Mechanizm toksycznego działania pestycydów

Zarówno pestycydy fosforoorganiczne, jak i karbaminowe, powodują zahamowanie aktywności cholinoesteraz. Jak wcześniej wspomniano enzymy te biorą udział w rozkładzie acetylocholiny, chroniąc w ten sposób układ nerwowy przed nadmiernym pobudzeniem i związanymi z tym uszkodzeniami (KILANOWICZ, 2006).

Estry fosforoorganiczne dezaktywują cholinoesterazy podczas dwuetapowej reakcji fosforylacji, bowiem łączą się one z obecną w centrum aktywnym enzymu seryną za pomocą wiązania kowalencyjnego. Produktem tego procesu jest nieaktywny, ufosforylowany enzym (BRZEZIŃSKI I SZUTOWSKI, 2005). Połączenie pomiędzy enzymem a substratem jest w tym przypadku trwałe, a w wyniku tego cholinoesterazy tracą swoją zdolność do rozkładu estrów choliny. Szczególnie wrażliwa na działanie związków fosforoorganicznych jest AChE, ponieważ w kontakcie z nimi traci ona swoją fizjologiczną funkcję. Zahamowanie aktywności BChE, która określonej fizjologicznej funkcji nie posiada, nie niesie ze sobą aż tak negatywnych skutków (MASSON I LOCKRIDGE, 2010). Ponadto enzym ten wykazuje działanie detoksykacyjne. Podczas hydrolizy pestycydów fosforoorganicznych butyrylocholinoesteraza neutralizuje je poprzez łączenie się z nimi. Dzięki tej swoistej dezaktywacji toksyczne związki nie mogą wiązać się z AChE i hamować jej aktywności biologicznej (BUKOWSKA I IN., 2007).

Mechanizm toksycznego działania karbaminianów jest podobny jak w przypadku estrów fosforoorganicznych. Związki te również łączą się z grupą hydroksylową seryny, powodując jej dezaktywację. Ma to miejsce podczas procesu karbamylacji. W wyniku tej reakcji powstaje nietrwały kompleks enzym-substrat, który bardzo szybko się rozpada, a cholinoesterazy mogą się reaktywować. Dzięki tej cesze odróżniającej je od pestycydów fosforoorganicznych, karbaminiany są zaliczane do odwracalnych inhibitorów cholinoesteraz. Z tej właściwości wynika także ich mniejsza toksyczność (BRZEZIŃSKI I SZUTOWSKI, 2005).

Zatrucia związkami fosforoorganicznymi i karbaminowymi w rolnictwie

Zatrucia inhibitorami cholinoesteraz najczęściej mają charakter niecelowy i przypadkowy. Wynikają one z przedostania się pestycydów drogą oddechową lub doustnie do organizmu w przypadku długotrwałego narażenia na działanie pestycydu, niestosowania się do zaleceń producenta lub nieprzestrzegania zasad bezpieczeństwa i higieny pracy (WALESIUK I IN., 2010). Grupą wysokiego ryzyka są w tym przypadku pracownicy zakładów wytwarzających pestycydy oraz rolnicy, którzy prowadząc prace w swoich gospodarstwach z użyciem tych substancji, narażają się na poważne ubytki zdrowia a nawet śmierć. W wielu krajach ekspozycja na będące inhibitorami cholinoesteraz związki chemiczne jest uważana za palący problem dla milionów osób zajmujących się uprawą roślin (CIESIELSKI I IN., 1994). Szacuje się, że rocznie w wyniku toksycznego działania pestycydów fosforoorganicznych następuje aż 260 000 zgonów (GUNNELL I IN., 2007). Problem ten jest szczególnie istotny, ponieważ na całym świecie sprzedaż środków ochrony roślin z roku na rok wzrasta. W 2012 roku w Polsce sprzedano 61,5 tysięcy ton pestycydów, czyli 3-krotnie więcej niż w roku 2001, kiedy liczba ta wynosiła 22 tysiące ton. Obecnie na terenie naszego kraju do obrotu i stosowania dopuszczonych jest 648 środków ochrony roślin. W roku 2012 związki fosforoorganiczne najczęściej wykorzystywano w postaci insektycydów i akarycydów, natomiast karbaminiany w formie fungicydów i bakteriocydów (MALINOWSKA I IN., 2015). Długotrwała ekspozycja na działanie tych substancji skutkuje pojawieniem się wielu zaburzeń i schorzeń w organizmie człowieka, do których zaliczyć można różnego rodzaju nowotwory oraz zaburzenia funkcji poznawczych (BOLOGNESI, 2003; WEBSTER I IN., 2002; TIMOFEEVA I IN., 2008). Toksyczny wpływ inhibitorów cholinoesteraz stosowanych w ochronie roślin negatywnie odbija się także na układzie rozrodczym. Odnotowano przypadki bezpłodności, oddziaływania teratogennego, a nawet poronień u osób wystawionych na ekspozycję pestycydów (CIESIELSKI I IN., 1994). Pestycydy te przyczyniają się również do zaburzeń gospodarki hormonalnej i enzymatycznej organizmu (WALESIUK I IN., 2010).

Ocena narażenia na pestycydy

Na przestrzeni ostatnich lat na grupach rolników obcujących z toksycznymi pestycydami przeprowadzono liczne badania, które wykazały, że w ich organizmach aktywność cholinoesteraz była znacznie niższa niż u osób, które nie miały kontaktu z tymi substancjami. Zmiany w aktywności i stężeniu enzymów następują powoli i są odpowiedzią biologiczną ustroju na ekspozycję tych związków (CIESIELSKI I IN., 1994). Niektóre z tych badań miały miejsce w krajach rozwijających się, gdzie informacje dotyczące wpływu pestycydów na zdrowie oraz sposobów ich bezpiecznego użytkowania są ograniczone (SAVOLAINEN, 2006). Wyniki analiz przeprowadzonych na 190 rolnikach uprawiających ryż w Regionie Delty Mekongu w Wietnamie wykazały wysoką częstotliwość występowania u tych osób zatruć pestycydami fosforoorganicznymi i karbaminianowymi. Zatrucia te były głownie efektem długotrwałej ekspozycji na szkodliwe działanie tych substancji – ponad 35% przebadanych osób doświadczyło ostrego zatrucia pestycydami przy zmniejszeniu aktywności acetylocholinoesterazy o 25%, a aż 21% osób cierpiało z powodu zatruć przewlekłych, gdzie aktywność AChE była obniżona nawet o 66% (DASGUPTA I IN., 2007). Podobne badania przeprowadzono w Chatturat w Tajlandii, gdzie oznaczono aktywność cholinoesterazy w surowicy krwi pobranej od 350 pracujących przy uprawach chili osób. Wykazano wówczas, że u 32% rolników enzym ten nie wykazuje prawidłowej aktywności, a ponadto występują u nich liczne objawy zatrucia pestycydami takie jak zawroty i bóle głowy, nudności, wymioty oraz gorączka (KACHAIYAPHUM I IN., 2010). Aktywność AChE przeanalizowano także wśród 90 nepalskich rolników, a otrzymane wyniki porównano następnie z wynikami grupy kontrolnej, którą stanowiły osoby nienarażone na działanie badanego czynnika. W rezultacie badania wykazały, że ryzyko wystąpienia obniżonego poziomu AChE u rolników było 3-krotnie większe niż w grupie kontrolnej (NEUPANE I IN., 2014). Badania dotyczące narażenia na szkodliwe działanie pestycydów prowadzono również w Polsce. W latach 2003-2013 w Pracowni Toksykologii w Krakowie przebadano 819 pacjentów ze szpitali na terenie województwa małopolskiego i świętokrzyskiego, diagnozowanych pod kątem zatrucia pestycydami. Aż 451 (55,1%) z wykonanych oznaczeń wykazało aktywność enzymu poniżej zakresu fizjologicznego, wskazując tym samym na narażenie tych osób na pestycydy. Roczniewykonywano średnio ok. 55 prób.  Nie stwierdzono istotnych zmian w aktywności AChE, co oznacza, że zagrożenie zatruciem tymi substancjami utrzymywało się na tym samym poziomie (GOMÓŁKA I HYDZIK, 2014). Jednocześnie odnotowano, że w czasie badanego dziesięciolecia liczba oznaczeń aktywności acetylocholinoesterazy, jako wskaźnika narażenia na pestycydy fosforoorganiczne i karbaminianowe, zmniejszyła się o 41% (SZPAK I GOMÓŁKA, 2015).