TOXICOLOGIE ORGANICĂ Sem. II 2014 – 2015 Curs 2 ...

  • Published on
    28-Jan-2017

  • View
    216

  • Download
    0

Transcript

TOXICOLOGIE ORGANIC Sem. II 2014 2015 Lector dr. Adriana Urd Curs 2. Transformarea compuilor organici n organismele vii: expunerea la compui organici toxici Corpul uman poate fi expus diverilor compui toxici prezeni n diferite medii ca aer, sol, ap sau hran. Totui, simpla expunere la aceti compui chimici periculoi nu conduce obligatoriu la un rspuns toxicologic. Corpul mamiferelor are mai multe mecanisme inerente de aprare i bariere membranoase, care tind s previn intrarea sau absorbia i distribuia acestor compui toxici atunci cnd se produce expunerea. Toxicitatea unei substane depinde de doz; cu alte cuvinte, cu ct este mai mare cantitatea de compus chimic intrat n organism, cu att rspunsul toxicologic este mai important. n final, ns, nu doza, ci concentraia de compus toxic la centrul (sau centrii) de aciune organ int sau esut int (vezi mai jos) este ceea ce determin toxicitatea. Odat ce compusul toxic a fost absorbit, moleculele lui se pot deplasa n corp n dou moduri: - transfer prin fluxurile corpului (ex. n fluxul sanguin) - transfer difuzional (molecul cu molecul, pe distane scurte) Concentraia compusului chimic al centrul de aciune este proporional cu doza, dar concentraiile la diverse organe pot fi extrem de diferite datorit acestor mecanisme diferite de transport. Acest lucru se datoreaz diferenelor n dispoziia compusului chimic (dispoziia reprezint fenomenele care urmeaz dup ptrunderea compusului chimic n corp): absorbie, distribuie, biotransformare i excreie. Trebuie notat faptul c aceste procese pot s aib loc simultan. Diferiii factori care afecteaz dispoziia sunt prezentai n figura 1. Fig. 1. Cile de absorbie, distribuie i excreie a compuilor toxici n corp. Cile primare de intrare a compuilor toxici n corpul uman sunt dermic (prin piele), gastrointestinal i respiratorie. Pielea reprezint cel mai mare organ al corpului uman, iar una din funciile sale primare este de barier fizic la absorbia compuilor toxici. Tractul Ingestie Inhalare Intravenos Intraperitoneal Subcutanat Intramuscular Dermic Tract gastrointestinal Plmni Ficat Bil Rinichi Vezica urinar Plmni Alveole pulmonare Structuri secretoare Fluid extracelular Grsime Organe esuturi moi Oase Fecale Urin Aer expirat Secreii Snge i limf 2 gastrointestinal i cel respirator ofer o rezisten mai mic la absorbia compuilor toxici dect pielea (sunt absorbii mai uor dect prin piele). n general, cile respiratorii reprezint cea mai rapid cale de intrare, iar pielea cea mai lent. Motivul principal pentru aceast diferen major este grosimea membranei, care este distana fizic dintre dintre mediul extern i capilarele sanguine, i care variaz mult ntre cele trei ci de intrare n organism. Compuii toxici trebuie s traverseze una sau mai multe din membrane pentru a-i exercita efectele duntoare ntr-unul sau mai multe locuri n corp. Excepie fac agenii caustici i corozivi (acizii, bazele, srurile, oxidanii), care acioneaz topic (pe suprafaa pielii sau a unei membrane). Un compus chimic absorbit n fluxul sanguin prin oricare din cele trei ci este distribuit, cel puin ntr-o oarecare msur, n ntregul corp, inclusiv la centrul unde produce efecte negative. Acest centru este deseori denumit organul int sau esutul int. Un compus chimic poate avea unul sau mai multe organe int i, la rndul lor, mai muli compui chimici pot avea acelai organ int. De ex., benzenul afecteaz sistemul hematopoietic (organele i esuturile cu rol n formarea sngelui, cum sunt mduva osoas, splina i esutul limfatic), iar CCl4 produce leziuni la ficat. Este evident c pentru a produce un efect toxic direct la un organ, compusul chimic trebuie s ajung la acel organ. Pe lng concentraie, mai muli factori influeneaz susceptibilitatea organelor la compuii toxici. De aceea, organul sau esutul cu cea mai mare concentraie a compusului toxic nu este obligatoriu centrul unde se exercit toxicitatea. De ex., insecticidele clorurate, cum este DDT, au concentraia cea mai mare n depozitele de grsime ale corpului, dar nu produc n acel esut nici un efect toxic cunoscut. Compuii chimici au diferite proprieti de difuzie, adic abilitatea de a traversa bariere difuzionale ne-apoase (de ex. membranele celulare) pornind dintr-un compartiment apos. Acest lucru implic deplasarea prin mai multe compartimente, separate prin membrane lipidice. De aceea, este important nelegerea mecanismelor prin care substanele traverseaz membranele, dar i proprietile fizico-chimice ale moleculelor i membranelor, care influeneaz deplasarea compuilor din mediu n corp. Aceti factori influeneaz i deplasarea de la un compartiment la altul n corp, n timpul distribuiei, metabolismului i excreiei. Farmacocinetica sau toxicocinetica reprezint determinarea cantitativ a parcursului compuilor toxici n corp n timpul diferitelor procese de absorbie, distribuie i eliminare sau curare (metabolizare i/sau excreie). Acesta este un studiu al felului n care corpul "se ocup" de compusul toxic i se reflect n concentraia toxicului n plasma sanguin n diferite momente de timp. Farmacodinamica i toxicodinamica reprezint studiul efectelor biochimice i fiziologice ale medicamentelor i compuilor toxici, i determin mecanismul lor de aciune. Deoarece cei mai muli compui toxici trebuie s treac prin mai multe membrane nainte de a-i exercita toxicitatea, vom ncepe cu o discuie despre cteva caracteristici generale ale membranelor din corp. Membranele celulare sunt predominant o barier lipidic, cu o grosime medie de aprox. 75 . Membrana (vezi figura 2) const din: (1) un strat dublu de fosfolipide cu partea hidrocarbonat orientat nspre interior (faz hidrofob), (2) prile polare, hidrofile orientate ctre exterior (faza hidrofil), i (3) proteine asociate, perpendiculare pe membran, care ajut la transportul unora dintre substane prin membran. Unele dintre proteine sunt localizate la suprafaa membranei, altele traverseaz membrana, permind formarea de pori apoi. Raportul dintre lipide i proteine poate varia mult n funcie de tipul membranei. Proporia de lipide pe suprafa va influena mult distribuia compuilor toxici n funcie de lipofilicitatea acestora (solubilitatea n lipide). 3 Figura 2. Reprezentarea schematic a unei membrane biologice. Sferele reprezint prile hidrofile ale lipidelor, liniile n zig-zag reprezint prile lor hidrofobe Sferele albe, negre sau punctate reprezint diferite tipuri de lipide, iar corpurile mari reprezint proteinele asociate membranei. Fosfolipidele (cunoscute i ca fosfatide) sunt lipide complexe, care conin n molecul o grupare fosfat, doi alcooli (dintre care unul este glicerolul) i unul sau doi acizi grai (vezi structura moleculei de fosfolipid de mai jos). La un capt al moleculei se gsete esterul format din gruparea fosfat i unul dintre alcooli (de ex. colin); acest capt este polar (are sarcini electrice) i este hidrofil. Cellalt capt, care const din acizii grai, este neutru i hidrofob, dar lipofil (solubil n grsimi). Una dintre cele mai des ntlnite fosfolipide din membranele celulare este lecitina (fosfatidilcolin). Stratul dublu lipidic Molecul de fosfolipid Structura fosfolipidelor Exemplu de fosfatidilcolin Rou esterul format din colin i fosfat Negru glicerol Verde acid gras nesaturat (ex. oleic) Albastru acid gras saturat (ex. palmitic) Acizii grai din membran nu au o structur cristalin rigid, ci sunt semifluizi la temperaturile fiziologice. Caracterul fluid al membranei este determinat n mare msur de structura i abundena relativ a acizilor grai nesaturai. Cu ct membranele conin mai muli acizi grai nesaturai, cu att ele sunt mai fluide, facilitnd transportul activ sau pasiv mai rapid. Proteinele sunt macromolecule biologice, formate prin reacii de policondensare ntre fragmente de aminoacizi. Legtura format prin eliminarea unei molecule de ap ntre Parte polar (hidrofil) Parte nepolar (hidrofob) 4 gruparea amino, - NH2, a unui aminoacid i gruparea carboxil, - COOH, a altui aminoacid se numete legtur peptidic ( NH CO ). Complecii formai ntre proteinele membranei i lipide pot forma canale hidrofobe sau hidrofile, care permit transportul moleculelor cu caracteristici fizico-chimice diferite. Natura amfipatic (cu proprieti att hidrofile, ct i hidrofobe) a membranei creeaz o barier pentru compuii ionici, puternic polari, dei nu i exclude complet. Prezena unor pori de aprox. 4 se crede c permite deplasarea cu uurin a moleculelor mici, cum este apa. Astfel, anumite molecule (care n mod obinuit sunt excluse) pot traversa rapid bariera membranei cu coninut ridicat de lipide. Diferenele ntre diferitele tipuri de membrane, cum ar fi prezena lipidelor diferite, cantitatea de lipide pe suprafa, diferenele ntre mrimea i forma proteinelor, sau caracteristicile fizice ale legturilor, pot produce diferene de permeabilitate ntre membrane. Aceste diferene biochimice i biofizice sunt responsabile pentru diferenele de permeabilitate ale pielii n diferite regiuni anatomice ale corpului. Un compus toxic poate trece printr-o membran prin unul din cele dou procese generale: - transport pasiv (difuzie conform legii lui Fick) n care celula nu consum energie - transport specializat, prin care celula ofer energie pentru a transporta compusul toxic prin membran. Transportul pasiv. Cei mai muli compui toxici traverseaz membranele prin difuzie simpl, de la o concentraie mai mare la una mai mic. Fora conductoare este gradientul de concentraie (diferena dintre concentraii) de o parte i de alta a membranei. n final concentraia compusului toxic este aceeai de ambele pri ale membranei (se stabilete echilibrul). Moleculele hidrofile mici (pn la mase molare aprox. egale cu 600) pot traversa membranele prin porii apoi, n timp ce moleculele hidrofobe traverseaz prin domeniul lipidic al membranelor. Cu ct o molecul hidrofil este mai mic, cu att mai uor va traversa membranele prin difuzia simpl prin porii apoi. De ex., etanolul este absorbit rapid din stomac i intestin i apoi este distribuit la fel de rapid n corp, prin difuzie simpl din snge n toate esuturile. Majoritatea compuilor toxici constau din molecule organice mai mari, cu grade diferite de solubilitate n lipide. Viteza lor de transport prin membrane se coreleaz cu solubilitatea lor n lipide, care este frecevnt exprimat sub forma coeficientului de partiie ntre ap i octanol pentru moleculele neutre, sau logP (tabelul 1). Coeficientul de partiie este o msur a capacitii compusului de a se separa ntre dou faze nemiscibile. Acestea sunt o faz organic (de ex. octanol sau heptan) i una apoas (ap). Solventul lipidic utilizat pentru msurtori este n mod obinuit octanolul, deoarece imit cel mai bine lanul de carbon al fosfolipidelor. Cu ct coeficientul de partiie este mai sczut, cu att compusul este mai solubil n ap i mai puin permeabil prin membran. Astfel, aminoacizii (logP negativ) sunt solubili n ap, n timp ce poluanii ca DDT sau TCDD sunt foarte solubili n lipide (logP foarte pozitiv): Tabelul 1. Coeficienii de partiie (exprimai ca log P) pentru diferii compui organici Compus log P Cistin - 4,45 Glicin - 3,21 Glutation -3,05 Acid benzoic 1,88 Benzen 2,14 DDT 6,76 TCDD 7,05 5 Muli compui chimici sunt acizi organici slabi sau baze organice slabe. n soluie aceti compui sunt ionizai, iar forma ionizat are o solubilitate sczut n lipide i nu poate traversa cu uurin prin domeniul lipidic al membranei. HA + H2O A + H3O+ B + H3O+ BH+ + H2O O parte din traversarea cationilor i anionilor organici (n funcie de masa lor molar) se poate face prin porii apoi, dar acesta este un proces lent (cu excepia compuilor cu mas molar foarte mic), deoarece suprafaa total ocupat de porii apoi este foarte mic n comparaie cu suprafaa total a domeniului lipidic al membranei. n general, forma neionizat a acestor compui are o oarecare solubilitate n lipide, ceea ce conduce la difuzie prin domeniul lipidic al membranei sub forma neionizat. Viteza de transport a formei neionizate este proporional cu solubilitatea sa lipidic. Raportul molar dintre forma neionizat i cea ionizat pentru un acid organic slab sau o baz organic slab, n soluie, depinde de constanta de ionizare. Constanta de ionizare ofer o msur pentru tria acizilor organici sau a bazelor organice. De ex. pentru un acid: = [3+] [2] Valoarea pH-ului la care un acid organic slab sau o baz organic slab sunt ionizate 50% se numete pKa sau pKb. = 2 = 3+ [][] pKa = -log Ka Ca i pH-ul, pKa i pKb sunt definite ca logaritmul cu semn schimbat din constanta de ionizare a acidului sau bazei. Folosind ecuaia pKa = 14 pKb, pKa poate fi calculat i pentru baze organice slabe. Un acid organic cu pKa sczut este un acid relativ tare, iar unul cu pKa ridicat este un acid slab. Inversul este valabil pentru baze. Valoarea numeric a lui pKa nu indic faptul dac acel compus chimic este un acid sau o baz. Este necesar cunoaterea structurii pentru a distinge ntre acizi i baze. Gradul de ionizare pentru un compus chimic depinde de valoarea sa pKa i de pH-ul soluiei. Efectul pH-ului asupra gradului de ionizare a unui acid organic (acid benzoic) i a unei baze organice (anilin) este prezentat in tabelul 2. Un acid Brnsted este un donor de proton (H+), iar o baz este acceptoare de proton. Astfel, formele ionizat i neionizat ale unui acid organic reprezint o pereche acid-baz, forma neionizat fiind acidul, iar forma ionizat fiind baza. La pH sczut un acid organic slab cum este acidul benzoic este n mare msur neionizat. La pH = 4, jumtate din acidul benzoic este ionizat i jumtate neionizat, deoarece aceasta este valoarea pKa a compusului. Pe msur ce pH-ul crete, din ce n ce mai muli protoni sunt neutralizai de grupele hidroxil, iar acidul benzoic continu s disocieze pn cnd este aproape n ntregime n forma ionizat. Pentru o baz organic lucrurile se petrec invers. La pH sczut, cnd protonii sunt abundeni, aproape toat anilina este protonat, adic ionizat. Aceast form a anilinei este acid, pentru c poate dona protoni. Pe msur ce pH-ul crete, ionii aniliniu (fenilamoniu) continu s disocieze pn cnd aproape toat anilina este n form neionizat, care este anilina bazic. Deoarece trecerea prin membran este n mare parte realizat prin forma neionizat, acidul benzoic este transportat mai uor n mediu acid, n timp ce anilina este transportat mai uor n mediu bazic. 6 Tabelul 2. Efectul pH-ului asupra ionizrii acidului benzoic (pKa = 4) i anilinei (pKa = 5). pH Acid benzoic % neionizat Anilin % neionizat 1 99,9 2 99 0,1 3 90 1 4 50 10 5 10 50 6 1 90 7 0,1 99 Filtrarea. Cnd apa trece printr-o membran poroas, orice compus dizolvat a crui molecul este destul de mic pentru a trece prin pori va trece mpreun cu apa. Trecerea prin aceste canale se numete filtrare. Una din diferenele principale dintre diferite membrane este mrimea acestor canale: de la sub 4 nm pentru celulele obinuite, la aprox. 70 nm n rinichi. Transportul specializat. Exist numeroi compui pentru care traversarea membranelor nu poate fi explicat prin difuzie simpl sau filtrare. Unii compui sunt prea mari pentru trece prin porii apoi, sau prea insolubili n lipide pentru a difuza prin domeniul lipidic al membranelor. Cu toate acestea, ei sunt deseori transportai foarte rapid prin membrane, chiar mpotriva gradienilor de concentraie (de la o concentraie mai mic spre o concentraie mai mare). Pentru a explica aceste fenomene a fost postulat existena unor sisteme specializate de transport. Aceste sisteme sunt rspunztoare pentru transportul multor nutrieni prin membranele celulare, cum sunt zaharurile, aminoacizii, acizii nucleici etc. Exist dou tipuri principale de transport specializat: transportul activ i difuzia facilitat. Un sistem de transport activ este caracterizat prin mai multe proprieti, de ex. faptul c transportul compuilor chimici se produce mpotriva gradienilor de concentraie, iar sistemul necesit consum de energie din partea celulei. Substanele transportate activ prin membranele celulare formeaz un complex cu o protein legat de membran (protein numit transportoare), aflat de o parte a membranei. Complexul traverseaz apoi ctre cealalt parte a membranei, unde substana este eliberat. Dup aceea, proteina se ntoarce la suprafaa de unde a plecat pentru a repeta ciclul de transport. Difuzia facilitat. Difuzia facilitat se aplic la transportul mediat de un transportor (transport activ), ns compusul nu este transportat mpotriva unui gradient de concentraie, iar procesul de transport nu necesit aport de energie. Un exemplu este transportul glucozei n celulele roii ale sngelui. Bibliografie 1. E. Hodgson (editor) A textbook of modern toxicology, 3rd edition, Wiley Interscience, 2004 2. V. A. Voicu Toxicologie clinic, Editura Albatros, Bucureti, 1997 3. Casarett and Doulls Toxicology: the basic science of poisons, (ed. C. D. Klaassen), McGraw-Hill, 2001, cap. 2. Principles of Toxicology