Az idegrendszerre hat toxikus fmionok I HIGANY Hg

Az idegrendszerre ható toxikus fémionok I. HIGANY Hg 0; szervetlen Hg (Hg 22+, Hg 2+), szerves Hg (Me. Hg) Behatás: ipar, mezőgazdaság (szerves vegyületek); elektromos ipar, arany extrakció, fogászat (elemi Hg) Hg 0: illékony – neurotoxikus Hg 0, Hg. X, Me. Hg: oldódik apoláros oldószerekben Szervetlen Hg: vesében tárolódik Szerves Hg: könnyen eljut az agyba Toxicitási sorrend: Hg 0 < Hg 2+ < RHg+ Minamata öböl (1948 -60) higanytartalmú katalizátor 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-N donoratomjan (1) A Hg kölcsönhatása a neuron membránnal és beavatkozása a Ca 2+ homeosztázisba (2) Fehérje szintézis gátlása: a sejtek energia ellátó rendszerének megzavarása (3) Szabad gyök generálási (pl. ROS) mechanizmusok (4) Foszforilációs/defoszforilációs reakciók módosítása (5) Enzimatikus Hg méregtelenítés: szerves Hg liáz: RHg. X + H+ + X– → RH + Hg. X 2 higany reduktáz: Hg(SR)2 + NADPH + H+ → Hg 0 + NADP+ + 2 RSH

Az idegrendszerre ható toxikus fémionok III. ÓLOM Behatás: festékek, akkumulátoripar, ólomkristály, porcelánmáz, üzemanyag adalék (volt), nyomdászat (volt), bányászat (volt) Szerves Pb vegyületek: áthatolnak a vér-agy gáton → károsítják az idegrendszert (paralízis, koordinációs-zavar, görcsök) Szervetlen Pb 2+: Ca 2+csatorna inhibiálása, Ca-ATPáz inhibiálása; intracelluláris Ca 2+ egyensúly megbontás, biofehérjék funkciójának (pl. kalmodulin, kinázok, glutamin szintáz) gátlása; neurotransmitter felszabadulás blokkolása ALUMÍNIUM Behatás: savas esők által megnövekedett Al terhelés az egyébként rosszul oldódó kőzetekből, természetes vizek, ivóvíz Idegrendszeri elváltozások: dialízis demencia, Alzheimer-kór (AD) Kölcsönhatás az idegsejtek sejten belüli (kórosan) túlfoszforilált neurofibrilláris fonadék fehérjéivel, ill. a sejten kívüli térben képződő amiloid fehérjéivel, ami a neuronok kóros hidrolitikus pusztulásával (annak fokozódásával) jár. → Kockázati tényező az AD-ben.

Az Al 3+ koncentráció a nyers és a kezelt vizekben

ALUMÍNIUM Az Al 3+ felszívódásában szerepe lehet: [Al-citrát]0 Képződési p. H-tartomány: p. H = 2 – 5 Endogén képződhet Felszívódás: gyomor-bél traktus Feltételezett kötésmód: [Al(maltoláto)3]0 Képződési p. H-tartomány: p. H = 6 – 8 Exogén képződhet Maltol: sütőipari adalék Feltételezett kötésmód:

Az Al 3+ transzportja PLAZMA VÉRSEJT 0, 1 m. M citrát (CI) 2 -4 m. M 2, 3 -difoszfo-glicerát (DPG) 0, 03 m. M transferrin (TF) Látszólagos stabilitási állandók fiziológiai p. H-n: Fe(III)–TF: 22, 7 & 22. 1 Al(III)–TF: 12, 9 & 12. 3 Al(III)–CI: 12, 4 citrát: Al(III)–DPG: 12, 5 DPG: TF: 2 His-N 3 Tyr-O 1 karbonát

NUKLEINSAV NUKLEOTID-FOSZFÁT Foszfát bázicitás p. K < 1 p. K ~6 Látszólagos stabilitási állandók fiziológiai p. H-n lg. K(Al) < 5, 6 lg. K(Al) ~10, 8

Az Al 3+ toxicitásának valószínű okai Ca(II) o Al(III) Mg(II) o o 1, 12 A 0, 54 A köbös oktaéderes 0, 72 A oktaéderes tetraéderes a kötési hely jelentős kismértékű átrendeződésére van szükség 107 L(Ca 3(PO 4)2)) << L(Al. PO 4) K(Al-ATP) >> K(Mg-ATP) csont rendellenesség Mg-aktivált enzimek blokkolása

ÓN 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 > 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’s Disease (AD)

Neurodegenerative disorders ― misfolded proteins • • (A) Alzheimer’s disease: arrowhead, intracellular neurofibrillary tangles; arrow, extracellular amyloid plaque. (C) Pr. PSc 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 Huntington disease. Kozlowski et al. , Chem. Rev. 2006, 1995 -2044

Amyloid cascade hypothesis Faller et al. , Dalton Trans. 2009, 1080 -1094

Mechanism of fibril formation The first step (upper box) is the formation of an amyloidogenic intermediate via the partial unfolding of the native state (1) or via partial folding of otherwise naturally unfolded species (2). The second step is the selfassociation of the amyloidogenic intermediates, which eventually leads to the formation of amyloid fibrils (lower box). The amyloidogenic intermediates have a high tendency to aggregate and become stabilized by the formation of intermolecular β-sheets. Small oligomers are formed initially that act as nuclei to direct the further growth of aggregates (Here the nucleus is for simplicity shown as a dimer). This growth leads to the formation of higher order oligomers referred to as prefibrillar aggregates (PA). These aggregates convert into protofilaments (P) directly or indirectly, and finally into mature fibrils (F). Such fibrils usually consist of two to six protofilaments that are often twisted around each other to form a ropelike structure. Kozlowski et al. , Chem. Rev. 2006, 1985 -2044

Metal binding of Ab peptides Faller et al. , Dalton Trans. 2009, 1080 -1094

Model for the metallobiology of β-amyloid in Alzheimer’s Disease 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 binding affinity of the Aβ; Kd Cu(Aβ) ~ 10 p. M -100 n. M; Zn(Aβ) ~ 100 n. M • Stability should not be high enough to withdraw metal ions from essential metalloproteins. Kd should be 1 -10 p. M for Cu(II) and 10 n. M 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’s Disease • The ligands studied: derivates of TPEN (used to monitor cell Zn(II) level); too stable → toxic • ENDIP: ½ of TPEN • DMAP: ¼ of TPEN N N H H N 1, N 2 -bis(pyridine-2 -ylmethyl)ethane-1, 2 -diamine N N N CH 3 C N ENDIP H N-methyl-1 -(piridine-2 -yl) methaneamine DMAP N, N, N’-tetrakis(2 -pyridylmethyl) ethylenediamine TPEN

Spectrofluorimetric measurements Fluorescence measurements were carried out to detect the effectiveness of the chelators to reduce the metal ion induced aggregation of amyloids. Solutions contained 50 μM Aβ(1 -40) at 1: 1 metal to ligand ratio and different concentrations of the chelators (l. EM = 280 nm, l. EM = 312 nm)

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

Zn(II) The amount of the soluble Aβ was considerably lower in the presence of Zn(II). ENDIP significantly lowered the Zn(II)-induced aggregation through chelation of the metal ion. At a 10 fold excess of ENDIP, the same fluorescence intensity was measured than in the case of Aβ alone. DMAP had practically no effect on the aggregation.

H 2 OCH 2 H 2 N O C N M H 2 O N H 2 O CH CH 2 O C O O NH CH (CH 2)4 HN C 2 CHOH 2 NH 2 M OH 2 N C N HC CH 2 NH N H OH 2 Predominant at metal ion excess Kd = 10. 5 p. M [Cu(II)] (Namino, Namide, Nim) binding mode Kd = 2. 2 μM [Zn(II)] [ML] complex is favoured in equimolar solution (Namino, Namide, 2 Nim) binding mode, macrochelate formation

MANGÁN Behatás: acélipar (Mn, mint ötvöző), szárazelem gyártás (Mn. O 2/NH 4 Cl/Zn), bányászat, kohászat, üzemanyag adalék (ciklopentadienil-Mn-(CO)3) • Parkinson-kórhoz hasonló tünetegyüttes • Csökkent dopaminszint a Mn érc bányászoknál Közös alap: a Mn 2+ beavatkozik a biogén aminok oxidatív lebomlásába A Mn mint változó oxidációs állapotú fémion alkalmas erre; fokozza a szabad gyökök képződését, ami a lipid peroxidációt gyorsítja és citotoxicitást eredményez. Nem ilyen egyszerű a kép, mert az Pb 2+ és Mn 2+ fokozott neurotoxicitást mutat.

A légzési rendszeren keresztül ható fém mérgezések A belélegzett anyagok: fémgőzök; fémoxid, fémsó részecskék Meghatározó tényezők: koncentráció, levegőáram, részecskeméret, a lerakódás regionális eloszlása, felületi borítottság, légzési problémák • orr-garat szakasz: ≥ 5 mm részecskék lerakódása kiülepedés révén • légcső-hörgői szakasz: 1 -5 mm részecskék lerakódása kiülepedés révén • tüdőtér: <0, 5 mm részecskék lerakódása diffúzió révén

A tüdő védekező mechanizmusa Légcső-hörgői ürítés: a hörgők falát borító nyálka felfelé áramló mozgásával magával ragadja a lerakódott részecskéket és a részecskékkel telített makrofágokat, melyek a nyelőcsőn át a gyomor-bél traktuson keresztül 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 légcsőn keresztül üríti • a részecskék a sejtközi térben fagocitálódnak és a nyirokrendszeren keresztül 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, teljes kapacitás csökkenése, tüdőszövet keményedik, a szövetek károsodnak (azbesztózis, szilikózis, stb. )

Az érrendszerre és a vérképző rendszerre ható mérgezések Behatás: • Endogén: az erek meszesedése • Exogén: As 3+, Pb 2+, Cd 2+, magas vérnyomás Oldhatatlan kalcium-sók kiválása az idővel oxidáció révén ionosabbá váló érfal kalcifikációs helyein. As 3+ hatása: az érfal permeabilitására hat. Glutation védőhatást fejt ki. Pb 2+ hatása: aktiválja az érfal összehúzódását végző simaizmok működésében résztvevő protein kináz-C enzim foszforilációját. Cd 2+ hatása: nem világos; zavar a Cd indukálta szerv specifikus metallotionein szintézisben, ami a méregtelenítést végezné

Az érrendszerre és a vérképző rendszerre ható mérgezések • A fémek károsító hatásukat a csontvelőre vagy a vér alkotóelemire, elsősorban a vértestekre fejtik ki. • Csontvelő: a vérképzés csökken vagy leáll → anémia, vérszegénység • Vértestek: vérsejtképződés inhibíciója, hemoglobin tartalom csökkenés (gyengülő O 2 megkötés → hipoxia)

Az érrendszerre és a vérképző rendszerre ható mérgezések

A májat és vesét károsító mérgezések MÁJ, VESE: A szervezet fő kiválasztó szervei. Sok toxikus anyag, köztük fémek bioátalakulásának és kiválasztásának helyei. 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: cyt. P 450, transzmembrán Ca 2+ transzport, oxidatív foszforiláció, kalmodulin-Ca, kinázok, Ca 2+/Mg 2+-ATPáz • Antagonizmus létfontosságú fémionokkal: Mg 2+, Ca 2+, (Zn 2+): DNS Zn 2+, Cu 2+: alkohol-dehidrogenáz, karboxi-peptidáz, szénsav-anhidráz, SOD, cyt. P 450

A májat és vesét károsító mérgezések 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 reakciókban glükóz metabolizmus megzavarása • Antagonizmus szelénnel • A glutation befolyásolja a szervetlen As kiválasztást.

A 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 – oxidatív foszforiláció függő. A toxicitás mechanizmusa ugyanaz, mint ami a máj károsodása esetén: kölcsönhatás létfontosságú biomolekulákkal → csökkenő számú sejt, fajlagosan növekvő toxikus anyag, nekrózis, növekvő sérülékenység → vesegyulladás, fehérje a vizeletben. Mérgező fémionok: Cd, Pb, Hg, Cr, Au, ciszplatin (a karboplatin nem), U

A gyomor-bél rendszerre ható mérgezések Nagyon összetett rendszer – minden odakerül – szinte lehetetlen szétválasztani a sok komponens egyedi hatását. A gyomor nyálkahártyáját sértő fém vegyületek (korrozív tulajdonságúak): As, Hg, Pb (Sb, Ba, B, Cu Th) → fekély kialakulása, gyomorvérzés (ólomkólika, festők betegség) (felszívódva más szervet károsítatnak) A gyomor-bél rendszer rákos megbetegedése: Ni, Cr, azbeszt

A gyomor-bél rendszerből való felszívódás lehetősége [Al-citrát]0 [Al(maltoláto)3]0 Citromsav fokozza az Al felszívódását in vivo. Altartalmú savlekötőt ne citromos üdítővel vegyük be! A teát inkább tejjel, ne citrommal igyuk. Koncentráció eloszlási görbék (c. L = 2 m. M; M: L = 1: 2) VO(IV) – maltol rendszer VO(IV) – pikolinsav rendszer

A bőrt érő károsodások Sok fém és fémvegyület okoz a bőrrel érintkezve enyhébb vagy súlyosabb elváltozásokat: 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 vagy védőréteg → csökkentik a Ni felhasználását ezen eszközöknél

A bőrt érő károsodások

Fémionok toxikológiája a csontrendszerben Csontrendszer: tárolja a toxikus fémionokat, a keringésbe bekerülő toxikus fémionok forrása, a toxikus hatás helye Osteoblast (csontképző) sejtek – osteoclast (csontlebontó) sejtek finoman szabályozott egyensúlyi működése. Fiziológiai zavarai (Ca anyagcsere) • terhesség és szoptatás: jelentősen nő a Ca 2+ igény (vér, csont, majd sejt) → fogékonyság a toxikus fémek felvételére is • a „csontforgalom” ösztrogén általi leszabályozása: a csontképződés és lebontás egyensúlya átmenetileg megbomolhat a nőknél a menopausa idején, ami csontritkuláshoz (osteoporozis) vezethet

Toxikus fémionok beépülése a csontrendszerbe (Cd, Cd Pb Al) Cd „itai-itai” betegség a legkomplexebb és a legjellemzőbb Cd mérgezés tünetei: osteoporozis, osteomalacia, vese-elégtelenség, a keringés összeomlása

Toxikus fémionok beépülése a csontrendszerbe (Cd, Pb Al) Pb fokozódó csontlebontás, csontritkulás, de csontrákot nem okoz A toxicitás mechanizmusa: • csontlebontó-szerű sejtek képződését indukálja • csontképző sejtek képződését gátolja • alkalikus-foszfatáz működését gátolja • osteocalcin-hidroxiapatit kölcsönhatását gátolja A szervezet által felvett ólom a csontban akkumulálódik: félidő ~20 év. A nőknél a csontban tárolt ólom nagyobb mértékben kerülhet a keringésbe a terhesség, szoptatás és a menopausa után.

Toxikus fémionok beépülése a csontrendszerbe (Cd, Pb Al) Pb

Toxikus fémionok beépülése a csontrendszerbe (Cd, Pb Al) Al Al csontképzési zavar, csontlágyulás, csontgyulladás A toxicitás mechanizmusa: • lassítja a kalcifikáció folyamatát (lokalizálódik a mineralizálódási fronton): kalcifikációs hibahelyeket idéz elő (eltérő geometria: Ca 8 -köbös, Al 6 oktaéderes) • hat az osteoblast és osteoclast szintézisre is Érzékenyítő tényezők: • citrát: fokozza az Al felhalmozódását a csontban és az agyban • fluorid: fokozza az Al lerakódását a csontban