Il danno da sostanze chimiche può essere schematicamente diviso in due tipi:

a) DANNO DIFFUSO DA AGENTI CHIMICI l’entità del danno dipende sempre

dalla dose e dalla durata del contatto e si verifica come conseguenza di

proprietà comuni a molte sostanze chimiche quali quelle di provocare:

- variazioni del pH

- solubilizzazione di costituenti cellulari

- denaturazione delle proteine

b) DANNO SELETTIVO DA AGENTI CHIMICI si verifica quando gli agenti

chimici alterano uno specifico costituente cellulare provocandone la

riduzione o la perdita della funzione. Gli agenti chimici responsabili di

questo tipo di danno sono detti VELENI o TOSSICI.

1) MODIFICAZIONI DEL pH

Le cellule sono molto sensibili alle variazioni del pH (v. sistemi tampone)

ACIDI diminuzione pH rapidamente morte cellulare

Se l’abbassamento del pH è moderato fenomeni autolitici (attivazione

enzimi lisosomiali)

Se l’abbassamento del pH è forte denaturazione delle proteine con

conseguente inattivazione degli enzimi cellulari

BASI innalzamento del pH

rigonfiamento dei mitocondri

inattivazione di sistemi enzimatici

fenomeni idrolitici (di natura non enzimatica ma dovuti direttamente

all’azione delle basi)

2) DANNO DA SOLVENTI

•Solventi organici dei grassi (cloroformio, CCl4, acetone)

completa disorganizzazione delle membrane LISI CELLULARE

b) Acqua

b1) Soluzioni IPOTONICHE LISI OSMOTICA

Oltre alle cellule possono subire lesioni di tipo osmotico anche

strutture subcellulari (lisosomi,

mitocondri, membrane del reticolo, vescicole sinaptiche, ecc.).

b2) Soluzioni IPERTONICHE PLASMOLISI

3) DENATURAZIONE DELLE PROTEINE

DENATURAZIONE modificazione della struttura secondaria, terziaria e

quaternaria delle proteine, con

esclusione della rottura delle modificazioni risultanti dalla

rottura di legami covalenti

Struttura primaria sequenza aminoacidi

Struttura secondaria ripiegamento delle catene in conseguenza della

formazione dei legami peptidici fra gli aminoacidi

Struttura terziaria disposizione nello spazio delle catene a formare

strutture globulari o filamentose

Struttura quaternaria aggragazione di subunità in macromolecole di

maggiori dimensioni

Agenti denaturanti:

- variazioni del pH

- ioni metallici (Cu++, Zn++, Cd++, Fe3+, Ni++, Co++, Al3+)

- alcuni sali (CaCl2, tiocianato e ioduro di K, LiCl)

- sostanze organiche:

a) urea e guanidina (a concentrazioni molto elevate: 4-8 M)

tendono a formare legami H con le proteine scindendo

quelli già esistenti

b) detergenti ionici indeboliscono i legami idrofobici

Sostanza chimica (VELENO o TOSSINA) reazione specifica con

strutture chimiche biologicamente

importanti

lesione della funzione

LESIONE BIOCHIMICA: alterazione patologica della cellula in cui gli

effetti biochimici dominano il quadro e sono evidenti prima che sia

dimostrabile ogni alterazione morfologica.

L’AZIONE TOSSICA DIPENDE STRETTAMENTE DALLA DOSE: in

pratica ogni sostanza chimica può essere un veleno purchè somministrata

nella dose giusta (es. farmaci).

Dose Minima Letale: quantità minima che è capace di

uccidere tutti gli animali di una determinata specie e di un

determinato peso in un determinato tempo.

Dose Letale 50% (DL50): quantità minima che è capace di

uccidere il 50% degli animali trattati, tutti appartenenti alla

stessa specie, in un dato tempo.

Tossicità acuta provocata da una dose singola

Tossicità cronica somma di piccole azioni tossiche

ripetute per molto tempo

Nel valutare l’azione tossica di una sostanza assume grande

importanza anche la via di somministrazione, che può

influenzare:

- la DL50

- il tempo di comparsa dei sintomi

- la gravità dei sintomi

- la natura dei sintomi

classificazioneSolidi

DL50 inmg/Kg

Solidi

DL50 inmg/Kg

Liquidi

DL50 inmg/Kg

Liquidi

DL50 in mg/Kg

Gassosi

CL50 in mg/l

orale cutanea Orale cutanea Inalatoria

Molto tossici < 5 < 10 < 25 < 50 < 0,5

Tossici 5 -50 10 -100 25-200 50-400 0,5-2

Nocivi 50 -500 100 -1000 200-2000 400-4000 2-20

Meccanismi di difesa contro l’azione tossica delle sostanze

chimiche

GENERICI

-vomito, diarrea, emorragia

- pannicolo adiposo sottocutaneo sottrae al sangue quantità

non indifferenti di tossici quando questi siano solubili nei grassi

e abbiano un coefficiente di ripartizione fra acqua e grassi

nettamente spostato a favore dei secondi (es. DDT spiccata

solubilità nei grassi molto poco tossico per i mammiferi ma

estremamente velenoso per gli insetti)

- reazione con strutture meno importanti che impediscono il

contatto con strutture di importanza vitale (es. denaturazione

delle proteine)

- potere tamponante dei liquidi biologici

- sostanze antiossidanti

SPECIFICI

- trasformazione della struttura chimica della sostanza

tossica al fine di renderla più facilmente eliminabile o

comunque meno tossica

a) di tipo demolitivo (es. H2O2/catalasi;

acetilcolina/acetilcolinesterasi, etanolo/alcooldeidrogenasi))

b) combinazione con altre sostanze

SINTESI PROTETTIVE

Alcol e aldeide deidrogenasi

usano NAD+ come cofattore

CH3 - CH2OH + NAD+ ---> CH3CHO + NADH + H+

etanolo acetaldeide

(tossica)

CH3CHO + NAD+ + H2O ---> CH3COOH + NADH + H+

Acetaldeide ac. acetico

(tossica) (poco tossico)

Ugualmente:

Metanolo ---> formaldeide ---> ac. formico

Farmacocinetica

Farmacodinamica

Metabolismo dei tossici

• Reazioni di fase I reazioni di ossidazione,

riduzione, idrolisi

• Reazioni di fase II Reazioni di addizione

• Reazioni di fase III

reazioni di eliminazione

a livello cellulare: trasportatori di

membrana, per es. MRP2

aumento di

idrofilia

espulsione tramite bile

e/o plasma

feci e/urine

Reazioni di monoossigenazione- ossidasi a funzione mista

IDROSSILAZIONE E DEMETILAZIONE

OSSIDATIVA: detossificazione

atrraverso una serie di reazioni

ossidative catalizzate da una catena

enzimatica situata nel reticolo

endoplasmatico (microsomi) nota

come drug metabolizing system.

Solfotransferasi (ST)

Glutatione S transferasi (GST)

Tiopurina Metilo-Transferasi (TPMT)

Catecol-oximetilo-transferasi (COMT)

Istone metilo transferasi (HMT)

N acetil transferasi (NAT)

uridindifosfatoglucuronosiltransferasi (UGT)

- CONIUGAZIONE CON AMINOACIDI

- CONIUGAZIONE SOLFORICA

- CONIUGAZIONE GLUCURONICA

- ACETILAZIONE

- METILAZIONE

L’attività degli enzimi del DMS aumenta nettamente nei soggetti trattati a

lungo con sostanze tossiche che vengono da questi metabolizzate (es.

barbiturici, cancerogeni, ecc.).

L’attività del DMS dipende anche da:

età

specie

sesso

N.B. Esistono anche trasformazioni metaboliche

che provocano un aumento della tossicità di una

sostanza

a) attraverso la degradazione della sostanza

di partenza

b) mediante la combinazione del tossico con

sostanze prodotte dall’organismo sintesi letale

epossido

Schema di funzionamento della P-glicoproteina

Il citocromo P450 (specialmente il CYP3A4 e la

Glicoproteina-P possono essere responsabili di

importanti interazioni farmacologiche

La Glicoproteina-P (e altri trasportatori) possono

essere responsabili della farmacoresistenza

(MDR= multidrug resistance) ai farmaci antitumorali

Inibisce anche la

Pgp

I tre principali meccanismi

d’azione dei tossici

• Produzione di molecole elettrofile

• Produzione di radicali liberi

• Molecole che fanno il ciclo redox

Bersagli delle molecole con gruppo elettrofilo

• Proteine

• mRNA

• Polisaccaridi

• Ecc.

• DNA

Effetto tossico

Danno cellulare

Morte cellulare

Effetto mutageno

Blocco della sintesi di DNA

Conseguenze della formazione di addotti con il

DNA

• Danni che impediscono la neosintesi di DNA durante la fase

S azione antimitotica

• Danni alle basi che portano ad un’alterata

complementazione durante la sintesi di nuovo DNA

mutazioni

es.: la O-6-meti-guanina si complementa in modo errato molto più

frequentemente della 7-metil-guanina

Differenti destini del glutatione a seconda del

ruolo svolto nelle difese cellulari

• Quando il glutatione (GSH) funziona da antiossidante o da cofattore di enzimi a funzione antiossidante, viene ossidato a GSSG e può essere prontamente recuperato tramite glutatione reduttasi. In questo caso il fattore limitante è dato dalla disponibilità di NADPH H+.

• Quanto il GSH funziona da cofattore delle GSH transferasi, viene perduto con le urine sotto forma di acidi mercapturici.

TETRACLORURO DI CARBONIO:

ATTIVAZIONE METABOLICA

Molecole che vanno soggette a ciclo redox

Paraquat, diquat e menadione costituiscono i prototipi.

Le molecole che fanno ciclo redox sono numerosissime.

Ad es:

L’antibiotico STREPTONOGRINA, l’antitumorale

ADRIAMICINA, l’agente diabetogeno ALLOSSANA, il

neurotossico 6-IDROSSIDOPAMINA, ecc.

(menadione=Vit K)

(Paraquat=erbicida)

I RADICALI LIBERI sono atomi o molecole che possiedono un elettrone spaiato nell’orbita più esterna.

SONO INSTABILI

SONO MOLTO REATTIVI

TENDONO AD AVVIARE REAZIONI A CATENA

Come si formano i radicali liberi?

A) L’energia fornita dall’ambiente può scindere il legame covalente fra due atomi (scissione

omolitica) in modo tale che un elettrone rimane attaccato ad una delle due parti.

Es. RADIOLISI DELL’ACQUA

H2O radiazione H• + OH•

OH• + OH• H2O2

H• + H• H2

H• + H2O2 OH• + H2O

OH• + H2 H• + H2O

B) Reazioni di ossido-riduzione che avvengono durante i normali processi metabolici. Gli atomi più

suscettibili possono catturare un elettrone (anche in assenza di una sorgente esterna di energia) che,

per esempio, deriva dalla catena mitocondriale di trasporto degli elettroni.

L’accettore principale di elettroni derivanti dalla catena respiratoria è l’ossigeno.

PARADOSSO DELL’OSSIGENO: l’ossigeno è indispensabile per la vita, ma è anche

tossico; nessun animale che respiri può sopravvivere

in presenza di ossigeno puro.

Durante la normale respirazione l’ossigeno viene sequenzialmente ridotto dall’aggiunta di quattro

elettroni per formare H2O.

C) I metalli di transizione (es. Fe, Cu, Zn), che possono cambiare valenza, partecipano ai trasferimenti di

elettroni come accettori o donatori; quando si trovano liberi nei tessuti continuano a svolgere tale funzione

e generano radicali liberi in modo incontrollato.

Es. Reazione di Fenton

H2O2 + Fe2+ OH• + OH- + Fe3+

Poiché la maggior parte del Fe intracellulare libero è nella forma ferrica (Fe3+) deve essere

prima ridotto alla forma ferrosa (Fe2+) per poter partecipare alla reazione di Fenton. Tale

riduzione può essere aumentata in presenza di superossido:

O2- + Fe3+ O2 + Fe2+

Nell’insiema si ha la cosiddetta reazione di Haber-Weiss catalizzata dal ferro:

Reazione di Haber-Weiss

O2- + H2O2

Fe OH• + OH- + O2

D) Metabolismo enzimatico di sostanze chimiche esogene e farmaci.

Es. Scissione omolitica del tetracloruro di carbonio

CCl4 P 450 CCl3

• + Cl-

E) L’ NO (ossido di azoto), un importante mediatore chimico generato da cellule endoteliali,

macrofagi, neuroni e altri tipi cellulari, può agire come radicale libero e può essere trasformato in

ONOO- (anione perossinitrito) NO2• NO3

•

Bersagli:

- lipidi

- carboidrati

- proteine

- acidi nucleici

Conseguenze:

- distorsione molecole

- rottura molecole

- formazione di legami crociati (cross-linking)

Nell’azione dei radicali liberi si possono distinguere tre fasi:

innesco - propagazione - arresto

A) INNESCO: consiste nella formazione di RL con uno dei meccanismi descritti precedentemente.

R-R R• + R•

B) PROPAGAZIONE: reazione di trasferimento del radicale su altri atomi o gruppi.

R• + QH RH + Q•

R• + Q-Q R-Q + Q•

N.B. Il numero dei RL prima e dopo la reazione rimane invariato.

C) ARRESTO: la catema di reazioni termina quando i radicali che si propagano vengono rimossi

per ricombinazione casuale con altri radicali di altre catene.

R• + R• R-R

R• + Q• R-Q

R• + ROO• ROOR

L’effetto finale dell’attacco radicalico è una LESIONE

MOLECOLARE

Esistono due principali linee di difesa:

- ENZIMI ANTIOSSIDANTI (che eliminano i due reagenti principali, il radicale

superossido e il perossido di idrogeno, cosicchè essi non possono più reagire

attraverso la reazione di Haber-Weiss e produrre il pericolosissimo radicale OH•

- SOSTANZE ANTIOSSIDANTI: possono bloccare le reazioni di formazione

(innesco) dei radicali liberi oppure inattivare (scavengescavengers) i radicali

conducendo a reazioni di arresto.

a) IDROSOLUBILI ac. ascorbico (vit. C); glutatione

b) LIPOSOLUBILI vitamina E (alfa-tocoferolo); beta-carotene

(precursore della vitamina A)

SUPEROSSIDO CATALASI GLUTATIONE

DISMUTASI (SOD) PEROSSIDASI

O2- + O2 + 2H H2O2 H2O2 + H2O2 2 H2O + O2 H2O2 + 2 GSH GSSG + 2 H2O

2 OH• + 2 GSH GSSG + 2 H2O

La produzione di radicali liberi può indurre danno cellulare a diversi livelli

ed essere alla base di gravi patologie

Stress ossidativo