Az idegrendszerre ható toxikus fémionok I.

1. Az idegrendszerre ható toxikus fémionok I. HIGANY Hg0; szervetlen Hg (Hg22+, Hg2+), szerves Hg (MeHg) Behatás: ipar, mezőgazdaság (szerves vegyületek); elektromos ipar, arany extrakció, fogászat (elemi Hg) Hg0: illékony – neurotoxikus Hg0, HgX, MeHg: oldódik apoláros oldószerekben Szervetlen Hg: vesében tárolódik Szerves Hg: könnyen eljut az agyba Toxicitási sorrend: Hg0 < Hg2+ < RHg+ Minamata öböl (1948-60) higanytartalmú katalizátor szennyezte az öböl vizét → súlyos mérgezések → alapos vizsgálat

2. Az idegrendszerre ható toxikus fémionok II. • A Hg neurotoxicitásának molekuláris mechanizmusa: • Toxicitás oka: • kovalensen köt fehérjék Cys-tiolát csoportján, ill. nukleotidok bázis-N donoratomjan • A Hg kölcsönhatása a neuron membránnal és beavatkozása a Ca2+ homeosztázisba • Fehérje szintézis gátlása: a sejtek energia ellátó rendszerének megzavarása • Szabad gyök generálási (pl. ROS) mechanizmusok • Foszforilációs/defoszforilációs reakciók módosítása • Enzimatikus Hg méregtelenítés: • szerves Hg liáz: RHgX + H+ + X–→ RH + HgX2 • higany reduktáz: Hg(SR)2 + NADPH + H+ → Hg0 + NADP+ + 2 RSH

3. Az idegrendszerre ható toxikus fémionok III. ÓLOM Behatás: festékek, akkumulátoripar, ólomkristály, porcelánmáz, üzemanyag adalék (volt), nyomdászat (volt), bányászat (volt) Szerves Pb vegyületek: áthatolnak a vér-agy gáton → károsítják az idegrendszert (paralízis, koordinációs-zavar, görcsök) Szervetlen Pb2+: Ca2+csatorna inhibiálása, Ca-ATPáz inhibiálása; intracelluláris Ca2+ egyensúly megbontás, biofehérjék funkciójának (pl. kalmodulin, kinázok, glutamin szintáz) gátlása; neurotransmitter felszabadulás blokkolása ALUMÍNIUM Behatás: savas esők által megnövekedett Al terhelés az egyébként rosszul oldódó kőzetekből, természetes vizek, ivóvíz Idegrendszeri elváltozások: dialízis demencia, Alzheimer-kór (AD) Kölcsönhatás az idegsejtek sejten belüli (kórosan) túlfoszforilált neurofibrilláris fonadék fehérjéivel, ill. a sejten kívüli térben képződő amiloid fehérjéivel, ami a neuronok kóros hidrolitikus pusztulásával (annak fokozódásával) jár. → Kockázati tényező az AD-ben.

4. Az Al3+ koncentráció a nyers és a kezelt vizekben

5. ALUMÍNIUM Az Al3+ felszívódásában szerepe lehet: [Al-citrát]0 Képződési pH-tartomány: pH = 2 – 5 Endogén képződhet Felszívódás: gyomor-bél traktus Feltételezett kötésmód: [Al(maltoláto)3]0 Képződési pH-tartomány: pH = 6 – 8 Exogén képződhet Maltol: sütőipari adalék Feltételezett kötésmód:

6. Az Al3+ transzportja PLAZMAVÉRSEJT 0,1 mM citrát (CI) 2-4 mM 2,3-difoszfo-glicerát (DPG) 0,03 mM transferrin (TF) Látszólagos stabilitási állandók fiziológiai pH-n: Fe(III)–TF: 22,7 & 22.1 Al(III)–TF: 12,9 & 12.3 Al(III)–DPG: 12,5 Al(III)–CI: 12,4 TF: citrát: DPG: 2 His-N 3 Tyr-O 1 karbonát

7. NUKLEINSAV NUKLEOTID-FOSZFÁT Foszfát bázicitás pK < 1pK ~6 Látszólagos stabilitási állandók fiziológiai pH-n lgK(Al) < 5,6lgK(Al) ~10,8

8. 107 K(Al-ATP) >> K(Mg-ATP) Mg-aktivált enzimek blokkolása Az Al3+ toxicitásának valószínű okai Ca(II) Al(III)Mg(II) 1,12 A 0,54 A 0,72 A köbös oktaéderes oktaéderes tetraéderes a kötési hely jelentős kismértékű átrendeződésére van szükség o o o L(Ca3(PO4)2)) << L(AlPO4) csont rendellenesség

9. ÓN Behatás: szerves Sn-vegyületek, műanyagipar, mezőgazdaság (rovar- és gombaölőszerek) A vegyületek polaritása alapvető a felszívódásukban és felhalmozódásukban (→ toxicitásukban): a tri- és diszubsztituált származékok a legtoxikusabbak TET > TMT > DMT > DBT > TBT A mono- és tetraorganoón származékok sokkal kevésbé toxikusak (túl polárisak, ill. nem polárisak), de egymásba átalakulhatnak (bialkileződés, dezalkileződés).

10. Metal ion chelators in the Therapy for Alzheimer’s Disease (AD)

11. Neurodegenerative disorders ― misfolded proteins • (A) Alzheimer’s disease: arrowhead, intracellular neurofibrillary tangles; arrow, extracellular amyloid plaque. • (C) PrPSc amyloid deposition in prion disease. • (D) Multiple Lewy bodies in a nigral neuron in Parkinson’s disease. • (E) Neuronal intranuclear inclusions of mutant ataxin-3 in Huntington disease. Kozlowski et al., Chem. Rev. 2006, 106, 1995-2044

12. Amyloid cascade hypothesis Faller et al., Dalton Trans. 2009, 1080-1094

13. Mechanism of fibril formation The first step (upper box) is the formation of an amyloidogenic intermediate via the partial unfolding of the native state (1) or via partial folding of otherwise naturally unfolded species (2). The second step is the self-association of the amyloidogenic intermediates, which eventually leads to the formation of amyloid fibrils (lower box). The amyloidogenic intermediates have a high tendency to aggregate and become stabilized by the formation of intermolecular β-sheets. Small oligomers are formed initially that act as nuclei to direct the further growth of aggregates (Here the nucleus is for simplicity shown as a dimer). This growth leads to the formation of higher order oligomers referred to as prefibrillar aggregates (PA). These aggregates convert into protofilaments (P) directly or indirectly, and finally into mature fibrils (F). Such fibrils usually consist of two to six protofilaments that are often twisted around each other to form a ropelike structure. Kozlowski et al.,Chem. Rev. 2006, 1985-2044

14. Metal binding of Ab peptides Faller et al., Dalton Trans. 2009, 1080-1094

15. Model for the metallobiology of β-amyloid in Alzheimer’s Disease Bush, Trends in Neurosciences, 2003, 207-214

16. Chelation as a potential therapeutic way in AD Stability of metal chelator complexes is limited from both sides • Stability should be strong enough to compete with the metal binding affinity of the Aβ; Kd Cu(Aβ) ~ 10 pM -100 nM; Zn(Aβ) ~ 100 nM • Stability should not be high enough to withdraw metal ions from essential metalloproteins. Kd should be 1-10 pM for Cu(II) and 10 nM for Zn(II)

17. Metal ion chelators for AD therapy Orvig et al., Dalton Trans., 2009, 3034–3043

18. N N N N N N N N N N N N C C H N N N N 3 N N N N N N N N H H H H H H N1,N2-bis(pyridine-2-yl-methyl)ethane-1,2-diamine N N - - methyl methyl - - 1 1 - - (piridine - - 2 2 - - yl) yl) methaneamine methaneamine TPEN DMAP DMAP ENDIP Our chelator molecules for therapy in the Alzheimer’s Disease • The ligands studied: derivates of TPEN (used to monitor cell Zn(II) level); too stable → toxic • ENDIP: ½ of TPEN • DMAP: ¼ of TPEN N,N,N’,N’-tetrakis(2-pyridylmethyl) ethylenediamine

19. Spectrofluorimetric measurements Fluorescence measurements were carried out to detect the effectiveness of the chelators to reduce the metal ion induced aggregation of amyloids. Solutions contained 50 μM Aβ(1-40) at 1:1 metal to ligand ratio and different concentrations of the chelators (lEM = 280 nm, lEM = 312 nm)

20. Cu(II) In the presence of Cu(II) the intrinsic fluorescence intensity of Aβ is reduced by ~ 50 %. DMAP had no effect on the fluorescence quenching caused by Cu(II). When 1 eq. of ENDIP was added, ~ 90 % of the initial Aβ fluorescence was regained indicating that ENDIP was able to displace Aβ from the coordination sphere of Cu(II).

21. Zn(II) The amount of the soluble Aβ was considerably lower in the presence of Zn(II). ENDIP significantly lowered the Zn(II)-induced aggregation through chelation of the metal ion. At a 10 fold excess of ENDIP, the same fluorescence intensity was measured than in the case of Aβ alone. DMAP had practically no effect on the aggregation.

22. O O O O H O O H 2 C H C 2 C C H 2 2 C N H C H ( C H ) H N C H N N 2 4 N N H 2 C H 2 H C M M C H C H 2 2 H O N O H N 2 2 H O O H 2 2 N H N H Predominant at metal ion excess Kd = 10.5 pM [Cu(II)] (Namino, Namide, Nim) binding mode Kd = 2.2 μM [Zn(II)] [ML] complex is favoured in equimolar solution (Namino, Namide, 2 Nim) binding mode, macrochelate formation

23. MANGÁN • Behatás:acélipar (Mn, mint ötvöző), szárazelem gyártás (MnO2/NH4Cl/Zn), bányászat, kohászat, üzemanyag adalék (ciklopentadienil-Mn-(CO)3) • Parkinson-kórhoz hasonló tünetegyüttes • Csökkent dopaminszint a Mn érc bányászoknál Közös alap: a Mn2+ beavatkozik a biogén aminok oxidatív lebomlásába A Mn mint változó oxidációs állapotú fémion alkalmas erre; fokozza a szabad gyökök képződését, ami a lipid peroxidációt gyorsítja és citotoxicitást eredményez. Nem ilyen egyszerű a kép, mert az Pb2+ és Mn2+ fokozott neurotoxicitást mutat.

24. A légzési rendszeren keresztül ható fém mérgezések A belélegzett anyagok: fémgőzök; fémoxid, fémsó részecskék Meghatározó tényezők: koncentráció, levegőáram, részecskeméret, a lerakódás regionális eloszlása, felületi borítottság, légzési problémák • orr-garat szakasz: ≥ 5 mm részecskék lerakódása kiülepedés révén • légcső-hörgői szakasz: 1-5 mm részecskék lerakódása kiülepedés révén • tüdőtér: <0,5 mm részecskék lerakódása diffúzió révén

25. A tüdő védekező mechanizmusa Légcső-hörgői ürítés: a hörgők falát borító nyálka felfelé áramló mozgásával magával ragadja a lerakódott részecskéket és a részecskékkel telített makrofágokat, melyek a nyelőcsőn át a gyomor-bél traktuson keresztül távoznak. Két fázisban játszódik le: (1) 12-24 óra alatt (2) ~10 nap • Ürítés a tüdőből: • a tüdő falósejtek fagocitálják a részecskéket és a nyálkaáram a légcsőn keresztül üríti • a részecskék a sejtközi térben fagocitálódnak és a nyirokrendszeren keresztül ürülnek • a részecskék felületi oldódás révén a vér- vagy a nyirokáramban ürülnek

26. A tüdő károsodása • Ismétlődő, folyamatos behatás a tüdő károsodását idézheti elő. • Obstruktív (szűkítő) tüdőbetegségek: csökkent levegő kifújási sebesség, gáz visszamaradás a hörgőkben, hörgőtágulás (Pt, Cr, Co sók, asztma) • Restriktív (korlátozó) tüdőbetegségek: a tüdőtérfogat csökken, teljes kapacitás csökkenése, tüdőszövet keményedik, a szövetek károsodnak (azbesztózis, szilikózis, stb.)

27. Az érrendszerre és a vérképző rendszerre ható mérgezések • Behatás: • Endogén: az erek meszesedése • Exogén: As3+, Pb2+, Cd2+, magas vérnyomás • Oldhatatlan kalcium-sók kiválása az idővel oxidáció révén ionosabbá váló érfal kalcifikációs helyein. • As3+ hatása: az érfal permeabilitására hat. Glutation védőhatást fejt ki. • Pb2+hatása: aktiválja az érfal összehúzódását végző simaizmok működésében résztvevő protein kináz-C enzim foszforilációját. • Cd2+ hatása: nem világos; zavar a Cd indukálta szerv specifikus metallotionein szintézisben, ami a méregtelenítést végezné

28. Az érrendszerre és a vérképző rendszerre ható mérgezések • A fémek károsító hatásukat a csontvelőre vagy a vér alkotóelemire, elsősorban a vértestekre fejtik ki. • Csontvelő: a vérképzés csökken vagy leáll → anémia,vérszegénység • Vértestek: vérsejtképződés inhibíciója, hemoglobin tartalom csökkenés (gyengülő O2 megkötés → hipoxia)

29. Az érrendszerre és a vérképző rendszerre ható mérgezések

30. A májat és vesét károsító mérgezések MÁJ, VESE: A szervezet fő kiválasztó szervei. Sok toxikus anyag, köztük fémek bioátalakulásának és kiválasztásának helyei. • Cd: akut és krónikus toxicitás → nekrózis • karcinogén • A toxicitás mechanizmusa: kölcsönhatás létfontosság biomolekulákkal • RS– > RPO– > RCl– > RCOO– • Védekezés: Cd indukálta metallotionein szintézis és megkötés (glutation) • Biomolekulák: cytP450, transzmembrán Ca2+ transzport, oxidatív foszforiláció, kalmodulin-Ca, kinázok, Ca2+/Mg2+-ATPáz • Antagonizmus létfontosságú fémionokkal: • Mg2+, Ca2+, (Zn2+): DNS • Zn2+, Cu2+: alkohol-dehidrogenáz, karboxi-peptidáz, szénsav-anhidráz, SOD, cytP450

31. A májat és vesét károsító mérgezések • As: akut és krónikus toxicitás (szervetlen As) → gyomorfájás, véres vizelet, sárgaság • karcinogén • arzenit toxikusabb, mint az arzenát • A toxicitás mechanizmusa: • kölcsönhatás RS–-csoporttal • foszfát helyettesítés enzimkatalizált reakciókban glükóz metabolizmus megzavarása • Antagonizmus szelénnel • A glutation befolyásolja a szervetlen As kiválasztást.

32. A vesét károsító mérgezések A fémek kiválasztásának fő szerve: nagy számú sejt, kiterjedt belhám sejtfelület, nagy véráram → nagy ultraszűrő képesség. (nem specifikus, „passzív” kiválasztás koncentráció gradiens irányába) Hordozó-közvetített kiválasztás koncentráció gradiens ellenében – oxidatív foszforiláció függő. A toxicitás mechanizmusa ugyanaz, mint ami a máj károsodása esetén: kölcsönhatás létfontosságú biomolekulákkal → csökkenő számú sejt, fajlagosan növekvő toxikus anyag, nekrózis, növekvő sérülékenység → vesegyulladás, fehérje a vizeletben. Mérgező fémionok: Cd, Pb, Hg, Cr, Au, ciszplatin (a karboplatin nem), U

33. A gyomor-bél rendszerre ható mérgezések Nagyon összetett rendszer – minden odakerül – szinte lehetetlen szétválasztani a sok komponens egyedi hatását. A gyomor nyálkahártyáját sértő fém vegyületek (korrozív tulajdonságúak): As, Hg, Pb (Sb, Ba, B, Cu Th) → fekély kialakulása, gyomorvérzés (ólom-kólika, festők betegség) (felszívódva más szervet károsítatnak) A gyomor-bél rendszer rákos megbetegedése: Ni, Cr, azbeszt

34. A gyomor-bél rendszerből való felszívódás lehetősége [Al(maltoláto)3]0 [Al-citrát]0 Citromsav fokozza az Al felszívódását in vivo. Al-tartalmú savlekötőt ne citromos üdítővel vegyük be! A teát inkább tejjel, ne citrommal igyuk. Koncentráció eloszlási görbék (cL = 2 mM; M:L = 1:2) VO(IV) – maltol rendszer VO(IV) – pikolinsav rendszer

35. A bőrt érő károsodások Sok fém és fémvegyület okoz a bőrrel érintkezve enyhébb vagy súlyosabb elváltozásokat: bőrgyulladás, fekély, granulóma, bőrrák, allergiás reakciók. Ni kontakt allergia: ékszerek (bizsu), karóra, fémgombok, stb. Cr kontakt allergia: cserzett bőr Nikkel a legfontosabb kontakt allergén; sok háztartási eszköznél, mindennapi tárgynál (kulcs, pénzérme, fogók) ötvözőanyag vagy védőréteg → csökkentik a Ni felhasználását ezen eszközöknél

36. A bőrt érő károsodások

37. Fémionok toxikológiája a csontrendszerben • Csontrendszer: tárolja a toxikus fémionokat, a keringésbe bekerülő toxikus fémionok forrása, a toxikus hatás helye • Osteoblast (csontképző) sejtek – osteoclast (csontlebontó) sejtek finoman szabályozott egyensúlyi működése. • Fiziológiai zavarai (Ca anyagcsere) • terhesség és szoptatás: jelentősen nő a Ca2+ igény (vér, csont, majd sejt) → fogékonyság a toxikus fémek felvételére is • a „csontforgalom” ösztrogén általi leszabályozása: a csontképződés és lebontás egyensúlya átmenetileg megbomolhat a nőknél a menopausa idején, ami csontritkuláshoz (osteoporozis) vezethet

38. Toxikus fémionok beépülése a csontrendszerbe (Cd, Pb Al) Cd„itai-itai” betegség a legkomplexebb és a legjellemzőbb Cd mérgezés tünetei: osteoporozis, osteomalacia, vese-elégtelenség, a keringés összeomlása

39. Toxikus fémionok beépülése a csontrendszerbe (Cd, Pb Al) • Pb fokozódó csontlebontás, csontritkulás, de csontrákot nem okoz • A toxicitás mechanizmusa: • csontlebontó-szerű sejtek képződését indukálja • csontképző sejtek képződését gátolja • alkalikus-foszfatáz működését gátolja • osteocalcin-hidroxiapatit kölcsönhatását gátolja A szervezet által felvett ólom a csontban akkumulálódik: félidő ~20 év. A nőknél a csontban tárolt ólom nagyobb mértékben kerülhet a keringésbe a terhesség, szoptatás és a menopausa után.

40. Toxikus fémionok beépülése a csontrendszerbe (Cd, Pb Al) Pb

41. Toxikus fémionok beépülése a csontrendszerbe (Cd, Pb Al) • Al csontképzési zavar, csontlágyulás, csontgyulladás • A toxicitás mechanizmusa: • lassítja a kalcifikáció folyamatát (lokalizálódik a mineralizálódási fronton): • kalcifikációs hibahelyeket idéz elő (eltérő geometria: Ca 8-köbös, Al 6- oktaéderes) • hat az osteoblast és osteoclast szintézisre is • Érzékenyítő tényezők: • citrát: fokozza az Al felhalmozódását a csontban és az agyban • fluorid: fokozza az Al lerakódását a csontban