RECETOX, Masaryk University, Brno, CR holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz Ivan Holoubek CHEMIE ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ I Environmentální procesy (14) Účinky chemických látek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 2 (14) Účinky chemických látek Účinky chemických látek. Přehled, mechanismy. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 3 Chemické látky v živých organismech Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 4 Cytoplazmatická membrána a povrchové struktury buněk Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 5 Toxický účinek chemických látek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 6 Vztah dávka - odpověď Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 7 Vztah dávka – odpověď pro karcinogenní účinek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 8 Vztah dávka - odpověď Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 9 Vztah dávka - odpověď Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 10 Vztah dávka - odpověď Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 11 Vztah toxicity a vlastnosti látek Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 12 Významné polutanty a jejich toxické účinky Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 13 Vztah dávka - odpověď Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 14 Viktor Yushchenko - before and after Chlorakne Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 15  Laboratorní studie / terénní studie Sledované parametry (endpoints): - mortalita - vliv na reprodukci - vliv na vývoj - vliv na růst - neurotoxicita - imunotoxicita - endokrinní efekty ... Účinky organochlorových látek na organismy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 16  Nespecifická toxicita  Toxicita se specifickým místem účinku  Endokrinní účinky  Metabolismus, aktivace, kovalentní vazby, lipidní peroxidace  AhR-zprostředkovaná toxická odpověď  Immunotoxicita Účinky organochlorových látek na organismy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 17 Charakteristická pro všechny organické chemikálie, které mnohou přestupovat přes membránu a vstupovat do těl živých organismů při vysokých hladinách expozice koncentrace odpověď nespecifická toxicita receptor-mediated toxicita Nespecifická toxicita (narkóza) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 18  Mechanismus účinku: Skutečný mechanismus účinku není znám 2 hlavní teorie: - Membránové vydutí – „membrane swelling“ - Proteinová kapsa – „protein pocket“ Akutní efekt: - Počáteční dráždivá fáze - Fáze deprese - Smrt Nespecifická toxicita (narkóza) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 19 Skupiny chemických sloučenin:  Nespecifická toxicita není funkcí struktury sloučenin  Nespecifická toxicita souvisí s molekulovou hmotností a rozdělovacími vlastnostmi sloučenin  U chlorovaných sloučenin nemá chlor vliv na sílu efektivní dávky v organismu, ale ovlivňuje rozdělovací charakteristiky mezi mediem a organismem Nespecifická toxicita Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 20 Efekty:  akutní mortalita  snižují délku života  vývoj a růst  reprodukce Chronická letální efekty – řádově nižší koncentrace než při akutních efektech Nespecifická toxicita Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 21  Závisí na stereospecifických interakcích se specifickým cílovým systémem nebo receptorem  Přítomnost chloru může ovlivnit reaktivitu sloučeniny a její resistenci k degradaci biotou a v prostředí Toxicita se specifickým účinkem Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 22 Mechanismus účinku:  Receptor - mediated – vazba na specifická místa na buněčných membránách, enzymech, proteinech. 2 hlavní mechanismy:  Antagonisté a agonisté přirozených sloučenin vážících se na receptor  Látky, které zasahují do syntézy, uvolňování a degradace endogenních neurotransmitterů a které inhibují enzymy kritické pro funkci buněk AChE inhibitoři, neurotoxické látky, látky blokující fotosyntézu, látky blokující respiraci, drogy, látky narušující oxidativní fosforylaci Toxicita se specifickým účinkem Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 23 Skupiny chemických sloučenin: Receptor-mediated neurotoxicita – u většiny OCs sloučenin – například pesticidy (DDT, cyklodien, toxafen, lindan) (kromě PCDDs/Fs, a chlorovaných polymerů) Inhibice fotosyntézy – chlorované aromáty, a některé chlorované alifatické sloučeniny (kromě PCBs, PCDDs/Fs a C1-10 alifatických sloučenin) Toxicita se specifickým účinkem Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 24 Efekty: Vliv na nervový systém a na produkci energie Sekundární efekty: Narušení neuroendokrinního systému a homeostáze Vliv na chování organismů Vliv na reprodukci, vývoj – není znám přesný mechanismus účinku Toxicita se specifickým účinkem Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 25 Narušení reprodukce a endokrinních funkcí  Mechanismus účinku: - toxicita přímo na reprodukční tkáně - vliv přes endokrinní systém Blokátoři hormonů a látky napodobující hormony: hormonálníreceptor toxická látka hormonální odpověď hormonálníreceptor toxická látka přechodná odpověď nebo bez odpověďi hormon Endokrinní toxikologie Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 26 Skupiny chemických látek: Interakce s endokrinním systémem se specificky nevztahuje k chloraci. Nechlorované látky s endokrinní aktivitou: fytoestrogeny, DES... Chlorované látky s endokrinní aktivitou: DDT isomery, estradiol, kepone, methoxychlor (po metabolické aktivaci), endosulfan.... Endokrinní toxikologie Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 27 Efekty: Estrogenní receptory: CÍLOVÉ TKÁNĚ:  vaječníky, mozek, hypofýza, játra, děloha... Změny funkce: vaječníků, neuroendokrinních funkcí, produkce žloutku... Androgen, progesteron, glukokortikoidy, vitamin D – (interference xenobiotik nebyla prozkoumaná) Vliv na hormonální modulaci v kritických stádiích životního cyklu (sexuální diferenciace) (ne plně pochopeno) Endokrinní toxikologie Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 28  Metabolická aktivace se netýká se pouze chlorovaných látek  Látky které pravděpodobně nejsou persistentní v prostředí - biotransformace Mechanismus účinku: Látky elektrofilní  Přímá reakce xenobiotika s biologicky důležitou molekulou (terciální aminy, PAHs...)  Xenobiotikum je nejprve transformováno enzymatickým systémem Metabolismus, aktivace, kovalentní vazby, lipická peroxidace Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 29 Role chloru v molekule: - atom chloru není nezbytný pro aktivaci molekuly Skupiny chemických látek: METABOLICKÁ AKTIVACE: 1) chlorované alifatické sloučeniny (C1-C3, C3-C10, >C10) 2) organofosfátové pesticidy 3) chlorované aldehydy 4) chlorované aromáty (neutrální, polární) 5) PAHs NEJSOU METABOLICKY AKTIVOVÁNY: 1) PCDDs 2) PCDFs 3) PCBs Metabolismus, aktivace, kovalentní vazby, lipická peroxidace Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 30 Efekty: - mortalita, pokles rychlosti růstu - selhání jater a ledvin Metabolismus, aktivace, kovalentní vazby, lipická peroxidace Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 31 Modelová sloučenina – 2,3,7,8-TCDD Mechanismus účinku: - vazba látky na na cytosolový AhR  látka-AhR komplex translokován do jádra  vazba na DNA  transkripce genů Skupiny chemických látek:  PCDDs/Fs (substituované alespoň v polohách 2,3,7,8) (ryby, ptáci, savci)  PCBs (mono-ortho substituované – ptáci, savci)  Polychlorované naftaleny  Azoxybenzeny  Chlorované difenylethery  Chlorované benzyltolueny AhR – zprostředkovaná toxická odpověď Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 32 Efekty:  Mortalita  Reprodukční toxicita  Vývojová toxicita  Snížení růstu  Rakovina TCDD toxické ekvivalenty  TEF – indikuje toxický potenciál látky ve vztahu k TCDD  Látka ve směsi – TEQ (toxic equivalent) = TEF x koncentrace látky ve směsi  Total TEQ = TEQ1 + TEQ2 + .......TEQn AhR – zprostředkovaná toxická odpověď Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 33 Je způsobená jak chlorovanými tak nechlorovanými látkami Mechanismus účinku: Imunotixické látky způsobují:  Změny v normální imunitní odpovědi – pokles / zesílení  Indukce abnormální imunitní odpovědi jako jsou různé typy hypersensitivity (allergie...) Imunotoxické efekty mohou být:  Orgánově specifické  Buněčně specifické  Imunitně funkčně specifické  Nespecifické Různé mechanismy:  Modifikace –SS/SH poměru  Aktivace AhR  Lipidická peroxidace Imunotoxicita Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 34 Skupiny chemických látek a jejich efekty: PCBs: Strukturální změny orgánů imunitního systému, redukce počtu lekocytů, Tlymfocytů v krvi Zněmy v reaktivitě imunitního systému – redukce produkce protilátek... Více chlorované PCBs – více imunotoxické Chlorované dibenzo-p-dioxiny: TCCD – vyčerpání lymfotické tkáně (v thymu a kostní dřeni), funkční změny v imunitní citlivosti Jeho imunotoxicita spojena s AhR Organochlorové pesticidy: HCB, mirex, lindan, chlordan, dieldrin, DDT - imunomodulační efekty Ztráta odolnosti vůči infekcím Imunotoxicita Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 35 Oxidace mikrosomálními monooxygenázami Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 36 Účinky POPs Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 37 Reakce 1. fáze biotransformačních procesů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 38 Reakce 1. fáze biotransformačních procesů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 39 Reakce 2. fáze biotransformačních procesů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 40 Interakce glutathion-S-transferázy s organochlorovými sloučeninami Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 41 Účinek PCDDs/Fs na buněčné úrovni Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 42 Fáze vývoje zhoubného nádoru Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 43 Receptors Ligands Effects Ah (Aryl hydrocarbon) PCDD/Fs, PCB non-ortho, PAHs, CYP 1A1, 1A2 induction PB (CAR – constitutive androstane receptor) Ortho-sustituted PCBs, Chlordane, HCH CYP 2B induction ER (estradiol receptor) DDT, DDE, Chlordane, PCB ortho, PAHs= agonists PCDD/F and PCB nonortho, Lindane= Antagonists Modulation of stéroid hormones RyR (Ryanodine receptor in brain) PCB ortho Disruption of Ca2+ regulation, Alteration of nervous system functions, signal transduction and immuno-competent cells TTR (Trans-thyretin, T4 carrier protein) PCB-OH ortho Thyroxine deficiency, growth and developmental disorders Receptory a specifické proteiny zapojené do mechanismu účinků POPs Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 44 Schématický diagram cytotoxicity POPs POPs Cyp 450 and fatty acid metabolism appear to be critical in contributing to an overall cellular imbalance in the oxidative stress/antioxidant status. The synergistic toxicity of linoleic acid and POPs could be mediated by cytotoxic leukotoxins and the bioactivation of leukotoxins to their diol metabolites Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 45 Vápniková rovnováha Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 46 Interakce POPs s receptory Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 47 Estrogeny Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 48 Estrogeny Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 49 Mnoho přírodních i člověkem vyrobených chemických látek vyskytujících se v životním prostředí vykazuje estrogenní aktivitu.  Environmentální estrogeny - mají vliv na vývoj a fyziologii organismu velice shodný s estrogenní kontrolou reprodukce organismů.  Rostlinný původ - fytoestrogeny (kumestrol, genistein),  Antropogenních zdroje - pesticidy nebo odpadní produkty při různých výrobních procesech (o,p´-DDT, polychlorované bifenyly, atd). Kontaminace organismu je dána převážně potravou. Estrogeny v životním prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 50 Environmentální estrogeny iniciují svůj účinek v živém organismu podobně jako endoestrogeny interakcí s jaderným receptorovým systémem. Výsledný estrogen-receptorový komplex interaguje s nukleotidovou sekvencí známou jako „estrogen response elements“ (EREs), a tím zahájí transkripci DNA. Tedy všechny estrogeny (environmentální i vnitřní) působí přes receptor tak, že ho z neaktivní formy převedou na aktivní. Estrogeny v životním prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 51 Estrogeny v životním prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 52  První, nejběžnější, typ toxicity je dán vazbou environmentálních estrogenů na estrogenový receptor a následnou zvýšenou estrogenní odpovědí. Toxicita se v tomto případě projeví hyperestrogenismem, nadměrnými fyziologickými efekty estrogenních hormonů.  Druhý typ toxicity se spíše uplatní chemické vlastnosti environmentálních estrogenů než hormonální. Je to např. tvorba DNA aduktů.  Třetí typ toxicity environmentálních estrogenů je dán nerovnovážnou estrogenní odpovědí v cílové tkáni. Toxicita environmentálních estrogenů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 53 Nastává dvěma způsoby:  Buď se environmentální estrogen váže na receptor, ale výsledná konformace je odlišná od konformace vzniklé s vnitřním estrogenem, čili transkripce i výsledný efekt jsou odlišné.  Nebo estrogenní odpovědi mohou vykazovat rozdílné dávkaodpověď závislosti. Estrogeny jsou hormony samičího pohlaví, ale i samčí pohlaví je kromě hlavního hormonu androgenu také dokáže syntetizovat, avšak jeho funkce a cílové orgány jeho působení nejsou zcela objasněny. Pravděpodobně ovlivňuje počet spermií. Toxicita environmentálních estrogenů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 54 Hodnocení vstupu environmentálních estrogenů do organismu: Vstup a příjem environmentálních estrogenů může být určen na základě tzv. estrogenních ekvivalentů (EQ). Estrogenní ekvivalent směsi je roven součtu koncentrací (EC) jednotlivých látek vynásobených jejich estrogenní potencí (EP), která je vztažena na standard (diethylstilbestrol nebo 17b-estradiol): EQ = S (ECi * EPi) (podobné jako TCDD ekvivalenty). Toxicita environmentálních estrogenů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 55 Přírodní estrogeny - 17b-estradiol Syntetické estrogeny - diethylstilbestrol Přírodní produkty - kumestrol Kontaminanty potravin - equol Pesticidy - o,p´-DDT Komerční chemikálie - bisfenol A OH HO OH HO O OHO OH OHO OH Cl Cl Cl Cl Cl OH CH3 H3 C HO Struktury různých estrogenů