Účinky látek Toxikologie
Ing. Lucie Kochánková, Ph.D.
Toxikodynamika • zkoumá účinek látky na organismus účinek = biologická změna, která je projevem interakce látky s organismem účinek podle místa působení • orgánová toxicita – hepatotoxický (játra), nefrotoxický (ledviny), atp. • funkční toxicita – imunotoxický, alergizující, karcinogenní, mutagenní, reprodukční toxicita • nespecifický (celkový) – narkotický, poškození membrán účinek podle času • akutní – po jednorázovém podání, v krátké době • chronický – po dlouhé době po dlouhé expozici v malých dávkách • pozdní (vzdálený) – projev po dlouhé době latence 2
Účinek toxická látka vyvolá účinek dosažením cílové molekuly 1. látka se váže na receptor – vazba nekovalentní – specifická 2. látka přímo nebo po přeměně se váže jako reaktivní částice (elektrofily nebo volné radikály) • př. elektrofily reagují s thiolovými skupinami enzymů –SH, s aminoskupinami aminokyselin –NH2, nukleofilními centry DNA, RNA, volné radikály – nespárovaný elektron
http://vydavatelstvi.vscht.cz
3
Účinek • vratný (reverzibilní) - překrvení, otok, zánět • nevratný (irreverzibilní) - odumření buněk, nekróza
stupeň poškození buňky může být rozdílný: cytopatický efekt – interakcí buňky s toxickou látkou dochází k narušení některých buněčných procesů, životaschopnost buňky zůstává zachována cytostatický efekt – základní funkce zachovány, ale buňka se dále nedělí cytotoxický efekt – usmrcení buňky
nekróza × apoptóza
4
receptor receptor = část biomakromolekuly, která váže specifické molekuly (ligandy) (př. neurotransmitery, hormony) nebo ostatní látky a spouští buněčnou odezvu na tyto ligandy biomakromolekula - v biochemii bílkovina umístěná na cytoplazmatické nebo organelové membráně nebo v cytoplazmě či buněčném jádře
5
Účinek • nespecifický – vliv obecných fyzikálně-chemických reakcí • specifický – vázán na konfiguraci molekuly Podle mechanismu působení: 1. přímý toxický – fyzikálně-chemicky svou přítomností 2. biochemický – reakce s receptorem ovlivní biochemický děj 3. imunotoxický – snížení imunity nebo alergie 4. mutagenní – změna genetické informace 5. karcinogenní – vede ke zhoubnému bujení buněk 6. teratogenní – poškození rozmnožování organismů
6
1. přímý toxický účinek v praxi nejčastěji působí na cesty vstupu - kůži, dýchací ústrojí, oči a) poleptání – žíraviny, kyseliny, dráždivé plyny (chlor, fluor, chlorovodík) kyselina bílkovinu srazí (koaguluje) - postaví si tak do cesty překážku (př. HCl, H2SO4, HNO3 ) hydroxid projde bílkovinou bez zábran, fosfolipid zmýdelňuje a projde až do protoplazmy uvnitř buňky (př. hydroxidy Na, K, Ca, Mg)
7
1. přímý toxický účinek př. oko - hašení vápna CaO + H2O - Ca(OH)2, mechanicky, odvodnění, teplo př. podráždění sliznic dýchacího ústrojí - př. dobře rozpustné SO2, NH3, hůře rozpustné Cl2, NOx, COCl2
př. organická rozpouštědla - rozpouští tuky na kůži dermatitidy, vředy, záněty - druhotná infekce př. narkotický účinek - těkavé lipofilní látky se rozpouští v tukové vrstvě buněk (myelin nervových buněk) - brzdí tak přenos nervového signálu (př. diethylether, chloroform, toluen) 8
1. přímý toxický účinek b) inhalace neutrálního prachu zjizvení tkáně = fibróza - neutrální prach mění strukturu plic, vazivová tkáň místo původních aktivních buněk pneumokonióza (zaprášení plic) silikóza - skláři při broušení SiO2, azbestóza - vlákna azbestu - hlinitokřemičitany, krystalická forma křemičitanu hořečnatého (MgSiO3), krystalky ve formě ostrých jehliček, nekróza až rakovina - závisí na velikosti částic - větší než 10 mm se zachytí již v horních cestách dýchacích, menší než 1 mm se dostanou až do plicních sklípků (alveol) 9
2. biochemický účinek - ovlivnění biochemických reakcí v těle a následně důležitých funkcí metabolismus - sled biochemických reakcí tvoří metabolické dráhy, které celkově vytváří metabolismus těla (pro růst, vývoj a rozmnožování) • katabolismus - z přijatých složitých živin se vytvářejí jednodušší stavební látky a energie, • anabolismus - z jednoduchých látek si tělo vytváří složitější a spotřebovává energii enzymy = biokatalyzátory, umožňují průběh reakcí v těle, mění rychlost ne rovnováhu
S + E ---> (S - E) ---> P + E oxidoreduktázy, transferázy (přenos skupin), hydrolázy (štěpí hydrolyticky vazby vzniklé kondenzací), lyázy (nehydrolytické štěpení), izomerázy (přesun atomů a jejich skupin), ligázy (vznik energeticky náročných vazeb za spotřeby energie z ATP) 10
2. biochemický účinek Neurotransmise – přenos nervového vzruchu synapse - komunikace mezi nervovými buňkami (neurony), přenášení informací mezi nervy, přeměna elektrického signálu na signál chemický neuroefektorová spojka - komunikace mezi nervy a tkáněmi (svaly nebo žlázami), přenášení informací mezi nervy a tkáněmi
http://biomed.brown.edu 11
2. biochemický účinek Nejznámější neurotransmitery: • noradrenalin - látka přenášející vzruchy v mozku a sympatickém nervovém systému (nervová vlákna adrenergní) • acetylcholin - látka přenášející vzruchy v mozku, parasympatickém nervovém systému a při nervosvalovém přenosu (nervová vlákna cholinergní) • dopamin - mediátor v centrální nervové soustavě (CNS) meziprodukt při syntéze noradrenalinu z fenylalaninu • GABA (kyselina gama-aminomáselná) – inhibiční mediátor v CNS látka s tlumivým účinkem 12
2. biochemický účinek - příklady př. analogy substrátů - v citrátovém (Krebsově) cyklu kyselina octová -> acetát -> citrát + enzym akonitáza ---> izocitrát
• kyselina fluoroctová podobná kyselině octové, fluoracetát na fluorcitrát, ale už ne na izofluorcitrát př. těžké kovy - dvojmocné formy kovů s velkou afinitou k síře blokují v těle thiolové skupiny (-SH) v enzymech př. organofosfáty - účinné herbicidy, bojové látky (př. sarin) váží se na acetylcholinesterázu, která rozkládá neurotransmiter acetylcholin 13
2. biochemický účinek - příklady př. otrava kyanidem - enzym cytochromoxidáza v buňkách umožňuje využití kyslíku, obsahuje železo -Fe3+ + NC H kyanidová skupina má velkou afinitu k trojmocnému železu
př. blokace přenosu kyslíku v krvi - krev složená z plazmy (elektrolyt, bílkoviny, žlučová barviva) a krevních tělísek (leukocyty - bílé krvinky, erytrocyty - červené krvinky, trombocyty - destičky) 1. krev přenáší živiny, kyslík, odpadní látky - transportní funkce 2. udržuje homeostázu - stálost vnitřního prostředí bez ohledu na okolní podmínky 14
2. biochemický účinek - příklady v červených krvinkách hemoglobin s železem Fe2+: × přenos kyslíku se blokuje oxidem uhelnatým, který má asi 200× větší afinitu k hemoglobinu než kyslík a vzniká karbonyl (karboxy) hemoglobin – kompetitivní inhibice – vratný děj × oxidací dvojmocného železa na neaktivní trojmocné a vzniká methemoglobin (způsobují dusitany, aminy) – nevratný děj
15
3. imunotoxický účinek - základní funkcí imunitního systému je rozlišovat mezi cizími a vlastními biomakromolekulami a cizí neutralizovat • reakci mohou vyvolat i původně malé molekuly, které se naváží na biomakromolekuly tělu vlastní, pozmění jejich tvar a tak se stanou tělu cizí a systém je opět rozpozná (př. Be, Cr, Ni, formaldehyd) • imunitní reakci vyvolávají antigeny (patogeny, viry, nádorové buňky), toxické látky, které mohou imunitní reakci:
1. potlačit (imunosupresanty) - př. cytostatika, kortikoidy 2. vybudit nepřiměřeně (alergeny) 18
3. imunotoxický účinek
histamin
Alergie - silná nebo nepřiměřená odpověď na antigen, která vede až k poškození organismu
první kontakt bez odezvy, organismus si vytvoří protilátky, v dalších případech už reaguje nepřiměřeně, projevy alergií: záněty kůže, stahy dýchacích cest jako astma, nejhorší projev je anafylaktický šok, při kterém je ohrožen život (pokles krevního tlaku, křeč průdušek) první pomoc: antihistaminika, Dithiaden, Prednison…
4. mutagenní účinek • jednou ze specifických vlastností živých organismů je schopnost reprodukce – tj. v určitém stupni zralosti vytvořit víceméně přesnou kopii sama sebe
• toto kopírování řízeno genetickou informací, která má molekulovou podobu nukleových kyselin (DNK, RNK) • makromolekuly kyselin – obsaženy v buněčných jádrech na chromozomech (tvořeny nadmolekulární strukturou chromatinem – DNK + histony) • specifická prostorová struktura dvojité šroubovice – souvisí s funkčností těchto látek
4. mutagenní účinek • změny genetické informace vznikají spontánně nebo působením vnějších faktorů (indukované) mutageny se rozeznávají: chemické, fyzikální a biologické • schopné vyvolat změnu dědičných vlastností, změnu v genetickém materiálu buňky • genetická informace je v eukaryotických buňkách uložena v buněčném jádře, v deoxyribonukleové kyselině DNA genotyp - soubor všech genetických informací v oplodněném vajíčku fenotyp - vnější projev části genotypu 1. gametické mutace – dědičné 2. somatické mutace – význam pro jedince, nepřenášejí se na další generaci
4. mutagenní účinek Gen – základní jednotka dědičné informace, který je tvořen specifickým úsekem DNA - vznik zcela určité bílkoviny nebo molekuly RNA plnící přesně danou funkci
exprese genu = syntéza specifického proteinu Mutagen – látka nebo vliv, poškozující buď přímo nukleové kyseliny, nebo bílkoviny kontrolního a reparačního systému (kontroluje přesnost kopie a opravuje chyby) Mutace - genetická chyba se opakuje u všech buněk vznikajících při následných replikacích; vzniklí jedinci označováni jako mutanti - testy na mutagenitu jsou z etických důvodů často prováděny na nižších formách života – kvasinky, plísně, bakterie (např. Amesův test na bakteriích Salmonella)
4. mutagenní účinek - některé dědičné nemoci jsou způsobené poruchou genetického materiálu
př.: fenylketonurie – dědičné metabolické onemocnění – porucha přeměny kódované esenciální aminokyseliny fenylalaninu na tyrosin; příčinou je defekt genu pro tvorbu potřebného enzymu – fenylalaninhydroxylázy • výsledkem je hromadění fenylalaninu v těle, které vede k těžkým poruchám mozku a mentální retardaci postiženého dítěte • nutná celoživotní dieta bez zdrojů fenylalaninu
4. mutagenní účinek • vůči mutagenům jsou obecně odolnější muži než ženy – souvislost s dopadem mutagenů na rozmnožovací materiál, tj. sperma a vajíčka;
• žena nese soubor vaječných buněk celý život, zatímco u mužů vzniká kompletně nový soubor buněk spermatu v průběhu každých cca 14 dní – možnost delší expozice ženských pohlavních buněk vůči opakovanému působení mutagenů
5. karcinogenní účinek karcinogeneze = zhoubné bujení buněk, za normálních podmínek rovnováha mezi odumíráním (apoptózou) a obnovou buněk,
pro nádorové buňky ztráta kontroly dělení, potom tyto schopny nekonečné novotvorby buněk a vzniká pak nádor = tumor pravé nádory: benigní - nezhoubný, nevrůstá do okolní tkáně, zapouzdřený, lze dobře vyjmout maligní - zhoubný, tvoří metastázy, dceřiné buňky se odlupují a putují krví a mízou po těle do jiných tkání, kde se tvoří nový nádor metastáza příklady maligních nádorů: karcinom (epitelové buňky pokrývající povrch orgánů), sarkom (pojivové tkáně, svaly, kosti), melanom (buňky obsahující barvivo melanin)
5. karcinogenní účinek 2 mechanismy působení karcinogenů: genotoxické - přímo poškodí DNA, působí tak asi 80% karcinogenů epigenetické - jiné příčiny, ovlivní reparační systémy, imunitní, enzymatický, hormonální (př. azbest, estrogen) karcinogeny mohou působit: přímo = primární karcinogeny, po metabolické aktivaci = prokarcinogeny (př. vinylchlorid, benzen,), stimulují vliv jiných látek = kokarcinogeny (př. PCB)
5. karcinogenní účinek Mezinárodní agentura pro výzkum rakoviny IARC (Agency for Research on Cancer) – koordinuje výzkum příčin rakoviny, vydává monografie, vede oficiální databázi karcinogenů karcinogeny dělí do skupin: 1 Prokázaný karcinogen pro člověka 2A Pravděpodobně karcinogenní pro člověka 2B Podezřelý karcinogen pro člověka 3 Neklasifikovaný 4 Pravděpodobně není karcinogenní pro člověka
5. karcinogenní účinek inhibitory karcinogeneze: př. vitamín C - potlačuje tvorbu nitrosoaminů v žaludku (antioxidant reaguje s radikály), vláknina - adsorpcí či absorpcí škodlivin, sirné sloučeniny česneku a cibule - neznámý princip, víno - polyfenolické látky
přírodní karcinogeny: mykotoxiny (aflatoxiny), safrol vonná látka vyšších rostlin (mateřídouška, máta peprná, vavřín, skořice, muškátový oříšek), psoralen - přirozený pesticid celeru
5. karcinogenní účinek Resveratrol – přírodní antioxidant - protirakovinný efekt • produkován vinnou révou (červené i bílé víno), moruší, podzemnicí olejnou atd • víno obsahuje cca 200 fenolických látek, z nich nejdůležitější je resveratrol • přirozený fungicid, jímž se rostlina brání patogenům – jeho množství se zvyšuje při stresových situacích (houbové choroby, chladné počasí, působení UV záření…) • indický profesor Dipak Das na Connecticutské univerzitě – PODVOD s experimenty
5. karcinogenní účinek • existují druhy rakoviny, které přímo souvisí s dědičností a nezávisí na expozicích z prostředí genetická výbava může
• určit způsob a rozsah metabolismu xenobiotika; • ovlivnit imunitu; • ovlivnit buněčnou odezvu na poranění a rychlost hojení;
• ovlivnit kapacitu DNA pro replikace a přesnost případných oprav
5. karcinogenní účinek - příklady kouření • podle American Cancer Society – kouření odpovědné za 75 % případů rakoviny plic u celé lidské populace (nebo za 83 % rakoviny plic u mužů a 43% u žen) • dále mnohdy příčinou nemocí srdce, chronické bronchitidy, rozedmy plic a žaludečních vředů • škodlivé je i pasivní kouření! • při kombinaci kouření s jinými xenobiotiky – aditivní nebo častěji synergický efekt podle dlouholetých výzkumů ACS – u osob, které přestaly kouřit, se počet případů rakoviny plic snížil téměř na úroveň nekuřáků alkohol • zvýšení rizika vzniku rakoviny, hlavně částí trávicího traktu – ústa, hrtan, jícen, játra
5. karcinogenní účinek - příklady strava • ovlivnění rizika rakoviny způsobem stravování • karcinogenní látky mohou být obsaženy přímo v potravě • tyto látky mohou vznikat při vaření • mohou vzniknout na základě kombinace určitých společně požitých složek potravy živočišné tuky – příklad rizikové složky potravy; mohou podpořit karcinogenní proces různými mechanismy: 1. změnou hladiny hormonů 2. změnami ve složení buněčných membrán 3. zvýšením množství mastných kyselin – schopnost inhibovat imunitní systém, sloužit jako prekursor rakoviny prostaty atd.
6. teratogenní účinek Prof. R. Jelínek – přední český teratolog: „Teratogen poškodí tu část plodu, která se právě vyvíjí a to přesně na úrovni stádia vývoje.“ škodliviny, jejichž vliv před početím (u kteréhokoli z rodičů), během prenatálního vývoje nebo po narození může mít za následek prenatální nebo časné úmrtí, výskyt strukturálních odchylek, změny růstu nebo funkční defekty - teratogeny působí zásahem do normálního embryonálního vývoje, nemění se genotyp ale pouze fenotyp (změny nejsou dědičné)
6. teratogenní účinek teratogen – látka nebo vliv, které negativně interferují s normálním vývojem plodu a poškozují jej malformace – vrozená úchylka tvaru, zrůdnost • poškození – končetiny, páteř, patro (rozštěpy), vnitřní orgány teratogenní účinky látek různé pro různé druhy organismů
6. teratogenní účinek Předpoklad, že teratogenní účinek je prahový, tj. vyvíjející se organismus má vrozenou schopnost nápravy do určitého stupně poškození na úrovni buněčné, tkáňové i orgánové působení teratogenu: 1.-16. den - nediferenciované buňky zárodku v období blastogeneze – embryo, buď zanikne a je bez následků vstřebáno tělem, nebo při menším poškození přežije a poškozené buňky jsou kompletně nahrazeny nepoškozenými 16.-90. den - období organogeneze – nejkritičtější období pro teratogeny - vývoj zárodků orgánů – anatomické, poškození v této fázi vede k degeneraci orgánů (malformace) nebo tkáňových struktur od 3.měsíce - po ukončení organogeneze je vznik zřetelných malformací již stěží možný; teratogeny ale mohou ovlivnit funkční zrání orgánů a tkání – nedochází k anatomickým, ale funkčním vadám, které se mohou projevit i v pozdějších stádiích života (např. rychlejší stárnutí orgánu)
6. teratogenní účinek kritické časové periody lidských orgánů: CNS 16.-37. den srdce 20.- 40. den končetiny nohy: 24.- 26., ruce: 26.- 35. den oči 22.- 40. den obličej (možnost rozštěpů) 28.- 40. den izolované patro (rozštěpy) 40.- 57. den genitálie 45.- 63. den malformace se vyskytují i spontánně, těžko se prokazuje vliv látek (450 na 10000 novorozenců)
6. teratogenní účinek - příklady př. thalidomid - vyvinut roku 1953 jako anestetikum, 1956 lék proti chřipce, neúspěšné využití, ale objeveny sedativní a hypnotické účinky, mimo jiné pro odstranění psychických potíží v těhotenství, firemní názvy Contergan a Neosedyn, Distaval, Tensival, Kevadon, Talimol, Imidene • původní testy na laboratorních zvířatech vykazovaly prakticky zanedbatelnou toxicitu, byl prodejný volně bez lékařského předpisu • brzy zjištěn jeho teratogenní efekt, přesto byl dále prodáván a stažen z trhu byl až v r. 1961 toxicita thalidomidu • polyneuritidy – zánětlivá onemocnění nervů • fokomelie (phocos= řec. tuleň) – chybí středová část končetin, tvoří se končetiny bez dlouhých kostí • postiženo asi 10 000 novorozenců • mezi 40. a 44. dnem gravidity postižení paží, 43. a 46. dnem postižení nohou, k poruše stačila vývoje plodu pouze jediná sedativní dávka thalidomidu
6. teratogenní účinek - příklady př. vitamín A - Accutane - syntetický analog vitamínu A - v dermatologii k léčení kožních chorob, kumuluje se v těle, největším zdrojem vitamínu A jsou játra, mrkev, vejce - poruchy kardiovaskulárního a nervového systému u plodu další známé faktory farmaka: lithium (pro léčení agresivity, deprese), antibiotika (streptomycin, tetracyklin), cytostatika (= látky tlumící růst a rozmnožování buněk, zejména nádorových tkání) infekce: zarděnky, plané neštovice, HIV, toxoplasmóza, syfilis
