Wykład 5

Toksyczność związków azotu i cyjanków

Klasyfikacja i właściwości chemiczne tlenków azotu

Tlenki azotu klasyfikuje się na podstawie stopnia utlenienia:

• Podtlenek azotu / N₂O/

• Tlenek azotu /NO/

• Dwutlenek azotu / NO₂/

• Trójtlenek azotu /N₂O3/

• Czterotlenek azotu /N₂O₄/

• Pięciotlenek azotu /N₂O₅/

Podtlenek azotu - N₂O

• Bezbarwny „gaz rozweselający” stosowany w lecznictwie do wywoływania krótkiej narkozy. Związek ten nie występuje w atmosferze w znaczniejszych ilościach, nie wywiera działania drażniącego. Gaz ma przyjemny słodkawy posmak, jest niepalny, słabo rozpuszcza się w wodzie.

Dwutlenek azotu - NO₂

• Gaz niepalny, silnie toksyczny, nie tworzy mieszaniny wybuchowej z powietrzem. Jest silnie utleniający, gwałtownie reaguje z wodorem i amoniakiem, a z węglowodorami nienasyconymi już w temperaturze pokojowej tworzy związki nitrowe.

• Zapach - ostry, duszący, przenikliwy. Dwutlenek azotu jest jest jednym z głównych składników zanieczyszczeń powietrza.

Trójtlenek azotu - N₂O₃

• Ze względu na swoje właściwości fizykochemiczne nie jest spotykany w stanie wolnym, nie ma znaczenia w toksykologii. Jest to bezbarwny bezwodnik kwasowy.

Czterotlenek azotu - N₂O₄

• Gaz bezbarwny, nie wywołuje znacznych objawów toksycznych

Pięciotlenek azotu - N₂O₅

• Związek bezbarwny, łatwo krystalizujący. Jako bezwodnik, ze względu na swoje właściwości fizykochemiczne , w stanie wolnym nie występuje.

- Istotne znaczenie toksykologiczne mają dwutlenek i tlenek azotu. Występują najczęściej razem .

- zarówno tlenek jak i dwutlenek azotu występują przede wszystkim w środowisku miejskim i są to związki powstające na skutek działalności człowieka. Źródłem ich emisji są wymagające wysokich temperatur procesy spalania z dostępem powietrza. Oba te związki występują w gazach spalinowych.

- Dwutlenek azotu uważa się za bardziej toksyczny, jego toksyczność jest czterokrotnie większa niż tlenku azotu.

Objawy zatrucia ostrego:

• Pierwszy okres zatrucia - okres podrażnienia- charakteryzuje się objawami:

- nieżytu spojówek, nosa i gardła, towarzyszyć im może kaszel, nudności i uczucie znużenia

- są to mało typowe objawy, przypominające infekcję grypową

- dolegliwości te występują w okresie 2-3 tygodni

• Drugi okres - okres utajenia, bezobjawowy, może trwać od kilku do kilkunastu godzin, zwykle nie przekracza 24. ponieważ w tym okresie pacjent czuje się zupełnie dobrze, zwykle podejmuje ponownie pracę fizyczną. Fakt ten ma duże znaczenie rokownicze, gdyż wykonywanie wysiłków fizycznych w tym okresie bezobjawowym często powoduje nagłe pogorszenie stanu zdrowia.

• Okres ciężkich objawów klinicznych charakteryzuje się nagłym pojawieniem się złego samopoczucia, niepokojem, męczącym kaszlem z nastającą bardzo ciężką dusznością i obfitym odpluwaniem pienistej plwociny.

Rozwija się toksyczny obrzęk płuc

• Akcja serca jest przyspieszona. W wyniku anoksji i zagęszczenia krwi występuje spadek ciśnienia tętniczego. Dołączają się następnie zaburzenia świadomości i wysoka temperatura ciała. W ciągu kilku godzin od wystąpienia objawów obrzęku płuc, na skutek asfiksji spowodowanej zablokowaniem wymiany gazowej w płucach następuje śmierć.

Zawody narażone na kontakt z tlenkami azotu:

• spawacze elektryczni i gazowi

• pracownicy laboratoriów, wytwórni nawozów, barwników, leków

• jubilerzy

• wydmuchiwacze szkła

• hutnicy

• rolnicy

• górnicy

• pracownicy w tunelach

Ekspozycja zawodowa sprzyja prawdopodobnie rozwojowi przewlekłych zapaleń oskrzeli i rozedmy płuc. Ponadto sugeruje się zwiększoną podatność na infekcje dróg oddechowych w grupie narażonych.

NO2 działa drażniąco na oczy i drogi oddechowe, jest przyczyną zaburzeń oddychania, powoduje choroby alergiczne, astmę - szczególnie u dzieci mieszkających w miastach narażonych na smog.

Azotany i azotyny:

Właściwości i źródła narażenia:

- występują w przyrodzie, jako produkty rozkładu organicznych substancji azotowych

Głównym źródłem są nawozy sztuczne, ale także:

- nawozy naturalne

- naturalne pokłady soli mineralnych

- środki przemysłowe

Narażenie populacji generalnej:

- woda do picia - przede wszystkim woda studzienna

- żywność pochodzenia roślinnego - przede wszystkim nowalijki

ok. 90% azotanów i azotynów dostających się do organizmu pochodzi z wyżej wymienionych źródeł

Obecność azotanów i azotynów w warzywach jest niezamierzonym zanieczyszczeniem związanym z nieracjonalnym nawożeniem gleby

Do roślin jadalnych gromadzących szczególnie duże ilości azotanów należą - salata, rzodkiewka, burak, kalarepa

Zawartość azotanów może zmieniać się w zależności od odmiany warzywa nawet kilkakrotnie

Ilość azotanów i azotynów dostających się do organizmu może zależeć od nawyków żywieniowych (wegetarianie więcej), pory roku (więcej w okresie wiosenno- letnim)

Źródłem narażenia są też :

leki np. rozszerzające naczynia krwionośne i obniżające ciśnienie krwi / nitrogliceryna, azotyn sorbitolu, Azotyn amylu:

- rozszerza naczynia krwionośne obniżając w ten sposób ciśnienie krwi,

- zastosowanie w lecznictwie jako środek stosowany w chorobie niedokrwiennej

- stosowany jest także jako odtrutka w zatruciach cyjankami

- powoduje tworzenie methemoglobiny, która wiąże cyjanki do nietoksycznej cyjanmethemoglobiny

Wchłanianie:

- dobrze wchłaniają się z przewodu pokarmowego - żołądek, jelito (odcinek dwunastniczy) do krwi

- przenikanie odbywa się na zasadzie transportu aktywnego

- z krwi przenoszone są do wszystkich tkanek

- w zależności od pH soku żołądkowego, mikroflory, substancji pokarmowych azotany mogą przechodzić w azotyny - związki o działaniu methemoglobinotwórczym

- przemianom takim sprzyja obniżona kwasowość soków żołądkowych - pH > 4, co powoduje występowanie w górnym odcinku przewodu pokarmowego nadmiernego rozwoju bakterii redukujących azotany do azotynów

Wydalanie:

- azotany wydalają się z moczem - w ciągu godziny ok. 90% dawki

- w przypadku infekcji bakteryjnej pęcherza moczowego azotany redukowane są do azotynów i w tej postaci wydalane z moczem

Mechanizm działania toksycznego:

- toksyczność azotynów jest ok. 10 x większa niż azotanów, a związane jest to z ich silnymi właściwościami utleniającymi

- przejawem tego działania jest utlenianie Fe2+ hemoglobiny do Fe3+, w efekcie powstaje methemoglobina, która nie ma zdolności odwracalnego wiązania tlenu

- w konsekwencji dochodzi do niedotlenienia OUN

- obraz zatrucia ostrego zależy od stężenia methemoglobiny we krwi

Obraz zatrucia ostrego w zależności od stężenia MetHb we krwi:

- < 2% - stan fizjologiczny

- > 10% - pierwsze objawy sinicy

- 20 - 50% - sinica, niedotlenienie krwi, trudności w oddychaniu, zawroty i bóle głowy, znaczne osłabienie, tachykardia, przy narastających cechach niedotlenienia utrata przytomności

- 50 - 60% - zaburzenia świadomości, niedotlenienie OUN, zaburzenia oddechu, ciśnienie tętnicze niskie z tendencja do wystąpienia wstrząsu

- > 60% - zgon

Diagnostyka laboratoryjna

Oznaczanie

Test bibułkowy

- MetHb - krew koloru czekoladowego, kolor nie zmienia się w czasie

- DeoxyHb - kolor ciemnoczerwony, ale jaśnieje pod wpływem powietrza

Azotany i azotyny są szczególnie niebezpieczne dla niemowląt do 3 m.ż. ze względu na:

- niedostateczna kwasowość soku żołądkowego, w następstwie, czego w wyższych odcinkach przewodu pokarmowego dochodzi do rozwoju drobnoustrojów redukujących azotany do azotynów

- niedostateczne wykształcenie układu enzymatycznego (reduktaza MetHb) katalizującego przejście methemoglobiny do hemoglobiny

- przyjmowanie stosunkowo dużej ilości płynów - ok. 10 x więcej w porównaniu ze starszymi niemowlętami w przeliczeniu na masę ciała

- wysoki udział hemoglobiny płodowej (60 - 80%), której żelazo dwukrotnie szybciej przechodzi w formę trójwartościowa niż w hemoglobinie osób dorosłych

Mechanizmy służące utrzymaniu równowagi pomiędzy zredukowana a utleniona forma hemoglobiny:

W erytrocycie istnieją następujące układy:

1. 
   ½ cząsteczki Glukozy + NAD pirogronian + NADH

NADH + HbFe^{3+ reduktaza MetHb} NAD + HbFe²⁺

2. 
   G-6-P + NADP ^G-6-PD 6-PG + NADPH

(I etap szlaku pentozowego, niedobór G-6-PDH - fawizm)

NADPH + Hb(+3) ^{redukcja MetHb przy udziale CoA} NADP +Hb(+2)

Odtrutka - błękit metylowy - znacznie zwiększa szybkość tej przemiany

- 1% roztwór błękitu metylenowego w ampułkach do podania dożylnego, wit. C w ampułkach po 500 mg

- podajemy, gdy stężenie MetHb > 30%

Trzeci mechanizm służący utrzymaniu Hb w stanie zredukowanym polega na udziale GSH

3. 
   NADPH + GSSG ^GR NADP + GSH

GSH + H2O2 ^GPx GSSG + H2O

(Nadtlenek wodoru może być przyczyna utleniania Hb)

Fawizm

- osobniki z deficytem G-6-PD nie mogą jeść fasoli - fava (glikozydy purynowe)

- na fowizm cierpiał np. Pitagoras

- następuje liza erytrocytów, wydalanie ciemnego lub czarnego moczu

- u tych osób nie jest możliwy wzrost zarodźca malarii

- osoby z deficytem G6PD nie mogą produkować dostatecznej ilości GSH do ochrony przed RTF

- wskutek tego powstaje w ich czerwonych krwinkach niekontrolowane usieciowanie białek,

prowadzące do powstania ciałek Heinza / strątów białkowych/

- anemia hemolityczna

- nosiciele defektywnych genów nie mają zwykle niedokrwistości i innych objawów chorobowych do czasu, gdy ich czerwone ciałka nie są narażone na utleniacze.

- leki, które mogą wywoływać reakcje chorobowe:

• środki przecimalaryczne

• sulfonamidy

• NLPZ

• nitrofurantoina

• Chinidyna, chinina

U kobiet w okresie ciąży:

- azotyny mogą przenikać przez barierę krew - łożysko, co może być przyczyna methemogobinemii u niemowląt

- przy poziomie methemoglobiny u matki 6, 39% u noworodka poziom ten wynosi 5, 87% i w ciągu kilku tygodni spada do wartości prawidłowej

- objawem toksycznego działania azotynów może być niedokrwistość u dzieci wskutek uszkodzenia erytrocytów i utkania erytroblastycznego szpiku. Może wynikać to z wpływu azotynów na zaburzenia enzymatyczne erytrocytów, zmniejszenie czasu ich przeżycia, nasilonej hemolizy czy destrukcji witamin z grupy B, miedzy innymi Wit B6

Azotany i azotyny mogą powodować również (narażenia przewlekle):

• niedokrwistość wywołaną poprzez uszkadzające działanie tych związków na erytrocyty i utkanie erytroblastyczne szpiku

• niszczenie witaminy, B6, której niedobór jest pierwotna przyczyna niedokrwistości

• zahamowanie przyrostu masy ciała spowodowanej spadkiem łaknienia, jak tez działaniem tych związków na wit. A (utlenianie), której obecność niezbędna jest do budowy struktur komórkowych i syntezy białka

• rozpad wit. A i karotenu zachodzi w przewodzie pokarmowym, a obniżenie jej stężenia szczególnie w wątrobie wpływa niekorzystnie na przemiany białkowe i powoduje wzrost aktywności ASPAT i ALAT w surowicy (wzrost przepuszczalności błon komórkowych)

• obniżenie wartości odżywczych pożywienia, w wyniku upośledzenia wykorzystania tłuszczów, białek, węglowodanów, wit. z grupy B, w wyniku hamowania ich trawienia

• niekorzystne oddziaływanie na wątrobę, obrzmienie mitochondriów, zaburzenia w rozkładzie glikogenu oraz zaburzenia w przemianach tłuszczów, wzrost zawartości wolnych kwasów tłuszczowych w surowicy wskutek zaburzenia ich pobierania przez wątrobę

• modyfikacja funkcji immunologicznej przewodu pokarmowego

Wpływ na środowisko

Proces naturalny spływ nawozów

Składniki biogeniczne

/węgiel, azot, fosfor/ Eutrofizacja - proces przyspieszony

/ nadmierne wzbogacanie wód w

składniki pokarmowe N, P/

Zakwit wody Deficyt tlenu

Rozwój bakterii i glonów

Masowe śnięcie ryb

Obecność azotanów i azotynów w środowisku, a zatem i w żywności jest niebezpieczne także z tego powodu, iż mogą być prekursorami nitrozoamin - związków uważanych za rakotwórcze, jak tez wykazujących działanie mutagenne.

Azotany i azotyny (endogenne i ksenobiotyki) mogą być przyczyna powstawania w organizmie karcinogennych nitrozoamin.

Tworzenie nitrozoamin polega na elektrofilowym podstawieniu NO+ do wolnej pary azotu aminowego występującego w II i III -rzędowych aminach i amidach, IV rzędowych zasadach amonowych lub związkach chemicznych zawierających azot w pierścieniach heterocyklicznych.

Nitrozowaniu najłatwiej ulegają aminy III rzędowe.

Na kinetykę tych redukcji ma wpływ:

- pH środowiska - największa szybkość w pH 3 - 3,4

- temperatura

- zasadowość aminy - szybkość zwiększa się wraz ze spadkiem zasadowości

- katalizatorem reakcji są jony halogenowe i tiocyjaniany

Znanym i skutecznym inhibitorem tworzenia nitrozoamin jest kwas askorbinowy, który redukuje azotyny do tlenku azotu w środowisku słabo kwasowym i utleniający się jednocześnie do kwasu dehydroaskorbinowego.

Związki te, chociaż znane od dawna, wyizolowano z maczki rybnej dodawanej do paszy przeznaczonej do karmienia bydła dopiero w 1927 roku. Stwierdzono, ze powstały one z białka będącego w stanie rozkładu (nieświeża ryba) i dodanego azotynu sodu (konserwant). Związki te mogą występować w konserwowanym mięsie i rybach - przede wszystkim wędzonych, dojrzewających serach. Pewne śladowe ilości stwierdzono także w mleku w proszku.

W ostrym zatruciu powodują:

- uszkodzenie wątroby - martwica środkowej części zrazików wątrobowych połączona z krwawieniem,

- okołożylna martwice wątroby

- zmiany nekrotyczne w żołądku

- niewydolność szpiku kostnego

- zmiany zapalne w jelicie i trzustce

Metabolity tych związków maja działanie rakotwórcze (nowotwory pęcherza moczowego, płuc, nerek i wątroby)

W badaniach doświadczalnych wykazano, ze ok. 80% związków N-nitrozowych ma działanie rakotwórcze. Guzy obserwowane w licznych tkankach i narządach. Działanie rakotwórcze związków N-nitrozowych wykazuje specyficzność narządową.

Nitrozoaminy: Nitrozoamidy:

- nowotwory przełyku - nowotwory obwodowego i OUN

- nowotwory wątroby - nowotwory przewodu pokarmowego

- nowotwory układu oddechowego

- nowotwory nerek

N-nitrozoaminy wymagają w ustroju aktywacji do aktywnych metabolitów.

Procesy te zachodzą w wątrobie, ale również nerkach i płucach. W metabolizmie biorą udział enzymy mikrosomalne zależne od cytochromu P450. W wyniku przemian powstaje jon karbonowy i diazoniowy. Jony te zdolne są do alkilowania DNA i RNA, a także protein i innych ważnych dla organizmu cząsteczek zawierających ugrupowania nukleofilowe.

Toksyczność cyjanków

Cyjanowodór (HCN):

- bezbarwny płyn o zapachu gorzkich migdałów

- dobrze rozpuszczalny w wodzie, alkoholu, eterze

- w przyrodzie w postaci heterozydów - amigdalina - w liściach i nasionach (migdały, brzoskwinie, śliwki, wiśnie, morele)

Stosowany do:

- odkażania statków, magazynów, zwalczanie szkodników (dezynsekcja, deratyzacja)

- jego sole - cyjanki - w procesach technologicznych (czyszczenie, hartowanie metali, galwanizacja, złocenia); synteza chemiczna - produkcja mas plastycznych, barwienie, bejcowanie i drukowanie tkanin/, analityka chemiczna.

Właściwości i mechanizm działania:

- dobrze wchłania się przez przewód pokarmowy, skórę, układ oddechowy

- metabolizowany pod wpływem sulfotransferazy tiosiarczanowej do tiocyjanianów (rodanków) - związki 200 x mniej toksycznych i wydalanych z moczem.

- warunkiem zadziałania enzymu jest obecność dużej ilości siarki tiosiarczanowej. Jon cyjankowy wchodzi też w reakcje z cysteiną.

- po wniknięciu do organizmu HCN rozpada się do jonu H i cyjankowego, wykazującego powinowactwo do Fe³⁺ w oksydazie cytochromowej, co powoduje zablokowanie działania łańcucha oddechowego w komórce

- połączenie jonów cyjankowych z Fe3+ oksydazy cytochromowej następuje bardzo szybko, ale jest procesem odwracalnym, co wykorzystano do ratowania osób zatrutych

Mechanizm detoxykacji cyjanków:

Objawy zatrucia ostrego:

- duże stężenie lub duże dawki cyjanków - natychmiastowa utrata przytomności wskutek porażenia ośrodka oddechowego i zatrzymanie czynności serca

- *drapanie w gardle, gorzki smak w ustach, ślinotok, drętwienie ust, krtani, osłabienie mięśniowe, utrudniona mowa, bóle i zawroty głowy, mdłości, kołatanie serca, przyspieszony, a następnie głęboki oddech

- okres duszności - narasta ogólne osłabienie, ból i uczucie ucisku w okolicach serca, rzadkie i głębokie oddechy, rozszerzenie źrenic

- okres drgawek, wzmagająca się duszność, utrata przytomności, silne drgawki, kurczowe zwarcie mięśni szczęk

- okres końcowy ze śpiączka - niewydolność oddechowa i sercowo - naczyniowa

*na świeżym powietrzu objawy mijają

Potwierdzenie objawów zatrucia:

- obecność cyjanków we krwi > 0, 2 ug/ml lub

- rodanków w moczu > 10 ug/ml

Powikłania - jeżeli chory przeżyje zatrucie, objawy spowodowane niedotlenieniem OUN mogą utrzymywać się przez wiele lat - bole i zawroty głowy, bezsenność, zaburzenia czucia, równowagi, niedowłady.

Brak kumulacji materialnej zatrucia przewlekłe nie występują

ale dochodzi do kumulacji mikrouszkodzeń:

- zawrotów i bólów głowy

- osłabienia

- bólów jelitowych

- zaburzeń czynności serca i układu krążenia

---