Transcript биотрансформация на съединения с естрогенна активност с

БИОТРАНСФОРМАЦИЯ НА
СЪЕДИНЕНИЯ С ЕСТРОГЕННА
АКТИВНОСТ
Презентация
на
Доц. Светлана Фоткова Георгиева, дф
Замърсяването
на
околната
среда
с
ксенобиотици е един от най-съществените
глобални
проблеми
на
съвременната
цивилизация.
Към групата на ксенобиотиците се отнасят и веществата
с естрогенна активност (ендокринни деструктори).
Ендокринният деструктор е екзогенно вещество,
което изменя функцията на ендокринната
система и предизвиква здравословни проблеми
в организмите, тяхното потомство и популация.
Тези вещества имитират, блокират или променят
ендогенните стероидни хормони и инхибират
хормоно-регулираните физиологични процеси.
Групата на веществата с естрогенна активност
обхваща различни класове химични съединения
включващи:
-
натурални и синтетични хормони;
фитоестрогени;
пестициди;
повърхностно-активни съединения;
хлорфеноли;
полициклични ароматни съединения;
алкилфенолни полиетоксилати;
фармацевтични и козметични средства и
други.
Пътят по който достигат ендокринните деструктори до
човешкия организам е следния:
Човек
Хищници
Зоопланктон
Фитопланктон
Ендокринни деструктори от натурални
източници или произведени от човешката
дейност, влизащи в трофичната и хранителна
верига
Естрогенните вещества имат два вида
действие:
1. Оказват антагонистичен ефект на
ендогенните хормони, тъй като
наподобяват по структура естрогените и
андрогените.
2. Нарушават синтеза и метаболизма на
ендогенните хормони и хормоналните
рецептори.
Веществата с естрогенни свойства действат по
различни механизми
Един от важните фактори, който трябва да бъде
определен е токсичността на веществото с естрогенна
активност.
-
-
-
Първият тип токсичност е тази, при която
естрогенът от околната среда се свързва с
естрогенния рецептор и води до естрогенен
отговор.
Втория тип токсичност е тази, при която самия
естроген може да предизвика токсичност по-силна
от първоначалната, която се очаква да показва.
Третия тип токсичност може да доведе до
небалансиран естрогенен отговор в атакуваната
тъкан
Биологичните ефекти на веществата с
естрогенна активност:
1.
2.
Канцерогенен ефект. Резултатите, получени от
райони със силно замърсени води съдържащи
полициклични ароматни въглеводороди,
полихлорирани бифенили и ДДТ показват висок
процент на чернодробни тумори (Meyers et al., 1994),
дължащи се на токсичното им действие.
Репродуктивен ефект. Установени са необичайни
промени в сексуалното развитие при влечуги и птици
(Fry, 1995) както и феминизиране на мъжки риби
подложени на въздействието на вещества с
естрогенна активност (Jobling et al., 1995).
Биологичните ефекти на веществата с
естрогенна активност:
3.Неврологични ефекти- полихлоринираните
бифенили, диоксините, хлоросъдържащите пестициди и
техните метаболити, някои метали, дитиокарбаматите,
синтетичните стероиди, тамоксифена, фитоестрогените и
триазиновите хербициди (Kavlock et al., 1996).
4.Имунологичен ефект- Има данни, че действието на
полихлоринирани бифенили, карбамати, органохлориди,
органометали, както и тежки метали върху човешкия и
животинския организъм предизвикват имунна супресия
или хиперфункция (Kavlock et al., 1996).
Пречистването на околната среда и най вече водите и почвата от попадналите в
нея естрогенно-действащи замърсители
е въпрос от особена важност!
Съществена роля за решаването на този социален,
научен, медицински и технологичен проблем има
използването на биологични агенти или тяхни
съставки, каквито са например микроорганизмите
и ензимите за ефективна биотрансформация на
ксеноестрогените до безвредни за биосферата
крайни метаболити.
Използването на имобилизирани ензими
за пречистване има редица предимства,
които включват:


ефективно елиминиране на ниски
концентрации на веществата с
естрогенна активност;
стабилност и многократното използване
на ензима и др.
Един от най-често използваните
имобилизирани ензими за постигане на
посочените цели е лакказата
продуцирана от Trametes versicolor
(ЕС 1.10.3.2, бензендиол: кислород
оксидоредуктаза).
Активната част на лакказата се състои от четири медни атома от три типа: Тип I,
Тип II и/или Тип III. Тип ІІІ съдържа 2 медни атома. Четирите медни атома се
различават един от друг по сигнала на електрон-парамагнитния им резонанс
(Gianfreda et al., 1999). Субстратите (феноли и ароматни или алифатни амини) се
окисляват от медния йон (тип І) до получаване на радикали, които след това водят
до образуването на димери, олигомери и полимери. Отделените електрони се
прехвърлят, вероятно чрез трипептида His-Cys-His, до тип ІІ и ІІІ частта, където
молекулният кислород се редуцира до вода (Messerschmidt, 1997).
Лакказно-катализиран редокси цикъл за
субстрати окислени в присъствие ( а) или
отсъствие (б) на химичен медиатор.
Основни характеристики на изходната
полипропиленовата мембрана
Дебелина на
мембраната
Ефективна пористост
150 μm
Среден размер на
порите
0.2 µm
90 %
Фиг. 1. Инфрачервени спектри на полипропиленовата мембрана(а) преди провеждане на химическа модификация;
(b) след обработка с хромена киселина;
(c) след обработка с етилендиамин.
Относителна активност в % и количество свързан белтък в
mg.cm-2 на имобилизирана лакказа от продуцентите Rhus
vernicifera и Trametes versicolor при определените оптимални
условия за имобилизация.
Продуцент
Оптимални условия за
на ензима
имобилизация
лакказа
Температу
Време,
Концентрац
ра, оС
часове
ия на
ензима,
mg.mL-1
Rhus
vernicifera
Trametes
versicolor
Количест Относите
во
лна
свързан активнос
белтък,
т, %
mg.cm-2
4
16
4
0.036
92
4
14
0.1
0.036
95
Сравнение на основните характеристики на ензима лакказа от
продуцентите Rhus vernicifera и Trametes versicolor имобилизиран върху
химически модифицирана полипропиленова мембрана.
Характеристики на имобилизираната лакказа
Имобилизационен ефект
наензима лакказа
Продуцент на ензима
Rhus vernicifera
Trametes
versicolor
92
95
0.036
0.036
рНопт
7.5
5.5
рНстаб
7.5
5.5
Топт, (оС)
50
53
Тстаб след 390 min, (Активност, % от max)
15
25
Съхранение при 4оС
49
70
Съхранение при 25оС
22
48
Степен на отстраняване на фенол на 30 min при изотермални
условия, (%)
36
40
Km, (mM)
0.36
0.17
Vmax, (µmoles.min-1)
0.25
0.33
21
45
Относителна активност, (%)
Количество свързан белтък, (mg.cm-2)
Стабилност във времето след
30-тия ден, (Активност, % от max)
Операционна стабилност след 12-тия цикъл, (Активност, % от max)
Биореактор за провеждане на биотрансформация на фенол и
фенолни производни с естрогенна активност
Принципна схема на неизотермален биореактор.
n-уплътнение;
ПП1, ПП2- перисталтични помпи;
С- събирателен съд;
T1,T2- термостати.
а)
б)
Разпределение на субстратния поток при изотермални (а) и
неизотермални условия (б)
- При изотермални условия (а) единствено субстратът се движи чрез дифузия.
- При неизотермални условия (б) температурният градиент формира два
допълнителни субстратни потока. Първият поток се нарича „термодифузионен
субстратен поток”, а вторият се нарича „преминал субстратен поток”. Тяхната
сума дава количеството преминал обем от субстрата от топлата към студената
част на работния обем на биореактора.
Биотрансформация на фенол в биореактор при
изотермални условия чрез имобилизирана лакказа от
продуцентите Rhus vernicifera и Trametes versicolor
Таблица 4. Биотрансформация на фенол (BTs(t)) при изотермални условия,
посредством имобилизирана лакказа от продуцентите Rhus vernicifera и
Trametes versicolor (T= 25oC, ΔТ= 0оС, 50 µМ субстратен разтвор и реакционно
време 30 min).
Продуцент на
Имобилизирана
лакказа
Rhus vernicifera
Trametes
versicolor
Време (min)
BTs (t) (%)
Средна
реакционна
скорост
(µmoles.min-1)
10
14
16
20
26
30
36
10
18
20
30
30
40
21
Химически структури на фенол и фенолни производни.
OH
OH
OH
OH
Cl
Фенол
2-хлорофенол
OH
3-хлорофенол
Cl
4-хлорофенол
Cl
HO
OH
OH
Cl
H3C
2,4-дихлорофенол
Cl
O
CH3
3,5-диметил-4-хлорофенол
Cl
CH3
3-метоксифенол
CH
4-ацетамидофенол
3
H3C
OH
NH
O
CH3
C
Cl
2-бензил-4-хлорофенол
HO
OH
Бисфенол А (2,2-бис(4-хидроксифенол)пропан)
OH
2-нонилфенол
Степента на биоремедиация на изследваните
фенол и заместени фенолни производни чрез
имобилизирана лакказа от продуцента Trametes
versicolor при изотермални условия нараства в
следния ред:
парацетамол < хлороксиленол < 3-метоксифенол
< хлорофен < 2-нонилфенол ≈ фенол ≈
4-хлорофенол < 3-хлорофенол < 2-хлорофенол
< бисфенол А < 2,4-дихлорофенол.
Температура на биореактора отчетена от
термодвойките при неизотермални условия и
Тav= 25оС.
ΔТ, оС
Тw, oC
Tc, oC
Tav=(Tw+Tc)/2, oC
0
25
25
25
10
30
20
25
20
35
15
25
30
40
10
25
Таблица 8. Биотрансформация на фенол и фенолни производни при неизотермални
условия при ΔТ=10, 20, 30оС, 50 µМ субстратен разтвор и реакционно време 30 min.
Субстрат
Време
(min)
∆T=10 °C
∆T=20 °C
∆T=30 °C
[S0-St]
(µM)
BTS (t)
(%)
[S0-St]
(µM)
BTS (t)
(%)
[S0-St]
(µM)
BTS (t)
(%)
Фенол
10
30
15
39
30
78
20
45
40
90
25
50
50
100
2-хлорофенол
10
30
18
45
36
90
23
50
46
100
27
50
54
100
3-хлорофенол
10
30
18
45
36
90
13
50
26
100
17
50
34
100
4-хлорофенол
10
30
12
35
24
70
16
42
32
84
19
50
38
100
2,4-дихлорофенол
10
30
20
50
40
100
24
50
48
100
30
50
60
100
3-метоксифенол
10
30
10
30
20
60
12
34
24
68
15
39
30
78
Бисфенол А
10
30
16
46
32
92
22
50
44
100
25
50
50
100
2-нонилфенол
10
30
12
35
24
70
15
33
30
66
18
50
36
100
3,5-диметил-4-хлорофенол
(хлороксиленол)
10
30
7
21
14
42
10
27
20
54
11
31
22
62
2-бензил-4-хлорофенол
(хлорофен)
10
30
9
32
18
64
12
38
24
76
15
45
30
90
4-ацетамидофенол
(парацетамол)
10
30
6
14
12
28
7
17
14
34
8
22
16
44
Стойности на времето за пълно субстратно окисление
при ΔТ=0, 10, 20 и 30оС.
Субстрат
τ0, ∆T=0°C
(min)
τ0, ∆T=10°C
(min)
τ0, ∆T=20°C
(min)
τ0, ∆T=30°C
(min)
Фенол
70.7
38.9
31.1
22,9
2-хлорофенол
62.5
32,9
25,7
19.7
3-хлорофенол
65.8
32.9
25.8
19.7
4-хлорофенол
71.4
41.9
34.0
26.3
2.4-дихлорофенол
44.3
28.7
20.5
16,7
3-метоксифенол
80.5
50.0
43.7
37.6
Бисфенол А
56.9
32.4
23.6
20.0
2-нонилфенол
71.4
42.4
34.9
27.7
3,5-диметил-4-хлорофенол
(хлороксиленол)
129.5
71.4
55.1
47.9
2-безил-4-хлорофенол
(хлорофен)
73,7
47,6
39,8
33,3
4-ацетамидофенол
(парацетамол)
250.0
102.8
83.3
71.4
Предвиждане и оценка на риска (устойчивост,
биоакумулиране и хронична токсичност) на
бисфенол A (структура майка)
и неговите микробни метаболити
(наблюдаван и прогнозиран) с помощта на моделите
на QSAR в PBT Profiler и в допълнение
предскзване на естрогенна активност на основната
структура и метаболитите на бисфенол А чрез
OECD (Q) SAR Application Toolbox.
Бисфенол А ( ВРА ) е промишлен химикал, който
се използва при производството на поликарбонати
и множество пластмасови изделия, тъй като
подобрява пластичността на суровините.
Последните изследвания показват, че той присъства в
множество продукти , включително пластмасова облицовка на
кутии използвани за съхранение на храни, бебешки бутилки,
силиконови беберони и съдове за хранене, влиза в състава на
т.нар. бели пломби и уплътнители използвани в
стоматологията.
Установено е, че дори и в много ниски
концентрации (например ррв) Бисфенол
А предизвика биологични ефекти- може
да имитира на женския полов хормон
естроген.
Методи за предвиждане и оценка на риска
(устойчивост, биоакумулиране и хронична токсичност)
на бисфенол A
1. PBT Profiler. PBT Profiler е инструмент за скринингниво, който осигурява оценки за устойчивост,
биоакумулиране и нивото на хронична токсичност при
риби. Той е проектиран да се използва, когато няма
налични данни.
PBT Profiler автоматично идентифицира химичните
съединения, които могат да бъдат устойчиви в околната
среда и биоакумулират в хранителната верига.
Химичните съединения се идентифицират посредством
последователност от стъпки и процедури публикувани от
Агенцията за опазване на околната среда (EPA).
Методи за предвиждане и оценка на риска
(устойчивост, биоакумулиране и хронична токсичност)
на бисфенол A
2.Критерии за устойчивост (Persistence criteria).
PBT Profiler се комбинира с критериите персистиране
във вода, почвата и седименти, като се изчислява
полуживотът на химичното съединение.
Ако резултата за персистиране е ≤ 2 месецахимичното съединение се определя като лесно
разградимо, респективно <6 месеца като устойчиво,
а когато изчисленият полуживот е ≥ 6 месеца като
много упорито.
Методи за предвиждане и оценка на риска
(устойчивост, биоакумулиране и хронична токсичност)
на бисфенол A
3.Критерии за биоакумулиране (Bioaccumulation
criteria). PBTProfiler се комбинира с биоакумулационните
критериите и когато BCF ≥ 1 000 химичното вещество се
характеризира като слабо биоакумулиращо, респективно
когато BCF <5000- средно биоакумулииращо и както BCF ≥
5000 като много биоакумулиращо.
4.Критерии за токсичност (Toxicity criteria).Тъй като
повечето химични вещества могат да доведат до хронична
токсичност при риби при комбинация с PBT Profiler са
установени следните критерии :
Fish ChV (хронична стойност)> 10 мг/л (ниска токсичност);
Fish ChV = 0,1-10 мг/л (средна токсичност);
Fish ChV <0.1 мг/л (висока токсичност).
Методи за предвиждане и оценка на риска
(устойчивост, биоакумулиране и хронична токсичност)
на бисфенол A
5.OECD (Q) SAR application toolbox. OECD (Q)SA R
Application Toolbox е софтуерна програма, използвана в
регулаторната токсикология за попълване на пропуските в
(еко) данни за токсичността. Тя включва различни модели
SAR и R QSA за оценяване на (еко) токсикологичните крайни
точки.
- [(Q) SARs] (Quantitative) Structure–Activity
Relationships са методи за оценяване свойства на дадено
химично вещество на база молекуляна структура и имат
потенциала да осигурят информация за риска, като
същевременно намаляват времето, паричните разходи и
експериментите с опитни животни.
Методи за предвиждане и оценка на риска
(устойчивост, биоакумулиране и хронична токсичност)
на бисфенол A
6.Observed microbial metabolism (Наблюдавано
микробен метаболизъм). Пътищата на разграждане на 200
химични вещества до получаване на въглерод и енергия,
посредством микроорганизми се съхраняват в специален
файлов формат, който позволява чрез компютърна симулация
да бъде получена информация за катаболитния микробен
метаболизъм при новосинтезирани или още не проучени
химични съединения.
7. Microbial metabolism simulator. Представлява CATABOL
симулатор на микробния метаболизъм.
Бисфенол А е средно персистиращ но не е
биоакумолативен. Токсичността на бисфенол А е с
умерена стойност Fish ChV ~ (0,1-10 мг/л).
Данни за метаболитите на
Бисфенол А установени
чрез Observed microbial
metabolism
и оценка на тяхната токсичност
чрез PBT Profiler
Данни за метаболитите
на
Бисфенол А установени
чрез Observed microbial
metabolism
и оценка на тяхната
токсичност
чрез PBT Profiler
Данни за метаболитите на
Бисфенол А установени чрез
[(Q) SARs] (Quantitative) Structure–
Activity Relationships и оценка на
тяхната токсичност
чрез PBT Profiler
Данни за метаболитите на
Бисфенол А установени чрез
[(Q) SARs] (Quantitative)
Structure–Activity Relationships и
оценка на тяхната токсичност
чрез PBT Profiler
Данни за метаболитите на
Бисфенол А установени чрез
[(Q) SARs] (Quantitative)
Structure–Activity Relationships и
оценка на тяхната токсичност
чрез PBT Profiler
ЗАКЛЮЧЕНИЕ:
През последните 50 години са натрупани много данни върху
вредния ефект на веществата с естрогенна активност.
Ниската им концентрация в околната среда затруднява
тяхното отстраняване чрез физични и химични методи за
пречистване на води.
Използването на имобилизирани ензими за тяхната
биотрансформация има редица предимства, като ефективно
отстраняване на ниски концентрации на токсични вещества,
многократното използване на ензима, лесната регенерация на
носителя чрез последващо имобилизиране на пресен ензим и
др.
Има недосатъчно експериментални данни за токсичността,
биоакумулацията и метаболитите на веществата с естрогенна
активност, което затруднява осъществяването на адекватната
им рискова оценка.
Благодаря Ви за
вниманието!
http://www.sterlitech.com/polypropylenebibliography