Tox-Fibel - OFD Hannover

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Grundlagen der Human- und Ökotoxikologie
2 Humantoxikologische Grundlagen
2.1 Bedeutung physikalisch-chemischer Eigenschaften von Schadstoffen für
ihre toxische Wirkung
Die Kenntnis der physikalisch-chemischen Eigenschaften eines Schadstoffes ermöglicht
bereits eine grobe Abschätzung seines zu erwartenden Verhaltens und seiner toxischen
Auswirkungen im Organismus. Zu den physikalisch-chemischen Eigenschaften, die bei einer
derartigen Einschätzung eine Rolle spielen, gehören die Löslichkeit, der Verteilungskoeffizient,
der Dissoziationsgrad und die Oberflächenaktivität.
Das Lösungsverhalten einer Verbindung gibt Anhaltspunkte für ihre Verteilung im Körper.
Polare bzw. wasserlösliche (hydrophile) Stoffe werden kaum aktiv aus dem Magen-Darm-
Trakt resorbiert, sondern unterliegen wie Wasser den Prinzipien der passiven Diffusion.
Wenn sie in die Blutbahn gelangt sind, werden sie als polare Verbindungen meist relativ
schnell über die Nieren und mit dem Urin ausgeschieden. Sollten sie die Blutbahn verlassen,
werden sie in Abhängigkeit von ihrer Ladung überwiegend außerhalb der Zellen verbleiben
und kaum die Lipidmembranen der Zellen durchdringen. Unpolare, wasserunlösliche (hydrophobe)
bzw. fettlösliche (lipophile) Verbindungen werden im Magen-Darm-Trakt sehr gut
resorbiert. Sie gelangen mit dem Blut in den Raum zwischen den Zellen (Extrazellulärraum),
können die Fettmembranen der Zellen durchdringen und somit in das Innere einer Zelle
gelangen. Die Löslichkeitsverhältnisse spielen darüber hinaus eine wichtige Rolle bei der
Überwindung natürlicher Schutzbarrieren im Organismus. So können fettlösliche Verbindungen
im Gegensatz zu polaren Stoffen die Blut-Hirn-Schranke oder die Blut(Mutter)-Plazenta-
Blut(Embryo)-Schranke überwinden und nahezu ungehindert in jeden Zellbereich gelangen.
Es besteht die Möglichkeit, die biologische Wirksamkeit einer Verbindung anhand ihres
Verteilungskoeffizienten zwischen polaren und unpolaren Lösungsmitteln einzuschätzen. So
wird in der Regel die Verteilung einer Verbindung zwischen Öl (Octanol) und Wasser geprüft
und als Octanol/Wasserverteilungs-Quotient bzw. als dessen dekadischer Logarithmus als
Verteilungskoeffizient log P OW angegeben.
Viele biologisch wirksame Verbindungen weisen positive oder negative Ladungen auf. In
Abhängigkeit vom pH-Wert des umgebenden Milieus können diese chemischen Verbindungen
in Bruchstücke mit freien Ladungen, in Ionen, aufgespalten (dissoziiert) oder weiter als
polare Gesamtverbindung (undissoziiert) vorliegen. Als Grundprinzip kann hier erkannt
werden, daß sich dissoziiert vorliegende Verbindungen wie polare und undissoziierte Verbindungen
wie unpolare Stoffe verhalten.
Vereinigt eine nicht mehr einfach strukturierte chemische Verbindung polare und unpolare
Eigenschaften, kann in Abhängigkeit davon, in welchem Verhältnis und in welchen Abständen
die polaren und unpolaren Gruppen in dieser Verbindung zueinander stehen, das
oberflächenaktive Verhalten stark variieren. So können unpolare Strukturanteile in die
Fett(Lipid)schicht von Membranen eindringen, während die polaren Strukturen oder funktionellen
Gruppen in den Extrazellulärraum ragen. Durch diese Grenzflächenaktivität können
Änderungen in der äußeren Ladung und Durchlässigkeit der Zellmembran eintreten, die mit
weitreichenden Folgen für den Zellstoffwechsel verbunden sind.
Der Zusammenhang zwischen den physikalisch-chemischen Stoffeigenschaften und dem
daraus abzuschätzenden Verhalten ist zusammenfassend in Tabelle 2 dargestellt.
Mai 1998