VUVeL-logo •Fyziologie působení farmak a toxických látek - úvod •vondracek@ibp.cz •machala@vri.cz •Náplň předmětu/sylabus: • E Základní přehled chemických látek, které mohou cíleně nebo náhodně narušovat normální fyziologické procesy – antropogenní organické polutanty, farmaka, sekundární metabolity (dietární látky a neantropogenní toxiny); typy expozice – půda, vzduch, sedimenty, voda, potravní řetězec. EFarmakokinetika, transport a akumulace cizorodých látek v těle. E Principy regulace metabolismu cizorodých látek, enzymy I. a II. fáze biotransformace, antioxidační enzymy, III. fáze biotransformace. E Základní typy toxických efektů cizorodých látek (genotoxicita, hepatotoxicita, neurotoxicita, imunotoxicita, nádorová promoce, endokrinní disrupce), toxické efekty farmak – cytostatika, hormonální přípravky, neuroleptické látky. Chemoprotektivní látky. E •Náplň předmětu: • E Deregulace signální transdukce cizorodými látkami. E HLH/PAS rodina proteinů – HIF1a, Ah receptor a jeho signalizační dráha. E Jaderné receptory (ER, AR, PR, GR, TR, RAR/RXR, CAR, PXR, PPAR) – jejich ligandy, jejich úloha v regulaci metabolismu, fyziologické funkce zprostředkované modulací cílových genů. E Biosyntéza a metabolismus přirozených ligandů NR (steroidy, mastné kyseliny, lipidové mediátory); hormonální regulace biosyntézy. E Principy hormonální regulace a endokrinní disrupce – bezobratlí. E Endokrinní regulace a disrupce – obratlovci – ER, AR, PR, GR. E Endokrinní disrupce, regulace embryonálního a postnatálního vývoje – obratlovci – RAR, RXR, PPAR, TR. •Fyziologické aj. funkce (homeostáze, vývoj, diferenciace, rozmnožování •etc.) jsou založeny na KOMUNIKACI – na stovkách různých signálních •drah. Jak endogenní signály, tak cizorodé látky (dietární, farmaka, •environmentální cizorodé látky) ovlivňují komunikaci a tím regulace v buňkách: •Extracelulární stimuly •endokrinní, parakrinní, •autokrinní) •Externí stimuly •(cizorodé látky) •Produkty genové exprese •(enzymy, cytokiny, růstové faktory, •modulátory bun. cyklu,...) •Genová exprese •Efektory, •„zesilovače“, •regulační moduly •Membránové •receptory •Intracelulární receptory/ •transkripční faktory (NHR, PAS,...) •Metabolismus endogenních a cizorodých látek •Buněčný cyklus, proliferace / buněčná smrt, diferenciace, senescence • Náplň předmětu: Fyziologie komunikace Nízkomolekulární látky přírodního a antropogenního původu: • •Signalizace, metabolismus •Toxicita •Fyziologické podmínky vs. lidské zásahy •Mechanismy jejich působení na buněčné úrovni •(Hanahan, Weinberg, Cell, 2000) •Regulace jsou komplexní a ve všech místech mohou být •ovlivňovány cizorodými látkami •Již na úrovni jednobuněčných organismů je nezbytná schopnost: 1.Přijímat a identifikovat signály z vnějšího prostředí – např. za účelem výměny genetické informace; 2.Eliminovat toxické látky přijímané z vnějšího prostředí/vznikající jako vedlejší produkty metabolismu; • • • •Degradace a exkrece toxických látek a vedlejších metabolických produktů •Příjem a přenos specifických signálů • •U mnohobuněčných organismů (živočichů) se vyvinuly stovky signálních drah a dalších mechanismů: 1. 1.Embryonální a postnatální vývoj; 2.Regulace metabolismu a obecně homeostázy; 3.Pohlavní rozmnožování; 4.Tvorba a degradace signálních molekul i toxických sloučenin; přenos signálu •REGULACE BUNĚČNÝCH PROCESŮ • E Regulace tvorby aktivního enzymu: indukce/suprese biosyntézy (negat., pozitivní kontrola transkripce, mutace), regulace enzymové aktivity (allosterická regulace, de/fosforylace, zpětno-vazebná regulace produktem metabolismu), stabilizace a degradace proteinů, nespecifické mechanismy (ztráta energie - NAD(P)H, ATP). E Typy signalizace mezi buňkami (endokrinní, parakrinní, autokrinní, přímé komunikace - GJIC, „adherens junctions“ aj.). E Intracelulární signální transdukce (bun. povrchové receptory, aktivace enzymů - MAPK, lipázy, sekundární „messengery“, transkripční faktory). E Extracelulární chemické stimuly: hormony, růstové faktory, cytokiny, xenobiotika, dietární PUFA atd. •Zásahy z vnějšího prostředí: • 1.Produkty sekundárního metabolismu rostlin a hub; 2.Zásahy člověka – cílené – aplikace chemických látek jako jsou pesticidy, syntetické feromony; terapie; 3.Zásahy člověka – nezamýšlené – toxické sloučeniny; odpad. 4.Pohyb a transformace cizorodých látek v prostředí (půda, voda, ovzduší, živé organismy); akumulace / bioakumulace v potravním řetězci. •Přehled farmak a dalších cizorodých látek, které modulují fyziologické, celulární, biochemické a molekulárně biologické procesy •KLASIFIKACE CIZORODÝCH LÁTEK PODLE PŮVODU: •- přírodní látky (peptidy, biogenní aminy, alkaloidy, polyfenoly, xanthofyly aj. barviva, terpenoidy, bakteriální toxiny, mykotoxiny); •- syntetická farmaka (farmaka vegetativního nervového systému, např. b-blokátory nebo inhibitory AChE, analgetika, cytostatika atd.); •- průmyslově produkované cizorodé látky (pesticidy, PCB, ftaláty, detergenty); •- průmyslové kontaminanty prostředí (dioxiny, PAH) •- anorganické látky (kovy, oxidy kovů, oxidy dusíku, dusičnany a dusitany aj.) •KLASIFIKACE PODLE ÚČINKU: •- genotoxiny, tumorové promotery, chemické karcinogeny; •- endokrinní disruptory; •- neurotoxické látky (inhibitory AChE, Ca2+, dopamin aj.); •-imunomodulační látky; -chemoprotektivní látky (antioxidanty, inhibitory enzymů signální transdukce, inhibitory CYP atd.) - •Přírodní látky odvozené z biogenních aminů •M-receptory •(cholinergní •receptory ACh) •adrenergní •receptory •interference •se serotoninem •a adrenalinem •(„psychomime- •tika“) Alkaloidy nnikotin – nikotinové (cholinergní) receptory v gangliích nmorfin – opioidní receptory (analgetický a euforický efekt) •MORFIN •CHININ Alkaloidy: xanthiny nantagonisté adenosinového receptoru (brání účinku adenosinu, který vyvolává spánek) ninhibice fosfodiesterázy (zabrání hydrolýze cAMP – stimulace cAMP-dependentních kináz – regulace glykogenu, metabolismu cukrů a lipidů, zvýšené uvolňování katecholaminů (noradrenalínu a dopaminu) – mírná stimulace CNS a kardiovaskulárního systému Polyfenoly nkys. elagová – příklad polyfenolických antioxidantů nEGCG – hlavně v zeleném a bílém čaji •KYSELINA ELLAGOVÁ •EPIGALLOCATECHINGALLATE Polyfenoly: flavonoidy nChem. struktura: flavony, isoflavony, flavanony nZástupce fytoestrogenů – genistein (sója) nFlavonoidy – antioxidanty, inhibitory MAPK, (anti)estrogeny nFlavonoidy v přírodním stavu obsahují cukernou složku (rutin) •FLAVONY •RUTIN •KVERCETIN •GENISTEIN •(ISOFLAVON) Příklady farmak: cytostatika ncytostatika – řada mechanismů účinku; př. „antimetabolitů“ (azapyrimidinů) – inhibice syntézy DNA, chybná inkorporace do RNA – užití tam, kde převládají rychle proliferující buněčné populace •6-AZAURACIL •Mechanismy účinku 5-FU •5-FLUOROURACIL Příklady farmak: cytostatika ncyklofosfamid alkyluje guaninovou bázi; aktivní je až 4-OH-metabolit; využití v experim. výzkumu (blokuje biosyntézu) nCisplatina – kovalentní vazba s puriny; různá účinnost a cytotox. derivátů nDoxorubicin – blokuje topoisomerázu 2; oxidativní stres. •CYKLOFOSFAMID •Deriváty CISPLATINY •DOXORUBICIN Estrogeny / antiestrogeny n17a-ethinylestradiol – první semisyntetický estrogen (aktivuje ER); nTamoxifen - antiestrogenní •17a-ethinylestradiol •Tamoxifen •17b-ethinylestradiol Inhibitory enzymů signální transdukce nIndomethacin, ibuprofen – inhibitory cyklooxygenáz (inhibice syntézy prostaglandinů); nU0126 – inhibitor proteinkináz MEK1/2 (signální dráha vedoucí k aktivaci ERK1/2) •INDOMETHACIN •IBUPROFEN (enanciomery) •U0126 Průmyslové kontaminanty: organochlorové pesticidy nDDT – otvírá sodíkové kanály v neuronech hmyzu; vysoce persistentní (persistentní je i metabolit DDE), bioakumulace; nHCH aj. – široce používány v 1950-1970. •p,p’-DDT •g-HEXACHLOROCYCLOHEXAN •p,p’-DDE Průmyslové kontaminanty: moderní pesticidy (tlumení a hubení rostlinných a živočišných škůdců – herbicidy, insekticidy, fungicidy – vys. účinnost i degradace) nOrganofosfáty – ireversibilní inhibice acetylcholinesteráz nKarbamáty – reversibilní inhibice AChE nPyrethroidy (př. cypermethrin) – vysoce účinné insekticidy, odvozené od přírodního pesticidu kys. chrysantémové •ORGANOFOSFÁTY •KARBAMÁTY •CYPERMETHRIN Polychlorované dibenzo-p-dioxiny, dibenzofurany a bifenyly nVysoce persistentní a biuakumulující látky; planární kongenery (PCDD, PCDF, některé PCB jako např. PCB 126) působí přes aryluhlovodíkový receptor – „dioxinová“ toxicita nNekoplanární PCB – efekty na steroidní receptory, plasmat. membránu aj., vede k nádor. promoci a endokrinní disrupci. •2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin •Polychlorované dibenzofurany •Polychlorované bifenyly •(209 různých kongenerů) •PCB 126 (koplanární, •podobný dioxinům) •PCB 153 (nekoplanární, •jiné mechanismy působení) Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH) a jejich deriváty nPAH - mnohem méně persistentní než polychlorované látky; genotoxické a karcinogenní metabolity; ale i efekty na AhR a další negenotoxické mechanismy toxicity. •Benzo[a]pyren •Anthrachinon •1-Nitropyren •1-Methylpyren Průmyslové kontaminanty: nové neionogenní detergenty (nejsou na bázi sulfonanů a fosfátů) ndegradačn í produkty (4-nonyl-, oktylfenol) jsou toxické (narkotický účinek, efekty na steroidní receptory apod.) a relativně persistentní v prostředí •Polyglykoétery alkylovaných fenolů •Alkylfenoly