Biotransformace Vylučování Toxikologie Ing. Lucie Kochánková, Ph.D.
Biotransformace proces chemické přeměny látek v organismu zpravidla enzymaticky katalyzované reakce vedoucí k látkám tělu vlastním nebo produktům, které se z těla vyloučí změna chemické struktury a fyzikálních vlastností => změna biologické účinnosti => změna schopnosti průniku membránami a vyloučení z organismu produkt je méně aktivní až neaktivní => detoxikace produkt je aktivnější až aktivní => aktivace (intoxikace) 2
Biotransformace pro vylučování ledvinami je cílem vytvořit polární a objemnou molekulu reakce probíhají ve dvou fázích I. fáze - zavedení polárních funkčních skupin (-H, -NH 2, -CH, -SH) II. fáze - konjugační - produkty I. fáze kondenzují s endogenními činidly (př. kyselina glukuronová, glutathion, kyselina sírová, glycin) za vzniku objemných molekul 3
Biotransformace I. fáze oxidační reakce - žijeme v prostředí kyslíku, - katalyzují je především nespecifické mikrosomální enzymy enzymových systémů - cytochrom P-450 (monooxygenázy), dioxygenázy - zavádí se hydroxylová skupina na uhlík alifatického nebo aromatického řetězce, oxidují se aminy na hydroxylaminy, aduje se kyslík na dvojnou vazbu (vznik epoxidů) 4
nejběžnější typy oxidace: R R-H R-CH R-CH alkan alkohol aldehyd kys. karboxylová adice kyslíku Biotransformace I. fáze beta oxidace (b-oxidace) - přerušuje vazby mezi uhlíky C-C, zkracuje tak řetězce o 2 uhlíky, lichý sudý počet uhlíků 5
redukce Biotransformace I. fáze nitro- a azo- sloučeniny na aminy hydrolýza esterů na kyseliny a alkoholy, amidů na kyseliny a aminy, epoxidů na dioly 6
Biotransformace II. fáze velmi polární produkty I. fáze se mohou vylučovat přímo, ale většinou podstupují další reakce kondenzují s endogenními aktivními konjugačními činidly (produkty metabolismu buněk) podmínkou konjugační reakce je přítomnost amino, hydroxy, karbonylové nebo karboxylové skupiny 7
Biotransformace II. fáze D-glukuronová kyselina glukuronidace s fenoly, alkoholy, karboxylovými kyselinami, hydroxylaminy, sulfosloučeninami http://cs.wikipedia.org 8
Biotransformace II. fáze glutathion - tripeptid ze 3 aminokyselin: kyselina glutamová, cystein a glycin elektrofilní toxiny se váží na nukleofilní -SH skupinu cysteinu glutathionová konjugace s epoxidy, arenoxidy, nitroskupinami, hydroxylaminy => merkapturové kyseliny (výskyt signalizuje předchozí napadení elektrofilními činidly) 9
Biotransformace II. fáze sulfátová konjugace 3 - fosfoadenosin-5-fosfosulfát (nejedná se o čistou kyselinu sírovou) sulfátový ion vzniká v těle oxidací sirných organických látek proces je poměrně energeticky náročný vyžaduje několik molekul ATP konjugace s fenoly, alkoholy, aromatickými aminy vzniklé estery sulfátu jsou vyloučitelné močí http://vydavatelstvi.vscht.cz 10
Játra - největší žláza v těle 1,5 kg, většina biotransformací, krev je přiváděna tepnou ze žaludku a střev biotransformace toxických látek, zvyšování molekulové hmotnosti a polarity pro snadnější vylučování, metabolismus živin - syntéza, ukládání a rozklad glykogenu (polysacharid jako zdroj energie); tuky - oxidace lipidů, syntéza fosfolipidů, tvorba cholesterolu; bílkoviny - syntéza krevních bílkovin tvoří žluč - pro absorpci tuků v tenkém střevě, transportuje jaterní metabolity skladovací funkce - vitamíny rozpustné v tucích (A,D,E, K) i ve vodě (B12) imunita - tvorba imunoglobulinů 11
poškození jater Játra steatóza - akumulace tuků v hepatocytech (jaterní buňky) hepatitická nekróza - odumírání jaterních buněk následkem akutní expozice (př. muchomůrka zelená) toxická hepatitida - zánět jater, akutní i chronický (př. ethanol, halogenované uhlovodíky, aromatické aminy, fenoly, Pb) cirhóza jater - tvorba vazivové tkáně v játrech, ubývá funkční tkáň, obvykle při chronické expozici (př. ethanol, methanol, vinylchlorid, arsen) zhoubné nádory jater (př. vinylchlorid, arsen, polyaromatické uhlovodíky, aflatoxiny, safrol) 12
Biotransformace - vlivy genetické faktory - př. fenylketonurie existence induktorů a inhibitorů mikrosomálních enzymů - induktory zvyšují aktivitu enzymů (př. ethanol, PCB), inhibitory snižují onemocnění jater onemocnění srdce - nedostatečný průtok krve játry věk - nejcitlivější děti (ještě nevyvinuté mechanismy), starší lidé (opotřebované) vazba látky na krevní bílkoviny, štěpení některých metabolitů ve střevech a jejich zpětná resorpce - entherohepatální oběh (př. digitoxin, bilirubin) pohlaví - u hlodavců samci biotransformují rychleji než samice, u člověka neprokázáno, jen v těhotenství 13
Biotransformace methanol ethanol v prvním kroku oxidace alkoholu enzymem alkoholdehydrogenázou na aldehyd ve druhém kroku oxidace aldehydu enzymem aldehyddehydrogenázou na kyselinu CH 3 H CH 2 = HCH C 2 + H 2 CH 3 CH 2 H CH 3 CH= CH 3 CH C 2 + H 2 - alkoholdehydrogenáza má k ethanolu asi 20 větší afinitu než k methanolu 14
Biotransformace benzenu H benzen epoxid fenol H H H H H benzendihydrodiol H hydrochinon. semichinon p-chinon H H H. pyrokatechol semichinon o-chinon - prvním kroku oxidace vzniká nestabilní epoxid (elektrofil) -> přesmyk na fenol, který se dále oxiduje na hydrochinon a pyrokatechol 15
Biotransformace derivátů benzenu - deriváty benzenu se přednostně oxidují na substituentu CH 3 CH CNHCH 2 CH S toluen kys. benzoová kys. hippurová - oxidací toluenu vzniká přes benzylalkohol kyselina benzoová, - konjugací s glycinem vzniká kyselina hippurová ---------------------------------------------------------------- H CN CN - HCN - organické kyanidy se oxidují na a-uhlíku za vzniku nestálých kyanhydrinů - po uvolnění kyanovodíku vytvoří aldehyd 16
Biotransformace styrenu přednostně oxidována dvojná vazba substituentu aromatického jádra v prvním kroku oxidace vzniká fenyloxiran (elektrofil), který může podléhat dvěma možným cestám biotransformace 1. hydrolýze a oxidaci až na kyselinu mandlovou a její ketoformu kyselinu fenylglyoxylovou 2. konjugaci s glutathionem na glutathionové konjugáty až na merkapturové kyseliny Horák J., Linhart I., Klusoň P.: Úvod do toxikologie a ekologie pro chemiky, 2004 17
Biotransformace nitrobenzenu redukce nitrobenzenu přes fenylhydroxylamin a jeho nitreniový ion až na anilin Horák J., Linhart I., Klusoň P.: Úvod do toxikologie a ekologie pro chemiky, 2004 18
Vylučování xenobiotikum je vylučováno: z jednotlivých orgánů a tkání - eliminace, z celého těla exkrece hlavním orgánem vylučování z těla jsou ledviny dalšími vylučovacími orgány jsou: játra - metabolity žlučí do střeva a do stolice, plíce - vydechováním těkavých látek, GIT - stolicí jiné cesty - sliny, slzy, pot, mateřské mléko 19
Vylučování Ledviny jsou párovým orgánem a spočívají v horní části břišní dutiny chráněny žebry, páteří a dalšími přilehlými částmi; navíc jsou obklopeny tukovým vazivem, které udržuje jejich stálou polohu a mírní nárazy průměrná ledvina dospělého člověka je asi 10 cm dlouhá, až 7,5 cm široká a téměř 5 cm hluboká, váží asi 15 dkg a má tmavočervenou barvu; její tvar je fazolovitý Nefron základní strukturní a funkční jednotka ledvin, jeden milion v každé ledvině, celková plocha asi 6-7 m 2, skládá se z filtrační (glomerulus (klubíčko cév)) a tubulární části (tubulus - kanálek) z krve v glomerulu přechází filtrát do tubulu, vzniká primární moč (asi 150-200 litrů), v tubulu se zpětně resorbuje až 99 % látek definitivní moč http://skolajecna.cz/biologie/ 20
Vylučování - vliv ph moči - pokud jsou látky ionizovány, nejsou schopny resorpce: chceme-li vyloučit kyselé (př. acylpyrin, barbituráty), zvýšíme ph moči NaHC 3 (jedlá soda) chceme-li vyloučit bazické (př. amfetaminy), snížíme ph moči NH 4 Cl (regulátor kyselosti v potravinářství) poškození ledvin následky - v těle se hromadí některé odpadní látky, např. močovina nebo kreatinin, zvýšení krevního tlaku, chudokrevnost, poruchy složení krve s nedostatkem Ca a nadbytkem P, K, Na a kyseliny močové, chybí vitamin D a zvyšuje se kyselost krve, objevují se otoky (nadbytek vody v těle) a snížené množství moče, která bývá velmi světlá 21
nejjednodušší případ - hladina klesá exponenciálně s časem 1. rychlost dc/dt = - k c 2. právě přítomná koncentrace integrací v čase t 0 = 0 do t c t = c 0 e -kt Vylučování - rychlost c...koncentrace právě přítomná t...čas k...konstanta c t...koncentrace v čase t c 0...počáteční koncentrace 3. poločas vylučování - právě polovina látky v těle 2c t = c 0 T = ln2/k 22