CC BY
8
гиена и санитария 6/2011
О Н. В. ХАРЧЕВНИКОВА, 3. И. ЖОЛДЛКОВА. 2011 УДК 614.7:547.532
Н. В. Харчевникова, 3. И. Жолдакова
ЗАВИСИМОСТЬ КАНЦЕРОГЕННЫХ СВОЙСТВ ПРОИЗВОДНЫХ БЕНЗОЛА ОТ СТРУКТУРЫ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ С УЧЕТОМ БИОТРАНСФОРМАЦИИ
ФГБУ НИИ экологии человека и г игиены окружающей среды им. А. Н. Сысина Мннздравсоцрачвигия РФ, Москва
С помощью оксеноидной модели действия цитохрома Р-450 и квантово-химических расчетов изучена зависимость канцерогенной активности производных бензола CJ1S-X и CJ-i^-XY от природы заместителей X, Y. Для одно- и двукратно замещенных бензолов методам модифицированного пренебрежения двухатомным перекрыванием (МПДП) рассчитаны значения АЕтт — минимальной для данного соединения разности полных энергий ареноксидного интермедиата OCJH}-X или OCJ1-XY с одним тетраэдрически координированным атомам углерода бензольного кольца относительно исходной молекулы замещенного бензола. Определено граничное значение параметра АЕ w отделяющее канцерогенные соединения от неканцерогенных. Для ни-трозамещенных бензолов классификация уточнена с использованием параметра, характеризующего биоактивацию через восстановление нитрогруппы с образованием фенилгидроксиламинов и затем нитрениевых ионов.
Ключевые слова: канцерогенность, прогноз, квантово-химическая модель, замещенные бензолы
N. V. Kharchevnikova, Z. I. Zholdakova - RELATIONSHIP OF THE CARCINOGENIC PROPERTIES OF BENZENE DERIVATIVES TO THE STRUCTURE OF THEIR SUBSTITUENTS IN TERMS OF BIOTRANSFORMATION
An oxenoid model ofthe effect ofcytochrome P450 and quantum chemical calculations were used to study a relationship of the carcinogenic activity of the benzene derivatives CH-X and CJl-XY to the nature of the substituents X and Y. For mono- and disubstituted benzenes, the methods based on the neglect of diatomic differential overlap was used to calculate the minimal values of AE for this compound, which is the minimum difference in the complete energies of the arenoxide intermediate OCJis-X or OCH-XY with one tetraedrically coordinated carbon atom in the benzene ring in reference to the initial molecule oj substituted benzene. The boundary value of the parameter AEmin, which separated cancerogenic compounds from noncancerogenous ones was determined. A classification for nitrosubstituted benzenes was clarified using the parameter characterizing bioactivation via nitro group reduction to form phenylhydroxylamines and then nitrenic ions.
Key words: carcinogenicity, prediction, quantum chemical model, substituted benzenes
Исследования канцерогенной активности химических веществ связаны с длительными, трудоемкими и дорогостоящими экспериментами на животных. Прогноз канцерогснности является актуальной задачей. Так, по информации из базы данных CPDBase и литературных источников [6,7], некоторые производные бензола обладают канцерогенной активностью.
Цель работы — изучение зависимости канцерогенное™ одно- и двукратно замещенных бензолов от природы заместителей на основе модели биотрансформации под действием цитохрома Р-450 и квантово-химических расчетов.
Материалы и методы
Для изучения зависимости скорости биотрансформации и токсичности замещенных бензолов от природы заместителей была использована так называемая оксеноидная модель. Согласно этой модели, под действием цитохрома Р-450 происходит разрыв связи О—О в молекуле кислорода с образованием активной атомарной кислородной частицы — оксена. Гипотеза состояла в том, что ключевой реакцией, запускающей процесс биотрансформации бензолов, является присоединение оксена к одному из атомов углерода бензольного кольца с образованием интермедиата ОС6Н5-Х с одним тетраэдрически координированным атомом углерода в бензольном кольце. Скорость биотрансформации и токсичность бензолов определяют стабильностью этого интермедиата относительно исходной молекулы С6Н5-Х.
Для ряда моно- и дизамещенных бензолов полуэмпирическим квантово-химическим методом модифицированного пренебрежения дифференциальным перекрыванием (МПДП) были
Харчевникова Н. В. — канд. хим. наук, ст. науч. сотр. лаб. эколо-го-гигиенического нормирования и прогнозирования токсичности веществ (kharchevnikova_n@mail.ru); Жолдакова 3. И. — д-р мед. наук, проф., вед. науч. сотр. лаб. эколога-гигиенического нормирования и прогнозирования токсичности веществ (labtox430@mail.ru)
рассчитаны полные энергии соединений и соответствующих ареноксидных интермедиатов [1,2,8]. Разность ДЕ между этими величинами — величина энергии активации реакции окисления. В ходе расчетов оптимизировали только геометрию заместителей. Структура искаженного бензольного кольца в интермедиа-тс ОС6Н,-Х взята из других работ [11 ]. Геометрию заместителей X и У в интермедиатах ОС6Н5-Х и ОС6Н,-ХУ принимали такой же, как в исходных молекулах С6Н5-Х и С6Н4-ХУ, значение ДЕтш для бензола — за ноль. Отрицательное значение ДЕтт отражает стабилизацию ареноксидного интермедиата соединения по отношению к ареноксидному интермедиату бензола. Положительные значения ДЕ^ соответствуют дестабилизации ареноксида.
Ранее было показано, что чем легче происходит образование интермедиата, тем выше острая токсичность соединения [1, 2, 8]. В данной работе модель, разработанная для прогноза интенсивности гидроксилирования замещенных бензолов, использована для построения модели прогноза канцерогенных свойств соединений этого ряда. Данные по канцерогснности взяты из базы данных СРОВаве [6] и ТОХЫЕТ [7].
Результаты и обсуждение
В табл. 1 приведена информация о наличии или отсутствии канцерогенной активности однократно замещенных бензолов и значения параметра ДЕЫп. Знак плюс соответствует наличию канцерогснности для крыс и/или мышей, знак минус указывает на отсутствие канцерогенности. Рассчитанные значения ДЕт.п находятся в интервале — 0,80 и 0,20 эВ.
Все соединения в табл. 2 могут быть разделены на две группы соответственно значениям ДЕтш.
(О Соединения с ДЕгаш менее 0,1УэВ. Окисление бензольного кольца в этих соединениях сильно активировано по сравнению с бензолом, фенолы должны образовываться легко. Все соединения этой группы не канцерогенны, и окисление бензольного кольца приводит, таким образом, к снижению канцерогенной активности.
Таблица 1
Энергии ЛЕ^, реакции образования ареноксндного интерме-диата и каицерогеиность однократно замешенных бензолов
Таблица 2
Энергии активации реакции образования ареноксидных интерме-диатов АЕ^ и канцерог енное! ь замещенных бензолов С4Н4-ХУ
X эВ Канцероге
ЫНС2Н5 -0,80 о -
мн2 -0,78 о -
он -0,68 о -
осн2сн3 -0,48 п -
ОСН, -0,39 п -
ОСОСН, -0,38 п -
ынсошсн, -0,37 п -
МНСОЫ(СН,)2 -0,34 п -
сд -0,17 п -
сн=сн2 -0,17 о +
и -0,14 о -
¡-с3н7 -0,11 п -
с3н, -0,08 п -
с2н5 -0,08 п +
сн3 -0,07 п +
СОСН, -0,070 м -
¡-с4н, -0,06 п -
сн2он -0,03 п -
н 0,00 +
сно 0,02 м -
соон 0,04 м -
С1 0,10 мп +
СС1, 0,10 м +
N0, 0,20 м +
П р имечанис. Здесь и в табл. 2 и 3 буквы о, м, п (орто, мета, пара) обозначают предпочтительное положение гидроксилирования.
(й) Соединения, для которых — 0,17 < ДЕт1 < 0,20 эВ, причем сам бензол С6Н6 находится в этой группе. Здесь окисление соединений только слабо активировано по отношению к бензолу, если ДЕтш < 0, или даже деактивировано, если ДЕтт > 0. В этой группе много канцерогенных соединений. Причиной этого является низкая скорость ароматического гидроксилирования. В ряду алкилпроизводных с X = СН,, С2Н5, С3Н7, ¡-С3Н7 и ьС4Н, только метил- и этилзамещенные бензолы обладают канцерогенной активностью, вероятно, потому что ферментное окисление длинной алкильной цепи служит еще одним механизмом биотрансформации, приводящей к снижению канцерогенное™.
В табл. 2 для 51 двукратно замещенного бензола СЬН4-ХУ, где X и У — С1, ЫН2, N0,, алкил, ОСН, и СЕ,, приведены минимальные для каждого Соединения значения ДЕ и сведения о канцерогенное™ из баз данных СРЭВаБС и ТОХЫЕТ.
Значения ДЕтш составляют от -0,83 до 0,55 эВ, т. е. в несколько более широком интервале, чем в случае монозаме-щенных бензолов (см. табл. 2). Соединения могут быть также разделены на две группы в соответствии со значениями ДЕт.п.
Исключением являются орго-, пара-дигидроксибензолы и пара-мстоксифснол, обладающие канцерогенной активностью, несмотря на низкую величину параметра ДЕтт. Известно, что канцсрогенность орто- и пара-дигидроксибензолов определяется образованием активных форм кислорода в ходе метаболизма этих дигидроксибензолов [14]. Как известно из органической химии [3], орто- и пара-дигидроксибензолы НО-С6Н4-ОН легко окисляются до хинонов 0=С6Н4=0. У лабораторных животных и человека это окисление происходит под действием пероксидаз [9]. Одноэлектронное восстановление хинонов НАДФН-цитохром Р-450 редуктазой приводит к образованию семихинонов 0=С6Н4=0. Семихиноны как анион-радикалы быстро реагируют с молекулярным кислородом с
№ п/п Соединение АЕ^,, эВ
1 2 3 4
1 п-Хлоранилин -0,83 -
2 о-Аминофснол -0,81 -
3 м-Аминофснол -0.8 -
4 Резорцин (мета-дигидроксибензол) -0,8 -
5 п-Аминофенол -0,73 -
6 о-Метил фенол -0,72 -
7 м-Метил фенол -0,7 -
8 м-Хлоранилин -0,69 -
9 м-Метоксифенол -0,69 -
10 о-Пропил фенол -0,66 -
И п-Хлорфенол -0,64 -
12 о-Аминобензотрифторид -0,63 -
13 п-Гидроксибензальдегид -0,61 -
14 м-Хлорофенол -0,60 -
15 п-Метиофенол -0,58 -
16 п-Пропилфенол -0,58 -
17 о-Хлорфенол -0,58 -
18 Катехин (орто-дигидроксибензол) -0,56 +
19 м-Аминобензотрифторид -0,52 -
20 о-Метоксифснол -0,52 +
21 о-Нитрофенол -0,51 -
22 п-Нитрофснол -0,48 -
23 Гидрохинон (пара-игидроксибснзол) -0,47 +
24 п-Аминобензотрифторид -0,41 -
25 п-Нитроанилин -0,41 -
26 м-Нитрофенол -0,39 -
27 п-Мстоксифенол -0,34 +
28 м-Нитроанизол -0,3 -
29 0-, м-, п-Ксилол -0,18 +
30 о-Этилтолуол -0,12 -
31 п-Нитроанизол -0,07 -
32 м-Хлортолуол 0,01 -
33 м-Дихлорбензол 0,02 -
34 п-Хлортолуол 0,03 -
35 о-Днхлорбснзол 0,07 -
36 о-Нитроанизол 0,007 +
37 п-Днхлорбензол 0,1 +
38 м-Хлорбензотрнфторид 0,11 -
39 о-Хлортолуол 0,11 -
40 м-Нитротолуол 0.13 -
41 д-Хлорбензотрифторид 0,14 -
42 о-Нитротолуол 0,17 +
43 о-Нитрозотолуол 0,21 +
44 о-Хлорбензотрифторид 0,20 -
45 п-Нитротолуол 0,24 +
46 м-Нитрохлорбснзол 0,26 -
47 м-Нитробснзотрнфторид 0,26 -
48 о-Ыитрохлорбензол 0,27 +
49 п-Нитрохлорбензол 0,37 +
50 п-Нитробензотрифторид 0,48 -
51 о- Н итробензотрифторн д 0,55 -
Канцсрогенность
образованием супероксиданионов О," и далее таких активных форм кислорода, как ОН [10]. Ортр- и пара-дигидроксибензо-лы считаются наиболее опасными метаболитами бензола. Заметим, что мета-дигидроксибензол — не канцероген, потому что это соединение не образует хиноны [3] и легко подвергается дстоксикации через гидроксилирование (ДЕт|п = -0,80 эВ). Канцерогенную активность пара-метоксибензола с ДЕтш = -0,37 эВ можно легко объяснить образованием канцерогенного пара-дигидроксибензола в ходе О-дсметилирования [8]. о-Метоксифснол (ДЕтп = -0,52 эВ) обладает канцерогенной активностью у крыс.Метаболитом о-мстоксифенола у крыс является канцерогенный орто-дигидроксибензол [2, 8].
Кроме гидроксилирования по бензольному кольцу, замещенные бензолы подвергаются биотрансформациям, включающим реакции боковых групп. Так, среди нитрозамещенных бензолов имеются как канцерогенные, так и неканцерогенные соединения (см. табл. 2). Мы предположили, что это различие
н?
гиена и санитария 6/2011
1чнон
N4+
ОМА-АРОиСТЭ
Рис. 1. Перегруппировка Бамбергера.
Реакции этерификации
о-Ацетилтрансфераза
Сульфотрансфераза
Фосфорилаза
МНОН
Р=
О
II
С—осн3
О
II
Э—О*
II о
о-I
р—о"
МН01Ч
ГЧН+
Рис. 2. Образование нитретиевых ионов в результате гетеролиза эфиров фенилгидроксиламинов.
связано с различной интенсивностью биоактивации через ферментативное восстановление нитрогруппы до фенилгидрокси-ламиновой группы с последующим образованием конечных канцерогенов — нитрениевых ионов. Предполагают [4, 5, 9, 13], что канцерогенная активность нитро- и аминобензолов определяется образованием нитрениевых ионов в ходе пере-
АЕ„
0,8
0,6
0,4
11
-0,8
13
ъ'
¿0,2 2 и1-
10
т-е-
-'-6,6
18
-0,4
-0,2
16
-0,2-
-0,4-
-0,6
23
21
Таблица
Энергии АЕт1п образования аренокендов, разность энергий нитрениевых ионов и фенилгидроксиламинов АЕ%и оценка канцерогенности нитро- и аминозамещенных бензолов
№ п/п Соединение ДЕ^, эВ ДЕ.,эВ Канцерогенность
I Нитробензол 0,20 0 +
2 м-Нитрохлорбензол 0,26 0,30 -
3 о-Нитрохлорбензол 0,27 0,20 +
4 п-Нитрохлорбензол 0,37 0,22 +
5 м-Нитробснзотрифторид 0,26 0,58 -
6 о-Нитробензотрифторид 0,55 0,71 -
7 п-Нитробснзотрифторид 0,48 0,81 -
8 о-Нитротолуол 0,17 -0,13 +
9 о-Нитрозотолуол 0,21 -0,13 +
10 м-Нитротолуол 0,13 -0,03 -
11 п-Нитротолуол 0,24 -0,12 +
12 п-Нитробензойная кислота 0,36 0,37 +
13 о-Нитроанизол 0,01 -0,59 +
14 п-Нитроанизол -0,07 -0,69 -
15 п-Нитроанилин -0,41 0,91 -
16 о-Нитрофенол -0,51 -0,53 -
17 м-Нитрофенол -0,39 0,15 -
18 п-Нитрофснол -0,48 -0,54 -
19 м-Нитроанизол -0,3 0,10 -
20 Анилин -0,78 0 -
21 о-Аминофенол -0,81 -0,53 -
22 м-Аминофснол -0,80 0,15 -
23 п-Аминофеиол -0,73 -0,54 -
24 о-Аминобензотрифторид -0,63 0,71 -
25 м-Амннобензотрифторид -0,52 0,58 -
26 п-Аминобензотрифторид -0,41 0,81 -
4 ▲
12 ▲
6.
7
—I— 0,2
0,4
19
17
0,6
25
-0,8 - 20 •
-1 л
22
д Канцерогены • Не канцерогены
Рис. 3. Канцерогенность нитро- и аминозамещенных бензолов в координатах параметров ДЕК и ДЕтт, эВ, характеризующих биоактивацию и детоксикацию в ходе метаболизма.
группировки Бамбергера (рис. 1), которой подвергаются общие для этих соединений метаболиты — фенилгидроксиламины, и гетеролиза эфиров фенилгидроксиламина (рис. 2). Нитрение-вые ионы способны связываться с ДНК. В качестве параметра, характеризующего канцерогенность амино- и нитрозамещен-ных бензолов, связанную с их биоактивацией в организме, мы использовали разность энергий нитрениевых ионов и фенилгидроксиламинов ДЕ„ = щедаг) - Е(С6Н4ЫНОН) [4]. Чем меньше эта разность, тем легче образуется нитрениевый ион. Значения параметра рассчитаны методом МПДП. За ноль энергии принято значение ДЕН для анилина (нитробензола).
Очевидно, значения параметра для амино- и нитрозамещенных бензолов совпадают, поскольку фенилгидроксиламины являются метаболитами как нитробензолов (на пути восстановления нитрогруппы), так и ароматических аминов (на пути Ы-окисления аминогруппы). Ранее для ряда ароматических аминов была установлена зависимость генотоксично-сти от ДЕМ, характеризующей относительную устойчивость двух последовательных метаболитов на пути биотрансформации аминогруппы — фенилгидроксиламинов и нитрениевых ионов [4,9].
Для нитро- и аминозамещенных бензолов из табл. 1 и 2 рассчитаны значения ДЕМ. В табл. 3 для этих соединений приведены оценка канцерогенности и значения ДЕЬ, и ДЕ^. Эти параметры характеризуют процессы биотрансформации с уча-
АЕ.
0,8
26
15
24
стием атомов углерода бензольного кольца и боковых групп.
На рис. 3 представлены данные о канцерогенности ни-тро- и аминозамещенных бензолов в координатах AEN— ДЕ^. Видно, что данные для канцерогенных и неканцерогенных соединений явно разделены (пунктирная линия). Действительно, неканцерогенные соединения расположены в области отрицательных значений AEmm, соответствующих высокой скорости гидроксилирования.
В области положительных значений AEmm канцерогенные соединения расположены при меньших значениях ДЕМ, соответствующих более высокой скорости образования нитрени-евых ионов.
Канцерогенные соединения локализуются в основном в области значений параметров AEmin > 0 и ДЕ < 0. Соединения 3 и 4 в области положительных значений AEN канцерогенны только при высоких дозах и только для мышей. Канцерогенный эффект соединения 12 обнаружен также только для высоких доз, и злокачественные опухоли первоначально локализуются только в одном органе у крыс-самок.
Для данных табл. 3 проведен линейный дискриминант-ный анализ с использованием программы MINITAB [12]. Каноническая дискриминантная функция имеет вид: D = 0,50 - 1,35AEn + 2,80 ДЕ^.
Значение X. составляет 0,601 (р < 0,01). С использованием предварительных вероятностей, пропорциональных размерам групп, получены следующие классификационные функции:
S, = -1,41 -0,71 ДЕ + 1,95 ДЕ .
S, = - 0,90 + 1,584 ДЕ - 2,80 ДЕ° .
2 ' * min ' mm
С использованием этих функций 84,6% соединений были правильно классифицированы по их канцерогенной активности.
Заключение
Таким образом, квантово-химические расчеты в рамках оксеноидной модели позволяют обосновать модели для про-
гноза не только острой токсичности, но и канцерогенности производных бензола. Биотрансформация ароматического гидроксилирования под действием цитохрома Р-450 снижает канцерогенную активность, но усиливает острую токсичность.
Литература
1. Кузнецов А. В. II Молекул, биол. — 1990. — Т. 23, вып. 5. — С. 1373—1380.
2. Кузнецов А. В. Прогнозирование токсичности и безопасных уровней воздействия производных бензола на основании квантово-химической модели биоактивации: Дис. ... канд. мед. наук. — М., 1990.
3. Роберте Д.. Касерио М. Основы органической химии. — М., 1968. —Т. 2.
4. Харчевникова Н. В., Жолдакова 3. И., Журков В. С. II Гиг. и сан. — 1998. — > 4. — С. 62—65.
5. Carcinogenic and mutagenic responses to aromatic amines and nitroarenes / Ed. С. M. King. — New York, 1988.
6. The carcinogenic potency database (CPDB) at http://potency. berkeley.edu/
7. Database toxnet at http://toxnet.nlm.nih.gov.
8. D yachkov P. N.. Kharchevnikova N. V., DmitrievA. V. et al. // Int. J. Quant. Chem. — 2007. — Vol. 107. — P. 2454—2478.
9. Ford G. P., Herman P. S. // Chem. Biol. Interact. — 1992. — P. 81—86.
10. Hochslein P. II Fundamen. Appll. Toxicol. — 1983. — Vol. 3, N4, —P. 215—217.
11. Korsekwa K.. Trager W., Gouterman M. et al. // J. Am. Chem. Soc. — 1985. — Vol. 107. — P. 4273-4279.
12. Program Minitab 14: http://www.minitab. com/
13. Sabbioni G. II Chem. Biol. Interact. — 1992. — Vol. 81. — P. 91—117.
14. Subrahmanvam V. V., Kolachana P., Smith M. Т. U Arch. Bio-chem. — 1991. — Vol. 286. — P. 76—84.
Поступила 12.04.11
Рецензии
@С М. Р ГЖЕГОЦКИЙ. Б. М ШТЛБСКИ 1, 2011 УДК 614.7:615.9(04932)
М Р. Гжегоцкий, Б. М. Ш> шбекий
Рецензия на монографию: Г. Н. Красовский, Ю. А. Рахманин, П. А. Егорова.Экстраполяции токсикологических данных с животных на человека. —
М.: ОАО «Издательство "Медицина"», 2009.
Львовский национальный медицинский ун-т им. Данилы Галицкого Минздрава Украины, Львов
Рецензируемая монография уникальна по своей тематике. Моделирование на животных взаимодействия организма и поступающих извне вредных или лекарственных веществ — классический метод токсикологии и фармакологии. Но именно в токсикологии, тем более в области гигиенического нормирования веществ, проблема переноса экспериментальных данных с животных на человека приобретает особую сложность и особую значимость. Существенно, что непременный этап контролируемого продвижения к человеку новых лекарств — клинические их испытания — остается родовой привилегией фармакологии и не имеет адекватного
Гжегоцкий М. Р. — чл.-кор. НАМИ Украины, проф. (gzhegotsky@meduniv.lviv.ua); Штабский Б. М. — проф.
представительства в "химической" гигиене. Этим, возможно, и объясняется методологическая разнородность и недостаточная мощность едва ли не всех известных приемов экстраполяции токсикологических данных — от логико-интуитивных (например, ориентация на виды животных, наиболее чувствительных к ядам) до оценок канцерогенного риска по изначально гипотетическим математическим моделям. Но и едва ли не все они либо вовсе абстрагированы от убедительной концептуальной основы, либо не удовлетворяют требованиям хорошей теории, необходимым признаком которой принято считать возможность предсказания новых фактов.
Иное дело, что подразумеваемая уникальность рассмагри-ваемой книги, присущая в целом материалу всех семи глав, не сводится к единичности монографического отображения проблемы. Она определяется авторским видением пгубинного общебиологического существа задачи, стоящей перед экспериментатором и продиктованной интересами химической безопасности человека. Отсюда, думается, и метааналитическая основательность подхода к ее решению и, скажем так, высокая научная "ссйсмоустоичивость" конструкции найденного способа самого решения, восходящего к докторской диссертации Г. Н. Красовского (1973) и развитого до завершенного алломе-трического (коррелирующего с массой тела) обобщения в совместном труде с Ю. А. Рахманиным и Н. А. Егоровой.
