Oxidativní stres

Oxidativní stres

2s 2p . . . ¨ ¨ . O—O . ¨ ¨ Vznik radikálů Cl Cyt P 450 - Cl Cl - C . + . Cl • homolytické štěpení vazby • přijetí elektronu • ztráta elektronu - - Cl - C - Cl Cl - Cl O2- O2 + e- O2- O22- - e- Volné radikály Částice s nepárovým elektronem • superoxidový anion O2- kyslík - O - 1s2 2s2 2p4

+ 1e- + 1e- Redukce +4 e- + 1e- + 1e- Volné radikály Redukce molekulárního kyslíku Molekulární kyslík O2 (triplet• O-O• nebo singlet O-O:) Superoxidový radikál O2- (•O-O:) Peroxid vodíku H2O2 (H-O-O-H) ROS (Reactive Oxygen Species) Hydroxylový radikál OH - (H-O•) Voda H2O (H-O-H)

Vznik volných radikálů UV záření Ionizační záření Kouření Dýchací řetězec v mitochondriích • 1 - 4 % O2 při oxidativní fosforilaci přeměněno na superoxid a H2O2 Metabolismus Biotransformace v endoplazmatickém retikulu • reakce katalyzované Cyt P450 vedoucí ke vzniku volných radikálů Bílé krvinky Poškození DNA Mitochondrie • ROS jako ochrana při napadení bakteriemi (enzym NADPH - oxidáza) Fentonova reakce přechodových kovů Fe++ + H2O2Fe+++ + HO– + HO. Zánět - imunitní reakce Fyzikální faktory Znečištění ŽP • UV a X-ray záření Bílé krvinky Hlavní zdroje volných radikálů

GSH GS- SG Antioxidační mechanismy Endogenní antioxidanty • enzymatické • cytochrom C • SOD (superoxid dismutáza) - katalyzuje reakci 2O2. - + 2H+ H2O2 + O2 • GSHPx (gluthathion peroxidáza) - kat. 2G-SH + ROOH  GS-SG + H2O + ROH • kataláza - kata. 2H2O2 2H2O + O2 • neenzymatické (-tokofenol (vitamín E), -karoten, koenzym Q-10, kys. askorbová (vitamín C) apod...) Exogenní antioxidanty • stopové prvky • Se - vliv na absorpci vitamínu E, součást selenoproteinů • Zn - stabilizace buněčných membrán, antagonista Fe

Ochrana proti OS Oxidativní stres Oxidační procesy Antioxidanty Oxidativní stres Ochrana proti OS Oxidativní stres • antioxidační procesy nestačí eliminovat nadbytek volných radikálů

iniciace - CH2 - + •OH - CH - + H2O • • propagace - CH2 - + O2 - COO + H2O - COO • + •OH - CO • + H2O • • Oxidativní stres Oxidace fosfolipidů • terminace - CO• + •OH - C-O-OH Biologický efekt • snížení fluidity fosfolipidické dvojvrstvy, zvýší se výměna fosfolipidů mezi vrstvami, zvýší se prostupnost membrány • vliv na funkci membránově vázaných proteinů

Oxidativní stres Oxidace proteinů • fragmentace, koagulace • reakce s Fe v hemu • změna funkčních skupin Biologický efekt • změna aktivity enzymů • změna v toku iontů • proteolýza

Oxidativní stres Oxidace DNA • oxidace deoxyribosy • změna struktury dusíkaté báze - nejčastěji guaninu • rozrušení vodíkové vazby Biologický efekt • vznik mutace • změny v translaci • inhibice proteosyntézy

Toxikologie těžkých kovů

Obecné zákonitosti Účinek výrazně ovlivněn chemickou formou kovu • elementární kov (Pb) • anorganické sloučeniny (PbCl2) • organokovy (CH3CH2)4Pb Častější chronický účinek spojený s akumulací, než akutní účinek Akumulace v kostech (Pb), vlasech (As), kůži (Ag, As) a měkkých tkáních Dlouhý biologický poločas Toxický účinek často spojen s náhradou esenciálního prvku (Pb-Ca; Cd-Zn; Ni - Mg/Co; As5+ - P5+) Hlavní cílové orgány jsou: • organokovy - CNS • anorganické ionty - ledviny a místo expozice (plíce, kůže, GI) • imunitní systém, při GI aplikaci játra

Mechanismy účinku • Interakce s -SH skupinami enzymů - inaktivace • denaturace proteinů • porušení struktury buněčných membrán, poškození mitochondrií • oxidativní stres • katalýza reakcí, při nichž vznikají ROS • inhibice antioxidačních enzymů • interakce s esenciálními prvky • méně častá je interakce s DNA (Cr6+ ;As5+) Antidota • chelatační činidla • tvorba stabilních hydrofilních komplexů • urychlení a zvýšení efektivity exkrece

Lewisit (2-chlorvinil-dichlorarsen) Arsen • šedý polokov, ve sloučeninách v ox. stavech 3- (arsenidy), 3+ a 5+ O = As - O - As = O Výroba a použití • výroba slitin - zvyšuje odolnost Cu proti korozi, zvyšuje tvrdost a křehkost Au • kyselina kakodylová - selektivní herbicid • NaAsO3 - defoliant • 90 % - konzervace dřeva (H3AsO3), pesticidy a insekticidy (tabák, bavlna,...) • Lewisit CH2AsCl3 Pohyb v přírodě • organokovové sloučeniny As v humřím a krabím mase • kontaminace vodních zdrojů (Argentina, Čína, Taiwan) - „Blackfoot disease“

Arsen Mechanismus toxického účinku • vazba na - SH skupiny enzymů a jejich inaktivace • blokáda energetického metabolismu buněk (citrátový cyklus) - As3+ • blokáda tvorby gluthationu (GSH) - oxidativní stres - As3+ • interakce As5+ a P5+ - blokáda tvorby ATP a genotoxicita Toxicita - obecně • akutní toxicita sloučenin As3+ vyšší než sloučenin As5+ (absorpce) • sloučeniny As5+ více karcinogenní účinky - zejména rakovina plic a kůže • organické sloučeniny méně toxické než anorganické (exkrece) • sl. rozpustné ve vodě - vyšší akutní toxicita, systémové účinky • sl. nerozpustné ve vodě - chronické plicní choroby

Metabolismus Arsen • T1/2 = 10 h - 3 dny • v krvi cirkulující sloučeniny As dobře procházejí placentární bariérou • hlavní cílové orgány - játra, ledviny, krev, nervy, kůže a nehty • As se ve vysoké míře koncentruje ve vlasech a nehtech, ukládá se též v měkkých tkáních (játra, ledviny) Akutní účinky • TD50 As2O3 pro člověka 30 - 50 mg, LDL0 = 60 - 80 mg, LD50 = 200 - 300 mg • cesty vstupu - GI, inhalačně (AsH3) i transdermálně Symptomy • nejprve sucho a pálení v ústech a jícnu, GI potíže (zvracení, průjem, křeče), stolice a dech mohou páchnout po česneku, závratě, selhání krevního oběhu v důsledku poškození jater a ledvin - během 2 - 24h • při expozici AsH3 - bolest hlavy, dušnost, slabost a poté GI symptomy • hemolýza a tmavě rudá moč (+4-6 h), žloutenka (+24 - 48 h) Antidotum • BAL, DMPS a DMSA

Antidota DMSA DMPS Dimerkaptopropan sulfonát sodný Kyselina 2,3 dimerkaptojantarová

Blackfoot disease Rakovina kůže Mee’s stripes Hyperkeratinóza Hyperpigmentace Arsen Subakutní a chronické účinky Symptomy • bolestivá distální polyneuropatie - necitlivost chodidel • únavnost, anorexie, koliky, poškození kostní dřeně • kožní projevy (hyperkeratinóza, hyperpigmentace), nehty („Mee’s nails”) • chronická onemocnění jater (cirhóza) a ledvin • onemocnění periferního oběhového systému a následná gangréna (“Blackfoot disease”) Reprodukční toxicita • malá porodní váha, riziko diabetu, riziko nervových onemocnění Karcinogenita • As prokazatelně zvyšuje riziko vzniku rakoviny kůže a plic • zvýšené riziko vzniku rakoviny jater

Rtuť Výroba a použití • elementární rtuť v teploměrech, polarografie • elektrické články - naslouchací přístroje, detektory kouře, hračky • rtuťové výbojky - promítací přístroje, reflektory, laboratorní technika • katalyzátor při výrobě vinylchloridu • součást některých léků - diuretika, antiseptika, dermatologika • antibakteriální a fungicidní přísada - nátěry, moření osiva • zubařské amalgámy, amalgamace zlatých a stříbrných rud • arysloučeniny k denaturaci lihu • výroba chloru a louhu sodného

Rtuť Mechanismus toxického účinku • inhibice antioxidačních enzymů - SOD a katalázy • vazba Hg2+ na - SH skupiny glutathionu (GSH) • Hg2+ je pro-oxidant - zvyšuje množství H2O2 • vazba na Se - inhibice GSHPx Oxidativní stres • snížená produkce neurotransmiterů • inhibice celé řady hormonů - hormony štítné žlázy, testosteron, katecholaminy • nekróza nervových buněk

Rtuť (Hg) Tři toxikologicky odlišné formy rtuti • elementární - Hgo (teploměry, elektrody, výroba kovů, amalgámy) • anorganická - Hg+ a Hg2+ (vydělávání kůží, zpracování plsti) • organická - methylrtuť (moření osiva, metabolizace anorg. Hg) Rtuť • tři toxikologicky odlišné formy rtuti - elementární, anorganická a organická Absorpce • elementární rtuť vstřebává se ve formě par plícemi (z 80 %) , má vysokou afinitu k červeným krvinkám a snadno prostupuje přes hematoencefalickou bariérou, prakticky se neabsorbuje v GI, kůží se absorbuje ve formě mastí • anorganické ionty se v GI vstřebávají poměrně málo (asi ze 7 %) • methylrtuť se vstřebává dobře (95 %), velmi snadno prostupuje do CNS Distribuce • elementární a anorganická rtuť se koncentruje v ledvinách a červených krvinkách • organická rtuť se koncentruje v CNS (týlní lalok velkého mozku a mozeček), snadno prochází placentární bariérou - koncentruje se v plodu, dále se koncentruje ve vlasech a kůži

Rtuť Exkrece • enterohepatická cirkulace - z Hg2+ v játrech vzniká methylrtuť, ta podlehne v tenkém střevu hydrolýze, je znovu absorbována....... • T1/2 methylrtuť = 70 dní, T1/2 anorg. = 40 dní, T1/2 elementární = 35 - 90 dní Biotransformace • elementární rtuť a Hg22+ ionty jsou oxidovány na Hg2+ - zvýšení toxicity • některé bakterie jsou schopné methylovat rtuť

Akrodinie Akutní orální toxicita LD50 potkan Hg2Cl2 166 mg/kg LD50 potkan Hg (CN)2 25 mg/kg LD50 potkan Hg2 SO4 205 mg/kg LD50 potkan Hg SO4 57 mg/kg LD50 myš Hg2Cl2 1500 mg/kg LD50 myš Hg (CN)2 33 mg/kg LD50 myš Hg2 SO4 152 mg/kg LD50 myš Hg SO4 25 mg/kg Rtuť Elementární Hg - akutní účinky • inhalace par - poleptání dýchacích cest, bronchitida, pneumonitida • poškození ledvin a CNS Anorganická Hg - akutní účinky • HgCl2 - při požití leptá GI, způsobuje hnisavé vředy, silnější účinek na ledviny a slabší na CNS než Hg0 • Hg2Cl2 - méně toxický než Hg2+ - hůře se vstřebává Elementární a anorganická Hg - chronické účinky • poškození CNS - třes, excitovanost nebo apatie, změny osobnosti - nepříčetnost, halucinace • zvětšení štítné žlázy, zánět dásní, slinění, zrychlení srdeční frekvence • nefrotický syndrom • děti 4 měsíce - 4 roky - akrodynie („Růžová nemoc“)

Minamata (1952) Frekvence jednotlivých symptomů - „Minamata disease“ (v %) Popis symptomu plod dětidospělí Snížení mentální výkonnosti 100 100 71 Ataxie 100 100 94 Poruchy chůze 100 100 82 Poruchy řeči 100 94 88 Poruchy sluchu 4- 5? 67 85 Zúžení zorného pole - 100? 100 Poruchy žvýkání a polykání 100 89 94 Nadměrné slinění 72 56 24 Nevědomé pohyby (tiky) 73 40 27 - 76 Hlasitý smích 27 29 Source: (Environmental Mercury Contamination: Hartung & Dinman, Ann Arbor Science Publishers Inc., 1972) Foto: W. Eugene Smith Rtuť Organické sloučeniny Hg • methylrtuť se přednostně koncentruje v mozku, pomalá demethylace • fenylrtuť je méně toxická • nekróza nervových buněk • u zvířat zjištěno i poškození chromozomů „Minamata disease“ • 1952 - odpadní vody z továrny na výrobu plastů s vysokým obsahem síranu a chloridu rtuťnatého vypouštěny do zátoky Minamata (Japonsko) • mořské řasy - methylace, akumulace methylrtuti v rybách • celkem onemocnělo 397 lidí, na následky zemřelo 68 (včetně 22 potratů) • mnoho dětí narozených v rozmezí let 1953 - 1959 - mentální retardace, poruchy motorického svalstva Bakir et al., 1973: V Iráku 6000 lidí otráveno (459 zemřelo) methylrtutí po požití chleba z mouky vyrobené z ošetřeného obilí, koncentrace Hg v mouce 4,8 - 14,6 g/g, rozsah Hg v krvi 10 - 500 g/DL, toxické projevy- paralýza, poškození zraku a sluchu, porucha artikulace, koma smrt při více než 300 g/DL.

Toxicita Hg - přehled

Rtuť Zásady při zacházení • pro úklid kovové Hg nepoužívat vysavač • větrat • pozor na poškození zlatých šperků • použití Zn prášku, následně 5-10 % H2SO4 Antidota • BAL - koncentruje Hg v mozkové tkáni • D - penicilamin - alergie • EDTA - odstraňuje Hg pouze z krve a povrchu buněk • DMSA - odstraňuje Hg z mozku, jater a ledvin

Oxidativní stres