Látky poškozující hormonální systém (Endocrine disruptors)

1. Látky poškozující hormonální systém (Endocrine disruptors)

2. Cílová buňka Buňka uvolňující hormon Krevní řečiště Cílová buňka Hormony • Funkce endokrinního systému spočívá v převodu široké škály vnějších podnětů na chemické signály - hormony • Hormon po navázání na příslušný receptor vyvolá expresi genu a tvorbu odpovídajícího proteinu, případně aktivuje membránově vázaný enzym Typy hormonů • autokrinní – působí na buňku, která ho uvolnila • parakrinní – působí na nejbližší okolí buňky, která ho uvolnila • endokrinní – působí na vzdálené buňky

3. Žlázy s vnitřní sekrecí Hypofýza Příštítná žláza Štítná žláza Brzlík Nadledvinky Slinivka Vaječníky Varlata

4. Žlázy s vnitřní sekrecí Hypofýza Příštítná žláza Štítná žláza Brzlík Nadledvinky Slinivka Vaječníky Varlata LH (Luteinizační hormon) • indukce tvorby testosteronu v Leydigových buňkách varlat • indukce ovulace • stimulace tvorby estrogenu a progesteronu ve vaječníkách (Corpus luteum) FSH (Folikuly stimulující hormon) • stimulace androgenů u mužů a estrogenů u žen • podpora spermatogeneze ve varlatech ACTH (Adrenokortikotropní hormon) • stimulace tvorby glukokortikoidů v kůře nadledvin

5. Žlázy s vnitřní sekrecí Hypofýza Příštítnážláza Štítnážláza Brzlík Nadledvinky Slinivka Vaječníky Varlata PTH (Parathohormon) • regulace hladiny Ca2+ v krvi, metabolismus vitamínu D T4 (Thyroxin) a T3 (Trijodothyronin) • vliv na rychlost metabolismu buněk • vliv na syntézu proteinů • regulace růstu dlouhých kostí • termoregulace • vývoj nervové soustavy • vliv na účinnost katecholaminů (adrenalin) Thymosiny • regulace tvorby T-lymfocytů • vliv na funkci imunitního systému

6. Žlázy s vnitřní sekrecí Hypofýza Příštítná žláza Štítná žláza Brzlík Nadledvinky Slinivka Vaječníky Varlata Kortizol • tvorba stimulována ACTH z hypofýzy • ustavení homeostáze po stresu • indukce metabolismu proteinů a lipidů – nárůst koncentrace glukózy v krvi • stimulace tvorby žaludečních šťáv • vliv na pohyb vody, Na+ a K+ • snížení aktivity imunitního systému – protizánětlivý účinek • negativní vliv na růst kostí • podíl na funkci krátkodobé paměti, negativní vliv na krátkodobou paměť • zvýšení krevního tlaku Kortikosteroidní hormony Aldosteron • stimulace reabsorpce vody a Na+ v ledvinách • stimulace vylučování K+ • zvyšování objemu a tím i tlaku krve

7. Žlázy s vnitřní sekrecí Hypofýza Příštítná žláza Štítná žláza Brzlík Nadledvinky Slinivka Vaječníky Varlata Adrenalin • hormon, neurotransmiter • řízení reakce na intenzivní stres („fight or flight“ reaction) • zrychlení srdeční činnosti a zvýšení systolického objemu • zúžení cév v kůži a trávícím traktu, roztažení cév ve svalech • roztažení zornic • urychlení katabolismu glykogenu – zvýšení koncentrace krevní glukózy • potlačení funkce imunitního systému Katecholaminy Noradrenalin • jako adrenalin • psychoaktivní efekt – stimulace center pozornosti a reakce

8. Žlázy s vnitřní sekrecí Hypofýza Příštítná žláza Štítná žláza Brzlík Nadledvinky Slinivka Vaječníky Varlata Glukagon • -buňky Langerhansových ostrůvků • indukce rozkladu glykogenu na glukózu • stimulace uvolňování inzulinu Inzulin • -buňky Langerhansových ostrůvků • stimuluje příjem glukózy buňkami – podporuje tvorbu glykogenu • blokuje využívání tuku jako zdroje energie Somatostatin • -buňky Langerhansových ostrůvků • potlačuje uvolňování celé řady hormonů – růstový, TSH (thyroid stimulating hormon), inzulin, glukagon apod.

9. Žlázy s vnitřní sekrecí Hypofýza Příštítná žláza Štítná žláza Brzlík Nadledvinky Slinivka Vaječníky Varlata E1 - estron • vylučován zejména v průběhu menopauzy Estrogeny E2 - estradiol • hlavní ženský pohlavní hormon mimo období těhotenství E3 - estriol • vylučován v období těhotenství E1 E2 E3

10. estrogeny vznikají z metabolizací androstenedionu buď přímo nebo přes meziprodukt testosteron • nachází se jak v mužském tak ženském těle • u žen řídí menstruační cyklus a rozvoj sekundárních pohlavních znaků (růstový hormon prsů) • u mužů ovlivňují dozrávání spermatu a libido • podpora růstu vaječníkových folikulů a zvýšení motility vejcovodů • cyklické změny endometria (vnitřní membrána dělohy), krčku a pochvy • zvýšení průtoku krve dělohou • snížení produkce FSH (negativní zpětná vazba) • proteoanabolický účinek • řídnutí sekretu mazových žláz – inhibice tvorby komedonů • snižování hladiny cholesterolu Estrogeny

11. fyziologické funkce progesteronu ovlivněny hladinou estrogenů • estrogeny zvyšují počet receptorů pro progesteron • progesteron je antagonistou receptorů pro aldosteron • inhibiční účinek progesteronu na uvolňování LH v hypofýze Progesteron • progestační změny v endometriu (sekreční fáze) umožňující zachycení a vývoj embrya a cyklické změny děložního krčku • snižuje citlivost buněk myometria na oxytocin – snížení kontraktivity hladkého děložního svalstva • potlačení funkce imunitního systému • potlačení laktace během těhotenství • způsobuje zvýšení tělesné teploty, stimuluje alveolární dýchání

12. Žlázy s vnitřní sekrecí Hypofýza Příštítná žláza Štítná žláza Brzlík Nadledvinky Slinivka Vaječníky Varlata • zpětnovazebné působení na sekreci LH • vývin a udržování mužských sekundárních pohlavních znaků • možný vliv na projevy agrese • spolu s FSH udržuje spermatogenezi • anabolické účinky • podporuje růst kostí, zabraňuje osteoporóze Testosteron

13. Řízení sekrece hormonů sekrece daného hormonu ovlivněna jiným hormonem

15. Řízení sekrece hormonů sekrece daného hormonu řízena nervovou soustavou • stress nebo fyzická námaha vede k aktivaci sympatetického oddílu autonomního nervového systému • neurony sympatiku vyvolají sekreci adrenalinu a noradrenalinu ve dřeni nadledvin • s odezníváním stresového stimulu, klesá aktivita sympatiku a tím i sekrece hormonů

16. Řízení sekrece hormonů sekrece hormonu řízena látkou nehormonální povahy • zvýšená koncentrace glukózy stimuluje slinivku břišní k sekreci insulinu • insulin urychlí vstřebání glukózy do svalové tkáně • snížení koncentrace glukózy v krvi vede ke snížení sekrece insulinu

18. Chemická struktura hormonů Biogenní aminy (deriváty tyrosinu) • hormony štítné žlázy • thyroxin • trijodothyronin • katecholaminy • adrenalin • noradrenalin Tyrosin

19. Deriváty tyrosinu Tetrajodthyronin Noradrenalin Trijothyronin Adrenalin

20. Chemická struktura hormonů Steroidní hormony (deriváty cholesterolu) • hormony dřeně nadledvin • mineralokortikoidy • glukokortikoidy • gonadotropní hormony • androgeny • estrogeny • progestiny Cholesterol

21. Steroidní hormony Kortisol Progesteron Estradiol Aldosteron

23. Lintelmann J., Katayama A., Kurihara N., Shore L., Wenzel A., Pure Appl. Chem., Vol. 75, No. 5, pp. 631–681, 2003.

24. Glykoproteiny hormony hypofýzy LH (Luteinizační hormon) FSH (Folikuly stimulující hormon) TSH (Štítnou žlázu stimulující hormon) Polypeptidy a krátké proteiny hypothalamus hormony řídící hypofýzu Chemická struktura hormonů • hypofýza • ACTH (Adenokortikotropní hormon) • GH (Růstový hormon) • ledviny • EPO (Erithropoietin) • slinivka • inzulin • glukagon • reprodukční orgány • inhibin

25. Mechanismus účinku hormonů V tucích rozpustné steroidní hormony a hormony štítné žlázy • receptory těchto hormonů se nacházejí buď v cytosolu buněk, nebo v jejich jádře • hormon se naváže na receptor v cytosolu a H-R (hormon-receptor) komplex přestoupí do jádra, případně hormon prostoupí do jádra, kde se vytvoří H-R komplex • H-R komplex se naváže na DNA v promotorovém úseku příslušného genu - následuje aktivace genu, spustí se přepis (transkripce) genu do m-RNA • následuje translace - vznik nového proteinu v ribosomech • mechanismus může fungovat i jako inhibiční

27. Mechanismus účinku hormonů Peptidy a ve vodě rozpustné aminy • hormon se naváže na membránově vázaný receptor spojený s G-proteinem • aktivace G-proteinu, aktivovaný G-protein aktivuje enzym AC (adenylátcyklása) • AC katalyzuje přeměnu ATP na cAMP (cyklický adenosin-monofosfát) • cAMP aktivuje příslušné proteinkinázy (enzymy katalyzující zavedení fosfátové skupiny do molekuly proteiny) které zajišťují výsledný efekt - aktivace enzymu (rychlá odezva), exprese genu (pomalá odezva) • mechanismus může fungovat jako inhibiční

29. Hormonální systém - ptáci • pohlaví určeno dvojicí chromozómů • sameček - ZZ (homogametický) • samička - ZW (heterogametický) • homogametické pohlaví je výchozí - vznik bez účinku specifického pohlavního hormonu • pro vznik heterogametického pohlaví je vázán na aktivitu specifického hormonu (estradiol) • látky s estrogenní (případně antiandrogenní) aktivitou mají tedy větší vliv na embryonální vývoj ptáků než savců (látky s androgenní aktivitou mají naopak větší účinek na savce) • vysoká míra absorpce lipofilních látek ve vaječném bílku - feminizační účinek DDT na dravce

30. Hormonální systém - obojživelníci a plazi • u mnoha plazů jedinci postrádají pohlavní chromozómy a pohlavní diferenciace je řízena faktory prostředí - např. teplotou (TSD - temperature sex differenciation) • významný faktorem TSD je steroidogenní aromatáza - enzym s teplotně proměnlivou aktivitou katalyzující přeměnu androgenů na estrogeny • popsán vliv exo- estrogenů na pohlavní diferenciaci plazů • želva nádherná (Trachemys scripta elegans) • při teplotě vyvolávající vznik samečků dávkován 17- estradiol • počet samiček odpovídal dávce exo-estrogenu • u obojživelníků mohou někdy některé estrogeny fungovat jako androgeny a naopak

32. Hormonální systém -ryby • homogametické i heterogametické formy samečků i samic • monoploidní, diploidní i triploidní formy jednotlivých pohlaví • gonochorismus (sameček nebo samička) i hermafroditismus (sameček i samička) • u některých gonochoristických ryb během dospívání dočasný hermafroditismus • Úhoř říční (Anguilla anguilla) - monté - intersexuální fáze • Danio pruhované(Danio rerio) - nejprve 10 až 12 den po vylíhnutí samičí pohlavní žlázy, u části populace pak změna 23 - 25 den začíná změna na samčí žlázy, definitivně dokončena 40 den

33. Hormonální systém -ryby • velké rozdíly v citlivosti k látkám s hormonální aktivitou – feminizace způsobená účinkem exo-estrogenů pozorována u: • Plotice obecná(Rutilus rutilus) • Medaka japonská(Oryzias latipes) • Živorodka duhová (Poecilia reticulata) Oryzias latipes Rutilus rutilus Poecilia reticulata

34. Hormonální systém -ryby • Vitellogenin (VG) • Fosfolipoprotein produkovaný v játrech vejcorodých obratlovců • Produkce řízena celou řadou hormonů – dominantní je 17- estradiol • VG putuje krví z jater do vaječníků, kde je rozložen na žloutkové proteiny lipovitelliny a fosfovitiny – zásoba energie pro embryo • Žloutkové proteiny způsobují masivní nárůst oocytů měsíc před ovulací – během této periody stoupne koncentrace VG v krvi samic až milionkrát (desítky mg/L v krvi), nízké koncentrace se vyskytují také v tělech samců • Vitellogeneze (zvýšená tvorba vitellogeninu) u rybích samečků je citlivý biomarker znečištění vod látkami s estrogenní aktivitou

35. Mechanismus účinku EDs (endocrine disruptors – látky poškozující hormonální systém) • Agonisté hormonů • látka se naváže na hormonální receptor a aktivuje ho podobně jako hormon • afinita látky k receptoru popisuje její schopnost vázat se na receptor, vnitřní aktivita látky pak míru její schopnosti vyvolat stejný sled biochemických dějů, jako by vyvolal komplex hormon-receptor • syntetické estrogeny – DES (diethylstibestrol), ethinilestradiol působí jako agonisté hormonu 17 - estradiolu • Antagonisté hormonů • látka po navázání na hormonální receptor nezpůsobí stejný sled biochemických dějů jako komplex hormon-receptor (blokáda receptoru) • kompetitivní vs. nekompetitivní inhibice • Tamoxifen – blokátor estrogenních receptorů, lék proti rakovině prsu

36. Mechanismus účinku EDs (endocrine disruptors – látky poškozující hormonální systém) • Látky ovlivňující sekreci hormonů • PCB interaguje s neurotransmitery řídícími sekreci GnRH v hypothalamu - výsledkem snížená produkce pohlavních hormonů a zmenšení gonád • DES a DDT způsobuje při expozici novorozenců u savců sníženou produkci GnRH a LH • Látky ovlivňující metabolismus a transport hormonů • mono-oxygenázy (CYP 450) se účastní jak syntézy hormonů (steroidogenóza) tak i jejich metabolické přeměny (hydroxylace), dále též aktivace neaktivních EDs – indukce mono-oxygenáz může zvyšovat i snižovat hladiny hormonů • látky ovlivňující transportní proteiny - SHBG (sex-hormone-binding globulin) pomáhá transportu T i E2, poškození SHBG vede k zvýšení volného podílu hormonů v krevní plazmě a jejich rychlejšímu rozkladu

37. Mechanismus účinku EDs (endocrine disruptors – látky poškozující hormonální systém) • Látky ovlivňující koncentraci hormonálních receptorů • TCDD (2,3,7,8-tetrachlordibenzodioxin) interaguje s Ah-receptorem (aryl-hydrocarbon) – aktivace tohoto receptoru mimo jiné urychluje rozklad receptorů pro estrogen (antiestrogenní účinek) • mezi další funkce Ah-receptoru patří indukce enzymů katalyzujících rozklad estrogenů a blokáda exprese genů řízených estrogeny

38. Ligand Translace proteinu mRNA Aryl hydrocarbon receptor (AhR) • AhR je tzv. transkripční faktor – komplex ligand-AhR aktivuje přepis příslušného genu do m-RNA a vyvolává tak tvorbu příslušného proteinu • po navázání aromatického uhlovodíku na AhR prostupuje komplex AhR-ligand do jádra buňky • heterodimerizace s Arnt (aryl hydrocarbon nuclear translocator) • vazba na XRE (Xenobiotic response elements) • transkripce příslušného genu Cytoplasma AhR Arnt TNGC GTG XRE Gen (CYP1A1) Jádro buňky

39. Faktory ovlivňující účinek EDs • Věk při expozici • Expozice EDs v období prenatálního a raného postnatálního vývoje má zásadní vliv na zdravotní stav jedince v dospělosti • Doba latence • Účinky EDs se mohou projevit několik let až několik desítek let po expozici • Aditivní a synergický účinek směsí • Organismus je obvykle vystaven většímu počtu látek schopných poškozovat hormonální systém, účinky těchto látek se mohou sčítat a dokonce násobit Diamanti-Kandarakis E.,Bourguignon J.P, Giudice L.C, Hauser R., Prins G.S., Soto A.M., Zoeller R.T., Gore A.C., Endocrine Reviews30(4):293–342, (2009)

40. Faktory ovlivňující účinek EDs • Netypický průběh křivky dávka účinek • Velmi nízká koncentrace EDs může mít v případě přesného načasování korespondujícího např. s kritickým obdobím vývoje plodu výrazně jiný účinek (jak kvantitativně tak i kvalitativně) než mnohem vyšší koncentrace v jiném období • Křivky dávka účinek mohou mít tvar „U“ či „∩“ • Transgenerační epigenetický efekt • toxický účinek se přenáší z rodičů na potomky, příčinou nejsou změny v DNA, ale ovlivnění procesů genové exprese Diamanti-Kandarakis E.,Bourguignon J.P, Giudice L.C, Hauser R., Prins G.S., Soto A.M., Zoeller R.T., Gore A.C., Endocrine Reviews30(4):293–342, (2009)

41. Faktory ovlivňující účinek EDs Caliman F.A., Gavrilescu M., Clean37 (4 – 5), 277 – 303 (2009)

42. Zdroje a účinky EDs • Steroidní hormony v exkretech lidí a hospodářských zvířat • steroidy vylučovány jako hydrofilních konjugáty - glukuronidy, sulfáty • v životním prostředí rychlá hydrolýza - uvolnění hormonů či aktivních metabolitů • mikrobiální degradace závisí na přísunu živin - E1, E2 a E3 obvykle úplně degradovány do čtyř týdnů • vysoké koncentrace testosteronu (>1 ng/L) zjištěny v potocích v jejichž okolí se hnojilo kuřecím trusem a poblíž závodu na zpracování kalů z ČOV (USA, 1993, Shore et al.) • kal z čistíren může obsahovat 15 ng/L 17- estradiolu a 27 ng/L estronu (Německo, 1999, Ternes et al.) • chlévská mrva od krav a prasat obsahovala v sušině 167 - 1229 g.kg-1 17- estradiolu a 254 - 592 g.kg-1 estronu (Německo, 1998, Wenzel et al.)

43. Lintelmann J., Katayama A., Kurihara N., Shore L., Wenzel A., Pure Appl. Chem., Vol. 75, No. 5, pp. 631–681, 2003.

44. Zdroje a účinky EDs • Fytoestrogeny • látky s estrogenní aktivitou přirozeně se vyskytující v rostlinách • flavonoidy a lignany - sekundární metabolity rostlin (> 12 000 látek) • fenolické flavonoidy - antioxidanty • konjugované aromatické sloučeniny - obrana proti UV záření • isoflavony - agonisté steroidních hormonů, obrana proti býložravcům • lignany - základní stavební jednotka ligninu, dřevnatění buněčných stěn Flavony Isoflavony Neoflavony

45. Zdroje a účinky EDs • Fytoestrogeny • lignany seco-isolariciresinol (SECO) and matairesinol (MAT) - mikroflóra v těle savců - přeměna na savčí lignany enterodiol (END) and enterolakton (ENL) • ENL – slabý agonista estrogenních receptorů (prokázáno in-vitro na buňkách prsního karcinomu, neprokázáno in-vitro) – estrogenní efekt • ENL – inhibice estrogenem řízené tvorby m-RNA v děloze myší (in-vivo) –antiestrogenní efekt • estrogenní či antiestrogenní efekt závisí na koncentraci a přítomnosti estrogenů (nízká koncentrace lignanů + nepřítomnost estrogenů – stimulace estrogenních receptorů a naopak) • studie na zvířatech – možný pozitivní účinek ENL a END při prevenci karcinomu prsu, prostaty a tlustého střeva - zvýšení hladiny SHGB (proteinu schopný vázat pohlavní hormony) • vliv na metabolismus tuků – možná prevence srdečních chorob

46. Lignany a jejich metabolity PIN LAR SECO MAT END ENL SYR Adlercreutz H., Critical Reviews in Clinical Laboratory Sciences, 44(5–6):483–525 (2007)

47. Zdroje a účinky EDs • Fytoestrogeny • severní Austrálie - okolo roku 1950 - neplodnost ovcí - příčinou monokultura jetele podzemního (Trifolium subterraneum) - vysoký obsah izoflavonů (genistein, biochaninA and formononetin) - obsah až 5% v sušině • afinita izoflavonů k estrogennímu receptoru odpovídá 10-3 až 10-4 afinity 17-estradiolu biochanin A formononetin genistein

48. Zdroje a účinky EDs • Zearalenon (ZEN) • mikotoxinFusarium graminearum a Fusarium sporotrichiodes • napadá kukuřici, pšenici, ječmen, oves, čirok a seno • vysoká produkce toxinu při vysoké vlhkosti a nízké teplotě • hyperestrogenní účinek - prasata nejvíce náchylná (účinky typicky při 1ppm v potravě, ojediněle i při 0,1 ppm), vliv na ovulaci a délku cyklu, samci vykazují symptomy „feminizace“ – hypertrofie struků, atrofie varlat • u novorozených myších samic ZEN vyvolává trvalé poškození vaječníků • afinita ZEN k danému receptoru je asi 0,1 afinity 17  - estradiolu • afinita stoupá v pořadí prase, potkan kuře • derivát Zeralon - růstový promotor hovězího dobytka (USA)

49. Zdroje a účinky EDs • β-Sitosterol • rostlinný sterol - rostlinné oleje, luštěniny, dřevo • součást léku podporujících odbourávání tuků • odpadní vody z papíren • vitellogeneze u samečků pstruha duhového (Oncorhynchus mykiss), ve vyšších koncentracích (100 g/L) zřetelný pokles hladiny testosteronu • závojnatka (Carassius auratus) exponovaná koncentracím 75 – 1200 g/L - zřetelný pokles steroidních hormonů u samečků i samiček (pokles cholesterolu) • živorodka komáří (gambusia affinis) – samičky vykazující stavbu těla a sekundární pohlavní znaky samečků – androgenní efekt mikrobiálního metabolitu sitosterolu

50. Zdroje a účinky EDs • Syntetické steroidy - farmaka • steroidní inhibitory ovulace • hormonální léčba potíží při menopauze • léčba rakoviny prsu • analogy přirozených hormonů – zpomalení metabolizace • estrogeny - ethynylestradiol, mestranol • progesterony – norgestrel, norethisteron ethynylestradiol mestranol estradiol norgestrel norethisteron