Biotransformace Vylučování Toxikologie
Ing. Lucie Kochánková, Ph.D.
Biotransformace • proces chemické přeměny látek v organismu • zpravidla enzymaticky katalyzované reakce vedoucí k látkám tělu vlastním nebo produktům, které se z těla vyloučí produkt je méně aktivní až neaktivní => detoxikace produkt je aktivnější až aktivní => aktivace (intoxikace)
• změna chemické struktury a fyzikálních vlastností => změna biologické účinnosti => změna schopnosti průniku membránami a vyloučení z organismu 2
Biotransformace • pro vylučování ledvinami je cílem vytvořit polární objemnou molekulu
reakce probíhají ve dvou fázích I. fáze - zavedení polárních funkčních skupin (-OH, -NH2, -COOH, -SH) II. fáze - konjugační - produkty I. fáze kondenzují s endogenními činidly (př. kyselina glukuronová, glutathion, kyselina sírová, glycin) za vzniku objemných molekul 3
Biotransformace – I. fáze oxidační reakce - žijeme v prostředí kyslíku, katalyzují je především nespecifické mikrosomální enzymy enzymových systémů cytochrom P-450 (monooxygenázy), dioxygenázy
- v játrech, plicích, ledvinách, žaludku, svalech... - zavádí se hydroxylová skupina na uhlík alifatického nebo aromatického řetězce, oxidují se aminy na hydroxylaminy, aduje se kyslík na dvojnou vazbu (vznik epoxidů) 4
Biotransformace – I. fáze nejběžnější typy oxidace:
• R → R-OH → alkan alkohol
R-CHO aldehyd
→ R-COOH kys. karboxylová
• adice kyslíku • beta oxidace (b-oxidace) - přerušuje vazby mezi uhlíky C-C, zkracuje tak řetězce o 2 uhlíky,
lichý × sudý počet uhlíků 5
Biotransformace – I. fáze redukce • nitro- a azo- sloučeniny na aminy hydrolýza • esterů na kyseliny a alkoholy, • amidů na kyseliny a aminy, • epoxidů na dioly
6
Biotransformace – II. fáze • velmi polární produkty I. fáze se mohou vylučovat přímo, ale většinou podstupují další reakce → kondenzují s endogenními aktivními konjugačními činidly (produkty metabolismu buněk) • podmínkou konjugační reakce je přítomnost amino, hydroxy, karbonylové nebo karboxylové skupiny
7
Biotransformace – II. fáze D-glukuronová kyselina
• glukuronidace s fenoly, alkoholy, karboxylovými kyselinami, hydroxylaminy, sulfosloučeninami kombucha - čaj z ní obsahuje vedle vitamínů řady B i kyseliny mléčnou, listovou a glukuronovou
http://cs.wikipedia.org
8
Biotransformace – II. fáze glutathion - tripeptid ze 3 aminokyselin: kyselina glutamová, cystein a glycin • elektrofilní toxiny se váží na nukleofilní -SH skupinu cysteinu • glutathionová konjugace s epoxidy, arenoxidy, nitroskupinami, hydroxylaminy => merkapturové kyseliny (výskyt signalizuje předchozí napadení elektrofilními činidly)
9
Biotransformace – II. fáze glutathion - ve většině buněk bakterií, rostlin i živočichů • tvoří významný buněčný oxidačně – redukční systém • redox reakce – udržování správného homeostatického oxidačně redukčního prostředí v buňce • velmi účinný antioxidant – detoxikace volných radikálů a peroxidů • chrání mozek a játra před negativním vlivem kouření a ethanolu • je významnou stavební součástí bílkovin – reserva thiolových skupin • při redox reakcích s glutathionem je spolupůsobícím enzymem glutathionreduktáza • nedostatek glutathionu může vést k urychlenému stárnutí buněk, k diabetes nebo k některým neurodegenerativním chorobám (Parkinsonova choroba) 10
Biotransformace – II. fáze sulfátová konjugace • 3 - fosfoadenosin-5-fosfosulfát (nejedná se o čistou kyselinu sírovou) • sulfátový ion vzniká v těle oxidací sirných organických látek • proces je poměrně energeticky náročný – vyžaduje několik molekul ATP • konjugace s fenoly, alkoholy, aromatickými aminy • vzniklé estery sulfátu jsou vyloučitelné močí
http://vydavatelstvi.vscht.cz 11
Játra
12
Játra - největší žláza v těle 1,5 kg, většina biotransformací, krev je
přiváděna tepnou ze žaludku a střev
• biotransformace toxických látek, zvyšování molekulové hmotnosti a polarity pro snadnější vylučování, • metabolismus živin - syntéza, ukládání a rozklad glykogenu (polysacharid jako zdroj energie), tuky - oxidace lipidů, syntéza fosfolipidů, tvorba cholesterolu, bílkoviny - syntéza krevních bílkovin • tvoří žluč - pro absorpci tuků v tenkém střevě, transportuje jaterní metabolity • skladovací funkce - vitamíny rozpustné v tucích (A,D,E, K) i ve vodě (B12) • imunita - tvorba imunoglobulinů 13
Játra poškození jater steatóza - akumulace tuků v hepatocytech (jaterní buňky) hepatitická nekróza - odumírání jaterních buněk následkem akutní expozice (př. muchomůrka zelená) toxická hepatitida - zánět jater, akutní i chronický (př. ethanol, halogenované uhlovodíky, aromatické aminy, fenoly, Pb)
cirhóza jater - tvorba vazivové tkáně v játrech, ubývá funkční tkáň, obvykle při chronické expozici (př. ethanol, methanol, vinylchlorid, arsen) zhoubné nádory jater (př. vinylchlorid, arsen, polyaromatické uhlovodíky, aflatoxiny, safrol) 14
Biotransformace - vlivy genetické faktory - př. fenylketonurie existence induktorů a inhibitorů mikrosomálních enzymů - induktory zvyšují aktivitu enzymů (př. ethanol, PCB), inhibitory snižují onemocnění jater onemocnění srdce - nedostatečný průtok krve játry věk - nejcitlivější děti (ještě nevyvinuté mechanismy), starší lidé (opotřebované) vazba látky na krevní bílkoviny, štěpení některých metabolitů ve střevech a jejich zpětná resorpce - entherohepatální oběh (př. digitoxin) pohlaví - u hlodavců samci biotransformují rychleji než samice, u člověka neprokázáno, jen v těhotenství 15
Biotransformace methanol × ethanol • v prvním kroku oxidace alkoholu enzymem alkoholdehydrogenázou na aldehyd • ve druhém kroku oxidace aldehydu enzymem aldehyddehydrogenázou na kyselinu CH3OH
O
CH3CH2OH
CH2=O O
CH3CH=O
O
O
HCOOH
CH3COOH
O
CO2 + H2O
O
CO2 +
H2O
- alkoholdehydrogenáza má k ethanolu asi 20 × větší afinitu než k methanolu
16
Biotransformace benzenu 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
p-chinon
O O O
O. semichinon
O
o-chinon
- prvním kroku oxidace vzniká nestabilní epoxid (elektrofil) -> přesmyk na fenol, který se dále oxiduje na hydrochinon a pyrokatechol 17
Biotransformace derivátů benzenu - deriváty benzenu se přednostně oxidují na substituentu CH3
COOH S
O toluen
CONHCH2COOH
kys. benzoová
kys. hippurová
- oxidací toluenu vzniká přes benzylalkohol kyselina benzoová, - konjugací s glycinem vzniká kyselina hippurová ---------------------------------------------------------------OH CN
O
CN
O
- HCN
- organické kyanidy se oxidují na a-uhlíku za vzniku nestálých kyanhydrinů - po uvolnění kyanovodíku vytvoří aldehyd 18
Biotransformace styrenu • •
přednostně oxidována dvojná vazba substituentu aromatického jádra v prvním kroku oxidace vzniká fenyloxiran (elektrofil), který může podléhat dvěma možným cestám biotransformace
1. hydrolýze a oxidaci až na kyselinu mandlovou a její ketoformu kyselinu fenylglyoxylovou
2. konjugaci s glutathionem na glutathionové konjugáty až na merkapturové kyseliny
Horák J., Linhart I., Klusoň P.: Úvod do toxikologie a ekologie pro chemiky, 2004
19
Biotransformace nitrobenzenu • redukce nitrobenzenu přes fenylhydroxylamin a jeho nitreniový ion až na anilin
Horák J., Linhart I., Klusoň P.: Úvod do toxikologie a ekologie pro chemiky, 2004
20
Vylučování xenobiotikum je vylučováno: • z jednotlivých orgánů a tkání - eliminace, • z celého těla – exkrece hlavním orgánem vylučování z těla jsou ledviny dalšími vylučovacími orgány jsou: • játra - metabolity žlučí do střeva a do stolice, • plíce - vydechováním těkavých látek, • GIT - stolicí • jiné cesty - sliny, slzy, pot, mateřské mléko
21
Vylučování Ledviny jsou párovým orgánem a spočívají v horní části břišní dutiny • chráněny žebry, páteří a dalšími přilehlými částmi; navíc jsou obklopeny tukovým vazivem, které udržuje jejich stálou polohu a mírní nárazy • průměrná ledvina dospělého člověka je asi 10 cm dlouhá, až 7,5 cm široká a téměř 5 cm hluboká, váží asi 15 dkg a má tmavočervenou barvu; její tvar je fazolovitý Nefron • základní strukturní a funkční jednotka ledvin, jeden milion v každé ledvině, celková plocha asi 6-7 m2, skládá se z filtrační (glomerulus (klubíčko cév)) a tubulární části (tubulus - kanálek)
http://skolajecna.cz/biologie/
22
Vylučování - vliv • z krve v glomerulu přechází filtrát do tubulu, vzniká primární moč (asi 150-200 litrů), v tubulu se zpětně resorbuje až 99 % látek – definitivní moč pH moči - pokud jsou látky ionizovány, nejsou schopny resorpce: • chceme-li vyloučit kyselé (př. acylpyrin, barbituráty), zvýšíme pH moči NaHCO3 (jedlá soda) • chceme-li vyloučit bazické (př. amfetaminy), snížíme pH moči NH4Cl (regulátor kyselosti v potravinářství) poškození ledvin – následky - v těle se hromadí některé odpadní látky, např. močovina nebo kreatinin, zvýšení krevního tlaku, chudokrevnost, poruchy složení krve s nedostatkem Ca a nadbytkem P, K, Na a kyseliny močové, chybí vitamin D a zvyšuje se kyselost krve, objevují se otoky (nadbytek vody v těle) a snížené množství moče, která bývá velmi světlá 23
Vylučování - rychlost nejjednodušší případ - hladina klesá exponenciálně s časem
1. rychlost dc/dt = - k × c
c...koncentrace právě přítomná t...čas k...konstanta 2. právě přítomná koncentrace integrací v čase t0 = 0 do t ct ...koncentrace v čase t ct = c0 × e-kt c0 ...počáteční koncentrace 3. poločas vylučování - právě polovina látky v těle 2ct = c0 T = ln2/k 24
