Transcript Kölcsönhatás fémkötő fehérjékkel

A fémionok toxicitását befolyásoló tényezők:
• kölcsönhatás létfontosságú és toxikus fémek között
• kölcsönhatás fémkötő fehérjékkel
védelem a fémtoxicitással szemben
toxikus fémkomplex
• az életkor hatása (pl. magzati vagy öregkorban)
• genetikai hatások
Fémek toxicitását befolyásoló tényezők:
Életkor hatása
Magzatkori hatások:
• a placentán keresztül az ólom felszívódása igen gyors
• MeHg átjut a placentán, a szervetlen higany alig
• a placenta nem engedi át a kadmiumot, valószínűleg metallotioneinben
kötve visszatartja
Öregkori hatások:
• menopausa és osteroporosis időszakában a csontban akkumulálódott
ólom felszabadulása fokozódik
• az ólom hem metabolizmusára gyakorolt hatása jelentősebb volt
állatkísérletekben
Kölcsönhatás fémkötő fehérjékkel:
Metallotioneinek
A metallotioneinek az emberben, állatokban és
növényekben (fitokelatinok) is megtalálható
viszonylag kis molekulatömegű (6-7 kDa)
fehérjék, melyek klaszter szerkezetben képesek
szoft fémionokat (CuI, ZnII, CdII, Hg2II, HgII, AgI
és CoII) megkötni. Kén- és fémtartalmuk igen
nagy, 10% körüli értéket ér el.
Általában két klaszterből (3M-3S és 4M-5S)
épülnek föl, ahol a fémionok Cys-tiolátokon
keresztül koordinálódnak. A polipeptid részre
jellemző a Cys-X-Cys szekvencia ismétlődése,
ahol
X
egy
ciszteintől
eltérő
aminosavszekvenciát jelöl. Az ábra középső
részén a 12 terminális és 8 híd ciszteinát
oldallánc köt összesen 7 Cd2+-iont, egy szék
konformációjú [3M-3S] klaszterben (Cd3S9) és
egy
adamantán
konformációjú
[4M-5S]
klaszterben (Cd4S11).
Kölcsönhatás fémkötő fehérjékkel:
Metallotioneinek
Alapfunkciójuk függ az élő szervezettől és
a fehérjevariánstól:
(1) Mint fémtárló molekulák elsősorban a réz
és a cink homeosztázisában
(fémionháztartásában) vesznek részt.
(2) Mint méregtelenítő molekulák a nem
kívánatos szoft fémionok (mint a CdII, a
HgII, az AgI és az AuI) eltávolításában
aktívak.
(3) Szintézisüket a létfontosságú Zn és Cu, de
egyes toxikus fémionok is, mint a Cd
indukálják.
(4) Szervetlen-Hg igen, de szerves-Hg nem
indukálja a metallotioneinek képződését.
Kölcsönhatás fémkötő fehérjékkel:
Ólom vagy bizmut behatás esetén gyakran egy védekező fém-fehérje
komplex képződik a sejtmagban a vese tubulusokban és ebben a
formában kiválasztják ezen mérgező fémeket. Ezek a fehérjék Asp és Glu
aminosavakban gazdagok; a fehérjék eredete eléggé bizonytalan.
Alkohol:
Ólom Nagyon hasonló biológiai hatásaik vannak: a hem bioszintézisére,
a mitokondrium energia metabolizmusára, a máj funkcióira → közös
biológiai folyamatokat támadnak.
Higany Az etanol inhibiálja a katalázt és ezáltal a Hg méregtelenedési
folyamatát .
Kölcsönhatás létfontosságú és toxikus fémionok között:
Kalcium:
• Pb:
helyettesíti a kalciumot sok létfontosságú folyamatban: Ca/Na ATP pumpa;
Ca-kötő fehérjékben (pl. a kalmodulinban helyettesíti)
mitokondriumban gátolja a Ca2+ felvételét
• Cd:
helyettesíti a kalciumot a csontban (itai-itai kór = "ouch ouch sickness");
csökkenti a Ca2+ felvételét a GI (gasztrointesztinális) traktusban
Cink:
• Pb:
növeli a cink kiválasztást
a cinkhiány fokozza az ólom felvételét
az ólom helyettesíti a cinket egyes cinktartalmú enzimekben
(d-aminolevulinsav)
• Cd, Hg:
a cink csökkenti a Cd2+ és a Hg2+ nefrotoxikusságát a
metallotionein képződés indukcióján keresztül
Fémek eloszlása a biológiai rendszerekben:
Fémionok:
[M(H2O)n] (pl. alkáli, alkáliföldfém)
bioligandumokkal gyenge kölcsönhatásra képesek
átmenetifémek nem, mert kölcsönhatnak (hard-szoft)
Kis molekulatömegű (l.m.m) fémkomplexek:
[MLn]; [ML1L2] labilis, dinamikus egységek
mobilis transzporter molekulák
a fémion szervezetben való eloszlását biztosítják
Nagy molekulatömegű (h.m.m) fémkomplexek:
pl. ferritin, cink-ujj fehérjék
kevésbé labilisak, specifikus kötődés
a fémion nehezebben mobilizálható belőlük
Fémionok, l.m.m fémkomplexek egy része a biomolekulák működését
koordinációjuk révén megzavarja → toxikus hatás
A toxikus anyagok kockázati becslése:
A kockázatbecslés a toxikus anyagok egészségre gyakorolt kockázati
értékelésével foglalkozik és vizsgálja a:
• veszély azonosítását (a megtámadott szervet, a populációt, a hatásokat,
behatás módját)
• dózis-válasz összefüggést (kvantitatív összefüggést keres a behatás
mennyisége, mértéke, tartama és az okozott hatás között)
• behatás becslését (a populáció meghatározása, a dózis és a forrás
megbecslése a behatás körülményeitől függően: biomonitorozás, a behatás
modellezése)
• kockázat jellemzését (a hatás valószínűségének és természetének
kvalitatív vagy kvantitatív jellemzése; a kockázatbecslés bizonytalanságának
az értékelése)
A veszély azonosítása
• a behatás ideje:akut, krónikus
• a behatás módja/útja: belégzés, emésztés
• az érintett populáció: gyermekek, férfiak, nők
A kritikus hatás azonosítása
As
szerves-As: bizonyos tengeri élőlényekben sok fordul elő, emberi
szervezetre nem ártalmas mert könnyen kiválasztja
szervetlen-As: karcinogén (belélegezve tüdőrákot okoz; szájon át
bejutva bőr- és egyéb rákfajtákat idéz elő)
Hg
szerves-Hg: igen toxikus és az idegrendszere hat
szervetlen-Hg: kevésbé toxikus és a vesét támadja meg
Pb
különösen veszélyes magzatokra, újszülöttekre és gyerekekre
(neurotoxikus)
nagyobb koncentrációban férfiakban terméketlenséget idéz elő,
nőknél neurológiai zavarokat okoz (?)
A toxikus anyag kémiája:
PbS – galenit (ólomérc) rosszul oldódik, bányászokra veszély
PbO – jobban oldódik, könnyebben felszívódik (benzin ólmozása)
Az utóbbi 15 évben jelentősen csökkent a környezetünk ólomterhelése: tudunk
tenni a környezet védelme érdekében!
Dózis–válasz összefüggés:
Fémekre a dózis-válasz összefüggés gyakorta összetett, mivel a fémek egy
része létfontosságú hatással is bír egy adott koncentrációtartományban, ezért
szemléletesebben fejezi ki a dózis-hatás összefüggést a pozitív fiziológiai
hatást mutató diagram.
Dózis–válasz összefüggés:
Fémekre a dózis-válasz összefüggés gyakorta összetett, mivel a fémek egy
része létfontosságú hatással is bír egy adott koncentrációtartományban, ezért
szemléletesebben fejezi ki a dózis-hatás összefüggést a pozitív fiziológiai
hatást mutató diagram.
Dózis–válasz becslés karcinogén fémekre:
Chemical
Arsenic
Classification*
A, known
human
carcinogen
Route
Inhalation
Potency estimate
Arsenic
A, known
human
carcinogen
Ingestion
Unit risk = 5×10-5/g/liter
as in water
Beryllium
B2, probable
human
carcinogen
Inhalation
Unit risk = 2.4×10-3/g/m3
be in air
Beryllium
B2, probable
human
carcinogen
Ingestion
Unit risk = 1.2×10-4/g/liter
be in water
Cadmium
B1, probable
human
carcinogen
Inhalation
Unit risk = 1.8×10-3/g/m3
Cd in air
-3
Unit risk = 4.3×10 /g/m
as in air
3
Basic
Human male; lung cancer
mortality due to occupational
inhalation exposure;
absolute-risk linear model
Humans; skin cancer due to
exposure to arsenic in
drinking water; extrapolation
model?
Human male; risk of death
from lung cancer due to
occupational inhalation
exposure; relative risk used
for extrapolation
Male rats; gross tumors, all
site combined from drinking
water study; linearized
multistage model, extra risk
Human white male; mortality
from lung, trachea, and
bronchus cancer death due to
occupational inhalation
exposure; two-stage model,
only first model was affected
by exposure, extra risk
-2
3
Chromium(VI) A, known
Inhalation Unit risk = 1.2×10 /g/m
Human white male; mortality
human
from lung cancer due to
Cr(VI) in air
carcinogen
occupational inhalation
exposure; multistage model,
extra risk
Data from EPA (1994b); * US EPA weight-of-evidence classification of chemical carcinogenicity for humans.
Comments
Unit risk is geometric
mean of unit risk
estimates from different
studies
Based on Taiwanese
population study
Unit risk is arithmetic
mean of 8 unit risks
calculated using a range
of exposure duration,
exposure concentration,
and relative risk values
Unit risk estimate is from
a study that showed no
significant increases in
tumorigenic response,
and had only one
nonzero dose group
Numerous negative or
equivocal carcinogenicity
studies for oral exposure
to cadmium
A behatás becslése:
A populáció becslése: Nagy As koncentráció az ivóvízben (az USA nyugati
partvidéke, Chile, Mexikó, Argentína, Taiwan; Magyarországon: Békés,
Csongrád megye egy része )
A forrás becslése:
• Biomonitorozás: A fémeket viszonylag könnyű azonosítani és kvantitatívan
mérni a különböző biológiai anyagokban (vizelet, vér plazma, tej, haj, fogak,
csontok, egyéb szervek) mivel metabolikus változásokon nem nagyon mennek
át.
Fémek eloszlása és akkumulálódása a szervekben
• Modellezés:
Lehetséges esetekre vonatkozó hatás és farmakokinetiai becsléseket adnak.
A modellek egyes becsült részletei valós adatokkal validálhatók.
Az O’Flaherty ólom modell
levegő
táplálék
víz
talaj/por
táplálékfelvétel
belélegzés
felszívódás a bélből
felszívódás a tüdőből
teljes felszívódás
vérplazma
vörösvértestek
csontok
vese
máj
egyéb szöveti perfúzió
kiválasztás a vizeletbe
kiválasztás a székletbe
A kockázat jellemzése:
Egy konkrét esetre vonatkozólag a kockázat jellemzése kiterjed:
1) A rákkeltő hatás nagysága a kockázatnak kitett populációban.
2) A rákkeltő hatás eloszlása a populációban.
3) Az egyének száma a különböző rákkeltő hatás kockázati szinteken.
4) A nem-rákos hatások valószínűsége és súlyossága az egyes hatásra
fogékony populációkban.
5) A fémek közötti potenciális kölcsönhatások, aminek az egyének ki lehetnek
téve.
6) Az általános értékelés kvalitatív és kvantitatív megbízhatósága.
A kockázat jellemzésének a bizonytalanságra és a változékonyságra is ki kell
terjednie.
A kockázatjellemzés bizonytalansága és változékonysága:
A kockázatjellemzés bizonytalansága és változékonysága:
Konkrét példa: Arzén a talajban
A környezetvédelmi hatóságok (pl. EPA az USA-ban) különböző szennyezettségi
szintértékeket határoznak meg a veszélyeztetettség fokának megállapításához.
Például a talaj As szennyezettsége okozta rák kockázatának becsléséhez (10-6,
10-5 és10-4)
30 éves behatás (6 év gyerekkor, 24 év felnőttkor)
350 nap/év gyerekkorban: 200mg/nap; felnőttkorban: 100mg/nap talajfogyasztás
→ 0,37×10-6-37×10-4 ppm As a talajban
A kockázatjellemzés bizonytalansága és változékonysága:
Konkrét példa: Arzén a talajban
Bizonytalanságai:
• az As karcinogén hatásának népcsoporttól való függésének bizonytalansága
(taiwani adatokat használtak az USA-ban)
• ugyanazt a biohozzáférhetőségi faktort használták a számoláshoz, mint a
víznél, ami azért nem megalapozott
Következtetés:
• a kockázatbecslés túlzó, bizonytalansága nagyon nagy, fölösleges költséges
beavatkozásokat ír elő (pl. talajremediáció)
Hasonlóan problematikus a vizek As-tartalmára vonatkozó szigorú EU előírás
magyarországi automatikus alkalmazása.