MEHANIZMI DJELOVANJA OTROVA. Doc.dr.sc. Andreja Prevendar Crnić Zavod za farmakologiju i toksikologiju Veterinarski fakultet Sveučilište u Zagrebu

Transcript

1 MEHANIZMI DJELOVANJA OTROVA Doc.dr.sc. Andreja Prevendar Crnić Zavod za farmakologiju i toksikologiju Veterinarski fakultet Sveučilište u Zagrebu

2 Interakcija otrova s kemijskim i morfološkim strukturama organizma odvija se na nivou molekule, stanice, tkiva ili organa. ionska (slaba, polarna, reverzibilna, van der Waalsova) Kemijska interakcija kovalentna (atomska, jaka, ireverzibilna) Posljedica vezanja otrova uglavnom ne ovisi o vrsti kemijske veze već o vitalnoj važnosti biokemijskog procesa, odnosno organa u kojem je došlo do interakcije.

3 Ionske veze (reverzibilne): 1. otrov + stanični enzimi promjena intermedijarnog prijetvora u stanici inhibicija stanične funkcije 2. otrov + bjelančevine plazme poremećaj u ravnoteži elektrolita poremećaj acido-bazične ravnoteže (metabolička acidoza ili alkaloza) poremećaj općeg stanja i probave

4 Ionske veze (reverzibilne): 3. interkcije otrova u staničnoj tekućini, s lipidima stanice tj. stanične membrane promjena strukture i funkcije 4. umetanje otrova između para nukleinskih kiselina greške u očitanju genetskog koda mutacija, karcinogenost

5 Kovalentne veze (irebverzibilne): 1. vezanje metala na aktivne kemijske skupine: sufhidrilnu, karboksilnu, fosfatnu, imidazolsku i purinsku (dio molekule pr. proteina, enzima, nuklenskih kiselina) trajni prestanak funkcije ili destabilizacija nukleinske kiseline pr. Hg + sulfhidrilne skupine Pb + dehidrataza delta aminolevulinske kiseline Većina otrovnih organskih spojeva se u organizmu metabolički degradira do polarnih vodotopljivih i netoksičnih metabolita i izlučuje, dok se metali ne metaboliziraju te se kumuliraju u organizmu kronični toksični učinak.

6 Kovalentne veze (irebverzibilne): 2. organski otrovi + esencijalni elementi tj. integralni dijelovi enzima pr. cijanidi + Fe u citokrom oksidazi CO + Fe u hemoglobinu Pb inhibicija ferokelataze (nemogućnost iskorištavanja Fe u sintezi hema) 3. otrov + RNK ili DNK ili molekularni kompleks osnova je za kancerogeni ili mutageni učinak te nekrozu stanice pr. parakvat, Hg, Fe ireverzibilna fosforilacija enzima acetilkolinesteraze s OF spojevima

7 Što su to slobodni radikali? Bilo koji atom ili molekula koji sadrži jedan ili više nesparenih elektrona u vanjskoj orbitali. -iznimno reaktivni - stalni produkti staničnog metabolizma - glavno obilježje reakcija SR zbivaju se kao lančana reakcija, jedan radikal potiče stvaranje drugog - Peroksil (ROO. ), hidroksil (OH. ), tiil (RS. ), hidroperoksil (HO 2. ), superoksidni radikal (O 2.- ), dušikov oksid (NO. ), alkoksil (LO. ), lipidni radikal L. )...

8 Egzogeni i endogeni izvori nastajanja SR Endogeni: aktivacija imunih stanica, upala, mentalni stres, intenzivna tjelovježba, ishemija, infekcija, karcinom, proces starenja... Egzogeni: zagađenje zraka ili vode, dim cigareta, alkohol, teški metali (Cd, Hg, Pb, Fe, As), neki lijekovi (ciklosporin, takrolimus, gentamicin, bleomicin), pesticidi (parakvat), industrijska otapala, radijacija...

9

10 Reaktivni kisikovi spojevi - RKS - aktivni intermedijari kisika: H 2 O 2 (vodikov peroksid) OCl. (hipokloritni ion) - slobodni radikali: O.- 2 (superoksidni anion) OH. (hidroksil radikal) HO 2. (hidroperoksilni radikal)

11 Učinci RKS Oštećenja biomolekula Inhibicija ili indukcija različitih signalnih puteva (djelovanje na protein kinaze, fosfataze, proteaze, čimbenike transkripcije..) Ekspresija gena (različiti odgovori stanica) Indukcija ili inhibicija proliferacije stanica Umiranje stanica (nekroza/apoptoza) OVISE O: vrsti stanice, vrsti i koncentraciji RKS, sposobnosti uklanjanja RKS - antioksidativni sustav, dužini vremena izlaganju RKS, redoks sustavu stanica..)

12 Djelovanja RKS: LIPIDI/lipoproteini Lipidna peroksidacija napad na = veze masnih kiselina nastaju peroksidi koji dalje reagiraju s drugim masnim kiselinama autokatalitička reakcija - propagacija gubitak fluiditeta membrana, inaktivacija membranskih enzima, krajnji proizvodi mogu biti mutageni i kancerogeni!!! najteža posljedica lipidne peroksidacije je stvaranje malondialdehida, MDA i 4- hidroksinonenala tzv. drugih toksičnih glasnika SR s prooksidativnim svojstvima

13 Djelovanja RKS: PROTEINI Oksidativna modifikacija proteina napad na SH skupine alilnih aminokiselina metionina, histidina, cistina, lizina ubrzana proteoliza starenje, poremećaji u prijenosu signala između stanica

14 Djelovanja RKS: DNA Promjena baza krivo očitavanje koda, promjena genske ekspresije putem transkripcijskih čimbenika (najčešće napadnute baze: guanin, timin, uracil) maligna transformacija, zastoj replikacije DNA i smrt stanica...

15 Djelovanja RKS: UGLJIKOHIDRATI Promjene strukture kompleksnih polisaharida (depolimerizacija i fragmentacija glikozaminoglikana, GAG, autooksidacija... ) utječu na reakciju hormon-receptor, strukturu drugog glasnika i dr.

16 Učinci RKS

17 OKSIDATIVNI STRES Oksidacijski stres je rezultat popuštanja antioksidacijske obrane ili suviška stvaranja reaktivnih kisikovih tvari: vodikov peroksid (H 2 O 2 ), superoksidni radikal (O 2.- ), hidroksilradikal (OH. ) i ostale slobodne radikale. Neravnoteža koja dovodi do prevlasti oksidanasa naziva se oksidacijski stres.

18 Pluća: Bubrezi: astma glomerulonefritis kronični bronhitis kronično zatajivanje bubrega Fetus: preeklampsija Zglobovi: Oksidacijski stres reumatizam Srce-žile: artritis arterioskleroza hipertenzija Mozak: ishemija kardiomiopatija Alzheimer Parkinson karcinom starenje zatajenje srca gubitak memorije dijabetes depresija upala moždani udar infekcija

19 Antioksidansi (AO) spojevi sposobni usporiti ili spriječiti oksidaciju drugih molekula Endogeni: a) enzimski (SOD- superoksid dismutaza, CAT- katalaza, GPx - glutation peroksidaza, GRx glutation oksidoreduktaza) b) neenzimski metabolički: lipoična kiselina, glutation, L-arginin, koenzim Q 10, melatonin, mokraćna kiselina, bilirubin, transferin itd., Egzogeni -neenzimski-ao-nutrijensi (pomažu endogenim AO u neutralizaciji oksidacijskog stresa) : vitamin E, C, karotenoidi, elementi u tragu Se, Mn, Zn, flavonoidi, ω-3 i ω-6 masne kiseline...)

20 AO Djeluju preventivno ili chain-breaking i kao hvatači SR: smanjenjem lokalne koncentracije kisika sprječavajući inicijaciju peroksidacije čišćenjem spojeva sposobnih oduzimati H - atome vezanjem slobodnih iona prijelaznih metala u oblik koji neće stvarati reaktivne spojeve uklanjanjem peroksida pretvaranjem u neradikalne produkte kemijskim ili enzimskim čišćenjem SR...

21

22 MTD organofosfornih spojeva Ciljno tkivo živčano enzim acetilkolinesteraza (trenutačno hidrolizira acetilkolin) + eritrocitna kolinesteraza, serumska i jetrena pseudokolinesteraza, neke hidrolaze, fosfataze, peptidaze i proteaze Inhibicija enzima nakupljanje acetilkolina iscrpljivanje depoa na kolinergičnim receptorima 1. učestali impulsi 2. inhibirani impulsi OF spoj sadržava fosforni radikal kojim se veže na esterski dio molekule enzima te ga kompetitivno inhibira (strukturna komplementarnost molekula)

23 MTD organofosfornih spojeva slika

24 MTD organofosfornih spojeva Reakcija se zbiva u 3 stupnja: 1. analogan ranom stadiju hidrolize acetilkolina (reverzibilan) 2. i 3. fosforilacija acetilkolinesteraze (duži proces od fiziološke deacilacije, različito za različite OFS i za različite životinjske vrste) Inhibicija AChE odvija se na: prelazu preganglionarnih na postganglionarne neurone para- i simpatikusa s postganglionarnih para- i simpatičkih vlakana na efektorne organe i žlijezde sinapsama motoričkih živaca na skeletnom mišićju živčanim sinapsama u SŽS-u i leđne moždine

25 MTD organofosfornih spojeva DRUGI MTD OFS esteri fosfora koji sadržavaju kiseline izazivaju fosforilaciju i starenje (dealkilaciju) proteina u neuronima tzv. «neurophaty target esterase» (klinički se očituje kao sindrom prolongirane polineuropatije) degeneracija dugih i širokih motoričkih i senzornih aksona perifernih živaca i leđne moždine

26 MTD karbamata Ciljno tkivo živčano tj. enzim acetilkolinesteraza (i neke aliesteraze) jednako snažni inhibitori AChE kao i OFS (karbamiliraju ga), ali reverzibilno (spontano se reaktivira)

27 MTD piretrina i piretroida Usporavaju i umanjuju ulaz Na u živčanu stanicu i umanjuju izlaz K + inhibicija adenozin trifosfataze (ATP-aza) poremećaj prometa Ca++ na živčanom vlaknu pad amplitude akcijskog potencijala ponavljanje živčanih podražaja

28 MTD piretrina i piretroida Piretroidi tipa II: remete vezanje GABA-e i glutaminske kiseline na receptorsko mjesto Tijekom metabolizma piretroida razvija se oksidativni stres ( aktivnost superoksid dismutaze i katalaze, reducirani glutation u eritrocotima = početni adaptivni proces na oksidativni stres).

29 MTD antikoagulanasa inhibicija sinteze faktora zgrušavanja krvi: protrombina (faktor II), prokovertina (VII), Christmasova faktora (IX) i Stuart Proverova faktora (X) zbog interferencije otrova s pretvorbom vitamina K 1 Inhibicija konverzije vitamin K-epoksida (filokinon epoksid) u vitamin K 1 zbog inhibicije enzima epoksid reduktaze + oštećuju endotel krvnih kapilara hemoragična dijateza, akutna anemija, hipoksija tkiva

30 MTD fosfida cinka, aluminija, magnezija i kalcija Iz soli fosfida u kiselom mediju želuca oslobađa se toksični plin fosforovodik (PH 3 ) inhibicija enzima citokrom c oksidaze (umanjeni oksidativni procesi u mitohondijima) - poremetnje u radu srca, pluća, probavnog i živčanog sustava - nakon resorpcije PH 3 u krvi nagli pad hemoglobina te porast konc. Fe

31 MTD vitamina D 3 hidroksilacija u jetri kolekalciferol 25-OHD 3 hidroksilacija u bubrežnom epitelu 1,25-diOHD 3 ovaj aktivni metabolit djeluje na metabolizam Ca u organizmu - povećava resorpciju Ca iz probavnog kanala - povećava resorpciju Ca iz kostiju (PTH) - povećava reapsorpciju Ca u bubrezima povišena konc. Ca u krvi poremetnje u provodljivosti srca, arest, opća mineralizacija tkiva

32 MTD strihnina kompetititivni i reverzibilni antagonizam prema inhibitornom neurotransmitoru glicinu mjesto djelovanja: povratni inhibitorni interneuroni (renshaw cells) na refleksnom luku kralježnične i produžene moždine nekontrolirana ekscitacija spinalnih refleksa tonični grč ekstenzora

33 MTD dipiridila (parakvat, dikvat) oba su snažne redoks tvari stvaranje sobodnih radikala peroksidacija lipida staničnih membrana apoptoza alveole tipa I NADPH cit. P450 reduktaza parakvat slobodni radikal osidacija reduciranog parakvata O 2.- superoksidni radikal O polinezasićene masne kis. iz membrane lipid-hidroperoksidi lipid-radikali... destrukcija membrana stanica alveola

34 MTD metaldehida hidroliza/depolimerizacija (HCl) metaldehid acetaldehid u mozgu otrovanih miševa: smanjena konc. GABA-e (inhibitorni neurotransmitor), povećana aktivnost MAO (monoamino oksidaza) snažna ekscitacija središnjeg i periferng živčanog sustava

35 MTD Hg anorganski i organski spojevi: izrazita sklonost stavaranju kompleksa sa sumporom, tj. tiolnim - SH-skupinama aminokiselina, bjelančevina, enzima inaktivacija enzima izaziva oksidativni stres (peroksidacija lipida, bjelančevina) oštećenje tkiva

36 MTD Hg Hg brzo stvara kovalentne veze sa sumporom Hg premješta H 2 (2 atoma) i stvara merkaptide: X-Hg-SR i Hg(SR) 2 (gdje je R = protein i S = elektronegativni radikal). Inaktivacija enzima i oksidativni stres rezultiraju oštećenjem epitela i neurona: oštećenja gastrointestinalne sluznice; lezije na koži; oštećenja bubrežnih tubula (posebno s anorganskom živom); oštećenja krvnih žila i neurona u mozgu (posebno s metil živom).

37 MTD Fe slobodno Fe dovodi do oksidativnog stresa: feri-oblik Fe(III) reducira se u fero-oblik Fe(II) koji može inducirati sintezu toksičnih peroksida i slobodnih radikala. Ovi visoko reaktivni spojevi izrazitog oksidativnog djelovanja oštećuju staničnu stijenku i membrane organela (lipidni sloj), te bjelančevine i nukleinske kiseline u citoplazmi teška oštećenja integriteta i funkcije stanice i staničnih organela.

38 MTD Cu Suvišak Cu odlaže se u lizosomski sustav jetre gdje potiče katalitičku oksidaciju lipida lizosomske membrane tj. stvaranje peroksida i njezinu rupturu, te izlazak lizosomskih enzima i Cu u stanicu nekroza hepatocita nagli prelaz velike količine bakra u krv oksidacija reduciranog eritrocitnog glutationa, hemoliza i hemoglobinemija hemoglobinurija, žutica, sinteza methemoglobina = hemolitička kriza

39 Bakar se ugrađuje u jetru zbog pretjeranog unosa (malo Md i malo sulfata povećava nakupljanje Cu) Oštećenje jetre + Obično neki stresni činitelj Naglo otpuštanje bakra Hemoliza, žutica, hemoglobinemija, hemoglobinurija Oštećenje bubrega Kolaps i smrt za sata većine ovaca

40 MTD Zn velike doze Zn u probavnom sustavu nadražuju sluznicu lokalne nespecifične upalne i degenerativne promjene, do nekroze (povraćanje, proljev, dehidracija, kolike) interferira s Cu, Ca, Fe i Mn (suvišak Zn dovodi do pomanjkanja ovih elemenata)

41 MTD As 3 + : organski i anorganski spojevi As su primarno -SH reagensi: upliću se u trikarboksilni ciklus, pr. vežu se za lipoičnu kiselinu u sustavu piruvat oksidaza (umanjeno stanično disanje) epiteli (osobito probavnog sustava), bubrezi, jetra dilatacija i oštećenje kapilara transudacija (u većini visceralnih organa) vaskularni otrovi

42 MTD As 5 + anorganski spojevi (arsenati): zamijenjuju fosfat u oksidativnoj fosforilaciji što dovodi do raskopčavanja oksidativne fosforilacije tj. zakočenog staničnog disanja i nedostatka O 2 ( T). abnormalnosti na kromosomima supstitucija fosfata na DNK lancu. 5 + organski spojevi: aditivi u hrani: uzrokuju nestašicu vit. B-kompleksa, najviše tiamina i piridoksina demijelinizacija perifernih živaca i degeneracija aksona

43 MTD Se Se iz selenida kompetira sa S u -SH skupinama, stvara SeH u sustavu dehidrogenaza (inhibicija) inaktivacija koenzima A upliće se u metabolizam glutationa - oksidativni stres

44 MTD Se povećava se aktivnost plazmatske glutation peroksidaze smanjenje oksidiranog i porast reduciranog glutationa peroksidacija membranskih lipida histopatološke lezije u odraslih jedinki, usporen i smanjen rast, imunodepresija i teratogene pr. organski spojevi Se (pr. selenoaminokiseline) vežu se na -SH skupine bjelančevina

45 MTD Pb temelji se na afinitetu ioniziranog olova prema tiolnim, karboksilnim i fosfatnim skupinama - veže se za SH; -COOH i -PO 4 skupine), tj. aktivnim molekulama koje sadrže te skupine: inhibicija aktivnosti enzima i na kompeticiji s esencijalnim kationima na odgovarujućim receptorima: uplitanje u promet npr. Ca. na subcelularnoj razini selektivno se kumulira u mitohondriju, uzrokuje njegovo strukturno i funkcionalno oštećenje; u visokim koncentracijama Pb interferira s GABAom (snizuje konc. GABA-e - inhibitornog neurotransmitera na interneuronskim vezama u SŽS).

46 MTD Pb inhibira brojne enzime u raznim tkivima - remeti aktivnost enzima koji kataliziraju procese u eritropoetskom i živčanom sustavu, procese u jetri i u bubrezima u koštanoj srži remeti erotropoezu: inhibira aktivnost enzima dehidrataze delta aminolevulinske kiseline koja sintetizira porfirinogen od dvije molekule aminolevulinske kiseline ALA kod otrovanja olovom povećana je koncentracija ALA zbog inhibicije enzima δ -ALAD.

47 MTD Cd 1. Biokemijska osnova toksičnog djelovanja kadmija na stanicu je peroksidacija lipida i oksidativni stres te apoptoza koja započinje poremećenim metabolizmom u mitohondrijima - djeluje negativno na muške spolne stanice, - djeluje teratogeno: izaziva vanjske malformacije, usporava metabolizam u kostima tijekom razvoja i sazrijevanja - uzrokuje vakuolizaciju u bubrezima i djeluje embriotoksično

48 MTD Cd 2. Jedna od biokemijskih osnova toksičnog učinka kadmija je snažan afinitet prema -SH skupinama. 3. U patogenezi toksičnog učinka kadmija važan je odnos Cd prema Zn, Fe i Cu, Se i Ca, inhibira prihvaćanje cinka u tkiva (suvišak cinka u hrani prevenira otrovanje kadmijem). Interakcija kadmija s Cu i Fe - deficijenciju i tih kovina. Inhibira učinak vitamina D pri resorpciji Ca iz probavnog kanala. 4. Kardiotoksičan je zbog ihibicije prijetvora piruvata u malat u mitohondrijima srčanog mišiča.

49 MTD fluora Osnova sindroma dentalne i skeletne fluoroze temelji se na poremetnjama i usporavanju mineralizacije matriksa skeletnog koštanog tkiva, matriksa dentina, cementa i cakline zubiju. skeletna fluoroza: promjene u tijeku procesa osteogeneze: abnormalni rast koštanog tkiva u obliku egzostoza, i pojačana resorpcija minerala iz kostiju do osteoporoze. dentalna fluoroza - oštećenje odontoblasta, stanica vezivnog tkiva koje stvaraju sloj dentinskih vlakana i tubula u koje se odlaže dentin, i ameloblasta, epitelnih stanica, koje stvaraju caklinu.

50 MTD cijanida cijanidni ion + Fe na enzimu citokrom oksidazi stabilni kompleks (Fe ostaje u 3+ stanju). Takav citokrom ne može s hemoglobina preuzeti O 2, pa zastane proces staničnog disanja stanična hipoksija, tj. tzv. citotoksična anoksija; O 2 ostaje u krvi; krv i sluznice su svjetlo crveno obojene.

51 MTD nitrata Ako se nitrati brzo ne reduciraju u nitrite, pa se iz probavnog kanala resorbiraju u većoj količini: mogu imati snažan diuretički učinak dehidracija i alkaloza; remete funkciju štitnjače, J izlazi iz žlijezde i izlučuje se iz organizma hipertrofija štitnjače; potiču pojačano izlučivanje Na i Cl.

52 MTD nitrita 1. nakon resorpcije uzrokuju snažnu vazodilataciju Učinak je posljedica izravnog djelovanja NO 2 na glatku muskulaturu manjih arterija i arteriola, posebno postarterijskih kapilara i venula. 2. oksidacija dvovaljanog željeza u hemoglobinu u trovaljano željezo, hem prelazi u hematin, tj. hemoglobin u methemoglobin, koji ne može vazati O 2 opća anoksija tkiva nitritska sinkopa. e m b r i o t o k s i č n o s t - hipoksija placente i fetusa n a s t a n a k N - n i t r o z o - s p o j e v a ( nitrozamina) - reakcije s sekundarnim biogenim aminima

53 MTD soli Nakon p.o. uzimanja, prevelika količina NaCl draži sluznicu probavnog kanala povraćanje, prolazni proljev; zbog dehidracije organizma, pojačana je resorpcija vode iz kolona i rektuma začep. Resorpcija veće količine NaCl povisi osmotski tlak krvi hipertonija krvi s posljedicama u svim parenhimskim organima (najviše u bubrezima i mozgu).

54 MTD soli U početku pojačano izlučivanje NaCl bubrezima uz ekvivalentnu količinu vode prolazna poliurija voda se povlači iz vodom bogatog tubularnog epitela u krv stanice tubula se skvrče, kanali u tubulima se prošire kao i kapilare koje oplakuju tubule. poremeti se bubrežna funkcija anurija

55 MTD soli U SŽS-u: suvišak NaCl u krvi izvlači u početku vodu iz stanica endotela kapilara mozga i moždanih ovojnica koje se skvrče povećan stupanj propusnosti izlazak vode i soli u intersticijski prostor - perivaskularni /Virchow- Robinov/ prostor i u cerebrospinalnu tekućinu pa se razvije edem mozga.

56 MTD soli U SŽS-u: Povišena koncentracija NaCl i povećana količina vode u cerebrospinalnoj tekućini dovodi do njihove difuzije i u moždane stanice stvaranje edema. Suvišak Na u moždanim stanicama inhibicija sinteze energije neophodne za njegovo aktivno izlučivanje iz mozga

57 MTD soli

58 MTD ureje (amonijaka) (1) utjecaj na ph krvi i tkivne tekućine (acidoza) što remeti aktivnost velikog broja enzima, (2) specifična blokada prijetvora alfaketoglutarne kiseline, čime je blokiran Krebsov ciklus, i (3) amonijeve soli inhibiraju transport kroz memebrane stanica, što uzrokuje umanjeno iskorištavanja glukoze.

59 MTD etilen glikola djelomično vezan za izvornu molekulu etilen glikol koja prolazi hematoencefalnu barijeru djeluje depresivno na SŽS inkoordinacija; etilen glikol je i osmotski aktivan - diuretski učinak.

60 MTD etilen glikola Glavni toksični učinak posljedica je djelovanja metabolita nastalih biotransformacijom etilen glikola: Najvažniji toksični učinak ispoljavaju glikolna kiselina (izaziva jaku metaboličku acidozu) i oksalična kiselina (sa Ca stvara kristale u bubrezima i moguće u mozgu i drugim tkivima).

61 MTD etilen glikola

62 MIKOTOKSINI