Oxidativní stres
¨ . O—O Volné radikály Částice s nepárovým elektronem 2s 2p superoxidový anion O2- kyslík - O - 1s2 2s2 2p4 Vznik radikálů homolytické štěpení vazby přijetí elektronu ztráta elektronu Cl - C - Cl - Cl Cyt P 450 Cl - C . + . Cl O2 + e- O2- O22- - e-
Volné radikály Redukce molekulárního kyslíku Redukce +4 e- Molekulární kyslík O2 (triplet • O-O • nebo singlet O-O:) Redukce +4 e- + 1e- Superoxidový radikál O2- (• O-O:) + 1e- Peroxid vodíku H2O2 (H-O-O-H) ROS (Reactive Oxygen Species) + 1e- Hydroxylový radikál OH - (H-O•) + 1e- Voda H2O (H-O-H)
Hlavní zdroje volných radikálů Vznik volných radikálů Metabolismus Mitochondrie Zánět - imunitní reakce Bílé krvinky UV záření Ionizační záření Kouření Znečištění ŽP Poškození DNA Hlavní zdroje volných radikálů Dýchací řetězec v mitochondriích 1 - 4 % O2 při oxidativní fosforilaci přeměněno na superoxid a H2O2 Biotransformace v endoplazmatickém retikulu reakce katalyzované Cyt P450 vedoucí ke vzniku volných radikálů Bílé krvinky ROS jako ochrana při napadení bakteriemi (enzym NADPH - oxidáza) Fentonova reakce přechodových kovů Fe++ + H2O2Fe+++ + HO– + HO. Fyzikální faktory UV a X-ray záření
Antioxidační mechanismy GSH GS- SG Antioxidační mechanismy Endogenní antioxidanty enzymatické cytochrom C SOD (superoxid dismutáza) - katalyzuje reakci 2O2. - + 2H+ H2O2 + O2 GSHPx (gluthathion peroxidáza) - kat. 2G-SH + ROOH GS-SG + H2O + ROH kataláza - kata. 2H2O2 2H2O + O2 neenzymatické (-tokofenol (vitamín E), -karoten, koenzym Q-10, kys. askorbová (vitamín C) apod...) Exogenní antioxidanty stopové prvky Se - vliv na absorpci vitamínu E, součást selenoproteinů Zn - stabilizace buněčných membrán, antagonista Fe
Oxidativní stres antioxidační procesy nestačí eliminovat nadbytek volných radikálů Oxidační procesy Antioxidanty Oxidativní stres Ochrana proti OS
Oxidativní stres Oxidace fosfolipidů Biologický efekt iniciace - CH2 - + •OH - CH - + H2O • propagace - CH2 - + O2 - COO + H2O - COO • + •OH - CO • + H2O • terminace - CO• + •OH - C-O-OH Biologický efekt snížení fluidity fosfolipidické dvojvrstvy, zvýší se výměna fosfolipidů mezi vrstvami, zvýší se prostupnost membrány vliv na funkci membránově vázaných proteinů
Oxidativní stres Oxidace proteinů Biologický efekt fragmentace, koagulace reakce s Fe v hemu změna funkčních skupin Biologický efekt změna aktivity enzymů změna v toku iontů proteolýza
Oxidativní stres Oxidace DNA Biologický efekt oxidace deoxyribosy změna struktury dusíkaté báze - nejčastěji guaninu rozrušení vodíkové vazby Biologický efekt vznik mutace změny v translaci inhibice proteosyntézy
Toxikologie těžkých kovů
Obecné zákonitosti Účinek výrazně ovlivněn chemickou formou kovu elementární kov (Pb) anorganické sloučeniny (PbCl2) organokovy (CH3CH2)4Pb Častější chronický účinek spojený s akumulací, než akutní účinek Akumulace v kostech (Pb), vlasech (As), kůži (Ag, As) a měkkých tkáních Dlouhý biologický poločas Toxický účinek často spojen s náhradou esenciálního prvku (Pb-Ca; Cd-Zn; Ni - Mg/Co; As5+ - P5+) Hlavní cílové orgány jsou: organokovy - CNS anorganické ionty - ledviny a místo expozice (plíce, kůže, GI) imunitní systém, při GI aplikaci játra
Mechanismy účinku Antidota Interakce s -SH skupinami enzymů - inaktivace denaturace proteinů porušení struktury buněčných membrán, poškození mitochondrií oxidativní stres katalýza reakcí, při nichž vznikají ROS inhibice antioxidačních enzymů interakce s esenciálními prvky méně častá je interakce s DNA (Cr6+ ; As5+) Antidota chelatační činidla tvorba stabilních hydrofilních komplexů urychlení a zvýšení efektivity exkrece
Arsen Lewisit (2-chlorvinil-dichlorarsen) šedý polokov, ve sloučeninách v ox. stavech 3- (arsenidy), 3+ a 5+ O = As - O - As = O Výroba a použití výroba slitin - zvyšuje odolnost Cu proti korozi, zvyšuje tvrdost a křehkost Au kyselina kakodylová - selektivní herbicid NaAsO3 - defoliant 90 % - konzervace dřeva (H3AsO3), pesticidy a insekticidy (tabák, bavlna,...) Lewisit CH2AsCl3 Pohyb v přírodě organokovové sloučeniny As v humřím a krabím mase kontaminace vodních zdrojů (Argentina, Čína, Taiwan) - „Blackfoot disease“
Arsen Mechanismus toxického účinku Toxicita - obecně vazba na - SH skupiny enzymů a jejich inaktivace blokáda energetického metabolismu buněk (citrátový cyklus) - As3+ blokáda tvorby gluthationu (GSH) - oxidativní stres - As3+ interakce As5+ a P5+ - blokáda tvorby ATP a genotoxicita Toxicita - obecně akutní toxicita sloučenin As3+ vyšší než sloučenin As5+ (absorpce) sloučeniny As5+ více karcinogenní účinky - zejména rakovina plic a kůže organické sloučeniny méně toxické než anorganické (exkrece) sl. rozpustné ve vodě - vyšší akutní toxicita, systémové účinky sl. nerozpustné ve vodě - chronické plicní choroby
Arsen Metabolismus Akutní účinky Symptomy Antidotum T1/2 = 10 h - 3 dny v krvi cirkulující sloučeniny As dobře procházejí placentární bariérou hlavní cílové orgány - játra, ledviny, krev, nervy, kůže a nehty As se ve vysoké míře koncentruje ve vlasech a nehtech, ukládá se též v měkkých tkáních (játra, ledviny) Akutní účinky TD50 As2O3 pro člověka 30 - 50 mg, LDL0 = 60 - 80 mg, LD50 = 200 - 300 mg cesty vstupu - GI, inhalačně (AsH3) i transdermálně Symptomy nejprve sucho a pálení v ústech a jícnu, GI potíže (zvracení, průjem, křeče), stolice a dech mohou páchnout po česneku, závratě, selhání krevního oběhu v důsledku poškození jater a ledvin - během 2 - 24h při expozici AsH3 - bolest hlavy, dušnost, slabost a poté GI symptomy hemolýza a tmavě rudá moč (+4-6 h), žloutenka (+24 - 48 h) Antidotum BAL, DMPS a DMSA
Antidota DMSA DMPS Dimerkaptopropan sulfonát sodný Kyselina 2,3 dimerkaptojantarová DMSA DMPS
Arsen Rakovina kůže Mee’s stripes Blackfoot disease Hyperpigmentace Hyperkeratinóza Blackfoot disease Arsen Subakutní a chronické účinky Symptomy bolestivá distální polyneuropatie - necitlivost chodidel únavnost, anorexie, koliky, poškození kostní dřeně kožní projevy (hyperkeratinóza, hyperpigmentace), nehty („Mee’s nails”) chronická onemocnění jater (cirhóza) a ledvin onemocnění periferního oběhového systému a následná gangréna (“Blackfoot disease”) Reprodukční toxicita malá porodní váha, riziko diabetu, riziko nervových onemocnění Karcinogenita As prokazatelně zvyšuje riziko vzniku rakoviny kůže a plic zvýšené riziko vzniku rakoviny jater
Rtuť Výroba a použití elementární rtuť v teploměrech, polarografie elektrické články - naslouchací přístroje, detektory kouře, hračky rtuťové výbojky - promítací přístroje, reflektory, laboratorní technika katalyzátor při výrobě vinylchloridu součást některých léků - diuretika, antiseptika, dermatologika antibakteriální a fungicidní přísada - nátěry, moření osiva zubařské amalgámy, amalgamace zlatých a stříbrných rud arysloučeniny k denaturaci lihu výroba chloru a louhu sodného
Rtuť Mechanismus toxického účinku inhibice antioxidačních enzymů - SOD a katalázy vazba Hg2+ na - SH skupiny glutathionu (GSH) Hg2+ je pro-oxidant - zvyšuje množství H2O2 vazba na Se - inhibice GSHPx Oxidativní stres snížená produkce neurotransmiterů inhibice celé řady hormonů - hormony štítné žlázy, testosteron, katecholaminy nekróza nervových buněk
Rtuť Rtuť (Hg) Tři toxikologicky odlišné formy rtuti Absorpce elementární - Hgo (teploměry, elektrody, výroba kovů, amalgámy) anorganická - Hg+ a Hg2+ (vydělávání kůží, zpracování plsti) organická - methylrtuť (moření osiva, metabolizace anorg. Hg) Rtuť tři toxikologicky odlišné formy rtuti - elementární, anorganická a organická Absorpce elementární rtuť vstřebává se ve formě par plícemi (z 80 %) , má vysokou afinitu k červeným krvinkám a snadno prostupuje přes hematoencefalickou bariérou, prakticky se neabsorbuje v GI, kůží se absorbuje ve formě mastí anorganické ionty se v GI vstřebávají poměrně málo (asi ze 7 %) methylrtuť se vstřebává dobře (95 %), velmi snadno prostupuje do CNS Distribuce elementární a anorganická rtuť se koncentruje v ledvinách a červených krvinkách organická rtuť se koncentruje v CNS (týlní lalok velkého mozku a mozeček), snadno prochází placentární bariérou - koncentruje se v plodu, dále se koncentruje ve vlasech a kůži
Rtuť Exkrece Biotransformace enterohepatická cirkulace - z Hg2+ v játrech vzniká methylrtuť, ta podlehne v tenkém střevu hydrolýze, je znovu absorbována....... T1/2 methylrtuť = 70 dní, T1/2 anorg. = 40 dní, T1/2 elementární = 35 - 90 dní Biotransformace elementární rtuť a Hg22+ ionty jsou oxidovány na Hg2+ - zvýšení toxicity některé bakterie jsou schopné methylovat rtuť
Rtuť Akrodinie Akutní orální toxicita Elementární Hg - akutní účinky LD50 potkan Hg2Cl2 166 mg/kg LD50 potkan Hg (CN)2 25 mg/kg LD50 potkan Hg2 SO4 205 mg/kg LD50 potkan Hg SO4 57 mg/kg LD50 myš Hg2Cl2 1500 mg/kg LD50 myš Hg (CN)2 33 mg/kg LD50 myš Hg2 SO4 152 mg/kg LD50 myš Hg SO4 25 mg/kg Akrodinie Rtuť Elementární Hg - akutní účinky inhalace par - poleptání dýchacích cest, bronchitida, pneumonitida poškození ledvin a CNS Anorganická Hg - akutní účinky HgCl2 - při požití leptá GI, způsobuje hnisavé vředy, silnější účinek na ledviny a slabší na CNS než Hg0 Hg2Cl2 - méně toxický než Hg2+ - hůře se vstřebává Elementární a anorganická Hg - chronické účinky poškození CNS - třes, excitovanost nebo apatie, změny osobnosti - nepříčetnost, halucinace zvětšení štítné žlázy, zánět dásní, slinění, zrychlení srdeční frekvence nefrotický syndrom děti 4 měsíce - 4 roky - akrodynie („Růžová nemoc“)
Rtuť Minamata (1952) Organické sloučeniny Hg Frekvence jednotlivých symptomů - „Minamata disease“ (v %) Popis symptomu plod děti dospělí Snížení mentální výkonnosti 100 100 71 Source: (Environmental Mercury Contamination: Hartung & Dinman, Ann Arbor Science Publishers Inc., 1972) Ataxie 100 100 94 Poruchy chůze 100 100 82 Poruchy řeči 100 94 88 Poruchy sluchu 4- 5? 67 85 Zúžení zorného pole - 100? 100 Poruchy žvýkání a polykání 100 89 94 Nevědomé pohyby (tiky) 73 40 27 - 76 Nadměrné slinění 72 56 24 Hlasitý smích 27 29 Foto: W. Eugene Smith Minamata (1952) Rtuť Organické sloučeniny Hg methylrtuť se přednostně koncentruje v mozku, pomalá demethylace fenylrtuť je méně toxická nekróza nervových buněk u zvířat zjištěno i poškození chromozomů „Minamata disease“ 1952 - odpadní vody z továrny na výrobu plastů s vysokým obsahem síranu a chloridu rtuťnatého vypouštěny do zátoky Minamata (Japonsko) mořské řasy - methylace, akumulace methylrtuti v rybách celkem onemocnělo 397 lidí, na následky zemřelo 68 (včetně 22 potratů) mnoho dětí narozených v rozmezí let 1953 - 1959 - mentální retardace, poruchy motorického svalstva Bakir et al., 1973: V Iráku 6000 lidí otráveno (459 zemřelo) methylrtutí po požití chleba z mouky vyrobené z ošetřeného obilí, koncentrace Hg v mouce 4,8 - 14,6 g/g, rozsah Hg v krvi 10 - 500 g/DL, toxické projevy- paralýza, poškození zraku a sluchu, porucha artikulace, koma smrt při více než 300 g/DL.
Toxicita Hg - přehled
Rtuť Zásady při zacházení Antidota pro úklid kovové Hg nepoužívat vysavač větrat pozor na poškození zlatých šperků použití Zn prášku, následně 5-10 % H2SO4 Antidota BAL - koncentruje Hg v mozkové tkáni D - penicilamin - alergie EDTA - odstraňuje Hg pouze z krve a povrchu buněk DMSA - odstraňuje Hg z mozku, jater a ledvin