program iz poskusov v kemiji osnove toksikologije iztok devetak ljubljana, junij 2007

PROGRAM IZ POSKUSOV V KEMIJIPROGRAM IZ POSKUSOV V KEMIJI

OSNOVE TOKSIKOLOGIJEOSNOVE TOKSIKOLOGIJE

Iztok DevetakIztok Devetak

Ljubljana, junij 2007Ljubljana, junij 2007

Učni načrt izbirnega predmeta Učni načrt izbirnega predmeta Poskusi v kemijiPoskusi v kemiji

OPERATIVNI CILJI:OPERATIVNI CILJI:

Utrjevanje in urjenje v razumevanju in uporabi simbolov Utrjevanje in urjenje v razumevanju in uporabi simbolov za označevanje nevarnih snoviza označevanje nevarnih snovi

Spoznavanje in navajanje na uporabo R in S stavkov ter Spoznavanje in navajanje na uporabo R in S stavkov ter temu ustreznim ravnanjem z nevarnimi kemikalijamitemu ustreznim ravnanjem z nevarnimi kemikalijami

Seznanjanje z osnovami toksikologije in (racionalno) Seznanjanje z osnovami toksikologije in (racionalno) preučevanje škodljivih učinkov kemikalij na ljudi in preučevanje škodljivih učinkov kemikalij na ljudi in okoljeokolje

Razvijanje zavesti o pomenu premišljene rabe nevarnih Razvijanje zavesti o pomenu premišljene rabe nevarnih snovi in pripravkovsnovi in pripravkov

Poudarki predavanjaPoudarki predavanja

Osnovni pojmi toksikologije. Osnovni pojmi toksikologije. Izpostavljenost organizma toksinom.Izpostavljenost organizma toksinom. Distribucija toksina iz mesta vstopa v organizem Distribucija toksina iz mesta vstopa v organizem

do tarčne celice.do tarčne celice. Biotransformacija toksina.Biotransformacija toksina. Vpliv toksina v celici; proteini, lipidi, nukleinske Vpliv toksina v celici; proteini, lipidi, nukleinske

kisline.kisline. Mehanizma celične smrti.Mehanizma celične smrti. Karcinogeneza.Karcinogeneza. Pregled toksikologije organskih sistemov.Pregled toksikologije organskih sistemov.

Definicija: veda o toksinih; njihov vpliv Definicija: veda o toksinih; njihov vpliv škodljiv za organizme škodljiv za organizme

Vplivi majhnih koncentracij snovi na organizme. Vplivi majhnih koncentracij snovi na organizme. Relativna strupenost snovi – pomembna od Relativna strupenost snovi – pomembna od

načrtovanja novega zdravila do vplivov polutanta načrtovanja novega zdravila do vplivov polutanta na okolje.na okolje.

Primarni pomen je poznavanje kemije snovi – Primarni pomen je poznavanje kemije snovi – topnost, reaktivnost, predvidevanje na produkte topnost, reaktivnost, predvidevanje na produkte biotransformacije, izbor medija za vnos toksina v biotransformacije, izbor medija za vnos toksina v testni organizem.testni organizem.

Kemija majhnih molekul je relativno enostavna.Kemija majhnih molekul je relativno enostavna. Kemija makromolekul (proteini, lipidi …) Kemija makromolekul (proteini, lipidi …)

kompleksnejša.kompleksnejša.

Preučevanje strupenosti snoviPreučevanje strupenosti snovi

Poskusi na živalih; Poskusi na živalih; Rattus norwegicusRattus norwegicus (albin) (albin)

http://www.aqualandpetsplus.com/Animal226.jpg www.dw-world.de/dw/article/0,2144,1992696,00.html


Rezultati:Rezultati:- mehanizem delovanja toksina- mehanizem delovanja toksina- ugotavljanje vplivov toksinov na - ugotavljanje vplivov toksinov na fiziologijo, organe, tkiva … fiziologijo, organe, tkiva …

Protokol raziskaveProtokol raziskave- humana obravnava testnih živeli- humana obravnava testnih živeli- kontrolna in eksperimentalna skupina- kontrolna in eksperimentalna skupina- kontrolirani pogoji življenja (poseben kletke)- kontrolirani pogoji življenja (poseben kletke)- meritve telesnih parametrov (masa)- meritve telesnih parametrov (masa)- opažanja: obnašanje, simptomi (znaki zastrupitev)- opažanja: obnašanje, simptomi (znaki zastrupitev)- končna humana usmrtitev; pregled organov – iskanje - končna humana usmrtitev; pregled organov – iskanje

znakov zastrupitev znakov zastrupitev- histopatološki in biokemični pregled tkiv in/ali celic- histopatološki in biokemični pregled tkiv in/ali celic


Odmerek; dozaOdmerek; doza (količina aplicirane snovi - mg) – (količina aplicirane snovi - mg) – ključni pojem toksikologijeključni pojem toksikologije

odmirjanjeodmirjanje (količina aplicirane snovi na enoto (količina aplicirane snovi na enoto telesne mase prejemnika – mg / kg telesne mase)telesne mase prejemnika – mg / kg telesne mase)

PARACELSUS ((1567); “Vse snovi so strupene, le njihova doza določa strupenost.”

Ksenobiotik – organizmu tuja snov, ki ni nujni toksična


OSNOVNO NAČELO TOKSIKOLOGIJE: odgovor se OSNOVNO NAČELO TOKSIKOLOGIJE: odgovor se proporcionalno spreminja z naraščanja aplicirane proporcionalno spreminja z naraščanja aplicirane doze testirane snovi na osnovi geometrijskega doze testirane snovi na osnovi geometrijskega zaporedja (1, 2, 4, 8, 16 … mg/kg)zaporedja (1, 2, 4, 8, 16 … mg/kg)

Vsaka snov ima svoj doza-odgovor odnos. Vsaka snov ima svoj doza-odgovor odnos.

Običajno predstavljanje rezultatov v grafični Običajno predstavljanje rezultatov v grafični obliki.obliki.


Odvisnost odgovora od doze Odvisnost odgovora od doze (doza-odgovor krivulja)(doza-odgovor krivulja)

Plato efekt je posledica saturacije receptorjev s snovjo, ki se vežejo nanje ali preobremenitve transportnega sistema (krvožilje).

Snov A ima večji učinek kot snov B.

Letalna doza snovi A je manjša kot letalna doza snovi B.

Odgovor

Log [doza]

0%

100%

Snov BSnov A

LD50LD50

Preučevanje strupenosti snoviPreučevanje strupenosti snovi Smrtnost določa LETALNA DOZA snovi.Smrtnost določa LETALNA DOZA snovi. Uporaba vrednosti LDUporaba vrednosti LD5050 – mediana letalne doze – mediana letalne doze

(mera akutne toksičnosti neke substance)(mera akutne toksičnosti neke substance) LDLD5050 eksperiment eksperiment

Zapleten kontroliran eksperiment na živalih.Zapleten kontroliran eksperiment na živalih. Več skupin izenačenih testnih živali (skupina maksimalne Več skupin izenačenih testnih živali (skupina maksimalne

doze tista, ko pogine vsaj 90% vseh živali).doze tista, ko pogine vsaj 90% vseh živali). Uporaba šestih eksperimentalnih skupin (šest različnih doz Uporaba šestih eksperimentalnih skupin (šest različnih doz

testirane snovi) po 10 živali (5 samcev in 5 samic) in testirane snovi) po 10 živali (5 samcev in 5 samic) in kontrolne skupine.kontrolne skupine.

Zagotovljena tehnična čistost testirane snovi (95 % Zagotovljena tehnična čistost testirane snovi (95 % čistost).čistost).

Uporaba ustrezne pomožne snovi za aplikacijo.Uporaba ustrezne pomožne snovi za aplikacijo. Alternativni poskusi (cenejši, humanejši do lab. živali)Alternativni poskusi (cenejši, humanejši do lab. živali)


SnovSnov LDLD50 50 [mg/kg][mg/kg]

etanoletanol 1000010000

Natrijev kloridNatrijev klorid 40004000

Železov sulfat(VI)Železov sulfat(VI) 15001500

Morfin sulfatMorfin sulfat 900900

Strihnin sulfatStrihnin sulfat 150150

NikotinNikotin 11

Strup črne vdoveStrup črne vdove 0,550,55

Kurare Kurare 0,500,50

Strup klopotačeStrup klopotače 0,240,24

DioxinDioxin 0,0010,001

ButulinButulin 0,00010,0001

Letalne doze Letalne doze nekaterih snovi.nekaterih snovi.

Interakcija med toksinom in organizmomInterakcija med toksinom in organizmom

IzpostavljenostIzpostavljenost; ; kontakt med toksinom in telesom kontakt med toksinom in telesom organizmaorganizma

ToksikokinetikaToksikokinetika; ; absorbcija toksina v absorbcija toksina v kardiovaskularni sistem, migracija toksina po telesu, kardiovaskularni sistem, migracija toksina po telesu, distribucija v tkiva in eliminacija iz telesadistribucija v tkiva in eliminacija iz telesa

ToksikodinamikaToksikodinamika; ; vpliv toksina na tarčne celicevpliv toksina na tarčne celice

Vse tri faze se po izpostavljenosti toksinu Vse tri faze se po izpostavljenosti toksinu prekrivajo.prekrivajo.

IzpostavljenostIzpostavljenost

Različni odgovori organizma na toksin so lahko Različni odgovori organizma na toksin so lahko

posledica: posledica:

PotiPoti izpostavljenosti izpostavljenosti..

Frekvenci Frekvenci izpostavljenosti; prispeva k prejeti izpostavljenosti; prispeva k prejeti dozidozi..

Trajanju Trajanju izpostavljenosti (akutna, kronična); izpostavljenosti (akutna, kronična); prispeva k prejeti doziprispeva k prejeti dozi..

IzpostavljenostIzpostavljenost

Akutna izpostavljenost - manj kot 24 ur; ponavadi enkratna izpostavljenost toksinu

Ponavljajoča izpostavljenost: Subakutna – ponavljajoča se do 30 dni Subkronična - ponavljajoča se od 30 do 90 dni Kronična - ponavljajoča se več kot 90 dni

Viri: nenamerna in namerna izpostavljenost toksinom v Viri: nenamerna in namerna izpostavljenost toksinom v širšem okolju, delovnem okolju, posledica terapije, prehrane širšem okolju, delovnem okolju, posledica terapije, prehrane ……

Absorpcija – vstop toksina v teloAbsorpcija – vstop toksina v telo

Celična bariera; Celična bariera; toksin jo mora premagati, da vstopi v toksin jo mora premagati, da vstopi v krvni obtokkrvni obtok

Enostavna difuzija ali aktivni transport preko Enostavna difuzija ali aktivni transport preko celične membrane; celične membrane; lipofilnost toksina, velikost lipofilnost toksina, velikost molekule, nevtralnost (brez naboja) molekulemolekule, nevtralnost (brez naboja) molekule

Pot absorbcije; Pot absorbcije; oralna, respiratorna, dermalnaoralna, respiratorna, dermalna

Injiciranje; Injiciranje; intramuskularno, intraperitonealno, intramuskularno, intraperitonealno, intravenozno, subkutanointravenozno, subkutano


Oralna potOralna pot

http://www.meb.uni-bonn.de/cancer.gov/Media/CDR0000415499.jpg

Clostridium butullinumClostridium butullinumPolipeptid, nevrotoksinPolipeptid, nevrotoksin

70 ng / človeka70 ng / človeka

http://www.bact.wisc.edu/themicrobialworld/C.bot.Spores.jpg


Oralna potOralna pot Najhitrejša absorpcija v ozkem črevesu; velika površina, Najhitrejša absorpcija v ozkem črevesu; velika površina,

močno ožiljeno, pH okoli 6močno ožiljeno, pH okoli 6 pH; ionizirajo šibke pH; ionizirajo šibke

bazebaze

pH; ionizirajo šibke pH; ionizirajo šibke kislinekisline

ionizacija ionizacija verjetnost verjetnost absorpcije absorpcije

šibke baze se bodo šibke baze se bodo absorbirale kjer je absorbirale kjer je

višji višji pH (ozko črevo) pH (ozko črevo)

POMEN JETER

http://www.colorado.edu/kines/Class/IPHY3430-200/image/villi.jpg


RespiratornaRespiratorna potpot Pot plina ali areosola do pljučPot plina ali areosola do pljuč Vodotopni plini, raztopijo se v sluzi Vodotopni plini, raztopijo se v sluzi

zgornjih dihal, manj topni gredo dlje v dihalazgornjih dihal, manj topni gredo dlje v dihala Velikost delcev; Velikost delcev;

večje ujamejo cilije večje ujamejo cilije

in sluz zgornjih dihalin sluz zgornjih dihal Dobra difuzija snoviDobra difuzija snovi

v alveolah (tanekv alveolah (tanek

epitel, velika gostotaepitel, velika gostota

žilja)žilja)

http://stb.msn.com/i/1A/12E7327B7EE7C23268A69F64FCB12.jpg


Dermalna potDermalna pot

Najboljša celična barieraNajboljša celična bariera Debel večplastni epidermisDebel večplastni epidermis Slaba difuzija; Slaba difuzija;

zadebeljenazadebeljena plazmalema, plazmalema,

v kateri je keratinv kateri je keratin Absorpcija le najboljAbsorpcija le najbolj

lipidotopnih snovilipidotopnih snovi

http://www.valleyhealth.com/images/image_popup/skin_type.jpg


Poškodbe kože (rana, pik, ugriz) pomembno povečajo Poškodbe kože (rana, pik, ugriz) pomembno povečajo absorpcijo toksinovabsorpcijo toksinov

Avstralski celinski taipanAvstralski celinski taipan (Oxyuranus (Oxyuranus microlepidotus); microlepidotus); peptidi; peptidi; pre- in post sinaptični pre- in post sinaptični

neurotoksini (paraliza, odpoved dihanja); prokoagulanti neurotoksini (paraliza, odpoved dihanja); prokoagulanti (razgradnja fibrinogena – krvavitve); miolizini (razgradnja fibrinogena – krvavitve); miolizini

(razgradnja mišičja)(razgradnja mišičja)En ugriz: max. 110 mg toksina (1,1 mg / človeka)En ugriz: max. 110 mg toksina (1,1 mg / človeka)

http://www.chm.bris.ac.uk/webprojects2003/stoneley/strength.htmhttp://www.biltek.tubitak.gov.tr/merak_ettikleriniz/dendro.jpg

Zlata strupena žabaZlata strupena žaba ((Phyllobates terribilisPhyllobates terribilis))

BatrahotoksinBatrahotoksin; ; 0,07 mg /človeka 0,07 mg /človeka

Distribucija – prenos toksina po telesuDistribucija – prenos toksina po telesu

Krvožilni sistemKrvožilni sistem Hitrost prenosa; hitrost preskrbe organa s krvjoHitrost prenosa; hitrost preskrbe organa s krvjo Večja perfuzija (srce, jetra, ledvica), večji prinos toksinaVečja perfuzija (srce, jetra, ledvica), večji prinos toksina Nekateri organi so posebej Nekateri organi so posebej

zaščiteni:zaščiteni: Možgansko-žilna barieraMožgansko-žilna bariera Tesni stiki med celicami Tesni stiki med celicami

endotela žil in izrastki endotela žil in izrastki astrocit astrocit

Vstop v živčni sistem Vstop v živčni sistem imajo le zelo lipidotopni imajo le zelo lipidotopni toksinitoksini

http://www.colorado.edu/kines/Class/IPHY3430-200/image/bbb.jpg

Distribucija – prenos toksina po telesuDistribucija – prenos toksina po telesu

Zadrževanje toksinov v telesuZadrževanje toksinov v telesu Afiniteta vezave nekaterih toksinov na albumine Afiniteta vezave nekaterih toksinov na albumine

krvne plazme.krvne plazme. Metalotioneini jeter in Metalotioneini jeter in

ledvic vežejo nekatereledvic vežejo nekatere

kovine (Cd, Zn, Cu).kovine (Cd, Zn, Cu). Težke kovine se kopičijoTežke kovine se kopičijo

v kostnem tkivu.v kostnem tkivu. Lipidotopne snovi se kopičijoLipidotopne snovi se kopičijo

v adipocitih.v adipocitih.

Molekula Molekula vezana na vezana na albuminalbumin

http://www.rutherford-research.ca/rrx/pharma/moleculeRepresentationIntro.php

Eliminacija – izločanje toksina iz telesaEliminacija – izločanje toksina iz telesa

Pretvorba prvotne snovi (toksina) z Pretvorba prvotne snovi (toksina) z BIOTRANSFORMACIJO v metabolite ter izločanje BIOTRANSFORMACIJO v metabolite ter izločanje iz telesa.iz telesa.

Najpomembnejša pot ekskrecije toksina vodi Najpomembnejša pot ekskrecije toksina vodi preko ledvic; jeter, žolča in črevesa; dihal; ustnih preko ledvic; jeter, žolča in črevesa; dihal; ustnih žlez slinavk, znojnih žlez in mlečnih žlez.žlez slinavk, znojnih žlez in mlečnih žlez.

http://www.pennhealth.com/health_info/pregnancy/graphics/images/en/19741.jpghttp://www.pg.com/science/skincare/Skin_tws_35/skin_35_02.jpg

http://www.vicc.org/spores/lung/lung.jpghttp://healthgate.partners.org/images/si55551216_ma.jpg

http://www.hepfoundation.org.nz/images/liver2.jpg

BiotransformacijaBiotransformacija

Metaboliti nastanejo s encimsko katalizo in so Metaboliti nastanejo s encimsko katalizo in so različno toksični:različno toksični:

DETOKSIKACIJA; manj toksični metaboliti od prvotnega DETOKSIKACIJA; manj toksični metaboliti od prvotnega toksinatoksina

INTOKSIKACIJA (bioaktivacija); bolj toksični metaboliti INTOKSIKACIJA (bioaktivacija); bolj toksični metaboliti od prvotnega toksina; nastanek od prvotnega toksina; nastanek hidrofilnegahidrofilnega (ni (ni lipofilen, da bi prečkal plazmalemo), lipofilen, da bi prečkal plazmalemo), velikegavelikega (le (le manjše molekule lahko prečkajo plazmalemo) in manjše molekule lahko prečkajo plazmalemo) in nabiteganabitega delca metabolita (nevtralni delci lažje delca metabolita (nevtralni delci lažje prečkajo plazmalemo)prečkajo plazmalemo)


Poteka v dveh fazah:Poteka v dveh fazah:

REAKCIJE I. FAZE; prvotni toksin hidrolizira ali oksidira REAKCIJE I. FAZE; prvotni toksin hidrolizira ali oksidira (redkeje reducira) – nastanek določene funkcionalne (redkeje reducira) – nastanek določene funkcionalne skupine (potrebna za vezavo na druge molekule)skupine (potrebna za vezavo na druge molekule)

REAKCIJE II. FAZE; metabolit toksina se veže na večjo REAKCIJE II. FAZE; metabolit toksina se veže na večjo hidrofilno in nabito molekulohidrofilno in nabito molekulo


Reakcije I. faze; hidroliza:Reakcije I. faze; hidroliza: Hidrolizo vršijo Hidrolizo vršijo hidrolaze hidrolaze (amidaze, peptidaze, lipaze).(amidaze, peptidaze, lipaze). Pogosto vsebujejo toksini estersko Pogosto vsebujejo toksini estersko

vez (aspirin, organotiofosfatni acaricid vez (aspirin, organotiofosfatni acaricid

in insecticid malation …), ki je center in insecticid malation …), ki je center

poteka hidrolize.poteka hidrolize. Insekticid mireks nima esterskeInsekticid mireks nima esterske

vezi, zato je zelo odporen navezi, zato je zelo odporen na

biotransformacijo (kopiči se v biotransformacijo (kopiči se v

maščobnem tkivu; rakotvoren)maščobnem tkivu; rakotvoren)

BiotransformacijaBiotransformacija Reakcije I. faze; oksidacija:Reakcije I. faze; oksidacija:

Oksidacijo vršijo encimi iz skupine citokromov P450 Oksidacijo vršijo encimi iz skupine citokromov P450 (absorpcijski vrh svetlobe 450 nm) predvsem v jetrih.(absorpcijski vrh svetlobe 450 nm) predvsem v jetrih.

Največ encima v gladkem endoplazmatskem retikulumu.Največ encima v gladkem endoplazmatskem retikulumu.

- Vsebujejo hem.- Vsebujejo hem.- Molekula O- Molekula O22 sprejme sprejme dva elektrona. dva elektrona.- En atom kisika tvori- En atom kisika tvori novo funkcionalnonovo funkcionalno skupino prvotnega skupino prvotnega toksina, drug pa tvori toksina, drug pa tvori vodo. vodo.- Potrebna je redukcija - Potrebna je redukcija encima s pomočjo encima s pomočjo NADPH + H NADPH + H++..

http://www.daviddarling.info/images/heme.gifhttp://www.ccs.k12.in.us/chsBS/kons/kons/eukaryotic%20cell/cytoplasm_and_its_associated_str_files/image002.jpg


Drugi encimi oksidacije:Drugi encimi oksidacije: Alkoholne dehidrogenazeAlkoholne dehidrogenaze (ADH razreda 1, 2, 3 in (ADH razreda 1, 2, 3 in

4) oksidirajo nižje alkohole v aldehide.4) oksidirajo nižje alkohole v aldehide. Etanol (ADH razreda 4 – nahaja se tudi v Etanol (ADH razreda 4 – nahaja se tudi v

gastrointestinalnem traktu) gastrointestinalnem traktu) etanal; rakotvoren – etanal; rakotvoren – odgovoren za pojav raka v zgornjem GI pri odgovoren za pojav raka v zgornjem GI pri alkoholikih.alkoholikih.

Aldehidna dehidrogenaza (ALDH) oksidira aldehide Aldehidna dehidrogenaza (ALDH) oksidira aldehide v karboksilne kisline v karboksilne kisline (aldehidi se tudi oksidirajo preko (aldehidi se tudi oksidirajo preko

Acetil-CoA v Krebsovem ciklu do ogljikovega dioksida)Acetil-CoA v Krebsovem ciklu do ogljikovega dioksida)..


Reakcije I. faze; redukcija:Reakcije I. faze; redukcija:

Nekateri prvotni toksini delujejo kot Nekateri prvotni toksini delujejo kot akceptorji akceptorji elektronov in se reducirajo.elektronov in se reducirajo.

Velikokrat poteče Velikokrat poteče bioaktivacijabioaktivacija prvotnega toksina. prvotnega toksina.

Potečejo v okolju z Potečejo v okolju z nizkonizko koncentracijo kisika. koncentracijo kisika.

AzoredukcijaAzoredukcija (-N=N-) in (-N=N-) in nitroredukcijanitroredukcija (-NO (-NO22))

EncimaEncima: Citokrom P450; NADPH-kinon oksidoreduktaza: Citokrom P450; NADPH-kinon oksidoreduktaza glutation S-transferazaglutation S-transferaza


Reakcije I. faze; redukcija:Reakcije I. faze; redukcija:

Primera:Primera:

NONO33- - (bakterije GI trakta) (bakterije GI trakta) NO NO22

-- (abs. v kri) (abs. v kri) Hb: FeHb: Fe2+2+ → Fe → Fe3+3+ (methemoglobinemija) (methemoglobinemija)

dehalogenizacija – odstranjevanje halogenov iz dehalogenizacija – odstranjevanje halogenov iz ogljikovih halogenidov ogljikovih halogenidov njihova zamenjava z njihova zamenjava z vodikom ali kisikom vodikom ali kisikom nastanek prostih radikalov nastanek prostih radikalov vezava na celične makromolekule vezava na celične makromolekule


Reakcije II. faze (sekundarni metabolizem); v te Reakcije II. faze (sekundarni metabolizem); v te reakcije vstopajo produkti I. fazereakcije vstopajo produkti I. faze

Ogljikovi hidrati pogosto sodelujejo v tem procesu.Ogljikovi hidrati pogosto sodelujejo v tem procesu. Ogljikovi hidrati so večinoma dobro topni v vodi.Ogljikovi hidrati so večinoma dobro topni v vodi.

Toksini se konjugirajo na ogljikov hidrat.Toksini se konjugirajo na ogljikov hidrat.

Nastali konjugat je topen v vodi.Nastali konjugat je topen v vodi.

Ne more prehajati skozi plazmalemo (fosfolipidi) celice.Ne more prehajati skozi plazmalemo (fosfolipidi) celice.

Lažje se izloči z urinom.Lažje se izloči z urinom.


MetabolizemMetabolizem 1)1) Zmanjšana biološka aktivnostZmanjšana biološka aktivnost2) 2) Povečano izločanjePovečano izločanje

Lipofilna snovLipofilna snov Hidrofilna snov Hidrofilna snov ((prvotni toksinprvotni toksin)) (metabolit)(metabolit)

I. fazaI. faza IIII. faza. faza(oksidacija)(oksidacija) (sinteza) (sinteza)Metaboliti

BioaktivacijaBioaktivacija

DetoksikacijaDetoksikacijaDetoksikacijaDetoksikacija

PolarnostPolarnost

Funkcionalna Funkcionalna skupinaskupina

VelikostVelikost

IonizacijaIonizacija

Povečana topnost v Povečana topnost v vodivodi

Povečana sposobnost Povečana sposobnost izločanjaizločanja

Metaboliti

Vpliv toksinov v celiciVpliv toksinov v celici

Verižni proces z vezavo toksina na točno Verižni proces z vezavo toksina na točno določeno mesto v/na celici; proteini, lipidi, določeno mesto v/na celici; proteini, lipidi, nukleinske kisline nukleinske kisline (1) povzroči spremebe v (1) povzroči spremebe v celici; (2) seksundarni procesi povzročijo celici; (2) seksundarni procesi povzročijo fiziološke spremembe v celicifiziološke spremembe v celici

Vezava toksina na biomakromolekulo Vezava toksina na biomakromolekulo Kovalentna Kovalentna dolgotrajna ali stalna sprememba v dolgotrajna ali stalna sprememba v

celicicelici Nekovalentna (ionska, vodikova) Nekovalentna (ionska, vodikova) bolj reverzibilna bolj reverzibilna

spremembasprememba

Vpliv toksinov v celiciVpliv toksinov v celici

Interakcija s proteiniInterakcija s proteini

Strukturna vloga (tubulin, aktin – citoskelet)Strukturna vloga (tubulin, aktin – citoskelet)

Funkcijska vloga (hormoni, receptorji, ionski kanački, Funkcijska vloga (hormoni, receptorji, ionski kanački, transportni proteini – Hb, protitelesa, encimi)transportni proteini – Hb, protitelesa, encimi)

Vpliv toksinov na: receptorje, encime, ionske Vpliv toksinov na: receptorje, encime, ionske kanalčke in transportne proteine.kanalčke in transportne proteine.

Vpliv toksinov v celici – ENCIMIVpliv toksinov v celici – ENCIMI InhibicijaInhibicija; reverzibilna – nekovalentna vezava ; reverzibilna – nekovalentna vezava

inhibitorja na encim, ireverzibilna – kovalentna inhibitorja na encim, ireverzibilna – kovalentna vezava inhibitorja na encimvezava inhibitorja na encim

Kompetitivna inhibicija – inhibitor tekmuje s Kompetitivna inhibicija – inhibitor tekmuje s substratom, da se veže na aktivno mesto encima substratom, da se veže na aktivno mesto encima potrebna večja koncentracija substrata za dosego potrebna večja koncentracija substrata za dosego iste hitrosti kemijske reakcije – možen način iste hitrosti kemijske reakcije – možen način zdravljenja pri zasrupitvizdravljenja pri zasrupitvi

PRIMER: zaužitje metanola – zdravljenje z oralno in/ali PRIMER: zaužitje metanola – zdravljenje z oralno in/ali intravenozno aplikacijo etanola – kompeticija med intravenozno aplikacijo etanola – kompeticija med metanolom in etanolom za aktivno mesto na alkoholni metanolom in etanolom za aktivno mesto na alkoholni dehidrognazi; produkti kataliza etanola manj nevarnidehidrognazi; produkti kataliza etanola manj nevarni

Vpliv toksinov v celici – ENCIMIVpliv toksinov v celici – ENCIMI

Nekompetitivna inhibicijaNekompetitivna inhibicija – vezava encima – vezava encima na alosterično mestona alosterično mesto

Inhibicija acetilholin esterazeInhibicija acetilholin esteraze; inhibirajo ; inhibirajo aktivno mesto organofosfatni insekticidi – encim aktivno mesto organofosfatni insekticidi – encim ne katalizira hidrolize acetilholina, ampak ne katalizira hidrolize acetilholina, ampak nastane močan kompleks organofosfat in AcH-nastane močan kompleks organofosfat in AcH-esteraze, ki lahko traja več ur; in postsinaptična esteraze, ki lahko traja več ur; in postsinaptična membrana je stalno vzdražena, ker se AcH ne membrana je stalno vzdražena, ker se AcH ne razgradirazgradi


Hidroliza acetilholinaHidroliza acetilholina Fosforilacija serinskega Fosforilacija serinskega ostanka z ostanka z

organofosfatomorganofosfatom

http://academic.scranton.edu/faculty/CANNM1/biochemistry/biochemistrymodule.html


Simptomi nastopijo, ko je fosforiliranega 60 Simptomi nastopijo, ko je fosforiliranega 60 do 70 % encimado 70 % encima

Stalna stimulacija skeletnih mišic, centralnega Stalna stimulacija skeletnih mišic, centralnega ŽS, parasimpatika ŽS, parasimpatika ozke zenice, bradikardija, ozke zenice, bradikardija, bronhokonstrikcija, slinjenje, krči skeletne bronhokonstrikcija, slinjenje, krči skeletne muskulature; zadušitev zaradi nedelovanja muskulature; zadušitev zaradi nedelovanja dihalnih mišic (trebušna prepona, medreberne dihalnih mišic (trebušna prepona, medreberne mišice) in odpovedi dihalnega centra v mišice) in odpovedi dihalnega centra v podaljšani hrbtenjačipodaljšani hrbtenjači


Inhibicija encimov oksidativne fosforilacijeInhibicija encimov oksidativne fosforilacije

http://www2.cedarcrest.edu/academic/bio/introbio/chemiosmosis.gif

Pesticid Pesticid rotenonrotenon

AntibiotikAntibiotikAntimicin AAntimicin A

CNCN--, CO, CO

2,4-dinitrofenol2,4-dinitrofenolpentaklorofenolpentaklorofenol

OligomicinOligomicin

Vpliv toksinov v celici – RECEPTORJI in Vpliv toksinov v celici – RECEPTORJI in IONSKI KANALIIONSKI KANALI

Vezava liganda (signalna molekula) na receptor Vezava liganda (signalna molekula) na receptor (beljakovina).(beljakovina).

Receptor; transmembranski protein ali molekula v CyReceptor; transmembranski protein ali molekula v Cy

Ligand; hormon, neurotransmiter, intramolekularna Ligand; hormon, neurotransmiter, intramolekularna signalna molekula, ksenobiotiksignalna molekula, ksenobiotik

specifična vezava liganda na receptor specifična vezava liganda na receptor

intracelularne signalne potiintracelularne signalne poti

spodbuditev transkripcije DNK, odprtje ionskih kanačkov, aktivacija spodbuditev transkripcije DNK, odprtje ionskih kanačkov, aktivacija encimaencima


Delovanje toksina kot:Delovanje toksina kot: AntagonistAntagonist – vezava na receptor odziva NI – vezava na receptor odziva NI AgonistAgonist – oponašanje delovanja liganda in – oponašanje delovanja liganda in

kompleks encim-toksin aktivira kaskado kompleks encim-toksin aktivira kaskado intracelularne signalne potiintracelularne signalne poti

PRIMER: delovanje dioksina; PRIMER: delovanje dioksina;

indukcija sinteze P450 z vezavo indukcija sinteze P450 z vezavo

na Cy receptor na Cy receptor prenos v jedro prenos v jedro

aktivacija genov za P450, aktivacija genov za P450,

ki oksidira dioksinki oksidira dioksin

http://www.skrobach.com/images/poi.jpg

KloroveKloroveakneakne


Delovanje toksina preko G-protein potiDelovanje toksina preko G-protein poti


PRIMER: muskarinski acetilholinski receptor PRIMER: muskarinski acetilholinski receptor (parasimpatikus-gladka mišica, žleza)(parasimpatikus-gladka mišica, žleza) vezan na G-protein vezan na G-protein agonist: agonist: muskarinmuskarin rdeče mušnice rdeče mušnice

antagonist: antagonist: atropinatropin volčje češnje volčje češnje

http://www.treesforlife.org.uk/images/Amanita_muscaria.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/e/e2/Muscarine_structure.pnghttp://www.vertdeterre.com/nature/img/herb/atropa_belladonna.jpg


Kanali odvisni od spremembe membranskega Kanali odvisni od spremembe membranskega potenciala (natrijevi, kalijevi, kalcijevi kanali)potenciala (natrijevi, kalijevi, kalcijevi kanali)

TetrodotoksinTetrodotoksin

SaksitoksinSaksitoksin

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Taricha_granulosa.jpg

http://www.tokyocube.com/img/lifestyle/food/cuisines/fugu_article.jpghttp://www.umwelttoxikologie.uni-konstanz.de/Forschung/Cyanobacterial_toxins/body_cyanobacterial_toxins.html

Blokirajo natrijeve kanalčke – ena Blokirajo natrijeve kanalčke – ena najbolj toksičnih znanih snovi LDnajbolj toksičnih znanih snovi LD5050 miši: 10 mg/kg intraperitonealno miši: 10 mg/kg intraperitonealno injiciranjeinjiciranje

DinoflagelatDinoflagelat


Kanali odvisni od spremembe membranskega Kanali odvisni od spremembe membranskega potenciala (natrijevi, kalijevi, kalcijevi kanali)potenciala (natrijevi, kalijevi, kalcijevi kanali)

Poveča prepustnost natrijevih kanalčkovPoveča prepustnost natrijevih kanalčkov

BatrahotoksinBatrahotoksin (žabji strup)(žabji strup)

http://chemweb.calpoly.edu/cbailey/377/PapersF2000/Caroline/blowgun.jpghttp://www.herpetologie.naturkundemuseum-bw.de/froesche.php?welt=froesche&bereich=gifte

Vpliv toksinov v celici – TRANSPORTNI Vpliv toksinov v celici – TRANSPORTNI PROTEINIPROTEINI

Hemoglobin; prenos kisika po krvi (98 %)Hemoglobin; prenos kisika po krvi (98 %)

1. PRIMER: 1. PRIMER: ogljikov oksidogljikov oksid Tekmuje s kisikom za vezavo na Tekmuje s kisikom za vezavo na

hem.hem. CO ima do 200x večjo afiniteto za CO ima do 200x večjo afiniteto za

vezavo na Hb.vezavo na Hb. Ob zastrupitvi ni znakov dušenja, Ob zastrupitvi ni znakov dušenja,

ampak počasna izguba zavesti.ampak počasna izguba zavesti. Okoli 1 % Hb saturiranega s CO, pri kadilcih 5 - 10 %.Okoli 1 % Hb saturiranega s CO, pri kadilcih 5 - 10 %.

http://www.chemistry.wustl.edu/~courses/genchem/Tutorials/Hemoglobin/Hemoglobin.htm

Spiranje NOSpiranje NO33– – v podtalnico v podtalnico

v prebavilih reducirajo bakterije v prebavilih reducirajo bakterije nitrate(V) (NOnitrate(V) (NO33

––) v nitrate(III) (NO) v nitrate(III) (NO2 2 ––) )

oksidira Feoksidira Fe2+2+ v Fe v Fe3+ 3+ v v hemoglobinuhemoglobinu

OO22 v tkivih, hipoksija v tkivih, hipoksija

methemoglobinemijamethemoglobinemija(kri čokoladne barve)(kri čokoladne barve)

http://www1.knrda.go.kr/jinhae/images/dise_120_2.jpg

http://www.med-ed.virginia.edu/courses/path/innes/images/rcdgifs/enzyme3.gif

odrasli imamo ta odrasli imamo ta encim, novorojenčki pa encim, novorojenčki pa

NENE

Zdravljenje z metilenskim modrim – Zdravljenje z metilenskim modrim – pospeši redukcijo Fepospeši redukcijo Fe3+ 3+ v Fev Fe2+2+

Vpliv toksinov v celici – TRANSPORTNI Vpliv toksinov v celici – TRANSPORTNI PROTEINIPROTEINI

2. PRIMER: 2. PRIMER: nitrat(V)nitrat(V)

Vpliv toksinov v celici - LIPIDIVpliv toksinov v celici - LIPIDI Toksini topni v Toksini topni v

fosfolipidnem dvosloju fosfolipidnem dvosloju plazmaleme in/ali plazmaleme in/ali membrani celičnih membrani celičnih organelovorganelov

Organska topila, anestetikiOrganska topila, anestetiki

Nenasičene maščobne kisline v fosfolipidihNenasičene maščobne kisline v fosfolipidih

Lipidna peroksidacija; prosti radikali nastali v Lipidna peroksidacija; prosti radikali nastali v transformaciji npr. halogeniranih ogljikovodikovtransformaciji npr. halogeniranih ogljikovodikov

http://www.bb.iastate.edu/~jat/image44.gif

Vpliv toksinov v celici – NUKLEINSKE Vpliv toksinov v celici – NUKLEINSKE KISLINEKISLINE

Toksini s skupnim imenom mutageni.Toksini s skupnim imenom mutageni. Delovanje:Delovanje:

Deaminacija;Deaminacija; odcep amino skupino adenina ali odcep amino skupino adenina ali citozina; dušikova kislina citozina; dušikova kislina

Alkilacija;Alkilacija; dodana alkilna skupina bazi; bojni strup dodana alkilna skupina bazi; bojni strup mehurjevecmehurjevec

Spremebe zaporedja nukleotidov; Spremebe zaporedja nukleotidov; UV in UV in ionizirajoče sevanjeionizirajoče sevanje

Encimi, ki sanirajo poškodbeEncimi, ki sanirajo poškodbe Brez sanacije; mutageneza ali karcinogeneza ali Brez sanacije; mutageneza ali karcinogeneza ali

celična smrtcelična smrt

http://www.cbs.dtu.dk/staff/dave/roanoke/genetics980413.htm

http://courses.cm.utexas.edu/emarcotte/ch339k/fall2005/Lecture-Ch8/Slide37.JPG

Apoptoza in nekrozaApoptoza in nekroza

Mehanizma celične smrtiMehanizma celične smrti

ApoptozaApoptoza NekrozaNekroza

Aktivacija kaspaz. Aktivacija kaspaz. Sprostitev cyt c iz Sprostitev cyt c iz mitohondrijev.mitohondrijev.Povečana Povečana prepustnost prepustnost membran.membran.

Kondenzacija cel. Kondenzacija cel. organelov.organelov.

Kondenzacija Kondenzacija kromatina.kromatina.

Fragmentacija Fragmentacija DNA.DNA.

Razpad celice.Razpad celice.Nastanek Nastanek apoptotičnih teles.apoptotičnih teles.

Fagocitoza Fagocitoza celice.celice.

Poškodba celice. Poškodba celice. Povečanje Povečanje prepustnosti prepustnosti membran.membran.

Motena Motena kondenzacija kondenzacija kromatina.kromatina.

Celica in organeli Celica in organeli nabreknejonabreknejo

Hitra izguba Hitra izguba premeabilnosti premeabilnosti

plazmalemeplazmaleme

Membrana se Membrana se razgradi.razgradi.

Liza celice, Liza celice, sprostitev vsebine sprostitev vsebine

v okolico.v okolico.

Mikroskopski prikaz apoptoze trofoblasta

Neoplazija – napake v regulaciji genov celične rasti - Neoplazija – napake v regulaciji genov celične rasti - hitra celična proliferacija; nekoordinirana rast; hitra celična proliferacija; nekoordinirana rast; infiltracija (invazivnost) v tkivo; metastaziranje maligen infiltracija (invazivnost) v tkivo; metastaziranje maligen tumor – raktumor – rak

karcinomkarcinom – epitel – epitel sarkom sarkom – vezivo, mišice, – vezivo, mišice, levkemija, levkemija,

kost kost limfomlimfom

KarcinogenezaKarcinogeneza

http://www.microscopyu.com/galleries/pathology/basalcellcarcinomalarge1.htmlhttp://www.pdrhealth.com/patient_education/images/BHG01ON19F01.jpg

BazaliomBazaliom OsteosarkomOsteosarkom

Nastanek tumorja in metastaziranjeNastanek tumorja in metastaziranje

KarcinogenezaKarcinogeneza

Karcinom Karcinom materničnega vratumaterničnega vratu

Toksikologija organskih sistemovToksikologija organskih sistemov

Reproduktivna toksikologijaReproduktivna toksikologija

Inhibira spermatogenezoInhibira spermatogenezo..

1,2-dibromo-3-kloropropan1,2-dibromo-3-kloropropan

Poškodba oocitov.Poškodba oocitov. Piren NaftalenPiren Naftalen

Cl CH2 CH CH2

Br

Br


Respiratorna toksikologijaRespiratorna toksikologija

SO2; dražeč plin, oteklina in edem zgornjih dihalnih poti; ; dražeč plin, oteklina in edem zgornjih dihalnih poti;

zoženje dihalnih poti, oteženo dihanje; povečano zoženje dihalnih poti, oteženo dihanje; povečano izločanje sluzi, potencialni bronhokonstriktorizločanje sluzi, potencialni bronhokonstriktor

NONO22 in O in O33; dražeča plina, akumulacija tekočine v ; dražeča plina, akumulacija tekočine v

alveolah (otežena difuzija plinov), lipidna peroksidacija alveolah (otežena difuzija plinov), lipidna peroksidacija membran (močna oksidanta), pljučni edem, membran (močna oksidanta), pljučni edem, methemoglobinemija (NO)methemoglobinemija (NO)


Kardiovascularna toksikologijaKardiovascularna toksikologija

Halogenirani ogljikovodikiHalogenirani ogljikovodiki; zmanjšajo aktivnost celic ; zmanjšajo aktivnost celic AV vozla; zmanjšajo refraktarno periodo Purkinijevih AV vozla; zmanjšajo refraktarno periodo Purkinijevih celic; večji vpliv simpatičnega živčevja - kateholamin, celic; večji vpliv simpatičnega živčevja - kateholamin, povzročijo tahikardija (več kot 100 utripov / min) in povzročijo tahikardija (več kot 100 utripov / min) in aritmije.aritmije.

CSCS22; povečana incidenca ateroscleroze; direktna ; povečana incidenca ateroscleroze; direktna poškodba celic endotela; sprememba metabolizma poškodba celic endotela; sprememba metabolizma holesterolaholesterola


NeurotoksikologijaNeurotoksikologija

Tetrodotoksin, saksitoksin, batrahotoksinTetrodotoksin, saksitoksin, batrahotoksin; blokada ; blokada prenosa akcijskega potenciala po nevronu.prenosa akcijskega potenciala po nevronu.

Butulinum toxinButulinum toxin; blokada sprostitve AcH iz ; blokada sprostitve AcH iz presinaptične membrane nevrona.presinaptične membrane nevrona.

Karbamati (pesticidi)Karbamati (pesticidi); inhibicija AcH esteraze.; inhibicija AcH esteraze.


HepatotoksikologijaHepatotoksikologija

Halogenirani ogljikovodikiHalogenirani ogljikovodiki; lipidna peroksidacija ; lipidna peroksidacija zaradi nastanka prostih radikalov v metabolizmu v zaradi nastanka prostih radikalov v metabolizmu v hapatocitahhapatocitah

EtanolEtanol; kronična izpostavljenost, ciroza jeter ; kronična izpostavljenost, ciroza jeter (akumulacija kolegena ob nekrozi hepatocit)(akumulacija kolegena ob nekrozi hepatocit)

Aflatoksini, poliklorirani bifeniliAflatoksini, poliklorirani bifenili; karcinogeni; karcinogeni

CH2 CH

O

CH3

Metabolit epoksid, mutagen.


Toksikologija izločalToksikologija izločal

Težke kovine (Hg, Cd)Težke kovine (Hg, Cd); nekroza epitelnih celic ; nekroza epitelnih celic proksimalnega tubusa nefrona, vezava na encime v celici proksimalnega tubusa nefrona, vezava na encime v celici - pomen metalotioneinov, ki vežejo kadmij- pomen metalotioneinov, ki vežejo kadmij

Halogenirani ogljikovodikiHalogenirani ogljikovodiki; metaboliti poškodujejo ; metaboliti poškodujejo plazmaleme celic epitela proksimalnega tubusaplazmaleme celic epitela proksimalnega tubusa


ImunotoksikologijaImunotoksikologija

BenzenBenzen; metaboliti citotoksični za celice kostnega ; metaboliti citotoksični za celice kostnega mozga, ki proizvajajo levkocitemozga, ki proizvajajo levkocite

Poliklorirani bifeniliPoliklorirani bifenili; zmanjšanje koncentracije ; zmanjšanje koncentracije protitelesprotiteles

Težke kovine (Pb, Cd, Hg);Težke kovine (Pb, Cd, Hg); vpliv na funkcijo vpliv na funkcijo makrofagovmakrofagov

program iz poskusov v kemiji osnove toksikologije iztok devetak ljubljana, junij 2007

Documents