Uvod
J. Vondráček
Náplň předmětu
o 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.
o Principy regulace metabolismu cizorodých látek, enzymy I. a II. fáze biotransformace, antioxidační enzymy, III. fáze biotransformace.
o 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.
í> HLH/PAS rodina proteinů - HIF1 a, Ah receptor a jeho signalizační dráha.
e> 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.
o> Principy hormonální regulace a endokrinní disrupce - bezobratlí.
» Endokrinní regulace a disrupce - obratlovci - ER, AR, PR, GR.
í> Endokrinní disrupce, regulace embryonálního a postnatálního vývoje - obratlovci - RAR, RXR, PPAR, TR.
Využití moderních metod v toxikologii
Fyziologické aj. funkce (homeostáze, vývoj, diferenciace, rozmnožování etc.) jsou založeny na KOMUNIKACI - na stovkách různých signálních drah.
Jak endogenní signály, tak cizorodé látky (dieta r ní, farmaka, environmentálni cizorodé látky) ovlivňují komunikaci a tím regulace v buňkách:
Extracelulární stimuly (endokrinní, parakrinní, autokrinní)
Externí stimuly (cizorodé látky)
Membránové receptory
Efektory, „zesilovače", regulační moduly
Intracelulární receptory/ transkripční faktory (NHR, PAS,...)
Genová exprese
Produkty genové exprese (enzymy, cytokiny, růstové faktory, modulátory bun. cyklu,...)
Metabolismus endogenních a cizorodých látek
Buněčný cyklus, proliferace / buněčná smrt, diferenciace, senescencec
Fyziologie komunikace
0 Nízkomolekulární látky přírodního a antropogenního původu:
0 Signalizace, metabolismus 0 Toxicita
Fyziologické podmínky vs. lidské zásahy
A mechanismy jejich působení na buněčné úrovni
Regulace jsou komplexní a ve všech místech mohou být ovlivňovány cizorodými látkami
G '{eg' T GF * °'*     CEĎD -*gQg-** Ras    Raf    ME K    MAP K —* M A PK-*■ EIK-* řos
,'T
AnTl-growth factors (e.fl.TSF|i)
Calls
Hormones {e.g. Bombesin)
(e.g. Estrogen) -
t Abl
L. S
MEKK-
\ Mad: Max-\T ±
Myc:Max-
Changes In Gene Expression
CeJI Proliferation (Cell Cycle)
CdC42
Rac-*-Rho
- Í7-ŤMŘ")
G-Proí    Ad Cyel     PKA ■
CREB
Survival Factors (e.g-IGFI)
-»-NHR (e.g. ER)
•* NF-kB-* NF-kB
t DNA damage }
^ .aenaqr ^ -
p53
■ARFHMDM2-
■ C RTK J —> F13K-
? PTEN
Akt^AKkaHlKB
7
7
Stat 3,5
■ *■ Miiochondria
X
r
-*■ Stat 3,5
J
Ceti Death (Apoptosis)
Caspase a *-
Bel 2 FA DD
Stat 3,5 *
Jaks
Ť
Cytokines (c.S.JL-3/6>~
+
Caspase 9 +
Cytochrome C
-ff
*- Mitochondria -*-
------* +
Abnormality")---> Bim e,c
BclXL
• Bel 2
Bud
Bid
FAP —I CĚUD
(Decoy h) —
Ueatn Factors (e.g. FasL)
(Hanahan, Weinberg, Cell, 2000)
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;
+ U mnohobuněčných organismů (živočichů) se vyvinuly stovky signálních drah a dalších mechanismů:
Embryonální a postnatální vývoj;
í> Regulace metabolismu a obecně homeostázy;
í> Pohlavní rozmnožování;
Tvorba a degradace signálních molekul i toxických sloučenin; přenos signálu
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.
(3-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 promotéry, chemické karcinogény;
- 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
M-receptory (cholinergní receptory ACh)
x
muskarin
meškal in D(-)efedri n
(redukcí OH: pervitin)
Interference se serotoninem
a adrenalinem („psychomime- adrenergní tika") receptory
Alkaloidy
CHININ
CH3
» nikotin - nikotinové (cholinergní) receptory v gangliích
c> morfin - opioidní receptory (analgetický a euforický efekt)
MORFIN
Alkaloidy: xanthiny
Paraxanthine   Theobromine Theophylline (84%) (12%) (4%)
antagonisté adenosinového receptoru (brání účinku adenosinu, který vyvolává spánek)
O inhibice fosfodiesterázy (zabrání hydrolýze cAMP - stimulace cAMP-dependentních kináz - regulace glykogenu, metabolismu cukrů a lipidů, zvýšené uvolňování katecholaminů (noradrenalinu a dopaminu) - mírná stimulace CNS a kardiovaskulárního systému
Polyfenoly
OH
EPIGALLOCATECHIN GALLATE
í> kys. elagová - příklad polyfenolických antioxidantů EGCG - hlavně v zeleném čaji
Polyfenoly: flavonoidy
í> Chem. struktura: flavony, isoflavony, flavanony
* Zástupce fytoestrogenů - genistein (sója)
Flavonoidy - antioxidanty, inhibitory MAPK, (anti)estrogeny Flavonoidy v přírodním stavu obsahují cukernou složku (rutin)
Příklady farmak: cytostatika
6-AZAURACIL
O
N H
NH
A.
O
EXTRACELLULAR SPACE
(X^OH) CELL CYTOPLASM
5-FLUOROURACIL
cytostatika - řada mechanismů účinku; př. „antimetabolitů" (azapyrimidinů) - inhibice syntézy DNA, chybná inkorporace do RNA - užití tam, kde převládají rychle proliferující buněčné populace
Příklady farmak: cytostatika
Cl
O N-
V
O"" ^NH
CYKLOFOSFAMID
Cl
DOXORUBICIN
H3N
H3N
•Cl
^NH2
OH
Cl
H3N H2N
OCOCH,
•Cl
Pt.
Cl
OCOCH
Deriváty CISPLATINY
cyklofosfamid alkyluje guaninovou bázi; aktivní je až 4-OH-metabolit; využití v experim. výzkumu (blokuje biosyntézu)
í> Cisplatina - kovalentní vazba s puriny; různá účinnost a cytotox. derivátů
Doxorubicin - blokuje topoisomerázu 2; oxidatívni stres.
Estrogeny / antiestrogeny
OH
17a-ethinylestradiol - první semisyntetický estrogen (aktivuje ER); c> Tamoxifen - antiestrogenní
Inhibitory enzymů signální transdukce
IBUPROFEN (enanciomery)
Indomethacin, ibuprofen - inhibitory cyklooxygenáz (inhibice syntézy prostaglandinů);
Průmyslové kontaminanty: organochlorové pesticidy_
p,p'-DDT
Cl
ČI
p,p'-DDE
y-H EXACH LOROCYCLOH EXAN
o DDT - otvírá sodíkové kanály v neuronech hmyzu; vysoce persistentní (persistentní je i metabolit DDE), bioakumulace;
HCH aj. - široce používány v 1950-1970.
Průmyslové kontaminanty: moderní pesticidy (tlumení a hubení rostlinných a živočišných škůdců - herbicidy, insekticidy, fungicidy - vys. účinnost i degradace)
KARBAMÁTY O
O N
I
ORGANOFOSFÁTY R
o Organofosfáty - ireversibilní inhibice acetylcholinesteráz
Karbamáty - reversibilní inhibice AChE
* Pyrethroidy (př. cypermethrin) -insekticidy, odvozené od přírodního pesticidu kys. chrysantémové
Polychlorované dibenzo-p-dioxiny, dibenzofurany a bifenyly
2,3,7,8-tetrachlórdibenzo-p-dioxin
2' 3'
(Cl)n
w
6'
, (Cl)n
Polychlorované dibenzofurany
Cl
Cl Cl
Cl Cl
Cl
Polychlorované bifenyly (209 různých kongenerů)
PCB 126 (koplanární, podobný dioxinům)
PCB 153 (nekoplanární, jiné mechanismy působení)
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.
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.
Průmyslové kontaminanty: nové neionogenní detergenty (nejsou na bázi sulfonanů a fosfátů)
Polyglykoétery alkylovaných fenolů
Alkylfenoly
HO-í
c> degradační produkty (4-nonyl-5 oktylfenol) jsou toxické
(narkotický účinek, efekty na steroidní receptory apod.) a relativně persistentní v prostředí
Průmyslové kontaminanty: polybromované
zpomalovače hoření
í> pro inhibici vzplanutí a hoření hořlavých organických látek -textilní průmysl, elektronika, výroba nábytku;
brómované difenylethery (PBDE), tetrabrombisfenyl A, hexabromcyklododekan,
* od 90. let - předmět intenzivního studia - vysoká perzistence a lipofilita; potenciální endokrinní disruptory a imunotoxikanty; bioakumulace;
Br
Průmyslové kontaminanty: perfluorované a polyfluorované alkylové látky
í> pro inhibici vzplanutí a hoření hořlavých organických látek -textilní průmysl, elektronika, výroba nábytku;
o obsahují vazby mezi uhlíkem a fluorem, které jsou jednou z nejsilnějších chemických vazeb v organické chemii;
snadno přenáší v životním prostředí na dlouhé vzdálenosti od zdroje svého uvolnění;
kyselina perfluorooktanová (PFOA) R F R F R F P
polytetraethylen; teflon
R   F R   F R   F R F
perfluorooktansulfonát (PFOS)
Stockholmská úmluva
n* I
globální environmentálni smlouva, jejímž cílem je ochrana lidského zdraví a životního prostředí před škodlivými vlivy perzistentních organických polutantů (POPs), tedy toxických látek schopných dlouhodobě setrvávat v životním prostředí, přenášet se na velké vzdálenosti a kumulovat se v živých organismech.
Organické polutanty
Perzistentní organické polutanty - definice die SÚ:
remain intact for exceptionally long periods of time (many years);
become widely distributed throughout the environment as a result of natural processes involving soil, water and: most notably, air;
accumulate in the fatty tissue of living organisms including humans, and are found at higher concentrations at higher levels in the food chain; and
are toxic to both humans and wildlife;
://chm.pops.int/Home/tabid/2121/mctl/ViewDetails/EventModlD/759
Organické polutanty
Perzistentní organické polutanty původně
shrnuté v SU - tzv. „Dirty Dozen":
pesticidy: aldrin, chlordan, DDT, dieldrin, endrin, heptachlor, hexachlorbenzen, mirex, toxafen;
průmyslové chemikálie: hexachlorbenzen, polychlorované bifenyly (PCB);
vedlejší produkty průmyslové výroby:
hexachlorbenzen; polychlorované dibenzo-p-dioxiny, polychlorované dibenzofurany (PCDD/PCDF), PCB;