(Review)
Interaksi manusia dan lingkungan Bahan kimia baru dibuat • Kualitas lingkungan? Limbah dibuang • Meningkatkan kesejahteraan manusia?
Toksikologi lingkungan
Pengaruh racun terhadap manusia: Kasus bom atom di Hiroshima dan Nagasaki, Minamata, dioksin, Pb, dll.
Mencari substansi yang aman Mencegah terjadinya efek yang tidak dikehendaki Membuat kriteria dasar untuk standardisasi lingkungan Memperbaiki cara pengobatan
Menilai risiko dan memberikan saran atau rekomendasi untuk minimalisasi efek
= Bahan asing bagi tubuh organisme Sumber
Alami: racun dari benda hidup (Clostridium botulinum, aflatoksin, tanaman beracun, hewan beracun) Buatan/abiotis: racun logam, organik
Xenobiotik
Lingkungan
EKOKINETIKA PEMAPARAN EMISI
Organisme
IMISI FARMAKOKINETIKA
Efek Biologis
Jenis-jenis xenobiotik Jenis: -Organik -Inorganik Emisi: - Point - Area - Mobile
Proses biotik abiotik (fisik, kimia, dan enzim) Transportasi: jarak pendek dan jarak jauh Efek regional atau lokal Tergantung: sumber, distribusi/ transportasi, dan transformasi Mudah ditransportasi (gas, partikulat, aerosol dan cairan), kelarutan Persistensi di lingkungan Reaktivitas (interaksi dengan komponen lain) toksisitas, degradabilitas, distribusi biokonsentrasi, bioakumulasi dan biomagnifikasi
Bioakumulasi - Biomagnifikasi
Lingkungan: air, udara, tanah, makanan, tempat kerja Portal of entry: - inhalasi - oral - kulit Berapa yang masuk (intake dose) ?
Portal of entry
Absorpsi
Distribusi
Metabolisme
Oral: mulut lambung usus halus usus besar Proses: enzimatik, netralisasi, absorpsi, reaksi dengan senyawa lain Inhalasi: nasofaring trakeo-bronkial alveoli Proses: transfer gas dan masuk ke peredaran darah Dermal: permukaan kulit Proses: barrier, reaksi dengan kulit, menembus kulit
Ekskresi Dosis vs konsentrasi?
Oral Inhalasi (gas dan partikulat) Insang Dermal Parenteral
Efek pada organisme tergantung: -toleransi, -hipersensitivitas, -kumulasi Pada: sel, enzim, DNA, RNA, organ target (hati, sistem saraf, paru-paru, ginjal, kulit)
Efek berdasarkan gejala: -Fibrosis -Granuloma -Demam -Asfiksia -Alergi -Mutan, kanker, dan teratoma Keracunan sistemik Efek akut vs efek kronis
Distribution & Transport Transformation
16
Vulcanic eruption (Mt. Helen’s – USA; M. Pinatubo – Philippines; M. Krakatau-Indonesia) enormous dust clouds, reactive carbon, sulphur oxide carried vast distance by winds Depletion of ozone layer increased UV, altered algal & plant growth rates, change in insects patterns, increased melanoma, changes in ocean level and flooding if polar ice melting
17
18
19
Kuwair-Iraq war war Kuwair-Iraq dense denseblack blacksmoke smoke(particulates), (particulates),oil oilmists mists::Black Blacksnow snowin in Himalaya,deposition deposition in in India India Himalaya,
Chernobyl nuclear nuclear accident accident in in the the Ukraine Ukraine Chernobyl high high stable stableradio radioactive activeCesium-137 Cesium-137 deposited deposited inin CumbriaCumbria UK(4000 (4000 km kmfrom fromthe thesource) source) UK
20
Uncontrolled Uncontrolled radioactive radioactive emission emission from from uranium uranium mining mining in in Germany Germany for for 55 decades decades air, air, lakes/rivers lakes/rivers and and groundwater, groundwater, soil, soil, wild wild and and domestic domestic animals, animals, the the homes, homes, the the people people are are contaminated contaminated adverse adverse health health effects effects (cancer) (cancer) in in miners miners
21
Drinking Drinking water water quality quality contaminated contaminated with with industrial industrial wastes, wastes, with with pesticides pesticides and and petroleum petroleum products, products, etc. etc.
22
23
24
Depends on on its its source, source, distribution distribution or or transport transport Depends and transformation. transformation. and ease ease of of transport transport (gases (gases best, best, particulates, particulates, aerosols and and liquids), liquids), solubility solubility aerosols persistence persistence in in the the environment environment reactivity reactivity (interaction (interaction with with other other components components toxicity, toxicity, degradability, degradability, distribution) distribution) bioconcentration, bioconcentration, bioaccumulation bioaccumulation and and biomagnification biomagnification
25
26
Chemicals applied applied to, to, or or escape escape into, into, the the Chemicals
environment from from aa source source or or input input point point end end up up in in environment one or or more more compartments compartments on on the the environment environment one Compartments: air, air, soil/sediment, soil/sediment, water, water, biota biota Compartments:
27
28
Chemicals Chemicals toxicity toxicity Physicochemical Physicochemical properties properties Persistence Persistence Mobility Mobility
29
Hydrolysis (as (as aa function function of of pH) pH) Hydrolysis Adsorption/Desorption Adsorption/Desorption Photolysis Photolysis Degradation Degradation
30
Molecular Molecular weight weight Melting/boiling Melting/boiling points points Vapour Vapour pressure pressure Solubility Solubility in in water water Partition Partition coefficient coefficient (between (between water/sediment, water/sediment,
water/soil water/soil and and water/natural water/natural lipids) lipids)
31
Ionic or or ionisable ionisable chemical chemical groups groups differ differ from from that that of of Ionic neutral and and non-polar non-polar molecules molecules neutral Polarity: position position of of electrons electrons in in its its molecular molecular Polarity: structure structure Polar molecule molecule has has charge charge separation separation (positive (positive && Polar negative; or or relative relative charge charge δ-charge) δ-charge) negative; Polar molecules: molecules: hydrophilic hydrophilic (like (like water), water), Polar Apolar molecules: molecules: hydrophobic hydrophobic (like (like fats) fats) Apolar The more more non-polar non-polar the the more more likely likely prefer prefer organicorganic The rich site site -- strongly strongly adsorbed adsorbed rich
32
High High water water solubility solubility limits limits the the vapour vapour loss loss Water Water solubility solubility indicates indicates mobility mobility through through aa
soil soil profile profile
predict predict chemical chemicalto toreach reach groundwater groundwater Volatility/Boiling Volatility/Boiling points points
-- predicts predictsmobility mobility -- indicates indicateschemicals chemicalsto tostay stayin in the thesoil soil
33
Chemicals Ethoxyethane (diethyl ether) Pentane Ethanol Benzene Octane Diazinon Parathion
Vp (Pascal) 434
BP ( oC) 34
422 42 75 10 1.4 x 10 -4 mm Hg 3.8 x 10 -5 mm Hg
36 78 80 124 83 - 84 157 - 162 34
Factors affecting affecting chemicals chemicals to to bound bound or or release release Factors from soil: soil: from particle size size ◦◦ particle type of of soil soil (e.g. (e.g. sandy sandy or or clay) clay) ◦◦ type organic matter matter ◦◦ organic cation exchange exchange ◦◦ cation water solubility solubility ◦◦ water octanol water water partition partition coefficient coefficient ◦◦ octanol
35
The presence presence of of dissolve dissolve organic organic carbon carbon in in water water The phase phase reduce reduce the the adsorption adsorption of of liphophilic liphophilic chemicals chemicals onto sediment sediment onto Dissolve organic organic molecules molecules occupy occupy aa proportion proportion of of Dissolve the binding binding sites sites the
36
most important physicochemical parameter to predict the fate and behaviour of chemical includes: n-octanol/water, soil/sediment, sedimat/water and air/water determined by relative solubility in water and hydrocarbon molecules prefer: water unlikely to concentrate in lipids organic solvent seek out the lipids
37
Pesticides
Log Kow
DDT
6.2
Cypermethrin
6.3
Tributylin oxide (TBTO) Atrazine
3.2 – 3.8 2.6
38
half-life > 25 weeks in hydrolysis test half-life in soil > 2-3 week half-life > 1 week in photolysis studies
39
Mobile chemical (likely to leach from soil into water) Water solubility > 30 mg/dm33 Soil/water distribution coefficient (Kdd) < 2 Organic carbon binding constant (Koc ) < 500 oc -2 atm.m33. Henry’s Law Constant (KHH) < 10-2 -1 (volatile chemicals) mol-1 Ionic forms : negatively charged
40
Data on physicochemical properties, persistence and mobility, partition coefficients has not taken into account: - the biotransformation - physical variation (e.g. climatic condition)
41
• chemical remains where it originally entered the environment • chemical is carried into soil, sediment, water or atmosphere • chemical is transformed or broken down by chemical, physical or biological processes
42
Biological Physical Chemical
Processes
Breakdown of substance resulting in detoxification harmless or more toxic Transformation varies greatly between different environment 43
The most significant degradation process: microbial degradation photo degradation
The main abiotic factors to enhance degradation: elevated temperature increased sunlight aerobic condition 44
Intrinsic properties of chemicals Biotic and abiotic properties of: ◦ ◦ ◦ ◦ ◦
soil or sediment, water, sunlight, acid or basic pH, organic carbon content of soil
45
46
Oral: xenobiotik yang masuk tidak akan mudah mencapai peredaran darah SUMBER, Bagian
ENZIM
ZAT TERHIDROLISIS
Kelenjar ludah mulut
Alfa amilase, ptyalin
Tepung, glukosida
Kelenjar lambung
Pepsin
Protein peptida
Kelenjar usus halus
-Tripsin -Khimotripsin -Karboksipeptidase -Elastase -DNAse -RNAse -Lipase -Fosfatase
- Protein, peptida -DNA -RNA, -Ester gliserol asam lemak -Ester fosfatase
Inhalasi: mudah masuk ke peredaran darah karena tipisnya dinding paru-paru (selapis sel alveoli) yang berhadapan dengan dinding kapiler darah: - nasofaring, yang teratas - trakeo-bronkial - alveoli Xenobiotik masik dalam bentuk: - gas - partikulat
Insang - Pada ikan dewasa mempuanyai luas permukaan terbesar di seluruh tubuhnya. - racun mudah masuk ke tubuh via insang - Mekanisme pada insang yang membatasi masuknya xenobiotik: 1. limitasi pernafasan 2. limitasi difusi 3. limitasi perfusi
Dermal: lebih mudah masuk peredaran darah dibandingkan lewat oral, karena luas kulit orang dewasa ±2 m2 - Efek tergantung luas kulit terpapar - Apabila ada kontak dengan kulit, dapat: 1. tidak terjadi apa-apa (kulit sbg barier) 2. bereaksi dengan kulit setempat iritan primer 3. menembus kulit dan berkonyugasi dengan protein jaringan sensitizer 4. menembus kuit atau transdermal, dapat memasuki peredaran darah
Parenteral: masuk lewat suntikan, dapat langsung masuk ke dalam darah (intravena), atau tidak langsung lewat otot (intra moskuler), dll.
Fase:
DOSIS
Pemaparan
DISINTEGRASI, DISOLUSI
Toksokinetik
Toksodinamik
ABSORPSI, DISTRIBUSI, METABOLISME, EKSKRESI
INTERAKSI ANATARA XENOBIOTIK DG RESEPTOR ORGANISME -----------------------------------Jaringan Target: Spesifik/tidak spesifik
EFEK BIOLOGIS
Akut: mendadak, parah, absorpsi cepat, dosis tunggal Sub akut: pemaparan berulang Kronis: pemaparan kontinu, akumulai, ireversibel
= proses masuknya xenobiotik ke dalam tubuh organisme dan tersedia untuk aksi atau menimbulkan efek secara efektif Absorpsi tergantung: - portal of entry - daya larut - sifat kimia fisika zat - konsentrasi - luas area kontak - kondisi sirkulasi pada organisme Mekanisme absorpsi: - difusi (pasif) - Difusi katalitis - Transpor aktif
Difusi = mekanisme transpor racun yang mengikuti aliran cairan dari daerah dengan konsentrasi tinggi ke daerah berkonsentrasi rendah - mekanisme transpor dari sel ke sel lain melalui membran sel - zat lipofilik lebih cepat diserap - kecepatan sebanding dengan gradien konsentrasi ( semakin besar konsentrasi semakin besar kecepatan)
Difusi katalitik = zat racun dapat berpindah tempat akibat terikatnya pada permease (protein) atau ionofore yang berada pada dinding sel - ikatan bersifat kompetitif dengan zat lain seperti nutrien sehingga dapat mengganggu pasokan nutrien pada sel - faktor yang berpengaruh: suhu, pH, dan interaksi kimia fisik
Transpor aktif: kebalikan difusi memerlukan energi dalam organisme (ATP) ATP perlu hidrolisis oleh enzim permease yang memecah ATP ADP + energi - diperlukan zat pengikat jumlah zat yang ditranspor per satuan waktu tergantung kapasistas sistem - ikatan dapat jenuh kecepatan maksimum - konsentrasi xenobiotik kecil, zat tetap berada dalam sel (zat diakumulasi)
Setelah absorpsi distribusi Tergantung afinitas xenobiotik terhadap organ dan spesifitas Distribusi cepat bila masuk peredaran darah Mekanisme transpor sama dengan absorpsi - lipofilik ke jaringan lemak (bawah kulit, sumsum tulang belakang, dan otak) - transpor katalitis dengan ikatan protein sepertu serum albumin, kompettitif dengan metabolit: asam keton, asam lemak, bilirubin, dll. metabolit tidak bisa ditranspor normal ke pembuangan Tergantung sifat kimia fisik zat dan reaksi tubuh terhadapnya
= transformasi xenobiotik akibat proses seluler Paling sering terjadi di hati, kulit, ginjal, paru-paru, sebagian kecil pada organ lain Melakukan transformasi agar xenobiotik menjadi lebih polar sehingga mudah diekskresikan lewat ginjal atau empedu Perbedaan metabolisme dalam tubuh organisme menentukan efek biologis Variasi species sangat besar, masih banyak yang belum diketahui Proses mencakup: detoksikasi, hidrolisis, reduksi, oksidase, dan/atau konyugasi Akibat metabolisme: - diakumulai/disimpan - dikeluarkan/disekskresikan dengan atau tanpa transformasi - mengalami perubahan biokimia (termetabolisme dalam sel)
PAPARAN
ABSORPSI
DISTRIBUSI
AKUMULASI
METABOLISME
EKSKRESI
PERGANTIAN PERBAIKAN
INTERAKSI
EFEK TOKSIK
SKEMA URUTAN KEJADIAN SETELAH IMISI
= transformasi mikrosomal yang terjadi karena ada enzim mikrosom = proses utama metabolisme Seharusnya membuat racun lebih tidak toksik, tapi sering sebaliknya: Karena menjadi lebih polar sehingga lebih reaktif Terjadi pada sistem enzim mikrosom P450 Enzim mikrosomal: bagian dari sistem sitokrom P450 disebut mixed funtion oxidase Komponen sistem P450 - NADP (nikotiamid adenin dinukleotida fosfat - Non haem iron protein - flavoprotein
terdapat pada vertebrata dan invertebrata (pada vertebrata terestrial jauh lebih aktif daripada vertebrata akuatik Dapat diinduksi oleh berbagai senyawa (terutama yang larut dalam lemak dan laju metabolisme rendah) Aktivitas enzim dapat mempercepat, memodifikasi, dan mendeaktivasi sintesa steroid Dapat meningkatkan biosintesa asam askorbik dan porfirin
Penggolongan biotransformasi: Reaksi Fase I: penguraian, membuat zat lebih reaktif Reaksi Fase II: konyugasi dengan grup yang membuatnya hidrofilik (hasil reaksi Fase I) agar mudah diekskresikan
REAKSI KIMIAWI Fase I
Oksidasi
Reduksi Hidrolisis Fase II
Konyugasi
Retiklum endoplasma (sitokrom P450 monooxigenase) Mitokondria (monoamin oksidase) Sitoplasma (dehidrogenase) Retikulum endoplasma Sitoplasma Retikulum endoplasma Sitoplasma
Reaksi
Deskripsi
Oksidasi
Atom C terikat pada -OH/=O COOH
Reduksi
Sulfat sulfit
Hidrolisis
Menyisihkan O2/menambah H2; lisis/pemecahan dengan bantuan H2O
Dealkilasi
Menyusihkan grup alkil dari atom N2, O2, S
Deaminasi
Menyisihkan grup amino
Dehalogenasi
Menyisihkan halogen (Cl, Br, F)
Formasi ring
Membuat formasi siklik dari yang no siklik
Pemutusan ring
Pemutusan rantai siklik
Konyugasi
Ikatan kovalen dengan molekuk lain
Oleh enzim yang berada dalam sel dalam retikulum endoplasma Yang dioksidasi: alkohol, aldehida, asam karboksilat, senyawa amina alifatik, senyawa rantai samping alifatik yang tidak bercabang Xenobiotik lipofilik akan dioksidasi enzim dengan satu atom oksigen enzim monooksigenase (sitokrom P450) Dikenal juga famili sitokrom P450 monooksigenase yang berbeda sifat proteinnya cyp
Melibatkan berbagai ensim Cytochrome P-450 (CYP CYP, CYP P450, P450 CYP450) – dependent mixed function oxidase system terjadi di mitokondria atau retikulum endoplasma
Reaksi: ◦ Oksidasi, ◦ Reduksi ◦ Hidrolisis Reaksi yang dikatalisa: monooksigenase RH + O2 + 2H+ + 2e– → ROH + H2O
Oksidasi alifatik/aromatik alkohol N-dealkilasi bila ada gugus R-N-CH3 RNH + HCHO O-dealkilasi bila ada gugus R-O-CH3 ROH + HCHO S-dealkilasi: paration parokson Oksidatif deaminasi bila ada gugus R-N-CH3 R-NH + HCHO
Senyawa fenil alkil karboksilat fenil akil amin (rantai samping panjang tidak bercabang) dioksidasi menjadi asam benzoat bila rantai samping dengan jumlah karbon ganjil Bila genap terbentuk asam fenil asetat Penyisipan gugus OH-fenolik ke dalam senyawa aromatik: oksidasi Benzena Fenol Oksidasi menghasilkan Hidrogen Peroksida (H2O2) menyerang substrat luka kimia (reaksi pembentukan methemoglobinemia
Relatif lebih jarang terjadi daripada oksidasi Terjadi terhadap senyawa amina, azo, keton, aldehida yang tahan oksidasi Contoh: nitrobenzena menjadi anilin
Memecah molekul menjadi dua molekul karena pengambilan satu molekul air: ester alkohol dan asam Ensim: ◦ esterase dan amidase terdapat di luar sel (dalam plasma atau cairan ekstraseluler amidase dlm plasma < esterase) ◦ Pseudokolinesterase ◦ Glukosidase (melepas glukosa dari glukosida) ◦ Glukuronidase (menghidrolisis glukoonida) berperan thd karsinoma kandung kemih
Merupakan Fase II dari metabolisme atau detoksikasi Hasil Fase I membuat xenobiotik lebih mudah dikonyugasi Konyugasi terbanyak dilakukan dengan: - asam glukoronat, - glisin (asam amino), - asam sulfat, dan - asam asetat
Metabolisme FASE I
Karboksil
COOH
Hidroksil
OH
FASE II
+ Halogen
Epoxida
Amino
Konyugan endogenus
F, Cl, Br
O NH2
Grup fungsional hasil Fase I yang akan berkonyugasi
Sifat Produk konyugasi: -Polaritas tinggi -Lebih solubel dalam air -Lebih mudah dieliminasi
Metabolisme lipofilik Fase I dan II Hasil konyugasi: •Polaritas tinggi •Lebih terlarut dalam air •Lebih mudah dieliminasi (ekskresikan)
Mengeluarkan metabolit Organ ekskresi: ◦ Ginjal ◦ Paru-paru ◦ Kelenjar keringat, air susu, ludah, empedu ◦ Usus (logam) ◦ Urogenital ◦ Rambut, kuku logam (Hg ata As) Biological Effect Indicator
Perbaikan kerusakan pada individual sel sampai DNA atau protein pada tingkat molekular, jaringan dan organ.
Jika suatu sel terpapar secara teratur oleh senyawa toksik mekanisme perbaikan.
Kulit, lapisan epitel saluran pencernaan, pembuluh darah, paru-paru: laju reproduksi selular tinggi utk mengganti sel rusak pertumbuhan tdk terkendali kanker/tumor
