Interakce toxické látky s organismem Biotransformace Exkrece Interakce TL s receptorem Toxikologie (C005)

Toxikokinetika (ADME) Tkáňová depa volný podíl vázaný podíl Místo účinku vázaný podíl volný podíl Absorpce Volný podíl TL Exkrece Vázaný podíl TL na PP Metabolity Průchod přes buněčnou membránu Biotransformace

Biotransformace Toxická látka Metabolit Konjugát metabolická přeměna xenobiotika nejčastěji probíhá v játrech (méně často v mozku, krevní plazmě, plicích , tenkém střevě, ledvinách a kůži zvýšení hydrofility toxické látky  snadnější exkrece biotransformační rakce jsou enzymaticky katalyzované 1. fáze biotransformace - syntetická, velmi závislá na struktuře TL 2. fáze biotransformace - konjugační, závislá na přítomnosti funkčních skupin v molekule TL Toxická látka Metabolit Konjugát 1. fáze 2. fáze

O S O H Sulfátová konjugace Fenyl sulfát O H C O O H Fáze I O Fáze II Reaktivní funkční O S O H skupina Sulfátová 3 konjugace Fenyl sulfát O H C O O H Fáze I O Fáze II O H O P450 O H hydroxylace O H Benzen Fenol Fenyl glukuronid Glucuronidová Konjugace Molekulová hmotnost a polarita vzrůstá

Toxická látka 1 fáze biotransformace 2 fáze biotransformace Silně lipofilní Metabilicky stabilní Lipofilní Polární Hydrofilní 1 fáze biotransformace aktivace nebo inaktivace oxidace, redukce, hydrolýza Akumulace v tukové tkáni 2 fáze biotransformace inaktivace konjugační reakce Polární Hydrofilní Extracelulární tekutiny exkrece játry cirkulace v plazmě exkrece ledvinami

1. fáze biotransformace Oxidace zavedení polární funkční skupiny do molekuly lipofilní tox. látky - OH, -NH2, -SH, = CO, - COOH reakce 1. fáze biotransformace: oxidace, redukce, hydrolýza v 1. fázi biotransformace může docházet jak ke snížení tak ke zvýšení toxicity Oxidace ztráta elektronu  ztráta vodíku, přijetí kyslíku enzymaticky katalyzované reakce cytochrom P - 450 (CYP 450) alkoholdehydrogenáza (ADH) ...............

Enzymy E + S  [ES]  [EP]  P + E Většinou (60 - 70 %) složené bílkoviny: APOENZYM - bílkovinná část - substrátová specificita (typ metabolizované látky) KOFAKTOR - nebílkovinná část (metaloproteiny, lipoproteiny, ......) - reakční specificita (typ reakce) E + S  [ES]  [EP]  P + E enzym (biokatalyzátor) - snížení aktivační energie příslušné reakce Faktory mající vliv na rychlost enzymaticky katalyzované reakce koncentrace substrátu (saturační křivka) a enzymu (lineárně) fyzikálně chemické vlastnosti prostředí - pH, teplota efektory - induktory a inhibitory

Cytochrom P- 450 Oxygenace katalyzovaná cytochromem P- 450 membránově vázané hemoproteiny obsahující Fe3+ nachází se hlavně v hladkém endoplazmatickém retikulu jaterních buněk (mikrozomální frakce jaterního homogenizátu) účastní se metabolizmu endogenních látek (živiny) i xenobiotik (toxické látky, léky) nespecifický enzym Oxygenace katalyzovaná cytochromem P- 450 XH + O2 + NADPH + H+ X-OH + H2O + NADP+ cyt P-450 NADPH (nikotinamid-adenin-dinukleotid-fosfát) - koenzym, donor vodíku

Cytochrom P- 450

Oxidace katalyzované CYP- 450 Hydroxylace alifatického uhlovodíku CYP - 450 CH3 – CH3 CH3 – CH3 – OH etan etanol CYP - 450 R – CH2 – CH3 R – CH – CH3 OH CYP - 450 R – CH – CH3 R – C – CH3 R R OH

Oxidace katalyzované CYP- 450 Hydroxylace jádra aromatického uhlovodíku příklad zásadního zvýšení toxicity látky v první fázi biotransormace arenoxid je velmi reaktivní, váže se na dusíkaté báze v nukleových kyselinách (DNA, RNA) – podstata karcinogenního účinku aromátů CYP - 450 Benzen Fenol Arenoxid (epoxidická vazba)

Oxidace katalyzované CYP- 450 Hydroxylace postranního řetězce aromatického uhlovodíku hydroxylace probíhá přednostně na postranním řetězci Nevniká arenoxid – aromáty s postranním řetězcem jsou méně genotoxické než aromáty bez postranního řetězce P - 450 P - 450 Toluen Kyselina benzoová Benzylalkohol

Oxidace katalyzované CYP- 450 Epoxidace dvojné vazby při hydroxylaci dvojné vazby vzniká epoxid – potencionální genotoxicita EH – epoxid hydroláza ADH – alkohol dehydrogenáza, ADH – aldehyd dehydrogenáza

Oxidace katalyzované CYP- 450 N-hydroxylace aminů vznik reaktivních aryl-hydroxylaminů – vysoká genotoxicita anilin fenyl – hydroxylamin nitrosobenzen nitrobenzen konjugát s GSH GSH – glutathion

Další oxidace katalyzované CYP- 450 dehalogenace O,N,S - dealkylace oxidativní deaminace 4-hydroxy amfetamin CYP 2D6 + NH3 amfetamin fenylaceton

Oxidace nekatalyzované CYP- 450 Dehydrogenace alkoholů a aldehydů Alkohol dehydrogenáza (ADH) metaloenzym obsahující Zn2+ složený ze dvou bílkovinných podjednotek nachází se v cytosolu buněk - především v játrech, dále pak v žaludku, ledvinách, nosní sliznici a děloze je nespecifický - katalyzuje oxidace celé řady primárních a sekundárních alkoholů dětský plod nemá funkční ADH !!! genetický polymorfismus – geneticky podmíněná různá míra funkčnosti ADH ADH CH3 – CH3 – OH CH3 – CH = O etanol etanal (acetaldehyd) NAD+ NADH

Oxidace nekatalyzované CYP- 450 Dehydrogenace alkoholů a aldehydů Aldehyd dehydrogenáza (ALDH) enzym ADH 1 - cytosol, ADH 2 - mitochondrie - nejvíce jaterní buňky genetický polymorfismus OH ALDH CH3 – CH = O CH3 – C = O acetaldehyd kyselina octová NAD+ NADH ALDH ADH

Hydrolýza Hydrolýza esterů + kys. salicylová kys. octová (Acylpyrin) katalyzované enzymy přítomnými v játrech a ledvinách (rozpustná frakce) a v krevní plazmě, významná je i jejich přítomnost v žaludku Hydrolýza esterů Esteráza + kys. acetylsalicylová (Acylpyrin) kys. salicylová kys. octová

Hydrolýza Hydrolýza amidů + 2,6 - Xylidin dietylaminoacetát Amidáza Lidokain (lokální anestetikum) 2,6 - Xylidin dietylaminoacetát

Redukční reakce Redukce nitrosloučenin přidání H, odebrání O katalyzováno reduktázami - CYP 450 reduktáza jako kofaktor NADP+, .... Redukce nitrosloučenin

Redukční reakce Redukce aldehydů CH3 – CH = O CH3 – CH3 – OH acetaldehyd etanol Redukce kovových iontů AsV AsIII [zvýšení toxicity] SeVI SeIV CrVI CrIII [snížení toxicity]

2. fáze biotransformace A – X + B – Y A – B + X – Y TL se přes polární funkční skupinu váže na vysokomolekulární endogenní konjugační činidlo konjugát má obvykle menší biologickou aktivitu, vyšší rozpustnost ve vodě a vyšší molekulovou hmotnost než původní látka (metabolit z 1. fáze) enzym A – X + B – Y A – B + X – Y Xenobiotikum s funkční skupinou nebo produkt 1. fáze biotransformace Další produkt Konjugační činidlo Konjugát

2. fáze biotransformace B Y Zbytek kyseliny glukuronové Konjugace s kyselinou glukuronovou konjugační činidlo – Uridin difosfát glukuronová kyselina (UDPGA) enzym – UDP glukoronosyltransferása (UGTs) funkční skupiny : -OH;-COOH; -NH2; -NH; -SH B Y Zbytek kyseliny glukuronové

2. fáze biotransformace Konjugace s kyselinou glukuronovou Nikotin

2. fáze biotransformace Y B Zbytek kyseliny sírové Sulfátová konjugace konjugační činidlo – Fosfoadenosin fosfosulfát (PAPS) enzym – sulfotransferása funkční skupiny : alifat-OH, aromát-OH; aromát -NH2 Y B Zbytek kyseliny sírové

2. fáze biotransformace + PAP + PAPs Fenol Fenylsulfát Sulfátová konjugace + PAP sulfotransferása + PAPs Fenol Fenylsulfát

2. fáze biotransformace B Zbytek kyseliny octové Acetylace konjugační činidlo – Acetylkoenzym A (Acetyl CoA) enzym – cholin acetyltranferáza (ChAT) funkční skupiny : alifat-NH2; aromát -NH2 B Zbytek kyseliny octové

2. fáze biotransformace Hg22+ CH3Hg+ CH3Hg+ (CH3)2 Hg Glycinová konjugace konjugační činidlo – glycin funkční skupiny : aromát -NH2; - COOH Glutathionová konjugace konjugační činidlo – gluthation (GSH) funkční skupiny : epoxidy, organické halidy Metylace funkční skupiny : aromát -OH; - NH2; - NH, - SH kovy [Met] Hg22+ CH3Hg+ [Met] CH3Hg+ (CH3)2 Hg

Faktory ovlivňující biotransformaci Inhibitory enzymů látky snižující produkci enzymů látky urychlující rozklad enzymů látky ovlivňující průběh katalyzované reakce Ireversibilní vs. reversibilní inhibice Kompetitivní - ethanol, methanol, ethylenglykol × alkoholdehydrogenáza Nekompetitivní - těžké kovy × - SH skupiny enzymů

Faktory ovlivňující biotransformaci Induktory enzymů látky zvyšující produkci enzymů (zejména CYT P-450) urychlují vlastní biotransformaci a / nebo biotransformaci další látky Příklady induktorů enzymatického systému CYP - 450 Fenobarbital Benzo(a)pyren - spalovací procesy (cigarety) Ethanol PCB - zvětšení jater Dioxiny

Exkrece - vylučování Vylučování ledvinami Glomerulární filtrace Ledvina - pánvička, dřeň a ledvinová kůra Nefron - glomerulus, distální a proximální tubulus, Henlova klička Glomerulární filtrace průchod látek do M  4 000 rozpuštěných nebo dispergovaných v krevní plazmě snadný látky s M > 65 000 neprochází  neprochází látky vázané na plazmatické proteiny, krevní buňky pohyb filtrátu zajišťován vzájemným působením hydrostatického a osmotického tlaku

Vylučování ledvinami Tubulární sekrece Tubulární reabsorpce přechod látek z krve v peritubulárních kapilárách do primární moči v proximálním tubulu mechanismem přestupu přes buněčnou membránu je aktivní transport vylučování disociovaných kyselin a zásad - např. glukuronidy převod látky bez vody - uvolnění dalšího podílu vázaného na PP - posun rovnováhy Tubulární reabsorpce 98 - 99 % látek ve filtrátu reabsorbováno mechanismem přestupu přes buněčnou membránu zejména prostá difůze reabsorpce lipofilních látek, reabsorpce nedisociovaného podílu vliv pH moči na reabsorpci látek Na2CO3 - moč alkalická - vylučování kyselých látek (glukuronidy, acylpyrin, berbituráry) NH4Cl - moč kyselá - vylučování bazických látek (amfetaminy)

Vylučování játry Vylučování plícemi zejména konjugáty kyseliny glukuronové, méně často nemetabolizovaný podíl toxické látky velké polární molekuly (M > 300 ), i některé kovy (As, Pb a Hg) zejména aktivní transport, méně často prostá difuse enterohepatická cirkulace - prodloužení doby setrvání látky v organismu, často zvýšení toxicity Vylučování plícemi látky s vysokou tenzí par v krvi (anestetika, rozpouštědla) prostá difuse z krve do vzduchu v alveolách význam pro vylučování lipofilních látek

Vylučování mateřským mlékem pH mléka je asi 6.6 - nižší než pH krve 7.4 vylučování bazických látek - kofein, nikotin, antihistaminika zejména aktivní transport a prostá difuse

Exkrece - charakteristiky Biologický poločas doba, za kterou klesne koncentrace látky v krvi na polovinu vysoký u látek, které se pomalu metabolizují, nebo které se ukládají v depech T = ln2/k k – vylučovací konstanta

Časová závislost koncentrace látky v těle 20 40 60 80 100 % podané dávky v krevní plazmě čas Absorpce (A) Eliminace (E) Celková koncentrace (1) (2) (4) (3) dCA dt dCE > =  (1) (2) (3) (4)

Interakce TL s receptorem makromolekulární struktura, která má jedno, nebo více specifických vazebných míst pro toxickou látku obsazení vyvolá charakteristický toxikologický efekt, který spouští řetězec dalších dějů vedoucích ke konečnému toxickému účinku Afinita souhrn všech vazebných možností tox. látky vytvořit komplex s molekulou receptoru Vnitřní aktivita schopnost toxické látky stimulovat receptor