Ekotoksykologia. Prof. dr hab. Ryszard Laskowski Instytut Nauk o Środowisku UJ Ul. Gronostajowa 7, Kraków pok

Transkrypt

1 Ekotoksykologia Rodzaje substancji toksycznych Mechanizmy toksyczności brona przed intoksykacją, detoksykacja Prof. dr hab. Ryszard Laskowski Instytut Nauk o Środowisku UJ Ul. Gronostajowa 7, Kraków pok

2 Główne grupy substancji toksycznych Pierwiastki chemiczne głównie metale śladowe (np. Zn, Cu, Pb, Cd) Nieorganiczne związki chemiczne azotany (N 3 - ) i azotyny (N2 - ) gazy (S 2, N x, 3 ) detergenty (np. zeolit A, poliwęglany, nadborany NaB 3 4 2, NaB rganiczne związki chemiczne pestycydy (fungicydy, herbicydy, insektycydy) polichlorowane bifenyle (PCB) i inne organohalogenki wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) dioksyny i furany

3 Toksyczność jonów metali białko enzymu właściwy metal centrum aktywne substrat białko enzymu niewłaściwy metal enzym niesprawny substrat prawidłowe białko enzymu metal centrum aktywne substrat białko enzymu o zniszczonej strukturze metal centrum aktywne substrat

4 Toksyczność jonów metali na przykładzie Cd Interakcje z receptorami sygnałowymi Interakcje i zmiany białek kanałowych Interakcje z kinazami i fosfatazami Wpływ na ekspresję genów (np. MT, hsp) Zaburzenia chromosomowe Uszkodzenia DNA Zaburzenia mitochondriów Uszkodzenia błon komórkowych Nekrozy Stres oksydacyjny Zaburzenia homeostazy metali Zaburzenia metabolizmu glutationu (GS)

5 Toksyczność związków nieorganicznych Azotany i azotyny utlenianie hemoglobiny do methemoglobiny prekursory mutagennych i kancerogennych nitrozwiązków S 2, N x, 3 uszkodzenia komórek epidermy upośledzenie fotosyntezy, transpiracji, respiracji zaburzenia funkcji oddechowych leukocytoza, uszkodzenia erytrocytów hamowanie aktywności niektórych enzymów tworzenie wolnych rodników (uszkodzenia DNA) Detergenty rozpuszczanie warstwy lipidowej błon komórkowych

6 Pestycydy organiczne Zoocydy (ok. 10% stosowanych pestycydów) insektycydy (przeciwko owadom) molluskocydy i limacydy (przeciwko ślimakom) namatocydy (przeciwko nicieniom) akarycydy (przeciwko roztoczom) rodentycydy (przeciwko gryzoniom) erbicydy (ok. 60% stosowanych pestycydów) Fungicydy (ok. 20% stosowanych pestycydów) Regulatory wzrostu roślin, defolianty, defloranty, desykanty Baktericydy

7 Pestycydy naturalne: rotenoidy, pyretroidy, nikotyna, karbaminiany C 3 C C 3 R C 3 C C R, R - rodniki alkaliczne np. C 3, -CC 2, -C 2 C 3 C C 3 rotenoidy C 3 C 3 C 3 C C 2 C C 3 pyretryny, pyretroidy R C 3 C N C 3 N N N N nikotyna C 3 C 3 C 3 fizostygmina (karbaminiany)

8 Syntetyczne pestycydy chloroorganiczne DDT C C 3 Lindan Aldryna Dieldryna

9 Syntetyczne pestycydy fosforoorganiczne (C ) N 3 2 (C ) N 3 2 P P N(C ) 3 2 N(C ) 3 2 Szradan (Schradan) C 3 C 3 P S S-C -CN.C 2 3 Dimetoat C 3 C 3 P S S-C-C C Malation C -C C

10 Syntetyczne karbaminiany C 3 N N CN(C ) 3 2 CNC 3 C(C ) 3 2 Isolan Sevin

11 Syntetyczne pyretroidy Br Br R R S CN cis-deltametryna CN cypermetryna CN fenwalerat

12 Syntetyczne pochodne nikotyny - chloronikotynyle N N N N N 2 Imidachloprid powszechnie stosowany insektycyd z grupy chloronikotynyli

13 Inne organiczne substancje toksyczne R R R R R R R R R R polichlorowane bifenyle (PCB) - ogólny wzór - R rodniki podstawiane przez atomy chloru diokysny: 2,3,7,8-tetrachlorodibenzop-dioksyna (2,3,7,8-TCDD) furany: 2,3,7,8-tetrachlorodibenzop-furan (2,3,7,8-TCDF)

14 Przykłady wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) fenantren piren fluoranten benzo(a)piren

15 Toksyczność insektycydów Chloroorganiczne (C) blokowanie działania K + i Ca 2+ -ATPazy uszkodzenie aktywnego transportu jonów zaburzenia fosforylacji oksydatywnej Fosforoorganiczne (P) blokowanie acetylocholinesterazy (AChE) przez fosforylację Karbaminiany blokowanie AChE przez wiązanie się z seryną w miejscu aktywnym enzymu Pyretroidy podobnie jak C: zaburzenia transmisji sygnałów nerwowych Rotenoidy blokada transportu elektronów w mitochondriach Chloronikotynyle agoniści cholinergicznych receptorów nikotynowych

16 końcówka aksonu osłonka mielinowa mitochondrium kanał Ca 2+ acetylocholina kolbki synaptyczne jony Ca 2+ szczelina synaptyczna xx x x x receptory komórka postsynaptyczna p. chloroorganiczne, pyretroidy x p. fosforoorganiczne, karbaminiany rotenoidy chloronikotynyle

17 Związki metaloorganiczne Czteroetylek ołowiu metabolizowany w wątrobie do trietylku ołowiu dysfunkcje neurologiczne Metylortęć powstaje w wyniku metylacji rtęci metalicznej przez bakterie (biometylacja) uszkodzenia systemu nerwowego rganiczne związki cyny trimetylocyna (TMT) i trietylocyna (TET) neurotoksyny tributylek cyny (TBT) silnie toksyczny dla bezkręgowców (ng/l), umiarkowanie dla kręgowców

18 Co oznacza toksyczność Zahamowanie lub zmiana przebiegu naturalnych procesów biochemicznych zachodzących w organizmie zachwianie homeostazy obniżenie sprawności organizmu, np.: obniżenie płodności skrócenie czasu trwania życia wzrost wrażliwości na patogeny spadek sprawności w zdobywaniu energii lub unikaniu drapieżników itp.

19 chrona przed intoksykacją Reakcje behawioralne: wybiórczość pokarmowa, unikanie skażonych środowisk graniczenie konsumpcji pokarmu skażonego przez metale przez ślimaki (elix aspersa L.) -1 Konsumpcja (mg dzień ) Stężenie cynku w pokarmie (mg kg ) -1 Stężenie ołowiu w pokarmie (mg kg )

20 chrona przed intoksykacją - metale kompleks metal-ligand jon metalu ML M n+ błona białkowolipidowa dyfuzja kompleksu metal-ligand jonospecyficzny kanał Transport jonów przez błonę komórkową

21 Selektywne pobieranie metali ze środowiska odrzucenie odrzucenie Me Me-ligand odrzucenie selekcja na błonie organelli transport wewnętrzny inkorporacja do białek komórkowych

22 Selekcja jonów potrzebnych Zróżnicowana stabilność kompleksów ML szeregi stabilności K ML Irvinga-Wiliamsa, np.: Mg 2+ = Ca 2+ < Mn 2+ < Fe 2+ <Co 2+ < Ni 2+ < Cu 2+ < Zn 2+ Rozmiary jonów: mały jon wysoka K ML Kationy 1+ Å Li + 0,60 Na + 0,95 K + 1,33 Rb + 1,48 Cs + 1,69 Kationy 2+ Å Be 2+ 0,40 Mg 2+ 0,65 Ca 2+ 1,00 Sr 2+ 1,13 Ba 2+ 1,35

23 Selekcja jonów potrzebnych c.d. Selekcja z wykorzystaniem zróżnicowania ładunku Zróżnicowana preferencja względem geometrii koordynacyjnej Selekcja względem spinu

24 Detoksykacja jonów metali Metale są nierozkładalne brak możliwości detoksykacji przez rozkład do substancji nietoksycznych konieczność zastosowania innych mechanizmów: wiązanie w nierozpuszczalnych granulach: typ A rezerwy Ca i P, metale z klasy A + Zn i Pb typ B metale z klasy B (Cd, Cu, g) i przejściowej typ C głównie Fe typ D jedyne pozakomórkowe, prawdopodobnie nie odgrywają roli w detoksykacji (magazynowanie Ca)

25 Granule wiążące metale w komórkach Komórki nabłonka jelita u skoczogonka Proisotoma minuta: (a) u zdrowego osobnika; (b) u eksponowanego na Cd; (c) widoczne granule; (d) powiększenie granuli. Nursita, A. I., Singh, B., Lees, E Evaluation of cadmium toxicity to Collembola (Proisotoma minuta) using electron microscopy. SuperSoil, The Regional Institute Ltd

26 Metalotioneiny białka wiążące metale Cu metalotioneina z drożdży Saccharomyces cerevisiae Cd metalotioneina z kraba błękitnego Saccharomyces cerevisiae Metalotioneiny: grupa niskocząsteczkowych białek (ok. 10 kda), bogatych w siarkę (do 30% cysteina)

27 Białka opiekuńcze (chaperony) sp90 eat Shock Protein 90 przyłączona do ADP-Mg sp białka o masie cząsteczkowej ok kda Podstawowa rola: ochrona trzeciorzędowej struktury białek przed denaturacją.

28 Detoksykacja związków organicznych Enzymatyczny rozkład do nietoksycznych lub mniej toksycznych produktów w 2 fazach: Faza I detoksykacji: utlenianie, redukcja, hydroliza lub hydratacja metabolity pośrednie o niższym K ow (UWAGA: błąd w podręczniku!) monooksygenazy o funkcji mieszanej (MF) karboksyloesterazy (CarE) Faza II: sprzęganie grup hydroksylowych ww. metabolitów z glutationem, kwasem glukuronowym, glicyną, siarczanami itp. wydalanie

29 Detoksykacja związków organicznych Faza I hydroliza przez CarE R-CR + 2 R-C + R - Faza II sprzęganie z glutationem przez transferazy S-glutationowe R-X + GS R-GS + X X = itp. MF R-CNC 2 2 R + C + N +C R-CNC 3 karbaminiany esteraza R + C NC 3 2 R + C N + C 3 2 2