Высшие полициклические углеводороды

Высшие полициклические углеводороды являются производными пере­работки нефти, природных газов, каменного и бурого угля; также могут образовываться при неполном сгорании самых разнообразных органических материалов.

В основе полициклических углеводородов лежит пространственное объединение нескольких бензольных колец, в зависимости от которого дан­ный тип соединений можно разделить на три группы: 1) линейные много­ядерные углеводороды, 2) углеводороды с ангулярным (т.е. угловым) распо­ложением бензольных ядер и 3) углеводороды с конденсированными бен­зольными, ядрами за счёт трёх и более углеродных атомов (Петров, Бальян, Трощенко, 1981).

Линейные многоядерные углеводороды. Образуются путём линейной конденсации бензольных ядер. Так, в ряду бензол - нафталин - антрацен бла­годаря циклической линейной конденсации колец бензола можно получить нафтацен, пентацен и гексацен.

Многоядерные углеводороды в настоящее время привлекают к себе всё большее внимание, так как являются распространённым сырьём в химиче­ской промышленности, и в то же время многие из них являются активными канцерогенными веществами.

Родоначальником группы канцерогенных полициклических углеводо­родов является бензантрацен (см.). Активен не сам бензантрацен, а его заме­щённые, особенно в мезо-положении. Наиболее распространёнными из ак­тивных канцерогенных соединений являются 10-метилбензантрацен, дибензантрацен, а особенно - бензпирен.

Бензпирен в настоящее время является одним из самых наиболее рас­пространённых (к примеру, только в США ежегодно выпускается в атмосфе­ру до 1300 т бензпирена) и опасных в канцерогенном отношении соединений, достаточно лишь 3-5 мг этого вещества, чтобы вызвать рак лёгких или кожи человека (Петров, Бальян, Трощенко, 1981). В связи с этим, чрезвычайно жёсткими являются требования к предельно допустимой концентра­ции (ПДК) бензпирена в атмосферном воздухе населённых пунктов всего 0,000001мг / м³ (Коробкин, Передельский, 2000).

Основными источниками бензопирена в атмосфере являются:

1) авто - и мототранспорт, механизмы, использующие органическое топливо;

2) сжигание (неполное сгорание) органических бытовых и производственных отходов;

3) нефтехимическая переработка, производство органического топ­лива;

4) табачный дым.

Для бензпирена, и для других канцерогенных полициклических угле­водородов характерны такие свойства, как сильно выраженный ароматиче­ский характер и склонность к реакциям замещения. Попадая в воздух, а из воздуха - в почву и воду, эти вещества образуют активные комплексы, кото­рые усваиваются растениями - продуцентами, и далее, по цепи питания - ор­ганизмами - консументами, к числу которых относится и человек. В челове­ческом организме полициклические углеводороды, кроме прямого канцеро­генного воздействия на клетки, также являются инициаторами образования новых химических комплексов, которые становятся уже внутриорганизменными источниками канцерогенных агентов, таких, как, например, холантрен.

Каков же механизм канцерогенного воздействия полициклических уг­леводородов на клетки человеческого организма?

В настоящее время уже получены многочисленные экспериментальные данные по этому вопросу (Голубев, Дильман, 1983; Благосклонный, 1985 -Дильман, 1986). Стало известно, что для возникновения онкозаболевания не­обходимо сочетание как минимум, трёх компонентов:

1) наличие в клеточном геноме специфических онкогенов, или протоонкогенов (участков цепи ДНК, переданных по наследству или из­менивших свои свойства под действием вирусов, ионизирующих излучений или химических агентов); таких онкогенов известно бо­лее 20 (Дильман, 1986);

2) появление специфических белков, или онкобелков, кодируемых он­когенами;

3) наличие трансформирующего фактора роста (ТФР), или онкофактора - конечного действующего элемента, запускающего ту серию из­менений, которая необходима для возникновения опухоли.

Именно в этой роли - трансформирующего фактора роста - и выступа­ет бензпирен, и родственные ему полициклические углеводороды. После по­падания на кожу или в лёгкие, эти вещества действуют на клетки подобно обычным гормонам - проникают в цитоплазму через рецепторы клеточных мембран. При этом создаётся впечатление, что никакой патологии не возникает: опухоли не появляются, а при микроскопическом исследовании клеток в них не обнаруживается каких-либо изменений. Однако, если после воздей­ствия канцерогеном на эти клетки попадут какие-то нейтральные вещества, сами по себе рак никогда не вызывающие, то через определённый промежу­ток времени обнаруживаются опухоли (Дильман, 1986).

Исходя, из этих экспериментов в процессе злокачественной трансфор­мации клетки были разграничены две стадии - стадия инициации, обуслав­ливаемая повреждающим влиянием канцерогена на клеточный генетический аппарат, и стадия промоции (продвижения), которая обуславливается дейст­вием многочисленных, поступающих в организм из внешней среды (или син­тезируемых в нём), нейтральных в канцерогенном отношении веществ, полу­чивших наименование промоторов.

Согласно экспериментальным данным, скрытый период между канцерогенной инициацией и клиническим выявлением опухолевого процесса составляет в среднем около 10 лет; однако в настоящее время уже известны случаи возникновения рака у детей (иногда даже внутри­утробно), а также в молодом возрасте после контакта с полицикличе­скими углеводородами (в частности, с бензпиреном).

Микотоксины.

Микотоксины (от греч. mukes – гриб и toxicon - яд) – это вторичные метаболиты микроскопических плесневых грибов, обладающие выраженными токсическими свойствами. Они не являются эссенциальными для роста и развития продуцирующих их микроорганизмов.

В настоящее время из кормов и продуктов питания выделено около 250 видов плесневых грибов, большинство из которых продуцирует высокотоксичные метаболиты, в том числе около 120 микотоксинов. Предполагают, что с биологической точки зрения микотоксины выполняют в обмене веществ микроскопических грибов функции , направленные на выживание и конкурентоспособность в различных экологических нишах.

С гигиенической позиции – это особо опасные токсические вещества, загрязняющие корма и пищевые продукты. Высокая опасность микотоксинов выражается в том, что они обладают токсическим эффектом в чрезвычайно малых количествах и способы весьма интенсивно диффундировать в глубь продукта.

В настоящее время ещё сформулирована единая классификация и номенклатура микотоксинов. В одних случаях в основу группового деления микотоксинов положена их химическая структура, в других – характер действия, в третьих - видовая принадлежность грибов- продуктов.

7.6.1. Афлатоксины.

Афлатоксины представляют собой одну из наиболее опасных групп микотоксинов, обладающих сильными канцерогенными свойствами .

В настоящее время семейство афлатоксинов включает четыре основных представителя ( Афлатоксины B₁, B₂, G₁, G₂) и ещё более10 соединений, являющихся производными или метаболитами основной (M₁, M₂, B_2a , G_2a, GM, P₁, Q₁ и др.).

По своей химической структуре Афлатоксины являются фурокумаринами.

Продуктами афлатоксинов является некоторые штаммы 2 видов микроскопических грибов: Aspegillus flavus (Link) и Asperillus parasiticus (Speare).

Афлатоксины обладают способностью сильно флуоресцировать при воздействии длинноволнового ультрафиолетового излучения. Это свойство лежит в основе всех физико-химических методов их обнаружения и количественного определения.

Афлатоксины слаборастворимы в воде (10-20 мкг/мл), нерастворимы в неполярных растворителях, но легко растворяются в растворителях средней полярности, таких как хлороформ, метанол и др.. В химически чистом виде они относительно нестабильны и чувствительны к действию воздуха и света, особенно к ультрафиолетовому облучению. Растворы афлатоксинов стабильны в хлороформе и бензоле в течение нескольких лет при хранении в темноте и на холоде.

Следует обратить внимание на то, что Афлатоксины практически не разрушаются в процессе обычной кулинарной и технологической обработки загрязненных пищевых продуктов.

Механизм действия афлатоксинов. Афлатоксины или их активные метаболиты действуют почти на все компоненты клетки. Афлатоксины нарушают проницаемость плазматических мембран. В ядрах они связываются с ДНК, ингибируют репликацию ДНК, ингибируют активность ДНК- зависимой РНК – полимеразы – фермента, осуществляющего синтез матричной РНК, и тем самым подавляют процесс транскрипции. В митохондриях афлатоксины вызывают повышение проницаемости мембран, блокирует синтез митохондриальных ДНК и белка, нарушают функционирование системы транспорта электронов, вызывая тем самым энергетический голод клетки. В эндоплазматическом ретикулуме под воздействием афлатоксинов наблюдаются патологические изменения: ингибируется белковый синтез, нарушается регуляции синтеза триглицеридов, фосфолипидов, холестерина. Афлатоксины оказывают прямое действие на лизосомы, что приводит к повреждению их мембран и высвобождению активных гидролитических ферментов, которые в свою очередь расщепляют клеточные компоненты.

Все вышеперечисленные нарушения приводят к так называемому метаболистическому хаосу и гибели клетки.

7.6.2. Трихотецены

В настоящее время известно более 40 трихотеценовых микотоксинов (ТТМТ).

В зависимости от структуры трихотеценового ядра ТТМТ делят на 4 группы: А, В, С, Д.

ТТМТ представляют собой бесцветные кристаллические химически стабильные соединения, плохо растворимые в воде. Микотоксины типа А растворимы в умеренно полярных растворителях (ацетон, этилацетат, хлороформ); типа В – в более полярных растворителях (метанол, этанол). В целом ТТМТ типа более токсичны, чем типа В, а соединения, относящиеся к типу Д, не смотря на наличие двух эпоксидных групп, малотоксичны. Они представлены токсинами Т-2 и дезоксиниваленолом.

Основные продуценты Т-2 токсина были выделены из кормов и продовольственного сырья, явившихся причиной алиментарных токсикозов у сельскохозяйственных животных и людей. К ним относятся: F. poae, F. acimination, F. sporotrichiodes, F. sulphureum, F.oxyspoum, F. tricinctum и F. solani.

Дезоксиниваленол (вомитоксин) продуцируется главным образом различными штаммами F. graminearum, F. culmorum, F. nivale.

Следует подчеркнуть, что один и тот же вид гриба – продуцента может синтезировать несколько ТТМТ.

Грибы рода Fusarium в естественных условиях интенсивно накапливают токсины при повышенной влажности ти пониженной температуре. Максимальный синтез токсина Т-2 наблюдается при 8-14⁰С; температурный оптимум для вомитоксина 24-27⁰С.

Наиболее подвержены заболеванию фузариоз пшеница, ячмень и другие колосовые культуры. Фузариозное зерно может быть использовано на продовольственные цели при содержании вомитоксина не более 1 мг/кг в сильной и твердой пшенице и до 0,5 мг/кг в мягкой пшенице. На кормовые цели зерно может быть использовано при ПДК вомитоксина не более 2 мг/кг.

ПДК Т-2 не должна превышать 0,1 мг/кг.

7.6.3.Микотоксины Alternaria

Микотоксины продуцируются микроскопическими грибами Alternaria. Токсигенные штаммы и продуцируемые ими токсины выявлены в основном в зерновых культурах, в семенах хлопчатника, цитрусовых, яблоках, томатах и продуктах их переработки.

По химической структуре микотоксины делятся на две группы: производные ксантона и антрахиноновые пигменты. Кроме того, из культур выделены два метаболита с неустановленной структурой - альтеротоксины 1 и 2 . Наиболее токсичны представители первой группы.

7.6.4.Эрготоксины

Основные действующие вещества из плодовых тел (склероциев) микрогриба спорыньи. Это гриб поражает 150 видов дикорастущих и культурных злаков : рожь, пшеницу, овес, ячмень и др. Всего в склероциях содержится около 50 химических соединений, по химической природе разделяющихся на производные лизергиновой кислоты и флавоноидные алкалоиды. Отравление наступает при попадании в пищеварительную систему вместе с зерном, мукой, пшеничным хлебом. При содержании их в зерне по массе 2% возможно массовое отравление. В процессе термообработки продукта содержание склероциев падает. Аналогично снижение эрготоксинов снижается в процессе хранения муки. В продовольственном сырье примесь склероциев спорыньи не допускается.

7.6.5. Зеараленон

Продуцентом зеараленона являются микроскопические грибы роды Fusarium. Представляет собой белое кристаллическое вещество, плохо растворимое в воде, хорошо растворимое в этаноле, ацетоне, метаноле и бензоле. Зеараленон обладает сине- зеленой флюоресценцией в ультрафиолетовом цвете. Максимальное токсинообразование наблюдается на зерновых субстратах при температуре сначала 22-25⁰С, а затем 15⁰С. При влажности более 25 % токсинообразование снижается. Часто обнаруживается вместе с другими микотоксинами: афлотоксином, Т-2, и др. Обнаруживается в зерне, силосе, кукурузе, овсе, сорго, кунжуте, в кукурузном масле и крахмале, и др. ПДК – 1 мг/кг продукта, В продуктах детского и функционального питания его присутствие не допускается.

7.6.6. Детоксикация загрязненных пищевых продуктов.

В настоящее время с целью детоксикации сырья, пищевых продуктов и кормов применяют комплекс мероприятий, которые можно разделить на механические, физические и химические методы детоксикации афлатоксинов. Механические методы детоксикации связаны с отделением загрязненного сырья(материалы) вручную или с помощью электронно-колориметрических сортировщиков. Физические методы основаны на достаточно жесткой термической обработке материала (автоклавирование), ультрафиолетовым облучением и озонированием. Химический метод предполагает обработку материала сильными окислителями. К сожалению каждый из перечисленных методов имеет свои недостатки: применение механических и физических методов не дает высокого эффекта, а химические методы проводят к разрушению не только афлатоксинов, но и полезных нутриентов.

Согласно данным ВОЗ, человек при благоприятной гигиенической ситуации потребляет с суточным рационом до 0, 19 мкг афлатоксинов. В России приняты следующие санитарно- гигиенические нормативы по афлатоксинам: ПДК афлатоксина В₁ для всех пищевых продуктов, кроме молока, составляет – 5 мкг/кг, для молока и молочных продуктов- 1 мкг/кг (для афлатоксина М₁- 0,5 мкг/кг). Допустимая суточная доза (ДСД)- 0,005- 0,01 мкг/кг масса тела.

Патулин и некоторые другие микотоксины.Микотоксины, продуцируемые микроскопическими грибами рода Penicillium, распространены повсеместно и представляют реальную опасность для здоровья человека. Патулин особо опасный микотоксин, обладающий канцерогенными и мутагенными свойствами.

По своей химической структуре Патулин представляет 4-гидроксифуропиран.

Основными продуктами патулина являются микроскопические грибы Penicillium patulum и Penicillium expansu. Но и другие виды этого рода микроскопических грибов, а также Byssochlamys Fulva и Bnivea способны синтезировать Патулин. Максимальное токсинообразование отличается при температуре 21-30^оС.

Биологическое действие патулина проявляется как в виде острых токсинов, так и в виде ярко выраженных канцерогенных и мутагенных эффектов. Биохимические механизмы действия патулина изучены недостаточно. Предполагают, что Патулин блокирует синтез ДНК, РНК и белков, причём блокирование инициации транскрипции осуществляется за счет ингибирования ДНК- зависимой- РНК- полимеразы. Кроме того, микотоксин активно взаимодействует с SH-группами белков и подавляют активность тиоловых ферментов.

Продуценты патулина поражают в основном фрукты и некоторые овощи, вызывая их гниение. Патулин обнаружен в яблоках, грушах, абрикосах, персиках, вишне, винограде, бананах, клубнике, чернике, голубике, бруснике, облепихе, айве, томатах. Наиболее часто патулином поражаются яблоки, где содержание токсина может доходить до 17,5 мг/кг.. Интересно, что патулин концентрируется в основном в подгнившей части яблока, в отличии от томатов, где он распределяется равномерно по всей ткани.

Патулин в высоких концентрациях обнаруживается и в продуктах переработки фруктов и овощей: соках, компотах, пюре и джемах. Особенно часто его находят в яблочном соке (0,02-0,4 мг/л). Содержание патулина в других видах соков: грушевом, айвовом, виноградном, сливовом, манго- колеблется от 0,005 до 4,5 мг/л. Интересным представляется то, что Цитрусовые и некоторые овощные культуры , также как картофель, лук, редис, редька, баклажаны, цветная капуста, тыква и хрен обладают естественной устойчивостью к заражению грибами-продуцентами патулина.

Среди микотоксинов, продуцируемых микроскопическими грибами рода Penicillium и представляющих серьезную опасность для здоровья человека необходимо выделить лютеоскирин, циклохлоротин, цитреовиридин, цитринин.

Лютеоскирин (продукт Penicillium islandicum)– желтое кристаллическое вещество, выделен из долго хранившегося риса, а также пшеницы, сои, арахиса, бобовых и некоторых видов перца. Механизм токсического действия связан с ингибированием ферментов дыхательной цепи (печени, почках, миокарде), а также в подавлении процессов окислительного фосфорилирования.

Циклохлоротин (продукт Penicillium islandicum)– белое кристаллическое вещество, циклический пептид, содержащий хлор. Биохимические механизмы токсического действия направлены на нарушение углеводородного и белкового обмена и связаны с ингибированием целого ряда ферментов. Кроме того, токсическое действие циклохлоротина проявляется в нарушении регуляции проницаемости биологических мембран и процессов окислительного фосфорилирования.

Цитреовиридин (продукт Penicillium citreo-viride)- желтое кристаллическое вещество, выделен из пожелтевшего риса. Обладает нейротоксическими свойствами.

Цитринин (продукт Penicillium citrinum)– кристаллическое вещество желтого цвета, выделен из пожелтевшего риса. Цитринин часто обнаруживается в различных зерновых культурах: пшенице, ячмене, овсе, ржи, а также кукурузе и арахисе. Кроме этого, незначительные количества цитринина были найдены в хлебобулочных изделиях, мясных продуктах и фруктах. Обладает выраженными нефротоксическими свойствами.