TOXICOLOGIE ORGANICĂ Sem. II 2014 – 2015

Lector dr. Adriana Urdă

Curs 2. Transformarea compușilor organici în organismele vii: expunerea

la compuși organici toxici

Corpul uman poate fi expus diverșilor compuși toxici prezenți în diferite medii ca aer,

sol, apă sau hrană. Totuși, simpla expunere la acești compuși chimici periculoși nu conduce

obligatoriu la un răspuns toxicologic. Corpul mamiferelor are mai multe mecanisme inerente

de apărare și bariere membranoase, care tind să prevină intrarea sau absorbția și distribuția

acestor compuși toxici atunci când se produce expunerea.

Toxicitatea unei substanțe depinde de doză; cu alte cuvinte, cu cât este mai mare

cantitatea de compus chimic intrat în organism, cu atât răspunsul toxicologic este mai

important. În final, însă, nu doza, ci concentrația de compus toxic la centrul (sau centrii) de

acțiune – organ țintă sau țesut țintă (vezi mai jos) – este ceea ce determină toxicitatea.

Odată ce compusul toxic a fost absorbit, moleculele lui se pot deplasa în corp în două

moduri:

- transfer prin fluxurile corpului (ex. în fluxul sanguin)

- transfer difuzional (moleculă cu moleculă, pe distanțe scurte)

Concentrația compusului chimic al centrul de acțiune este proporțională cu doza, dar

concentrațiile la diverse organe pot fi extrem de diferite datorită acestor mecanisme diferite de

transport. Acest lucru se datorează diferențelor în dispoziția compusului chimic (dispoziția

reprezintă fenomenele care urmează după pătrunderea compusului chimic în corp): absorbție,

distribuție, biotransformare și excreție. Trebuie notat faptul că aceste procese pot să aibă loc

simultan. Diferiții factori care afectează dispoziția sunt prezentați în figura 1.

Fig. 1. Căile de absorbție, distribuție și excreție a compușilor toxici în corp.

Căile primare de intrare a compușilor toxici în corpul uman sunt dermică (prin piele),

gastrointestinală și respiratorie. Pielea reprezintă cel mai mare organ al corpului uman, iar una

din funcțiile sale primare este de barieră fizică la absorbția compușilor toxici. Tractul

Ingestie Inhalare Intravenos Intraperitoneal Subcutanat Intramuscular Dermic

Tract

gastrointestinal Plămâni

Ficat

Bilă Rinichi

Vezica

urinară

Plămâni

Alveole

pulmonare

Structuri

secretoare

Fluid

extracelular Grăsime

Organe

Țesuturi

moi Oase

Fecale Urină Aer

expirat Secreții

Sânge și

limfă

2

gastrointestinal și cel respirator oferă o rezistență mai mică la absorbția compușilor toxici

decât pielea (sunt absorbiți mai ușor decât prin piele). În general, căile respiratorii reprezintă

cea mai rapidă cale de intrare, iar pielea cea mai lentă. Motivul principal pentru această

diferență majoră este grosimea membranei, care este distanța fizică dintre dintre mediul

extern și capilarele sanguine, și care variază mult între cele trei căi de intrare în organism.

Compușii toxici trebuie să traverseze una sau mai multe din membrane pentru a-și

exercita efectele dăunătoare într-unul sau mai multe locuri în corp. Excepție fac agenții

caustici și corozivi (acizii, bazele, sărurile, oxidanții), care acționează topic (pe suprafața

pielii sau a unei membrane). Un compus chimic absorbit în fluxul sanguin prin oricare din

cele trei căi este distribuit, cel puțin într-o oarecare măsură, în întregul corp, inclusiv la

centrul unde produce efecte negative. Acest centru este deseori denumit organul țintă sau

țesutul țintă.

Un compus chimic poate avea unul sau mai multe organe țintă și, la rândul lor, mai

mulți compuși chimici pot avea același organ țintă. De ex., benzenul afectează sistemul

hematopoietic (organele și țesuturile cu rol în formarea sângelui, cum sunt măduva osoasă,

splina și țesutul limfatic), iar CCl4 produce leziuni la ficat. Este evident că pentru a produce

un efect toxic direct la un organ, compusul chimic trebuie să ajungă la acel organ.

Pe lângă concentrație, mai mulți factori influențează susceptibilitatea organelor la

compușii toxici. De aceea, organul sau țesutul cu cea mai mare concentrație a compusului

toxic nu este obligatoriu centrul unde se exercită toxicitatea. De ex., insecticidele clorurate,

cum este DDT, au concentrația cea mai mare în depozitele de grăsime ale corpului, dar nu

produc în acel țesut nici un efect toxic cunoscut.

Compușii chimici au diferite proprietăți de difuzie, adică abilitatea de a traversa

bariere difuzionale ne-apoase (de ex. membranele celulare) pornind dintr-un compartiment

apos. Acest lucru implică deplasarea prin mai multe compartimente, separate prin membrane

lipidice. De aceea, este importantă înțelegerea mecanismelor prin care substanțele traversează

membranele, dar și proprietățile fizico-chimice ale moleculelor și membranelor, care

influențează deplasarea compușilor din mediu în corp. Acești factori influențează și

deplasarea de la un compartiment la altul în corp, în timpul distribuției, metabolismului și

excreției.

Farmacocinetica sau toxicocinetica reprezintă determinarea cantitativă a

parcursului compușilor toxici în corp în timpul diferitelor procese de absorbție, distribuție și

eliminare sau curățare (metabolizare și/sau excreție). Acesta este un studiu al felului în care

corpul "se ocupă" de compusul toxic și se reflectă în concentrația toxicului în plasma

sanguină în diferite momente de timp.

Farmacodinamica și toxicodinamica reprezintă studiul efectelor biochimice și

fiziologice ale medicamentelor și compușilor toxici, și determină mecanismul lor de acțiune.

Deoarece cei mai mulți compuși toxici trebuie să treacă prin mai multe membrane

înainte de a-și exercita toxicitatea, vom începe cu o discuție despre câteva caracteristici

generale ale membranelor din corp.

Membranele celulare sunt predominant o barieră lipidică, cu o grosime medie de

aprox. 75 Å. Membrana (vezi figura 2) constă din: (1) un strat dublu de fosfolipide cu partea

hidrocarbonată orientată înspre interior (fază hidrofobă), (2) părțile polare, hidrofile orientate

către exterior (faza hidrofilă), și (3) proteine asociate, perpendiculare pe membrană, care

ajută la transportul unora dintre substanțe prin membrană. Unele dintre proteine sunt

localizate la suprafața membranei, altele traversează membrana, permițând formarea de pori

apoși. Raportul dintre lipide și proteine poate varia mult în funcție de tipul membranei.

Proporția de lipide pe suprafață va influența mult distribuția compușilor toxici în funcție de

lipofilicitatea acestora (solubilitatea în lipide).

3

Figura 2. Reprezentarea schematică a unei membrane biologice. Sferele reprezintă

părțile hidrofile ale lipidelor, liniile în zig-zag reprezintă părțile lor hidrofobe Sferele albe,

negre sau punctate reprezintă diferite tipuri de lipide, iar corpurile mari reprezintă proteinele

asociate membranei.

Fosfolipidele (cunoscute și ca fosfatide) sunt lipide complexe, care conțin în moleculă

o grupare fosfat, doi alcooli (dintre care unul este glicerolul) și unul sau doi acizi grași (vezi

structura moleculei de fosfolipidă de mai jos). La un capăt al moleculei se găsește esterul

format din gruparea fosfat și unul dintre alcooli (de ex. colină); acest capăt este polar (are

sarcini electrice) și este hidrofil. Celălalt capăt, care constă din acizii grași, este neutru și

hidrofob, dar lipofil (solubil în grăsimi). Una dintre cele mai des întâlnite fosfolipide din

membranele celulare este lecitina (fosfatidilcolină).

Stratul dublu lipidic

Moleculă de fosfolipidă

Structura fosfolipidelor

Exemplu de fosfatidilcolină

Roșu – esterul format din colină și fosfat

Negru – glicerol

Verde – acid gras nesaturat (ex. oleic)

Albastru – acid gras saturat (ex. palmitic)

Acizii grași din membrană nu au o structură cristalină rigidă, ci sunt semifluizi la

temperaturile fiziologice. Caracterul fluid al membranei este determinat în mare măsură de

structura și abundența relativă a acizilor grași nesaturați. Cu cât membranele conțin mai mulți

acizi grași nesaturați, cu atât ele sunt mai fluide, facilitând transportul activ sau pasiv mai

rapid.

Proteinele sunt macromolecule biologice, formate prin reacții de policondensare între

fragmente de aminoacizi. Legătura formată prin eliminarea unei molecule de apă între

Parte polară (hidrofilă)

Parte nepolară

(hidrofobă)

4

gruparea amino, - NH2, a unui aminoacid și gruparea carboxil, - COOH, a altui aminoacid se

numește legătură peptidică (– NH – CO – ).

Complecșii formați între proteinele membranei și lipide pot forma canale hidrofobe

sau hidrofile, care permit transportul moleculelor cu caracteristici fizico-chimice diferite.

Natura amfipatică (cu proprietăți atât hidrofile, cât și hidrofobe) a membranei creează o

barieră pentru compușii ionici, puternic polari, deși nu îi exclude complet. Prezența unor pori

de aprox. 4 Å se crede că permite deplasarea cu ușurință a moleculelor mici, cum este apa.

Astfel, anumite molecule (care în mod obișnuit sunt excluse) pot traversa rapid bariera

membranei cu conținut ridicat de lipide.

Diferențele între diferitele tipuri de membrane, cum ar fi prezența lipidelor diferite,

cantitatea de lipide pe suprafață, diferențele între mărimea și forma proteinelor, sau

caracteristicile fizice ale legăturilor, pot produce diferențe de permeabilitate între membrane.

Aceste diferențe biochimice și biofizice sunt responsabile pentru diferențele de permeabilitate

ale pielii în diferite regiuni anatomice ale corpului.

Un compus toxic poate trece printr-o membrană prin unul din cele două procese

generale: - transport pasiv (difuzie conform legii lui Fick) în care celula nu consumă energie

- transport specializat, prin care celula oferă energie pentru a transporta compusul

toxic prin membrană.

Transportul pasiv. Cei mai mulți compuși toxici traversează membranele prin difuzie

simplă, de la o concentrație mai mare la una mai mică. Forța conducătoare este gradientul de

concentrație (diferența dintre concentrații) de o parte și de alta a membranei. În final

concentrația compusului toxic este aceeași de ambele părți ale membranei (se stabilește

echilibrul).

Moleculele hidrofile mici (până la mase molare aprox. egale cu 600) pot traversa

membranele prin porii apoși, în timp ce moleculele hidrofobe traversează prin domeniul

lipidic al membranelor. Cu cât o moleculă hidrofilă este mai mică, cu atât mai ușor va traversa

membranele prin difuzia simplă prin porii apoși. De ex., etanolul este absorbit rapid din

stomac și intestin și apoi este distribuit la fel de rapid în corp, prin difuzie simplă din sânge în

toate țesuturile.

Majoritatea compușilor toxici constau din molecule organice mai mari, cu grade

diferite de solubilitate în lipide. Viteza lor de transport prin membrane se corelează cu

solubilitatea lor în lipide, care este frecevnt exprimată sub forma coeficientului de partiție

între apă și octanol pentru moleculele neutre, sau logP (tabelul 1).

Coeficientul de partiție este o măsură a capacității compusului de a se separa între

două faze nemiscibile. Acestea sunt o fază organică (de ex. octanol sau heptan) și una apoasă

(apă). Solventul lipidic utilizat pentru măsurători este în mod obișnuit octanolul, deoarece

imită cel mai bine lanțul de carbon al fosfolipidelor. Cu cât coeficientul de partiție este mai

scăzut, cu atât compusul este mai solubil în apă și mai puțin permeabil prin membrană.

Astfel, aminoacizii (logP negativ) sunt solubili în apă, în timp ce poluanții ca DDT sau

TCDD sunt foarte solubili în lipide (logP foarte pozitiv):

Tabelul 1. Coeficienții de partiție (exprimați ca log P) pentru diferiți compuși organici

Compus log P

Cistină - 4,45

Glicină - 3,21

Glutation -3,05

Acid benzoic 1,88

Benzen 2,14

DDT 6,76

TCDD 7,05

5

Mulți compuși chimici sunt acizi organici slabi sau baze organice slabe. În soluție

acești compuși sunt ionizați, iar forma ionizată are o solubilitate scăzută în lipide și nu poate

traversa cu ușurință prin domeniul lipidic al membranei.

HA + H2O A¯ + H3O+

B + H3O+ BH

+ + H2O

O parte din traversarea cationilor și anionilor organici (în funcție de masa lor molară)

se poate face prin porii apoși, dar acesta este un proces lent (cu excepția compușilor cu masă

molară foarte mică), deoarece suprafața totală ocupată de porii apoși este foarte mică în

comparație cu suprafața totală a domeniului lipidic al membranei. În general, forma

neionizată a acestor compuși are o oarecare solubilitate în lipide, ceea ce conduce la difuzie

prin domeniul lipidic al membranei sub forma neionizată. Viteza de transport a formei

neionizate este proporțională cu solubilitatea sa lipidică.

Raportul molar dintre forma neionizată și cea ionizată pentru un acid organic slab sau

o bază organică slabă, în soluție, depinde de constanta de ionizare. Constanta de ionizare oferă

o măsură pentru tăria acizilor organici sau a bazelor organice. De ex. pentru un acid:

𝐾 = 𝐴− [𝐻3𝑂

+]

𝐻𝐴 [𝐻2𝑂]

Valoarea pH-ului la care un acid organic slab sau o bază organică slabă sunt

ionizate 50% se numește pKa sau pKb.

𝐾𝑎 = 𝐾 𝐻2𝑂 = 𝐻3𝑂

+ [𝐴−]

[𝐻𝐴]

pKa = -log Ka

Ca și pH-ul, pKa și pKb sunt definite ca logaritmul cu semn schimbat din constanta de

ionizare a acidului sau bazei. Folosind ecuația pKa = 14 – pKb, pKa poate fi calculat și pentru

baze organice slabe. Un acid organic cu pKa scăzut este un acid relativ tare, iar unul cu pKa

ridicat este un acid slab. Inversul este valabil pentru baze. Valoarea numerică a lui pKa nu

indică faptul dacă acel compus chimic este un acid sau o bază. Este necesară cunoașterea

structurii pentru a distinge între acizi și baze.

Gradul de ionizare pentru un compus chimic depinde de valoarea sa pKa și de pH-ul

soluției. Efectul pH-ului asupra gradului de ionizare a unui acid organic (acid benzoic) și a

unei baze organice (anilină) este prezentat in tabelul 2. Un acid Brönsted este un donor de

proton (H+), iar o bază este acceptoare de proton. Astfel, formele ionizată și neionizată ale

unui acid organic reprezintă o pereche acid-bază, forma neionizată fiind acidul, iar forma

ionizată fiind baza. La pH scăzut un acid organic slab cum este acidul benzoic este în mare

măsură neionizat. La pH = 4, jumătate din acidul benzoic este ionizat și jumătate neionizat,

deoarece aceasta este valoarea pKa a compusului. Pe măsură ce pH-ul crește, din ce în ce mai

mulți protoni sunt neutralizați de grupele hidroxil, iar acidul benzoic continuă să disocieze

până când este aproape în întregime în forma ionizată. Pentru o bază organică lucrurile se

petrec invers. La pH scăzut, când protonii sunt abundenți, aproape toată anilina este protonată,

adică ionizată. Această formă a anilinei este acid, pentru că poate dona protoni. Pe măsură ce

pH-ul crește, ionii aniliniu (fenilamoniu) continuă să disocieze până când aproape toată

anilina este în formă neionizată, care este anilina bazică. Deoarece trecerea prin membrană

este în mare parte realizată prin forma neionizată, acidul benzoic este transportat mai ușor în

mediu acid, în timp ce anilina este transportată mai ușor în mediu bazic.

6

Tabelul 2. Efectul pH-ului asupra ionizării acidului benzoic (pKa = 4) și anilinei (pKa = 5).

pH Acid benzoic % neionizat Anilină % neionizat

1

99,9

2 99 0,1

3 90 1

4 50 10

5 10 50

6 1 90

7 0,1 99

Filtrarea. Când apa trece printr-o membrană poroasă, orice compus dizolvat a cărui

moleculă este destul de mică pentru a trece prin pori va trece împreună cu apa. Trecerea prin

aceste canale se numește filtrare. Una din diferențele principale dintre diferite membrane este

mărimea acestor canale: de la sub 4 nm pentru celulele obișnuite, la aprox. 70 nm în rinichi.

Transportul specializat. Există numeroși compuși pentru care traversarea

membranelor nu poate fi explicată prin difuzie simplă sau filtrare. Unii compuși sunt prea

mari pentru trece prin porii apoși, sau prea insolubili în lipide pentru a difuza prin domeniul

lipidic al membranelor. Cu toate acestea, ei sunt deseori transportați foarte rapid prin

membrane, chiar împotriva gradienților de concentrație (de la o concentrație mai mică spre o

concentrație mai mare). Pentru a explica aceste fenomene a fost postulată existența unor

sisteme specializate de transport. Aceste sisteme sunt răspunzătoare pentru transportul multor

nutrienți prin membranele celulare, cum sunt zaharurile, aminoacizii, acizii nucleici etc.

Există două tipuri principale de transport specializat: transportul activ și difuzia

facilitată.

Un sistem de transport activ este caracterizat prin mai multe proprietăți, de ex. faptul

că transportul compușilor chimici se produce împotriva gradienților de concentrație, iar

sistemul necesită consum de energie din partea celulei. Substanțele transportate activ prin

membranele celulare formează un complex cu o proteină legată de membrană (proteină

numită transportoare), aflată de o parte a membranei. Complexul traversează apoi către

cealaltă parte a membranei, unde substanța este eliberată. După aceea, proteina se întoarce la

suprafața de unde a plecat pentru a repeta ciclul de transport.

Difuzia facilitată. Difuzia facilitată se aplică la transportul mediat de un transportor

(transport activ), însă compusul nu este transportat împotriva unui gradient de concentrație,

iar procesul de transport nu necesită aport de energie. Un exemplu este transportul glucozei în

celulele roșii ale sângelui.

Bibliografie

1. E. Hodgson (editor) – A textbook of modern toxicology, 3rd

edition, Wiley

Interscience, 2004

2. V. A. Voicu – Toxicologie clinică, Editura Albatros, București, 1997

3. Casarett and Doullʼs Toxicology: the basic science of poisons, (ed. C. D. Klaassen),

McGraw-Hill, 2001, cap. 2. – Principles of Toxicology