MEHANIZMI DJELOVANJA OTROVA Doc.dr.sc. Andreja Prevendar Crnić Zavod za farmakologiju i toksikologiju Veterinarski fakultet Sveučilište u Zagrebu
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.
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
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
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.
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... 4. ireverzibilna fosforilacija enzima acetilkolinesteraze s OF spojevima
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. )...
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...
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)
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..)
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
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
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...
Djelovanja RKS: UGLJIKOHIDRATI Promjene strukture kompleksnih polisaharida (depolimerizacija i fragmentacija glikozaminoglikana, GAG, autooksidacija... ) utječu na reakciju hormon-receptor, strukturu drugog glasnika i dr.
Učinci RKS
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.
Pluća: Bubrezi: astma glomerulonefritis kronični bronchitis 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
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...)
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...
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)
MTD organofosfornih spojeva slika
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
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
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)
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
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).
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
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
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
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
MTD dipiridila (parakvat, dikvat) oba su snažne redoks tvari stvaranje sobodnih radikala peroksidacija lipida staničnih membrana apoptoza alveole tipa I parakvat NADPH cit. P450 reduktaza slobodni radikal osidacija reduciranog parakvata O.- superoksidni 2 radikal O 2. - + polinezasićene masne kis. iz membrane lipid-hidroperoksidi lipid-radikali... destrukcija membrana stanica alveola
MTD metaldehida metaldehid hidroliza/depolimerizacija (HCl) acetaldehid u mozgu otrovanih miševa: smanjena konc. GABA-e (inhibitorni neurotransmitor), povećana aktivnost MAO (monoamino oksidaza) snažna ekscitacija središnjeg i periferng živčanog sustava
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
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).
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.
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
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 24-48 sata većine ovaca
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)
MTD As
MTD Se
MTD Cd
MTD Pb
MTD fluora
MTD cijanida
MTD nitrata i nitrita
MTD ureje
MTD natrijevog klorida
MTD etilen glikola
MIKOTOKSINI