EKOTOKSIKOLOGIJA III

ONEČIŠĆENJE OKOLIŠA

Osnove procesaOsnove procesaUNOSA

BIOTRANSFORMACIJE (DETOKSIFIKACIJE)ELIMINACIJEELIMINACIJE

IAKUMULACIJE 

Osnovni procesi bioakumulacije su

UNOS, BIOTRANSFORMACIJABIOTRANSFORMACIJA 

I ELIMINACIJA

predviđanje nakupljanja štetnih tvari i razumijevanjeakumulacije tih tvari u okolišu je nužno:akumulacije tih tvari u okolišu je nužno:

• jer su učinci na živa bića posljedica koncentracije štetne tvari u okolišup j j

Bioakumulacija

• je neto akumulacija štetne tvari u i na organizam iz svihi klj č j ći d k i č f (h lizvora uključujući vodu, zrak i čvrste faze (hrana, tlo,sediment i fino suspendirane čestice u zraku ili vodi) uokolišu

• Biokoncentracija je sličan pojam a uglavnom se koristi uBiokoncentracija je sličan pojam a uglavnom se koristi uliteraturi za opis akumulacije tvari isključivo iz vodeBi k l ij i i• Bioakumulacija ovisi o

– samoj štetnoj tvari,– organizmu u koji se štetna tvari unosi– i o okolišnim uvjetima njihove interakcije

• Štetna tvar ovisno o kemijskoj strukturi odnosno obliku ukojem se nalazi u okolišu određuje

stupanj unosa biotransformacijestupanj unosa, biotransformacije 

i eliminacije

• Organizam ‐ fiziološkim, biokemijskim i genetskimkarakteristikama nastojij

– minimalizirati unos i biotransformaciju

– te povećati eliminaciju

• na tijek ovih procesa utječu:– razvojni stadiji organizma ili spolne karakteristike,

– kao i okolišni uvjeti (poput temperature, saliniteta, pH ili dr.)

• Obrada podataka o bioakumulaciji se temelji namatematičkim modelimamatematičkim modelima

stoga je poznavanje 

ovih procesa i osnova matematičkog modeliranja

ž pred iđanje bioak m lacijebioak m lacijenužno za predviđanje bioakumulacijebioakumulacijei i učinakaučinaka koji iz toga proizlaze

V d

BIOTRANSFORMACIJA

UNOS

Os

Voda

Hrana

ELIMINACIJA snovni 

Izlučivanje putem škrga Izlučivanje putem urinarnogi crijevnog trakta

Mogućnost prijelaza unutar proces

g p jodjeljaka

UNOS Eliminacija

si bioak Mogućnost biotransformacije idetoksifikacije

UNOS Eliminacija

kumula

detoksifikacije

acije

U>EU=E

Kon

cent

raci

ja

U>>E

Vrijeme izlaganja štetnoj tvari

K

1. UNOS

• Unos je prijenos toksičnih tvari u ili na organizam koji seodvija na nekoliko načina i najčešće uključuje:odvija na nekoliko načina i najčešće uključuje:

Unos preko kože ili epidermeUnos preko površine dišnog 

ili crijevnog sustavai unos preko lista ili korijena (bilje)i unos preko lista ili korijena (bilje)

ili preko škrga (ribe)

VRSTA ORGANIZMA NAČIN UNOSA IZVORI ZAGAĐIVALAKopneni kralježnjaci Probavni trakt Hrana i voda

Koža Zagađena površinaKoža Zagađena površinaDišni organi Čestice u zraku i pare

Kopneni beskralježnjaci Probavni trakt Hrana i vodap j jEpiderma-insekti Zagađena površinaTjelesne stjenke -crvi Zagađeni okoliš-npr.tloTraheje-dišni sustav Čestice u zraku i pare

Ribe Škrge voda

Probavni trakt Uglavnom hranaVodeni sisavci i ptice Probavni trakt Uglavnom hrana

Dišni organi Čestice u vodi zraku i pareDišni organi Čestice u vodi, zraku i pareKoža Zagađeni okoliš-uglavnom

voda ili npr.tlo i sedimentVodeni beskralježnjaci Probavni trakt Uglavnom hrana

Dišni organi Čestice u vodi i pareBiljk Lišć Č ti di k iBiljke Lišće Čestice u vodi, zraku i pare

Korijen Čestice u tlu i vodi, zraku ipare

• unos organskih tvari u organizam je uobičajeno posljedicau os o ga s t a u o ga a je uob čaje o pos jed capasivne difuzije tvari kroz prirodne barijere.

• Vrlo lipofilne molekule mogu se apsorbirati u crijevima• Vrlo lipofilne molekule mogu se apsorbirati u crijevima– prolaz tvari započinje kroz biljnu epidermu ili epidermui ktinsekta,

– kroz kožu kralježnjaka ili– membrane sluznice crijeva, pluća ili traheja

– Kretanje duž ovih barijera (lipofilne) ovisi o topljivosti tvari injenom afinitetu prema barijeri ali i vodi prisutnoj unutarj p j p jbarijere→ravnoteža između topljivosti u lipidima i vodi

• Ova ravnoteža je određena koeficijentom raspodjele O a a ote a je od eđe a oe c je to aspodje eoktanol –voda, Kow

• Kow = C(u oktanolu)/C(u vodi)Kow  C(u oktanolu)/C(u vodi) • Oktanol je lipofilan (hidrofoban) i ne miješa se s vodom

– koeficijent raspodjele oko 1 (amfoterna tvar) ‐ jednako dobro– koeficijent raspodjele oko 1 (amfoterna tvar) ‐ jednako dobrotopljiva u oktanolu i vodi

koeficijent raspodjele znatno veći od 1 tvar se bolje otapa u– koeficijent raspodjele znatno veći od 1– tvar se bolje otapa uoktanolu (lipofilne tvari)

– koeficijent raspodjele manji od 1 – tvar se bolje otapa u vodikoeficijent raspodjele manji od 1 tvar se bolje otapa u vodi(hidrofilne tvari)

• Neutralne forme kem. tvari preferiraju oktanol (lakšeprolaze kroz barijere) a ionizirani oblici voduprolaze kroz barijere) a ionizirani oblici vodu

Tvar log KOW T (°C)

Acetamid-CH3CONH2 -1,16 25

Metanol CH OH 0 82 19Metanol - CH3OH -0,82 19

Mravlja kiselina ‐ HCOOH -0,41 25

Dietileter 0,83 20

Malation 2,36 20-25

p-diklorobenzen - C6H4Cl2 3,37 25

Tri butilkositar klorid 3,70 20-25Tri butilkositar klorid 3,70 20 25

Heksametilbezen - C6(CH3)6. 4,61 25

2,2',4,4',5-pentaklorobifenil 6,41 20-25

• lipofilne tvari lakše prolaze kroz barijere organizmalipofilne tvari  lakše prolaze kroz barijere organizma• Za učinkovit prolaz pasivnom difuzijom kroz lipofilne barijere K mora iznositi oko 1barijere Kow mora iznositi oko 1

• Međutim, ne postoji neka optimalna vrijednost Kow koja d b ždoprinosi bržem unosu  

• jer unos ovisi i o sastavu barijere ali i o okolišnim čimbenicima –T/°C i pH– Npr. pri niskim T /°C  je otežan prolaz kroz lipidni dvosloj  p p / j p p jjer gube fluidnost

– Unos slabih kiselina je bolji pri nižim pH (želudac) a unosUnos slabih kiselina je bolji pri nižim pH (želudac), a unos slabih baza u crijevu –viši pH

• Simkiss je 1996. kategorizirao unos u stanicuna tri opća puta unosa tvari:p p

– lipidni– vodeni 

– endocitozni put unosa

–Lipidni put unosa ‐ prolaz lipofilnih tvari kroz dvoslojnumembranu lipidaprolaz malih polarnih molekula bez naboja:prolaz malih polarnih molekula bez naboja:

CO2, glicerol i H2O

–Vodeni put unosa uključuje membranski prijenosuz dva opća tipa proteina:

kanalni proteini (proteini koji tvore kanaliće) koji mogu bitikanalni proteini (proteini koji tvore kanaliće) koji mogu biti– specifični za tvar koja prolazi kroz njih (većina)ili nespecifični (pojedini)– ili nespecifični (pojedini)

proteini nosači koji u membrani prenose hidrofilneproteini‐nosači ‐ koji u membrani prenose hidrofilnetoksične tvari u stanicu

• Mehanizmi unosa uključuju 

apsorpciju– apsorpciju– pasivnu difuziju– aktivni prijenos– difuziju izmjenej j– endocitozu 

i povlačenje otapala– i povlačenje otapala

ApsorpcijaApsorpcija

• akumulacija tvari na granici dvaju faza i unos u plinovitu,tekuću ili čvrstu fazu (npr. unos otopine u čvrstu fazu)( p p )

• To je npr. apsorpcija metala otopljenog u vodi ionskomj p p p j p j gizmjenom u ljusku jednog insekta

adsorpcija = akumulacija na površini čvrste fazeadsorpcija akumulacija na površini čvrste faze

• Općenitiji pojam sorpcija se koristi kao zamjenski ako je specifičanOpćenitiji pojam sorpcija se koristi kao zamjenski ako je specifičanmehanizam kojim se tvar u otopini povezuje s čvrstom površinomnepoznat ili neodređen

• Apsorpcija se često definira primjenom Freundlich‐ iLangmuir‐ovih izotermnih jednadžbi

• Freundlich‐ ova jednadžba je empirijski odnosFreundlich ova jednadžba je empirijski odnos

neKC

MX /1=M

gdje su X – adsorbirana količina, M - masa adsorbenta, K i n -izvedene konstante C koncentracija otapala u otopini nakonizvedene konstante, Ce koncentracija otapala u otopini nakon što je apsorpcija završena

• Langmuir‐ova jednadžba je teoretski izvedeni odnos:

ebCqqX max

e

ee bCq

M +==

1max

egdje je qmax - apsorpcijski maksimum (količina) a b parametarafiniteta koji odražava snagu vezeafiniteta koji odražava snagu veze

O i odnosi se mog lineari irati kako bi se olakšalaOvi odnosi se mogu linearizirati kako bi se olakšalaobrada podataka linearnom regresijom:

FreundlicheCKX log1loglog += Y=aX+b;

FreundlicheCn

KM

logloglog +(a=1/n;b=log K)

X/M

)ili

log

(Xlo

g q e

log Ce

CCe 11+=

bqC

qq ee maxmax

+=Langmuir

yNa-SZ = 0.0625x + 0.5527R2 = 0 9897

20R2 = 0.9897

yFe-Na-CZ = 0.0529x + 2.3237R2 = 0.995915

10Ce/q

e

5 Na-SZ

00 100 200 300

Fe-Na-CZ

0 100 200 300C e (mg/L)

• Apsorpcija i ovi izrazi se vrlo uspješno koriste zadefiniranje kretanja toksičnih tvari na različite biološkepovršine kao što su one kod jednostaničnih algi, ribljihškrgi i zooplanktona

• Crist i sur. su ustanovili da unos H+ iona u alge uključujebrzu apsorpciju nakon koje slijedi spora difuzija u stanicu,brzu apsorpciju nakon koje slijedi spora difuzija u stanicu,a za određivanje interakcija metala s površinom stanicealge koristili su Langmuir‐ovu jednadžbualge koristili su Langmuir ovu jednadžbu

DifuzijaDifuzija• je kretanje štetne tvari niz odnosno premaje kretanje štetne tvari niz odnosno premaelektrokemijskom slijedu (koncentracija, aktivnost ilielektrični gradijent)električni gradijent)

ž b d d f b kTo može biti jednostavna difuzija nabijenog iona kroz kanalni protein 

ili prolaz lipofilne molekule kroz lipidni dvosloj

DifuzijaDifuzija

jč šć i j Fi k i kse najčešće opisuje Fickovim zakonom:

dCDAdS−=

gdje je

dXDA

dtgdje jedS/dt = promjena kretanja štetne tvari kroz površinu u vremenuD = difuzijski koeficijentj jA = površina difuzijedC/dX = razlika u koncentraciji štetne tvari na granici dvaju faza;

gradijent konc. na obje strane membrane

• . Difuzija kroz kanal

Olakšana Difuzija

ATP

ADP+Pi

Aktivni prijenos*

Vanjski dioUnutarnji dio

Difuzija kroz lipidni dvosloj

J d dif ij h ij š j ij• Jednostavna difuzija ne zahtijeva potrošnju energije– Ako je u proces uključen kanalni protein, prolaz kroz kanal ovisi

o naboju i veličini iona uključujući i veličinu hidracijske sfere okoo naboju i veličini iona uključujući i veličinu hidracijske sfere okoiona

– Proteini‐nosači mogu olakšavati difuziju• Olakšana difuzija općenito je posljedica prisutnosti nekihspojeva ili vrsta iona, a odvija se prema elektrokemijskoml dslijedu

– Uz prisutnost proteina‐nosača, teče slobodno (ne treba energiju)i toksične tvari se prenose brže nego što je predviđenoi toksične tvari se prenose brže nego što je predviđenojednostavnom difuzijom

• Neke vrste olakšane difuzije uključuju izmjenu iona dužNeke vrste olakšane difuzije uključuju izmjenu iona dužmembrane (izmjenična difuzija)

Aktivni prijenos• prijenos štetne tvari koji treba energiju za odvijanje prijenosa

duž elektrokemijskog nizaj g

• Jedan od primjera je kationski prijenos membranski‐vezanomp j j p jATP‐azom

• ATP‐aza koristeći energiju oslobođenu hidrolizom ATP djelujekao pumpa za istovremeno uklanjanje nekih iona iz stanice (Na+)i unos drugih iona (K+) u stanicu

Endocitoza (pinocitoza i fagocitoza)(p g )• Unos putem hrane se vrlo često odvija pinocitozom i fagocitozom• Pinocitoza je unos malih čestica (razložene tvari) uPinocitoza je unos malih čestica (razložene tvari) ustanicu. Čestice se razlažu na manje dijelove i uklapaju ušupljine unutar citoplazme a potom se sjedinjuju sp j p p j j jlizosomima i hidroliziraju ili se dalje razlažu. Primjer(Simkiss 1996):

– Željezo i drugi metali se vezuju na membrane proteina: Nastalimetal‐protein kompleks kreće se do određenog područjapovršine stanice gdje biva asimiliran i uklopljen u šupljinu.površine stanice gdje biva asimiliran i uklopljen u šupljinu.Unutar stanice se šupljina stapa s lizosomom i metal se otpušta

• Fagocitoza je sličan proces ali je specifična za tvar kojuprenosi. Fagocitozom se uklapaju čitave čestice koje se

t i ki bij j ipotom enzimski razbijaju i unose.

• U nekim slučajevima toksične tvari mogu ulaziti uorganizam procesom povlačenja otapala

• To je kretanje otopljene tvari usporedno s fizikalnimj j p j pkretanjem matične otopine

• Npr. pri sniženim pH vrijednostima, H+ se može natjecatisa Ca2+ koji se uobičajeno veže za ligande staničnesa Ca koji se uobičajeno veže za ligande staničnepovršine i održava čvrste stanične veze epitela ribljih škrgaO ž d i ij ti ć j ti šk• Ovo može doprinijeti povećanju propusnosti škrga zametale pri sniženim pH vrijednostima

KINETIKA UNOSAKINETIKA UNOSA• se definira općim kinetičkim izrazima• Za modeliranje reakcije prema jednom reaktantu red reakcije• Za modeliranje reakcije prema jednom reaktantu, red reakcije u

općem obliku kinetičkog modela odgovara eksponentu n:dC/dt = kCndC/dt = kC

– Za reakciju 0. reda je dC/dt = k,d j k t ij i i di ktodnosno promjena koncentracije u vremenu ne ovisi direktno o

koncentraciji reaktanta CZa reakcije 1 reda: dC/dt = kC– Za reakcije 1. reda: dC/dt = kC,

promjena konc. reaktanta C utječe na brzinu reakcije, pri čemukonstanta brzine reakcije, k ima jedinicu h‐1konstanta brzine reakcije, k ima jedinicu htijekom modeliranja procesa bioakumulacije najčešće se opaža iprimjenjuje kinetika reakcija prvog redap j j j j p g

Osim toga vrlo često se primjenjuje i kinetika zasićenja, primjenomOs toga o često se p je juje et a as će ja, p je oMichaelis‐Mentenove jednadžbe:

CVdCgdje su Vmax –maksimalna brzina reakcije i

Km ‐ Michaelisova konstantaCKCV

dtdC

m +=− max

min

-1

CKdt m +m

ol d

m-3

mci

je, V

0/m

zina

rea

kcB

rz

Koncentracija supstrata, S /mol dm-3

BIOTRANSFORMACIJA i DETOKSIFIKACIJA• Nakon unosa toksična tvar postaje dostupna procesima

biotransformacije:j

• biološka pretvorba jedne kemijske tvari u drugu

– Biotransformacija je proces u kojem se kemijske tvari prevodeiz jednog oblika u neki drugi oblik (transformacija) putemreakcija unutar organizma.

• Biotransformacija je proces ključan za preživljavanje jer se njime transformiraju apsorbirane hranjive tvari (hrana, kisik,…) do spojeva ili oblika koji su nužni za normalno funkcioniranje organizma

K d lij k b li i lij k i j k• npr. Kod unosa lijekova ‐metaboliti lijeka imaju terapeutsko djelovanje a ne sam apsorbirani lijek ‐ fenoksibenzamin (Dibenzyline®)‐lijek za smanjenje visokog krvnog tlaka se biotransformira do metabolita koji jelijek za smanjenje visokog krvnog tlaka se biotransformira do metabolita koji je aktivni agens.

Bi f ij d i i b ljš j• Biotransformacija doprinosi poboljšanju procesa– eliminacije– detoksifikacije– preraspodjele ili aktivacije

• može pospješiti izlučivanje iz organizma:p pj j g

– npr pretvorbom lipofilnih ksenobiotika u hidrofilniju tvar,k id ij ft l t j ft l di loksidacijom naftalena nastaje naftalen diol

• Neke toksične tvari mogu se prevesti u produkte koji nisutoksični (proces se naziva detoksifikacija).

• Neke toksične tvari mogu se prevesti do produkata koji su višetoksični‐ proces bioaktivacije:

• Bioaktivacija je proces kojim se tijekom biotransformacije štetniučinci neke toksične tvari mogu još pojačati ili se neka neaktivnatvar može prevesti do produkta sa štetnom bioaktivnošću

• Primjerice organofosforni pesticid paration podliježe oksidativnoj• Primjerice, organofosforni pesticid‐paration podliježe oksidativnojdesulfuraciji pri čemu nastaje vrlo štetan paraokson

• Povremeno biotransformacijom mogu nastati i vrlo reaktivniPovremeno, biotransformacijom mogu nastati i vrlo reaktivnimetaboliti koji mogu sudjelovati u interakciji sa staničnimmakromolekulama (npr. DNK).

• To može uzrokovati vrlo štetne učinke kao što su pojava karcinomaili urođenih defekata.

P i j j bi f ij i il kl id d i il kl id– Primjer je biotransformacija vinil klorida do vinil kloridepoksida, koji se potom veže s DNK i RNK, što je jedna od fazanastanka karcinoma jetre.j

• međutim, čovjek ima dobro razvijen sustav biotransformacije većine k bi tik i d ih t d ih t i t lih t iksenobiotika i drugih otpadnih tvari nastalih unutar organizma. 

• Jedan od primjera otpadne tvari koja se mora izlučiti je hemoglobin(kompleksni spoj Fe‐proteina koji prenosi kisik) u crvenim krvnim(kompleksni spoj Fe‐proteina koji prenosi kisik) u crvenim krvnim stanicama (eritrociti). –Hemoglobin se oslobađa tijekom normalnog razaranja eritrocita g j g j(odumiranje stanica) i pri normalnim okolnostima hemoglobin se prvo biotransformira do bilirubina ‐ jednog od brojnih metabolita. 

–Bilirubin je toksičan osobito za mozak novorođenčadi i prisutnost povišenih koncentracija može uzrokovati nepovratna oštećenja mozgamozga. 

–Međutim, u jetri se lipofilna molekula bilirubina biotransformacijom prevodi  do vodotopljivih (hidrofilnih) metabolita koji se izlučuju u žuč i uklanjaju iz organizma crijevnom eliminacijom. 

• Općenito, kemijske reakcije koje se odvijaju u organizmima:• omogućuju pretvorbu hranjivih tvari do energije, 

• sudjeluju u izgradnji novih i razlaganju starih tkiva, • omogućuju odlaganje

• i izlučivanje otpadnih tvari i ksenobiotika.j p

– kemijske reakcije unutar organizama su dobro organizirane i j j g godvijaju se prema potrebi

– Većina tih reakcija se odvija znatnijim dijelom zbog prisutnosti specifičnih proteina, poznatih kao enzimi, koji ih kataliziraju odnosno ubrzavaju reakciju  

• Katalizator je tvar koja može ubrzati kemijske reakcije druge tvari, bez da sama bude trajno kemijski promijenjenada sama bude trajno kemijski promijenjena.

• Enzimi su katalizatori za gotovo sve biokemijske reakcije.g j j– Bez enzima bitne reakcije biotransformacije bi se odvijale sporo ili uopće ne, što 

bi onemogućilo normalno funkcioniranje organizama.

• Primjer je nemogućnost osoba koje imaju fenilketonuriju (FKN) da koriste umjetno sladilo‐aspartam. 

• Aspartam je u osnovi fenilalanin ‐ prirodni sastojak većine proteina koji se nalaze u hranjivim tvarima

• Neke osobe su rođene s genetskim stanjem u kojem enzim kojimože biotransformirati fenilalanin u tirozin (fenilalanin hidroksilaza), nedostaje ili je neispravannedostaje ili je neispravan– Kao rezultat toga, fenilalanin se može nagomilati u tijelu i uzrokovati ozbiljne 

mentalne retardacijej– Bebe se pri rođenju rutinski provjeravaju za FKN. Ako imaju FKN, mora im se 

omogućiti posebna prehrana  i ograničiti unos fenilalanina u dojenačkoj dobi i dj ti j tdjetinjstvu. 

• Enzimske reakcije nisu uvijek jednostavne biokemijske reakcije, tako ki i i htij j i t t k f kt ili k i j k jineki enzimi zahtijevaju prisutnost ko‐faktora ili ko‐enzima uz spoj koji 

se katalizira  prije iskazivanja svoje katalitičke aktivnosti. – Ti ko‐faktori postoje kao normalne komponente u većini stanica te su često p j p

uključeni u zajedničke reakcije pretvorbe hranjivih tvari u energiju (vitamini su primjer ko‐faktora). 

– Kemijsko‐transformacijski enzimi su ključni za transformacije različitihKemijsko transformacijski enzimi su ključni za transformacije različitih ksenobiotika. 

• Većina biotransformacijskih enzima su bjelančevine velike l k l t ži t j d l i ki li đ bmolekularne težine, sastoje se od lanaca aminokiselina međusobno 

povezanih peptidnim vezama• Postoje brojni biotransformacijski enzimi, a većina enzima ćePostoje brojni biotransformacijski enzimi, a većina enzima će 

katalizirati reakcije uz prisutnost samo nekih pojedinih tvari, što znači da imaju visoku "specifičnost". – Specifičnost je funkcija  strukture enzima i njegove katalitičke sposobnosti. – Do enzima dolaze mnoge različite kemikalije, ali samo one kemikalije (tvari), 

koje se uklapaju u enzimsku strukturu i prostorni raspored će se moći vezati, zaključati i transformirati pod utjecajem enzima. 

Specifičnost enzima Djelovanje enzimaSpecifičnost enzima Djelovanje enzima

Apsolutna Katalizira samo jednu Apsolutna specifičnu reakciju

Katalizira reakcije molekulaSpecifičnost

za grupe

Katalizira reakcije molekula koje posjeduju specifične

grupe kao npr.amino, za grupe g p p ,fosfatne ili metil grupe

Specifičnost Enzimi djeluju na specifične veze bez obzira na ostatak

za vrstu veze strukture molekule

Na primjer:p j– Formaldehid dehidrogenaze imaju apsolutnu specifičnost jer kataliziraju samo reakciju sa formaldehidom.j j

– Acetilkolinesteraze imaju apsolutnu specifičnost za biotransformaciju acetilkolina.

– Alkohol dehidrogenaze imaju grupnu specifičnost jer mogu biotransformirati nekoliko različitih alkohola, uključujući metanol i 

č četanol, pri čemu dolazi do uklanjanja VODIKA. Produkt je obično aldehid ili keton.

• Biotransformacija određenih ksenobiotika može biti korisna ili štetna• Biotransformacija određenih ksenobiotika može biti korisna ili štetna, možda i oboje što ovisi o dozi i okolnostima:

• Dobar primjer je biotransformacija acetaminofena (PARACETAMOL‐• Dobar primjer je biotransformacija acetaminofena (PARACETAMOL‐Tylenol ®), lijeka korištenog za smanjenje boli i temperature:– Kada se uzimaju propisane doze, željeni terapijski odgovor se opaža s malo iliKada se uzimaju propisane doze, željeni terapijski odgovor se opaža s malo ili 

bez toksičnosti – jer paracetamol obično brzo podliježe biotransformaciji a metaboliti se brzo eliminiraju putem urinarnog i crijevnog sustava. M đ i k d i j k j d ž j i i– Međutim, kad se uzimaju prekomjerne doze, može se pojaviti hepatotoksičnost.

– Pri velikim dozama, normalna razina enzima može biti potrošena, a , p ,acetaminofen tada postaje dostupan za druge biosintetske reakcije pri čemu nastaje reaktivni metabolit koji je toksičan za jetru.I t l k i i i t l j d i j i– Iz tog razloga, korisnici paracetamola se upozoravaju da ne uzimaju propisanu dozu češće od svakih 4‐6 sati, i da ne konzumiraju više od četiri doze u 24‐satnom razdoblju.

• Biotransformacijski enzimi kao i većina drugih• Biotransformacijski enzimi, kao i većina drugih biokemikalija su dostupni u organizmu u nekoj normalnoj količini ali u nekim situacijama se mogu "potpunokoličini, ali u nekim situacijama se mogu  potpuno iskoristiti", po stopi koja prelazi sposobnost tijela da ih ponovno stvoriponovno stvori. 

– Ovim se ilustrira često korišten izraz "doza čini otrov"

• Procesi biotransformacije s ekotoksikološkog aspekta su osobito važni za pretvorbu štetnihosobito važni za pretvorbu štetnih

organskih tvari i l i l idi metala i metaloida

BIOTRANSFORMACIJA ORGANSKIH TVARIBIOTRANSFORMACIJA ORGANSKIH TVARI

• Ovisno o vrsti, organske štetne tvari se brzo uklanjaju ilib li i j i l či j lih b limetaboliziraju uz izlučivanje nastalih metabolita

• lipofilne tvari, pretvorbom u hidrofilne produkte postajupristupačnije za izlučivanje

• Metabolizam organskih tvari može se podijeliti u dvijeosnovne grupeosnovne grupe

• reakcije I fazek ij II f• reakcije II faze

• U reakcijama prve faze, male polarne grupe (s + ili – nabojem)U reakcijama prve faze, male polarne grupe (s + ili nabojem)reagiraju s organskim tvarima.

• Ovim reakcijama se povećava hidrofilnostOvim reakcijama se povećava hidrofilnost

– ‐ prevladavaju reakcije oksidacijed k k k– ‐ redukcijske reakcije i

– ‐ procesi hidrolizep– Oksidacija je kemijska reakcija u kojoj supstrat gubi elektrone. Postoji niz

reakcija kojima se može postići uklanjanje elektrona iz supstrata‐kemijskihspojeva, a prva otkrivena reakcija je bila DODAVANJE KISIKA i stoga je reakcijanazvana oksidacija:

• Međutim, mnoge reakcije oksidacije ne uključuju kisikMeđutim, mnoge reakcije oksidacije ne uključuju kisik• Najjednostavniji tip oksidacije je reakcija dehidrogenacije ‐

uklanjanje vodika iz molekule:uklanjanje vodika iz molekule:

• Drugi primjer oksidacije je prijenos elektrona koji se sastoji samo odprijenosa elektrona iz supstrata:

• Općenito su reakcije oksidacije brojne i nazvane su uglavnom prema p j j j g ptipu reakcije, supstratu ili enzimu uključenom u reakciju

• neki od primjera su:– reakcije dehidrogenacije alkohola, aldehida, …

– reakcije hidroksilacije alkila i drugih acikličnih spojeva– reakcije hidroksilacije aromatskih spojeva– reakcije hidroksilacije aromatskih spojeva

– dezaminacija – desulfuracija– N‐dealkilacija 

– N‐hidroksilacija – N‐oksidacijaN oksidacija – O‐dealkilacija – sulfoksidacija 

– Jedna od čestih reakcija prve faze je adicija kisika na ksenobiotikedjelovanjem enzima monooksigenazedjelovanjem enzima monooksigenaze

ENZIMI PRISUTNOST KOFAKTORI SUPSTRAT

Monooksigenaze Endoplazmatski retikulumu stanicama brojnih tkiva

NADPH/NADH, O2 Lipofilne tvari (M<800)

Karboksi esteraze Endoplazmatski retikulum Karboksi esteriKarboksi esteraze Endoplazmatski retikulumu stanicama brojnih tkiva;serumu ili plazmi kralježnjaka

‐Karboksi esteri

kralježnjaka

A esteraze Endoplazmatski retikulumu stanicama nekih tkiva;serumu ili plazmi

Ca2+Organofosfatni

esteriserumu ili plazmi kralježnjaka

E k i hid l E d l t ki tik l O ki k idiEpoksi hidrolaze Endoplazmatski retikulumu stanicama brojnih tkiva ‐

Organski epoksidi

Reduktaze Endoplazmatski retikulumu stanicama brojnih tkiva NADH/NADPH,

Org. dušikovi spojevi i neki organohalogeni

R d k ij j k ij k k ij k j j d bi• Redukcija je kemijska reakcija u kojoj supstrat dobiva elektrone. – ksenobiotici s manjim sadržajem kisika lako reduciraju 

• Redukcija se može odvijati i preko N‐N dvostrukih veza (azoredukcija) ili na nitro skupinama (NO2).redukcija) ili na nitro skupinama (NO2). 

• Neke kemikalije kao CCl4 ‐ugljični tetraklorid se mogu reducirati do slobodnih radikala koji su vrlo reaktivni sreducirati do slobodnih radikala, koji su vrlo reaktivni s biološkim tkivima 

• Procesi redukcije češće rezultiraju aktivacijom, nego detoksikacijom ksenobiotikadetoksikacijom ksenobiotika

• Pr. Redukcija nitro grupe: • nastali amino spojevi često oksidiraju uz stvaranje toksičnih 

metabolita

• Specifične reakcije redukcije su manje brojne od reakcijaSpecifične reakcije redukcije su manje brojne od reakcija oksidacije t k đ l ti k ij• a također su  nazvane su uglavnom prema tipu reakcije, 

supstratu ili enzimu uključenom u reakciju: 

• azo redukcija • dehalogenacija 

• redukcija disulfidaj• nitro redukcija

• redukcija N‐oksidaredukcija N oksida• redukcija sulfoksida

• Hidroliza je kemijska reakcija I faze u kojoj dodatak vode• Hidroliza je kemijska reakcija I faze u kojoj dodatak vodedijeli kemijsku tvar u dva fragmenta ili na manje molekule.

d k l k ( ) đ d f– Hidroksilna skupina (OH‐) je ugrađena u jedan fragment, a atomvodika u drugi.

V ć k ik lij k š i i i hid i i i k b i• Veće kemikalije kao što su esteri, amini, hidrazini i karbamatiopćenito se biotransformiraju hidrolizomP bi t f ij k i (l k l i t tik) k ji j hid li i• Pr. biotransformacija prokaina (lokalni anestetik), koji je hidroliziranna dvije manje tvariO i ih k ij j f i d ij j i k ij• Osim ovih reakcija u prvoj fazi odvijaju se i reakcije:

• Dezaminacije• i reakcije promjena na prstenu

IC=OI

I

dietilaminoetanol

IOH

p-amino benzojeva kiselina

Produkti prve faze mogu biti izlučeni ili moguProdukti prve faze mogu biti izlučeni ili mogu sudjelovati u reakcijama druge faze

1. FAZA1. FAZA 2. FAZA2. FAZA- OksidacijaOksidacija-- RedukcijaRedukcija

Konjugacija sKonjugacija s

‐‐ Glukuronskom kiselinomGlukuronskom kiselinomjj-- HidrolizaHidroliza

DezaminacijaDezaminacija

Glukuronskom kiselinomGlukuronskom kiselinom‐‐ Sumpornom kiselinomSumpornom kiselinomA i ki liA i ki li-- DezaminacijaDezaminacija

-- Promjene naPromjene na‐‐ AminokiselinamaAminokiselinama‐‐ GlutationomGlutationom

prstenuprstenu

• Ksenobiotik koji je sudjelovao u reakcijama I faze je kaoKsenobiotik koji je sudjelovao u reakcijama I faze je kao produkt ‐ novi prijelazni metabolitnovi prijelazni metabolit koji sadrži reaktivne kemijske skupine,  kao npr., hidroksi (‐OH), amino (‐NH2) i j p p 2karboksilnu (‐COOH),…. 

• Mnogi od tih metabolita nisu dovoljno hidrofilni da bi se g jmogli ukloniti iz tijela i stoga prolaze dodatnu biotransformaciju u reakcijama II faze

• REAKCIJE II FAZE su reakcije konjugacije: na reaktivna mjestametabolita I faze se vežena reaktivna mjesta metabolita I faze se veže molekula normalno prisutna u tijelu

– Produkt je konjugirani metabolit koji je više topiv u vodi odProdukt je konjugirani metabolit koji je više topiv u vodi od izvornog ksenobiotika ili metabolita I faze. 

– Obično je metabolit II faze vrlo hidrofilan i može biti lako jeliminiran iz tijela

P i k ij II fPrimarne reakcije II faze su:

KonjugacijaKonjugacija ssgglukuronskomlukuronskom kiselinomkiselinom najvažnija reakcijagglukuronskomlukuronskom kiselinomkiselinom- najvažnija reakcija

ssumpornomumpornom kiselinomkiselinom - važna reakcijaaaminokiselinamaminokiselinama

gglutationomlutationomgglutationomlutationomreakcije acetilacije i metilacije

• Konjugacija s gglukuronskomlukuronskom kiselinomkiselinom je jedna od najvažnijih iKonjugacija s gglukuronskomlukuronskom kiselinomkiselinom je jedna od najvažnijih i najučestalijih reakcija  II faze. 

•• GGlukuronsklukuronskaa kiselinkiselinaa je molekula izvedena iz glukoze ‐ šećera, koji je glavni izvor energije za stanice i stoga je jedna od molekula koje seglavni izvor energije za stanice  i stoga je jedna od molekula koje se izravno veže na kem. tvari ili metabolite I faze 

• Reakcija konjugacije s glukuronskom kiselinom se odvija uz prisutnost kisikovih dušikovih veza ili veza sa sumporomprisutnost kisikovih, dušikovih veza ili  veza sa sumporom

• U reakciji sudjeluje velik broj različitih ksenobiotika, ali i endogenih tvari kao što su bilirubin steroidni hormoni i hormoni štitnjačetvari, kao što su bilirubin, steroidni hormoni i hormoni štitnjače. 

ft lnaftalen+O2monooksigenaza

NADPHNADP+

Reakcije I faze

Naftalen epoksidEpoksidhidrolaza

+H2O

Naftalen 1, 2 diol

UDP l k ki

Reakcije II fazeUDP-Uridin difosfat

UDP-glukuronosiltransferaza

UDP gluk. kis.UDP

O-GA

Glukuronid konjugat

OH

Reakcije tijekom metabolizma naftalena

• Ksenobiotici najčešće sudjeluju u reakcijama konjugacije sKsenobiotici najčešće sudjeluju u reakcijama konjugacije s glukuronskom kiselinom (put visokog kapaciteta) i obično im se time smanjuje toksičnost. 

– međutim postoje neke iznimke, pri čemu mogu nastati kancerogeni međuprodukti 

• Nastali konjugati su općenito prilično hidrofilne molekule i izlučuju se bubrezima ili žuči, ovisno o veličini konjugiranog spoja 

• Primjer ‐ konjugacija anilina

Konjugacija sa sumpornom kiselinom je takođerKonjugacija sa sumpornom kiselinom je također važna reakcija II faze koja se javlja uz prisutnost brojnih ksenobiotika i enzima sulfotransferazaksenobiotika i enzima sulfotransferaza

Općenito, konjugacija sa sumpornom kiselinom smanjuje toksičnost ksenobiotika ali je put niska kapaciteta za transformaciju ksenobiotika

Za razliku od konjugata glukuronske kiseline koji seZa razliku od konjugata glukuronske kiseline koji se često eliminiraju u žuč, vrlo polarni konjugati sumporne kiseline se lako izlučuju putem mokraćesumporne kiseline se lako izlučuju putem mokraće.

Isti ksenobiotici mogu konjugirati i s obje kiseline ( l k k ili )(glukuronskom ili sumpornom)- enzimi glutation-S-transferaze

Pozicije biotransformacijePozicije biotransformacijeEnzimi koji provode biotransformaciju su učestalo prisutni u

svim dijelovima organizma

Međutim, jetra je zbog svoje veličine i velike koncentracije , j j g j jenzima primarni organ biotransformacije

B b i l ć lj d ći 10 30% b šćBubreg i pluća su sljedeći sa 10 - 30% sposobnošću u odnosu na jetru

Niski kapacitet postoji u koži, crijevima, testisima i posteljici

Budući da je jetra primarni organ za biotransformacijuBudući da je jetra primarni organ za biotransformaciju osjetljiva je na djelovanje štetnih ksenobiotika koji se mogu aktivirati do spojeva s većom toksičnošću

Unutar stanica jetre, primarne substanične komponente koje j p p jsadrže transformacijske enzime su

mikrosomi (mali mjehurići) endoplazmatskog retikuluma( j ) p g

i topljivi dijelovi citoplazme (citosol)mitohondriji jezgre i lizosomi - imaju nisku transformacijskumitohondriji, jezgre i lizosomi imaju nisku transformacijsku

aktivnost

K i i i l k l i i ći k kKrv iz gastrointestinalnog trakta ne ulazi izravno u opći krvotok → ona se putem portalne vene prvo ulijeva u jetru - to je poznato kao fenomen "prvi prolaz“poznato kao fenomen "prvi prolaz“

pri tome se velik dio apsorbiranih tvari detoksificira ili aktiviraKrv se potom iz jetre cirkulacijom vodi na sva druga područjaKrv se potom iz jetre cirkulacijom vodi na sva druga područjaJetra uklanja većinu potencijalno otrovnih kemikalijaali se istovremeno neki toksični metaboliti nakupljaju u jetri

Relativna učinkovitost biotransformacije ovisi o nekoliko čimbenika, j ,uključujući:

vrstu, dob, spol, genetsku varijabilnost, prehranu, moguća oštećenja ili bolesti organizma,izloženost drugim kemikalijama koje mogu spriječiti ili potaknuti enzime,i količinu - dozu

Razlike u sposobnosti vrsta da biotransformiraju određene kemikalije su većinom poznate i obično su osnova za selektivno jtoksično djelovanje:

koriste se npr. za razvoj kemikalija učinkovitih protiv insekata i drugih štetočina, ali relativno sigurnih za ljude Npr. malation se u sisavaca biotransformira hidrolizom narelativno bezopasne metabolite, ali u kukaca oksidira do u kukaca oksidira do malaoksonamalaoksona, koji je smrtonosan za insekte

BIOTRANSFORMACIJA METALA I METALOIDA

• Biotransformacija metala je vrlo složen procesprincipi odvijanja se još uvijek istražujuprincipi odvijanja se još uvijek istražuju

• Općenito se metali mogu:• Općenito se metali mogu:– vezati za određene ligande

– biomineralizirati (djelovanjem mikroorganizama)

– vezati na metalotioneine ili druge ligandeg g

• Ioni metala se mogu brzo vezati za određene ligande ig gtime omogućiti uklanjanje iz organizma bez ikakvepretvorbepretvorbe

• Tako su Lion i sur. pojasnili ulogu ligandne veze s ionimametala u krvi potočnog raka s ciljem određivanjametala u krvi potočnog raka s ciljem određivanjarelativnog udjela takve eliminacije za niz metalnih iona

BIOMINERALIZACIJA

• Mikroorganizmi genetski prilagođeni na okolinu zagađenu

BIOMINERALIZACIJA

metalima mogu povećati mogućnost adicije metilnih ilietilnih grupa na ione metala

• npr. ion žive prevodi se u metil živa kompleksnpr. ion žive prevodi se u metil živa kompleks

T l t i i t l t i biljk i ži ti j• Trovalentni i peterovalentni arsen u biljkama i životinjamamogu metilacijom prijeći u manje toksične kiseline(monometilarsonsku i dimetilarsinsku)(monometilarsonsku i dimetilarsinsku)

• Arsen može konvertirati do arsenovih šećera…

VEZANJE NA METALOTIONEINE

• Metalotioneini i slične molekule vežu ili odjeljuju metale sodređenih pozicija

• Metalotioneini su grupa relativno malenih proteina kojig p p jsadrže 25‐30% sumporom bogatog cisteinai posjeduju sposobnost vezanja 6‐7 atoma metala poi posjeduju sposobnost vezanja 6 7 atoma metala pomolekuli

• Uobičajeno su inducirani prisutnošću metala kao što su• Uobičajeno su inducirani prisutnošću metala kao što suCd, Cu, Hg i ZnA Pt i Pb t k đ tič t l ti i Njih• Ag, Pt i Pb također potiču metalotioneine. Njihovaprisutnost potvrđena je u mnogim kralježnjacima ib k lj ž j i i iši biljkbeskralježnjacima i u višim biljkama

VEZANJE NA druge LIGANDE

• Fitohelati su skupina polipeptida koju unutar biljke

VEZANJE NA druge LIGANDE

induciraju metali kao Cd, Cu, Hg, Pb i Zn – a koriste se priregulaciji i detoksifikaciji metala

• Konačno metali podliježu i ostalim procesimaKonačno metali podliježu i ostalim procesimabiomineralizacije te i tako mogu biti odijeljeni ili uklonjeni

– Metali kao olovo radionuklidi kao radiostroncij ili radij mogu se iMetali kao olovo, radionuklidi kao radiostroncij ili radij mogu se iuklopiti unutar relativno inertne školjke, kostura ili kosti

– Posljedice ovakvog unosa mogu biti kobne anemije i lomovij g g jkostiju

Žetva akumul. metala u izbojcima

Akumulacija metala u izbojcima

Biomasa (redukcija

kompostiranjem ili b d )ili obradom)Odlaganje

unos metala iz korjena u izbojke

• Metali mogu biti odijeljeni i uklapanjem u brojne granuleili krute tvari kao dopuna odjeljivanja u strukturnimtkivima

• Prisutnost granulaPrisutnost granula– u probavnim žlijezdama, gušterači i bubrezima beskralježnjaka– u drugim specifičnim stanicama beskralježnjakau drugim specifičnim stanicama beskralježnjaka– te u veznom tkivu kralježnjaka i beskralježnjaka

ELIMINACIJAELIMINACIJA

• Eliminacija je

izlučivanje ili metaboliziranje toksične tvari koje ima zaposljedicu smanjenje količine štetne tvari unutarorganizma

• ali NIJE pad koncentracije toksične tvari, kao posljedica porastak liči ki ( i ) k j k ič đ jkoličine tkiva (rast organizma) u kojem se toksična tvar raspoređuje ‐TO JE rastuće razrjeđenje, koje ne predstavlja dio procesa

čizlučivanja

• Mehanizmi izlučivanja ovise o vrsti organizma i vrsti• Mehanizmi izlučivanja ovise o vrsti organizma i vrstitoksične tvari

• Biljke se mogu riješiti toksičnih tvari istjecanjem,isparavanjem s površine opadanjem lišća izlučivanjem izisparavanjem s površine, opadanjem lišća, izlučivanjem izkorijena…

• Životinje izlučuju toksične tvari prijenosom kroz škrge, izdisanjem,izlučevinama žuči kroz žučni mjehur, izlučevinama gušterače,j , g ,crijevne sluzi, izbacivanjem granula, mijenjanjem perja ili kože,izlučevinama kroz bubrege, polaganjem jaja, ili gubitkom dlake,g , p g j j j , g ,perja i kože

J ž č šk ij i i b b i i i• Jetra, žuč, škrge, crijevni sustav i bubrezi su primarniputovi izlučivanja u životinja

Npr.– Slabo lipofilni ksenobiotici, fenol, pentaklorfenol i DDTSlabo lipofilni ksenobiotici, fenol, pentaklorfenol i DDTse lako izlučuju putem škrga

– Velike nepolarne molekule i pripadajući metaboliti mogui l čiti i j t ž č i kl iti ij li i ijse izlučiti iz jetre u žuč i ukloniti crijevnom eliminacijom

– Mnogi metali (Al, Cd, Co, Hg, i Pb) i metaloidi (arsen itelur) kompleksiraju s proteinima i drugim biokemijskimtvarima u plazmi i uklapaju se unutar žuči

• Ptice mogu uklopiti metale u perje, a sisavci mogug p p j , geliminirati lipofilne tvari putem mlijeka

• Neki metali i metaloidi mogu se uklopiti u kožu i kosu

• Tako je analizom kose N. Bonaparte‐a izvedenaj ppretpostavka o mogućem trovanju s arsenom (tadašnjepolitičko oružje) tijekom izgona na Elbi ili Sv Helenipolitičko oružje) tijekom izgona na Elbi ili Sv. Heleni

• želučano crijevna eliminacijaj j

• Metali kao Cd i Hg se mogu izlučiti crijevnom sluzi(aktivnim ili pasivnim procesima)

• putovi eliminacije ovise prvenstveno o vrstiorganizma i vrsti toksične tvari:g

– na pr., lako hlapljive organske tvari se mogu izbacitiizdisanjemizdisanjem

• Izlučivanje putem bubrega je uz izlučivanje putemcrijevnog sustava najvažniji put eliminacije otrova izorganizma i snižavanja koncentracije otrova na mjestudjelovanjadjelovanja

• Na izlučivanje utječu brojni čimbenici, a najvažnija jefunkcionalnost bubrega

• Funkcija bubrega slabi s porastom životne dobi, a i mnogi otroviFunkcija bubrega slabi s porastom životne dobi, a i mnogi otrovikronično ili akutno unijeti u organizam izazivaju manja ili većaoštećenja tog organa, što doprinosi smanjenju bubrežne funkcijeoštećenja tog organa, što doprinosi smanjenju bubrežne funkcije

• Izlučivanje putem bubrega je primarni put izlučivanjanekih metala (Cd, Co, Cr, Mg, Ni, Zn i Sn) u sisavaca

• Na brzinu eliminacije utječu i mnogi drugi čimbenici kaoNa brzinu eliminacije utječu i mnogi drugi čimbenici kaošto su npr. diureza, bolesti srca, način prehrane, fizičkaaktivnost, itd.aktivnost, itd.

• Tako se, opseg eliminacije otrova koji se izlučujububregom može povećati diurezom koja rastebubregom može povećati diurezom, koja rastepovećanjem unosa tekućine u organizam

Eli i ij t ž či ij b• Eliminacija putem žuči ‐ reapsorpcija u probavnomsustavu

Pojava se zove enteralna reapsorpcija a važna je u terapijiki lij k i ( t id i k t ti i)nekim lijekovima (npr. steroidni kontraceptivi)

• vezana je i uz otrovanja s različitim štetnim spojevima koji npr.sadrže peptide, aromatske karboksilne kiseline, te s nekim drugimpolarnim otrovimamolekulske mase veće od 400p

• Reapsorpcija iz prob. sustava se može spriječiti davanjemprikladnih sorbensa ili ubrzavanjem prolaska otrova krozcrijevo

Modeliranje procesa eliminacijeModeliranje procesa eliminacije

• većina modela eliminacije temelji na kinetici reakcijaprvog reda

• Modeli temeljeni na specifičnoj brzini koriste konstantekao što je specifična brzina reakcije prvog reda zakao što je specifična brzina reakcije prvog reda zaodređivanje brzine promjene koncentracije ili količinet k ič t i j d ili iš dj lj ktoksične tvari u jednom ili više odjeljaka

• Eliminacija tvari iz organizma se može modelirati premaj g pveć spomenutim izrazima:

dC dXkCdtdC

−= kXdtdX

−=

• gdje su C ‐ koncentracija i X ‐ količina tvari u odjeljku, k ‐ specifična brzina zaizraz temeljen na koncentraciji odnosno količini i t ‐ vrijeme trajanja procesa.

• Integracijom ovih izraza omogućava se predviđanje• Integracijom ovih izraza omogućava se predviđanjeeliminacije neke početne koncentracije (C0) ili količinetvari (X ) u bilo kojem vremenu (t) tijekom procesa:tvari (X0) u bilo kojem vremenu (t) tijekom procesa:

• Ct = C0 e –kt

• Xt = X0 e –kt

Izračun parametaraIzračun parametaraNagib pravca određuje vrijednost

trac

ijain

aj j

specifične brzine, k.

Vrijeme za 50 %

once

nti k

olič

i Vrijeme za 50 % smanjenje C →-vrijeme biološkog

Ko ili

ije

vrijemepoluraspada:t1/2 = ln2/k

entr

aci

ine

lnC0 ili lnX0

nagib = -kSrednje vrijeme

zadržavanja dijela

konc

ei k

olič nagib = -k j j

tvari (τ) u odjeljku: τ = 1,44t1/2

ln il

vrijeme1/2

ili direktno k=1/τ.

• Modeli se mogu razviti i za više eksponencijalne proceseModeli se mogu razviti i za više eksponencijalne proceseeliminacije:

• pr. ovako složenog modela je eliminacija iz dva odjeljka u organizmu g

• Kinetika procesa eliminacija u jednom odjeljku može biti b d I t i i blik d l i žbrza a u drugom spora. Integrirani oblik modela izražava se:

tktkt eCeCC 21 0

201

−− +=gdje su Ct – ukupna koncentracija, uz pretpostavku jednakih volumena ili masa zaodjeljke 1 i 2, C10 ‐ početna koncentracija u odjeljku 1, C20 ‐ početna koncentracijau odjeljku 2, k1 i k2 ‐ specifična brzina eliminacije za odjeljak 1 odnosno 2.

• Ukoliko se eliminacija iz odjeljka 

odvija različitim putovima, oni se jednostavno uključuju u 

d lmodel:  

Ct = C0 e –Σkit ili Xt = X0 e –ΣkitCt  C0 e  ili Xt  X0 e 

gdje je ki ‐ specifična brzina pojedinog procesa eliminacijegdje je ki specifična brzina pojedinog procesa eliminacije 

Za ove modele efektivno vrijeme poluraspada kZa ove modele efektivno vrijeme poluraspada kefje ln 2/Σki

ija

tktkt eXeXX 21 0

201

−− +=

entr

acij

2 (spori proces)t 21

Kon

ce

vrijeme

1 (brzi proces)

acije

vrijeme

nagib = -k1

lnC10 lnC2

0

ncen

tra nagib k1

nagib = -k2

Lnko

vrijeme

AKUMULACIJAAKUMULACIJA• Bioakumulacija je normalan i nužan proces za rast i razvoj

organizamaorganizama.

• Sve životinje, ali i ljudi, dnevno bioakumuliraju mnoge vitalnehranjive tvari kao što suhranjive tvari, kao što su– vitamini A, D i K,– minerali u tragovima,– esencijalne masti i aminokiseline

• S ekotoksikološkog aspekta, bioakumulacija tvari u tijelu je važna jermože povećati količinu štetne tvari do razine koja može uzrokovatimože povećati količinu štetne tvari do razine koja može uzrokovatištetne učinke

B d ći d j bi k l ij t lt t i t k ij• Budući da je bioakumulacija neto rezultat interakcije unosa,nakupljanja i uklanjanja kemikalija unutar jedinke, ovi procesi suključni za razumijevanje sveukupnog učinkaključni za razumijevanje sveukupnog učinka

• Unosom kemijskog spoja u stanice organizma, on se raspoređuje, h j j ili b li i i i l č jpohranjuje ili metabolizira i izlučuje

• Izlučivanje, skladištenje i metabolizam smanjuje koncentraciju i i ć ć d lj j k ik lij iunutar organizma i povećava mogućnost daljnjeg unosa kemikalije iz 

vanjskog okruženja u organizam 

Tij k l i l ž i d k liči k li i• Tijekom stalne  izloženosti, odnos količine akumulirane tvari unutar organizma i količine koja se izlučuje, postiže stanje dinamičke ravnotežeravnoteže.

• Tako se u početku tvari iz okoliša brže unose u organizam nego štoTako se u početku, tvari iz okoliša brže unose u organizam nego što se pohranjuju, razlažu i izlučuju. 

• Uz stalnu izloženosti, koncentracija u organizmu se postupno povećava

• koncentracija kemijske tvari unutar organizma nakon nekog vremena postiže ravnotežu s koncentracijom kemijske tvari izvan organizma, a unos u organizam je isti kao i iznos izlučivanja 

• Iako količina u organizmu ostaje konstantna, tvar se i dalje se unosi, pohranjuje, razlaže i izlučuje 

• Ako se koncentracija kemijske tvari u okolišu povećava, količinaj j punutar organizma će se povećati sve dok ne dosegne novuravnotežu

• Izloženost velikim količinama kemikalija tijekom dugog vremena,međutim, može izazvati proboj ravnoteže i uzrokovati štetne učinke

Najjednostavniji model za opisivanje procesa uključujeunos (reakcija prvog reda) iz jednog izvora u jedanunos (reakcija prvog reda) iz jednog izvora u jedanodjeljak

i eliminaciju iz tog odjeljka (reakcija prvog reda):

dC CkCkdC−= 1 CkCk

dt eu= 1gdje je

C k ij i ( 1 d )C1 = koncentracija u izvoru (pr. 1=voda),C = koncentracija u odjeljku (pr. riba),

1ke = konstanta brzine eliminacije (h‐1) iku = konstanta koja određuje odnospročišćavanja i unosa s jedinicom ‐mL (g‐1h‐1)u kojoj sumL – volumen izvora a g – masa tkiva

•Integriranjem navedene jednadžbe dobiva se izraz

( )tekut ekCC −−⎟⎟

⎞⎜⎜⎛

= 11 ( )e

t ek

CC ⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

11

•Na osnovi ove jednadžbe se može predvidjetik ij i bil kkoncentracija u organizmu u bilo kom vremenu

S j ž k ij i d• Stvaranjem ravnoteže koncentracija u organizmu odnosizmeđu koncentracija u organizmu (C u ustaljenom stanjuC ) i i iš (C ) i j i– Css) i izvorištu (C1) opisuje se izrazom

kC

eusskk

CC

=1 ekC1

• Ako je izvor voda odnosom Css/C1 odnosno ku/keprocjenjuje se biokoncentracijski faktor (BCF)

• odnosno za druge izvore ‐ bioakumulacijski (BAF) ili akoje izvor štetne tvari sediment (BSAF)je izvor štetne tvari sediment (BSAF)

• Općenito• Općenito

okolišuutvarikemijskeijaKoncentracorganizmuutvarikemijskeijaKoncentrac

=BCFokolišuutvarikemijskeijaKoncentrac

faktori pri akumulacijip jBiokoncentracijski BCF Co / Ca Unos iz vode faktor Bi k l ij ki BAF C / C U i t k ćiBioakumulacijskifaktor

BAF Co / Ca Unos iz tekućina

Biomagnifikacijski faktor

BMF Co / Cf Unos iz hrane faktor Biota - sediment BSAF Co / Cs Unos iz sedimentaakumulacijski faktor Ca koncentracija u vodi (tekuća faza)

C koncentracija u organizmu Co koncentracija u organizmuCf koncentracija u hraniCs koncentracija u sedimentu