1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg logo_mu_cerne.gif • Luděk Bláha, PřF MU •Účinky toxických látek 1 •- Molekulární mechanismy - • OPVK_MU_stred_2 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Chápat a dokázat vysvětlit základní pojmy toxikodynamiky –receptor, interakce, afinita, účinnost •Vysvětlit molekulární principy interakcí mezi toxickými látkami a cílovými místy (receptory) • •Vysvětlit a popsat principy nespecifického a specifického působení toxických látek • •Znát principy a příklady látek, které působí nejdůležitějšími mechanismy toxicity, tj. –narušení přirozené fluidity membrány –interakce látek s DNA –inhibice enzymových aktivit –narušení redox-potenciálu –narušení gradientů na membránách –kompetice se substráty / přirozenými ligandy • •Poznat ve struktuře vybraných modelových látek strukturní znaky, které jsou odpovědné za konkrétní mechanismy působení Co by si měl student odnést z této přednášky? 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •TOXIKODYNAMIKA •- základní principy - • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif ToxicoDYNAMICS http://4.bp.blogspot.com/-MebbujGDXi0/UAu26D7WxII/AAAAAAAAACk/StePoxIb3Go/s1600/2.png Dynamic simulation of processes causing toxicity and their grouping into toxicokinetics and toxicodynamics, illustrated on the example of the aquatic invertebrate Gammarus pulex. •MoA • • •... and measurable EFFECTS •TARGETS = macromolecules •(DNA/RNA, proteins, membrane lipids) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Vztah mezi toxikokinetikou a toxikodynamikou 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Toxikodynamika vychází z propracované „farmakodynamiky“ a přejímá její koncepty •popisuje procesy na molekulární úrovni • •V místě kontaktu toxikantu s cílovým místem („receptorem“) dochází k interakci toxikant-receptor • •Interakce mezi dvěma chemickými látkami • •Cílové struktury = základní makromolekuly: •Proteiny • STRUKTURNÍ (tubulin apod.) • ENZYMY • TRANSPORTÉRY (v membráně, hemoglobin) • PROTEINOVÉ RECEPTORY (v membráně i v cytoplasmě) • •Nukleové kyseliny •Fosfolipidy •(Sacharidy) • • • http://www.orko.cz/Varia/Pro%20Katku/Campbell%20obr%E1zky/07_Art_for_Students/07_09-MembProteinFunc tion-L.jpg •Ilustrace –příklady funkcí proteinů (jen membránové) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif http://www.nc3rs.org.uk/downloaddoc.asp?id=744 •Interakce látek s proteiny: klíčové procesy 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Interakce toxických látek s receptory • •- interakce pozitivní à indukce odpovědi (agonista) • (nahrazuje efekt ligandu, mimic effect, hormone-like effect) •- interakce negativní à kompetice: nevyvolává reakci (antagonista) • (blokuje navázání a efekt přirozeného ligandu, př. anti/estrogenita) • •HORMONE • • • •EFFECT •TOXIN • •HORMONE • • •EFFECT •TOXIN • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Příklady cílových struktur •(receptor = jakákoliv biomolekula, kterou může ovlivnit toxikant) • •- buněčná membrána • narkotická toxicita - dosažení takové koncentrace, že dochází • k blokaci fluidity membrány a tím její funkce • •- acetylcholinesteráza • enzym - inhibice v aktivním místě organofosfátovými pesticidy • (substrate mimics) • •- Arylhydrocarbon receptor (AhR), estrogenní receptor (ER) • specifické mechanismy toxicity, xenoestrogenity • •- další …. 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Typy interakcí („vazby“) mezi toxikantem a receptorem • • -nekovalentní (viz příklad na následujícím snímku) • vodíkové můstky • hydrofobní interakce • iontové interakce • van der Waalsovy interakce •(reverzibilní) • • -kovalentní - inhibice acetylcholinesterázy organofosfátem... - vazba látky na DNA •(zpravidla ireverzibilní) http://www.bioscience.org/2008/v13/af/3175/fig10.jpg 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Interakce mezi „receptory“ a malými molekulami (toxikanty) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Typy interakcí mezi chemickými látkami •(příklad – interakce s proteinem) •Malé molekuly s různou strukturou (OH, NH3…) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Rychlost a síla interakce závisí na: • •- koncentraci obou interagujících látek (určující je zpravidla koncentrace toxikantu - ta je dána toxokinetikou) • •à AFINITA vazby „ligand-receptor“ : Hodnocení - disociační konstanty: • Kd (pro účinné látky cca v rozmezí 10-8 M až 10-3 M) • (koncentrace která stačí k navázání z 50% na příslušný receptor) •Afinita - vyjadřuje se často jako převrácená hodnota (1/Kd) • • •à Toxicita (efekt) je pak dán schopností ÚČINNOSTÍ (efficacy) látky vyvolat příslušný efekt (vysoká afinita (navázání) ještě nemusí receptor aktivovat à účinnost může být nižší) •Rychlost a síla interakce http://www.blobs.org/science/cells/affinity.gif http://www.blobs.org/science/cells/efficacy.gif 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Jedná látka může reagovat s více „receptory“ !!! • •Která interakce bude preferována (která se projeví toxicky) ? •Významné faktory •Koncentrace vs. rychlost toxického projevu interakce • dioxin: vysoké dávky à akutní chlorakne, smrt, • nízké dávky, dlouhodobě à karcinogenita, imunosuprese … • •Prostorové umístění a kontakt s receptory • embryo vs. dospělec • insekticid: vysoká dávka - akutní toxicita -> žábry / smrt • nízká dávka je distribuována v těle a působí chronicky -> imunotoxicita • •Kd - jednotlivých interakcí • organofosfát: specifická inhibice AcChE, velmi nízké Kd • à specifické působení • •TOXIKODYNAMIKA - základní principy - 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Látka může reagovat s více receptory !!! • •Příklad - 2,3,7,8-TCDD •- indukce AhR (thymus, játra Kd 10-12 - 10-15 M) •-> nádor/měsíce – roky (karcinogenita, imunotoxicita) • •- modulace estrogenity (ER) (pohlavní orgány Kd 10-9 - 10-12 M) •-> reprodukční poruchy/měsíce - roky • •- narkotická toxicita (membrána) (10-6 M) •-> akutní rychlá intoxikace • • •TOXIKODYNAMIKA - základní principy - dioxiny 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Akutní (24h) toxicita TCDD a ostatních látek •(potkan LD50 mg/kg ž.v.) Chemical LD 50 Value (mg/kg ž.v.) TCDD (a form of dioxin) 0.01 Tetrodotoxin (globefish toxin) 0.01 Saxitoxin (shellfish poison) 0.8 Carbofuran (a pesticide) 10 Phosphamidon (an insecticide) 24 Nicotine 50 Caffeine 200 DDT (an insecticide) 200 2,4–D (an herbicide) 370 Mirex (an insecticide) 740 Acetylsalicylic acid (aspirin) 1,700 Malathion (an insecticide) 2,000 Sodium chloride (table salt) 3,750 Glyphosate (an herbicide) 4,300 Ethanol (drinking alcohol) 13,700 Sucrose (table sugar) 30,000 Botulotoxin (enzym: propagace toxické reakce) 0,00000003 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Jaké makromolekuly jsou cílem toxických látek? •Jaké existují interakce mezi toxickými látkami a makromolekulami? • •Jaký typ intereakce bude nejpravděpodobnější mezi • * hexachlorhexanem … a hemoglobinem? …a fosfolipidem? • * formaldehydem … a tubulinem? … a nukleovou kyselinou? • •Co je to toxikodynamická disociační konstanta? •Ke které makromolekule má TCDD vyšší afinitu? U které interakce bude vyšší Kd? • K receptoru AhR nebo k hemoglobinu? • •Co je agonista? Co je antagonista? Toxikodynamika - otázky 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Účinky látek na molekulární úrovni: •mechanismy působení 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Co by si student(ka) měl(a) odnést ? 1)ZNÁT a dokázat vysvětlit hlavní Molekulární a Biochemické mechanismy toxicity 2) 2) 2)Dokázat přiřadit ke každému mechanismu toxicity některé z významných environmentálních toxikantů 3) 3) 3)Vysvětlit, jak se jednotlivé BIOCHEMICKÉ MECHANISMY toxicity projeví na vyšších úrovních (příklad – inhibice receptoru pro hormon à projev: porušení reprodukce) 4) 4) 4) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Připomenutí: mechanistický koncept od molekuly k populacím (V literatuře: „Adverse Outcome Pathway“) http://u.jimdo.com/www32/o/s09b2938cc0a6d68f/img/iea0bcf86690428e0/1328014089/orig/models-for-ecoto xicology-and-risk-assessment-toxicokinetics-are-what-the-organism-does-with-the-chemical-and-toxico dynamics-are-what-the-chemical-does-to-the-organism.jpg 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •1) Cizorodé organické látky mají toxické efekty pro membránové fosfolipidy •= nepolární narkotická toxicita (bazální toxicita, membránová toxicita) •projevy při relativně vysokých koncentracích, závisí na logKow (viz dále) • •Základní typy ekotoxicity organických látek 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •1) Cizorodé organické látky mají toxické efekty pro membránové fosfolipidy •= nepolární narkotická toxicita (bazální toxicita, membránová toxicita) •projevy při relativně vysokých koncentracích, závisí na logKow (viz dále) • •2) Kromě základní toxicity, mohou polárnější látky přímo působit na membránové proteiny = polární nakotická toxicita •projevy při nižších koncentracích než by odpovídalo logKow • •Základní typy ekotoxicity organických látek 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •1) Cizorodé organické látky mají toxické efekty pro membránové fosfolipidy •= nepolární narkotická toxicita (bazální toxicita, membránová toxicita) •projevy při relativně vysokých koncentracích, závisí na logKow (viz dále) • •2) Kromě základní toxicity, mohou polárnější látky přímo působit na membránové proteiny = polární nakotická toxicita •projevy při nižších koncentracích než by odpovídalo logKow • •3) Kromě obou nahoře uvedených mechanismů, mohou látky, které jsou reaktivní napadat reaktivně makromolekuly a působit tzv. reaktivní toxicitu •- projevy ještě při nižších koncentracích než odpovídá narkóze -toxické látky spíše elektrofily, vyhledávají nukleofilní zbytky = „elektrony-bohatá místa“ (nukleotidy, SH-, NH2- a další skupiny – nukleové kyseliny, proteiny, fosfolipidy) - •Základní typy ekotoxicity organických látek 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Základní typy ekotoxicity organických látek 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Základní typy ekotoxicity organických látek Všechny organické látky à Membrány (nepolární a polární narkoza) Reaktivní toxicita àVšechny makromolekuly (NK, proteiny, membrána) : oxidativní stres, mutagenita - acylace-/arylace denaturace proteinů (nekompetit. Inhibice enzymů…) •Organické látky •Kovy •: jiné procesy než u org.látek • •: oxidace/redukce • à toxicita • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Membránová toxicita 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Narušení membrány - základní toxicita (baseline toxicity) = narkoza (narcosis) • (nejde o narkozu farmakologickou, kde se uvažuje velmi specifické působení na receptory na membránách) - •Zásadní význam v ekotoxicitě většiny organických polutantů - efekty závislé na HYDROFOBICITĚ (Kow / logKow = logP) - při vyšších koncentracích akumulace látek v membránách • à narušení zásadních životních funkcí •(přenos nervových signálů, tvorba ATP atd atd) • •Mechanismus 1: Interakce s membránou 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif • •Poznámka: cholesterol - strukturně „velikostí“ obdobný jako jiné organické látky (PAHs, neutrální toxikanty…) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Narkotická (membránová toxicita) à důsledky a projevy • •AKUTNÍ EKOTOXICITA •Prokázána lineární korelace mezi logKow (=logP) a EC50 u vodních organismů (např. Daphnia, ryby, planktonní řasy …) •Obrázek: • •Neutrální organické látky à Nepolární narkoza •Aminy (NH2), fenoly (OH) à Polární narkoza (při stejném logP je pozorována vyšší toxicita – tj. vyšší hodnoty 1/EC50 než u neutrálních látek) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Mutagenita a genotoxicita • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •DNA - klíčová molekula života •- pečlivá kontrola struktury (a funkce) • •DNA všech organismů často mutuje: •- základ přirozené variability, adaptací, evoluce • •Naprostá většina případných mutací je opravena • •Neopravitelné změny • à 99.9% řízená smrt buňky (apoptoza) • à minimum změn zůstane zachováno • à projevy (adaptace, evoluce … genotoxicita) • • •- Mutagenita a genotoxicita - 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •- Mutagenita a genotoxicita - 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Chemické látky mohou indukovat poškození DNA • •mutageny = látky způsobující mutace (změny/alterace na DNA a chromosomech) • •genotoxiny = látky poškozující DNA • •klastogeny = látky vyvolávající chromosomální zlomy • • - terminologie není jednotná / přechody ... • •- Mutagenita a genotoxicita - 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1)Bodové mutace (interakce toxikantu s nukleotidem) : záměny změna jednoho tripletu, jedné aminokyseliny à “úprava” funkce enzymu NEBO nefunkční enzym apoptoza • : delece, adice zpravidla změna čtecího rámce à vždy nefunkční enzym à smrt apoptozou 1) •- Mutagenita a genotoxicita – TYPY MUTACÍ 1 •Záměna T (Purin) à C (Pyrimidin) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Důsledky bodových mutací http://academic.pgcc.edu/%7Ekroberts/Lecture/Chapter%207/07-21_PointMutations_L.jpg (a)Tiché mutace – i po změně koduje stejnou aminokyselinu (amk) (b)Změna smyslu – jiný triplet: změna kodování jedné amk (c)Nesmyslná mutace – např. triplet koduje „STOPL (d – e) Změna čtecího rámce – změna tripletů pro mnoho amk od mutace dále 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 2)Zlomy + chromozomové mutace (toxikant interaguje s “páteří” DNA – cukr-fosfátový řetězec) 3) •- Mutagenita a genotoxicita – TYPY MUTACÍ 2 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1)Ionizující záření * přímá interakce s DNA (zlomy) * nepřímo à štěpení vody à ROS (viz také dále) 2)elektrofilní malé molekuly * deriváty kyslíku, vody (m.j. také po ozáření) (viz také dále – “oxidativní stres”) * vyhledávají nukleofilní/bazická místa … např. v NK 3) další reaktivní látky - alkylující, acylující nebo arylující látky à kovalentní adukty s nukleotidy v DNA à 1+2+3: „nespecifické“ reaktivní mechanismy 3) interkalátory DNA è cross-linking řetězců DNA à 3: „specifický“ mechanismus genotoxicity (jen látky s definovanou strukturou, velikostí…) •Mutageny – hlavní skupiny / příklady 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Mutagenita – ionizující záření https://www.windows2universe.org/earth/Life/images/radiation_dna_damage_big.jpg 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Produkty vznikající z vody a kyslíku •Voda - chemikálie s nejvyšší koncentrací, Kyslík – silné oxidační činidlo • •à ROS reactive oxygen species viz dále – mechanismus “oxidativní stres” •Mutagenita – volné radikály / oxidační stres http://www2.le.ac.uk/departments/csmm/images/ROSproductionOSG.png 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Kontaminanty, jejich metabolity, toxiny • PAHs • Plísňové toxiny atd. • •Reaktivní organické toxikanty • epoxidy, episulfidy, laktony, aminy • chinony • azo-látky (heterocyklické PAHs) • aromatické nitro-látky (NO2-PAHs) • http://www.uoguelph.ca/%7Edjosephy/lab/images/mutagens.gif http://www.uoguelph.ca/%7Edjosephy/lab/images/mutagens.gif •Adukty (arylace) po aktivaci CYP •Aflatoxin B1 (po aktivaci CYP) •BaP (po aktivaci CYP) • •Alkylace Nitrosomočovina •Cyklofosfamid • •Nitromočovina •Mutagenita – reaktivní látky (alkylace / arylace) •Cyklofosfamid 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E3 •Mutagenita benzo[a]pyren – “arylace” (vznik aduktu) po aktivaci CYP450 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0e/Benzo%28a%29pyrene_metabolism.svg/540px-Be nzo%28a%29pyrene_metabolism.svg.png •GUANIN •Adukt BaP-G •Reaktivní epoxid na BaP 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •„Alkylace“ – cyklofosfamid (protinádorové cytostatikum, prokázaný mutagen) • • • à adukty + cross-linky mezi řetězci 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E3 •Interkalační činidla •Využití v experimentální biologii – značení DNA (ethidium bromid) 598-599 •Interkalace: psoralen 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •INTERKALACE DO DNA Ethidium bromide (běžná látka v mol-biol výzkumu: vizualizace DNA) http://what-when-how.com/wp-content/uploads/2011/05/tmp32C166_thumb1.jpg •Example 1 – ETHIDIUMBROMIDE - experimental dye – visualization of DNA - intercalation à sharing of electrones with bases à high fluorescence 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •V organismu existuje rozsáhlý soubor reparačních nástrojů •(specifické pro různé typy změn) • • •Reparační enzymové aparáty: • •mnoho je exprimováno konstitutivně (nízké úrovně, stálá kontrola DNA) • •některé jsou inducibilní změnami v DNA (mutace) (např. SOS repair – využití jako biomarkery poškození NK) • •REPARAČNÍ MECHANISMY DNA 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1)Důsledky u lidí a zvířat Mutace tělních buněk (somatické mutace) à první krok karcinogeneze a dalších patologií (karcinogeneze, teratogenita: viz další přednášky) Mutace pohlavních buněk à přenost mutací na další generace (evoluce?) 2) Důsledky pro ekosystémy > změny genomu/genofondu přírodních organismů > adaptace na změny v prostředí à evoluce Příklady/přípomínka: Pesticidy à vznik rezistentního hmyzu Antibiotika à ATB-rezistentní bakterie •Důsledky mutací / genotoxicity 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Mutace – základ evoluce populací 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Inhibice enzymových aktivit • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Inhibice enzymových aktivit • •Řada (eko)toxikantů působí jako specifické inhibitory řady enzymů • inhibice reverzibilní (nekovalentní) • ireverzibilní (kovalentní) • •inhibice kompetitivní • : vazba v aktivním místě, na úrovni substrátu: viz příklady dále • •inhibice nekompetitivní / alosterické • : vazby na jiném místě enzymu • à „nespecifická“ změna struktury a následně funkce (např. nízké pH: hodně H+ à denaturace proteinu, toxicita) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Acetylcholinesteráza - klíčový enzym v přenosu nervových signálů (mezi neurony, mezi neuronem a svalem) -Inhibice Ach (organofosfátové pesticity, karbamáty …) à křeče, udušení • •Specifické inhibice enzymů – příklad AcCholE 1 http://s2.hubimg.com/u/4316027_f520.jpg 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Příklady – inhibitory AcCholE http://1.bp.blogspot.com/-vJjcfxZOpBY/UghViEI7QXI/AAAAAAAADdw/0EuZdLLJHRw/s1600/nerve.tif http://www.scielo.br/img/revistas/jbchs/v15n6/22667f1.gif •Nervové plyny http://www.darkgovernment.com/news/wp-content/uploads/2012/12/sarin.jpg •Insekticidy - karbamáty http://1.bp.blogspot.com/-vJjcfxZOpBY/UghViEI7QXI/AAAAAAAADdw/0EuZdLLJHRw/s1600/nerve.tif •Organofosfátové insekticidy Výsledek obrázku pro carbamate insecticides 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •inhibice enzymů respiračních řetězců - Respirace & tvorba ATP - klíčový metabolický proces - Kyanid (C≡N), CO vazba na hemový komplex à nejrychlejší toxicita – mitochondrie •à také v hemoglobinu, CYP450 atd. •Specifické inhibice enzymů - příklady 1 1 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Účinky látek na sekundání a terciární strukturu proteinů (včetně enzymů) •Narušení H-můstků alkoholy, aminy •Iontové vazby kyseliny (COOH), zásady (aminy) • toxické (těžké) kovy - Hg+2, Pb+2, Cd+2 , Ag+1 Tl+1, •S-S můstky toxické kovy (reakce se sírou HS-) • •Detaily (domácí úkol): http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/568denaturation.html • •Nespecifické mechanismy (reaktivní): denaturace http://www.elmhurst.edu/%7Echm/vchembook/images/568denathbond.gif http://www.elmhurst.edu/%7Echm/vchembook/images/568denatdisul.gif 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Změny redox-potenciálu •Oxidativní stres • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Redox-potenciál - v buňce se přirozeně udržuje určitý stav redox-potenciálu - rovnováha oxidanty/antioxidanty - - narušení rovnováhy à oxidační stres - - Antioxidanty: endogenní syntéza – glutathion (!) • dietární beta-karoten, kys. askorbová (vitamin C) - - Zdroje “pro-oxidantů” (viz dále) - přirozené procesy (metabolismus) - záření - xenobiotika (přímá reaktivita, reaktivita po aktivaci) •Změny redox potenciálu / oxidativní stres https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQgt2WMFH5Q29sZCcknGSNXxp2xpH7GR8b23AEFy-2JYUe pS9cXfg 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Metabolismus - mitochondrie • kyslík = terminální akceptor elektronů • fyziologicky: O2 + glukoza à voda + CO2 • patologie: O2 à ROS (reactive oxygen species) • •METABOLISMUS a oxidativní stres http://cardiovascres.oxfordjournals.org/content/cardiovascres/61/3/461/F1.large.jpg •Hlavní ROS •Superoxid (O2- . ) •Peroxid vodíku (H2O2) •Hydroxylový radikál (OH . ) à poškození molekul • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Respirační řetězec v mitochondriích - zdroj elektronů à zdroj ROS - http://www.qub.ac.uk/schools/SchoolofBiologicalSciences/People/DrAGalkin/Research/Image1,172487,en. jpg 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif • •Ionizující záření • à reakce s vodou v buňkách à produkce ROS (OH-radikál) à základní mechanismus toxicity způsobené zářením ! •Další zdroje „oxidantů“ v buňce - záření http://www.frontiersin.org/files/Articles/22593/fphar-03-00094-HTML/image_m/fphar-03-00094-g001.jpg 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif - přímo reaktivní látky (např. epoxidy a další …) - metabolity vznikající při transformacích a detoxifikaci • àReakce s “antioxidanty” à narušení redox rovnováhy • -toxické kovy (Fentonova reakce – katalýza rozkladu H2O2 à OH*) -redoxní cyklátory – např. chinony àIndukce radikálů (viz příklad dole: kovy à ROS) •XENOBIOTIKA A OXIDAČNÍ STRES http://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S0891584902007797-gr1.gif 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Oxidativní stres = narušení rovnováhy oxidanty/antioxidanty • •Oxidační stres vzniká: à Zvýšením koncentrací oxidantů a/nebo à Odstraněním antioxidantů • - velmi obecný mechanismus vyvolaný toxickými látkami • - důsledky: chronické efekty – nemoci, rakovina, stárnutí ... • • •Pozn: Druhý extrém narušení rovnováhy: ? Snížení koncentrací oxidantů - málo prostudováno (anoxie - častý stav v nádorech) • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •ROS a oxidace na molekulární úrovni - DNA - proteiny - fosfolipidy • •Důsledky: •à Přímá toxicita, stárnutí, nemoci 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Další specifické mechanismy • • intracelulární receptory • specifické modulace gradientů na membránách • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Interakce chemických látek s receptory pro přirozené ligandy •= reakce s proteinovými receptory • •PROTEINOVÉ RECEPTORY • •A) Membránové receptory – menší význam v ekotoxicitě - přirozené ligandy - velké hormony (inzulin): menší význam toxických látek •- malé signální molekuly (neurotransmittery): strukturně blízké malým mk toxikantů (spíše farmakologie) • •B) Intracelulární receptory •Velký význam v ekotoxicitě à viz dále • •Kompetice toxických látek s přirozenými ligandy 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Intracelulární (nukleární) receptory •Nukleární receptory - přímo interagují s DNA •(transkripční faktory) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Toxické látky interferují s ligandy nukleárních receptorů •Nukleární receptory • - 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Intracelulární (jaderné) receptory - velký význam v ekotoxikologii ! • •Ligandy nukleárních receptorů – řada nízkomolekulárních hormonů • estrogeny, androgeny, thyroidní hormony … •Organické toxické látky: strukturní podobnost s hormony (!) • • à Specifické mechanismy a účinky (efekty při nízkých koncentracích) • •Důsledky: chronická toxicita velmi významných polutantů • - persistentní látky - PCBs, PCDDs/Fs, DDT, • - ftaláty a další aditiva (bisfenol A) • - detergenty (nonylfenol) • - nové typy pesticidů atd. •Thyroxine •Cortisol (Hydrocortisone) •O •HO •OH •H3C •CH2OH •C •O •HO •O •I •I •I •I •NH2 •CH2 •COOH •H3C •Testosterone •O •OH •H3C •H3C •CH 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Aktivace AhR : • - není znám přirozený ligand, nejsilnějším ligandem TCDD (!) • - aktivace AhR vyvolává - indukce detoxikačních enzymů (CYP1A1) • - hyperfosforylace regulačních enzymů • à proliferace (! nádory), apoptoza (imunotoxicita) … • •Aktivace ER • - přirozeným ligandem ER jsou estrogeny (17beta-estradiol atp.) • - efekty jsou závislé na typu buněk • - proliferace (nádory), produkce hormonů, změny aktivit ... • - nefyziologická hyperaktivace ER • à xenoestrogenita (významný proces endokrinní disrupce) • •Nukleární receptory významné v ekotoxicitě • •AhR – receptor pro aromatické uhlovodíky (arylhydrocarbon receptor) •ER – estrogenní receptor •(také AR – androgenní receptor a další: prostudováno méně) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif • •- v buňce se přirozeně udržují gradienty iontů • (plazmatická membrána, ER, mitochondrie) • •Význam gradientů: - zajištění semipermeability - zajištění správného signálování (Na+/K+, Ca2+) •- gradienty H+ pro tvorbu ATP • • •Toxické látky narušující gradienty •- ionofory - usnadněný přenos iontů (např. antibiotika) • •- další mechanismy – viz dříve - rozpojování toku elektronů z respiračních řetězců (chinony) •- blokace přenosu v respiračních řetězcích (kyanidy) •Změny gradientů na membránách – IONOFORY C:\Documents and Settings\Ludek Blaha\Obrázky\1.jpg 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Přehled mechanismů: ke každému znát principy, důsledky, příklady chemických látek • •Základní typy toxicity •Nespecifická toxicita - nepolární narkotická toxicita (bazální toxicita) • - polární nakotická toxicita • - toxicita vyvolaná reaktivními látkami •Specifická toxicita - inhibice enzymů, interakce s receptory apod. • • Konkrétní příklady •- narušení přirozené fluidity membrány •- interakce látek s DNA •- inhibice enzymových aktivit •- narušení redox-potenciálu •- narušení gradientů na membránách •- kompetice se substráty / přirozenými ligandy •Shrnutí 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Co se rozumí pod pojmem receptor v toxikodynamice? Uveďte příklady •Jaké molekulární interakce nastávají mezi toxickou látkou a cílovým místem? Popište princip hydrofobní interakce (atp.) •Co je to agonista a antagonista? Co je to specifická a nespecifická inhibice enzymu? •Vysvětlete na jakých vlastnostech látky závisí nepolární narkoza, genotoxicita atp. •Popište co to je oxidativní stres, jak vzniká, jaké jsou jeho důsledky? •Co je to acetylcholinesteráza? Jakou má funkci v organismu? Jaké jsou důsledky její inhibice? Jaké látky ji inhibují? •Co je to estrogenní receptor? Vysvětlete proč je v toxicitě významnější než např. receptor pro inzulin? •Jaké jsou důsledky mutagenity u člověka? Jaké jsou důsledky mutagenity u přírodních organismů? Příkladové otázky