Transport przez błony komórkowe

advertisement
2013-01-06
Warunkiem niezbędnym do zadziałania toksycznego ksenobiotyku jest
jego wchłonięcie do żywego ustroju (organizmu), z wyjątkiem substancji
o działaniu miejscowym (np. żrące kwasy lub zasady). Wchłoniecie
ksenobiotyku następuje początkowo do krwioobiegu, a następnie musi
się on przedostać w dostatecznym stężeniu do odpowiednich tkanek i
narządów.
Niezależnie od drogi podania, substancje chemiczne ulegają w
organizmie bardzo wielu różnorodnym procesom. Całość procesów,
określających los substancji obcych w organizmie nazywany jest
metabolizmem ksenobiotyków (błędne jest odnoszenie tego pojęcia
tylko i wyłącznie do biotransformacji ksenobiotyków).
Głównymi procesami metabolizmu ksenobiotyków w organizmie są:
wchłanianie (absorpcja),
rozmieszczenie (dystrybucja),
przemiany biochemiczne (biotransformacja),
wydalanie.
Z punktu widzenia toksykologa można wyróżnić podstawowe drogi
wnikania ksenobiotyków do organizmu ludzkiego:
poprzez skórę (droga dermalna),
drogami układu oddechowego (droga wziewna),
doustnie (droga pokarmowa),
drogę pozajelitową (peranteralną) (dożylna, dootrzewnowa,
domięśniowa, doskórna, podskórna, dordzeniowa),
przez jamy ciała (dospojówkowa, donosowi, doodbytnicza,
pochwowa).
Mozaikowy model dynamiczny, w którym lipidy i białka są zorganizowane w strukturze
mozaikowej (podstawą błony jest podwójna warstwa lipidowa, w której w różnym stopniu
są zanurzone białka strukturalne i powierzchniowe.
Transport przez błony komórkowe
Każda komórka jest otoczona półprzepuszczalną błoną, przez którą przenikają, z różną
szybkością, jony i cząsteczki. Grubość błony waha się zazwyczaj w zakresie 7-10 nm.
Model błony elementarnej został stworzony w 1959 roku przez Robinsona.
Zakładał on powszechność występowania regularnego układu trójwarstwowego:
białko - lipidy - białko
we wszystkich strukturach laminarnych komórek. Grubość każdej z warstw miała
wynosić około 2,5-3,0 nm. Błona elementarna jest zbudowana z dwucząsteczkowej
warstwy lipidowej, otoczonej z obu stron warstwą białek.
Lipidy błony składają się głównie z: lecytyny, kefaliny, cholesterolu oraz kwasów
tłuszczowych. Lipidy zwrócone są do siebie hydrofobowymi łańcuchami
węglowodorowymi, a grupami polarnymi (fosfatydylowa i aminowa) do otaczającej ją
fazy wodnej, gdzie oddziałują z polarnymi cząsteczkami białek, jonami nieorganicznymi
i wodą.
W środowisku wodnym lipidy tworzą micele, ugrupowane w postaci cylindrycznych
kolumn. Powstają w ten sposób hydrofilowe kanały (pory) o średnicy 0,7-1,0 nm, przez
które woda oraz rozpuszczone w niej substancje przenikają do środka komórek.
Białka błony (MW 5 000-250 000 Da) rozgałęziają się i uwypuklają do warstwy
lipidowej lub przenikają na jej drugą stronę.
Białka strukturalne są dużymi cząsteczkami o budowie kulistej, z wbudowanymi
najczęściej przez całą grubość lipidowej warstwy podwójnej, zorientowane grupami
polarnymi i zjonizowane ku środowisku wewnątrz- i zewnątrzkomórkowemu.
Białka powierzchniowe są związane oddziaływaniami elektrostatycznymi lub
hydrofobowymi z zewnętrznymi powierzchniami białek strukturalnych.
1
2013-01-06
Transport ksenobiotyków przez błony komórkowe (błony biologiczne) może odbywać
się przez:
Większość substancji przechodzi przez błony za pomocą dyfuzji biernej. Zachodzi ona
bez nakładu energii wytwarzanej przez komórkę i odbywa się zgodnie z różnicą
(gradientem) stężeń lub potencjałów na obu powierzchniach błony komórkowej.
Dyfuzja elektrolitów organicznych jest podyktowana pewną, chociaż minimalną
rozpuszczalnością w fazie lipidowej i dobrą w fazie wodnej. Przenikanie zależy od
lipofilności i maleje ze stopniem jonizacji związku.
Ilościowo proces dyfuzji opisuje prawo Ficka:
szybkość dyfuzji jest proporcjonalna do powierzchni błony i różnicy stężeń po obu jej
stronach, a odwrotnie proporcjonalna do grubości błony:
V=
Wiele ksenobiotyków występuje w formie zjonizowanej jak i niezjonizowanej (w
zależności od wartości pH środowiska). Wielkość dyfuzji zależy od lipofilowości fazy
niezjonizowanej substancji. Forma zjonizowana, ze względu na słabą rozpuszczalność w
lipidach najczęściej nie przenika przez błony w oparciu o dyfuzje bierną.
Absorpcja konwekcyjna (transport przez pory) umożliwia przenikanie przez błony
substancji hydrofilowych do masy cząsteczkowej około 200 Da. Substancje są
transportowane wraz z wodą przez pory błon o średnicach 0,7-1,0 nm (ładunek błon
może być dodatni, ujemny lub obojętny). Szybkość przenikania przez błony określa
równanie:
V=
n ⋅ r 2 ⋅ A(c1 − c2 )
η ⋅d
V – szybkość przenikania przez błony,
A – powierzchnia błony,
n – liczba porów,
r – promień porów,
(c1 – c2) – różnica stężeń po obu stronach błony,
η - lepkość,
d – grubość błony.
Transport aktywny substancji odbywa się wbrew gradientowi stężeń lub potencjałów.
Niezbędna do tego celu energia jest najczęściej wyzwalana z rozpadu ATP pod
wpływem enzymu ATPazy. Transport aktywny może być aktywowany lub inhibitowany
przez aktywatory lub inhibitory mitochondrialnego łańcucha transportu elektronów
lub substancji rozprzęgających proces fosforyzacji oksydacyjnej.
Szczególnie ważne znaczenie fizjologiczne ma transport aktywny jonów
nieorganicznych (sodowych i potasowych) przez błony, nazywany pompą sodowopotasową oraz wydzielanie jonów wodorowych w błonie śluzowej żołądka i kanalikach
nerkowych. W ten sposób są transportowane jony wapnia i żelaza.
D ⋅ A(c1 − c2 )
d
V – szybkość dyfuzji biernej,
D – współczynnik dyfuzji, zależny od właściwości substancji (masa cząsteczkowa,
konfiguracja przestrzenna, współczynnik podziału olej-woda, stopień jonizacji) i
właściwości błony,
A – wielkość powierzchni błony (dyfuzyjność),
d – grubość błony,
c1 – c2 – różnica stężeń po obu stronach błony biologicznej.
Pewne substancje przenikają szybciej przez błony niż to wynika z prawa Ficka tworząc
kompleksy ze znajdującymi się na powierzchni błon białkowymi nośnikami. Jest to tak
zwany transport ułatwiony (transport przenośnikowy). Związek niezjonizowany lub
jon wiążą się z nośnikiem po jednej stronie błony i w postaci kompleksu przechodzą
przez błonę, po czym odłączają się po drugiej stronie błony.
Transport ten cechuje:
•swoistość (dany związek lub grupa tworzy kompleksy z nośnikiem),
• wysycenie (przy dużych stężeniach ksenobiotyków mechanizm transportu jest
wysycany i nie ma możliwości zwiększenia jego szybkości),
•hamowanie kompetycyjne (substancja o zwiększonym powinowactwie do nośnika
hamuje transport innego związku chemicznego)
Swoistą odmianą dyfuzji biernej jest transport par jonowych. Silnie zjonizowane
aniony (np. kwasy sulfonowe) lub kationy (np. 4o zasady amoniowe) mogą tworzyć z
jonami organicznymi, środowiska lub błony, o przeciwnym znaku kompleksy cząstek
obojętnych elektrostatycznie, które przechodzą przez błony na zasadzie dyfuzji biernej
zgodnej z prawem Ficka.
W toksykologii szczególną rolę odgrywa transport aktywny zachodzący przy wydalaniu
niektórych trucizn z organizmu. Specjalne systemy transportu dla słabych kwasów i
słabych zasad występują w kanalikach nerkowych, hepatocytach i splocie naczyniowym
komory mózgu.
2
2013-01-06
Makrocząsteczki rozproszone lub zawieszone w środowisku, są pobierane poprzez
komórki podczas endocytozy (w przypadku cząstek stałych proces jest nazywany
fagocytozą, pobieranie makrocząstek rozpuszczonych w środowisku, np. białek nosi
nazwę pinocytozy). Strawione elementy przenikają do cytoplazmy. Endosomy, które
nie ulegają strawieniu, zostają wydalone z komórek w procesie egzocytozy. Za pomocą
tego mechanizmu są transportowane: tłuszcze, glicerol, białka, witaminy A, D, E i K,
skrobia, cholesterol, ferrytyna oraz jaja pasożytów, wirusy, bakterie i fagi. Substancje
białkowe które mogą przyspieszać proces pinocytozy są nazywane induktorami
pinocytozy.
Przenikanie przez skórę
Absorpcja ksenobiotyków przez skórę posiada szczególne znaczenie w zatruciach
zawodowych, zwłaszcza w pracy z chemicznymi środkami ochrony roślin, a także w
niektórych gałęziach przemysłu (głównie w kontakcie z rozpuszczalnikami).
Przenikalność skóry jest zróżnicowana w zależności od rodzaju substancji. W
porównaniu z innymi drogami transport przez skórę zachodzi stosunkowo wolno.
Schemat przebiegu pinocytozy: cząsteczki z roztworu (A) zostają związane z receptorami na
powierzchni błony (B), błona ulega wpukleniu (C) i zamyka się (D), odcina się od błony
zewnętrznej (E) i ulega strawieniu
Skóra składa się z trzech warstw:
zewnętrznej, ochronnej, zwanej
naskórkiem (łac. epidermis),
warstwy środkowej, unaczynionej,
zwanej skórą właściwą (łac. dermis),
wewnętrznej warstwy podskórnej,
składającej się z tkanki tłuszczowej i
tkanki łącznej (łac. hypodermis).
w obrębie skóry występują wytwory
skóry, takie jak cebulki włosowe,
gruczoły łojowe i potowe.
Zrogowaciała zewnętrzna warstwa naskórka (łac. stratum corneum)
(zbudowana z warstw suchych, płaskich keratynocytów. nie jest
unaczyniona, nie odbywają się przemiany metaboliczne).
Proces wnikania substancji chemicznych do organizmu poprzez warstwę
rogową stratum corneum polega na pasywnym wnikaniu ksenobiotyków
przez szereg warstw komórek. Zakłada się, że substancje polarne
przenikają do wnętrza komórki przez włókna (mikrofilamenty)
białkowe, podczas gdy substancje niepolarne przez matryce (obszary)
lipidowe w błonie komórkowej. Uwodnienie stratum corneum
powoduje, że substancje polarne łatwiej przenikają. Elektrolity wnikają
do organizmu głównie w postaci niejonowej, a więc przenikalność przez
skórę zależy od pH działającego roztworu.
Możliwe sposoby przenikania substancji chemicznych przez skórę:
dyfuzja przez naskórek do skóry właściwej (transport
transepidermalny),
wnikanie przez kanaliki potowe (transport transfolikularny),
wzdłuż torebek włosowych, w których tkwią cebulki włosowe
(transport transfolikularny).
Wstępne potraktowanie skóry takimi rozpuszczalnikami jak:
sulfotlenek dimetylowy (DMSO), metanol, etanol, heksan, aceton,
mieszanina chloroformu i metanolu, powoduje znaczny wzrost
przepuszczalności skóry. Efekt ten polega na usunięciu lipidów z
naskórka, co powoduje zmiany jego struktury.
Przenikanie przez skórę jest procesem zależnym od czasu, a przenikanie
przez stratum corneum jest reakcją limitującą szybkość całego procesu.
Wynika stąd, że czas ekspozycji na ksenobiotyk jest w tym przypadku
czynnikiem najistotniejszym.
Kinetyka przenikania przez skórę przypomina kinetykę wchłaniania przez
układ żołądkowo-jelitowy, z tym że ten drugi proces jest szybszy.
3
2013-01-06
Wchłanianie w drogach oddechowych
Układ oddechowy składa się z trzech regionów:
Jama nosowo-gardłowa jest wyścielona
nabłonkiem
rzęskowym, w którym są
rozmieszczone liczne gruczoły śluzowe.
Zadaniem tej części układu oddechowego jest
usuwanie
dużych,
wdychanych
z
powietrzem,
cząstek oraz ogrzewanie i
nawilżanie
(nasycenie
parą
wodną)
wdychanego powietrza.
Region tchawicy i oskrzeli składa się z
tchawicy, oskrzeli i oskrzelików. Są to
rozgałęziające się coraz węższe kanały,
łączące
jamę
nosowo-gardłową
z
obszarem płuc. Wyścielone są dwoma
rodzajami
komórek:
nabłonkiem
rzęskowym (migawkowym), w którym
występują
kielichowate
komórki
wydzielające śluz, czyli gruczoły śluzowe.
Wydzielany przez nie śluz skleja
zanieczyszczenia powietrza w większe
konglomeraty, które dzięki ruchom rzęsek
ku górze są przemieszczane z głębszych
obszarów układu oddechowego do jamy
ustnej, skąd mogą być usunięte ze śliną
lub połknięte. Kanaliki regionu tchawicy i
oskrzeli (oskrzeliki) rozgałęziają się,
jednocześnie drogi przepływu powietrza
stają się coraz węższe, lecz ich całkowita
powierzchnia staje się coraz większa.
Obszar płuc składa się z:
oskrzelików oddechowych (małe naczynia rurkowate długości około 1 mm i
szerokości około 0,5 mm, na których końcu znajdują się pęcherzyki płucne),
przewodów pęcherzykowatych (małe naczynia rurkowate łączące dwa pęcherzyki
płucne),
splotów pęcherzyków płucnych (gron pęcherzyków płucnych).
Schemat budowy płuc człowieka
1. tchawica 2. odgałęzienie tętnicy płucnej 3. drobna żyłka płucna 4. przewód pęcherzykowy 5.
pęcherzyki płucne 6. wcięcie sercowe (wpustowe) 7. oskrzeliki 8. oskrzela III-rzędowe 9. oskrzela
II-rzędowe 10. oskrzele główne 11. krtań
Pęcherzyk płucny można opisać jako małą banieczkę
(około 150-350 µm średnicy), w której następuje
wymiana gazowa pomiędzy otoczeniem a krwią.
Całkowita powierzchnia pęcherzyków płucnych płuc
człowieka wynosi około 35 m2 przy wydechu i około
100 m2 przy głębokim wdechu.
W obszarze pęcherzyków płucnych na uwagę
zasługują trzy kategorie obecnych tam komórek:
komórki nabłonka oddechowego wyściełające
wielowarstwowy pęcherzyk płucny,
komórki produkujące surfaktanty,
swobodnie poruszające się makrofagi fagocytowe.
Włosowate (kapilarne) naczynia krwionośne są w
bezpośrednim
kontakcie
z
komórkami
wyścielającymi pęcherzyki płucne, tak więc zarówno
gazy, jak i substancje rozpuszczone mogą łatwo
pomiędzy nimi dyfundować.
Struktura systemu oddechowego ssaków: a - tchawica, b - oskrzela, c – pęcherzyk płucny, d –
rozmieszczenie naczyń krwionośnych wokół pęcherzyka, e – komórki i przestrzenie powietrzne w
pęcherzyku, f – położenie komórek pęcherzyka płucnego i naczynia włosowatego
4
2013-01-06
Wdychane ksenobiotyki mogą wykazywać swoje szkodliwe działanie poprzez:
niszczenie tkanki układu oddechowego,
przez wniknięcie do układu krwionośnego i spowodowanie zatrucia całego
organizmu.
Gazy łatwo rozpuszczalne w wodzie są w pewnym stopniu usuwane w regionie
nosowo-gardłowym, tchawicy i oskrzelach. Usunięcie ich chroni dalsze odcinki układu
oddechowego, jednak nie zapobiega przeniknięciu tych gazów do krwi. Gazy trudno
rozpuszczalne w wodzie, chociaż nieco rozcieńczone przez parę wodną w regionie
nosowo-gardłowym, docierają do pęcherzyków płucnych.
Ilość toksyny dostarczonej do płuc w postaci gazowej zależy od stężenia trucizny w
powietrzu oraz od minutowej objętości oddychania.
Ważną rolę odgrywa częstość oddechu i szybkość przepływu krwi. Szybszy oddech
powoduje szybsze wchłanianie związków lotnych i gazów do organizmu. Efekt ten
wykorzystywano do wykrywania niebezpiecznych gazów w kopalniach przez obserwację
zachowania kanarków (wcześniej traciły przytomność niż górnicy).
Minutowa objętość oddychania jest iloczynem objętości wdechu (normalna objętość
oddychania), około 500 ml, i liczby oddechów na minutę (około 15).
Retencja, czyli ilość (w procentach) zatrzymanego w drogach oddechowych
ksenobiotyku, jest różna dla różnych związków i waha się w granicach od ok. 30 do
ponad 90%. Retencja może ulegać zmianom w czasie wchłaniania aż do chwili ustalenia
się równowagi między stężeniem związków w powietrzu i we krwi.
Na szybkość wchłaniania gazów i par w drogach oddechowych wpływa wiele
czynników, z których najważniejsze to:
stężenie ksenobiotyków w powietrzu,
wentylacja płuc,
współczynnik podziału powietrze/woda (krew),
rozpuszczalność w wodzie,
szybkość biotransformacji i wydalania z ustroju.
R=
Przebieg retencji w czasie inhalacji par ksenobiotyku
Trucizny mogą także docierać do pęcherzyków płucnych jako aerozole (ciecz-gaz). Jeśli
są one rozpuszczalne w lipidach, przenikają łatwo przez błony pęcherzyków płucnych
na drodze dyfuzji pasywnej.
Toksyczność pyłów zależy od rozmiarów cząstek:
cząstki większe niż 10 µm osadzają się w jamie nosowo-gardłowej i są usuwane przez
kichanie lub przemieszczane są do jamy ustnej, gdzie mogą być albo połknięte, albo
usunięte ze śliną.
cząstki o rozmiarach 2-5 µm zostają osadzone w rejonie tchawicy i oskrzeli.
Przemieszczają się one ku górze wskutek ruchu rzęsek nabłonka wyściełającego
tchawicę i mogą być wydalone z organizmu z plwociną lub połknięte dostają się do
układu pokarmowego.
cząstki mniejsze niż 1 µm docierają do pęcherzyków płucnych i osadzają się w nich .
Stamtąd samodzielnie lub połączone z komórkami fagocytowymi mogą przemieścić się
do rejonu tchawicy i oskrzeli, skąd zostaną usunięte wskutek ruchu rzęsek nabłonka.
Alternatywnie mogą one przeniknąć przez małe (0,8-1,0 µm) przestrzenie
międzykomórkowe pomiędzy komórkami wyściełającymi pęcherzyki płucne i dotrzeć
do układu limfatycznego.
ci − ce
ci
R - retencja, ci - stężenie par w
powietrzu wdychanym, ce stężenie par w powietrzu
wydychanym
Dużą rolę w resorpcji pyłów odgrywa higroskopijność i rozpuszczalność w wodzie, gdyż
rozpuszczają się one w wydzielinie pokrywającej powierzchnię dróg oddechowych.
Pyły związków trudno rozpuszczalnych w wodzie, a nawet praktycznie
nierozpuszczalnych (np. siarczany ołowiu i krzemiany) mogą być resorbowane w
drogach oddechowych w wyniku pinocytozy.
Zanikanie nierozpuszczalnych pyłów w układzie oddechowym ma charakter
wielofazowy. Pierwsza faza jest szybka - okres połowicznego zaniku pyłów wynosi w
niej kilka godzin i wiąże się z rzęskowym transportem w kierunku górnych odcinków
dróg oddechowych. W odcinkach głębszych proces ten trwa znacznie dłużej - okres
połowicznego zaniku nierozpuszczalnych pyłów w pęcherzykach płucnych może trwać
nawet kilkaset dni.
5
2013-01-06
Cząstki powstałe przy spalaniu często przenoszą zaadsorbowane na ich powierzchni
wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, które są rakotwórcze (kancerogenne).
Te zaadsorbowane węglowodory mogą rozpuszczać się w płynach pęcherzyków
płucnych i dostać się do układu krwionośnego jako związki rozpuszczone.
Do oceny dawki wchłoniętej w drogach oddechowych, na podstawie oznaczeń
stężeń w powietrzu, stosuje się następujący wzór:
D = R.W.C.T
gdzie:
D - ilość zatrzymanego w ustroju związku w mg (dawka),
R - retencja związku w płucach wyrażona jako ułamek,
W - wentylacja płuc w m3/h,
C - stężenie związku w powietrzu w mg/m3,
T - czas trwania ekspozycji w godzinach.
Czynniki warunkujące
oddechowym
wchłanianie gazów
i
par
w
układzie
Gaz reaktywny rozpuszczalny w wodzie
Gazy i pary wchłaniane w układzie oddechowym można podzielić na 4 różne kategorie:
1)
2)
3)
4)
rozpuszczalne w wodzie i reaktywne,
rozpuszczalne w wodzie i niereaktywne,
nierozpuszczalne w wodzie i reaktywne,
nierozpuszczalne w wodzie i niereaktywne.
Gaz niereaktywny rozpuszczalny w wodzie
Gazy rozpuszczalne w wodzie szybko rozpuszczają się w warstwie śluzu pokrywającego
jamę nosową, a część cząsteczek gazu może przenikać do krwi kapilarnej.
W czasie wdechu pary dyfundują łatwo, zgodnie z gradientem stężeń z dróg
oddechowych do śluzu i krwi kapilarnej. W czasie wydechu stężenie gazu w warstwie
śluzu jest wyższe niż w drogach oddechowych, a stężenie gazu wracającego z płuc jest
bardzo małe. W tym przypadku dyfuzja gazu zachodzi w kierunku odwrotnym, czyli ze
śluzu i krwi do dróg oddechowy a gaz (lub para) są wydychane na zewnątrz ustroju.
Przykładem takich związków jest etanol i metanol. W czasie wdechu związki te zostają
w całości wypłukane z dróg oddechowych, natomiast w czasie wydechu do 30% par
alkoholi ulega desorpcji i wydaleniu (efekt ochronnego nosa). Metanol i etanol
reprezentują hydrofilne, niereaktywne pary absorbowane w wyższych partiach dróg
oddechów i przenoszone do innych narządów, gdzie działają toksycznie.
Przykładem takiego gazu jest formaldehyd, który może indukować nowotwory jamy
nosowej u szczurów eksponowanych inhalacyjnie na ten związek w wysokich
stężeniach.
Wskutek większego niż u innych gatunków przepływu powietrza przez nos szczura,
formaldehyd dostaje się do tylnej części małżowin jamy nosowej i kontaktuje się
bezpośrednio z powierzchnią dróg oddechowych, a następnie rozpuszcza się w wodzie
śluzu. Ponieważ formaldehyd i jego metabolity są reaktywne, zostają one tam
zatrzymane w postaci depozytu. Przy odpowiednio wysokim stężeniu formaldehyd
działa cytotoksycznie, reaguje z DNA tworząc addukty, co może indukować powstanie
nowotworów.
Gaz reaktywny nierozpuszczalny w wodzie
Przykładem takiego gazu jest ozon. Jest to toksyczny gaz drażniący, powstający między
innymi w wyniku reakcji chemicznej pomiędzy tlenem atmosferycznym i spalinami
samochodowymi. Ponieważ jest to gaz reaktywny, ok. 50% wdychanego ozonu zostaje
zatrzymana przez rozległą zewnętrzną powierzchnię jamy nosowej w czasie wdechu,
uszkadzając w tym miejscu tkankę. W wyższych partiach dróg oddechowych stężenie
ozonu w tkance nabłonkowej jest małe, gdyż ozon jako gaz reaktywny wiąże się ze
składnikami śluzu. Tylko niewiele cząsteczek ozonu ulega wchłonięciu do tkanki
nabłonkowej.
Gdy ozon przechodzi do dalszych partii dróg oddechowych i wiąże się z oskrzelikami,
więcej cząsteczek ozonu wchłania się do tkanki nabłonkowej, ponieważ w tym miejscu
warstwa śluzu jest bardzo cienka. Podczas dalszego przechodzenia ozonu w dół dróg
oddechowych jego stężenie gwałtownie spada, zanim ozon osiągnie pęcherzyki płucne.
6
2013-01-06
Wchłanianie drogą pokarmową
Gaz niereaktywny nierozpuszczalny w wodzie
Przykładem niereaktywnego związku lipofilowego jest benzen. Wchłanianie par
takiego związku zachodzi głównie w pęcherzykach płuc, a wydajność wchłaniania jest
funkcją stężenia par w pęcherzykach płuc i współczynnika podziału powietrze/krew.
Niektóre pary związków lipofilowych mogą ulec przemianie w płucach do toksycznych
metabolitów. Przykładem takiego związku jest butadien, który powoduje powstanie
nowotworu w płucach u myszy, ale nie u szczurów. Bezpośrednim sprawcą jest
powstający z butadienu jego metabolit - monoepoksyd. Badanie przemiany butadienu
do monoepoksydu w warunkach in vitro (skrawki płuca myszy, szczura i człowieka)
wykazały najwyższą wydajność przemiany u myszy, co było zgodne z wynikami badań in
vivo. Z badań tych wynika też, że człowiek podobnie jak szczur jest mniej wrażliwy na
kancerogenne działanie butadienu.
Śluzówka jamy ustnej jest przepuszczalna, na zasadzie dyfuzji, dla związków o
optymalnym współczynniku podziału n-oktanol/woda (np. cyjanki, nikotyna,
nitrogliceryna). Sądzi się, że wchłonięty tą drogą związek omijając krążenie
wątrobowe, a tym samym metaboliczną aktywność wątroby, może dłużej pozostać
w tkankach niezmetabolizowany, a więc w biologicznie czynnej postaci. Z uwagi na
krótki kontakt, w jamie ustnej wchłaniają się na ogół niewielkie ilości związków.
Przewód
pokarmowy
można
podzielić na trzy zasadnicze
odcinki, w których mogą zachodzić
procesy wchłaniania:
jama ustna z przełykiem,
żołądek
jelita.
W poszczególnych odcinkach
przewodu pokarmowego procesy
wchłaniania zachodzą z różną
szybkością i wydajnością.
W żołądku związki chemiczne mieszają się z pokarmem, kwasami żołądkowymi,
enzymami trawiennymi i bakteriami. Każdy z tych czynników może zmienić
toksyczność wprowadzonego związku chemicznego bądź wskutek modyfikacji
związku, bądź też przez wpływ na jego absorpcję. Wykazano, że istnieją ilościowe
różnice w toksyczności zależne od tego, czy związek chemiczny został podany z
pokarmem, czy też wprowadzony do pustego żołądka.
Ze względu na to, że pH soku żołądkowego ma wartość około 1, w żołądku
wchłaniają się, metodą dyfuzji, substancje o charakterze słabych kwasów, a więc w
niewielkim stopniu zdysocjowane, o pKa w granicach 3-10, oraz o charakterze
zasadowym, o pKa niższym od 3. Przykładem substancji stosunkowo dobrze
wchłanianych w żołądku są alkohole.
Jelita są odcinkiem przewodu pokarmowego najlepiej przystosowanym do
wchłaniania, które odbywa się w wyniku biernej dyfuzji, transportu przenośnikowego
oraz pinocytozy w układzie kosmków jelitowych. Wchłanianiu w jelitach sprzyja
olbrzymia powierzchnia czynna błony śluzowej, którą u człowieka ocenia się na 200300 m2, a także zmienność odczynu treści jelit od słabo kwaśnego w jelicie cienkim, do
słabo alkalicznego w końcowych odcinkach.
Większość ze związków chemicznych wprowadzanych przez usta wnika do krwi z jelit, które –
jako bardzo pofałdowane – mają dużą powierzchnię wchłaniania. Związki te następnie wraz z
krwią przechodzą bezpośrednio do wątroby.
7
2013-01-06
Zawarte w błonie śluzowej białka przenośnikowe specyficzne dla pierwiastków
potrzebnych ustrojowi, np. apoferrytyna przenosząca żelazo, mogą także przenosić
pierwiastki o podobnych właściwościach fizyko-chemicznych, jak: kobalt, nikiel, czy
mangan.
Także enzymy trawienne (np. hydrolazy) ułatwiają dalszy transport substancji. Cząstki
o średnicy kilku nanometrów mogą być absorbowane z układu żołądkowo-jelitowego w
procesie pinocytozy i dotrzeć do układu krążenia za pośrednictwem układu
limfatycznego.
Makrofagi w ściankach jelit mogą wchłaniać metodą fagocytozy duże cząsteczki, jak
barwniki azowe czy polistyren.
Rozpuszczalne w lipidach kwasy i zasady organiczne są absorbowane jedynie w
formie niezjonizowanej wskutek dyfuzji pasywnej. Równowaga po obu stronach
błony komórkowej ustala się jedynie pomiędzy niezjonizowanymi formami. Opisuje
ją równanie Hendersona-Hasselbacha:
-dla kwasów
pK a = pH + log
niezjonizowane
zjonizowane
pK a = pH + log
zjonizowane
niezjonizowane
- dla zasad
gdzie:
pKa- stała dysocjacji kwasowej
Ksenobiotyki wchłaniane z jelit przed dotarciem do krwiobiegu trafiają do wątroby, w
której są poddawane działaniu różnorodnych czynników biochemicznych,
zmniejszających lub zwiększających toksyczność substancji. Ponadto wiele substancji
wchłoniętych z jelit jest ponownie wprowadzanych do przewodu pokarmowego z
żółcią (krążenie wątrobowo-jelitowe).
W jelitach, podobnie jak w wątrobie, mogą zachodzić procesy biotransformacji, ale na
dużo mniejszą skalę. Dotyczy to przemian mikrosomalnych oraz pozamikrosomalnych, i
to zarówno reakcji fazy pierwszej (utlenianie, redukcja), jak i drugiej (sprzęganie).
Ponadto jelita zawierają bogatą florę bakteryjną, która może brać udział w reakcjach
przemian ksenobiotyków.
Część doustnie przyjętego związku chemicznego, jaka dociera do układu krążenia
organizmu, określa równanie:
BA =
AUC p .o.
AUCi.v.
Mechanizmy ograniczające wchłanianie w jelitach:
wydalanie do światła jelit substancji odpadowych,
bardzo szybkie obumieranie i złuszczanie błony śluzowej jelit (czas życia komórek
wynosi 2-3 dni),
wysycenie białek przenośnikowych, co ogranicza szybkość transportu przez błony, a
w przypadku wchłaniania metali - możliwość biosyntezy białek indukcyjnych wiążących
je w trwałe kompleksy trudno przenikające przez błony komórkowe.
Zaabsorbowane związki chemiczne są wprowadzane bezpośrednio do wątroby poprzez
żyłę wrotną. Mogą także wniknąć do układu krwionośnego przy udziale układu
limfatycznego, omijając wątrobę.
Dystrybucja i wiązanie tkankowe ksenobiotyków
Dystrybucja obejmuje zarówno rozmieszczenie substancji obcych między
poszczególnymi tkankami i narządami, jak i przenikanie przez bariery
wewnątrzustrojowe, nieswoiste wiązanie z białkami osocza i narządów oraz wybiórcze
odkładanie się w tkankach (kumulacja).
gdzie:
BA
oznacza
biodostępność
(bioprzyswajalność; ang. bioavailability),
a AUC - powierzchnię pod wykresem
zależności stężenia ksenobiotyku w
osoczu od czasu dla przedziału czasu od
zera do nieskończoności
Stężenie kokainy w osoczu krwi po podaniu dożylnym (A), doustnym (B),
przez układ oddechowy (C).
Losy ksenobiotyków w organizmie: X – ksenobiotyk, M - metabolit,
R – receptor, B – białko osocza, B' – białko narządów.
8
2013-01-06
Ogólnie biorąc w metabolizmie ksenobiotyków biorą udział:
– procesy transportu (wchłanianie, dystrybucja, wydalanie), w których substancje
przechodzą przez błony biologiczne,
– procesy biotransformacji, w których w przemianach enzymatycznych lub
nieenzymatycznych ksenobiotyki ulegają przekształceniu do jednego
lub kilku metabolitów.
Istotną rolę w transporcie substancji obcych w organizmie odgrywa układ krwionośny,
za pomocą którego trucizny są przenoszone z miejsca wchłaniania, rozprowadzone do
poszczególnych tkanek i narządów, a w końcu usunięte z organizmu w procesie
wydalania. Stężenie substancji obcych w poszczególnych tkankach w dużym stopniu
zależy od przepływu krwi.
Ksenobiotyki mogą być wiązane we krwi przez krwinki lub przez białka osocza. Wraz z
krwią są one przenoszone do wszystkich tkanek i narządów, przy czym szybkość ich
zaniku we krwi zależy w dużej mierze od stopnia związania. Substancje słabiej
związane, dobrze rozpuszczalne w wodzie, są szybko rozprowadzane do tkanek.
Substancja, jeżeli jest dobrze rozpuszczalna w wodzie i stosunkowo źle w tłuszczach
(np. niższe alkohole), będzie się rozmieszczała w tkankach proporcjonalnie do
zawartości wody całkowitej, dlatego wprowadzając ją do krwiobiegu w znanej dawce,
można z góry przewidzieć jej początkowe stężenie we krwi i w tkankach. Często stosuje
się pojęcie tzw. pozornej objętości dystrybucji (Vd), która jest ilorazem dawki podanej
(D) i początkowego stężenia we krwi (C):
Vd =
Związki chemiczne wchodzą i wychodzą z układu krążenia poprzez rozgałęzienia
włosowatych naczyń krwionośnych. Ścianki naczyń włosowatych składają się z
pojedynczej warstwy płaskich komórek nabłonkowych z porami o średnicy do 0,003
µm pomiędzy nimi. Cząsteczki rozpuszczalnych w wodzie związków o masie
cząsteczkowej dochodzącej do 60000 Da wnikają do krwiobiegu poprzez te pory.
Szybkość dyfuzji maleje gwałtownie wraz ze wzrostem rozmiarów cząsteczki.
Dwie przeciwne
sobie siły określają kierunek przepływu wody i substancji
rozpuszczonych pomiędzy cytoplazmą i płynem międzykomórkowym: ciśnienie
hydrostatyczne i ciśnienie osmotyczne. Różnica pomiędzy tymi potencjałami
występującymi po dwóch stronach błony naczynia włosowatego określa, czy
substancje rozpuszczone wnikają do naczyń włosowatych, czy też opuszczają je.
Substancja zawarta we krwi może się odkładać w tkance tłuszczowej i proces ten jest
odwracalny. Znając objętości interesujących nas obszarów (wodnego i tłuszczowego)
oraz współczynnik podziału n-oktanol/woda, można oszacować ich udział w
rozmieszczeniu substancji.
Mała szybkość zaniku substancji lipofilowych z tkanki powoduje, że pozostają one w tej
tkance przez długi czas, zwłaszcza jeśli wysokiemu współczynnikowi podziału
tłuszcz/osocze towarzyszy niewielka szybkość biotransformacji (np. DDT, chlordan).
D
C
Magazynowanie związków chemicznych
w organizmie
Sukcesywnie podawany związek chemiczny będzie magazynowany w organizmie, jeśli
procesy jego eliminacji lub biotransformacji będą wolniejsze niż szybkość podawania
(akumulacja alkoholu we krwi po dłuższym okresie jego spożywania).
Niektóre związki chemiczne są magazynowane w specyficznych tkankach. Takie
magazynowanie efektywnie usuwa trucizny z układu krążenia i w ten sposób formalnie
zmniejsza ich toksyczne działanie.
Wielokrotne dawki toksyny wprowadzone do organizmu mogą się systematycznie
odkładać w tkance bez widocznych objawów zatrucia, aż do momentu wysycenia
receptorów tkankowych. Po podaniu następnej, niewielkiej dawki pojawią się
gwałtownie objawy zatrucia. W niektórych przypadkach zmagazynowane już związki
chemiczne mogą zostać wyparte przez inne związki wykazujące większe
powinowactwo do tych samych receptorów.
Biotransformacja ksenobiotyków
Organizm dysponuje komórkowymi systemami enzymatycznymi zdolnymi do
biotransformacji lipofilowych związków chemicznych w polarne metabolity, łatwiej
rozpuszczalne w wodzie. Takie reakcje zachodzą w komórkach wielu tkanek i
narządów, między innymi w płucach, jelicie, nerkach, ale przede wszystkim w
wątrobie.
Większość wątrobowych enzymów uczestniczących w procesie biotransformacji
ksenobiotyków jest enzymami wewnątrzkomórkowymi. Ponadto wątroba dysponuje
humoralnymi systemami enzymatycznymi, syntetyzując i wydzielając do krwi
krążącej enzymy metabolizujące ksenobiotyki w osoczu, np. esterazy.
9
2013-01-06
Wydalanie substancji z ustroju
Szczególną rolę w procesie biotransformacji ksenobiotyków przez wątrobę odgrywają
enzymy związane z błonami siateczki śródplazmatycznej gładkiej hepatocytów. W tych
reakcjach wyróżnia się dwie fazy:
w fazie I do struktury chemicznej lipofilowych ksenobiotyków zostają wprowadzone
grupy polarne lub odłączone grupy alkilowe. Odbywa się to w wyniku różnorodnych
reakcji chemicznych, wśród których istotny udział mają procesy hydroksylacji,
utleniania, redukcji lub hydrolizy.
Substancje obce mogą być wydalane z ustroju różnymi drogami. Z punktu widzenia
toksykologii najważniejszymi są drogi oddechowe (z powietrzem wydychanym),
układ moczowy (z moczem) i przewód pokarmowy (z kałem).
Niewielkie ilości wydalone z potem lub śliną nie mają większego znaczenia,
wydalanie z mlekiem matki może być istotne z uwagi na wchłanianie trucizny przez
niemowlęta.
w fazie II powstały metabolit lub ksenobiotyk, mający już ugrupowanie polarne,
sprzęga się ze związkami bardzo dobrze rozpuszczalnymi w wodzie, np. kwasem
glukuronowym, kwasem siarkowym czy glutationem.
Wydalanie z powietrzem wydychanym
Wydalanie z moczem
Ten sposób wydalania ma istotne znaczenie w przypadku substancji lotnych.
Przyjmuje się, że wydalanie z powietrzem wydychanym jest zależne od
współczynnika podziału substancji w układzie powietrze/osocze, który dla
uproszczenia zastępowany jest układem powietrze/woda.
Substancje obce wydalane są z moczem głównie w postaci metabolitów, a tylko
nieliczne (np. kwas ftalowy) w niezmienionej postaci.
Proces wydalania jest bardzo złożony i składa się z trzech procesów cząstkowych:
sączenia kłębuszkowego,
biernej dyfuzji kanalikowej,
czynnego transportu kanalikowego.
W praktyce ilości wydalane tą drogą są zwykle małe dla substancji mającej
współczynnik podziału rzędu 10-4-10-3. Substancje o wyższym współczynniku
podziału (np. nitrobenzen 2,7.10-3) wydalane są w znaczących ilościach.
Współczynnik podziału z zakresu 0,1-1 powoduje, że szybkość wydalania tą drogą
jest duża.
Szybkość wydalania substancji obcych przez płuca na ogół nie rośnie liniowo ze
wzrostem współczynnika podziału z uwagi na zachodzące procesy biotransformacji.
Mechanizmy wydalania nerkowego, a szczególnie aktywnego transportu są słabo
rozwinięte u noworodków i niemowląt, co z równoczesnym niedorozwojem
mechanizmów biotransformacji, zwłaszcza sprzęgania, jest przyczyną ich dużej
wrażliwości na zatrucia zarówno lekami, jak i substancjami występującymi w
środowisku.
W biernym transporcie kanalikowym istotną rolę odgrywa rozpuszczalność danego
związku w tłuszczach, sprzyjająca resorpcji zwrotnej, a także postać chemiczna, w
jaką przeprowadzony jest związek w procesie II fazy metabolizmu. W efekcie
wydajność wydalania z moczem substancji o charakterze kwasów sulfonowych,
aminoarylowych, hipurowych czy glukuronidów jest duża, co w połączeniu z ich
małą aktywnością biologiczną przyspiesza procesy detoksykacyjne organizmu.
W celu określenia szybkości usuwania substancji z krwi przez nerki stosuje się
pojęcie klirensu, rozumiane jako wypadkowa szybkość wszystkich procesów
wydalania i resorpcji zwrotnej zachodzących w nerkach; określa się ją objętością
krwi „oczyszczonej" z danej substancji, wyrażoną w mililitrach na minutę.
Procesy te zachodzą w trzech różnych
odcinkach
nefronu.
Sączenie
kłębuszkowe odbywa się w torebkach
kłębuszka nerkowego, transport
czynny - w bliższych odcinkach
kanalików, dyfuzja bierna - w dalszych
odcinkach kanalików.
Wydalanie z kałem
Związki toksyczne zawarte we krwi wnikają do wątroby, gdzie są absorbowane z
zatokowych naczyń włosowatych do komórek miąższu wątroby. Po metabolizacji
przechodzą do żółci lub też powracają do krwi i są wydalane przez nerki. Z żółcią do
światła przewodu pokarmowego wydalane są związki polarne (sole żółciowe,
glukuronidy, bilirubina) oraz związane substancje toksyczne występujące we krwi
jako kompleksy o masie cząsteczkowej większej od 300. Wydalanie z żółcią
związków organicznych zwiększa się wraz ze wzrostem ich masy cząsteczkowej oraz
zawartością grup hydrofilowych i lipidowych.
Substancje wydalane z żółcią do dwunastnicy mogą ulegać resorpcji zwrotnej w
jelitach na tej samej zasadzie, na jakiej wchłaniają się inne substancje.
10
Download
Random flashcards
bvbzbx

2 Cards oauth2_google_e1804830-50f6-410f-8885-745c7a100970

66+6+6+

2 Cards basiek49

Pomiary elektr

2 Cards m.duchnowski

słowka

2 Cards kksenia.kot1997

Create flashcards