of
Fyziologie působení farmak a
toxických látek - úvod
vondracek@ibp.cz
machala@vri.cz
Náplň předmětu/sylabus:
 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.
Farmakokinetika, transport a akumulace cizorodých
látek v těle.
 Principy regulace metabolismu cizorodých látek,
enzymy I. a II. fáze biotransformace, antioxidační
enzymy, III. fáze biotransformace.
 Základní typy toxických efektů cizorodých látek
(genotoxicita, hepatotoxicita, neurotoxicita,
imunotoxicita, nádorová promoce, endokrinní disrupce),
toxické efekty farmak – cytostatika, hormonální
přípravky, neuroleptické látky. Chemoprotektivní látky.
Náplň předmětu:
 Deregulace signální transdukce cizorodými látkami.
 HLH/PAS rodina proteinů – HIF1, Ah receptor a jeho
signalizační dráha.
 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.
 Biosyntéza a metabolismus přirozených ligandů NR
(steroidy, mastné kyseliny, lipidové mediátory);
hormonální regulace biosyntézy.
 Principy hormonální regulace a endokrinní disrupce –
bezobratlí.
 Endokrinní regulace a disrupce – obratlovci – ER, AR,
PR, GR.
 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.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
 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).
 Typy signalizace mezi buňkami (endokrinní, parakrinní,
autokrinní, přímé komunikace - GJIC, „adherens
junctions“ aj.).
 Intracelulární signální transdukce (bun. povrchové
receptory, aktivace enzymů - MAPK, lipázy, sekundární
„messengery“, transkripční faktory).
 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
MeO
Me
muskarin
meskalin D(-)efedrin
(redukcí OH: pervitin)
MeO
NH2
MeO
O
OH
+
N(Me)3
MeO
MeO
NHMe
MeO
OH
Me
x-M-receptory
(cholinergní
receptory ACh)
adrenergní
receptory
interference
se serotoninem
a adrenalinem
(„psychomime-
tika“)
Alkaloidy
 nikotin – nikotinové (cholinergní) receptory v gangliích
 morfin – opioidní receptory (analgetický a euforický efekt)
MORFIN CHININ
Alkaloidy: xanthiny
 antagonisté adenosinového receptoru (brání účinku
adenosinu, který vyvolává spánek)
 inhibice 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
 kys. elagová – příklad polyfenolických antioxidantů
 EGCG – hlavně v zeleném a bílém čaji
KYSELINA ELLAGOVÁ
EPIGALLOCATECHINGALLATE
Polyfenoly: flavonoidy
 Chem. struktura: flavony, isoflavony, flavanony
 Zástupce fytoestrogenů – genistein (sója)
 Flavonoidy – antioxidanty, inhibitory MAPK, (anti)estrogeny
 Flavonoidy v přírodním stavu obsahují cukernou složku (rutin)
FLAVONY
RUTIN
KVERCETIN
GENISTEIN
(ISOFLAVON)
Příklady farmak: cytostatika
 cytostatika – 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
 cyklofosfamid alkyluje guaninovou bázi; aktivní je až 4-OHmetabolit;
využití v experim. výzkumu (blokuje biosyntézu)
 Cisplatina – kovalentní vazba s puriny; různá účinnost a
cytotox. derivátů
 Doxorubicin – blokuje topoisomerázu 2; oxidativní stres.
CYKLOFOSFAMID
Deriváty CISPLATINY
H3
N
Pt
Cl
Cl
H3N
H2N
Pt
H3N Cl
Cl
OCOCH3
OCOCH3
DOXORUBICIN
Estrogeny / antiestrogeny
 17a-ethinylestradiol – první semisyntetický estrogen (aktivuje ER);
 Tamoxifen - antiestrogenní
17-ethinylestradiol
Tamoxifen
17b-ethinylestradiol
Inhibitory enzymů signální transdukce
 Indomethacin, ibuprofen – inhibitory cyklooxygenáz (inhibice
syntézy prostaglandinů);
 U0126 – inhibitor proteinkináz MEK1/2 (signální dráha
vedoucí k aktivaci ERK1/2)
INDOMETHACIN
IBUPROFEN (enanciomery)
U0126
Průmyslové kontaminanty: organochlorové
pesticidy
 DDT – otvírá sodíkové kanály v neuronech hmyzu; vysoce
persistentní (persistentní je i metabolit DDE), bioakumulace;
 HCH 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)
 Organofosfáty – ireversibilní inhibice acetylcholinesteráz
 Karbamáty – reversibilní inhibice AChE
 Pyrethroidy (př. cypermethrin) – vysoce účinné insekticidy,
odvozené od přírodního pesticidu kys. chrysantémové
ORGANOFOSFÁTY KARBAMÁTY
CYPERMETHRIN
Polychlorované dibenzo-p-dioxiny,
dibenzofurany a bifenyly
 Vysoce persistentní a biuakumulující látky; planární
kongenery (PCDD, PCDF, některé PCB jako např. PCB 126)
působí přes aryluhlovodíkový receptor – „dioxinová“ toxicita
 Nekoplanární 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
 PAH - 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)
 degradačn í produkty (4-nonyl-, oktylfenol) jsou toxické
(narkotický účinek, efekty na steroidní receptory apod.) a
relativně persistentní v prostředí
Polyglykoétery alkylovaných fenolů
Alkylfenoly