WIELOPIERŚCIENIOWE WĘGLOWODORY AROMATYCZNE

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA, ang. polycyclic aromatic hydrocarbons -PAH, polynuclear aromatics - PNAs lub polycyclic organic matter - POM) są grupą kilkuset związków będących policyklicznymi węglowodorami zbudowanymi ze skondensowanych pierścieni aromatycznych (od dwóch do kilkunastu) bez podstawników.

Właściwości WWA:

• ciała stałe w temperaturze pokojowej

• mają względnie duże masy cząsteczkowe

• rozpuszczalne w wielu rozpuszczalnikach organicznych (lipofilność)

• względnie nierozpuszczalne w wodzie

• łatwo ulegają fotoutlenianiu ze względu na zdolność do absorpcji promieniowania UV

Przykłady WWA [17]:

NAFTALEN ANTRACEN FENANTREN CHRYZEN

NAFTACEN PIREN KORONEN BENZOPIREN

ŹRÓDŁA WWA

WWA mogą pochodzić ze źródeł naturalnych i antropogennych, w środowisku człowieka głównie z tego drugiego. Ogólnie WWA powstają jako produkty uboczne w wielu procesach chemicznych. Wytwarzane są one w większości procesów związanych z bardzo silnym ogrzewaniem lub niecałkowitym spalaniem związków organicznych.

Źródła naturalne:

• Reakcje geochemiczne ze zdegradowanego materiału biologicznego np. proces powstawania ropy naftowej, łupków bitumicznych, węgla

• Naturalne procesy pirolizy: działalność wulkaniczna, pożary lasów, łąk, prerii, tajgi

• Synteza przez glony morskie

• Procesy biosyntezy w mikroorganizmach żywych i produkty przemian związków próchniczych pod wpływem mikroorganizmów glebowych.

Źródła antropogogenne:

• produkty niepełnego spalania paliw kopalnych (węgiel, ropa naftowa) oraz drewna, używane do ogrzewania domów, stosowane w przemyśle i do napędzania pojazdów: ilość wydzielanych WWA zależy od jakości tych paliw

• lotne pyły i popioły powstające ze spalania paliw lub utylizacji śmieci

• działalności przemysłu ciężkiego związanego z przetwarzaniem węgla i ropy naftowej (koksownie, rafinerie, huty żelaza, aluminium i miedzi), a także podczas produkcji i wykorzystania smoły i kreozotu, produkcji węgla drzewnego i spalania odpadów.

Większość WWA akumuluje się w glebie (89,9%), 0,5% w powietrzu, 9,9% istnieje w postaci osadów dennych a 0,3% w wodach powierzchniowych.

WCHŁANIANIE

WWA mogą być wchłaniane do organizmu drogą inhalacyjną, drogą pokarmową i przez skórę, przy czym mogą to być więcej niż dwa sposoby jednocześnie (np. z powietrza poprzez układ oddechowy i przez skórę).

W wyniku zawodowej ekspozycji WWA dostają się do organizmu głównie z powietrzem (ale także dermalnie).

Warto zwrócić uwagę na papierosy, także będące źródłem tych związków.

Przy narażeniu środowiskowym główną drogą wchłaniania jest droga pokarmowa. Absorpcja zależy od lipofilności i wzrasta z jej zwiększeniem lub obecnością tłuszczów w układzie pokarmowym. WWA dostają się do żywności pośrednio (opad powietrza wraz z deszczem i pyłem) oraz bezpośrednio (wysoka temperatura podczas przetwarzania żywności - wędzenie, smażenie, grillowanie etc)

METABOLIZM

WWA po wchłonięciu są szybko transportowane wraz z krwią do tkanek. Duża lipofilność skutkuje łatwością w pokonywaniu błon komórkowych. Związki te mogą akumulować się w tkance tłuszczowej.

WWA występujące w środowisku nie mają właściwości toksycznych, uzyskują je w wyniku aktywacji metabolicznej w procesie mikrosomalnej oksydacji. Biotransformacja zachodzi głównie w wątrobie z udziałem układu monooksygenaz (cytochromy P-450), które przyłączają do węgli WWA tlen, co skutkuje uzyskaniem przez te związki zdolności do tworzenia adduktów z DNA (prowadzących do zmian nowotworowych). W wyniku utleniania WWA powstają związki hydroksylowe a z nich mogą tworzyć się epoksydy, które następnie przekształcane są do dihydriolowych pochodnych i fenoli. Następnie w postaci w postaci glukuronidów i estrów kwasu siarkowego są wydalane w żółci i moczu. W moczu jest najczęściej mierzona zawartość 1- hydroksypirenu jako biologicznego markera narażenia na wielopierścieniowe węglowodory.

7,8-dihydrodiol-9,10-trans-epoksyd benzo[a]pirenu

rakotwórcza postać benzo[a]pirenu.

Mechanizmy naprawcze komórki są niewystarczające przy ciągłej ekspozycji na WWA, stąd najgroźniejsze jest długotrwałe narażenie na oddziaływanie tych związków, np. u palaczy, albo pracowników hut, koksowni etc.

WWA są metabolizowane, oprócz wątroby i nerek, także w nadnerczach, jądrach, tarczycy, płucach, skórze, jelicie cienkim i gruczołach łojowych [3]

Teoria wyjaśniająca różnice w toksyczności różnych metabolitów pośrednich WWA nosi nazwę "the bay theory" i zakłada, że pewnych cząsteczkach tych związków występuje tzw. "bay region" - obszar o zwiększonej gęstości elektronowej umożliwiający tworzenie się np. adduktów z DNA i to właśnie od tego obszaru zależy mutagenność tych substancji [4 i 5]

Odziaływanie WWA na siebie nie jest całkowicie wyjaśnione, jednak badania wskazują na synergizm tych związków (np. piren, fenantren wzmagają aktywność benzo[a]pirenu). Typowe kokancerogeny dla benzo[a]pirenu to katechole, które występują w dymie papierosowym. Jego działanie może także wzmagać występujący w środowisku azbest i promieniowanie jonizujące.

Najnowsze badania wskazują na powinowactwo benzo[a]pirenu do pewnych specyficznych fragmentów chromatyny, np. genu p53, w wyniku ekspresji którego powstaje białko supresorowe, biorące udział w regulacji cyklu komórkowego. Benzo[a]piren unieczynnia ten gen powodując zmiany nowotworowe. Jest to jeden z możliwych mechanizmów kancerogenezy powodowanej paleniem tytoniu [6].

CYP1A1 jest enzymem z rodziny cytochromów P-450, który aktywuje benzo[a]piren. Polimorfizm genu kodującego to białko skutkuje różną aktywnością enzymów powstających w wyniku jego ekspresji. Tak więc osoby posiadające aktywniejszą formę enzymu są bardziej predysponowane do raka krtani lub płuc. [7 i 8]

ODDZIAŁYWANIE NA ORGANIZM LUDZKI

Jak zostało powiedziane wyżej, najważniejszym skutkiem oddziaływania WWA na organizm ludzki są zmiany nowotworowe, co związane jest z tworzeniem przez metabolity WWA adduktów z DNA, a to z kolei prowadzi do mutacji. Kancerogenność została dobrze zbadana na zwierzętach. Udowodniono zwiększone występowanie raka skóry, płuc, pęcherza moczowego, wątroby i żołądka. [9, 10 i 11]

Ciężko jest zaobserwować efekty działania określonego WWA ze względu na to, że ekspozycja następuje najczęściej na ich mieszaniny.

U ludzi, którzy są narażeni na zawodową ekspozycję na WWA, wykazano zwiększoną zapadalność na nowotwory płuc, skóry, pęcherza moczowego i układu pokarmowego. Wyniki tych badań jednak nie są w pełni precyzyjne, ze względu na obecność innych karcenogenów. Osoby, które są narażone na nadmierną ekspozycję zawodową to m.in. pracownicy przemysłu koksowniczego, wytwarzający asfalt, aluminium, mechanicy etc.

Konieczne jest dalsze prowadzenie badań nad skutkami nowotworowymi długotrwałej ekspozycji na PAH. Nie przytaczam tutaj listy prawdopodobnych karcenogennych WWA, ze względu na ich ogólnodostępność i różnice pomiędzy badaniami prowadzonymi przez różne organizacje.

Kolejnym ważnym aspektem oddziaływania WWA na ludzi jest ich teratogenność. Badania zarodków zwierząt narażonych na nadmierną ekspozycję wykazały wady wrodzone serca i defekty rozwojowe powłok brzusznych a także wzrost resorpcji płodów i spadek ich wagi.

WWA wykazują negatywny wpływ na działanie samczych gonad a szczególnie na procesy w wyniku których powstaje nasienie. W efekcie dochodzi do zaburzeń w replikacji DNA, funkcjonowaniu spermatocytów i spermatogonii, spadku ruchliwości plemników i zwiększonej ilości ich form niewłaściwych a także zmniejszenia ilości nasienia oraz jego zdolności do zapłodnienia. Także żeńskie komórki rozrodcze podlegają niekorzystnemu wpływowi WWA.

W przemianach WWA w organizmie powstają reaktywne formy tlenu, które indukują stres oksydacyjny i powodują szereg negatywnych skutków, których omówienie przekracza ramy tego opracowania.

Wykazano także niekorzystny wpływ WWA na układ immunologiczny objawiający się w :

• spadek poziomu immunoglobulin IgA, IgG, IgM i podwyższenie poziomu całkowitego IgE (wg. badań Szczeklika i wsp.)

• znaczne zmniejszenie ilości komórek NK w śledzionie

• nieprawidłową syntezę cytokin (interferon γ, TNF) w śledzionie

• blokowanie przekaźnictwa sygnałów w komórkach limfoidalnych i zmianę aktywacji limfocytów poprzez mechanizm zależny od jonów Ca²⁺: wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne powodują wzrost wewnątrzkomórkowego stężenia Ca²⁺ w limfocytach, co wydaje się być powiązane z aktywnością immunotoksyczną.

• spadkach masy lub atrofii w narządach układu odpornościowego: szpiku kostnym, grasicy, śledzionie, węzłach chłonnych

WWA w wyniku indukcji enzymatycznej przyśpieszają metabolizowanie ważnych leków takich jak barbiturany, neuroleptyki i leki przeciwzakrzepowe. Mechanizm tego procesu związany jest z wzmożeniem przez WWA syntezy izoenzymu 1A2 cytochromu P-450, który jest odpowiedzialny właśnie za przemiany powyższych leków. W związku z tym podczas ich przyjmowania zaleca się zaprzestanie działań zwiększających ekspozycję organizmu na WWA tj. palenia papierosów, spożywania silnie smażonych pokarmów etc.

BIBLIOGRAFIA

1. Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne / [aut. oprac. Janina Adamiak-Ziemba i in.]. - Łódź : IMP, 1987.

2. Substancje rakotwórcze w środowisku pracy"; pod red. Barbary Malczewskiej; Łódź 1987; ZIN

3. [ATSDR] Agency for Toxic Substances and Disease Registry. 1995. Toxicological profile for polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) (update). Atlanta, GA: US Department of Health and

Human Services.

1. Jerina DM, Lehr RE, Yagi, et al. 1976. Mutagenicity of B(a)P derivatives and the description of a quantum mechanical model which predicts the ease of carbonium ion formation from diol epoxides. In: deSerres FJ, Foutes JR, Bend JR, et al. eds. In vitro metabolic activation in mutagenesis testing. Amsterdam, The Netherlands: Elsevier/North Holland. 159–178.

2. Weis LM. 1998. Bay or baylike regions of polycyclic aromatic hydrocarbons were potent inhibitors of gap junctional intercellular communication. Environ Health Perspect 106:17–22.

3. Denissenko MF. 1996. Preferential formation of benzo(a)pyrene adducts at lung cancer mutational hotspots in P53. Science 274:430–2.

4. Kemena A, Norpoth KH, Jacob J. 1988. Differential induction of the monooxygenase isoenzymes in mouse liver microsomes by polycyclic aromatic hydrocarbons. In: Cooke M, Dennis AF, editors. Polynuclear aromatic hydrocarbons: a decade of progress. Proceedings of the tenth international symposium. Columbus, OH: Battelle Press. p. 449–60

5. Robinson JR, Felton JS, Levitt RC, Thorgeirsson SS, Nebert DW. 1975. Relationship between “aromatic hydrocarbon responsiveness” and the survival times in mice treated with various drugs and environmental compounds. Mol Pharmacol 11(6):850–65

6. Blanton RJ, Lyte M, Myers MJ, Bick PH. 1986. Immunomodulation by polyaromatic hydrocarbons in mice and murine cells. Cancer Res 46(6):2735–9.

7. Dasgupta PS, Lahiri T. 1992. Alteration of brain catecholamines during growth of benzo[a]pyrene induced murine fibrosarcoma. Neoplasm 39(3):163–5.

8. Zhao XL. 1990. Effects of benzo[a]pyrene on the humoral immunity of mice exposed by single intraperitoneal injection. Zhonghua Yu Fang Yi Xue Za Zhi [Chin J Prevent Med] 24(4):220–2.

9. Strona internetowa Agency for Toxic Substances and Disease Registry; www.atsdr.cdc.gov;

głównie artykuł (kurs) " Toxicity of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs)"; http://www.atsdr.cdc.gov/csem/pah/docs/pah.pdf

1. Dr inż. Ewa Smolik; "WIELOPIERŚCIENIOWE WĘGLOWODORY AROMATYCZNE (WWA)"; www.ietu.katowice.pl/wpr/Dokumenty/Materialy.../Szkol2/10-smolik.pdf

2. Mgr farm. Maciej Bilek; "WWA - Wielopierścieniowe Węglowodory Aromatyczne"

3. "Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA)"; http://toksykologia.webpark.pl/inne/wwa.htm

4. "Polycyclic aromatic hydrocarbon"; http://en.wikipedia.org/wiki/Polycyclic_aromatic_hydrocarbon

5. " Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne"

http://pl.wikipedia.org/wiki/Wielopierścieniowe_węglowodory_aromatyczne