Los bifenilos policlorados (PCB) (*1) se utilizaron ampliamente en productos industriales y comerciales, incluidos plásticos, pinturas, equipos electrónicos y fluidos aislantes. Su fabricación fue ampliamente prohibida a partir de finales de los años 70 debido a su toxicidad, sin embargo, aún quedan grandes cantidades en nuestro medio ambiente y se acumulan dentro de los cuerpos de los animales.

Los PCB quirales (*2) son PCB que tienen dos isómeros de imagen especular (*3); estos isómeros son reflejos idénticos entre sí con la misma composición. Los PCB quirales son particularmente peligrosos porque tienen más átomos de cloro, que son difíciles de descomponer para el cuerpo, por lo que pueden acumularse fácilmente en el cuerpo y sus isómeros se metabolizan de manera diferente, causando toxicidad específica del isómero (particularmente problemas de desarrollo neurológico). Sin embargo, el proceso detrás de este metabolismo selectivo no se conocía. Para abordar esto, un grupo de investigación ha revelado cómo las enzimas producidas por el cuerpo metabolizan de manera desigual los isómeros de imagen especular. Estos resultados permitirán estimar las vías de metabolismo y detoxificación de los PCB en animales. También contribuirán al desarrollo de tecnología para hacer predicciones sobre los isómeros espejo de los PCB quirales, de modo que podamos obtener una mejor comprensión de la toxicidad potencial en humanos y otros mamíferos.

Estos hallazgos fueron realizados por una colaboración de investigación multiinstitucional, que incluyó al Profesor Asociado INUI Hideyuki (Centro de Investigación de Bioseñales de la Universidad de Kobe), el Investigador Principal MATSUMURA ​​Chisato (Instituto de Ciencias Ambientales de la Prefectura de Hyogo), el Profesor YAMAMOTO Keiko y el Profesor ITOH Toshimasa (Universidad Farmacéutica de Showa). ), Profesor Asociado MORI Tadashi (Escuela de Graduados de Ingeniería de la Universidad de Osaka), y Profesor Visitante NAKANO Takeshi (Centro de Investigación para la Preservación Ambiental de la Universidad de Osaka).

Los resultados de esta investigación se publicaron en línea en las revistas académicas internacionales Environmental Science & Technology el 8 de julio y Chemosphere el 6 de septiembre de 2022.

Puntos principales

  • En el pasado, los PCB se utilizaron en una amplia gama de productos industriales y comerciales. Estos compuestos químicos altamente cancerígenos permanecen en nuestro entorno y se acumulan en el interior de los organismos
  • Los PCB tienen una toxicidad similar a la de las dioxinas y la investigación sobre el metabolismo de los PCB está avanzando
  • Sin embargo, la investigación aún tenía que descubrir cómo se metabolizan los isómeros de imagen especular de los PCB quirales
  • Los investigadores dividieron los dos atropisómeros (isómeros de imagen especular) que se encuentran en cada tipo de PCB quiral y los usaron como sustratos para las enzimas CYP (*4)
  • Aunque un par de atropisómeros son física y químicamente idénticos, hubo una gran diferencia en la medida en que se metabolizaron
  • Las diferencias en la inhibición de la unión de los aminoácidos CYP de cada atropisómero hacen que los atropisómeros se metabolicen de manera diferente
  • Estos hallazgos serán útiles para medir los atropisómeros de los PCB quirales, que se acumulan fácilmente dentro de los cuerpos de los animales

Antecedentes de la investigación

A pesar de que la fabricación y el uso de PCB se prohibieron hace unos 50 años, aún permanecen en el medio ambiente. Se ha descubierto que los PCB se acumulan dentro de los cuerpos de los humanos y otros animales a través del consumo de alimentos. En particular, los PCB con muchos enlaces de cloro son resistentes al agua y no se descomponen fácilmente. Esto permite que altas concentraciones de estos PCB se acumulen dentro de los cuerpos de los animales, lo que afecta negativamente a su salud. La toxicidad de los PCB es inducida por el receptor de hidrocarburo de arilo (AhR) (*5), lo que provoca efectos adversos similares al envenenamiento por dioxina (*6), como cáncer, teratogénesis y daño al sistema inmunitario. Se están realizando investigaciones sobre los tipos particulares de PCB ampliamente conocidos por causar estos efectos, que son PCB similares a las dioxinas con una sustitución de cloro orto en el anillo de bifenilo de su estructura química, o PCB sin sustituciones. Sin embargo, si un PCB tiene más de 3 sustituciones de cloro en la posición orto del anillo de bifenilo, se convierte en un isómero de imagen especular llamado PCB quiral. Estos PCB quirales no demuestran una toxicidad similar a la de las dioxinas, pero son mucho más peligrosos y se unen a los receptores de rianodina (RyR) en los organismos para volverse neurotóxicos. Los dos isómeros de imagen especular (llamados atropisómeros) en los PCB quirales tienen propiedades físicas y químicas idénticas y existen en una proporción de 1 :1 en los PCB quirales comerciales. Sin embargo, a menudo se observan proporciones sesgadas en el medio ambiente y en animales como las lombrices de tierra y las ballenas, así como en los humanos. Se cree que esta relación desequilibrada es causada principalmente por el metabolismo y que uno de los atropisómeros de PCB quirales se ve más afectado por la reacción metabólica, lo que reduce su concentración.

Sin embargo, se han realizado muy pocas investigaciones sobre las diferencias en cómo se metabolizan estos atropisómeros ni sobre la disposición estructural de las enzimas metabólicas.

Metodología de investigación

Para abordar esta brecha de conocimiento, el equipo realizó una investigación centrada en la enzima metabólica citocromo P450 (enzima CYP). La enzima CYP reacciona con compuestos extraños que ingresan al cuerpo de un animal (por ejemplo, sustancias químicas o contaminantes en los alimentos o medicamentos). CYP puede convertirlos en compuestos solubles en agua y promover su expulsión del cuerpo. Investigaciones anteriores de este grupo han demostrado que las enzimas CYP hidroxilan y decloran los PCB similares a las dioxinas. Esto disminuye la unión de los PCB con AhR y aumenta su solubilidad en agua, favoreciendo la expulsión del organismo y, por tanto, contrarrestando su toxicidad. En otras palabras, CYP es una enzima importante que determina si el cuerpo trata o no los PCB como compuestos tóxicos. Para medir la acción metabólica de CYP en PCB quirales, los investigadores establecieron un modelo de acoplamiento de PCB y enzima CYP. Usaron esto para estimar la estructura de los metabolitos de PCB y la estructura del CYP que decide metabolizar cada uno de los atropisómeros de PCB de manera diferente.

Para el experimento, el grupo seleccionó tres tipos de PCB quirales, cada uno con un número diferente de átomos de cloro sustituidos; CB45 (4 sustituciones de cloro), CB91 (5 sustituciones de cloro) y CB183 (7 sustituciones de cloro). Separaron los atropisómeros de cada tipo de PCB quiral mediante cromatografía y los dejaron reaccionar con una enzima CYP humana. Se cree que hasta ahora no se han realizado investigaciones sobre la separación de los atropisómeros y dejarlos reaccionar. Los resultados revelaron grandes diferencias en cómo se metaboliza cada atropisómero. Esto reveló que aunque los dos atropisómeros en un PCB tienen la misma composición física y química, son biológicamente diferentes. Los investigadores encontraron que uno de los atropisómeros de PCB quirales se metabolizaba más que el otro, alterando la proporción 1 :1. Además, se cree que la cantidad de atropisómero (aS)-CB183 disminuye porque se metaboliza más que el otro atropisómero, y esto está respaldado por los informes de baja acumulación de (aS)-CB183 en humanos.

Pero, ¿por qué estos atropisómeros física y químicamente idénticos son metabolizados de manera diferente por la enzima CYP? Para resolver este misterio, los investigadores utilizaron un modelo informático para investigar la facilidad con la que cada atropisómero quiral de PCB se une a la estructura química de CYP. Descubrieron que cuando un atropisómero llena la cavidad de unión al sustrato dentro de la enzima CYP, los aminoácidos de CYP (que forman la cavidad) interfieren con la unión entre CYP y el atropisómero.

Por lo tanto, el atropisómero que no interfiere con los aminoácidos de CYP se vuelve fácil de metabolizar (atropisómero (aR)-CB45 en CB45 y (aS)-CB183 en CB183), lo que da como resultado alteraciones en la proporción original de atropisómeros 1 :1. encontrado en PCB quiral.

Más investigación

Los resultados de esta investigación serán útiles para hacer predicciones sobre los atropisómeros de los PCB quirales, que se acumulan fácilmente en el interior del cuerpo de los animales. En otras palabras, será posible determinar qué atropisómero se reduce por la reacción metabólica con las enzimas CYP y qué atropisómero permanece dentro del cuerpo. La toxicidad de los PCB quirales se activa al unirse con RyR, sin embargo, la capacidad de unirse a RyR difiere entre los atropisómeros. Por tanto, esta investigación permitirá estimar la toxicidad de los PCB quirales.

Glosario

1. Bifenilo policlorado (PCB) : Compuesto químico con entre 1 y 8 átomos de cloro unidos a su anillo bifenílico. Hay 209 tipos de PCB, cada uno con estructuras diferentes. Hasta finales de la década de 1970, los PCB se fabricaban para su uso como aceite aislante y también se encontraban en una variedad de productos; sin embargo, su fabricación y uso se prohibieron en todo el mundo después de que se descubrió que eran altamente tóxicos. Los PCB con muchos enlaces de cloro no se descomponen fácilmente, por lo que quedan grandes cantidades en el medio ambiente y dentro de los organismos incluso casi 50 años después de que fueron prohibidos.

2. PCB quiral : Este es un PCB que tiene 3 o más sustituciones de cloro en la posición orto. Esta estructura inhibe la rotación del enlace que conecta los 2 anillos de benceno. También tiene 2 isómeros espejo (un par de atropisómeros). Hay 19 tipos de PCB quirales y, de acuerdo con las reglas de prioridad de Cahn-Ingold-Prelog, sus atropisómeros se denominan ‘aS’ y ‘aR’.

3. Isómero de imagen especular (enantiómero) : Un par de isómeros que son imágenes especulares no superponibles entre sí, ligeramente similares a sus manos izquierda y derecha. Los compuestos de carbono asimétricos tienen isómeros de imagen especular. Estos isómeros tienen las mismas propiedades físicas y químicas. En síntesis química, una mezcla racémica consta de una cantidad igual de cada isómero en una proporción de 1 :1.

4. Citocromo P450 monooxigenasa (enzima CYP) : Esta enzima metabólica se encuentra en la mayoría de los organismos; es responsable de la reacción de oxigenación en la ruta de biosíntesis de varios compuestos químicos en el cuerpo. Además de esto tiene una función desintoxicante; oxigena compuestos extraños en el cuerpo, lo que los hace solubles en agua y más fáciles de excretar.

5. Receptor : Estas son proteínas que se encuentran en las células del organismo que se unen a sustancias químicas y promueven o controlan la expresión del gen requerido para que el organismo responda a la sustancia química. Aparte del receptor de estrógeno (ER) que se une a la hormona femenina y el receptor de hidrocarburo de arilo (AhR) que se une a las dioxinas, existen muchos otros receptores conocidos para varias hormonas.

6. Dioxina : Las dioxinas se generan al incinerar basura a bajas temperaturas. Son difíciles de descomponer y persisten en el medio ambiente y dentro de los organismos durante un largo período de tiempo. Cuando las dioxinas ingresan al cuerpo de un animal a través de los alimentos, se unen a los AhR (receptores de hidrocarburo de arilo) dentro de las células y se activa la transcripción del gen para la enzima que desintoxica las dioxinas.

Este estudio fue apoyado por una subvención de ayuda para investigación exploratoria desafiante (número de subvención 25550064) de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia y el programa CREST de la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón (número de subvención JPMJCR2001).