Cesta cizorodých látek lidským organismem 1. Úvod
2. Vstup do organismu 3. Přenos (distribuce) v organismu 4. Metabolické přeměny – biotransformace 5. Vylučování
Úvod Působení biologického systému a cizorodé látky je vzájemné: Látka působí na organismus a ten působí na cizorodou látku, chemicky ji přeměňuje. Účinek látky na organismus je dělen na čtyři fáze:
Vstup látky do organismu (vstřebání).
Přenos látky v organismu.
Látková přeměna – biotransformace.
Vylučování - exkrece.
Biotransformace a vylučování se někdy označují společným názvem eliminace.
Vstup látky do organismu Pro chemika má hlavní důležitost:
vdechování (inhalace),
vstřebání pokožkou a očima.
Neopatrnost, záměna a záměr:
požití (orálně, per os).
Medicína a experimentální toxikologie:
intravenosní (do žíly),
subkutánní (pod kůži), intramuskulární (do svalu), intraperitoneální (do břišní dutiny)
Vstup látky do organismu - inhalace plyny, páry, a/nebo aerosoly ve vdechovaném vzduchu
horní cesty dýchací: zádrž látek rozpustných ve vodě a částic/kapek větších než 1 mm na řasinkové výstelce sliznic
plicní sklípky – velký povrch a dobré prokrvení: další vstřebávání zbylých cizorodých látek
krev
Pro toxicitu má zásadní význam, je-li látka vdechována jako pára nebo aerosol. Aerosoly jsou mnohem toxičtější než páry o stejné koncentraci ve vdechovaném vzduchu. Otravy inhalací jsou nejčastější, protože touto cestou může látka proniknout do těla nepozorovaně.
Vstup látky do organismu vstřebáním kůží
Průřez lidskou kůží. a: epidermis s povrchovou vrstvou stratum corneum, b: dermis, c: mazová žláza, d: kapilára, e: nervové vlákno, g: tuková tkáň, i: vlas.
Neporušená lidská kůže tvoří určitou bariéru pro vstup cizorodých látek do těla. Na jejím povrchu je tenká vrstva keratinizovaných buněk, škára (stratum corneum), pod ní se nachází vrstvy živých buněk, epidermis a dermis. Kůže netvoří kompaktní celek, je protkána kanálky potních a mazových žláz. Spodní vrstva, dermis, je prokrvena krevními vlásečnicemi.
Vstup látky do organismu vstřebáním kůží Látka dostane do krevního oběhu a s krví pak do celého těla. Účinek látky aplikované na kůži může být buď lokální (řada látek kůži dráždí, některé leptají) a nebo systémový, pokud se látka vstřebá (pronikne kůží). Lipofilní látky mohou procházet přes buněčné membrány epidermálních a dermálních buněk. Hydrofilní látky procházejí kanálky potních a mazových žláz. Průřez těchto kanálků tvoří však jen asi 0,1 - 1 % povrchu kůže. Je těžké předpovídat schopnost látek procházet kůží. Svou roli zde hraje mnoho faktorů, jako např. vlhkost kůže, teplota, věk... Jsou známy případy smrtelných otrav po absorpci kůží. Největší bariérou pro vstup cizorodých látek je škára. Touto vrstvou mohou nejlépe procházet polární aprotická rozpouštědla, jako dimethylsulfoxid, dimethylformamid, apod. Tato rozpouštědla mohou velmi významně usnadňovat přestup v nich rozpuštěných látek. Ochranné schopnosti kůže jsou výrazně oslabeny, je-li škára porušena. Stačí k tomu i malé oděrky.
Vstup látky do organismu očima Prakticky všechny kapaliny a pevné částice při vniknutí do oka více či méně dráždí. Některé látky působí na oko nevratně, takže ani rychlé vypláchnuti oka vodou nebo přípravky k tomu určenými nemůže zabránit poškození nebo ztrátě zraku. Méně známá je skutečnost, že přes oči mnohé látky mohou proniknout do mozku a způsobit otravu, která bezprostředně nesouvisí se zrakem (systémový účinek). Je to další důvod, proč je nutno v laboratořích i provozech, kde se pracuje s nebezpečnými látkami, používat ochranné brýle a ve zvláštních případech ochranný štít. Příkladem látky, které může způsobit ztrátu zraku již při malé dávce je dicyklohexylkarbodiimid.
Požití látky Pokud jsou škodlivé látky v zažívacím traktu, zpravidla nezpůsobují otravu, nejedná-li se o látky žíravé nebo dráždivé. Aby škodlivina mohla působit systémově, musí být ze zažívacího traktu přenesena do krve. K tomu dochází podél celého zažívacího traktu, zejména v tenkém střevě. Hnací sílou přenosu je rozpustnost v tucích (lipofilita), která u ionizovatelných látek (např. karboxylové kyseliny, aminy, ...) závisí výrazně na kyselosti. Protože je v žaludku silně kyselé prostředí (pH ~ 2), je disociace karboxylových kyselin potlačena. Tyto látky se tak stávají více lipofilními a mohou se vstřebávat žaludeční stěnou. Na rozdíl od toho, nabývá pH v tenkém střevě hodnot 6 až 7,5, takže kyseliny jsou převážně v ionizované formě, ale slabé zásady, jako aminy nejsou ionizovány a mohou se dobře vstřebávat. Protože ale povrch tenkého střeva je značný, je vstřebávání v tomto orgánu mnohem významnější než na jiných místech zažívacího traktu. Vstřebávat se zde mohou i látky z velké části disociované. Např. kyselina benzoová, slabá organická kyselina (pKa = 4), je při pH 6 ionizována asi z 99 %. Neionizovaná část, 1 %, je vstřebávána.
Přenos cizorodých látek v organismu Po vstřebání se cizorodá látka rozvádí krevním oběhem do celého těla. Rozložení do jednotlivých orgánů je pro různé látky velmi rozdílné a závisí na fyzikálně-chemických vlastnostech látky, hlavně na afinitě k tukům. Lipofilní látky mají tendenci dobře prostupovat buněčnými membránami a hromadit se v orgánech bohatých na tuky. Některé, jako např. DDT a polychlorované bifenyly, se ukládají v tucích a tvoří zásobu. Tato zásoba může při náhlém snížení tukových zásob (příliš prudké zhubnutí) přejít do krve a způsobit otravu. Jiné látky, jako např. olovo, fluor a stroncium, se ukládají v kostech. Centrální nervový systém (CNS) je proti vstupu cizorodých látek chráněn více než jiné orgány, a to vrstvou těsně k sobě přiléhajících buněk, které tvoří bariéru mezí krví a mozkem, tzv. encefalobariéru. Tato bariera nepředstavuje absolutní zábranu pro vstup cizorodých látek, u mnohých jedů však způsobí, že jejich koncentrace v mozku je mnohem nižší, než na jiných místech těla.
Chemické přeměny cizorodých látek Xenobiotikum
Biotransformační reakce: s účastí enzymů (katalytické) a bez účasti enzymů (nepravé biotransformace).
Produkty metabolismu: zpravidla rozpustnější ve vodě, a proto jsou z těla snadněji vylučovány.
Detoxikační biotransformace
Mnohé biotransformace mohou vést k toxičtějším produktům: metabolická aktivace.
Chemické přeměny cizorodých látek Biotransformační reakce se tradičně dělí do dvou skupin: Xenobiotikum
1.fáze
Metabolit 2. fáze
Konjugát
Reakce 1. fáze: oxidace (O) redukce (R) hydrolýza (H) Reakce 2. fáze: slučování s kyselinou glukuronovou slučování s glutathionem slučování s kyselinou sírovou slučování s glycinem methylace acetylace
Příklady biotransformace – methanol a ethanol Methanol poskytuje biotransformací dva toxické meziprodukty, formaldehyd a kyselinu mravenčí, které jsou příčinou jeho vysoké toxicity. Ethanol se oxiduje podobně, v prvním kroku dokonce stejným enzymem, ale meziprodukty oxidace, acetaldehyd a kyselina octová jsou mnohem méně toxické.
CH3OH
O
CH3CH2OH
CH2=O O
CH3CH=O
O
O
HCOOH
CH3COOH
O
CO2 + H2O
O
CO2 +
H2O
Příklady biotransformace – benzen Nejjednodušší aromatický uhlovodík, benzen, se nejdříve oxiduje na nestabilní epoxid, který přesmykuje na fenol. Ten se dále podobným mechanismem oxiduje na hydrochinon a pyrokatechol. Ty se oxidují na reaktivní semichinonové radikály a dále na chinony za katalýzy myeloperoxidasou z kostní dřeně. OH O
benzen
O epoxid
fenol
O OH
H
OH O
O O
OH OH
OH benzendihydrodiol O
OH OH pyrokatechol
O
O.
hydrochinon
OH
semichinon
O O O
O. semichinon
O
o-chinon
p-chinon
Příklady biotransformace – toluen Alkylbenzeny, například toluen, se přednostně oxidují na alkylovém řetězci. K oxidaci na benzenovém jádře u nich prakticky nedochází. U toluenu vzniká kyselina benzoová, která se dále slučuje s glycinem za vzniku kyseliny hippurové, benzoylglycinu. Tato látka byla poprvé izolována z koňské moče, odtud také pochází její název.
CH3 O toluen
COOH S kys. benzoová
CONHCH2COOH
kys. hippurová
Příklady biotransformace – nitrily Nitrily (organické kyanidy) se oxidují na -uhlíku. Vzniklé -hydroxykyanidy jsou za fyziologických podmínek málo stálé a rozkládají se za vzniku kyanovodíku (kyanidového iontu) a příslušného aldehydu. Jako příklad uvádíme biotransformaci nitrilu fenyloctové kyseliny, který se oxiduje na hydroxykyanid velmi snadno. Uvolněný kyanidový iont působí toxicky a je příčinou toxicity organických nitrilů.
OH CN
O
CN - HCN
O
Vylučování cizorodých látek a metabolitů Cizorodé látky se vylučují z těla hlavně močí, stolicí a ve vydechovaném vzduchu. V malé míře se mohou vylučovat také potem a slinami. Většina látek se vylučuje z největší části močí. Dostává se tam stejným způsobem, jako produkty metabolismu živin, tedy z krevní plasmy přes ledviny do močových cest.
Některé látky musí být biotransformovány, aby se mohly vylučovat ledvinami. Podmínkou je totiž rozpustnost ve vodě. Jedním z faktorů ovlivňujících vylučování ledvinami je pH moče. Basické látky (např. aminy) se vylučují lépe při nízkém pH (jsou ionizovány a tedy lépe rozpustné ve vodě), slabé kyseliny naopak při vyšším pH. Toho se využívá při léčení některých otrav. Například vylučování léčiva fenobarbitalu je možno podpořit podáváním NaHCO3. Tím se zvýší pH moči a fenobarbital, jenž je slabou kyselinou (pKa = 7,2), přechází do ionizované, rozpustnější formy.
Vylučování cizorodých látek a metabolitů Rychlost vylučování látky z organismu je ovlivněna řadou faktorů. Rychlost vylučování je často úměrná okamžité koncentraci látky:
dc kc dt kde c je okamžitá koncentrace látky v krvi, t je čas a k je konstanta vylučování. Integrací této diferenciální rovnice od času 0 do času t dostaneme:
c(t ) c(0) exp( kt) kde c(0) je počáteční koncentrace. Poločas vylučování, t, je doba, za kterou klesne koncentrace škodliviny v krvi na polovinu, t.j. c(t) = c(0)/2. Úpravou rovnice dostaneme pro poločas vylučování t = k-1 ln 2.
Chemické přeměny cizorodých látek – I. fáze Oxidace je nejběžnější a také nejdůležitější reakcí. Enzymatické systémy, které ji katalyzují, se rozdělují do dvou skupin:
monooxygenasy (flavinové monooxigenasy) dioxygenasy (peroxidasy)
Flavinové monooxygenasy jsou hemové enzymy, t.j. obsahují v molekule porfyrinový komplex železa – hem.
porfyrin
hem B
Chemické přeměny cizorodých látek – oxidace R
R
O
CH CH
R CH2OH
R-OH O
R1
R CH CH R1 O derivát oxiranu, epoxid
O R
R CH O
R COOH
Oxidací tedy mohou v těle vznikat z uhlovodíků postupně alkoholy, aldehydy, karboxylové kyseliny.
Chemické přeměny cizorodých látek – oxidace Další oxidace vede pak k přerušení vazby C-C. Při této reakci dochází ke zkracování řetězce o dva uhlíky (-oxidace). Je charakteristická pro nižší i vyšší organismy (mikrobiální biodegradace tensidů, biotrans-formace tuků u savců).
COOH
O
O
COOH kyselina fenyloctová
COOH
Chemické přeměny cizorodých látek – oxidace Oxidace rozvětvených řetězců je obtížnější. Ze sekundárních alkoholů vznikají ketony, které se dále oxidují velmi obtížně.
R CH R1
R C R1
OH
O
Přesto se mnohé organické látky oxidují až na oxid uhličitý a vodu. Oxidační reakce mohou často vést k toxičtějším produktům než je výchozí látka. V takových případech mluvíme o metabolické aktivaci. Typickým příkladem metabolické aktivace je oxidace olefinů na oxirany epoxidy. Oxirany jsou elektrofilní látky, podstatně reaktivnější než výchozí olefiny, a proto mohou účinněji reagovat s nukleofilními centry v biologicky důležitých molekulách. Při hydrolytických reakcích dochází k hydrolýze epoxidů na dioly, esterů na kyseliny a alkoholy apod.
Chemické přeměny cizorodých látek – II. fáze Některé organické látky a jejich metabolity se v těle slučují, konjugují, s endogenními látkami (vnitřními, tedy těmi, které tvoří přirozenou součást živého systému) za vzniku metabolitů, konjugátů, které jsou zpravidla polárnější než výchozí látky a proto se mohou snadněji vylučovat z těla ledvinami. Tradičně, ale poněkud nepřesně, se tyto děje označují jako biotransformační reakce druhé fáze. Nepřesně proto, že jim nemusí předcházet biotransformace první fáze, ale mohou probíhat také jako první krok biotransformace, tedy s nezměněnými cizorodými látkami.
CH = O HOOC HO HO
OH
O OH
HO
OH
OH OH COOH
kyselina -D-glukuronová, VI
Chemické přeměny cizorodých látek – II. fáze Zvláštní toxikologický význam má slučování s glutathionem. Při něm se elektrofilní látky, tedy takové, které mají v molekule lokální nedostatek elektronů, vážou na nukleofilní skupinu -SH glutathionu. Tato reakce katalyzovaná enzymy glutathion-S-transferasami modeluje kovalentní vazbu elektrofilních látek na nukleofilní místa v molekulách proteinů a nukleových kyselin, která často vede k toxicitě. Tvorba glutathionových konjugátů je tedy mírou jejich schopnosti atakovat za fyziologických podmínek biologicky důležité makromolekuly a nepřímo také mírou rizika poškození zdraví při vniknutí příslušné látky do organismu. Vzniklé glutahionové konjugáty se dále metabolizují až na merkapturové kyseliny, deriváty N-acetylcysteinu.
glutathion
N-acetylcystein
