Vorlesung „Rechtskunde und Toxikologie“ Mechanismen toxischer

Vorlesung „Rechtskunde und Toxikologie“
Mechanismen toxischer Wirkungen
Prof. Dr. W. Dekant
Institut für Toxikologie
Universität Würzburg
Veränderungen zellulärer Parameter und
ihre toxischen Folgen
Erhöhung der intrazellulären
Ca2+-Konzentrationen
Erniedrigung der
intrazellulären ATPKonzentrationen
Modifikation von
Proteinthiolen und
Disulfiden
↓
↓
↓
Aktivierung Ca2+-abhängiger
degradierender Enzyme,
Zerstörung von
Zellmembranen und
Cytoskelettelementen, DNAFragmentierung
Störung des zellulären
Ionenmusters,
Beeinträchtigung der
Proteinsynthese
Störung der Funktion
sulfhydrylabhängiger
Proteine (z.B.
Ionenpumpen,
Cytoskelettelemente )
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Calciumabhängige Mechanismen der
Cytotoxizität
Ca2+ ↑↑
Anhaltende Erhöhung der
zellulären Calciumkonzentrationen führt zur
Proteasen ↑
Phospholipasen ↑
Endonucleasen ↑
Aktivierung von calciumabhängigen degradierenden
Enzymen und dadurch zur
Zerstörung zellulärer Makro-
Störung von Struktur und
Funktion des Cytoskeletts
führt zur Bildung von
Plasmamembranbläschen
DNADoppelstrangbrüche,
DNA-Fragmentierung
Beeinträchtigung der
physiologischen Intaktheit
der Zellmembranen
Zelltod
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moleküle. Die nach oben
zeigenden Pfeile kennzeichnen eine Konzentrationsbeziehungsweise Aktivitätszunahme.!
Zelluläre Strukturen als Angriffspunkte toxischer
Fremdstoffe und daraus resultierende funktionelle
Störungen
Plasmamembran
Mitochondrien
Endoplasmatisches
Retikulum
Lysosomen
↓
↓
↓
↓
Störung des zellulären
Störung der
Störung des FremdIonen-musters, des
Energieproduktion stoffmetabolismus
inter-zellulären Infor- und des Calciumund des zellulären
mationsaustauschs
haushalts
Ionenmusters
und der Erregungsübertragung
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Freisetzung
lysosomaler
degradierender
Enzyme in das
Cytosol
Schematische Darstellung einer Synapse
synaptischer Spalt
Wiederaufnahme
postsynaptische
Zelle
präsynaptische
Zelle
Reaktion mit
postsynaptischen
Rezeptoren
Transmitterfreisetzung
synaptische Vesikel
Neurotransmitter
Abtransport, Abbau
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Einteilung von Bioaktivierungsreaktionen nach der
chemischen Struktur und Reaktivität der enzymatisch
gebildeten Zwischenstufen
Mechanismus
Struktur und Reaktivität der gebildeten
Zwischenstufe
Biotransformation zu stabilen
toxischen Metaboliten
verschiedene Strukturen; selektive
Interaktion mit essentiellen zellulären
Prozessen
Biotransformation zu reaktiven
reaktive Elektrophile
Elektrophilen
Biotransformation zu freien
Radikalen
Radikale
Bildung reaktiver
Sauerstoffmetabolite
Radikale
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Beispiele
Dichlormethan
Acetonitril
Parathion
Dimethylnitrosamin
Acetaminophen
Brombenzen
Tetrachlorkohlenstoff
Paraquat
Nitroverbindungen
Beispiele von Bioaktivierungsreaktionen und dadurch
ausgelösten toxischen Wirkungen
Fremdstoff
durch Bioaktivierung ausgelöste toxische Bioaktivierungsmechanismus
Wirkung
oder reaktives Zwischenprodukt
Acetamidofluoren
Blasenkrebs
Nitreniumion
AflatoxinB1
Leberkrebs
Epoxidierung
Benzen
Blutkrebs
Bildung von Benzochinon
Brombenzen
Lebernekrosen
Bildung von 2-Bromchinon
Bromtrichlormethan
Lebernekrosen
Radikalbildung
Dimethylnitrosamin
Krebs in vielen Organen
Tetrachlorkohlenstoff
Lebernekrosen
Radikalbildung
Thioacetamid
Leberkrebs
S-Oxidation und nachfolgend
weiterer Metabolismus
Vinylchlorid
Leberkrebs
Epoxidierung
Diethylstilböstrol
Scheidentumoren bei Töchtern, deren
Mütter während der Schwangerschaft
behandelt wurden
Semichinonradikal, DES-Chinon
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α-Hydroxylierung mit nachfolgender
Umlagerung zum Carboniumion
Beispiele für Bioaktivierungsreaktionen
OH
Cl
HCCl3
P-450
Cl
P-450
O2
HOCCl3
- 2 HCl
Cl
H
CO
Cl
O
- HCl
Cl
C
kovalente Bindung
Cl
toxische Wirkung
.
. HO 2 + O 2 + H+
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H2O 2 + O2
Beispiele für Fremdstoffe, die zu Radikalen metabolisiert
werden
Verbindung
Radikalmetabolit
Schädigung
Tetrachlorkohlenstoff
.CCl3
Leberschäden
Paraquat
Paraquatradikalkation und O2.- Lungenfibrose
Daunomycin
Daunomycinradikal und O2.-
Schädigung des
Herzmuskels
Nitrofurantoin
RNO2.-, O2.-
Lungenödem
3-Methylindol
3-Methylindolradikal (N.)
Lungenödem
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Angriff von Radikalen an ungesättigtern Fettsäuren
biologischer Membranen und Initiation der
Lipidperoxidation
H
H
R
H
R1
+ HO
R
R1
- H2O
O2
HOO
OO
R
R1
+ R2H
R
R1
- R2
Durch den Zerfall der ungesättigten Fettsäuren
O
entstehen α,ß-ungesättigte Carbonyl-
H
OH
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verbindungen wie 4-Hydroxy-2-trans-hexanal.!
Bildung reaktiver Sauerstoffmetabolite und "Redoxcycling"
durch Menadion
.
O 2-
.
O
CH3
O-
+ e-
O2
CH3
+ e-
Flavoprotein
NAD(P)H
OH
Menadion
Menadion-Reduktase, NAD(P)H
+ 2eProf. Dr. W. Dekant, Institut für Toxikologie, Universität Würzburg
Menadion kann in einer
Zwei-Elektronen-Reaktion
zum entsprechenden
Hydrochinon umgewandelt
werden.!
OH
CH3
Flavoprotein
NAD(P)H
O
. O2
O2
OH
Durch eine Ein-ElektronenReduktion entsteht aus
Menadion ein Semichinonradikalanion, das mit
Sauerstoff zum Superoxidradikalanion unter
Rückbildung von Menadion
weiterreagieren kann.!
Oxidation des Hydrochinons
durch molekularen Sauerstoff
führt ebenfalls zu einem
Semichinonradikalanion und
dem Superoxidradikalanion.!
Bildung aktiver Sauerstoffspezies durch stufenweise EinElektronen-Reduktion von molekularem TriplettSauerstoff
3
O2
Triplett-Sauerstoff
+ e-
O2
+ e-, 2H+
Superoxidradikal
H2O 2
Wasserstoffperoxid
+ e-, H+
- H2O
OH
Hydroxylradikal
+ e-, H+
H2O
Wasser
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Metabolische gebildete Elektrophile und ihre
Reaktionspartner in der Zelle
weich
hart
Nucleophile:
SH von Cystein
Schwefel von
primärer oder
Aminogruppen von Sauerstoff von
oder GSH
Methionin
sekundärer
Purinbasen in RNA Purinen und
Stickstoff von
und DNA
Lysin, Arginin oder
Pyrimidinen in DNA
und RNA
Histidin
Elektrophile:
α,ß-ungesättigte
Epoxide,
Carbonyl-
Alkylsulfate,
verbindungen,
Alkylhalogenide
Chinone
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Nitreniumionen
benzylische
aliphatische und
Carbokationen
aromatische
Carbokationen
Metabolische Aktivierung von Vinylchlorid zu Chloroxiran
und Modifizierung von Deoxyadenosin zu 1,N6Ethenodeoxyadenosin (dR: Deoxyribose)
NH2
+
H
Cl
C
H
H
O
C
C
H
N
N
N
Cl
O
dR
C
H
NH2
N
N
N
- HCl
H
N
N
dR
HO
N
N
N
N
N
N
dR
1,N -Ethenodesoxyadenosin
6
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- H2O
N
N
N
N
dR
Strukturen von DNA-Addukten, die im Rahmen von
endogenen oxidativen Prozessen entstehen
O
HN
O
N
O
NH2
CH3
OH
OH
H
dR
Thyminglycol
NH
CHO
N
N
NH
dR
4,6-Diamino-5formamidopyrimidin
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N
HN
H2N
N
OH
N
N
dR
8-Hydroxyguanin
N
N
N
N
dR
1,N6-Ethenoadenin
Mechanismus der Reparatur von O6-Methylguanosin in DNA
durch O6-Methylguanin DNA-Methyltransferase. Dabei wird das
Enzym durch Übertragung der Methylgruppe auf die
Aminosäure Cystein inaktiviert
NH2
OR
O
P
O
O
N
P
CH2
N
O
CH2
O
H
O
O
N
O
O
H
NH2
OR
O
H
P
H
H
CH3
O
N
O
N
N
O
COOR
+ HS
NH2
N
O
O
H
P
C CH
H2
HN COOR
O
O
H
P
H
O
O
N
O
CH2
H
H
O
O
N
O
NH
O
H
P
H
O
O
N
NH
O
CH2
N
O
N
NH2
CH2
N
O
H
H
O
NH2
N
H
O
H
COOR
NH + H3C
N
O
H
H
O
H
Cystein in Methyltransferase
O
CH2
N
O
O
P
H
H
H
O
OR
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O
O
P
OR
H
O
H
N
NH2
S
C CH
H2
HN COOR
Mehrstufenmodell der Krebsentstehung am Beispiel der
Erzeugung von Hauttumoren bei der Maus
Promotoren verkürzen die Latenzzeit
und erhöhen die Zahl der Tumoren pro
1
2
3
4
5
X X X X
+
X
X
++++
X
++++
Intervallen nach dem Initiator
verabreicht werden (3, 4). Ist die
Applikationsfrequenz des Promotors zu
niedrig (5) oder erfolgt die Applikation
in umgekehrter Reihenfolge, zuerst
Promotor und dann Initiator (6), bleibt
X
6
Tier nur, wenn sie in bestimmten
die Entstehung von Tumoren aus;
gleiches gilt für die alleinige
X
Verabreichung des Promotors (7).
7
Initiatoren können in ausreichender
Dosierung auch in Abwesenheit von
Zeit
Promotoren Tumoren erzeugen (1); in
X = Initiator
= Promotor
+ = Tumor
= kein Tumor
diesem Fall wirken sie als komplette
Kanzerogene. Bei zu geringer Dosis
wird kein Krebs induziert (2). !
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Der lange Weg von einer normalen Zelle zu einem
bösartigen Tumor
Mehrere Mutationen in
Proliferations- und
Differenzierungsgenen
bewirken die Umwandlung
einer normalen Zelle in eine
Tumorzelle (Initiation). Ein
klinisch erfaßbarer Tumor
entsteht aber erst, wenn
Tumorpromotoren die initiierte
Zelle dazu bringen, sich stark
zu vermehren (Promotion). In
der dritten Phase nimmt die
Bösartigkeit des Tumors zu
(Progression). Er wächst
destruierend in das
benachbarte Gewebe, infiltriert
Blutgefäße und bildet
Tochtergeschwülste
(Metastasen) in entfernten
Organen.!
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