Toxikologiska verkningsmekanismer Flashcards
4 huvudsteg av toxicitet:
4 huvudsteg av toxicitet:
Mekanismer för toxicitet kan visuellt förenklas till en fyra stegs process, som omfattar
- Delivery: Fokuserar på den toxiska agenset för att utöva toxicitet.
- Interaktion med målmolekyl: Mottagare i den fysiologiska enheten för att toxicitet kan uppstå.
- Cellulär dysfunktion: Negativ effekt i systemet. Kan delas i två undergrupper. Det behöver inte leda till toxicitet, då vi har reparation.
- Felaktig reparation: Toxiciteten. Fibrösbildning, cancer utveckling och cellulär död
Mekanismer för toxicitet beskriver hur en skadlig effekt uppstår. Dessa händelser involverar många molekylära, biokemiska och cellulära processer.
Huvudsteg 1 - Delivery
Huvudsteg 1 - Delivery
Primärt hur stor andel och i vilken form toxikant når målstrukturen
**Beror på:
- Agents toxikokinetik
- Agenstegs bioaktivering **
3 typer av agens: Biologisk, kemisk, fysikalisk
Agent: Den specifika substansen eller kemikaliet som är i fokus för studien. Med andra ord är agenten det toxiska ämnet eller ämnena som forskare analyserar och utvärderar för att förstå dess toxicitet, exponering, effekter och mekanismer.
3 typer av agent: Biologisk, kemisk, fysikalisk
**Faktorer som ökar Delivery till målorganet:
Absorption
Distrubtion
Reabsorption
Toxikation **
**Faktorer som minskar Delivery till målorganet:
Presystemisk elimination
Distrubtion bort från målorganet
Exktraktion / Utsöndring: Vill ha ut toxikanten ur den fysiologiska enheten.
Detoxikation **
Faktorer som kan påverka Delivery inkluderar ämnets:
Fysikaliska egenskaper (till exempel dess löslighet)
Hur det administreras (till exempel oralt eller genom hudkontakt)
Dess absorption i kroppen
Dess fördelning till olika organ och vävnader
Hur det omvandlas eller metaboliseras i kroppen.
Huvudsteg 1 – Delivery
- Absorption
Huvudsteg 1 – Delivery
- Absorption – beror på toxikantens fysiokemiska egenskaper samt vävnadens specificitet.
– Vilka?
– Hur kan vi förhindra absorption?
Efter exponering behöver toxikanten absorberas.
Absorption: Passage över biologiska membran till system kretsloppet
**Faktorer som främjar absorption:
Liten molekyl
Fettlöslig
Oladdad / Icke-joniserad **
**Faktorer som förhindrar absorption:
Stor molekyl
Vattenlöslig
Laddad **
Absorption kan inträffa från många platser, inklusive mag-tarmkanalen, huden eller lungorna, vilket återspeglar oral, dermal eller inhalationsexponering.
Huvudsteg 1 - Delivery
Förhindra absorption, genom:
Huvudsteg 1 - Delivery
Förhindra absorption, genom:
Presystemisk eliminering: Relevant för alla administrerings vägar. Presystemisk eliminering: En process genom vilken ett toxiskt ämne elimineras innan det når det systemiska blodomloppet. Epitelet i mag-tarmkanalen kan eliminera eller modifiera en förening direkt. Dessutom passerar många toxiska ämnen som absorberas från mag-tarmkanalen via portcirkulationen direkt in i levern där de modifieras av biotransformationsenzymer och utsöndras i gallan.
Första passage-effekt: Relevant om peroralt . Första passage-metabolism: En process som minskar den systemiska exponeringen för ett toxiskt ämne. Samtidigt, om ett toxiskt ämne har levern som målorgan, kommer en signifikant första passage-effekt att öka toxiciteten. Det finns även exempel på presystemisk eliminering avseende huden och lungorna.
Primära metabola organ:
Lever
Mag-tarm
Lunga
Hud: Vårt största organ. Primära kontakt. Skyddsbarriär.
Huvudsteg 1 - Delivery
- Distribution
Det finns fyra egenskaper som underlättar distribution till en målplats. Dessa inkluderar:
Huvudsteg 1 - Delivery
- Distribution – var hamnar toxikanten/molekylen?
– Om sekvestrering/ackumulering sker på annat håll än målvävnad/cell?
Efter exponering, absorption, ska toxikanten distruberas.
Distribution är att sätt för att systems ska distribuera toxikanten till en annan vävnad. Ju större porer och större hål som leder till organ, ju större sannolikhet att toxicitet uppstår. Det handlar om hur genomsläppliga kapillärer är.
Vävnadsdistribution är processen genom vilken en toxisk substans når sin målplats.
**Det finns fyra egenskaper som underlättar distribution till en målplats. Dessa inkluderar:
**
(1) Porositeten hos kapillärendotelet: Särskilt har leverns kapillärer och njurarnas kapillärer relativt stora fenestrar som möjliggör enkel passage även för proteinbundna ämnen. Å andra sidan är kapillärerna som bildar blod-hjärnbarriären tätt sammanslutna och saknar fenestrar för att förhindra signifikant distribution av hydrofila ämnen in i hjärnan.
(2) **Närvaron av specialiserade transportprocesser **
(3) Potentialen för ansamling inuti cellorganeller: Fysikokemiska egenskaper hos toxikanter bidrar ofta till deras ansamling i celler eller cellorganeller. Till exempel kan amfipatiska molekyler ackumuleras i lysosomer eller mitokondrier och orsaka toxicitet.
Vissa kemikalier ansamlas i vävnadsförvaringsplatser som inte är den huvudsakliga målorganen för toxicitet och förhindrar därigenom toxicitet. Till exempel deponeras bly i ben där det ersätter kalcium utan att påverka benet negativt, och hög lipofiliska ämnen ansamlas i fett, där de generellt sett är icke-toxiska. Även om sådan lagring begränsar toxicitet, kommer vilket tillstånd som helst som orsakar att dessa lagrade toxikanter frisätts eller mobiliseras från lagringsplatsen att öka risken för toxicitet.
(4) Bindning till proteiner eller andra makromolekyler: Albumin.
Huvudsteg 1 - Delivery
Kvarhållande av molekyl i
Huvudsteg 1 - Delivery
Kvarhållande av molekyl i icke målvävnad/cell
Vi kan förhindra distribution genom att distribuera till andra målorgan.
Fettvävnad: Miljögifter är lipofila —> Ansamlas i fettvävnader. Detta är bra så länge vi inte ändrar i vår vikt. Lipofila toxikanter till systemkretsloppet —> Hjärnan
Andra stället är: Ben och skelett (Tungmetaller ansamlas där). Bly i skelett för att skelett består av kalcium. Bly är likt kalcium. Individer som är högt kontaminerade av bly ser vi bly ränder i tandköttet och ben i X-ray. Det är bra att bly finns i skelett, men detta är tecken på att organismen har varit exponerad.
**Lysosomer kan vara barriärer för toxikanten, men om lysosom sprickas —> Toxicitet **
Bindning till olika plasmaprotein (Albumin t.ex)
Huvudsteg 1 - Delivery
- Metabolism
Ipomeanol
Huvudsteg 1 - Delivery
- Metabolism – kan vara främjande eller hämmande
– Detoxifiering: Där substansen i moderformen som är toxisk. Är en process där kroppen försöker neutralisera eller eliminera skadliga ämnen, toxiner eller metaboliter som kan vara potentiellt skadliga för hälsan.
– Bioaktivering: Där substansen som metabolit som är toxisk. Bioaktivering är en process där en kemisk förening eller ett ämne omvandlas i kroppen till en aktiv form som kan ha biologisk påverkan, inklusive toxiska effekter. Det är motsatsen till detoxifiering, där toxiska ämnen neutraliseras eller elimineras från kroppen.
Bioaktivering sker ofta genom biotransformation, vilket innebär att ett ämne genomgår kemiska reaktioner i kroppen, vanligtvis i levern, som ändrar dess kemiska struktur. Resultatet av biotransformationen kan vara en mer reaktiv eller potent form av ämnet, och det är denna form som kan vara ansvarig för de biologiska effekterna.
De metabola enzymerna uttrycks olika i olika organ i olika specis (arter)
- **Ipomeanol -> CYP4B1
- Gnagare = lunga
- Människa = lever**
Botemedel för människans lungcancer:
En annan viktig egenskap hos metabolisk aktivering är att den ofta förklarar målorganets specificitet för en toxisk effekt eller bidrar till artspecifika skillnader i toxicitet.
Som ett exempel ipomeanol, metaboliseras till en reaktiv intermediär som i gnagare katalyseras av ett cytochrom P450-enzym, CYP4B1, ett enzym som finns i höga nivåer i lungan hos möss.
Å andra sidan är ipomeanol hepatotoxiskt (toxiskt för levern) hos människor eftersom det metaboliskt aktiveras i levern snarare än lungan. I detta exempel orsakar samma reaktiva metabolit toxicitet, men artspecifika skillnader i uttrycket av enzymen som är inblandade i bildandet av den toxiska metaboliten bestämmer vilket målorgan som påverkas.
Huvudsteg 1 - Delivery
Redoxcykling:
Huvudsteg 1 - Delivery
Redoxcykling: – vad är skillnaden från vanlig generation av ROS?
ROS (Reaktiva syreradikaler) är vanlig komponent till etablering av toxicitet. Generation av ROS har ett resultat att generera toxicitet.
Paraquat är en kemisk förening som används som ett bekämpningsmedel för att kontrollera ogräs reagerar på samma mekanism som Nitrofurantoin (Antibiotika) och Doxorubicin (Cytostatika).
De tre ämnen ovan kan bli toxiska genom denna mekanism. Dessa tre ämnen generar reaktivt syre (ROS):
I mitokondrien har vi en elektrontransportkedja. **Dessa typer av ämne kan finnas i reducerat eller moder form. **
O2 : reaktiv syre radikal (Superoxidanjon) som är det toxiska.
**Generation av ROS: En molekyl generar en enda ROS. Redoxcykling är mer toxisk. **
**Skillnaden mellan redoxcykling och genereringen av reaktiva syreradikaler (ROS) ligger i hur ROS-produktionen initieras och upprätthålls: **
Generering av ROS: ROS produceras som superoxidanjon (O2-) som en del av cellens normala andningskedja i mitokondrier eller som en resultat av vissa enzymatiska reaktioner. Dessa ROS kan vara nödvändiga för vissa biologiska processer och fungerar som signalsubstanser i cellerna.
Redoxcykling: Å andra sidan är redoxcykling en process där en kemisk förening växlar mellan två olika former, vanligtvis en reducerad form och en oxiderad (moder) form, i en cyklisk process. Denna cykling kan leda till en överdriven produktion av ROS. Redoxcykling initieras och upprätthålls av den kemiska föreningen själv och är en aktiv process där föreningen upprepat ändrar sin redoxstatus, vilket genererar ROS i överskott. **Detta kan leda till oxidativ stress och skada på celler och vävnader. **
I överdriven ROS-produktion och potentiellt orsaka toxiska effekter. Redoxcykling är därför ofta en mekanism genom vilken vissa ämnen blir toxiska.
Paraquat kan vara i två olika oxidationstillstånd: paraquat (2+) och paraquat (1+). Dessa två former är i en redoxbalans, och paraquat kan interagera med molekyler som har elektroner att donera eller ta emot. **Paraquat fungerar som en oxidationsmedel (tar emot elektroner) och kan omvandlas till paraquat (1+). **
Denna redoxcykling av paraquat är en viktig del av dess toxicitet. När paraquat kommer i kontakt med biologiska system, kan det ta upp elektroner från andra molekyler och därigenom producera reaktiva syreradikaler, som kan orsaka oxidativ stress och skada på celler.
Huvudsteg 1 – Delivery
Peroxynitrit
Huvudsteg 1 – Delivery
Peroxynitrit kan reagera med DNA och flera intracellulära komponenter. Kroppen kommer försöka att detoxifikera.
**SOD: endogena processer som kan skydda oss mot toxiner. SOD är inducerbara. **
**Väteperoxid inte bra för cellen. Men är mindre toxisk. **
**Fenton reaktion: Använder väte och är beroende av tungmetaller och järn.
**Väte + järn —> Fenton reaktion kan ske spontant, där vi får reduktion **
**Järn går från 2 till 3 värde —> genererar 2 olika hydroxider som är mer toxisk än O2 **
Hydroxylradiklar är mer toxiska än O2 alltså. **
Peroxynitrit kan vara involverad i komplexa reaktionsvägar som kan generera hydroxylradikaler (*OH) i närvaro av väteperoxid (H2O2) och järn (Fe2+ eller Fe3+). Denna process är en del av reaktiva syrespecies (ROS)-relaterad oxidativ stress.
Omvandlingen av peroxynitrit (ONOO-) till kolat (CO3-) och kvävedioxid (NO2):
I denna reaktion bildas kvävedioxid (NO2) och kolat (CO3-) radikaler. Kolatradikalen är en kraftfull oxidant och kan också delta i reaktioner som kan påverka cellers och vävnaders hälsa.
Huvudsteg 1 – Delivery
Detoxifiering
3 vägar
Huvudsteg 1 – Delivery
Detoxifiering av fria radikaler, särskilt superoxid-anjonradikalen (*O2-) och väteperoxid (HOOH), är en viktig mekanism i kroppen för att förhindra toxisk påverkan, eftersom dessa radikaler annars kan omvandlas till ännu mer reaktiva föreningar som kan skada celler och biomolekyler
Hur detoxifieringen av superoxid-anjonradikalen och väteperoxiden sker med hjälp av olika enzymer:
Superoxid dismutaser (SOD): SOD är högkapacitetsenzymer som finns** i cytosolen och mitokondrierna**. Deras huvudsakliga funktion är att konvertera superoxid-anjonradikalen (*O2-) till väteperoxid (HOOH). Detta är ett steg i detoxifieringsprocessen.
Från HOOH —> 3 olika steg:
Via Glutationperoxidas: Glutationperoxidas (GPX): GPX är ett enzym som finns** i cytosolen och mitokondrierna**. Det fungerar genom att reducera väteperoxid (HOOH) med hjälp av 2 glutation (GSH) till att bilda glutathiondisulfid (GSSG).
Via Peroxiredoxiner (Prx): Prx är en annan typ av enzym som finns i cytosolen, mitokondrierna och endoplasmatiska retikulum. Prx kan också reducera väteperoxid (HOOH) genom att använda en katalytisk tiolgrupp (-R-S-H) och omvandlar den till en sulfenisk syragrupp (-R-S-OH). Denna sulfeniska syra reagerar sedan med en annan tiolgrupp på Prx för att bilda vatten (HOH) och Prx-disulfid (PrxS2).
2 tioler blir till svavel
**Båda Glutationperoxidas och Peroxiredoxiner kan mättas —> Vi har max kapacitet. **
Via Katalas (CAT): Katalas är ett enzym som finns i peroxisomer. Dess huvudsakliga roll är att reducera väteperoxid (HOOH) till vatten och syre, vilket är en viktig del av detoxifieringen av HOOH. Katalas mättas inte på samma sätt (Då den finns i hög konc.)
Av alla 3 systemen ovan blir resultatet alltså att kan vi generar 2 vattenmolekyler.
Huvudsteg 1 - Delivery
- Exkretion
Huvudsteg 1 - Delivery
- Exkretion – Utsöndring av ämnet från den fysiologiska enheten
Likt elimination
– Samma fysiologiska processer som för absorption men tvärtom (med vissa undantag)
**Faktorer som främjar utsöndring: stora, hydrofila molekyler. **
Exkretionsvägar beroende på ämnets egenskaper: Hur ett toxiskt ämne elimineras från kroppen beror på dess fysikokemiska egenskaper.
Vattenlösliga ämnen som är joniserade elimineras effektivt av njurar och lever. Transportörer i lever och njurar specialiserar sig på att utsöndra och öka utsöndringen av vattenlösliga organiska anjoner eller kationer. Endast vattenlösliga ämnen är lätt excreted i urin eller galla.
Lipofila (fettlösliga) ämnen absorberas lätt genom transcellulär diffusion och elimineras vanligtvis långsamt, vilket kan leda till ansamling i kroppen vid upprepad exponering. Biotransformation kan underlätta eliminering, men även andra processer såsom gallutsöndring (i lipid- eller fosfolipidmiceller), direkt utsöndring i tarmens innehåll och eliminering i mjölkfetter i bröstkörtlar kan förekomma. **Vissa flyktiga lipofila ämnen diffunderar genom lungkapillärerna och elimineras i utandningsluft. **
Vissa toxiska ämnen kan återabsorberas efter de första elimineringsskeden, vilket kan öka den totala exponeringen för ämnet. Återabsorption i njurarna är pH-beroende, och en sur urinmiljö gynnar återabsorption av svaga syror, medan alkalisk urinmiljö gynnar återabsorption av svaga baser. Justering av urinens pH kan användas för att öka eller minska exkretionen av vissa ämnen.
Enterohepatisk cirkulation: Vissa ämnen utsöndras i galla och passerar sedan in i tarmen, där de kan återabsorberas innan de går tillbaka till levern och utsöndras igen. Detta kallas enterohepatisk cirkulation och är särskilt vanligt med glukuronidkonjugat eftersom de utsöndras i galla och hydrolyseras av tarmmikroorganismers β-glukuronidasaktivitet, och de resulterande aglykonerna återabsorberas. Enterohepatisk cirkulation är särskilt viktig för gallsyrehemostas, där nästan 95% av gallsyror i tarmen återvänder till levern.
Huvudsteg 1 - Delivery
Återabsorption
Kan man påverka?
Huvudsteg 1 - Delivery
Återabsorption
Kan man påverka?
Vi kan exkretera ämnen, via urin, feces, bröstmjölk och utandning. ELLER Bröstmjölk.
Efter födelse (Puerperium) —> Kvinnor som är högt kontaminerade med miljögifter —> Skickar giftet till barn
Ur ett farmakologiskt perspektiv vill man kanske minska extraktion för att ha längre effekt. Men gällande toxikologi vill vi egentligen öka exkretion för att bli av med toxikanten ur den fysiologiska enheten.
Låga doser av vissa ämnen kan leda till toxiska effekter på grund av enterohepatisk cirkulation. Vid låga doser kan enterohepatisk cirkulation förlänga tiden som ämnet är närvarande i kroppen, och detta kan öka dess biotillgänglighet och potentiellt orsaka toxiska effekter, även om själva doserna är små.
Bikarbonat med vin —> Göra urin basisk —> Mer antibiotika
Ultimate toxicant
Ultimate toxicant = den aktiva formen av toxikanten. Den aktiva formen av ett giftigt ämne, så refererar det till den mest potenta eller skadliga formen av ämnet som kan orsaka skada på en biologisk organism. Det kan vara det ursprungliga ämnet i sin rena form, eller en metabolit eller en specifik kemisk form som bildas inuti kroppen eller i en biologisk miljö efter exponering.
Är molekylspecifikt
Vissa toxikanter kan vara Ultimate toxicant som:
- Modersubstans: Det ursprungliga giftiga ämnet eller kemikalien kan vara den “ultimate toxicanten” om det i sin ursprungliga form är den mest potenta och skadliga för organismen.
- Metabolit: I vissa fall kan en metabolit, det vill säga en kemisk förening som bildas som ett resultat av ämnesomsättning eller biotransformation av det ursprungliga ämnet, vara den mest giftiga formen. Denna metabolit kan vara mer reaktiv eller skadlig än det ursprungliga ämnet.
- ROS: Vissa toxiska effekter kan vara resultatet av reaktiva syrespecies som genereras som ett resultat av ämnesomsättning eller reaktioner i kroppen. Dessa reaktiva syrespecies kan orsaka oxidativ stress och skador på celler och biomolekyler.
- Endogena substanser: I vissa fall kan även ämnen som normalt finns i kroppen och har en fysiologisk roll (till exempel hormoner eller neurotransmittorer) vara “ultimate toxicants” om de överproduceras eller om deras normala reglering är störd, vilket kan leda till toxiska effekter.
Huvudsteg 2 – Interaktion med målmolekyl
Huvudsteg 2 – Interaktion med målmolekyl
Ultimate toxicant måste integrera med målmolekyl. Toxicitet initieras av en reaktion mellan “ultimate toxicant” (den mest potenta eller skadliga formen av ämnet) och dess målmolekyl, med efterföljande händelser som leder till dysfunktion eller skada.
Målstrukturer/molekyler för en toxikant kan vara:
* Receptorer
* Enzymer
* DNA
* Lipider
Interaktion med målmolekylen som avgör om den är associerad med eller ansvarig för toxicitet är dess förmåga. Egenskaper hos målstrukturen/molekylen:
*** Reaktivitet: (1) reagera med målet och påverka dess funktion negativt
* Kritisk koncentration: (2) nå en effektiv koncentration vid målplatsen
* Förändrad funktion: (3) förändra målet på ett sätt som är mekanistiskt relaterat till toxiciteten. **
Funktionen behöver inte alltid bli lägre —> Kan bli höger (Gain of function)
Huvudsteg 2 – Interaktion med målmolekyl
Icke-kovalent bindning
Huvudsteg 2 – Interaktion med målmolekyl
**Icke-kovalent bindning: reversibel (Vätebindningar och jon-jon bindningar) **
* Stryknin till glycinreceptorer via jonbindningar
* Warfarin till 2,3-epoxide reduktas
Denna typ av bindning involverar bildandet av väte- och jonbindningar mellan toxicanten och dess målmolekyler. Denna typ av bindning är vanligtvis reversibel på grund av de lägre bindningsenergierna.
**Kovalent bindning: icke-reversibel (Elekrofil och nukleofil del)
* Ofta sker reaktionen till thiolgrupper i proteiner (SH) **
Kovalenta addukt bildas ofta med elektrofila toxicanter eftersom de reagerar med nukleofila atomer i proteiner och nukleinsyror.
**Väteabstraktion: **
*** Fria radikaler stjäl H från ex thioler -> thiolerna är nu radikaler
* Om H tas bort från fettsyror -> lipidradikaler -> lipid perodixation **
Hydrogen Abstraction (Väteabstraktion): Neutrala fria radikaler kan enkelt abstrahera väteatomer från endogena föreningar och omvandla dem till radikaler.
**Elektronöverföring **
*** Ex Fe2+ -> Fe3+ (Peroxynitrit och Fenton reaktion)
Fe 3+ + Hemoglobin: MetHb —-> Minskad förmåga av hemoglobin att binda syre. **
Electron Transfer (Elektronöverföring): Vissa kemikalier kan oxidera järn (Fe2+) i hemoglobin till Fe3+, vilket producerar metHb med nedsatt syrebärande förmåga. Andra ämnen, som nitrit, kan oxidera järn i hemoglobin.
Enzymatiska reaktioner: Förhindra exocytos
* Botulinumtoxin: Zn-proteas förhidrar frisättning av Ach. Effekt? Effekt är paralys
Enzymatiska reaktioner: Vissa giftiga ämnen innehåller enzymer som kan orsaka toxicitet genom att bryta ned många biomolekyler. Exempel inkluderar proteaser i ormgifter. Dessa olika typer av reaktioner kan ha olika mekanismer och effekter på kroppen.
Botulinumtoxin är ett Zn-proteas, vilket innebär att det är ett enzym som bryter ned proteiner som är involverade i frisättningen av acetylkolin. Botulinumtoxin bryter specifikt ner proteiner som är viktiga för dockningen och fusionen av acetylkolin-vesiklar med nervcellens membran.
Genom att hämma de proteiner som är nödvändiga för vesikeldockning och frisättning av acetylkolin förhindrar botulinumtoxin effektivt nervcellen från att frisätta acetylkolin i tillräcklig mängd för att initiera muskelkontraktion.
De förhindrar dockningen.
