Nova visão sobre como produtos químicos há muito banidos (PCBs) liberam sua toxicidade dentro do corpo – Strong The One

PCBs quirais (*2) são PCBs que possuem dois isômeros espelhados (*3); esses isômeros são reflexos idênticos um do outro com a mesma composição. Os PCBs quirais são particularmente perigosos porque têm mais átomos de cloro, que são difíceis de quebrar pelo corpo, então eles podem se acumular facilmente no corpo e seus isômeros são metabolizados de maneira diferente, causando toxicidade específica do isômero (particularmente problemas de neurodesenvolvimento). No entanto, o processo por trás desse metabolismo seletivo não era conhecido. Para resolver isso, um grupo de pesquisa iluminou como as enzimas produzidas pelo corpo metabolizam de forma desigual os isômeros da imagem espelhada. Esses resultados permitirão estimar as vias de metabolismo e desintoxicação de PCB em animais. Eles também contribuirão para o desenvolvimento de tecnologia para fazer previsões sobre isômeros espelho de PCBs quirais, para que possamos obter uma melhor compreensão da toxicidade potencial em humanos e outros mamíferos.

Essas descobertas foram feitas por uma colaboração de pesquisa multi-institucional, que incluiu o professor associado INUI Hideyuki (Kobe University Biosignal Research Center), o pesquisador principal MATSUMURA ​​Chisato (Hyogo Prefectural Institute of Environmental Sciences), o professor YAMAMOTO Keiko e o professor ITOH Toshimasa (Showa Pharmaceutical University ), Professor Associado MORI Tadashi (Escola de Engenharia da Universidade de Osaka) e Professor Visitante NAKANO Takeshi (Centro de Pesquisa para Preservação Ambiental da Universidade de Osaka).

Esses resultados de pesquisa foram publicados on-line em revistas acadêmicas internacionais Ciência e Tecnologia Ambiental em 8 de julho e quimiosfera em 6 de setembro de 2022.

Pontos principais

• No passado, os PCBs eram utilizados em uma vasta gama de produtos industriais e comerciais. Esses compostos químicos altamente cancerígenos permanecem em nosso ambiente e se acumulam dentro dos organismos.
• Os PCBs têm uma toxicidade semelhante à das dioxinas e a pesquisa sobre o metabolismo dos PCBs está avançando.
• No entanto, a pesquisa ainda não descobriu como os isômeros de imagem espelhada dos PCBs quirais são metabolizados.
• Os pesquisadores dividiram os dois atropisômeros (isômeros de imagem espelhada) encontrados em cada tipo de PCB quiral e os usaram como substratos para as enzimas CYP (*4).
• Embora um par de atropisômeros seja física e quimicamente idêntico, houve uma grande diferença na extensão em que foram metabolizados.
• As diferenças na inibição da ligação dos aminoácidos do CYP de cada atropisômero fazem com que os atropisômeros sejam metabolizados de forma diferente.
• Essas descobertas serão úteis para medir os atropisômeros de PCBs quirais, que se acumulam facilmente no interior dos corpos dos animais.

Histórico de pesquisa

Embora a fabricação e o uso de PCBs tenham sido proibidos há cerca de 50 anos, eles ainda permanecem no meio ambiente. Foi descoberto que os PCBs se acumulam dentro dos corpos de humanos e outros animais através do consumo de alimentos. Em particular, os PCBs com muitas ligações de cloro são resistentes à água e não se decompõem facilmente. Isso permite que altas concentrações desses PCBs se acumulem dentro dos corpos dos animais, o que afeta negativamente sua saúde. A toxicidade dos PCBs é induzida pelo receptor de hidrocarboneto arílico (AhR) (*5), causando efeitos adversos semelhantes ao envenenamento por dioxinas (*6), como câncer, teratogênese e danos ao sistema imunológico. Pesquisas estão sendo realizadas sobre os tipos específicos de PCB amplamente conhecidos por causar esses efeitos, que são PCBs semelhantes a dioxinas com um orto substituição de cloro no anel bifenilo de sua estrutura química, ou PCBs sem substituições. No entanto, se um PCB tiver mais de 3 substituições de cloro no orto posição do anel bifenilo, torna-se um isômero de imagem espelhada chamado PCB quiral. Esses PCBs quirais não demonstram toxicidade semelhante à dioxina, mas são muito mais perigosos, ligando-se aos receptores de rianodina (RyR) em organismos para se tornarem neurotóxicos. Os dois isômeros espelhados (chamados atropisômeros) no PCB quiral têm propriedades físicas e químicas idênticas e existem na proporção de 1:1 no PCB quiral comercial. No entanto, proporções tendenciosas são frequentemente observadas no meio ambiente e em animais como minhocas e baleias, bem como em humanos. Acredita-se que esta proporção desequilibrada seja causada principalmente pelo metabolismo e que um dos atropisômeros quirais do PCB seja mais afetado pela reação metabólica, reduzindo assim sua concentração.

No entanto, muito pouca pesquisa foi realizada sobre as diferenças em como esses atropisômeros são metabolizados nem no arranjo estrutural das enzimas metabólicas.

Metodologia de Pesquisa

Para resolver essa lacuna de conhecimento, a equipe realizou pesquisas com foco na enzima metabólica citocromo P450 (enzima CYP). A enzima CYP reage com compostos estranhos que entram no corpo de um animal (por exemplo, produtos químicos ou poluentes em alimentos ou medicamentos). O CYP pode convertê-los em compostos solúveis em água e promover sua expulsão do corpo. Pesquisas anteriores deste grupo mostraram que as enzimas CYP hidroxilam e descloram PCBs semelhantes a dioxinas. Isso diminui a ligação do PCB com o AhR e aumenta sua solubilidade em água, promovendo a expulsão do corpo e, portanto, neutralizando sua toxicidade. Em outras palavras, o CYP é uma enzima importante que determina se os PCBs são ou não tratados como compostos tóxicos pelo organismo. Para medir a ação metabólica do CYP no PCB quiral, os pesquisadores criaram uma enzima CYP e um modelo de ancoragem de PCB. Eles usaram isso para estimar a estrutura dos metabólitos do PCB e a estrutura do CYP que decide metabolizar cada um dos atropisômeros do PCB de maneira diferente.

Para o experimento, o grupo selecionou três tipos de PCB quirais, cada uma com um número diferente de átomos de cloro substituídos; CB45 (4 substituições de cloro), CB91 (5 substituições de cloro) e CB183 (7 substituições de cloro). Eles separaram os atropisômeros para cada tipo de PCB quiral usando cromatografia e os deixaram reagir com uma enzima CYP humana. Pensa-se que a pesquisa sobre a separação dos atropisômeros e deixá-los reagir não foi feita até agora. Os resultados revelaram grandes diferenças em como cada atropisômero é metabolizado. Isso revelou que, embora os dois atropisômeros em um PCB tenham a mesma composição física e química, eles são biologicamente diferentes. Os pesquisadores descobriram que um dos atropisômeros quirais de PCB foi metabolizado mais do que o outro, interrompendo a proporção de 1:1. Além disso, é pensado que a quantidade de (umS)-CB183 atropisômero diminui porque é metabolizado mais do que o outro atropisômero, e isso é apoiado pelos relatos de baixo acúmulo de (aS)-CB183 em humanos.

Mas por que esses atropisômeros fisicamente e quimicamente idênticos são metabolizados de maneira diferente pela enzima CYP? Para resolver esse mistério, os pesquisadores usaram um modelo de computador para investigar a facilidade com que cada atropisômero quiral de PCB se liga à estrutura química do CYP. Eles descobriram que quando um atropisômero preenche a cavidade de ligação ao substrato dentro da enzima CYP, os aminoácidos do CYP (que formam a cavidade) interferem na ligação entre o CYP e o atropisômero.

Portanto, o atropisômero que não é interferido pelos aminoácidos do CYP torna-se fácil de metabolizar (atropisômero (umR)-CB45 em CB45, e (umS)-CB183 em CB183), resultando em alterações na proporção original de 1:1 de atropisômeros encontrados em PCB quirais.

Mais pesquisa

Os resultados desta pesquisa serão úteis para fazer previsões sobre os atropisômeros de PCBs quirais, que se acumulam facilmente no interior do corpo dos animais. Em outras palavras, será possível descobrir qual atropisômero é reduzido pela reação metabólica com as enzimas CYP e qual atropisômero permanece dentro do corpo. A toxicidade do PCB quiral é ativada pela ligação com RyR, porém a capacidade de ligação com RyR difere entre os atropisômeros. Portanto, esta pesquisa permitirá estimar a toxicidade de PCBs quirais.

Glossário

1. Bifenil policlorado (PCB): Um composto químico com entre 1 a 8 átomos de cloro ligados ao seu anel bifenilo. Existem 209 tipos de PCB, cada um com estruturas diferentes. Até o final da década de 1970, os PCBs eram fabricados para uso como óleo isolante e também eram encontrados em uma variedade de produtos, porém sua fabricação e uso foram proibidos em todo o mundo após a descoberta de que são altamente tóxicos. PCBs com muitas ligações de cloro não se decompõem facilmente, então grandes quantidades permanecem no meio ambiente e dentro de organismos mesmo quase 50 anos depois de terem sido banidos.

2. PCB quiral: Este é um PCB que tem 3 ou mais substituições de cloro no orto posição. Essa estrutura inibe a rotação da ligação que conecta os 2 anéis de benzeno. Também possui 2 isômeros espelho (um par de atropisômeros). Existem 19 tipos de PCB quirais e de acordo com as regras de prioridade Cahn-Ingold-Prelog, seus atropisômeros são referidos como ‘umS’ e ‘umR’.

3. Isômero de imagem espelhada (enantiômero): Um par de isômeros que são imagens espelhadas não sobreponíveis um do outro, ligeiramente semelhantes às suas mãos esquerda e direita. Compostos de carbono assimétricos têm isômeros de imagem espelhada. Esses isômeros têm as mesmas propriedades físicas e químicas. Na síntese química, uma mistura racêmica consiste em uma quantidade igual de cada isômero na proporção de 1:1.

4. Monooxigenase do citocromo P450 (enzima CYP): Esta enzima metabólica é encontrada na maioria dos organismos – é responsável pela reação de oxigenação na via de biossíntese de vários compostos químicos no corpo. Além disso, tem função desintoxicante; ele oxigena compostos estranhos no corpo, o que os torna solúveis em água e mais fáceis de excretar.

5. Receptor: São proteínas encontradas nas células do organismo que se ligam a substâncias químicas e promovem ou controlam a expressão do gene necessário para que o organismo responda à substância química. Além do receptor de estrogênio (ER) que se liga ao hormônio feminino e do receptor de hidrocarboneto arílico (AhR) que se liga às dioxinas, existem muitos outros receptores conhecidos para vários hormônios.

6. Dioxina: As dioxinas são geradas pela incineração de lixo a baixas temperaturas. São difíceis de decompor e persistem no ambiente e no interior dos organismos por um longo período de tempo. Quando as dioxinas entram no corpo de um animal por meio de alimentos, elas se ligam aos AhR (receptores de hidrocarbonetos arílicos) dentro das células e a transcrição do gene para a enzima que desintoxica as dioxinas é ativada.

Este estudo foi apoiado por um Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research (número de concessão 25550064) da Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência e do programa CREST da Agência de Ciência e Tecnologia do Japão (número de concessão JPMJCR2001).