Arten der Einwirkung von Chemikalien. Einteilung von Giftstoffen und ihrer biologischen Wirkung. Untersuchungsmethoden in der Toxikologie
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- Liese Krause
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1 Inhalte Aufgaben der Toxikologie Kontakte mit Stoffen Arten der Einwirkung von Chemikalien Einteilung von Giftstoffen und ihrer biologischen Wirkung Untersuchungsmethoden in der Toxikologie Schließen vom Experiment auf den Menschen Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 1
2 Inhalt Arten der Einwirkung von Chemikalien Toxikokinetik Resorption (Aufnahme) Verteilung Metabolismus (Biotransformation) Elimination (Ausscheidung) Toxikodynamik Dosis Wirkungsort Wirkungsart Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 2
3 Phasen der toxischen Wirkung Exposition Stoff verfügbar für die Resorption Zerfall Auflösung etc. Expositionsphase Stoff verfügbar für den Effekt (Biologische Verfügbarkeit) Resorption Verteilung Metabolisierung Ausscheidung Toxikokinetische Phase Stoff-Rezeptor- Wechselwirkung am Zielorgan Toxikodynamische Phase Effekt Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 3
4 Inhalt Arten der Einwirkung von Chemikalien Toxikokinetik Resorption (Aufnahme) Verteilung Metabolismus (Biotransformation) Elimination (Ausscheidung) Toxikodynamik Dosis Wirkungsort Wirkungsart Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 4
5 Wege der Resorption, Verteilung und Ausscheidung von Fremdstoffen Ingestion Inhalation Dermale Exposition Magen-Darm-Trakt Lunge Haut Leber Blut und Lymphe Verschiedene Organe und Gewebe (z.b. Knochen, Fettgewebe, Auge, Nervensystem) Embryo / Fetus Sekretorische Drüsen Galle Niere Lunge Faeces Urin Atemluft Sekrete (Nach Eisenbrand, Metzler: Toxikologie für Chemiker) Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 5
6 Resorption: Für die Aufnahme von Fremdstoffen relevante Grenzflächen Haut Schleimhaut Alveolarepithel Darmepithel Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 6
7 Resorption: Transportmechanismen Biologische Membran + - kleine, polare Moleküle Filtration, Diffusion durch Proteinporen spezielle Moleküle lipophile Moleküle Carrier-vemittelter aktiver Transport; erleichterte Diffusion Diffusion durch die Lipidschicht große Partikel Endocytose (Nach Eisenbrand, Metzler: Toxikologie für Chemiker) Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 7
8 Resorption: Ingestionstrakt Abschnitte Mund Speiseröhre Magen Dünndarm Dickdarm Mastdarm Einflußgrößen Substanzeigenschaften Oberfläche Verweildauer ph-wert Durchblutungsgrad Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 8
9 Resorption: ph-werte in verschiedenen Körperbereichen B ereich ph-wert Mundhöhle 6,2-7,2 Magen aktiv 1,0-3,0 in Ruhe bis 7,0 Dünndarmabschnitte Duodenum 4,8-8,2 Jejunum 6,3-7,3 Ileum 7,6 Dickdarm (Colon) 7,9-8,0 Mastdarm (Rektum) 7,3-7,4 Blut 7,35-7,45 Rückenmark 7,3-8,0 Schweiß 4,0-6,8 Muttermilch 6,6-7,0 Harn 4,8-7,5 (Nach Eisenbrand, Metzler: Toxikologie für Chemiker) Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 9
10 Resorption: Ionisationsgrad und Resorption im Magen-Darm-Trakt COOH NH 2 Beispiel: Anilin und Benzoesäure Magen ph 1 COOH COO - NH 2 NH 3 + Darm ph 6 COOH COO - NH 2 Abhängigkeit des Ionisationsgrades vom ph-wert für Anilin (pk a-wert 5) und Benzoesäure (pk a-wert 4) ph-wert Anilin in % nichtionisierter Form Benzoesäure in % nichtionisierter Form 1 0,01 99,9 2 0, ,1 NH 3 + (Nach Eisenbrand, Metzler: Toxikologie für Chemiker) Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 10
11 Resorption: Atemtrakt Gasaustausch zwischen Alveolen (Lungenbläschen) und Blutkapillaren große Oberfläche (50-100m²) kurze Diffusionsstrecke (ca. 1µm) gute Durchblutung (ca. 5l pro Minute im Ruhezustand) gute Resorption unpolarer Stoffe schlechte Resorption polarer Stoffe wasserlösliche Stoffe werden im oberen Atemtrakt zurückgehalten schwer wasserlösliche Stoffe können die Alveolen erreichen Aerosole mit Teilchengrößen < 5µm können ebenfalls die Alveolen erreichen Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 11
12 Dermale Penetration Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 12
13 Wichtige Begriffe Hornschicht (Stratum corneum) Epidermis dermale Adsorption Dermis (corium) dermale Absorption Zirkulation perkutane Penetration Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 13
14 Resorption: Haut Schutz des Organismus gegen Einflüsse von außen Barriere für polare Stoffe lipophile Stoffe können die Hautbarriere leicht durchdringen Barrierefunktion abhängig vom Wassergehalt der Hornschicht Manche Lösungsmittel können die Penetration durch die Haut begünstigen Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 14
15 Verteilung Die Verteilung eines Fremdstoffes im Organismus ist abhängig von seinem Penetrationsverhalten durch biologische Membranen seiner Affinität zu den verschiedenen Kompartimenten des Organismus der Durchblutung der verschiedenen Organe und Gewebe Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 15
16 Verteilung: Durchblutung verschiedener Organe und Gewebe Organ ml Blut / min x kg % Gesamtblut Organgewicht (% des KG) Lunge Nieren ,3 Herzmuskel ,4 Magen, Darm, Leber ,5 Gehirn Haut Skelettmuskel Fettgewebe Bindegewebe (Nach Eisenbrand, Metzler: Toxikologie für Chemiker) Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 16
17 Verteilung: Verteilungsräume und Speicher Proteine Plasmaproteine Hämoglobin Gewebsproteine Wasser Plasma Intrazellulärflüssigkeit Extrazellulärflüssigkeit Fett Knochen Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 17
18 Verteilung: Verteilungsräume Körperfett (20%) Mineralien (4%) feste Körperbestandteile (39%) feste Zellbestandteile (15%) Zellmasse (49%) intrazelluläres Wasser (34%) Gesamtkörperwasser (61%) Plasmawasser (4%) Extrazelluläres Wasser (27%) leicht diffusibles interstitielles Wasser (11%) schwer diffusibles interstitielles Wasser (10%) transzelluläres Wasser (2%) Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 18
19 Metabolismus: Reaktionstypen im Rahmen der Biotransformation Phase I Oxidation (Hydroxylierung, N-Oxidation und N-Hydroxylierung, Desaminierung, N- und O-Desalkylierung, Sulfoxidation) Reduktion (Nitro-, Azoreduktion) Hydrolyse (Amid-, Esterhydrolyse) Phase II Konjugation (mit Glucuronsäure, Glycin, Sulfat; Methylierung, Acetylierung) Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 19
20 Metabolismus: Beispiel Phase I Oxidation OH Phase II Konjugation HO COOH O O OH OH Benzol Phenol Phenyl-ß-D-glucuronid Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 20
21 Metabolismus: Katalyse von Oxidationen durch Cytochrom P-450 Hydroxylierung von Aliphaten Hydroxylierung von Aromaten Epoxidierung von Aromaten Cytochrom P-450 Epoxidierung von Alkanen und Alkinen Oxidation von Heteroatomen (N, S) Oxidative Desulfurierung Oxidative Desaminierung Oxidative Desalkylierung Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 21
22 Metabolismus: Metabolische Aktivierung - elektrophile Metabolite - Fremdstoff elektrophiler Metabolit stabiler Metabolit kritisches Nucleophil unkritisches Nucleophil Toxischer Effekt Ausscheidung Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 22
23 Metabolismus: Metabolische Aktivierung, zelluläre Zielmoleküle und Effekte Fremdstoff elektrophiles Kation Radikal aktivierter Sauerstoff Nukleinsäuren Nukleinsäuren Nukleinsäuren Cytotoxizität Gentoxizität Kanzerogenese sonstige toxische Effekte Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 23
24 Metabolismus: Beispiel Benzol Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 24
25 Metabolismus: Beispiel n-hexan Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 25
26 Metabolismus: Beispiel Bildung freier Radikale aus Tetrachlorkohlenstoff Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 26
27 Metabolismus: Beispiel Methylenchlorid Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 27
28 Metabolismus: Beispiel Vinylchlorid Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 28
29 Metabolismus: Beispiel Schwefelkohlenstoff Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 29
30 Elimination: Ausscheidungswege Nieren Leber-Darm Lunge Schweißdrüsen Brustdrüse Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 30
31 Inhalt Arten der Einwirkung von Chemikalien Toxikokinetik Resorption (Aufnahme) Verteilung Metabolismus (Biotransformation) Elimination (Ausscheidung) Toxikodynamik Dosis Wirkungsort Wirkungsart Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 31
32 Dosis: Paracelsus Alle dinge sind gifft und nichts ist ohn gifft; allein die dosis macht, daß ein ding kein gifft ist. Paracelsus ( ) Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 32
33 Dosis-Wirkungsbeziehung Viele Substanzen zeigen eine S-förmige Dosis-Wirkungskurve LD 50 (Letale, also tödliche Dosis, bei der 50 Prozent der einer Substanz ausgesetzten Individuen nach einmaliger Applikation (Exposition) zu Tode kommen 100 Toxizität Toxicity 50 No-Effect Level LD DOSE (mg/kg) Dosis (mg/kg) Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 33
34 Andere Dosiswirkungsbeziehungen Schwelle: definierter No Effect Level Linear: Keine Wirkungsschwelle Hormesis = geringe Dosis Stimulierung / hohe Dosis Hemmung (bekannter Effekt von Strahlung, Hormonen, Vitaminen, Drogen: U- förmige Dosis-Wirkungskurve Schwelle Hormesis Effekt günstig nachteilig Linear model Dosis Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 34
35 NOAEL and LOAEL NOAEL (NO Observed Adverse Effect Level): Höchste Dosis bei der keine adversen Effekte beobachtet wurden. LOAEL (Low Observed Adverse Effect Level): Niedrigste Dosis bei der noch adverse Effekte beobachtet wurden. Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 35
36 Toxizität nach wiederholter Gabe Toxizität nach wiederholter, längerfristiger Gabe (oral, dermal, inhalativ) subakut subchronisch chronisch Konzentration am Zielorgan Toxischer Bereich C A B A C B Einmalige Dosis Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 36
37 Dosis: Mengenangaben 1 Tropfen ca. 0,05 ml 1 Kaffeelöffel ca. 5 ml 1 Kinderlöffel ca. 10 ml 1 Eßlöffel ca. 15 ml 1 Likörglas ca ml 1 Kaffeetasse ca ml 1 Wasserglas ca. 200 ml 1 Bierglas ca ml Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 37
38 Wirkort und Wirkart: Zielorgane und Gewebe Entscheidend für den Ort und die Art der Wirkung sind: die Verteilung eines Fremdstoffes im Organismus (Affinität zu Kompartimenten) seine Affinität zu spezifischen Rezeptoren Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 38
39 Wirkort und Wirkart: Typen von Rezeptoren Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 39
40 Zusammenfassung: Arten der Einwirkung von Chemikalien Toxikokinetik Resorption (Aufnahme) Verteilung Metabolismus (Biotransformation) Elimination (Ausscheidung) Toxikodynamik Dosis Wirkungsort Wirkungsart Toxikologie für Chemiker: Arten der Einwirkung von Chemikalien 40
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