Účinek jedů, druhy účinku Působení cizorodé látky na lidský organismus se může navenek projevit celou škálou rozmanitých účinků - od lehké nevolnosti, přes poruchy zažívání, nervové soustavy až po smrt. Otrava - intoxikace, je poškozením životních funkcí organismu v důsledku působení jedovaté látky. Může se projevit bezprostředně již po jednorázové dávce cizorodé látky. V takovém případě mluvíme o otravě akutní - akutním účinku. V jiných případech se může poškození zdraví projevit teprve po dlouhodobém styku s látkou. Jedná se o účinek chronický, chronickou otravu. K akutní otravě dochází při jednorázové vyšší dávce nebo krátkodobé inhalaci vyšších koncentrací. K chronické otravě dochází naopak při opakovaných malých dávkách, nebo dlouhodobém vdechování nižších koncentrací. Účinky akutní a chronické vyvolané stejnou látkou se mohou navzájem značně lišit.
Stupnice toxicity chemických látek Přibližná smrtná dávka Příklad Kategorie v mg/kg množství pro člověka ____________________________________________________________________________ 1. prakticky netoxické 2. málo toxické 3. mírně toxické 4. silně toxické 5. extrémně toxické 6. supertoxické
> 15 000 5 - 10 000 500 - 5 000 50 - 500 5 - 50 <5
víc než litr půllitr až litr půldeci až půllitr lžička až půldeci 7 kapek až lžička stopa, méně než 7 kapek
BaSO4 Ethanol∗ NaCl, FeSO4, Cd2+, Pb2+, BaCO3, KClO3 nikotin, As3+, botulotoxin tetrachlordibenzodioxin
____________________________________________________________________________ ∗toxicita ethanolu je vyšší u dětí
Česká legislativa třídí jedy (toxické látky) podle akutní toxicity do třech skupin
1. silně toxické (T+) - smrtná dávka méně než 25 mg/kg 2. toxické - smrtná dávka (T) 25 - 200 mg/kg 3. škodlivé (Xn) - smrtná dávka 200 - 2000 mg/kg
Podle způsobu působení hovoříme o: a) přímém toxickém účinku - látka působí pouhou svou přítomností na kritickém místě v organismu. b) biochemickém účinku - látka interaguje s cílovou molekulou (receptorem), ovlivní nějaký biochemický děje a tím některou životní funkci buňky, či organismu c) imunotoxickém účinku - změny imunitního systému projevující se snížením imunity, nebo nepřiměřenou alergickou reakcí d) mutagenitě - změna genetické informace vedoucí ke změně vlastností následujících generací e) karcinogenitě - změna genetické informace vedoucí ke zhoubnému nádorovému bujení f) teratogenitě - poškození plodu vedoucí k narození defektního jedince
Přímý toxický účinek Pokud látka nepříznivě působí na organismus pouhou svou přítomností na určitém místě, aniž by se vázala na receptor, či reagovala s cílovými molekulami, mluvíme o přímém toxickém účinku. Například, látky, které krystalizují v tubulech ledvin je mechanicky poškozují a mají přímý toxický účinek na tento orgán. Příkladem je kyselina šťavelová, která v ledvinách krystalizuje jako šťavelan vápenatý, dále některá léčiva sulfonamidy, které při předávkování mohou rovněž mechanicky poškodit ledvinový parenchym. Mezi přímý toxický účinek patří i působení silných kyselin a zásad. Projevuje se místně, jako účinek leptavý, nebo v některých případech i systémově, změnou buněčného pH.
Biochemický účinek, inhibice enzymů Mnohé cizorodé látky ovlivňují důležité biochemické děje v organismu a tím následně také životní funkce. Nejčastěji se jedná o inhibici enzymů. Inhibice znamená zpomalení reakce katalyzované (urychlované) příslušným enzymem.
S
+ E
[E-S]
kde E je enzym, S - substrát a P - produkt
P + E
Substrát se váže na enzym v tzv. aktivním místě. Inhibitor má schopnost vázat se dostatečně pevně na totéž místo, a tak soutěžit se substrátem o enzym. To je inhibice kompetitivní (soutěživá). Předpokladem kompetitivní inhibice je, aby jed, inhibitor, měl podobné vlastnosti jako substrát a mohl se tak účinně vázat na enzym. Příkladem kompetitivní inhibice je působení oxidu uhelnatého, který se váže místo kyslíku na hemové železo v krevním barvivu hemoglobinu (Hb). Vzniklá vazba CO-Hb je mnohem pevnější než vazba kyslíku (O2-Hb) a hemoglogin pak není schopen vázat kyslík. Fluorované látky, zejména kyselina monofluoroctová, jsou prostorově velmi podobné nefluorovaným analogům. Atomové poloměry fluoru a vodíku jsou totiž podobné. Silně toxická kyselina monofluoroctová může sloužit pro některé enzymy Krebsova cyklu (cyklus kyseliny citronové, součást fyziologického metabolismu) jako substrát nahrazující kyselinu octovou. Tak dojde ke vzniku kyseliny fluorcitronové, která na rozdíl od nefluorované citronové kyseliny nemůže být dále zpracována enzymem akonitasou, ale naopak silně tento enzym inhibuje. Tím se celý cyklus spojený s produkcí energie blokuje. Kromě toho se může cizorodá látka vázat na jiné místo enzymu. Pozměněný enzym potom není schopen plnit svoji funkci. Mluvíme o inhibici nekompetitivní. Takto působí některé těžké kovy, Hg, Pb, As, Cd, které se váží na thiolové skupiny (-SH) enzymů, a tak je poškozují. Inhibice tvorby adenosintrifosfátu (ATP) 2,4-dinitrofenolem a 4,6-dinitro-o-kresolem nebo pentachlorfenolem má za následek přeměnu energie na teplo - horečku. ATP tvoří za normálních okolností zásobárnu chemické energie. V těchto případech se však nejedná z hlediska mechanismu o skutečnou inhibici, protože "inhibitor" se neváže na žádný enzym. Zmíněné silně kyselé fenoly pronikají do buňky a v mitochodriích mění (zmenšují) gradient pH potřebný pro správnou funkci enzymu odpovědného za syntézu ATP.
Imunotoxicita Imunitní systém reaguje na cizorodé vysokomolekulární látky, hlavně bílkoviny. Základními součástí imunitního systému jsou lymfatický systém (slezina, lymfatické žlázy, lymfatické uzliny) a bílé krvinky (periferní leukocyty). Když je nějaká látka imunitním
systémem rozpoznána jako cizí, začnou se proti ní tvořit protilátky. Tyto protilátky vytvoří s antigenem komplex a tak jej inaktivují. Imunitní odpověď se navenek projevuje různě, od mírných kožních projevů, kopřivky, přes dýchací potíže až po anafylaktický šok. Toxické látky mohou buď imunitní reakci potlačit (imunosuprese), nebo naopak vyvolat nepřiměřenou odpověď imunitního systému (alergická reakce). Malé molekuly běžných chemikálií nemohou samy o sobě být antigeny. Mohou se však přímo, nebo po metabolické aktivaci vázat na molekuly fyziologických proteinů a chemicky je pozměnit natolik, že jsou imunitním systémem rozpoznány jako cizí, antigenní. Imunitní systém pak začne produkovat protilátky. Pokud dojde k opakované exposici, vytvořené protilátky mohou reagovat s antigeny a vyvolat alergickou reakci. Obranná reakce - imunitní odpověď je zprostředkována mediátory. Mediátory jsou produkovány bílými krvinkami a žírnými buňkami. Patří mezi ně histamin, leukotrieny a prostaglandiny. Zvýšená koncentrace mediátorů je pak bezprostředně odpovědná za projevy obranné imunitní reakce. Pro alergickou reakci je charakteristické, že může být vyvolána již velmi nízkými koncentracemi cizorodé látky. Musí dojít k opakované exposici, neboť imunitní systém musí být v prvním stádiu sensibilován, až poté může vyvolat alergickou reakci.
Teratogenita Mnohé látky mají schopnost poškodit embryo, případně plod při dávkách, které nejsou pro matku toxické. Některé z nich způsobují, že se dítě narodí sice životaschopné, ale těžce deformované. Tyto látky se označují jako teratogeny, mluvíme o účinku teratogenním. Nejznámejším teratogenem je N-(2,6-dioxo-3piperidinyl)ftalimid, thalidomid (vzorec III), léčivo, které bylo začátkem 60-tých let používané jako sedativum. Toto léčivo nemělo pro dospělé vedlejší účinky. Bylo proto doporučováno i těhotným ženám jako zvláště bezpečné. Děti žen, které během těhotenství užívali thalidomid, se rodily těžce deformované (zkrácené končetiny, malformace vnitřních orgánů ap.). Aféra s thalidomidem vedla k zavedení povinného testování léčiv na teratogenitu a ke zpřísnění požadavků na testování léčiv vůbec.
O
N O O
O NH
III Thalidomid
Mutagenita Genetická informace je uchována a přenášena pomocí kyseliny deoxyribonukleové (DNA) a ribonukleové (RNA). Obě kyseliny jsou tvořeny dvojitými šroubovicemi (helixy). Vlákna šroubovice jsou k sobě poutána vodíkovými můstky v párech pyrimidinových (cytosin, uracil a thymin) a purinových basí (adenin a guanin). Každá purinová base je vázána s určitou pyrimininovou a naopak. V RNA jsou to páry adenin-uracil a guanin-cytosin. V DNA je namísto uracilu thymin. Příklad vazby vodíkovými můstky je ilustrován níže na párech adenin-thymin a guanin-cytosin.
N
NH H
O
N N
H N
N
N
O
H
N
adenin - thymin
N
N H
N
N NH
H
O
guanin - cytosin
N O
NH
CH3
Karcinogenita Mutace v genetickém materiálu, DNA, se může projevit zhoubným bujením napadené tkáně - vznikne nádor. Mechanismus vzniku nádoru je značně složitý. Prvotní příčinou může být mutace, změna genetické informace. Vztah mezi mutagenitou a karcinogenitou není jednoznačný. Mutagenita není ani nutnou, ani postačující podmínkou karcinogenity. Většina karcinogenů má mutagenní účinky, ale nádorové bujení mohou vyvolat i látky nemutagenní. V takovém případě se může jednat o poškození opravných mechanismů, které jsou jinak schopny poškozenou DNA rozpoznat a opravit, případně nahradit. Mutagenita sama o sobě však ještě neznamená, že nutně musí jít o karcinogen.
Orgánová toxicita Orgánovou toxicitou rozumíme toxické působení na určitý orgán. Např. látky poškozující játra jsou hepatotoxické, poškozující ledviny nefrotoxické, působící na plíce pneumotoxické, na nervovou soustavu neurotoxické.
Karcinogenita / vyskytují se tři typy údajů První se týká sloučenin s prokázaným karcinogenním účinkem na člověka. Known Human Carcinogen, Sufficient Evidence of Human Carcinogenity, Confirmed Human Carcinogen, Category 1, Group 1, atd. Mezi takovéto sloučeniny patří například benzen, asbest, vinylchlorid a benzidin. U druhé skupiny látek, považovaných za karcinogeny, nebyla tato jejich vlastnost zcela jednoznačně prokázána u člověka, existuje však řada důvodů se domnívat, že tomu tak ve skutečnosti je. Testy na pokusných zvířatech jsou naopak jednoznačné. Anticipated (přijatý/považovaný za) Human Carcinogen, Human Inadequate Evidence, Human Limited Evidence, Suspected Human Carcinogen, Animal Sufficient Evidence, Animal Carcinogen, Group 2B, Category 2, atd. Mezi takovéto látky patří hydrazin, DDT, dioxin, nitrobenzen, oxiran, PCB, Nnitrosodiethylamin, N-nitrosodimethylamin, formaldehyd, trichlormethan, tetrachlormethan, práškový nikl, některé sloučeniny chromu, β-propiolakton, akrylonitril, dimethylsulfát, epichlorhydrin, atd. Třetí skupina: Animal Inadequate Evidence, Group 3, atd.
Závislost účinku na koncentraci a dávce Předpoklad závislosti mezi dávkou a odpovědí organismu, účinkem, je základním konceptem toxikologie. Pod jistou prahovou hodnotou dávky se zpravidla žádný účinek neobjeví. Při jejím překročení účinek s dávkou stoupá. Mnohem bezprostředněji než na dávce závisí účinek na koncentraci látky, nebo jejího účinného metabolitu, na místě účinku, tedy tam, kde látka interaguje s receptorem. Tato koncentrace je zase závislá na dávce a tedy i účinek je pak závislý na dávce. Pokud je látka plynná (sem nutno počítat i páry kapalin), je dávka úměrná součinu vdechované koncentrace a času působení. Účinek je pak funkcí koncentrace a času.
D = k. c . t. U = f(c.tn) kde D je dávka U je účinek toxické látky k je konstanta úměrnosti c její koncentrace ve vdechovaném vzduchu t je doba působení n je exponent, závislý na charakteru vazby látky na receptor a reversibilitě účinku
Pro látky vázané na receptory slabě, které se snadno uvolňují vydechováním, platí přibližně n = 0. Vazba na receptory je dokonale vratná. Účinek pak závisí pouze na koncentraci vdechované látky, nikoli na době vdechování. To je případ mnohých inhalačních anestetik (např. rajský plyn - N2O, diethylether). Jejich účinek odezní brzy po ukončení inhalace a pacient se probudí. U látek, které se vážou na receptory nevratně (např. fosgen), rozhoduje celková dávka. V těchto případech n = 1, U = f (D). Je-li vazba na receptor nevratná a účinek alespoň částečně nevratný, doba působení má větší váhu, než vdechovaná koncentrace látky. Jinak řečeno, krátkodobé vdechování vyšších koncentrací je méně škodlivé, než dlouhodobé působení koncentrací úměrně nižších. V těchto případech n>1. To je často případ karcinogenních látek a radioaktivního záření.
