Zakład Chemii Analitycznej Uniwersytetu Medycznego w Łodzi Kierownik: prof. dr hab. E. Brzezin´ska
Zbadano włas´ciwos´ci fizykochemiczne wybranych polichlorowanych pochodnych dibenzodioksyny – PCDD; dibezofuranu – PCDF oraz bifenylu – PCB. Na bazie uzyskanych danych przeprowadzono analize˛ SAR w zakresie toksycznos´ci badanych zwia˛zko´w. Dane fizykochemiczne obliczono metoda˛po´łempiryczna˛, na podstawie struktur pochodnych po ich optymalizacji geometrycznej, za pomoca˛ programu HyperChem. Zgromadzone dane poro´wnywano z miara˛ toksycznos´ci (TEF) zwia˛zko´w. Na podstawie uzyskanych wyniko´w stwierdzono, z˙e analiza SAR na bazie włas´ciwos´ci fizykochemicz-nych moz˙e byc´ prowadzona tylko w grupach zwia˛zko´w o podobnej budowie.
Hasła kluczowe: dioksyny, włas´ciwos´ci fizykochemiczne, SAR.
Key words: dioxins, physicochemical properties, SAR.
Na przestrzeni ostatnich lat do wykazu wyraz´nych zagroz˙en´ s´rodowiska i
zdro-wia człowieka weszło kolejne – POP (Persistent Organic Pollutans). Pod poje˛ciem
tym rozumie sie˛ grupe˛ dwunastu zwia˛zko´w chloroorganicznych, okres´lonych przez
Konwencje˛ Sztokholmska˛ w Sprawie POP (2001 r.). Sa˛ to insektycydy (aldryna,
chlordan, DDT, dieldryna, endryna, gameksan, heptachlor, mireks i toksafen) oraz
polichlorowane pochodne: dibenzodioksyny (PCDD – PolyChlorinated
Dibenzo-p--Dioxins), dibezofuranu (PCDF – PolyChlorinated Dibenzofurans) oraz bifenylu
(PCB – PolyChlorinated Biphenyls) (1). Polichlorowane pochodne PCDD, PCDF
i PCB stanowia˛ licznie reprezentowana˛ grupe˛ zwia˛zko´w POP o zro´z˙nicowanym
poziomie toksycznos´ci, wyraz´nie zalez˙nym od ich struktury i włas´ciwos´ci
fizyko-chemicznych. Wymienione powyz˙ej pochodne okres´lane sa˛ mianem „dioksyny”.
W ekologii dioksyna˛ nazywa sie˛ wyła˛cznie 2,3,7,8-tetrachlorodibenzodioksyne˛.
W innych z´ro´dłach nazwa ta pocza˛tkowo ograniczała sie˛ do chloropochodnych
dibenzodioksyny i dibenzofuranu, ale obecnie obejmuje ponad 200 zwia˛zko´w,
w tym ro´wniez˙ niekto´re chloropochodne bifenylu. Takie poszerzenie grupy dioksyn
nasta˛piło na podstawie podobien´stwa włas´ciwos´ci biologicznych zwia˛zko´w oraz
ich wspo´łwyste˛powania, z´ro´dła i proceso´w powstawania, podobnych włas´ciwos´ci
fizykochemicznych i mechanizmu działania toksycznego, a takz˙e metod analizy
(2). PCDD i PCDF wykazuja˛ znaczne podobien´stwo strukturalne i stanowia˛ grupe˛
zwia˛zko´w aromatycznych o płaskiej budowie. W przypadku PCB, do „dioksyn”
zalicza sie˛ tylko kilkanas´cie (spos´ro´d 209 istnieja˛cych) kontenero´w, kto´re moga˛
przyjmowac´ chwilowe konformacje płaskie (3). Istnieje 75 kongenero´w PCDD i az˙
135 kongenero´w PCDF. Moga˛ tez˙ istniec´ cza˛steczki o mieszanym składzie,
zawieraja˛ce brom i fluor. Okres´la sie˛ je mianem polihalogenodibenzodioksyn lub
dibenzofurano´w. Ła˛cznie moz˙liwe jest istnienie ponad trzech tysie˛cy kombinacji.
(4, 5). Dioksyny sa˛ substancjami, kto´rych klasyczna analiza, zaro´wno chemiczna,
jak i toksykologiczna, jest kłopotliwa (6). Sa˛ zwia˛zkami niepolarnymi, słabo
rozpuszczalnymi w wodzie, dobrze w rozpuszczalnikach organicznych, szczego´lnie
niepolarnych. Wykazuja˛ silna˛ adherencje˛ na cza˛steczkach stałych i duz˙e
powinowa-ctwo do zwia˛zko´w lipidowych. Dzie˛ki swym włas´ciwos´ciom wykazuja˛ wysoka˛
trwałos´c´ w s´rodowisku. PCDF sa˛ niskolotnymi ciałami stałymi, bezbarwnymi
w stanie czystym, o włas´ciwos´ciach fizycznych, chemicznych i toksycznych
zbliz˙onych do PCDD (5, 7). Cza˛steczki PCDD wykazuja˛ wyja˛tkowo duz˙a˛
stabil-nos´c´ termiczna˛ i odporstabil-nos´c´ chemiczna˛ na utlenianie oraz procesy degradacji
biologicznej. Włas´ciwos´ci fizykochemiczne dibenzodioksyn i dibenzofurano´w
istotnie wpływaja˛ na losy tych substancji w s´rodowisku i siłe˛ działania
toksycz-nego. Z uwagi na fakt, z˙e synteza i separacja dioksyn sa˛ trudne i czasochłonne,
informacje na temat ich włas´ciwos´ci fizycznych i chemicznych sa˛ ograniczone. Siła
działania PCDD i PCDF jest bardzo zro´z˙nicowana, w zalez˙nos´ci od ilos´ci atomo´w
chlorowca, miejsca ich podstawienia w cza˛steczce, a takz˙e od podmiotu
od-działywania (gatunku zwierze˛cia).
Ryc. 1. Budowa cza˛steczek dibenzodioksyny, dibenzofuranu i bifenylu. Fig. 1. Structures of dibenzodioxine, dibenzofurane and biphenyl molecules.
Kongenery PCB sa˛ znacznie mniej toksyczne. Pod nazwa˛ dioksyny wyste˛puja˛
trzy pochodne non-orto-PCBs: 3,3’,4,4’-PCB, 3,3’,4,4’,5-PCB oraz
3,3’,4,4’,5,5’-PCB, posiadaja˛ce atomy chloru w cza˛steczce bifenylu w pozycjach meta i para
(3,4,5 oraz 3’,4’,5’). Połoz˙enie non-orto, charakteryzuja˛ sie˛ brakiem atomu chloru
w bezpos´rednim sa˛siedztwie wia˛zania pomie˛dzy piers´cieniami. Non-orto-PCB
wykazuja˛ najwie˛ksza˛ toksycznos´c´, poniewaz˙ najłatwiej wia˛z˙a˛ sie˛ z komo´rkowymi
receptorami Ah. Kongenery non-orto i mono-orto polichlorowanych bifenyli maja˛
budowe˛ płaska˛ i dwanas´cie spos´ro´d nich zaliczono do grupy dioksyn (3). Ws´ro´d
dioksyn tylko niekto´re wykazuja˛ bardzo silne włas´ciwos´ci toksyczne w odniesieniu
do ludzi i zwierza˛t. Zwia˛zki, w kto´rych atomy chloru w cza˛steczce PCDD lub
PCDF zajmuja˛ połoz˙enie 2,3,7 i 8 (jest ich w sumie 17) czynia˛ te zwia˛zki bardzo
silnie toksycznymi. 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzodioksyna (2,3,7,8-TCDD) jest
naj-silniej toksycznie działaja˛cym zwia˛zkiem w tej grupie a wie˛c najwaz˙niejszym
z punktu widzenia ochrony s´rodowiska, a tym samym i analityki (8–10).
W tab. I zestawiono wartos´ci liczbowe TEF (Toxic Equivalent Factor)
okres´-laja˛ce wzgle˛dna˛ toksycznos´c´ badanych dioksyn PCDD i PCDF w odniesieniu do
najbardziej toksycznego 2,3,7,8-TCDD, dla kto´rego – zgodnie z zaleceniami WHO
z 1998 – przyje˛to wspo´łczynnik ro´wny 1 (11,12). Odpowiednio dla najmniej
toksycznych PCDD/PCDF: OCDD i OCDF przyje˛to wspo´łczynniki TEF – 0,0001.
Tabela zawiera ro´wniez˙ wspo´łczynniki toksycznos´ci TEF dla badanych PCB.
Aktualnie wartos´ci TEF zostały poddane korekcie zgodnie z nowymi, ustalonymi
przez WHO w 2005 r. zasadami (13). W niniejszej pracy uz˙yto wartos´ci TEF
w postaci pierwotnej. Widoczna˛ tendencja˛ jest zmniejszanie sie˛ wartos´ci TEF wraz
ze wzrostem stopnia chlorowania, od tetra- do okta-izomero´w.
Przemieszczenie dioksyn do tkanek i narza˛do´w wewne˛trznych odbywa sie˛
poprzez wia˛zanie z lipidami i lipoproteinami osocza krwi. Gło´wnym narza˛dem
docelowym, gdzie naste˛puje kumulacja wchłonie˛tych dioksyn jest wa˛troba, tkanka˛
zas´ tkanka tłuszczowa. Za długi okres retencji w tkankach odpowiedzialny jest
przestrzenny układ atomo´w chloru w cza˛steczkach. Przemiany metaboliczne
polegaja˛ pocza˛tkowo na oksydacyjnym lub redukcyjnym odchlorowaniu cza˛steczek
albo rozerwaniu mostka tlenowego (4, 14). Reakcje sprze˛gania prowadza˛ natomiast
do powstawania zwia˛zko´w eliminowanych z ustroju wraz z z˙o´łcia˛. Mechanizm
toksycznos´ci dioksyn nie został dotychczas w pełni poznany. Zwia˛zki te, tworza˛c
kompleks z cytozolowym receptorem Ah (aromatic hydrocarbons) przewlekle
indukuja˛ ekspresje˛ geno´w, kieruja˛cych układem monooksygenaz mikrosomalnych.
Produktami ekspresji tych geno´w sa˛ ro´z˙ne formy cytochromu P-450. Forma
aktywna receptora Ah w postaci kompleksu ligand-receptor oddziałuje na ja˛drowy
DNA (4, 15–18). Warunkiem przekształcenia receptora w forme˛ aktywna˛ jest
obecnos´c´ płaskiego liganda (induktora). Jednym z najsilniejszych ligando´w jest
2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioksyna, chociaz˙ inne we˛glowodory poliaromatyczne
takz˙e moga˛ spowodowac´ indukcje˛ opisanego układu (19–21). Na stopien´ indukcji
receptora Ah maja˛ wpływ naste˛puja˛ce cechy ligando´w: (i) atom chlorowca co
najmniej w trzech pozycjach, przy czym potencjał wzrasta w sekwencji Br>Cl>F.
Maksymalna˛ aktywnos´c´ wykazuja˛ pochodne podstawione czterema atomami
chlo-rowca. Wymagana jest jedna pozycja nie podstawiona; (ii) uprzywilejowane,
liniowe ułoz˙enie piers´cieni aromatycznych. Otwarcie układu piers´cieniowego,
zwia˛zane z utrata˛ sztywnej i płaskiej budowy, redukuje powinowactwo; (iii)
odpowiedni rozmiar i polarnos´c´ molekuły liganda okres´lone przyleganiem do
modelowej powierzchni (prostoka˛t o bokach 6,8; 13,7 A˚; (iv) metabolizm (np.
hydroksylacja) obniz˙a powinowactwo. Wielkos´c´ dawki liganda oznaczona in vitro
dla najsilniejszego induktora (TCDD) obejmuje zakres ste˛z˙en´ 5–10 nmol/dm
3(22).
Teoretycznie, dioksyny moga˛ modyfikowac´ takz˙e inne geny, powoduja˛c ich
niekontrolowane funkcjonowanie, co tłumaczyc´ moz˙e ro´z˙norodnos´c´ efekto´w ich
toksycznego działania na organizmy z˙ywe (4, 16–17).
Dla powia˛zania toksycznos´ci zwia˛zko´w z ich struktura˛ badano włas´ciwos´ci
fizycznych, chemicznych i przestrzennych cza˛steczek. Interpretacja ro´wnan´ QSAR
pozwala ustalic´ mechanizm działania toksycznego zwia˛zku (23). Deskryptory
molekularne PCB, PCDF i PCDD korelowały wprost proporcjonalnie z
powinowa-ctwem do receptora Ah (24). Pocza˛tkowo najwie˛ksze znaczenie przypisywano
strukturze geometrycznej. Zasugerowano (25), z˙e planarna budowa cza˛steczek nie
musi byc´ podstawowym wymogiem wia˛zania receptorowego. Hipoteza ta została
poparta przez obliczenia ab initio i badania krystalograficzne wskazuja˛ce
polaryzo-walnos´c´ oraz akceptorowo-donorowe włas´ciwos´ci ligando´w jako kontroluja˛ce
zdolnos´c´ wia˛zania z receptorem Ah w wie˛kszym stopniu niz˙ rozmiar i płaska
budowa cza˛steczki (26).
Celem pracy jest ustalenie wybranych włas´ciwos´ci fizykochemicznych dla
zwia˛zko´w z grupy dioksyn oraz poszukiwanie zalez˙nos´ci pomie˛dzy struktura˛
zwia˛zko´w tej grupy, a ich działaniem toksycznym na organizmy z˙ywe,
charak-teryzowanym przez wspo´łczynnik toksycznos´ci TEF.
MATERIAŁ I METODY
Badaniom poddano trzy grupy polichlorowanych pochodnych: dibenzodioksyny – PCDD (zw. 1-8); dibenzofuranu – PCDF (zw. 9-18) i bifenylu – PCB (zw. 19-32).
Wartos´ci parametro´w fizykochemicznych ustalono za pomoca˛ programu HyperChem®, po prze-prowadzeniu optymalizacji geometrycznej struktur wszystkich analizowanych zwia˛zko´w metoda˛ po´łem-piryczna˛ AM1. Obserwacja geometrii przestrzennej kolejnych przypadko´w wskazuja˛ na ich płaska˛ budowe˛. Naste˛pnie, obliczono wartos´ci parametro´w hydrofobowych i elektronowych zwia˛zko´w 1-32. Wszystkie zgromadzone dane przedstawiono w tab. I. Dane o korelacjach pomie˛dzy uzyskanymi wartos´ciami parametro´w fizykochemicznych i biologicznych ustalono za pomoca˛ metod statystycznych, z zastosowaniem programu STATISTICA 7.0.
WYNIKI I ICH OMO
´
WIENIEBadane zwia˛zki stanowiły grupy o zro´z˙nicowanym nasileniu wywoływanego efektu toksycznego. Dane dotycza˛ce toksycznos´ci, pod postacia˛ wspo´łczynnika ro´wnowaz˙nego toksycznos´ci TEF (13), przedstawiono w tab. I.
Polichlorowane pochodne bifenylu (19-32) stanowia˛ grupe˛ o najmniejszej toksycznos´ci wzgle˛dnej. Poro´wnanie dwo´ch pozostałych, bardziej toksycznych grup dioksyn wskazuje na silniejsze działanie PCDD (zw. 1-8). Wzrost stopnia chlorowania pochodnych zwia˛zany jest zwykle ze zmniejszeniem wartos´ci TEF dla nich oznaczonym. Fakt ten moz˙e byc´ podstawa˛ poro´wnania obu grup PCDD i PCDF. Ws´ro´d przedstawicieli tetrachloroizomero´w (zw. 1 i 9), pochodna PCDF jest 10 × słabsza˛ toksyna˛. Pentachloropochodna PCDF jest juz˙ tylko dwukrotnie mniej toksyczna. Efekt działania pochodnych obu grup z 6, 7 i 8 atomami chloru w cza˛steczce jest zro´wnowaz˙ony. S
´
rednia wartos´c´ toksycznos´ci trzech badanych grup jest zro´z˙nicowana. Najmniejsza˛ wartos´c´ s´rednia˛ TEF wykazuje grupa PCB 0,008. W grupie pochodnych PCDF wartos´c´ ta sie˛ga 0,107. Najwyz˙sza˛ toksycznos´c´ przejawiaja˛ pochodne PCDD. S´
rednia wartos´c´ TEF dla tej grupy wynosi 0,290.Wczes´niejsze prace dotycza˛ce zalez˙nos´ci pomie˛dzy struktura˛ i działaniem toksycznym PCB, PCDF i PCDD da˛z˙yły do rozwia˛zania problemu na poziomie mechanizmu wia˛zania dioksyn z wewna˛trzkomo´r-kowym receptorem Ah (26). Pierwotnie wioda˛ca˛ role˛ parametro´w sterycznych, pod postacia˛ budowy planarnej oraz rozmiaro´w cza˛steczek, zasta˛pił zespo´ł parametro´w zwia˛zanych z
wym charakterem włas´ciwos´ci ligando´w (parametry elektronowe) oraz parametry hydrofobowe. Wspominano ro´wniez˙ o włas´ciwos´ciach lipofilowych, towarzysza˛cych polaryzowalnos´ci cza˛steczki, wpływaja˛cej na toksycznos´c´ badanych pochodnych. Wpływy hydrofobowe, a szczego´lnie charakterys-tyczne dla zwia˛zko´w toksycznych, wartos´ci wspo´łczynnika podziału, zwia˛zane sa˛ z miejscem działania toksycznego dioksan – wa˛troba˛. Najbardziej znacza˛cymi parametrami fizykochemicznymi dla biodos-te˛pnos´ci takich substancji czynnych sa˛ wartos´ci wspo´łczynnika podziału (log P) oraz polarnos´ci niejonowej, wyraz˙onej wartos´cia˛ wypadkowego momentu dipolowego cza˛steczki (µ). Zgodnie z teoria˛
T a b e l a I
Wartos´ci parametro´w fizykochemicznych i toksycznos´ci pochodnych PCDD, PCDF, PCB T a b l e I
Values of physicochemical parameters and toxicity of PCDD, PCD and PCB derivatives
zw Nazwa nCl logM logP V S µ α RM εHOMO εLUMO TEF*
1 2,3,7,8-TCDD 4 2,508 4,23 222,3 245,3 4,76E-06 29,76 71,40 –8,997 –0,909 1 2 1,2,3,7,8-P5CDD 5 2,552 4,75 236,3 261,5 0,759 31,68 76,21 –9,083 –1,017 1 3 1,2,3,4,7,8-H6CDD 6 2,592 5,27 250,1 277,7 0,148 33,61 81,01 –9,161 –1,125 0,1 4 1,2,3,6,7,8-H6CDD 6 2,592 5,27 250,4 277,8 5,14E-06 33,61 81,01 –9,171 –1,115 0,1 5 1,2,3,7,8,9-H6CDD 6 2,592 5,27 250,3 277,8 1,451 33,61 81,01 –9,165 –1,112 0,1 6 1,2,3,6,7,9-H6CDD 6 2,592 5,27 250,2 277,7 1,633 33,61 81,01 –9,176 –1,076 0,01 7 1,2,3,4,6,7,8-H7CDD 7 2,629 5,78 264,3 294,0 0,699 35,54 85,81 –9,246 –1,211 0,01 8 OCDD 8 2,663 6,30 278,0 310,1 8,62E-06 37,47 90,62 –9,325 –1,297 0,0001 9 2,3,7,8-TCDF 4 2,486 4,84 215,2 234,2 0,131 29,48 70,45 –9,285 –1,166 0,1 10 2,3,4,7,8-P5CDF 5 2,532 5,35 229,3 250,8 0,988 31,41 75,25 –9,374 –1,298 0,5 11 1,2,3,7,8-P5CDF 5 2,532 5,35 229,3 250,9 0,631 31,41 75,25 –9,336 –1,300 0,05 12 1,2,3,4,7,8-H6CDF 6 2,574 5,87 243,3 267,3 0,237 33,34 80,06 –9,388 –1,436 0,1 13 1,2,3,6,7,8-H6CDF 6 2,574 5,87 243,2 267,4 0,495 33,34 80,06 –9,444 –1,421 0,1 14 1,2,3,7,8,9-H6CDF 6 2,574 5,87 242,4 266,1 1,261 33,34 80,06 –9,401 –1,416 0,1 15 2,3,4,6,7,8-H6CDF 6 2,574 5,87 243,3 267,3 1,700 33,34 80,06 –9,475 –1,417 0,1 16 1,2,3,4,6,7,8-H7CDF 7 2,612 6,39 257,3 283,8 0,971 35,27 84,86 –9,489 –1,544 0,01 17 1,2,3,4,7,8,9-H7CDF 7 2,612 6,39 256,3 282,5 0,525 35,27 84,86 –9,459 –1,539 0,01 18 OCDF 8 2,647 6,91 270,5 298,8 0,304 37,19 89,67 –9,549 –1,650 0,0001 19 3,3’,4,4’-T4CB 4 2,465 5,80 217,0 244,3 1,873 27,81 70,41 –9,151 –1,015 0,0001 20 3,4,4’,5-T4CB 4 2,465 5,80 217,1 244,1 1,144 27,81 71,41 –9,155 –1,023 0,00001 21 3,3’,4,4’,5-P5CB 5 2,514 6,32 231,2 260,7 1,068 29,73 75,22 –9,267 –1,160 0,1 22 3,3’,4,4’,5,5’-H6CB 6 2,557 6,84 245,1 277,0 2,83E-06 31,66 80,02 –9,379 –1,295 0,01 23 2,3,4,3’,4’-P5CB 5 2,514 6,32 229,7 260,5 2,442 29,73 75,22 –9,211 –1,142 0,0001 24 2,3,4,5,4’-P5CB 5 2,514 6,32 229,7 259,9 0,867 29,73 75,22 –9,203 –1,164 0,0005 25 2,4,5,3’,4’-P5CB 5 2,514 6,32 230,2 260,5 0,964 29,73 75,22 –9,220 –1,168 0,0001 26 3,4,5,2’,4’-P5CB 5 2,514 6,32 230,2 260,3 1,767 29,73 75,22 –9,242 –1,158 0,0001 27 2,3,4,5,3’,4’-H6CB 6 2,557 6,84 243,8 276,4 1,439 31,66 80,02 –9,310 –1,290 0,0005 28 2,3,4,3’,4’,5’-H6CB 6 2,557 6,84 243,8 276,5 1,719 31,66 80,02 –9,330 –1,276 0,0005 29 2,4,5,3’,4’,5’-H6CB 6 2,557 6,84 244,3 276,8 1,064 31,66 80,02 –9,336 –1,299 0,00001 30 2,3,4,5,3’,4’,5’-H7CB 7 2,597 7,36 257,9 292,8 0,704 33,59 84,83 –9,425 –1,414 0,0001 31 2,2’,3,3’,4,4’,5-H7CB 7 2,597 7,36 256,9 291,9 1,983 33,59 84,83 –9,372 –1,398 0,0001 32 2,2’,3,4,4’,5,5’-H7CB 7 2,597 7,36 257,5 292,3 0,741 33,59 84,83 –9,370 –1,412 0,00001 * Wartos´ci wspo´łczynnika ro´wnowaz˙nego toksycznos´ci TEF dla badanych PCDD, PCDF i PCB (wg WHO 1998).
Hanscha, leki odznaczaja˛ce sie˛ niskimi wartos´ciami log P nie maja˛ zdolnos´ci przenikania do fazy lipidowej i gromadzone sa˛ w jednej z pocza˛tkowych faz wodnych na drodze dystrybucji. Leki odznaczaja˛ce sie˛ zbyt duz˙a˛ lipofilownos´cia˛ wykazuja˛ tendencje˛ do silnego wia˛zania sie˛ z fazami lipidowymi i ograniczona˛ dystrybucja˛. Na tej podstawie wyznaczone zostały tak zwane optymalne wartos´ci log P dla ro´z˙nych grup leko´w (27). Koncepcja optymalnej wartos´ci logarytmu wspo´łczynnika podziału została po´z´niej uje˛ta matematycznie i sprawdzona na modelu kinetycznym ruchu cza˛steczek przez szereg faz wodnych przedzielonych barierami lipidowymi (28). Powinowactwo niejonowych substancji czynnych do tkanek o charakterze lipidowym jest wprost proporcjonalne do wartos´ci momentu dipolowego – (µ), w zwia˛zku z charakterem polarnym estro´w kwaso´w tłuszczowych. Podlegaja˛ce charakterystyce pochodne poddano wie˛c analizie teoretycznej w celu ustalenia wartos´ci parametro´w log P i µ oraz innych parametro´w hydrofobowych. W tym zakresie załoz˙ono ustalenie danych dotycza˛cych: rozmiaro´w cza˛steczki (obje˛tos´c´ (V), pole powierzchni (S)); polaryzowalnos´ci (α) oraz refrakcji molowej (RM). Istotnym dla prowadzonych badan´ stało sie˛ tez˙ ustalenie włas´ciwos´ci akceptorowo-donorowych cza˛steczek. Ten obszar włas´ciwos´ci badany był za pomoca˛ danych o energii orbitali HOMO i LUMO cza˛steczek. Obiecuja˛cym wydawał sie˛ szczego´lnie wskaz´nikεLUMO, opisuja˛cy włas´ciwos´ci akceptorowe cza˛steczki.
Przeprowadzono analize˛ regresji z TEF jako zmienna˛ zalez˙na˛ i oznaczonymi parametrami fizykoche-micznymi jako zmiennymi niezalez˙nymi. Zbadano macierz korelacji wewne˛trznych (przedstawiono tylko korelacje cza˛stkowe danych z TEF tab. II) i zmiennos´ci danych w grupach badanych zwia˛zko´w (tab. I). Ustalone macierze korelacji wykazały znaczny stopien´ podobien´stwa pomie˛dzy poszczego´lnymi parametrami hydrofobowymi (R = ok. 0,9). Stwierdzono ro´wniez˙ zro´z˙nicowana˛ i niska˛ korelacje˛ deskryptoro´w molekularnych z wartos´cia˛ toksycznos´ci wzgle˛dnej TEF (tab. II). Korelacja ta nie skłania do budowania matematycznych modeli regresji nawet w przypadku pochodnych PCDD (R = ok. 0,8) z powodu małej liczebnos´ci tej grupy (n = 8). Podje˛to wie˛c pro´be˛ analizy logicznej tendencji zmian i zakresu wartos´ci poszczego´lnych parametro´w w przedstawionych grupach przypadko´w.
T a b e l a II
Wartos´ci wspo´łczynnika korelacji pomie˛dzy parametrami fizykochemicznymi i toksycznos´cia˛ pochodnych PCDD, PCDF i PCB
T a b l e II
Values of coefficients of correlation between physicochemical parameters and toxicity of PCDD, PCDF and PCB derivatives
Zmienna niezalez˙na
Korelacje cza˛stkowe zmiennej zalez˙nej TEF PCDD TFE PCDF TFE PCB logM –0,83424 –0,47337 –0,13907 logP –0,81322 –0,48729 –0,15007 V –0,81291 –0,48305 –0,13252 S –0,80833 –0,44785 –0,10189 µ –0,20333 0,22803 –0,14741 α –0,81136 –0,48569 –0,15048 RM –0,81141 –0,48574 –0,15834 εHOMO 0,82828 0,36054 0,02373 εLUMO 0,79301 0,48100 0,13729
W kolejnych trzech grupach pochodnych parametry hydrofobowe stanowiły, zgodnie z oczekiwa-niem, zespo´ł cech silnie ze soba˛ skorelowanych. Obserwowano jednak ro´z˙nice zakresu wartos´ci odpowiednich parametro´w pomie˛dzy grupami.
Poro´wnano wartos´ci s´rednie wspo´łczynnika podziału (log P) wyznaczone w kolejnych grupach zwia˛zko´w aktywnych ze s´rednim efektem toksycznym. W grupie najmniej toksycznych pochodnych PCB s´rednia wartos´c´ log P wynosi 6,62. Grupe˛ bardziej toksycznych pochodnych PCDF charakteryzuje niz˙sza s´rednia wartos´c´ log P wynosza˛ca 5,87. Zwia˛zki pochodne PCDD nacechowane najsilniejszym efektem toksycznym spos´ro´d badanych 32 dioksyn (zw. 1 i 2) wykazuja˛ lipofilowos´c´ odpowiednio na
poziomie log P = 4,23 i 4,75. Zas´ cała grupa toksycznych PCDD ma wartos´c´ s´rednia˛ log P = 5,27. Wspomniec´ nalez˙y, z˙e wartos´ci log P wszystkich zwia˛zko´w 1-32 wskazuja˛ na znacza˛ca˛ lipofilowos´c´ i mieszcza˛ sie˛ w granicach 4,23 – 7,36. Na podstawie obserwacji, zwia˛zki o wysokiej wartos´ci log P staja˛ sie˛ mniej toksyczne. Jest to zwia˛zane ze zjawiskami ograniczonej dystrybucji silnie lipofilowych zwia˛zko´w. Działanie toksyczne znacznie słabnie wraz ze zwie˛kszaniem sie˛ liczby atomo´w chlorowca w cza˛steczce zwia˛zku. Atomy chlorowca podwyz˙szaja˛ lipofilowos´c´ pochodnych zgodnie z zasada˛ addytywnego charakteru tego parametru. Kaz˙dy kolejny atom chloru niesie ze soba˛ znacza˛ca˛ wartos´c´ dodatnia˛ sumarycznego wskaz´nika lipofilowos´ci: π o wartos´c´ 0,71 (29)); oktanol-woda 0,933 (30). W tabeli korelacji cza˛stkowych wykazano, z˙e lipofilowos´c´ jest zawsze odwrotnie proporcjonalna do wartos´ci TEF. Na tej podstawie uznac´ moz˙na, z˙e zmniejszenie lipofilowos´ci prowadzi do zwie˛kszenia efektu toksycznego zwia˛zko´w w grupie badanej. Nalez˙y jednak pamie˛tac´, z˙e grupy badanych pochodnych wykazywały ograniczony zakres znacznej lipofilowos´ci (log P = 4,23-7,36). Zasada niskiej lipofilowos´ci, sprzyjaja˛cej działaniu toksycznemu nie ma wie˛c charakteru uniwersalnego. Zapewne osia˛gnie˛cie granicznie niskiej wartos´ci log P, spowodowałoby odwro´cenie tej zalez˙nos´ci, wraz z ograniczeniem dystrybucji zwia˛zko´w w kierunku tkanek o wie˛kszej zawartos´ci tłuszczo´w. Na podstawie ograniczonych danych powiedziec´ moz˙na jedynie, z˙e dla grupy badanych pochodnych wartos´ci log P< 5 sprzyja działaniu toksycznemu.
Znacza˛cy wpływ lipofilowos´ci powia˛zany jest z polarnos´cia˛ niejonowa˛ pochodnych (µ). Wyz˙sza wartos´c´ momentu dipolowego zwie˛ksza powinowactwo zwia˛zko´w chemicznych do tłuszczo´w na zasadzie podobien´stwa do polarnych składowych grup estrowych tro´jglicerydo´w i nasila efekt lipo-filowy. Załoz˙ono, z˙e w badanej grupie zwia˛zko´w parametrµpowinien byc´ odwrotnie proporcjonalny do toksycznos´ci i poro´wnano trzy badane grupy.
Grupa pochodnych PCB o najmniejszej toksycznos´ci s´redniej cechuje sie˛ najwyz˙szym s´rednim wspo´łczynnikiem podziału log P = 6,62 i momentu dipolowegoµ= 1,27. Pochodne PCDF o wie˛kszej s´redniej toksycznos´ci zwia˛zana jest z niz˙sza˛ s´rednia˛ wartos´cia˛ log P = 5,87 i niz˙sza˛ s´rednia˛ wartos´cia˛ momentu dipolowego = 0,72. Pochodne PCDD, najbardziej toksyczne, wykazuja˛ najniz˙szy s´redni wspo´łczynnik podziału log P = 5,27 oraz najniz˙szy s´redni moment dipolowy = 0,52. Przedstawiona obserwacja jest jednoznaczna. Nasuwa sie˛ wniosek: tylko umiarkowane włas´ciwos´ci lipofilowe i polarne dioksyn decyduja˛ o ich toksycznos´ci. Przedstawione korelacji cza˛stkowe wskazuja˛ na bardzo małe statystyczne znaczenie momentu dipolowego dla poziomu działania toksycznego zwia˛zko´w. Po wprowadzeniu do ro´wnania matematycznego ro´wnoczes´nie obu parametro´w lipofilowos´ci (log P iµ) wzrost wspo´łczynnika korelacji jest niewielki. Interpretacja jest tu jednak bardzo utrudniona ze wzgla˛du na inne włas´ciwos´ci zwia˛zko´w uznane za znacza˛ce dla działania toksycznego, jak choc´by brak atomo´w chloru w połoz˙eniu orto- pochodnych bifenylu.
Kolejnym parametrem o charakterze hydrofobowym, kto´rego znaczenie dla działania toksycznego dioksyn wykazuja˛ cytowane wczes´niej opracowania (26), jest polaryzowalnos´c´. Jak ustalono parametr ten wpływa odwrotnie proporcjonalnie na efekt działania toksycznego. Analizuja˛c badane grupy pochodnych, poro´wnano s´rednie wartos´ci parametru – polaryzowalnos´c´ (α). Ustalono, z˙e w grupie pochodnych bifenylu o najniz˙szym poziomie toksycznos´ci spos´ro´d badanych grup, s´rednia wartos´c´ tego parametru hydrofobowego wynosi 30,83 A
˚
3. S´
rednia wartos´c´ tego parametru dla pochodnych PCDF jest wyz˙sza i wynosi 33,34. Najwyz˙sza˛ wartos´c´ s´rednia˛ osia˛ga polaryzowalnos´c´ w grupie dioksyn o najwie˛kszej toksycznos´ci. Fakt takiego poro´wnania s´rednichα w grupach zwia˛zko´w o ro´z˙nej budowie jest ryzykowny. Polaryzowalnos´c´ zwia˛zko´w jest bowiem s´cis´le skojarzona z wielkos´cia˛ cza˛steczek badanych zwia˛zko´w. Prowadzone obserwacje dotycza˛ jednak pochodnych o ro´z˙nej budowie. W tab. II widoczne jest, z˙e korelacje pomie˛dzy parametrem α i TEF jest zawsze odwrotnie proporcjonalna. W badaniach grupowych moz˙na powiedziec´ wie˛c jednoznacznie, z˙e wie˛ksza wartos´c´ α sprzyja mniejszej toksycznos´ci. Poro´wnanie mie˛dzygrupowe przeczy tej tezie, be˛da˛cej ro´wnoczes´nie załoz˙e-niem teoretycznym. Nasuwaja˛cy sie˛ tu wniosek brzmi: polaryzowalnos´c´ zwia˛zko´w badanych jest odwrotnie proporcjonalna do toksycznos´ci tych zwia˛zko´w. Stwierdzenie to powinno byc´ jednak ograniczone do wnioskowania na temat zwia˛zko´w chemicznych o podobnej budowie.Włas´ciwos´ci donorowo-akceptorowe dioksyn zwie˛kszaja˛ efektywnos´c´ interakcji tych zwia˛zko´w z receptorem Ah (26). Tak wie˛c wysoka wartos´c´ energii orbitalu LUMO powinna w znacza˛cy sposo´b wzmagac´ efekt toksyczny. Parametry zwia˛zane z energia˛ orbitali i włas´ciwos´ciami akceptorowo--donorowymi pochodnych moz˙na zdefiniowac´ podobnie do parametru polaryzowalnos´ci. Sa˛ one s´cis´le zwia˛zane z budowa˛ grupy pochodnych. Wpływaja˛ na oddziaływania o charakterze lokalnym, stanowia˛-cym o interakcji farmakodynamicznej. Zwykle nie pozwala to na wyznaczenie zakresu wartos´ci deskryptora uniwersalnego, z zastosowaniem dla dowolnej budowy zwia˛zko´w, w przeciwien´stwie do
parametru np. lipofilowos´ci, zwia˛zanego z farmakokinetycznym oddziaływaniem molekuł, opartym na fizycznym doste˛pie do s´rodowiska.
W analizowanym przypadku, podobnie do rozwaz˙an´ dotycza˛cych polaryzowalnos´ci, obserwujemy wyraz´ny brak spo´jnos´ci poro´wnywanych zjawisk. S
´
rednia wartos´c´ energii orbitalu LUMO –εLUMO– jest najmniejsza w grupie pochodnych PCDF i najwie˛ksza w grupie pochodnych PCB. Brak wie˛c powia˛zan´ z systematyka˛ toksycznos´ci mie˛dzygrupowej. Waz˙na˛ obserwacje˛ stanowia˛ jednak grupowe wspo´łczyn-niki korelacji pomie˛dzy TEF iεLUMO. We wszystkich przypadkach zalez˙nos´c´ pomie˛dzy tym parametrem i wzgle˛dna˛ toksycznos´cia˛ zwia˛zko´w w grupie, jest wprost proporcjonalna. Tak wie˛c wniosek kon´cowy brzmi: znaczna ujemna wartos´c´ energii orbitalu LUMO sprzyja zmniejszeniu toksycznos´ci w grupie zwia˛zko´w o podobnej budowie.WNIOSKI