EZIOLOGIA GENERALE: DANNO DA SOSTANZE CHIMICHE

1. EZIOLOGIA GENERALE: DANNO DA SOSTANZE CHIMICHE

2. DANNO DA SOSTANZE CHIMICHE • Il danno da sostanze chimiche può essere schematicamente diviso in due tipi: • DANNO DIFFUSO DA AGENTI CHIMICIl’entità del danno dipende sempre dalla dose e dalla durata del contatto e si verifica come conseguenza di proprietà comuni a molte sostanze chimiche quali quelle di provocare: • - variazioni del pH • - solubilizzazione di costituenti cellulari • - denaturazione delle proteine • b) DANNO SELETTIVO DA AGENTI CHIMICI si verifica quando gli agenti chimici alterano uno specifico costituente cellulare provocandone la riduzione o la perdita della funzione. Gli agenti chimici responsabili di questo tipo di danno sono detti VELENI o TOSSICI.

3. Sostanze tossiche naturali:VELENI ANIMALI

4. Sostanze tossiche naturali: VELENI FUNGINI

6. Rischi “differenziali”

7. Malattie apparato Respiratorio INQUIINANTI ALL’APERTO :

8. PRINCIPALI DANNI DA TOSSICI PROFESSIONALI

9. Danno Selettivo o Azione Tossica Sostanza chimica (VELENO o TOSSINA)  reazione specifica con strutture chimiche biologicamente importanti  lesione della funzione L’AZIONE TOSSICA DIPENDE STRETTAMENTE DALLA DOSE: in pratica ogni sostanza chimica può essere un veleno purchè somministrata nella dose giusta (es. farmaci). Dose Minima Letale: quantità minima che è capace di uccidere tutti gli animali di una determinata specie e di un determinato peso in un determinato tempo. Dose Letale 50% (DL50): quantità minima che è capace di uccidere il 50% degli animali trattati, tutti appartenenti alla stessa specie, in un dato tempo.

10. Tossicità acuta  provocata da una dose singola Tossicità cronica somma di piccole azioni tossiche ripetute per molto tempo Nel valutare l’azione tossica di una sostanza assume grande importanza anche la via di somministrazione, che può influenzare: - la DL50 - il tempo di comparsa dei sintomi - la gravità dei sintomi - la natura dei sintomi

11. Meccanismi di difesa contro l’azione tossica delle sostanze chimiche - vomito, diarrea, emorragia - pannicolo adiposo sottocutaneo  sottrae al sangue quantità non indifferenti di tossici quando questi siano solubili nei grassi e abbiano un coefficiente di ripartizione fra acqua e grassi nettamente spostato a favore dei secondi (es. DDT  spiccata solubilità nei grassi  molto poco tossico per i mammiferi ma estremamente velenoso per gli insetti) - reazione con strutture meno importanti che impediscono il contatto con strutture di importanza vitale (es. denaturazione delle proteine) - potere tamponante dei liquidi biologici - sostanze antiossidanti - trasformazione della struttura chimica della sostanza tossica al fine di renderla più facilmente eliminabile o comunque meno tossica a) di tipo demolitivo b) combinazione con altre sostanze  SINTESI PROTETTIVE

12. PERCHE’ SI SONO EVOLUTI I SISTEMI METABOLICI PER LA DEGRADAZIONE DEGLI XENOBIOTICI? UNA DELLE PIU’ COMUNI SORGENTI DI XENOBIOTICI E’ RAPPRESENTATA DAI VEGETALI DELLA DIETA. MOLTE PIANTE CONTENGONO SOSTANZE CHIMICHE CON PROPRIETA’ TOSSICHE  FITOALLEXINE. Es. FUNGHI VELENOSI GLI ANIMALI (SOPRATTUTTO VEGETARIANI) DOVENDO NUTRIRSI NECESSARIAMENTE DELLE PIANTE CHE SI TROVANO NEL LORO AMBIENTE HANNO DOVUTO SVILUPPARE, PER POTER SOPRAVVIVERE, LA CAPACITA’ DI METABOLIZZARE E RENDERE NON PERICOLOSE TALI SOSTANZE.

13. PRINCIPALI SORGENTI DI ESPOSIZIONE A XENOBIOTICI PER L’UOMO. • INQUINAMENTO AMBIENTALE • ADDITIVI ALIMENTARI • PRODOTTI COSMETICI • PRODOTTI CHIMICI PER L’AGRICOLTURA • FARMACI • POICHE’ MOLTI FARMACI DERIVANO DA SOSTANZE CHIMICHE DI ORIGINE VEGETALE, NON DEVE SORPRENDERE CHE I FARMACI VENGANO METABOLIZZATI DAGLI STESSI SISTEMI ENZIMATICI CHE SI SONO EVOLUTI PER DEGRADARE GLI XENOBIOTICI DI ORIGINE NATURALE.

14. LA MAGGIOR PARTE DEGLI XENOBIOTICI E’ COSTITUITA DA SOSTANZE LIPOFILE CHE, SE NON VENISSERO METABOLIZZATE, NON POTREBBERO ESSERE EFFICACEMENTE ELIMINATE E QUINDI TENDEREBBERO AD ACCUMULARSI NELL’ORGANISMO CON CONSEGUENTI EFFETTI TOSSICI. IN GENERALE, QUINDI, LO SCOPO PRINCIPALE DEL METABOLISMO DEGLI XENOBIOTICI E’ QUELLO DI TRASFORMARE QUESTE SOSTANZE IDROFOBICHE IN PRODOTTI CHE POSSANO ESSERE FACILMENTE ESCRETI CON LE URINE O CON LA BILE.

15. REAZIONI DI FASE I • idrolisi • riduzione • ossidazione • REAZIONI DI FASE II • coniugazioni con ac. • glucoronico o ac. solforico • coniug. con aminoacidi • metilazione SOSTANZA TOSSICA METABOLITA PRIMARIO METABOLITA SECONDARIO ESCREZIONE NELLE URINE, NELLE FECI O ATTRAVERSO LA BILE

16. N.B. Esistono anche trasformazioni metaboliche che provocano un aumento della tossicità di una sostanza a) attraverso la degradazione della sostanza di partenza b) mediante la combinazione del tossico con sostanze prodotte dall’organismo  sintesi letale

17. Cancerogeni diretti e indiretti

18. La bioattivazione del benzo(a)pirene Cancerogeno terminale Enzimi di fase I

20. PATOLOGIA DEL DANNO DA RADICALI LIBERI

21. I RADICALI LIBERI I RADICALI LIBERI sono atomi o molecole che possiedono un elettrone spaiato nell’orbita più esterna.  SONO INSTABILI  SONO MOLTO REATTIVI  TENDONO AD AVVIARE REAZIONI A CATENA e- spaiato

22. STRESS OSSIDATIVO

23. Come si formano i radicali liberi? A) L’energia fornita dall’ambiente può scindere il legame covalente fra due atomi (scissione omolitica) in modo tale che un elettrone rimane attaccato ad una delle due parti. Es. RADIOLISI DELL’ACQUA H2O radiazione H• + OH• OH• + OH• H2O2 H• + H•  H2 H• + H2O2  OH• + H2O OH• + H2 H• + H2O

24. SCISSIONE OMOLITICA: l’energia trasportata dalla radiazione ionizzante rompe il legame covalente fra l’atomo di ossigeno e uno degli atomi di idrogeno H hν H elettroni spaiati O O H H

25. B) Reazioni di ossido-riduzione che avvengono durante i normali processi metabolici. Gli atomi più suscettibili possono catturare un elettrone (anche in assenza di una sorgente esterna di energia) che, per esempio, deriva dalla catena mitocondriale di trasporto degli elettroni. L’accettore principale di elettroni derivanti dalla catena respiratoria è l’ossigeno. PARADOSSO DELL’OSSIGENO: l’ossigeno è indispensabile per la vita, ma è anche tossico; nessun animale che respiri può sopravvivere in presenza di ossigeno puro. Durante la normale respirazione l’ossigeno viene sequenzialmente ridotto dall’aggiunta di quattro elettroni per formare H2O.

26. C) I metalli di transizione (es. Fe, Cu, Zn), che possono cambiare valenza, partecipano ai trasferimenti di elettroni come accettori o donatori; quando si trovano liberi nei tessuti continuano a svolgere tale funzione e generano radicali liberi in modo incontrollato. Es. Reazione di Fenton H2O2 + Fe2+ OH• + OH- + Fe3+ Poiché la maggior parte del Fe intracellulare libero è nella forma ferrica (Fe3+) deve essere prima ridotto alla forma ferrosa (Fe2+) per poter partecipare alla reazione di Fenton. Tale riduzione può essere aumentata in presenza di superossido: O2- + Fe3+ O2 + Fe2+ Nell’insiema si ha la cosiddetta reazione di Haber-Weiss catalizzata dal ferro: Reazione di Haber-Weiss O2- + H2O2 Fe OH• + OH- + O2

27. D) Metabolismo enzimatico di sostanze chimiche esogene e farmaci. Es. Scissione omolitica del tetracloruro di carbonio CCl4P 450 CCl3• + Cl- E) L’ NO (ossido di azoto), un importante mediatore chimico generato da cellule endoteliali, macrofagi, neuroni e altri tipi cellulari, può agire come radicale libero e può essere trasformato in ONOO-(anione perossinitrito) NO2• NO3•

28. Meccanismi del danno da radicali liberi Bersagli: - lipidi - carboidrati - proteine - acidi nucleici Conseguenze: - distorsione molecole - rottura molecole - formazione di legami crociati (cross-linking) Nell’azione dei radicali liberi si possono distinguere tre fasi: innesco - propagazione - arresto

29. A) INNESCO: consiste nella formazione di RL con uno dei meccanismi descritti precedentemente. R-R  R• + R• B) PROPAGAZIONE: reazione di trasferimento del radicale su altri atomi o gruppi. R• + QH  RH + Q• R• + Q-Q  R-Q + Q• N.B. Il numero dei RL prima e dopo la reazione rimane invariato. C) ARRESTO: la catema di reazioni termina quando i radicali che si propagano vengono rimossi per ricombinazione casuale con altri radicali di altre catene. R• + R• R-R R• + Q•  R-Q R• + ROO•  ROOR

30. Perossidazione dei lipidi L’effetto finale dell’attacco radicalico è una LESIONE MOLECOLARE

31. Difese contro il danno da radicali liberi Esistono due principali linee di difesa: - ENZIMI ANTIOSSIDANTI (che eliminano i due reagenti principali, il radicale superossido e il perossido di idrogeno, cosicchè essi non possono più reagire attraverso la reazione di Haber-Weiss e produrre il pericolosissimo radicale OH• -SOSTANZE ANTIOSSIDANTI: possono bloccare le reazioni di formazione (innesco) dei radicali liberi oppure inattivare (scavengescavengers) i radicali conducendo a reazioni di arresto. a) IDROSOLUBILI  ac. ascorbico (vit. C); glutatione b) LIPOSOLUBILI  vitamina E (alfa-tocoferolo); beta-carotene (precursore della vitamina A) SUPEROSSIDO CATALASI GLUTATIONE DISMUTASI (SOD) PEROSSIDASI O2- + O2 + 2H  H2O2 H2O2 + H2O2  2 H2O + O2 H2O2 + 2 GSH  GSSG+ 2 H2O 2 OH• + 2 GSH  GSSG + 2 H2O

32. LA PRODUZIONE DI RADICALI LIBERI PUO’ INDURRE DANNO CELLULARE A DIVERSI LIVELLI La produzione di radicali liberi può indurre danno cellulare a diversi livelli.

33. …. ED ESSERE ALLA BASE DI GRAVI PATOLOGIE

34. Cause fisiche: i Traumi

36. Cause fisiche: Le Radiazioni

37. RADIAZIONI  propagazione ondulatoria di energia nello spazio di natura corpuscolare o elettromagnetica LESIONE BIOLOGICA EFFETTI ALIVELLOCHIMICO ALTERAZIONI STRUTTURA ATOMICA

40. RADIAZIONI IONIZZANTI (energia > 10 eV) Raggi α (nuclei di elio) massa 4 carica 2+ NATURALI Raggi β (e-) massa trascurabile carica 1- Raggi γ (onde elettromagnetiche) ARTIFICIALI Raggi X (vengono generati quando un fascio di elettroni colpisce un bersaglio nel vuoto) La λ dei raggi X dipende dal voltaggio usato per accelerare il fascio di elettroni Es. 70 kv  raggi “molli” (poco penetranti) 250 kV  raggi più “duri” milioni di V  radioterapia dei tumori

41. UNITA' DI MISURA IN RADIOBIOLOGIA CURIE attività di 1 g di radio che si trasforma mediante emissione di particelle α in radon con un tempo di dimezzamento di 1620 anni (1C = 3.7x1011 disintegrazioni al secondo) ROENTGEN quantità di radiazione X o γ che libera 1 unità elettrostatica di coppie cariche +/- in 1 cm3 di aria a t e p standard (unità che si riferisce alla quantità di ionizzazione prodotta nell’aria) (1R = 83 erg/g di aria) RAD (radiation adsorbed dose) definisce gli erg di energia assorbiti da un tessuto quando è colpito da radiazioni (1 rad = 100 erg/g) GRAY  dose assorbita da 1 Kg di tessuto quando l’energia impartita alla materia dalle radiazioni ionizzanti è di 1 Joule per Kg r.e.m. (roentgen equivalent man) descrive l’effetto biologico prodotto da un rad di radiazione ad alta energia (quantità di radiazioni di qualsiasi tipo che produce lo stesso effetto biologico di 1 R nell’uomo)

43. 1) Azione a livello fisico ATTRAVERSANDO LA MATERIA LE RADIAZIONI CEDONO ENERGIA CHE VIENE ASSORBITA DAGLI ATOMI E DALLE MOLECOLE E PORTA A TUTTA UNA VARIETA’ DI EVENTI CHIMICO-FISICI. IONIZZAZIONE = espulsione di un elettrone dall’orbita più periferica Gli effetti chimico-fisici sono diversi a seconda del tipo di radiazione: raggi β poco penetranti raggi α  potere penetrazione minimo raggi X e γ  grande penetrazione (tanto ↑ quanto ↓ è λ)

44. 2) Azione a livello chimico Si distinguono un’azione DIRETTA (meno probabile) ed un’azione INDIRETTA (attraverso l’azione sull’acqua, più probabile). AZIONE INDIRETTA RADIAZIONE RADIOLISI DELL’ACQUA FORMAZIONE DI RADICALI LIBERI DANNO ALLE MACROMOLECOLE BIOLOGICHE

45. 3) Azione a livello biologico • Se la dose è molto alta (>10000 r)  morte • immediata delle cellule (morte interfasica). • Effetti a livello cellulare: • inibizione sintesi DNA • mitosi rallentata • sintesi scoordinata DNA  cellule giganti • anomalie mitosi  rottura cromosomi • rallentamento velocità di crescita • Le cellule sono più sensibili al danno da • radiazioni durante la meiosi.

46. NON TUTTE LE CELLULE SONO UGUALMENTE SENSIBILI AL DANNO DA RADIAZIONI LA SENSIBILITA’ DELLE CELLULE ALLE RADIAZIONI E’ DIRETTAMENTE PROPORZIONALE ALLA LORO ATTIVITA’ RIPRODUTTIVA E INVERSAMENTE PROPORZIONALE AL LORO GRADO DI DIFFERENZIAZIONE

48. Effetti della panirradiazione

49. Conseguenze non-neoplastiche delle radiazioni

50. TUMORI DA RADIAZIONI