Rodzaje substancji toksycznych, mechanizmy toksyczności

Rodzaje substancji toksycznych, mechanizmy toksyczności

Ekotoksykologia
• Rodzaje substancji toksycznych
• Mechanizmy toksyczności
• Obrona przed intoksykacją, detoksykacja
Prof. dr hab. Ryszard Laskowski
Instytut Nauk o Środowisku UJ
Ul. Gronostajowa 7, Kraków
pok. 2.1.2
http://www.eko.uj.edu.pl/laskowski
Główne grupy substancji toksycznych
• Pierwiastki chemiczne
– głównie metale śladowe (np. Zn, Cu, Pb, Cd)
• Nieorganiczne związki chemiczne
-
-
– azotany (NO3 ) i azotyny (NO2 )
– gazy (SO2, NOx, O3)
– detergenty (np. zeolit A, poliwęglany, nadborany
NaBO3 ╳ 4H2O, NaBO3 ╳ 2H2O
• Organiczne związki chemiczne
– pestycydy (fungicydy, herbicydy, insektycydy)
– polichlorowane bifenyle (PCB) i inne organohalogenki
– wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne
(WWA)
– dioksyny i furany
Toksyczność jonów metali
białko
enzymu
prawidłowe
białko
enzymu
właściwy
metal
centrum
aktywne
metal
centrum
aktywne
substrat
białko
enzymu
substrat
białko
enzymu
o zniszczonej
strukturze
niewłaściwy
metal
enzym
niesprawny
metal
centrum
aktywne
substrat
substrat
Toksyczność jonów metali na przykładzie Cd
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Interakcje z receptorami sygnałowymi
Interakcje i zmiany białek kanałowych
Interakcje z kinazami i fosfatazami
Wpływ na ekspresję genów (np. MT, hsp)
Zaburzenia chromosomowe
Uszkodzenia DNA
Zaburzenia mitochondriów
Uszkodzenia błon komórkowych
Nekrozy
Stres oksydacyjny
Zaburzenia homeostazy metali
Zaburzenia metabolizmu glutationu (GSH)
Toksyczność związków nieorganicznych
• Azotany i azotyny
– utlenianie hemoglobiny do methemoglobiny
– prekursory mutagennych i kancerogennych
nitrozwiązków
• SO2, NOx, O3
–
–
–
–
–
–
uszkodzenia komórek epidermy
upośledzenie fotosyntezy, transpiracji, respiracji
zaburzenia funkcji oddechowych
leukocytoza, uszkodzenia erytrocytów
hamowanie aktywności niektórych enzymów
tworzenie wolnych rodników (uszkodzenia DNA)
• Detergenty
– rozpuszczanie warstwy lipidowej błon komórkowych
Pestycydy organiczne
• Zoocydy (ok. 10% stosowanych pestycydów)
–
–
–
–
–
insektycydy (przeciwko owadom)
molluskocydy i limacydy (przeciwko ślimakom)
namatocydy (przeciwko nicieniom)
akarycydy (przeciwko roztoczom)
rodentycydy (przeciwko gryzoniom)
• Herbicydy (ok. 60% stosowanych pestycydów)
• Fungicydy (ok. 20% stosowanych pestycydów)
• Regulatory wzrostu roślin, defolianty, defloranty,
desykanty
• Baktericydy
Pestycydy naturalne:
rotenoidy, pyretroidy, nikotyna, karbaminiany
H 3C
H 3C
C
H
R
O
C
O
H 3C
O
O
R, R’ - rodniki alkaliczne
np. –CH3, -CHCH2, -CO2CH3
C
H
H
H
CO O
CH2 CH CH
H3C CH3
rotenoidy
OCH3
OCH3
nikotyna
R’
O
pyretryny, pyretroidy
CH3
N
CH3
N
N
N
CH3
CH3
CH3
O C N CH3
O H
fizostygmina (karbaminiany)
Syntetyczne pestycydy chloroorganiczne
Cl
DDT
Cl
CH
Cl
CCl3
H
H
H
Cl
H
Cl
H
Cl
Cl
Cl
H
Lindan
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
O
Cl
Cl
Cl
Cl
Aldryna
Cl
Cl
Dieldryna
Syntetyczne pestycydy fosforoorganiczne
O
(CH 3)2N
P
(CH 3)2N
CH 3O
CH 3O
CH 3O
CH 3O
O
P
P
O
P
N(CH 3)2
N(CH 3)2
S
S-CH2 -CONH.CH 3
Szradan (Schradan)
Dimetoat
S
S-CH-CO2 C2H5
CH2-CO2 C2H5
Malation
Syntetyczne karbaminiany
O
H3C
N
OCNHCH3
O
N
OCN(CH3)2
CH(CH3)2
Isolan
Sevin
Syntetyczne pyretroidy
H
2
3
Br
R
Br
1
R
H
cis-deltametryna
O S
O H
O
CN
cypermetryna
O
Cl
Cl
O
CN
O
fenwalerat
O
Cl
O
CN
O
Syntetyczne pochodne nikotyny chloronikotynyle
N
Cl
N
NH
N
NO2
Imidachloprid
powszechnie stosowany insektycyd z grupy chloronikotynyli
Inne organiczne substancje toksyczne
R
R R
R
R
R
R
R R
H
R
H
Cl
O
Cl
Cl
O
Cl
H
H
Cl
Cl
Cl
O
H
diokysny: 2,3,7,8-tetrachlorodibenzop-dioksyna (2,3,7,8-TCDD)
H
H
Cl
polichlorowane bifenyle (PCB)
- ogólny wzór
- R – rodniki podstawiane
przez atomy chloru
H
furany: 2,3,7,8-tetrachlorodibenzop-furan (2,3,7,8-TCDF)
Przykłady wielopierścieniowych
węglowodorów aromatycznych (WWA)
fenantren
fluoranten
piren
benzo(a)piren
Toksyczność insektycydów
• Chloroorganiczne (OC)
– blokowanie działania K+ i Ca2+-ATPazy uszkodzenie
aktywnego transportu jonów
– zaburzenia fosforylacji oksydatywnej
• Fosforoorganiczne (OP)
– blokowanie acetylocholinesterazy (AChE) przez fosforylację
• Karbaminiany
– blokowanie AChE przez wiązanie się z seryną w miejscu
aktywnym enzymu
• Pyretroidy
– podobnie jak OC: zaburzenia transmisji sygnałów nerwowych
• Rotenoidy
– blokada transportu elektronów w mitochondriach
• Chloronikotynyle
– agoniści cholinergicznych receptorów nikotynowych
końcówka
aksonu
osłonka mielinowa
mitochondrium
jony Ca2+
kanał Ca2+
kolbki
synaptyczne
acetylocholina
receptory
szczelina
synaptyczna
xx
xxx
komórka postsynaptyczna
p. chloroorganiczne,
pyretroidy
x p. fosforoorganiczne,
karbaminiany
rotenoidy
chloronikotynyle
Związki metaloorganiczne
• Czteroetylek ołowiu
– metabolizowany w wątrobie do trietylku ołowiu dysfunkcje neurologiczne
• Metylortęć
– powstaje w wyniku metylacji rtęci metalicznej przez
bakterie (biometylacja) uszkodzenia systemu
nerwowego
• Organiczne związki cyny
– trimetylocyna (TMT) i trietylocyna (TET) neurotoksyny
– tributylek cyny (TBT) silnie toksyczny dla
bezkręgowców (ng/l), umiarkowanie dla kręgowców
Co oznacza „toksyczność”
• Zahamowanie lub zmiana przebiegu
naturalnych procesów biochemicznych
zachodzących w organizmie – zachwianie homeostazy obniżenie
„sprawności” organizmu, np.:
•
•
•
•
obniżenie płodności
skrócenie czasu trwania życia
wzrost wrażliwości na patogeny
spadek sprawności w zdobywaniu energii lub
unikaniu drapieżników itp.
Ochrona przed intoksykacją
• Reakcje behawioralne: wybiórczość
pokarmowa, unikanie skażonych środowisk
-1
Konsumpcja (mg dzień )
Ograniczenie konsumpcji pokarmu skażonego
przez metale przez ślimaki (Helix aspersa L.)
12
12
10
10
8
8
6
6
4
4
2
2
0
0
20
10
0
50
0
0
1
25
00 250
0
-1
Stężenie cynku w pokarmie (mg kg )
0
20
10
0
50
0
1
25
00 250
0
-1
Stężenie ołowiu w pokarmie (mg kg )
Ochrona przed intoksykacją - metale
kompleks
metal-ligand
ML
jon metalu
n+
M
błona białkowolipidowa
dyfuzja
kompleksu
metal-ligand
jonospecyficzny
kanał
Transport jonów przez błonę komórkową
Selektywne pobieranie metali ze środowiska
odrzucenie
Me
odrzucenie
Me-ligand
odrzucenie
selekcja na
błonie organelli
transport wewnętrzny
inkorporacja do
białek komórkowych
Selekcja jonów potrzebnych
• Zróżnicowana stabilność kompleksów ML
– szeregi stabilności KML Irvinga-Wiliamsa, np.:
Mg2+ = Ca2+ < Mn2+ < Fe2+ <Co2+ < Ni2+ < Cu2+ < Zn2+
• Rozmiary jonów: mały jon wysoka KML
Kationy 1+
Li+
Na+
K+
Rb+
Cs+
Å
0,60
0,95
1,33
1,48
1,69
Kationy 2+
Be2+
Mg2+
Ca2+
Sr2+
Ba2+
Å
0,40
0,65
1,00
1,13
1,35
Selekcja jonów potrzebnych – c.d.
• Selekcja z wykorzystaniem zróżnicowania
ładunku
• Zróżnicowana preferencja względem
geometrii koordynacyjnej
• Selekcja względem spinu
Detoksykacja jonów metali
• Metale są nierozkładalne – brak możliwości
detoksykacji przez rozkład do substancji
nietoksycznych konieczność
zastosowania innych mechanizmów:
– wiązanie w nierozpuszczalnych granulach:
•
•
•
•
typ A – rezerwy Ca i P, metale z klasy „A” + Zn i Pb
typ B – metale z klasy B (Cd, Cu, Hg) i przejściowej
typ C – głównie Fe
typ D – jedyne pozakomórkowe, prawdopodobnie nie
odgrywają roli w detoksykacji (magazynowanie Ca)
Granule wiążące metale w komórkach
Komórki nabłonka jelita u skoczogonka Proisotoma minuta:
(a) u zdrowego osobnika; (b) u eksponowanego na Cd;
(c) widoczne granule; (d) powiększenie granuli.
Nursita, A. I., Singh, B., Lees, E. 2004. Evaluation of cadmium toxicity to Collembola (Proisotoma
minuta) using electron microscopy. SuperSoil, The Regional Institute Ltd
Metalotioneiny – białka wiążące metale
Cu metalotioneina z drożdży
Saccharomyces cerevisiae
Cd metalotioneina z kraba błękitnego
Saccharomyces cerevisiae
Metalotioneiny: grupa niskocząsteczkowych białek
(ok. 10 kDa), bogatych w siarkę (do 30% cysteina)
Białka opiekuńcze (chaperony)
Hsp90 – Heat Shock Protein 90
przyłączona do ADP-Mg
Hsp – białka o masie
cząsteczkowej ok. 60 – 90 kDa
Podstawowa rola: ochrona
trzeciorzędowej struktury
białek przed denaturacją.
Detoksykacja związków organicznych
• Enzymatyczny rozkład do nietoksycznych lub
mniej toksycznych produktów w 2 fazach:
– Faza I detoksykacji: utlenianie, redukcja,
hydroliza lub hydratacja metabolity pośrednie
o niższym Kow (UWAGA: błąd w podręczniku!)
• monooksygenazy o funkcji mieszanej (MFO)
• karboksyloesterazy (CarE)
– Faza II: sprzęganie grup hydroksylowych ww.
metabolitów z glutationem, kwasem
glukuronowym, glicyną, siarczanami itp.
wydalanie
Detoksykacja związków organicznych
Faza I – hydroliza przez CarE
R-COOR’’ + H2O R-COOH + R’’-OH
Faza II – sprzęganie z glutationem przez
transferazy S-glutationowe
R-X + GSH R-GS + HX
X = Cl itp.
O
O
R-OCNHCH3
karbaminiany
MF O
ester
aza
R-OCNHCH2 OH
H 2O
ROH + CH3 NHCO2 H
ROH + CO2 + NH 3 +CH 2O
ROH + CH3 NH2 + CO2