Transcript 4,4 Mb

Interakce toxické látky s
organismem
Biotransformace
Exkrece
Interakce TL s receptorem
Toxikologie (C005)
Toxikokinetika (ADME)
Tkáňová depa
volný podíl
vázaný podíl
Místo účinku
vázaný podíl
volný podíl
Absorpce
Volný podíl TL
Vázaný podíl
TL na PP
Metabolity
Biotransformace
Exkrece
Průchod přes
buněčnou
membránu
Biotransformace
•
metabolická přeměna xenobiotika
•
nejčastěji probíhá v játrech (méně často v mozku, krevní plazmě, plicích ,
tenkém střevě, ledvinách a kůži
•
zvýšení hydrofility toxické látky  snadnější exkrece
•
biotransformační rakce jsou enzymaticky katalyzované
1. fáze biotransformace - syntetická, velmi závislá na struktuře TL
2. fáze biotransformace - konjugační, závislá na přítomnosti funkčních skupin
v molekule TL
1. fáze
Toxická látka
Metabolit
2. fáze
Konjugát
Reaktivní funkční
skupina
Sulfátová
konjugace
OSO3H
Fenyl sulfát
OH
COOH
Fáze I
O
Fáze II
P450
hydroxylace
Benzen
O
OH
OH
OH
Fenol
Glucuronidová
Konjugace
Fenyl glukuronid
Molekulová hmotnost a
polarita vzrůstá
Toxická látka
Silně lipofilní
Metabilicky stabilní
Lipofilní
Polární
Hydrofilní
1 fáze biotransformace
Akumulace
v tukové tkáni
aktivace nebo inaktivace
oxidace, redukce, hydrolýza
2 fáze biotransformace
Polární
inaktivace
konjugační reakce
Hydrofilní
Extracelulární tekutiny
exkrece játry
cirkulace v plazmě
exkrece ledvinami
5
1. fáze biotransformace
•
zavedení polární funkční skupiny do molekuly lipofilní tox. látky
– - OH, -NH2, -SH, = CO, - COOH
•
reakce 1. fáze biotransformace: oxidace, redukce, hydrolýza
•
v 1. fázi biotransformace může docházet jak ke snížení tak ke zvýšení toxicity
Oxidace
•
ztráta elektronu  ztráta vodíku, přijetí kyslíku
•
enzymaticky katalyzované reakce
– cytochrom P - 450
– alkoholdehydrogenáza
– ...............
– ...............
(CYP 450)
(ADH)
Enzymy
Většinou (60 - 70 %) složené bílkoviny:
APOENZYM
- bílkovinná část
- substrátová specificita (typ metabolizované látky)
KOFAKTOR
- nebílkovinná část (metaloproteiny, lipoproteiny, ......)
- reakční specificita (typ reakce)
E + S  [ES]  [EP]  P + E
enzym (biokatalyzátor) - snížení aktivační energie příslušné reakce
Faktory mající vliv na rychlost enzymaticky katalyzované reakce
•
koncentrace substrátu (saturační křivka) a enzymu (lineárně)
•
fyzikálně chemické vlastnosti prostředí - pH, teplota
•
efektory - induktory a inhibitory
8
9
Cytochrom P- 450
•
membránově vázané hemoproteiny obsahující Fe3+
•
nachází se hlavně v hladkém endoplazmatickém retikulu jaterních buněk
(mikrozomální frakce jaterního homogenizátu)
•
účastní se metabolizmu endogenních látek (živiny) i xenobiotik (toxické látky,
léky)
•
nespecifický enzym
Oxygenace katalyzovaná cytochromem P- 450
XH + O2 + NADPH +
H+
cyt P-450
X-OH + H2O + NADP+
NADPH (nikotinamid-adenin-dinukleotid-fosfát) - koenzym, donor vodíku
10
Cytochrom P- 450
Oxidace katalyzované CYP- 450
1. Hydroxylace alifatického uhlovodíku
CYP - 450
CH3 – CH3
CH3 – CH3 – OH
etan
R – CH2 – CH3
etanol
CYP - 450
R – CH – CH3
OH
R – CH – CH3
R
CYP - 450
R – C – CH3
R
OH
Oxidace katalyzované CYP- 450
2. Hydroxylace jádra aromatického uhlovodíku
•
•
příklad zásadního zvýšení toxicity látky v první fázi biotransormace
arenoxid je velmi reaktivní, váže se na dusíkaté báze v nukleových
kyselinách (DNA, RNA) – podstata karcinogenního účinku aromátů
CYP - 450
Benzen
Arenoxid
(epoxidická vazba)
Fenol
14
Oxidace katalyzované CYP- 450
3. Hydroxylace postranního řetězce aromatického uhlovodíku
•
•
hydroxylace probíhá přednostně na postranním řetězci
Nevniká arenoxid – aromáty s postranním řetězcem jsou méně genotoxické
než aromáty bez postranního řetězce
P - 450
Toluen
P - 450
Benzylalkohol
Kyselina benzoová
Oxidace katalyzované CYP- 450
4. Epoxidace dvojné vazby
•
•
•
při hydroxylaci dvojné vazby vzniká epoxid – potencionální genotoxicita
EH – epoxid hydroláza
ADH – alkohol dehydrogenáza, ADH – aldehyd dehydrogenáza
Oxidace katalyzované CYP- 450
5. N-hydroxylace aminů
•
vznik reaktivních aryl-hydroxylaminů – vysoká genotoxicita
nitrobenzen
anilin
•
fenyl –
hydroxylamin
GSH – glutathion
nitrosobenzen
konjugát s
GSH
Další oxidace katalyzované CYP- 450
•
dehalogenace
•
O,N,S - dealkylace
•
oxidativní deaminace
4-hydroxy
amfetamin
+ NH3
amfetamin
fenylaceton
Oxidace nekatalyzované CYP- 450
Dehydrogenace alkoholů a aldehydů
Alkohol dehydrogenáza (ADH)
– metaloenzym obsahující Zn2+ složený ze dvou bílkovinných podjednotek
– nachází se v cytosolu buněk - především v játrech, dále pak v žaludku,
ledvinách, nosní sliznici a děloze
– je nespecifický - katalyzuje oxidace celé řady primárních a sekundárních
alkoholů
– dětský plod nemá funkční ADH !!!
– genetický polymorfismus – geneticky podmíněná různá míra funkčnosti ADH
ADH
CH3 – CH3 – OH
CH3 – CH = O
etanol
etanal
(acetaldehyd)
NAD+
NADH
Oxidace nekatalyzované CYP- 450
Dehydrogenace alkoholů a aldehydů
Aldehyd dehydrogenáza (ALDH)
– enzym ADH 1 - cytosol, ADH 2 - mitochondrie - nejvíce jaterní buňky
– genetický polymorfismus
OH
ALDH
CH3 – CH = O
acetaldehyd
NAD+
ADH
CH3 – C = O
kyselina octová
NADH
ALDH
21
22
23
24
Hydrolýza
•
katalyzované enzymy přítomnými v játrech a ledvinách (rozpustná frakce)
a v krevní plazmě, významná je i jejich přítomnost v žaludku
1. Hydrolýza esterů
Esteráza
+
kys. acetylsalicylová
(Acylpyrin)
kys. salicylová
kys. octová
Hydrolýza
2. Hydrolýza amidů
Amidáza
Lidokain
(lokální anestetikum)
+
2,6 - Xylidin
dietylaminoacetát
Redukční reakce
•
•
•
přidání H, odebrání O
katalyzováno reduktázami - CYP 450 reduktáza
jako kofaktor NADP+, ....
1. Redukce nitrosloučenin
Redukční reakce
2. Redukce aldehydů
CH3 – CH = O
CH3 – CH3 – OH
acetaldehyd
etanol
3. Redukce kovových iontů
AsV
AsIII
SeVI
SeIV
CrVI
CrIII
[zvýšení toxicity]
[snížení toxicity]
2. fáze biotransformace
•
TL se přes polární funkční skupinu váže na vysokomolekulární endogenní
konjugační činidlo
•
konjugát má obvykle menší biologickou aktivitu, vyšší rozpustnost ve
vodě a vyšší molekulovou hmotnost než původní látka (metabolit z 1. fáze)
A–X
enzym
+
Xenobiotikum s
funkční skupinou
nebo produkt 1. fáze
biotransformace
B–Y
Konjugační
činidlo
A–B
Konjugát
+
X–Y
Další
produkt
2. fáze biotransformace
1. Konjugace s kyselinou glukuronovou
•
•
•
konjugační činidlo – Uridin difosfát glukuronová kyselina (UDPGA)
enzym – UDP glukoronosyltransferása (UGTs)
funkční skupiny : -OH;-COOH; -NH2; -NH; -SH
B
Zbytek kyseliny
glukuronové
Y
2. fáze biotransformace
1. Konjugace s kyselinou glukuronovou
Nikotin
2. fáze biotransformace
2. Sulfátová konjugace
•
•
•
konjugační činidlo – Fosfoadenosin fosfosulfát (PAPS)
enzym – sulfotransferása
funkční skupiny : alifat-OH, aromát-OH; aromát -NH2
Y
B
Zbytek kyseliny
sírové
2. fáze biotransformace
2. Sulfátová konjugace
+ PAP
sulfotransferása
+ PAPs
Fenol
Fenylsulfát
2. fáze biotransformace
3. Acetylace
•
•
•
konjugační činidlo – Acetylkoenzym A (Acetyl CoA)
enzym – cholin acetyltranferáza (ChAT)
funkční skupiny : alifat-NH2; aromát -NH2
B
Zbytek kyseliny
octové
2. fáze biotransformace
4. Glycinová konjugace
•
•
konjugační činidlo – glycin
funkční skupiny : aromát -NH2; - COOH
5. Glutathionová konjugace
•
•
konjugační činidlo – gluthation (GSH)
funkční skupiny : epoxidy, organické halidy
5. Metylace
•
•
funkční skupiny : aromát -OH; - NH2; - NH, - SH
kovy
[Met]
Hg22+
CH3
Hg+
CH3Hg+
[Met]
(CH3)2 Hg
Faktory ovlivňující biotransformaci
Inhibitory enzymů
•
•
•
látky snižující produkci enzymů
látky urychlující rozklad enzymů
látky ovlivňující průběh katalyzované reakce
Ireversibilní vs. reversibilní inhibice
Kompetitivní - ethanol, methanol, ethylenglykol × alkoholdehydrogenáza
Nekompetitivní - těžké kovy × - SH skupiny enzymů
37
Faktory ovlivňující biotransformaci
Induktory enzymů
•
látky zvyšující produkci enzymů (zejména CYT P-450)
•
urychlují vlastní biotransformaci a / nebo biotransformaci další látky
Příklady induktorů enzymatického systému CYP - 450
•
Fenobarbital
•
Benzo(a)pyren - spalovací procesy (cigarety)
•
Ethanol
•
PCB - zvětšení jater
•
Dioxiny
38
39
Exkrece - vylučování
Vylučování ledvinami
Ledvina - pánvička, dřeň a ledvinová kůra
Nefron - glomerulus, distální a proximální tubulus, Henlova klička
Glomerulární filtrace
•
•
průchod látek do M  4 000 rozpuštěných nebo dispergovaných v krevní
plazmě snadný
•
látky s M > 65 000 neprochází  neprochází látky vázané na plazmatické
proteiny, krevní buňky
pohyb filtrátu zajišťován vzájemným působením hydrostatického a
osmotického tlaku
Vylučování ledvinami
Tubulární sekrece
•
•
přechod látek z krve v peritubulárních kapilárách do primární moči v
proximálním tubulu
mechanismem přestupu přes buněčnou membránu je aktivní transport
•
vylučování disociovaných kyselin a zásad - např. glukuronidy
•
převod látky bez vody - uvolnění dalšího podílu vázaného na PP - posun
rovnováhy
Tubulární reabsorpce
•
•
•
98 - 99 % látek ve filtrátu reabsorbováno
mechanismem přestupu přes buněčnou membránu zejména prostá difůze
reabsorpce lipofilních látek, reabsorpce nedisociovaného podílu
•
vliv pH moči na reabsorpci látek
– Na2CO3 - moč alkalická - vylučování kyselých látek (glukuronidy,
acylpyrin, berbituráry)
– NH4Cl - moč kyselá - vylučování bazických látek (amfetaminy)
42
Vylučování játry
•
zejména konjugáty kyseliny glukuronové, méně často nemetabolizovaný
podíl toxické látky
•
velké polární molekuly (M > 300 ), i některé kovy (As, Pb a Hg)
•
zejména aktivní transport, méně často prostá difuse
•
enterohepatická cirkulace - prodloužení doby setrvání látky v organismu,
často zvýšení toxicity
Vylučování plícemi
•
látky s vysokou tenzí par v krvi (anestetika, rozpouštědla)
•
prostá difuse z krve do vzduchu v alveolách
•
význam pro vylučování lipofilních látek
43
44
Vylučování mateřským mlékem
•
pH mléka je asi 6.6 - nižší než pH krve 7.4
•
vylučování bazických látek - kofein, nikotin, antihistaminika
•
zejména aktivní transport a prostá difuse
Exkrece - charakteristiky
Biologický poločas
•
•
doba, za kterou klesne koncentrace látky v krvi na polovinu
vysoký u látek, které se pomalu metabolizují, nebo které se ukládají v depech
T = ln2/k
k – vylučovací konstanta
46
Časová závislost koncentrace látky v těle
% podané dávky v krevní plazmě
100
(2)
Absorpce (A)
Eliminace (E)
Celková koncentrace
(1)
dCA
>
dCE
dt
dt
dCA
dCE
80
(2)
60
(3)
40
(3)
=
dt
dt
dCA
dCE

dt
dt
(1)
(4)
20
(4)
dCA
dt
čas
=
0
Interakce TL s receptorem
Receptor
•
makromolekulární struktura, která má jedno, nebo více specifických
vazebných míst pro toxickou látku
•
obsazení vyvolá charakteristický toxikologický efekt, který spouští řetězec
dalších dějů vedoucích ke konečnému toxickému účinku
Afinita
•
souhrn všech vazebných možností tox. látky vytvořit komplex s molekulou
receptoru
Vnitřní aktivita
•
schopnost toxické látky stimulovat receptor