Structure-function relationship between different types of carboxylic acid esters and their rates of enzymatic hydrolysis

Die Hydrolysierbarkeit von Carbonsäureestern, die als Aromastoffe und als Bestandteile von Lebensmittelverpackungsmaterial Bedeutung haben, spielt bei der toxikologischen Bewertung dieser Substanzen eine wichtige Rolle. Das Ziel der Studie war es, Struktur-Wirkungsbeziehungen aus der enzymatischen Hydrolyse von Carbonsäureestern in biologischem Material abzuleiten. Es wurden 15 Ester mit charakteristischen und für Aromastoffe relevanten Strukturmerkmalen ausgewählt: Ethylester mit linear unverzweigtem Acylrest verschiedener Kettenlänge (Ethylpropionat, -valerat, -heptanoat, -undecanoat und –myristat), Ethyl- und Benzylester mit verzweigtem und aromatischem Acyl- oder Alkylrest (Ethylisovalerat, Ethyl- und Benzyltiglat, Ethyl- und Benzylphenylacetat, Benzylsalicylat sowie Ethylcinnamat) sowie Ester mit identischer Summenformel und verschiedener chemischer Struktur (Methyloctanoat, Ethylheptanoat und Isoamylbutyrat). Voraussetzung für die Metabolisierung eines Stoffes ist seine Verteilung im Körper. In der ersten Projektphase wurden die Löslichkeitseigenschaften der Ester beurteilt. Anhand der Löslichkeit in Verbindung mit den errechneten Octanol/Wasser-Verteilungskoeffizienten konnten die hydrophoben Eigenschaften der untersuchten Ester beschrieben werden. Rattenplasma hydrolysierte die Ester im Vergleich zu Humanplasma um den Faktor 7 bis 10 (Ethyltiglat) und 34 bis 51 (Benzyltiglat) schneller. Die höchste Hydrolyseaktivität besaß Rattenleberhomogenat, das Ethyl- und Benzyltiglat 600-mal und 350-mal schneller als Rattenplasma hydrolysierte. Ethylundecanoat-, –myristat und –cinnamat sowie Benzylsalicylat und –tiglat wurden in Humanplasma langsam abgebaut. In Verbindung mit ihren hydrophoben Eigenschaften muss davon ausgegangen werden, dass diese Substanzen im Körper zirkulieren können und damit Tendenz zur Anreicherung gegeben ist. Die Ester wurden in drei Klassen eingeteilt, wobei Halbwertzeit und Quotient aus Maximalgeschwindigkeit und Michaelis-Menten-Konstante als Kriterien für die Hydrolysierbarkeit in Humanblutplasma herangezogen wurden: schnelle Hydrolysierbarkeit (Ethylvalerat, Isoamylbutyrat, Benzylphenylacetat, Phenylacetat (Referenzsubstanz)), mäßige Hydrolysierbarkeit (Ethylpropionat, Ethylheptanoat, Ethylisovalerat, Ethylphenylacetat) sowie langsame Hydrolysierbarkeit (Ethylundecanoat, Ethylmyristat, Ethyltiglat, Benzyltiglat, Ethylcinnamat, Benzylsalicylat). Die unterschiedlichen strukturellen Eigenschaften zeigten, dass grundsätzlich eine schnelle Hydrolyse von Carbonsäureestern in Blutplasma des Menschen nicht unterstellt werden kann. Mit der Möglichkeit einer langsamen Hydrolyse muss gerechnet werden, wenn Substanzen mit voluminösen Substituenten in der Nähe des sp2-hybridisierten Carbonylsauerstoffatoms (alpha–Position) zu finden sind. Dazu zählen insbesondere: Acylkettenlängen mit mehr als 4 Kohlenstoffatomen, iso-, sec- oder tert-Funktionen, aromatische Ringe mit polaren Gruppen wie 2-Hydroxy-Gruppen sowie trans-Doppelbindungen.Carboxylic acid esters are flavouring substances used in foodstuffs or food contact material. The hydrolysis of carboxylic esters is very important for their toxicological evaluation. The study describes the structure-activity effects of the enzymatic hydrolysis of carboxylic esters in biological substances. 15 substances with characteristic chemical structures of flavourings or substances in food contact materials were chosen: ethyl ester with various linear acylic residues of various length (ethyl propionate, -valerate, -heptanoate, undcanoate and myristate), ethyl and benzyl esters with different branched or aromatic acyl residues (ethyl isovalerate, ethyl and benzyl tiglate, phenylacetate, benzyl salicylate and ethyl cinnamate) and isomere substances (methyl octanoate, ethyl heptanoate and isoamyl butyrate). In order to be metabolised a substance has to be distributed throughout the organism. At first, we determend the solubility of the esters and their hydrophobic properties by calculating the octanol-water coefficient. Ester were hydrolyzed 10 – 51 times faster in rat plasma than in human plasma. The rate of hydrolysis of rat liver homogenat was 350 - 600 times faster than rat plasma. We determend a very slow hydrolysis in human plasma of ethyl undecanoate, myristate, cinnamate and benzyl salicylate and tiglate. Therefore, circulation of these substances and accumulation in the body are possible. The esters were classified by their hydrolysis rates in human plasma: fast hydrolysis (ethyl valerate, isoamyl butyrate, benzyl phenylacetate), moderate hydrolysis (ethyl propionate, heptanoate, isovalerate, phenylacetate) and slow hydrolysis (ethyl undecanoate, myristate, tiglate, cinnamate, benzyl tiglate and salicylate). By following functional groups a slow hydrolysis rate in human plasma can be estimate: voluminous functional groups near the sp² hybridisised carbonyl oxygen atom (alpha-position), straight-chain aliphatic saturated primary acyl residues, iso- sec- or tert-alcohol residues, aromatic residues with polar functional groups (2-hydoxy-residue) and trans-double bonds