absorpcja, dystrybucja, biotransformacja i wydalanie trucizn

5
ABSORPCJA, DYSTRYBUCJA,
BIOTRANSFORMACJA I WYDALANIE
TRUCIZN
JERZY KRECHNIAK
5.1
Wprowadzenie
W środowisku życia człowieka występuje wiele różnorodnych związków
chemicznych. Większość z nich, mimo bezpośredniej styczności z organizmem żywym,
nie przenika do jego wnętrza. Niektóre elementy środowiska (powietrze, woda,
pożywienie) dostarczają organizmowi niezbędnych składników do metabolizmu
pośredniego i umożliwiają jego istnienie. Wraz z nimi przedostają się do organizmu
substancje obce, k s e n o b i o t y k i, które mogą wywierać działanie szkodliwe.
Często również substancje te są wprowadzane celowo do organizmu jako leki,
używki, trucizny.
Jeśli pominąć działanie miejscowe, np. żrących kwasów lub zasad, niezbędnym
warunkiem do wystąpienia jakiegokolwiek działania biologicznego, w tym
także toksycznego, jest wchłonięcie substancji chemicznej do krwiobiegu, a następnie
jej przedostanie się, w dostatecznym stężeniu, do odpowiednich tkanek i narządów.
Nie zawsze w tkance, w której trucizna występuje w największych ilościach,
występują najbardziej widoczne skutki działania. Przykładem tego są insektycydy
polichlorowe, które nagromadzając się w tkance tłuszczowej nie wywołują w niej
ujemnych skutków.
Niezależnie od drogi podania, substancje chemiczne ulegają w organizmie
wielu różnorodnym procesom. Całość procesów, określających los substancji obcych
w organizmie, nazywamy też metabolizmem ksenobiotyków.
Błędne jest ograniczenie tego pojęcia wyłącznie do biotransformacji.
55

Głównymi procesami metabolizmu ksenobiotyków w organizmie
są:
– wchłanianie (absorpcja),
– rozmieszczenie (dystrybucja),
– przemiany biochemiczne (biotransformacja),
– wydalanie.
Dystrybucja – w szerszym ujęciu – obejmuje zarówno rozmieszczenie substancji
obcych między poszczególnymi tkankami i narządami, jak i przenikanie
przez bariery wewnątrzustrojowe, nieswoiste wiązanie z białkami osocza i narządów
oraz wybiórcze odkładanie się w tkankach (kumulacja).
Uproszczony schemat metabolizmu ksenobiotyków w organizmie przedstawiono
na ryc. 5.1.
Ryc. 5.1. Losy ksenobiotyków w organizmie: X – ksenobiotyk, M – metabolit, R – receptor
B – białko osocza, B' – białko narządów.
Badaniem kinetyki wchłaniania, rozmieszczenia, biotransformacji i wydalania
substancji obcych oraz odpowiadających im skutków toksycznych zajmuje się
toksykokinetyka.
Można więc powiedzieć, że toksykokinetyka odpowiada na pytanie: co dzieje
się z trucizną w organizmie? Natomiast toksykodynamika odpowiada na
pytanie: co dzieje się z organizmem pod wpływem trucizny?
Działanie substancji zależy od podanej dawki. Jednak decydujące znaczenie
będzie miało jej stężenie w organie docelowym. Zaledwie niewielki ułamek dawki
ksenobiotyku dociera do miejsca działania i wywołuje skutki biologiczne, łącząc
się swoiście z r e c e p t o r a m i, tj. wybiórczo reagującymi strukturami, zazwyczaj
białkowymi, umiejscowionymi najczęściej na powierzchni komórek lub w ich wnętrzu.
Dostępność substancji do receptora zależy od równowagi dynamicznej, jaka
istnieje między przeciwstawnymi procesami. Z jednej strony na zwiększenie stężenia
substancji wpływają procesy inwazyjne – absorpcja i dystrybucja, a z drugiej
56

zmniejsza je eliminacja, obejmująca wydalanie i biotransformację. Ten ostatni
proces prowadzi jednak często do powstania metabolitu bardziej toksycznego od
substancji macierzystej.
Ogólnie biorąc w metabolizmie ksenobiotyków biorą udział:
– procesy t r a n s p o r t u (wchłanianie, dystrybucja, wydalanie),
w których substancje przechodzą przez błony biologiczne,
– procesy b i o t r a n s f o r m a c j i, w których w przemianach enzymatycznych
lub nieenzymatycznych ksenobiotyki ulegają przekształceniu do jednego
lub kilku metabolitów.
Istotną rolę w transporcie substancji obcych w organizmie odgrywa układ
krwionośny, za pomocą którego trucizny są przenoszone z miejsca wchłaniania,
rozprowadzone do poszczególnych tkanek i narządów, a w końcu usunięte z organizmu
w procesie wydalania. Stężenie substancji obcych w poszczególnych tkankach
w dużym stopniu zależy od przepływu krwi.
Przedostając się do miejsca działania, substancja obca musi przeniknąć w organizmie
przez kilka błon biologicznych. Podczas wchłaniania ksenobiotyk przechodzi
przez bariery odgraniczające środowisko wewnętrzne od środowiska zewnętrznego:
wielowarstwowy naskórek, jednowarstwowy nabłonek oddechowy lub
jednowarstwowy nabłonek jelitowy. Następnie przenika przez błony naczyń włosowatych,
błony komórkowe narządów oraz błony organelli komórkowych.
5.2
Mechanizmy transportu przez błony komórkowe
Każda komórka jest otoczona półprzepuszczalną błoną, przez którą przenikają
z różną szybkością jony i cząsteczki. Mimo całej swej różnorodności błony poszczególnych
komórek mają zbliżoną budowę. Grubość ich wynosi zazwyczaj 7–
–10 nm. Poglądy na budowę błon komórkowych zmieniają się wraz z postępem
wiedzy.
Robinson w 1959 r., przedstawiając model błony elementarnej, zakładał powszechność
występowania regularnego układu trójwarstwowego: białka–lipidy–
–białka we wszystkich strukturach laminarnych komórek. Grubość każdej z tych
warstw wynosi 2,5–3,0 nm (ryc. 5.2).
Błona komórkowa składa się z dwuwarstwy lipidowej, otoczonej z obu stron
warstwą białek. Błony są strukturami płynnymi. Lipidy błonowe składają się z fosfolipidów
(fosfatydylocholina, fosfatydyloetanoloamina, fosfatydyloseryna, fosfatydyloinozytol,
sfingomielina) i cholesterolu. Łańcuchy kwasów tłuszczowych
wchodzących w skład fosfolipidów zawierają najczęściej 16 lub 18 atomów węgla.
Kwasy tłuszczowe mogą być nasycone lub nienasycone. Lipidy błonowe są cząsteczkami
amfipatycznymi, zawierającymi zarówno grupy hydrofilowe (fosforanowa,
wodorotlenowa), jak i hydrofobowe (łańcuchy węglowodorowe). Lipidy zwró-
57

Ryc. 5.2. Model błony elementarnej.
cone są hydrofobowymi łańcuchami węglowodorowymi do siebie, z grupami polarnymi
do otaczającej je fazy wodnej, gdzie oddziałują z polarnymi cząsteczkami
białek, jonami i wodą. Białka błonowe (m.cz. 5–250 · 10 3 ) mają również charakter
amfipatyczny i są osadzane w dwuwarstwie lipidowej, a w niektórych miejscach
przenikają na wylot przez całą dwuwarstwę. Białka te spełniają wiele funkcji
w błonie i działają jak pompy, kanały, przenośniki, receptory i enzymy. Na zewnątrz
komórek zwierzęcych występuje warstwa glikoprotein i glikolipidów, zawierająca
reszty cukrowe. Warstwa ta jest nośnikiem właściwości antygenowych
komórki, decyduje także o jej ładunku elektrostatycznym, co ma duże znaczenie
w transporcie różnych substancji do wnętrza komórki.
Hipoteza błony elementarnej została rozwinięta w postaci modelu dynamicznego,
w którym lipidy i białka są zorganizowane w strukturze mozaikowej (ryc.
5.3). Zgodnie z tym podstawą błony jest dwuwarstwa lipidowa, w której w różnym
stopniu są osadzone białka integralne i peryferyjne. Białka integralne są dużymi
cząsteczkami o budowie kulistej, osadzonymi najczęściej przez całą grubość dwuwarstwy
lipidowej błony, zorientowane grupami polarnymi i zjonizowanymi ku środowisku
wewnątrz- i zewnątrzkomórkowemu. Białka peryferyjne są związane za
pomocą oddziaływań elektrostatycznych lub hydrofobowych z zewnętrznymi powierzchniami
białek strukturalnych.
Składniki błony komórkowej, w zależności od temperatury otoczenia, mogą
występować jako struktury krystaliczne lub ciekłe, mające swój charakterystyczny
punkt przejścia fazowego ciecz ↔ ciało stałe. Temperatura przejścia fazowego błon
jest uwarunkowana głównie długością łańcucha alifatycznego kwasów tłuszczowych,
wchodzących w skład błony, oraz liczbą i pozycją podwójnych wiązań nienasyconych,
a także konfiguracją cis i trans łańcucha alifatycznego. Ze względu na
Ryc. 5.3. Model mozaiki płynnej błony komórkowej.
58

óżnorodny skład lipidów, w błonach komórkowych występuje mieszanina reszt
kwasów tłuszczowych o różnej długości i różnym stopniu nasycenia. W związku
z tym przejście fazowe następuje stopniowo w szerokim zakresie temperatur.
Składniki błony, dzięki temu że znajdują się w warunkach fizjologicznych w stanie
ciekłym, ulegają dyfuzji. Lipidy w błonie mogą dyfundować lateralnie lub przemieszczać
się z jednej warstwy lipidowej do sąsiedniej. Białka błon osadzone
w warstwie lipidowej ulegają rotacji wokół swej osi, prostopadle do powierzchni
błony. Model mozaiki płynnej lepiej tłumaczy niektóre funkcje błony, np. transport
aktywny.
Transport ksenobiotyków przez błony biologiczne (ryc. 5.4) odbywa się
przez:
1) transport bierny (dyfuzja bierna),
2) transport przez pory (absorpcja konwekcyjna),
3) transport ułatwiony,
4) transport aktywny,
5) transport przez pary jonowe,
6) endocytozę.
Ryc. 5.4. Mechanizmy transportu ksenobiotyków przez błony biologiczne.
Większość substancji obcych przechodzi przez błony za pomocą dyfuzji
biernej. Zachodzi ona bez nakładu energii wytworzonej przez komórkę i odbywa
się zgodnie z różnicą (gradientem) stężeń lub potencjałów na obu powierzchniach
błony. Przenikanie substancji przez błony zależy od ich lipofilności i zmniejsza się
59

wraz ze zwiększeniem stopnia jonizacji. Dyfuzja organicznych elektrolitów zachodzi
w ten sposób, że substancja w fazie rozpuszczonej dociera do błony, rozpuszcza
się w niej, przenika przez błonę i przechodzi do kolejnej fazy wodnej (osocze,
chłonka, płyn mózgowo-rdzeniowy, płyn wewnątrzkomórkowy). Warunkiem dyfuzji
jest pewien stopień rozpuszczalności substancji zarówno w lipidach, jak i w wodzie.
Ilościowo proces dyfuzji opisuje p r a w o F i c k a. Szybkość dyfuzji jest
wprost proporcjonalna do wielkości powierzchni błony i różnicy stężeń po obu jej
stronach, a odwrotnie proporcjonalna do grubości błony:
60
Ac (
v = D · 1 ± c 2 )
------------------------
d
gdzie:
v – szybkość dyfuzji,
D – współczynnik dyfuzji, zależny od właściwości substancji (masa cząsteczkowa, konfiguracja
przestrzenna, współczynnik podziału olej:woda, stopień jonizacji) i właściwości błony,
A – wielkość powierzchni błony,
d – grubość błony,
c 1 –c 2
– różnica stężeń po obu stronach błony.
Wiele ksenobiotyków występuje w roztworach zarówno w postaci zjonizowanej,
jak i niezjonizowanej. Wielkość dyfuzji zależy od lipofilności fazy niezjonizowanej
związku. Forma zjonizowana, ze względu na słabą rozpuszczalność w lipidach,
najczęściej nie przenika przez błony.
Ilość słabego kwasu lub zasady w formie niezjonizowanej zależy od pH środowiska
oraz od stałej dysocjacji, której ujemnym logarytmem jest wykładnik kwasowości
(stała dysocjacji kwasowej) – pK a . Przyjęło się zarówno dla kwasów, jak
i zasad używanie pK a jako wielkości charakteryzującej dany związek. Gdy wartość
pH równa jest wykładnikowi kwasowości – pK a, połowa ilości związku występuje
w formie niezjonizowanej, połowa w formie zjonizowanej. Kwas o małym pK a jest
silnym kwasem, natomiast zasada o małym pK a jest słabą zasadą. Wartość pK a nie
decyduje jednak, czy związek jest kwasem, czy zasadą, ponieważ zasada może
mieć pK a mniejsze od 7 (kofeina 0,6, fenazon 1,4), a kwas większe od 7 (fenol 9,9,
pentobarbital 8,1). Odsetek niezjonizowanego związku zależy zarówno od jego
pK a , jak i pH roztworu, w którym jest rozpuszczony.
Jeżeli 2 przedziały (kompartmenty) w organizmie oddzielone przez błony lipidowe
wykazują różne wartości pH, w stanie równowagi całkowite stężenie słabych
elektrolitów będzie w obu przedziałach różne.
Ilościowo zależność tę opisuje równanie Hendersona i Hasselbalcha dla kwasów:
dla zasad:
( forma niezjonizowana)
pK a – pH = log ---------------------------------------------------------
( forma zjonizowana)
( forma zjonizowana)
pK a – pH = log ---------------------------------------------------------
( forma niezjonizowana)

Ryc. 5.5. Wpływ pH na stopień jonizacji słabych elektrolitów.
Wpływ zmiany pH na jonizację słabego kwasu i słabej zasady na przykładzie
kwasu salicylowego (pK a 3) i aniliny (pK a 5) przedstawiono na ryc. 5.5.
Przy pH 3 kwas salicylowy występuje w 50% w formie niezjonizowanej
i w 50% w formie zjonizowanej. Przy zmniejszeniu wartości pH, wskutek przyłączenia
protonów, przechodzi w formę niezjonizowaną; natomiast przy wzroście pH
kwas staje się donorem protonów i przechodzi w formę anionową. W przypadku
aniliny zmniejszenie pH powoduje przyłączenie przez zasadę protonów i przejście
w postać kationową. Gdy pH wzrasta, wówczas więcej zasady jest w stanie elektrycznie
obojętnym.
Ponieważ formy niezdysocjowane słabych elektrolitów łatwiej przechodzą
przez błony, kwasy organiczne łatwiej ulegają dyfuzji biernej w środowisku kwaśnym,
a zasady organiczne w środowisku zasadowym.
Swoistą odmiana dyfuzji jest transport par jonowych. Silnie zjonizowane
aniony (kwasy sulfonowe) lub kationy organiczne (czwartorzędowe zasady amoniowe)
mogą tworzyć z jonami organicznymi środowiska lub błony o przeciwnym
znaku kompleksy cząsteczek obojętnych elektrycznie, które przechodzą przez błonę
na zasadzie dyfuzji biernej.
Tak jak dyfuzja bierna jest podstawowym mechanizmem transportu dla substancji
lipofilnych, absorpcja konwekcyjna (transport przez pory) umożliwia przenikanie
przez błony jonów i substancji hydrofilnych o m.cz. do ok. 200.
Substancje te są transportowane wraz z wodą przez pory mające na zewnętrznej
powierzchni błony ładunek dodatni lub ujemny, bądź są elektrycznie obojętne.
Średnica porów w błonach komórkowych wynosi 0,7–1,0 nm.
Przenikanie substancji przez pory zależy głównie od różnicy ciśnienia hydrostatycznego
lub osmotycznego po obu stronach błony.
Szybkość przenikania substancji przez błony (v) określa równanie:
gdzie:
A
– powierzchnia błony,
1
v = -- n ⋅ r2 ⋅A
------------------- (c 1 – c 2 )
η d
61

n – liczba porów,
r – promień porów,
c 1 – c 2
– różnica stężeń,
d – grubość błony,
η – lepkość.
Za pomocą absorpcji konwekcyjnej są transportowane np. zjonizowane sulfonamidy.
Niektóre substancje, zwłaszcza o dużej cząsteczce i słabej rozpuszczalności
w lipidach, przenikają przez błony szybciej, niż to wynika z prawa Ficka, tworząc
kompleksy ze znajdującymi się w błonach przenośnikami białkowymi. Związek
niezjonizowany lub jon wiąże się z przenośnikiem na jednej powierzchni błony
w postaci kompleksu przechodzi przez błonę i odłącza się na jej drugiej powierzchni.
Przenośnik następnie wiąże kolejną cząsteczkę substratu.
Cechami charakterystycznymi transportu przy udziale przenośników są :
– swoistość – dany związek lub grupa związków tworzy kompleks z określonym
przenośnikiem,
– wysycenie – przy dużych stężeniach substancji mechanizm transportu jest
wysycony i nie ma możliwości zwiększenia jego szybkości,
– hamowanie kompetycyjne – substancja o większym powinowactwie do
przenośnika hamuje transport innego związku chemicznego.
Za pomocą przenośników są transportowane zwykle substancje niezbędne do
metabolizmu pośredniego organizmu lub te z ksenobiotyków, które zbliżone są do
nich budową.
Transport przy udziale przenośników, odbywający się zgodnie z różnicą stężeń
po obu stronach błony, a więc bez wkładu energii komórki, nosi nazwę transportu
ułatwionego. W ten sposób jest transportowana w organizmie np. glukoza,
witamina B 12 .
Transport aktywny substancji odbywa się wbrew gradientowi stężeń lub potencjałów.
Do tego celu niezbędna jest energia, wyzwolona najczęściej z hydrolizy
ATP pod wpływem ATPazy. Transport aktywny może być hamowany przez inhibitory
mitochondrialnego łańcucha transportu elektronów lub substancje rozkojarzające
fosforylację oksydacyjną.
Szczególnie ważne znaczenie fizjologiczne ma transport aktywny jonów sodowych
i potasowych, zwany pompą sodowo-potasową, oraz wydzielanie jonów
wodorowych w błonie śluzowej żołądka i kanalikach nerkowych. Za pomocą tego
mechanizmu jest transportowany w organizmie wapń i żelazo. Białko wiążące
wapń (calcium-binding protein) może również służyć do transportu strontu, a prawdopodobnie
i kadmu. Natomiast ferrytyna oprócz żelaza transportuje kobalt, nikiel
i mangan. Za pomocą transportu aktywnego przemieszczają się również w organizmie
aminokwasy i zasady nukleinowe. Substancje obce o zbliżonej budowie, np.
5-fluorouracyl, są transportowane przy udziale przenośników właściwych dla substratów
naturalnych (w tym przypadku uracylu).
Także parakwat, herbicyd bispirydylowy, transportowany jest wybiórczo do
komórek pęcherzyka oddechowego (pneumocyty typu I i II) za pomocą mechanizmu
właściwego dla endogennych poliamin (putrescyna, spermina, spermidyna),
spełniających ważne funkcje fizjologiczne związane z proliferacją i wzrostem komórkowym.
62

W toksykologii szczególną rolę odgrywa transport aktywny zachodzący przy
wydalaniu niektórych trucizn z organizmu. Specjalne systemy transportu dla słabych
kwasów i słabych zasad występują w kanalikach nerkowych, hepatocytach
i splocie naczyniowym komory mózgu.
Makrocząsteczki, rozproszone lub zawieszone w środowisku, są pobierane
przez komórkę podczas endocytozy. W przypadku cząstek stałych zjawisko to jest
nazywane f a g o c y t o z ą, pobieranie zaś makrocząsteczek rozpuszczonych w środowisku,
np. białek, p i n o c y t o z ą. W początkowym etapie endocytozy cząstki
zostają zaadsorbowane na powierzchni błony komórkowej, która po pewnym czasie
wgłębia się w tym miejscu, tworząc pęcherzyk zwany endosomem. Następnie endosom
wraz z całą zawartością zamyka się i odrywa od błony komórkowej. Wewnątrz
komórki endosomy zlewają się z pęcherzykami lizosomów zawierającymi enzymy
hydrolityczne potrzebne do rozkładu pobranego materiału. Produkty rozpadu pobranych
makrocząsteczek przenikają do cytoplazmy. Endosomy, które nie uległy
strawieniu, zostają wydalone z komórek w procesie e g z o c y t o z y.
Za pomocą tego mechanizmu są transportowane np. tłuszcze, glicerol, białka,
witaminy A, D, E, K, skrobia, cholesterol, ferrytyna, a także jaja pasożytów, włosy
i bakterie.
Endocytoza ma istotne znaczenie w usuwaniu substancji stałych (pyłów)
z pęcherzyków płucnych oraz niektórych trucizn z krwią przez komórki układu siateczkowo-śródbłonkowego
wątroby i śledziony.
5.3
Wchłanianie
Wchłanianie (absorpcja) polega na przejściu substancji ze środowiska
zewnętrznego do krążenia ogólnego (krew, chłonka).
Wchłanianie zachodzi różnymi drogami:
– pokarmową,
– skórną (dermalną),
– wziewną (inhalacyjną),
– pozajelitową (parenteralną) – dożylną, dootrzewnową, domięśniową, doskórną,
podskórną, dordzeniową,
– przez jamy ciała – dospojówkową, donosową, doodbytniczą, dopochwową.
W toksykologii największe znaczenie ma droga doustna, wziewna i skórna.
Niezależnie od drogi podania wchłanianie ksenobiotyków zależy od masy
cząsteczkowej, konfiguracji przestrzennej, rozpuszczalności w lipidach, stopnia jonizacji,
stężenia, rozdrobnienia, a także od wielkości powierzchni wchłaniania
i ukrwienia miejsca, w którym zachodzi absorpcja.
Szybkość wchłaniania wpływa na intensywność nasilenia objawów i czas
trwania zatrucia.
63