EZIOLOGIA GENERALE: DANNO DA SOSTANZE CHIMICHE

DANNO DA SOSTANZE CHIMICHE Il danno da sostanze chimiche può essere schematicamente diviso in due tipi: DANNO DIFFUSO DA AGENTI CHIMICI l’entità del danno dipende sempre dalla dose e dalla durata del contatto e si verifica come conseguenza di proprietà comuni a molte sostanze chimiche quali quelle di provocare: - variazioni del pH - solubilizzazione di costituenti cellulari - denaturazione delle proteine b) DANNO SELETTIVO DA AGENTI CHIMICI  si verifica quando gli agenti chimici alterano uno specifico costituente cellulare provocandone la riduzione o la perdita della funzione. Gli agenti chimici responsabili di questo tipo di danno sono detti VELENI o TOSSICI. 2

Sostanze tossiche naturali: VELENI ANIMALI

Sostanze tossiche naturali: VELENI FUNGINI

Rischi “differenziali”

INQUIINANTI ALL’APERTO : Malattie apparato Respiratorio

PRINCIPALI DANNI DA TOSSICI PROFESSIONALI

Danno Selettivo o Azione Tossica Sostanza chimica (VELENO o TOSSINA)  reazione specifica con strutture chimiche biologicamente importanti  lesione della funzione L’AZIONE TOSSICA DIPENDE STRETTAMENTE DALLA DOSE: in pratica ogni sostanza chimica può essere un veleno purchè somministrata nella dose giusta (es. farmaci). Dose Minima Letale: quantità minima che è capace di uccidere tutti gli animali di una determinata specie e di un determinato peso in un determinato tempo. Dose Letale 50% (DL50): quantità minima che è capace di uccidere il 50% degli animali trattati, tutti appartenenti alla stessa specie, in un dato tempo.

Tossicità acuta  provocata da una dose singola Tossicità cronica  somma di piccole azioni tossiche ripetute per molto tempo Nel valutare l’azione tossica di una sostanza assume grande importanza anche la via di somministrazione, che può influenzare: - la DL50 - il tempo di comparsa dei sintomi - la gravità dei sintomi - la natura dei sintomi

Meccanismi di difesa contro l’azione tossica delle sostanze chimiche - vomito, diarrea, emorragia - pannicolo adiposo sottocutaneo  sottrae al sangue quantità non indifferenti di tossici quando questi siano solubili nei grassi e abbiano un coefficiente di ripartizione fra acqua e grassi nettamente spostato a favore dei secondi (es. DDT  spiccata solubilità nei grassi  molto poco tossico per i mammiferi ma estremamente velenoso per gli insetti) - reazione con strutture meno importanti che impediscono il contatto con strutture di importanza vitale (es. denaturazione delle proteine) - potere tamponante dei liquidi biologici - sostanze antiossidanti - trasformazione della struttura chimica della sostanza tossica al fine di renderla più facilmente eliminabile o comunque meno tossica a) di tipo demolitivo b) combinazione con altre sostanze  SINTESI PROTETTIVE

PERCHE’ SI SONO EVOLUTI I SISTEMI METABOLICI PER LA DEGRADAZIONE DEGLI XENOBIOTICI? UNA DELLE PIU’ COMUNI SORGENTI DI XENOBIOTICI E’ RAPPRESENTATA DAI VEGETALI DELLA DIETA. MOLTE PIANTE CONTENGONO SOSTANZE CHIMICHE CON PROPRIETA’ TOSSICHE  FITOALLEXINE. Es. FUNGHI VELENOSI GLI ANIMALI (SOPRATTUTTO VEGETARIANI) DOVENDO NUTRIRSI NECESSARIAMENTE DELLE PIANTE CHE SI TROVANO NEL LORO AMBIENTE HANNO DOVUTO SVILUPPARE, PER POTER SOPRAVVIVERE, LA CAPACITA’ DI METABOLIZZARE E RENDERE NON PERICOLOSE TALI SOSTANZE.

PRINCIPALI SORGENTI DI ESPOSIZIONE A XENOBIOTICI PER L’UOMO. INQUINAMENTO AMBIENTALE ADDITIVI ALIMENTARI PRODOTTI COSMETICI PRODOTTI CHIMICI PER L’AGRICOLTURA FARMACI POICHE’ MOLTI FARMACI DERIVANO DA SOSTANZE CHIMICHE DI ORIGINE VEGETALE, NON DEVE SORPRENDERE CHE I FARMACI VENGANO METABOLIZZATI DAGLI STESSI SISTEMI ENZIMATICI CHE SI SONO EVOLUTI PER DEGRADARE GLI XENOBIOTICI DI ORIGINE NATURALE.

LA MAGGIOR PARTE DEGLI XENOBIOTICI E’ COSTITUITA DA SOSTANZE LIPOFILE CHE, SE NON VENISSERO METABOLIZZATE, NON POTREBBERO ESSERE EFFICACEMENTE ELIMINATE E QUINDI TENDEREBBERO AD ACCUMULARSI NELL’ORGANISMO CON CONSEGUENTI EFFETTI TOSSICI. IN GENERALE, QUINDI, LO SCOPO PRINCIPALE DEL METABOLISMO DEGLI XENOBIOTICI E’ QUELLO DI TRASFORMARE QUESTE SOSTANZE IDROFOBICHE IN PRODOTTI CHE POSSANO ESSERE FACILMENTE ESCRETI CON LE URINE O CON LA BILE.

REAZIONI DI FASE II REAZIONI DI FASE I idrolisi riduzione ossidazione coniugazioni con ac. glucoronico o ac. solforico coniug. con aminoacidi metilazione SOSTANZA TOSSICA METABOLITA PRIMARIO METABOLITA SECONDARIO ESCREZIONE NELLE URINE, NELLE FECI O ATTRAVERSO LA BILE

N.B. Esistono anche trasformazioni metaboliche che provocano un aumento della tossicità di una sostanza a) attraverso la degradazione della sostanza di partenza b) mediante la combinazione del tossico con sostanze prodotte dall’organismo  sintesi letale

Cancerogeni diretti e indiretti

La bioattivazione del benzo(a)pirene Cancerogeno terminale Enzimi di fase I

PATOLOGIA DEL DANNO DA RADICALI LIBERI

I RADICALI LIBERI I RADICALI LIBERI sono atomi o molecole che possiedono un elettrone spaiato nell’orbita più esterna.  SONO INSTABILI  SONO MOLTO REATTIVI  TENDONO AD AVVIARE REAZIONI A CATENA e- spaiato

STRESS OSSIDATIVO

Come si formano i radicali liberi? A) L’energia fornita dall’ambiente può scindere il legame covalente fra due atomi (scissione omolitica) in modo tale che un elettrone rimane attaccato ad una delle due parti. Es. RADIOLISI DELL’ACQUA H2O radiazione H• + OH• OH• + OH•  H2O2 H• + H•  H2 H• + H2O2  OH• + H2O OH• + H2  H• + H2O

H H O O H H SCISSIONE OMOLITICA: l’energia trasportata dalla radiazione ionizzante rompe il legame covalente fra l’atomo di ossigeno e uno degli atomi di idrogeno H hν H elettroni spaiati O O H H

tossico; nessun animale che respiri può sopravvivere B) Reazioni di ossido-riduzione che avvengono durante i normali processi metabolici. Gli atomi più suscettibili possono catturare un elettrone (anche in assenza di una sorgente esterna di energia) che, per esempio, deriva dalla catena mitocondriale di trasporto degli elettroni. L’accettore principale di elettroni derivanti dalla catena respiratoria è l’ossigeno. PARADOSSO DELL’OSSIGENO: l’ossigeno è indispensabile per la vita, ma è anche tossico; nessun animale che respiri può sopravvivere in presenza di ossigeno puro. Durante la normale respirazione l’ossigeno viene sequenzialmente ridotto dall’aggiunta di quattro elettroni per formare H2O.

H2O2 + Fe2+  OH• + OH- + Fe3+ O2- + Fe3+  O2 + Fe2+ C) I metalli di transizione (es. Fe, Cu, Zn), che possono cambiare valenza, partecipano ai trasferimenti di elettroni come accettori o donatori; quando si trovano liberi nei tessuti continuano a svolgere tale funzione e generano radicali liberi in modo incontrollato. Es. Reazione di Fenton H2O2 + Fe2+  OH• + OH- + Fe3+ Poiché la maggior parte del Fe intracellulare libero è nella forma ferrica (Fe3+) deve essere prima ridotto alla forma ferrosa (Fe2+) per poter partecipare alla reazione di Fenton. Tale riduzione può essere aumentata in presenza di superossido: O2- + Fe3+  O2 + Fe2+ Nell’insiema si ha la cosiddetta reazione di Haber-Weiss catalizzata dal ferro: Reazione di Haber-Weiss O2- + H2O2 Fe OH• + OH- + O2

D) Metabolismo enzimatico di sostanze chimiche esogene e farmaci. Es. Scissione omolitica del tetracloruro di carbonio CCl4 P 450 CCl3• + Cl- E) L’ NO (ossido di azoto), un importante mediatore chimico generato da cellule endoteliali, macrofagi, neuroni e altri tipi cellulari, può agire come radicale libero e può essere trasformato in ONOO- (anione perossinitrito) NO2• NO3•

innesco - propagazione - arresto Meccanismi del danno da radicali liberi Bersagli: - lipidi - carboidrati - proteine - acidi nucleici Conseguenze: - distorsione molecole - rottura molecole - formazione di legami crociati (cross-linking) Nell’azione dei radicali liberi si possono distinguere tre fasi: innesco - propagazione - arresto

A) INNESCO: consiste nella formazione di RL con uno dei meccanismi descritti precedentemente. R-R  R• + R• B) PROPAGAZIONE: reazione di trasferimento del radicale su altri atomi o gruppi. R• + QH  RH + Q• R• + Q-Q  R-Q + Q• N.B. Il numero dei RL prima e dopo la reazione rimane invariato. C) ARRESTO: la catema di reazioni termina quando i radicali che si propagano vengono rimossi per ricombinazione casuale con altri radicali di altre catene. R• + R•  R-R R• + Q•  R-Q R• + ROO•  ROOR

Perossidazione dei lipidi L’effetto finale dell’attacco radicalico è una LESIONE MOLECOLARE

Difese contro il danno da radicali liberi Esistono due principali linee di difesa: - ENZIMI ANTIOSSIDANTI (che eliminano i due reagenti principali, il radicale superossido e il perossido di idrogeno, cosicchè essi non possono più reagire attraverso la reazione di Haber-Weiss e produrre il pericolosissimo radicale OH• - SOSTANZE ANTIOSSIDANTI: possono bloccare le reazioni di formazione (innesco) dei radicali liberi oppure inattivare (scavengescavengers) i radicali conducendo a reazioni di arresto. a) IDROSOLUBILI  ac. ascorbico (vit. C); glutatione b) LIPOSOLUBILI  vitamina E (alfa-tocoferolo); beta-carotene (precursore della vitamina A) SUPEROSSIDO CATALASI GLUTATIONE DISMUTASI (SOD) PEROSSIDASI O2- + O2 + 2H  H2O2 H2O2 + H2O2  2 H2O + O2 H2O2 + 2 GSH  GSSG + 2 H2O 2 OH• + 2 GSH  GSSG + 2 H2O

LA PRODUZIONE DI RADICALI LIBERI PUO’ INDURRE DANNO CELLULARE A DIVERSI LIVELLI La produzione di radicali liberi può indurre danno cellulare a diversi livelli.

…. ED ESSERE ALLA BASE DI GRAVI PATOLOGIE

Cause fisiche: i Traumi

Cause fisiche: Le Radiazioni

EFFETTI A LIVELLO CHIMICO RADIAZIONI  propagazione ondulatoria di energia nello spazio di natura corpuscolare o elettromagnetica LESIONE BIOLOGICA EFFETTI A LIVELLO CHIMICO ALTERAZIONI STRUTTURA ATOMICA

RADIAZIONI IONIZZANTI (energia > 10 eV) Raggi α (nuclei di elio) massa 4 carica 2+ NATURALI Raggi β (e-) massa trascurabile carica 1- Raggi γ (onde elettromagnetiche) ARTIFICIALI  Raggi X (vengono generati quando un fascio di elettroni colpisce un bersaglio nel vuoto) La λ dei raggi X dipende dal voltaggio usato per accelerare il fascio di elettroni Es. 70 kv  raggi “molli” (poco penetranti) 250 kV  raggi più “duri” milioni di V  radioterapia dei tumori

UNITA' DI MISURA IN RADIOBIOLOGIA CURIE  attività di 1 g di radio che si trasforma mediante emissione di particelle α in radon con un tempo di dimezzamento di 1620 anni (1C = 3.7x1011 disintegrazioni al secondo) ROENTGEN  quantità di radiazione X o γ che libera 1 unità elettrostatica di coppie cariche +/- in 1 cm3 di aria a t e p standard (unità che si riferisce alla quantità di ionizzazione prodotta nell’aria) (1R = 83 erg/g di aria) RAD (radiation adsorbed dose)  definisce gli erg di energia assorbiti da un tessuto quando è colpito da radiazioni (1 rad = 100 erg/g) GRAY  dose assorbita da 1 Kg di tessuto quando l’energia impartita alla materia dalle radiazioni ionizzanti è di 1 Joule per Kg r.e.m. (roentgen equivalent man)  descrive l’effetto biologico prodotto da un rad di radiazione ad alta energia (quantità di radiazioni di qualsiasi tipo che produce lo stesso effetto biologico di 1 R nell’uomo)

1) Azione a livello fisico ATTRAVERSANDO LA MATERIA LE RADIAZIONI CEDONO ENERGIA CHE VIENE ASSORBITA DAGLI ATOMI E DALLE MOLECOLE E PORTA A TUTTA UNA VARIETA’ DI EVENTI CHIMICO-FISICI. IONIZZAZIONE = espulsione di un elettrone dall’orbita più periferica Gli effetti chimico-fisici sono diversi a seconda del tipo di radiazione: raggi β  poco penetranti raggi α  potere penetrazione minimo raggi X e γ  grande penetrazione (tanto ↑ quanto ↓ è λ)

2) Azione a livello chimico Si distinguono un’azione DIRETTA (meno probabile) ed un’azione INDIRETTA (attraverso l’azione sull’acqua, più probabile). AZIONE INDIRETTA RADIAZIONE RADIOLISI DELL’ACQUA FORMAZIONE DI RADICALI LIBERI DANNO ALLE MACROMOLECOLE BIOLOGICHE

3) Azione a livello biologico Se la dose è molto alta (>10000 r)  morte immediata delle cellule (morte interfasica). Effetti a livello cellulare: inibizione sintesi DNA mitosi rallentata sintesi scoordinata DNA  cellule giganti anomalie mitosi  rottura cromosomi rallentamento velocità di crescita Le cellule sono più sensibili al danno da radiazioni durante la meiosi.

NON TUTTE LE CELLULE SONO UGUALMENTE SENSIBILI AL DANNO DA RADIAZIONI LA SENSIBILITA’ DELLE CELLULE ALLE RADIAZIONI E’ DIRETTAMENTE PROPORZIONALE ALLA LORO ATTIVITA’ RIPRODUTTIVA E INVERSAMENTE PROPORZIONALE AL LORO GRADO DI DIFFERENZIAZIONE

Effetti della panirradiazione

Conseguenze non-neoplastiche delle radiazioni

TUMORI DA RADIAZIONI

Radiazioni eccitanti Le radiazioni eccitanti non sono assorbite con uguale intensità da tutte le sostanze (spettro dii assorbimento) Radiazioni INFRAROSSE  sono assorbite specialmente dai corpi scuri (melanina) ed hanno essenzialmente un effetto termico λ > 320 nm  praticamente non assorbite dai tessuti Radiazioni ULTRAVIOLETTE 300 < λ < 250 nm  effetto biologico 265 nm  DNA 280 nm  proteine Effetti patologici della radiazione solare: - eritema solare - ipercheratosi - iperpigmentazione - congiuntivite da UV - tumori cutanei

Il bersaglio fondamentale delle radiazioni ultraviolette è il DNA  Formazione dei DIMERI DI TIMINA

Xeroderma pigmentosum Lo xeroderma pigmentoso è una malattia ereditaria autosomica recessiva ed è causata da mutazioni dei geni che codificano per proteine coinvolte nei meccanismi di riparazione del DNA. I pazienti affetti da questa malattia sono ipersensibili alle radiazioni UV e sviluppano con alta incidenza epiteliomi e melanomi, se si espongono al sole.

RIPARAZIONE ENZIMATICA DEI DIMERI DI TIMINA NEL DNA.

Cause fisiche: l’Energia Elettrica

L’intensità e il tipo di danno indotti dalla CORRENTE ELETTRICA dipendono da alcuni parametri fisici: A parità di voltaggio e amperaggio, una corrente alternata è 3-5 volte più pericolosa di una corrente continua e la pericolosità dipende in effetti dalla frequenza. Le correnti alternate con frequenza bassa (50-60 Hz), cioè quelle usate per tutti gli impieghi più comuni nella gran parte dei paesi del mondo, sono più pericolose di quelle a frequenza alta. La resistenza offerta dai tessuti al passaggio di corrente, misurata in ohm/cm2 (Ω/cm2), è un fattore determinante in quanto da essa dipende l’effetto termico (effetto Joule) del passaggio di elettricità.

EFFETTI PATOLOGICI DELLE ALTE E BASSE TEMPERATURE

UNO DEI MECCANISMI OMEOSTATICI PIU’ IMPORTANTI E’ QUELLO DEPUTATO AL MANTENIMENTO DI UNA TEMPERATURA CORPOREA COSTANTE. Organismi PECILOTERMI (tutti gli animali inferiori fino agli anfibi e ai rettili) TEMPERATURA CORPOREA Organismi OMEOTERMI (animali a sangue caldo)

Organismi PECILOTERMI (a sangue freddo) La temperatura corporea dei pecilotermi dipende direttamente dalla temperatura dell’ambiente

Gli organismi OMEOTERMI sono invece capaci di mantenere una temperatura corporea costante indipendentemente (entro certi limiti) da variazioni della temperatura ambientale.

Fisiologia della termoregolazione

Una efficace termoregolazione è importante perché le cellule possono funzionare correttamente solo in un intervallo piuttosto ristretto di temperature. 41-44 °C 36-37.8 °C 33-35 °C 26 °C

oltre un certo tempo può provocare la morte). COLPO DI CALORE: conseguenza di una esposizione prolungata al caldo (che porta ad un esaurimento dei poteri termoregolatori dell’organismo e che se dura oltre un certo tempo può provocare la morte). Colpo di calore tropicale  tipico dei climi caldo-umidi specialmente in soggetti adibiti a lavori pesanti. sudorazione profusa aumento della t. corporea (fino a 43-44°C) disturbi neuro-muscolari (delirio, crampi, convulsioni) morte PATOGENESI: sudorazione profusa  perdita di acqua  aumento conc. NaCl nel liquido interstiziale  richiamo di acqua dalle cellule  disidratazione cellulare

Colpo di calore comune: frequente d’estate in rapporto specialmente con il caldo- umido che non permette una sufficiente termodispersione. La sintomatologia è prevalentemente cardio-vascolare  collasso dovuto a brusco abbassamento della pressione accompagnato da vasodilatazione periferica, tachi- cardia, perdita della coscienza per ischemia cerebrale (N.B. la temperatura corporea è quasi sempre normale).

USTIONE = lesione dei tessuti superficiali dovuta alla applicazione di una temperatura elevata La gravità della lesione dipende: - intensità dello stimolo termico - estensione della lesione - natura dello stimolo - durata

Ustione di primo grado: arrossamento (eritema) da vasodilatazione. Consiste essenzialmente in una tipica risposta infiammatoria acuta ( istamina). Ha carattere transitorio: entro pochi giorni si ha regressione e completa “restitutio ad integrum”. Ustione di secondo grado: iperemia + formazione di vescicole o bolle (flittene) per raccolta di liquido fra gli strati epidermici o fra epidermide e derma; se la lesione è più grave e raggiunge gli strati più profondi  infiltrazione edematosa. Aumento permeabilità capillari  essudato Se le flittene si aprono all’esterno  possibilità di infezioni

Ustione di terzo grado: necrosi dei tessuti col- piti (tessuti superficiali ed esposti all’aria) essiccamento dei tessuti morti e formazione di croste o escare. Guarigione per cicatrice (spesso deturpante ) CHELOIDE

I congelamenti Classicamente I congelamenti sono classificati in tre gradi che possono evolvere in funzione dell'efficacia del trattamento (eritema per il 1°, flittene per il 2°, necrosi per il 3°). Nei congelamenti di primo grado, il quadro clinico associa un pallore seguito da un eritema a seguito del riscaldamento, ed anche una cianosi transitoria, una sensibilità affievolita ed una guarigione in qualche giorno (i disturbi sensoriali possono persistere più a lungo). Il secondo grado superficiale è contraddistinto dall'apparizione di flittene chiare, mentre il seguito resta come sopra. I congelamenti profondi, origine di conseguenze più o meno invalidanti (unghie deformate, artrosi, e anche necrosi delle estremità) sono caratterizzati da anestesia completa, flittene siero-ematiche e, a monte, da un importante edema. La differenza tra il 2° profondo ed il 3° si fa sul progredire, essendo il 3° definito dalla necrosi, vale a dire dall'amputazione. Parecchi fattori favoriscono l'apparizione di congelamenti: la temperatura esterna, il vento, l'umidità, lo stato di idratazione, la poliglobulia da altitudine e la qualità dell'equipaggiamento. Infine non tutte le persone sono uguali in relazione al congelamento, essendo il fattore di rischio più classico la sindrome di Raynaud e in misura minore il tabagismo.