Il danno da sostanze chimiche può essere schematicamente diviso in due tipi:
a) DANNO DIFFUSO DA AGENTI CHIMICI l’entità del danno dipende sempre
dalla dose e dalla durata del contatto e si verifica come conseguenza di
proprietà comuni a molte sostanze chimiche quali quelle di provocare:
- variazioni del pH
- solubilizzazione di costituenti cellulari
- denaturazione delle proteine
b) DANNO SELETTIVO DA AGENTI CHIMICI si verifica quando gli agenti
chimici alterano uno specifico costituente cellulare provocandone la
riduzione o la perdita della funzione. Gli agenti chimici responsabili di
questo tipo di danno sono detti VELENI o TOSSICI.
1) MODIFICAZIONI DEL pH
Le cellule sono molto sensibili alle variazioni del pH (v. sistemi tampone)
ACIDI diminuzione pH rapidamente morte cellulare
Se l’abbassamento del pH è moderato fenomeni autolitici (attivazione
enzimi lisosomiali)
Se l’abbassamento del pH è forte denaturazione delle proteine con
conseguente inattivazione degli enzimi cellulari
BASI innalzamento del pH
rigonfiamento dei mitocondri
inattivazione di sistemi enzimatici
fenomeni idrolitici (di natura non enzimatica ma dovuti direttamente
all’azione delle basi)
2) DANNO DA SOLVENTI
•Solventi organici dei grassi (cloroformio, CCl4, acetone)
completa disorganizzazione delle membrane LISI CELLULARE
b) Acqua
b1) Soluzioni IPOTONICHE LISI OSMOTICA
Oltre alle cellule possono subire lesioni di tipo osmotico anche
strutture subcellulari (lisosomi,
mitocondri, membrane del reticolo, vescicole sinaptiche, ecc.).
b2) Soluzioni IPERTONICHE PLASMOLISI
3) DENATURAZIONE DELLE PROTEINE
DENATURAZIONE modificazione della struttura secondaria, terziaria e
quaternaria delle proteine, con
esclusione della rottura delle modificazioni risultanti dalla
rottura di legami covalenti
Struttura primaria sequenza aminoacidi
Struttura secondaria ripiegamento delle catene in conseguenza della
formazione dei legami peptidici fra gli aminoacidi
Struttura terziaria disposizione nello spazio delle catene a formare
strutture globulari o filamentose
Struttura quaternaria aggragazione di subunità in macromolecole di
maggiori dimensioni
Agenti denaturanti:
- variazioni del pH
- ioni metallici (Cu++, Zn++, Cd++, Fe3+, Ni++, Co++, Al3+)
- alcuni sali (CaCl2, tiocianato e ioduro di K, LiCl)
- sostanze organiche:
a) urea e guanidina (a concentrazioni molto elevate: 4-8 M)
tendono a formare legami H con le proteine scindendo
quelli già esistenti
b) detergenti ionici indeboliscono i legami idrofobici
Sostanza chimica (VELENO o TOSSINA) reazione specifica con
strutture chimiche biologicamente
importanti
lesione della funzione
LESIONE BIOCHIMICA: alterazione patologica della cellula in cui gli
effetti biochimici dominano il quadro e sono evidenti prima che sia
dimostrabile ogni alterazione morfologica.
L’AZIONE TOSSICA DIPENDE STRETTAMENTE DALLA DOSE: in
pratica ogni sostanza chimica può essere un veleno purchè somministrata
nella dose giusta (es. farmaci).
Dose Minima Letale: quantità minima che è capace di
uccidere tutti gli animali di una determinata specie e di un
determinato peso in un determinato tempo.
Dose Letale 50% (DL50): quantità minima che è capace di
uccidere il 50% degli animali trattati, tutti appartenenti alla
stessa specie, in un dato tempo.
Tossicità acuta provocata da una dose singola
Tossicità cronica somma di piccole azioni tossiche
ripetute per molto tempo
Nel valutare l’azione tossica di una sostanza assume grande
importanza anche la via di somministrazione, che può
influenzare:
- la DL50
- il tempo di comparsa dei sintomi
- la gravità dei sintomi
- la natura dei sintomi
classificazioneSolidi
DL50 inmg/Kg
Solidi
DL50 inmg/Kg
Liquidi
DL50 inmg/Kg
Liquidi
DL50 in mg/Kg
Gassosi
CL50 in mg/l
orale cutanea Orale cutanea Inalatoria
Molto tossici < 5 < 10 < 25 < 50 < 0,5
Tossici 5 -50 10 -100 25-200 50-400 0,5-2
Nocivi 50 -500 100 -1000 200-2000 400-4000 2-20
Meccanismi di difesa contro l’azione tossica delle sostanze
chimiche
GENERICI
-vomito, diarrea, emorragia
- pannicolo adiposo sottocutaneo sottrae al sangue quantità
non indifferenti di tossici quando questi siano solubili nei grassi
e abbiano un coefficiente di ripartizione fra acqua e grassi
nettamente spostato a favore dei secondi (es. DDT spiccata
solubilità nei grassi molto poco tossico per i mammiferi ma
estremamente velenoso per gli insetti)
- reazione con strutture meno importanti che impediscono il
contatto con strutture di importanza vitale (es. denaturazione
delle proteine)
- potere tamponante dei liquidi biologici
- sostanze antiossidanti
SPECIFICI
- trasformazione della struttura chimica della sostanza
tossica al fine di renderla più facilmente eliminabile o
comunque meno tossica
a) di tipo demolitivo (es. H2O2/catalasi;
acetilcolina/acetilcolinesterasi, etanolo/alcooldeidrogenasi))
b) combinazione con altre sostanze
SINTESI PROTETTIVE
Alcol e aldeide deidrogenasi
usano NAD+ come cofattore
CH3 - CH2OH + NAD+ ---> CH3CHO + NADH + H+
etanolo acetaldeide
(tossica)
CH3CHO + NAD+ + H2O ---> CH3COOH + NADH + H+
Acetaldeide ac. acetico
(tossica) (poco tossico)
Ugualmente:
Metanolo ---> formaldeide ---> ac. formico
Metabolismo dei tossici
• Reazioni di fase I reazioni di ossidazione,
riduzione, idrolisi
• Reazioni di fase II Reazioni di addizione
• Reazioni di fase III
reazioni di eliminazione
a livello cellulare: trasportatori di
membrana, per es. MRP2
aumento di
idrofilia
espulsione tramite bile
e/o plasma
feci e/urine
Reazioni di monoossigenazione- ossidasi a funzione mista
IDROSSILAZIONE E DEMETILAZIONE
OSSIDATIVA: detossificazione
atrraverso una serie di reazioni
ossidative catalizzate da una catena
enzimatica situata nel reticolo
endoplasmatico (microsomi) nota
come drug metabolizing system.
Solfotransferasi (ST)
Glutatione S transferasi (GST)
Tiopurina Metilo-Transferasi (TPMT)
Catecol-oximetilo-transferasi (COMT)
Istone metilo transferasi (HMT)
N acetil transferasi (NAT)
uridindifosfatoglucuronosiltransferasi (UGT)
- CONIUGAZIONE CON AMINOACIDI
- CONIUGAZIONE SOLFORICA
- CONIUGAZIONE GLUCURONICA
- ACETILAZIONE
- METILAZIONE
L’attività degli enzimi del DMS aumenta nettamente nei soggetti trattati a
lungo con sostanze tossiche che vengono da questi metabolizzate (es.
barbiturici, cancerogeni, ecc.).
L’attività del DMS dipende anche da:
età
specie
sesso
N.B. Esistono anche trasformazioni metaboliche
che provocano un aumento della tossicità di una
sostanza
a) attraverso la degradazione della sostanza
di partenza
b) mediante la combinazione del tossico con
sostanze prodotte dall’organismo sintesi letale
Il citocromo P450 (specialmente il CYP3A4 e la
Glicoproteina-P possono essere responsabili di
importanti interazioni farmacologiche
La Glicoproteina-P (e altri trasportatori) possono
essere responsabili della farmacoresistenza
(MDR= multidrug resistance) ai farmaci antitumorali
I tre principali meccanismi
d’azione dei tossici
• Produzione di molecole elettrofile
• Produzione di radicali liberi
• Molecole che fanno il ciclo redox
Bersagli delle molecole con gruppo elettrofilo
• Proteine
• mRNA
• Polisaccaridi
• Ecc.
• DNA
Effetto tossico
Danno cellulare
Morte cellulare
Effetto mutageno
Blocco della sintesi di DNA
Conseguenze della formazione di addotti con il
DNA
• Danni che impediscono la neosintesi di DNA durante la fase
S azione antimitotica
• Danni alle basi che portano ad un’alterata
complementazione durante la sintesi di nuovo DNA
mutazioni
es.: la O-6-meti-guanina si complementa in modo errato molto più
frequentemente della 7-metil-guanina
Differenti destini del glutatione a seconda del
ruolo svolto nelle difese cellulari
• Quando il glutatione (GSH) funziona da antiossidante o da cofattore di enzimi a funzione antiossidante, viene ossidato a GSSG e può essere prontamente recuperato tramite glutatione reduttasi. In questo caso il fattore limitante è dato dalla disponibilità di NADPH H+.
• Quanto il GSH funziona da cofattore delle GSH transferasi, viene perduto con le urine sotto forma di acidi mercapturici.
Molecole che vanno soggette a ciclo redox
Paraquat, diquat e menadione costituiscono i prototipi.
Le molecole che fanno ciclo redox sono numerosissime.
Ad es:
L’antibiotico STREPTONOGRINA, l’antitumorale
ADRIAMICINA, l’agente diabetogeno ALLOSSANA, il
neurotossico 6-IDROSSIDOPAMINA, ecc.
(menadione=Vit K)
(Paraquat=erbicida)
I RADICALI LIBERI sono atomi o molecole che possiedono un elettrone spaiato nell’orbita più esterna.
SONO INSTABILI
SONO MOLTO REATTIVI
TENDONO AD AVVIARE REAZIONI A CATENA
Come si formano i radicali liberi?
A) L’energia fornita dall’ambiente può scindere il legame covalente fra due atomi (scissione
omolitica) in modo tale che un elettrone rimane attaccato ad una delle due parti.
Es. RADIOLISI DELL’ACQUA
H2O radiazione H• + OH•
OH• + OH• H2O2
H• + H• H2
H• + H2O2 OH• + H2O
OH• + H2 H• + H2O
B) Reazioni di ossido-riduzione che avvengono durante i normali processi metabolici. Gli atomi più
suscettibili possono catturare un elettrone (anche in assenza di una sorgente esterna di energia) che,
per esempio, deriva dalla catena mitocondriale di trasporto degli elettroni.
L’accettore principale di elettroni derivanti dalla catena respiratoria è l’ossigeno.
PARADOSSO DELL’OSSIGENO: l’ossigeno è indispensabile per la vita, ma è anche
tossico; nessun animale che respiri può sopravvivere
in presenza di ossigeno puro.
Durante la normale respirazione l’ossigeno viene sequenzialmente ridotto dall’aggiunta di quattro
elettroni per formare H2O.
C) I metalli di transizione (es. Fe, Cu, Zn), che possono cambiare valenza, partecipano ai trasferimenti di
elettroni come accettori o donatori; quando si trovano liberi nei tessuti continuano a svolgere tale funzione
e generano radicali liberi in modo incontrollato.
Es. Reazione di Fenton
H2O2 + Fe2+ OH• + OH- + Fe3+
Poiché la maggior parte del Fe intracellulare libero è nella forma ferrica (Fe3+) deve essere
prima ridotto alla forma ferrosa (Fe2+) per poter partecipare alla reazione di Fenton. Tale
riduzione può essere aumentata in presenza di superossido:
O2- + Fe3+ O2 + Fe2+
Nell’insiema si ha la cosiddetta reazione di Haber-Weiss catalizzata dal ferro:
Reazione di Haber-Weiss
O2- + H2O2
Fe OH• + OH- + O2
D) Metabolismo enzimatico di sostanze chimiche esogene e farmaci.
Es. Scissione omolitica del tetracloruro di carbonio
CCl4 P 450 CCl3
• + Cl-
E) L’ NO (ossido di azoto), un importante mediatore chimico generato da cellule endoteliali,
macrofagi, neuroni e altri tipi cellulari, può agire come radicale libero e può essere trasformato in
ONOO- (anione perossinitrito) NO2• NO3
•
Bersagli:
- lipidi
- carboidrati
- proteine
- acidi nucleici
Conseguenze:
- distorsione molecole
- rottura molecole
- formazione di legami crociati (cross-linking)
Nell’azione dei radicali liberi si possono distinguere tre fasi:
innesco - propagazione - arresto
A) INNESCO: consiste nella formazione di RL con uno dei meccanismi descritti precedentemente.
R-R R• + R•
B) PROPAGAZIONE: reazione di trasferimento del radicale su altri atomi o gruppi.
R• + QH RH + Q•
R• + Q-Q R-Q + Q•
N.B. Il numero dei RL prima e dopo la reazione rimane invariato.
C) ARRESTO: la catema di reazioni termina quando i radicali che si propagano vengono rimossi
per ricombinazione casuale con altri radicali di altre catene.
R• + R• R-R
R• + Q• R-Q
R• + ROO• ROOR
Esistono due principali linee di difesa:
- ENZIMI ANTIOSSIDANTI (che eliminano i due reagenti principali, il radicale
superossido e il perossido di idrogeno, cosicchè essi non possono più reagire
attraverso la reazione di Haber-Weiss e produrre il pericolosissimo radicale OH•
- SOSTANZE ANTIOSSIDANTI: possono bloccare le reazioni di formazione
(innesco) dei radicali liberi oppure inattivare (scavengescavengers) i radicali
conducendo a reazioni di arresto.
a) IDROSOLUBILI ac. ascorbico (vit. C); glutatione
b) LIPOSOLUBILI vitamina E (alfa-tocoferolo); beta-carotene
(precursore della vitamina A)
SUPEROSSIDO CATALASI GLUTATIONE
DISMUTASI (SOD) PEROSSIDASI
O2- + O2 + 2H H2O2 H2O2 + H2O2 2 H2O + O2 H2O2 + 2 GSH GSSG + 2 H2O
2 OH• + 2 GSH GSSG + 2 H2O
La produzione di radicali liberi può indurre danno cellulare a diversi livelli
ed essere alla base di gravi patologie
Stress ossidativo