Cesta cizorodých látek

lidským organismem

1. Úvod

2. Vstup do organismu

3. Přenos (distribuce) v organismu

4. Metabolické přeměny – biotransformace

5. Vylučování

Úvod

Působení biologického systému a cizorodé látky je vzájemné: Látka působí na organismus a ten působí na cizorodou látku, chemicky ji přeměňuje. Účinek látky na organismus je dělen na čtyři fáze:

Vstup látky do organismu (vstřebání).

Přenos látky v organismu.

Látková přeměna – biotransformace.

Vylučování - exkrece.

Biotransformace a vylučování se někdy označují společným názvem eliminace.

vdechování (inhalace),

vstřebání pokožkou a očima.

Vstup látky do organismu

požití (orálně, per os).

Pro chemika má hlavní důležitost:

intravenosní (do žíly),

subkutánní (pod kůži),

intramuskulární (do svalu),

intraperitoneální (do břišní dutiny)

Neopatrnost, záměna a záměr:

Medicína a experimentální toxikologie:

Vstup látky do organismu - inhalace

Pro toxicitu má zásadní význam, je-li látka vdechována jako pára nebo aerosol. Aerosoly jsou mnohem toxičtější než páry o stejné koncentraci ve vdechovaném vzduchu. Otravy inhalací jsou nejčastější, protože touto cestou může látka proniknout do těla nepozorovaně.

plyny, páry, a/nebo aerosoly ve vdechovaném vzduchu

horní cesty dýchací: zádrž látek rozpustných ve vodě a částic/kapek větších než 1 mm na řasinkové výstelce sliznic

plicní sklípky – velký povrch a dobré prokrvení: další vstřebávání zbylých cizorodých látek

krev

Vstup látky do organismu vstřebáním kůží

Průřez lidskou kůží. a: epidermis s

povrchovou vrstvou stratum corneum,

b: dermis, c: mazová žláza, d: kapilára,

e: nervové vlákno, g: tuková tkáň, i:

vlas.

Neporušená lidská kůže tvo-

ří určitou bariéru pro vstup

cizorodých látek do těla. Na

jejím povrchu je tenká vrstva

keratinizovaných buněk,

škára (stratum corneum),

pod ní se nachází vrstvy

živých buněk, epidermis a

dermis. Kůže netvoří

kompaktní celek, je protká-

na kanálky potních a mazo-

vých žláz. Spodní vrstva,

dermis, je prokrvena krevní-

mi vlásečnicemi.

Vstup látky do organismu vstřebáním kůží

Látka dostane do krevního oběhu a s krví pak do celého těla. Účinek látky aplikované na kůži může být buď lokální (řada látek kůži dráždí, některé leptají) a nebo systémový, pokud se látka vstřebá (pronikne kůží). Lipofilní látky mohou procházet přes buněčné membrány epidermálních a dermálních buněk. Hydro-filní látky procházejí kanálky potních a mazových žláz. Průřez těchto kanálků tvoří však jen asi 0,1 - 1 % povrchu kůže.

Je těžké předpovídat schopnost látek procházet kůží. Svou roli zde hraje mnoho faktorů, jako např. vlhkost kůže, teplota, věk... Jsou známy případy smrtelných otrav po absorpci kůží.

Největší bariérou pro vstup cizorodých látek je škára. Touto vrstvou mohou nejlépe procházet polární aprotická rozpouštědla, jako dimet-hylsulfoxid, dimethylformamid, apod. Tato rozpouštědla mohou velmi významně usnadňovat přestup v nich rozpuštěných látek. Ochranné schopnosti kůže jsou výrazně oslabeny, je-li škára porušena. Stačí k tomu i malé oděrky.

Vstup látky do organismu očima

Prakticky všechny kapaliny a pevné částice při vniknutí do oka více či méně dráždí. Některé látky působí na oko ne-vratně, takže ani rychlé vypláchnuti oka vodou nebo pří-pravky k tomu určenými nemůže zabránit poškození nebo ztrátě zraku. Méně známá je skutečnost, že přes oči mnohé látky mo-hou proniknout do mozku a způsobit otravu, která bezpro-středně nesouvisí se zrakem (systémový účinek). Je to další důvod, proč je nutno v laboratořích i provozech, kde se pracuje s nebezpečnými látkami, používat ochranné brýle a ve zvláštních případech ochranný štít.

Příkladem látky, které může způsobit ztrá-tu zraku již při malé dávce je dicyklohexyl-karbodiimid.

Požití látky

Pokud jsou škodlivé látky v zažívacím traktu, zpravidla nezpůsobují otravu, nejedná-li se o látky žíravé nebo dráždivé. Aby škodlivina moh-la působit systémově, musí být ze zažívacího traktu přenesena do krve. K tomu dochází podél celého zažívacího traktu, zejména v ten-kém střevě.

Hnací sílou přenosu je rozpustnost v tucích (lipofilita), která u ionizova-telných látek (např. karboxylové kyseliny, aminy, ...) závisí výrazně na kyselosti. Protože je v žaludku silně kyselé prostředí (pH ~ 2), je disoci-ace karboxylových kyselin potlačena. Tyto látky se tak stávají více lipo-filními a mohou se vstřebávat žaludeční stěnou. Na rozdíl od toho, na-bývá pH v tenkém střevě hodnot 6 až 7,5, takže kyseliny jsou převáž-ně v ionizované formě, ale slabé zásady, jako aminy nejsou ionizovány a mohou se dobře vstřebávat.

Protože ale povrch tenkého střeva je značný, je vstřebávání v tomto orgánu mnohem významnější než na jiných místech zažívacího traktu. Vstřebávat se zde mohou i látky z velké části disociované. Např. kyselina benzoová, slabá organická kyselina (pKa = 4), je při pH 6 ionizována asi z 99 %. Neionizovaná část, 1 %, je vstřebávána.

Přenos cizorodých látek v organismu

Po vstřebání se cizorodá látka rozvádí krevním oběhem do ce-lého těla. Rozložení do jednotlivých orgánů je pro různé látky velmi rozdílné a závisí na fyzikálně-chemických vlastnostech látky, hlavně na afinitě k tukům. Lipofilní látky mají tendenci do-bře prostupovat buněčnými membránami a hromadit se v orgá-nech bohatých na tuky. Některé, jako např. DDT a polychloro-vané bifenyly, se ukládají v tucích a tvoří zásobu. Tato zásoba může při náhlém snížení tukových zásob (příliš prudké zhubnutí) přejít do krve a způsobit otravu. Jiné látky, jako např. olovo, fluor a stroncium, se ukládají v kostech. Centrální nervový systém (CNS) je proti vstupu cizorodých látek chráněn více než jiné orgány, a to vrstvou těsně k sobě přiléhajících buněk, které tvoří bariéru mezí krví a mozkem, tzv. encefalobariéru. Tato bariera nepředstavuje absolutní zábranu pro vstup cizorodých látek, u mnohých jedů však způsobí, že jejich koncentrace v mozku je mnohem nižší, než na jiných místech těla.

Chemické přeměny cizorodých látek

Xenobiotikum Biotransformační reakce: s účastí enzymů (katalytické) a bez účasti enzymů (nepravé biotransformace).

Produkty metabolismu: zpravidla rozpustnější ve vodě, a proto jsou z těla snadněji vylučovány.

Detoxikační biotransformace

Mnohé biotransformace mohou vést k toxičtějším produktům: metabolická aktivace.

Chemické přeměny cizorodých látek

Biotransformační reakce se tradičně dělí do dvou skupin:

2. fáze1.fázeKonjugát MetabolitXenobiotikum

Reakce 1. fáze: oxidace (O)

redukce (R)

hydrolýza (H)

Reakce 2. fáze: slučování s kyselinou glukuronovou

slučování s glutathionem

slučování s kyselinou sírovou

slučování s glycinem

methylace

acetylace

Příklady biotransformace – methanol a ethanol

Methanol poskytuje biotransformací dva toxické mezipro-dukty, formaldehyd a kyselinu mravenčí, které jsou příči-nou jeho vysoké toxicity. Ethanol se oxiduje podobně, v prvním kroku dokonce stejným enzymem, ale meziproduk-ty oxidace, acetaldehyd a kyselina octová jsou mnohem méně toxické.

+ H2OCO2 CH2=OCH3OH

CH3CH2OH CH3CH=O CH3COOH CO2 + H2O

O O O

O O O

HCOOH

Příklady biotransformace – benzen

Nejjednodušší aromatický uhlovodík, benzen, se nejdříve oxiduje na nestabilní epoxid, který přesmykuje na fenol. Ten se dále podobným mechanismem oxiduje na hydrochinon a pyrokatechol. Ty se oxidují na reaktivní semichinonové radikály a dále na chinony za katalýzy myeloperoxidasou z kostní dřeně.

O

OH

epoxid fenol

OH

OH

OH

OH

pyrokatechol

H

O

O

benzen

benzendihydrodiol

OH

OH

O

O.

OHO

O

OH

O.

O

O

semichinon o-chinon

semichinon p-chinon hydrochinon

O

O O

O

Příklady biotransformace – toluen

Alkylbenzeny, například toluen, se přednostně oxidují na alkylovém řetězci. K oxidaci na benzenovém jádře u nich prakticky nedochází. U toluenu vzniká kyselina benzoová, která se dále slučuje s glycinem za vzniku kyseliny hippu-rové, benzoylglycinu. Tato látka byla poprvé izolována z koňské moče, odtud také pochází její název.

CH3 COOH CONHCH2COOHO S

toluen kys. benzoová kys. hippurová

Příklady biotransformace – nitrily

Nitrily (organické kyanidy) se oxidují na -uhlíku. Vzniklé -hydroxykyanidy jsou za fyziologických podmínek málo stálé a rozkládají se za vzniku kyanovodíku (kyanidového iontu) a příslušného aldehydu. Jako příklad uvádíme bio-transformaci nitrilu fenyloctové kyseliny, který se oxiduje na hydroxykyanid velmi snadno. Uvolněný kyanidový iont působí toxicky a je příčinou toxicity organických nitrilů.

CN

OH

CN OO

- HCN

Vylučování cizorodých látek a metabolitů

Cizorodé látky se vylučují z těla hlavně močí, stolicí a ve vydechovaném vzduchu. V malé míře se mohou vylučovat také potem a slinami. Většina látek se vylučuje z největší části močí. Dostává se tam stejným způsobem, jako pro-dukty metabolismu živin, tedy z krevní plasmy přes ledviny do močových cest. Některé látky musí být biotransformovány, aby se mohly vylučovat ledvinami. Podmínkou je totiž rozpustnost ve vodě. Jedním z faktorů ovlivňujících vylučování ledvinami je pH moče. Basické látky (např. aminy) se vylučují lépe při nízkém pH (jsou ionizovány a tedy lépe rozpustné ve vodě), slabé kyseliny naopak při vyšším pH.

Toho se využívá při léčení některých otrav. Například vylučování léči-va fenobarbitalu je možno podpořit podáváním NaHCO3. Tím se zvýší pH moči a fenobarbital, jenž je slabou kyselinou (pKa = 7,2), přechází do ionizované, rozpustnější formy.

Vylučování cizorodých látek a metabolitů

Rychlost vylučování látky z organismu je ovlivněna řadou fakto-rů. Rychlost vylučování je často úměrná okamžité koncentraci látky:

kde c(0) je počáteční koncentrace. Poločas vylučování, t, je do-ba, za kterou klesne koncentrace škodliviny v krvi na polovinu, t.j. c(t) = c(0)/2. Úpravou rovnice dostaneme pro poločas vylučo-vání t = k-1 ln 2.

kct

c

d

d

kde c je okamžitá koncentrace látky v krvi, t je čas a k je kons-tanta vylučování. Integrací této diferenciální rovnice od času 0 do času t dostaneme:

)exp()0()( ktctc

Chemické přeměny cizorodých látek – I. fáze

Oxidace je nejběžnější a také nejdůležitější reakcí. Enzymatické systémy, které ji katalyzují, se rozdělují do dvou skupin:

monooxygenasy (flavinové monooxigenasy)

dioxygenasy (peroxidasy)

Flavinové monooxygenasy jsou hemové enzymy, t.j. obsahují v molekule porfyrinový komplex železa – hem.

porfyrin hem B

Chemické přeměny cizorodých látek – oxidace

derivát oxiranu, epoxid

O

R

OR COOHR CH OR CH2OH

CHR R1CH

O

CH CHR R1

OR-OHR

Oxidací tedy mohou v těle vznikat z uhlovodíků postupně

alkoholy, aldehydy, karboxylové kyseliny.

Chemické přeměny cizorodých látek – oxidace

Další oxidace vede pak k přerušení vazby C-C. Při této reakci dochází ke

zkracování řetězce o dva uhlíky (-oxidace). Je charakteristická pro nižší

i vyšší organismy (mikrobiální biodegradace tensidů, biotrans-formace

tuků u savců).

COOH COOH

COOH

O

O

kyselina fenyloctová

Chemické přeměny cizorodých látek – oxidace

Oxidace rozvětvených řetězců je obtížnější. Ze sekundárních alkoholů

vznikají ketony, které se dále oxidují velmi obtížně.

R C R1

O

R CH R1

OH

Přesto se mnohé organické látky oxidují až na oxid uhličitý a vodu.

Oxidační reakce mohou často vést k toxičtějším produktům než je

výchozí látka. V takových případech mluvíme o metabolické aktivaci.

Typickým příkladem metabolické aktivace je oxidace olefinů na oxirany -

epoxidy. Oxirany jsou elektrofilní látky, podstatně reaktivnější než

výchozí olefiny, a proto mohou účinněji reagovat s nukleofilními centry v

biologicky důležitých molekulách.

Při hydrolytických reakcích dochází k hydrolýze epoxidů na dioly, esterů

na kyseliny a alkoholy apod.

Chemické přeměny cizorodých látek – II. fáze

Některé organické látky a jejich metabolity se v těle slučují, konjugují, s

endogenními látkami (vnitřními, tedy těmi, které tvoří přirozenou součást

živého systému) za vzniku metabolitů, konjugátů, které jsou zpravidla

polárnější než výchozí látky a proto se mohou snadněji vylučovat z těla

ledvinami. Tradičně, ale poněkud nepřesně, se tyto děje označují jako

biotransformační reakce druhé fáze. Nepřesně proto, že jim nemusí

předcházet biotransformace první fáze, ale mohou probíhat také jako

první krok biotransformace, tedy s nezměněnými cizorodými látkami.

OHOHO

OHOH

HOOC

CH = O

COOH

OH

OH

OH

OH

kyselina -D-glukuronová, VI

Chemické přeměny cizorodých látek – II. fáze

Zvláštní toxikologický význam má slučování s glutathionem. Při něm se

elektrofilní látky, tedy takové, které mají v molekule lokální nedostatek

elektronů, vážou na nukleofilní skupinu -SH glutathionu. Tato reakce

katalyzovaná enzymy glutathion-S-transferasami modeluje kovalentní

vazbu elektrofilních látek na nukleofilní místa v molekulách proteinů a

nukleových kyselin, která často vede k toxicitě. Tvorba glutathionových

konjugátů je tedy mírou jejich schopnosti atakovat za fyziologických

podmínek biologicky důležité makromolekuly a nepřímo také mírou rizika

poškození zdraví při vniknutí příslušné látky do organismu. Vzniklé

glutahionové konjugáty se dále metabolizují až na merkapturové

kyseliny, deriváty N-acetylcysteinu.

glutathion N-acetylcystein