etanol

• pęcherzyki płucne - ozon, tlenek azotu, benzen, fosgen

• wchłanianie aerozoli, pyłów, dymów i mgieł

• średnica aerodynamiczna uwzględnia kształt i gęstość cząsteczek

• cząsteczki o wymiarach 5-30 μm /siła bezwładności/ - jama nosowo-gardłowa, krtań, rozgałęzienie drzewa oskrzelowego

• cząsteczki o wymiarach 1-5μm /siła grawitacji/ -tchawica, oskrzela, pęcherzyki płucne

Wchłanianie z przewodu pokarmowego

Wyróżnia się:

• transport przenośnikowy- /glukoza, galaktoza, aminokwasy, pirymidyny, jony wapniowe, sodowe, żelazowa/

• transport aktywny - / 5-fluorouracyl, 5-bromouracyl, nieorganiczne związki metali ciężkich -żelazo, wapń, ołów, stront, kobalt/

• jama usta / dyfuzja/ - nitrogliceryna, kokaina, nikotyna, cyjanki, alkohole

• żołądek / dyfuzja/ - kwasy pKa > 1, słabe zasady pKa < 3 / kofeina, teofilina, fenazon, acetanilid/

• jelito/ dyfuzja bierna, transport przenośnikowy, pinocytoza/ - lipofilne nieelektrolity, słabe kwasy i zasady

Efekt pierwszego przejścia - przedustrojowa eliminacja

Ksenobiotyki wchłonięte z przewodu pokarmowego / z wyjątkiem jamy ustnej, przełyku i częściowo odbytnicy/ trafiają z krwią żylną poprzez żyłę zwrotną do wątroby. W wątrobie ulegają biotransformacji do różnych metabolitów i wydaleniu do żółci lub zatrzymane w tym narządzie i nie przedostają się do krążenia ogólnego.

! Rozmieszczenie trucizn:

Uzależnione jest od takich czynników jak:

• czynniki fizjologiczne

• właściwości fizykochemiczne

• pojemność minutowa serca

• szybkość dyfuzji

• powinowactwem do krwi i tkanek

Wiązanie ksenobityków z białkami osocza

• Albuminy - barbiturany, salicylany, sulfonamidy, penicylina, streptomycyna, tetracykliny, chloramfenikol, kwas askorbinowy, niektóre metale/ Cu, Zn, Ca, Cd/, imipramina, histamina, tyroksyna, bilirubina.

• Globuliny - cyjanokobalamina, tyroksyna, insektycydy polichlorowane, witaminy ADEK, cholesterol

• Ceruloplazmina - miedź

• Transferyna - żelazo

Zjawisko kumulacji ksenobiotyków:

1. kumulacja w tkance tłuszczowej- związki lipofilne

• insektycydy polichlorowane

• polichlorowane bifenole

• tiobarbiturany

• tetratlenek ołowiu

• kumulacja w tkance kostnej

• ołów

• stront

• rad

• fluor

! Biotransformacja ksenobiotyków:





reakcje I fazy reakcje II fazy

REAKCJE I FAZY _- mikrosomalne reakcje oksydo- redukcyjne




• hydroksylacja węglowodorów

• epoksydacja,

• dealkilacja

• oksydatywna deaminacja

• N-oksydacja

• N-hydroksylacja

• S-oksydacja

• desulfuracja

• redukcja związków azowych i nitrowych

• jednoelektronowe reakcje utleniania i redukcji




Mikrosomalne enzymy biorące udział w reakcjach I fazy: monooksygenazy, hydroksylazy, oksydazy

Cytochrom P-450 - katalizuje aktywację tlenu cząsteczkowego i wbudowanie go w strukturę ksenobityków lub substancji pochodzenia endogennego

Rodzina cytochromów P-450 / człowiek 15/ → CYP białko i geny kodujące cyt P-450

Charakterystyka wybranych izoform cytochromu P-450

izoenzym	przykłady substratu	reakcja metaboliczna
CYP1A1	WWA	hydroksylacja
CYP1A2	fenacetyna	O-dealkilacja
CYP2A1	testosteron	7α-hydroksylacja
CYP2B1	heksobarbital	hydroksylacja
CYP2E1	p-nitrofenol, anilina
CYP3A	etylomorfina	N-demetylacja
CYP4A1	kwas laurowy	ω-hydroksylacja

1. Hydroksylacja węglowodorów

• węglowodory alifatyczne trudno ulegają przemianom, natomiast hydroksylacji ulegają łańcuchy boczne - w łańcuchu bocznym hydroksylacja zachodzi przy końcowym lub przedostatnim atomie węgla

• 
  w łańcuchu bocznym węglowodorów aromatycznych hydroksylacja zachodzi przy węglu najbliższym pierścienia







toluen kwas benzoesowy

Hydroksylacja związków aromatycznych polega również na wymianie podstawników

• grupa hydroksylowa / -OH/ wchodzi na miejsce podstawników : -F, -CL, -Br, -NO2, -NH2OH, -COOH








alkohol benzylowy fenol

Umiejscowienie grupy hydroksylowej zależy od rodzaju podstawników obecnych w pierścieniu :

• podstawnik aminowy kieruje grupę hydroksylową w pozycję para i orto

• podstawnik nitrowy w pozycję meta i para




+




anilina o-aminofenol

p-aminofenol

Węglowodory aromatyczne ulegają przemianie do fenoli







naftalen 1-naftol

Hydroksylacji ulegają także połączenia alicykliczne:










cykloheksan cykloheksanol

2. Epoksydacja

Reakcje epoksydacji polegają na przyłączeniu atomu tlenu do podwójnego wiązania






O





chlorek winylu tlenek chloroetylenu aldehyd chlorooctowy










O hydrolaza O




NADPH epoksydowa NADPH

naftalen 1,2-epoksynaftalen 1,2-dihydro-naftaleno-1,2-diol 1,2dihydroksynadtalen

3. Dealkilacja


Enzymy mikrosomalne katalizują reakcje odłączenia grup alkilowych od atomów N, O, S. We wszystkich reakcjach dealkilacji produktami są nietrwałe związki hydroksyalkilowe - amin, fenoli lub merkaptanów z jednoczesnym odłączenie aldehydu








+ HCHO

O-dealkilacja





O




-CH₃CHO

fenacetyna paracetamol

4. Oksydatywna deaminacja

Oksydaza aminowa (siateczka śródplazmatyczna) w obecności NADPH i tlenu cząsteczkowego utlenia niektóre aminy do ketonów.






O

+ NH₃

NADPH

amfetamina (czynna) fenyloaceton (nieczynny)

5. N- oksydacja

Aminy III-rzędowe pod wpływem enzymów mikrosomalnych utleniają się do tlenków amin:

6. N- hydroksylacja

Pierwszo- i drugorzędowe aminy aromatyczne pod wpływem enzymów frakcji mikrosomalnej ulegają przemianom do hydroksyloamin i związków nitrowych (anilina, toluidyna, sulfonamidy)













anilina fenylohydroksyamina nitrozobenzen

7. S-oksydacja

Tioetery alifatyczne i heterocykliczne ulegają przemianie do sulfonów i sulfotlenków











O O

chloropromazyna sulfotlenek sulfon

8. Desulfuracja

Desulfuracji ulegają pochodne kwasu tiofosforowego, tiobarbiturny, pochodne tiomocznika - do analogów tlenowych. Metabolity są zazwyczaj bardziej toksyczne od substancji macierzystych





O




metyloparation paraoksan

9. Jednoelektronowe reakcje utleniania i redukcji

Reakcje jednoelektronowej redukcji ksenobiotyków prowadzą do utworzenia wolnych rodników, które reagują z tlenem cząsteczkowym

Pozamikrosomalne reakcje oksydacyjno-redukcyjne:

1. utlenianie alkoholi



C₂H₅OH + NAD CH₃CHO + NADH + H⁺

etanol aldehyd octowy

2. utlenianie aldehydów


CCl₃CH(OH)₂ + NAD⁺ CCl₃COOH + NAD + H⁺

wodzian chloralu kwas trichorooctowy

3. reakcje hydrolizy


RCOOR` + H2O RCOOH + R`OH

Ester kwas alkohol

Reakcje II fazy biotransformacji:




• reakcje sprzęgania kwasem glukuronowym

• reakcje sprzęgania kwasem siarkowym

• reakcje sprzęgania z aminokwasami (glicyna, glutamina, ornityna, seryna tauryna, arginina)

• reakcje metylacji

• reakcje acetylacji

• tworzenie kwasów merkapturowych

• tworzenie tiocjanianów




Reakcje sprzęgania z kwasem glukuronowym


Podlegają jej:

• 
  
  alkohole i fenole - połaczenia estrowe

• tiofenole - S-glukuronidy

• 
  
  aminy alifatyczne

• aminy aromatyczne

• sulfonamidy N-glukuronidy

• karbaminiany

• heterocykliczne związki azowe













Reakcje sprzęgania z kwasem siarkowym




Reakcje sprzęgania z kwasem siarkowym podlegają:

• 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  alkohole, fenole

• substancje naturalne: heparyna, steroidy, adrenalina, serotonina, indoksyl. tyrozyna







Metylacja

nie zwiększa rozpuszczalności związków, nie przyspiesza ich wydalania










Reakcji metyzacji podlegają:

• aminy alifatyczne, aminy aromatyczne

• pirydyna

• cholina

• nikotyna

• alkohole, fenole

• merkaptany

• tiofenole

! Wydalanie trucizn:

• z moczem - leki, insektycydy fosforoorganiczne i karbaminianowe, fluorki, stront, selen, beryl, kadm, chrom, cyna, kobalt, związki nieorganiczne rtęci

• z żółcią - insektycydy polichlorowane, polichlorowane bifenyle, WWA, hormony steroidowe, leki(atropina, morfina, tiorydazyna), chinina, strychnina, połączenia organiczne rtęci, miedzi, ołowiu, arsenu, cynku

• z powietrzem - rozpuszczalniki, wziewne środki znieczulające, olejki eteryczne

• inne drogi wydalania trucizn:

• ze śliną - penicylina, streptomycyna, barbiturany, fenytoina, kwas salicylowy, chinidyna, tolbutamid, opium, etanol, nikotyna, kadm, ołów, stront

• z potem - nikotyna, sulfonamidy, etanol, kwas salicylowy, kwas benzoesowy, fenazon, ołów, arsen rtęć, żelazo

• z mlekiem - etanol, nikotyna, leki(wziewne środki znieczulające), barbiturany, tetracykliny, diazepam, pochodne fenatiazyny, sole litu, metylortęć.




































































































glukozo-1-fosforan

UTP

urydylilotransferaza

UDP-glukoza-heksozo-

1-fosforan

P₂O₇^4-

UDPG (urydynodifosfoglukoza)

2 NAD

dehydrogenaza

UDPglukozowa

2 NADH+ 2H

UDPGA

akceptor R-OH

UDPglukuzonylo-

transferaza

UDP

RO-C₆H₉O₆

glukuronid

SO₄^2-

ATP

adenylilotransferaza

siarczanowa

Mg²⁺

P₂O₇^4-

APS (5'-dosdosiarczan adenozyny)

ATP

kinaza adenylilo-

siarczanowa

ADP

PAPS

R-OH

sulfotransferaza

ADP

RO-SO₃^-

CH₃COOH

ATP, CoA-SH

acetylotransferaza

acetylo-CoA

AMP, H₂O

CH₃CO-S-CoA

R-NH₂

N-acetylotransferaza

R-NHCOCH₃

CoA-SH

---