1. dia

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) higanytartalmúkatalizátor 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-Ndonoratomjan

(1)A Hg kölcsönhatása a neuron membránnal és beavatkozása a Ca2+homeosztázisba

(2)Fehérje szintézis gátlása: a sejtek energia ellátó rendszerénekmegzavarása

(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 oldódókőzetekből, természetes vizek, ivóvíz

Idegrendszeri elváltozások: dialízis demencia, Alzheimer-kór (AD)

Kölcsönhatás az idegsejtek sejten belüli (kórosan) túlfoszforilált neurofibrillárisfonadék fehérjéivel, ill. a sejten kívüli térben képződő amiloid fehérjéivel, ami aneuronok kóros hidrolitikus pusztulásával (annak fokozódásával) jár. → Kockázatitényező az AD-ben.

Az idegrendszerre ható toxikus fémionok III.

ÓLOMÓLOM

Behatás: festékek, akkumulátoripar, ólomkristály, porcelánmáz, üzemanyagadalék (volt), nyomdászat (volt), bányászat (volt)

Szerves Pb vegyületek: áthatolnak a vér-agy gáton → károsítják azidegrendszert (paralízis, koordinációs-zavar, görcsök)

Szervetlen Pb2+: Ca2+csatorna inhibiálása, Ca-ATPáz inhibiálása; intracellulárisCa2+ egyensúly megbontás, biofehérjék funkciójának (pl. kalmodulin, kinázok,glutamin szintáz) gátlása; neurotransmitter felszabadulás blokkolása

Az Al3+ koncentráció a nyers és a kezelt vizekben

ALUMÍNIUMALUMÍNIUM

[Al-citrát]0Az Al3+ felszívódásában szerepe lehet: [Al-citrát]0

Képződési pH-tartomány: pH = 2 – 5

Endogén képződhet

Felszívódás: gyomor-bél traktus

Feltételezett kötésmód:

[Al(maltoláto)3]0[Al(maltoláto)3]0

Képződési pH-tartomány: pH = 6 – 8

Exogén képződhet

Maltol: sütőipari adalék

Feltételezett kötésmód:

Az Al3+ transzportja

PLAZMAVÉRSEJTPLAZMAVÉRSEJT

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 & 22.1

Al(III)–TF: 12,9 & 12.3 Al(III)–DPG: 12,5

Al(III)–CI: 12,4

citrát:

DPG:

TF:

2 His-N

3 Tyr-O

1 karbonát

NUKLEINSAVNUKLEOTID-FOSZFÁT

Foszfát bázicitás

pK < 1pK ~6

Látszólagos stabilitási állandók fiziológiai pH-n

lgK(Al) < 5,6 lgK(Al) ~10,8

Az Al3+ toxicitásának valószínű okai

Ca(II) Al(III)Mg(II)Ca(II) Al(III)Mg(II)

1,12 A 0,54 A0,72 A

köbösoktaéderesoktaéderes

tetraéderes

a kötési hely

jelentőskismértékű

átrendeződésére van szükség

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’sDisease (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 Huntingtondisease.

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 theformation of an amyloidogenicintermediate via the partial unfolding ofthe native state (1) or via partial foldingof otherwise naturally unfolded species(2). The second step is the self-association of the amyloidogenicintermediates, which eventually leads tothe formation of amyloid fibrils (lowerbox). The amyloidogenic intermediateshave a high tendency to aggregate andbecome stabilized by the formation ofintermolecular β-sheets. Smalloligomers are formed initially that act asnuclei to direct the further growth ofaggregates (Here the nucleus is forsimplicity shown as a dimer). Thisgrowth leads to the formation of higherorder oligomers referred to asprefibrillar aggregates (PA). Theseaggregates convert into protofilaments(P) directly or indirectly, and finally intomature fibrils (F). Such fibrils usuallyconsist of two to six protofilaments thatare often twisted around each other toform 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’sDisease

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 bindingaffinity 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 essentialmetalloproteins.

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’sDisease

•The ligands studied: derivates of TPEN (used to monitor cell Zn(II)level); too stable → toxic

•ENDIP: ½ of TPEN

•DMAP: ¼ of TPEN

methyl

(piridine

yl)

methaneamine

DMAP

methyl

yl)

methaneamine

DMAP

TPEN

ENDIP

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 theeffectiveness of the chelators to reduce the metal ion inducedaggregation of amyloids.

Solutions contained 50 μM Aβ(1-40) at 1:1 metal to ligand ratioand different concentrations of the chelators (EM = 280 nm, EM= 312 nm)

Cu(II)

In the presence of Cu(II) the intrinsic fluorescence intensity of Aβ isreduced by ~ 50 %. DMAP had no effect on the fluorescence quenchingcaused by Cu(II). When 1 eq. of ENDIP was added, ~ 90 % of the initial Aβfluorescence was regained indicating that ENDIP was able to displace Aβfrom the coordination sphere of Cu(II).

Zn(II)

The amount of the soluble Aβ was considerably lower in the presence ofZn(II). ENDIP significantly lowered the Zn(II)-induced aggregation throughchelation of the metal ion. At a 10 fold excess of ENDIP, the samefluorescence intensity was measured than in the case of Aβ alone. DMAPhad practically no effect on the aggregation.

Predominant at metal ion excessKd = 10.5 pM [Cu(II)]

(Namino, Namide, Nim) binding modeKd = 2.2 μM [Zn(II)]

[ML] complex is favoured in equimolar solution

(Namino, Namide, 2 Nim) binding mode, macrochelate formation

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 szabadgyökök képződését, ami a lipid peroxidációt gyorsítja és citotoxicitásteredményez.

Nem ilyen egyszerű a kép, mert az Pb2+ és Mn2+ fokozott neurotoxicitástmutat.

A légzési rendszeren keresztül ható fém mérgezések

A belélegzett anyagok: fémgőzök; fémoxid, fémsó részecskék

Meghatározó tényezők: koncentráció, levegőáram, részecskeméret, alerakódás 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 áramlómozgásával magával ragadja a lerakódott részecskéket és a részecskékkeltelített makrofágokat, melyek a nyelőcsőn át a gyomor-bél traktusonkeresztül 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 légcsőnkeresztül üríti

• a részecskék a sejtközi térben fagocitálódnak és a nyirokrendszerenkeresztül 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, teljeskapacitás csökkenése, tüdőszövet keményedik, a szövetek károsodnak(azbesztózis, szilikózis, stb.)

Az érrendszerre és a vérképző rendszerre hatómérgezések

Behatás:

• Endogén: az erek meszesedése

• Exogén: As3+, Pb2+, Cd2+, magas vérnyomás

Oldhatatlan kalcium-sók kiválása az idővel oxidáció révén ionosabbá váló érfalkalcifikációs helyein.

As3As3+ hatása: az érfal permeabilitására hat. Glutation védőhatást fejt ki.

Pb2Pb2+ hatása: aktiválja az érfal összehúzódását végző simaizmok működésébenrésztvevő protein kináz-C enzim foszforilációját.

Cd2Cd2+ hatása: nem világos; zavar a Cd indukálta szerv specifikus metallotioneinszintézisben, ami a méregtelenítést végezné

Az érrendszerre és a vérképző rendszerre hatómérgezések

• A fémek károsító hatásukat a csontvelőre vagy a vér alkotóelemire, elsősorbana vértestekre fejtik ki.

• Csontvelő: a vérképzés csökken vagy leáll → anémia,vérszegénység

• Vértestek: vérsejtképződés inhibíciója, hemoglobin tartalom csökkenés(gyengülő O2 megkötés → hipoxia)

Az érrendszerre és avérképző rendszerreható 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 fémekbioátalakulásának 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 reakciókbanglükóz 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 – oxidatívfoszforiláció függő.

A toxicitás mechanizmusa ugyanaz, mint ami a máj károsodása esetén:kölcsönhatás létfontosságú biomolekulákkal → csökkenő számú sejt, fajlagosannövekvő 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 lehetetlenszétválasztani 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]0[Al-citrát]0

[Al(maltoláto)3]0[Al(maltoláto)3]0

Koncentráció eloszlási görbék Koncentráció eloszlási görbék (cL = 2 mM; M:L = 1:2)

VO(IV) – maltol rendszer VO(IV) – pikolinsav rendszer VO(IV) – maltol rendszer VO(IV) – pikolinsav rendszer

A bőrt érő károsodások

Sok fém és fémvegyület okoz a bőrrel érintkezve enyhébb vagy súlyosabbelváltozásokat: 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 vagyvédőréteg → csökkentik a Ni felhasználását ezen eszközöknél

A bőrt érő károsodások

Fémionok toxikológiája a csontrendszerben

Csontrendszer:Csontrendszer: tárolja a toxikus fémionokat, a keringésbe bekerülő toxikusfémionok forrása, a toxikus hatás helye

Osteoblast (csontképző) sejtek – osteoclast (csontlebontó) sejtek finomanszabályozott 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 éslebontás egyensúlya átmenetileg megbomolhat a nőknél a menopausaidején, ami csontritkuláshoz (osteoporozis) vezethet