Xenobioti. Sostanze estranee all organismo

Xenobioti

Sostanze estranee all’organismo

Xenobiotici:

sostanze estranee all’organismo che possono causare effetti biologici indesiderati. La loro attività biologica

è condizionata dalla risposta dell’organismo.

-  Alcuni esempi:

ü  Contaminanti ambientali ü  Prodotti chimici industriali

ü  Prodotti di pirolisi

(decomposizione termochimica di materiali organici)

Alcaloidi

prodotte a partire da amminoacidi aromatici)

ü  Tossine prodotte da funghi, piante, animali

ü  Farmaci

ASSORBIMENTO

DISTRIBUZIONE

BIOTRASFORM.

BIOACCUMULO E RILASCIO

ELIMINAZIONE ESPOSIZIONE AD UN MUTAGENO CHIMICO Induzione di una mutazione

La tossicità e quindi gli effetti di un composto dipendono:

⇒ Dal flusso sanguigno e quindi dalla distribuzione nell ’ organismo e dalla localizzazione in particolari distretti

HALF LIFE = tempo necessario a dimezzare la concentrazione iniziale di una sostanza nel plasma o nelle urine

⇒

Dalla concentrazione nell’ambiente

⇒

Dalle vie di esposizione e dalla durata dell ’ esposizione

⇒

Dalle dimensioni del corpo (peso corporeo e densità corporea)

⇒

Dalla velocità di assorbimento e dalla quantità di materiale assorbito

La tossicità e quindi gli effetti di un composto dipendono:

⇒ Dalla velocità di eliminazione

HALF LIFE= tempo necessario a dimezzare la concentrazione iniziale di una sostanza nel plasma o nelle urine

⇒

Dalla velocità di biotrasformazione e dalla natura dei metaboliti

⇒

Dalla permeabilità delle membrane, cioè dalla capacità della

sostanza o dei suoi metaboliti di passare le membrane cellulari e giungere a contatto con particolari strutture cellulari (DNA)

⇒

Dalla quantità e durata dell ’ immagazzinamento della sostanza o

dei suoi metaboliti nell ’ organismo

CIBI

APP.

RESPIRATORIO PELLE

BEVANDE GAS E VAPORI

APP. DIGERENTE

FARMACI

Principali vie di esposizione dell’organismo agli xenobiotici

SANGUE

FEGATO

POLMONI PELLE E

POLMONI

Sistema circolatorio

METABOLISMO METABOLITI RENI

FECI URINE ARIA RESPIRATA

ASSORBIMENTO

Principali vie di assorbimento e di eliminazione degli xenobiotici dall’organismo

Bile

ACCUMULO

ORGANI, OSSA

TESS. ADIPOSO METABOLISMO

BIOTRASFORMAZIONE

Tratto

gastrointestinale

FLUIDI

EXTRACELLULARI

ESCREZIONE

Enzimi di fase I o di funzionalizzazione: OSSIDAZIONE ^⇒ introduzione di gruppi funzionali reattivi ( -OH; - COOH; -NH₂) che forniscono i siti per la coniugazione con unità fortemente polari

Enzimi di fase II o di coniugazione con un gruppo idrofilico (aumento della idrofilicità degli xenobiotici e inattivazione delle loro proprietà biologiche)

Sostanza esogena

Metabolita attivato

Derivato idrosolubile

fase II coniugazione Molte sostanze sono eliminate

solo dopo essere state modificate chimicamente attraverso processi metabolici mediati da complessi enzimatici

Schema generale del metabolismo degli xenobiotici

Lipofilo Idrofilo

•  Diminuzione dell’attività biologica

•  Aumentata escrezione

Xenobiotico Fase I

(ossidazione) Fase II

(sintesi) Metabolita

•  Variazione di polarità

•  Variazione di funzionalità •  Variazione di dimensioni

•  Variazione di carica

•  Variazione di solubilità

Metabolita

ENZIMI DEL METABOLISMO DEGLI XENOBIOTI

citocromo P450:

(famiglia del citocromo P450)

coinvolto nella detossifi- cazione dell'organismo;

è in grado di agire su differenti substrati,

⇒ sia esogeni (farmaci e tossine di origine esterna)

⇒ sia endogeni (prodotti di scarto dell'organismo).

A livello cellulare, negli eucarioti gli enzimi della famiglia si ritrovano principalmente legati alle membrane del reticolo endoplasmatico liscio e alla membrana mitocondriale interna tramite la regione N-terminale idrofobica, in particolare nella frazione microsomiale delle cellule epatiche.

La reazione che catalizzano è: NADPH + H⁺ +O₂ + SH ⇒ NADP⁺ H2O + SOH

Substrati del Citocromo P450

Xenobiotici Composti di origine fisiologica

Reazione Esempi

Xenobiotici Metabolizzati dal Citocromo P450

Reazioni catalizzate dal citocromo P450

…. più almeno altre 20

Alcol deidrogenasi:

contenuta nel rivestimento dello stomaco e nel fegato.

Catalizza l’ossidazione dell’etanolo a acetaldeide:

CH₃CH₂OH + NAD+ CH₃CHO + NADH + H+

Questo permette il consumo delle bevande alcoliche, ma sembra che da un punto di vista evolutivo fosse deputato alla ripartizione degli alcol naturali contenuti nei cibi o prodotti dai batteri nei tratti digestivi.

L’ alcol deidrogenasi è anche coinvolta nella tossicità da altri tipi di alcol.

Infatti ossida il metanolo a formaldeide.

Test di Ames: identifica i

potenziali cancerogeni analizzando la loro mutagenicità

Per simulare l’azione del metabolismo dei mammiferi, i tossicologi spesso aggiungono una soluzione di enzimi di

fegato di ratto alla sostanza che stanno analizzando con il test di Ames

*

*

I mutageni chimici

⇒ Mutageni diretti: interagiscono direttamente con il DNA.

⇒ Mutageni indiretti: sono in grado di formare specie reattive che interagiscono con la sintesi, la replicazione e il corretto

mantenimento della struttura del DNA (antimetaboliti e inibitori mitotici). Oppure possono formare specie reattive dell’ossigeno (mutageni ossidativi).

⇒ Promutageni: composti non polari che possono essere attivati metabolicamente a forme più reattive.

⇒ Mutageni mitocondriali: sostanze che reagiscono preferenzialmente con il DNA mitocondriale.

Mutageni diretti

•   Analoghi di basi:

Sostanze chimiche che hanno una struttura molecolare estremamente simile a quella delle normali basi che si trovano nel DNA.

•   Agenti che modificano le basi:

Sostanze chimiche che agiscono come mutageni modificando direttamente la struttura chimica e le proprietà delle basi:

• Agenti idrossilanti: aggiungono gruppi ossidrilici (idrossilamina, NH₂OH)

• Agenti alchilanti: metilmefanosulfonato (MSS) aggiungono gruppi alchilanti come CH₃ o CH₂CH₃

• Agenti deaminanti: rimuovono gruppi amminici (acido nitroso, HNO₂)

•  Agenti cross link

•   Agenti intercalanti:

Sostanze chimiche capaci di inserirsi, più o meno stabilmente, tra due coppie di basi in una o entrambe le eliche del DNA.

Analoghi di basi: possono agire da mutageni solo durante la replicazione del DNA

Forma chetonica Forma enolica

Transizione tautomerica

esempio bromouracile (differisce dalla timina per Br in C5 al posto del metile)

5-BrU (cheto) Adenina 5-BrU (enol) Guanina

CH₃ Br

Fludarabina

Analogo delle purine molto usato nel trattamento dei tumori del sangue (leucemia mieloide acuta e linfomi).

Inibisce la sintesi del DNA

interferendo con la ribonucleotide reduttasi e con la DNA polimerasi.

Analoghi di basi: esempio fludarabina (analogo delle purine)

Fludarabine phosphate

F

purine: A e G pirimidine: C, T e U

a. Agenti idrossilanti: es. idrossilammina

Reagisce con le pirimidine non metilate (citosina e uracile).

L’idrossilammina è utilizzata, principalmente, nell’industria elettronica (semiconduttori), per la pulizia delle superfici metalliche, nella produzione del nylon, di inchiostri e

nell’industria farmaceutica e fotografica. Il problema maggiore nella sua manipolazione

risiede nella sua elevata instabilità. Non può essere utilizzata, trasportata o conservata allo stato puro, ma solo in soluzione acquosa al 50 % in peso.

Ha provocato due violente esplosioni: nel 1999 in Pennsylvania, USA, e nel 2000 in Giappone,

• Agenti che modificano le basi: Sostanze chimiche che agiscono come mutageni

modificando direttamente la struttura chimica e le proprietà delle basi

b. Agenti alchilanti: esempio Ethyl methane sulfonate (EMS)

Composto organico mutagenico, teratogeno e cancerogeno con formula C₃H₈O₃S.

Produce mutazioni random nel materiale genetico introducendo sostituzioni nucleotidiche tramite alchilazione della guanina.

Il gruppo etile dell’EMS reagisce con la guanina formando una base anomala la O-6-ethylguanine che si appaia con la timina invece che con la citosina (errore di accoppiamento). Oppure può causare

l’alchilazione di un azoto (generalmente in posizione 7) determinando una redistribuzione delle cariche che rende il legame della guanina con lo zucchero molto labile e come prima conseguenza la perdita della

guanina (depurinazione). L’EMS può indurre un tasso di mutazione da 5x10^-4 a 5x10^-2 per gene.

c. Agenti deaminanti: esempio acido nitroso

L'acido nitroso (HNO₂) è un liquido estremamente instabile dall'odore pungente e di colore verde-azzurro, a temperatura ambiente si decompone rapidamente in acido nitrico,

liberando contemporaneamente biossido di azoto (2HNO₂--->NO₂ + NO + H₂O)

Ossida i gruppi amminici (-NH

) a gruppi chetonici (=O)

d. Agenti cross linking: esempio cis-platino

il cis-platino non dissocia all'esterno della membrana cellulare grazie all'elevata concentrazione di ioni Cl, una volta all'interno della cellula, invece, dissocia in presenza di acqua diventando estremamente reattivo e si lega alle basi del DNA.

I legami più frequenti sono i cross link 1,2 intra-strand con le purine (GpG o ApG) e 1,3 cross link intra-strand (GpXGp).

Si possono formare anche legami interstrand o legami DNA proteina con le HMG.

Biologia: la formaldeide preserva o fissa i tessuti tramite un cross-linking irreversibile dei gruppi amminici primari delle proteine con gli atomi vicini di azoto di altre proteine o del DNA attraverso un legame -CH₂-. Come soluzione acquosa la formaldeide può essere usata come disinfettante per uccidere batteri e funghi (incluse le spore). In medicina viene anche usata come preservativo nei vaccini e in applicazioni locali per il trattamento delle verruche.

La formaldeide presenta il tipico

comportamento chimico delle aldeidi, con la differenza di possedere una maggiore reattività.

La formaldeide è un forte elettrofilo ed in quanto tale può dare reazione di sostituzione con i composti aromatici e di addizione agli alcheni

Industria: La maggior parte delle formaldeidi è usata nella produzione dei polimeri e di altri prodotti chimici. Una volta unita con il fenolo, l'urea, o la melammina, produce una resina dura.

Queste resine sono usate comunemente come adesivi permanenti, come quelli usati per pavimenti o moquette. La formaldeide è usata anche come resina per la resistenza all'acqua aggiunta a prodotti della carta sanitaria come i fazzoletti da naso, i tovaglioli da tavolo e i rotoli asciugatutto. La formaldeide è usata anche per fare numerosi altri prodotti chimici usati nella produzione dei prodotti per l’igiene personale, quale il dentifricio in pasta.

La formaldeide appartiene alla categoria dei Composti Organici Volatili, è la più semplice e comune aldeide, nonché irritante e sospetta di cancerogenità sia per l’essere umano che per gli animali. A temperatura ambiente è un gas incolore, con odore pungente.

A concentrazioni superiori ad 0.1 mg/m³ nell’aria, la formaldeide può irritare gli occhi e le membrane mucose, con conseguente lacrimazione.

Se inalata, la formaldeide a questa concentrazione può causare emicranie, una sensazione di bruciore nella gola e difficoltà respiratorie, così come innescare o aggravare i sintomi

dell’asma. Lunghe esposizioni possono anche causare la morte.

La formaldeide nel corpo viene convertita in acido formico, questo determina un aumento dell’acidità del sangue (acidosi), respirazione veloce e poco

profonda, visione vaga o cecità completa, ipotermia e, nei casi più severi può portare al coma o alla

morte.

Nel corpo, la formaldeide può indurre le proteine a legarsi irreversibilmente al DNA.

La cancerogenicità è stata accertata sui roditori, dove la formaldeide provoca un tasso di incidenza di cancro al naso ed alla gola superiori al normale.

Si ritiene che le concentrazioni di formaldeide

normalmente riscontrate all'interno degli edifici non

siano sufficientemente elevate da rappresentare un

pericolo in questo senso.

Sono potenti mutageni in quanto inducono modificazioni strutturali al DNA che possono portare a modificazioni funzionali come l’inibizione della trascrizione e del processo di replicazione. Sono spesso usati nel trattamento chemioterapico per inibire la replicazione del DNA nelle cellule tumorali in attiva proliferazione.

Agenti intercalanti:

Agenti intercalanti: es. acridine (2,8-diamminoacridina)

Meccanismo d’azione:

è un agente intercalante utilizzato comunemente in laboratorio per colorare gli acidi nucleici durante elettroforesi su gel. Il bromuro di etidio fluoresce quando esposto ai raggi UV, in maniera molto più intensa quando legato al DNA.

Le proprietà intercalanti di questo agenti sono dovute alla struttura altamente aromatica che ne permette l'inserimento all'interno della doppia elica del DNA. A causa di queste proprietà, l'EtBr è altamente mutageno (cancerogeno e teratogeno), quindi va sempre utilizzato con guanti e possibilmente sotto cappa. I vapori di bromuro di etidio sono ugualmente tossici.

Agenti intercalanti: es. Bromuro di Etidio (EtBr)

Seveso: l ’ incidente alla ICMESA

Sabato 10 luglio 1976

Stabilimento per la produzione di intermedi per l ’ industria cosmetica e farmaceutica tra i quali, dal 1969, il 2,4,5

triclorofenolo (TCP) composto tossico non infiammabile

utilizzato come base per la produzione di erbicidi.

Il TCP (2,4,5 triclorofenolo) a

temperature elevate può innescare la produzione di 2,3,7,8

tetraclorodibenzo-p-diossina (TCDD) ad altissima tossicità persistenza e stabilità.

Il 10 luglio 1976 una reazione esotermica nella vasca del TCP provocò il cedimento di una valvola di sicurezza, la pressione salì a 4 atmosfere e la temperatura salì a 250 gradi determinando la

fuoriuscita di circa 3000kg di TCDD

.

Fig.11.1 Mappa schematica della zona colpita dall’incidente ICMESA

Il monitoraggio della distribuzione della diossina nel suolo, effettuato per oltre 17 mesi, dimostrò che la TCDD nella parte superiore del terreno, pari a oltre il 90% della diossina misurabile, si riduceva del 50% nei primi 5 mesi, a causa della fotodecomposizione, ma poi tendeva a stabilizzarsi.

disponibilità di ambulatori di pediatria, internistica, ostetricia, ginecologia, neonatologia, dermatologia, medicina del lavoro, oculistica, neurologia,

immunologia, genetica e del laboratorio diagnostico.

per rilevare incidenza e prevalenza di vari tipi di patologie e di variazione di eventi rari in popolazioni di cui andava identificato il rischio.

in modo da contribuire a orientare il programma di sorveglianza.

Furono effettuati oltre 20 test di laboratorio comprendenti analisi sulla funzionalità epatica, renale, ossea, del sistema immunitario; sul metabolismo dei lipidi, sul sistema nervoso nonché studi sul tasso di aborti spontanei e sulla presenza di eventi malformativi congeniti.

I test furono eseguiti su un campione di circa 17.000 persone nel periodo 1976-1984.

controllo sanitario sistematico delle persone colpite o a rischio:

sorveglianza epidemiologica degli abitanti:

ricerche di laboratorio sugli effetti della TCDD:

CLORACNE:

eruzione cutanea provocata dalla reazione dell'organismo a certi idrocarburi aromatici alogenati. Dal momento della esposizione, la sua manifestazione va da poche settimane a qualche mese, protraendosi talvolta per alcuni anni. Si

presenta sotto forma di lesioni e cisti sebacee gialle dal forte odore di cloro. In alcuni casi le cicatrici provocate dalla cloracne possono essere permanenti.

Le dibenzo-para-diossine e i dibenzofurani policlorurati appartengono alla classe dei composti organici policiclici alogenati e hanno proprietà chimico-fisiche simili.

Sono solidi e con elevati punti di fusione ed ebollizione, -  scarsamente solubili in acqua e marcatamente lipofili.

L’isomero 2,3,7,8 tetraclorurato (la diossina di Seveso, TCDD) presenta caratteristiche che ne spiegano la specifica rilevanza:

Ø  acuta tossicità nella cavia, evidenziata già nello stadio preliminare;

Ø  effetto dermatologico sull’uomo, dopo esposizione prolungata, chiamato cloracne;

Ø  si forma alquanto velocemente da uno specifico precursore, il 2,4,5 triclorofenolo.

Stabilità termica:

la pirolisi degli alcali a 800°C provoca la formazione di composti aromatici. ^Questi

possono facilmente generare un alto numero di strutture poliaromatiche, compresi diossine e furani policlorurati, stabili e distruttibili solo a temperature superiori a 950°C.

Scarsa volatilità:

questi composti presentano una bassa tensione di vapore che ne impedisce la dispersione molecolare nell’aria, permettendola però a livello di adsorbimento sugli aerosol particolati. Pertanto possono risultare alquanto persistenti nel suolo.

Scarsa biodegradabilità ambientale:

tali molecole resistono facilmente sia agli attacchi biotici che a quelli abiotici e sono pertanto fortemente persistenti nell’ambiente. L’emivita media della TCDD nel suolo è di circa 10 anni.

Liposolubilità:

Condensazione del TCP (2,4,5 triclorofenolo) a diossina (2,3,7,8 tetraclorurato):

I fenoli clorurati con almeno un cloro in posizione orto rispetto al gruppo idrossile, condensano a

temperature > ai 300°C per formare dibenzo-p-diossine, in una reazione specifica.

⇓

ü specie animale e tipo di alimentazione,

Effetti biologici della diossina

(TCDD) dipendono da:

ü sesso ed età dell’animale ü curva di esposizione.

ü nessuna specie animale presenta tutti gli effetti osservati.

ü Le ricerche hanno convalidato un marcato effetto embriotos- sico e teratogenico su topo, coniglio e scimmia.

ü Al contrario, la maggior parte dei test sulla genotossicità ha dato risultati negativi.

La TCDD non crea addotti del DNA, mentre è comunemente riconosciuto che le diossine

sono promotori di effetti cancerogenici.