Ακαδημαϊκό Έτος

Transcript

1 ΤΜΗΜΑ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ- ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ Κατεύθυνση: Εφαρμοσμένη Οικολογία - Διαχείριση Οικοσυστημάτων και Βιολογικών Πόρων Μάθημα: Διδάσκοντες: Παπαστεργιάδου Ε., Μακρίδης Π., Νταϊλιάνης Σ. Ακαδημαϊκό Έτος

2 Διδάσκων: Νταϊλιάνης Στέφανος (Επίκουρος Καθηγητής) ΔΙΑΛΕΞΗ 1: Κύριοι ρύποι του υδάτινου περιβάλλοντος. Είσοδος ρύπων στο υδάτινο περιβάλλον. Εκτίμηση Οικολογικού κινδύνου. ΔΙΑΛΕΞΗ 2: Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί. Εκτίμηση τοξικών επιπτώσεων. Αρχές Τοξικολογίας/Οικοτοξικολογίας. ΔΙΑΛΕΞΗ 3: Οδηγία Πλαίσιο για τα νερά (Οδηγία 2000/60/ΕΚ) - Προστασία παράκτιων περιοχών (Σύμβαση Βαρκελώνης) - Διαχείριση λυμάτων (Οδηγία 98/15/ΕΕ). ΔΙΑΛΕΞΗ 4: Χρήση οργανισμών Βιοενδεικτών και Βιομαρτύρων σε Στρατηγικές Παρακολούθησης της ποιότητας των υδάτινων οικοσυστημάτων. Οργανόγραμμα ελέγχου της ποιότητας των υδάτων σε παράκτιες περιοχές. Σχεδιασμός πειραμάτων τοξικότητας και μελέτης των υποθανατογόνων επιπτώσεων των ουσιών σε υδρόβιους οργανισμούς. Ανάλυση δεδομένων από in vitro πειράματα. ΣΤΟΧΟΣ Κατανόηση των πιέσεων και καταπονήσεων που δέχονται τα υδάτινα οικοσυστήματα. Αξιολόγηση της ποιότητας των υδάτινων πόρων. Διερεύνηση της φυσιολογικής κατάστασης των υδρόβιων οργανισμών. Διερεύνηση της καταπόνησης που δέχονται οι υδρόβιοι οργανισμοί. Ανάπτυξη πειραματικών μεθόδων για την πρόβλεψη των επιπτώσεων της ρύπανσης στα υδάτινα οικοσυστήματα. Ορθή διαχείριση υδάτινων πόρων.

3 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί. Ξενοβιοτικές ουσίες (xenobiotics): ουσίες ξένες ως προς τους οργανισμούς. Μπορεί να διαχωριστούν ανάλογα με: Τη χρήση τους (εντομοκτόνα, διαλύτες, προσθήκες σε τρόφιμα). Την προέλευσή τους (φυτικές ή ζωικές τοξίνες). Τη χημεία τους (αρωματικές αμίνες, αλογονομένοι υδρογονάνθρακες). Σύμφωνα με το όργανο ή τον ιστό στόχο. Τη βιοχημική του φύση (αναστολείς, ενεργοποιητές, κ. λπ.). Το αποτέλεσμα που προκαλούν (καρκινογόνες, μεταλλαξιγόνες, τραυματογενείς). Μετά την απελευθέρωση στο περιβάλλον υπόκεινται σε διασπορά στην ατμόσφαιρα, τα υδάτινα συστήματα, το έδαφος και στα ιζήματα ανάλογα με τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες.

4 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί. Η ποσότητα της ξενοβιοτικής ουσίας δεν είναι κάτι δεδομένο και απόλυτο, αλλά εξαρτάται: - από τον οργανισμό. - τη φυσική του κατάσταση. - τον τρόπο εισόδου. - το ποσοστό απορρόφησής της.

5 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Βιοδιαθεσιμότητα ξενοβιοτικών ουσιών Μια ξενοβιοτική ουσία ή ένωση μπορεί να βρίσκεται: - είτε διαλυμένη στο υδάτινο μέσο. - είτε με τη μορφή σωματιδίων. Στην διαλυτή μορφή της μια ξενοβιοτική ουσία εμφανίζει την τάση να διαλύεται σε οργανικά στοιχεία. Κυριότεροι παράγοντες ελέγχου της βιοδιαθεσιμότητας μιας ξενοβιοτικής ουσίας: - η υδατοδιαλυτότητα της ξενοβιοτική ουσίας. - ο ρυθμός και η έκταση της έκλουσής της από τη στερεά φάση στον υδάτινο όγκο. - η ικανότητα διαλυτοποίησής της από τις διαδικασίες πέψης των οργανισμών.

6 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Βιοδιαθεσιμότητα ξενοβιοτικών ουσιών Οι χημικές ουσίες με την είσοδος στο σώμα των βιολογικών οργανισμών μπορούν να προκαλέσουν βλάβες ανάλογα με την ποσότητα και το είδος της έκθεσης. Οι επιδράσεις σε οργανισμούς μπορεί να είναι θανατηφόρες αλλά και μη θανατηφόρες. Στην περίπτωση που η έκθεση οργανισμών σε κάποιο ξενοβιοτικό παράγοντα/ουσία επιφέρει μη θανατογόνες επιπτώσεις μελετάται: - η αναστολή ενζυμικών διεργασιών. - η ναρκωτική δράση. - η εμφάνιση κακοήθων νεοπλασμάτων. - οι βλάβες στην λειτουργία οργάνων.

7 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Βιοδιαθεσιμότητα ξενοβιοτικών ουσιών 1.1 Πρόσληψη διαλυμένων στο υδάτινο μέσο ξενοβιοτικών ουσιών: Η συγκέντρωση μιας διαλυμένης ουσίας στον οργανισμό είναι συνάρτηση του ρυθμού πρόσληψης και της συγκέντρωσης με την οποία απαντά στο υδάτινο μέσο. Ισχύει: C A = Κ U C W T Ό,που, C A : η συγκέντρωση της ουσίας στον οργανισμό (ng/g) C W : η συγκέντρωση της ουσίας στον υδάτινο όγκο (ng/g) Τ : ο χρόνος K U : η σταθερά του ρυθμού πρόσληψης της ουσίας (1/h) Π.χ. η σταθερά K U του βενζο[α]πυρενίου στη Mercenaria mercenaria είναι 5. Η σταθερά K U επηρεάζεται από: - τη θερμοκρασία του νερού. - το μεταβολικό ρυθμό του οργανισμού. - την ικανότητα μετακίνησής της ουσίας διαμέσου των βραγχίων.

8 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Βιοδιαθεσιμότητα ξενοβιοτικών ουσιών 1.1 Πρόσληψη διαλυμένων στο υδάτινο μέσο ξενοβιοτικών ουσιών: Η πρόσληψη μιας ουσίας από τα ψάρια και η μεταφορά της στον λιπώδη ιστό δίνεται σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση (Gobas & Mackay 1987): Ό,που, V F Z F df F /dt = V L Z L df L /dt =D F (f w -f L ) V: ο όγκος (m 3 ) Z: η ικανότητα διαφυγής της ουσίας από τη φάση στην οποία βρίσκεται κατά την πρόσληψή της και μετακίνησή της στη λιπιδική μορφή. f: η διαφυγή t: ο χρόνος (sec) D: η παράμετρος μεταφοράς, η οποία περιλαμβάνει το σύνολο των αντιστάσεων μεταξύ λιπιδικής σύστασης και υδάτινου μέσου. W: αναφέρεται στο υδάτινο μέσο F: αναφέρεται στον οργανισμό που προσλαμβάνει την ουσία. L: αναφέρεται στην ποσότητα του λίπους, στην οποία η ξενοβιοτική ένωση «διαφεύγει». Η συγκέντρωση των βραγχίων σε λίπος παίζει σημαντικό ρόλο στον έλεγχο της πρόσληψης της ουσίας. Ο προσδιορισμός της ικανότητας μιας ουσίας να προσλαμβάνεται και να μεταπηδά από το υδάτινο μέσο στο εσωτερικό του οργανισμού, μέσω των βραγχίων, δίνεται με την παράμετρο K ow, η οποία είναι ο συντελεστής διάλυσής της στο υδάτινο μέσο.

9 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Βιοδιαθεσιμότητα ξενοβιοτικών ουσιών 1.1 Πρόσληψη διαλυμένων στο υδάτινο μέσο ξενοβιοτικών ουσιών: Βιοσυσσώρευση ξενοβιοτικής ουσίας. Ρυθμός απομάκρυνσης της ουσίας < ρυθμός πρόσληψής της από τον οργανισμό Βιοσυσσώρευση ξενοβιοτικής ουσίας. Ο παράγοντας βιοσυσσώρευσης περιγράφει το βαθμό συσσώρευσης μιας ξενοβιοτικής ένωσης/ουσίας (ξ.ο.) στους ιστούς ενός οργανισμού, σε σύγκριση με τη συγκέντρωσή της στο υδάτινο μέσο και δίνεται με την παρακάτω εξίσωση: C a = (K U /K D ) C W {1-exp[f(1/K Dt )]} Ό,που, C a : η συγκέντρωση της ξ.ο. στον οργανισμό (ng/g) C w : η συγκέντρωση της ξ.ο. στο νερό (ng/g) Κ U : συντελεστής ρυθμού πρόσληψης (1/h) K D : συντελεστής ρυθμού απομάκρυνσης της ουσίας (1/h) Παράγοντας βιοσυσσώρευσης (BCF) = Ca/Cw = Ku/K D

10 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Βιοδιαθεσιμότητα ξενοβιοτικών ουσιών 1.2 Πρόσληψη μια ξενοβιοτικής ουσίας από το ίζημα: Παράκτιοι οργανισμοί μπορεί να προσλάβουν μια ξενοβιοτική ουσία, τόσο μέσω των ιζημάτων όσο και μέσω της τροφής τους. Η πρόσληψη ουσιών μέσω της πεπτικής οδού και η εσωτερική πέψη τους εξαρτάται από: - το ρυθμό τροφοληψίας του ζώου. - την αποδοτικότητα αφομοίωσης της τροφής. - τη συγκέντρωση της ουσίας στα σωματίδια της τροφής. Πολύχαιτοι και ασπόνδυλοι οργανισμοί συσσωρεύουν ουσίες από τα ιζήματα και γίνονται «ενδιάμεσοι σύνδεσμοι της τροφικής αλυσίδας» για τη μεταφορά τους σε ανώτερους οργανισμούς. Άλλοι οργανισμοί προσλαμβάνουν οργανική ύλη από το βένθος και μέσω της πεπτική οδού αφομοιώνουν τα απαραίτητα τροφικά σωματίδια.

11 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Βιοδιαθεσιμότητα ξενοβιοτικών ουσιών 1.2 Πρόσληψη μια ξενοβιοτικής ουσίας από το ίζημα: Η κινητική του βενζο[α]πυρενίου από το ίζημα στην πεπτική οδό του αμφίποδου Diporeia sp. δίνεται από την παρακάτω εξίσωση (Kukkonen & Landrum, 1998): C a = [K s C s (1-e -Ket )/Ke] (Kukkonen & Landrum, 1998) Ό,που, K s : ο συντελεστής πρόσληψης (g ξηρού βάρους ιζήματος/g υγρού ιστού x h) C s : η συγκέντρωση του οργανικού στο ίζημα (mol/g) t: ο χρόνος (h) Κ e : σταθερά του ρυθμού εξουδετέρωσης/απομάκρυνσης της οργανικής ουσίας (1/h) C a : η συγκέντρωση της οργανικής ουσίας στον οργανισμό (mmol/g). Ο συντελεστής K s ισούται με το λόγο K U /K D.

12 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Βιοδιαθεσιμότητα ξενοβιοτικών ουσιών 1.2 Πρόσληψη μια ξενοβιοτικής ουσίας από το ίζημα: Ο συντελεστής βιοσυσσώρευσης περιλαμβάνει την πρόσληψη και την απομάκρυνση της ξενοβιοτικής ουσίας από τον οργανισμό. Οι χαμηλές τιμές του συντελεστή σχετίζονται με ιζήματα υψηλής συγκέντρωσης οργανικής ύλης, ενώ υψηλές τιμές σχετίζονται με ιζήματα χαμηλής συγκέντρωσης. Η συγκριτική μελέτη των συντελεστών βιοσυσσώρευσης μεταξύ διαφορετικών οργανισμών θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη της: - το λιπιδικό περιεχόμενο των ιστών του κάθε οργανισμού. - τη συνολική ποσότητα της οργανικής ύλης των ιζημάτων.

13 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Βιοδιαθεσιμότητα ξενοβιοτικών ουσιών 1.3 Πρόσληψη μιας ξενοβιοτικής ουσίας μέσω της τροφής: Ο προσδιορισμός της πρόσληψης μιας ξενοβιοτικής ένωσης/ουσίας μέσω της τροφής πραγματοποιείται λαμβάνοντας υπόψη: τη συγκέντρωση της ουσίας στην τροφή που προσλαμβάνεται από τον οργανισμό. τη συγκέντρωση της ουσίας στο υδάτινο μέσο. τη συγκέντρωσή της στο ίζημα. C i = {k 1 C w + [(p ix CAEI ix )C x ]} / [k 2 + k G + k M + k E ] Ό,που, C i : η συγκέντρωση της ουσίας στο ζώο (μg/kg λιπώδους ιστού) k 1 : ο συντελεστής ροής/πρόσληψης από το υδάτινο μέσο (l/ημέρα/g λιπώδους ιστού) C w : η συγκέντρωση της ουσίας στο υδάτινο μέσο (μg/l) p ix : η προτίμηση του οργανισμού στην τροφή, έστω x CAE: η χημική ικανότητα αφομοίωσης (g αφομοίωσης/g πέψης) I ix : ρυθμός πέψης της τροφής x (g του x/g οργανισμού/ημέρα) C x : συγκέντρωση ουσίας στην τροφή x (μg/kg λιπώδους ιστού) k 2 : συντελεστής καθαρισμού/αποτοξίνωσης (l/ημέρα)

14 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Βιοδιαθεσιμότητα ξενοβιοτικών ουσιών 1.3 Πρόσληψη μιας ξενοβιοτικής ουσίας μέσω της τροφής: C i = {k 1 C w + [(p ix CAEI ix )C x ]} / [k 2 + k G + k M + k E ] k G : σταθερά ανάπτυξης (1/ημέρα)

15 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Βιοδιαθεσιμότητα ξενοβιοτικών ουσιών 1.3 Πρόσληψη μιας ξενοβιοτικής ουσίας μέσω της τροφής: C i = {k 1 C w + [(p ix CAEI ix )C x ]} / [k 2 + k G + k M + k E ] k G : σταθερά ανάπτυξης (1/ημέρα) k Μ : συντελεστής μεταβολικής ικανότητας της ξ.ο. (l/ημέρα)

16 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Βιοδιαθεσιμότητα ξενοβιοτικών ουσιών 1.3 Πρόσληψη μιας ξενοβιοτικής ουσίας μέσω της τροφής: C i = {k 1 C w + [(p ix CAEI ix )C x ]} / [k 2 + k G + k M + k E ] k G : σταθερά ανάπτυξης (1/ημέρα) k Μ : συντελεστής μεταβολικής ικανότητας της ξ.ο. (l/ημέρα) k Ε : ρυθμός απέκκρισης (l/ημέρα)

17 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Βιοδιαθεσιμότητα ξενοβιοτικών ουσιών 1.3 Πρόσληψη μιας ξενοβιοτικής ουσίας μέσω της τροφής: C i = {k 1 C w + [(p ix CAEI ix )C x ]} / [k 2 + k G + k M + k E ] k G : σταθερά ανάπτυξης (1/ημέρα) k Μ : συντελεστής μεταβολικής ικανότητας της ξ.ο. (l/ημέρα) k Ε : ρυθμός απέκκρισης (l/ημέρα) k 1 C w : πρόσληψη της ουσίας από το νερό

18 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Βιοδιαθεσιμότητα ξενοβιοτικών ουσιών 1.3 Πρόσληψη μιας ξενοβιοτικής ουσίας μέσω της τροφής: C i = {k 1 C w + [(p ix CAEI ix )C x ]} / [k 2 + k G + k M + k E ] k G : σταθερά ανάπτυξης (1/ημέρα) k Μ : συντελεστής μεταβολικής ικανότητας της ξ.ο. (l/ημέρα) k Ε : ρυθμός απέκκρισης (l/ημέρα) k 1 C w : πρόσληψη της ουσίας από το νερό p ix CAEI ix : πρόσληψη της ουσίας από την τροφή x. Ο παρανομαστής της εξίσωσης αντιπροσωπεύει της απώλεια της ουσίας μέσω της αποτοξίνωσης του οργανισμού (Κ 2 ), της αναπτυξιακής διαδικασίας (K G ), του μεταβολικού ρυθμού (Κ Μ ) και της απέκκρισης της ουσίας από τον οργανισμό (Κ Ε ).

19 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Βιοδιαθεσιμότητα ξενοβιοτικών ουσιών 1.3 Πρόσληψη μιας ξενοβιοτικής ουσίας μέσω της τροφής: C i = {k 1 C w + [(p ix CAEI ix )C x ]} / [k 2 + k G + k M + k E ] Συμπερασματικά: Η πρόσληψη μέσω της τροφής εξαρτάται από: - τις διατροφικές συνήθειες (p). - το ρυθμό πρόσληψης/πέψης (Ι). - την αναλογία του συνολικού ποσού της ουσίας που προσλαμβάνεται από την τροφή ή το ίζημα (CAE).

20 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 1. ΜΟΡΙΑΚΟΙ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑΣ. Η τοξική δράση των ρυπογόνων ουσιών καθορίζεται κυρίως από: - Τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά της ουσίας. - Την εξειδίκευση της δράσης της έναντι σε βιοχημικούς και μοριακούς στόχους. Μια ρυπογόνος ουσία μπορεί να δράσει: Α. Ως σηματοδοτικό μόριο, συνδεόμενο σε πρωτεϊνες σύνδεσης της κυτταρικής μεμβράνης Β. Ενδοκυτταρικά ασκώντας τοξική δράση σε οργανίδια, κυτταρικές διαδικασίες και σε λειτουργίες μακρομορίων του κυττάρου.

21 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 1. ΜΟΡΙΑΚΟΙ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑΣ. 1.1 Νευροτοξική δράση ρυπογόνων ουσιών. Οργανοφωσφορικά Οργανοχλωριομένα Καρβαμικά Πυρεθροειδή εντομοκτόνα Έντονη νευροτοξική δράση, παρόμοια με αυτή των φυσικών νευροτοξινών. Οι φυσικές νευροτοξίνες των οργανισμών δρουν ως νευροδηλητήρια στη φύση για την αντιμετώπιση διαφόρων προκλήσεων. Φυσικές νευροτοξίνες: Τεχνικές νευροτοξίνες: Τετραδοτοξίνες του ψαριού puffer fish. Οι βοτουλινο-τοξίνες του αναερόβιου βακτηρίου Clostridium betulinum. Οι ατροπίνες (διάφορα φυτά π.χ. μπελλαντόνα). Η νικοτίνη (φυσικό εντομοκτόνο). Η πυρεθρίνη (στα άνθη του φυτού Chrysanthemum sp.). Νευροτοξίνη DDT Dieldrin Στόχος Κανάλια Na νευρικών αξόνων Προ- και μετα- συναπτική μεμβράνη νευρικών αξόνων Μπορεί να διαταράξουν: την κανονική μεταβίβαση του δυναμικού δράσης κατά μήκος του νεύρου και/ή διαμέσου των συνάψεων, μεταβάλλοντας τη ροή των ιόντων Νa + κατά μήκος της κυτταρικής μεμβράνης (π.χ. DDT). τη λειτουργία των καναλιών Cl - (GABA υποδοχείς), (π.χ. Διελδρίνη). των υποδοχέων της ακετυλχολίνης, ασκώντας έντονη νευροτοξική δράση (π.χ. Διελδρίνη).

22 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 1. ΜΟΡΙΑΚΟΙ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑΣ. 1.2 Τοξική δράση έναντι μιτοχονδριακών συστημάτων. Βιοσίδια π.χ., 2,4-δινιτροφαινόλη, ροτενόνη, ιόντα κυανιδίου. Αναστέλλουν τη λειτουργία των μιτοχονδριακών συστημάτων 1.3 Ανταγωνιστές βιταμινών. Γουαρφαρίνη (παρασιτοκτόνο) Φλοκουμαφένιο (τρωκτικοκτόνο) 1.4 Ανταγωνιστές ορμονών. 3,3-4,4 τετραχλωροδιφαινύλιο (3,3-4,4-TCB)/ υδροξυλιωμένος μεταβολίτης του PCB). Αναστολή της δράσης της βιταμίνης Κ (βασικός παράγοντας σύνθεσης πρωτεϊνών πήξης του αίματος που πραγματοποιείται στο ήπαρ). Αναστολή της δράσης και της έκκρισης των ορμονών, π.χ. της ορμόνης θυροξίνης (Τ 4 ). 4 -υδρόξυ-3,3-4,5 τετραχλωροφιφαινύλιο. Τα επίπεδα της T4 αντανακλούν την παραγωγική δραστηριότητα του θυρεοειδούς. Eίναι αυξημένα στην 1.5 Αναστολή της δράσης ενζυμικών συστημάτων. Χαρακτηριστικό το παράδειγμα των ΑΤΡασων. ΑΤΡασες (αδενοτριφωσφατάσες). Σημαντική οικογένεια ενζύμων που παίζουν σημαντικό ρόλο: - στην μεταφορά ιόντων Na + & K + (Na-K-ATPases & Ca +2 -ATPases). - στη διαδικασία της οσμωρύθμισης (διατήρηση των επιπέδων αλάτων στο σώμα). Οργανοχλωρίνες, όπως του p-dde (επικρατών και δραστικότερος μεταβολίτης του DDT). πλειοψηφία των υπερθυρεοειδικών ατόμων και ελαττωμένα στους περισσότερους υποθυρεοειδικούς. Αναστολή των ΑΤΡασων, π.χ., Ca +2 - ATPασης, η οποία συμβάλλει στη μεταφορά ιόντων ασβεστίου.

23 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 1. ΜΟΡΙΑΚΟΙ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑΣ. 1.6 Περιβαλλοντικά οιστρογόνα και ανδρογόνα. Ονομάζονται και ψευδο-οιστρογόνα. Είναι φυσικά και χημικά οιστρογόνα τα οποία επηρεάζουν τη φυσιολογική ανάπτυξη των φυλετικών χαρακτηριστικών των οργανισμών, εμφανίζοντας οιστρογόνο ή αντι-οιστρογόνο δράση (π.χ., ΤΒΤ, TCDO). Προκαλούν: διέγερση μεταγραφικών διεργασιών. αναστολή της δράσης των υποδοχέων και κατεπέκταση των οιστρογονικών διεργασιών. «αδρανοποίηση» του οργανισμού. Ψευδο-οιστρογόνα Φυσικά οιστρογόνα Συνθετικά οιστρογόνα 17β-οιστραδιόλη Κουμεστρόλη (cumestrol) Διαιθυλοστιλβεστρόλη Φυτοφάρμακα (π.χ., chlordecone, o,p-ddt, PCBs, Atrazine, Diuron, Simazine, Endrin, Bisphenol A). Διοξίνες και Endosulfan (αντι-οιστρογονική δράση). Arochlor 1254, διθειοκαρβαμιδικές ενώσεις, διθειάνθρακας, εστέρες του φθαλικού οξέος και χρώματα ανιλίνης. Μέταλλα (π.χ., Cd, Hg, Cu). Τριβουτυλοκασσίτερος (Tributyltin, TBT). Αλκυλοφαινόλες (π.χ., νονυφαινόλες ή εννεανοφαινόλες) και πεντυλοφαινόλες. Απόβλητα υπονόμων, πλούσια σε οιστρογόνα και στεροειδή ανθρωπογενούς προέλευσης.

24 Arbitrary units nmol GSH/mg protein nmoles SH/mg protein nmol GSSG/mg protein Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 1. ΜΟΡΙΑΚΟΙ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑΣ. 1.7 Αντιδράσεις με σουλφυδρυλικές ομάδες ( SH) πρωτεϊνών. Οι σουλφυδρυλικές ομάδες παίζουν σημαντικό ρόλο τόσο στη δομική και λειτουργική αρτιότητα των πρωτεϊνών, όσο και στην ενζυμική δραστικότητα ορισμένων από αυτών. Ιόντα Hg +2 και Cd +2 Αντιδρούν με ομάδες SH ενζύμων και πρωτεϊνών που παίζουν σημαντικό ρόλο στην εύρυθμη λειτουργία των οργανισμών. A 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 GSH ab Control Acet Ph An PAHs mix ab ab B GSSG ab Control Acet Ph An PAHs mix ab ab C 0,25 GSH/GSSG D 80 Protein free thiols (PSH) Επίδραση μικρομοριακών συγκεντρώσεων Cd στην γλουταθειονυλίωση (-SH ομάδες γλουταθειόνης) της ακτίνης, σε αιμοκύτταρα μυδιών (Dailianis et al. 2009). 0,2 0,15 0, ab ab ab 0, Control Acet Ph An PAHs mix 0 Control Acet Ph An PAHs mix Μείωση των επιπέδων της γλουταθειόνης (GSH), λόγω οξείδωσής της (GSSG), και μείωση των ελευθέρων θειολών στις πρωτεϊνες (PSH) σε βράγχια μυδιού, μετά από έκθεσή τους σε PAHs (φαινανθρένιο/ph και ανθρακένιο/an, αλλά και μίγμα τους/pah mix), λόγω αύξησης των ελεύθερων ριζών οξυγόνου (Grintzalis et al., Marine Environmental Research, 81, 26-34).

25 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 1. ΜΟΡΙΑΚΟΙ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑΣ. 1.8 Διαταραχή φωτοσυνθετικού μηχανισμού και ανάπτυξης των φυτών. Φυτοκτόνα π.χ., τριαζίνες και η υποκατεστημένη ουρία. Εμποδίζουν τη ροή ηλεκτρονίων στα συστήματα των φωτο-εξαρτώμενων αντιδράσεων της φωτοσύνθεσης, π.χ., διάσπαση νερού για την απελευθέρωση μοριακού οξυγόνου. Φυτοκτόνα π.χ., MCPA, 2,4-D, CMPP και 2,4-DB. Προκαλούν την παραγωγή αιθυλενίου στα φυτά, το οποίο ρυθμίζει την ανάπτυξη των φυτών.

26 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 1. ΜΟΡΙΑΚΟΙ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑΣ. 1.9 Δημιουργία ελεύθερων ριζών και επαγωγή φαινομένων οξειδωτικού stress Ελεύθερες ρίζες Άτομα ή μόρια που περιέχουν ένα ή περισσότερα ασύζευκτα ηλεκτρόνια. άτομο του υδρογόνου (Η): ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο. μόριο οξυγόνου (Ο 2 ): 2 ασύζευκτα ηλεκτρόνια. οξείδιο του αζώτου (ΝΟ): ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο. μεταβατικά μέταλλα, όπως ο σίδηρος (Fe +3 & Fe +2 ): 5 και 4 ασύζευκτα ηλεκτρόνια αντίστοιχα. χαλκός (Cu +2 ): ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο. Τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια προσδίδουν στις ελεύθερες ρίζες μεγάλη χημική δραστικότητα και συμβολίζονται με μια τελεία στο επάνω δεξιό μέρος της ρίζας (Ρ. ) Δημιουργία ελεύθερων ριζών: Μη-ρίζες Αντιπαράλληλο spin συζευγμένων ηλεκτρονίων σε μοριακό τροχιακό: Ελεύθερες ρίζες Παράλληλο spin ενός ή περισσότερων ασύζευκτων ηλεκτρονίων σε ένα ή περισσότερα μοριακά τροχιακά:

27 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 1. ΜΟΡΙΑΚΟΙ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑΣ. 1.9 Δημιουργία ελεύθερων ριζών και επαγωγή φαινομένων οξειδωτικού stress Δημιουργία ελεύθερων ριζών: Οι ελεύθερες ρίζες μπορεί να σχηματιστούν με ομολυτική διάσπαση των ομοιοπολικών δεσμών και με οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις. Ομολυτική διάσπαση Ένας ομοιοπολικός δεσμός, ο οποίος αποτελείται από ένα ζεύγος ηλεκτρονίων μεταξύ 2 ατόμων διασπάται, με αποτέλεσμα το ζεύγος των ηλεκτρονίων: α) να παραμένει στο ένα από τα δύο άτομα του αρχικού μορίου και να σχηματίζονται ιόντα. Α:Β Α + + Β - (ετερολυτική διάσπαση) β) να διαχωριστεί σε κάθε άτομο και να παραχθούν 2 ελεύθερες ρίζες. Α:Β Α. + Β. (ομολυτική διάσπαση) - Απαιτεί μεγάλη ποσότητα ενέργειας για να πραγματοποιηθεί. - Συνήθως ακτινοβολίες ιοντισμού, UV και θερμότητα μπορεί να αποδώσουν την απαραίτητη ενέργεια και να προκαλέσουν τη διάσπαση ενός ομοιοπολικού δεσμού. - Η πρόσπτωση ακτινοβολιών ιοντισμού σε βιολογικά υγρά μπορεί να προκαλέσει την ομολυτική διάσπαση του νερού και την παραγωγή ελεύθερων ριζών ΟΗ. και Η.. - Οι ρίζες μπορούν να αντιδράσουν εύκολα με γειτονικά μόρια και να προκαλέσουν το σχηματισμό νέων ριζών.

28 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 1. ΜΟΡΙΑΚΟΙ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑΣ. 1.9 Δημιουργία ελεύθερων ριζών και επαγωγή φαινομένων οξειδωτικού stress Δημιουργία ελεύθερων ριζών: Οι ελεύθερες ρίζες μπορεί να σχηματιστούν με ομολυτική διάσπαση των ομοιοπολικών δεσμών και με οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις. Οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις Περιλαμβάνει είτε την προσθήκη ενός ηλεκτρονίου σε ένα κανονικό μόριο (αναγωγή), είτε την αφαίρεση ενός ηλεκτρονίου από κάποιο μόριο (οξείδωση). Α + e - A.- (αναγωγή) Α - e - A.+ (οξείδωση) Στα βιολογικά συστήματα, η παραγωγή ελεύθερων ριζών γίνεται κυρίως μέσω οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων.

29 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 1. ΜΟΡΙΑΚΟΙ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑΣ. 1.9 Δημιουργία ελεύθερων ριζών και επαγωγή φαινομένων οξειδωτικού stress Ιδιότητες ελεύθερων ριζών (free radicals). Είναι συνήθως χημικά δραστικές ουσίες, λόγω της τάσης τους να ζευγαρώσουν το ασύζευκτο ηλεκτρόνιό τους. Μπορεί να έχουν θετικό, αρνητικό ή ουδέτερο φορτίο και μπορούν να προκαλέσουν διάφορες αντιδράσεις, όπως: α) να δώσουν ένα ηλεκτρόνιο: β) να δεχθούν ένα ηλεκτρόνιο: γ) να αφαιρέσουν υδρογόνο από οργανικές ενώσεις: δ) να προκαλέσουν αντιδράσεις προσθήκης: ε) να εξουδετερωθούν μεταξύ τους: στ) να σχηματίσουν δυσανάλογα προϊόντα: CΟ O 2 CO 2 + Ο - 2 ΟΗ + RS - OH - + RS CCl 3 + RH CHCl 3 + R CCl 3 + CH 2 =CH 2 CCl 3 - CH 2 - CH 2 CCl 3 + CCl 3 CCl 3 - CCl 3 CH 3 CH 2 + CH 3 CH 2 CH 2 =CH 2 + CH 3 CH 3

30 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 1. ΜΟΡΙΑΚΟΙ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑΣ. 1.9 Δημιουργία ελεύθερων ριζών και επαγωγή φαινομένων οξειδωτικού stress Δραστικές μορφές οξυγόνου (Reactive oxygen species/ros) Περιλαμβάνονται: οι ενώσεις που παράγονται από το μοριακό οξυγόνο με αναγωγή ενός, δύο, ή τριών ηλεκτρονίων. οι ρίζες οξυγόνου ή οργανικών ενώσεων και υπεροξειδίων, οι οποίες παράγονται από ενώσεις που έχουν αντιδράσει με ρίζες οξυγόνου. H ρίζα του ανιόντος του σουπεροξειδίου (Ο.- 2 ), το υπεροξείδιο του υδρογόνου (Η 2 Ο 2 ) και η υδροξυλική ρίζα μπορεί να θεωρηθούν ROS, επειδή παράγονται με αναγωγή του μοριακού οξυγόνου με ένα, δύο και τρία ηλεκτρόνια αντίστοιχα. Nindl G., 2004 Στα βιολογικά συστήματα μπορεί να σχηματιστούν και άλλες ρίζες, εκτός από τις ρίζες οξυγόνου. Eνώσεις που περιέχουν θειολικές ομάδες (-SH) μπορεί να οξειδωθούν με την παρουσία μεταβατικών μετάλλων και να δώσουν θειϊλικές ρίζες (R-S. ) που έχουν στο κέντρο τους θείο: R-SH + Cu +2 RS + Cu +2 +H + Oρισμένες ενώσεις του αζώτου, όπως το ΝΟ. και το ΝΟ. 2 αποτελούν ελεύθερες ρίζες και ονομάζονται ελεύθερες ρίζες του αζώτου (reactive nitrogen species, RNS).

31 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 1. ΜΟΡΙΑΚΟΙ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑΣ. 1.9 Δημιουργία ελεύθερων ριζών και επαγωγή φαινομένων οξειδωτικού stress Δραστικές μορφές οξυγόνου (Reactive oxygen species/ros) Ρίζες Ο - 2 HΟ 2 OH. ROO RO NO Ονομασία Ανιόν του σουπεροξειδίου (superoxide anion) Υδροϋπεροξειδική ρίζα (hydroperoxyl radical) Υδροξυλική ρίζα ( hydroxyl radical) Υπεροξειδική ρίζα (peroxyl radical) Αλκοξειδική ρίζα (alcoxyl radical) Οξείδιο του αζώτου (nitric oxide) Μη ρίζες Η 2 Ο 2 Υπεροξείδιο του υδρογόνου (hydrogen peroxide) 1 Ο 2 Μονήρες οξυγόνο (singlet oxygen) Ο 3 HOCl ROOH ONOO - Όζον (ozon) Υποχλωριώδες οξύ (hypoclorus acid) Οργανικά υδροϋπεροξείδια (organic hydroxyperoxides) Υπεροξυνιτρώδες (peroxynitrite)

32 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 1. ΜΟΡΙΑΚΟΙ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑΣ. 1.9 Δημιουργία ελεύθερων ριζών και επαγωγή φαινομένων οξειδωτικού stress Δραστικές μορφές οξυγόνου (Reactive oxygen species/ros) Δραστικές μορφές οξυγόνου παράγονται συνεχώς μέσα στα κύτταρα και εξουδετερώνονται με τη μεσολάβηση κατάλληλων αντιοξειδωτικών μηχανισμών, έτσι ώστε να διατηρείται μια ισορροπία. Η διαταραχή της ισορροπίας σε βάρος των αντιοξειδωτικών μηχανισμών αποτελεί το οξειδωτικό stress και μπορεί να αποδοθεί: Α) στην υπέρμετρη παραγωγή ROS. Β) στην παρουσία τοξικών ουσιών, όπως οργανικών ρύπων και βαρέων μετάλλων. Γ) σε υπερβολική ενεργοποίηση των συστημάτων παραγωγής ROS, όπως της φαγοκυτταρικής διαδικασίας. Δ) σε ανεπάρκεια αντιοξειδωτικών μηχανισμών. Οι ROS προκαλούν: υπεροξείδωση των λιπιδίων της κυτταρικής μεμβράνης και άλλων μεμβρανικών δομών του κυττάρου. μετουσίωση πρωτεϊνών. αδρανοποίηση ενζύμων. αλλοίωση της γενετικής σύστασης, μέσω της οξείδωσης νουκλεϊκών οξέων και πυριμιδίνων στο εσωτερικό του πυρήνα. πρόκληση κυτταρικών βλαβών και ογκογενέσεων. επαγωγή αποπτωτικών φαινομένων. αναστολή των επιδιορθωτικών ενζύμων που είναι υπεύθυνα για την ακεραιότητα του γενετικού υλικού στον πυρήνα των κυττάρων.

33 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 2. ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΕ ΚΥΤΤΑΡΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ Η είσοδος μιας ξενοβιοτικής ουσίας στο εσωτερικό των κυττάρων προκαλεί: διεύρυνση των μεσοκυττάριων χώρων. αλλαγές στο σχήμα και στο μέγεθος των μιτοχονδρίων. αύξηση των στοιχείων του λυσοσωμικού συστήματος (αποσταθεροποίηση λυσοσωμικών μεμβρανών). εμφάνιση νεοπλασιών. αύξηση στις προσβολές των κυττάρων από βακτήρια και ιούς. αλλαγές στην αναλογία των κυτταρικών τύπων. εμφάνιση κοκκιόδων αιμοκυττάρων.

34 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 3. ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΕ ΕΠΙΠΕΔΟ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥ 3.1 ΝΕΥΡΟΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ. Κύριες ομάδες εντομοκτόνων: - Οργανοχλωριομένες ενώσεις. - Οργανοφωσφορικές. - Καρβαμικές. - Πυρεθροειδείς. Έντονη νευροτοξική δράση, επηρεάζοντας υποδοχείς του ΚΝΣ και του περιφερικού νευρικού συστήματος. Αντιχολινεστεράσες (π.χ., οργανοφωσφορικά και καρβαμιδικά φυτοκτόνα). Τρόπος δράσης αντιχολινεστερασών (Δημητριάδης και συν. 2006). Αναστέλλουν τη δραστικότητα του ενζύμου ακετυλ-χολινεστεράση στις χολινεργικές συνδέσεις, διακόπτοντας τη συναπτική μεταβίβαση. Κύριες επιπτώσεις: Αδυναμία κίνησης. Μείωση τροφοληπτικής ικανότητας. Μείωση του ρυθμού ανάπτυξης των οργανισμών. Εμφάνιση νευρολογικών διαταραχών σε ανώτερους οργανισμούς, όπως ο άνθρωπος.

35 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 3. ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΕ ΕΠΙΠΕΔΟ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥ 3.2 ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΤΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ. Η ανάπτυξη και η αναπαραγωγή των οργανισμών σχετίζονται σε μεγάλο βαθμό με την ικανότητά τους να αναζητούν και να βρίσκουν εύκολα την τροφή τους. Οι επιδράσεις της ρύπανσης στη συμπεριφορά έχουν ως αποτέλεσμα το χαμηλό ρυθμό ανάπτυξης και την αυξημένη θνησιμότητα των οργανισμών. 3.3 ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΑΡΑΓΩΓΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ.- ΕΝΔΟΚΡΙΝΙΚΟΙ ΑΠΟΔΙΟΡΓΑΝΩΤΕΣ/ΔΙΑΤΑΡΑΚΤΕΣ Ενδοκρινικοί αποδιοργανωτές/διαταράκτες: Χημικές ουσίες με δομή ανάλογη των ορμονών. Μπορεί να προκαλέσουν είτε τοξική δράση είτε υπερβολική έκκριση των φυσιολογικών ορμονών του οργανισμού. Διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην αναπαραγωγή και τη σεξουαλική ανάπτυξη. Μπορεί να δεσμευτούν σε ορμονικούς υποδοχείς και να μιμηθούν τη δράση της φυσιολογικής ορμόνης, προκαλώντας: την υπερβολική ή άστοχη ενεργοποίηση της φυσιολογικής ενδογενούς διαδικασίας, π.χ. ΤΒΤ. τη λέπτυνση του κελύφους και το σπάσιμο των αυγών, π.χ. DDE (ενεργός μεταβολίτης του DDT). καταστροφή του τοιχώματος της μήτρας στα θηλαστικά, π.χ. οργανοχλωριομένες ενώσεις. διαταραχή της βιτελογενίνης, ουσίας που είναι πρόδρομος του κρόκου των αυγών, η σύνθεση του οποίου επάγεται από τις γοναδοτροπίνες στα θηλυκά άτομα.

36 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 3. ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΕ ΕΠΙΠΕΔΟ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥ 3.3 ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΑΡΑΓΩΓΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ.- ΕΝΔΟΚΡΙΝΙΚΟΙ ΑΠΟΔΙΟΡΓΑΝΩΤΕΣ/ΔΙΑΤΑΡΑΚΤΕΣ Αλλαγή στο οικοσύστημα Επιδράσεις στο οικοσύστημα Η αναπαραγωγική απόδοση πέφτει κάτω από το κρίσιμο επίπεδο που απαιτείται για τη διατήρηση της επιβίωσης του πληθυσμού. Επίδραση στον πληθυσμό Αποτυχία της αναπαραγωγικής απόδοσης σε μεμονωμένα ζώα (μειωμένη γονιμότητα, μειωμένη βιοσιμότητα εμβρύων ακι προνυμφών κ.λ.π.). Αναπαραγωγικές επιδράσεις στα άτομα Μείωση της ποιότητας των γαμετών, αλλαγές στα δευτερογενή χαρακτηριστικά που επηρεάζουν τη συμπεριφορά του ζευγαρώματος. Ανοσοκαταστολή. Μειωμένη ανάπτυξη και επιβίωση, καθυστέρηση στη μεταμόρφωση ή στη σεξουαλική ωρίμανση. Δευτερογενείς επιδράσεις στη συμπεριφορά και τη μορφολογία Αλλαγές στη σύνθεση VTG και στα επίπεδα ορμονών στο αίμα. Αλλαγές στο νευροενδοκρινές σύστημα (π.χ. Παραγωγή κορτικοστεροειδών). Αποτυχία σύνθεσης απαραίτητων ενζύμων και ορμονών. Πρωτογενείς βιοχημικές και μορφολογικές επιδράσεις Μηχανισμοί με τους οποίους οι ενδοκρινικοί αποδιοργανωτές επιδρούν στην αναπαραγωγή και την επιβίωση (Campell και Hutchinson, 1998). Εξωγενείς αποδιοργανωτές γεννητικών ορμονών (π.χ. Οιστρογόνα). Φυσικοί ενδοκρινικοί αποδιοργανωτές (π.χ. Περιβαλλοντικό stress) Μη-ενδοκρινικοί αποδιοργανωτές (π.χ. Διατροφικές ανεπάρκειες). Έκθεση σε ενδεχόμενους περιβαλλοντικους παράγοντες

37 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 3. ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΕ ΕΠΙΠΕΔΟ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥ 3.4 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΚΟΣΤΟΣ ΤΩΝ ΑΛΛΑΓΩΝ ΤΗΣ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ. Η μηχανισμοί αποτοξικοποίησης καταναλώνουν ενέργεια, οδηγώντας σε απώλειες στις παραγωγικές διεργασίες του οργανισμού. Η επίδραση της ρύπανσης στις παραγωγικές διεργασίες συνήθως υπολογίζεται με την επίδρασή της στη «δυνητική αύξηση» (Scope for Growth SFG) που ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ της προσλαμβανόμενης ενέργειας και των συνολικών απωλειών. Αυξημένη συσσώρευση ρυπογόνων παραγόντων σχετίζεται με: Αυξημένες ενεργειακές απαιτήσεις των μηχανισμών αποτοξικοποίησης. Μείωση του παράγοντα SFG. Μείωση της αύξησης και ανάπτυξης των οργανισμών.

38 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 3. ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΗ ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΩΝ ΠΛΗΘΥΣΜΩΝ ΑΛΛΑΓΕΣ ΣΕ ΒΙΟΚΟΙΝΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΟΙΚΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Πληθυσμός: ομάδα ατόμων του ίδιου είδους που καταλαμβάνουν ορισμένο χώρο σε μια συγκεκριμένη στιγμή. Σταθεροποίηση πληθυσμού. Μείωση του μεγέθους του πληθυσμού, λόγω έλλειψης ανθεκτικότητας των ατόμων στον ρυπογόνο παράγοντα. Ρύπανση Αύξηση του μεγέθους του πληθυσμού, λόγω ανθεκτικότητας των ατόμων στον ρυπογόνο παράγοντα. Μείωση της ροής γονιδίων μεταξύ των ατόμων του πληθυσμού, λόγω γενετικών αλλαγών.

39 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 3. ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΗ ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΩΝ ΠΛΗΘΥΣΜΩΝ ΑΛΛΑΓΕΣ ΣΕ ΒΙΟΚΟΙΝΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΟΙΚΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Βιοκοινότητα: διαφορετικοί πληθυσμοί που ζουν σε ένα βιότοπο και βρίσκονται σε άμεση αλληλεξάρτηση τόσο μεταξύ τους όσο και με το περιβάλλον τους. Διαταραχή οικοσυστήματος από ρύπους (εκφύλιση ή υποτροπή). Επικράτηση ανθεκτικών πληθυσμών εις βάρος ευαίσθητων. Ρύπανση Διαταραχή της ισορροπίας του οικοσυστήματος και των ενεργειακών πόρων/τροφικών αλυσίδων. Αλλαγή στο «προφίλ» του βιοτόπου με κίνδυνο ερημοποίησης.

40 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Επιπτώσεις ξενοβιοτικών ουσιών 3. ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΗ ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΩΝ ΠΛΗΘΥΣΜΩΝ ΑΛΛΑΓΕΣ ΣΕ ΒΙΟΚΟΙΝΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΟΙΚΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Οικοσύστημα και ευστάθεια: Η επίδραση ρυπογόνων ουσιών μπορεί να διαταράξει την ποικιλότητα των οικοσυστημάτων, η οποία αποτελεί βασικό παράγοντα της ευστάθειας. Ευστάθεια οικοσυστήματος: Η δυνατότητα επαναφοράς του οικοσυστήματος στην αρχική κατάσταση ισορροπίας του, μετά από την επίδραση εξωτερικής διαταραχής που επηρέασε το μέγεθος ή/και τη σύνθεση των πληθυσμών του. Η επίδραση της ρύπανσης μπορεί να οδηγήσει σε κατάρρευση οικοσυστημάτων που χαρακτηρίζονται από μικρή ευστάθεια. Προβλεπόμενες αλλαγές στα οικοσυστήματα, λόγω τις επίδρασης τοξικών ουσιών σε βιοκοινωνίες (Newman and Unger, 2003). Ιδιότητα Ενέργεια Θρεπτικά Δομή της κοινωνίας Οικοσύστημα Προβλεπόμενη αλλαγή Αύξηση της αναπνοής τις κοινωνίας. Ανισορροπία του λόγου παραγωγής (Ρ)/αναπνοής (P/R<1 ή P/R>1) Αύξηση της παραγωγής/βιομάζας/βιομάζας και αναπνοής/βιομάζας Αύξηση της πρωτογενούς παραγωγής Αύξηση του κύκλου των θρεπτικών Μείωση της ανακύκλωσης των θρεπτικών Αύξηση της απώλειας θρεπτικών, λόγω των παραπάνω αλλαγών Αύξηση του ποσοστού των ειδών με r-στρατηγική Μείωση του μεγέθους των οργανισμών Μείωση της διάρκειας ζωής των οργανισμών Λιγότεροι κρίκοι στις τροφικές αλυσίδες Μείωση της ποικιλότητας των ειδών με αύξηση της επικράτειας κάποιων από αυτά Μείωση της εσωτερικής ανακύκλωσης και αύξηση της εισόδου και εξόδου από εξωτερικές πηγές Επαναφορά σε προηγούμενα εξελικτικά στάδια Οι λειτουργικές αλλαγές (π.χ., μεταβολισμός) είναι λιγότερες από τις δομικές (αφθονία ειδών) Μείωση των θετικών αλληλεπιδράσεων (π.χ., συμβίωση) και αύξηση των αρνητικών (π.χ., ασθένεια ή παρασιτισμός)

41 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. Η είσοδος μιας ξενοβιοτικής ουσίας στον οργανισμό μπορεί να επιτευχθεί μέσω: - της κατάποσης (γαστρεντερική οδός). - της αναπνοής (πνεύμονες και βράγχια). - του δέρματος (ιδρωτοποιοί & σμηγματογόνοι αδένες). Η είσοδος της τοξικής ουσίας ακολουθείται από: Διαδικασίες μεταβολισμού στο ήπαρ και τους νεφρούς. Τη δέσμευση σε ειδικές πρωτεϊνες, με απώτερο στόχο την απομάκρυνσή τους μέσω των απεκκρίσεων από τον οργανισμό. Αποβολή με τα ούρα και με τα περιττώματα (άπεπτες ουσίες). Πτητικές ενώσεις και αέρια αποβάλλονται μέσω της εκπνοής. Κύρια μέρη αποθήκευσης τοξικών ενώσεων είναι: - το πλάσμα του αίματος. - το ήπαρ. - οι νεφροί. - το λίπος. - τα οστά.

42 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. Είσοδος, μεταβολισμός και αποθήκευση τοξικών ουσιών στο σώμα. Πορείες διανομής και απομάκρυνσης της ουσίας από τον οργανισμό (τροποποιημένη από Toxicological Chemistry and Biochemistry, 3 rd Ed.).

43 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. Η έκθεση ενός οργανισμού σε ένα τοξικό παράγοντα μπορεί να προκαλέσει: - Αλλαγές της συμπεριφοράς του. - Διαταραχές της φυσιολογικής του ομοιόστασης. Παράγοντες που επηρεάζουν την έκφραση της τοξικής δράσης μιας ουσίας είναι: - Η φύση και η τοξικότητα της ουσίας. - Ο βαθμός ευαισθησίας του οργανισμού. - Η φυσιολογική του απόκριση.

44 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. Επαγωγή τοξικών επιδράσεων μετά από έκθεση σε τοξικό παράγοντα και αποκρίσεις του οργανισμού (τροποποιημένη από Toxicological Chemistry and Biochemistry, 3 rd Ed.).

45 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. Τοξικές επιδράσεις ουσιών (Δημητριάδης και συν. 2006).

46 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. Προστατευτικές αποκρίσεις έναντι των ρυπογόνων ουσιών. Στόχος του οργανισμού είναι η αποτοξικοποίηση/αποτοξίνωσή του και η απομάκρυνση της τοξικής ουσίας. Οι προστατευτικές αποκρίσεις του οργανισμού σχετίζονται με την επαγωγή ενζυμικών συστημάτων και γενικότερα μηχανισμών που σκοπό έχουν την αντιμετώπιση των τοξικών επιπτώσεων των ρυπογόνων ουσιών. Μη -προστατευτικές αποκρίσεις έναντι των ρυπογόνων ουσιών. Εμφανίζονται βιοσυσσωρευτικά φαινόμενα με αποτέλεσμα την πρόκληση σημαντικών διαταραχών της φυσιολογικής λειτουργίας των οργανισμών.

47 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. Προστατευτικές και μη-προστατευτικές αποκρίσεις σε χημικές ενώσεις (Walker και συν. 2001). Τύπος επίδρασης Παράδειγμα Συνέπειες 1) Επαγωγή μονο-οξυγενασών Αύξηση του μεταβολισμού της ένωσης Προστατευτική προς υδατοδιαλυτή μορφή με αποτέλεσμα την αύξηση της αποβολής της. 2) Επαγωγή μεταλλοθειονινών Αύξηση του ρυθμού δέσμευσης μετάλλων και μείωση της βιοδιαθεσιμότητάς τους. Μη-προστατευτική 1) Παρεμπόδιση της δράσης Τοξικές επιδράσεις, μετά από (πιθανή εμφάνιση της AChE. παρεμπόδιση κατά 50%. τοξικών φαινομένων) 2) Σχηματισμός συμπλόκων Μεταλλάξεις-καρκινογένεση. χημικών ενώσεων-dna.

48 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. Διαγραμματική απεικόνιση των επιπτώσεων σε βιοχημικό επίπεδο των τοξικών παραγόντων (τροποποιημένη από Hinton και συν., 1992, και Manahan, 2003).

49 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. Διαγραμματική απεικόνιση των επιπτώσεων σε γενετικό επίπεδο των τοξικών παραγόντων (τροποποιημένη από Hinton και συν., 1992, και Manahan, 2003).

50 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 1. ΒΙΟΜΕΤΑΜΟΡΦΩΣΗ ΞΕΝΟΒΙΟΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ. Υδατοδιαλυτές ουσίες Αποτελεσματική αποβολή από τον οργανισμό Βιομεταμόρφωση Λιπόφιλες ουσίες Συσσώρευση στον οργανισμό Ο μηχανισμός της βιομεταμόρφωσης αποσκοπεί στην απομάκρυνση των αντιδρώντων ξενοβιοτικών ουσιών από τον οργανισμό με το μικρότερο λειτουργικό κόστος.

51 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 1. ΒΙΟΜΕΤΑΜΟΡΦΩΣΗ ΞΕΝΟΒΙΟΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ. Ξενοβιοτικός παράγοντας Βιομεταμόρφωση μιας ξενοβιοτικής ουσίας (τροποποιημένη από Toxicological Chemistry and Biochemistry, 3 rd Ed.). Μεταβολισμός φάσης Ι Μεταβολίτες Μεταβολισμός φάσης ΙΙ Υδατοδιαλυτότητα με προσθήκη πολικών ομάδων

52 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 2. ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ. Αντίδραση Ένζυμο Υποκυτταρική θέση ΦΑΣΗ Ι Υδρόλυση Αναγωγή Οξείδωση ΦΑΣΗ ΙΙ Καρβολεστεράση Πεπτιδάση Εποξειδική υδρολάση Αζω- και νιτρο- αναγωγή Καρβονυλική αναγωγή Δισουλφιδική αναγωγή Σουλφοξειδική αναγωγή Αναγωγή κινονών Αναγωγική αφαλογόνωση Αλκοολική αφυδρογονάση Αλδεϋδική αφυδρογονάση Αλδεϋδική οξειδάση Ξανθίνη οξειδάση Μονοάμινο οξειδάση Προσταγλανδινο Η συνθάση Κυτόχρωμα Ρ450 Γλουκουρονική σύζεθυη Σουλφονική σύζευξη Σύζευξη γλουταθειόνης Σύζευξη αμινοξέων Ακετυλίωση Μεθυλίωση Μικροσωμάτια, κυτοσολιο Αίμα, λυσοσώματα Μιρκοσώματα, κυτοσόλιο Μικορχλωρία, μικροσώματα, κυτοσόλιο Κυτοσόλιο Κυτοσόλιο Κυτοσόλιο Κυτοσόλιο, μικροσώματα Μικροσώματα Κυτοσόλιο Μιτοχόνδρια, κυτοσόλιο Κυτοσόλιο Κυτοσόλιο Μιτοχόνδρια Μικροσώματα Μικορσώματα Μικροσώματα Κυτοσόλιο Κυτοσόλιο, μικροσώματα Μιτοχόνδρια, μικροσώματα Μιτοχόνδρια, κυτοσόλιο Κυτοσόλιο

53 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 2. ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ. Ο μεταβολισμός των οργανικών ενώσεων πραγματοποιείται με ένα εύρος ενζυμικών παραγόντων, και διακρίνεται σε 2 φάσεις: α) λειτουργικός μεταβολισμός (φάση Ι) β) μεταβολισμός συζυγίας (φάση ΙΙ).

54 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 2. ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ. 2.1 Λειτουργικός μεταβολισμός (φάση Ι). Περιλαμβάνει ένζυμα που παίρνουν μέρος στο λειτουργικό μεταβολισμό λιπόφιλων ξενοβιοτικών ουσιών. Κύριος στόχος είναι: - μετατροπή των ξενοβιοτικών ουσιών σε υδατοδιαλυτές μορφές. - αποτελεσματική απομάκρυνση των διαλυτών μορφών από τα κύτταρα και τον οργανισμό.

55 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 2. ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ Ένζυμα φάσης Ι. Μικροσωμικά ένζυμα κυρίως στο ενδοπλασματικό δίκτυο ή δεσμευμένα πάνω σε μεμβράνες. Παρουσιάζουν μια μεγάλη ποικιλία ως προς τα υποστρώματά τους και επειδή πολλά είναι τοξικές ουσίες καλούνται και ένζυμα αποτοξίνωσης. Καταλύουν ένα μεγάλο αριθμό αντιδράσεων που μπορεί να υποστεί ένα συστατικό, όπως: - Οξείδωση - Αναγωγή - Υδρόλυση Κύριος στόχος των μηχανισμών κατάλυσης είναι η δημιουργία μιας ενεργής ομάδας (-ΟΗ, -ΝΗ 2, - CΟΟΗ κ. λπ.), πάνω στον οργανικό παράγοντα. Τα προϊόντα της φάσης Ι μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υποστρώματα της φάσης ΙΙ. Ένζυμα της φάσης Ι θεωρούνται: - η μονο-οξυγενάση του κυτοχρώματος Ρ450 (Mixed-Function-Monoxygenase/MFO) - το σύστημα της μονο-οξυγενάσης της φλαβοπρωτεΐνης (FAD) - οξειδάσες, υδρολάσες, ρεδουκτάσες, εστεράσες, φωσφατάσες, υδροξυλάσες κ. λπ.

56 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 2. ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ Ένζυμα φάσης Ι. Σύστημα της μονο-οξυγενάσης του κυτοχρώματος Ρ450 (Mixed-Function-Monoxygenase/MFO). Αποτελεί το σημαντικότερο ενζυμικό σύστημα αυτής της κατηγορίας. Εντοπίζεται στο ενδοπλασματικό δίκτυο, κυρίως των υπατοκυττάρων των σπονδυλωτών. Το σύστημα Ρ450 αυξάνει το ρυθμό παραγωγής υδατοδιαλυτών μεταβολιτών και σύμπλοκων ενώσεων χαμηλής τοξικότητας για την εύκολη απομάκρυνση/αποβολή από τον οργανισμό.

57 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 2. ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ Ένζυμα φάσης Ι. Σύστημα της μονο-οξυγενάσης του κυτοχρώματος Ρ450 (Mixed-Function-Monoxygenase/MFO). Αντιδράσεις που πραγματοποιούνται με τη μεσολάβηση του συστήματος P450: RH + NADPH + H + + O 2 R-OH + NADP + + H 2 O Αντίδραση μονο-οξυγόνωσης με τη μεσολάβηση 2e - RH + POOH R-OH + POH Δεν απαιτεί NADPH και μοριακό οξυγόνο Όπου, RH: οργανικός ξενοβιοτικός παράγοντας R-OH: υδροξυλιωμένος οργανικός παράγοντας. ΡΟΟΗ: υπεροξειδική ένωση

58 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 2. ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ Ένζυμα φάσης Ι. Σύστημα της μονο-οξυγενάσης του κυτοχρώματος Ρ450 (Mixed-Function-Monoxygenase/MFO) και Βιοενεργοποίηση. Η οικογένεια Ι του κυτοχρώματος Ρ 450 είναι μια ενζυμική ομάδα η οποία αντιδρά με επίπεδα μόρια ξενοβιοτικών ουσίων, όπως οι πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες (ΡΑΗς), PCBs και διοξίνες. Ο μεταβολισμός ορισμένων πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων οδηγεί στην παραγωγή ενδιάμεσων μεταβολιτών με καρκινογόνο δράση (π.χ., βενζο[α]πυρένιο, διβενζο[ah]ανθρακένιο, αφλατοξίνη, κ. λπ.), (Φαινόμενο Βιοενεργοποίησης).

59 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 2. ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ Ένζυμα φάσης Ι. Σύστημα της μονο-οξυγενάσης του κυτοχρώματος Ρ450 (Mixed-Function-Monoxygenase/MFO) και Βιοενεργοποίηση. Βιοενεργοποίηση Σχηματισμό τοξικών ενδιάμεσων προϊόντων, μέσω της βιομεταμορφωτικής διαδικασίας, τα οποία είναι υπεύθυνα για την πρόκληση μιας σειράς φαινομένων που οδηγούν: - σε θάνατο του κυττάρου. - εμφάνιση καρκίνου. - τερατογένεση. - σε ένα αριθμό άλλων τοξικών φαινομένων. Π.χ. μεταβολίτης του βενζο[α]πυρένιου (διαταραχές της δομής του DNA και καρκινογενέσεις σε θηλαστικά).

60 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. Ξενοβιοτικός παράγοντας Βιομεταμόρφωση και Βιοενεργοποίηση μιας ξενοβιοτικής ουσίας (τροποποιημένη από Toxicological Chemistry and Biochemistry, 3 rd Ed.). Μεταβολισμός φάσης Ι Μεταβολίτες Τοξικός μεταβολίτης Διαταραχές μεμβρανικών δομών Υπεροξείδωση λιπιδίων Βλάβες γενετικού υλικού Απενεργοποίηση ενζύμων Μεταβολισμός φάσης ΙΙ Επιπτώσεις σε υποκυτταρικό επίπεδο Υδατοδιαλυτότητα με προσθήκη πολικών ομάδων Επιπτώσεις σε κυτταρικό επίπεδο Επιπτώσεις σε επίπεδο οργανισμού

61 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 2. ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ Ένζυμα φάσης Ι. Σύστημα της μονο-οξυγενάσης του κυτοχρώματος Ρ450 (Mixed-Function-Monoxygenase/MFO) και Βιοενεργοποίηση. Βιοενεργοποίηση Αντιδράσεις που λαμβάνουν μέρος στο μεταβολισμό του βενζο[α]πυρενίου, μέσω του συστήματος της μονοξυγενάσης του κυτοχρώματος Ρ450 (τροποποιημένη από Toxicological Chemistry and Biochemistry, 3 rd Ed.).

62 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 2. ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ Ένζυμα φάσης Ι. Σύστημα της μονο-οξυγενάσης του κυτοχρώματος Ρ450 (Mixed-Function-Monoxygenase/MFO) και Βιοενεργοποίηση. Βιοενεργοποίηση Μονοπάτι ενεργοποίησης και αποτοξικοποίησης των χημικών ρύπων (Walker και συν. 2001).

63 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 2. ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ. 2.2 Μεταβολισμός συζυγίας (φάση ΙΙ). Η μεταβολική διαδικασία των οργανικών ουσιών συνεχίζεται με την παρέμβαση των ενζύμων που συμμετέχουν στη φάση ΙΙ Ένζυμα φάσης ΙΙ. Στη φάση ΙΙ συμμετέχουν: - η τρανσφεράση S της γλουταθειόνης. - η διφωσφορική-γλυκοροτρανσφεράση της ουριδίνης. - διάφορες ακετυλάσες, θειοτρανσφεράσες, φορμυλάσες και μεθυλάσες. Σύνδεση μιας ομάδας πολικών μορίων με την ενεργή ομάδα του οργανικού προϊόντος, προσδίδοντάς του υδρόφιλο χαρακτήρα, ενώ ταυτόχρονα το καθιστά κατάλληλο για έκκριση από το κύτταρο.

64 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 2. ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ. 2.2 Μεταβολισμός συζυγίας (φάση ΙΙ). Διαδικασίες σύζευξης κατά τη φάση ΙΙ (τροποποιημένη από Toxicological Chemistry and Biochemistry, 3 rd Ed.).

65 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 3. ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΛΛΩΝ. Η βιοσυσσώρευση των μετάλλων εξαρτάται: - από τη χημική τους μορφή. - τις πορείες και τους μηχανισμούς εισροής. - την ενδοκυτταρική τους διαμερισματοποίηση και άλλες πτυχές της κυτταρικής ομοιόστασης. Διαλυτές μορφές μετάλλων φαίνεται ότι εισρέουν παθητικά. Μεταλλικά ιόντα μπορεί να εισρέουν ενεργητικά με κατανάλωση ενέργειας (με τη μορφή ΑΤΡ). Μετά την είσοδό τους στο κύτταρο, τα βαρέα μέταλλα: - δημιουργούν σύμπλοκο με μόρια πλούσια σε σουλφυδρυλομάδες, όπως τα αμινοξέα, η γλουταθειόνη και ειδικές μεταλλο-πρωτεϊνες (μεταλλοθειονίνες). - διαμερισματοποιούνται στο λυσοσωμικό δίκτυο. - παγιδεύονται σε διάφορους τύπους ειδικών κυστιδίων ανόργανων ιόντων (Cu 2+ - & Ca 2+ - κυστίδια).

66 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 3. ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΛΛΩΝ. 3.1 ΜΕΤΑΛΛΟΘΕΙΟΝΙΝΕΣ (ΜΤς). Ομάδα κυτταροπλασματικών πρωτεϊνών χαμηλού μοριακού βάρους (6-7 kda), πλούσιες σε κυστεΐνη. Συνδέονται με μεταλλικά ιόντα Zn 2+ και Cu 2+, αλλά και με μέταλλα, όπως Hg 2+, Cd 2+, Au 2+ και Ag 2+. Ο φυσιολογικός τους ρόλος είναι η ομοιόσταση των ιόντων Zn 2+ /Cu 2+ και η αντιοξειδωτική τους δράση, ενώ παίζουν καθοριστικό ρόλο στην αποτοξικοποίηση των κυττάρων από τα βαρέα μηαπαραίτητα μέταλλα (Cd 2+, Hg 2+ κ. λπ.). Δέσμευση ιόντων καδμίου σε ομάδες-sh των μεταλλοθειονινών (τροποποιημένη από Toxicological Chemistry and Biochemistry, 3 rd Ed.).

67 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 3. ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΛΛΩΝ. 3.2 ΛΥΣΟΣΩΜΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΚΑΙ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ Τα μέταλλα δεσμεύονται σε ενδοκυτικά κυστίδια, τα οποία στη συνέχεια μετατρέπονται σε πρωτοταγή λυσοσώματα (primary lysosomes). Τα πρωτοταγή λυσοσώματα αποθηκεύουν άπεπτα τελικά προϊόντα της λιπιδικής υπεροξείδωσης (οξειδωμένα λιπίδια και πολυμερή πρωτεϊνών) και ονομάζονται λιποφουσκίνες, διαδικασία που λαμβάνει χώρα ιδιαίτερα στα Δίθυρα Μαλάκια.

68 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 3. ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΛΛΩΝ. 3.2 ΛΥΣΟΣΩΜΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΚΑΙ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ Οι λιποφουσκίνες μπορεί να δέχονται μέταλλα με 2 τρόπους: α) ασθενώς συνδεδεμένα με ομάδες της εξωτερικής επιφάνειας των κυστιδίων λιποφουσκίνης, ικανά να εισχωρήσουν στο κυτταρόπλασμα μαζί με άλλα κατιόντα που είδη υπάρχουν σε αυτό β) παγιδευμένα σε μη-τοξική μορφή στο κέντρο νέο-αναπτυσσόμενων κυστιδίων.

69 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 3. ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΛΛΩΝ. 3.2 ΛΥΣΟΣΩΜΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΚΑΙ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ Μεταφορά μεταλλικών ιόντων, όπως ο Cu 2+ με ειδικές πρωτεΐνες στο εσωτερικό των λυσοσωμάτων και η απέκκρισή τους με τη μορφή ειδικών κυστιδίων που ονομάζονται υπολειπόμενα σωμάτια (residual bodies). Η ενεργή μεταφορά των υπολειπόμενων σωματίων επιτρέπει την απέκκρισή τους από το κύτταρο. Για το Cd 2+ πιστεύεται ότι δεν χρησιμοποιείται καμία από τις παραπάνω μεθόδους αποτοξικοποίησης στα Δίθυρα Μαλάκια, με αποτέλεσμα ο χρόνος ημιζωής του μετάλλου να φτάνει τους 7 μήνες, σε αντίθεση με τις 9 ημέρες του Cu.

70 Ξενοβιοτικές ουσίες και υδρόβιοι οργανισμοί: Είσοδος ξενοβιοτικών ουσιών στον οργανισμό, μεταβολισμός, διανομή και απέκκριση. 3. ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΛΛΩΝ. 3.2 ΛΥΣΟΣΩΜΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΚΑΙ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ Λυσοσώματα ευμεγέθη και άφθονα στον πεπτικό αδένα μυδιών από περιοχή χωρίς επιβάρυνση από ρυπογόνους παράγοντες. Λυσοσώματα μικρότερα και αφθονότερα σε αριθμό, με εντονότερη χρώση (N-acetyl-b-hexosaminidase) στον πεπτικό αδένα μυδιών από περιοχή πλούσια σε ρυπογόνες ουσίες, π.χ. βαρέα μέταλλα (από Domouhtsidou et al. 2004).

71 Αρχές Τοξικολογίας/Οικοτοξικολογίας. Περιβαλλοντική τοξικολογία και Οικοτοξικολογία: τεκμηρίωση των επιπτώσεων της ρύπανσης. Λαμβάνονται υπόψη οι αλληλοεπιδράσεις μεταξύ των οργανισμών που συμβιώνουν στο ίδιο περιβάλλον και οι διασυνδέσεις τους με το αβιοτικό περιβάλλον (έδαφος, νερά και ατμόσφαιρα). Για να πραγματοποιηθούν οι νομοθετικές ρυθμίσεις περιορισμών ή/και απαγορεύσεων τοξικών ουσιών απαιτούνται μελέτες και επιστημονική γνώση της συμπεριφοράς των χημικών ρύπων στο φυσικό περιβάλλον (αέρας, νερό, έδαφος, πανίδα, χλωρίδα, άνθρωπος) χημικές ουσίες είναι άμεσης προτεραιότητας για πλήρεις τοξικολογικές και οικοτοξικολογικές δοκιμασίες, ιδιαίτερα οι ουσίες που δεν βιοδιασπώνται και έχουν τοξικές ιδιότητες. Ο όρος Οικοτοξικολογία αποτελεί μια φυσική προέκταση της τοξικολογίας και της περιβαλλοντικής τοξικολογίας. Οι τοξικολογικές μελέτες γίνονται σε μεμονωμένους οργανισμούς στο εργαστήριο, ενώ οι οικοτοξικολογικές έρευνες αποβλέπουν στην διερεύνηση των επιδράσεων χημικών ρύπων σε κοινότητες ζωντανών οργανισμών που αναπτύσσονται μέσα σε φυσικά οικοσυστήματα.

72 Αρχές Τοξικολογίας/Οικοτοξικολογίας. Η Οικοτοξικολογική έρευνα ενδιαφέρεται για: τη βιοσυσσώρευση των ουσιών μέσω της τροφικής αλυσίδας ή στους διάφορους ιστούς και όργανα των οργανισμών. τη βιοαποικοδόμηση ή διάσπαση των ουσιών με την επίδραση του φυσικού περιβάλλοντος. Τα όρια ευαισθησίας των οργανισμών. Τις επιδράσεις των ουσιών σε διάφορα επίπεδα οργάνωσης του οργανισμού.