Mechanismy účinku jedů

Transkript

1 Vladimír Kočí

2 Mechanismy účinku jedů Při dosažení určité koncentrace v organismu, mohou jedy kritickým způsobem ovlivnit fyziologické funkce organismu. Je obtížné (ne-li nemožné) generalizovat přesný mechanismus jakým specifická látka ovlivňuje organismus. 2

3 Průběh působení jedu: toxokinetika Aby toxikant mohl působit toxicky, musí nejprve dojít k expozici organismu, následně musí toxikant vstoupit do organismu a následně se dostat až k místu působení. Průběh působení jedu na organismus (člověka) se skládá z: Expozice Příjmu (resorbce) Transportu (distribuce) Ukládání Metabolismu Vylučování (eliminace) 3

4 Příjem látek v organismu jednobuněčné organismy pasivní difuze přes membránu selektivní vstup přes existující transportní systémy vícebuněčné organismy / řasy difuze toxikantu přes membránu a mezi buňkami terestrické rostliny rozpuštěné ve vodě/půdě - vstup kořeny/listy plyné toxikanty - vstup přes stomata na listech lipofilní látky (některé herbicidy) - penetrace voskové kutikuly

5 Příjem látek v organismu živočichové - 3 hlavní cesty vstupu potrava/pitná voda průchod trávicím traktem, změny/transformace dle ph, mikroflory střeva, př. cykasin: netoxický - ve střevě konverze->silný mutagen respirační cesta trachee u hmyzu, žábry u akvatických organismů, plíce velká plocha pro výměnu/vstup látky (často 25x > povrch těla) povrchem těla větší význam u menších organismů (relativně větší plocha) a akvatických organismů Poraněním povrchu těla přímý vstup do krve (zranění, úmyslné poranění, uštknutí)

6 Trávení Dermalní kontakt Vdechování Průběh expozice Polutant se může do organismu dostat několika různými způsoby. Plíce (Žábra) Tuková tkáň Plíce Mozek / CNS Vydechovaný vzduch (Vydechovaná voda) Kůže Krev / Lymfa Ledviny Močový měchýř Moč Kosti / Tkáně Játra Žluč Zažívací trakt Výkaly Expozice Příjem Transport Ukládání Metabolismus Vylučování 6

7 1. 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 7

8 2. Příjem Okamžité i dlouhodobé účinky látek jsou přímo ovlivňovány způsobem příjmu látky. Bránou vstupu pro vzdušné polutanty je kůže, zažívací trakt a plíce. Kožní kontakt zprostředkovává vlasovými folikulami, potními žlázami a otevřenými zraněními. 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. 8

9 2. Příjem membránové mechanismy Mechanismy, kterými látky překračují biologické membrány jsou: Filtrace skrze mezery a póry v membránách; Pasivní difůze skrze mezery a póry nebo rozpuštění v tukových součástech membrán; Zprostředkovaný transport, kdy specializovaný transportní systém přenáší hydrofilní látky skrze membránu pomocí lipofilní přenašečové molekuly, jež s přenášenou látkou vytváří komplex. Lipofilita látek je významnou vlastností ovlivňující příjem toxikantů organismem. 9

10 3. 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. 10

11 4. Ukládání Místa kde se jedy ukládají jsou především játra, plíce, ledviny, kosti, tukové tkáně. Zde může, ale i nemusí docházet k toxickému působení. Z jednoho místa ukládání látek může být jed za určitých okolností uvolněn buď dojde k jeho přemístění (translokace), nebo k rozkladu. Translokace do jiných míst organismu bývá realizována vazbou jedu na krevní proteiny. 11

12 5. 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, tedy lépe vyloučitelné z organismu. 12

13 5. Metabolismus Mechanismus metabolismu xenobiotik se skládá ze dvou fází: Reakce 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. Reakce fáze II: jsou konjugační, kdy dochází k vazbě primárních metabolitů na endogenní substrát. Tím vzniká sekundární metabolit vhodný k vyloučení z organismu. 13

14 6. Vylučování 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 jeho chemicko-fyzikálních vlastnostech. 14

15 Mechanismy účinku Jedovaté látky působí toxicky buď přímo, nebo po metabolické aktivaci. Jed začíná působit při jeho interakci s buněčnými strukturami na tzv. místě účinku. 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 5. Reakcemi volných radikálů 6. Endokrinní disrupsí 7. Mutagenita a genotoxicita 15

16 1) Narušení či zničení buněčné struktury Jed může působit škodlivě na orgány způsobením poškození struktury tkání. Vzdušné polutanty jako SO 2 a NO 2 reagují s vodou za tvorby kyseliny. Kyseliny narušují buněčné povrchy (dýchací systém, oči). O 3, nebo radikály a PAN, je reaktivní a přímo poškozuje tkáně. Radikály reagují s membránovými lipidy či proteiny a narušují tak buněčnou strukturu (narušení plicních tkání). 16

17 Nekróza lipidická dvojvrstva Nekróza je nejčastějším způsobem účinku průmyslových polutantů, zejména rozpouštědel. Typická buněčná membrána se skládá z lipidické dvojvrstvy a vnořených proteinů. Ačkoli se jedná o prostý mechanismus z pohledu symptomatologie, několik různých molekulárních mechanismů hraje v nekróze důležitou roli: 17

18 Nekróza - destrukce membrán 1. Skutečným mechanismem účinku může být změna chemicko-fyzikálních vlastností lipidické dvojvrstvy. Změny v jejich fluiditě (tekutosti) nebo jiné vlastnosti výrazně mění možnosti přechodu lekul skrze membránu. 2. Látka může interagovat přímo s membránovými proteiny. Většina proteinů je iontovými přenašeči, receptory regulačních molekul nebo mají jiné významné funkce. 3. Látka může narušit interakci mezi lipidickou dvojvrstvou a vnořeným proteinem. To může narušit funkci proteinu. Všechny zmíněné mechanismy účinku jsou relativně nespecifické a význam rozpustnosti látky v tucích je evidentní. 18

19 2) Přímá chemická reakce s buněčnými složkami Jed často reaguje s buněčnými složkami, čímž jim bráni v jejich funkci. Příklady: CO v krvi se rychle váže na hemoglobin (Hb) za vzniku carboxyhemoblobinu (COHb): CO + Hb COHb Jelikož je hemoglobin nepostradatelnou složkou výměny CO 2 mezi tkáněmi a plícemi, je narušení funkčnosti hemoglobinu tvorbou COHb škodlivé. Cd, se po absorbci váže na protein metallothionein. Tento protein se podílí na selektivním ukládání Cd. Ukládání Cd se děje v ledvinách a vede eventuelně k tubulární dysfunkci s proteinurií. 19

20 3) Účinky na enzymy Enzymy a kofaktory 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. 20

21 Kofaktory Existují dva typy kofaktorů: Organické kofaktory - koenzymy Koenzymy jsou významné především ve výživě, neboť některé z nich jsou vitamíny (vitamin K) nebo látky produkované z vitamínů (vitamín niacin je po strávení přeměněn na dva koenzymy: nikotinamid adenin dinukleotid - NADH a nikotinamid adenin dinukleotid fosfát -NADPH). Anorganické kofaktory Mg 2+, Mn 2+, Zn 2+, Ca 2+, Fe 2+, Cu 2+, K +, a Na + ionty. 21

22 Koenzymy Koenzymy slouží jako dočasné přenašeče specifických atomů či funkčních skupin: Koenzym Přenášená skupina či atom Koenzym A Acyl Flavin adenin dinukleotid Vodíkové atomy Nikotinamid adenin dinukleotid H - Thiamin pyrofosfát aldehyd Biotin CO 2 22

23 Účinky toxikantů na enzymy Rozlišujeme následující způsoby ovlivnění enzymatických reakcí 1. Vazba na aktivní místo enzymu 2. Inaktivace kofaktorů 3. Kompetice s kofaktorem 4. Inhibice metabolitu 23

24 3.1 Vazba na aktivní místo enzymu. Kovy. Vazbou jedu na aktivní místo či místa enzymu dochází k jeho inaktivaci Kovy jako Hg, Pb, nebo Cd se kovalentně vážou na thiolové či sulfoskupiny (SH) molekuly enzymu. V případě, že SH skupina byla účinným místem enzymu dochází k jeho inaktivaci. Transaminázy and -aminolevulinátdehydratáza jsou citlivé na inhibici olovem: 2 Enz-SH + Pb 2+ Enz-S-Pb-S-Enz + 2H + 24

25 3.1 Vazba na aktivní místo enzymu. Organofosfáty Inhibice acetylcholinesterázy (AChE) - organofosfáty AChE je enzym zodpovědný za rozklad acetylcholinu (ACh) neurotransmiter nervové soustavy hmyzu i obratlovců Při inhibici AChE se ACh akumuluje v nervových synapsích a tudíž neustále vybuzuje nervová zakončení. Důsledkem je přerušení funkčnosti nervové soustavy, což může končit smrtí. N + O O A C he + N + O H C H 3 C O O H A C h C holine 25

26 3.2 Inaktivace kofaktorů Pro správnou funkci mnoha enzymů je nezbytná přítomnost kofaktorů (často kationtů) Jestliže jed váže kofaktor, může inhibovat enzym. Příklad: inhibice enolázy Enoláza je významný glykolytický enzym Jako kofaktor potřebuje Mg 2+ Fluor za přítomnosti fosfátu tvoří s Mg (magnesium fluorfosfátový) komplex Mg je pak pro biochemické reakce nedostupný. 26

27 3.3 Kompetice s kofaktorem Jed může soutěžit s kofaktorem o vazebné místo na enzymu. Vazbou jedu na enzym dochází k inhibici enzymatické aktivity Příklad: Be nahrazuje v některých enzymech Mg a Mn Cd nahrazuje v některých enzymech Zn 27

28 3.4 Inhibice metabolitu Aktivita enzymu může být inhibována přítomností toxického metabolitu letální syntéza. Příklad: Fluoracetát Fluoracetát sodný (jed na krysy označený 1080) Samotný fluoracetát sodný není toxický Toxický je jeho metabolit fluorcitrát inhibující enzym aconitázu Aconitáza je enzym zodpovědný za přeměnu citrátu na cis-aconitát. Jedná se o základní krok Krebsova cyklu (TCA) Inhibice aconitázy vede k akumulaci citrátu, tudíž se zastavuje Krebsův cyklus pro nedostatek metabolitů, což vede k nabourání metabolismu získávání energie organismu. Letální syntéza Fluoracetát Fluoracetyl CoA Fluorcitrát Aconitáza- Fluorocitrátový komplex 28

29 4) Iniciace druhotného účinku v důsledku přítomnosti polutantu Přítomnost polutantu vede k uvolňování jiných látek v organismu působících škodlivě. 1. Pylové alergie 2. CCl 4 3. Chelatace 4. Přesun kovů 29

30 Histidine N H+ CO2 Histamine N 4.1 Pylové 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 amino-kyseliny histidinu. Histamin se tvoří a ukládá v žírných buňkách a v mnoha dalších tělních buňkách. K uvolnění histaminu dochází při anafylaxi nebo jako důsledek alergické reakce. Ke spuštění uvolňování histaminu dochází také jako důsledek expozice určitých drog či chemikálií. N C H 2 CHCOOH NH 2 Histidine decarboxylase Histamin je vasodilatační látka rozšiřuje krevní cévy a zvyšuje jejich propustnost. Histamin Stimuluje sekreci pepsinu; Snižuje krevní tlak; Při vysoké koncentraci způsobuje šok organismu a může způsobit kolaps cév. 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 imunokomplex, který způsobuje vyplavení látek poškozujících organismus (např. některých složek komplementu, histaminu) a rychlý vznik příznaků. N C H 2 30 H 2 C NH 2

31 4.2 Chlorid uhličitý CCl 4 způsobuje výrazné uvolnění epinefrinu ze sympatetických nervů; eventuelně vede k poškození jater Epinefrin je silně působící hormon a podílí se na mnoha důležitých biologických reakcích. (stimuluje glykogenolýzu, lipolýzu, inhibuje svalový příjem glukosy, ovlivňuje vylučování inzulínu, zvyšuje krevní tlak). Metabolismus epinefrinu je realizován v játrech. (stejně jako většina hormonů se po splnění úkolu rozkládá). Dalším nepříznivým účinkem CCl 4 je hepatotoxicita. Studie ukazují, že se CCl 4 v játrech rozkládá na reaktivní radikály CCl 3 * a Cl* způsobující vážná poškození jaterním buňkám. 31

32 4.3 Chelatace Chelatace je proces maskování kovových atomů cheláty. Jedná se o přirozený jev: chelatačně je vázáno Fe v molekule hemoglobinu; Mg v molekule chlorofylu Toxicita určitých látek může být způsobena chelatací, neboť cheláty způsobují odstraňování essenciálních kovů a naopak usnadňují přestup toxických látek skrze buněčné membrány dovnitř buněk. Cheláty jsou podezřelé z karcinogeneze. 32

33 4.4 Přesun kovů V důsledku působení polutantu může dojít k přesunu určitého kovu z jednoho orgánu do jiného místa organismu. Vliv vanadu Potvrdilo se, že v krysách krmených stravou obsahující 150 ppm vanadu došlo k přesunu vysokých koncentrací Fe do jater a sleziny. Při podávání vyšších dávek vanadu (250 ppm a více) došlo naopak k výraznému úbytku Fe. V játrech na ½ původního množství a ve slezině na 1/3. 33

34 5) Účinky volných radikálů 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 O 2 * - a peoxidový radikál H 2 O 2 * -. Antropogenní: Vznikají v případech, kdy je organismus exponován ionizačnímu záření, určitým drogám, či environmentálním polutantům. Některé atmosférické polutanty působí samy o sobě jako radikály: O 3, PAN, a NO 2. 34

35 Reakce volných radikálů Volné radikály reagují s: Nenasycenými mastnými kyselinami Cholesterolem Tuky i v buněčných membránách způsobují peroxidaci lipidů Peroxidace lipidů radikály je po iniciaci autokatalytický proces, vedoucí k bílkovinným peroxidům, akoholům, aldehydům a dalším sloučeninám. RH R* + H* R* + O 2 RO 2 * RO 2 * + RH ROOH + R* 35

36 Účinky volných radikálů Volné radikály způsobují řetězové reakce vedoucí k vážnémů poškození buněčných membrán a organel včetně bílkovin, tuků a DNA. Proteiny: Bílkovinné řetězce jsou působením radikálů přetrhávány a denaturovány Volné radikály způsobují peroxidaci či příčné vazby membránových lipidů a mezibuněčných komplexů to vede ke stárnutí buněk a ke smrti. DNA: dochází k přetržení DNA řetězce či k modifikaci bází to může vést k mutacím i smrti. 36

37 6) Receptorová toxicita Receptor-Mediated Toxicity Látka se váže na určitý receptor v organismu a vyvolává změny jeho přirozené funkce 1. Látka nahrazuje hormon 2. Látka nahrazuje neurotransmiter 3. Látka nahrazuje steroidní hormon - Endokrinní disrupse je účinek některých xenobiotik schopných napodobovat steroidní hormony nezbytné regulační molekuly živých organismů. 37

38 Přenos informací v těle Aby tělo a jeho orgány správně fungovaly, musí různé orgány mezi sebou komunikovat. Komunikace v těle probíhá: chemickými sloučeninami zvanými hormony pomocí nervové sítě, jež produkuje sloučeniny neurotransmitery

39 Receptory Každá buňka má na svém povrchu membránu ve které jsou zabudovány specifické skupiny molekul zvané receptory přijímají z krve specifické látky Receptory přijímají hormony nebo neurotransmitery Každý hormon nebo neurotransmiter obvykle zapadá jen do jednoho typu receptoru systém zámek - klíč 39

40 Receptor - definice Receptor je aktivní strukturní jednotka (část molekuly): bílkoviny buněčné membrány enzymu nukleové kyseliny, jiné biomakromolekuly. Receptor je jako zámek a malá molekula (steroid nebo toxikant) jako klíč padnoucí přesně do zámku. 40

41 Receptorové účinky toxikantů Jestliže molekula toxikantu má vhodnou molekularní strukturu, velikost a polaritu, může působit jako falešný klíč. Vazba xenobiotika na receptor vede k: blokování potřebného metabolického kroku vyvolání škodlivého metabolickýého procesu modifikaci (zvýšení či inhibice) nervový přenos Vazba toxikantu na receptor může způsobit akutní či chronickou otravu, vyvolat teratogenní či karcinogenní pochody. 41

42 Agonismus a antagonismus Agonista receptoru látka aktivující stejný receptor jako přirozený hormon nebo transmiter, tudíž mající účinek na receptor (třeba nažádoucí). Antagonista receptoru látka blokující přirozený hormon nebo transmiter a bránící jeho činnosti. Antagonismus obvykle plyne z pevné interakce (vazby) látky s receptorem, čímž dochází k zabránění hormonu nebo transmiteru ve vazbě na receptor (a tudíž k vyvolání požadované reakce) Antagonista se sice naváže na receptor, další děje spjaté s funkcí receptoru však nevyvolá. 42

43 6.1 Hormony Hormony jsou regulační molekuly produkované endokrinním systémem (žlázy s vnitřní sekrecí), jež přesně zapadají do vazebných míst bílkovin zvaných receptory. Vazba hormonu na receptor je velmi přesná a přestavuje přenos určité konkrétní chemické informace pro buňku. Informace je specifická pro konkrétní buňku. I velmi malé množství hormonů vyvolává v buňce výrazné změny odpověď na předanou informaci. Malé změny v koncentraci hormonů vyvolávají velkou změnu v chování buněk. Hormony iniciují buněčné odpovědi změnou přepisu specifického genu v buněčném jádře. 43

44 Hormony Téměř každý orgán produkuje několik hormonů, jež vstupují do krevního oběhu a putují cévním řečištěm k orgánům jiným. Hormony jsou produkovány orgány (žlázami s vnitřní sekrecí) Pohlavní hormony endosteron, testosteron Adrenalin produkován nadledvinkami pomáhá čelit stresu Pozn. Správné označení adrenalinu a noradrenalinu je epinefrin a norepinefrin Inzulín hormon pankreatu, řídí využití glukosy v těle 44

45 Inzulin Inzulin je bílkovinný hormon působící na většinu orgánů a tkání, v nichž podněcuje využití nebo skladování glukózy. Využití: Inzulin zvyčuje rychlost jakou glukóza přechází z krve do buněk, a tak se zvyšuje rychlost metabolické přeměny glukózy na ATP Skladování energie: V játrech inzulin podněcuje přeměnu glukózy na glykogen a tuky sloučeniny, jež mohou být skladovány v organismu do okamžiku jejich potřeby 45

46 Receptory hormonů Existují speciální receptory pro konkrétní hormony: Receptor pro inzulin endosteron testosteron adrenalin Vazba toxikantu na receptor hormonu vyvolává nežádoucí účinky. 46

47 6.2 Steroidní hormony Receptory uvnitř buněk Některé látky působí na receptory, jež nejsou v buněčných membránách, ale uvnitř buněk. Jsou to steroidní látky steroidní hormony Steroidní hormon se váže na molekulu v buněčné membráně ta jej transportuje dovnitř buňky kde působí. Uvnitř buňky dojde k vazbě na receptor, vzniká steroid-receptor komplex, jenž proniká do buněčného jádra, kde působí na genetický aparát buňky DNA Steroidní hormon působí ovlivněním transkripce DNA do RNA, a pak do proteinů. 47

48 6.3 Steroidní hormony Příklad: Androgeny a estrogeny jsou dva steroidní hormony regulující množství reprodukčních a vývojových dějů organismu. Androgeny: iniciují vývoj mužských pohlavních znaků testosteron a androsteron. Estrogeny: regulují ženský pohlavní vývoj, ženské charakteristiky a rozmnožování - estradiol, estron a estriol. 48

49 Funkce steroidních hormonů Androgeny a estrogeny jsou steroidy lipidické povahy, tudíž snadno přecházejí lipidickou dvojvrstvu buněčných membrán, a tudíž se snadno dostávají do buněčné cytoplasmy. (Podobné vlastnosti mají jim podobné toxikanty). V cytoplasmě se nachází receptor, často doprovázený bílkovinnými podjednotkami. Po navázání hormonu na receptor dojde ke konformační změně následované uvolněním subjednotek. Tím vzniká konkrétní komplex receptor-hormon. Komplex receptor-hormon přejde do buněčného jádra, kde se může s jinými proteiny podílet na tvorbě DNA. Pak dochází k transkripci a následná translaci specifického genu s významnými (pozitivními či negativními) dopady na buněčný metabolismus. 49

50 Regulační úloha steroidních hormonů Steroidní hormon Komplex Receptor-Hormon Cytoplasma Buněčné jádro Buňka Receptor S podjednotkami Podjednotky Zvýšená transkripce responsivního genu Protein DNA 50

51 Endokrinní disrupse Porušování hormonálních funkcí organismu Endokrinní disrupse je způsobována některými xenobiotiky schopnými nahrazovat v organismu steroidní hormony důležité regulační molekuly Mechanismus účinku endokrinní disrupse: Receptor-Mediated Toxicity 51

52 Účinek endokrinních disruptorů Endokrinní disruptory působí nepříznivě dvěma způsoby: 1) Napodobování hormonu (Hormonal Mimic) Toxikant napodobuje hormon, váže se na receptorové místo, mění strukturu receptoru a iniciuje odezvu. Toxicita se projevuje nárůstem koncentrace nevhodných produktů exprese genu v jádře nebo inhibicí potřebné transkripce v potřebný okamžik. Je-li muž exponován látkám napodobujícím estrogeny, mohou se u něho vyvíjet ženské pohlavní znaky. Hormonální disruptor + Hormonální odpověď Receptor 52

53 Účinek endokrinních disruptorů 2) Hormonální blokace (Hormonal Block) Toxikant se váže na receptor a brání hormonu vázat se na vazebné místo. Toxikant nejen blokuje vazebné místo, ale zároveň bráni konformačním změnám nutným k vstupu receptoru do buněčného jádra a k expresi genu. Jestli je koncentrace toxikantů vysoká, můžou být blokovány všechny potřebné receptory a tudíž nedojde k žádoucím dějům. Jestliže toxikanty blokují estrogenní receptor žen, dochází k jejich maskulinizaci Hormonální disruptor + Přerušená hormonální odpověď Receptor 53

54 Endokrinní disruptory Průmyslové chemikálie vedlejší produkty Meziprodukty výroby či rozpadu povrchově aktivních látek (surfaktantů) -Nonylphenol Octylphenol Monomery polymerů Bisphenol-A Produkty spalování fosilních paliv Benzo(a)pyren Phenantrene Vedlejší produkty spalovacích procesů včetně spalování odpadů Polychlorované dibenzo-dioxiny a furany Transformátorové oleje Polychlorované bifenyly (PCB) Regulátory hoření Polybromované difenylethery Změkčovadla a zvláčňovací prostředky 54

55 Endokrinní disruptory Pesticidy Herbicidy Atrazin Insecticidy Carbofuran Toxaphene Endosulfan Lindan Mirex Dichlodiphenyltrichlorethane (DDT) Produkty rozkladu DDE (rozklad DDT) Prostředky proti usazeninám v barvách Tributyltin (TBT) 55

56 Endokrinní látky Kovy z průmyslu Hg, Cd, Pb Farmaka Přírodní rostlinné steroidy B-Sistosterol (přítomen v odpadních vodách z výroby buničiny a papíru) Genistein, Daidzein, Enterodiol 56

57 Účinky endokrinních látek Rozvoj pohlavních znaků opačného pohlaví Napodobování účinků estrogenů a androgenů Antagonismus účinků normálních hormonů Změny v množství dostupných receptorů Nejvíce prostudovány jsou účinky látek napodobujících estrogen. 57

58 Estradiol Estradiol má mnoho důležitých fyziologických funkcí např. reguluje expresi receptorů mnoha hormonů. Za přítomnosti co-aktivátoru ARA 70 se může vázat na androgenový receptor C H 3 O H HO 58

59 Molekulární podobnosti některých ED a estradiolu 4- Nonylfenol Bisfenol 17β-Estradiol O H C H 3 O H HO HO HO 59

60 Specificita hormon receptorových interakcí Podobné látky rozdílný účinek o,p DDD a o,p DDT jsou výrazně více toxické než p,p DDD a p,p DDT Proč? v důsledku 2 faktorů 1) konformace receptoru 2) trorozměrná struktura xenobiotika a podoba s přírodním ligandem 60

61 Vitellogenin biomarker ED Základním nástrojem detekce estrogenní aktivity je sledování indukce proteinu vitellogeninu v samcích obojživelníků. Estrogenní látky indukují produkci tohoto proteinu, jenž zůstává v tkáních samců, zatímco u samic dochází k jeho absorpci vaječníky. Ačkoli je sledování vitellogeninu velmi citlivým biomarkerem, není dosud jasný ekologický význam (je-li jaký) tohoto testu. Vitellogenin je však stále klíčovým biomarkrem expozice. 61

62 Endokrinní disruptory - souhrn Endokrinní disrupse je nově objevený mechanismus účinku xenobiotik, jenž podnítil rozsáhlý výzkum. Důsledkem endokrinní disrupse je spíše narušení reprodukční fyziologie a morfologie než přímo smrt organismu. Jelikož tyto látky působí podobně jako hormony, mohou mít nežádoucí účinky již při nízkých koncentracích. 62

63 6.3 Nervová soustava Nervový obvod Smyslový (Senzorický) reaguje na změny v orgánech a informuje o stavu orgánů - přenos k CNS (změny prokrvení, chemické vlivy, teplota, poloha ) Hybný (Motorický) nese informace z CNS do orgánů vyvolává stahy svalů nebo sekreci hormonů ze žláz Vegetativní nervový systém řídí činnost žláz a hladkých (vegetativních) svalů nad kterými nemáme volní kontrolu (srdce, střeva ) Nervy sympatické - Sympatikus vedou od hrudníku a bederní míchy povzbuzuje produkují neurotransmiter noradrenalin Nervy parasympatické Parasympatikus vedou z mozku a křížové míchy tlumí produkují neurotransmiter acetylcholin Somatický nervový systém kosterní svaly kontrola vůlí; veškerý pohyb, svalová soustava, řeč produkují neurotransmiter acetylcholin na svalech jsou nikotinové receptory. 63

64 Sympatikus Parasympatikus 64

65 Neurotransmitery Přenašeče informací vázané na nervy. Jsou produkovány nervovou sítí Pomocí neurotransmiterů nervy působí na orgány a svaly Uvolňování neurotransmiterů je velmi rychlé účinky mohou nastat za několik tisícin sekundy 65

66 Receptory neurotransmiterů Receptory pro noradrenalin Dvě skupiny α-receptory β-receptory Jedy či léky které blokují účinky adrenalinu či noradrenalinu na α- nebo β receptory, se nazývají α- nebo β blokátory. 66

67 Receptory neurotransmiterů Receptory pro noradrenalin α-receptory Působením noradrenalinu na α-receptory dochází k: uvolnění žaludku, střeva, močového měchýře uvolnění glukosy z jater sekreci slinných žláz rozšíření zornice oka stahu svaloviny cév (mužské pohlavní orgány, ejakulace) 67

68 Receptory neurotransmiterů Receptory pro noradrenalin β-receptory Působením noradrenalinu na β -receptory dochází ke: zvýšení frekvence a síly stahů srdce uvolnění cév sekrece reninu z ledvin uvolnění dýchacích cest 68

69 Receptory neurotransmiterů Receptory pro acetylcholin 1. Muskarinový receptor (název odvozen od m.červené Amanita muscaria neboť účinná látka muskarin tyto receptory aktivuje. Působením acetylcholinu na muskarinový receptor dochází ke: stahu žaludku a sekreci žaludečních šťáv stahu střev, močového měchýře sekreci slinných, slzných, potních žláz zúžení zornice oka, akomodace čočky pro vidění na blízko zpomalení stahů srdce kontrakci dýchacích cest, tvorbě hlenu rozšíření cév v obličeji (zrudnutí) a v pohlavních orgánech (erekce a zduření) 2. Nikotinový receptor působením acetylcholinu na nikotinový receptor dochází ke: stahu kosterního svalstva Látky blokující účinky acetylcholinu se nazývají anticholinergika. 69

70 Anticholinergní látky - příklad Hyoscyn anticholinergní látka z blínu černého Hyoscyamus niger Atropin z rulíku zlomocného Atropa belladonna V jednom plodu rulíku je dost atropinu k otrávení dospělého člověka Římské císařství travička Livia Atropin rozšiřuje zorničky očí svůdný pohled muže přitahují ženy s dilatovanými zornicemi 70

71 7. Genotoxicita - rozdělení Mutageneze vznik chyby na DNA Karcinogeneze nádorové bujení nekontrolované množení buněk (předchází chyby na DNA anebo napadení virem) Teratogeneze vznik vady na vyvíjejícím se plodu (není chyba na DNA) 71

72 Mutageny 1) Fyzikální různé typy záření (UV, paprsky X ) 2) Chemické látky alkylující, silně oxidující, deaminující, analogy dusíkatých bazí ) Mechanismus účinku mutagenů: Tvorba nestandardních chemických vazeb znemožnění polymerace DNA podle matrice Nestandardní párování nukleotidů, změna nukleotidů v DNA sekvenci změna AMK sekvence proteinu Fragmentace DNA ztráta nebo přestavba částí chromosomů, změna intenzity proteosyntézy 72