\chapter{Wirkung und Metabolismus eines Pestizids \dominic}

\section{Wirkung der Pestizide}

Pestizide entfalten ihre Wirkung auf verschiedenste Weise. Zum einen
wirken die Pestizidgruppen gegen unterschiedliche Schadorganismen, zum
anderen wirken auch in den Pestizidgruppen die eigentlichen Wirkstoffe
verschiedenartig. Einige exemplarische Wirkungen von Pestiziden werden
an Beispielen aufgezeigt und besprochen.

%Fungizide
\quellex{Sachkundig im Pflanzenschutz; Arbeitshilfe zum Erlangen des Sachkundenachweises im Pflanzenschutz mit einem Fragenkatalog als Beilage; Dr. Klaus König, W. Klein, W. Gabler; 2. überarbeitete Auflage; BLV Verlagsgesellschaft mbH, München, 1988; (ISBN 3-405-13595-8)}
Bei den Fungiziden z.B. ist die Auswahl der Wirkstoffe unter dem
Gesichtspunkt der Wirkungsbreite und der Vermeidung von
Resistenzbildung beim Schadenserreger zu treffen. Die Kontaktfungizide
greifen den Stoffwechsel der Schadpilze gleichzeitig an mehreren
Stellen an, sie wirken unspezifisch und besitzen somit ein größeres
Erregerspektrum und die Gefahr der Resistenzbildung ist als gering zu
betrachten. Dagegen haben systematische Fungizide meist sehr
spezifische Wirkungsweisen, greifen den Stoffwechsel der Schadpilze
primär nur an einem Wirkungsort an und das Risiko resistenter
Erregerformen ist hoch.

Aus den Gründen für die Anwendung von Pestiziden und aus den
Eigenschaften leiten sich schon einige allgemeine Wirkungen der
Pestizide ab. Sie werden unter anderem dafür eingesetzt, um durch
Schwächung oder Vernichtung von Schädlingen oder Unkraut die Ernte
und Produktion zu sichern. Sobald die Pestizide ausgebracht sind kann
sich ihre Wirkung voll entfalten. Die einzelnen Pestizidgruppen zielen
auf ihre spezifischen Zielorganismen. Dabei gibt es verschiedene Wege,
diese Zielorganismen zu erreichen. So erreichen Herbizide diese schon
durch Kontakt mit den Unkräutern, ein Molluskizide jedoch, das als
Fraßgift wirkt, muss erst vom betreffenden Schädling aufgenommen
werden, um seine Wirkung entfalten zu können. Daher wird zwischen der
Fraß-, Kontakt- und Atmungsgiftwirkung unterschieden. Charakteristisch
für Pestizide ist ihre toxische Wirkung.

\quellex{Folienserie des Fonds der Chemischen Industrie, Textheft 10; Pflanzenschutz; Hrsg. Fonds der chemischen Industrie zur Förderung der Chemie und biologischen Chemie im Verband der Chemischen Industrie, Karlstraße 21, 6000 Frankfurt/Main, November 1992; (ISSN 0174-366 X)}
\quelle{http://www.free.de/WiLa/derik/HSM.Einleitung.html}
Es gibt verschiedene Formen der toxischen Wirkung. Die akute Toxizität
wird in Untersuchungen mit Versuchstieren, meist Ratten, ermittelt und
ist in drei Formen aufgeteilt. Die \emph{orale}, d.h. einmalige
Verabreichung des Wirkstoffes mittels Schlundsonde direkt in den
Magen, \emph{kutane}, d.h. einmaliger Kontakt des Stoffes mit einer
rasierten Hautstelle und \emph{inhalative} Toxizität, d.h. einmalige
Aufnahme durch die Atmung. Des Weiteren gibt es Hautreizwirkungen und
Schleimhautreizwirkungen, die an Kaninchen getestet werden. Weitere
Arten der toxischen Wirkung sind die \emph{subchronische} und
\emph{chronische} Toxizität. Die Untersuchung auf subchronische
Toxizität verläuft 90 Tage, die Untersuchung der chronischen Toxizität
mindestens 2 Jahre. Diese Untersuchungen werden dazu benutzt, das
toxikologische Wirkprofil zu ermitteln, d.h. die Zielorgane der
toxischen Schädigung und das für den Wirkstoff typische
Schädigungsbild. Zuletzt werden in speziellen Untersuchungen die
Kanzerogenität, Untersuchung ob und ab welcher Konzentration
Wirkstoffe Tumore auslösen oder fördern, Mutagenität, Untersuchung auf
Gen-Mutation, Chromosomen-Mutation und Mitose-hemmende Eigenschaften,
und die Teratogenität, Untersuchung auf den Embryo-schädigende
Eigenschaften, bestimmt. Außerdem können Wirkstoffe auch eine
Reproduktionstoxizität besitzen, die in einem
2-Generationen-Reproduktionsversuch an Ratten aufzeigt, ob die
Aufnahme des Wirkstoffes durch Elternteile negative Auswirkungen auf
folgende Generationen hat.

\quellec[91]{http://www.free.de/WiLa/derik/HSM.Einleitung.html}
Zu den Wirkungen von Pestiziden zählen auch die Gifteffekte am
Zielorgan, bzw. Wirkungsort. Als Beispiel für mögliche Wirkungen wird
das Pentachlorphenol (PCP), ein seit 1989 in Deutschland verbotener,
stark bakterizid, fungizid und insektizid wirkender Wirkstoff, in
seinen Wirkungen bei einer vergifteten Person betrachtet.

\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[width=3cm]{formeln/pentachlorphenol}
\caption{Strukturformel von Pentachlorphenol}
\end{figure}

\begin{enumerate}[(a)]
\item Physikalisch-chemische Eigenschaften:

\begin{tabular}{ll}
rel. Molekülmasse:                &266,3\\
Schmelzpunkt (°C): 		  &191,0\\
Siedepunkt (°C):		  &309--310\\
Dampfdruck (hPa, 20°C):		  &\Z[5,1]{--5}\\
Löslichkeit in Wasser (g/L, 20°C):&pH 5: 14\\
\end{tabular}

\pagebreak

\item Grenzwerte:

\begin{tabular}{ll}
NOEL			&---\\
ADI			&3 mg/kg KG/d\\
LD$_{50}$ (Ratte, or.)	&50 mg/kg\\
MAK			&0,5 mg/m\cube\\
MIK			&---\\
\end{tabular}
\end{enumerate}

\quellec[91]{http://www.free.de/WiLa/derik/HSM.Einleitung.html}
\quelle{http://www.biologie.uni-regensburg.de/Biochemie/Tschochner/pdf/oxphossem\_051103.pdf}
\quelle{http://www.uni-leipzig.de/~biochem/V2004/OxPhos\_04.html}
Pentachlorphenol gilt als hochtoxisch, es besitzt kanzerogene und
mutagene Wirkung. Es wird vorwiegend über die Haut und die Atemwege
aufgenommen. Sobald der Wirkstoff im Körper ist, bindet er sich an die
Plasmaproteine des Blutes, wodurch er im Körper weitertransportiert
wird. Die höchste Konzentration des Wirkstoffes findet sich in Leber
und Niere, etwas weniger im Herz und in der Lunge. Als Symptome bei
Vergiftung treten hier z.B. Fieber mit Herzjagen, profuses Schwitzen
und beschleunigte Atmung auf.

Der Wirkungsmechanismus des Pentachlorphenols wird als ``Entkoppelung
der oxidativen Phosphorylierung'' beschrieben. Unter der oxidativen
Phosphorylierung versteht man die ATP-Synthese in Mitochondrien, bei
der die Oxidation von Substraten, wie z.B. NADH oder Succinat, über
einen Protonengradienten an die ATP-Synthese gekoppelt
ist. Pentachlorphenol behindert diese Synthese von ATP, indem es einen
Kurzschluss im H$^\textsf{+}$-Gradienten auslöst. Dies geschieht, indem es
Protonen an der Außenseite der Membran aufnimmt, in der Membran
diffundiert und auf der Matrixseite auftaucht und dort Protonen auf
Grund der niedrigen H$^\textsf{+}$-Konzentration wieder abgibt. Da aber durch die
oxidative Phosphorylierung Energie in den Zellen gewonnen wird, sinkt
die Energieausbeute in den Zellen. Die Energie, die in der
Elektronentransportkette freigesetzt wird, produziert nicht ATP,
sondern wird in Wärme umgewandelt. Der Körper versucht den
Energiemangel durch Mehrverbrennung im Citronensäurecyclus zu
kompensieren, wodurch ein größerer Sauerstoffbedarf entsteht, so dass
die Atmung beschleunigt wird. Die zusätzliche Verbrennung führt dazu,
dass noch mehr Wärme freigesetzt wird und der Vergiftete Fieber
bekommt. Häufig ist bei schweren Vergiftungen die erhöhte
Körpertemperatur die Todesursache.

\section{Metabolismus der Pestizide}
\label{sec:metabolismus}

Metabolismus ist die

\begin{quotation}
\noindent
\quellex{Microsoft Encarta Enzyklopädie 2005}
Bezeichnung für die chemischen Reaktionen, mit denen die Zellen eines
Lebewesens Energie umsetzen, ihre Identität aufrechterhalten und sich
vermehren. Alle Lebewesen, von den einzelligen Algen bis zu den
Säugern, sind von vielen hundert gleichzeitig ablaufenden, genau
gesteuerten Stoffwechselreaktionen abhängig -- beginnend mit der
Entstehung des Organismus, über Wachstum und Reifung bis zum
Lebensende. Ausgelöst, kontrolliert und beendet wird jede einzelne
derartige Reaktion von besonderen Enzymen (biologischen Katalysatoren)
in den Zellen, und alle diese Reaktionen werden im Lebewesen exakt
gesteuert und koordiniert.
\end{quotation}

Der Metabolismus ist in Bezug auf Pestizide im erweiterten Sinne zu
verstehen, nicht nur als Summe der regulären biochemischen Umbildungen
von Nährstoffen in Energie und Körperbestandteile, sondern als
Gesamtheit chemischer Umwandlungen der Vielzahl von natürlichen und
synthetischen Fremdmolekülen, die in den Organismus aufgenommen
werden. So z.B. der Weg eines Pestizids durch den Stoffwechsel eines
Organismus, in dem das Pestizid über Metabolisierungsprozesse chemisch
verändert wird.

Die metabolischen Reaktionen werden eingeteilt in

\begin{enumerate}[(a)]
\item strukturveränderne Reaktionen, die meist nur den ersten Schritt bilden auf dem Weg zu möglicherweise aktiveren Produkten. Es finden Hydrolysen, Oxidationen und Reduktionen statt.

\item aufbauende Reaktionen unter anderem mit Glucuronsäure, Schwefelsäure,
Essigsäure oder Aminosäuren in meist inaktive, wasserlösliche, so
genannte Konjugate.
\end{enumerate}

\quellex{Chemie der Pflanzenschutz- und Schädlingsbekämpfungsmittel; Hrsg. R. Wegler; Band 1; Springer-Verlag Berlin -- Heidelberg -- New York 1970}
Der Um- und Abbau der Fremdstoffe im Körper findet über Enzyme
statt. Es gibt einige besondere Enzymsysteme für Fremdstoffe, meist
greifen auch die Katalysatoren des körpereigenen Stoffwechsels
ein. Die Fremdstoffe werden oftmals auch in verschiedene Metaboliten
biotransformiert und auf mehrere Weisen ausgeschieden. Der biologische
Umbau ist für die Wirkung von großer Bedeutung und kann sie sehr
beeinflussen.

\section{Das Beispiel Parathion}

\quellec[95]{Chemie der Pflanzenschutz- und Schädlingsbekämpfungsmittel; Hrsg. R. Wegler; Band 1; Springer-Verlag Berlin -- Heidelberg -- New York 1970}
\quellex{Kleine Giftkunde; Gisela Wurm; 5. vollständig überarbeitete Auflage; Govi-Verlag, 1996}
Am Beispiel Parathion wollen wir die Wirkung und den Metabolismus
verfolgen. Parathion besitzt eine Wirkung als
Acetylcholinesterasehemmer. Nachdem das Wirkstoffpräparat mit
Parathion ausgebracht wurde und auf die Pflanze gelangt, wird es
innerhalb von zwei Tagen vollständig von den Blättern aufgenommen. Es
verteilt sich in der Pflanze und sobald ein Schädling die Pflanze
oder einen Teil davon frisst, ist das Gift in den Magen des
Schädlings gelangt. Die Wirkung des Parathions lässt sich im
menschlichen Organismus zeigen.

Im menschlichen Körper beginnt der Wirkstoff die Acetylcholinesterasen
zu besetzen. Acetylcholinesterasen sind die Enzyme, die vorübergehend
das Acetylcholin, eine Überträgerersubstanz, die bei eintreffendem
Reiz aus Vesikeln (Vorratsbehältern) der Nervenendigungen freigesetzt
wird und mit den Rezeptoren der subsynaptischen Membran reagiert,
binden und zu Cholin und Acetat hydrolisieren. Das verursacht eine
Anreicherung des Acetylcholins und es kommt schließlich zu einer
``endogenen Acetylcholinvregiftung''. Eine solche Vergiftung hat eine
gefährliche Veränderung der normalen Erregungsübertragung zur
Folge. Acetylcholinvergiftungen rufen infolge der muskarinartigen
Wirkung des Acetylcholin Übelkeit, Erbrechen, Bauchschmerzen,
Durchfälle, Bradykardie, vermehrte Schweißbildung und übermäßige
Bronchialinsekretion, die durch gleichzeitige Engstellung der
Bronchien zum Tode, wie durch Ertrinken, führt. Infolge der
nicotinartigen Wirkung treten fibrilläre Zuckungen, Muskelschwäche und
Krämpfe auf. Zentralnervöse Erscheinungen sind Angst, Ataxie, Koma und
Krämpfe mit Atemlähmungen.

Der Metabolismus von Parathion setzt im Rind in Pansenflüssigkeit mit
einer Reduktion von Parathion ein. Daraufhin zirkulieren Parathion,
Paraoxon, Aminoparathion und Aminoparaoxon im Blut des Rindes. Ein
weiterer Metabolit, das p-Aminophenol wird als Glucuronid oder
Sulfonsäureester abgesondert. Die p-Amino-Derivate sind biologisch
viel weniger aktiv als die Nitroderivate. Aminoparathion greift
Peroxidasen in Milch weit stärker an als Parathion. Jedoch greifen
Phosphorsäureester wie Parathion vorwiegend Hydrolasen an. Die
selektive Toxizität könnte mit der Tatsache, dass bei Hausfliegen die
Hydrolyse hauptsächlich an der Phenylgruppe und bei Ratten an der
Methylgruppe stattfindet erklärt werden. Den genauen Weg kann man
anhand der ausgeschiedenen Produkte jedoch nicht nachverfolgen.

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