Az idegrendszerre ható toxikus fémionok I.

HIGANYHIGANY

Hg0; szervetlen Hg (Hg22+, Hg2+), szerves Hg (MeHg)

Behatás: ipar, mezőgazdaság (szerves vegyületek); elektromos ipar,

arany extrakció, fogászat (elemi Hg)

Hg0: illékony – neurotoxikus

Hg0, HgX, MeHg: oldódik apoláros oldószerekben

Szervetlen Hg: vesében tárolódik

Szerves Hg: könnyen eljut az agyba

Toxicitási sorrend: Hg0 < Hg2+ < RHg+

Minamata öböl (1948-60) higanytartalmú

katalizátor szennyezte az öböl vizét →

súlyos mérgezések → alapos vizsgálat

Az idegrendszerre ható toxikus fémionok II.

A Hg neurotoxicitásának molekuláris mechanizmusa:

Toxicitás oka:

kovalensen köt fehérjék Cys-tiolát csoportján, ill. nukleotidok bázis-N

donoratomjan

(1) A Hg kölcsönhatása a neuron membránnal és beavatkozása a Ca2+

homeosztázisba

(2) Fehérje szintézis gátlása: a sejtek energia ellátó rendszerének

megzavarása

(3) Szabad gyök generálási (pl. ROS) mechanizmusok

(4) Foszforilációs/defoszforilációs reakciók módosítása

Enzimatikus Hg méregtelenítés:

szerves Hg liáz: RHgX + H+ + X– → RH + HgX2

higany reduktáz: Hg(SR)2 + NADPH + H+ → Hg0 + NADP+ + 2 RSH

ALUMÍNIUMALUMÍNIUM

Behatás: savas esők által megnövekedett Al terhelés az egyébként rosszul oldódó

kőzetekből, természetes vizek, ivóvíz

Idegrendszeri elváltozások: dialízis demencia, Alzheimer-kór (AD)

Kölcsönhatás az idegsejtek sejten belüli (kórosan) túlfoszforilált neurofibrilláris

fonadék fehérjéivel, ill. a sejten kívüli térben képződő amiloid fehérjéivel, ami a

neuronok kóros hidrolitikus pusztulásával (annak fokozódásával) jár. → Kockázati

tényező az AD-ben.

Az idegrendszerre ható toxikus fémionok III.

ÓLOMÓLOM

Behatás: festékek, akkumulátoripar, ólomkristály, porcelánmáz, üzemanyag

adalék (volt), nyomdászat (volt), bányászat (volt)

Szerves Pb vegyületek: áthatolnak a vér-agy gáton → károsítják az idegrendszert

(paralízis, koordinációs-zavar, görcsök)

Szervetlen Pb2+: Ca2+csatorna inhibiálása, Ca-ATPáz inhibiálása; intracelluláris

Ca2+ egyensúly megbontás, biofehérjék funkciójának (pl. kalmodulin, kinázok,

glutamin szintáz) gátlása; neurotransmitter felszabadulás blokkolása

Az Al3+ koncentráció a nyers és a kezelt vizekben

ALUMÍNIUMALUMÍNIUM

Az Al3+ felszívódásában szerepe lehet: [Al-citrát][Al-citrát]00

Képződési pH-tartomány: pH = 2 – 5

Endogén képződhet

Felszívódás: gyomor-bél traktus

Feltételezett kötésmód:

[Al(maltoláto)[Al(maltoláto)33]]00

Képződési pH-tartomány: pH = 6 – 8

Exogén képződhet

Maltol: sütőipari adalék

Feltételezett kötésmód:

COO-

O-HOOC

COO-

Al3+

O

O

O-

O

O

O-

OO

O-Al3+

Az Al3+ transzportja

PLAZMAPLAZMA VÉRSEJTVÉRSEJT

0,1 mM citrát (CI) 2-4 mM 2,3-difoszfo-glicerát (DPG)

0,03 mM transferrin (TF)

Látszólagos stabilitási állandók fiziológiai pH-n:

Fe(III)–TF: 22,7 & 22.1Al(III)–TF: 12,9 & 12.3 Al(III)–DPG: 12,5Al(III)–CI: 12,4

COO-

OHHOOC

COO-

citrát:

-OOC

OPO32-

OPO32-

DPG: TF:

2 His-N3 Tyr-O1 karbonát

NUKLEINSAV NUKLEOTID-FOSZFÁT

Foszfát bázicitáspK < 1 pK ~6

Látszólagos stabilitási állandók fiziológiai pH-n

lgK(Al) < 5,6 lgK(Al) ~10,8

N

NN

N

NH2

O

HO

HH

HH

PO

O-

HON

NN

N

NH2

O

HO

HH

HH

PO

O-

O

O-

N

N N

N

NH2

O

H OH

H H

H H

O P

O

O-

O P

O

O-

O P

O

O-

O-

Az Al3+ toxicitásának valószínű okai

Ca(II)Ca(II) Al(III)Al(III) Mg(II)Mg(II)

1,12 A 0,54 A 0,72 A

köbös oktaéderes oktaéderes

tetraéderes

a kötési hely

jelentős kismértékű

átrendeződésére van szükség

o o o

L(Ca3(PO4)2)) << L(AlPO4)

csont rendellenesség

K(Al-ATP) >> K(Mg-ATP)

Mg-aktivált enzimek blokkolása

107

ÓNÓN

Behatás:

szerves Sn-vegyületek, műanyagipar, mezőgazdaság (rovar- és gombaölőszerek)

A vegyületek polaritása alapvető a felszívódásukban és felhalmozódásukban

(→ toxicitásukban): a tri- és diszubsztituált származékok a legtoxikusabbak

TET > TMT > DMT > DBT > TBT

A mono- és tetraorganoón származékok sokkal kevésbé toxikusak (túl polárisak,

ill. nem polárisak), de egymásba átalakulhatnak (bialkileződés, dezalkileződés).

Metal ion chelators in the Therapy for Alzheimer’s Disease (AD)

Neurodegenerative disorders ― misfolded proteins

• (A) Alzheimer’s disease: arrowhead, intracellular neurofibrillary tangles; arrow, extracellular amyloid plaque.

• (C) PrPSc amyloid deposition in prion disease. • (D) Multiple Lewy bodies in a nigral neuron in Parkinson’s disease. • (E) Neuronal intranuclear inclusions of mutant ataxin-3 in Huntington

disease.

Kozlowski et al., Chem. Rev. 2006, 106, 1995-2044

Amyloid cascade hypothesis

Faller et al., Dalton Trans. 2009, 1080-1094

Mechanism of fibril formation

The first step (upper box) is the formation of an amyloidogenic intermediate via the partial unfolding of the native state (1) or via partial folding of otherwise naturally unfolded species (2). The second step is the self-association of the amyloidogenic intermediates, which eventually leads to the formation of amyloid fibrils (lower box). The amyloidogenic intermediates have a high tendency to aggregate and become stabilized by the formation of intermolecular β-sheets. Small oligomers are formed initially that act as nuclei to direct the further growth of aggregates (Here the nucleus is for simplicity shown as a dimer). This growth leads to the formation of higher order oligomers referred to as prefibrillar aggregates (PA). These aggregates convert into protofilaments (P) directly or indirectly, and finally into mature fibrils (F). Such fibrils usually consist of two to six protofilaments that are often twisted around each other to form a ropelike structure.

Kozlowski et al.,Chem. Rev. 2006, 1985-2044

Metal binding of A peptides

Faller et al., Dalton Trans. 2009, 1080-1094

Model for the metallobiology of β-amyloid in Alzheimer’s Disease

Bush, Trends in Neurosciences, 2003, 207-214

Chelation as a potential therapeutic way in AD

Stability of metal chelator complexes is limited from both sides

• Stability should be strong enough to compete with the metal binding

affinity of the Aβ;

Kd Cu(Aβ) ~ 10 pM -100 nM; Zn(Aβ) ~ 100 nM

• Stability should not be high enough to withdraw metal ions from

essential metalloproteins.

Kd should be 1-10 pM for Cu(II) and 10 nM for Zn(II)

Metal ion chelators for AD therapy

Orvig et al., Dalton Trans., 2009, 3034–3043

Our chelator molecules for therapy in the Alzheimer’s Disease

• The ligands studied: derivates of TPEN (used to monitor cell Zn(II) level); too stable → toxic

• ENDIP: ½ of TPEN• DMAP: ¼ of TPEN

NN

CH3

H

N-methyl-1-(piridine-2-yl) methaneamine

DMAP

NN

C

H

N-methyl-1- -2-yl) methaneamine

DMAP

N NN N

N

N

TPEN

N NN N

N

N

N

N N

N

H H

ENDIP

N

N N

N

H H

N1,N2-bis(pyridine-2-yl-methyl)ethane-1,2-diamine

N,N,N’,N’-tetrakis(2-pyridylmethyl)

ethylenediamine

Spectrofluorimetric measurements

Fluorescence measurements were carried out to detect the

effectiveness of the chelators to reduce the metal ion induced

aggregation of amyloids.

Solutions contained 50 μM Aβ(1-40) at 1:1 metal to ligand ratio

and different concentrations of the chelators (EM = 280 nm, EM

= 312 nm)

Cu(II)

0

200

400

600

800

1000

Amyloid +Cu +1/2 eqv.chelator

+1 eqv.chelator

+2 eqv.chelator

Flu

ore

scencein

tensity(

a. u.) ENDIP DMAP

0

200

400

600

800

1000

Amyloid +Cu +1/2 eqv.chelator

+1 eqv.chelator

+2 eqv.chelator

Flu

ore

scencein

tensity(

a. u.) ENDIP DMAP

In the presence of Cu(II) the intrinsic fluorescence intensity of Aβ is

reduced by ~ 50 %. DMAP had no effect on the fluorescence quenching

caused by Cu(II). When 1 eq. of ENDIP was added, ~ 90 % of the initial Aβ

fluorescence was regained indicating that ENDIP was able to displace Aβ

from the coordination sphere of Cu(II).

Zn(II)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Amyloid +Zn +1 eqv. chelator

+10 eqv. chelator

Flu

ore

scen

cei

nte

nsit

y(a. u

.)

ENDIP DMAP

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Amyloid +Zn +1 eqv. chelator

+10 eqv. chelator

Flu

ore

scen

cei

nte

nsit

y(a. u

.)

ENDIP DMAP

The amount of the soluble Aβ was considerably lower in the presence of

Zn(II). ENDIP significantly lowered the Zn(II)-induced aggregation through

chelation of the metal ion. At a 10 fold excess of ENDIP, the same

fluorescence intensity was measured than in the case of Aβ alone. DMAP

had practically no effect on the aggregation.

Predominant at metal ion excess Kd = 10.5 pM [Cu(II)]

(Namino, Namide, Nim) binding mode Kd = 2.2 μM [Zn(II)]

[ML] complex is favoured in equimolar solution

(Namino, Namide, 2 Nim) binding mode, macrochelate formation

H2O OH2

OH2

OH2

MNH2

N

N

NH

HCCH2

CH2CO

H2O

H2OM

H2N

N

N

NH

CHCH2

CH2 CO

C

O

NH CH (CH2)4 C

O

HN

MANGÁNMANGÁN

Behatás: acélipar (Mn, mint ötvöző), szárazelem gyártás (MnO2/NH4Cl/Zn),

bányászat, kohászat, üzemanyag adalék (ciklopentadienil-Mn-(CO)3)

• Parkinson-kórhoz hasonló tünetegyüttes• Csökkent dopaminszint a Mn érc bányászoknál

Közös alap: a Mn2+ beavatkozik a biogén aminok oxidatív lebomlásába

A Mn mint változó oxidációs állapotú fémion alkalmas erre; fokozza a szabad

gyökök képződését, ami a lipid peroxidációt gyorsítja és citotoxicitást

eredményez.

Nem ilyen egyszerű a kép, mert az Pb2+ és Mn2+ fokozott neurotoxicitást

mutat.

A légzési rendszeren keresztül ható fém mérgezések

A belélegzett anyagok: fémgőzök; fémoxid, fémsó részecskék

Meghatározó tényezők: koncentráció, levegőáram, részecskeméret, a

lerakódás regionális eloszlása, felületi borítottság, légzési problémák

• orr-garat szakasz: ≥ 5 m részecskék lerakódása kiülepedés révén

• légcső-hörgői szakasz: 1-5 m részecskék lerakódása kiülepedés révén

• tüdőtér: <0,5 m részecskék lerakódása diffúzió révén

A tüdő védekező mechanizmusa

Légcső-hörgői ürítés: a hörgők falát borító nyálka felfelé áramló

mozgásával magával ragadja a lerakódott részecskéket és a részecskékkel

telített makrofágokat, melyek a nyelőcsőn át a gyomor-bél traktuson

keresztül távoznak. Két fázisban játszódik le: (1) 12-24 óra alatt (2) ~10 nap

Ürítés a tüdőből:

• a tüdő falósejtek fagocitálják a részecskéket és a nyálkaáram a légcsőn

keresztül üríti

• a részecskék a sejtközi térben fagocitálódnak és a nyirokrendszeren

keresztül ürülnek

• a részecskék felületi oldódás révén a vér- vagy a nyirokáramban ürülnek

A tüdő károsodása

Ismétlődő, folyamatos behatás a tüdő károsodását idézheti elő.

• Obstruktív (szűkítő) tüdőbetegségek: csökkent levegő kifújási sebesség,

gáz visszamaradás a hörgőkben, hörgőtágulás (Pt, Cr, Co sók, asztma)

• Restriktív (korlátozó) tüdőbetegségek: a tüdőtérfogat csökken, teljes

kapacitás csökkenése, tüdőszövet keményedik, a szövetek károsodnak

(azbesztózis, szilikózis, stb.)

Fém Veszélyeztetett foglalkozási körök

Alumínium Al iparban dolgozók („potroom” asztma)

Króm Cr galvanizálóban dolgozók, rozsdamentes acél-hegesztők

Nikkel-szulfát Ni galvanizálóban dolgozók, hegesztők

Nikkel-karbonil Ni galvanizálóban dolgozók, hegesztők, vegyészek

Kálium-kromát/dikromát Cr munkások, cement munkások

Platina sók Pt finomító munkás

Klórplatina savak Pt finomító munkás, vegyészek

Vanádium Kazántisztítók, turbinatisztítók

Az érrendszerre és a vérképző rendszerre ható

mérgezések

Behatás:

• Endogén: az erek meszesedése

• Exogén: As3+, Pb2+, Cd2+, magas vérnyomás

Oldhatatlan kalcium-sók kiválása az idővel oxidáció révén ionosabbá váló érfal

kalcifikációs helyein.

AsAs33+ hatása: az érfal permeabilitására hat. Glutation védőhatást fejt ki.

PbPb22+ hatása: aktiválja az érfal összehúzódását végző simaizmok működésében

résztvevő protein kináz-C enzim foszforilációját.

CdCd22+ hatása: nem világos; zavar a Cd indukálta szerv specifikus metallotionein

szintézisben, ami a méregtelenítést végezné

Az érrendszerre és a vérképző rendszerre ható

mérgezések• A fémek károsító hatásukat a csontvelőre vagy a vér alkotóelemire,

elsősorban a vértestekre fejtik ki.

• Csontvelő: a vérképzés csökken vagy leáll → anémia,vérszegénység

• Vértestek: vérsejtképződés inhibíciója, hemoglobin tartalom csökkenés

(gyengülő O2 megkötés → hipoxia)

Az érrendszerre és a

vérképző rendszerre

ható mérgezések

Cd:Cd: akut és krónikus toxicitás → nekrózis

karcinogén

• A toxicitás mechanizmusa: kölcsönhatás létfontosság biomolekulákkal

RS– > RPO– > RCl– > RCOO–

Védekezés: Cd indukálta metallotionein szintézis és megkötés (glutation)

• Biomolekulák: cytP450, transzmembrán Ca2+ transzport, oxidatív foszforiláció,

kalmodulin-Ca, kinázok, Ca2+/Mg2+-ATPáz

• Antagonizmus létfontosságú fémionokkal:

Mg2+, Ca2+, (Zn2+): DNS

Zn2+, Cu2+: alkohol-dehidrogenáz, karboxi-peptidáz, szénsav-anhidráz, SOD, cytP450

A májat és vesét károsító mérgezések

MÁJ, VESE:MÁJ, VESE: A szervezet fő kiválasztó szervei. Sok toxikus anyag, köztük fémek

bioátalakulásának és kiválasztásának helyei.

As:As: akut és krónikus toxicitás (szervetlen As) → gyomorfájás, véres vizelet,

sárgaság

karcinogén

arzenit toxikusabb, mint az arzenát

• A toxicitás mechanizmusa:

kölcsönhatás RS–-csoporttal

foszfát helyettesítés enzimkatalizált reakciókban

glükóz metabolizmus megzavarása

• Antagonizmus szelénnel

• A glutation befolyásolja a szervetlen As kiválasztást.

A májat és vesét károsító mérgezések

A fémek kiválasztásának fő szerve: nagy számú sejt, kiterjedt belhám sejtfelület,

nagy véráram → nagy ultraszűrő képesség.

(nem specifikus, „passzív” kiválasztás koncentráció gradiens irányába)

Hordozó-közvetített kiválasztás koncentráció gradiens ellenében – oxidatív

foszforiláció függő.

A toxicitás mechanizmusa ugyanaz, mint ami a máj károsodása esetén:

kölcsönhatás létfontosságú biomolekulákkal → csökkenő számú sejt, fajlagosan

növekvő toxikus anyag, nekrózis, növekvő sérülékenység → vesegyulladás,

fehérje a vizeletben.

Mérgező fémionok: Cd, Pb, Hg, Cr, Au, ciszplatin (a karboplatin nem), U

A vesét károsító mérgezések

Nagyon összetett rendszer – minden odakerül – szinte lehetetlen

szétválasztani a sok komponens egyedi hatását.

A gyomor nyálkahártyáját sértő fém vegyületek (korrozív tulajdonságúak):

As, Hg, Pb (Sb, Ba, B, Cu Th) → fekély kialakulása, gyomorvérzés (ólom-

kólika, festők betegség) (felszívódva más szervet károsítatnak)

A gyomor-bél rendszer rákos megbetegedése: Ni, Cr, azbeszt

A gyomor-bél rendszerre ható mérgezések

Citromsav fokozza az Al felszívódását in vivo. Al-

tartalmú savlekötőt ne citromos üdítővel vegyük be!

A teát inkább tejjel, ne citrommal igyuk.

A gyomor-bél rendszerből való felszívódás lehetősége

[Al-citrát][Al-citrát]00

COO-

O-HOOC

COO-

Al3+

O

O

O-

O

O

O-

OO

O-Al3+

[Al(maltoláto)[Al(maltoláto)33]]00

Koncentráció eloszlási görbék Koncentráció eloszlási görbék (cL = 2 mM; M:L = 1:2)

VO(IV) VO(IV) – – maltol rendszermaltol rendszer VO(IV) – pikolinsav rendszerVO(IV) – pikolinsav rendszer

O

O

OHNO

HO

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

2 3 4 5 6 7 8 9pH

mol

tört

VO

(IV

) VO2+

[VOL]+

[VOL2]

[(VOL(OH))2]

[VOL2(OH)]-

[(VO)2(OH)5]-

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

2 3 4 5 6 7 8 9pH

mol

tört

VO

(IV

)

VO2+

[VOL]+

[VOL2]

[(VOL(OH))2]

[VOL2(OH)]-

[(VO)2(OH)5]-

A bőrt érő károsodások

Sok fém és fémvegyület okoz a bőrrel érintkezve enyhébb vagy súlyosabb

elváltozásokat: bőrgyulladás, fekély, granulóma, bőrrák, allergiás reakciók.

Ni kontakt allergia: ékszerek (bizsu), karóra, fémgombok, stb.

Cr kontakt allergia: cserzett bőr

Nikkel a legfontosabb kontakt allergén; sok háztartási eszköznél,

mindennapi tárgynál (kulcs, pénzérme, fogók) ötvözőanyag vagy védőréteg

→ csökkentik a Ni felhasználását ezen eszközöknél

A bőrt érő károsodások

Fémionok toxikológiája a csontrendszerben

Csontrendszer:Csontrendszer: tárolja a toxikus fémionokat, a keringésbe bekerülő toxikus

fémionok forrása, a toxikus hatás helye

Osteoblast (csontképző) sejtek – osteoclast (csontlebontó) sejtek finoman

szabályozott egyensúlyi működése.

Fiziológiai zavaraiFiziológiai zavarai (Ca anyagcsere)

• terhesség és szoptatás: jelentősen nő a Ca2+ igény (vér, csont, majd sejt)

→ fogékonyság a toxikus fémek felvételére is

• a „csontforgalom” ösztrogén általi leszabályozása: a csontképződés és

lebontás egyensúlya átmenetileg megbomolhat a nőknél a menopausa

idején, ami csontritkuláshoz (osteoporozis) vezethet

CdCd „itai-itai” betegség a legkomplexebb és a legjellemzőbb Cd mérgezés

tünetei: osteoporozis, osteomalacia, vese-elégtelenség, a keringés

összeomlása

Toxikus fémionok beépülése a csontrendszerbe (CdCd, Pb Al)

PbPb fokozódó csontlebontás, csontritkulás, de csontrákot nem okoz

A toxicitás mechanizmusa:

• csontlebontó-szerű sejtek képződését indukálja

• csontképző sejtek képződését gátolja

• alkalikus-foszfatáz működését gátolja

• osteocalcin-hidroxiapatit kölcsönhatását gátolja

Toxikus fémionok beépülése a csontrendszerbe (Cd, PbPb Al)

A szervezet által felvett ólom a csontban akkumulálódik: félidő ~20 év.

A nőknél a csontban tárolt ólom nagyobb mértékben kerülhet a keringésbe a

terhesség, szoptatás és a menopausa után.

PbPb

Toxikus fémionok beépülése a csontrendszerbe (Cd, PbPb Al)

AlAl csontképzési zavar, csontlágyulás, csontgyulladás

A toxicitás mechanizmusa:

• lassítja a kalcifikáció folyamatát (lokalizálódik a mineralizálódási fronton):

kalcifikációs hibahelyeket idéz elő (eltérő geometria: Ca 8-köbös, Al 6-

oktaéderes)

• hat az osteoblast és osteoclast szintézisre is

Toxikus fémionok beépülése a csontrendszerbe (Cd, Pb AlAl)

Érzékenyítő tényezők:

• citrát: fokozza az Al felhalmozódását a csontban és az agyban

• fluorid: fokozza az Al lerakódását a csontban