Az idegrendszerre ható toxikus fémionok I.
description
Transcript of Az idegrendszerre ható toxikus fémionok I.
Az idegrendszerre ható toxikus fémionok I.
HIGANYHIGANY
Hg0; szervetlen Hg (Hg22+, Hg2+), szerves Hg (MeHg)
Behatás: ipar, mezőgazdaság (szerves vegyületek); elektromos ipar,
arany extrakció, fogászat (elemi Hg)
Hg0: illékony – neurotoxikus
Hg0, HgX, MeHg: oldódik apoláros oldószerekben
Szervetlen Hg: vesében tárolódik
Szerves Hg: könnyen eljut az agyba
Toxicitási sorrend: Hg0 < Hg2+ < RHg+
Minamata öböl (1948-60) higanytartalmú
katalizátor szennyezte az öböl vizét →
súlyos mérgezések → alapos vizsgálat
Az idegrendszerre ható toxikus fémionok II.
A Hg neurotoxicitásának molekuláris mechanizmusa:
Toxicitás oka:
kovalensen köt fehérjék Cys-tiolát csoportján, ill. nukleotidok bázis-N
donoratomjan
(1) A Hg kölcsönhatása a neuron membránnal és beavatkozása a Ca2+
homeosztázisba
(2) Fehérje szintézis gátlása: a sejtek energia ellátó rendszerének
megzavarása
(3) Szabad gyök generálási (pl. ROS) mechanizmusok
(4) Foszforilációs/defoszforilációs reakciók módosítása
Enzimatikus Hg méregtelenítés:
szerves Hg liáz: RHgX + H+ + X– → RH + HgX2
higany reduktáz: Hg(SR)2 + NADPH + H+ → Hg0 + NADP+ + 2 RSH
ALUMÍNIUMALUMÍNIUM
Behatás: savas esők által megnövekedett Al terhelés az egyébként rosszul oldódó
kőzetekből, természetes vizek, ivóvíz
Idegrendszeri elváltozások: dialízis demencia, Alzheimer-kór (AD)
Kölcsönhatás az idegsejtek sejten belüli (kórosan) túlfoszforilált neurofibrilláris
fonadék fehérjéivel, ill. a sejten kívüli térben képződő amiloid fehérjéivel, ami a
neuronok kóros hidrolitikus pusztulásával (annak fokozódásával) jár. → Kockázati
tényező az AD-ben.
Az idegrendszerre ható toxikus fémionok III.
ÓLOMÓLOM
Behatás: festékek, akkumulátoripar, ólomkristály, porcelánmáz, üzemanyag
adalék (volt), nyomdászat (volt), bányászat (volt)
Szerves Pb vegyületek: áthatolnak a vér-agy gáton → károsítják az idegrendszert
(paralízis, koordinációs-zavar, görcsök)
Szervetlen Pb2+: Ca2+csatorna inhibiálása, Ca-ATPáz inhibiálása; intracelluláris
Ca2+ egyensúly megbontás, biofehérjék funkciójának (pl. kalmodulin, kinázok,
glutamin szintáz) gátlása; neurotransmitter felszabadulás blokkolása
Az Al3+ koncentráció a nyers és a kezelt vizekben
ALUMÍNIUMALUMÍNIUM
Az Al3+ felszívódásában szerepe lehet: [Al-citrát][Al-citrát]00
Képződési pH-tartomány: pH = 2 – 5
Endogén képződhet
Felszívódás: gyomor-bél traktus
Feltételezett kötésmód:
[Al(maltoláto)[Al(maltoláto)33]]00
Képződési pH-tartomány: pH = 6 – 8
Exogén képződhet
Maltol: sütőipari adalék
Feltételezett kötésmód:
COO-
O-HOOC
COO-
Al3+
O
O
O-
O
O
O-
OO
O-Al3+
Az Al3+ transzportja
PLAZMAPLAZMA VÉRSEJTVÉRSEJT
0,1 mM citrát (CI) 2-4 mM 2,3-difoszfo-glicerát (DPG)
0,03 mM transferrin (TF)
Látszólagos stabilitási állandók fiziológiai pH-n:
Fe(III)–TF: 22,7 & 22.1Al(III)–TF: 12,9 & 12.3 Al(III)–DPG: 12,5Al(III)–CI: 12,4
COO-
OHHOOC
COO-
citrát:
-OOC
OPO32-
OPO32-
DPG: TF:
2 His-N3 Tyr-O1 karbonát
NUKLEINSAV NUKLEOTID-FOSZFÁT
Foszfát bázicitáspK < 1 pK ~6
Látszólagos stabilitási állandók fiziológiai pH-n
lgK(Al) < 5,6 lgK(Al) ~10,8
N
NN
N
NH2
O
HO
HH
HH
PO
O-
HON
NN
N
NH2
O
HO
HH
HH
PO
O-
O
O-
N
N N
N
NH2
O
H OH
H H
H H
O P
O
O-
O P
O
O-
O P
O
O-
O-
Az Al3+ toxicitásának valószínű okai
Ca(II)Ca(II) Al(III)Al(III) Mg(II)Mg(II)
1,12 A 0,54 A 0,72 A
köbös oktaéderes oktaéderes
tetraéderes
a kötési hely
jelentős kismértékű
átrendeződésére van szükség
o o o
L(Ca3(PO4)2)) << L(AlPO4)
csont rendellenesség
K(Al-ATP) >> K(Mg-ATP)
Mg-aktivált enzimek blokkolása
107
ÓNÓN
Behatás:
szerves Sn-vegyületek, műanyagipar, mezőgazdaság (rovar- és gombaölőszerek)
A vegyületek polaritása alapvető a felszívódásukban és felhalmozódásukban
(→ toxicitásukban): a tri- és diszubsztituált származékok a legtoxikusabbak
TET > TMT > DMT > DBT > TBT
A mono- és tetraorganoón származékok sokkal kevésbé toxikusak (túl polárisak,
ill. nem polárisak), de egymásba átalakulhatnak (bialkileződés, dezalkileződés).
Metal ion chelators in the Therapy for Alzheimer’s Disease (AD)
Neurodegenerative disorders ― misfolded proteins
• (A) Alzheimer’s disease: arrowhead, intracellular neurofibrillary tangles; arrow, extracellular amyloid plaque.
• (C) PrPSc amyloid deposition in prion disease. • (D) Multiple Lewy bodies in a nigral neuron in Parkinson’s disease. • (E) Neuronal intranuclear inclusions of mutant ataxin-3 in Huntington
disease.
Kozlowski et al., Chem. Rev. 2006, 106, 1995-2044
Amyloid cascade hypothesis
Faller et al., Dalton Trans. 2009, 1080-1094
Mechanism of fibril formation
The first step (upper box) is the formation of an amyloidogenic intermediate via the partial unfolding of the native state (1) or via partial folding of otherwise naturally unfolded species (2). The second step is the self-association of the amyloidogenic intermediates, which eventually leads to the formation of amyloid fibrils (lower box). The amyloidogenic intermediates have a high tendency to aggregate and become stabilized by the formation of intermolecular β-sheets. Small oligomers are formed initially that act as nuclei to direct the further growth of aggregates (Here the nucleus is for simplicity shown as a dimer). This growth leads to the formation of higher order oligomers referred to as prefibrillar aggregates (PA). These aggregates convert into protofilaments (P) directly or indirectly, and finally into mature fibrils (F). Such fibrils usually consist of two to six protofilaments that are often twisted around each other to form a ropelike structure.
Kozlowski et al.,Chem. Rev. 2006, 1985-2044
Metal binding of A peptides
Faller et al., Dalton Trans. 2009, 1080-1094
Model for the metallobiology of β-amyloid in Alzheimer’s Disease
Bush, Trends in Neurosciences, 2003, 207-214
Chelation as a potential therapeutic way in AD
Stability of metal chelator complexes is limited from both sides
• Stability should be strong enough to compete with the metal binding
affinity of the Aβ;
Kd Cu(Aβ) ~ 10 pM -100 nM; Zn(Aβ) ~ 100 nM
• Stability should not be high enough to withdraw metal ions from
essential metalloproteins.
Kd should be 1-10 pM for Cu(II) and 10 nM for Zn(II)
Metal ion chelators for AD therapy
Orvig et al., Dalton Trans., 2009, 3034–3043
Our chelator molecules for therapy in the Alzheimer’s Disease
• The ligands studied: derivates of TPEN (used to monitor cell Zn(II) level); too stable → toxic
• ENDIP: ½ of TPEN• DMAP: ¼ of TPEN
NN
CH3
H
N-methyl-1-(piridine-2-yl) methaneamine
DMAP
NN
C
H
N-methyl-1- -2-yl) methaneamine
DMAP
N NN N
N
N
TPEN
N NN N
N
N
N
N N
N
H H
ENDIP
N
N N
N
H H
N1,N2-bis(pyridine-2-yl-methyl)ethane-1,2-diamine
N,N,N’,N’-tetrakis(2-pyridylmethyl)
ethylenediamine
Spectrofluorimetric measurements
Fluorescence measurements were carried out to detect the
effectiveness of the chelators to reduce the metal ion induced
aggregation of amyloids.
Solutions contained 50 μM Aβ(1-40) at 1:1 metal to ligand ratio
and different concentrations of the chelators (EM = 280 nm, EM
= 312 nm)
Cu(II)
0
200
400
600
800
1000
Amyloid +Cu +1/2 eqv.chelator
+1 eqv.chelator
+2 eqv.chelator
Flu
ore
scencein
tensity(
a. u.) ENDIP DMAP
0
200
400
600
800
1000
Amyloid +Cu +1/2 eqv.chelator
+1 eqv.chelator
+2 eqv.chelator
Flu
ore
scencein
tensity(
a. u.) ENDIP DMAP
In the presence of Cu(II) the intrinsic fluorescence intensity of Aβ is
reduced by ~ 50 %. DMAP had no effect on the fluorescence quenching
caused by Cu(II). When 1 eq. of ENDIP was added, ~ 90 % of the initial Aβ
fluorescence was regained indicating that ENDIP was able to displace Aβ
from the coordination sphere of Cu(II).
Zn(II)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Amyloid +Zn +1 eqv. chelator
+10 eqv. chelator
Flu
ore
scen
cei
nte
nsit
y(a. u
.)
ENDIP DMAP
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Amyloid +Zn +1 eqv. chelator
+10 eqv. chelator
Flu
ore
scen
cei
nte
nsit
y(a. u
.)
ENDIP DMAP
The amount of the soluble Aβ was considerably lower in the presence of
Zn(II). ENDIP significantly lowered the Zn(II)-induced aggregation through
chelation of the metal ion. At a 10 fold excess of ENDIP, the same
fluorescence intensity was measured than in the case of Aβ alone. DMAP
had practically no effect on the aggregation.
Predominant at metal ion excess Kd = 10.5 pM [Cu(II)]
(Namino, Namide, Nim) binding mode Kd = 2.2 μM [Zn(II)]
[ML] complex is favoured in equimolar solution
(Namino, Namide, 2 Nim) binding mode, macrochelate formation
H2O OH2
OH2
OH2
MNH2
N
N
NH
HCCH2
CH2CO
H2O
H2OM
H2N
N
N
NH
CHCH2
CH2 CO
C
O
NH CH (CH2)4 C
O
HN
MANGÁNMANGÁN
Behatás: acélipar (Mn, mint ötvöző), szárazelem gyártás (MnO2/NH4Cl/Zn),
bányászat, kohászat, üzemanyag adalék (ciklopentadienil-Mn-(CO)3)
• Parkinson-kórhoz hasonló tünetegyüttes• Csökkent dopaminszint a Mn érc bányászoknál
Közös alap: a Mn2+ beavatkozik a biogén aminok oxidatív lebomlásába
A Mn mint változó oxidációs állapotú fémion alkalmas erre; fokozza a szabad
gyökök képződését, ami a lipid peroxidációt gyorsítja és citotoxicitást
eredményez.
Nem ilyen egyszerű a kép, mert az Pb2+ és Mn2+ fokozott neurotoxicitást
mutat.
A légzési rendszeren keresztül ható fém mérgezések
A belélegzett anyagok: fémgőzök; fémoxid, fémsó részecskék
Meghatározó tényezők: koncentráció, levegőáram, részecskeméret, a
lerakódás regionális eloszlása, felületi borítottság, légzési problémák
• orr-garat szakasz: ≥ 5 m részecskék lerakódása kiülepedés révén
• légcső-hörgői szakasz: 1-5 m részecskék lerakódása kiülepedés révén
• tüdőtér: <0,5 m részecskék lerakódása diffúzió révén
A tüdő védekező mechanizmusa
Légcső-hörgői ürítés: a hörgők falát borító nyálka felfelé áramló
mozgásával magával ragadja a lerakódott részecskéket és a részecskékkel
telített makrofágokat, melyek a nyelőcsőn át a gyomor-bél traktuson
keresztül távoznak. Két fázisban játszódik le: (1) 12-24 óra alatt (2) ~10 nap
Ürítés a tüdőből:
• a tüdő falósejtek fagocitálják a részecskéket és a nyálkaáram a légcsőn
keresztül üríti
• a részecskék a sejtközi térben fagocitálódnak és a nyirokrendszeren
keresztül ürülnek
• a részecskék felületi oldódás révén a vér- vagy a nyirokáramban ürülnek
A tüdő károsodása
Ismétlődő, folyamatos behatás a tüdő károsodását idézheti elő.
• Obstruktív (szűkítő) tüdőbetegségek: csökkent levegő kifújási sebesség,
gáz visszamaradás a hörgőkben, hörgőtágulás (Pt, Cr, Co sók, asztma)
• Restriktív (korlátozó) tüdőbetegségek: a tüdőtérfogat csökken, teljes
kapacitás csökkenése, tüdőszövet keményedik, a szövetek károsodnak
(azbesztózis, szilikózis, stb.)
Fém Veszélyeztetett foglalkozási körök
Alumínium Al iparban dolgozók („potroom” asztma)
Króm Cr galvanizálóban dolgozók, rozsdamentes acél-hegesztők
Nikkel-szulfát Ni galvanizálóban dolgozók, hegesztők
Nikkel-karbonil Ni galvanizálóban dolgozók, hegesztők, vegyészek
Kálium-kromát/dikromát Cr munkások, cement munkások
Platina sók Pt finomító munkás
Klórplatina savak Pt finomító munkás, vegyészek
Vanádium Kazántisztítók, turbinatisztítók
Az érrendszerre és a vérképző rendszerre ható
mérgezések
Behatás:
• Endogén: az erek meszesedése
• Exogén: As3+, Pb2+, Cd2+, magas vérnyomás
Oldhatatlan kalcium-sók kiválása az idővel oxidáció révén ionosabbá váló érfal
kalcifikációs helyein.
AsAs33+ hatása: az érfal permeabilitására hat. Glutation védőhatást fejt ki.
PbPb22+ hatása: aktiválja az érfal összehúzódását végző simaizmok működésében
résztvevő protein kináz-C enzim foszforilációját.
CdCd22+ hatása: nem világos; zavar a Cd indukálta szerv specifikus metallotionein
szintézisben, ami a méregtelenítést végezné
Az érrendszerre és a vérképző rendszerre ható
mérgezések• A fémek károsító hatásukat a csontvelőre vagy a vér alkotóelemire,
elsősorban a vértestekre fejtik ki.
• Csontvelő: a vérképzés csökken vagy leáll → anémia,vérszegénység
• Vértestek: vérsejtképződés inhibíciója, hemoglobin tartalom csökkenés
(gyengülő O2 megkötés → hipoxia)
Az érrendszerre és a
vérképző rendszerre
ható mérgezések
Cd:Cd: akut és krónikus toxicitás → nekrózis
karcinogén
• A toxicitás mechanizmusa: kölcsönhatás létfontosság biomolekulákkal
RS– > RPO– > RCl– > RCOO–
Védekezés: Cd indukálta metallotionein szintézis és megkötés (glutation)
• Biomolekulák: cytP450, transzmembrán Ca2+ transzport, oxidatív foszforiláció,
kalmodulin-Ca, kinázok, Ca2+/Mg2+-ATPáz
• Antagonizmus létfontosságú fémionokkal:
Mg2+, Ca2+, (Zn2+): DNS
Zn2+, Cu2+: alkohol-dehidrogenáz, karboxi-peptidáz, szénsav-anhidráz, SOD, cytP450
A májat és vesét károsító mérgezések
MÁJ, VESE:MÁJ, VESE: A szervezet fő kiválasztó szervei. Sok toxikus anyag, köztük fémek
bioátalakulásának és kiválasztásának helyei.
As:As: akut és krónikus toxicitás (szervetlen As) → gyomorfájás, véres vizelet,
sárgaság
karcinogén
arzenit toxikusabb, mint az arzenát
• A toxicitás mechanizmusa:
kölcsönhatás RS–-csoporttal
foszfát helyettesítés enzimkatalizált reakciókban
glükóz metabolizmus megzavarása
• Antagonizmus szelénnel
• A glutation befolyásolja a szervetlen As kiválasztást.
A májat és vesét károsító mérgezések
A fémek kiválasztásának fő szerve: nagy számú sejt, kiterjedt belhám sejtfelület,
nagy véráram → nagy ultraszűrő képesség.
(nem specifikus, „passzív” kiválasztás koncentráció gradiens irányába)
Hordozó-közvetített kiválasztás koncentráció gradiens ellenében – oxidatív
foszforiláció függő.
A toxicitás mechanizmusa ugyanaz, mint ami a máj károsodása esetén:
kölcsönhatás létfontosságú biomolekulákkal → csökkenő számú sejt, fajlagosan
növekvő toxikus anyag, nekrózis, növekvő sérülékenység → vesegyulladás,
fehérje a vizeletben.
Mérgező fémionok: Cd, Pb, Hg, Cr, Au, ciszplatin (a karboplatin nem), U
A vesét károsító mérgezések
Nagyon összetett rendszer – minden odakerül – szinte lehetetlen
szétválasztani a sok komponens egyedi hatását.
A gyomor nyálkahártyáját sértő fém vegyületek (korrozív tulajdonságúak):
As, Hg, Pb (Sb, Ba, B, Cu Th) → fekély kialakulása, gyomorvérzés (ólom-
kólika, festők betegség) (felszívódva más szervet károsítatnak)
A gyomor-bél rendszer rákos megbetegedése: Ni, Cr, azbeszt
A gyomor-bél rendszerre ható mérgezések
Citromsav fokozza az Al felszívódását in vivo. Al-
tartalmú savlekötőt ne citromos üdítővel vegyük be!
A teát inkább tejjel, ne citrommal igyuk.
A gyomor-bél rendszerből való felszívódás lehetősége
[Al-citrát][Al-citrát]00
COO-
O-HOOC
COO-
Al3+
O
O
O-
O
O
O-
OO
O-Al3+
[Al(maltoláto)[Al(maltoláto)33]]00
Koncentráció eloszlási görbék Koncentráció eloszlási görbék (cL = 2 mM; M:L = 1:2)
VO(IV) VO(IV) – – maltol rendszermaltol rendszer VO(IV) – pikolinsav rendszerVO(IV) – pikolinsav rendszer
O
O
OHNO
HO
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
2 3 4 5 6 7 8 9pH
mol
tört
VO
(IV
) VO2+
[VOL]+
[VOL2]
[(VOL(OH))2]
[VOL2(OH)]-
[(VO)2(OH)5]-
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
2 3 4 5 6 7 8 9pH
mol
tört
VO
(IV
)
VO2+
[VOL]+
[VOL2]
[(VOL(OH))2]
[VOL2(OH)]-
[(VO)2(OH)5]-
A bőrt érő károsodások
Sok fém és fémvegyület okoz a bőrrel érintkezve enyhébb vagy súlyosabb
elváltozásokat: bőrgyulladás, fekély, granulóma, bőrrák, allergiás reakciók.
Ni kontakt allergia: ékszerek (bizsu), karóra, fémgombok, stb.
Cr kontakt allergia: cserzett bőr
Nikkel a legfontosabb kontakt allergén; sok háztartási eszköznél,
mindennapi tárgynál (kulcs, pénzérme, fogók) ötvözőanyag vagy védőréteg
→ csökkentik a Ni felhasználását ezen eszközöknél
A bőrt érő károsodások
Fémionok toxikológiája a csontrendszerben
Csontrendszer:Csontrendszer: tárolja a toxikus fémionokat, a keringésbe bekerülő toxikus
fémionok forrása, a toxikus hatás helye
Osteoblast (csontképző) sejtek – osteoclast (csontlebontó) sejtek finoman
szabályozott egyensúlyi működése.
Fiziológiai zavaraiFiziológiai zavarai (Ca anyagcsere)
• terhesség és szoptatás: jelentősen nő a Ca2+ igény (vér, csont, majd sejt)
→ fogékonyság a toxikus fémek felvételére is
• a „csontforgalom” ösztrogén általi leszabályozása: a csontképződés és
lebontás egyensúlya átmenetileg megbomolhat a nőknél a menopausa
idején, ami csontritkuláshoz (osteoporozis) vezethet
CdCd „itai-itai” betegség a legkomplexebb és a legjellemzőbb Cd mérgezés
tünetei: osteoporozis, osteomalacia, vese-elégtelenség, a keringés
összeomlása
Toxikus fémionok beépülése a csontrendszerbe (CdCd, Pb Al)
PbPb fokozódó csontlebontás, csontritkulás, de csontrákot nem okoz
A toxicitás mechanizmusa:
• csontlebontó-szerű sejtek képződését indukálja
• csontképző sejtek képződését gátolja
• alkalikus-foszfatáz működését gátolja
• osteocalcin-hidroxiapatit kölcsönhatását gátolja
Toxikus fémionok beépülése a csontrendszerbe (Cd, PbPb Al)
A szervezet által felvett ólom a csontban akkumulálódik: félidő ~20 év.
A nőknél a csontban tárolt ólom nagyobb mértékben kerülhet a keringésbe a
terhesség, szoptatás és a menopausa után.
PbPb
Toxikus fémionok beépülése a csontrendszerbe (Cd, PbPb Al)
AlAl csontképzési zavar, csontlágyulás, csontgyulladás
A toxicitás mechanizmusa:
• lassítja a kalcifikáció folyamatát (lokalizálódik a mineralizálódási fronton):
kalcifikációs hibahelyeket idéz elő (eltérő geometria: Ca 8-köbös, Al 6-
oktaéderes)
• hat az osteoblast és osteoclast szintézisre is
Toxikus fémionok beépülése a csontrendszerbe (Cd, Pb AlAl)
Érzékenyítő tényezők:
• citrát: fokozza az Al felhalmozódását a csontban és az agyban
• fluorid: fokozza az Al lerakódását a csontban