MECANISMELETOXICITĂŢII

Există mai multe etape necesarepentru apariţia efectului toxic

1. LIVRAREA DE LA LOCUL DE EXPUNERE LA ŢINTĂ

• Teoretic intensitatea efectului toxic depinde de concentraţia şi persistenţa toxicului la locul de acţiune

• Factorii care alterează concentraţia toxicului final (“ultimate toxicant”) influenţează intensitatea şi/sau durata efectului toxic

• Toxicul final este specia chimică care reacţionează cu ţintele moleculare sau care alterează micromediul biologic iniţiind alterări structurale sau funcţionale

• Toxicul final poate fi molecula ca atare, un metabolit al acesteia sau o specie reactivă (oxigen, azot) apărută în urma metabolizării

Absorbţia

• Absorbţia: transferul compusului chimic de la locul de expunere în circulaţia sistemică

• Majoritatea compuşilor toxici trec în circulaţie prin difuziune simplă prin celulele epiteliale (plamâni, sistem GI, etc): absorbţie pasivă

• Există compuşi care nu pot trece membrana intestinală prin difuziune simplă şi necesită transport activ: – transportorii pentru acizi monocarboxilici (salicilaţi, acid valproic)– transportori pentru peptide (peniciline, inhibitori ACE)– transportorul pentru metale bivalente (Fe2+, Cd2+)– transportorul pentru fosfat (arseniatul), etc

• Rata procesului de absorbţie depinde de: – concentraţia substanţei la locul de absorbţie– caracteristicile locului de absorbţie– suprafaţa locului de absorbţie– liposolubilitatea compusului

Eliminarea presistemică

• în timpul transferului de la locul de absorbţie la locul acţiunii toxicul poate fi eliminat

• este un fenomen obişnuit pentru substanţe toxice pentru că ele trebuie să traverseze celulele intestinale, ficatul şi plămânii inainte de a intra în circulaţia sistemică

• Exemple:– etanolul este oxidat de alcool dehidrogenază în mucoasa

gastrică– ciclosporina este eliminată din enterocite în lumenul intestinal de

către P-glicoproteină, este hidroxilată de CYP3A4 în enterocite– morfina este glucuronidată în mucoasa intestinală şi în ficat– manganul este eliminat din circulaţia portală prin bilă

• Eliminarea presistemică scade cantitatea toxicului din circulaţia sistemică

• Nu întotdeauna eliminarea presistemică este măsură de reducere a toxicităţii (ficatul, plămânii şi mucoasa digestivă pot fi afectate de etanol, săruri de fier, alfa-amanitină, paraquat, etc)

Distribuţia de la şi spre locul de acţiune

• în timpul fazei de distribuţie toxicii trec din sânge în spaţiul extracelular sau chiar în celule

• în această fază toxicul ajunge la locul acţiunii• traversarea endoteliului capilar poate fi realizată

prin: – spaţii intercelulare– pori transcelulari– prin membrana celulară

• compuşii liposolubili pătrund în celule prin difuziune

• compuşii hidrosolubili sunt reţinuţi în spaţiul extracelular (excepţie toxicii substrat pentru transportori activi)

Mecanisme care facilitează distribuţia la ţintă

• porozitatea endoteliului capilar (în rinichi şi ficat porii transcelulari sunt de dimensiuni mari facilitând distribuţia toxicilor în rinichi şi ficat)

• mecanisme de transport activ din membrana celulară– canalele de Ca2+ voltaj dependente permit intrarea Ba2+ şi Pb2+

– amanitina pătrunde în hepatocite prin intermediul transportorului pentru acizi biliari dependent de Na şi polipeptida transportoare a anionilor organici (OATP1B3)

– ocratoxina şi Hg sunt transportate în tubii renali de către transportorii pentru anioni organici OAT1 şi OAT3

– MPP+ pătrunde în neuronii dopaminergici extrapiramidali prin transportorul pentru dopamină

– reciclarea membranei celulare poate internaliza aminoglicozide cationice legate de fosfolipide anionice

• acumularea în organitele celulare– compuşi lipofili cu caracter bazic se pot acumula în interiorul

acid al lizozomilor (amiodaronă, amitriptilină, etc) blocând fosfolipazele lizozomale

– acumularea în mitocondrii ale loc electroforetic. Aminele vor fi protonate în mediul acid din spaţiul intermembranar iar apoi vor fi atrase electrostatic în interior unde vor bloca fosforilarea oxidativă şi beta oxidarea (MPP+ în mitocondriile neuronale, tetracaina şi bupivacaina în mitocondriile cardiace, amiodarona în mitocondriile hepatice)

– transportorul pentru nucleozide (ENT1) transportă activ fialuridina în mitocondriile hepatice (la şobolan transportorul lipseşte)

• legare irevesribilă intracelulară– legarea de melanină permite cationilor organici şi anorganici,

PAH să se acumuleze în retină, substantia nigra şi piele. Efecte: clorpromazina: toxicitate pentru retină, mangan: toxic pentru substanţia nigra, PAH: melanom

– legarea metalelor de keratină: arsen: toxicitate dermică

Mecanisme care impedimentează distribuţia la ţintă

• legarea de proteinele plasmatice blochează posibilitatea trecerii peretelui capilar prin difuziune (întârzierea, scăderii intensităţii, prelungirea efectului)

• bariere specializate: capilarele din creier nu au pori transcelulari, celulele sunt strâns lipite, are o multitudine de transportori inverşi (BHE); bariera sânge – testicul

• distribuţia spre locuri de depozitare (pesticide organoclorurate stocate în adipocite, Pb2+ stocat în oase) de unde pot fi mobilizate în anumite condiţii

• asocierea cu proteine intracelulare (metalotioneina reţine temporar cadmiul)

• eliminare din celule: transportori inverşi MDR1, P-glicoproteina, BCRP

• constă în procesul de îndepărtare a xenobioticelor din sânge

• pentru compuşii nevolatili principalele căi de eliminare sunt rinichiul şi ficatul

• alte căi: morfina se elimină prin lapte, amfetaminele în sucul gastric

• nu există căi de eliminare eficiente pentru compuşi nevolatili liposolubili

Excreţia

filtrare transport activ

M<300M>400

Reabsorbţia

• substanţe eliminate în urina primară pot fi reabsorbite tubular prin difuziune simplă (uneori pH dependentă)

• unii compuşi se pot reabsorbi prin transport activ– peniciline: transportorul pentru peptide– cromat şi molibdat: transportorul pentru sulfat– arseniat: trasportorul pentru fosfat

• compuşii eliminaţi prin bilă se pot reabsorbi în intestin

• conjugaţii cu acid glucuronic sau glutation pot fi descompuşi de către flora intestinală şi agliconii absorbiţi

Creşterea toxicităţii versus detoxifiere

• unele substanţe (nicotină, aminoglicozide, metale grele, etilen oxid, HCN, CO) sunt toxice ca atare

• alţi compuşi îşi datorează toxicitatea unor metaboliţi• metabolizarea cu formare de compuşi toxici se numeşte

activare metabolică• Exemple:

– etilen glicolul este oxidat la acid oxalic– paraoxon este transformat în paration– metoxifluranul eliberează fluorură– cefoperazona formează un compus ce blochează vitamina K

epoxid reductaza– fialuridina inhibă ADN polimeraza gama

• În unele cazuri metabolizarea xenobioticului formează specii reactive (NO, anion superoxid)

Formarea moleculelor electrofile

• compuşii electrofili conţin un atom deficient în electroni• în majoritatea cazurilor are loc inserarea în moleculă a

unui atom de oxigen care va transforma atomul de care este ataşat în compus electrofil (formare de aldehide, cetone, epoxizi, sulfoxizi, nitrozo derivaţi, etc)

• alteori se formează legături duble conjugate care sunt polarizate de un atom de oxigen cu electrofilizarea atomului de C dublu legat (formare de aldehide alfa, beta nesaturate)

• electrofili cationici se formează prin ruperea legăturilor C-O sau C-N (tamoxifen); dimetil nitrozamina este C hidroxilată de CYP2E1 şi de descompune cu formare de +CH3, reacţie similară dă şi nitrozamin cetona derivată din nicotină

• compuşi anorganici: oxidarea Hg la Hg2+ (catalază), reducerea AsO3-

4 la AsO2-3/As3+

Formarea radicalilor liberi

• molecule ce conţin electroni nepereche

• se formează prin:– acceptare de electroni (doxorubicină,

nitrofurantoină)– pierdere de electroni (PAH, aminofenoli)– fisiune homolitică a unei legături covalente

(CCl4)

Formarea speciilor nucleofile

• mecanism relativ rar în activarea toxicilor

• formarea CN- din amigdalină

Formarea speciilor redox reactive

• formare nitritului methemoglobinizant din nitrat prin reducere bacteriană

• dapson hidroxilamina şi 5-hidroxiprimaqina produc methemoglobină prin cooxidare

• anionul superoxid poate reduce Fe3+ (legat de feritină) la Fe2+, CrVI poate fi redus la CrV prin intermediul vitaminei C. Ambii intră în reacţia Fenton.

Detoxifiere

• procesul prin care este împiedicată formarea toxicului final sau prin care se elimină acest compus se numeşte detoxifiere

• depinde de structura chimică a compusului

• în unele cazuri detoxifierea poate intra în competiţie cu activarea metabolică (toxifierea)

Detoxifierea compuşilor fără grupări funcţionale

• are loc în general în două etape (benzen, toluen)

• în prima etapă se introduce în moleculă o grupare hidrofilă (OH, COOH) prin acţiunea CYP

• în etapa II o transferază va conjuga gruparea nou introdusă cu acid glucuronic, sulfat, amino acid, etc

nicotină

NNK

eliminare prin: - reducere la alcool - conjugare cu acid glucuronic

Detoxifierea nucleofililor

• conjugarea grupării nucleofile• grupările OH sunt conjugate prin sulfatare,

glucuronidare, rar metilare• grupările SH sunt metilate sau glucuronidate• aminele şi hidrazinele sunt acetilate• aceste reacţii previn transformările sub acţiunea

peroxidazelor în radicali liberi (ex.: fenoli – chinone)

• CN- se transformă în SCN- sub acţiunea sulftransferazei

Detoxifierea electrofililor

• conjugare cu glutation spontan sau sub acţiunea glutation S-transferazei

• chiar şi metalele sunt detoxifiate astfel (Ag+, Cd2+, Hg2+, CH3Hg+)

• transformarea epoxizilor în dioli sub acţiunea epoxid hidrolazei

• hidroliza esterilor organofosforici sub acţiunea carboxilesterazei

• reducerea chinonelor la hidrochinonă• legarea covalentă de proteine???

Detoxifierea radicalilor liberi

• superoxid dismutaza neutralizează anionul superoxid (SOD, Cu sau Zn în citoplasmă; Mn în mitocondrii)

• nicio enzimă nu elimină radicalul hidroxil (10-9) şi nici antioxidanţii clasici nu oferă protecţie (PBN)

• peroxiradicalii pot “fura” un atom de hidrogen din glutation, alfa tocoferol, sau acid ascorbic

• peroxinitritul (t1/2 = 1 sec) reacţionează rapid cu CO2 astfel încât antioxidanţii clasici nu sunt foarte eficienţi

• glutation peroxidaza şi peroxiredoxina pot reduce peroxinitritul la nitrit

• reacţia peroxinitritului cu oxihemoglobina este tot o detoxifiere

• glutationul prin cedare de electroni inactivează radicalii liberi generaţi de peroxidaze

Detoxifierea toxinelor proteice

• realizată de proteaze intra şi extracelulare

• toxine proteice din veninuri (alfa şi beta bungaratoxina, erabutoxina, fosfolipaze conţin legături disulfidice necesare activităţii

• tioredoxina prin reducere inactivează aceste legături

Eşecul proceselor de detoxifiere

• toxicii pot depăşii capacitatea unor sisteme de detoxifiere: saturarea enzimelor, consumul substratului, depleţia antioxidanţilor (paracetamol)

• inactivarea enzimei de detoxifiere (peroxinitritul în concentraţii mari inactivează Mn-SOD)

• conjugările pot fi reversibile (naftilamina)• uneori în cursul detoxifierii se produc specii

toxice: radical tiil reacţionează cu tiolatul (GS-) şi formează radical anion glutation disulfid ce poate genera anion superoxid