Introduction to Tox part 2 PDF

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Molecular Mechanisms of Cytotoxicity Mechanism and Introduction Between exposure (skin absorption, ingestion, inhalation) and toxic effects (adverse outcomes) there are a series of key events, such as interactions between toxicant and organism. For a long time it been clear which molecular processes...

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Molecular)Mechanisms)of)Cytotoxicity))) ) Mechanism)and)Introduction)) Between)exposure)(skin)absorption,)ingestion,)inhalation))and)toxic+effects)(adverse)outcomes))there)are)a)series)of) key)events,)such)as)interactions+between+toxicant+and+organism.)) For)a)long)time)it)hasn’t)been)clear)which)molecular)processes)drive)these)events)(interactions),)how)actually)the) compound)gets)into)the)body,)how)it’s)assimilated)and)how)interactions)work.)) The)thing)is)that)the)chemical)which)we)are)exposed)to,)can)diverge)from)the)one)involved)in)the)toxic)response,)or) for)example)chemicals)can)also)accumulate)in)the)food)chain/web.)Therefore)it’s)always)important)to)know)which) molecular)processes)can)occur)and)also)at)which)level)they)are)observed.)) ) What's)the)point)of)understanding)molecular)processes?)) - basis)of)strategy)to)counteract) - predict)effects)of)other)similar)molecules)(per)esempio)non)si)possono)fare)esperimenti)con)ogni) organismo)/)agente)chimico)che)vogliamo,)lo)si)fa)con)uno)e)poi)si)creano)paragoni).)) This)process)is)known)as)read)across)→)known)chemical)and)then)find)analogies) Read)analogy)is)used)then)in)risk)assessment)/)regulatory)toxicology)(which)are)the)risks)and)how)risks)have) to)be)managed)))

Four-Step)Process)in)Mode)of)Action) 1. 2. 3. 4.

Delivery)from)site)of)exposure)to)the)target:)toxicokinetics,)where)does)the)compound)end)up?) Ultimate)toxicant)interacts)with)target)molecule)or)alters)the)biological)microenvironment) Cellular)dysfunction)and)resultant)toxicity) Attempted)repair)and)adaptation)(attemptive)biological)adaptation))

) ) ) ) ) )

The)first)three)steps)are)always)there,)whereas)the)fourth)one)can)occur)but)does)not)necessarily)have)to.)) ) TERMINOLOGY)) Mode)VS)mechanism)of)action:)definition)issue)which)has)to)do)with)risk)assessment) Mode)→)describes)how)the)biological)system)responds)to)the)chemical)compound;)so)it’s)actually)about)basis,) essential)things,)less)science,)more)regulation/general)level.)) It)follows)the)definition)of)how)the)chemical)get)from)the)site)of)exposure)to)the)target,)interaction)and)then) consequences.)It’s)about)a)series)of)events)that)are)needed)to)cause)toxicity.)) ) Mechanism)→)more)detailed,)complex)information)about)each)of)the)4)processes)from)a)really)physical,)(bio-)) chemical)level.)If)only)something)is)mentioned,)it)doesn’t)mean)that)this)is)the)only)thing)happening!)) ) Biochemical+pathway+of+toxicity:)particular)pathway) ) Adverse+Outcome+Pathway:)) An)Adverse)Outcome)Pathway)(AOP))is)a)conceptual)framework)that)portrays)existing)knowledge)concerning)the) linkage)between)the)two)anchor)points)Molecular)Initiating)Event)(MIE))and)Adverse)Outcome)(AO),)at)a)level)of) biological)organization)relevant)to)risk)assessment.)The)goal)of)an)AOP)is)to)provide)the)framework)to)describe)the) Key)Events)that)lead)from)MIE)to)AO.) ) ) ) )

) Delivery:)Ultimate)Toxicant)Concept) As)said)before,)the)toxicant)to)one)somebody)is)exposed)to,)is)not)always)the)same)measured)then)in)the)toxic) response.)Both)toxication)(activation))and)detoxification)can)take)place.)) Especially)reactive)compounds)are)not)the)same)(exposure)VS)toxic)effect).)Reactive)compounds:)strong) electrophiles,)radicals,)redox)active)species,)endogenous)reactive)species.)) )

Example:)) ) ) →

) ) )

) ) ) ) The)carbohydrate)is)hydrolyzed)→)a)water)molecule)breaks)the)bond;)so)the)molecule)which)I’m)exposed)to)in)this) case)is)amygdalin)but)it’s)CN-)which)is)involved)in)the)toxic)response,)so)it’s)the)ultimate)toxicant.)) Another)example:)from)reactive)oxygen)species)(ROS))hydroxyl)radicals)can)be)formed)(OH°),)which)then)cause) damage)to)our)organism.)An)accumulation)of)ROS)takes)places)for)example)in)an)overoxidative)environment.)) ) ) Reaction)of)Ultimate)Toxicant)with) Target)Molecule)→)the)ultimate)toxicant) has)to)react)with)a)target)molecule)to)have) an)effect.)) ) ) Three)basic)types)of)target+biomolecules:)) Cellular)Membranes)(Lipids)) Protein)and)Peptide) DNA))

Types)of)interactions)) ) NON+specific++ Also)called)baseline)toxicity:)it’s)really)about)the)chemical)itself,)because)of)its)chemical,) physical)properties)which)causes)damages)in)the)target)organisms)/)organs)/)cells.)) Contribution)of)the)chemical)just)being)itself,)without)biological)interactions)(just)chemistry))) ) 1. Non-specific)damage)of)membrane)structure)and)function) ) ) for)example)holes)in)the)mbr)→) ) cell)is)then)more)pervasive,) ) susceptible)to)ions)and)other) ) chemicals)) ) ) ) ) ) ) • also)specifically)acting)chemicals)have)a)baseline)toxicity)) • estimates)say)that)~60%)of)industrial)chemicals)elicit)(provoca))baseline)toxicity) • enrichment)in)membranes)according)to)lipophilia)→)the)higher)the)KOW,)the)more)little)is)LC50)→)we)need) less)compound)to)kill)50%)of)the)organisms)(the)more)toxic).)) So)the)toxicity)has)to)do)with)how)much)of)the)compound)will)bind)to)organic)matter.)Thanks)to)the) correlation)between)toxicity)and)KOW,)it)might)be)possible)to)infer)toxicity)from)a)given)KOW.)) Chemicals)which)aren’t)shown)in)the)pattern-correlation)→)there)are)other)biological)processes)(not)just) chemistry))→)the)more)specific)the)interaction,)the)less)pattern-correlation)between)toxicity)and)KOW)

) Example) Gamma)endotoxins)(here)really)proteins)and)not)single) molecules)anymore),)produced)by)bacteria.)It’s)actually) an)insecticide)→)towards)larvae)of)mosquitos)and)flies;)) Cytolytic)(cell)bursts)due)to)osmotic)imbalance))action) mediated)by)toxin-lipid)interaction)→)pores)or)as) detergent.)) In)both)cases)(and)mostly)they)occur)together))the) protein)causes)cell)membrane)unstructuring)→)it)breaks) up)the)normal)organization)of)lipids.)) ) NARCOSIS)IN)TOXICOLOGY)) • Toxicity)resulting)from)chemicals)associating)with)and)disrupting)lipid)bilayer)of)membranes) – polar)compounds)-)class)1)-)ethanol) – non-polar)compounds)-)class)2)–)C5-C8)hydrocarbons) • CNS)(central)nervous)system))cells)are)a)prime)target)in)human) • Narcosis)is)an)important)process) especially)in)environment) • At)some)dose,)almost)all)chemicals)cause)narcosis)(be)disruptive))→)“bottom)line”:)at)some)point)everything) will)cause)narcosis)at)high)enough)a)dose,)but)other)processes)often)kick)in)at)a)lower)dose)and)are)more) important.) ) Narcosis)in)toxicology)it's)“only”)about)a)non-specific)interaction)of)a)compound,)when)it)associates)with)the)lipid) bilayer)of)membranes)and)disrupt)them) ) ) 2. Alteration)of)Microenvironment)) Alter+H++ion+concentrations)→)pentachlorophenol)deprotonation)in)mitochondrial)matrix)alters)proton) gradient)that)drives)ATP)synthesis.)By)uncopuling)this)phosphorylation)→))machine)(ATP)Synthase))then)is) just)producing)heat,)by)running)running)running,)without)producing)ATP.)) ) Pentachlorophenol)is)a)weak)acid)(at)pH)7)most)of)it) it’s)deprotonated)form)→)O-);)as)such)it’s) transported)in)the)mitochondria)where)it) gets)protons,)then)diffuses)in)the) mitochondrial)matrix,)where)the)pH) increases)→)again)deprotonated.)It’s)a) continuous)cycle)in)which)the)chemical) picks)up)and)gets)rid)of)protons)(but)it)does)the)exact) contrary)of)the)mitochondrion!))) ) + Physical+barrier/fill+space)→)precipitation)of)methotrexate)(chemotherapy)drug))in)renal)tubules;)therefore)people) have)to)stay)really)hydrated)during)chemotherapy)) ) )

Specific++ This)interactions)are)specific)and)can)work)only)when)under)certain)conditions)(lock-key) principle).)A)molecular)initiating)event)in)an)adverse)biological)response)to)a)chemical)is) often)based)on)a)chemical)binding)interaction.)) Types:)Ionic,)Non-ionic,)Covalent,)Non-covalent.)) ) During)class,)we)considered)two)examples:) 1. Binding)of)dioxin)and)leflunomide)to)the)aryl)hydrocarbon)receptor) 2. Generation)of)reactive)radicals)from)redox)active)metal)complexes) ) +

Aryl+Hydrocarbon+Receptor+ 1. What's)an)example)of)a)chemical)for)which)the)interaction)is)relevant?)and)what's)its)human/environmental) relevance)(basis)of)exposure)?) Dioxins)(present)in)environment,)environmentally)pervasive)→)relevance)for)human)exposure)and) ecosystems,)most)human)exposure)is)from)food;)classified)as)a)known)human)carcinogen))/)PAH)(relevance) for)human)exposure)and)ecosystems,)it)comes)from)combustion)of)carbon)based)materials))) 2. What’s)the)biological))/)biochemical)relevance?)what's)the)normal)process)and)how)it)might)be)altered)by) this)interaction?) AHR)-)Dioxin)→)activation)→)DNA)interaction)→)apoptosis)inhibition)→)liver)cancer)/)other)cancers;)) - AHR)is)a)transcription)factor)(from)DNA)to)protein))→)it)regulates)the)gene)expression;)ligands)like)dioxin) turn)on)and)off)this)regulation)mechanism)in)the)wrong)way)) - Activation)of)the)AhR)leads)to)changes)in)the)compartmentalization)of)the)receptor)within)the)cell)→)the) receptor)translocates)to)the)nucleus)) - Immune)migration,)detoxification,)proliferation)(unblocked)mitosis))) ) 3. What)type)of)interaction)(specific,)non)specific,)ionic))is)relevant?)) receptor-ligand,)specific,)non-covalent)(dissociates)upon)binding))DNA)→) it's)a)H-bond)(Wasserstoffbruch))and)hydrophobic)interaction,)it's)not) forming)covalent)bonds)(chemistry)is)not)involved ,)nella)foto)accanto) invece)è)covalente)))) ) OH°:+hydroxyl+radical++ - reaction)with)protein)thiol)to)yield)sulfenic)acid)or)protein)dimerization)(forming)of)a)dimer,)chemical) structure)formed)from)2)similar)sub-units)) - Reaction)with)glutathione) - Reaction)with)purines)(in)DNA)) + 1. What's)an)example)of)a)chemical)for)which)the)interaction)is)relevant?)and)what's)its)human/env.)relevance) (basis)of)exposure)?+ Chromium(III):)supplement,)essential)micronutrient)to)humans)(diet),)it)can)also)lead)to)toxicity)by)producing) OH°) 2. What’s)the)biological))/)biochemical)relevance?)what's)the)normal)process)and)how)it)might)be)altered)by) this)interaction?) Normal)process)is)the)DNA)replication)and)transcription;)if)DNA)is)damaged)during)this)process)(mutations,) errors),)the)cell)can)initiate)apoptosis)or)lead)to)aberrant)proteins.)Proteins)have)numerous)functions)in)our) body:)enzymatic,)transport,)storage,)hormonal,)contractile/motors,)structural,)receptors)and)defense.) Proteins)maintain)REDOX)homeostasis,)regulate)metabolism,)structural)integrity)of)the)cell,)cellular) respiration)and)so)on.)) The)production)of)ROS)damages)cellular)targets)including)proteins)and)RNA.)) genotoxicity,)insulin)signaling,)protein)binding)) 3. What)type)of)interaction)(specific,)non)specific,)ionic))is)relevant?)) physical)interaction)with)the)metabolite,)from)it)radicals)are)produced)→) on)of)those)is)OH°,)which)has)both)DNA)and)protein)as)target)→)then) covalent)interaction)(specific)or)not)depending)on)the)radical)))

) ) Take-home)messages)) • Physical)binding)interactions)are)typical)initiating)events)in)biological)mechanisms)of)toxicity) ) • non-covalent)receptor-binding)interactions)mean)that)chemicals)that)copy+the+shape)of)some)endogenous) signalling)molecules)can)disrupt)biology)because)their)concentrations,)properties)or)kinetics)are)different) from)the)endogenous)ligands) ) • covalent)modifications)of)biomolecules,)such)as)proteins)and)DNA,)alter)their)normal)function.))Oxidation)is) one)common)form)of)modification.))Redox)regulating)systems)such)as)glutathione)(GHS))are)non-critical) targets,)but)their)depletion)(esaurimento))makes)critical)targets)more)sensitive)to)damage) )

Cellular)dysfunction)and)resultant)toxicity) Cellular)dysfunction)can)be:)altered)electrical+excitation,)altered)signal)transduction,)altered)gene+expression.)) Every)type)of)alteration)has)then)an)impact)on)the)cellular)homeostasis.)) ) ) Regulation+of+enzyme+ expression/cell+proliferation+ →)Balance,)homeostasis) between)cell)death)and)cell) growth-pathways)) ) This)is)an)image)showing)the) main)signal)transduction) pathways;)) ) In)class) TGFbeta)→)transforming) growth)factor,)involved)in) communication)between)cells,) it)stimulates)growth)and)as) such)can)lead)to)tumors;)) as)soon)as)this)molecule) (ligand))is)recognized)by)the) receptor,)then)the)ligand) enters)the)cell)and)“tells”) something.)) ) Transduction)pathways)for)TGFbeta)can)be)either)canonical,)normal)(Smad))or)non-canonical)(MapK).)Cell)responses) can)be)for)example)cell)motility,)angiogenesis)(new)blood)vessels)formation))or)cell)proliferation.)) The)signal)is)in)this)case)transduced)by)a)phosphorylation)process:)addition)or)removal)of)a)phosphate)group)to)a) protein.)) ) Example)of)LEAD) • Pb2+)is)a)naturally)occuring)heavy)metal;)widespread)usage)in)different)industries,)large)rise)in)occurrence)in) environment.) • Human)exposure)-)leaded)gasoline,)smelting)and)coal)combustion,)paints,)pipes)or)solder)in)water)supply) systems)(pipes)corrosion),)battery)recycling) • no)level)appears)to)be)necessary)to)the)body) • interferes)with)a)number)of)body)functions)primarily)affecting)the)central+nervous,)hematopoietic,)hepatic) and)renal)system) • chronic)toxicity)is)more)common)than)acute)toxicity)) ) Lead)has)an)affinity)for)calcium)binding-sites)on)the)cells,)because)of) greater)EN,)irregular)charge)distribution)and)larger)radius.)) The)two)main)types)of)calcium-binding)structures,)the)“EF-hand”)motif) (conformational)modification)of)the)protein))and)the)C2)domains) (electrical)changes),)have)a)high)affinity)to)lead.) Synaptotagmin)and)protein)kinase)C)(PKC)→)vedi)schema)sopra))are)two) typical)proteins)that)exhibit)the)C2)domain.) ) ) So)the)presence)of)lead)can)lead)to)proliferation,)over-activation)of)unregulated)mitosis)→)plays)a)role)in)tumor)cells,) is)considered)to)be)carcinogenic.)) Nowadays)we)try)to)keep)lead)levels)as)low)as)possible.)) Human)activities)such)as)mining,)manufacturing)and)fossil)fuel)burning)has)resulted)in)the)accumulation)of)lead)and) its)compounds)in)the)environment,)including)air,)water)and)soil.)Lead)is)used)for)the)production)of)batteries,) cosmetics,)metal)products)such)as)ammunitions,)solder)and)pipes.))

Cell+death+pathways+ The)2)main)cell)death)pathways)are)apoptosis)and)necrosis;)) In)the)middle)there)are)many)other)possibilities)which)differ) on)the)base)of)morphological)features.)) ) APOPTOSIS) - Process)of)programmed)cell)death)→)it’s)a)signaling) event)(example:)smad)protein)=)transducer)of)cell) death))) - Active)changes)in)cell) - Apoptotic)bodies)are)removed)by)phagocytitic)cells) (immune)system))before)further)damage)results)→) “clean”)way)to)die)) - Insufficient)apoptosis)→)uncontrolled)proliferation) ) In)case)of)apoptosis,)signaling)processes)activate)procaspases.)Caspases)are)protein-cleaving)(cleave=spaccare)) enzymes)(cleavage)of)cytosolic)protein,)nuclear)lamine).)Their)inactive)form)is)called)procaspases.)There)are)2)main) families:)initiator)caspases)(each)of)them)can)greatly)amplify)the)signal,)amplifying)activation)chain))and)effector) caspases.)) ) ) - Extrinsic)pathway:)activation)of)apoptosis)from)outside)the)cell,)activation)with)a)ligand)) ) ) ) ) ) ) ) - Intrinsic)pathway:)activation)of)apoptosis)from)inside)the)cell,)for)example)an)imbalance)in)ATP)production)in) a)mitochondrion)can)cause)apoptosis;)here)the)activation)is)given)by)the)mitochondrion)) ) Here)an)example)is)calcium)overload) (undesired):)when)there)is)too)much) lead)inside)the)cell,)the)cell)thinks)that) a)calcium)overload)is)going)on)→)it) leads)to)apoptosis)) ) ) ) ) NECROSIS) - Unregulated)by)the)cell) - Loss)of)membrane)integrity)and)release)of)cell)components)(everything)burst)out)) - Further)damage)to)surrounding)tissue)(why)more)damage?)It)releases)enzymes,)proteins,)reactive)species)in) the)surroundings))) - Does)not)generally)serve)an)adaptive/beneficial)role)to)the)organism) - Necrotic)tissue)often)must)be)removed)surgically) ) ) ) ) ) ) ) ) )

Oxidative+Stress+ Oxidative)stress)reflects)an)imbalance)between)the)systemic) manifestation)of)reactive)oxygen)species)and)a)biological)system's) ability)to)readily)detoxify)the)reactive)intermediates)or)to)repair)the) resulting)damage.)Disturbances)in)the)normal)redox)state)of)cells) can)cause)toxic)effects)through)the)production)of)peroxides)(ROOR)) and)free)radicals)that)get)used)and)damage)all)components)of)the) cell,)including)proteins,)lipids)and)DNA.)) ) In)every)cell)there)has)to)be)a)balance)between)production)of) reactive)oxygen)species)(ROS))and)their)destruction)(just)a)little)bit) of)them)are)needed:)both)not)enough)and)too)much)cause) damages).)Problems)arise)when)the)system)is)out)of)balance)→) disequilibrium.)) In)general)it’s)very)common)due)to)metals.)) ) ) • Redox)homeostasis)mediates)cell)pathways)that)determine)life)and)death)events) • Aberrant)redox)homeostasis)causes)pathologies)linked)with)differentiation) • ROS)intersects)with)GSH)based)enzyme)pathways)to)influence)cell)differentiation) ) Glutathione)(GSH))is)an)important)antioxidant)(prevents)oxidation)of)other)molecules);)capable)of)preventing) damage)to)important)cellular)components)caused)by)reactive)oxygen)species)such)as)free)radicals,)peroxides,)lipid) peroxides,)and)heavy)metals.) ) Example)of)ROS:)secondary)fungi)metabolites;)Ochratoxin)A)has)nephrotoxic)(kidney),)hepatotoxic)(liver),)teratogenic) (fetal)mental)underdevelopment),)immunotoxic)(too)much)and)to)high)levels)of)immunology)are)toxic))and) carcinogenic)effect.)The)molecule)is)one)of)most)common)contaminants)of)cereals,)coffee,)wine,)dried)fruits)and) nuts,)meat,)herbal)medicines,)food)coloring)agents,)bottled)water.)) ) ) ROS:)there)are)both)radical)(unpaired)electron))and)non-radical)species;)) - mainly)generated)in)three)sites:)mitochondrial)ETC;)ER)and)NOX)complex.) - Cells)maintain)a)homeostatic)balance) between)pro-)and)anti-oxidant) processes.) - ROS)are)eliminated)by)constitutively) expressing)an)arsenal)of)detoxifying) enzymes,)including)those)directly) destroying)ROS)such)as)SOD,+catalase,+ and+GPx) - NADPH)and)GSH)are)primary) contributors)to)the)maintenance)of)a) reduced)cellular)redox)state,)reducing) cofactors)) - In)a)reduced)state,)both)TRx)and)GRx) reduce)disulfides)and)become)oxidized.) Oxidized)GRx)is)converted)back)into)a) reduced)state)using)GSH,)which)is) regenerated)by)NADPH-GR,)whereas) oxidized)TRx)is)converted)back)into)a) reduced)state)using)NADPH-TRxR.) - Nitric)oxide)synthases)(NOS))are)key)enzymes)for)the)production)and)regulation)of)nitric)oxide.)) ) ) ) )

QUESTIONS)) 1. list)radical)and)non-radical)cellular)ROSs) radical:)O2°-))) non-radical:)H2O2)(non)radical)but)reactive!)The)bond)between)O-O)is)likely)to)split)in)the)middle,)leading) to)the)formation)of)2)hydroxyl-radical)) 2. Identify)antioxidant)enzymes:)what)ROS)does)it)destroy)and)what)is)it)converted)to?)What)are)their) locations)and)function?) catalase,)destroys)H2O2)to)H2O)and)O2)) GPX:))from)H2O2)to)water)and)GSSG)(to)water))it)uses)GSH)as)a)cofactor)→)cofactor)needs)to)be) oxidized))) 3. Can)hydrogen)peroxide)be)taken)up)into)the)cell)or)generated)in)the)cell?) 4. What)are)Trx)and)Grx)and)how)are)they)converted)from)oxidized)to)reduced)forms,)and)what)is)the) chemistry)involved?) 5. What)is)GR)and)what)does)it)do?) 6. How)does)Ochratoxin)contribute)to)oxidative)stress?)Redox)cycling)of)phenols)) ) This)pattern)is)common)in)a)lot)of)chemicals)with)ring) structures.)The)starting)molecule)is)modified)by)an) enzyme)P450)and)then)there)is)an)equilibrium) between)REDOX;)in)every)step)from)left)to)the)right) an)electron)is)split)out.)) ) Note)that)the)process)is)reversible)→)can)go)back) and)forth)) ) ) ) ) )

) ) Attempted)repair)and)adaptation)(attemptive)biological)adaptation)) ) Adaptation)→)example)of)caffeine)VS)adenosine) When)you)are)awake,)adenosine)accumulates)in)the)brain)and)eventually) causes)drowsiness)(sonnolenza))by)attaching)to)cells)in)the)basal) forebrain)and)inhibiting)their)activity.)Adenosine)stimulates)signals)that) tell)your)body)it)is)time)to)rest,)and)activates)the)responses)necessary)to) engage)in)full)and)sustained)sleep.)In)your)brain,)caffeine)appears)as) adenosine)to)nerve)cells)and)is)able)to)bind+to+adenosine+receptor+sites.) As)a)result,)your)brain)does)not)detect)adenosine,)and)nerve)activity)does) not)slow)down.)Instead,)caffeine)increases)brain)activity,)making)you)feel) more)energetic)and)less)sensitive)to)your)body’s)natural)rhythms)of) wakefulness)and)sleep.) Caffeine)response)as)an)adaptation:)With)chronic)caffeine) exposure,)more)adenosine...