18.10.2010, DIETETYKA, DIETETYKA, Higiena, toksynologia, bezpieczeństwo żywności

Higiena, toksykologia

I bezpieczeństwo żywności              18.10.2010r.                                                         semestr V

Badania toksykologiczne- różnorodność związków i ich zastosowań zanieczyszczeń, niekiedy szkodliwych niż związki wymaga odpowiedniego doboru badań oraz ich zakresu.

Zależy to od ich pochodzenia, technologii otrzymywania (związki naturalne i syntetyczne), czystości związku, składu mieszanin oraz ich trwałości.

O doborze badań i ich zakresie decyduje:

- przeznaczenie substancji, np. do środków spożywczych lub przedmiotów użytku kontaktujących się z żywnością albo bezpośrednio z człowiekiem.

- budowa i właściwości fizykochemiczne związków, ich czystość chemiczna i zawartość zanieczyszczeń, a w przypadku mieszanin skład chemiczny (jakościowy i ilościowy).

- zamierzony zakres stosowania np. do środków spożywczych o dużym spożyciu lub małym.

- zamierzona ilość dodawana do żywności lub spodziewana pozostałość w produktach pochodzenia zwierzęcego po zastosowaniu w żywieniu, lecznictwie, lub ochronie zwierząt przed pasożytami oraz produktach pochodzenia roślinnego po zastosowaniu w ochronie roślin przed zbiorem albo po zbiorze lub w celu zabicia żywych szkodników itp.

Zakres i metodykę badań toksykologicznych wymaganych w Polsce ustala Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego, Państwowy Zakład Higieny.

Instytut ten opiniuje również wyniki tych badań wnioskując o dopuszczeniu badanej substancji (związek chemiczny, mieszaniny, preparatu) lub o zastrzeżeniach uniemożliwiających wydanie zezwolenia w ogóle lub zamierzonym zakresie stosowanych substancji.

Wszelkie decyzje dotyczące między innymi wprowadzenia żywności po raz pierwszy do obrotu, wycofania żywności ze sprzedaży spoczywają na Głównym Inspektoracie Sanitarnym, w skład, którego wchodzi Departament Bezpieczeństwa Żywności i Żywienia (BŻ) zgodnie z obowiązującą ustawą o Bezpieczeństwie Żywności i Żywienia z dnia 25 sierpnia 2006 r.

I.                     Badaniom powinny podlegać:

1)      związki pochodzenia naturalnego lub ich mieszaniny 

2)      związki otrzymywane w wyniku syntezy chemicznej lub ich mieszaniny

3)      związki lub ich mieszaniny otrzymane na drodze syntezy biologicznej np. preparaty enzymatyczne

4)      nowe środki spożywcze lub preparaty np. białkowe, tłuszcze, ich substytuty oraz wieloskładnikowe preparaty dodawane do żywności itp.

1)      identyfikację, czystość i trwałość substancji

2)      możliwość wzajemnego oddziaływania ze składnikami żywności

3)      zmiany chemiczne, jakim badane substancje mogą ulegać w przewodzie pokarmowym pod wpływem pH enzymów lub flory bakteryjnej. Mogą one prowadzić do istotnych zmian aktywności biologicznej.

4)      Metabolizm substancji- szybkość wchłaniania, wydalania, rozmieszczenia i kumulacji w narządach i tkankach oraz zawartość w płynach ustrojowych i przenikanie przez bariery biologiczne

1)      toksyczność ostra

2)      toksyczność podostra (krótkoterminowa)

3)      toksyczność przewlekła (długoterminowa)

4)      działanie rakotwórcze

5)      działanie mutagenne

6)      działanie teratogenne i embriotoksyczne

7)      wpływ na płodność i zdolność rozrodczą

8)      wpływ na zdrowie ludzi, jeżeli dane takie są możliwe do wykorzystania z dostępnych źródeł

9)      metabolizm

10)  synergizm i antagonizm

11)  działanie

Toksykologia żywności posługuje się metodami:

- biologicznymi

- biochemicznymi

- histopatologicznymi

- histochemicznymi z uwzględnieniem metod analizy fizykochemicznej oraz statystycznej

Czynniki warunkujące toksyczność substancji chemicznych:

1. właściwości fizykochemiczne substancji toksycznej – są nazywane często zewnątrzustrojowymi i są związane z:             
- rozpuszczalnością związku             
- zdolnością dysocjacji             
- zdolnością jonizacji             
- budową chemiczną, warunkującą aktywność biologiczną, a tym samym toksyczność.

2. czynniki biologiczne – wewnątrzustrojowe i są związane z:             
- strukturą komórek, tkanek, narządów             
- zdolnością wchłaniania związku             
- wewnątrzustrojową aktywnością związku.             
Wśród nich ważną rolę odgrywają czynniki osobnicze:             
- płeć             
- wiek             
- stany chorobowe, nabyte lub wrodzone (wątroba, nerki, serce)             
- czynniki genetyczne (enzymy)             
- czynniki środowiskowe (ciśnienie atmosferyczne, temperatura, światło).

Właściwości fizykochemiczne trucizn:

1. Rozpuszczalność – duże znaczenie w toksykologii ma rozpuszczalność substancji toksycznej w wodzie i w lipidach. Właściwość ta nabiera wyjątkowego znaczenia, gdyż organizm ludzki stanowi środowisko wodne, a barierami warunkującymi rozprzestrzenianie się w nim związków są błony komórkowe o strukturze białkowo-lipidowej. Obowiązuje zasada reaktywności – substancje nie reagują jeżeli nie są rozpuszczone!              
Wiele groźnych trucizn charakteryzuje się dobrą lub bardzo dobrą rozpuszczalnością. Tylko związku toksyczne rozpuszczone w wodzie i lipidach stanowią zagrożenie dla organizmu ludzkiego i zwierzęcego.             
O toksyczności substancji decydują m.in. nie tylko rozpuszczone w wodzie i (lub) lipidach lecz także współczynnik podziału (R), czyli iloraz stężeń substancji najczęściej w temperaturze 370C, w dwóch nie mieszających się ze sobą fazach w chwili ustalenia się stanu równowagi. Wartość współczynnika podziału olej-woda mieszczący się w szerokich granicach – od ułamka przez jednostki do wielkości kilkuset lub kilku tysięcy, wskazując na lipofilny charakter substancji i jej łatwe przechodzenie przez bariery lipidowo-białkowe oraz dużą zdolność gromadzenia się w tkance tłuszczowej. Ma to miejsce w przypadku większości środków odurzających, których działanie farmakodynamiczne i toksyczne zwiększa się wraz ze wzrostem współczynnika podziału olej-woda (eter, alkohol, uretany, barbiturany). Łączy się to przede wszystkim ze zdolnością przechodzenia tych związków przez barierę lipidową neuronów oraz kumulację w mózgu i tkance tłuszczowej.             
Wyznaczanie współczynnika podziału badanego związku chemicznego sprowadza się do oznaczenia jego stężenia in vitro w dwóch równych objętościach oleju i wody po ustaleniu się równowagi w temperaturze 370C. Jako fazę olejową stosuje się najczęściej olej zwierzęcy, roślinny lub mineralny, który imituje tkankę tłuszczową. Woda jest odpowiednikiem krwi.

2. Dysocjacja a działanie toksyczne – kwasy, zasady i sole po rozpuszczeniu w wodzie zwiększają jej przewodność elektryczną. Przeważająca część biologicznie czynnych związków chemicznych to kwasy, zasady i sole, które są elektrolitami, np. CH3COOH ↔ H+ + CH3COO-             

Stałą dysocjacją (K) wyraża się iloczyn stężenia powstałych jonów [H+] i [CH3COO-], odniesiony do stężenia niezdysocjonowanych cząsteczek kwasu [CH3COOH]. Stałe dysocjacji są bardzo małe i dlatego wprowadzono pojęcie pK, ujemnego logarytmu dziesiętnego stałej dysocjacji. pKa – dla kwasów, pKb – dla zasad, pKs – dla soli. Im mocniejszy kwa, tym jest większa jego dysocjacja i tym mniejsza wartość pKa.             
Zwiększenie dysocjacji elektrolitów w roztworze wodnym zależy od pH roztworu. Jeżeli pH roztworu jest większe od pKa związku to kwasy występują w wodnym roztworze przeważnie w formie zdysocjowanej, a zasady w niezdysocjowanej. Jeżeli pH roztworu jest mniejsze od pKa związku, to kwasy występują w wodnym roztworze przeważnie w formie niezdysocjowanej, a zasady w zdysocjowanej.

Zależność wchłaniania od pKa i pH soku żołądkowego

Substancja

pKa

Wchłanianie z żołądka po 1h (%)

pH1

pH8

Kwas salicylowy

3,0

61

13

Kwas benzoesowy

4,2

55

5

Zasada - analina

5,6

6

55

Zasada - chinina

8,6

0

18

Kwas salicylowy wolniej się wchłania po alkalizacji treści żołądka do pH8, w którym występuje w postaci zdysocjowanej zasady np. anilina w zasadowym soku żołądka znajduje się w formie niezdysocjowanej i są dobrze wchłaniane.             
Formy niezdysocjowanej słabych elektrolitów przechodzą łatwiej  przez błony, kwasy organiczne łatwiej ulegają dyfuzji biernej w środowisku kwaśnym, a zasady organiczne w środowisku zasadowym.
Wartość pK­a trucizn i leków- nabierają znaczenia w procesach przemieszczania się tych związków przez błony biologiczne. pKa- określa wchłanianie i wydalanie oraz kierunek przemieszczania się tych trucizn i leków w organizmie.

3. Temperatura wrzenia i parowania – są to cechy fizyczne substancji chemicznych występują w postaci cieczy, związane ze zdolnością przechodzenia w stany pary, a zatem możliwością nasycenia środowiska. Pary te są następnie wdychane przez płuca lub wchłaniane przez skórę.
Niska temperatura wrzenia, a zatem duża prężność par jest istotnym czynnikiem fizykochemicznym przyspieszającym zatrucia, zwłaszcza przemysłowe. Działanie toksyczne jest dobrze opisane na przykładzie homologów benzenu. Benzen jest najbardziej trucizną przemysłową.

4. Wielkość cząstek – stany rozdrobnienia, czyli dyspersja substancji ma olbrzymie znaczenie przy wchłanianiu przez płuca. Odnosi się to zwłaszcza do aerozoli oraz pyłów. Pary, gazy mają cząstki o wielkości poniżej 1 µm i dlatego praktycznie zawsze są wchłaniane w oskrzelach płucnych. Tym silniejsze działanie toksyczne im większa liczba zawartych w nich cząstek o średnicy mniejszej od 1µm.

Budowa chemiczna związków a toksyczność             

1. Budowa związku a zdolność wiązania z receptorem – teoria receptorowa interpretuje działanie leku jako efektu tworzenia się wiązania, nie tylko kowalencyjnego, pomiędzy lekiem a swoistym receptorem. Substancje o budowie zbliżonej do substratu mogą hamować aktywność enzymów, stało się istotne dla farmakologii i toksykologii, wyjaśniając zależność budowy analogów substratów od ich aktywności biologicznej, np. cyjanki działają na enzymy układu oddechowego.             
Zależność między budową a aktywnością farmakologiczną lub toksykologiczną:             
- niedoskonałość przewidywania skutków działania tylko na podstawie budowy chemicznej związku
- nieznajomość dróg przemian substancji chemicznej w organizmie, receptorów oraz zdolności wiązania się z nimi.              
Drogi biotransformacji decydują nie tylko o losie substancji chemicznej i jej metabolitach w organizmie, lecz są również odpowiedzialne za właściwe działanie biologiczne.

2. Efekt elektronowy w cząsteczce – znajomość wpływu różnych podstawników na dysocjację ugrupowania w cząsteczce może być oceniania jako zdolność tych podstawników do odciągania lub uwalniania elektrolitów. Mówimy o tym podstawnikach jako elektronobiorcach i elektronodawcach.

3. Wiązania, izomeria i grupy funkcyjne:             
- wiązania nienasycone – obecność w cząsteczce związku alifatycznego wiązania nienasyconego nie tylko wpływa na zwiększenie reaktywności chemicznej i na zwiększenie hydrofilności związku, lecz przede wszystkim zwiększenie jego toksyczności w organizmie człowieka i ssaków.             
W związkach cyklicznych wiązanie nienasycone charakteryzuje duży potencjał oksydacyjny, który w organizmie żywym wywiera niekorzystne działanie, związane z utlenianiem ważnych funkcyjnie grup sulfhydrylowych (SH), występujących w zredukowanym glutatione, cysteinie, metioninie i innych związkach.             
Acetylen (HC Ξ CH) oprócz działania narkotycznego działa silnie uzależniająco.             
Nienasycone związki cykliczne wykazują większą toksyczność niż nasycone. Wiązanie nienasycone ułatwia wchłanianie związku przez płuca oraz powoduje jego działanie narkotyczne, jako to ma miejsc w zatruciu acetylenem czy benzenem.             
- długość łańcucha i jego rozgałęzienie – związki alifatyczne po zwiększeniu liczby węgli w łańcuchu oraz rozbudowie jego rozgałęzień stają się dla organizmu człowieka i ssaka bardziej toksyczne. Zwiększenie grup metylowych w łańcuchu(-CH2-) stwarza możliwości powstawania dalszych wiązań van der Waalsa, zwiększających zdolność absorpcyjną i wiązanie związku przez receptory. Niezależnie od tego wydłużenie łańcucha aminokwasów powoduje zwiększenie ich rozpuszczalności, a zatem większą dostępność biologiczną.             
- izomeria strukturalna i optyczna              
Izomeria strukturalna (położeniowa) wpawa na toksyczność związku. Można przyjąć, że związki o ugrupowaniu para(p) są przeważnie toksyczne, meta(m) mniej, a orto (o) rzadko toksyczne.              
Izomeria optyczna odgrywa dużą rolę w określeniu działania farmakologicznego lub toksycznego.
np. Amfetamina – recemiczna forma β-fenylopropyloaminy której działanie na organizm ssaków i człowieka polega na pobudzeniu ośrodkowego układu nerwowego oraz receptorów układu współczulnego.  Izomer prawoskrętny amfetaminy (D-izomer) 3-4 krotnie działa silniej niż jej L-izomer, który wykazuje silniejsze oddziaływanie na serce. Lewoskrętne izomery trucizn są dla organizmu bardziej toksyczne, wskutek dużej aktywności biologicznej, związanej z rozpuszczalnością, dużej prężności par, a także biotransformacji.              

Jest powszechnie znana i wykorzystywana prawidłowość w syntezie leków. W odniesieniu do antybiotyków D-izomery okazały się bardziej aktywne. Organizm ludzki zbudowany jest z lewoskrętnych aminokwasów, białek i dlatego izomeria lewoskrętna leków i trucizn zwiększa ich udział w przemianach. Odwrotnie przedstawia się sytuacja w świecie bakterii , u których występują prawoskrętne aminokwasy i białka.