RNDr. Klára Kobetičová, Ph.D.

Transkript

1 ENVIRONMENTÁLNÍ TOXIKOLOGIE ÚVODNÍ PŘEDNÁŠKA RNDr. Klára Kobetičová, Ph.D. Laboratoř ekotoxikologie a LCA, Ústav chemie ochrany prostředí, Fakulta technologie ochrany prostředí, VŠCHT Praha

2 ÚVOD Předmět původně vyučován prof. Kurašem a doc. Kočím pod názvem Průmyslová toxikologie a ekotoxikologie. Od roku 2007 pod názvem Environmentální toxikologie (doc. V. Kočí + Dr. L. Kochánková + Dr. Klára A. Mocová). Od roku 2012/2013 Klára Kobetičová + Klára A. Mocová Od roku 2013/2014 změna! 3 hodiny/5 kreditů - v rámci projektu FRVŠ: Inovace předmětu Environmentální toxikologie (původně 2 hodiny/3 kredity) 2

3 SYLABUS PŘEDMĚTU (2013/2014) Úvodní přednáška. Genotoxicita. Mutageneze, mutageny a jejich působení, druhy mutací (K.A.Mocová) Karcinogeneze, (K.A.Mocová) Teratogeneze (K.A.Mocová) Toxikologie kovů rozdělení, zdroje, efekty Toxikologie organických látek, Persistentní organické látky rozdělení, zdroje, efekty Biocidy rozdělení, zdroje, efekty Toxikologie nanomateriálů rozdělení, zdroje, efekty Další chemické látky výrobky denní potřeby, humánní a veterinární léčiva, potravinové doplňky Bojové chemické látky, terorismus, bioterorismus biotoxiny (Kobetičová) Toxikologie v praxi - REACH, SLP, testy toxicity, vyhodnocení a zpracování dat, ochrana zvířat - legislativa a praxe. Alternativní metody testování. Odpady legislativa, praxe, testování, vliv na ekosystém a na člověka Analýza rizik úvod do problematiky, hodnocení dat, využití v praxi, konzultace Exkurze (pracoviště SLP) povinná! 3

4 UKONČENÍ PŘEDMĚTU Přednášky nepovinná účast Požadavky pro ukončení předmětu: účast na exkurzi vypracování a přednes zadaného referátu ostatním studentům (laboratorní testy toxicity) Složení písemné + ústní části zkoušky Klara.Kobeticova@vscht.cz Klara.Mocova@vscht.cz Studijní materiály na internetu: ( nebo em (PDF) na požádání. 4

5 - OSNOVA Vysvětlení základních pojmů DVD Lidské tělo 5

6 - ZÁKLADNÍ POJMY Toxikologie působení toxických látek (jedů) na živý organismus Toxikologie Ochrana člověka Vychází ze zvířecích modelů Člověk dobrá charakterizace Testovací organismy teplokrevní živočichové Jednoduché dávkování a měření toxicity Dobře standardizované test. metody Ekotoxikologie Ochrana více druhů Přímé testování Různé druhy různá citlivost Velká diverzita (mikroorganismy, rostliny, živočichové) Koncentrace vně neodpovídá dávce uvnitř Mnoho metod, málo standardizovaných 6

7 ZÁKLADNÍ POJMY - Indexy toxicity: LDx, LCx, ECx, koncentrace, dávka - Potravní řetězec člověk vrcholový predátor - Kumulace látek v organismu (log Kow) - Bioobohacování v rámci potravního řetězce - Expozice krátkodobá, dlouhodobá - Účinek akutní, chronický - Toxikokinetika vstup, transport, transformace, uložení, vyloučení z těla = co dělá organismus s chemickou látkou? - Toxikodynamika interakce chemické látky s cílovým místem (mechanismus účinku) = co dělá chemická látka s organismem? 7

8 - BIODOSTUPNOST Biodostupnost ovlivněna: Organismus (pohlaví, stáří, aktuální fyzická a psychická kondice, chronická onemocnění, Vlastnosti prostředí (pracovní prostředí, bydlení, strava) Vlastnosti chemických látek struktura, někdy množství Přítomnost jiných látek aditivní, synergický, antagonistický Přítomnost jiných organismů (např. viry) 8

9 VZÁJEMNÉ INTERAKCE CHEMICKÝCH LÁTEK Aditivita např. léčiva, organofosfátové insekticidy Synergismus cigaretový dým + radon = zvýšení rizika rakoviny plic Antagonismus protijedy (antidota) Typ interakce Účinek látky A Účinek látky B Kombinovaný účinek látek A + B aditivita 20% 40% 60% synergismus 15% 10% 40% antagonismus 20% 30% 10% 9

10 - HODNOCENÍ TOXICITY Rozdíly oproti ekotoxikologii: jedna/několik fixních koncentrací (minimum zvířat) efekt ano ne další test. x 10

11 - ÚROVNĚ POŠKOZENÍ Od sub-buněčné až po populační úrovně Člověk Populace (demografie) - úmrtnost, - nemocnost, - porodnost a plodnost, - potratovost a další Jedinec Orgány/ orgán. soustavy Buňka Sub-buněčná úroveň 11

12 METODY POUŽÍVANÉ V TOXIKOLOGII Testy s buňkami Testy s obratlovci (krátkodobé, dlouhodobé, testy, zaměřené na určitý endpoint) Metody alternativní (QSARs, testy na umělé lidské kůži, ). 12

13 MECHANISMUS PŮSOBENÍ JEDU Toxikokinetika - aby toxikant mohl působit toxicky, musí nejprve dojít k expozici organismu, následně musí toxikant vstoupit do organismu a poté se dostat až k místu působení. Průběh působení jedu na organismus (člověka) se skládá z: Expozice Příjmu (resorbce) Transportu (distribuce) Ukládání Metabolismu Vylučování (eliminace) 13

14 EXPOZICE K projevení toxického účinku je třeba organismus vystavit působení toxické látky. Kontakt s toxikantem nazýváme expozicí. Expozice savců (člověka) probíhá: Dermálním kontaktem - kůží (otevřená zranění) Skrze oči Inhalací Pozřením 14

15 PŘÍJEM Okamžité i dlouhodobé účinky látek jsou přímo ovlivňovány způsobem příjmu látky. Bránou vstupu - pro polutant je kůže, zažívací trakt a plíce. Aby se jed dostal do organismu a následně až k jednotlivé buňce, musí překročit mnoho biologických membrán. Jedná se nejen o vnější membrány, ale i o membrány kapilární a buněčné. Druh membrány a chemicko-fyzikální vlastnosti jedu jsou základní faktory ovlivňující příjem. 15

16 PŘÍJEM Mechanismy, kterými látky překračují biologické membrány jsou: Pasivní difůze skrze mezery a póry nebo rozpuštění v tukových součástech membrán; Zprostředkovaný transport, kdy specializovaný transportní systém přenáší látky skrze membránu Lipofilita látek je významnou vlastností ovlivňující příjem toxikantů organismem. 16

17 TRANSPORT Po fázi příjmu nastává transport látky skrze organismus. Jedy a látky v organismu mohou být transportovány lymfatickým systémem nebo krví a dopravovány k různým tělním tkáním, včetně zásobních tkání a orgánům metabolismu a biotransformace. 17

18 UKLÁDÁNÍ játra, plíce, ledviny, kosti, tukové tkáně. Z jednoho místa ukládání látek může být jed za určitých okolností uvolněn buď dojde k jeho přemístění (translokace), nebo k rozkladu. 18

19 METABOLISMUS Metabolismus jedů je realizován buď na místě vstupu organismu, nebo v orgánech. Především: játra, plíce, zažívací trakt, kůže, ledviny. Játra hrají hlavní roli při rozkladu xenobiotik. Vysoký obsah nespecifických enzymů v játrech jim dává schopnost metabolizovat široké spektrum organických látek. Důležitým rysem metabolismu je převedení lipofilních látek na látky ve vodě rozpustné, které lze lépe vyloučit z organismu. 19

20 METABOLISMUS Mechanismus metabolismu xenobiotik se skládá ze dvou fází: Fáze I: jedná se o reakce zavádějící na molekuly jedu polární reaktivní funkční skupiny. Jedná se o oxidační, redukční, hydrolytické reakce, kterými vznikají primární metabolity. Fáze II: jsou konjugační, kdy dochází k vazbě primárních metabolitů na endogenní substrát. Tím vzniká sekundární metabolit vhodný k vyloučení z organismu. 20

21 ODSTRANĚNÍ LÁTKY Poslední krok ve kterém polutant opouští organismus. Vylučování je realizováno skrze ledviny, plíce a zažívací trakt. Jed je vylučován buď ve své původní podobě, nebo jako metabolit v závislosti na chemickofyzikálních vlastnostech. 21

22 MECHANISMY ÚČINKU Jed začíná působit při jeho interakci s buněčnými strukturami na tzv. místě účinku - toxikodynamika. Účinky jedu se mohou projevit na kterémkoli místě organismu. Nejobecněji mohou jedy působit nepříznivě těmito mechanismy: 1.Narušením či zničením buněčné struktury 2.Přímou chemickou reakcí s buněčnými složkami 3.Účinky na enzymy 4.Iniciací druhotného účinku (alergie) 5.Reakcemi volných radikálů 6. Receptorová aktivita systém zámek klíč. 22

23 NARUŠENÍ ČI ZNIČENÍ BUNĚČNÉ STRUKTURY - Narkotický efekt - Jakákoliv látka - Závislost na množství - Příklad: lipidická nekróza: 1) Mechanismem účinku může být změna chemicko-fyzikálních vlastností lipidické dvojvrstvy. Změny v jejich fluiditě (tekutosti) nebo jiné vlastnosti výrazně mění možnosti přechodu molekul skrze membránu. 2) Látka může interagovat přímo s membránovými proteiny. 3) Látka může narušit interakci mezi lipidickou dvojvrstvou a vnořeným proteinem. To může narušit funkci proteinu. 23

24 PŘÍMÁ REAKCE S BUNĚČNÝMI SLOŽKAMI Jed často reaguje s buněčnými složkami, čímž jim bráni v jejich funkci. Příklad: CO v krvi se rychle váže na hemoglobin (Hb) za vzniku Karboxyhemoblobinu (COHb): CO + Hb - COHb Jelikož je hemoglobin nepostradatelnou složkou výměny O 2 mezi plícemi a tkáněmi, je narušení funkčnosti hemoglobinu tvorbou COHb škodlivé až smrt. 24

25 ÚČINKY NA ENZYMY Většina reakcí charakteristických pro živé organismy probíhá za přítomnosti bílkovinných katalyzátorů enzymů. Jako všechny katalyzátory, mají i enzymy za úkol zvyšovat účinnost reakcí. Všechny enzymy jsou globulární. Každý plní specifickou funkci danou právě specifickou globulární strukturou. Optimální aktivita většiny enzymů závisí na přítomnosti nebílkovinných látek zvaných kofaktory. Molekulární komplex enzym-kofaktor se nazývá holoenzym a vykazuje nejvyšší katalytickou účinnost. 25

26 KOFAKTORY Organické koenzymy (přenos atomů nebo specifických skupin) Anorganické ionty 1. Vazba na aktivní místo enzymu (inaktivace) 2. Inaktivace kofaktorů (vazbou na kofaktor) 3. Kompetice s kofaktorem (inaktivace enzymu). 26

27 DRUHOTNÝ ÚČINEK (ALERGIE) Následkem inhalace pylových zrn dochází u mnoha citlivých osob k alergické rekci vedoucí často k senné rýmě. Příčinou je uvolňování histaminu, jenž se tvoří dekarboxylací z aminokyseliny histidinu. K uvolnění histaminu dochází při anafylaxi nebo jako důsledek alergické reakce. Ke spuštění uvolňování histaminu dochází také jako důsledek expozice určitých drog či chemikálií. ANAFYLAXE je typ alergie s nadměrnou reakcí imunitního systému na cizorodou látku (alergen), proti níž je již vytvořena protilátka. Vazbou této protilátky na příslušný alergen vzniká imuno-komplex, který způsobuje vyplavení látek poškozujících organismus (např. některých složek komplementu, histaminu) a rychlý vznik příznaků. 27

28 VOLNÉ RADIKÁLY Volný radikál je molekula obsahující nadbytečný nepárový elektron. Volné radikály jsou anorganické i organické. Volné radikály jsou velice reaktivní tudíž nestabilní a s krátkou dobou trvání. Přirozené: vznikají přirozenou cestou in vivo jako vedlejší produkty metabolismu superoxidový radikál O2*- a peroxidový radikál H2O2*-. Antropogenní: Vznikají v případech, kdy je organismus exponován ionizačnímu záření, určitým drogám, či environmentálním polutantům. Volné radikály způsobují řetězové reakce vedoucí k vážnému poškození buněčných membrán a organel včetně bílkovin, tuků a DNA. 28

29 VOLNÉ RADIKÁLY Koenzym Q10 Funkce: pomáhá v přeměnách v elektronovém transportním řetězci na membráně mitochondrií například u akceptoru zvaného cytochrom bc1. Za druhé slouží jako antioxidant v mitochondriích a lipidových membránách, brání tyto struktury před volnými radikály. 29

30 RECEPTORY Receptor je aktivní strukturní jednotka (část molekuly) například: bílkoviny buněčné membrány enzymu nukleové kyseliny. Vazba xenobiotika na receptor vede k: blokování potřebného metabolického kroku vyvolání škodlivého metabolického procesu Agonismus látka aktivující stejný receptor jako přirozený hormon a brání tak jeho činnosti. Antagonismus obvykle plyne z pevné interakce (vazby) látky s receptorem, čímž dochází k zabránění ve vazbě na receptor (a tím pádem k vyvolání požadované reakce). 30

31 HORMONY Steroidní hormony - Androgeny: iniciují vývoj mužských pohlavních znaků testosteron a androsteron. - Estrogeny: regulují ženský pohlavní vývoj, ženské charakteristiky a rozmnožování - estradiol, estron a estriol. 31

32 SCHOPNOST REPARACE A REGENERACE Člověk: - úroveň DNA, - buněčná smrt (apoptóza, nekróza), - kmenové buňky, - methalothioneiny, - lymfatický systém + cévní systém Regenerace, rehabilitace, uzdravení: přírodní i humánní medicína. 32

33 DĚKUJI ZA POZORNOST Tento projekt (57/2013/B4: Inovace předmětu Environmentální toxikologie) je podporován ze zdrojů Fondu Rozvoje Vysokých Škol. Zdroj informací: V. Kočí. Environmentální toxikologie, přednášky, VŠCHT Praha. Doporučená literatura: Lidské tělo Ilustrovaný průvodce jeho strukturou, fungováním a poruchami. Steve Parker, Euromedia Group, k.s., Atlas patofyziologie. S. Sielberg and F. Lang, Grada Atlas biochemie. J. Koolman and K-H. Rohm, Grada