VUVeL-logo Xenobiochemie - úvod machala@vri.cz Kontakt: Dr. Miroslav Machala, CSc. Výzkumný ústav veterinárního lékařství, Hudcova 70 Brno 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 (Hanahan, Weinberg, Cell, 2000) Regulace jsou komplexní a ve všech místech mohou být ovlivňovány cizorodými látkami Membrány Intracel. signály Transkripční faktory Regulátory bun. cyklu a bun. smrti Principy metabolické regulace – cíle modulace cizorodými látkami q indukce/suprese biosyntézy enzymů (mRNA, protein, aktivita), aktivace, inhibice, fosforylace / defosforylace, stabilizace a degradace proteinů; q hormony, růstové faktory a další cytokiny, neurotransmitery, buněčná interkomunikace (endokrinní, parakrinní, autokrinní signály; „cell-to-cell communication“ = gap junction, tight junction; adheze); funkce povrchových bun. receptorů, Na+/K+, Ca2+ pumpy); q intracelulární signální transdukce (proteinkinázy, fosfatázy, lipázy), „2nd messengers“ (lipidní signální molekuly jako kys. arachidonová, ceramid; Ca2+; eikosanoidy a enzymy kaskády kyseliny arachidonové - PLA2, LOX, COX, CYP), intracelulární receptory (po aktivaci transkripční faktory – AhR, ER, a další ze steroidní „superrodiny“ receptorů,; q modulace regulátorů buněčného cyklu; proliferace, diferenciace, apoptóza, nekróza aj. typy buněčné smrti n n Principy modulace cizorodými látkami q XENOBIOTIKA OVLIVŇUJÍ REGULACI BUNĚČNÝCH, BIOCHEMICKÝCH A MOLEKULÁRNĚ BIOLOGICKÝCH PROCESŮ q q JEDNOTLIVÉ CIZORODÉ LÁTKY PŮSOBÍ ŘADOU MECHANISMŮ TOXICITY q q REÁLNÁ EXPOZICE VŽDY VELMI KOMPLEXNÍ SMĚSÍ DIETÁRNÍHO, ENVIRONMENTÁLNÍHO EVENT. MEDICÍNSKÉHO PŮVODU n n Úvod - jednotlivé třídy cizorodých látek nPŘÍRODNÍ LÁTKY q biogenní aminy, heterocyklické aminy, alkaloidy, peptidy, polyfenoly, přírodní barviva, terpenoidy; q bakteriální toxiny, toxiny sinic, mykotoxiny aj. nANTROPOGENNÍ LÁTKY q průmyslové kontaminanty (PCDD/Fs, PCB, PAHs, ftaláty, detergenty), pesticidy (herbicidy, insekticidy), anorganické polutanty; q aditiva v potravinách, xenobiotika vzniklá úpravou a skladováním n potravin (heteryklické aminy, biogenní aminy); q farmaka a jejich rezidua Přehled xenobiotik, 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.) - Expozice a metabolismus xenobiotik q farmakokinetika, příjem a vylučování xenobiotik; q základní reakce metabolismu cizorodých látek (oxidace, redukce, hydrolýza, štěpení aromatických jader, cyklizace, konjugační reakce); 1., 2., 3. fáze biotransformace: q monooxygenázy (cytochromy P450 (CYP), flavinmonooxygenázy, reakční mechanismy); metody studia CYP enzymů, evoluce a polymorfismus CYP, klasifikace CYP enzymů a mezidruhové rozdíly v substrátové specifitě; význam CYP ve farmakologii, toxikologii a ekotoxikologii; reduktázy, esterázy q UDP-glukuronyltransferázy, glutathion-S-transferázy a další konjugační enzymy (sulfatace, acetylace, methylace, tvorba kyseliny merkapturové); q „multidrug resistence“ systémy (= ABC transportéry) n Hlavní mechanismy toxicity xenobiotik q genotoxicita - metabolická aktivace promutagenů, vznik aduktů DNA; chromosomální aberace; q Ah receptorem-mediovaná „dioxinová“ toxicita; q oxidativní stres: reaktivní formy kyslíku, redoxní cyklování semichinonů, ...; efekty: peroxidace lipidů, oxidativní poškození DNA, proteinů a cytoskeletonu); q další receptor-dependentní mechanismy toxicity (peroxisomální proliferace, endokrinní disruptory - estrogeny, androgeny aj.); q inhibice mitochondriálních funkcí, apoptotické procesy; q hlavní mechanismy neurotoxicity a imunotoxicity (Ca2+, AChE, apoptóza); q poruchy metabolismu endogenních látek po expozici xenobiotiky (např. „obesogeny“). n Chemická karcinogeneze, cytostatika, chemoprotektivní látky q iniciace (genotoxické efekty), promoce karcinogeneze, biomarkery karcinomů; q cytostatika - mechanismy účinku (antimetabolity aj. inhibitory syntézy nukleových kyselin, poškození DNA, inhibitory proteosyntézy, protinádorové účinky hormonů a jejich analogů); q další xenobiotika ve výzkumu a léčbě rakoviny (inhibitory signální transdukce, induktory diferenciace a apoptózy, modulátory buněčného cyklu, inhibitory aromatázy, inhibitory získané resistence buněk, supresory imunity, chemosensibilizátory aj.); q chemoprotektivní látky (inhibitory enzymů metabolické aktivace, antioxidanty aj.). Přírodní látky odvozené z biogenních aminů Muskarinové cholinergní receptory (působí na G proteiny...) adrenergní receptory interference s neurotransmitery - 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) Tetrahydrocannabinol (THC) Cannabis indica, C. sativa http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b7/Anandamide_skeletal.svg/200px-Anandamide_s keletal.svg.png anandamide (endogenous cannabinoid neurotransmitter) Terpenoidy: vonné látky, léčiva, přír. pesticidy 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 bioakumulující 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 – nejsou nebo málo persistentní; metabolizují se na genotoxické a karcinogenní intermediáty; ale popsány i efekty na AhR a další negenotoxické mechanismy toxicity. Benzo[a]pyren Anthrachinon 1-Nitropyren 1-Methylpyren OH OH O CH 3 1,2-DIHYDROXY-3,4-EPOXY-5-METHYLCHRYSENE GENOTOXICKÝ METABOLIT 5-METHYLCHRYSENU: PAHs nejsou persistentní, metabolizují se na genotoxické intermediáty 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 Novel (“emerging“) contaminants: Brominated flame retardants Decabromodiphenyl ether (BDE-209) Hexabromocyclododecane REGULACE BUNĚČNÝCH PROCESŮ E Regulace tvorby aktivního enzymu: regulace mRNA, 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.