Phụ thuộc chủ yếu vào mức độ và đường phơi nhiễm,các hoá chất có thể ảnh hưởng có hại đến chức năng và cấu trúc của các sinh vật sống. Sự đặc trưng định tính và định lượng các ảnh hưởng độc hoặc có hại này là quan trọng để đánh giá sự nguy hại tiềm tàng gây ra bởi một hoá chất riêng. Nó cũng có giá trị để hiểu được các cơ chế ràng buộc đối với sự biểu hiện tính độc; đó là, chất độc đi vào sinh vật như thế nào, nó tương tác với cá phân tử đích ra sao, sinh vật liên quan với thương tổn như thế nào;
Cơ chế gây độc chung giới thiệu ở đây là cơ chế độc hoá chất và là cơ chế tế bào:
Cơ chế tế bào bao gồm 4 giai đoạn (hình 1.21):
– Giai đoạn 1: phân phối chất độc từ vị trí nhiễm đến đích (mục tiêu tác động) – Giai đoạn 2: phản ứng của chất độc cuối cùng với phân tử đích (mục tiêu) – Giai đoạn 3: sự mất chức năng, thương tổn tế bào và những độc tính tạo ra.
– Giai đoạn 4: Sự sửa chữa hoặc sự mất khả năng sửa chữa (phân tử, tế bào, mô);
khi mất khả năng sửa chữa độc tính tạo ra.
Có nhất nhiều con đường khác nhau có thể dẫn tới tính độc. Con đường chung là khi chất độc được phân phối tới mục tiêu của nó, phản ứng với nó, và sự mất chức năng hoặc thương tổn cấu trúc tạo ra, tự nó biểu lộ tính độc. Ví dụ, sự nhiễm độc bởi cá nóc, do tetrođotoxin. Sau khi ăn, chất độc này đạt tới mục tiêu là kênh Na+ điều hoà thế điện của các đơn tế bào thần kinh (giai đoạn 1). Sự tương tác của tetrođotoxin với mục tiêu
này (giai đoạn 2a) dẫn đến khoá các kênh Na+, ức chế hoạt động của các đơn tế bào thần kinh và cuối cùng làm tê liệt cơ vân. Không có cơ chế sửa chữa để có thể ngăn ngừa sự tấn công độc này.
Hình 1.21. Sơ đồ các giai đoạn trong sự hình thành tính độc sau khi nhiễm hoá chất Đôi khi một chất ngoại sinh không phản ứng với phân tử mục tiêu riêng biệt mà ảnh hưởng mạnh đến vi môi trường sinh học gây ra làm mất chức năng phân tử, cơ quan tử, tế bào hoặc các tổ chức dẫn đến những tác động có hại.Ví dụ, 2,4-đinitrophenol, một axit mạnh tương đối, sau khi đi vào không gian chất nền cơ thể (giai đoạn 1), làm sụp đổ građien proton được điều khiển bên ngoài thuộc phía bên kia màng bên trong bởi sự có mặt của nó (giai đoạn 2b), gây ra sự mất chức năng của ti lạp thể (hô hấp tế bào) (giai đoạn 3), các triệu chứng biểu hiện ảnh hưởng độc như là chứng thân nhiệt cao, sự lên cơn (choáng,…).
Con đường đầy đủ nhất dẫn đến tính độc bao gồm nhiều giai đoạn hơn như sơ đồ nêu ở trên (hình 1.21): phân phối, tương tác, mất chức năng tế bào gây độc, sửa chữa và khi các nhiễu loạn gây ra bởi chất độc vượt quá khả năng sửa chữa thì sự độc xảy ra. Sự hoại tử mô, ung thư và sự xơ hoá là các ví dụ về độc tính gây ra bởi hoá chất.
1 Phân phối
Chất độc
2A
Tương tác với phân tử đích
2B
Biến đổi môi trường sinh học
3
Mất chức năng, tổn thương tế bào
4
Mất khả năng sửa chữa
Tính độc
1.7.1. Giai đoạn 1: phân phối Chất độc sau cùng:
Chất độc sau cùng là chất thực sự phản ứng với các phân tử mục tiêu. Nó có thể là hoá chất đầu (chất mẹ), có thể là các sản phẩm trao đổi chất của chất mẹ hoặc có thể là oxi hoặc nitơ hoạt động sinh ra trong quá trình sinh chuyển hoá của chất độc, và có trường hợp chính là các phân tử nội sinh. Ví dụ:
– Chất ngoại sinh mẹ là chất độc sau cùng:
Các ion chì, tetrođotoxin, TCDD, metylisoxianat, HCN, CO – Sản phẩm trao đổi chất là chất độc sau cùng:
Chất mẹ Sản phẩm trao đổi
Amygđalin HCN
Asenat Asenit
Floaxetat Floxitrat
Etilenglicol Axit oxalic
Hexan 2,5-Hexanđion
Axetaminophen N-axetyl-p-benzoquinonimin
CCl4 CCl3OO
Benzo[a]piren (BP) BP-7,8-điol-9,10-epoxit – Các phần tử oxi hoặc nitơ hoạt động là sản phẩm sau cùng:
Hiđroperoxit HO
Paraquat O2 + NO
– Các chất nội sinh là chất độc sau cùng:
Sunfonamit anbumin liên kết bilirubin Bilirubin
CCl3OO axit béo chưa no Gốc peroxyl lipit và Gốc ankoxyl lipit
HO protein Cacbonyl protein
Quá trình phân phối chất độc:
Quá trình phân phối chất độc (giai đoạn 1) có thể tóm tắt trong sơ đồ (hình 1.22) Sự tích luỹ chất độc sau cùng ở vị trí mục tiêu của nó được thúc dẩy bởi các quá trình ở bên trái: hấp thụ, phân bố vào mục tiêu, hấp thụ lại và gây độc (sự hoạt hoá trao đổi chất) và bị cản trở bởi các quá trình ở bên phải: loại bỏ, phân bố khỏi mục tiêu, bài tiết và khử độc.
Hấp thụ Loại bỏ
Phân bố vào mục tiêu Phân bố khỏi mục tiêu
Hấp thụ lại Bài tiết
Gây độc Khử độc
Hình 1.22. Quá trình phân phối chất độc là giai đoạn thứ nhất trong sự gây độc Sự phân phối – đó là sự chuyển động của chất độc từ vị trí tác động của nó.
Trong quá trình di chuyển này chất độc chịu nhiều tác động khác nhau. Sự hấp thụ là sự chuyển hoá chất từ vị trí nhiễm đi vào máu nhờ sự khuếch tán qua các tế bào, các chất tan trong lipit hấp thụ dễ dàng hơn các chất tan trong nước. Tuy nhiên, trong quá trình chuyển từ vị trí nhiễm vào máu, chất độc có thể bị loại bỏ; chẳng hạn hoá chất từ ống tiêu hoá dạ dày ruột, phổi trước khi đi vào chỗ dừng trong cơ thể bởi hệ thống tuần hoàn, đầu tiên phải đi qua các tế bào niêm mạc của các cơ quan này. Niêm mạc đường tiêu hoá, phổi, gan có thể loại bỏ một phần đáng kể chất độc, ví dụ etanol bị oxi hoá bởi ancol hiđrogenaza trong niêm mạc dạ dày, morphin được loại bỏ bởi sự glucuronit hoá trong niêm mạc ruột, mangan được tách khỏi máu vào gan và bài tiết theo mật. Sự phân bố vào và khỏi mục tiêu: chất độc có trong máu trong quá trình pha phân bố đi vào không gian ngoại bào và có thể thấm vào tế bào bởi sự khuếch tán. Các chất tan trong lipit đi vào trong tế bào dễ dàng. Ngược lại, các chất ngoại sinh ion hoá được hoặc ưa nước bị hạn chế đi vào không gian nội bào và phân bố khỏi (di chuyển đi nơi khác), trừ khi thụ thể màng đặc biệt có sẵn để vận chuyển chúng đi vào tế bào. Sự hấp thụ lại: các chất độc được phân phát vào các ống thận có thể khuếch tán ngược lại qua các tế bào
VỊ TRÍ NHIỄM Da, đường tiêu hoá, đường
hô hấp, vị trí tiêm, nhau CHẤT ĐỘC
CHẤT ĐỘC SAU CÙNG
PHÂN PHỐI
PHÂN TỬ MỤC TIÊU
Protein, lipit, axit nucleic, phức cao phân tử
ống thận vào các mao quản ống bao quanh nhờ sự hấp thụ lại dịch ống; các chất độc được phân phát vào đường tiêu hoá bởi sự bài tiết mật và sự tiết bởi các tuyến nước bọt và tuyến tuỵ ngoại tiết có thể được hấp thụ lại bởi sự khuếch tán qua nội mạc ruột.
Ngược lại, sự bài tiết là sự khử loại các chất ngoại sinh khỏi máu và sự quay lại của chúng vào môi trường. Các chất không bay hơi được bài tiết qua tuyến vú sau khi chất độc hoà tan mỡ sữa, qua mật, qua ruột; chất khí và lỏng bay hơi được bài tiết qua phổi.
Sự bài tiết là cơ chế vật lí. Sự gây độc ngược với khử độc: phần lớn các chất ngoại sinh là chất độc trực tiếp, trong khi đó tính độc của những chất khác lại do những sản phẩm trao đổi chất của nó. Sự chuyển hoá sinh học thành các sản phẩm độc hại được gọi là sự gây độc. Trong quá trình phân phối hoá chất trải qua nhiều tác động, trong khi đó có sự sinh chuyển hoá. Các sản phẩm chuyển hoá độc có thể là các electrophin, gốc tự do, các nucleophin; một số ví dụ đã được nêu ở trên (chất độc sau cùng). Ngược lại, sự sinh chuyển hoá nhằm loại bỏ chất độc sau cùng hoặc cản trở sự hình thành của chúng được gọi là sự khử độc. Sự khử độc các chất độc không nhóm chức được tiến hành qua hai giai đoạn (đưa các nhóm chức phân cực vào phân tử và tạo sản phẩm liên hợp với các axit nội sinh). Sự khử độc các electrophin bằng sự liên hợp với glutathion nucleophin thiol. Sự khử độc các nucleophin bằng sự liên hợp với axit sunfuric, axit glucuronic. Sự khử độc các gốc tự do (O2 HOOH H2O nhờ các hệ enzim khác nhau; HO không có enzim nào khử độc được nó, vì vậy con đường tốt nhất để chống HO là ngăn cản sự tạo thành ra nó bằng cách khử chất tiền tạo của nó HOOH thành nước như ở trên). Sự khử độc các chất độc protein (nọc độc) nhờ các proteaza trong và ngoài tế bào, thioređoxin.
Khi sự khử độc thất bại do nguyên nhân nào đó (chất độc vượt quá khả năng các quá trình khử độc, chất độc làm mất hoạt tính ngay các enzim khử độc,…), chất độc sau cùng được phân phối tới vị trí mục tiêu.
1.7.2. Giai đoạn 2: Phản ứng của chất độc sau cùng với phân tử mục tiêu.
Tính độc điển hình được đánh giá nhờ phản ứng của chất độc sau cùng với phân tử mục tiêu, gây ra chuỗi các ảnh hưởng độc. Vì vậy cần xem xét kĩ lưỡng trên nhiều khía cạnh của phản ứng này (hình 1.23), bao gồm: các thuộc tính của phân tử mục tiêu, các kiểu phản ứng giữa các chất độc sau cùng và các phân tử mục tiêu. Sau cùng là xem xét đối với các tính độc không phải được khởi đầu bởi phản ứng của chất độc sau cùng với phân tử mục tiêu mà bởi sự làm thay đổi vi môi trường sinh học.
Hình 1.23. Phản ứng của chất độc sau cùng với phân tử mục tiêu ở giai đoạn 2 trong sự hình thành tính độc.
Các thuộc tính của phân tử mục tiêu
Thực tế tất cả các chất nội sinh là các mục tiêu mạnh của chất độc, xong điển hình là những phân tử mục tiêu: các chất cao phân tử như các axit nucleic (đặc biệt là ADN) và các protein; các phân tử nhỏ như lipit màng, coenzim A, piriđoxal.
Là mục tiêu, phân tử nội sinh phải có một khả năng phản ứng thích hợp và cấu hình không gian cho phép chất độc sau cùng đi vào các phản ứng cộng hoá trị hoặc không cộng hoá trị. Để các phản ứng xảy ra còn đòi hỏi phân tử mục tiêu phải có sự tiếp cận đủ để có một nồng độ cao của chất độc sau cùng, chẳng hạn các phân tử nội sinh ở vị trí kề gần nơi các chất hoá học hoạt động sinh ra. Mục tiêu đầu tiên của chất trao đổi trung gian hoạt động thường là các enzim hoặc các cấu trúc nội bào kề gần; chúng là các protein. Ví dụ thyroperoxiđaza, một enzim chịu trách nhiệm tổng hợp các homon tuyến giáp, chuyển hoá một số chất ngoại sinh nucleophin (như methimazon, amitron, resorxinol) thành các chất trao đổi gốc tự do hoạt động, mà chính các gốc tự do này làm mất hoạt tính của thyroperoxiđaza. Đó chính là cơ sở cho sự kháng giáp cũng như ảnh hưởng gây khối u tuyến giáp của các hoá chất này. Enzim cholinesteraza là phân tử mục tiêu của thuốc trừ
3 Ph©n tử môc tiêu
Chất độc sau cùng
Hậu quả:
Làm mất chức năng Phá huỷ cấu trúc Sự hình thành antigen (kháng nguyên) mới 1
Thuộc tính của mục tiêu:
Tính phản ứng TÝnh tiÕp cËn Chức năng tiêu chuẩn
2
Kiểu phản ứng:
Liên kết không cộng hoá trị Liên kết cộng
hoá trị Bứt hiđro Chuyển e
Phản ứng enzim
sâu cơ photpho cũng là một ví dụ. Trường hợp các chất trao đổi chất hoạt động không có khả năng tìm các phân tử nội sinh thích hợp ở gần vị trí tạo ra của chúng có thể khuếch tán đến khi chúng bắt gặp các phân tử nội sinh thích hợp. Ví dụ, các electrophin cứng như ion arylnitreni (sinh ra từ 2-axetyl aminofluoren), N, N-đimetyl-4-aminoazobenzen, … phản ứng dễ dàng với nguyên tử nucleophin cứng trong axit nucleic, ADN.
Các kiểu phản ứng
Liên kết không cộng hoá trị: Kiểu liên kết này có thể tạo ra do các tương tác không cực hoặc tạo ra bởi các liên kết ion và hiđro, bao gồm sự tương tác của chất độc với mục tiêu như là các thụ thể màng, thụ thể bên trong tế bào, các kênh ion và một số enzim. Ví dụ, sự liên kết stricnin vào thụ thể glixin ở các nơron vận động trong dây thần kinh sống lưng, TCDD vào thụ thể aryl hiđrocacbon, saxitoxin vào các kênh Na+, phorbol este vào protein kinaza C và varfarin vào ređuctaza 2,3-epoxit vitamin K. Những lực như vậy cũng thể hiện đối với sự xen vào giữa của các hoá chất như vàng acriđin, đoxorubixin vào vòng xoắn kép của ADN. Các hoá chất này độc vì sự sắp xếp không gian các nguyên tử của chúng cho phép chúng kết hợp với các vị trí một cách hoàn chính trên phân tử nội sinh ít hoặc nhiều giống chìa khoá lồng vào ổ khoá.
Liên kết cộng hoá trị
Liên kết cộng hoá trị, thực tế là không thuận nghịch, đóng vai trò quan trọng lớn độc học vì nó làm biến đổi lâu dài phân tử nội sinh. Sự hình thành sản phẩm cộng hoá trị là phổ biến với các chất độc electrophin như các electrophin không ion và ion và các cation gốc. Các chất độc này phản ứng với các nguyên tử nucleophin có vô số trong các cao phân tử sinh học, như là các protein và các axit nucleic. Các nguyên tử electrophin biểu hiện tính chọn lọc nào đó đối với các nguyên tử nucleophin tuỳ thuộc vào tỉ số điện tích / bán kính. Nói chung, các electrophin mềm thích hợp phản ứng đối với nucleophin mềm (tỉ số điện tích / bán kính thấp trong cả hai), trong khi đó các electrophin cứng phản ứng dễ dàng hơn với nucleophin cứng (tỉ số điện tích / bán kính cao trong cả hai). Các ví dụ xem ở bảng 1.8.
Các ion kim loại như Ag và Hg được phân loại là các electrophin mềm. Các ion Li, Ca, Ba là các electrophin cứng. Các ion Cr, Zn, Pb rơi vào giữa.
Các gốc tự do trung tính HO , NO2, Cl3C có thể liên kết cộng hoá trị vào phân tử sinh học: sự cộng Cl3C vào nối đôi C=C trong lipit hoặc các gốc lipit tạo ra các lipit chứa axit béo clometyl hoá. Sự cộng HO vào ADN bazơ tạo ra sự hình thành rất nhiều sản phẩm, bao gồm 8-hiđroxipurin, 5-hiđroximetyl pirimiđin và thymin, xitosin glicol.
Bảng 1.8. Các ví dụ electrophin và nucleophin cứng và mềm.
ELECTROPHIN NUCLEOPHIN
Cacbon trong liên kết đôi phân cực (như quinon, xeton chưa no , -)
Mềm Lưu huỳnh trong thiol (như mắt xích xistenyl trong protein và glutathion) Lưu huỳnh trong methionin
Cacbon trong epoxit, lacton vòng có sức căng, aryl halua
Nitơ trong nhóm amino bậc nhất, bậc hai của protein
Aryl cacboni ion Nitơ trong các nhóm amino trong các
bazơ purin trong axit nucleic
Benzyl cacboni ion, nitreni ion Oxi của purin và pirimiđin trong axit nucleic
Ankyl cacboni ion Cứng Photphat oxi trong axit nucleic
Các chất độc nucleophin về nguyên tắc phản ứng với các hợp chất nội sinh electrophin. Các phản ứng như vậy xảy ra hiếm vì các phân tử sinh học hiếm khi là electrophin. Thí dụ, phản ứng cộng hoá trị của các amin và hiđrazit với anđehit piriđoxal, một đồng cơ chất đối với đecacboxilaza. CO, CN– , HS– , N3 tạo liên kết cộng hoá trị phối trí với sắt trong các hemprotein. Các nucleophin khác phản ứng với hemoglobin theo phản ứng chuyển electron.
Sự bứt hiđro
Các gốc tự do có thể dễ dàng bứt các nguyên tử hiđro các chất nội sinh chuyển các hợp chất này thành gốc. Thí dụ sự bứt hiđro từ thiol (R-SH) tạo ra gốc thiyl (R- S), gốc này là tiền chất của sự oxi hoá thiol khác cho các sản phẩm như axit sunfenic (R-SOH) và đisunfua (R-S-S-R). Các gốc có thể khử hiđro từ CH2 của axit amin tự do hoặc từ các mắt xích axit amin trong protein và chuyển hoá nó thành nhóm cacbonyl.
Các cacbonyl này phản ứng với các amin tạo các liên kết ngang với ADN hoặc protein khác. Sự bứt hidro từ đeoxiribozơ trong ADN sinh ra gốc C-4, là giai đoạn đầu của sự bẻ gẫy ADN. Sự bứt hiđro từ các axit béo tạo ra các gốc lipit và khởi đầu cho sự peroxi hoá lipit.
Sự nitro hoá các mắt xích tyrosin trong các protein bao gồm sự bứt hiđro tiếp theo bằng liên kết cộng hoá trị giữa gốc tyrosyl tạo ra và NO2 (xem sơ đồ 1.24)