TOXICOLOGIE

Cursul nr. 1.

Obiectul toxicologiei. Istoric. Noiunea de toxic

Toxicologia are ca obiect de studiu substanele toxice: originea, proprietile fizice, chimice i biologice, izolarea, identificarea i dozarea, mecanismele lor de aciune i msurile de combatere a aciunilor nocive. Toxicii pot avea origine natural sau sintetic. Acetia pot fi produi de plante (alcaloizi, glicozizi), de animale (ptomaine, veninuri), de mucegaiuri (micotoxine), etc. Cunoaterea proprietilor toxicilor este necesar pentru a nelege mecanismele de aciune toxic care conduc la leziuni biochimice sau la alterri histologice i pentru stabilirea metodologiei de analiz. De asemenea, izolarea, identificarea i dozarea toxicilor sunt necesare att pentru supravegherea mediului (aer, ap, alimente), ct i pentru stabilirea circuitului toxicilor n organism. Combaterea nocivitii toxicilor presupune tratarea lor, precum i elaborarea de msuri profilactice i stabilirea concentraiilor maxime admisibile. n cursul evoluiei sale n mediul su natural de via, omul a cunoscut intuitiv sau prin observaie proprietile toxice ale unor substane de origine mineral, vegetal sau animal. Aceste cunotine au fost aplicate mai trziu, dup ce omul a nceput s ucid animale, la fabricarea sgeilor otrvite (curara). Totodat, omul a utilizat antidoturi mpotriva otrvurilor de origine vegetal i animal (veninuri). Printre primele cri referitoare la antidoturi se cunosc Theriaca i Alexipharmaca, scrise de Nicandru din Colofan (sec. II . H.). Maimonide, filozof i medic evreu, a scris n sec. XII, un Tratat despre otrvuri i antidoturile lor. Din secolul al XVIII-lea dateaz primele lucrri cu scop medico-legal despre otrvuri. Astfel, se cunosc lucrri precum Asupra otrvirilor cu arsen; cercetarea i determinarea lui pentru justiie, elaborat de Hahnemann n 1786 i Proprietile otrvurilor, un capitol din primul tratat de medicin judiciar scris de Fodr (1798). Bazele toxicologiei ca tiin au fost puse de Orfila (1787-1853) prin tratatul su Toxicologia general (1814). Importante contribuii la dezvoltarea toxicologiei au adus Marsh care, n 1836, a elaborat o tehnic pentru decelarea arsenului i Orfila care a artat c toxicul trebuie cutat n diferite esuturi i organe. nainte de aceasta (1839), cercetrile se fceau numai n stomac, intestine i vomismente. Cercetrile au fost dezvoltate n secolul trecut n direcia distrugerii materiei organice, izolrii i identificrii toxicilor din produsele biologice. S-au remarcat Fresenius, Babo, Stokes, Stas, Otto, Dragendorff, Tardieu, Roussin, Ogier, etc. n secolul nostru, Kohn-Abrest, Fabre, Truhaut, Boudne, Jaulmes, Le Moan, Stepanov, vaicova, Clarke, Curry, Sunshine, Mller, Heindrycks, t. Minovici, Ioanid, Galea i alii au elaborat metode valoroase de toxicologie analitic. Tot n secolul trecut s-au descoperit i cercetat compui de importan toxicologic: Sertrner (morfina, 1805), Pelletier i Caventou (mai muli alcaloizi, 1817-1820), Selmi i Gauthier (ptomaine, 1870-1872), Ogier (glicozizi cadaverici, 1891) etc. n secolul XX s-a dezvoltat biologia molecular care i-a pus amprenta i asupra studiilor de toxicologie. n ara noastr, primul toxicolog este considerat farmacistul i medicul C. Hepites care a avut, ncepnd cu anul 1833, un laborator de analize chimico-legale la Brila. Dup 1890 toxicologia a fost reprezentat de Mina Minovici, farmacist i medic, ntemeietorul Institutului de Medicin Legal din Bucureti. Fratele su, tefan Minovici, dei chimist, a reorganizat nvmntului farmaceutic i a ntemeiat Facultatea de Farmacie din Bucureti (1923); a elaborat, printre altele, i un manual de toxicologie (1912). Printre colaboratorii i urmaii si au fost Bacovescu, Vintilescu, Deleanu, Ionescu-Matiu. n Transilvania, medicul, chimistul i farmacistul J. Orient a publicat numeroase lucrri de toxicologie.

2

La Bucureti, N. I. Ioanid public n 1965 un manual de referin n domeniu: Toxicologie. La Cluj activeaz prof. V. Galea, autor a numeroase lucrri de toxicologie teoretic i practic. Noiunea de toxic deriv din grecescul toxikon (otrav), care, dup Dioscoride (sec. I d. H.) deriv de la toxon(arc) i se refer la sgeile otrvite. Se mai afirm c toxikon provine de la egipteanul tako (distrugere, moarte). Dup Pliniu (sec. I d.H.), termenul toxicus deriv de la taxus, o specie de conifer ale crui fructe erau folosite la nveninarea sgeilor i despre care se tie astzi c i datoresc toxicitatea alcaloidului taxin. Cuvntul otrav provine de la verbul slav otraviti (a mhni, a tulbura sntatea sufleteasc). Termenul de otrav se refer numai la toxicul folosit n scop criminal. De asemenea, exist noiunea de venin, derivat de la venenum (otrav); n accepiunea modern, prin venin se nelege curent toxina elaborat de unele specii de animale. Noiunea de toxin se refer la substanele organice produse de organismele animale sau vegetale, capabile s genereze intoxicaii. n cadrul toxicologiei intr numai micotoxinele, nu i toxinele bacteriene i helmintice. Prin toxic, Galenus (sec. II d.H.) nelegea orice lucru care poate altera organismul nostru. n sec. VIII Jabir ibn Hayyan (Geber) ar fi artat c otrvurile i manifest aciunea nu numai prin natura lor, ci i prin locul i timpul utilizrii, forma otrvii, caracteristicile individuale ale omului. Paracelsus (1493-1541) introduce noiunea de doz: Toate lucrurile sunt otrav i nimic altceva dect otrav; doar doza face un lucru s nu fie otrav. n edictul dat de Ludovic al XIV-lea n 1682, referitor la afacerea otrvurilor, se arta c: Tot ceea ce provoac o moarte rapid sau afecteaz un timp sntatea omului, indiferent dac este vorba de un corp simplu sau compus, trebuie privit ca o otrav adevrat. Dup Ogier (1853-1913), toxicul se definete ca orice substan a crei prezen n organism nu este nici normal, nici obinuit. Fabre i Truhaut consider c toxic este substana care, dup ptrunderea n organism n doz relativ ridicat (unic sau repetat la intervale scurte) sau n doze mici (repetate timp ndelungat) determin, imediat sau dup o perioad de laten, n mod trector sau persistent, alterarea uneia sau mai multor funcii ale organismului, putnd duce la moarte. Multe dintre medicamentele utilizate n prezent au un potenial toxic. Asemnarea dintre toxic i medicament a fost observat nc din antichitate. Grecii foloseau termenul de pharmakon cu sensul att de medicament, ct i de otrav. Pentru degradarea i asimilarea produilor rezultai, corpul face un efort care-l fortific aa cum se ntresc muchii ca urmare al unui efort gradat continuu. Dac solicitrile depesc posibilitile organismului, acesta, dimpotriv, slbete. Aceste substane se comport atunci ca toxici. Dac substanele chimice utilizate curent ajung n corp, acestea pot fi mai uor sau mai greu de degradat, n funcie de asemnarea lor cu substanele naturale cunoscute. De anumite substane organice, corpul nu se poate debarasa i acestea se depoziteaz, precum DDT n grsimi, afectndu-le funciile lor specifice. In corp, apar astfel structuri strine care perturb structural organismul (Bott, 1976). O concepie asemntoare ntlnim i la arabi: Tot ceea ce se absoarbe scrie Al-Biruni (973-1048) n Cartea drogurilor se mparte n alimente i otrvuri, iar ntre cele dou categorii se situeaz medicamentele ele sunt vtmtoare n comparaie cu alimentele i curative n comparaie cu otrvurile, iar aciunea lor curativ se manifest numai atunci cnd sunt utilizate de un medic priceput i scrupulos. De aceea, ntre ele i alimente exist aa-numitele alimente medicamentoase, iar ntre ele i otrvuri, aa-numitele medicamente toxice. Relaia medicament-otrav este definit succint de Gerolamo Mercuriali (1530-1606): Otrava este un medicament mortal.

Tipuri de toxice. Intoxicaii

Toxicii se clasific dup urmtoarele criterii:

Origine: toxici minerali, animali vegetali sau sintetici; Constituie chimic: toxici anorganici, organici etc.

3

Comportare analitic: toxici gazoi, volatili, minerali, organici nevolatili, acizi, baze, oxidani etc; Comportare fiziopatologic: toxici cu aciune asupra: sistemului nervos central, sistemului nervos vegetativ, aparatului respirator, sistemului cardiovascular, sngelui i organelor hematopoietice. Domeniu de utilizare i provenien: toxici industriali, medicamente, plante toxice, pesticide, detergeni, materiale plastice, aditivi alimentari, toxine (zoo- i fitotoxine), substane toxice de lupt etc.

Intoxicaia reprezint ansamblul de semne i simptome constituind o stare patologic care se instaleaz dup ptrunderea unui toxic n organism. Ca urmare se produce dereglarea, alterarea sau chiar abolirea unor funcii vitale, uneori cu sfrit letal. Hans Selye (1984) constat n cazul tuturor agresiunilor, inclusiv a intoxicaiilor, o reacie stereotip din partea organismului afectat. A numit-o sindrom general de adaptare, deoarece aceasta permite corpului s rspund activ factorilor din mediul extern. Sindromul general de adaptare cuprinde mai multe faze, i anume: o faz de alarm, o faz de adaptare i, n fine, una de epuizare, n care caz sistemele de protecie ale corpului sunt depite. n oricare din aceste etape de rspuns la agresiunea toxicului, n funcie de intensitatea acestuia, animalul sau omul pot muri. Toxicii cu aciune moderat, dar de lung durat determin o a patra faz a sindromului general de adaptare: faza canceroas. Intoxicaia este un rspuns al organismului fa de agresiunea toxic i depinde, n primul rnd, de o proprietate caracteristic a substanei toxicitatea. n raport cu originea factorilor care determin intoxicaiile, acestea se clasific n: Intoxicaii endogene, provocate de substane nocive eliberate n diferite stri patologice de ctre microorganisme, parazii, etc.; ele intereseaz patologia medical. Se mai pot aminti aici produsele de fermentaie din intestinul gros, produsele de degradare ale alimentelor i care sunt n mod normal detoxicate la nivelul ficatului. Intoxicaii exogene, provocate de toxicii ptruni n organism pe diferite ci; acestea fac obiectul toxicologiei. n cadrul intoxicaiilor exogene se disting: Intoxicaiile intenionate (voluntare): crime, sinucideri, toxicomanii; Intoxicaiile accidentale: accidentele propriu-zise, medicamentoase, profesionale, alimentare. Crimele prin otrvire (n continu scdere), utilizeaz pesticide organofosforice, digitalice, taliu, etc. Sinuciderile prin otrvire, n numr din ce n ce mai mare, se realizeaz prin medicamente (opiacee, psihotrope), apoi prin pesticide, oxid de carbon, gaze naturale, alcaloizi, sod caustic, mercur, etc. Toxicomania (gr. toxicon = otrav + mania = nebunie) este starea de intoxicaie, periodic sau cronic, determinat de consumarea repetat a unui drog, natural sau sintetic. Caracteristicile sale sunt dorina de nenvins sau necesitatea de a continua consumarea drogului i de a-l procura cu orice pre; tendina de a mri progresiv dozele, dependena de ordin psihic i, n general, dependena fizic fa de efectele drogului, cu apariia sindromului de abstinen la suprimarea lui, efecte nocive asupra individului, familiei i societii. Doparea nu este o intoxicaie propriu-zis, ci reprezint ntrebuinarea mijloacelor i substanelor naturale sau sintetice ( n special psihoanaleptice) capabile s mreasc performanele, n vederea unei competiii fizice sau intelectuale. n mod obinuit, senzaia de oboseal dup un efort prelungit oblig subiectul s-i ntrerup activitatea. Substanele dopante nltur n mod artificial senzaia de oboseal i, implicit, elimin semnalul de alarm indicnd nevoia de odihn. Oboseala este ns numai mascat, necesitnd administrarea unei noi doze de substan dopant. Doparea aduce prejudicii eticii sportive, precum i integritii fizice i psihice a sportivilor. Intoxicaiile accidentale propriu-zise se datoreaz neateniei, netiinei sau imprudenei i sunt legate de pstrarea i folosirea improprie a pesticidelor, medicamentelor, substanelor chimice de uz casnic (sod caustic, detergeni, produse petroliere etc.), de defeciuni de tiraj ale sobelor (gaze naturale, crbune), de gazele de eapament ale automobilelor (n garaje). Intoxicaiile medicamentoase au loc prin: Eroarea medicului, prin prescrierea unor cantiti de substan activ care depete dozele maxime

4

terapeutice, a medicamentelor coninnd un principiu activ comun (efect cumulativ) sau sediu comun de aciune (efect sinergic), a principiilor active care, prin asociere, conduc la efecte toxice sau la potenare exagerat etc Eroarea farmacistului, prin nedescifrarea corect a reetei, nesemnalrii erorii din reet, confuzie de substane, eliberarea unui preparat neomogen etc. Eroarea bolnavului prin supradozare, automedicaie, polipragmazie, confuzie de medicament sau de cale de administrare etc Caracteristici ale bolnavului: hipersensibilitate, deficiene n detoxicare sau eliminare. Reacii adverse ale medicamentului. Intoxicaiile profesionale au loc n industria chimic, extractiv, agricultur, ateliere meteugreti etc. Aceste intoxicaii sunt produse de compuii unor metale i nemetale, pesticide, solveni organici, cancerigeni etc. Intoxicaiile alimentare se produc prin ngerarea din ignoran, impruden, confuzie a ciupercilor otrvitoare, plantelor cianogenetice, cerealelor parazitate sau toxice, petilor otrvitori, produselor alterate, a contaminanilor ca metale toxice, pesticide, detergeni, ngrminte azotate, substane cancerigene, substane din ambalaje, aditivilor alimentari etc n funcie de timpul instalrii intoxicaiei se cunosc: - Intoxicaia acut, toxicul fiind absorbit n doz relativ mare i unic sau n doze mai mici i repetate la intervale scurte, iar manifestrile toxice apar pe neateptate, sunt violente i pot fi urmate de moarte. Dup timpul de apariie i violena manifestrilor toxice, se disting: intoxicaia supraacut, acut i subacut; - Intoxicaia cronic numit i intoxicaia pe termen lung reprezint totalitatea efectelor toxice produse prin administrarea repetat a unui toxic n aceeai doz, pe o perioad corespunztoare, de obicei, la cea mai mare parte din viaa speciilor care triesc puin sau la viaa lor ntreag sau, n cazul n care se urmresc efecte mutagene, teratogene sau cancerigene, la mai multe generaii. Leziunile biochimice i morfofuncionale apar lent, dar continuu. Intoxicaia pe termen lung prin absorbie repetat de doze mici are loc n cazul toxicilor cumulativi (metanol, digitalice, metale grele, fluor, derivai de arsen etc.) prin cumularea dozelor sau prin cumularea efectelor, n cazul substanelor cancerigene. Intoxicaia pe termen lung poate fi cauzat de o doz unic. Toxicitatea n form agravat se manifest, de pild i la cteva sptmni dup ingerarea unei doze unice de Paraquat. La fel se comport unele insecticide organofosforice cu aciune neurotrop ntrziat, nitrozaminele cancerigene etc. Intoxicaia acut reprezint totalitatea efectelor toxice produse prin administrarea unui toxic ntr-o singur doz, putnd provoca moartea a 50% din animalele dintr-un lot n decurs de 24-48 ore (sau pn la 15 zile pentru toxicii cu efect ntrziat). Intoxicaia subacut se exprim prin totalitatea efectelor toxice produse prin administrarea repetat a unui toxic n aceeai doz, pe o perioad egal cu 1/10 din durata medie de via a speciei.

Doze toxice. Doze letale. Concentraii maxime admise Doza reprezint cantitatea din substan care, introdus n organism, provoac un efect terapeutic determinat. La medicamente se disting doze terapeutice, toxice i letale. Modul de exprimare a dozei variaz: doz/kg mas corporal; doz/mas corporal global; doz/unitate de suprafa corporal; concentraie molar; unitate biologic etc. Pentru substanele care au ptruns n organism pe cale oral se face distincie ntre doza ingerat i doza absorbit. Doza toxic se refer la cantitatea de substan capabil s determine efecte toxice. Doza letal (DL) exprim toxicitatea acut a substanelor care ptrund oral sau parenteral. Se exprim n mg/kg corp i se stabilete experimental pe loturi de animale. DL este urmat de un indice de la 1 la 100 exprimnd procentul de letalitate ntr-un timp dat. DL5 (DLM) este doza letal minim, DL50 (DML), doza

5

medie letal, DL75 este doza fatal, iar DL100, doza maxim letal sau doza letal absolut. DLo , doza maxim tolerat (cnd se produc efecte toxice, dar nu letale) nu este o doz letal. n mod curent, pentru exprimarea toxicitii acute a unei substane se folosete categoria DL50 (mg/kg corp), deoarece la aceast doz diferenele de reactivitate individual sunt mai reduse. n raport cu DL50 se clasific i se compar substanele toxice (tab. 1).

Tabelul 1 Scara toxicitii (dup Hodge i Steaner)

Calea de administrare

Grupa toxici-tii

Gradul toxici-tii

DL50 cutanat iepuri, mg/kg

DL50 (doz unic) oral obolan, mg/kg

Inhalare de vapori (4 ore) mortalitate 30-60% (obolan)

ppm

Doza letal probabil la

om (g)

Substane

1 Extrem de toxic

1100

Substane alimentare

Aprecierea toxicitii acute pe baz de DL50 are dezavantajul c nu ine seama de masa molecular, deoarece trebuie s se ia n considerare numrul de molecule implicate n mecanismele fiziopatologice. S-a introdus, de aceea, noiunea de potenial de toxicitate, pT = lg [T]. Valoarea T se calculeaz dup valoarea DL50 i.p. la oareci i reprezint concentraia molar toxic a substanei, exprimat n moli/kg. Concentraia letal n atmosfer (CL) exprim toxicitatea acut a substanelor care ptrund pe cale respiratorie i are aceeai semnificaie ca i DL. Exprimarea sa se face astfel: masa/volum (g/v); volum/volum (v/v), ca procente de volum (% vol.), pri/milion (ppm), pri pe bilion (ppb; 1 ppm = 1000 ppb). Concentraiile maxime admise (CMA) sunt caracteristice fiecrei substane din mediul industrial sau comunal, pentru a evita apariia manifestrilor toxice. Ele reprezint concentraiile medii ale substanelor din aer, care, cu excepia cazurilor de hipersensibilitate, nu provoac, la nici unul din muncitorii expui n mod continuu nici un semn sau simptom de boal sau de condiie fizic rea, putnd fi pus n eviden prin cele mai sensibile teste acceptate pe scar internaional. n raport cu natura efectului toxic, substanele se mpart n mai multe grupe, mai importante fiind urmtoarele dou: - substane ale cror efecte principale se traduc prin fenomene de iritaie, sensibilizare sau intoxicaie acut, aprute imediat sau dup o faz de laten, n urma unei expuneri de scurt durat la concentraii curente (oxizi de azot, formaldehid, halogeni, mercaptani etc.). n acest caz CMA sunt denumite valori plafon, care nu trebuie depite nici chiar timp de 10-15 minute; - substane ale cror efecte principale se datoresc cumulrii lor, n urma expunerii repetate la concentraii curente (metale grele, solveni organici etc.). n acest caz, trebuie considerate drept CMA valorile medii integrate n raport cu timpul, corespunznd noiunii de praguri care nu pot fi depite. Ca urmare, aceste

6

concentraii pot fi depite n timp i spaiu, ns este obligatoriu ca, nsumate, s se compenseze i astfel s nu depeasc CMA. De pild, pentru plumb, expunerea timp de o or la concentraii de opt ori mai mari dect concentraia medie admis nu prezint risc de intoxicaie dac n celelalte apte ore de munc plumbul este absent; dimpotriv, pentru solvenii liposolubili cu aciune narcotic (dicloretan, CS2 etc.), valoarea medie admis nu poate fi dect foarte puin depit, pe o perioad extrem de scurt. Pentru amestecul de toxici exist dou modaliti de exprimare a CMA, n raport cu modul de dozare: - dac toxicii se dozeaz global, CMA se exprim n toxicul cel mai agresiv. De exemplu, la amestecul de HCl, H2SO4 i HNO3, rezultatul se exprim n mg H2SO4/m3 de aer (CMA = 1,5 mg/m3) fa de ceilali doi (CMA = 10 mg/m3). - dac toxicii se dozeaz individual, CMA se consider global depit chiar atunci cnd concentraiile individuale (C1, C2, C3) sunt mai mici dect CMA respective (CMA1, CMA2, CMA3), ns suma rapoartelor este egal sau mai mare dect unitatea:

C1/CMA1 + C2/CMA2 + ..+ Cn/CMAn 1 De exemplu, la un amestec de aceton, alcool izopropilic, cloroform i alcool amilic, CMA global este depit de 1,5 ori, dei concentraiile fiecrui toxic n parte sunt inferioare CMA respective:

300/1500 + 240/600 + 80/200 + 125/250 = 1,5 > 1 Cnd suma rapoartelor este inferioar unitii, nu exist efect aditiv. Se consider c au efect sinergic de tip aditiv substanele toxice care au ca int a agresivitii lor acelai organ sau sistem al organismului ori care au acelai mecanism de aciune. n aceste locuri de munc aprecierea riscului, respectiv a nivelului noxelor n aer n raport cu concentraiile admisibile, se va face aplicnd urmtoarea formul: C1/CMA1 + C2/CMA2 + + Cn/CMAn < 1 (C1, C2, Cn = concentraiile determinate n aer pentru fiecare nox) (CMA1, CMA2, CMAn = concentraiile maxime admise pentru noxele respective). n Romnia, normele de protecia muncii stabilesc urmtoarele: - concentraia maxim admis este concentraia noxelor din zona de munc ce nu trebuie depit n nici un moment al zilei; - concentraia medie este concentraia noxelor rezultat dintr-un numr de determinri reprezentative pentru locul de munc ales i care nu trebuie depit pe durata unui schimb de lucru; - n cazul medicamentelor se determin indicele terapeutic (IT) sau factorul relativ de securitate, prin raportarea dozei letale (DL50) la doza medie eficace (DE50) (cantitatea de substan capabil s determine efect terapeutic la 50% din subiecii folosii n experiment). Dac IT 10, utilizarea substanei n terapeutic nu prezint pericol la doze uzuale; pentru IT < 10 securitatea tratamentului este sczut.

7

Cursul nr. 2

Ramurile toxicologiei

Toxicologia chimico-legal (judiciar) are drept obiect de activitate punerea n eviden a toxicilor i metaboliilor lor n organe, lichide biologice, corpuri delicte. Are rolul de a dovedi crimele prin otrvire, stabilirea sinuciderilor i, mai recent, urmrete activitatea laboratoarelor clandestine de sintez a unor droguri. Toxicologia clinic urmrete asigurarea diagnosticului corect i a tratamentului eficient n intoxicaiile acute, ca i msurile de prim ajutor n caz de accidente, sinucideri etc. Toxicologia medicamentelor are ca sarcini verificarea preclinic a securitii noilor medicamente n condiii de supradozare ca i verificarea, prin experiment pe animal, a reaciilor adverse depistate la om, pentru medicamentele aflate deja n uz. Toxicologia metabolic (xenologia) studiaz procesele fiziologice i biochimice de transformare a xenobioticelor (substane strine organismului) nainte de apariia leziunilor. Prin stabilirea etapelor i sediilor de metabolizare, toxicologia metabolic permite prevenirea intoxicaiilor i tratamentul lor eficient, mrind astfel aportul toxicologiei la medicin. Toxicologia industrial studiaz efectul nociv al toxicilor din mediul industrial, stabilete concentraiile maxime admise i msurile de profilaxie a intoxicaiilor. Sarcina actual a toxicologiei industriale de a urmri intoxicaiile profesionale cunoscute este completat cu studiul produilor noi, cu potenial toxic, depistarea zonelor cu ncrctur toxic i stabilirea metodelor eficiente de detecie i profilaxie. Toxicologia poluanilor atmosferici are n vedere efectul nociv al acestor poluani, le stabilete limitele de toleran i msurile de combatere. Ecotoxicologia studiaz efectele nocive ale poluanilor chimici asupra ecosistemelor vegetale i animale, terestre i acvatice. Totodat, studiaz trecerea toxicilor de-a lungul lanurilor alimentare cu posibilitatea de acumulare la anumite nivele ale acestora, ceea ce prezint pericol pentru om. Adesea toxicul este absorbit de o plant sau un animal, n organismul crora se concentreaz fr a le provoca tulburri sensibile, datorit rezistenei lor specifice. Apoi toxicul trece n organismul unui animal sau al omului, iar acetia se intoxic, dac sunt sensibili la doza respectiv. Cazul cel mai cunoscut este intoxicarea n mas cu metilmercur provenit din compuii cu mercur existeni n apele uzate industriale din Japonia, Statele Unite, Suedia, Canada. Toxicologia alimentar studiaz modalitile de introducere n organism a toxicilor prin alimente i ap, precum i posibilitatea de prevenire a intoxicaiilor pe aceste ci.In afara produselor toxice per se i de contaminani toxicologia alimentar are n vedere i intoxicaiile cu aditivi alimentari i, deci, prevenirea lor printr-o corect autorizare a acestora. Toxicologia pesticidelor studiaz riscul toxic al diferitelor pesticide i msurile de profilaxie n cursul utilizrii lor n agricultur i cerceteaz reziduurile de pesticide n alimentele vegetale i animale. Toxicologia cosmeticelor i a produselor menajere studiaz efectele secundare ale componentelor cosmetice i stabilete msurile de protecie a populaiei mpotriva produselor chimice de uz casnic. Toxicologia de rzboi studiaz obinerea i aciunea substanelor toxice de lupt i a antidoturilor acestora, precum i metodologia de detectare.

8

Toxicocinetica Intoxicaia comport trei faze: faza de expunere, faza toxicocinetic i faza toxicodinamic. Dup ptrunderea toxicului n mediul intern au loc urmtoarele procese:

-Aciunea organismului asupra toxicului, corespunznd fazei toxicocinetice i care cuprinde absorbia, distribuia, depozitarea (eventual acumularea), biotransformarea, eliminarea;

-Aciunea toxicului asupra organismului, corespunznd fazei toxicodinamice i cuprinznd ansamblul fenomenelor care au loc n organism la diferite nivele, conducnd, n final, la efectul toxic (fig.1).

PTRUNDEREA I ABSORBIA TOXICILOR N CORP

Ptrunderea se poate realiza pe cale digestiv, respiratorie, transcutanat, transmucoas (ocular, vaginal etc.), transplacentar, parenteral. Absorbia reprezint trecerea toxicului din mediul extern n mediul intern (snge i limf circulant). Pentru a trece n mediul intern, toxicul trebuie s traverseze una sau mai multe membrane: mucoasele tractului gastrointestinal, mucoasele cilor respiratorii, straturile superficiale ale tegumentelor etc. Traversarea membranelor este condiionat de: natura chimic i organizarea moleculelor constitutive ale membranei; proprietile fizico-chimice ale toxicului; structura fizico-chimic a mediului de o parte i de cealalt a membranei. Traversarea membranei se realizeaz n principal prin: Transport pasiv sau difuziune simpl, constnd din trecerea toxicului, n general fr consum de energie, dintr-un compartiment cu concentraie mai mare spre un compartiment cu concentraie mai mic deci n sensul gradientului de concentraie. Viteza de difuziune este cu att mai mare cu ct toxicul are mas molecular mai mic i liposolubilitate mai mare. Difuziunea este principalul mijloc de traversare pentru medicamente i toxici gazoi i volatili anorganici cu mas molecular mic, toxici organici volatili, toxici organici acizi, alcaloizi, etc. Transportul activ, constnd din trecerea toxicului, cu consum de energie, dintr-un compartiment cu concentraia mai mic spre unul cu o concentraie mai mare. Este caracteristic ionilor minerali. Absorbia pe cale digestiv are loc preponderent n intestinul subire, datorit suprafeei mari i vascularizrii intense. n gur i esofag contactul toxicului cu mucoasele este scurt, nct absorbia este redus. Totui, toxicii foarte hidrosolubili (nicotin, KCN) se absorb rapid prin mucoasa bucal, putnd genera intoxicaii mortale. Substanele corozive i caustice nu se absorb n esofag, ns i corodeaz peretele. n stomac se absorb toxicii foarte hidrosolubili, iar cei iritani pot determina spasm piloric (cu reinerea toxicului n stomac) sau vrsturi (cu eliminarea lui). Absorbia este diminuat de prezena alimentelor n stomac. n colon, toxicul ajunge n cantiti foarte reduse, mai ales n caz de accelerare a tranzitului intestinal. Factorii care influeneaz absorbia digestiv depind de toxic (lipo- sau hidrosolubilitate, grad de disociere, stabilitate chimic n tubul digestiv, mrimea moleculelor etc.) i de organism (motilitatea intestinal, debitul evacurii gastrice, interaciuni cu alimente sau cu alte xenobiotice).

Doza toxic

Contactul cu toxicul

Absorbtie Distributie Depozitare (acumulare)Biotransformare E liminare

Actiunea toxiculuiasupra organismului la diferite nivele

Toxicul estedisponibil pentru

absorbtie

Toxicul estedisponibilpentru actiune

Efect toxic

Faza de expunere Faza toxicocinetic Faza toxicodinamic

Fig. 1. Cele trei faze ale actiunii toxicilor (dup Cotru, 1993)

9

Absorbia pe cale respiratorie este favorizat de suprafaa mare a alveolelor i de structura acestora care permite trecerea rapid n circulaie a gazelor, vaporilor i aerosolilor toxici. Absorbia transcutanat se ntlnete n cazul toxicilor liposolubili, al mercurului i taliului, al gazelor i vaporilor i chiar al unor toxici hidrosolubili cnd tegumentele nu sunt intacte. Ptrunderea transcutanat este favorizat de masaj, umiditate, temperatur crescut. Absorbia transplacentar , cu implicaii grave pentru dezvoltarea fetusului are loc n cazul unor medicamente i al toxicilor volatili, gazoi sau al metalelor grele.

Distribuia, depozitarea i acumularea Dup ptrunderea n mediul intern, toxicii sunt vehiculai de snge i limfa circulant spre lichidul interstiial i apoi spre celule. n timpul transportului, o fraciune din toxic se leag de proteinele plasmatice, n special de albumine (vehicule plasmatice), formnd compleci inactivi, iar cealalt fraciune rmne liber; numai aceasta poate traversa membranele i deci este singura activ. ntre ambele fraciuni se stabilete un echilibru dinamic. Cantitatea de toxic legat depinde de concentraia sa sanguin, de afinitatea pentru situsurile de legare i de capacitatea proteinelor plasmatice de a le fixa (aceast capacitate este limitat). n general, substanele liposolubile i slab acide sunt mai puternic legate dect cele neutre. Substanele cu capacitate mai mare de legare le deplaseaz pe cele cu capacitate redus (competiie de transport). Din lichidul interstiial, toxicii sunt distribuii, depozitai i/sau acumulai, nainte de a fi metabolizai. Exist i toxici care se metabolizeaz n tubul digestiv, snge etc. Distribuia reprezint transferul toxicilor din snge n esuturi i organe. Unii toxici (de exemplu, etanolul) se distribuie uniform n toate esuturile. Majoritatea ns se distribuie electiv n anumite esuturi, n raport cu permeabilitatea membranelor celulare i cu proprietile fizico-chimice ale toxicului. n general, toxicii liposolubili strbat uor membranele i se distribuie n esuturi (organe) lipoide i bine vascularizate (creier, mduv osoas). Toxicii liposolubili cu caracter bazic se distribuie n plmni, rinichi, suprarenale. Toxicii liposolubili cu caracter slab acid i cei excretabili prin bil se distribuie n ficat. Toxicii hidrosolubili cu caracter bazic se distribuie n ficat, rinichi, suprarenale. O fraciune din toxic ntlnete receptorii unde i exercit aciunea toxic, iar cealalt fraciune se poate depozita provizoriu sau acumula n diferite esuturi. Depozitarea (localizarea) reprezint procesul de fixare electiv a toxicului n diferite esuturi sau organe. Intensitatea i modul de depozitare depind n principal de vascularizarea esutului i de afinitatea chimic ntre toxic i constituenii acestuia. Astfel, Pb2+, Ba2+, F- se depoziteaz n esutul osos, As3+, Se2-, n fanere, Ag, n piele etc. Acumularea n esuturi se realizeaz prin ptrunderea repetat sau continu n organism de doze subtoxice de xenobiotice, de obicei rezistente la metabolizare i cu grad redus de eliminare. Aciunea toxic se produce prin acumularea toxicului (ex. pesticidele organoclorurate).

Biotransformarea (metabolizarea) toxicilor

Metabolizarea presupune conversia enzimatic a toxicilor n metabolii mai polari, mai uor excretabili i, de regul, mai puin toxici. Organismele acvatice nu posed sisteme metabolizante pentru xenobiotice, deoarece ele excret compuii liposolubili direct n ap prin toat suprafaa corporal. La organismele terestre ns, biotransformarea este indispensabil, deoarece substanele liposolubile sunt reabsorbite la nivelul tubular renal i, de aceea, fr intervenia metabolizrii, eliminarea lor ar fi de ordinul zilelor i chiar anilor (pentru eliminarea etanolului ar fi necesare 24 de zile). Organismul animal are posibilitatea de a metaboliza aproape toate structurile chimice cunoscute. Toi compuii exogeni sufer metabolizare, cu excepia compuilor puternic polari (acizii i bazele tari, minerali i

10

organici) i unii compui nepolari (eter etilic, dieldrin etc.). Metabolizarea se datorete funciunii vitale a organismelor de a se apra de compuii strini lui, ce ptrund separat sau odat cu substanele nutritive (Voicu i Olinescu, 1977) i are loc, de regul, n dou faze: n prima faz, un compus, activ sau inactiv biologic, este transformat prin reacii de oxidare, reducere sau hidroliz, ntr-un alt compus, activ sau inactiv; n faza a doua, compusul iniial mpreun cu produsul su de transformare trec, prin reacii de conjugare, ntr-un compus inactiv biologic. Astfel, benzenul trece, n prima faz, prin oxidare direct sau prin intermediul epoxidrii, n fenol, difenoli i trifenol, iar acetia sufer, n faza a doua, o conjugare, n principal cu acidul glucuronic i cu ionul sulfat. Unele produse se metabolizeaz complet n prima faz (etanolul), n timp ce altele trec direct n faza a doua (fenolul). Prin metabolizare, n general, polaritatea compusului crete. Compusul iniial, de obicei liposolubil, devine polar n faza I i mai polar n faza a II-a, cnd este puternic acid (majoritatea metaboliilor) sau alcalin (ex. piridina). Fiind polari, aceti ultimi metabolii strbat mai greu barierele membranare lipoidice, iar reabsorbia tubular este redus. Aceasta creaz impresia c biotransformarea are rolul de a mri polaritatea i, indirect, de a reduce toxicitatea xenobioticelor. Eterul etilic i acidul ftalic sunt eliminai nemodificai, iar unele substane nepolare, cum ar fi HCH, insecticidele clorurate nu sunt uor metabolizate i nici excretate fiind depozitate n esuturile grase din organism.

Tabelul 2 Reacii de oxidare

Reacia

Formula general

Exemple

Hidroxilarea catenei alifatice R-(CH2)n-CH3 R-(CH2)-CH2OH Fenazona 3-hidroxi-fenazona Hidroxilarea aromatic Ar-X HO-Ar-X Benzenul fenoli

N-oxidarea R3NR3NO Trimetilamina trimetilamino-N-oxid

S-oxidarea R S R' R S R'

+

OH

R S R'

O

Clorpromazina S-oxidul clorpromazinei

O-dezalchilarea R-O-CH3 R-O-CH2OH R-OH + HCHO

Codeina morfin

N-dezalchilarea R-NH-CH3 R-NH-CH2OH R-NH2 + HCHO

Morfina normorfin

S-dezalchilarea R-S-CH3 R-S-CH2OH R-SH + HCHO

Metiltiopurina tiopurin

Dezaminarea oxidativ

R

RCH NH2

R

RC

NH2

OH

R

RC = O + NH3

Amfetamina fenilaceton

Desulfurarea

R

R 'P

S

X

R

R 'P

O

X

Parationul paraoxon

Epoxidarea

R - C H = C H - R ' R - C H - C H - R '

O

Aldrinul dieldrin

Oxidarea cu deschiderea ciclului R' N R

CH3 R'NH R

COOH

Nicotina acid - (3 piridil)

meti-amnobutiric

Faptul c un singur toxic poate fi metabolizat la un numr imens de produi sugereaz c organismul nu-l recunoate i ca atare acesta doar interfer cu sistemele de metabolizare pe care corpul le utilizeaz de regul pentru transformarea unor compui exogeni n compuii proprii. Cu substanele pe care corpul le recunoate, de exemplu proteinele, aminoacizii, grsimile etc. lucrurile stau cu totul altfel: cile metabolice sunt precise i transformarea lor se petrece de fiecare dat la fel. Exogenul perturb buna funcionare a organismului sau doar a unor esuturi i organe i, prin aceasta, intr n reacie chimic sau de alt natur (fiziologic,

11

mecanic etc.) cu componentele corpului. n cazul n care obiectul sau compusul introdus n corp nu afecteaz n nici un fel structura i funciile organismului, acesta din urm se comport pasiv (proteze din argint sau material plastic implantate n corp). Reaciile din faza I constau din introducerea n molecul a grupelor reactive cu polaritate crescut: -OH, -NH2, -COOH, -SH. Cea mai frecvent dintre reaciile acestei faze este oxidarea, ns pentru unele xenobiotice reducerea este singura cale de metabolizare, iar altele se degradeaz prin hidroliz (tab. 2, 3, 4). Sediul metabolizrii poate fi orice esut sau organ, ns sediul principal este ficatul. Enzimele de metabolizare exist ns i n organele i esuturile care faciliteaz intrarea i ieirea din organism (piele, rinichi, plmn, intestin), precum i n alte esuturi (ochi, plasm etc.). Sediul metabolizrii nu corespunde totdeauna cu sediul principal al aciunii toxice. Astfel, metanolul se metabolizeaz n primul rnd n ficat, dar efectul toxic se exercit la nivelul retinei, SNC, rinichiului; hidroxilarea 2-naftilaminei are loc n ficat, dar efectul cancerigen apare n vezica urinar; tetraetilplumbul este transformat n trietilplumb n ficat, dar metabolitul este toxic n special pentru SNC; n cazul dimetilnitrozaminei, sediul metabolizrii ficatul corespunde cu sediul principal al aciunii toxice. Enzimele corpului pot fi mprite n dou categorii: enzime biochimice (parametabolice) i xenobiotice (xenometabolice). Enzimele biochimice catalizeaz biotransformarea substanelor endogene, precum i a substanelor (metaboliilor) care prezint asemnri structurale cu substanele endogene, deoarece, odat metabolizate i ajunse la locul de aciune a enzimelor, acestea nu le mai pot diferenia de substratele lor normale i le metabolizeaz pe aceeai cale. Enzime ca: alcooldehidrogenaza, aldehiddehidrogenaza, DOPA-decarboxilaza, monoaminooxidaza, colinesterazele nespecifice plasmatice, guanaza, nucleotidazele, xantinoxidaza degradeaz deopotriv substratele naturale i pe cele strine, dar similare ca structur. Enzimele xenobiotice catalizeaz biotransformarea majoritii xenobioticelor (substane chimice industriale, poluani, medicamente, cancerigeni, aditivi alimentari), care nu prezint, ca atare sau ca metabolii, asemnri structurale cu substratele normale. Aceste enzime au sediul n microzomi i realizeaz n special oxidrile. n 1955, Axelrod a pus n eviden un sistem de enzime ce necesit NADPH i oxigen molecular, oxidazele cu funcii mixte microzomiale (Microsomal Mixed Function Oxydases) sau OFMM. n microzomi se mai gsesc i unele reductaze i hidrolaze. Exist i substane metabolizate att pe cile normale, ct i pe cele caracteristice xenobioticelor. De exemplu, etanolul se oxideaz n citoplasm prin intermediul alcool-dehidrogenazei (enzim biochimic) i n microzomi prin intermediul unui sistem enzimatic asemntor. Enzimele biochimice se mai deosebesc de OFMM prin localizarea, numrul, specificitatea i activitatea lor. Enzimele de oxido-reducere biochimic au sediul n special n mitocondrii, enzimele de hidroliz n lizozomi, citoplasm, plasm sangvin, iar OFMM se gsesc aproape exclusiv n microzomi. Enzimele biochimice sunt diversificate i n cantitate suficient pentru a satisface metabolizarea substratelor endo- i exogene; numrul OFMM este mic sau chiar redus la un sistem unic i universal de oxidaze.

12

Cursul nr. 3

Enzimele OFMM sunt lipsite de specificitate, deoarece metabolizeaz numeroase substraturi cu structuri diferite, n timp ce enzimele biochimice sunt specifice. Enzimele biochimice sunt n stare activ, pe cnd OFMM se activeaz sub efectul direct al xenobioticelor, putnd metaboliza atunci compusul care le-a activat, precum i ali compui metabolizai pe aceeai cale. Proprietatea se numete inducie enzimatic. Oxidarea este realizat de oxidazele cu funcii mixte microzomiale (OFMM), un sistem enzimatic component al membranelor reticulului endoplasmatic neted (REN). Acest sistem este constituit din dou hemoproteine (citocromul P450 i citocromul b5), dou flavoproteine (NADPH-citocrom P450-reductaza i NADH-citocrom b5-reductaza), o fosfolipid (fosfatidilcolina). n reacie sunt necesari: oxigenul molecular (O2), nicotinamidadenin-dinucleotidfosfatul, forma redus (NADPH) iar uneori i nicotinamidadenin-dinucleotidul, forma redus (NADH):

R-H + O2 + 2H+ + 2e- R-OH + H2O Att disocierea moleculei de oxigen ct i desfacerea legturii R-H din substrat reclam aport crescut de energie de activare, de aceea organismul realizeaz aceast oxidare n opt etape:

Reacii n cadrul ciclului citocromului P450 1. Citocromul P450 (notat cu Fe3+) se unete cu substratul nepolar, R-H; 2. Fierul heminic Fe3+ se reduce la Fe2+ prin transferul unui electron de la NADPH, prin intermediul

NADPH-citocrom P450-reductazei; 3. Oxigenul molecular formeaz un complex ternar, (RH)Fe2+(O2); 4. Un al doilea electron se transfer de la NADPH (prin intermediul NADPH-reductazei) ori de la

NADPH sau NADH (prin intermediul citocromului b5) cu formarea unui anion peroxidic; 5. Anionul peroxidic leag hidrogenul, cu formare de ap i de complex RH(Fe-O)3+;

Etapele activrii oxigenului n ciclul citocromului P450 nreactiile de hidroxilare microzomial (dup Cotru, 1993)

Fe3+

(RH)Fe3+

(RH)Fe2+

(RH)Fe2+(O2)

(RH)Fe3+(O2-)

(RH)Fe3+(O )2

RH(Fe O)3+

(R)(Fe OH)3+

(ROH)Fe3+

H2O

H+

RH

1

2

3

45

6

7

8

e-

O2

e-

ROH

2-

2

XOH

XOOH

13

6. Hidrogenul din substratul R-H se transfer pe oxigen, cu formarea radicalului intermediar (Ro)(Fe-OH)3+;

7. Radicalul substratului se recombin cu oxidrilul din complex, cu formarea produsului de hidroxilare, R-OH;

8. Produsul R-OH regenereaz forma oxidat a citocromului P-450 i ciclul se nchide. n prezena unor oxidani puternici (hidroperoxizi, X-OOH), ciclul se unteaz.

Hidroxilarea toxicilor se face n microzomii hepatici prin labilizarea moleculelor acestora datorit introducerii gruprilor adiionale, mai ales a grupei HO. Citocromul P450 constituie locul activitii oxigenului, funcionnd ca o monooxigenaz n oxidarea unor substane diverse (hidrocarburi policiclice, medicamente, steroizi, colesterol, acizi grai, , etc. Superoxid dismutaza catalizeaz descompunerea superoxidului printr-o reacie de disproporionare n oxigen i peroxid de hidrogen: 2O2 + 2H+ H2O2 + O2 Ea inhib reacia de hidroxilare sau demetilare ale unor toxice, iar adugarea unui sitem generator de superoxid (xantin + xantin oxidaz) stimuleaz hidroxilarea unor toxice de ctre sistemul enzimatic microzomial. Deocamdat nu este bine lmurit implicarea ramurii peroxidante din sistemul enzimatic microzomial. Exist un vast material experimental n favoarea peroxidrii lipidelor microzomiale n unele condiii n cursul metabolizrii medicamentelor. Vitezele reaciilor de peroxidare a lipidelor microzomiale i de hidroxilare a medicamentelor sunt invers proporionale, datorit probabil competiiei pentru O2 necesar ambelor procese. n ambele procese se dezvolt forme active ale O2 cum sunt O2 i 1O2 (Auclair i Lecomte, 1978). Sistemul oxidazic cu funcii multiple este responsabil de procesul de detoxifiere hepatic, care ncepe prin introducerea unor grupri polare n structura substratului lipofil pentru a-l face mai hidrosolubil. Sistemul enzimatic microzomial cuprinde de asemenea un numr de reacii oxidative ca hidroxilri, O i N-dealchilri, sulfoxidri etc. (Voicu i Olinescu, 1977). Reacia principal de hidroxilare a unui substrat AH se datorete contactului direct cu citocromul P450 redus datorit unui flux de electroni primit de la NADPH prin intermediul celorlali transportori intermediari.

NADPH Citocrom C reductaza Citocrom P 450(peroxidaza)

Citocrom b5 (peroxidaza)

Citocrom b5 (reductaza)

NADH

ROOH

ROH + H2O

ROHADP-Fe3+

ADP-Fe2+

O2

ADP-Fe2+

Lipide

Lipide-OOH

. O2

Schema ipotetic a hidroxilrii prin capacitatea peroxidazic a citocromilor P 450 si b5

ROOHRH

14

Peroxidarea este competitiv cu desaturarea i cu N- i O-dealchilarea (OBrien, 1978). Bidlack i Hochstein (1975) menioneaz nsuirile de peroxidaz ale hemoproteinelor din sistem (citocromii P450 i b5), ct i condiiile n care apare peroxidarea lipidelor microzomiale: Fe3+ liber, dar mai ales complexat cu ADP sau pirofosfat. Cert este c, in vivo, poate aprea o peroxidare a lipidelor microzomiale din ficat. Mecanismul cel mai probabil se bazeaz pe structura hemoproteinic a componenilor sistemului microzomial, capacitii acestora de a aciona ca peroxidaz. Producerea unor specii reactive, fie prin activarea O2 (1O2), ori prin peroxizi (H2O2 sau lipidici), este sigur datorit chemiluminiscenei ce nsoete hidroxilarea microzomial in vitro. Dup OBrien, O2 i citocromul P450 sunt componentele ambelor procese i pot realiza hidroxilarea unor medicamente. Ramura peroxidant, dei este mai simpl deoarece nu necesit prezena celorlali citocromi, produce totui distrugerea citocromului P450. O dovad suplimentar a posibilitii peroxidrii lipidelor microzomiale este furnizat de amplificarea acestui proces n urma aciunii radiaiilor ionizante (Wills i Daves, 1972). Peroxizii organici pot substitui NADPH i O2 n unele hidroxilri modificnd biosinteza hepatic a unor compui cum ar fi acizii biliari. Modificri minore ale membranelor microzomiale, aa cum se produc in intoxicri cronice cu solveni organici sau metale grele, pot crea condiii pentru creterea ponderii ramurii peroxidante a sistemului de transport electronic microzomial. Peroxidarea lipidelor constituie un proces firesc al crui rol crete odat cu creterea concentraiei toxicilor sau medicamentelor supuse metabolizrii. De aceea, n procesul detoxifierii crete semnificativ concentraia lipidelor peroxidate (Olinescu,1982).

Peroxidarea lipidelor, cel puin n ficat, reprezint un fenomen fiziologic controlat de sistemele protectoare, care n anumite limite nu duce la pierderea de acizi grai polinesaturai. Pe baza acestei concluzii, peroxidarea lipidelor n ficat ar fi un rspuns nespecific la o agresiune chimic, explicnd astfel apariia peroxizilor lipidici i a produilor de descompunere (dialdehida malonic, etanul) n urma intoxicrii cu substane cu cu caracter lipofil ce sunt metabolizate prin sistemul hidroxilant microzomal dependent de NADPH. Astfel, peroxizii lipidici i produii lor de descompunere au fost detectai n urma intoxicrii cu CCl4, etanol, bromtriclormetan sau paraquat. O dovad suplimentar a implicrii peroxidrii n instalarea unei hepatotoxiciti este efectul protector al glutationului, dietilditiocarbamatului i cistaminei (erban i colab., 1979), compui ce elibereaz grupri SH libere i cu aciune antioxidant. Totodat, n urma administrrii unor substane hepatotoxice se observ scderea coninutului de grupri SH. Intoxicarea cu DDT (p,p-diclordifeniltricloretan) i alte insecticide clorurate nrudite produce o stimulare a enzimelor metabolizante din microzomi, la un nivel redus de absorbie. La o concentraie mai nalt a toxicului, se instaleaz o intoxicaie de tipul observat n cazul CCl4 (Olinescu, 1982). Concentraii crescute de peroxizi ai lipidelor n snge i ficat au fost gsite dup iradierea experimental a obolanilor (Olinescu i colab., 1984).

Tabelul 3 Reacii de reducere

Reacia Exemple

Aldehide alcool primar Cetone alcool secundar Saturarea dublei legturi

Nitroderivat nitrozoderivat hidroxilamin amin

Azoderivat hidrazoderivat amin Acid hidroxamic amid

Disulfur sulfhidrol As5+ As3+

R-CHO R-CH2OH R-CO-R R-CHOH-R

R-CH=CH-R R-CH2-CH2-R R-NO2 R-NO R-NHOH R-NH2

R-N=N-R R-NH-NH-R

R-NH2 + R-NH2 R-CO-NHOH R-CO-NH2 R-S-S-R R-SH + R-SH R-AsO(OH)2 R-As=O

15

Principala importan practic a fenomenului de inducie enzimatic rezid n faptul c c administrarea cronic a unui medicament sau toxic crete nivelul enzimelor implicate n metabolizarea proprie, iar datorit nespecificitii marcate, administrarea unui medicament induce o metabolizarea crescut a altor substane (Voicu i Olinescu, 1977). Nicotina mrete activitatea enzimelor care metabolizeaz o serie de medicamente i chiar metabolismul nicotinei este mai intens la fumtori dect la nefumtori probabil datorit efectului inductor al hidrocarburilor policiclice din igar. Metabolizarea microzomial include oxidri, reduceri i hidrolize. Reaciile enzimatice de hidroxilare sunt n general de forma : RH + O2 + XH2 ROH + H2O + X, n care RH reprezint substratul, iar XH2 un donor de electroni, respectiv NADPH2 (Voicu, Olinescu, 1977).

Tabelul 4 Reacii de hidroliz

Reacia Formula general Exemple Dezesterificare

Dezamidare R-COO-R R-COOH + R-OH

R-CONH-R R-COOH + R-NH2Atropina acid tropic +tropanol

Lidocaina etilenglicocol + xilin

Reducerea este realizat de reductaze (nitro- i azo-) NADH- sau NADPH- dependente, microzomiale. Oxidoreducerile microzomiale se realizeaz sub influena dioxigenazelor, care ncorporeaz ambii atomi de oxigen n substrat, O2 + substrat SubstratO2 a oxigenazelor, care reduc O2, fie la H2O2 sau la dou molecule de H2O, fr ncorporarea O2 n substrat: O2 + 2H+ (4H+) + 2e H2O2 (2H2O) sau a monooxidazelor, care ncorporeaz un atom de oxigen n substrat i reduc cellalt oxigen la ap: O2 + substrat + DonorH2 SubstratOH + H2O + Donor Hidroliza are loc sub aciunea esterazelor i amidazelor microzomiale.

Metabolizarea non-microzomial include, de asemenea, oxidri (oxidarea alcoolilor primari, a aldehidelor alifatice i aromatice, dezaminarea oxidativ a aminelor aromatice i aril-substituite), precum i reduceri (disulfuri, N-oxizi, S-oxizi) i hidrolize (esteri, amide), ns enzimele sunt localizate n mitocondrii, citoplasm, plasm sangvin. Implicaiile toxicologice ale metabolizrii din faza I: metaboliii sunt mai polari, dar nu neaprat mai puin toxici i nu se poate defini biotransformarea ca detoxifiere; apariia metaboliilor mai toxici explic faptul c unele xenobiotice sunt inactive in vitro, dar active in vivo (Parationul, Schradanul, glucozizii cianogenetici, cloralhidratul, fenacetina etc.); apariia metaboliilor cu activitate diferit de a compusului iniial este caracteristic unor xenobiotice (ex. primidona, trece parial n fenobarbital cu proprieti sedative, alturi de cele anticonvulsivante); activarea enzimelor microzomiale, respectiv inhibarea, sub aciunea xenobioticelor administrate concomitent sau anterior d natere la fenomenul de inducie, respectiv de inhibiie enzimatic. Reaciile din faza a II-a reprezint conjugri: glucuronoconjugarea, sulfoconjugarea, acetilarea, glicocolconjugarea, glutaminconjugarea, metilarea, mercaptarea i sulfurizarea (tab. 5 i 6). Una dintre cele mai importante reacii este glucuronoconjugarea, deoarece acidul glucuronic, glucuronil-transferaza i nucleotidul de activare se gsesc n majoritatea esuturilor (ficat, rinichi, intestin) i, de asemenea, datorit varietii de grupri (-OH, -SH, -NH2) pe care acidul glucuronic poate fi transferat.

16

Glucuronil-transferaza este localizat n microzomi. Sulfoconjugarea se realizeaz asupra acelorai grupri ca glucuronoconjugarea, prin transferul sulfatului provenit n special din aminoacizi sulfurai. Sulftransferaza se gsete n citoplasm, ndeosebi n ficat i intestin. Acetilarea are loc n ficat i n celulele sistemului reticulo-endotelial. Conjugarea cu glicocolul se realizeaz n ficat. Metilarea, cu sediul n ficat i rinichi, spoliaz organismul de grupri metil procurate de la metionin i de la bazele xantinice. Mercaptarea are sediul n rinichi, iar metaboliii rezultai sunt uneori mai toxici, ns mai rapid de eliminat. Sulfurizarea reprezint o real detoxifiere, deoarece toxicitatea sulfocianurii fa de cianur este foarte slab, ns eficiena reaciei este redus, din cauza cantitilor limitate de rodanaz disponibil.

Tabelul 5 Reacii de conjugare

Reacia Compuii iniiali Compuii finali Exemple(Tabelul)

Enzima Activare prin

Glucurono-conjugarea

Derivai hidroxilici, tiolici,

carboxilici, aminici

O-gluconoride de tip eter

S-gluconoride de tip tioeter

O- gluconoride de tip ester

N- gluconoride

6/1

Gluconoril-transferaza

UTP

Sulfo-conjugarea Derivai hidroxilici, tiolici, aminici

Esteri sulfurici, tiosulfurici, sulfamai

6/2 Sulfo-transferaza ATP

Acetilarea

Amine aromatice, sulfonamide, hidrazine, acid p-aminobenzoic

Derivai N-

acetilai

6/3

N-acetil-

transferaza

CoA

Glicocol-

conjugarea

Derivai carboxilici (COOH fixat direct pe ciclul aromatic sau prin intermediul unei catene laterale)

Derivai ai aril-

glicocolului

6/4

Glicocol-N-acilaza

CoA

Glutamin-conjugarea

Unii acizi aril-acetici Derivai ai fenil-acetil-glutaminei

6/5 CoA

Metilarea

Derivai N-heterociclici, amine aromatice endogene, fenoli, tioli,

As (Se, Te)

Derivai N, O, S-

metilai

6/6

Metil-transferaza ATP

Mercaptare (cistein sau glutation-conjugare)

Hidrocarburi aromatice, derivai

halogenai aromatici

Acizi aril-

mercapturici

6/7

Cistein-(glutation)-transferaza

Sulfurizare

Acid cianhidric, cianuri, nitrili

Sulfocianuri (tiocianai)

6/8

Rodanaza (tiosulfat: cianuri-

sulf-transferaza

Conjugarea are loc cu consum de energie, de aceea este necesar o activare prealabil. Aceste reacii presupun fie activarea agentului de conjugare, fie activarea toxicului. n urma reaciilor de conjugare rezult compui hidrosolubili, mai puin toxici dect metabolitul din prima faz. Astfel, benzenul, se transform n prima faz n fenol, toxic, iar acesta, n faza a doua trece n acid fenilglucuronic, mai puin toxic i mai hidrosolubil. Un numr mic de xenobiotice pot lua parte la reacii de sintez denumite sinteze letale din care rezult compui toxici. Biotransformarea este influenat de factori endogeni i exogeni: specie, ras, vrst, sex, stri patologice, starea de nutriie, bioritmul, factorii de mediu, interaciunile cu alte xenobiotice sau cu factorii nutritivi. Biotransformarea reprezint calea major de debarasare a organismului de toxici. Sistemele enzimatice pot fi ns depite, avnd drept consecin spolierea organismului n grupri acetil, metil, sulfat, tiol, etc.

17

necesare reaciilor din faza a II-a; creterea cerinei de NADPH implicat n OFMM, cu consecine asupra unor metabolisme.

Eliminarea toxicilor din corp

Nocivitatea unui toxic este cu att mai mare cu ct eliminarea sa este mai lent. In principal, eliminarea se realizeaz pe cale renal, digestiv, pulmonar i transcutanat. Calea renal este cea mai important modalitate de eliminare a toxicilor din corp. Pe aceast cale se elimin toxicii cu mase moleculare sub 400. Eliminarea renal se realizeaz prin trei mecanisme: filtrarea glomerular, secreia activ i reabsorbia tubular. Viteza eliminrii depinde de: debitul urinar, dependent de parametrii interni i externi; rata de fixare a proteinelor plasmatice ( legarea ntr-un procent mai ridicat a toxicului conduce la eliminarea sa mai lent); pH-ul urinar: o parte din toxicul filtrat glomerular poate fi reabsorbit tubular, n funcie de caracteristicile fizico-chimice. Compuii liposolubili se reabsorb pn la metabolizare complet n compui hidrosolubili, eliminabili renal; electroliii slabi se elimin n raport cu pH-ul urinei tubulare (pH-ul alcalin favorizeaz eliminarea compusului acid ionizat, deoarece reabsorbia tubular este mpiedicat, iar pH-ul acid favorizeaz eliminarea compusului bazic); electroliii tari se elimin rapid, indiferent de pH-ul urinar deoarece sunt complet disociai. inducia (sau inhibiia) enzimatic modific ritmul excreiei; vrsta i integritatea funciei renale: la vrstnici i tarai renal eliminarea toxicului este redus; interaciuni: toxicii care se elimin prin secreia activ tubular pot intra n competiie pentru mecanismele de transport. Calea digestiv (sucurile digestive i bila) este caracteristic pentru toxicii cu mase moleculare de 400-500. Rolul ficatului este important n eliminarea toxicilor din organism, dar efectul su este modificat de reabsorbia toxicului de intestin prin circuitul enterohepatic. De aceea, se elimin prin tubul digestiv (fecale) acei toxici care sunt concentrai n bil, dar nu sunt reabsorbii din intestin. Calea pulmonar este caracteristic gazelor i substanelor volatile care strbat membrana alveolocapilar i, ajungnd la alveole sunt evacuate prin expiraie. Alte ci de eliminare: prin tegumente, fanere, glande sudoripare se elimin metale grele, arsen, halogenuri, unele substane volatile; prin glanda mamar se elimin o serie de medicamente i toxici.

Tabelul 6

Tipuri de reacii de conjugare

18

1. Glucuronoconjugarea:

R - OH(R - SH)

+ HOHO

O

H

H

H OH

COOHOH

H

H(RS)RO

HO

O

H

H

H OH

COOHOH

H

H

O (sau S) - glucuronid de tip eter(tioeter)Acid D-glucuronic

Ar - COOH + HOO

- H2OAr - COO

O

O - glucuronid de tip ester

Ar - NH2 + O

- H2OAr - NH

O

N - glucuronid 2. Sulfoconjugarea:

C6H5 OH (SH)Sulfat

activat C6H5 O SO3H(S)

Fenilsulfat (feniltiosulfat)

C6H5-NH2Sulfatactivat C6H5-NH-SO3H

Sulfamat

3. Acetilarea

H2N-C6H4-SO2NH2 + CH3-CO SCoA HS CoS CH3CONH-C6H4-SO2NH2Sulfanilamida Acetil-CoA N-4-acetilsulfanilamida

4. Glicocolconjugarea:C6H5-CO~SCoA + H2N-CH2-COOH HS-CoA

C6H5-CO-HN-CH2-COOH

Benzoil-CoA Glicocol Acid hipuric 5.Glutamincojugarea:

C6H5-CH2CO~SCoA + H2N-CH-(CH2)2-CONH2Fenil-acetil-CoA COOH

HS-CoAC6H5-CH2COHN-CH-(CH2)2-CONH2

Fenil-acetil-glutaminaCOOH

Glutamina

19

CH3

N N(+)

Metil activat

PiridinaN-metil-piridiu

NN

H NN

CH3

Nornicotina Nicotina

HO

HO

CH CH2 NH CH3OH

Metil activat

CH CH2 NH CH3H3C

HO

O

OH

Adrenalina Metnefrina

Metil activatC2H5 SH C2H5 CH3S

Etilmercaptan Etilmercaptan metilat

6. Metilarea:

X_

Metil activat

7. Mercaptarea:

Ar-H + HS-CH2-CH(NH2)-COOH 2H Ar-S-CH2-CH(NH2)-COOHcisteina Arilcisteina (acid mercapturic)

Ar-X + HOOC-CH-CH2-CH2-CO-NH-CH-CO-NH-CH2-COOH

NH2 CH2-SHHX

NH2 CH2-S-Ar

HOOC-CH-CH2-CH2-CO-NH-CH-CO-NH-CH2-COOH

Glutation

Aril-glutation 8 . S u l f u r i z a r e a :

N a C N S u lf d in t io a m in o a c iz i N a S C N

20

Cursul nr. 4.

TOXICODINAMIA

(Aciunea toxicilor asupra organismului)

Efectele nocive ale toxicilor se resimt la nivel de esut, organ, aparat i sistem. Totalitatea proceselor biochimice i fizico-chimice care au loc n cadrul interaciunii toxic-organism constituie aciunea toxicodinamic. Toxicii provoac modificri rapide i adesea reversibile care au loc la nivel celular i subcelular, observabile prin microscopie optic i electronic. Modificrile patologice din esuturi sunt precedate de modificri n biochimia lor. n toate leziunile biochimice, la baza procesului se afl (i) o reacie molecular. Interaciunea toxic-organism a fost explicat prin impactul ntre toxic i/sau metabolii i anumite molecule ale organismului. Situsul primar de aciune toxic s-ar afla aadar la nivel molecular. Mai mult, numai anumite grupri din molecul (-COOH, -NH2, -OH, -SH) ar fi reactive, iar restul moleculei doar moduleaz reacia, nct majoritatea reaciilor au loc la nivel submolecular. n toate leziunile biochimice, la baza procesului se afl (i) o reacie molecular. Interaciunea toxic-organism a fost explicat prin impactul ntre toxic i/sau metabolii i anumite molecule ale organismului. Situsul primar de aciune toxic s-ar afla aadar la nivel molecular. Mai mult, numai anumite grupri din molecul (-COOH, -NH2, -OH, -SH) ar fi reactive, iar restul moleculei doar moduleaz reacia, nct majoritatea reaciilor au loc la nivel submolecular.

Aciunea toxicilor la nivel de esut, organ, aparat, sistem Sistemul nervos poate fi afectat de toxici n toate sectoarele sale: central, periferic, vegetativ, prin aciune direct (la nivelul centrilor nervoi, al sistemelor neuroefectoare i al sistemelor aferente neuroacceptoare) i indirect (ca urmare a hipoxiei, hipercapniei, modificrilor hidroelectrolitice i acidobazice, colapsului vascular). Principalele tulburri neurologice i psihice din intoxicaiile acute sunt: Coma toxic apare n intoxicaiile acute, n special medicamentoase i prezint variaii simptomatice n funcie de toxic; Convulsiile sunt consecina hiperexcitabilitii zonelor motorii din scoar sau a unor centri nervoi motori i medulari; Tulburrile motorii (pareze, paralizii) i senzitive (neuromialgii, anestezii, parestezii) au diferite substraturi; Midriaza, mioza, rigiditatea pupilar pot aprea direct, generate de toxicprin stimuleni vegetativi, ca i prin blocarea sistemelor enzimatice vegetative sau prin stri hipoxice; Delirul, cu sau fr halucinaii, apare n intoxicaii acute cu febr sau cu insuficien renal acut, cu tulburri circulatorii i anemie grav; Cefaleea, insomnia, somnolena, apatia, anxietatea, iritabilitatea sunt tulburri neuropsihice. Leziunile histopatologice la nivelul sistemului nervos central mbrac diferite forme, n raport cu specificul toxicului. n intoxicaiile acute i n unele cronice (ex. saturnism) se observ degenerescen mielinic a nervilor periferici. Sistemul cardiovascular este afectat de toxici, direct sau indirect, prin aciune asupra principalelor verigi ale circulaiei: contractibilitatea miocardului, frecvena cardiac, volumul sangvin circulant, vasomotricitatea. Tulburrile de contractibilitate survin prin aciune direct asupra miocardului sau printr-un regim

21

circulator coronarian inadecvat sau ca urmare a hipoxiei; Tulburrile de ritm apar prin aciune asupra sistemului nervos periferic, ca i asupra fasciculelor excitoconductoare ale miocardului; Scderea volumului sangvin circulant are loc, n principal, prin creterea permeabilitii capilare cu extravazare de plasm n esuturi, caviti seroase, lumen gastrointestinal; Alterrile vasomotricitii sunt vasodilataia (prin deprimarea SNC) i vasoconstricia. Dintre manifestrile clinice ale tulburrilor cardiovasculare din intoxicaiile acute, insuficiena circulatorie acut periferic (ocul toxic sau colapsul toxic) i stopul cardiac sunt modalitile cele mai frecvente de letalitate. Aparatul respirator poate fi afectat pe urmtoarele ci: Inflamaia acut a mucoasei tractului respirator care poate conduce la asfixie, prin lips de aer; Alterarea permeabilitii membranei alveolocapilare, urmat, imediat sau tardiv, de edem pulmonar acut toxic; Excitarea sau deprimarea centrilor respiratori poate conduce la stop respirator; Blocarea hemoglobinei circulante (cazul CO) sau a respiraiei celulare (cazul CN) conduce la asfixie prin incapacitatea de fixare a oxigenului pe hemoglobin, respectiv prin anoxie tisular; Paralizia muchilor respiratori determin asfixie. Ficatul poate fi lezat prin aciune toxic direct asupra hepatocitului sau prin aciune trofopatic, cnd se produce carena n unii factori indispensabili hepatocitului. Se pot produce hepatopatii i prin hipersensibilitate individual sau prin imaturitate hepatic (perioada neonatal) sau prin deficit enzimatic. Toate formele de hepatopatii implic scderea circulaiei intrahepatice. Toxicii liposolubili afecteaz predominant hepatocitele, iar toxicii hidrosolubili, celulele tubulorenale. Leziunile hepatice intereseaz att parenchimul (hepatocitele), ct i mezenchimul. Iniial se produce degenerescena hepatocitelor, urmat de inflamarea mezenchimului. Aceasta din urm nu are loc dac lezarea hepatocitelor este fie uoar i reversibil, fie masiv, cu evoluie rapid fatal. Leziunile parenchimatoase sunt de tip necroz, steatoz (ncrcare gras) i colestaz, iar leziunea mezenchimului const n scleroz. n funcie de durata i intensitatea expunerii la toxic, precum i cu sensibilitatea individual, afectarea ficatului se exprim prin: atrofie galben acut (hepatonecroz ntins, ireversibil), hepatit acut (hepatonecroz limitat cu regenerare n timp), hepatit subacut sau cronic (hepatonecroz progresiv, cu reparaie mezenchimal), ciroz (scleroz ntins, cu sfrit letal). Rinichiul este afectat de acei toxici i/sau metabolii care se elimin n principal la acest nivel. Lezarea se produce prin mecanism direct sau alergic sau ca o consecin a hipoxiei din starea de oc: Nefropatia acut tubular toxic se produce prin aciunea nefrotoxic direct. Poriunea cea mai sensibil este tubul contort proximal unde au loc concentrarea i reabsorbia afectarea exprimndu-se prin procese degenerative de diferite grade. Leziunile nefrotice se nsoesc, cnd intoxicaia este grav, de leziuni determinate de ischemie (deficit circulator local). Tabloul clinic este de insuficien renal acut toxic; Rinichiul n stare de oc este consecina aciunii toxice indirecte, cnd n cadrul ocului toxic, alturi de alte organe i sisteme, este afectat i rinichiul, datorit anoxiei ischemice, cu instalarea oliguriei (anuriei). Dac ischemia este prelungit, diureza nu este reluat dup nlturarea strii de oc a intoxicatului i apare sindromul de insuficien renal acut toxic; Nefropatia cronic, profesional sau medicamentoas, poate fi primar sau secundar cronic cnd rezult din evoluia unei nefropatii acute. Aparatul digestiv este afectat de majoritatea toxicilor introdui pe cale oral. Acetia acioneaz fie direct pe diferite structuri, fie indirect, prin intermediul sistemului nervos central sau vegetativ sau al unor reacii imunoalergice. Leziunile organice sau funcionale sunt exprimate prin diferite manifestri. Sngele i mduva hematogen pot fi atacate de toxici care provoac hemopatii induse prin atacarea mduvei hematogene (hemopatii mielotoxice sau imunopatogene), hemopatii induse prin atacarea elementelor

22

sngelui circulant, hemopatii induse prin combinarea ambelor mecanisme, aciunea prevalnd fie pe mduv, fie pe elementele sngelui. Tulburrile hidroelectrolitice i de echilibru acido-bazic pot fi deosebit de grave n intoxicaiile severe i se realizeaz prin urmtoarele mecanisme: vrsturi i diaree; hipersudoraie i hipersecreie glandular; scderea (abolirea) funciei renale; ntreruperea aportului oral sau aport exagerat parenteral; formarea de exces de acizi prin metabolizarea toxicului; aport de acizi i baze exogene (intoxicaii acute cu acizi i baze, unde crete sau scade pH-ul sangvin). Aciunea toxic direct este caracteristic unui numr limitat de toxici care determin inflamaia sau necroza esutului cu care vin n contact: tegumentele (substane vezicante, acizi i baze tari), conjunctivele bulbare (substane lacrimogene), mucoasele tractului respirator (gaze iritante), mucoasele bucal, esofagian i gastric (substane iritante, caustice, corozive etc.).

Aciunea toxicilor la nivel celular

Membrana celular regleaz ptrunderea i eliminarea substanelor spre interior i spre exterior, meninnd constant compoziia mediului intern. Toxicul poate influena fluxul ionic prin membran prin micorarea canalelor ionice, cnd se produce stabilizarea membranei i blocarea conducerii nervoase prin ntreruperea fluxului ionic (cazul cocainei). Deoarece exist canale separate pentru Na+ i pentru K+, unii toxici(tetrodoxina) blocheaz fluxul de sodiu, alii (clorura de tetraetilamoniu), fluxul de potasiu; De asemenea, unii toxici (DDT, alcaloizii din veratrum) favorizeaz lrgirea canalelor ionice, cnd se produce labilizarea membranei. Totodat, printr-o aciune anti-ATP-azic (ouabain) se produce inhibarea pompei cationice. Nucleul este afectat de toxici prin: inhibarea precursorilor acizilor nucleici; ncorporarea n acizii nucleici; legarea covalent cu acizii nucleici; formarea complecilor reversibili cu AND; interferarea cu AND- i ARN-polimeraza. Inhibarea precursorilor acizilor nucleici este realizat de antagonitii acidului folic i de antimetaboliii bazelor purinice (adenina, guanina, hipoxantina, xantina) sau pirimidinice (uracilul, citozina, timina), care, dei analogi chimici ai acestor baze, formeaz compui inutilizabili de ctre celul . Astfel, 6-tiopurina, analog chimic al hipoxantinei, mpiedic intrarea acesteia n celul, deoarece hipoxantina formeaz acid inozinic, n timp ce 6-tiopurina sintetizeaz acid tioinozinic, respins de celul. Asemntor reacioneaz i 5-fluorouracilul, analog chimic al uracilului. 6-Tioguanina, inhib biosinteza acizilor nucleici, dar se poate ncorpora n acetia n locul bazelor naturale. Legtura covalent cu acizii nucleici se refer la substanele antitumorale i la cancerigeni. Compleci reversibili cu AND pot forma LSD i unele antibiotice (antracilina, rubidomicina) care afecteaz replicarea i transcrierea; legturile fiind electrostatice, modificarea pH-ului mediului determin desfacerea complecilor. Interferena cu AND- i ARN-polimeraza este cazul sarcomicinei care inhib AND-polimeraza, blocndu-I gruprile SH, sau al rifamicinei i rifampicinei, care inhib ARN-polimeraza la microorganisme nu ns la mamifere fapt pe care se bazeaz utilizarea lor clinic. Mitocondriile sunt sediul lanului respirator (transportor de electroni) i al cuplrii acestui proces cu fosforilarea oxidativ, avnd ca rezultat sinteza de ATP. Transportul electronilor este de asemenea cuplat cu ciclul Krebs. Aciunea toxicilor poate avea loc la urmtoarele nivele: Ciclul Krebs este blocat de diferii toxici (inhibitori) la oricare din secvenele sale; astfel, acidul

23

fluoracetic realizeaz sinteza letal unele fenotiazine inhib dehidrogenazele NAD-dependente, cu oprirea ciclului la nivelele respective; Lanul respirator este blocat prin inhibarea flavinnucleotidelor (barbiturice, unele fenotiazine), a citocromilor (CN, H2S, actinomicin), a enzimei Q (dicumarinice) etc.; Sinteza ATP este micorat de unele xenobiotice (CCl4, tetracicline, digitalice); ali toxici mpiedic fosforilarea oxidativ prin aciune mixt asupra lanului respirator i a sintezei ATP; decuplarea transportului de electroni cu fosforilarea oxidativ este modul de aciune al dinitrofenolilor; Modificarea permeabilitii membranei mitocondriale are loc prin diferite mecanisme (de pild, prin interaciune cu SH); Influena sintezei proteinelor mitocondriale are loc prin inhibare (actinomicina D blocheaz ARN-polimeraza) sau prin activare (hormonul tiroidian stimuleaz captarea unor aminoacizi). Reticulul endoplasmatic este format din membrane de separare aranjate ntr-un sistem de canalicule care ating nucleul i nconjoar mitocondriile. Unele poriuni ale reticului endoplasmatic sunt netede (REN), n timp ce altele poart granule de ribozomi (reticul endoplasmatic rugos, RER). Reticulul endoplasmatic are rolul de a concentra i transporta proteinele sintetizate de ribozomi. Prin centrifugare difereniat se obin fragmente de RER bogate n fosfolipide i n ribozomi, i de REN, denumite microzomi, n care se gsete manjoritatea OFMM. Principalele mecanisme de aciune a toxicilor asupra reticulului endoplasmatic sunt: Modificarea structurii reticulului prin scderea sintezei lipoproteinelor, consecin a scderii sintezei ATP n mitocondrii. Astfel, tetraciclinele determin steatoz hepatic cu vacuolizarea reticulului endoplasmatic i creterea cantitii de membrane netede (REN), concomitent cu scderea cantitii de membrane rugoase (RER). Tetraclorura de carbon determin dilatarea RER cu desprinderea ribozomilor i scderea sintezei proteice; Hipertrofia reticulului prin stimularea activitii OFMM ca urmare a induciei enzimatice; Inhibiia direct a enzimelor (novobiocina inhib glucuronil-transferaza hepatic, cu eliberare de bilirubin i apariia hepatitei toxice); Ribozomii sunt granulele dispuse de-a lungul reticulului endoplasmatic i reprezint locul de sintez a proteinelor dup modelul dat de ARN-mesager. Sinteza proteic poate fi afectat de unii toxici. Astfel, purotonina, un antitumoral asemntor structural cu poriunea din ARN de transfer (t-ARN) la care se fixeaz aminoacizii activai (aminoacil-t-ARN). Puromicina poate forma o legtur peptidic cu un aminoacid anterior legat de lanul peptidic (prin gruparea NH2), ns mpiedic legarea aminoacidului urmtor, oprind creterea lanului peptidic. Lizozomii, cu rol n activitatea digestiv a celulei, pot fi afectai de toxici prin urmtoarele mecanisme: Afectarea permeabilitii membranelor: lizozomii conin enzime hidrolitice cu pH optim acid care, n mod obinuit, sunt separate de substratele lor din citoplasm prin membrana fosfolipidic a lizozomilor. Dac permeabilitatea membranar este uor afectat, se produc dereglri n trecerea apei i a electroliilor. n cazul n care alterarea este profund sau membrana rupt, enzimele hidrolitice sunt eliberate i atac constituenii celulari de baz (nucleotide, proteine, lipide, glucide). n final se produce dereglarea organitelor (mitocondrii i reticul endoplasmatic), urmat de citoliz. Principala cauz a modificrii permeabilitii membranare este anoxia, iar aceasta este consecina dereglrii respiraiei celulare i a producerii de energie. Modificarea permeabilitii membranare este produs de hepatotoxici (CCl4), sulfat de streptomicin, digitalice, DNOC etc.; Intervenirea n fagocitoz, de pild, cu formare de vacuole; Modificarea reaciilor din interiorul lizozomilor, ca n cazul detergenilor neionici.

Aciunea toxicilor la nivel molecular O mare parte din efectele toxice sunt consecina inhibiiei enzimatice. Aceasta poate fi: Competitiv, cnd inhibitorii, fiind analogi chimici ai substratului, intr n competiie cu acesta pentru

24

ocuparea centrilor activi ai enzimei, formnd complexul inhibitor-enzim. Cu ct concentraia substratului este mai mare, cu att capacitatea inhibitorului de a forma complexul cu enzima este mai mic; Necompetitiv, cnd inhibitorii nu au structur analog substratului, deci nu concureaz pentru centrii activi enzimatici, iar concentraia substratului nu influeneaz efectul inhibitorilor. Exist inhibitori necompetitivi reversibili, care induc doar o ncetinire a reaciei enzimatice, i inhibitori necompetitivi repetitivi ireversibili, care determin inactivarea enzimei. Un tip aparte de competiie enzimatic este competiia alosteric, cu rol important n reglarea activitii enzimatice. Numeroase enzime posed doi centri capabili s fixeze substanele: un centru izosteric (activ) care leag substratul i compuii nrudii structural, realiznd cataliza; un centru alosteric, care leag compuii diferii structural de substrat, cu rol de inhibitori sau activatori. Fixarea unui inhibitor de exemplu citratul din ciclul Krebs pe centrul alosteric al fosfokinazei determin modificri conformaionale ale enzimei la nivelul centrului activ, sczndu-i afinitatea fa de substrat cu limitarea, n exemplul dat, a glicolizei (fig. 5). Principalele mecanisme din interaciunea toxic-enzim sunt: Denaturarea protein-enzimei (apoenzimei), prin acizi i baze tari, fenol, formaldehid, metale grele; Blocarea gruprilor reactivate ale apoenzimei (-SH, -OH, -NH2, -COOH); de exemplu, gruprile SH sunt blocate de ageni oxidani (fericianur), compui de arsen, metale grele (Pb, Hg), ageni alchilani (iodacetat, iodamid); Modificarea conformaional a enzimei: anumii toxici ngusteaz, de exemplu, la alcooldehidrogenaz, calea de acces a etanolului spre centrul activ; Competiia cu gruparea prostetic: CN complexeaz Fe3+ din citocromoxidaz; Competiia cu coenzima: acidul piridin-3-sulfonic i acetil-3-piridina acioneaz ca antimetabolii ai nicotinamidei din compoziia coenzimelor NAD i NADP; Complexarea metalului activator: fluorul complexeaz Mg din enolaz; sulfura de carbon, disulfiramul, ditiocarbamaii complexeaz Cu din citocromoxidaz, aldehiddehidrogenaz, monoaminooxidaz, tirozinaz i Zn din anhidrida carbonic, lactic dehidrogenaz, alcooldehidrogenaz; chelatanii (ex. srurile acidului edetic EDTA) spoliaz organismul de unele metale bivalente; Competiia cu substratul; Sustragerea substratului (H3AsO3 reacioneaz cu gliceraldehida cu formare de acid fosfoarsengliceric i priveaz etapa urmtoare a glicolizei de acidul difosfogliceric, substratul normal). Sinteza letal este procesul prin care o substan exogen netoxic este transformat n organism ntr-una toxic. Este cazul fluoracetatului care in vitro nu este toxic pentru enzimele ciclului Krebs; in vivo, din fluoracetat activ i oxaloacetat se sintetizeaz fluorcitrat. Acesta inhib aconitaza (enzima din etapa citrat-oxaloacetat), blocnd ciclul Krebs. Ca urmare a leziunii biochimice la acest nivel, organismul este privat de energie, iar citratul se acumuleaz n esuturi, legnd Ca2+, spoliind organismul de acest element. Alterarea metabolismului celular. Unii antimetabolii, fiind analogi chimici ai metabolitului normal, acioneaz prin nlocuirea acestuia, determinnd fie oprirea reaciei, fie formarea unui nou metabolit care ncetinete sau oprete reacia urmtoare din lanul metabolic. De pild, sulfanilamida se substituie n bacterii acidului p-aminobenzoic, mpiedicnd sinteza acidului folic; dicumarolul se substituie vitaminei K, determinnd hemoragii; acidul piridin-3-sulfonic nlocuiete nicotinamida din NAD i NADP i de asemenea, careneaz organismul n nicotinamid; etionina, analog metioninei, induce o leziune biochimic prin formarea S-adenozil-etioninei n locul S-adenozil-metioninei, cu implicaii n procesul de metilare i n sinteza proteic; 6-tiopurina i 5-fluorouracilul interfer cu bazele normale ale acizilor nucleici, realiznd o ncorporare letal etc. Efecte nocive asupra acizilor nucleici. Bazele azotate conin perechi de electroni neparticipani i pot accepta structuri electrofile. Cancerigenii sunt substane cu structur foarte variat, ns majoritatea lor sunt reactani electrofili. Unii cancerigeni i ageni antitumorali ioni metalici, ageni alchilani sunt electrofili per se. Alii, hidrocarburi policiclice condensate, nitrozamine, amine aromatice policiclice, sunt de fapt precancerigeni i necesit o prealabil activare metabolic cnd se formeaz precursori cancerigeni i n final

25

metabolitul ultim, cancerigen, puternic electrofil. Acesta se poate detoxica prin metabolizare sau se poate fixa covalent pe AND, macromolecula int, sau pe alte molecule proteice. Ali cancerigeni determin perturbri n proprietile AND fr intervenia legturii covalente, prin simpl intercalare n dubla elice a acestuia. Interaciunea xenobiotic-receptor. Receptorii farmacologici sunt formaiuni infrastructurale ale celulei, avnd proprietatea de a lega, mai mult sau mai puin specific, anumite molecule endogene i exogene (medicamente i toxici). Majoritatea receptorilor sunt poriuni ale membranei. Alii se gsesc n citoplasm sau n subuniti ale unei molecule de enzim. Inhibitorul (toxic, chimioterapic) are afinitate pentru receptor cu care poate forma un complex. Interferena n neurotransmisie poate avea loc prin diferite mecanisme i la diverse nivele ale sistemului nervos, datorit: agenilor blocani ai receptorilor colinergici sau adrenergici la sinapsele interneuronale sau la jonciunile neuroefectoare; unor inhibitori ai sintezei i eliberrii neurotransmitorilor; unor substituieni ai neurotransmitorilor, cu aciune proprie colinergic sau adrenergic. Efecte toxice asupra transportului, difuzrii i utilizrii oxigenului, ca i asupra stocrii energiei: blocarea transportului de oxigen: CO intr n competiie cu O2 pentru Hb i formeaz carboxihemoglobina, blocnd transportul de oxigen la esuturi. Nitriii nitro- i aminoderivaii aromatici, precum i alte methemoglobinizante transform Hb (Fe2+) n MetHb (Fe3+) care nu transport oxigenul. Totui, mici cantiti de MetHb sunt reduse la Hb n hematii. Dac MetHb este n cantitate mare sau n deficit de glucozo-6-fosfat-dehidrogenaz, reducerea spontan nu se mai realizeaz. Sulfonamidele n prezena methemoglobinizantelor transform Hb n sulfhemoglobin, netransportoare de oxigen. Derivaii de hidrazin lezeaz membrana eritrocitar cu eliberarea Hb din eritrocit (hemoliz), iar hemoglobina plasmatic nu transport oxigenul; mpiedicarea difuzrii oxigenului: unii anestezici (eter, halotan) i solveni organici nepoleri se acumuleaz n lipidele membranare i mpiedic difuzarea oxigenului i glucozei n interiorul celulei. Neuronul este deosebit de sensibil la lipsa acestor substane; mpiedicarea utilizrii oxigenului: cianurile complexeaz Fe3+ din citocromoxidaz; tranferul de electroni pe lanul mitocondrial poate fi blocat la diferite nivele; acidul fluoracetic blocheaz ciclul Krebs la nivelul aconitazei; risipirea energiei sub form de cldur: dinitrofenolul i dinitroortocrezolul produc decuplarea fosforilrii oxidative, cnd oxigenul este bine utilizat, ns energia nu se acumuleaz n fosfaii macroergici (ATP) putnd fi apoi utilizat de celule, ci se pierde sub form de cldur. Antagonismul ntre ioni: Cd2+ este antagonistul Zn2+ i Cu2+, probabil prin competiie pentru situsurile de transport. Inducerea reaciilor de sensibilizare: unii toxici (izocianai, formaldehid, anhidrid ftalic etc.) i medicamente (antibiotice, sulfamide, antipiretice-analgezice, etc.) induc sensibilizare datorit proprietii de a juca rol de hapten. Aceasta se unete n organism cu o macromolecul, realiznd antigene care determin, ca rspuns, sintez de anticorpi.

26

Cursul nr. 5.

FACTORII DETERMINANI AI TOXICITII

Factori dependeni de substan Toxicitatea unei substane depinde de doza, structura chimic, puritatea, modul de administrare i interaciunile sale cu ali compui.

Structura chimic Gruprile chimice confer caracterul hidro- sau liposolubil i, deci, i tipul de aciune biologic. Gruprile toxofore: =C=, =S, NO2, N=C

27

n cazul ptrunderii transcutanate, riscul intoxicaiei depinde deopotriv de liposolubilitate i de hidrosolubilitate. De aceea, substanele cu coeficient lipide/ap mediu eterul prezint un risc cutanat crescut. Calea digestiv, este aplicabil att substanelor hidrosolubile, ct i celor liposolubile. Absorbia substanelor disociabile este influenat de pH-ul segmentului digestiv respectiv. Ionizare, pH-pK: acizii slabi (barbituric, salicilic), neionizabili n mediu acid, sunt absorbii n stomac, pe cnd bazele slabe (alcaloizi, amfetamin, imipramin), puternic ionizate n mediu acid, sunt absorbite n duoden, al crui mediu este alcalin.

Puritatea, degradarea, condiiile de recoltare i condiionare, concentraia din produs. Aciunea toxic poate fi influenat de prezena impuritilor. Conservarea necorespunztoare este capabil s modifice toxicitatea (acizii pstrai n recipiente de plumb, dizolv metalul devenind toxici). Perioada de recoltare, aria geografic, condiiile meteorologice influeneaz coninutul n principii active al plantelor. Operaiile de splare, fierbere, etc., pot micora toxicitatea ciupercilor. Concentraia din produs determin, de regul, creterea toxicitii; n unele cazuri ns, concentraiile mari micoreaz permeabilitatea mucoasei reducnd apreciabil absorbia toxicului la acel nivel (ex. HCl conc.).

Calea i viteza de administrare. Calea de administrare influeneaz intensitatea aciunii toxice, perioada de laten pn la apariia efectului toxic, precum i durata aciunii toxice. De asemenea, poate fi modificat tipul de aciune (MgSO4 administrat oral este purgativ, iar parenteral, este deprimant al SNC). n raport cu calea de administrare, absorbia se realizeaz cu viteze diferite i poate interveni sau nu detoxicarea hepatic naintea ptrunderii toxicului n circulaia general. Toxicitatea este influenat, de asemenea, de viteza de administrare a toxicului.

Interaciuni Dou sau mai multe xenobiotice pot interaciona ntre ele sau cu anumii constitueni ai alimentelor. Efectul interaciunii poate fi: Sinergic, cnd cele dou substane au acelai sens de aciune. Dac suma efectelor este egal sau mai mic dect efectele celor dou substane considerate separat (ex. bromuri alcaline) se obine sumare sau adiie. Dac suma lor este mai mare, efectul reprezint o potenare (barbiturice + etanol, morfin + amfetamin). Indiferent, cnd aciunea celor dou substane se desfoar independent una de alta, fr ca acestea s interacioneze ntre ele. Antagonic, cnd aciunea celor dou substane are sens contrar, rezultnd un efect global micorat, nul sau inversat (de pild, anticolinergice + morfin, antiparkinsoniene + fenotiazine etc.). Nivelul interaciunii poate fi oricare din fazele cineticii (Tabelul 7) i de asemenea faza dinamic.

Tabelul 7. Mecanisme de interaciune cinetic ntre xenobiotice (dup Sellers)

Absorbia modificri fizico-chimice n tubul digestiv variaii ale motilitii gastrointestinale leziuni ale mucoaselor gastrointestinale Fixarea pe proteine fixarea pe proteine plasmatice fixarea pe receptorii tisulari Distribuia Metabolizarea inducia enzimatic inhibiia enzimatic Eliminarea interferene n transport la nivelul tubilor urinari

interferene n procesele de conjugare biliar sau de transport

Absorbia poate fi stimulat sau inhibat la administrarea oral a dou sau mai multe xenobiotice, prin: Modificri fizico-chimice n tubul digestiv, datorate: variaiei pH-ului gastric sau intestinal

28

(substanele antiacide scad absorbia substanelor acide); chelatrii sau complexrii cu ntrzierea absorbiei (srurile metalelor grele + ageni chelani, sruri de calciu, magneziu, fier, aluminiu + tetracicline); neutralizrii reciproce (heparin + protamin); Variaii ale motilitii gastrointestinale: laxativele i colinergicele cresc peristaltismul i reduc absorbia riboflavinei, care are loc predominant n poriunea superioar a intestinului subire (sediul principal al absorbiei), dar faciliteaz absorbia vitaminei B12 din ileon; anticolinergicele, scad peristaltismul producnd efecte inverse n absorbia riboflavinei i a vitaminei B12; Leziuni ale mucoaselor gastrointestinale sunt observate n cazul aciunii substanelor corozive, caustice, a colchicinei, neomicinei, etc. Fixarea pe proteine (plasmatice sau receptori tisulari) poate fi modificat prin dou mecanisme: Competiia pentru proteinele plasmatice (n timpul transportului sau depozitrii) are loc pentru centrii oferii de proteine, ntre dou substane, ambele cu afinitate pentru acestea. Substanele cu afinitatea cea mai mare (cu caracter acid, precum fenilbutazona, acidul tricloracetic sau cu caracter bazic, cum ar fi imipramina, difenilhidantoina) ocup locul celeilalte substane. Aceasta, mpiedicat s se fixeze, rmne liber i se echilibreaz la locul aciunii la un nivel mai ridicat, rezultnd potenare. Astfel, warfarina se fixeaz pe proteinele plasmatice n proporie de 97%, rmnnd liber numai 3%; dac o substan competitiv deplaseaz din fraciunea fixat nc 3%, concentraia formei libere se dubleaz, crescnd n mod periculos cantitatea de protrombin la subiecii tratai cronic cu anticoagulante. Alt dezavantaj al deplasrii competitive este ncrcarea ficatului (care metabolizeaz fraciunea rmas liber) i a rinichiului (care o filtreaz glomerular). Prin creterea metabolismului i a clearance-ului renal, rezult o perioad plasmatic redus i o scdere progresiv a concentraiei plasmatice totale a substanei pn n momentul cnd concentraia plasmatic liber atinge nivelul avut anterior administrrii substanei competitive pentru proteinele plasmatice. Starea de echilibru care se stabilete acum se caracterizeaz printr-o concentraie plasmatic total inferioar, o concentraie a fraciunii libere egal i un nivel de activitate egal cu acelea anterioare interaciunii cu substana competitiv. Dei dezechilibrul determinat de competiia pentru proteinele plasmatice este doar tranzitoriu, totui, n cazul potenrii, efectele inhibiiei pariale a fixrii pe proteine pot fi deosebit de grave; Competiia pentru receptorii tisulari (sau centrii activi) determin modificri n structura teriar a proteinei (cu reducerea numrului centrilor de fixare) dac unele substane, mpiedicate s se fixeze pe proteina specific, se fixeaz pe ali centri. Distribuia substanelor n cele trei compartimente hidrice poate suferi modificri. Modificarea pH-ului (rezultat al proceselor metabolice sau al aciunii xenobioticelor) nu este uniform n compartimentele extra- i intracelular. Ca urmare, datorit difuziei neionice, se produce o trecere selectiv a xenobioticelor dintr-un compartiment ntr-altul. Astfel, substana se acumuleaz n compartimentul cu pH mai alcalin i invers. Au loc modificri ale concentraiei plasmatice i tisulare ale xenobioticelor, fr ca aceste modificri s se repercuteze asupra absorbiei sau eliminrii (de exemplu, fenobarbitalul, cu aciune intracelular, pierde din activitatea sa n prezena bicarbonatului de sodiu, realiznd o concentraie plasmatic mai mare). Metabolizarea: unele asocieri de xenobiotice pot conduce la creterea sau scderea vitezei de metabolizare cu toate consecinele sale pentru toxicitate prin fenomenul de inducie sau de inhibiie enzimatic. Inducia enzimatic reprezint accelerarea metabolizrii xenobioticelor ca urmare a stimulrii sintezei i activitii enzimelor microzomiale. Inducia are loc n cazul hipnoticelor, sedativelor, narcoticelor, stimulanilor SNC, analgezicelor-antipireticelor, etanolului, a unor pesticide, substanelor cancerigene, etc. Inhibiia e