Základy toxikologie a ekologie Lenka Honetschlägerová Zuzana Honzajková Marek Šír
Seznam přednášek 22.9.2016
Úvod, vstup látek do organismu
29.9.2016
Biotransformace a vylučování
6.10.2016
Účinky látek
13.10.2016
Zjišťování toxicity
20.10.2016
Anorganické látky s- a p-prvky
27.10.2016
Anorganické látky d-prvky
3.11.2016
Organické látky
10.11.2016
Látky poškozující životní prostředí
24.11.2016
Bojové otravné látky + Radioaktivní látky
1.12.2016
Přírodní toxiny
8.12.2016
Návykové látky
15.12.2016
Bezpečnost laboratorní práce a likvidace následků
20.12.2016
Předtermín
Toxikum (jed) • Látka, která již v malých množstvích nebo koncentracích, při jednorázové nebo opakované expozici, vyvolá těžké poškození organismu, nebo vyvolá jeho zánik • Ve staré řečtině se výrazem toxon označoval luk a výrazem toxicon se označoval šíp – šíp s otráveným hrotem toxicon pharmacon • Šípové jedy: vývar z Tisu červeného (Taxus Baccata) nebo Omněje Šalamounku (Aconitum napellus)
Kdy se člověk poprvé setkává s jedy? • Od samého začátku existence člověka jako druhu • „Víno je posměvač, opojný nápoj křikloun; kdo při nich blouzní ten moudrý není.“ (kniha Přísloví 20, 1)
Kdy člověk začal jedy využívat? • V pravěku k boji • 1500 let před Kristem informace o opiu, bolehlavu, olovu, mědi, antimonu • Indické védy pojednávají o otrušíku, opiu, oměji
• Paracelsus (Philippus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim, 14931548) “Všechny látky jsou jedy a závisí jen na dávce, kdy látka přestává být jedem a stává se léčivem.“
Příklady smrtelných dávek některých látek (na kilogram živé váhy) Vitamin C
12000 mg /kg
Ethanol
3000 mg / kg
Sůl
3000 mg / kg
Nikotin Polonium Butulotoxin
50 mg / kg 0,00001 mg/kg 0,0000001 mg / kg
Co to je toxikologie? • Samostatný vědní obor studující nepříznivé (toxické) účinky cizorodých chemických látek (xenobiotik) nebo jejich směsí na živé organismy • Mateu Josep Bonaventura Orfila i Rotger – „Traité des poisons tirés des règnes minéral, végétal et animal, ou toxicologie générale, considérée sous les rapports de la physiologie, de la pathologie et de la médecine légale“ Pojednání o jedech…neboli toxikologie obecná
Klasifikace toxikologie • •
•
I. Dělení: o Deskriptivní – popis poškození organismu toxickou látkou o Mechanická – studuje mechanismus toxického účinku II. Dělení: o Forenzní – zabývá se postupy, jak prokázat otravu v kriminálních případech o Průmyslová – otravy v průmyslu, jejich léčba a prevence o Klinická – diagnóza a léčení otrav o Ekotoxikologie – působení toxických látek na ekosystém o Predikční – odhad toxicity ze struktury toxické látky o Vojenská – válečné využití toxických látek a ochrana před nimi o Toxikologie psychotropních a omamných látek – působení psychotropních a omamných látek na organismus o Toxikologie potravin a aditiv – negativní účinek látek přidávaných do potravin o Agrochemická nebo zemědělská toxikologie – pesticidů, hnojiv apod. III. Dělení: o Obecná toxikologie – zkoumá obecné zákonitosti a vztahy mezi chemickými látkami a účinkem na živý organismus o Speciální toxikologie – speciální toxikologie jednotlivých xenobiotik (anorganických látek, pesticidů apod.)
• Xenobiotikum: Odvozeno z řeckého xenos – cizí, bios – život. • Toxicita: schopnost chemických látek působit na živé organismy nepříznivě. • Chemická látka vykazující nepříznivé (toxické) účinky je nazývána toxická látka, toxin, jedovatá látka, jed. • Chemická látka: chemické prvky (elementy) a sloučeniny těchto prvků definovaného složení, respektive jejich směsi. • Pro právní účely jsou jedy vyjmenovány v Nařízení vlády 467/2009 Sb., kterým se pro účely trestního zákoníku stanoví, co se považuje za jedy a jaké je množství větší než malé u omamných látek, psychotropních látek, přípravků je obsahujících a jedů.
Působení jedů • 2 podmínky: – Musí dojít ke kontaktu – Musí být v těle aktivní
• KONTAKT – látka účinkuje přímo nebo po přeměně (biotransformaci) nebo se uloží či vyloučí • ÚČINEK = biologická změna, která je projevem interakce látky s organismem – specifický - specifický zásah do biochemického děje (obvykle spojen se specifickým enzymatickým aparátem) – nespecifický - vliv obecného chemického působení (př. žíravina, narkotikum)
Specifické působení na určité receptory • Koncept látka-receptor – Agonista – látka napodobující účinek látky endogenní – Antagonista – látka bránící navázání látky endogenní
• Receptorové struktury jsou součástí proteinů, lipoproteinů, gylkolipidů, nukleonových kyselin – Kompetitivní inhibice – např. CN- – blokuje enzym dýchacího řetězce cytochrom c oxidasu – Nekompetitivní inhibice – např. kationty těžkých kovů
http://dc.edu.au/hsc-biology-maintaining-a-balance/
Nespecifické působení na molekulární úrovni • Reakce elektrofilů – Elektrofilní látky – např. alkylační činidla – vážou se na nukleofilní centra v proteinech a nukleonových kyselinách → mutace, změny v buněčném cyklu, nádorové bujení
• Reakce nukleofilů – Nukleofilní látky – např. CO – váže se jako ligand na Fe2+ v hemoglobinu
• Reakce volných radikálů – reaktivní částice s nepárovým elektronem, které mohou snadno odtrhnout vodík z uhlovodíkového řetězce a iniciovat řetězovou radikálovou reakci
Faktory ovlivňující toxický účinnek • Na druhu látky • Na dávce nebo koncentraci v prostředí, z něhož látka do organismu vstupuje • Na cestě, kterou do organismu vstupuje • Na citlivosti jedince • Na vstřebatelnosti látky
Toxicita chemických látek závisí jen na její dávce • Otrava – intoxikace, je poškození organismu v důsledku působení jedovaté látky • Letální dávka – smrtelná – odhaduje se výpočtem koeficientu LD50 • Expozice – působení toxické látky na organismus – Trvání expozice (doba působení) • • • • •
Jednorázová Opakovaná Subakutní Subchronická Chronická
• Toxikokinetika – zkoumá osud toxické látky v organismu – popisuje průběh absorpce toxické látky (vstup), distribuce (rozvod toxické látky do organismu), biotransformace (přeměna toxické látky) a exkreci (vyloučení toxické látky nebo jejích metabolitů z organismu) • Toxikodynamika - mechanismy a projevy působení (účinky na buňky, tkáně a organismus) – sleduje odezvu
Toxikokinetika • Bariéry: kůže, hematoencefalická bariéra, placentární bariéra, buněčná membrána • Vstup: vdechnutí (inhalační), prostup kůží (transdermální), požití (gastrointestinální), lze zahrnout i vstupy injekční • Distribuce: z krve k cílovým orgánům • Biotransformace: proces chemické přeměny látek v organismu • Vylučování
Kůže Plocha u člověka asi 1,5- 2 m2, hmotnost bez tuku až 3,5 kg, s tukem až 20 kg, z několika vrstev • pokožka (epidermis) - vrchní vrstva, různě tlustá, staří lidé a děti tenčí, 5 vrstev, nejsvrchnější rohovatí (buňky se průběžně plní keratinem) a chrání • škára (dermis) - pod pokožkou - vazivová vrstva, která určuje pružnost, mechanickou odolnost a pevnost, různě silná (oční víčka nejtenčí, paty a dlaně silná), ústí cévy, nervy, žlázy (potní, mazové), vlasové míšky, lymfatické cévy a buňky imunitního systému • podkoží (hypodermis) - vazivo a tuk - chrání už orgány před mechanickými a teplotními vlivy
http://www.bioderma.com/cz/v-doteku-s-pokozkou/kuze-samostatny-organ.html
Hematoencefalická bariéra (Blood Brain Barrier – BBB)
BBB nepropustná pro hydrofilní látky, pro vstup potřebných živin speciální transportní mechanismy, u novorozenců prostupnost vyšší Volně, prostřednictvím pasivní difúze, přes BBB procházejí: – malé molekuly: H2O, O2, CO2, NH3, etanol – lipofilní látky: steroidní hormony
Selektivní transportéry pro facilitovanou difúzi či aktivní transport mají například: – glukóza: GLUT-1 – aminokyseliny
http://fblt.cz/skripta/regulacni-mechanismy-2-nervova-regulace/12-likvor-hematoencefalicka-a-hematolikvorova-bariera/ https://faculty.washington.edu/chudler/bbb.html
Placentární bariéra • Funkce: –
Respirační, nutritivní, exkrekční, transport protilátek, protektivní, endokrinní
• Bariéra mezi krevním oběhem matky a krevním oběhem plodu, krev se nemísí, chrání plod před účinky látek užívaných matkou, ale její propustnost větší než u hematoencefalické bariéry – př. pronikají protilátky, léky, i viry (HIV, zarděnky), metadon ½ koncentrace z matky (rozkládá se v játrech), ethanol 1:1, ale v plodu působí víc, protože se rozkládá pomalu, FAS u 30 % dětí alkoholiček, jinak přirozeně 1 ze 750 novorozeňat tj. 0,13 %
Buněčná membrána Složení: vrstva bílkovin (polární), fosfolipidová dvouvrstva (nepolární), vrstva bílkovin (polární) Membránový transport 1. Nespecifická permeace pasivně difúzí ve směru rozdílu koncentrací, procházejí látky lipofilní do Mr 500 a molekuly s malou hmotností O2, CO2, i voda
2. Zprostředkovaný transport – –
Přenašeče Iontové kanálky http://www.nature.com/scitable/ebooks/cell-biology-for-seminars-14760004/118244378
Vstup cizorodých látek do organismu Absorpce látek do oběhového systému (krve/lymfy) kriticky závisí na cestě vstupu: –Požitím (per os, ústy) –Vdechnutím (inhalací) –Přes kůži (per cautam, kůží) –Do žíly (intra venam)
Vstup ústy Orální – ústy - krátká doba zdržení, vstřebaná látka jde přímo do krve, bez působení jater (př. lék nitroglycerin pod jazyk – v minutách, nikotin) v žaludku a dál - velký povrch a rozdíly v pH v jednotlivých částech
• • • •
v žaludku pH 1-2 potlačena disociace slabých kyselin, jsou lipofilnější v tenkém střevu pH 6-7,5 kyseliny ionizovány, slabé zásady ne (aminy) doba nástupu účinků je 20-30 minut, ovlivňuje přítomnost potravy celkově se lipofilní látky vstřebávají velmi dobře, ionizované špatně, látky v prostředí těla nerozpustné projdou, nevstřebají se a vyloučí se
Vstup inhalací •
dýchací soustavou – nosní dutina, hrtan, průdušnice, průdušky, průdušinky, plicní sklípky (300 až 400 milionů alveolů) – povrch okolo 80 m2 – místo hlavní výměny plynů mezi krví a okolím –
•
•
•
často nevědomky (plyny bez zápachu)
projev místní (látky dráždivé) nebo celkový, kdy látka přejde z plic do krevního oběhu čas projevu v sekundách, neprochází játry, působí přímo pevné malé částice (<1 m) se dostanou až do plicních sklípků, odkud buď vydechnuty, nebo pohlceny tzv. prachovými buňkami (fagocytovány) resorpce v plicích výborná: př. rtuť kovová v trávicím traktu se prakticky nevstřebá, v plicích páry rtuti až z 50 % se vstřebají
http://skolicka6.sweb.cz/PRIRODOVEDA/DYCHACISOUSTAVA.htm
Vstup kůží Často při nehodě • neporušenou je obtížný, propouští lépe lipofilní látky a i ty pomalu, hydrofilní mohou pronikat pouze potními a mazovými žlázami a vývody vlasových folikulů, které zabírají jen 0,1 až 1 % povrchu kůže • př. u léčiv, která účinkují v malých dávkách (nikotinové náplasti)
• porušená pokožka propouští neomezeně, až jako intravenózní - vstup přímo do krve
Injekční vstup Pro látky, které by se rozkládaly nebo špatně vstřebávaly: • do žíly (intravenózní) – nejrychlejší × nejrizikovější, • do svalu (intramuskulární) – př. léky proti bolesti, • pod kůži (subkutánní) – pomalé – př. antibiotika, inzulín • do dutiny břišní (intraperitoneání) Implantace - tuhé sterilní přípravky pod kůži či do tkáně chirurgickým zákrokem (př. Pohlavní hormony antikoncepce)
Distribuce Látka vstřebána do krve a distribuuje se k cílovým orgánům. 1. 2. 3.
4. 5.
prokrvení orgánu - nejvíce mozek, játra, ledviny, srdce, plíce, nejméně tuková tkáň; relativní molekulová hmotnost látky (menší lépe); rozpustnost látky - lipofilní se hromadí v tukových tkáních, podle rozdělovacích (distribučních) koeficientů, což je poměr rovnovážných koncentrací látky v obou médiích (plazma a bílkoviny, krev a tuk atp.) – Kow= coil/cwater chemická struktura látky - afinita vůči některým tkáním př. jodidy vychytávány štítnou žlázou, vápník kostmi vazba látky na bílkoviny krevní plazmy - vodíkovými, iontovými i polárními vazbami - velký komplex nemůže pronikat kapilární stěnou, proto prochází jen volná molekula látky
Distribuční objem - schopnost látky distribuovat se v těle popisuje experimentální veličina
Vd = Div / c0 Div c0 Vd
dávka podaná intravenózně (mg), koncentrace v plazmě (mg/l) objem, ve kterém by bylo potřeba látku rozpustit, aby výsledná koncentrace byla rovna počáteční koncentraci v krevní plazmě
• ukládá-li se látka v orgánech, pak je její distribuční objem větší než objem krve • velikost závisí na charakteru látky, • lipofilní látky mají velký distribuční objem, • disociované, hydrofilní mají malý distribuční objem
Literatura • http://www.kch.tul.cz/sites/default/files/texty /bozp/cizidokumenty/esf_stud_opora_kolska_toxikologi e.pdf • Petr Klusoň, Jedová stopa, ACADEMIA, Praha 2015
