NOȚIUNI ȘI CONCEPTE
FUNDAMENTALE ÎN
TOXICOLOGIE
Conf. univ. dr. ing. Paul Cătălin BALAURE
An universitar 2020 - 2021
Obiectul de studiu al toxicologiei

Toxicologia studiază toate aspectele legate de modul în care
substanțele chimice naturale sau cele produse de om provoacă
efecte adverse nedorite, dăunătoare asupra sistemelor vii (știința
otrăvurilor și a toxinelor). Sunt studiate fazele evoluției unui toxic
în organism, mecanismele acțiunii toxice, simptomele și
tratamentele otrăvirii, metodele de determinare a substanțelor toxice
într-un mediu, în aer, apă, sol sau în alimente, sunt evaluate riscurile
și sunt elaborate acte normative cu scopul reducerii efectelor nocive
ale acestor substanțe asupra sănătății oamenilor și a mediului
înconjurător.
 Toxicul este orice substanță chimică care pătrunsă în organism
pe diferite căi alterează structural și funcțional materia vie la
diferitele ei nivele de organizare, modificările manifestându-se din
punct de vedere clinic prin apariția unei stări patologice sau chiar a
morții.
Obiectul de studiu al toxicologiei

Efecte adverse - acele efecte produse de toxic care
periclitează fie supraviețiurea, fie funcționarea normală a
unui individ.
 Toxicitate - termenul se referă la măsura în care o
substanță chimică este otrăvitoare sau poate produce vătămări
organismului. Termenul poate fi folosit pentru a descrie
efectul substanței asupra ȋntregului organism sau asupra unei
substructuri a organismului, precum o celulă (citotoxicitate)
sau un organ, de exemplu ficatul (hepatotoxicitate). Termenul
include şi descriea condițiilor necesare pentru apariția
efectelor adverse.
 Intoxicația este starea patologică reversibilă sau nu
provocată de pătrunderea unui toxic în organism și reprezintă
răspunsul organismului la substanța toxică.
Obiectul de studiu al toxicologiei
 Toxicologia este o știință interdisciplinară necesitând
cunoștiințe de:
chimie (chimie anorganică, chimie organică, chimie
fizică, chimie analitică, chimia mediului)
biochimie
biologie celulară și moleculară
fiziologie
patologie
ecologie
statistică
Există mai multe ramuri ale toxicologiei. După
Hodgson și Levi (1997) [1], principalele domenii de
interes ale acestei științe sunt:
Obiectul de studiu al toxicologiei
 1. Mecanismele de acțiune ale toxicelor:







Toxicologia biochimică: studiază efectele toxicelor la nivel molecular,
enzimele ce metabolizează xenobioticele, generarea intermediarilor reactivi,
interacțiunea cu componenții moleculari ai materiei vii, aspecte de biologie
moleculară.
Carcinogeneza: studiază evenimentele chimice și biochimice care conduc la
apariția cancerului.
Teratogeneza: studiază evenimentele chimice și biochimice care conduc la
apariția anomaliilor fetale prin afectarea proceselelor de dezvoltare intrauterină
.
Mutageneza: studiază afectarea materialului genetic de către toxice.
Toxicitatea la nivelul organelor: studiul efectelor toxicelor asupra diferitelor
organe.
Toxicologia nutrițională: studiază efectele dietei asupra toxicității.
Toxicologia comportamentală: studiază efectele toxicelor asupra
comportamentului uman și animal.
Obiectul de studiu al toxicologiei
2. Măsurarea substanțelor toxice și a toxicității:
 Toxicologia
analitică: se ocupă cu determinarea calitativă și cantitativă a
toxicelor și a metaboliților substanțelor toxice în produse biologice și în probe
de mediu.
 Patologia toxicologică: studiază modificările morfologice produse de toxice
asupra diferitelor subsisteme ale unui organism: organe, țesuturi, celule,
structuri subcelulare.
 Evaluarea toxicologică: efectuarea testelor toxicologice în vederea estimării
efectelor toxice asupra unor organisme vii (animale de laborator).
 Studii structură-activitate (QSAR din lb. Engleză Quantitative Structure
Activity Relationship): urmăresc stabilirea unor relații cantitative de corelare a
proprietăților fizico-chimice ale substanțelor toxice cu toxicitatea acestora în
special în vederea realizării unor predicții cu privire la toxicitatea unor
substanțe noi, netestate încă.
Obiectul de studiu al toxicologiei
3. Toxicologia aplicată:
 Toxicologia clinică: se ocupă cu diagnosticarea și tratamentul
intoxicțiilor la om.
 Toxicologia veterinară: se ocupă cu diagnosticarea și tratamentul
intoxicțiilor la animale.
 Toxicologia medico-legală: se ocupă cu diagnosticarea intoxicațiilor
letale prin studiul modificărilor anatomopatologice produse de toxic și
prin detectarea otrăvurilor în probe biologice prelevate de la intoxicați.
 Ecotoxicologia: studiază mecanismele de contaminare a mediului
înconjurător cu poluanți, transformările poluanților în biosferă și
efectele lor nefaste asupra ecosistemelor.
 Toxicologia industrială: studiază etiologia și patogenia intoxicațiilor cu
toxice prezente într-un mediu de muncă industrial, evaluarea riscului
toxic, stabilirea unor limite maxime de expunere admise și a unor
reglementări de siguranță a muncii.
Obiectul de studiu al toxicologiei
4. Toxicologia unor substanțe chimice produse în vederea comercializării și
utilizării lor în diferite scopuri:
 Substanțe utilizate în agricultură: insecticide, ierbicide, fungicide, rodenticide.
 Medicamente
 Aditivi alimentari
 Substanțe chimice industriale și substanțe chimice casnice
 Produșii de combustie , în special hidrocarburi aromatice policiclice (PAH), ce sunt
asociați cu arderea incompletă a unor materiale organice ca lemnul, cărbunii, uleiurile,
tutunul.
 Unii produși naturali – tot mai des utilizați ca remedii naturiste sau în suplimentele
alimentare
 Drogurile
Obiectul de studiu al toxicologiei
5. Toxicologia reglementară se ocupă cu două aspecte foarte
importante:
 Evaluarea riscului toxicologic – identificarea riscurilor
potențiale și estimarea raportului beneficiu/risc în vederea
adoptării unor norme legislative.
 Aspectele legale – se referă la elaborarea de legi și norme care
să maximizeze gradul de siguranță și să minimizeze efectele
substanțelor toxice asupra sănătății oamenilor și a mediului
înconjurător.

Factori
ce
influențează
toxicitatea
Toxicitatea unei substanțe depinde de o varietate de factori, cum ar fi:
a)
Doza
b)
Durata expunerii, numărul de expuneri și frecvența acestora
c)
Calea de pătrundere a toxicului în organism sau calea de administrare (substanța
este aplicată pe piele, inhalată, ingerată, injectată)
d)
Structura chimică a substanței (inclusiv forma geometrică tridimensională,
stereoizomerii și chiar enantiomerii, ca în cazul talidomidei ce a fost administrată
sub formă de racemat ca medicament pentru ameliorarea stărilor de greață la
gravide, dar s-a dovedit ulterior că determină apariția malformațiilor congenitale)
și poprietățile fizico-chimice ale substanței (stare de agregare, solubilitate,
constanta de aciditate, coeficient de partiție etc).
S-(-)-talidomida
teratogenic
R-(+)-talidomida
ameliorează
stările de greață
la gravide
e)
Mărimea particulelor substanței
f)
Factori individuali specifici organismului (specia, rasa, sexul, vârsta, factori
genetici, starea generală de sănătate a organismului)
g)
Factori de mediu (prezența altor substanțe în mediu, temperatura, radiațiile
ionizante, lumina, umiditatea, altitudinea)
Structura chimică
 Natura (tipul) și numărul atomilor, raportul de combinare (formula
procentuală, formula brută, formula moleculară)
 Conectivitatea atomilor (ordinea de legare, tipul legăturilor)
 Poziția și orientarea relativă a atomilor în spațiul
tridimensional molecular.
 Formula structurală
 Izomeri – substanțe care au aceeași formulă moleculară, dar formule
structurale și proprietăți fizice, chimice, toxicologice diferite
 https://www.youtube.com/watch?v=39T6itWXRe4
Structura atomului
Structura atomului
Structura atomului. Modele atomice
Structura atomului. Modele atomice
Structura atomului. Modele atomice
 Notând raza atomului cu r şi sarcina sa pozitivă q = ne, unde n
este numărul electronilor atomului, se poate calcula densitatea
de sarcină pozitivă, ρ, a “aluatului” ca fiind:
Experimentul lui Rutherford
The Lord Ernest Rutherford of Nelson
Structura atomului. Modele atomice
Structura atomului. Modele atomice
O sarcină electrică în mișcare accelerată (oscilatorie) produce unde electromagnetice.
Resurse
Unda electromaganetică – ansamblul de câmpuri electrice și magnetice variabile în timp care video
se generează reciproc unul pe celălalt și se propagă în spațiul liber cu viteza luminii, c, fără a 1, 2
necesita prezența unui mediu de propagare.
1 - https://www.youtube.com/watch?v=uVB3G_Edim4&t=10s
2 - https://www.youtube.com/watch?v=oH7WRKglKNk
Structura atomului. Modele atomice
Waves and Particles:
Wavelength
Frequency
Spread in space and time
Waves
Can be superposed – show
interference effects
Pass through each other
Localized in space and time
Particles
Cannot pass through each other they bounce or shatter.
Interferența undelor
Yodh
12
Structura atomului. Modele atomice
Structura atomului. Modele atomice
 Radiația termică. Ipoteza cuantelor de energie a lui M. Planck
 Orice corp încălzit (T > 0 K) emite radiaţii de natură
electromagnetică pe seama mişcării de agitaţie termică a
particulelor constituente ale corpului. Aceste radiaţii sunt emise ca
urmare a conversiei energiei termice (interne) a corpului aflat la o
anumită temperatură în energie electromagnetică și se numesc
radiaţii termice. Radiaţia termică apare la orice temperatură, dar la
temperaturi coborâte sunt emise numai undele electromagnetice
având lungime de undă mare (infraroşii).
Structura atomului. Modele atomice
 În cazul unui corp emiţător, aflat într-o incintă vidată cu
pereţi reflectători radiaţia emisă este reflectată de pereţii
incintei şi cade din nou pe corp care o poate absorbi total
sau parţial. Deci, apare un schimb continuu de energie între
corp şi radiaţia care umple incinta. Radiaţia termică de
echilibru apare atunci când în aceeaşi unitate de timp
energia emisă de corp este egală cu energia radiaţiei pe care
o absoarbe corpul pentru orice lungime de undă.
Structura atomului. Modele atomice
 Proprietatea radiaţiei termice de a fi în echilibru cu corpurile
emiţătoare se datoreşte dependenţei intensităţii sale de
temperatură.
 Presupunem că echilibrul dintre corp şi radiaţie este distrus iar
corpul emite mai multă energie decât absoarbe. Energia
internă a corpului scade, ceea ce conduce la o scădere a
temperaturii. Aceasta va determina o reducere a intensității
radiației emise de corp. Temperatura corpului va scădea până
când energia emisă de corp devine egală cu energia absorbită.
Structura atomului. Modele atomice
 Deci, dacă un corp încălzit este introdus într-o incintă cu
pereţii interiori complet reflectători, cu timpul se stabileşte
o radiaţie termică de echilibru, când temperatura corpului
devine egală cu temperatura incintei.
 Se pune problema cunoașterii distribuției pe frecvențe a
energiei radiate de corpul negru la diferite temperaturi
(distribuția intensității radiației termice a corpului negru în
funcție de frecvență sau lungimea de undă la diferite
temperaturi; vezi figura)
Bazele experimentale ale mecanicii
cuantice
Ce se constată experimental? La o anumită temperatură a corpului absolut negru,
vârful graficului (care ne arată frecvenţa dominantă a undelor electromagnetice
radiate de corp la acea temperatură, practic, referindu-ne la domeniul vizibil,
culoarea acestuia la o anumită temperatură) este mereu în aceeaşi zonă a
spectrului.Pe măsură ce se adăugă energie în sistem prin creșterea temperaturii
frecvenţa de vârf creşte şi ea, deplasându-se spre zona vizibilă a spectrului
electromagnetic (de la infraroşu spre roşu, portocaliu, galben, albastru etc.).
Bazele experimentale ale mecanicii
cuantice
 Această formă a funcției εν,T nu a putut fi
explicată decât renunțându-se la anumite
concepte fundamentale ale fizicii clasice!!!
Radiația care părăsește incinta prin orificiul practicat constituie
radiația corpului negru.
Bazele experimentale ale mecanicii cuantice
Why a decrease for small l ?
Quantification
black-body radiation
Max Planck (1901)
Göttingen
Numbering rungs of ladder introduces quantum numbers (here equally spaced)
23
Planck’s Model, Graph
24
Bazele experimentale ale mecanicii cuantice
Bazele experimentale ale mecanicii cuantice
 Efectul fotoelectric. Ipoteza cuantelor de lumină introdusă
de A. Einstein.
Lumina care cade pe catod smulge
electroni din el. Între catod și anod
se aplică o tensiune electrică U.
Tensiunea generează un câmp
electric E care încetinește electronii
pentru că el acționează în sens opus
mișcării cu o forță F = - eE. Energia
maximă a electronilor smulși este
dată de tensiunea U pe care trebuie
s-o aplicăm pentru a împiedica
electronii să ajungă la anod.
Bazele experimentale ale mecanicii cuantice
 Legile efectului fotoelectric.
Bazele experimentale ale mecanicii cuantice
Bazele experimentale ale mecanicii cuantice
Bazele experimentale ale mecanicii cuantice
Structura atomului. Modele atomice
Davisson and Germer 1925

d
Clinton Davisson
Lester Germer
In 1927
2d sin  = k
Diffraction is similarly observed using a monoenergetic electron beam
Bragg law is verified assuming l=h/p
33
34
Structura atomului. Modele atomice
Structura atomului. Modele atomice
 3. Condiția de cuantificare.
 Sunt permise doar acele orbite pentru care momentul cinetic
orbital al electronului este un multiplu întreg al constantei lui
Plank.
Unde
staționare
•Only certain wavelengths are
allowed.
•At a node, the amplitude of the
wave is zero.
https://www.youtube.com/watch?v=-gr7KmTOrx
0
https://phet.colorado.edu/en/simulation/wave-on-a-string
Al treilea postulat al lui Bohr - justificare
Structura atomului. Modele atomice
Structura atomului. Modele atomice
A localized wave or wave packet:
A moving particle in quantum theory
Spread in position
Spread in momentum
Superposition of waves
of different wavelengths
to make a packet
Narrower the packet , more the spread in momentum
Basis of Uncertainty Principle
Yodh
41
Experimentul cu două fante. Paradoxul cuantic
Interpretarea școlii de la Copenhaga.
Colapsul funcției de undă în urma
interacțiunii cu aparatul de măsură.
Resurse
video
1,2
1 - https://www.youtube.com/watch?v=A9tKncAdlHQ&t=3s
2 - https://www.youtube.com/watch?v=2VZ6dMXpxeU&t=68s
Structura atomului. Modele atomice
Structura atomului. Modele atomice
Principiul complementarității – N. Bohr
According to the principle of complementarity,
analysis at a microscopic level reveals that an object can behave both as
a particle and a wave but the two modes cannot be realised at the same
time.
A measurement which emphasises one of the wave–particle attributes does
so at the
expense of the other. An experiment designed to exhibit the particle
properties does
not give any information on the wave aspect and vice versa. For instance, the
observation of cloud chamber tracks does not involve wave aspect at all while
interference and diffraction experiments do not contain any information about
the particles’ demeanour. It is interesting to note that all possibly available
knowledge about the characteristics of a microscopic entity, say an electron,
is
contained in the wave function. We will express it like this. A microscopic
entity
under one situation shows those properties which at macroscopic level are
attributed to particles and we say that it is behaving as a particle. In some
other
situation, the same entity exhibits characteristics which at macroscopic level
Principiul corespondenței – N. Bohr (1923)
Se înţelege prin ‘’principiu de corespondenţă’’ regula după care
mărimile fizice cuantice ascultă de legi care se reduc la legile
clasice dacă în formulele respective constanta fundamentală h
(constanta lui Planck) tinde formal spre zero. Teoriile fizicii
cuantice (cu procese discrete) trebuie să conducă la aceleaşi
rezultate ca şi teoriile fizicii clasice (cu procese continue, fără
salturi) în domeniul în care acestea din urmă şi-au dovedit
valabilitatea (în confruntarea cu ansamblul datelor furnizate de
experienţe).
Thus, in the uncertainty principle, as h → 0 in the classical limit,
the product ΔxΔpx → 0 and therefore a simultaneous precise
measurement of position and momentum at macroscopic level
becomes permissible.
Funcția de undă. Orbitali atomic
Wave behavior is described with the wave function ψ.
The probability of finding an
electron in a certain area of
space is proportional to ψ2 and
is called electron density.
Atomic Orbitals for “p”
Copyright McGraw-Hill 2009
55
Atomic Orbitals for “d”
Copyright McGraw-Hill 2009
56
Structura atomului. Modele atomice
Configurația electronică
 Aufbau Principle – Nivelele energetice (orbitalii atomici) se ocupă cu
electroni în ordinea crescătoare a energiilor lor.
 Pauli Exclusion Principle – Fiecare nivel energetic (orbital) poate fi ocupat
de maxim doi electroni cu spin opus.
 Hund’s Rule –Dacă există mai multe nivele cu aceeași energie (orbitali
degenerați), mai întâi se ocupă fiecare nivel cu câte un electron, acești
electroni având toți același spin, după care, în limita numărului de electroni
disponibili, are loc cuplarea electronilor (împerecherea electronilor ce
ocupă fiecare orbital cu câte un electron de spin opus primului).
Configurația electronică
 Example: Carbon - 6 electrons
 1s22s22p2
 Electrons do not pair in degenerate orbitals if an empty orbital is available
Configurația electronică
 Z = 26 1s22s22p63s23p64s23d6 (Fe)
1s 2s
2p
3s
3p
Energie
4s
3d
Configurația electronică și sistemul periodic
al elementelor
Configurația electronică și sistemul periodic al
elementelor
 Position on the periodic table indicates electron
configuration
 Noble gas core configuration - can be used to represent all
elements but H and He
Example:
Z = 15 [1s22s22p6]3s23p3 (P)
[Ne] 3s23p3 (P)
Configurația electronică și sistemul periodic al
elementelor
 Not all elements follow the “order” of the diagonal rule
• Notable exceptions: Cu (Z = 29) and Cr (Z = 24)
Cu = [Ar]4s13d10
Cr = [Ar]4s13d5
Reason: slightly greater stability associated with filled and half-filled d
subshells
Configurația electronică și sistemul periodic al
elementelor
Legătura chimică. Teoria
electronică clasică
Nr. maxim de
electroni dintr-un
strat = 2n2 ;
n = nr. stratului
electronic
Legătura chimică. Teoria
electronică clasică.Legătura ionică
Legătura chimică. Teoria
electronică clasică.Legătura ionică
Legătura chimică. Teoria electronică
clasică.Legătura covalentă
Legătura chimică. Teoria electronică clasică.Legătura
covalentă
 Legătura covalentă simplă (de doi electroni)
bonding electrons
non-bonding or lone
electron pairs
Legătura chimică. Teoria electronică
clasică.Legătura covalentă
 Legătura covalentă coordinativă (donor – acceptor)
 Legatura covalentă coordinativă se realizează tot prin punere în
comun de electroni, dar dubletul de legatură provine de la un
singur atom numit donor.
 Legatura coordinativă se formează când donorul are o pereche
de electroni neparticipanți iar acceptorului îi lipsesc doi
electroni.
 Aceasta legatură se întâlnește în cazul ionului amoniu NH4+ si a
ionului hidroniu H3O+.
Legătura chimică. Teoria electronică
clasică.Legătura covalentă
Legături covalente multiple
Legătura chimică. Teoria electronică
clasică.Legătura covalentă
Legătura chimică. Teoria electronică
clasică.Legătura covalentă
Legătura chimică. Teoria electronică
clasică.Legătura covalentă
Legătura chimică. Teoria electronică clasică.Legătura
covalentă
Legătura chimică. Teoria electronică
clasică.Legătura covalentă
Sarcina formală la atomii de H: 1 – 0 – 1/2x2 = 0
Sarcina formală la atomul de O: 6 – 2 – 1/2x6 = + 1
Legătura chimică. Teoria electronică
clasică.Legătura covalentă
Legătura chimică. Teoria electronică
clasică.Legătura covalentă
 Există specii chimice pentru care pot fi scrise mai multe
structuri Lewis corecte.
 Deplasări de electroni
Legătura chimică. Teoria electronică
clasică.Legătura covalentă
Legătura chimică. Teoria electronică
clasică.Legătura covalentă
Legătura chimică. Teoria electronică
clasică.Legătura covalentă
Legătura chimică. Teoria electronică
clasică.Legătura covalentă
Legătura chimică. Teoria electronică
clasică.Legătura covalentă
Legătura chimică. Teoria electronică
clasică.Legătura covalentă
Legătura chimică. Teoria electronică
clasică.Legătura covalentă
Legătura chimică. Teoria electronică
clasică.Legătura covalentă
Legătura chimică. Teoria electronică
clasică.Legătura covalentă
Structura atomului. Modele atomice
Structura atomului. Modele atomice
Structura atomului. Modele atomice
Legătura covalentă în mecanica
cuantică. Metoda legăturilor de valență
(MLV)
Legătura covalentă în mecanica
cuantică
Legătura covalentă în mecanica
cuantică
Legătura π este mai slabă decât legătura σ.
Legătura covalentă în mecanica cuantică. MLV
Legătura covalentă în mecanica cuantică. MLV
Legătura covalentă în mecanica cuantică. MLV
NOT NUCLEI!
Legătura covalentă în mecanica cuantică. MLV



1








Funcția de undă Y0 a moleculei
este stabilită prin combinarea
liniară a funcțiilor de undă ale
structurilor de spin ale
electronilor p ai moleculei.
Prin varierea coeficienților c1 –
c4 din funcțiile de undă Y1 – Y4
rezultă că la starea
fundamentală a butadienei
(starea cu energia cea mai
joasă) participă cu ponderea
cea mai mare structura limită
Y1, corespunzătoare formulei
clasice 1 și într-o măsură mai
mică structura Y2 cu electroni
Legătura covalentă în mecanica cuantică. MLV
cu spini cuplați în 1,4.
Structurile limită cu sarcini despărțite Y3 și Y4 nu sunt
semnificative pentru distribuția electronică din starea
fundamentală.
Structura limită 2 a butadienei nu trebuie confundată cu
ciclobutena 5 în care se transformă butadiena prin ciclizare
fotochimică, transformare care presupune și o deplasare
a nucleelor nu doar a electronilor.
Așa cum se va arăta mai departe,
1,3-butadiena (o alcadienă) și
ciclobutena (o cicloalchenă) sunt
izomeri de funcțiune.
Legătura covalentă în mecanica cuantică
Teoria (metoda) orbitalilor moleculari (MOM).
Legătura covalentă în mecanica
cuantică. MOM.
Legătura covalentă în mecanica
cuantică. MOM.
Legătura covalentă în mecanica cuantică.
MOM.
Legătura covalentă în mecanica cuantică.
MOM.
Comparație între MOM și MLV
The MO method first combines the atomic orbitals to give molecular orbitals, then populates the molecular orbitals with electrons (no more than two paired electrons
per orbital). This part of the procedure is similar to the way electrons are allocated to atomic orbitals.
Comparație între MOM și MLV
 The VB treatment starts with the same atomic
orbitals but assigns electrons to each orbital.
 In the VB method, each of the electrons
becomes associated with both atoms through
mixing of the different electronic configurations.
 Thus in the VB treatment we combine electronic
configurations (
symbolizing mixing),
whereas in the MO treatment we combine
atomic orbitals to get low- and high-energy
molecular orbitals.
Hibridizarea orbitalilor atomici ai carbonului
Hibridizarea orbitalilor atomici ai carbonului
 Energiile de asemenea diferă față de cele ale orbitalilor
atomici.
Hibridizarea orbitalilor atomici ai carbonului
Hibridizarea orbitalilor atomici ai carbonului
Hibridizarea sp3 a orbitalilor atomici ai
carbonului
Hibridizarea sp3 a orbitalilor atomici ai
carbonului
Hibridizarea sp3 a orbitalilor atomici ai
carbonului
Stereoizomeria compușilor cu
atomi de carbon hibridizați sp3.
1. Stereoizomeri de conformație.
Stereoizomeria compușilor cu
atomi de carbon hibridizați sp3.
1. Stereoizomeri de conformație.
Resurse video:
https://www.youtube.com/watch?v=E52oU-pwDxY&t=38s
https://www.youtube.com/watch?v=vOq6cwT-l2U
Stereoizomeria compușilor cu
atomi de carbon hibridizați sp3.
1. Stereoizomeri de conformație.
Stereoizomeria compușilor cu
atomi de carbon hibridizați sp3.
1. Stereoizomeri de conformație.
Stereoizomeria compușilor cu
atomi de carbon hibridizați sp3.
1. Stereoizomeri de conformație.
Stereoizomeria compușilor cu
atomi de carbon hibridizați sp3.
1. Stereoizomeri de conformație.
Resurse video:
https://www.youtube.
com/watch?v=p9Nzh
A3E-70&t=36s
Stereoizomeria compușilor cu
atomi de carbon hibridizați sp3.
1. Stereoizomeri de configurație.
Carbon asimetric. Enantiomeria
Resursă video: https://www.youtube.com/watch?v=UlTkwth7_8o
Stereoizomeria compușilor cu atomi de carbon
hibridizați sp3.
1. Stereoizomeri de configurație. Diastereoizomeria
Molecule cu doi atomi de carbon asimetrici substituiți diferit
Cl
H3C
H3C
*
*
CH3
H
H
H
H
Br
Br
Br
H3C
CH3
H
H
Cl
Cl
Cl
Br
H
H
H3C CH3
CH3
CH3
H
Cl
H
Br
DIASTEREOIZOMERI
CH3
diastereoizomerul eritro
chiral
H
H3C
H3C
*
*
CH3
Cl
Cl
H
H
Br
Br
Br
H3C
CH3
CH3
Cl
H
H
Br
CH3
diastereoizomerul treo
chiral
Cl
H
H
H
H
H
H
Br
H
Cl
H3C CH3
CH3
Cl
Br
H3C CH3
Cl
Br
H3C CH3
H
H
Stereoizomeria compușilor cu atomi de carbon
hibridizați sp3.
1. Stereoizomeri de configurație. Diastereoizomeria
Molecule cu doi atomi de carbon asimetrici substituiți identic
COOH
H
OH
H
OH
COOH
diastereoizomerul eritro
achiral
f orma mezo
COOH
COOH
plan de simetrie
H
HO
OH
H
COOH
HO
H
H
OH
COOH
diastereoizomerul treo
chiral
o pereche de enantiomeri
Hibridizarea sp2 a orbitalilor atomici ai
carbonului
Hibridizarea sp2 a orbitalilor atomici ai
carbonului
Hibridizarea sp2 a orbitalilor atomici ai
carbonului
Hibridizarea sp2 a orbitalilor atomici ai
carbonului
Hibridizarea sp2 a orbitalilor atomici ai
carbonului
Hibridizarea sp2 a orbitalilor atomici ai
carbonului
Stereoizomeria compușilor cu atomi de carbon hibridizați sp2.
Stereoizomeri de configurație. Diastereoizomeri (izomeri geometrici)
Cicloalcanii care sunt izomeri de consituție
cu alchenele prezintă și ei izomerie cis – trans.
Hibridizarea sp a orbitalilor atomici ai carbonului
Hibridizarea sp a orbitalilor atomici ai carbonului
Hibridizarea sp a orbitalilor atomici ai carbonului
Hibridizarea sp a orbitalilor atomici ai carbonului
Hibridizarea sp a orbitalilor atomici ai carbonului
Resurse video: https://www.youtube.com/watch?v=8VBs_xf7yLs
https://www.youtube.com/watch?v=J9oNPj_GAws&t=339s
Hibridizarea sp a orbitalilor atomici ai
carbonului. Stereochimia compușilor cu atomi
de carbon hibridizați sp.
 Nr. par de legături duble cumulate
sp2
sp
sp2
Stereoizomeri ai compușilor cu atomi
de carbon hibridizați sp.
Izomeri de configurație. Enantiomeria
R'
R'
R
R'
R
R
R'
R
Enantiomeri
Stereoizomeri ai compușilor cu atomi
de carbon hibridizați sp.
Izomeri de configurație.
Diastereoizomeria
 Nr. impar de legături duble cumulate
Izomeria compușilor organici
Izomeria compușilor organici
O
O
R
O
pyrethrin I; R = CH3; 4 stereogenic centers; 24= 16 stereoisomers
pyrethrin II; R = CH3CO2; 5 stereogenic centers 25 = 32 stereoisomers
Un examplu: Izomerii
diclorociclohexanului
 Izomeri de poziție:
6
1
Cl
Cl
Cl
Cl
2
**
Cl
*
*
3
5
Cl
4
Cl
Cl
1,1
1,2
1,3
1,4
Un examplu: Izomerii diclorociclohexanului
 Diastereoizomeri cis-trans: 1,2; 1,3; 1,4
Cl
Cl
*
Cl
*
*
*
Cl
cis-1,3
cis-1,2
Cl
Cl
Cl
Cl
achiral; plan de simetrie
achiral; plan de simetrie
Un examplu: Izomerii
diclorociclohexanului
 Diastereoizomeri
Cl
Cl
Cl
Cl
cis-1,4
trans-1,4
Cl
Cl
Cl
Cl
achiral; plan de simetrie
achiral; plan de simetrie
Un examplu: Izomerii
diclorociclohexanului
 Enantiomeri: trans-1,2; trans-1.3
Cl
**
Cl
*
Cl
*
trans-1,3
trans-1,2
chiral; f ara plan de simetrie; doi enantiomeri
(antipozi optici)
chiral; f ara plan de simetrie; doi enantiomeri (antipozi
optici)
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Un examplu: Izomerii
diclorociclohexanului
 Inelul ciclohexanic nu este plan; C hibridizat sp3 tetraedric
 Doi conformeri interconvertibili: scaun și baie
 Conformerul scaun este mai stabil decât conformerul baie.
Un examplu: Izomerii
diclorociclohexanului
Un examplu: Izomerii
diclorociclohexanului
Trans 1,2diclorociclohexanul –
există două substanțe
distincte, izolabile care
prezintă o relație de
enantiomerie.
enantiomers
mirror plane
S
*
S
Cl
*
Cl
Cl
R
*
Cl
*
R
non-superimposable
mirror images
enantiomers
mirror plane
5
Cl
Cl
3
3
4
S *
1
S
*
2
Cl
Cl
R
*2
conf ormation: a, e
6
ringflip
Cl
6
4
5
Cl
1
2
3
conf ormation: e, a
5
4
*1R
6
Cei doi “enantiomeri” ai cis1,2-diclorociclohexanului sunt
de fapt doi conformeri diferiți
ai aceleiași molecule; nu există
decât un singur stereoizomer
cis.
Un examplu: Izomerii
diclorociclohexanului
 Trans-1,3-diclorociclohexanul nu are niciun plan intern de
simetrie și există ca o pereche de enantiomeri.
mirror plane
Cl
Cl
S 1*
5
6
5
6
3*
S

Cl
4
4
*1 R
*3
R

Cl
trans-1,3-Dimethylcyclohexane has a pair of
enantiomers
Un examplu: Izomerii
diclorociclohexanului
 Cis-1,3-dichlorociclohexanul are un plan
intern de simetrie care trece prin atomii C-2 și
C-5 și prin atomii de hidrogen atașati acestora.
H
H
H
H
1
*
R
Cl

H
3
6
H
S
4
H
Cl
H
5
*
H
H
symmetry plane
H
5
6
H
4
CH2
1
Cl
H
3
Cl
CH2

H
H
H
Deși conține doi atomi
de carbon chirali,
întreaga moleculă este
achirală (formă mezo)
și există un singur
stereoizomer.
Un examplu: Izomerii
diclorociclohexanului
 Trans -1,4-diclorociclohexanului și cis-1,4-diclorociclohexanul
sunt molecue achirale cu plan intern de simetrie care trece prin
atomii C-1 și C-4 și prin atomii de clor și de hidrogen atașați
acestora.
plan de simetrie
4
6
2
Cl
Cl
5
H
3
1
H
trans
Cl
6
4
2
Cl
cis
6
X1
X
H
5
3
1
H
5
H
X = C-1HCl;
X1 = C-4HCl
2
H
3
H
H
Clase de compuși organici
Clase de compuși organici
Clasa de compuși
Anhidride
Structura generală
Gruparea funcțională
Anhidridă
O
R
O
R1
O
O
Amide
Amidă
R
NH2
Nitrili
Nitroderivați
R
C
Cian
Nitro
N
O
R
N
O
Amine
Tioalcooli, tiofenoli
Tioeteri
R
SH
R
R
NH2
Ar
;
S
SH
R
S
Disulfuri
R
R
S
O
Acizi sulfonici
R
S
Sulfonică
OH
O
O
Sulfone
R
S
O
Amino
Sulfhidril
Sulf legat de doi radicali organici
(sulfură)
Disulfuri
Sulfonil
R
Clase de compuși organici
O
Sulfoxizi
Sulfinil
R
S
COOH
Compuși cu funcțiuni mixte
R
R
COOH
R
NH2
;
OH
Amino acizi; Hidroxi acizi etc
Disocierea la echilibru a acizilor și
bazelor slabe în soluție apoasă
A + B

v

v
C + D
 
v  k  A  B 
 
v  k  C   D
k  Ae
Ea

RT
La echilibru:
Considerăm cazul unui acid slab, HA. Acesta
disociază în apă, conform echilibrului:
HA + H2O ⇄ H3O+ + A- , caracterizat de
constanta de aciditate, Ka,
Ka = [H3O+ ][A-]/[HA]
pKa = - lgKa; pH = - lg([H3O+]); prin logaritmare,
în ambii membri ei ecuației constantei de
aciditate, obținem ecuația HendersonHasselbach:
pH = pKa + lg([A-]/[HA]); ecuația HendersonHasselbach
Gradul de disociere (ionizare) a unui acid slab

Legătura dintre constanta de aciditate și
constanta de bazicitate
 În cazul unui cuplu acid/bază conjugată în soluție apoasă se
stabilesc următoarele echilibre:
=
Prin înmulțire cu -1 și logaritmare rezultă,
𝑝𝐾 𝑤 =− 𝑙𝑔 𝐾 𝑤
Legătura dintre constanta de aciditate și
constanta de bazicitate
 Similar,
pH + pOH = 14
Gradul de disociere (ionizare) a unei baze
slabe

Structura membranei celulare
The structural components of the plasma
membrane are phospholipids.
Phospholipids: amphiphatic molecules:
 one portion of the molecule is water soluble
 another portion is water insoluble
Chemical structure of a phospholipid:
Structura membranei celulare
 long water insoluble, hydrophobic, hydrocarbon chains joined to
 hydrophilic head groups containing phosphate
Structura membranei celulare
When placed in water, phospholipids
spontaneously aggregate into more complex
supramolecular entities such as:
Because the plasma membrane separates two aqueous
compartments (the intra- and the extracellular milieu),
their component phospholipids aggregate into a bilayer
with
 Phosphate containing head groups on the outside
of the supramolecular structure in contact with
water
 Hydrophobic tails in the interior of the
supramolecular structure in contact with each
other.
Structura membranei celulare
The phospholipid bilayer acts as a stable semipermeable
barrier
 Membrane permeability:
 Small nonpolar molecules (soluble in the phospholipid
bilayer) and small uncharged polar molecules can freely
diffuse (passive transport down an existing gradient)
 Large polar uncharged molecules and charged species,
regardless their size, cannot cross a lipid bilayer by free
diffusion because they do not favorable interact with the
non-polar hydrophobic tails.
Structura membranei celulare
Forțe intermoleculare și procesul
de dizolvare
La stabilirea unei legături covalente între doi atomi cu
electronegativități semnificativ diferite, densitatea electronică nu va fi
repartizată uniform în spațiul internuclear, legătura se va polariza și la
capetele ei vor apare sarcini electrice parțiale (fracțiuni de sarcini),
pozitive la elementul cu electronegativitate mai mică (cu tendință mai
redusă de a atrage electronii) și negative la elementul cu
electronegativitate mai mare (mai atrăgător de electroni). Momentul de
dipol este un vector având aceeași direcție cu legătura și fiind orientat
de la polul pozitiv către cel negativ.
Polaritatea moleculelor
Modulul momentului de dipol (μ) este egal cu
produsul dintre mărimea sarcinilor parțiale (δ)
și distanța (d) ce le separă.
Polaritatea moleculelor
În cazul moleculelor poliatomice, conținând mai
multe legături covalente polare, momentele
individuale ale legăturilor se compun vectorial,
după regula paralelogramului. Valoarea rezultantei,
adică momentul de dipol al moleculei va depinde
deci de geometria acesteia. Într-o moleculă
triatomică, având un atom central ce stabilește două
legături covalente polare, caracterizate de
momentele individuale de dipol, μ1 și μ2, momentul
de dipol molecular, μr , rezultant va fi:
; unde θ este unghiul de legătură.
Polaritatea moleculelor
Dacă μ1 și μ2 sunt egale, μ1 = μ2 = μ, cum este cazul
moleculelor de apă sau dioxid de carbon, atunci,
și valoarea momentului de dipol al moleculei depinde de
valoarea unghiului de legătură, θ.
Polaritatea moleculelor
Dacă geometria este liniară, θ = 180⁰, cosθ = - 1, și molecula
nu are un moment de dipol permanent. Ex.: molecula de CO2.
Polaritatea moleculelor
În cazul oxisulfurii de carbon, deși geometria este liniară, cele
două momente individuale de dipol sunt diferite,ca urmare,
prin însumare vor da o rezultantă nenulă.
În general în cazul moleculelor poliatomice, momentul de dipol
depinde de simetria moleculei. De ex., în cazul tetraclorurii de
carbon, datorită simetriei tetraedrice a compusului, cele patru
momente de dipol identice în modul ale legăturilor C – Cl se
anulează reciproc și molecula în ansamblu nu are un moment
de dipol permanent.
Polaritatea moleculelor
Cum influențează polaritatea moleculei absorbția
acesteia în organism?
Forțe intermoleculare
 Forțe intermoleculare: sunt interacții de tip electrostatic (de natură
fizică) care apar între specii chimice (atomi, ioni, molecule)
independente. Ele determină starea de agregare și influențează
proprietățile fizice (de ex, solubiliatea, punctul de fierbere, punctul
de topire) ale substanțelor. Legăturile de natură fizică dintre
molecule (intermoleculare) sunt mai slabe decât cele de natură
chimică dintre atomi (intramoleculare). În categoria legăturilor
intermoleculare intră:
 Forțele van der Waals
 Legătura de hidrogen
Forțe intermoleculare
 Forțele van der Waals sunt de trei categorii:
1- forţe de orientare
2- forţe de inducţie
3- forţe de dispersie.
1. Forțele de orientare pot fi:
 1a. Interacțiun ion-dipol. Se manifestă între un ion și o moleculă
polară (un dipol). Cationii sunt atrași de polul negativ al dipolului,
iar anionii sunt atrași de partea pozitivă a dipolului.
 Forţele ion – dipol intervin în procesul de solvatare a ionilor.
Forțe intermoleculare
 sau
1b. interacțiuni dipol – dipol sau forțe Keesom
care se manifestă între molecule cu moment
electric permanent (polare). Dipolii tind să se
orienteze datorită forțelor de atracție și de
repulsie existente.
Forțe intermoleculare
 2. Forțele de inducție apar între molecule polare (sau
ionice) și molecule nepolare. Sunt forțe de tipul dipol
permanent (sau ion) – dipol indus (forțe Debye)
Moleculele nepolare pot dobândi un moment de dipol
indus, sub acțiunea câmpului electric al moleculelor polare.
Forțe intermoleculare
3. Forțele de dispersie sunt forțe de tipul
 dipol instantaneu – dipol indus (forțe de dispersie London)
sunt singurul tip de interacții care apar între moleculele
nepolare
sunt cauzate de corelațiile polarizărilor fluctuante ale
norilor electronici ale unor molecule vecine ca urmare a
mișcării electronilor conform legilor probabilistice ale
mecanicii cuantice.
Forțe intermoleculare
Forțe intermoleculare
 Legătura de hidrogen este o formă specială a interacținii dipol – dipol;

apare între un atom de hidrogen legat covalent de un atom
electronegativ sau de o grupare de atomi puternic atrăgătoare de electroni
(donorul de hidrogen la formarea legăturii de hidrogen) și un al doilea
atom electronegativ din aceeași moleculă sau dintr-o moleculă vecină
care posedă minim o pereche de electroni neparticipanți și care joacă
rolul de acceptor al hidrogenului în legătura de hidrogen;

întrucât atomul de hidrogen este legat de un atom puternic
electronegativ, legătura covalentă respectivă va avea o polaritate crescută,
şi avem o separare de sarcină mare (dipol);

centrul pozitiv al acestui dipol care apare la atomul de hidrogen va putea
forma o legătură cu centrul negativ reprezentat de cel de-al doilea atom
electronegativ, ca urmare a atracției pe care atomul de hidogen pozitivat o
exercită asupra electronilor neparticipanți ai acestuia din urmă.
Pozitivarea atomului de hidrogen trebuie înțeleasă în sensul că
Forțe intermoleculare
sarcina pozitivă a nucleului acestuia este mai puțin ecranată
ca urmare a deplasării norului electronilor de legătură către
nucleul atomului electronegativ de care este legat hidrogenul;
Volumul celui de-al doilea atom electronegativ care
funcționează ca acceptor al hidrogenului parțial pozitivat
trebuie să fie cât mai mic; practic numai 3 elemente din
perioada a doua pot îndeplini rolul de acceptor la formarea
unei legături de hidrogen: N, O, F. Clorul spre exemplu are
un volum prea mare, sarcina electrică a electronilor săi
neparticipanți este difuză fiind răspândită într-un volum prea
mare pentru a putea asigura o densitate de sarcină negativă
suficient de mare care să-i permită să funcționeze ca un
acceptor eficient al hidrogenului în legătura de hidrogen.
Forțe intermoleculare
legătura de hidrogen este mai puternică decât o
interacțiune dipol – dipol deoarece datorită volumului mic al
atomului de hidrogen cele două centre de sarcini electrice
opuse se pot apropia mai mult;
lungimea legăturii de hidrogen este mai scurtă decât în
cazul forţelor van der Waals, dar mai mare decât în cazul
legăturilor covalente;
energia legăturiii de hidrogen este aproximativ 1/10 din
valoarea energiei unei legăturii covalente.
Legături de hidrogen intermoleculare
F
H
F
o
104
F
H
H
F
H
H
F
Legături de hidrogen intramoleculare
Conductibilitatea electrică și solubilitatea
 Cristalele ionice nu conduc curentul electric, deoarece ionii
ocupă poziții fixe în rețeaua cristalină, ionii fiind menținuți în
aceste poziții fixe datorită legăturii ionice puternice.
 În topitură (stare lichidă) sau în soluție, ionii devin mobili; sub
acțiunea unei diferențe de potențial, ionii se pot deplasa spre
electrozi, făcând posibilă trecerea curentului electric.
 Substanțele care permit trecerea curentului electric prin soluție
sau topitură se numesc electroliți.
Solubilitatea
 O substanță ionică (sare) introdusă în apă se dizolvă spontan,
iar ionii inițial imobili în cristal devin mobili în soluție unde se
înconjoară, corespunzător volumului lor, cu dipoli de apă,
rezultând ioni hidratați ca urmare a formării unor legături
intermoleculare ion-dipol.
Solubilitatea
Solubilitatea
 Substanţele covalente cu molecule polare (de
exemplu, acizii) se dizolvă numai în solvenţi
polari (ionizanţi).
 Solvenţii polari se numesc ionofili iar cei
nepolari, ionofobi.
 Moleculele apei şi acidului se atrag cu polii
opuşi. În acest mod, molecula acidului se
alungeşte şi se rupe, rezultând ioni hidrataţi.
Solubilitatea
Solubilitatea
 Substanțele nepolare se dizolvă în solvenți nepolari cu care




formează legături intermoleculare de tip dipol instantaneu –
dipol indus.
Concluzie: substanțele se dizolvă în solvenți care se aseamănă
structural cu ele.
Astfel:
Substanțele ionice și polare se dizolvă în solvenți polari.
Substanțele nepolare se dizolvă în solvenți nepolari.
Biodisponibilitatea şi transportul transmembranar
 Matematic, coeficientul de partiţie grăsimi-apă, Ku/a, se exprimă ca
raporul concentraţiilor de echilibru ale ST (solutului) neionizate în
cele două faze
Ku/a=[ST]octanol/[STneionizata]apa
Dacă SM se găseşte sub două forme, neionizată şi ionizată, în faza
apoasă (cazul acizilor şi bazelor slabe), se defineşte coeficientul de
distribuţie, Du/a, care ţine cont de concentraţia totală a solutului în
faza apoasă, nu doar de concentraţia formei majoritare (cea
neionizată).
Biodisponibilitatea şi transportul transmembranar
 Du/a=[ST]octanol/([STneionizata]apa+[STionizata]apa)
 Du/a ≤ Ku/a
 Ȋn cazul unui acid slab, HA, caracterizat de constanta de
aciditate, pKa,
Ku/a= [HA]octanol/[HA]apa
Du/a = [HA]octanol/([HA]apa+[A-]apa)
Din ecuaţia Henderson-Hasselbach, [A ] = [HA]10pH-pK a
pH = pKa + lg([A-]/[HA])
Biodisponibilitatea şi transportul transmembranar
 Atunci,
Du/a = [HA]octanol/[HA]apa(1/1+10pH-pK )=a
= Ku/a (1/1+10pH-pK )a
 Ȋn cazul unei baze slabe, B, conform ecuaţiei Henderson-
Hasselbach,
pH = pKa + lg([B]/[BH+])
Ku/a = [B]octanol/[B]apa;
Du/a = [B]octanol/([B]apa+ [BH+]apa)
[BH+] = [B]10pK a - pH
Biodisponibilitatea şi transportul transmembranar
 Atunci,
Du/a = [B]octanol/[B]apa (1/1+10pK - apH)=
= Ku/a (1/1+10pK a- pH)
 Liniarizând, prin logaritmare, obţinem relaţia dintre coeficienţii de distribuţie şi
coeficienţii de partiţie:
 Ȋn cazul acizilor slabi,
lgDu/a =lgKu/a + lg(1/1+10pH – pK )a= lgKu/a – lg(1+10pH – pK ) a
 Ȋn cazul bazelor slabe,
a
a
lgDu/a = lgKu/a + lg (1/1+10pK - pH) = lgKu/a – lg(1+10pK – pH)
Biodisponibilitatea şi transportul transmembranar
 Ȋn cazul acizilor slabi, atunci când pH – pKa > 1,
-lg(1+10pH – pK a)≈ -lg10pH – pK =a pKa – pH
şi se poate folosi aproximaţia:
lgDu/a = lgKu/a + pKa - pH
 Ȋn cazul bazelor slabe, atunci când pKa – pH > 1, o bună aproximaţie
este:
lgDu/a = lgKu/a + pH – pKa
 Dacă solutul este ionizat într-o proporţie foarte mică, atunci
lgDu/a ≈ lgKu/a
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația doză-răspuns
(efect)
 Toxicitatea este, în primul rînd, un concept cantitativ. Paracelsus
(1493-1541) este cel care a pus bazele științifice pentru dezvoltarea
ulterioară a toxicologiei moderne.
 Afirmația sa: “Toate substanţele sunt otrăvuri; nu există nici una care
să nu fie otravă. Doza potrivită diferenţiază o otravă de un remediu.”,
sintetizează principiul de bază al toxicologiei moderne, acela al relației
doză-efect toxic sau doză- răspuns toxic. Răspunsul este o măsură a
intensității efectului produs de toxic. Pe conceptul relației doză-efect se
întemeiază și alte noțiuni importante specifice toxicologiei, dar și
farmacologiei moderne, cum ar fi conceptul de indice terapeutic.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația doză-răspuns
(efect)
Cele mai inofensive, sau chiar indispensabile vieții dintre
substanțe, ca de ex., apa, prezintă efecte toxice când sunt
administrate în doze mari sau foarte mari, iar, pe de altă parte,
chiar și cele mai toxice substanțe cunoscute, apar ca fiind
inofensive sau chiar benefice organismului în doze extrem de
mici. Ferul, cuprul, magneziul, zincul, cobaltul manganul și
nichelul sunt necesare organismului uman, fiind prezente drept
cofactori în anumite metaloproteine cu roluri esențiale în
organism. De aceea este recomandat un anumit aport din fiecare
dintre aceste elemente metalice în dieta zilnică pentru a nu se
ajunge la o deficiență a acestora în organism și, drept
consecință, la apariția anumitor boli. Pe de altă parte,
administrate în cantități prea mari, aceste elemente produc
efecte toxice asupra organismului. Prin urmare, relația dozăefect sau doză-răspuns este esențială în toxicologie.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
 Doza este cantitatea de substanță care pătrunsă în organism
produce într-un anumit interval de timp (de ex., 24 de ore) un
anumit efect. De obicei, cantitatea absolută de substanță toxică nu
este relevantă pentru apariția unui anumit efect toxic, acesta din
urmă corelându-se mai degrabă cu concentrația de toxic în
organism. Ca atare, cel mai adesea doza nu se exprimă în unități
absolute de masă (mg), ci în unități relative (mg/kg corp).
Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)
Totuși, nu se poate presupune că întrega doză administrată este absorbită
de organism, și de aceea o estimare mult mai precisă a expunerii la substanța
toxică o reprezintă concentrația de toxic în plasma sangvină. Această
concentrație poate fi corelată cu concentrația de substanță toxică în țesuturi și
organe și, în consecință, este un biomarker al expunerii. În unele cazuri,
responabil pentru acțiunea toxică este un metabolit al substanței administrate,
caz în care ne interesează concentrația în sânge a acestui metabolit. Similar,
pentru a putea măsura răspunsul organismului la toxic, suntem interesați în
identificarea unor biomarkeri ai răspunsului. Aceștia sunt de regulă modificări
ale unor parametri biochimici, funcționali sau histologici survenite ca urmare a
expunerii la substanța toxică. Menționăm câteva exemple din fiecare
categorie. Apariția în sânge a anumitor enzime ca urmare a vătămarii unui
organ, modificarea compoziției urinei ca urmare a apariției unor
disfuncționalități metabolice sau modificarea activității enzimatice reprezintă
exemple de modificări biochimice. Afectarea capacității respiratorii, a
reflexelor sau a diurezei sunt tot atâtea exemple de modificări ale unor funcții
fiziologice. Evidențierea unor modificări patologice la nivelul țesuturilor și
celulelor sunt exemple de biomarkeri histologici ai răspunsului.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)

Răspunsurile observate pot fi de două tipuri: cuantale și
gradate.
 Răspunsurile cuantale sunt de genul “totul sau nimic”. Ex.:
supraviețuirea sau moartea, apariția sau nu a unei tumori. Ele se
măsoară raportând numărul de indivizi care răspund la toxic la
numărul total de indivizi dintr-un grup care au fost expuși
toxicului în mod egal. În cazul răspunsurilor cuantale mărirea
dozei duce la o creștere a numărului de indivizi care răspund și
nu la o intensificare a efectului toxicului.
 Răspunsurile gradate sunt acele răspunsuri care pot fi
măsurate pe o scală continuă, de la un răspuns minim la unul
maxim. Ex: modificarea tensiunii arteriale, modificarea ritmului
cardiac, modificarea ritmului respirator, modificarea activității
unei anumite enzime, modificarea nivelului unui hormon etc.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
 Pentru determinarea toxicicității unei substanțe se poate
proceda în mai multe moduri.
1. Epidemiologic, prin observarea unei populații de organisme
(plante, animale sau oameni) expuse la un toxic.
2. In vivo, prin administrea toxicului unei populații de plante
sau animale, în condiții bine controlate, și înregistrarea efectelor.
3. In vitro, prin expunerea celulelor sau a unor fracții
subcelulare ale organismelor la toxicul testat.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
În 1927, farmacologul britanic J. W. Trevan a conceput
un test in vivo pentru a compara toxicitatea diferitelor
medicamente, introducând noțiunea de doză medie letală 50
(DL50) [2]. În descrierea cantitativă a relației doză-răspuns,
Trevan a ales un răspuns de tip cuantal, moartea animalelor
de laborator testate, deoarece aceasta este cel mai ușor de
măsurat răspuns toxic, evitându-se astfel posibilele
ambiguități și erori de măsurare la extremele scalei în cazul
răspunsurilor gradate. În plus, letalitatea permite să fie
comparate, din punct de vedere al toxicității, substanțe ale
căror mecanisme de acțiune toxică pot fi foarte diferite.
Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)
 Conceptul doză-efect se bazează pe următoarele ipoteze:
1. Răspunsul se datorează substanței chimice administrate.
2. Există o structură moleculară țintă sau moleculă receptor cu
care substanța toxică interacționează pentru a produce răspunsul.
3. Răspunsul depinde de concentrația substanței toxice la locul
său de acțiune.
4. Concentrația compusului toxic la locul de acțiune este
corelată cu doza administrată.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația doză-răspuns
(efect)
2. Legarea toxicului de reptorul său molecular.
Efectul toxic apare în urma legării substanței toxice de o
moleculă țintă din organism sau un receptor molecular față de care
aceasta are afinitate. Legarea toxicului de ținta sa moleculară se
poate face fie prin legături covalente, fie prin legături
intermoleculare necovalente (legături de hidrogen, atracții
electrostatice, legături van der Waals, interacțiuni hidrofobe).
Țintele moleculare ale substanțelor toxice sunt în general proteinele
(cu rol structural sau funcțional), coenzimele, lipidele și acizii
nucleici. Deoarece aceste molecule au roluri esențiale pentru buna
funcționare a celulei vii, modificarea acestora în urma interacțiunii
cu substanța toxică are ca rezultat afectarea celulei din punct de
vedere structural și/sau funcțional. Ca urmare a dialogului complex
între celule și a funcționării lor corelate și integrate și, eventual, ca
urmare a absorbției toxicului în arborele circulator și ulterior a
distribuției sale către toate țesuturile și organele, efectele pot fi
resimțite la nivelul întregului organism (efect toxic sistemic).

Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)
În cazul unei asocieri necovalente, toxicul și ținta sa moleculară
trebuie să fie complementare atât din punct de vedere geometric (steric, ca
formă și dimensiuni – modelul lacăt-cheie) cât și din punct de vedere
interacțional, în special complementaritatea hărților potențialului
electrostatic molecular al celor două suprafețe care interacționează.
E3
E1
E2
E4
E5
E4
E6
Toxic
Moleculă
țintă
(receptor
molecular)
Receptor Răspuns la Răspuns la Răspuns la Răspuns la
molecular
nivel
nivel
nivelul
nivelul
alterat
molecular celular unui organ întregului
organism
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația
doză-răspuns (efect)
3. Cum depinde răspunsul de concentrația
toxicului la locul acțiunii sale.
Legarea toxicului de receptorul său
molecular poate fi reversibilă sau ireversibilă. În
cazul unei legări reversibile se poate scrie
echilibrul:
k
R+T
RT, caracterizat de constanta de
k
disociere a complexului toxic-receptor, KT,

R T  k1 ; R = receptor; T = toxic; RT = complex toxic-receptor;
KT 

k , k = constantele de viteză pentru disocierea, respectiv
 RT  k2 formarea complexului toxic-receptor
2
1
1
2
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația doză-răspuns (efect)

Dacă se notează cu [Rt] concentrația totală de receptori, atunci se poate scrie:
 Rt    R    RT 
 Rt T    RT T   K ;
T
 RT 
 RT  KT  T     Rt T ;
 RT   T 
 Rt  KT  T 

Considerând că efectul toxic, E, este proporțional cu concentrația
complexului toxic-receptor și că efectul maxim, Emax, se obține atunci când toți
receptorii moleculari sunt ocupați, adică atunci când [Rt] = [RT], se poate scrie:
E  k3  RT 
Emax  k3  Rt ;
E  Emax
 RT  sau E  E T 
R 
K  T 
max
t
T
(1)
Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)
 Când [T] = 0, E = 0
 Când E = Emax/2, KT = [T], deci constanta de disociere a
complexului toxic-receptor reprezintă concentrația toxicului la
care efectul său este egal cu jumătate din efectul maxim.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
În funcție de caracterul reversibil sau ireversibil al interacțiunii toxicreceptor, răspunsurile obținute pot să difere foarte mult. În cazul
interacțiunilor reversibile, la concentrații mici de toxic, ocuparea receptorilor
poate fi neglijabilă și, ca atare, este posibil ca aparent să nu existe niciun
răspuns, ceea ce duce la apariția unui prag al dozei sub care nu există niciun
efect observabil. De asemenea, răspunsul poate fi unul de foarte scurtă
durată, deoarece concentrația ce produce efecte este posibil să fie atinsă doar
tranzitoriu. Este posibil ca doze mici de toxic, chiar în cazul unor expuneri
repetate sau continue, să nu producă efecte măsurabile.
 În cazul unei interacțiuni ireversibile toxic-receptor, teoretic, o singură
interacțiune este suficientă pentru apariția efectului. Expuneri continue sau
repetate într-un anumit interval de timp pot avea un efect cumulativ care
depinde de viteza cu care organismul poate resintetiza receptorul R, de
exemplu o enzimă, în acel interval de timp.
 Relația (1) exprimă dependența efectului toxic, E, de concentrația
toxicului, [T]. Într-o reprezentare grafică normală (răspuns în funcție de
doză) a ecuației (1), curba obținută are următoarea alură:

Aspectul cantitativ al toxicității. Relația doză-răspuns
(efect)
De obicei, se apelează la reprezentarea răspunsului în
funcție de logaritmul dozei, deoarece aceasta se pretează mult
mai bine la liniarizare, așa cum se va vedea mai departe. În
acest mod de reprezentare curba doză-răspuns ia forma unei
sigmoide.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația
doză-răspuns (efect)
4.
Concentrația toxicului la locul său de acțiune depinde
de doza de toxic administrată. Doza medie letală, DL50.
Doza medie letală 50, DL50, este doza care, fiind
administrată unei populații de animale de laborator, se
estimează că va provoca moartea a 50% dintre indivizii
respectivei populații, într-un anumit interval de timp.
Observăm de la început că DL50 nu este o constantă biologică,
ci o mărime virtuală, determinată statistic. În orice populație
testată, vor exista indivizi care vor muri în urma administrării
unor doze de toxic mai mici decât DL50, precum și indivizi
care vor supraviețui administrării unor doze mai mari decât
DL50, aceasta fiind o consecință a variabilității biologice.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația
doză-răspuns (efect)
Într-un experiment clasic de determinare a DL50 se
procedează în felul următor: un eșantion de animale de
laborator, cel mai adesea șoareci sau șobolani, pe care se
testează toxicitatea unui compus, este împărțit în mai multe
grupe, fiecare grupă fiind formată dintr-un număr de indivizi
(de preferință același) ce au același același sex și aproximativ
aceeași greutate și vârstă. Tuturor animalelor din fiecare grupă
li se administrează pe aceeași cale (de ex. intraperitoneal)
aceeași doză, progresiv crescătoare de la o grupă la alta, de
compus testat și se înregistrează numărul de decese înregistrate
într-un anumit interval de timp (de ex. 1h în cazul unei
administrări intraperitoneale la șoareci) din fiecare grupă.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația doză-răspuns
(efect)
Datele experimentale obținute pot fi reprezenate grafic în mai multe moduri [3]. Figura din dreapta sus este
o histogramă reprezentând distribuția frecvenței deceselor, exprimată procentual, pe grupele de animale
supuse testului, mai exact pe intervale (numite clase) ale dozelor de compus testat administrate. Histograma
este alcătuită din n dreptunghiuri cu baze egale care reprezintă clasele. Înalțimile dreptunghiurilor
reprezintă frecvențele mortalității fiind egale cu procentul de decese din fiecare grupă (procentul cumulat de
decese la o anumită doză administrată) minus procentul cumulat de decese din grupa imediat precedentă
(procentul cumulat de decese la doza imediat inferioară). Dacă bazele dreptunghiurilor se îngustează foarte
mult (la limită tinzând către zero), respectiv dacă numărul de dreptunghiuri (de clase) crește foarte mult
(la limită tinzând către infinit), se obține curba desenată peste histogramă. Dacă mărimea eșantionului este
suficient de mare, distribuția frecvenței deceselor pe intervale de doze administrate este o distribuție normală
(sau Gauss), în formă de clopot. Există un număr mic de indivizi sensibili care mor la doze mici de toxic, un
număr mic de indivizi rezistenți care mor doar la doze mari de toxic, iar cei mai mulți indivizi mor la o valoare
medie a dozei. Valoarea abscisei pentru care curba atinge maximul corespunde valorii DL50. Figura din dreapta
mijloc reprezintă aceleași date, dar este o reprezentare a mortalității cumulate în funcție de doza
administrată și are alura unei sigmoide. Diferența dintre reprezentarea prin histogramă și cea prin sigmoidă
este următoarea. Dacă în grupa căreia i s-a administrat doza de 50 mg/kg corp mor 30% dintre animale, iar
în grupa căreia i-au fost administrate 100 mg/kg corp mor 50% dintre animale, înseamnă că în intervalul de
doze 50<D≤100 mg/kg corp mor 20% dintre animale. Acesta este modul de reprezentare a datelor
din histogramă. În schimb, curba sigmoidă reprezintă mortalitatea cumulată, adică unei doze de
50 mg/kg corp îi corespunde o mortalitate de 30%, iar unei doze de 100 mg/kg corp, o mortalitate
de 50%. Doza letală 50, DL50, poate fi determinată folosind curba sigmoidă, dar pentru acuratețea
determinării se preferă liniarizarea curbei sigmoide prin transformarea procentelor de
mortalitate cumulată în unități probit (figura din dreapta jos). În toate cele trei moduri diferite de prezentare
a datelor experimentale, axa absciselor este gradată pe o scală logaritmică.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația doză-răspuns
(efect)
La dimensiuni mari ale eșantionului, distribuția frecvenței mortalității pe
intervale de doze administrate este o distribuție normală.
În teoria probabilităților, o distribuție normală (Gauss) a unei variabile
aleatoare continue (aparținând mulțimii numerelor reale), x, este descrisă de
funcția:
 x  2

f  x 
1
e
 2
2 2
(2)
caracterizată de două mărimi,
μ – valoarea medie sau valoarea așteptată a distribuției și
σ - deviația standard care este o măsură a gradului de împrăștiere a valorilor în
jurul valorii medii.
Relații de calcul pentru mărimile μ și σ.
Se notează
μ cândaritmetică
se referă alavalorilor
media aritmetică
Valoarea așteptată a distribuției
estecumedia
pe care lea ia
variabila aleatoare,
x. valorilor variabilei aleatoare x calculată pentru întrega
N
1

xi (3) populație și, respectiv, cu x atunci când se referă la
media aritmetica a valorilor variabilei aleatoare
N i 1
dintr-un eșantion extras din respectiva populație; N –
dimensiunea populației sau, respectiv, a eșantionului

Aspectul cantitativ al toxicității. Relația
doză-răspuns (efect)
Deviația standard, σ, pentru întrega populație se calculează cu relația (4),
iar pentru un eșantion, deviația standard se notează cu s și se calculează cu
relația (5).
N

 x
i
i 1
 
N
  x  x
N
s
i 1
2
(4)
2
i
N 1
(5)
Deviația standard este rădăcina pătrată a varianței, deci:
varianța populației = σ2 (6)
varianța eșantionului = s2 (7)
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația doză-răspuns
(efect)
Dacă setul de date este prezentat sub forma unei serii de
distribuție cu grupare de date, cum este cazul distribuției frecvenței
mortalității pe grupe de doze, formulele pentru calculul valorii medii
a distribuției și a deviației standard (deci, implicit, și a varianței) se
modifică [4]. Astfel, valoarea medie a distribuției se calculează cu
formula (8) în care:
- xi reprezintă marca clasei i, calculată ca media aritmetică dintre
limita inferioară și cea superioară a clasei (mijlocul intrevalului i);
- fi este frecvența corespunzătoare clasei i, adică numărul de
valori din distribuția de date care se încaderează în intervalul i;
- însumarea se face pe numărul de clase și, evident, este egală cu
numărul total de valori din distribuția de date respectivă, ceea ce se
exprimă matematic prin relația (9).
m
x
 f x 
i
i 1
i
m
f
i 1
m
N   fi
i 1
(8)
i
(9)
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația doză-răspuns
(efect)
Deviația standard se calculează cu formula (10).
x
m
s
i 1
i

2
 x fi
N 1
(10)
În continuare vom da un exemplu numeric pentru a clarifica modul
în care se folosesc aceste formule.
Un eșantion compus din 30 de bărbați prezintă următoarea
distribuție a înălțimii indivizilor din eșantion.
Clasa (intervalul) de înălțimi (cm) Marca clasei (xi)
Nr. de indivizi (fi) din clasă
158-163
160,5
3
164-169
166,5
5
170-175
172,5
11
176-181
178,5
2
182-187
184,5
6
188-193
190,5
3
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Calculând media înălțimilor bărbaților din eșantion cu relația (8), obținem:
x
160,5  3  166,5  5  172,5  11  178,5  2  184,5  6  190,5  3 5247

 174,9 cm
3  5  11  2  6  3
30
Reținem că, întrucât nu sunt cunoscute înălțimile indivizilor din eșantion, ci
doar numărul de indivizi având înălțimile cuprinse într-un anumit interval de
înălțimi, rezultatul obținut este doar o estimare a valorii reale a mediei de înalțime
a eșantionului respectiv.
Similar, folosind formula (10), se poate estima deviația standard a distribuției
înalțimii indivizilor
din eșantion.
160,5  174,9  3  166,5  174,9  5  172,5  174,9  11  178,5  174,9  2  184,5  174,9  6  190,5  174,9  3
2
s
2
2
2
30  1
2
2
 9 cm
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația doză-răspuns
(efect)
În cazul unei distribuții normale, aproape toate valorile
(99,7%) pe care le ia variabila aleatoare se află în intervalul a
trei deviații standard față de valoarea medie. Aria totală de
sub curbă reprezintă 100%.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația doză-răspuns
(efect)
De ex., dacă înălțimea medie a populației adulte dintr-o
țară este 178 cm, iar deviația standard este de 8 cm, rezultă
că, presupunând o distribuție normală a înălțimilor, 68% din
populație va avea înălțimi cuprinse în intervalul (170-186) cm
și că înălțimea a peste 95% dintre oameni va fi cuprinsă în
intervalul (162-194) cm (adică două deviații standard de o
parte și de alta a mediei). Trei deviații standard (154-202) cm
vor cuprinde înălțimile ale aproape întregii populații
(99,73%). Cu cât valoarea deviației standard este mai mare cu
atât valorile variabilei aleatorii prezintă o împrăștiere mai
mare față de medie, sunt distribuite pe un interval mai larg.
Cu cât deviația standard este mai mică, cu atât distribuția este
mai îngustă. Dacă deviația standard ar fi zero, toți indivizii
populației ar avea exact aceeași înălțime și anume 178 cm .
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Normarea
distribuției
se
realizează
reprezenând grafic pe axa absciselor valorile
xx
s
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația doză-răspuns (efect)
În cazul DL50, aceasta reprezintă chiar valoarea medie a distribuției frecvenței mortalității pe intervale de
doze administrate. Prin urmare, DL50 minus o deviație standard reprezintă DL15,9 (doza care omoară 16% dintre
indivizii populației testate), iar DL50 plus o deviație standard reprezintă DL84,1 (doza care omoară 84% dintre
indivizii populației testate). Pe curba sigmoidă, în intervalul DL16 – DL84 (o deviație standard de o parte și de
alta a DL50) variația mortalității cumulate cu doza administrată este aproape liniară. Prin intermediul deviației
standard, mortalitatea
cumulată (exprimată
în procente) poate fi
transformată în unități
probit (de la
probability units în
limba engleză). Pentru
a evita lucrul cu valori
negative, s-a convenit să
se atribuie dozei letale
50 probitul 5. Apoi, se
adaugă, respectiv se
scade cîte o unitate de
probit, pentru fiecare
deviație standard situată la
dreapta, respectiv la stânga
dozei letale medii 50.
Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)
Se poate realiza astfel un tabel [5-8] care
corelează, prin intermediul deviației standard,
procentul de indivizi dintr-o populație care
răspund la o anumită doză de toxic administrată,
cu unitățile de probit.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația
doză-răspuns (efect)
De ex., dacă o doză administrată produce
moartea a 47% dintre indivizii unei populații
(DL47), acelei doze îi corespunde o valoare probit
de 4,92.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația doză-răspuns
(efect)
Dacă în locul mortalității cumulate procentuale se
reprezintă grafic, în funcție de logaritmul dozei administrate,
unitățile probit, se obține o linie dreaptă în locul curbei
sigmoide. Deoarece, frecvența mortalității prezintă o
distribuție normală în raport cu logaritmul dozelor, iar
unitățile probit sunt corelate cu procentul cumulat al
deceselor tocmai prin intermediul aceleiași distribuții
normale, este normal ca unitățile probit să prezinte o variație
liniară
logaritmul dozei. De ex.,
x  k logîn
y raport
; o relațiecu
neliniară
z  k ' log y ; o altă relație neliniară
dar,
x k

z
k'
k
x z
k'
; o relație liniară
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația doză-răspuns
(efect)
Reprezentarea grafică probit în funcție de logaritmul dozei este deci o dreaptă de ecuație:
y  unitati probit  a  b  x ; unde x  lg Doză  din care se poate determina DL50, ca:
5 a
b
ÎnDL
relația
de mai sus,(11)
a este ordonata la origine, iar b este panta dreptei. Aceste valori pot fi ușor
50  10
determinate dacă se reprezintă datele experimentale cu ajutorul unui program, ca de ex. Excel.
Doza medie letală 50 este deci o mărime determinată statistic. Mărimile statistice caracterizează
eșantioane și sunt estimări ale parametrilor unei populații. De ex., dacă se determină DL 50 pe un
eșantion de animale de laborator, și se repetă experimentul pe un alt eșantion, este foarte probabil
să se obțină valori diferite, din cauza variabilității biologice a indivizilor din cele două eșantioane.
Se poate obține astfel o distribuție a valorilor DL 50 a eșantioanelor. Dacă ne imaginăm că putem
obține toate eșantioanele posibile, de o anumită mărime, dintr-o populație dată, distribuția valorilor
DL50 ce caracterizează aceste eșantioane va fi o distribuție normală, iar valoarea medie a
distribuției valorilor DL 50 ale tuturor eșantioanelor va fi valoarea DL 50 pentru întrega populație, un
rezultat cunoscut în statistică sub numele de teorema limitei centrale. De obicei, se utilizează un
singur eșantion [3], se determină DL 50 pentru acel eșantion și se estimează valoarea DL 50 pentru
întreaga populație cu un anumit nivel de încredere. Valoarea DL 50 pentru întreaga populație va fi
cuprinsă într-un interval de încredere având o limită inferioară și una superioară, de tipul următor:
 DL
50 esantion
 tˆ x , DL50 esantion  tˆ x 
sau
DL50 populatie  DL50 esantion  tˆ x
(12)
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Relația (12) este aplicarea relației statistice generale
de definire a intervalului de estimare a valorii unui
anumit parametru, în cazul nostru DL50, al unei
ˆ x
populații. În această relație,
reprezintă
deviația
standard a distribuției valorii medii a eșantioanelor,
numită și eroarea standard a mediei, și se calculează fie
cu relația (13), fie cu relația (14), în funcție de faptul
dacă se cunoaște deviația standard a întregii populații, σ,
sau, așa cum se întâmplă cel mai adesea, numai deviația

standard,
s, a eșantionului
ˆ 
(13)
x
N
s
ˆ x 
(14)
N
N – dimensiunea eșantionului (de ex, în cazul determinării DL 50 numărul total
al indivizilor din eșantionul pe care se efectuează testul).
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Ținând cont de relațiile (12) și (14), rezultă că dimensiunea intervalului de
încredere este dată de (15),
dimensiunea intervalului de încredere 
2t  s
N
(15)
În cazul DL50, deviația standard, s, a eșantionului poate fi calculată prin mai
multe metode, toate aproximative, folosindu-ne de ecuația corelației liniare
stabilite între unitățile probit și logaritmul dozelor. Astfel o formulă pentru s
[6-13] seste:
 lg DL   2 (16)
50
b
În relația (16), b reprezintă panta dreptei unități probit în funcție de
logaritmulprobit
dozeișiprobit
poate fi calculată cu relația:
b
 lg Doza 
2
2
1
  lg Doza  1
(17)
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Consultând
tabelul care corelează mortalitatea
procentuală cumulată cu unitățile probit, se observă că la o
mortalitate de 84% corespunde un probit de 5,99, pe care îl
vom aproxima cu 6, iar la o mortalitate de 16% corespunde
un probit de 4,01, valoare pe care o vom aproxima cu 4.
Ținând cont de acestea, relația (17) se poate rescrie sub forma
relației (18). Cu această aproximație, relația (16), pentru
calculul deviației standard a logaritmului dozei medii letale
50, ia forma relației (19) [11].
b
64
lg D84  lg D16
(18) s lg DL50   2 
 lg DL
84
 lg DL16  lg DL84  lg DL16
(19)

2
2
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
O formulă mai precisă [6,7,9,12] pentru calculul deviației
standard a logaritmului dozei medii letale 50, este următoarea,
lg  Doză  

m 2  lg DL50  

2
m


s lg DL50  
 1
2
2
b
m  lg  Doză      lg  Doză  
2
(20)
în care m reprezintă numărul de grupe în care a fost împărțit
eșantionul de animale folosit pentru testarea toxicului.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația doză-răspuns
(efect)
Parametrul DL50 al întregii populații poate fi estimat cu diferite nivele
de încredere. Un nivel de încredere de 90% al intervalului de estimare,
numit în acest caz și interval de încredere de 90%, trebuie înțeles în
modul următor: dacă toxicul este testat pe mai multe eșantioane de
animale de laborator și, calculându-se valorile DL50 pentru fiecare
eșantion în parte, se construiesc folosindu-se relația (12) intervale de
estimare a parametrului DL50, atunci nouă din zece astfel de intervale,
ceea ce corespunde unei probabilități de 90%, sau 0,9 notată cu (1-α), vor
conține valoarea reală a DL50 a întregii populații care rămîne în continuare
necunoscută. Complementar, unul din zece astfel de intervale de estimare,
ceea ce corespunde unei probabilități de 10% sau 0,1 notată cu α și
numită și nivel de neîncredere, nu va conține valoarea reală DL50 a întregii
populații. Cu alte cuvinte, nivelul de neîncredere,
α, este probabilitatea ca statistica cunoscută, a
unui eșantion extras la întâmplare din
populație, să se afle în afara intervalului de
estimare.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Distribuția eșantioanelor, in cazul unei dimensiuni mici a acestora
nu este o distribuție normală, ci o distribuție de tip t sau distribuție
Student. Distribuția Student este simetrică față de medie ca și
distribuția normală, dar este mai aplatizată decât o distribuție
normală. Distribuția t este sub distribuția normală în jurul mediei și
este peste distribuția normală departe de medie sau cu alte cuvinte
procentual avem mai multe valori situate la marginile distribuției și
mai puține valori situate în zona centrală comparativ cu o distribuție
normală. Forma distribuției Student se apropie de cea a distribuției
normale, pe măsură ce dimensiunea eșantionului crește.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Dacă eșantionul folosit pentru estimarea valorii DL50 pentru
întreaga populație este de dimensiuni mici, deci este caracterizat
de o distribuție de tip t, atunci valoarea coeficientului t, numită și
valoare critică, din relația de calcul a intervalului de încredere
(12), se determină din tabele [14] în funcție de numărul de grade
de libertate, df (degree of freedom) și de nivelul de încredere (1-α)
dorit. În cazul estimării valorii medii a distribuției, cum este și
DL50, df = N – 1 (N – dimensiunea eșantionului).
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația doză-răspuns
(efect)
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
De ex., dacă eșantionul este format din 30 de indivizi și se
dorește un nivel de încredere de 95% pentru intervalul de estimare
a DL50, din tabel se găsește valoarea critică t = 2,045. Dacă pentru
același eșantion (având deci aceeași dimensiune, N și aceeași
deviație standard, s) se dorește un nivel de încredere de 99%
pentru intervalul de estimare a DL50, atunci valoarea critică t
crește la 2,756, iar intervalul de încredere se mărește (vezi și
relația (15) pentru dimensiunea intervalului de încredere).
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Cu alte cuvinte, cu cât se impune un nivel de încredere mai
mare pentru estimarea valorii DL50 pentru întrega populație cu
atât, probabilitatea ca valoarea DL 50 a unui eșantion oarecare
extras din populație să se afle în afara intervalului de estimare
scade, dar în același timp intervalul de încredere se lărgește,
deci devine mai puțin precis.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Pentru reducerea dimensiunii intervalului de încredere și, deci,
creșterea preciziei estimării menținând în același timp nivelul de încredere
dorit, se poate mări dimensiunea N a eșantionului. Din tabelul caracteristic
distribuției Student prezentat anterior se vede că valoarea critică t pentru
un anumit nivel de încredere (1 – α) scade pe măsură ce numărul de grade
de libertate crește. De asemenea, termenul
din relația (15) pentru
dimensiunea intervalului de încredere scade odată cu creșterea lui N.
s
N
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
O altă metodă de estimare a unui interval de încredere de 95% pentru
DL50 este metoda Litchfield-Wilcoxon [15-17]. După ce se realizează analiza
probit și se determină valorile pentru DL50, DL84 și DL16 din ecuația dreptei
unități de probit în funcție de logaritmul dozei, se parcurg următorii pași:
1. se calculează așa numita funcție pantă (slope), notată cu S, cu relația
(21).
DL84 DL50

DL50 DL16 (21)
S
2
2. se determină N’ – numărul total de animale supuse testului la acele doze
sau concentrații la care răspund între 16% și 84% dintre indivizi.
f LDvaloarea
3. se calculează
exponentului din ecuația (23) a factorului
50
relația (22). 2,77
exponent 
N'
(22)
cu
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
4. se găsește valoarea factorului
f LD  S
5.
2 , 77
N'
f LD
50
cu relația (23).
(23)
50
se calculează limitele superioară și inferioară ale intervalului
de încredere de 95% cu relațiile (24) și, respectiv (25).
limita superioară  LD50  f LD
50
limita inferioară 
LD50
f LD
50
(24)
(25)
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația doză-răspuns
(efect)
Ilustrăm modul de calcul al dozei medii letale 50 și al
unui interval de încredere de 95%, prin următorul exemplu.
Un toxicolog a efectuat o serie de teste pentru a determina
toxicitatea acută a toxicului X asupra peștelui zebră (unul
dintre cei mai comuni peștișori de acvariu). Doze diferite de
toxic X au fost administrate la cinci grupuri de peștișori (câte
o sută în fiecare grup) și toxicologul a notat câți peștișori au
murit în fiecare grupă, obținând rezultatele tabelate mai jos.
Doza de toxic Numărul de peștișori morți
X
(mg/kg corp) în fiecare grupă (dintr-o sută)
5,4
1
7,1
12
8,2
34
10,1
81
11,9
98
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația doză-răspuns
(efect)
Mai întâi verificăm că distribuția frecvenței mortaliății pe intervale de
dozaj este o distribuție normală. Pentru acesta construim o histogramă
care ilustrează frecvența mortalității în funcție de logaritmul dozelor
administrate.
Doza de toxic X
(mg/kg corp)
Numărul de peștișori morți în fiecare grupă
(dintr-o sută)
5,4
7,1
8,2
10,1
11,9
Interval de dozaj
logD≤0,732394
0,732394<logD≤0,851258
0,851258<logD≤0,913814
0,913814<logD≤1,004321
1,004321<logD≤1,075547
logD>1,075547
Log Doză
1
12
34
81
98
Frecvența
mortaliății(%)
1
11
22
47
17
2
0,732394
0,851258
0,913814
1,004321
1,075547
Probit
2,67
3,82
4,59
5,88
7,05
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Cu ajutorul histogramei putem estima valoarea dozei medii letale
DL50, folosind relația (8) pentru estimarea valorii medii a distribuției.
x  lg DL50 
 0,732394 0,851258 11 / 2  (0,851258 0,913814)  22 / 2  (0,913814 1,0043214)  47 / 2 
97
(1,0043214 1,075547)  17 / 2
 0,9369169
97
DL50  10x  100 ,9369169  8,648 mg/kg corp

Folosind aceste date experimentale se poate trasa curba sigmoidă
și aceasta poate fi liniarizată prin transformarea mortalității cumulate
în unități probit.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația doză-răspuns (efect)
Unități probit
Determinarea dozei medii letale DL50
8
7
6
f(x) = 12.78 x − 6.9
R² = 0.99
5
4
3
2
1
0
0.7
0.8
0.9
1
1.1
Logaritmul dozei
După liniarizarea curbei sigmoide se calculează doza medie letală 50, cu relația (10).
Similar se calculează lgDL84 și lgDL16 și valorile corespunzătoare DL84 și DL16.
lg DL50 
5    6,8965
 0,93094; DL50  100 , 93094  8,53 mg/kg corp
12,779
6  6,8965
 1,009195; DL84  101, 009195  10,2134 mg/kg corp
12,779
4  6,8965
lg DL16 
 0,852688; DL16  100 ,852688  7,1234 mg/kg corp
12,779
lg DL84 
În continuare, vom estima valoarea DL50 pentru întreaga populație, calculând un
interval de încredere de 95% al acestei valori prin cele două metode prezentate.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Vom calcula mai întâi deviația standard a
logaritmului dozei medii letale, DL50, cu
formulele (16), (19) și (20) și apoi intervalele de
încredere de 95% corespunzătoare cu relația (12).
Rezultatele obținute sunt tabelate mai jos.
s(lgDL50) cu
formula (16)
s(lgDL50) cu
formula (19)
s(lgDL50) cu
formula (20)
limita
inferioară a
intervalului
de încredere
95% pentru
lgDL50 pentru
s(lgDL50)
calculat cu
formulele
(16) și (19)
limita
inferioară a
intervalului
de încredere
95% pentru
DL50 pentru
s(lgDL50)
calculat cu
formulele
(16) și (19)
limita
superioară a
intervalului
de încredere
95% pentru
lgDL50 pentru
s(lgDL50)
calculat cu
formulele
(16) și (19)
limita
superioară a
intervalului
de încredere
95% pentru
DL50 pentru
s(lgDL50)
calculat cu
formulele
(16) și (19)
limita
inferioară a
intervalului
de încredere
95% pentru
lgDL50 pentru
s(lgDL50)
calculat cu
formula (20)
limita
inferioară a
intervalului
de încredere
95% pentru
DL50 pentru
s(lgDL50)
calculat cu
formula(20)
limita
superioară a
intervalului
de încredere
95% pentru
lgDL50 pentru
s(lgDL50)
calculat cu
formula (20)
limita
superioară a
intervalului
de încredere
95% pentru
DL50 pentru
s(lgDL50)
calculat cu
formula (20)
0.110666998
0.110666998
0.111594104
0.921240998
8.341439384
0.940641778
8.72251607
0.921159734
8.339878693
0.940723043
8.724148366
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Deoarece dimensiunea eșantionului, N = 500, este mare, distribuția t devine o distribuție
normală și în relația de calcul a intervalului de încredere 95% s-a folosit valorea critică t = 1,96,
corespunzătoare unei distribuții normale. În cazul unei distribuții normale, 1,96 deviații standard
de o parte și de alta a valorii medii cuprind 95 de procente din aria totală de sub curba Gauss. În
general, pentru un număr de grade de libertate df > 200 și pentru un nivel de încredere (1 – α) =
0,95, valoarea critică din relația (12) de definire a intervalului de încredere este t = 1,96.
Intervalul de încredere poate fi calculat și cu ajutorul funcției CONFIDENCE din programul
Excel. Sintaxa utilizată este următoarea: =CONFIDENCE(nivelul de neîncredere α, deviația
standard s, dimensiunea eșantionului N). Se apasă tasta Enter și programul returnează valoarea
funcției CONFIDENCE. În cazul nostru concret pentru =CONFIDENCE(0.05,0.1116,500),
programul returnează valoarea 0,009782. Apoi se calculează limitele superioară și, respectiv,
inferioară ale intervalului de încredere 95%, mai întâi pentru logaritmul dozei medii letale 50 și,
apoi, pentru DL50, după cum urmează.
limita inferioară lgDL50  lg DL50  0,009782  0,93094  0,009782  0,921158; limita inferioară DL50  100, 921158  8,34 mg/kg corp
limita superioară lgDL50  lg DL50  0,009782  0,93094  0,009782  0,940722; limita superioară DL50  100, 940722  8,724 mg/kg corp
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Am estimat astfel doza medie letală 50 pentru întreaga populație și un
interval de încredere de 95% sub forma:
DL50 populatie   8,53  0,19 mg/kg corp
.
După cum se poate observa dimensiunea intervalului de încredere 95%
pentru deviația standard a logaritmului dozei letale medii 50 este egală cu:
2  t  s lg DL50  2  1,96  0,111594104

 0,019563 0,940723043 0,921159734
N
500
Mai departe, vom construi un interval de încredere de 95% pentru doza
medie letală 50, aplicând metoda Litchfield-Wilcoxon. Pentru aceasta,
calculăm mai întâi funcția slope, S, cu relația (21), utilizând valorile valorile
DL84 și DL16, calculate anterior.
10,2134 8,53

8,53
7,1234 1,19735  1,19746
S

 1,1974
2
2
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Deoarece numărul de animale testate în intervalul DL16 – DL84
este N’ = 200, valoarea exponentului calculată cu relația (22) este:
exponent 
2,77
 0,19586
200
Atunci, calculând valoarea factorului
obținem:
f LD  1,19740 ,19586  1,0359
50
f LD
50
cu relația (23),
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația
doză-răspuns (efect)
Acum putem calcula limitele superioară și inferioară ale
intervalului de încredere de 95% cu relațiile (24) și, respectiv
(25).
limita superioară DL50  8,53  1,0359  8,836 mg/kg corp
limita inferioară DL50 
8,53
 8,234 mg/kg corp
1,0359
Intervalul de încredere 95% pentru valoarea dozei medii
letale DL50 pentru întrega populație este deci (8,23 – 8,83)
mg/kg corp.
Observăm că intervalul de încredere 95% obținut prin
metoda Litchfield-Wilcoxon este mai larg decât cel calculat
prin metoda precedentă, deci metoda Litchfield-Wilcoxon
este mai puțin precisă.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Estimarea dozei medii letale 50 este utilă pentru compararea
toxicității diferitelor substanțe. Toxicitatea unei substanțe este cu
atât mai mare cu cât valoarea DL50 este mai mică (cu cât este
necesară o cantitate mai mică dintr-o anume substanță pentru a
produce un anumit răspuns, precum moartea a 50% dintre indivizii
unei populații într-un anumit interval de timp, cu atât substanța
respectivă este mai toxică).
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Din acest punct de vedere al potențialului lor
toxic reflectat prin valoarea DL50, substanțele pot
fi împărțite în șase clase de la practic netoxice
până la supertoxice [18, 3].
Toxicitate
Practic netoxice
Cu toxicitate redusă
Moderat toxice
Foarte toxice
Extrem de toxice
Supertoxice
Valoarea DL50 estimată pentru om în
cazul unei administrări orale (mg/kg
corp)
> 15000
5000 - 15000
500 - 5000
50 – 500
5 – 50
<5
Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)
Tabelul următor prezintă valorile DL50 pentru
diferite substanțe, precizând calea de administrare și
animalul pe care s-a testat toxicitatea substanței [19].
Nr.crt.
Substanța
Animal
1
2
Toxină botulinică A nefracționată
Dioxină
Cl
O
Cl
Cl
3
O
Referința
bibliografică
șoarece
șobolan
Calea
de Doza
administrare
medie
letală
DL50
(mg/kg
corp)
intraperitoneal 0,000001
oral
0,02
șoarece
subcutanat
0,172
[22]
șobolan
oral
5
[23]
[20]
[21]
Cl
Sarin (substanță
toxică de luptă)
F
O
P
O
4
Cianură de potasiu, KCN
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
5
Paration
organofosforic)
(insecticid șobolan,
mascul
oral
13
[19]
șobolan,
mascul
oral
17,8
[19]
șobolan,
femelă
oral
83
[19]
O
O
O
P
S
NO2
6
Endrin (insecticid
organic clorurat)
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
O
7
Nicotină sulfat (insecticid natural)
N
N
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
8
Cafeină
șobolan,
femelă
oral
192
[24]
șoarece
oral
196
[25]
Acid
acetilsalicilic
(aspirină, șobolan
medicament
antitermic,
antiinflamator,
analgezic,
antiagregant plachetar)
oral
200
[26]
O
N
N
N
N
O
9
Paraquat (ierbicid)
N
N
Cl
10
Cl
O
O
O
OH
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
11
Carbaril (insecticid carbamic)
șobolan
oral
250
[27]
Acid
2,4-dicloro-fenoxiacetic șobolan
(ierbicid)
OH
oral
375
[28]
oral
700
[29]
HN
O
12
O
O
O
Cl
13
Cl
Acid 2,4-diclorofenoxipropionic șobolan,
(ierbicid)
mascul
OH
O
O
Cl
Cl
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
14
Malation
organofosforic)
(insecticid șobolan,
mascul
oral
1375
[19]
șobolan
oral
3000
[30]
șobolan
oral
4900
[31]
șobolan
oral
7000
[32]
O
O
P
O
S
O
S
O
O
15
16
Sare de bucătărie, clorura de
sodiu, NaCl
Glifosfat (ierbicid sistemic cu
spectru larg)
O
O
H
N
HO
17
P
OH
OH
Vitamina B3, acidul nicotinic sau
niacina
O
OH
N
Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)
18
19
Alcool etilic (etanol,
alimentar)
Sucroză (zahărul)
alcool șobolan
oral
7060
[33]
șobolan
oral
29700
[34]
șobolan
oral
> 80000
[35]
CH2OH
O
CH2OH
OH
OH
OH
O
OH
20
Apă, H2O
CH2OH
OH
Intrările 1-3 în tabel corespund unor substanțe supertoxice, 4-6 unor substanțe extrem de
toxice, 7-12 unor substanțe foarte toxice, 13-16 unor substanțe moderat toxice, intrările 17 și
18 unor substanțe cu toxicitate redusă, iar intrările 19 și 20 unor substanțe lipsite practic de
toxicitate. O astfel de clasificare, deși utilă din punct de vedere al normelor de ambalare,
etichetare și avertizare asupra potențialului toxic al diferitelor substanțe, este mai degrabă
generală, grosieră și, neaducând informații specifice, adeseori irelevantă. Doza medie letală
50 singură nu este suficientă pentru realizarea unei comparații corecte între toxicitatea a
două sau mai multe substanțe. Un factor esențial pentru o astfel de comparație este și panta
curbei doză-răspuns despre care valoarea DL50 nu furnizează niciun fel de informație.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Panta curbei doză-răspuns poate furniza informații cu privire la
mecanismul de acțiune a toxicului. O pantă foarte abruptă reflectă un
singur efect deosebit de intens, cum ar fi blocarea ireversibilă a unei
enzime sau interferența cu o funcție metabolică vitală, ca de ex., în
cazul ionului cianură care interacționează specific cu citocromul a3, o
enzimă a lanțului transportor de electroni. Legându-se foarte puternic de
această enzimă, ionul cian întrerupe lanțul transportor de elctroni care
este parte integrantă a funcției vitale de respirație celulară. Din contră,
un efect toxic mult mai puțin specific, deci depinzând inerent de mai
multe variabile, se reflectă într-o valoare mai mică a pantei. Dacă două
substanțe diferite prezintă aceeași valoare pentru panta curbei dozărăspuns, atunci aceasta poate fi un indiciu al faptului că cele două
substanțe diferite acționează prin același mecanism sau prin mecanisme
similare.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Mortalitatea (%)
Când curbele doză-răspuns a două substanțe diferite au pante
paralele, atunci, în mod evident, substanța cu valoare DL50 mai mare
este mai puțin toxică (în figură substanța A mai toxică decât substanța
B).
A
B
50
LD50A
LD50B
Doza (scală logaritmică)
Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)
Mortalitatea (%)
Situația se complică atunci când curbele doză-răspuns corespunzătoare celor două
substanțe au pante diferite.
A
100
B
Dacă două substanțe diferite,
A și B au aceeași doză medie
letală DL50, toxicitatea lor
70
relativă depinde de doza
50
administrată. În exemplul
următor se observă că dacă se
compară valorile DL20 se
20
concluzionează că substanța B
este mai toxică ca A, dar dacă
Doza (scală
comparăm valorile DL70 concluzia este că
LD
A
LD
A=
LD
A
LD
B
LD20B
20
50
70
70
logaritmică)
substanța A este mai toxică decât B.
=LD50B
Cu cât curba doză-răspuns are o
pantă mai mare, cu atât deviația standard a frecvenței mortalității față de valoarea medie
DL50 este mai mică și invers, cu cât panta este mai mică cu atât deviația standard este mai
mare. Cu alte cuvinte, intervalul DL 20 – DL70 din exemplul prezentat este mult mai îngust
pentru substanța A decât același interval corespunzător substanței B.
Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)
Exprimarea cantitativă a toxicității prin intermediul relației doză-răspuns permite comparații nu
numai între substanțe diferite, ci și între răspunsuri diferite sau între specii diferite de animale.
Un parametru foarte util în farmacologie este indicele terapeutic care se bazează pe compararea
răspunsurilor diferite pe care le produce aceeași substanță administrată în doze diferite. Indicele
terapeutic al unei substanțe (IT) se calculează cu relația (26) în care DE50 este doza medie eficientă din
punct de vedere farmacologic [36, 37].
IT 
DL50
DE50
(26)
Acest indice dă indicații cu privire la
posibilitatea utilizării medicamentului
respectiv în condiții de siguranță. După
cum se vede din figura alăturată, cu cât
cele două curbe pentru efectul
farmacologic și, respectiv, efectul letal,
sunt mai apropiate, cu atât crește
probabilitatea apariției unui efect advers
letal la unii indivizi sensibili în urma
administrării dozei medii eficiente
terapeutic. Deci cu cât IT este mai mare,
cu atât securitatea utilizării medicamentului crește și riscul terapeutic se diminuează. În
general, indicele terapautic trebuie să aibă o valoare peste zece.
Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)
Un alt parametru al siguranței utilizării unui medicament, mai drastic
decât IT, este marja de securitate (MS) sau factorul de securitate cert, definit
de relația (27).
DL1
MS 
(27)
DE99
Limita de securitate standard (Lss) se definește ca:
Lss   MS  1  100 (28)
Să considerăm exemplul ipotetic al unei substanțe medicamentoase
pentru care DL1 = 100 mg, iar DE99 =10 mg.
Atunci avem:
100  10  100  900
Lss 
10
, ceea ce înseamnă că acea doză care este
eficientă în proporție de 99%, trebuie
mărită cu 900% pentru a produce o
mortalitate de 1% în cadrul unei populații.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Folosirea unor parametri de estimare a
gradului de securitate a unui medicament, mai
severi decât indicele terapeutic, cum sunt marja
de securitate și limita de securitate standard, este
justificată de faptul că estimările bazate exclusiv
pe valoarea dozei medii letale DL50, fără
cunoașterea formei și a pantei curbei dozărăspuns, ar putea conduce la concluzii eronate,
fiind astfel riscante.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Anumite efecte toxice pot fi observate doar peste o anumită dozăprag. Nivelul maxim al dozei pentru care nu se observă niciun efect se
numește NOEL (din lb. engleză: no observed effect level). Conform
conceptului potrivit căruia efectul toxic apare în urma interacțiunii
dintre toxic și un receptor molecular, intensitatea efectului toxic
(răspunsul) depinde de numărul de receptori ocupați de către toxic și
este posibil ca un efect observabil să apară numai după ce un număr
minim de receptori au fost ocupați, ceea ce explică existența unui
anumit prag al dozei sub care nu se observă niciun efect.
Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)
Un exemplu în acest sens, îl reprezintă intoxicația cu monoxid de
carbon (CO). Ținta moleculară a monoxidului de carbon este
hemoglobina, proteina transportoare a oxigenului în sânge. Hemoglobina
este o metaloproteină conjugată având ca grupare prostetică hemul.
Hemul este o combinație complexă conținând fer. Combinațiile
complexe conțin un ion metalic (de obicei al unui metal tranzițional)
central, înconjurat (coordinat) de un număr bine definit de molecule sau
ioni, denumiți liganzi, cu care acesta stabilește legături covalente
coordinative. Numărul de coordinare depinde esențial de natura ionului
central, el putând lua valori de la 2 la 12. Liganzii sunt direct legați de
ionul metalic central căruia îi donează perechi de electroni neparticipanți.
Liganzii monodentați ocupă o singură poziție coordinativă în jurul
ionului central. Liganzii polidentați se leagă la același ion central prin
mai mulți atomi donori ocupând mai multe poziții coordinative.
Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)
O
O
OH
OH
N
N
O
HO
O
OH
EDTA- acid etilendiaminotetraacetic
ligand hexadentat
2
Cation complex
Ion central Co3+, cifra de coordinare 6
NH3 ligand monodentat
O
O
N
Co
N
O
O
O
O
O
O
Anion complex
Ion central Co2+, cifra de
coordinare 6
Ligand hexadentat, EDTA
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
În cazul hemului, ionul central este un ion feros (Fe2+), care are
numărul de coordinare 6. În hem, ionul central Fe2+ este
tetracoordinat de dianionul porfirinei care este un sistem ciclic
conjugat plan de 18 electroni π, cu caracter aromatic.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
N
N
Fe2+
N
O
OH
N
O
OH
Hem b (îngroșat ligandul tetradentat)
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
În hem, ferul central mai are la dipoziție două poziții pentru
coordinare putând să mai lege doi liganzi monodentați.
HN
O
În hemoglobină, una dintre aceste poziții se ocupă prin
CH
coordinare cu atomul de azot al unui rest de histidină
C
H2C
N
din catena polipeptidică a proteinei globină, realizându-se
H
N
astfel legătura dintre gruparea prostetică și proteină.
Geometria hemului în hemoglobină este una piramidală.
N
În complexul pentacoordinat, ferul
ocupă vârful piramidei, situându-se în
afara planului inelului porfirinic.
Hemoglobina este o proteină
heterotetrameră constituită din două
subunități (catene polipeptidice
Geometrie piramidală (ferul este situat în vârful
distincte) α și două β, (αβ)2, asociate
prin forțe intermoleculare necovalente. piramidei, în afara planului inelului porfirinic)
Fiecare subunitate are propria sa grupare prostetică, astfel că
în hemoglobină există de fapt, 4 grupări prostetice de hem.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
În mod normal, cea de a șasea poziție coordinativă a ionului Fe2+
este ocupată reversibil de către oxigen. În plămân, oxigenul
difuzează prin membrana alveolelor pulmonare și apoi prin
membrana celulelor roșii din capilarele pulmonare. Când întâlnește
hemoglobina, oxigenul ocupă și ultima poziție coordinativă a ferului
rămasă liberă în hem. Prin legarea oxigenului de hem se formează
oxihemoglobina, iar geometria hemului se schimbă. Spre deosebire
de geometria piramidală a ferului pentacoordinat din hemoglobina
liberă, în oxihemoglobină, ferul hexacoordinat adoptă o geometrie
octaedrică, ionul Fe2+ situându-se în planul inelului porfirinic.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
N
O
O
N
Fe2+
N
N
N
O
OH
N
H2C
OH
Geometrie octaedrică (ferul în planul
inelului porfirinic)
HN
NH
O
O
Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)
Modificarea geometrică rezultată ca urmare a legării oxigenului
de către o singură grupare hem, are ca rezultat modificarea
conformației întregii proteine, astfel încât în noua formă
geometrică este mai ușor pentru cele trei grupări prostetice de hem
rămase să lege și ele oxigenul [38]. Acest efect este cunoscut în
biochimie sub numele de cooperativitate. Astfel, hemoglobina
transportă oxigenul în sânge către țesuturi și organe unde acesta
este cedat pentru a fi folosit în reacțiile consumatoare de oxigen și
producătoare de energie (catabolice) ale respirației celulare.
Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)
Dacă în aerul inspirat este prezent monoxid de
carbon, atunci acesta concură cu oxigenul la
ocuparea ultimei poziții coordinative rămasă
liberă în hem. Legarea monoxidului de carbon,
cu formarea carboxihemoglobinei, este
reversibilă, la fel ca și legarea oxigenului, dar
monoxidul de carbon se leagă mai puternic de
hem decât o face oxigenul. Aceasta crește riscul
unei intoxicații cu monoxid de carbon,
deoarece unei concentrații relativ mici de
monoxid de carbon în aerul inspirat îi
corespunde o concentrație mult mai mare de
carboxihemoglobină în sânge.
O
N
N
C
Fe2+
N
N
N
O
OH
N
O
H2C
HN
NH
O
Carboxihemoglobina
OH
Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)
Din punct de vedere toxicologic, nu se observă efecte toxice la
concentrații de carboxihemoglobină mai mici de 20% , cu alte cuvinte
efectele apar numai după ce 20% din cantitatea totală de hemoglobină
din sânge a fost ocupată de monoxidul de carbon [36, pp. 18].
O altă situație care poate conduce la existența unui prag pentru
toxicitate este aceea în care un receptor, precum o enzimă, ajunge să
fie complet ocupat sau saturat. De exemplu, dacă o enzimă implicată în
detoxifierea organismului prin metabolizarea toxicului pe o anumită
cale este saturată, atunci ea lasă loc liber transformării toxicului pe o
altă cale metabolică care este responsabilă de toxicitatea acestuia. Cu
alte cuvinte, toxicitatea se manifestă după un anumit prag, când a fost
depășită capacitatea de autoprotejare și autoreparare a organismului.
De asemenea, dacă un sistem de transport activ implicat în excreția
toxicului este saturat, atunci la creșterea dozei peste pragul de saturare
vor apărea efectele toxice.
Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)
Valoarea cea mai mare a dozei pentru care nu se observă o
creștere semnificativă a răspunsului toxic se numește NOAEL
(din lb. engleză no observed adverse effect level). Nivelul cel
mai scăzut al dozei la care apar efectele adverse se numește
LOAEL (din lb. engleză lowest observed adverse effect
level).
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Când efectul expunerii la o substanță este apariția cancerului,
unele autorități precum Agenția Guvernamentală pentru Protecția
Mediului din Statele Unite (EPA) consideră că nu există o dozăprag sigură, iar curba doză-răspuns nu este o curbă sigmoidă, ca
cele discutate până acum, ci trece perin zero. Cu alte cuvinte dozaprag este zero, și niciun nivel de expunere la respectiva substanță
nu este sigur.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Conceptul de doză-prag are o importanță deosebită în toxicologie, fiind
folosit în estimarea riscului la om prin extrapolarea rezultatelor testelor
toxicologice pe animale. De exemplu, cunoscându-se valoarea NOAEL
determinată din studii toxicologice pe animale, se poate calcula doza zilnică
admisibilă (DZA), adică doza de substanță care poate fi ingerată zilnic de un
individ uman, pe parcursul întregii sale vieți, în condiții de siguranță, conform
cunoștințelor actuale. DZA se calculează împărțind valoarea NOAEL la un
factor de securitate (FS). De obicei, factorul arbitrar FS are valoarea 100,
ținându-se cont de diferența dintre specii (factor 10) și de diferențele dintre
indivizii umani datorate variabilității biologice (factor 10) [36, pp. 423].
(29)
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
DZA a fost introdusă în 1962 de către experții
Organizației pentru Agricultură și Alimentație a
Națiunilor Unite (FAO) și cei ai Organizației Mondiale
a Sănătății (WHO) pentru aditivii alimentari.
Pentu mediul înconjurător se calculează cu relația
(30) doza medie zilnică pe durata vieții LADD (din lb.
engleză lifetime average daily dose) care este
aplicabilă nu numai omului ci și altor specii din mediu
[37].
(30)
Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)
Pentru mediul de muncă, dar și pentru mediul comunal, se stabilește
concentrația maximă admisibilă (CMA) care reprezintă concentrația de
substanță la care pot fi expuși muncitorii, timp de 8 ore zilnic, pe perioade
lungi de timp, sau chiar pe întrega viață, fără ca să apară efecte adverse, cu
excepția persoanelor hipersensibile. Pe lângă concentrația maximă admisibilă,
pentru mediul de muncă se mai calculează și anumite valori limită de
concentrații denumite și valori prag [37]. Există trei tipuri de astfel de valori:
- valori prag ca medii ponderate care reprezintă concentrațiile medii
ponderate în timp și se calculează ținând cont de concentrațiile de substanță la
care este supus lucrătorul în diferite momente ale zilei de lucru (de 8 ore) și de
durata expunerilor respective; se notează cu VL8.
- valori prag limită pe termen scurt – reprezintă concentrația de substanță
la care lucrătorul nu trebuie să fie expus mai mult de 15 minute și care nu
trebuie să fie atinsă de mai mult de 4 ori pe zi sau la intervale mai mici de o
oră; se notează cu VLs.
- valori plafon – reprezintă concentrațiile ce nu trebuie să fie depășite în
niciun moment pe parcursul zilei de lucru.
Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)

Curbe doză-răspuns în formă de U.
1. Nutrienți esențiali. Există o serie de substanțe , ca de ex.
majoritatea vitaminelor și oligoelemente, precum seleniul și anumite
metale grele (cobalt, cupru), care sunt necesare în cantități mici
pentru sănătatea și buna funcționare a organismului, dar care nu pot
fi sintetizate de către organism și trebuie introduse în organism prin
alimentație. Astfel de substanțe se numesc nutrienți esențiali. Dacă
nivelul acestor substanțe în organism se reduce sub o anumită
limită, situație denumită în general deficiență sau carență,
funcționarea normală a organismului este afectată, deci apare un
efect advers, care în anumite situații poate fi chiar letal. Dacă din
contră, concentrațiile acestor compuși în organism cresc peste
concentrațiile normale fiziologic, excesul din acești compuși
determină de asemenea efecte toxice care, în cazuri extreme, pot
provoca moartea organismului.
Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)
Răspuns (%)
Curba doză-răspuns are deci, în acest caz, o formă de U,
existând două praguri, unul minim și altul maxim, pentru
apariția răspunsului toxic, concentrațiile cuprinse între aceste
praguri fiind cele normale fiziologic [3, 39].
Deficiență
Efect advers
Exces
Efect advers
Concentrații
normale
Doză
Aspectul cantitativ al toxicității.
Relația doză-răspuns (efect)
2. Fenomenul de hormesis reprezintă un alt caz în care curba
doză-răspuns are o formă deosebită de cea obișnuită de sigmoidă.
Există anumite substanțe, unele chiar supertoxice, care atunci când
sunt administrate în doze foarte mici nu prezintă efecte adverse, ci
dimpotrivă efecte benefice sau protectoare. Există de exemplu
indicii, că animalele expuse la doze scăzute de dioxină, prezintă o
incidență mai mică a anumitor tipuri de cancer, comparativ cu un
grup martor de animale neexpuse la dioxină. O altă substanță care
prezintă fenomenul de hormesis este alcoolul etilic. Este
binecunoscut faptul că în doze mari, consumul cronic de alcool,
crește riscul apariției cancerului esofagian, cancerului hepatic,
cirozei și dăunează sistemului cardiovascular.
Aspectul cantitativ al toxicității. Relația dozărăspuns (efect)
Dar, există de asemenea, suficiente dovezi epidemiologice și clinice că,
atunci când este consumat în cantități mici până la moderate, alcoolul etilic
reduce incidența bolilor cardiovasculare și a atacului de cord [40]. Explicarea
fenomenului de hormesis se bazează pe premiza că un stres blând provocat de
doze mici de toxic stimulează mecanismele protectoare și reparatoare ale
organismului [36, pp. 26].
Aspectul calitativ al toxicității
Toxicitatea nu este un concept exclusiv cantitativ. Toxicitatea unei
substanțe nu depinde numai de doza administrată, ci, evident, și de
structura și proprietățile substanței respective și de caracteristicile
organismului asupra căruia aceasta acționează. Pe aspectul calitativ al
toxicității se bazează conceptul de toxicitate selectivă.
 Toxicitatea selectivă se referă la caracteristica unei substanțe de a fi
puternic toxică față de o specie biologică și relativ inofensivă pentru o altă
specie biologică [41]. Toxicitatea selectivă este extrem de importantă în
proiectarea unor substanțe destinate controlului unor agenți patogeni,
(cazul bolilor infecțioase în care se dorește ca medicamentul utilizat în
tratamentul bolii să fie cât mai toxic pentru agentul patogen țintă, dar cât
mai puțin toxic pentru organismul tratat), al dăunătorilor din agricultură (în
cazul unui ierbicid, de ex., se dorește eradicarea buruienilor, dar nu și a
plantelor de cultură) sau al unor paraziți (când se urmărește distrugerea
parazitului fără ca organismul gazdă să fie și el afectat).

Aspectul calitativ al toxicității
 Acțiunea toxică se poate manifesta selectiv într-una din următoarele
două situații.
1. Toxicul se acumulează preferențial în anumite celule și țesuturi,
acesta fiind motivul principal al toxicității selective a unei substanțe pentru
un anumit tip de țesut în raport cu alte țesuturi. De exemplu, eficiența
tratamentului hipertiroidiei cu iod radioactiv se bazează tocmai pe
abilitatea selectivă a glandei tiroide de a acumula iod.
2. Toxicul interacționează specific fie cu o structură citologică fie cu un
sistem biochimic sau o cale metabolică ce joacă un rol esențial în cazul
speciei afectate, dar nu apare sau joacă un rol minor în cazul speciilor
neafectate.
Aspectul calitativ al toxicității
De ex., antibioticele β-lactamice ca penicilinele și cefalosporinele
au efect bactericid prin inhibarea sintezei peretelui celular al celulei
bacteriene. Celulele umane nu au perete celular și, deci, nu sunt
afectate în acest mod de antibiotic.
Insecticidele organofosforice acționează asupra procesului de
transmitere a influxului nervos prin sinapse, și ca atare afectează
animalele și nu plantele, deoarere acestea din urmă nu posedă un
sistem nervos. Multe ierbicide acționează prin inhibarea selectivă a
procesului de fotosinteză, și, prin urmare, efectele lor adverse asupra
animalelor care nu posedă un astfel de sistem biochimic sunt reduse.
Aspectul calitativ al toxicității
Acțiunea chimioterapică a sulfamidelor exploatează diferențele dintre specii în
ceea ce privește metabolismul acidului folic (vitamina B9). Acidul folic este
redus în ficat la acidul tetrahidrofolic care este un cofactor important în sinteza
nucleotidelor purinice și pirimidinice și, deci, a acizilor nucleici. Organismul
oamenilor și al majorității vertebratelor nu pot însă sintetiza acidul folic și, de
aceea, au nevoie de un aport de acid folic din dieta zilnică. Pe de altă parte,
anumite bacterii gram-negative sunt incapabile să asimileze acidul folic din
nutrienți. În schimb, ele au capacitatea de a sintetiza un precursor al acidului
tetrahidrofolic, acidul dihidropteroic, din 6-hidroximetil-7,8-dihidropteridină și
acid p-aminobenzoic. Această reacție este catalizată enzimatic de dihidropteroat
sintetază. Datorită asemănării structurale cu molecula de acid p-aminobenzoic,
sulfonamidele inhibă această reacție enzimatică. În acest fel, bacteriile
respective sunt private de acid tetrahidrofolic și cum acesta este un cofactor
esențial în sinteza acizilor nucleici, replicarea acestor bacterii este inhibată.
Organismul uman nu este afectat, deoarece nu prezintă această cale metabolică.
Aspectul calitativ al toxicității
Aspectul calitativ al toxicității
Medicamentul biseptol conține două substanțe medicamentoase: o
sulfamidă (sulfametoxazolul) și trimetoprim.
Trimetoprimul inhibă în bacterii enzima dihidrofolat reductaza care
catalizează ultima etapă în sinteza acidului tehtrahidrofolic. Această enzimă
este prezentă și în organismul uman, fiind implicată în transformarea acidului
folic în acid tetrahidrofolic în ficat.
Acid folic
Aspectul calitativ al toxicității
Totuși, enzima umană este diferită de cea bacteriană și nu
este inhibată de trimetoprim. Astfel, deși reducerea
dihidrofolatului la tetrahidrofolat este o cale metabolică
comună atât pentru organismul bacterian, cât și pentru cel
uman, enzimele implicate în această cale diferă și, ca atare,
inhibarea acestei căi metabolice se produce doar în celula
bacteriană.
Aspectul calitativ al toxicității
Dacă, într-o specie biologică procesele biochimice implicate în detoxifiere și în excreția
toxicului sunt rapide, atunci acțiunea toxică asupra acestei specii va fi mult redusă comparativ
cu alte specii pentru care procesele mai sus menționate sunt mai lente sau chiar absente. Un
exemplu în acest sens este insecticidul malation, care are o toxicitate relativ redusă pentru
mamifere. Malationul este activat metabolic atât în insecte, cât și în mamifere, prin
transformare oxidativă de către citocromul P450 în malaoxon, un metabolit inhibitor al
colinesterazei mult mai toxic decât malationul. Colinesteraza este enzima care catalizează
hidroliza neurotransmițătorului acetilcolină, o reacție care permite unui neuron colinergic să
revină la starea de repaus de dinaintea stimulării sale. Pe de altă parte, și insectele și
mamiferele dispun și de sisteme de detoxifiere, prin hidroliză enzimatică sub acțiunea
esterazelor. Monoacidul format suferă apoi reacții de conjugare din care rezultă compuși cu
masa moleculară mai mare și, în consecință, cu capacitate mai redusă de a traversa
membranele biologice, dar cu polaritate mai mare, deci care pot fi mai ușor excretați
(eliminați). Toxicitatea redusă a malationului față de mamifere comparativ cu insectele, se
explică prin faptul că în mamifere viteza proceselor metabolice de deazactivare (detoxifiere)
este superioară vitezei proceselor de activare metabolică prin transformare în malaoxon, pe
când la insecte situația este exact inversă, si anume activarea oxidativă decurge mai repede
decât detoxifierea hidrolitică. Cu alte cuvinte, în insecte predomină activarea metabolică față
de dezactivare (detoxifiere), pe când la mamifere procesele de detoxifiere predomină față de
procesul de activare metabolică [38, pp.64, 42].
Aspectul calitativ al toxicității
 La mamifere, transformarea
metabolică A este mai rapidă
decât transformarea metabolică B.
 La insecte, transformarea
metabolică B este mai rapidă
decât transformarea metabolică A.
Aspectul calitativ al toxicității
 Interacțiunile. Chiar dacă în teste de laborator, cum ar fi de exemplu
testul pentru determinarea DL50, organismele sunt supuse acțiunii toxice a
unei singure substanțe, acest lucru se întâmplă rareori în viața de zi cu zi.
De exemplu, tratamentul unei boli poate necesita administrarea simultană
a mai multor substanțe medicamentoase. Chiar și pacienții care primesc un
singur medicament sunt expuși simultan și altor substanțe chimice
provenite din mediu sau din alimentație. Prin urmare o problemă majoră în
prevederea efectului pe care administrarea simultană a acestor substanțe îl
poate avea asupra organismului este cunoașterea modului în care ele se
influențează reciproc și a tipului de interacțiuni posibile între substanțe.
Aspectul calitativ al toxicității

Efectul aditiv. Cea mai simplă situație este aceea în care între două sau mai multe
substanțe nu există interacțiuni, ceea ce înseamnă că la o administrare simultană a
acestor substanțe efectul produs asupra organismului va fi unul aditiv. Fiecare dintre
substanțe are un anumit efect toxic asupra organismului atunci când este administrată
individual. Efectul produs de administrarea simultană a substanțelor este pur și
simplu suma efectelor lor individuale. Matematic, efectul aditiv se exprimă prin
relații de genul: 1 + 1 = 2 sau 1 + 5 = 6. Insecticidele organoclorurate prezintă un
efect aditiv.
 Efectul de sinergie se referă la situația în care administrarea simultană a două
substanțe ce prezintă același tip de efect toxic, produce un efect mai intens decât
suma efectelor individuale ale substanțelor. În termeni matematici: 1 + 1 = 4 sau 1 +
5 = 10. De ex., atât etanolul cât și tetraclorura de carbon sunt hepatotoxice, dar
administrate împreună sunt mult mai toxice decât administrate separat. Un alt caz
este cel al azbestului și fumului de țigară, care amândouă cresc incidența cancerului
pulmonar. Azbestul crește incidența cancerului pulmonar de 5 ori, iar fumul de țigară
de 11 ori. Combinarea celor două are ca rezultat o mărire de 40 de ori a riscului de a
dezvolta cancer pulmonar [21, pp. 8, 36, pp. 14].
Aspectul calitativ al toxicității
 Efectul de potențare se referă la situația în care o substanță care ea
însăși nu produce efecte adverse intensifică efectul toxic al unei alte
substanțe. În termeni matematici: 0 + 1 = 5 sau 0 + 5 = 20. Un
exemplu este cel al medicamentului disulfiram utilzat în tratamentul
alcoolismului cronic. Deși la dozele administrate disulfiramul nu
prezintă efecte adverse, dacă se combină cu etanol apar efecte toxice
ca urmare a interferenței disulfiramului cu metabolismul etanolului.
 Antagonismul se referă la situația în care o substanță chimică
contrabalansează efectul advers al altei substanțe, sau cu alte cuvinte
expunerea concomitentă la două substanțe chimice produce un efect
mai puțin intens decât suma efectelor pe care le-ar produce cele două
substanțe dacă ar acționa indepenedent una de alta. În termeni
matematici: 1 + 1 = 0 sau 1 + 5 = 2. Pe efectul de antagonist se
bazează acțiunea substanțelor antidot.
Aspectul calitativ al toxicității
Din punct de vedere al mecanismelor care stau la baza interacțiunilor, acestea pot fi
grupate în patru clase:
1. Funcționale (fiziologice) sunt acele interacțiuni în care ambele substanțe
acționează asupra aceluiași sistem al organismului, eventual prin mecanisme diferite.
De ex., scăderea drastică a tensiunii arteriale ca urmare a unei supradoze de barbiturice
poate fi contracarată prin administrarea unei substanțe vasoconstrictoare care crește
tensiunea arterială.
2. Chimice sunt acele interacțiuni în care o substanță se combină chimic cu o altă
substanță astfel modificându-și toxicitatea fie în sensul creșterii, fie în sensul
descreșterii ei. De ex., EDTA-ul se folosește ca antidot în intoxicația cu metale grele,
deoarece formează combinații complexe (chelați), mai puțin toxice, cu aceste metale.
Aspectul calitativ al toxicității
3. Metabolice. Una dintre substanțe interferă cu metabolismul celeilalte
substanțe modificându-i astfel toxicitatea. Un exemplu este mărirea toxicității
insecticidului malation (sinergism) atunci când este administrat împreună cu
un alt insecticid organofosforic (EPN). EPN-ul blochează detoxifierea
malationului, mărindu-i astfel toxicitatea. Un alt exemplu, este blocarea de
către disulfiram a enzimei acetaldehid-dehidrogenaza. În mod normal,
alcoolul etilic este metabolizat în ficat, mai întâi la acetaldehidă sub acțiunea
enzimei alcool-dehidrogenaza. Acetaldehida este un metabolit toxic,
detoxifierea producându-se prin oxidarea acesteia la acid acetic, reacție
catalizată de enzima acetaldehid-dehidrogenaza. Disulfiramul inhibă acțiunea
acestei enzime. Prin urmare, deși în tratamentul alcoolismului, disulfiramul se
administrează la doze practic netoxice, ingerarea simultană de alcool îl face
să producă efecte adverse (efect de potențare) ca urmare a interferenței sale
cu metabolismul alcoolului și a acumulării în organism de acetaldehidă,
metabolit toxic al etanolului.
EPN
Disulfiram
Aspectul calitativ al toxicității
4. Interacțiunile la nivelul receptorilor sunt întâlnite mai ales în cazul
antagonismului. Cele două substanțe interacționează cu același receptor,
ca de exemplu, oxigenul și monoxidul de carbon care ambele se leagă de
hemoblobină. De aceea, intoxicațiile cu monoxid de carbon se tratează cu
oxigen care dislocuiește monoxidul de carbon din carboxihemoglobină.
Studiul interacțiunilor este deosebit de important din mai multe
motive, cum ar fi:
- permite proiectarea unor substanțe antidot eficiente în tratamentul
diverselor intoxicații
- permite utilizarea în condiții de siguranță și eficiență a
medicamentelor, dar și a pesticidelor, prin cunoașterea diferitelor tipuri de
interacțiuni, de sinergism sau dimpotrivă de antagonism, dintre
substanțele medicamentoase, respectiv dintre substanțele active din
diferitele pesticide.
- permite elaborarea unor reglementări mai eficiente în vederea
diminuării riscului toxicologic rezultat din expunerea simultană la diferite
substanțe provenite din mediu și/sau din alimentație.
Clasificarea substanțelor toxice
 În general, există trei tipuri de entități toxice:
 Chimice care includ substanțe anorganice (ex: plumb, mercur, arsen, azbest, clor,
acid cianhidric și săruri ale acestuia, nitriți, oxizi de azot, oxizi de sulf etc.) și
organice (ex: alcool metilic, pesticide, majoritatea medicamentelor, otrăvuri produse
de unele organisme vii etc.).
 Biologice - includ acele bacterii și virusuri capabile să provoace boli organismelor
vii. Măsurarea toxicității biologice este complicată de faptul că pragul limită
(threshold dose) poate fi reprezentat de un singur organism.
 Fizice - se referă la factori cărora nu le atribuim ȋn mod uzual atributul toxic, cum ar
fi: șocuri fizice, vibrații, sunete, căldură, frig, radiații neionizante precum lumina
vizibilă și infraroșie, dar și radiații ionizante ca razele X, α, β, γ.
Substanțele toxice pot fi clasificate după mai multe criterii.
Clasificarea substanțelor toxice
1. După origine, substanțele toxice pot fi:
 Naturale (toxine)- Orice otravă de origine microbiană (produsă de
microorganisme patogene ca virusuri, bacterii, protozoare, fungi), vegetală
sau animală care interacționează specific cu anumite componente celulare,
biomacromolecule precum enzime sau receptori celulari provocând
moartea celulei, alterarea dezvoltării, creșterii și funcționării normale sau
moartea organismului. Ex. de toxine de origine animală: veninurile de
șerpi, vipere, scorpioni, păianjeni, pești, albine; ex. de toxine de origine
microbiană: toxina botulinică, o neurotoxină de natură proteică produsă de
bacteria Clostridium botulinum, toxina tetanică produsă de Clostridium
tetani etc.; ex. de toxine vegetale: alcaloizi precum stricnina, morfina,
papaverina, nicotina, glicozide cianogene (care ajunse în aparatul digestiv
eliberează HCN), ricina (o glicoproteină din planta de ricin) etc.
Morfina (principalul agent
activ din opiu)
Clasificarea substanțelor toxice
Atunci când sunt ingerate, glicozidele
cianogene precum amigdalina din sâmburii
de caise formează acid cianhidric sub
acțiunea enzimelor din aparatul digestiv.
 Rezultate ca produs principal sau
subprodus al unei activități umane.Uneori
produse supertoxice,ca
2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina pot fi
rezultatul unor reacții secundare și pot
contamina în mod nedorit produsul principal
al unei sinteze chimice. De ex,
2,4,5-triclorofenoxidul, utilizat ca
intermediar în sinteza ierbicidului selectiv
2,4,5-T (acid 2,4,5-triclorofenoxiacetic),
poate reacționa cu el însuși la temperatură
înaltă formând 2,3,7,8-tetraclorodibenzop-dioxina. Această reacție secundară scăpată
de sub control a dus la accidentul industrial
de la Seveso (Italia) în 1976. Atunci 6 tone
de substanțe chimice, conținând și 1 kg de
dioxină au fost evacuate accidental în
atmosferă și răspândite pe o suprafață de
18 km2, rezultând cea mai mare expunere
cunoscută vreodată a unei populații la acest
compus deosebit de periculos.
Clasificarea substanțelor toxice
Clasificarea substanțelor toxice
Clasificarea substanțelor toxice
Atragem atenția asupra faptului că termenul de
compus natural nu trebuie asociat automat cu lipsa
de toxicitate și siguranța în folosire sau consum,
după cum nici termenul de compus de sinteză nu
înseamnă automat că acel compus este toxic sau
prezintă riscuri atunci când este folosit sau
consumat. Există substanțe naturale supertoxice,
de ex. toxina botulinică, și compuși de sinteză
practic inofensivi, de ex. etilvanilina (aroma
artificială de vanilie).
Etilvanilina
Clasificarea substanțelor toxice
2. După celulele sau organul țintă asupra căruia
acționează; de exemplu, substanțele pot fi hepatotoxice
(afectează ficatul), neurotoxice (afectează sistemul
nervos), nefrotoxice (afectează rinichiul) sau pot prezenta
toxicitate pulmonară.
3. După efectele speciale pe care le produc asupra
organismului, distingem mai multe categorii de substanțe,
și anume:
a) Carcinogenice – acele substanțe care produc cancer,
de ex. hidrocarburile aromatice polinucleare (PAH).
Clasificarea substanțelor toxice
b) Mutagenice – substanțe care modifică materialul genetic (ADN-ul) unui organism.
c) Teratogenice – substanțe care produc malformații congenitale.
d) Perturbatori endocrini sau agenți activi hormonal (endocrine disruptors în lb.
engleză) - substanțe chimice de natură exogenă care interferă cu acțiunea hormonilor din
sistemul endocrin și afectează funcționarea normală a organismului uman sau animal
provocând efecte adverse. Comunicațiile intercelulare din organismului uman sunt
realizate în principal cu ajutorul a trei sisteme: sistemul nervos, sistemul endocrin și
sistemul imun. Sistemul nervos transmite mesaje senzoriale către creier și permite un
răspuns rapid la modificări și evenimente bruște din mediul ȋnconjurător. Sistemul
endocrin utilizează hormonii, care sunt mesageri chimici (molecule semnalizatoare)
eliberați direct ȋn sânge de glandele cu secreție internă, cu rolul de a regla, prin procese
mai lente, metabolismul, de a păstra echilibrul hemodinamic și echilibrul electrolitic, și
de a menține diferitele constante ale mediului interior (ansamblul fluidelor
organismului) cum ar fi pH-ul sângelui, concentrația de dioxid de carbon în sânge,
concentrația de glucoză în sânge, temperatura corpului între limitele valorilor normale.
Acest proces de reglare se numește homeostazie. Hormonii joacă un rol primordial în
procesul de creștere și dezvoltarea, în transformările profunde ale pubertății prin care
organismul copilului devine un organism adult capabil de reproducere și joacă de
asemenea un rol ȋn determinarea unei anumite dispoziții.
Clasificarea substanțelor toxice
 Sistemul endocrin este format din:
- Glande
- Hormoni (mesageri chimici)
- Receptori
Secreția hormonală a unei glande este activată de un stimul. Stimulul poate fi
de exemplu apariția unei perturbații precum abaterea de la valoarea normală a
unei constante a mediului interior, ca de exemplu nivelul de glucoză în sânge.
Glanda posedă receptori ce pot sesiza această variație și răspunde la stimul prin
eliberarea în sânge a unui hormon. Hormonii sunt molecule semnalizatoare
(signaling molecules in lb. engleză) implicate în comunicarea și transmiterea de
informații între celule. Ele poartă în structura lor chimică un mesaj. Acești
mesageri chimici circulă prin sânge până când întâlnesc o celulă țintă. Hormonii
acționează deci la distanță față de locul producerii lor. Celula țintă are anumiți
receptori specifici pentru hormonul respectiv [43]. Receptorii sunt molecule
proteice ȋncorporate ȋn membrana celulară sau prezente ȋn citoplasmă (în cazul
hormonilor liposolubili care pot trece prin membrana plasmatică). Hormonii
interacționează cu receptorii lor specifici de care se leagă prin forțe
intermoleculare necovalente formând complexul hormon-receptor. Formarea
complexului supramolecular receptor-hormon se bazează pe complementaritatea
formei geometrice și a interacțiunilor (legăturilor intermoleculare non-covalente)
dintre grupele funcționale ale ligandului (hormonului) și receptorului, asemănător
complementarității lacăt-cheie.
Clasificarea substanțelor toxice
Clasificarea substanțelor toxice
În urma legării hormonului, receptorul suferă o modificare a conformației sale. Această
modificare de conformație reprezintă semnalul chimic care declanșează o succesiune de
evenimente biochimice (o cascadă biochimică) ce reprezintă calea de transmitere (sau
transducere) a semnalului până la un efector situat în interiorul celulei țintă. Odată ce
semnalul ajunge la efector acesta execută un răspuns celular al cărui rezultat este
modificarea fiziologică a stimulului inițial ce a determinat eliberarea hormonului, în
sensul diminuării perturbației și revenirii constantei mediului intern (în exemplul ales,
concentrația de glucoză în sânge) la valoarea normală. Acesta este mecanismul general de
reglare hormonală a metabolismului și de menținere a homeostaziei, prin feedback
negativ (buclă de control închisă) [44]. Există și un control prin feedback pozitiv (buclă
deschisă), un mecanism în care răspunsul sistemului la apariția unei perturbații este
amplificarea perturbației. În anumite situații, organismul are nevoie de un astfel de control
prin feedback pozitiv, un exemplu fiind refelexul Ferguson ce apare în timpul nașterii și
este un reflex neuroendocrin ce constă în esență în faptul că producerea unei contracții are
ca rezultat amplificarea contracțiilor. Totuși, feedback-ul pozitiv este tolerat de organism
doar pe termen scurt, pe termen lung ducând la instabilitate [45].
Hormonii nu sunt singurele molecule semnalizatoare. Neurotransmițătorii,
medicamentele sau substanțele toxice sunt alte tipuri de mesageri chimici.
Clasificarea substanțelor toxice
Hormonii steroizi conțin un schelet hidrocarbonat, lipofil,
de gonan sau steran, format din trei inele ciclohexanice și un
inel ciclopentanic condensate, notate A – D, în care
stereochimia joncțiunilor dintre inele B și C și C și D este
trans, trans. Stereochimia joncțiunii dintre inelele A și B este
trans în α-steran și cis în β-steran. Datorită caracterului
liposolubil al scheletului de steran, hormonii steroizi pot să
traverseze membrana plasmatică și anvelopa nucleară
ajungând în nucleu, acolo unde se află receptorii lor
specifici de care se leagă.
α-Steran
β-Steran
Clasificarea substanțelor toxice
 Dogma centrală a biologiei moleculare (geneticii)
 Fluxul informațional în celula vie
Clasificarea substanțelor toxice
Receptorii hormonilor steroizi sunt proteine cu rol de factori de transcriere care, în
stare inactivă, sunt formate din mai multe subunități polipeptidice. Legarea hormonului
steroid de receptorul său induce o modificare conformațională a receptorului în urma
căreia acesta pierde o parte dintre subunitățile proteice și totodată dimerizează. În noua
sa conformație, factorul de transcriere este activat și după ce mai atașează încă o
proteină, este capabil acum să se lege de o secvență regulatoare a ADN-ului, un
promotor, în amonte de o genă [46, 47]. În urma legării factorului de transcriere de
promotor, transcrierea genei țintă respective este activată. Se sintetizează astfel o
macromoleculă de ARN mesager care părăsește nucleul și în citoplasmă servește ca
șablon pentru sinteza unei proteine specifice ce se realizează în ribozomi. Acest proces
prin care informația stocată în ADN duce la sinteza unei proteine se numește expresie
genetică. Astfel, rolul hormonilor steroizi este de regulatori ai expresiei genetice.
Deoarece proteinele joacă roluri cheie în realizarea tuturor funcțiilor celulare, prin
sinteza unor proteine specifice se formează caracterele morfologice și funcționale ale
celulei (fenotipul celular). Expresia genetică a unei celule determină deci fenotipul
acesteia, funcția celulei și răspunsul pe care aceasta îl are la acțiunea factorilor externi
(mediului). Este clar, prin urmare, că orice intervenție străină în mecanismul de reglare a
expresiei genetice a unei celule, va avea drept consecințe alterarea metabolismului
celular și a funcționării normale a celulei.
Clasificarea substanțelor toxice
Clasificarea substanțelor toxice
Hormonii steroizi au roluri multiple în organism, contribuind la controlul
metabolismului, proceselor inflamatorii, funcțiilor imune, echilibrului hidroelectrolitic, dezvoltării caracterelor sexuale.
Perturbatorii endocrini interferă cu acțiunea hormonilor steroizi, prin cel puțin
trei tipuri de mecanisme [47, 48].
d.1). Imită acțiunea unui hormon natural, cum ar fi hormonii estrogeni (estradiol,
estriol, estronă) sau androgeni (testosterona), modificând conformația receptorului
și inițiind astfel un răspuns. Efectul toxic apare ca urmare a unui dezechilibru
produs de formarea în exces a unui produs al expresiei genetice sau, dimpotrivă, din
cauza inhibării transcrierii unei gene, într-un moment nepotrivit pentru organism.
De ex., prezența în organismul mascul a unei substanțe ce imită acțiunea hormonilor
estrogeni duce la feminizarea masculilor și incapacitatea lor de a se reproduce.
Clasificarea substanțelor toxice
d.2). Împiedică acțiunea normală a hormonilor prin blocarea situsului activ al receptorilor.
Toxicul se leagă de receptorul hormonului natural și împiedică astfel accesul hormonului la situsul
activ al receptorului. Spre deosebire însă de legarea hormonului, legarea toxicului nu schimbă
conformația receptorului și nu inițiază niciun răspuns.
Clasificarea substanțelor toxice
d.3). Afectează sinteza, transportul, metabolismul și eliminarea
hormonilor.
Perturbatorii endocrini sunt molecule de dimensiuni mici,
lipofile. Pot fi împărțite în două categorii:
- hormoni de sinteză, ca de ex. contraceptivele orale sau hormonii
de creștere folosiți ca aditivi alimentari în hrana animalelor.
- substanțe chimice produse industrial ce au diverse utilizări pe
scară largă (de ex. Bisfenolul A, utilizat la fabricarea sticlelor din
material plastic, precum și a conservelor metalice pentru alimente și
băuturi).
Clasificarea substanțelor toxice
La femei perturbatorii endocrini pot provoca: cancer ovarian și
de sân, fibroză chistică la nivelul sânului, chisturi ovariene,
endometrioză, fibrom uterin, boli inflamatorii pelviene. La bărbați
efectele provocate de perturbatorii endocrini pot fi: calitate slabă a
materialului seminal (număr redus de spermatozoizi, mobilitate
scăzută), cancer testicular, boli de prostată.
Clasificarea substanțelor toxice
Exemple de perturbatori endocrini:

1,1,1-tricloro-2,2-bis(4-clorofenil)etanul (DDT-ul este un insecticid ce a fost larg utilizat
pentru combaterea păduchilor ce sunt vectori ai tifosului exantematic. Actualmente este
interzisă utilizarea lui. Nu este biodegradabil; urme de DDT au fost găsite chiar și în grăsimea
pinguinilor din regiunile arctice.)

Bifenili policlorurați (PCBs)

Difenileteri polibromurați (PBDE)
Clasificarea substanțelor toxice
 Ftalații – sunt compuși utilizați pentru a face materialele plastice
mai flexibile (plastifianți). Se regăsesc în numeroase obiecte precum
jucăriile, materiale medicale din plastic etc. Ex., bis (2etilhexil)ftalatul. Produce tulburări endocrine la bebelușii de sex
masculin.
Clasificarea substanțelor toxice
Dietilstilbestrolul (4,4’-(3E)-hex-3-en-3,4-diildifenolul). Între anii
1940-1970, a fost administrat femeilor gravide ca medicament pentru
prevenirea riscului de avort. Ulterior s-a constat că utilizarea lui poate
determina anomalii
uterine la feții de sex feminin, capabile
să antreneze sterilitatea și chiar să
crească riscul apariției tumorilor
vaginale după pubertate. A fost retras
de pe piață în 1977.
Clasificarea substanțelor toxice

Bisfenol A (BPA); 4,4'-(izopropililiden)difenol – se folosește la sinteza rășinilor
epoxidice. Se regăsește în materialele plastice utilizate la fabricarea sticlelor de băuturi
răcoritoare, a foliei de plastic din interiorul cutiilor de conserve, a dopurilor din plastic, a
cutiilor alimentare din plastic, a biberoanelor și tetinelor din material plastic, a țevilor de
cauciuc din plastic, a jucăriilor din plastic, a cernelii de printer. Este periculos deoarece
poate migra ușor din materialele plastice în apă, băuturi sau alimente, proces care este
accelerat de prezența unui mediu acid (ca în băuturile carbo-gazoase) sau bazic (praful de
copt).
Teoria perturbatorilor endocrini afirmă că expunerea la doze mici de substanțe
chimice care pot să interacționeze cu receptorii hormonali poate să afecteze creșterea,
reproducerea și alte procese mediate hormonal. Teoria susține că ȋntrucât hormonii
endogeni sunt prezenți și acționează ȋn organism ȋn cantități extrem de mici (de ordinul
nanogramelor), este posibil ca perturbatorii endocrini să dezvolte efecte adverse ce
afectează funcționarea normală a sistemului endocrin la doze mult mai mici decât cele
necesare pentru o altă substanță toxică ce acționează printr-un mecanism diferit.
Clasificarea substanțelor toxice
De asemenea, momentul expunerii este presupus a fi extrem de important,
deoarece căi hormonale diferite sunt active ȋn momente diferite, ȋn stadii
diferite ale dezvoltării organismului. În mod deosebit în cazul organismelor
tinere care cresc rapid, interferența cu procesele hormonale de comunicare
poate avea efecte profunde asupra organismului. Depinzând de stadiul
dezvoltării, interferența cu sistemul hormonal poate avea ca rezultat efecte
ireversibile neobservate la indivizi adulți expuși la aceeași doză pentru aceeași
perioadă de timp. Experimente pe animale au identificat momente critice ȋn
anumite perioade ale dezvoltării intrauterine și la un anumit timp după naștere,
când expunerea la substanțe chimice care fie interferă cu, fie mimează
acțiunea hormonilor, are efecte adverse care persistă și la vârsta adultă.
Clasificarea substanțelor toxice
4. După mecanismul de acțiune. De ex.:
• Anticolinergic
•
– blochează legarea neurotransmițătorului
acetilcolina de receptorii muscarinici prezenți ȋn membrana
celulară a anumitor neuroni.
Inhibitor de colinesterază
• Decuplant al fosforilării oxidative de catena respiratorie.
Pentru a menține și perpetua starea vie, organismele au nevoie de
un aport continuu de energie din mediu. Organismele vii au sisteme
specializate prin care extrag energia din mediul înconjurător, o
convertesc în alte forme de energie mai potrivite cerințelor lor, o
stochează și apoi o folosesc pentru sinteza propriilor sisteme
biochimice complexe din precursori simpli precum și în alte procese
ce necesită aport de energie, cum ar fi locomoția și transportul activ
al diferitelor specii chimice în interiorul organismului.
Clasificarea substanțelor toxice
Totalitatea transformărilor compușilor chimici și a energiei din organismul viu
poartă numele de metabolism. Procesele biochimice de transformare a materiei și
energiei sunt organizate funcțional în secvențe de reacții consecutive, catalizate
enzimatic și numite căi metabolice, în care produsul unei reacții enzimatice devine
substrat pentru reacția următoare. Metabolismul are două laturi opuse care se
desfășoară simultan și se află într-un echilibru dinamic: catabolismul și anabolismul.
Procesele metabolice care se desfășoară la nivel celular constituie metabolismul
intermediar. Catabolismul cuprinde procesele prin care molecule complexe de
dimensiuni mari (proteine, polizaharide, lipide) sunt degradate la molecule mai
simple, de dimensiuni mai reduse, și se eliberează energia chimică conținută în aceste
macromolecule complexe (molecule combustibil). Macromoleculele sunt mai întâi
degradate până la unitățile lor monomere, aminoacizi în cazul proteinelor,
monozaharide în cazul polizaharidelor, iar trigliceridele (lipide complexe) la acizi
grași. Acești compuși suferă în continuare degradări oxidative cu consum de oxigen,
produșii finali de degradare fiind dioxidul de carbon și apa. Anabolismul reprezintă
latura sintetică a metabolismului, în care organismul își sintetizează propriile structuri
moleculare și supramoleculare complexe (precum proteinele, acizii nucleici,
polizaharidele), pornind de la constituenții lor de bază și folosind energia eliberată în
procesele catabolice.
Clasificarea substanțelor toxice
Problema care se pune este, deci, cea a modului în care se
realizează transferul energiei de la procesele catabolice,
generatoare de energie, la cele anabolice, consumatoare de
energie. În general, procesele biochimice care decurg cu
eliberare de energie sunt denumite procese exergonice, iar
cele care decurg cu consum de energie, procese endergonice.
Transferul energiei în sisteme biologice, în care
temperatura este constantă, nu se poate realiza decât prin
reacții cuplate. Două reacții sunt cuplate atunci când reacția
exergonică determină desfășurarea celeilalte reacții care este
endergonică. Există două variante de cuplare a reacțiilor
biochimice.
Clasificarea substanțelor toxice
HO
4.1. Cuplarea printr-un intermediar chimic (metabolit) comun. Se întâlnește în
situația a două reacții succesive între care există un intermediar comun. Dacă una dintre
reacții este endergonică (ΔG > 0), ea poate avea totuși loc, prin cuplare cu o reacție
exergonică (ΔG <0), cu o condiție și anume ca energia eliberată de reacția exergonică să
fie mai mare decât energia ce trebuie furnizată reacției endergonice pentru ca aceasta să
se desfășoare în sensul defavorizat termodinamic. Ex.: fosforilarea glucozei. Reacția
glucozei cu fosfatul (Pi) este o reacție endergonică, defavorizată energetic și nu va avea
loc. Hidroliza adenozin trifosfatului (ATP) la adenozin difosfat (ADP) și fosfat anorganic
(Pi) este o reacție puternic exergonică. Reacția totală este fosforilarea glucozei de către
ATP (suma celor două reacții parțiale de mai sus) și are loc cu ușurință. Reacția
17
5
2exergonică
furnizează
energia
necesară
reacției
endergonice
(“trage” după ea reacția
OPO
OH
3
H
H
endergonică). Intermediarul Ocomun, în acest caz, este
anionul
fosfat.
9
Componenta
6
H O
H O
5
4
endergonică;
+ H2O
HO
P
O
+ HO
H
OH
H
Glucoza
+
ATP
3
O
Pi
OH
ATP + H2O
Glucoza
HO
H
HO
H
H
1
2
OH
H
Gend  0
OH
-D-6-glucozo f osf atul
ADP + Pi
Componenta exergonică;
-D-6-glucozo fosf atul + ADP ; Reactia totala
Gex  0
Gtotal  Gend  Gex  0; Gex  Gend
Clasificarea substanțelor toxice
Figura prezintă o
analogie mecanică a
conceptului de
cuplare [49].
4.2. Cuplarea printr-un intermediar energetic comun. O
modalitate importantă de transfer al energiei de la procesele
catabolice (exergonice) la cele anabolice (endergonice) este de
a sintetiza în procesele catabolice un compus cu potențial
energetic ridicat și de a utiliza acest compus în procesele
anabolice. Un astfel de compus este adenozin trifosfatul (ATP).
Clasificarea substanțelor toxice
ATP-ul este sintetizat în procesele catabolice din
adenozin difosfat (ADP) și fosfat anorganic (Pi) și
înmagazinează energia eliberată în procesele de degradare
oxidativă a moleculelor combustibil sub formă de energie
chimică a legăturii macroergice, bogate în energie, de tip
fosfoanhidridă, a grupării fosfat terminale din molecula sa.
NH2
N
legatura de tip f osf oesteric
O
O
P
O
O
O
P
O
O
O
legaturi bogate in energie
de tip f osf oanhidrida
P
N
O
O
O
H
H
OH
OH
H
H
Adenozin trif osf atul (ATP)
N
N
Clasificarea substanțelor toxice
El stochează pe termen scurt energia rezultată din procesele catabolice, pe
care apoi o cedează proceselor anabolice atunci când gruparea sa fosfat terminală
este hidrolizată cu formare de ADP și fosfat anorganic. Astfel, ATP-ul
funcționează ca un cont curent energetic al celulei vii. Acționând de o manieră
ciclică ca un cărăuș al energiei de la procesele catabolice la cele anabolice, fiind
în permanență consumat în procesele anabolice și resintetizat în cele catabolice,
ATP-ul reprezintă veriga de legătură dintre cele două laturi opuse ale
metabolismului pe care le cuplează. Timpul mediu de viață al unei molecule de
ATP este de aproximativ un minut.
Ciclul ATP-ului
Clasificarea substanțelor toxice
Cea mai mare parte din ATP este sintetizată prin procesul de
fosforilare oxidativă a ADP-ului în mitocondrii ( organite celulare
ce funcționează
ca niște centrale energetice ale celulei vii).
Fosforilarea oxidativă reprezintă punctul culminant al
metabolismului generator de energie: toate căile de degradare
oxidativă a moleculelor combustibil converg spre această etapă
finală în care energia eliberată în procesele catabolice este utilizată
pentru sinteza ATP.
Clasificarea substanțelor toxice
Fosforilarea oxidativă are două componente:
- Componenta exergonică este reprezentată de lanțul transportor de electroni sau catena
respiratorie.
Prin degradarea oxidativă a moleculelor combustibil se formează ca produs final dioxidul de
carbon și rezultă așa numiții echivalenți de reducere, formele reduse NADH și FADH 2 ale
coenzimelor de oxido-reducere, nicotinamid-adenin dinucleotida și, respectiv, flavin-adenin
dinucleotida. Partea finală a acestor reacții de degradare oxidativă este reprezentată de reacțiile
din ciclul acizilor tricarboxilici (ciclul acidului citric sau ciclul Krebs) care se produc în matricea
mitocondrială. Rolul echivalenților de reducere rezultați din ciclul Krebs este de a transfera
electronii către acceptorul final de electroni care este molecula de oxigen ce se reduce la apă,
conform următoarelor reacții:
NADH + H+ + ½ O2 → NAD+ + H2O
FADH2 + ½ O2 → FAD + H2O
(31)
(32)
Clasificarea substanțelor toxice
În chimie, cedarea de electroni se numește oxidare, iar
acceptarea de electroni se numește reducere. Un reducător
cedează electroni și se oxidează. Electronii cedați de
reducător sunt acceptați de un oxidant care se reduce.
Coenzimele de oxido-reducere pot exista în două forme:
oxidată, respectiv, redusă, interconvertibile prin procese
redox.
Clasificarea substanțelor toxice
H
CONH2
N H
NH2
O
H
O
OH
H
OH
P
N
O
O
P
O
O
O
H
H
O
NAD+ (forma oxidata)
oxidare
N
O
H
H
OH
H
OH
N
N
+ H+ + 2 e
reducere
H
H
CONH2
N H
NH2
H
O
OH
H
OH
O
N
O
H
P
O
N
O
O
P
O
N
O
O
H
NADH (forma redusa)
H
H
OH
H
OH
N
Clasificarea substanțelor toxice
NH2
N
O
O
N
H2C
O
P
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
O
P
O
N
CH2
N
OH
OH
OH
CH2
N
N
O
-
+ 2H+ + 2e
NH
N
FAD
O
reducere
oxidare
NH2
N
O
O
N
H2C
O
P
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
O
P
O
CH2
N
OH
OH
CH2
N
H
N
O
NH
N
H
FADH2
O
N
OH
Clasificarea substanțelor toxice
Echivalenții de reducere NADH și FADH2 cedează doi electroni.
Electronii nu sunt însă cedați direct oxigenului, ca în reacțiile (31) și (32).
Aceste reacții sunt puternic exergonice și eliberarea bruscă a unei asemenea
cantități mari de energie, ar distruge practic celula vie. De aceea, transferul
electronilor de la echivalenții de reducere la oxigen se face secvențial prin
intermediul unor proteine transportoare de electroni care formează catena
respiratorie. Aceste proteine sunt localizate în membrana internă a
mitocondriei.
- Componenta endergonică a fosforilării oxidative este sinteza ATP prin
fosforilarea ADP, proces ce se realizează cu ajutorul enzimei ATP sintaza pe
seama energiei eliberate de componenta exergonică.
Clasificarea substanțelor toxice
Cuplarea reacțiilor redox din lanțul transportor de electroni cu
fosforilarea ADP-ului este reprezentată schematic mai jos.
Clasificarea substanțelor toxice
În reacțiile redox exergonice ale lanțului transportor de electroni se eliberează suficientă
energie pentru a susține sinteza endergonică a ATP-ului din ADP și fosfat anorganic.
Problema care se pune este, din nou, cea a mecanismului prin care se realizează transferul
de energie (cuplarea) între reacțiile exergonice ale catenei respiratorii și fosforilarea
endergonică a ADP-ului. Teoria care este acceptată de majoritatea comunității științifice
este teoria chemiosmotică elaborată în 1961 de P. D. Mitchell, laureat al Premiului Nobel
pentru chimie în 1978. Mare parte din energia eliberată în reacțiile redox ale lanțului
transportor de electroni este utilizată pentru a pompa simultan protoni din matricea
mitocondrială în spațiul intermembranar, prin membrana internă, cu ajutorul unor
complexe proteice transportoare de protoni situate în membrana internă a mitocondriei și
asociate cu enzimele lanțului transportor de electroni. Se crează și se menține astfel un
gradient de protoni între cele două fețe ale membranei interne a mitocondriei. Gradientul
de protoni este un gradient electrochimic având două componente:
- gradientul electric; cum protonii au sarcină pozitivă, fața externă, cea dinspre spațiul
intermembranar, a membranei interne a mitocondriei este încărcată pozitiv comparativ cu
fața internă, cea dinspre matricea mitocondrială.
-gradientul chimic; pH-ul pe fața externă a membranei interne este mai acid decât pe
fața internă.
Acest gradient de potențial electrochimic reprezintă o formă de conservare temporară a
energiei eliberate în procesele redox ale lanțului transportor de electroni.
Clasificarea substanțelor toxice
În momentul în care protonii vor curge în mod spontan în sensul
gradientului electrochimic de la potențial mare spre potențial mic, adică
dinspre spațiul intermembranar, prin membrana internă, înapoi spre
matricea mitocondrială, gradientul de potențial se micșorează (se descarcă)
și energia stocată temporar în acest gradient este eliberată și servește la
fosforilarea ADP-ului. Acest proces este realizat cu ajutorul ATP sintazei.
ATP sintaza este un motor molecular, un complex proteic format din mai
multe subunități organizate funcțional în două porțiuni: o porțiune
transmembranară (F0) și o porțiune situată în matricea mitocondrială (F1).
Clasificarea substanțelor toxice
Rolul porțiunii F0 este acela al unui canal ionic care facilitează
trecerea protonilor în sensul gradientului de potențial
electrochimic (transport pasiv) prin membrana internă a
mitocondriei. Acest canal ionic devine activ (se deschide) numai
atunci când potențialul protonilor atinge o valoare ce conține
suficientă energie pentru a susține reacția de fosforilare a ADP cu
formare de ATP.
Rolul porțiunii F1 este unul sintetic, de a cataliza sinteza ATP
din ADP și fosfat anorganic.
Clasificarea substanțelor toxice
Orice substanță care disipează gradientul de protoni dintre
cele două fețe ale membranei interne a mitocondriei, privează
sinteza ATP de sursa sa de energie, cu alte cuvinte,
decuplează lanțul transportor de electroni (componenta
exergonică a fosforilării oxidative) de sinteza ATP
(componenta endergonică a fosforilării oxidative) și reduce
astfel capacitatea celulei de a sintetiza ATP. O astfel de
substanță este 2,4-dinitrofenolul care, fiind un transportor de
protoni prin membrană, duce la anularea gradientului de
protoni implicat în cuplarea
catenei respiratorii cu
OH
fosforilarea oxidativă.
NO
2
NO2
2,4-Dinitrof enol
Clasificarea substanțelor toxice
Un alt transportor de protoni este antibioticul valinomicina.
Valinomicina
Cum cea mai mare parte a ATP-ului celular se sintetizează prin
fosforilarea oxidativă a ADP-ului, acțiunea pe termen lung a decuplanților este
periculoasă deoarece lasă procesele anabolice fără sursă de energie.
Clasificarea substanțelor toxice
Figura următoare ilustrează procesul fosforilării oxidative cuplate cu lanțul
transportor de electroni
[49, pp. 723].
Clasificarea substanțelor toxice
O reprezentare schematică a mitocondriei este prezentată în
figura următoare. Se observă că membrana internă este mai lungă
decât membrana externă, motiv pentru care formează falduri
numite criste mitocondriale care pătrund adânc în spațiul matricei
mitocondriale. Aria membranei interne este cam de cinci ori mai
mare decât cea a membranei externe. Acest fapt este justificat de
localizarea în membrana
internă mitocondrială a
enzimelor din lanțul
transportor de electroni
și a ATP sintazei, deci cu cât
aria membranei interne
este mai mare cu atât crește și
capacitatea mitocondriei de a
sintetiza ATP.
Clasificarea substanțelor toxice
5. După compoziția chimică, de ex.:
•
•
•
Metale grele (Pb, Cd, Hg)
Dibenzodioxine policlorurate (PCDDs)
Policlorodibenzofurani (PCDFs) etc.
O
Cl
Cl
Cl
Cl
2,3-7.8-tetraclorodibenzof uran
6. După scopul în care sunt utilizate, de ex.:
•
Pesticide
• Medicamente
• Solvenți
• Aditivi alimentari etc.
7. După starea de agregare în condiții normale: substanțe gazoase, lichide,
solide.
Tipuri de efecte toxice și intoxicații
 Tipuri de efecte toxice
 Reacții alergice. Alergia este o reacție adversă la o substanță rezultată
în urma unei sensibilizări anterioare prin expunere la substanța respectivă.
Reacția alergică este mediată imunologic. Majoritatea substanțelor și a
metaboliților lor sunt de dimensiuni prea mici pentru a fi recunoscute ca
substanțe străine (non-self) de către sistemul imunitar. De aceea, pentru a
forma un antigen și, deci, pentru a provoca un răspuns imun, astfel de
substanțe, numite haptene, trebuie mai întâi să se combine cu o proteină
endogenă. După formarea antigenului, acesta declansează procesul de
formare a anticorpilor specifici care durează 1-2 săptămâni. Dacă după
formarea anticorpilor, organsimul este expus din nou substanței chimice
respective sau uneia similare structural, se produce interacțiunea antigenanticorp care duce la apariția manifestărilor tipice alergiei. Reacțiile
alergice sunt diverse, interesând diferite organe și mergând de la iritații
minore pe piele până la șoc anafilatic letal.
Tipuri de efecte toxice și intoxicații
 Idiosincraziile. Termenul desemnează o intensitate anormală a
efectelor produse de o substanță asupra anumitor indivizi, incluzând atât
o sensibilitate extremă la doze mici, cât și cazul invers, adică
insensibilitate neobișnuită la doze mari. Un exemplu clasic îl constituie
reacția idiosincrazică dezvoltată de anumiți pacienți manifestată prin
relaxare musculară prelungită, de durata a câtorva ore și apnee (oprire
temporară a respirației) ca urmare a administrării unei doze standard,
normale de succinilcolină. Succinilcolina este un relaxant al mușchilor
scheletici, ce are o perioadă scurtă de acțiune ca urmare a metabolizării
sale rapide de către o enzimă aflată în mod normal în sânge și numită
butirilcolinesterază plasmatică. Reacția idiosincrazică este determinată
genetic. Butirilcolinesteraza din sângele pacienților care prezintă reacția
idiosincrazică este mai puțin eficientă înO degradarea succinilcolinei, ca
urmare a unui polimorfism alO genei ce codifică aceastăN enzimă.
N
O
O
Succinilcolina
Tipuri de efecte toxice și intoxicații
Un alt tip de reacție idiosincrazică este sensibilitatea deosebită a
anumitor oameni față de nitriți și alți compuși capabili să oxideze
ionul Fe2+ din hemoglobină la Fe3+, formând methemglobina.
Aceasta din urmă, spre deosebire de hemoglobină, nu poate lega
oxigenul. În mod normal, methemglobina este redusă înapoi la
hemoglobină de enzima NADH-methemglobin reductaza. Pacienții
cu reacție idiosincrazică la nitriți prezintă o activitate redusă a
acestei enzime ca urmare a unei modificării genetice ce are ca
rezultat înlocuirea unui singur aminoacid din catena polipeptidică a
enzimei normale (un rest de serină este înlocuit cu unul de prolină).
Persoanele care prezintă acest tip de modificare genetică pot să
sufere de hipoxie (aport insuficient de oxigen) ca urmare a
administrării unei doze de nitriți care este inofensivă pentru
oamenii normali.
Tipuri de efecte toxice și intoxicații
 Efecte toxice imediate și întârziate. Efectele toxice imediate
sunt acele efecte care apar rapid după o singură administrare a
substanței. Efectele toxice întârziate sunt acelea care care apar
după scurgerea unei anumite perioade de timp din momentul
administrării. De obicei, efectele carcinogene sunt efecte toxice
întârziate. De ex., fiicele mamelor tratate cu dietilstilbestrol în
perioada gravidității pot dezvolta cancer vaginal în perioda
tinereții, la 20-30 de ani de la expunerea lor la această substanță în
perioada vieții intrauterine [50].
Tipuri de efecte toxice și intoxicații
 Efecte toxice reversibile și ireversibile. Atunci când o substanță
toxică produce leziuni unui țesut, efectul poate fi reversibil sau
ireversibil în funcție de capacitatea de regenerare a țesutului
respectiv. De ex., leziunile ficatului sunt de obicei reversibile,
datorită capacității mari de regenerare specifice ficatului, pe când
leziunile sistemului nervos central (SNC) sunt ireversibile
deoarece celulele SNC nu se pot divide și nu pot fi înlocuite.
Tipuri de efecte toxice și intoxicații
 Efecte toxice locale și sistemice. Această diferențiere se face în funcție de locul de acțiune al substanței
toxice. Efectele locale sunt acelea care apar la primul loc de contact dintre organism și toxic. De ex,
inhalarea de clor produce leziunea și imflamarea țesuturilor căilor respiratorii superioare cu posibile efecte
letale, deși o cantitate foarte mică de clor este absorbită în fluxul sangvin. Efectele sistemice necesită
absorbția toxicului în marea circulație sau circulația sistemică și distribuția sa în țesuturi și organe aflate la
distanță de locul de intrare a toxicului în organism și de locul absorbției sale în sânge. Locul de acțiune al
toxicului este diferit deci de locul în care are loc primul contact dintre toxic și organism. Majoritatea
substanțelor, cu excepția celor foarte reactive, prezintă efecte toxice sistemice. Unele substanțe prezintă
ambele tipuri de efecte. De ex,. tetraetilplumbul, (C2H5)4Pb, produce efecte locale pe piele și la locul de
absorbție, dar este transportat de către sânge și produce efecte sistemice asupra sistemului nervos central și
altor organe. Cele mai multe substanțe ce prezintă efect toxic sistemic nu manifestă aceeași toxicitate față
de toate organele, ci efectele toxice se resimt în special asupra anumitor organe (puține ca număr), numite
organe țintă. Nu este obligatoriu ca organul țintă să reprezinte în același timp și locul de concentrație
maximă a toxicului în organism. Sângele distribuie toxicul în toate țesuturile și organele, iar acestea rețin
cantități mai mici sau mai mari de toxic în funcție de afinitatea lor pentru acesta. În general se folosește
următoarea terminologie:
- pentru țesuturile și organele țintă asupra cărora acționează toxicul se folosește termenul de localizare;
- pentru celelalte țesuturi și organe ce rețin cantități importante de toxic fără ca toxicul să acționeze
asupra lor se folosește termenul de stocare.
De obicei, organul țintă nu este și locul de stocare a toxicului în organism. De ex., plumbul este stocat
în oase, dar acționează asupra țesuturilor moi; insecticidele organoclorurate sunt stocate în țesuturile
adipoase, dar acționează asupra sistemului nervos central.
Tipuri de efecte toxice și intoxicații
Intoxicațiile. Din punct de vedere clinico-evolutiv, intoxicațiile pot fi
clasificate în:
- intoxicații acute
- intoxicații subcronice
- intoxicații cronice
Intoxicațiile acute apar atunci când o doză mare de substanță toxică
pătrunde în organism, ca urmare a unei expuneri unice sau a unor
expuneri repetate, dar într-un interval scurt de timp (maxim 24 de ore).
Simptomatologia apare brusc, este bine conturată și evoluează rapid.
Intoxicațiile subcronice apar în urma unor expuneri repetate la toxic
care se întind pe o perioadă de timp de ordinul săptămânilor sau lunilor.
Intoxicațiile cronice sunt rezultatul unor expuneri repetate pe parcursul
a mai multor luni sau chiar ani de zile. Acțiunea toxică se datorează
acumulării substanței în organism, sau a creșterii progresive a leziunilor
provocate, cu apariția unei stări patologice fără manifestări evidente dar
care se poate acutiza pe fondul scăderii condiției fiziologice generale sau
în cazul mobilizării substanței toxice din depozite.

Fazele evoluției unei substanțe
toxice în organism
Până la producerea efectului toxic, o substanță chimică parcurge mai multe faze, și anume:
- faza de expunere
- faza toxicocinetică
- faza toxicodinamică.
Evident, înainte ca toxicitatea să se poată manifesta, substanța toxică trebuie să vină ȋn
contact cu o suprafață a corpului precum pielea, ochiul sau o mucoasă a tractului alimentar
sau respirator. După cum am văzut, efectul poate fi unul local, la nivelul căii de pătrundere,
sau sistemic ca urmare a absorbției toxicului în marea circulație și distribuției sale în întregul
organism.
Faza toxicocinetică cuprinde efectele și acțiunile organismului asupra substanței toxice.
Substanța este absorbită în marea circulație, distribuită prin arborele circulator către toate
țesuturile și organele, metabolizată și în final eliminată din organism. Absorbția depinde de
calea de pătrundere a toxicului în organism sau calea de administrare. Prin metabolizare,
organismul poate transforma substanța toxică în metaboliți mai polari și mai hidrofili ce pot fi
eliminați mai ușor, metabolizarea având astfel o contribuție importantă la detoxifierea
organismului. Este posibilă însă și situația inversă, în care metabolitul rezultat este mai toxic
decât substanța inițială, organismul realizând astfel activarea xenobioticului, ca de ex., în
cazul glicozidelor cianogene.
Fazele evoluției unei substanțe toxice în
organism
Etapele fazei toxicocinetice de la adminsistrarea substanței toxice până la eliminarea sa
totală din organism se desfășoară simultan. Viteza de parcurgere a etapelor toxicocinetice și
proporția de molecule ce sunt implicate în orice moment în fiecare dintre etape, reprezintă
profilul toxicocinetic propriu fiecărei substanțe toxice.
Efectele și acțiunile substanței asupra organismului sunt cuprinse în faza toxicodinamică.
Legarea substanței toxice de receptorii specifici declansează răspunsul toxic al organismului.
Efecte biochimice ale formării complexului toxic-receptor pot fi: inhibarea activitații
enzimatice, alterarea permeabilității membranei celulare, modificarea metabolismului
proteinelor, carbohidraților și lipidelor, inhibarea respirației celulare etc. Aceste modificări
biochimice se traduc în plan fiziologic prin modificări ale ritmului cardiac, ritmului respirator,
temperaturii corpului, tensiunii arteriale, modificări la nivelul sistemului nervos central etc.
Figura următoare este o reprezentare schematică a etapelor parcurse până la apariția
efectului toxic.
Fazele evoluției unei substanțe
toxice în organism
Transportul și transformările substanțelor
toxice în mediul înconjurător
Odată ce o substanță chimică este eliberată în mediul înconjurător, ea este supusă acțiunii
factorilor de mediu, abiotici și biotici, ce se concretizează prin transportul și transformarea
chimică a substanței. Să considerăm de exemplu un pesticid utilizat în agricultură pentru
combaterea dăunătorilor și aplicat prin pulverizare a solului. El nu va rămâne numai în aria
de aplicare, ci se va răspândi, pătrunzând ca un contaminant atât în atmosferă, cât și în apele
de suprafață și în cele subterane. Particule de pesticid pot fi antrenate de vânt, ajungând astfel
în atmosferă, de unde vor reveni pe Pământ odată cu ploile și, direct sau prin intermediul
scurgerilor de suprafață, o parte din pesticid va pătrunde și în apele de suprafață. De
asemenea, pesticidul va pătrunde și în apele subterane odată cu infiltrarea apei prin sol. În sol
există bacterii descompunătoare care transformă materia organică în materie anorganică,
aceasta din urmă intrând apoi în ciclurile biogeochimice (ciclul carbonului, ciclul azotului și
ciclul oxigenului). Microorganismele din sol au astfel o acțiune detoxifiantă. Totuși unele
pesticide nu sunt biodegradabile și persistă în sol și apă perioade foarte lungi de timp putând
intra în lanțurile trofice și avansa verigă cu verigă în aceste lanțuri regăsindu-se în final drept
contaminanți ai alimentelor de origine vegetală sau animală. Deosebit de periculoase, în acest
sens sunt pesticidele organoclorurate, deoarece sunt liposolubile și pot fi ușor preluate de
organisme din sol, apă sau aer. Dacă nu sunt rapid metabolizate ele persistă un timp suficient
de lung în organism pentru a putea fi transferate organismului ce reprezintă următoarea
verigă a lanțului trofic respectiv (vezi figura următoare).
Transportul și transformările substanțelor toxice în mediul
înconjurător
Lanț trofic simplificat
Mai mult decât atât, în fiecare organism verigă a lanțului trofic, toxicul
lipofil ingerat odată cu hrana tinde să fie acumulat în țesuturile adipoase, pe când
restul hranei este metabolizat și excretat, ajungându-se astfel la o creștere
semnificatică a concentrației de toxic în organism. La un anumit nivel al lanțului
trofic, acumularea de toxic devine vătămătoare. Este sigur că subțierea cojii oului
anumitor păsări răpitoare este produsă de acumularea de DDT și DDE
(diclorodifenildicloroetilena obținută prin dehidrohalogenarea DDT-ului) în
organismele lor și este favorizată și de predispoziția organismului acestor păsări la
Cl
acest tip de toxicitate.
Cl
Cl
Cl
Cl
KOH
- HCl
Cl
DDT
Cl
Cl
DDE
Cl
Transportul și transformările substanțelor
toxice în mediul înconjurător
Bioacumularea este definită ca procesul prin care organismele vii
acumulează substanțe chimice atât din mediu, cât și din hrană. Deoarce pentru
a pătrunde din mediu în organism, substanțele chimice trebuie să traverseze
stratul dublu fosfolipidic al membranelor biologice, bioacumularea este direct
corelată cu lipofilicitatea (solubilitatea în lipide) a substanței chimice [51].
Mediul acvatic reprezintă principalul loc în care substanțele chimice
lipofile sunt transferate din mediul abiotic în biotă. Aceasta se datorează în
special faptului că prin membranele respiratorii (branhii) ale peștilor trec
cantități imense de apă, ceea ce favorizează extracția eficientă a substanțelor
liposolubile prezente în apă. Bioacumularea substanțelor lipofile este extrem
de eficientă la organismele acvatice, concentrația toxicului în aceste
organisme ajungând să depășească cu câteva ordine de mărime concentrația
sa în mediul înconjurător. Capacitatea organismelor acvatice de a acumula
xenobiotice lipofile este direct proporțională cu conținutul în grăsimi al
respectivelor organisme, întrucât xenobioticele lipofile sunt stocate în
țesuturile grase.
Transportul și transformările substanțelor toxice în mediul
înconjurător
Odată pătrunse într-un organism acvatic, substanțele chimice pot fi transferate
de-a lungul lanțului trofic, de la pradă la prădător. Așa cum am arătat deja, în cazul
unei substanțe lipofile, acest transfer poate să aibă ca efect creșterea progresivă, cu
fiecare verigă a lanțului trofic, a concentrației de substanță lipofilă în organism.
Figura următoare ilustrează acest concept al bioacumulării. Se consideră un
exemplu ipotetic al unei substanțe lipofile ce are un factor de bioacumulare egal cu
2, indiferent dacă sursa contaminării cu această substanță este mediul acvatic sau o
verigă a lanțului trofic. Se observă amplificarea progresivă a bioacumulării la
fiecare verigă a lanțului trofic, ajungându-se in acest fel la o concentrație de toxic
mult mai mare în corpul vulturului de mare (capătul lanțului trofic), comparativ cu
concentrația de toxic din mediul înconjurător (apa și, respectiv, aerul în exemplul
ales).
Transportul și transformările substanțelor toxice în mediul
înconjurător
Ilustrarea conceptului
de bioacumulare.
Concentrației de toxic lipofil
în mediu acvatic i s-a
atribuit în mod arbitrar
valoarea 1,
iar factorului de
bioacumulare
valoarea 2. Numerele
încercuite reprezintă valorile
concentrațiilor de toxic
în organismele
corespunzătoare
fiecăreia dintre verigile
lanțului trofic [1, Figure
26.3, pp. 469].
Referințe bibliografice
[1]. E. Hodgson, A textbook of modern toxicology, 3 rd Edition, Wiley Interscience, 2004, pp 5-8.
[2]. J. Trevan, Proc. R. Soc. 101 B, 1927, 483-514.
[3]. C. D. Klassen, Principles of Toxicology in Toxicology: The Basic Science of Poisons, 3 rd Edition,
Editors C.D. Klassen, M.O. Amdur, and J. Doull, Macmillian, New York, 1986, pp. 11-32.
[4]. S. Balint, L. Tănasie, Statistică – notițe de curs, Universitatea de Vest din Timișoara, pp.12, webng.info.uvt.ro/~balint/files/statistica.pdf
[5]. S. S. Desphande, Handbook of Food Toxicology, Marcel Dekker, Ink, New York, Basel, 2002, Table
6.4, pp. 133.
[6]. D. J. Finney, Probit Analysis, Cambridge: The University Press, 1971, pp 33-34.
[7]. D. J. Finney, Arch. Toxicol., 56, 1985, 215-218.
[8]. C. I. Bliss, The Statistics of Bioassay, Academic Press, New York, 1952.
[9]. M. Roberts, C. B. C. Boyce, Principles of Biological Assay in Methods in Microbiology, Edited by J.
R. Norris and D. W. Ribbons, Volume 7A, Academic Press, London and New York, 1972, pp. 153-191.
Referințe bibliografice
[10]. J. T. Litchfield, J. W. Fertig, Johns Hopkins Hosp. Bull., 69, 1941, 276-286.
[11]. M. N. Ghosh, Statistical Analysis in Fundamentals of Experimental
Pharmacology, 2nd Edition, Scientific Book Agency, Calcutta, 1984, pp. 187189.
[12]. S. P. McKee, S. A. Klein, Perception & Psychophysics, 37 (4), 1985, 286298.
[13]. M. Weis Bentzon, P. Krag, Bull. Wld. Hlth. Org., 29, 1963, 745-751.
[14]. E. A. Heinrichs, S. Chelliah, S. L. Valencia, M. B. Arceo, L. T. Fabellar, G.
B. Aquino, S. Pickin, Manual for testing insecticides on rice, International Rice
Research Institute, Manilla, Philippines, 1981, Appendix A, Table 8, pp. 106.
Referințe bibliografice
[15]. J. T. Litchfield, F. A. Wilcoxon, J. Pharmacol. Exp. Ther., 96, 1949, 99-113.
[16]. F. W. H. Beamish, G. L. Mackie, K. Cottenie, R. J. Frank, M. T. Rush,
Biology of Polluted Waters Laboratory Manual, University of Guelph,
Guelph, Ontario, Canada, 2009.
[17]. M. C. Newman, Quantitative Ecotoxicology, CRC Press, 2013, pp. 144146.
[18]. T. A. Gossel, J. D. Bricker, Principles of Clinical Toxicology, Raven Press,
New York, 1984.
[19]. Haye’s Handbook of Pesticide Toxicology, 3rd Edition, Volume1, Academic
Press, 2010, Table 1.2, pp. 25 și Table 1.5, pp. 49.
[20]. C. Lamanna, E. R. Hart, Toxicol. Appl. Pharmacol., 13, 1968, 307-315.
[21]. J. H. Duffus, Introduction to Toxicology in Fundamental toxicology, Edited
by J. H. Duffus and H. G. J. Worth, RSC Publishing, 2006, Table 1.1, pp. 2.
Referințe bibliografice
[22]. T. C. Marrs, Toxicology of Organophosphate Nerve Agents, in Chemical
Warfare Agents Toxicology and Treatment, 2nd Edition, Editors: T. C. Marrs, R.
L. Maynard and F. R. Sidell, Wiley, 2007, Table 5, pp. 197.
[23]. http://www.sciencelab.com/msds.php?msdsId=9927707
[24]. Safety (MSDS) data for caffeine.
[25].
http://pmep.cce.cornell.edu/profiles/extoxnet/metiram-propoxur/paraquat-ext.ht
ml
[26]. https://www.caymanchem.com/msdss/70260m.pdf
[27]. http://extoxnet.orst.edu/pips/carbaryl.htm
[28]. http://pmep.cce.cornell.edu/profiles/extoxnet/24d-captan/24d-ext.html
Referințe bibliografice
[29].
http://nepis.epa.gov/Exe/ZyNET.exe/9100YD4J.txt?ZyActionD
=ZyDocument&Client=EPA&Index=1986%20Thru%201990&
Docs=&Query=&Time=&EndTime=&SearchMethod=1&TocR
estrict=n&Toc=&TocEntry=&QField=&QFieldYear=&QField
Month=&QFieldDay=&UseQField=&IntQFieldOp=0&ExtQFi
eldOp=0&XmlQuery=&File=D%3A%5CZYFILES%5CINDE
X%20DATA%5C86THRU90%5CTXT%5C00000025%5C910
0YD4J.txt&User=ANONYMOUS&Password=anonymous&So
rtMethod=h%7C-&MaximumDocuments=1&FuzzyDegree=0&
ImageQuality=r75g8/r75g8/x150y150g16/i425&Display=p%7
Cf&DefSeekPage=x&SearchBack=ZyActionL&Back=ZyActio
nS&BackDesc=Results%20
Referințe bibliografice
[33]. http://www.nafaa.org/ethanol.pdf
[34].
http://www.hmdb.ca/system/metabolites/msds/000/000/190/orig
inal/HMDB00258.pdf?1358895907
[35].
https://www.google.ro/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=we
b&cd=1&ved=0CC4QFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.bug
wood.org%2Fpat%2Fpowerpoint%2F03.%2520Toxicology%2
520-%2520General.ppt&ei=F59hUfO6FOjL4AS2uICABg&us
g=AFQjCNF7nQEEzFv8R_uby_zo4cjzNpE3Mw&sig2=_xdbr
pNQ3FSeQyU5BpHsDw
Referințe bibliografice
[36]. J. A. Timbrell, Principles of Biochemical Toxicology, 4th Edition, Informa Healthcare, New York,
London, 2009, pp. 22-24.
[37]. F. Loghin, Toxicologie generală, Editura Medicală Universitară “Iuliu Hațieganu”, Cluj-Napoca,
2002, pp. 92-96.
[38].
http://2012books.lardbucket.org/books/general-chemistry-principles-patterns-and-applications-v1.0/se
ction_27_06.html
[39]. S. F. Zakrzewski, Environmental Toxicology, 3rd Edition, Oxford University Press, 2002, pp. 24-25.
[40]. E. Z. Hanna, S. P. Chou, B. F. Grant, Alcohol Clin. Exp. Res. 21, 1997, 111-118.
[41]. A. Albert, Selective Toxicity, 5th Edition, Chapman and Hall, London, 1973.
[42]. T. R. Fukuto, Environmental Health Perspectives, 87, 1990, 245-254.
[43].http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/biobk/biobookendocr.html
[44]. http://click4biology.info/c4b/6/hum6.5.htm
[45]. http://moodle.rockyview.ab.ca/mod/book/print.php?id=58094
Referințe bibliografice
[46]. G. M. Cooper, R. E. Hausman, The Cell A molecular Approach, 4th Edition, ASM
Press, Whasington, D. C., Sinauer Associates, Inc., Sunderland, Massachusetts, 2007,
pp. 602-603.
[47]. W. G. Landis, M-H. Yu, Introduction to Environmental Toxicology: Impacts of
Chemical upon Ecological Systems, 3rd Edition, Lewis Publishers, 2003, pp. 142-144.
[48]. D. Ciorba, A. Armencea, G. Gîfu, P. David, F. Mihai, Ecoterra, 29, 2011, 13-16.
[49]. D. L. Nelson, M. M. Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 5th Edition, W.
H. Freeman and Company, New York, 2008, pp. 23.
[50]. E. E. Hatch, J. R. Palmer, L. Titus-Ernstoff, JAMA, 280, 1998, 630-634.
[51]. F. L. McEwen, G. R. Stephenson, The Use and Significance of Pesticides in the
Environment, Wiley, New York, 1979.