Interakce toxické látky s organismem

1. Interakce toxické látky s organismem Biotransformace Exkrece Interakce TL s receptorem Toxikologie (C005)

2. Průchod přes buněčnou membránu Toxikokinetika (ADME) Tkáňová depa volný podíl vázaný podíl Místo účinku vázaný podíl volný podíl Absorpce Volný podíl TL Exkrece Vázaný podíl TL na PP Metabolity Biotransformace

3. 1. fáze 2. fáze Toxická látka Metabolit Konjugát 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

4. Reaktivní funkční O S O H Sulfátová 3 skupina konjugace Fenyl sulfát O H C O O H Fáze I O O H Fáze II O P450 O H hydroxylace O H Fenol Benzen Fenyl glukuronid Glucuronidová Konjugace Molekulová hmotnost a polarita vzrůstá

5. Toxická látka Silně lipofilní Metabilicky stabilní Lipofilní Polární Hydrofilní 1 fáze biotransformace aktivace nebo inaktivace oxidace, redukce, hydrolýza Akumulace v tukové tkáni 2 fáze biotransformace inaktivace konjugační reakce Polární Hydrofilní Extracelulární tekutiny exkrece játry cirkulace v plazmě exkrece ledvinami

6. 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 (CYP 450) • alkoholdehydrogenáza (ADH) • ............... • ...............

7. 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

10. cyt P-450 XH + O2 + NADPH + H+ X-OH + H2O + NADP+ 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 NADPH (nikotinamid-adenin-dinukleotid-fosfát) - koenzym, donor vodíku

12. Cytochrom P- 450

13. Oxidace katalyzované CYP- 450 Hydroxylace alifatického uhlovodíku CYP - 450 CH3 – CH3 CH3 – CH3 – OH etan etanol CYP - 450 R – CH2 – CH3 R – CH – CH3 OH CYP - 450 R – CH – CH3 R – C – CH3 R R OH

14. Oxidace katalyzované CYP- 450 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 Fenol Arenoxid (epoxidická vazba)

15. Oxidace katalyzované CYP- 450 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 P - 450 Toluen Kyselina benzoová Benzylalkohol

16. Oxidace katalyzované CYP- 450 Epoxidace dvojné vazby • při hydroxylaci dvojné vazby vzniká epoxid – potencionální genotoxicita • EH – epoxid hydroláza • ADH – alkohol dehydrogenáza, ADH – aldehyd dehydrogenáza

17. Oxidace katalyzované CYP- 450 N-hydroxylace aminů • vznik reaktivních aryl-hydroxylaminů – vysoká genotoxicita nitrobenzen anilin fenyl – hydroxylamin nitrosobenzen konjugát s GSH • GSH – glutathion

18. Další oxidace katalyzované CYP- 450 • dehalogenace • O,N,S - dealkylace • oxidativní deaminace 4-hydroxy amfetamin CYP 2D6 • + NH3 amfetamin fenylaceton

19. 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

20. 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 CH3 – C = O acetaldehyd kyselina octová • NAD+ • NADH • ALDH • ADH

25. Hydrolýza • katalyzované enzymy přítomnými v játrech a ledvinách (rozpustná frakce) a v krevní plazmě, významná je i jejich přítomnost v žaludku Hydrolýza esterů Esteráza + kys. salicylová kys. acetylsalicylová (Acylpyrin) kys. octová

26. Hydrolýza • Hydrolýza amidů Amidáza + Lidokain (lokální anestetikum) 2,6 - Xylidin dietylaminoacetát

27. Redukční reakce • přidání H, odebrání O • katalyzováno reduktázami - CYP 450 reduktáza • jako kofaktor NADP+, .... Redukce nitrosloučenin

28. Redukční reakce • Redukce aldehydů CH3 – CH = O CH3 – CH3 – OH acetaldehyd etanol Redukce kovových iontů AsIII [zvýšení toxicity] AsV SeIV SeVI [snížení toxicity] CrIII CrVI

30. 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) enzym A – X + + B –Y A – B X – Y Xenobiotikum s funkční skupinou nebo produkt 1. fáze biotransformace Další produkt Konjugační činidlo Konjugát

31. 2. fáze biotransformace Konjugace s kyselinou glukuronovou • konjugační činidlo – Uridin difosfátglukuronová kyselina (UDPGA) • enzym – UDP glukoronosyltransferása (UGTs) • funkční skupiny : -OH;-COOH; -NH2; -NH; -SH B Y Zbytek kyseliny glukuronové

32. 2. fáze biotransformace Konjugace s kyselinou glukuronovou Nikotin

33. 2. fáze biotransformace Sulfátová konjugace • konjugační činidlo – Fosfoadenosinfosfosulfát (PAPS) • enzym – sulfotransferása • funkční skupiny : alifat-OH, aromát-OH; aromát -NH2 Y B Zbytek kyseliny sírové

34. 2. fáze biotransformace Sulfátová konjugace + PAP sulfotransferása + PAPs Fenol Fenylsulfát

35. 2. fáze biotransformace Acetylace • konjugační činidlo – Acetylkoenzym A (Acetyl CoA) • enzym – cholin acetyltranferáza (ChAT) • funkční skupiny : alifat-NH2; aromát -NH2 B Zbytek kyseliny octové

36. 2. fáze biotransformace Glycinová konjugace • konjugační činidlo – glycin • funkční skupiny : aromát -NH2; - COOH Glutathionová konjugace • konjugační činidlo – gluthation (GSH) • funkční skupiny : epoxidy, organické halidy Metylace • funkční skupiny : aromát -OH; - NH2; - NH, - SH • kovy [Met] Hg22+ CH3Hg+ [Met] CH3Hg+ (CH3)2 Hg

37. 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

38. 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

40. 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

41. 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)

43. 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

45. 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

46. 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

47. Časová závislost koncentrace látky v těle Absorpce (A) Eliminace (E) Celková koncentrace 100 (2) > (1) 80 dCE dCA dCA dCA dCA dCE dCE = (2) dt dt dt dt dt dt dt 60 % podané dávky v krevní plazmě (3) 40 (3)  (1) (4) 20 (4) = 0 čas

48. 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