toxicologie organicĂ sem. ii 2014 – 2015 curs 1. concepte
TRANSCRIPT
TOXICOLOGIE ORGANICĂ Sem. II 2014 – 2015
Lector dr. Adriana Urdă
Curs 1. Concepte de bază în toxicologia compușilor organici: efectele nocive
ale compușilor chimici organici, substanțe xenobiotice, modalități de
evaluare a toxicității, clasificarea substanțelor organice periculoase.
Generalități
Toxicologia poate fi definită ca fiind acea ramură a științei care studiază otrăvurile,
iar o otravă poate fi definită ca orice substanță care produce un efect dăunător atunci când
este administrată, accidental sau intenționat, unui organism viu. Prin convenție, toxicologia
include și studiul efectelor dăunătoare produse de fenomene fizice, cum ar fi diferitele tipuri
de radiații și zgomote. Este important să cunoaștem cum și de ce anumite substanțe produc
daune în sistemele biologice prin efectele lor toxice.
Toxicologia este una dintre cele mai vechi științe practice, fiind menționată în vechile
manuscrise de medicină (papirusul egiptean Ebers – aprox. 1500 î.e.n., lucrările lui Hipocrate,
Aristotel – aprox. 400-250 î.e.n.). De la Galen (131-200 e.n.) până la Paracelsus (1493-1541)
medicina si toxicologia nu au avansat prea mult, dar acesta din urmă a pus bazele toxicologiei
prin recunoașterea importanței relației dintre doză și răspunsul organismului: „Toate
substanțele sunt otrăvuri; nu există nici una care să nu fie otravă. Doza corectă face diferența
dintre o otravă și un remediu”. Acest concept este baza terapiei farmaceutice.
Părintele toxicologiei moderne este considerat Orfila, un spaniol care lucra la
începutul secolului al XIX-lea la Universitatea din Paris și care a publicat în 1815 o carte de
toxicologie. Studiul modern al mecanismelor de acțiune toxică a început cu Claude Bernard
(1813-1878), care a studiat acțiunea curarei (extract din plante, ce conține compuși alcaloizi toxici –
baze organice cu azot, folosit în America Centrală și de Sud).
Studiul toxicologiei este util din multe puncte de vedere, nu doar pentru a proteja
oamenii și mediul de efectele negative ale compușilor toxici, ci și pentru a ușura dezvoltarea
unor compuși cu toxicitate foarte selectivă, cum sunt medicamentele anticancer sau
pesticidele.
Otrava este un concept cantitativ, aproape orice substanță fiind dăunătoare în anumite
doze și, în același timp, fără efecte negative la doze mai scăzute. Între aceste două limite
există un domeniu larg de efecte posibile, de la toxicitatea cronică ce apare la expunerea pe
termen lung până la moartea imediată. Clorura de vinil este un exemplu: ea este hepatotoxică
la doze mari, cancerigenă (carcinogenă) cu perioadă mare de latență la doze mai scăzute și
aparent fără efect la doze foarte mici. Medicamentele sunt exemple mai elocvente: deși sunt
terapeutice și foarte benefice la anumite doze, ele au efecte secundare nedorite și pot fi letale
la doze mai mari. Aspirina (acidul acetilsalicilic), de ex., este un medicament relativ sigur la
dozele recomandate și este folosită de milioane de persoane în întreaga lume. În același timp,
utilizarea cronică poate produce efecte nedorite asupra mucoasei gastrice, și este fatală la doze
de 0,2 – 0,5 g/kg. Aprox. 15% din decesele accidentale prin otrăvire la copii apar prin
ingerarea de salicilați, în special aspirină. Ca urmare, problema relației între doză și răspunsul
organismului este fundamentală în toxicologie.
Un compus poate fi toxic pentru o specie și relativ inofensiv pentru o alta. De ex. CCl4
are efect hepatotoxic puternic pentru multe specii, dar este relativ inofensivă pentru găini.
Anumite specii de iepuri pot mânca planta Atropa belladona (mătrăgună) fără probleme, în
timp ce altele nu. Compușii pot fi toxici în anumite condiții dar în altele nu, sau pot fi toxici în
combinație cu alte substanțe și nontoxici atunci când se găsesc individual.
Substanțele xenobiotice sunt acei compuși chimici care interacționează cu un
organism viu, și care nu apar în cursul metabolismului normal din organismul respectiv.
Denumirea de xenobiotic este folosită în locul termenului mai vechi de „compus străin”.
Măsurarea toxicității este complexă. Toxicitatea poate fi acută (ce apare la scurt timp,
sub 24 de ore după expunerea la un compus toxic), subacută (efectele apar după expunerea
pentru cel mult 1 lună), subcronică (după expunere de 1-3 luni) sau cronică (rezultată în
urma expunerii pentru mai mult de 3 luni la concentrații mici ale compusului toxic), și poate
varia de la un organ la altul, dar și cu vârsta, genetica, sexul, alimentația, condiția fiziologică
sau starea de sănătate a organismului respectiv. Chiar și cea mai simplă măsură a toxicității,
DL50 (doza necesară pentru a omorî 50% din populație în condițiile precizate, vezi mai jos)
depinde foarte mult de variabilele menționate. Ca urmare, valorile DL50 variază foarte mult
de la un laborator la altul.
Expunerea oamenilor și altor organisme la compuși toxici poate apărea din multe
activități: ingerarea intenționată, expunerea ocupațională (la locul de muncă), expunerea în
mediul de viață, dar și otrăvirea accidentală sau intenționată (suicid sau omor). Toxicitatea
unui anumit compus poate varia cu modul de intrare în organism: prin canalul alimentar,
plămâni sau piele. Metodele experimentale de administrare, cum sunt injecțiile, pot da
rezultate foarte diferite: toxicitatea din injecții intravenoase, intraperitoneale, intramulsculare
sau subcutanate poate varia de până la zece ori în funcție de calea de administrare. În urma
expunerii diferite există căi diferite de metabolizare, atât pentru detoxifiere cât și pentru
activare, și pot exista puncte toxice finale diferite.
Există mai multe ramuri ale toxicologiei, care se ocupă de aspecte diferite:
- toxicologia medicală (clinică) – diagnosticarea și tratamentul otrăvirilor umane;
- toxicologia veterinară – diagnosticarea și tratamentul otrăvirilor la animale (în
special cele din crescătorii și cele de companie, fără să excludă speciile sălbatice) și posibila
transmitere a toxinelor către om prin alimente, ca și îngrijirea și tratamentul etic al animalelor
utilizate pentru experimente;
- toxicologia criminalistică (legală) – se ocupă de aspectele medico-legale, inclusiv
detectarea otrăvurilor în probe clinice sau de altă natură;
- toxicologia mediului (ecotoxicologia) – se ocupă de mișcarea compușilor toxici,
metaboliților și produșilor lor de degradare în mediu și în lanțul trofic, precum și cu efectele
asupra indivizilor și, mai ales, asupra populațiilor; Metaboliții – compușii intermediari sau produsele finale ale transformărilor chimice din interiorul unui
organism viu. Lanțul trofic – secvență liniară de legături în rețeaua unui ecosistem, care arată cum sunt legate
unul de celălalt organismele vii prin hrana pe care o consumă. Ecosistem – comunitate de organisme vii
împreună cu mediul lor de viață (inclusiv partea nevie, de ex. aerul, apa, solul mineral etc.), care interacționează
ca un sistem.
- toxicologia industrială – domeniu specific al toxicologiei mediului care se ocupă cu
mediul de lucru și constituie o parte semnificativă a igienei industriale. Se ocupă cu studiul
efectelor negative ale substanțelor cu care se lucrează în diferite domenii de activitate
(industrie, agricultură etc.), pentru a elabora măsurile de prevenire și protecție.
Se consideră că bazele toxicologiei mediului au fost puse de cartea „The Silent
Spring” a autoarei Rachel Carson, care a descris consecințele utilizării pe scară largă (și fără
un control adecvat) a pesticidelor și altor compuși chimici în mediu.
După deceniul ´60-´70 al secolului trecut toxicologia s-a dezvoltat rapid, de la o știință
în mare măsură descriptivă la una în care este recunoscută importanța mecanismelor toxice.
O curbă tipică ce arată relația dintre doză și răspunsul organismului este prezentată în
figura 1, în care este reprezentat procentul organismelor (sistemelor) care răspund la un
compus chimic în funcție de doză.
Fig. 1. O curbă tipică doză – răspuns.
Pentru mulți compuși chimici există o doză sub care nu se observă nici un efect
(răspuns). Această doză este cunoscută ca doza de prag. Conceptul este important pentru că
implică faptul că poate fi determinat nivelul la care nu se observă nici un efect (no observed
effect level – NOEL) și această valoare poate fi folosită pentru a determina cantitatea
nepericuloasă pentru ingerare pentru aditivi alimentari sau pesticide, de ex. Deși aceasta este
acceptată în mod general pentru cele mai multe tipuri de compuși chimici și efecte toxice,
pentru compușii cancerigeni forma curbei este controversată, iar efectul lor este presupus a fi
un fenomen fără efect de prag (toxic la orice concentrație și doză).
Efectele nocive ale compușilor organici
Compușii toxici pot avea diferite efecte asupra organismelor vii, care se pot manifesta
local (la locul de contact) sau sistemic (în întregul organism).
Local, efectul compușilor toxici se manifestă ca iritație, care poate fi acută sau
cronică. Iritația acută se produce la contactul cu cantități relativ mari de compus toxic și se
manifestă doar în zona unde a avut loc contactul, la interval scurt după contact. Iritația
cronică apare la interval mai mare de timp și se manifestă o perioadă îndelungată, prin
contactul pe perioade mari cu concentrații relativ scăzute de compus toxic.
Efectele sistemice se manifestă ca intoxicații, care la rândul lor pot fi acute sau
cronice. În plus, compușii toxici pot avea efecte cancerigene sau teratogene. Efectele
teratogene sunt reprezentate de malformațiile congenitale (defecte de dezvoltare a fătului
până la naștere).
Modalități de evaluare a toxicității
Cel mai cunoscut mod de evaluare a toxicității este doza medie letală (DL50). Aceasta
se folosește pentru caracterizarea toxicității acute și se determină pe animale de laborator.
DL50 reprezintă doza de substanță care produce moartea a 50% dintr-un lot experimental de
animale, în urma administrării compusului toxic pe a anumită cale, și se exprimă de obicei în
mg/kg corp.
Toxicitatea mai poate fi exprimată în moli/kg, sau mg/m2 de suprafață corporală
(pentru expunerea cutanată – prin piele). Pentru substanțele volatile sau gazoase se utilizează
și concentrația medie letală pe litru de aer inhalat (CL50).
Exprimarea toxicității prin DL50 exprimă doar efectul compușilor toxici ca
mortalitate, fără a lua în considerare și fără a putea prezice alte efecte negative asupra
sănătății, care se produc la expuneri sub valoarea DL50.
%
Ră
spu
ns
Doză
DL50 se determină pe animale, iar apoi datele sunt extrapolate la oameni, deși această
extrapolare este destul de aproximativă. De exemplu, dioxinele, considerate o clasă de
compuși supertoxici (deseori sunt denumite cele mai toxice substanțe chimice cunoscute), au
DL50 pentru porcușorii de Guineea 0,6 μg/kg, dar pentru hamsteri este 3000 μg/kg, iar pentru
om DL50 nu se cunoaște (sunt documentate doar cazuri de cloroacnee în urma expunerii la
dioxine).
Dibenzo-p-dioxină 2,3,7,8-tetracloro-dibenzo-p-dioxină
Datele de DL50 pentru oameni trebuie analizate cu precauție deoarece:
- nu se realizează experimente pe oameni;
- una dintre sursele utilizate este baza de date despre cazurile mortale apărute prin
ingerare accidentală sau suicidală;
- de obicei nu se cunoaște dacă victima decesului a mai fost expusă și unor alte
substanțe toxice;
- nu se cunosc circumstanțele care fac victima mai mult sau mai puțin sensibilă sau
rezistentă la compusul toxic.
O altă metodă de evaluare a toxicității sunt limitele de expunere la un anumit compus,
care permit estimarea toxicității diferitelor substanțe. Diferite organisme naționale sau
internaționale propun valori limită, peste care se consideră că angajații sunt expuși efectelor
nocive. Aceste limite sunt utilizate de toxicologia industrială (ocupațională), de ex. pentru o
expunere de 8 ore (o zi normală de lucru) sau 40 de ore (o săptămână normală de lucru). Pe de
altă parte, trebuie să se țină seama de cazurile de expunere prelungită. De ex., dacă o
persoană este expusă unei concentrații de 90% din valoarea limită de expunere, dar timpul
este 120% din 40 de ore, atunci valoarea totală va fi mai mare decât limita de expunere (100%
din valoarea limită, pentru 40 de ore).
Oamenii se bazează, în general, pe simțul olfactiv pentru a-și da seama de prezența
unor compuși periculoși în aer. De fapt, nu există nici o legătură între limita de detecție prin
miros și valoarea limită pentru expunere. Pentru majoritatea substanțelor toxice, mirosul
caracteristic este simțit la concentrații mult mai mici decât cele periculoase. De ex., putem
simți metilmercaptanul, CH3SH, la nivele de 1,6 ppb, dar valoarea limită pentru expunere este
0,5 ppm (500 ppb). Pentru alte substanțe toxice, de ex. clorura de metilen, CH2Cl2, limita de
expunere este mai mică decât limita de detecție prin miros, deci efectele negative apar înainte
de a recunoaște mirosul acesteia.
Clasificarea substanțelor organice periculoase
Există mai multe modalități de clasificare a compușilor organici toxici, dintre care le
enumerăm pe cele mai folosite.
1. După starea de agregare a compusului toxic, aceștia se împart în: compuși toxici
gazoși, lichizi și solizi.
2. După sursa compusului toxic, avem:
- compuși toxici minerali
- compuși toxici vegetali și animali, denumiți în general toxine
- compuși toxici de sinteză
3. În funcție de toxicitatea relativă (exprimată prin DL50) putem deosebi:
- substanțe supertoxice (ex. nicotină) DL50 ≤ 5 mg/kg
- substanțe extrem de toxice (ex. parathion) 5 – 50 mg/kg
- substanțe foarte toxice (ex. dieldrin) 50 – 500 mg/kg
- substanțe cu toxicitate moderată (ex. aspirina) 0,5 – 5 g/kg
- substanțe cu toxicitate redusă (ex. etanol) 5 – 15 g/kg
- substanțe practic netoxice (ex. apa) > 15 g/kg
4. După natura chimică deosebim:
- hidrocarburi (alifatice, aromatice)
- derivați halogenați
- compuși oxigenați (alcooli, fenoli, aldehide, cetone, acizi carboxilici)
- nitroderivați
- amine
- compuși organometalici.
5. După organele afectate în organism:
- toxici ai sângelui (hematotoxici)
- toxici ai sistemului imunitar (imunotoxici)
- toxici ai ficatului (hepatotoxici)
- toxici ai rinichilor (nefrotoxici)
- toxici ai sistemului respirator (toxici inhalatorii)
- toxici ai sistemului nervos (neurotoxici)
- toxici oculari
- toxici ai sistemului cardiovascular
- toxici ai pielii
- toxici ai sistemului reproducător
- toxici ai sistemului endocrin etc.
Bibliografie
1. E. Hodgson (editor) – A textbook of modern toxicology, 3rd
edition, Wiley
Interscience, 2004
2. V. A. Voicu – Toxicologie clinică, Editura Albatros, București, 1997
3. J. J. Fenton – Toxicology: a case-oriented approach, CRC Press, 2002, cap. 2:
Measuring Toxicity
4. Casarett and Doullʼs Toxicology: the basic science of poisons, (ed. C. D. Klaassen),
McGraw-Hill, 2001, cap. 2. – Principles of Toxicology