Transcript 2,3 Mb
Interakce toxické látky s
organismem I
Absorpce
Distribuce
Toxikologie (C005)
Interakce toxické látky s organismem
A. Absorpce
– přestup tox. látky z místa primárního kontaktu do krevní plazmy
B. Distribuce a transport na zásahové místo
– rozdělení tox. látky mezi krevní plazmu a plazmatické proteiny, přestup
volného podílu tox. látky z krevní plazmy do tkání, rozdělení tox. látky
mezi jednotlivými částmi těla
C. Interakce s receptorem
D. Exkrece
– přestup tox. látky z krevní plazmy do moči, žluči, potu,
vydechovaného vzduch, mateřského mléka,....
E. Biotransformace
− v průběhu všech výše uvedených dějů může docházet k metabolizaci
(biotransformaci) toxické látky
Toxikokinetika (ADME)
Tkáňová depa
volný podíl
vázaný podíl
Místo účinku
vázaný podíl
volný podíl
Absorpce
Volný podíl TL
Vázaný podíl
TL na PP
Exkrece
Metabolity
Biotransformace
Průchod přes
buněčnou
membránu
Buněčná membrána - model tekuté mozaiky
•
základním skeletem je dvojvrstva fosfolipidů, cholesterol, glykolipidy
– celkově výrazně hydrofobní
•
integrální a periferní proteiny, strukturní a funkční proteiny
– iontové kanály, membránově vázané enzymy (cyt P 450)
– hydrofilní
•
poměr lipidů a proteinů v biomembráně přibližně 1 : 1
•
póry naplněné vodou - např. u cév tvoří 0,2 % povrchu
model tekuté mozaiky
•
•
semipermeabilní bariéra - selektivní prostup živin a metabolitů
kontrola pH, osmotického tlaku, koncentrace iontů, na povrchu
ukotveny důležité enzymy
Fosfátová hlava
Lipidový konec
Fosfátová hlava
hydrofilní část, směřuje do vodního
prostředí (ven z buňky a dovnitř
cytoplazmy)
Lipidový konec
hydrofobní část, tvoří vnitřek membrány
Uhlovodíkové řetězce
Integrální
proteiny
Periferní
proteiny
Lipidy
Obr. 1: Model tekuté mozaiky membránových struktur
5
Mechanismy prostupu toxických látek
biomembránou
A) Pasivní transportní mechanismy
•
nevyžadují přísun energie z metabolismu buňky
•
pohyb ve směru koncentračního, či elektrochemického gradientu, nebo na
základě rozdílu jiných fyzikálně chemických vlastností prostředí na obou
stranách biomembrány
B) Aktivní transportní mechanismy
•
transport proti směru koncentračního či elektrochemického gradientu
•
překonávání koncentračního gradientu vyžaduje přísun energie - hydrolytické
štěpení makroergických vazeb ATP
Vyšší koncentrace TL
Transportovaná látka (TL)
Transportní
protein
Lipidová
dvojvrstva
Proteinový
kanál
Energie
Facilitovaná difúze
Prostá difúze
Pasivní transport
Nižší koncentrace TL
Aktivní transport
7
Transport látek přes buněčnou membránu
1. látky rozpustné v tucích prostou
difuzí přes fosfolip. dvojvrstvu
2. látky rozpustné ve vodě difundují
proteinovými kanály (ligandově nebo
elektricky řízené či stále otevřené)
3. velké hydrofilní molekuly
pomocí facilitované difúze
4. osmóza vody skrz proteinové
kanály
5. částice a kapénky exo - či
endocytózou
6. aktivní transport - anorganické ionty i velké hydrofilní molekuly proti směru
koncentračního gradientu
Pasivní transportní mechanismy
Prostá difúze
•
nejvýznamnější mechanismus prostupu toxických látek při jejich vstřebávání
(absorpci) do organismu - rychlost absorpce popsána Fickovým zákonem
dQ DAKow
C1 C2
dt h
•
D - difuzní koeficient
•
A - absorpční plocha
•
Kow - rozdělovací koeficient
•
h - tloušťka membrány
•
C1 - C2 - koncentrační gradient
•
prostup lipofilních látek o nižší molekulové hmotnosti ( M 500 )
(diethylether, benzen, tetrachlormethan, barbituráty, DDT, cyklohexan)
•
prostup malých nepolárních molekul plynů (N2, CO2, O2, N2O)
9
Pasivní transportní mechanismy
Prostá difúze - vliv pH na množství vstřebané látky
•
přes lipofilní buněčnou membránu může projít prostou difúzí pouze elektricky
neutrální, nepolární molekula
•
v případě slabých kyselin a zásad projde pouze neionizovaný podíl
Henderson-Hasselbachova rovnice
Slabá kyselina
Slabá zásada
Ionizovaný
R-H
R-OH
Neionizovaný
R-.......H+
R+......OH-
pH při kterém je přávě polovina látky ionyzována je pKa
•
slabá báze se bude přednostně ionizovat v kyselém prostředí a naopak
10
Henderson-Hasselbalchova rovnice
[neprotonovaný podíl]
log
= pH - pKa
[protonovaný podíl]
Slabá kyselina
A
log
pH pKa
AH
vlastnost
prostředí (např.
krevní plazmy)
vlastnost
slabého elektrolytu
(např. nikotin)
Při vysokém pH je rovnováha slabé kyseliny
posunuta k A- podíl nesoucí náboj nedifunduje
přes biomembrány
Slabá báze
B
log
pH pKa
BH
Při vysokém pH je rovnováha slabé zásady
posunuta k B podíl bez náboje dobře difunduje
přes biomembrány
•
toxická látka se bude koncentrovat na té straně biomembr., kde je více ionizována
•
v žaludku se ve větší míře vstřebávají slabé kyseliny, v tenkém střevu slabé báze
Vliv pH v místě absorpce na míru vstřebání slabých
elektrolytů (potkan, tenké střevo)
% absorbované látky
Kyseliny
pKa
pH 4
pH 5
pH 7
pH 8
5-nitrosalicylová
salicylicylová
acetylsalicylová
benzoová
2.3
3.0
3.5
4.2
40
64
41
62
27
35
27
36
0
30
--35
0
10
--5
4.6
5.0
8.4
40
21
9
48
35
11
58
48
41
61
52
54
Báze
anilin
aminopyrin
chynin
Data from: Schanker LS, J Pharmacol Exp Ther 123:81, 1958.
Pasivní transportní mechanismy
Prostá difúze - vliv rozdělovacího koeficientu KOW na množství
vstřebané látky
Kow = Cn-oktanol / Cvoda
Oktanol
Voda
•
Lipofilní
podíl
Hydrofilní
podíl
přes lipofilní buněčnou membránu budou ve větší míře přecházet látky s vyšší
hodnotou KOW
13
Absorpce v žaludku
během 1h
(% dávky)
50
580
40
52
30
20
10
absorpce těchto látek je
proporcionální k jejich lipofilitě
1
0
barbital
(pKa 7.8)
secobarbital
(pKa 7.9)
thiopental
(pKa 7.6)
14
Pasivní transportní mechanismy
Filtrace
•
transport využívající rozdílného hydrostatického tlaku na obou stranách
biomembrány
•
volný prostup vody a malých molekul ve vodě rozp. látek, prostup iontů
•
kanály pro vodu vznikající mezi oscilujícími molekulami lipidů
– normální buněčná membrána - póry 4 Å (prochází látky M = 100 - 200)
– membrána glomerulu (ledviny) - póry 40 Å (prochází látky M = 50 000)
•
rychlost filtrace je úměrná rozdílu tlaků, ploše membrány a propustnosti
membrány pro danou látku
Pasivní transportní mechanismy
Iontové kanály
•
iontové kanály tvořené integrálními
membránovými proteiny
– stále otevřené, ligandově a
elektricky řízené
•
rychlost transportu ovlivněna i
počtem kanálů - saturabilita
16
Pasivní transportní mechanismy
Usnadněná difúze (přenašečový transport)
•
nevyžaduje přísun energie, hnací silou rozdíl koncentrací na obou stranách
biomembrány
•
k transportu látek se využívá integrálních membránových proteinů, které
mají funkci přenašeče
•
přenos pomocí translačního pohybu nebo následkem konformační změny
vazebné bílkoviny
•
přenos velkých v tucích nerozpustných molekul a některých anorg. i org. iontů
ve směru koncentračního gradientu
•
rychlost transportu závisí na koncentraci přenašečů (saturabilita) a na velikosti
koncentračního spádu,. kompetice endogenních a/nebo exogenních molekul
•
symporty a antiporty
17
Aktivní transportní mechanismy
Aktivní transport
•
přenašečový transport, vyžaduje přísun energie (ATP)
•
přenos velkých hydrofilních molekul proti směru koncentračního gradientu
•
rychlost ovlivněna koncentrací přenašečů a dostupností energie
•
probíhá zde kompetice endogenních a/nebo exogenních molekul
Přenos iontovými kanály
•
přenos iontů proti směru koncentračního gradientu
•
Na+/ K+ ATP ázová pumpa
Endo/Exocytosa
Absorpce
•
je-li místem absorpce kůže, zažívací trakt, nebo plíce musí tox. látka při
přestupu do krevní plazmy překonávat buněčné membrány
•
množství absorbované tox. látky závisí na její schopnosti překonávat
biomembránu
Biologická dostupnost (F)
– množství látky, které se v nezměněném stavu dostane z místa prvního
kontaktu s organismem na místo účinku (případně do tělního oběhu)
– vliv místa a způsobu aplikace iv > inhal > ip > im > po > td
– parenterální vs. enterální aplikace - „first pass effect“
•
je snižována nevstřebaným podílem, podílem zachyceným na plazmatických
proteinech, zmetabolizovaným podílem (first- pass efekt), podílem
účastnícím se enterohepatální cirkulace, vyloučeným podílem apod.
22
23
Absorpce - GI trakt
Faktory ovlivňující úroveň absorpce
• doba setrvání látky v místě absorpce
• plocha pro absorpci
• úroveň prokrvení
• pH v místě absorpce
Dutina ústní a jícen
• krátká doba setrvání toxické látky
• pH v ústech okolo 5, pH slin okolo 7
• sliznice pod jazykem silně prokrvena, parentální aplikace
• vysoká úroveň absorpce některých látek - např. nikotin, nitroglycerin
25
Absorpce - GI trakt
Žaludek
• doba setrvání pevné látky 3,5 - 4 h, kapalina řádově minuty
• pH v rozmezí 1 - 3 silné kyseliny a báze a slabé báze ionizovány,
slabé kyseliny neionizovány - vstřebávají se
• vlivem žaludeční kyseliny dochází k chemickým změnám celé řady látek
• výrazný vliv aktuální náplně žaludku
Tenké střevo
• absorpční plocha 10 m2, pH 5 - 8, doba setrvání 3 - 5 h, silné prokrvení
• prostá difůze neioniz.podílu slabých bází a kyselin, lipofilních látek
• facilitovaná difůze a aktivní transport velkých a/nebo hydrofilních molekul,
kovových iontů a disociovaných elektrolytů
27
Absorpce - GI trakt
Tenké střevo
• vliv střevní mikroflóry - vznik nitrosaminů z dusitanů
• enterální aplikace - „first pass“ efekt
Tlusté střevo a konečník
• absorpční plocha max. 1 m2, doba setrvání 8 - 14 h, pH = 7,8 - 8, silně
prokrvená sliznice
• význam zejména při rektální aplikaci léků
28
Absorpce - dýchací cesty
Nosní sliznice
• malá plocha, krátká doba setrvání, silná vrstva buněk nosní sliznice
• převážně lipofilní látky - prostá difuse, méně hydrofilní látky - filtrace
• maligní neoplasie
Průdušnice a průdušky
• absorpce plynů, vyloučení částic zachycených v hlenu
Plicní sklípky (alveoly)
• plocha 70 - 90 m2 , jednovrstvá tenká lipofilní membrána s velkým množstvím pórů
• přes membránu se vstřebávají lipofilní látky
• přes póry se velmi dobře vstřebávají i ve vodě rozpustné plyny a aerosoly
30
Absorpce - dýchací cesty
Absorpce částic
• látky rozpustné ve vodě a tucích procházejí do krevního řečiště
• látky nerozpustné ve vodě ani v tucích se ukládají - pneumokoniózy, rakovina
Vliv velikosti částic na úroveň absorpce
• nad 10 m - sedimentace, záchyt v dýchacích cestách
• okolo 5 m - záchyt v alveolách kolem 25 %
• okolo 1 m - záchyt v alveolách kolem 50 %
• okolo 0,25 m - snížená retence následkem pomalejší sedimentace
• pod 0,1 m - vliv Brownova pohybu
31
32
Absorpce - kůže
• velká plocha, velká vrstva membrán
• prostá difúze lipofilních látek transepidermální cestou
• polární látky pronikají přes suchou popraskanou pokožku
• mazovými žlázkami pronikají zejména lipofilní látky
• potními žlázkami pronikají i malé hydrofilní molekuly
• parentální aplikace
33
34
Distribuce
•
proces rozdělování vstřebané látky (metabolitů) z krevní plazmy do
jednotlivých orgánů, přestup látky na místo účinku
•
v krevní plazmě TL rozdělena mezi plazmovou vodu a plazmatické bílkoviny,
do dalších orgánů může prostupovat pouze volný podíl
•
přestup přes membránu kapilár velmi rychlý - přes mezibuněčné prostory
endotelu
•
do buněk orgánů přestup nejčastěji prostou difúzí
Rychlost distribuce
•
vazba toxické látky na plazmatické bílkoviny v krvi
•
rychlost krevního proudu - stupeň prokrvení orgánu
•
dynamika průniku látek přes biomembrány
•
rozpustnost ve vodě a v tucích, stupeň ionizace
35
36
Bariéry omezující distribuci
Hematoencefalická bariéra
•
štěrbinová spojení (tight-junctions) buněk endotelu v krevních kapilárách
neumožňují přestup velkých molekul z krve do tkání mozku
•
•
gliové buňky (astrocyty) obalují povrch mozkových kapilár a svou
enzymatickou činností též zabraňují přestupu celé řady látek z krve do
mozku
•
prostou difůzí procházejí přes bariéru malé molekuly plynů (O2, CO2) a
látky vysoce rozpustné v tucích - nikotin, heroin, methylrtuť.....
•
aktivním transportem (facilitovanou difůzí) procházejí přes bariéru látky
potřebné pro buněčný metabolismus (glukóza, aminokyseliny, vitamíny) a
hormony
Placentární bariéra
38
39
Depozice ve tkáních
Depozice v kostech
Kosti jsou ze 30 % tvořeny organickými látkami
– kolagenová vlákna
a ze 70 % anorganickými solem
– hydroxyapatit (Ca3(PO4 )2 (OH)n )
•
sloučeniny Pb2+ - výplň mezer v kolagenové struktuře
•
anion F- - náhrada OH skupin v apatitu - fluorapatit
•
kation Sr2+ - náhrada Ca
•
chelatační činidla, antibiotika tetracyklinového typu
41
Depozice ve tkáních
Depozice v tukových tkáních
•
•
silně lipofilní sloučeniny
postupný návrat do krevního řečiště - THC (27 dní)
•
DDT - problém ekotoxikologie
Depozice v měkkých tkáních
•
•
velké množství látek se ukládá v játrech
halogenované uhlovodíky - hepatotoxické
•
Pb - játra, Cd - ledviny
Depozice ve vlasech
•
některé kovy Hg, As