TOXICOLOGIE ORGANICĂ Sem. II 2015 – 2016

Lector dr. Adriana Urdă

Partea a 8-a. Chimia toxicologică a principalelor clase de compuși organici

(cont.) – compuși halogenați, alcooli, fenoli.

Compuși halogenați Deoarece foarte mulți dintre compușii halogenați existenți ca poluanți ai mediului sunt

compuși clorurați, vom discuta toxicologia acestor compuși. Ceilalți compuși halogenați au

comportament similar.

Tricloroetena. 1,1,2-Tricloroetena (TCE) este utilizată pe scară largă ca solvent pentru

degresare. Doze moderate spre mari, ca și în cazul altor compuși halogenați, sunt asociate cu

mai multe tipuri de toxicitate, dar cancerul este problema dominantă pentru TCE. Există

dovezi pentru creșterea incidenței cancerului de rinichi, ficat și a limfoamelor (cancerul

nodulilor limfatici).

Cu puține excepții, toxicitatea asociată cu TCE se crede că este produsă de metaboliți

și nu de compusul inițial. Chiar și efectele asupra sistemului nervos central se datorează, cel

puțin în parte, efectelor sedative ale metabolitului tricloroetanol (TCOH).

TCE este absorbită rapid in sistemul circulator pe cale orală sau prin inhalare.

Majoritatea TCE suferă oxidare cu citocrom P450, iar o parte mai mică este conjugată cu

glutation (GSH). Metabolizarea oxidativă a TCE este prezentată în schema de mai jos.

TCE epoxid

rearanjare

cloral (detoxifiere)

clorură de dicloroacetil (activare)

TCA TCOH

DCA acid oxalic

unde: TCE = tricloroetenă; cloral = aldehidă tricloroacetică; TCA = acid tricloroacetic; TCOH

= tricloroetanol; DCA – acid dicloroacetic.

Se observă că metabolizarea tricloroetenei cu citocrom P450 este atât o activare, cât și

o detoxifiere: se obțin atât compuși mai puțin toxici, care se excretă relativ rapid din

organism, cât și compuși reactivi, care au efecte mutagene și cancerigene. Rearanjarea

P450

epoxidului tricloroetenei poate fi însoțită de migrarea clorului, care produce cloral

(tricloroacetaldehidă), sau a hidrogenului, care produce clorura de dicloroacetil. Cloralul este

mult mai puțin toxic decât clorura de dicloroacetil, deci migrarea clorului în timpul rearanjării

este o reacție de detoxifiere, în timp ce migrarea hidrogenului este o reacție de activare.

A doua cale de metabolizare a tricloroetenei este prin conjugare cu glutation, cu

formarea unui compus conjugat, care poate fi detoxifiat prin acetilare sau poate fi bioactivat

cu formarea unui anion reactiv (cancerigen):

TCE

Scopul multora dintre cercetările realizate până în prezent a fost stabilirea relevanței

pentru om a activității cancerigene a TCE observată pe rozătoare. Deși au fost realizate

progrese substanțiale în acest sens, modurile de acțiune ale TCE nu sunt cunoscute cu

certitudine.

Tetracloroetena (percloretilena, PERC) este utilizată în mod frecvent pentru curățarea

uscată, finisarea țesăturilor, degresare, curățarea covoarelor și a tapițeriilor, îndepărtarea

vopselurilor și a petelor, solvent și intermediar în sinteze chimice. Expunerea apare în mod

obișnuit prin inhalare, la locul de muncă (ocupațională). Este detectată frecvent în cantități de

câteva ppb în respirația și sângele tuturor persoanelor. Deși emisiile au loc în special în

atmosferă, PERC apare în apele de suprafață și cele freatice prin deversări accidentale sau

intenționate.

PERC are căi de metabolizare similare cu cele ale TCE, fiind ușor absorbită prin

plămâni și tractul GI. Este transformată în principal de către citocromul P450 la clorură de

tricloroacetil și apoi la acid tricloroacetic.

Conjugarea cu GSH este o cale minoră de metabolizare, dar care conduce la un

intermediar reactiv și cancerigen.

Diclorometan (clorura de metilen) este mult utilizată ca solvent în procese industriale,

prelucrarea hranei, degresare, în agricultură. Astfel, un număr mare de persoane sunt expuse

ocupațional și în locuințe. Calea primară de expunere pentru acest solvent foarte volatil este

inhalarea, iar în mediu intră prin volatilizare. Acest compus organic volatil se găsește frecvent

în apele reziduale deversate, ca și în aerul și apa din zonele cu reziduuri chimice periculoase.

Se crede că metabolizarea la oameni se produce pe trei căi principale:

- oxidarea cu citocrom P450 la CO, prin intermediul clorurii de formil, un intermediar

reactiv

CH2Cl2

Clorură de formil

C ≡ O

- conjugarea cu glutation (GSH), care poate conduce la formarea formaldehidei

(toxice) sau a CO2:

GSH

P450

P450

- HCl - HCl

CH2Cl2 GS–CH2–Cl GS–CH2–OH GS–CH = O HCOOH

CH2O CO2

- formarea de CO2 pe cale oxidativă, prin reacția clorurii de formil cu glutation:

Clorură de formil

GS – CH = O CO2

Clorura de metilen are potențial toxic limitat. Se consideră că CO format prin

metabolizarea clorurii de metilen reacționează cu hemoglobina, formând carboxihemoglobină.

Deoarece aceasta nu se descompune, hemoglobina este blocată și nu poate transporta oxigenul

la țesuturi, ceea ce produce o lipsă acută de oxigen în țesuturi și poate avea efecte acute

asupra sistemului nervos central. Riscul cancerigen în urma expunerii ocupaționale este foarte

redus.

Tetraclorura de carbon. CCl4 a fot utilizată pe scară largă ca solvent, agent de

curățare, agent stingător de incendii, intermediar pentru sinteze chimice, antihelmintic

(îndepărtarea paraziților interni – viermi intestinali) pentru om. Utilizarea sa a scăzut treptat

după anii 1970, datorită toxicității hepatice și renale, potențialului cancerigen și contribuției la

degradarea stratului de ozon din stratosferă.

CCl4 este metabolizată de citocromul P450 prin dehalogenare reducătoare la un radical

triclorometil (CCl3•). Acest radical se poate lega covalent de lipide și proteine, producând

distrugerea membranelor și inhibarea mai multor enzime. CCl3• poate reacționa și cu O2, cu

formarea de radicalului triclorometilperoxi Cl3COO•, sau poate ataca acizii grași nesaturați

(enoici), cu formarea de radicali organici liberi, care apoi pot reacționa cu O2 pentru a forma

peroxizi și alți metaboliți toxici. Acest proces este cunoscut ca peroxidarea lipidelor.

Radical triclorometilperoxi

Radicali organici

Fosgen

Peroxidarea lipidelor

Cloroform. Utilizarea principală a cloroformului, CHCl3, în prezent este pentru

producerea agentului de răcire clorodifluorometan (CHClF2). Cloroformul a fost printre

primele anestetice utilizate, dar utilizarea lui a fost oprită. În anumite condiții CHCl3 este

hepatotoxic și nefrotoxic. Aceste toxicități sunt intensificate de alcoolii alifatici, cetone, și

acizii di- și tricloroacetic. Ultimii doi compuși sunt produși împreună cu CHCl3, ca produse

secundare, la clorinarea apoi potabile. Concentrațiile de CHCl3 în apa potabilă ajung până la

câteva sute de ppb, deși sunt în mod obișnuit sub 50 ppb.

GSH

- HCl

H2O

- HCl

- GSH

GSH

- R • + RH

P450

- HCl

P450

- R • + RH

O2

CHCl3 poate produce simptome ale sistemului nervos central, la concentrații mai mici

decât cele pentru anestezie, care sunt similare cu cele ale intoxicației cu alcool.

Intensificarea toxicității prin metabolizarea cu citocrom P450 și scăderea toxicității în

urma conjugării cu GSH sugerează formarea ca metabolit a fosgenului:

CHCl3 HO – CCl3

Fosgen

Insecticidul DDT este detoxifiat prin declorurarea la DDE:

Alcooli Alcoolii au acțiune toxică asupra sistemului nervos central (SNC) mai puternică decât

a alcanilor corespunzători, iar prezența mai multor grupe OH conduce la creșterea toxicității.

Alcoolul izopropilic este mai puțin toxic decât cel n-propilic, dar ambele sunt mai

toxice decât etanolul. Expunerea la câteva sute ppm pentru scurt timp în aer produce iritarea

medie a ochilor, nasului și gâtului. n-Butanolul este mai toxic decât omologii inferiori, dar și

mai puțin volatil, ceea ce limitează expunerea prin inhalare.

Metanolul. Metanolul se găsește în diferite produse comerciale, incluzând soluțiile

pentru curățarea parbrizelor, și este utilizat la fabricarea formaldehidei și metil terț-butil

eterului (MTBE). Metanolul este promovat ca aditiv pentru benzină și combustibil alternativ.

Dacă această din urmă utilizare devine comună, riscul unor expuneri cronice, la concentrații

scăzute, va deveni o problemă.

Metanolul prezintă înteres din punct de vedere toxicologic datorită toxicității unice

pentru ochi, și a primit o atenție considerabilă. 15 mL de metanol poate produce orbire, iar 70-

100 mL pot produce decesul. Lăsată netratată, otrăvirea acută cu metanol la oameni este

caracterizată de o perioadă latentă, fără simptome, de 12-24 h, urmată de acidemie formică,

toxicitate oculară, comă și, în cazuri extreme, moarte. Deranjamentele vizuale apar în general

după 18-48 h după ingerare și cuprind de la fotofobie medie și vedere încețoșată sau neclară

până la acuitate vizuală redusă și orbire completă. Deși există o variație considerabilă între

indivizi privind susceptibilitatea la intoxicare cu metanol, doza letală orală citată cel mai des

este de 1 mL/kg. Orbirea și moartea au fost citate și la doze de 0,1 ml/kg.

Organul țintă pentru metanol este ochiul, mai precis retina și nervul optic.

Doar primatele răspund la metanol similar cu omul. Acidoza metabolică severă

observată frecvent la om nu apare la rozătoare (animale de laborator). În toate speciile de

mamifere studiate, metanolul este metabolizat în ficat la formaldehidă (HCOH), care apoi este

transformată rapid în formiat (HCOO¯). Transformarea formiatului la CO2 apare printr-o

reacție enzimatică în două trepte, iar diferențele dintre specii privind susceptibilitatea la

metanol se crede că apar în primul rând din viteza de oxidare a formiatului la CO2. La

rozătoare viteza aceastei reacții enzimatice este mai mare, deci formiatul nu se acumulează în

corp, așa cum se întâmplă la oameni și la primate. Astfel, susceptibilitatea la intoxicare cu

metanol depinde de viteza relativă de îndepărtare a formiatului. O schemă simplificată de

metabolizare a metanolului este prezentată mai jos:

P450

CH3 – OH Metanol

HCHO Formaldehidă

HCOO¯ Ion formiat

CO2

Formiatul pare să acționeze direct ca toxină oculară.

Deși nu se cunosc toate detaliile despre mecanismele de toxicitate ale metanolului, ce

se știe deja permite tratarea eficientă, dacă aceasta este aplicată la timp. Na2CO3 este

administrat intravenos pentru a corecta acidoza severă. Blocarea metabolică este realizată în

mod obișnuit cu etanol, care acționează eficient ca inhibitor competitiv al ADH, datorită

afinității mai mari pentru ADH decât cea a metanolului.

Etanolul. Multe persoane suferă expunere mai mare la etanol decât la oricare alt

solvent. Alcoolul etilic este utilizat ca solvent în industrie și în multe produse casnice, dar este

consumat în cantități mari în băuturile alcoolice. Efectele toxice ocupaționale sunt mai puțin

importante decât leziunile produse de deteriorarea stării psihomotorii: conducerea sub

influența alcoolului este principala cauză a accidentelor auto cu victime.

Etanolul este distribuit în apa din corp și, în măsură mai mică, în țesutul adipos.

Alcoolul este eliminat prin urină, expirație și metabolizare. Concentrația în sânge într-un adult

mediu scade cu aprox. 15-20 mg/100 mL de sânge per oră. Astfel, o persoană cu un nivel al

alcoolului în sânge de 120 mg/100 mL necesită 6-8 ore pentru a atinge nivele neglijabile.

Etanolul este metabolizat la acetaldehidă de trei enzime:

- calea majoră implică oxidarea catalizată de alcool dehidrogenază (ADH), prezentă

majoritar în ficat. Acetaldehida formată este rapid oxidată de acetaldehid dehidrogenază

(ALDH) la acetat;

CH3 – CH2 – OH CH3 – CHO CH3 – COOH CO2

- a doua enzimă, catalaza, utilizează H2O2 pentru oxidare. În mod obișnuit există

puțină H2O2 în ficat, deci această cale este responsabilă de cel mult 10% din metabolismul

alcoolului etilic:

- a treia enzimă este sistemul citocrom P450 din ficat.

Etanolul este un antidot eficient pentru otrăvirea cu metanol, etilen glicol sau

dietilenglicol. Deoarece alcoolul etilic are o afinitate mare pentru ADH, el inhibă competitiv

activarea metabolică a celorlalți alcooli. Pre-expunerea la etanol poate induce creșterea

activității citocromului P450, intensificând activarea metabolică și toxicitatea multor alți

solvenți sau compuși chimici. Alcoolicii dezvoltă toxicitate hepatorenală după expunerea la

CCl4 la doze care nu produc efecte la ne-băutori. Alți alcooli, cum este 2-butanolul, pot avea

efecte asemănătoare.

Acetaldehida are toxicitate acută. Ea este reactivă și se leagă covalent de proteine și

alți compuși macromoleculari. Din fericire, ALDH are în mod normal o activitate suficient de

ridicată pentru a metaboliza cantități suficient de mari de acetaldehidă la acetat. Eficiența

metabolizării acetaldehidei depinde de rasă. De ex., aprox. 50% din asiatici au ALDH

inactivă, datorită unei modificări în gena care codifică sinteza enzimei. Aceste persoane pot

suferi înroșirea feței, dureri de cap, tahicardie (puls mărit), greață etc. în urma ingestiei

alcoolului. Un medicament pentru inhibarea ALDH (disulfiram) este utilizat pentru tratarea

alcoolismului, deoarece conduce la aceleași simptome dacă se consumă alcool.

Efectele alcoolului asupra fătului în timpul sarcinii - Sindromul alcoolic fetal este

cauza cea mai comună și mai ușor de evitat de retard metal la copii. Sindromul este observat

în urma consumului ridicat de alcool în timpul sarcinii și conduce la întârzierea creșterii pre-

și post-natale a fătului/copilului, malformații craniofaciale (inclusiv microcefalie) și retard

mental.

ADH ALDH

Hepatotoxicitatea indusă de alcool se crede că este cauzată de creșterea concentrației

de endotoxină în fluxul sanguin. Endotoxina este eliberată prin acțiunea etanolului asupra

unor bacterii din intestin, și este apoi preluată de celulele hepatice, unde produce toxicitate.

Alcoolismul poate produce leziuni și altor țesuturi. Una dintre consecințele cele mai

periculoase este asupra mușchiului inimii (miocard). In mod interesant, consumul slab spre

moderat de alcool se crede că protejează împotriva accidentelor vasculare cerebrale, prin

inhibarea oxidării lipoproteinelor cu densitate redusă (LDL). Antioxidanții fenolici din vin pot

inhiba această reacție de oxidare a LDL și, astfel, împiedică formarea cheagurilor de sânge.

Dimpotrivă, consumul ridicat de alcool duce la eliminarea antioxidanților și are efectul opus.

Alte organe care sunt afectate negativ de consumul ridicat de alcool sunt creierul și

pancreasul. Alcoolul și fumatul acționează sinergic pentru producerea de cancere orale, ale

faringelui și laringelui. Se consideră că alcoolul produce cancer hepatic deoarece cauzează

ciroză și alte leziuni ale ficatului și/sau prin activarea compușilor cancerigeni.

Glicoli

Etilenglicol. O singură doză orală de 100 mL este letală la om, deoarece se

metabolizează la oxalat (sau acid oxalic), care este toxic pentru rinichi și poate produce

insuficiență renală prin blocare cu cristale de oxalat. Ca și în cazul metanolului, etanolul poate

fi utilizat ca inhibitor competitiv al toxicității etilenglicolului, prin blocarea ALDH.

Etilenglicol

Glicoaldehidă

Acid glicolic

Acid glioxilic

Glioxal

HCOOH

CO2

Acid oxalic

Fenoli reprezentativi

Fenolii au proprietatea de a denatura și precipita proteinele, ceea ce îi face utili ca

agenți antibacterieni la concentrații de peste 1%. Totuși, ei sunt corozivi și pot produce

arsuri severe la contactul direct. S-a raportat decesul în interval de 10 min al unor indivizi

stropiți accidental cu fenol lichid (din cauza absorbției dermice rapide), în ciuda îndepărtării

hainelor și spălării cu apă a pielii. În concentrații mari acționează asupra SNC.

Metabolizarea fenolului se produce prin transformarea la hidrochinonă, iar apoi

conversia enzimatică la radicalul fenoxi, care este reactiv și se leagă de proteine și ADN:

Deoarece fenolul poate fi absorbit cu ușurință și formează complecși cu proteinele,

poate penetra ușor pielea și țesutul de sub piele, producând arsuri adânci și necroza

țesuturilor.

În urma ingestiei soluțiilor concentrate, fenolul produce necroza membranelor

mucoase ale gâtului, esofagului și stomacului, ceea ce conduce la deces rapid. Dacă este

ADH

inhalat la concentrații mari, poate produce pneumonie chimică. Produce leziuni ale ficatului și

rinichilor.

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

McGraw-Hill, 2001, cap. 24 – Toxic effects of solvents and vapors.