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 ToxicoDYNAMIKA 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 Cílová místa = biologické makromolekuly (DNA/RNA, proteiny, membránové P-lipidy) 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 Primární jsou vždy chemické interakce mezi dvěma chemickými látkami Cílové struktury = základní (makro)molekuly: Proteiny STRUKTURNÍ (tubulin apod.) ENZYMY TRANSPORTÉRY (v membráně, hemoglobin) PROTEINOVÉ RECEPTORY (v membráně i v cytoplasmě) Nukleové kyseliny Fosfolipidy (Sacharidy) Malé molekuly (antioxidanty, ATP, hormony) 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 – příklady procesů 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Interakce toxických látek s proteinovými cíli („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 -DNA v mitochondriích - -atd…. 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Typy interakcí („vazby“) mezi toxikantem a receptorem -nekovalentní (viz příklad na následujícím snímku) (reverzibilní) vodíkové můstky hydrofobní interakce iontové interakce van der Waalsovy interakce -kovalentní (zpravidla ireverzibilní) - - př. inhibice acetylcholinesterázy organofosfátem... - př. vazba na nukleotid 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 zpravidla reaguje s více „receptory“ !!! Která z těchto „interakci“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 reaguje s více receptory !!! Příklad - 2,3,7,8-TCDD - narkotická toxicita (membrána) (10-6 M) à akutní rychlá intoxikace – „chlorakné“ - modulace estrogenity (ER) (pohlavní orgány Kd 10-9 - 10-12 M) à reprodukční poruchy/měsíce - roky - indukce AhR (thymus, játra Kd 10-12 - 10-15 M) à nádor/měsíce – roky (karcinogenita, imunotoxicita) 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! Jedna molekulaà mnoho reakcí) 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…) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0e/Benzo%28a%29pyrene_metabolism.svg/540px-Be nzo%28a%29pyrene_metabolism.svg.png 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 Pozn. 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 4) interkalátory DNA è cross-linking řetězců DNA à 4: „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 * CP - nejvíce užívané protinádorové cytostatikum •prokázaný mutagen (WHO IARC class 1) 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 (v dehtu, psoriáza = lupenka) 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 je trvale aktivní komplexní aparát reparačních systémů (specifické komplexy enzymů pro různé typy změn na DNA) 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 přenos mutací na další generace à 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 Připomínka: mutace – základ evoluce populací http://www.anselm.edu/homepage/jpitocch/genbi101/13_03bPesticideResist-L%20copy.jpg 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://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 Novichok 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 à 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