多環芳香族炭化水素

^{ナフタレン、アントラセン、コロネンなどのほとんどのPAHは平面構造である。この構造は、隣接する炭素原子のsp2}混成軌道が融合して形成されるσ結合が、炭素原子と同じ平面上にあることに起因する。これらの化合物は、分子の平面が対称面であるため、アキラルである。

まれに、PAHは平面構造ではない。場合によっては、非平面性は分子のトポロジーと炭素-炭素結合の剛性（長さと角度）によって強制されることがある。例えば、コロネンとは異なり、コランヌレンは結合応力を軽減するためにボウル型をとる。凹型と凸型の2つの可能な配置は、比較的低いエネルギー障壁（約11 kcal / mol）によって隔てられている。^{[ 13 ]} 

理論上、環状配列で6つの融合ベンゼン環を持ち、連続する環間で2つの末端炭素を共有するコロネンの構造異性体は51種類存在する。それらはすべて非平面であり、コロネンよりもかなり高い結合エネルギー（少なくとも130 kcal/molと計算されている）を持つ必要がある。2002年の時点では、それらのどれも合成されていなかった。^{[ 14 ]}

炭素骨格だけを考慮すると平面に見える他のPAHも、周辺の水素原子間の反発や立体障害によって歪んでいる可能性がある。4つの環が「C」字型に融合したベンゾ[ c ]フェナントレンは、両端の2つの環の最も近い水素原子のペア間の反発により、わずかにらせん状に歪んでいる。^{[ 15 ]}この効果はピセンの歪みも引き起こす。^{[ 16 ]}

ジベンゾ[ c , g ]フェナントレンを形成するために別のベンゼン環を追加すると、2つの両端の水素原子間に立体障害が生じる。 ^{[ 17 ]}同じ方向にさらに2つの環を追加すると、 2つの両端の環が重なり合うヘプタヘリセンが得られる。^{[ 18 ]}これらの非平面構造はキラルであり、そのエナンチオマーを単離することができる。^{[ 19 ]}

ベンゼノイド炭化水素は、分子が基本的に平面で、すべての環が6員環である、縮合した多環不飽和完全共役炭化水素として定義されています。完全共役とは、すべての炭素原子と炭素-炭素結合がベンゼンのsp2構造を持つことを意味します^。このクラスは主に代替PAHのサブセットですが、トリアングレやヘプタセンのような不安定な化合物や仮説上の化合物も含まれると考えられています。^{[ 19 ]}

2012年時点で、300種類以上のベンゼノイド炭化水素が単離され、特性が明らかにされている。^{[ 19 ]}

PAHは非極性で親油性です。PAHは一般的に水に溶けにくいですが、一部のPAHは水に溶けます。^{[ 27 ] [ 28 ]}また、PAHの大きいものは有機溶媒や脂質にも溶けにくいです。ペリレンなどのPAHの大きいものは、強い色をしています。^{[ 19 ]}

多環芳香族化合物は、アルカリ金属で処理すると特徴的にラジカルとアニオンを生成する。大きなPAHはジアニオンも形成する。^{[ 29 ]}酸化還元電位はPAHのサイズと相関する。

環境中のPAHの主な発生源は人間の活動によるもので、木材の燃焼や糞や作物残渣などのバイオ燃料の燃焼が、世界の年間PAH排出量の半分以上を占めており、特にインドと中国でのバイオ燃料の使用が大きな要因となっている。 ^{[ 32 ] [ 33 ]} 2004年時点では、工業プロセスと化石燃料の採掘と使用が世界のPAH排出量の4分の1強を占めており、米国などの工業国で排出量が支配的となっている。^{[ 32 ]}

ギリシャのアテネで1年間実施されたサンプリング調査では、都市部のPAH大気汚染の3分の1（31%）が、ディーゼルや石油（33%）、ガソリン（29%）と同様に、薪の燃焼によって引き起こされていることが判明しました。また、薪の燃焼は、他の発生源と比較して、年間PAH発がんリスク（発がん性）のほぼ半分（43%）を占めており、特に大気拡散が低い場合、冬季のPAH濃度は他の季節の7倍高いことも判明しました。^{[ 34 ] [ 35 ]}

タバコの喫煙や薪の燃焼など、低温燃焼では低分子量のPAHが生成される傾向があるのに対し、高温の工業プロセスでは一般的に高分子量PAHが生成される。^{[ 36 ]}お香も発生源の一つである。^{[ 37 ]}

PAHは通常、複雑な混合物として存在する。^{[ 38 ] [ 36 ]}

ほとんどのPAHは水に不溶性であるため、環境中での移動性が制限されますが、PAHは微細な有機物に富む堆積物に吸着します。^{[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]} PAHの水への溶解度は、分子量の増加に伴ってほぼ対数的に減少します。^{[ 60 ]}

2環PAH、そして程度は低いものの3環PAHは水に溶けやすく、生物による取り込みや分解を受けやすい。^{[ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]}さらに、2～4環PAHは十分に揮発し、大気中には主に気体として現れるが、4環PAHの物理状態は温度によって変化する可能性がある。^{[ 62 ] [ 63 ]}対照的に、5環以上の化合物は水への溶解度と揮発性が低く、そのため主に固体状態で存在し、粒子状大気汚染物質、土壌、または堆積物に結合している。^{[ 59 ]}固体状態では、これらの化合物は生物による取り込みや分解を受けにくく、環境中での残留性が高まる。^{[ 60 ] [ 52 ]}

人間の曝露は世界中で異なり、喫煙率、調理用燃料の種類、発電所、工業プロセス、車両に対する汚染対策などの要因に依存します。^{[ 38 ] [ 32 ] [ 64 ]}大気汚染と水質汚染の規制がより厳しく、調理用燃料がよりクリーンな（つまり、石炭やバイオ燃料ではなくガスや電気）、公共の場での喫煙が禁止されている先進国では、PAH 曝露レベルが低い傾向があり、発展途上国や未開発国ではレベルが高い傾向があります。^{[ 38 ] [ 32 ] [ 64 ]} 手術煙には、いくつかの独立した研究で PAH が含まれていることが証明されています。^{[ 65 ]}

家庭での調理や暖房のために石炭やバイオ燃料などの固体燃料を燃やすことは、 PAH排出の世界的な主な発生源であり、発展途上国では、特に家庭や調理に多くの時間を費やす女性や子供にとって、PAHを含む室内粒子状空気汚染への高レベルの曝露につながっています。^{[ 32 ] [ 66 ]}

乗用車やトラックなどの車両からの排出物は、粒子状大気汚染物質中のPAHの重要な屋外発生源となる可能性がある。^{[ 38 ] [ 32 ]}地理的には、主要道路はPAHの発生源であり、大気中に拡散したり、近くに沈着したりする可能性がある。^{[ 67 ]}触媒コンバーターは、ガソリン車からのPAH排出量を25分の1に削減すると推定されている。^{[ 38 ]}

人々は、化石燃料やその派生物の使用、薪の燃焼、炭素電極、ディーゼル排気ガスへの曝露によって職業的に曝露されることもあります。^{[ 68 ] [ 69 ]} PAH を生成および流通させる可能性のある産業活動には、アルミニウム、鉄、鋼の製造、石炭ガス化、タール蒸留、シェールオイル抽出、コークス、クレオソート、カーボンブラック、炭化カルシウムの製造、道路舗装およびアスファルト製造、ゴムタイヤ製造、金属加工油の製造または使用、石炭または天然ガス発電所の活動が含まれます。^{[ 38 ] [ 68 ] [ 69 ]}

工業国では、タバコ製品を喫煙する人、または受動喫煙にさらされる人が最も曝露量の多いグループに含まれます。喫煙者の家庭では、タバコの煙が室内PAH濃度の90%を占めています。 ^{[ 64 ]}先進国の一般の人々にとって、PAH曝露の主な原因は食事であり、特に肉を燻製またはグリルしたり、植物性食品、特に広葉野菜の成長中に付着したPAHを摂取することによるものです。^{[ 70 ]}また、焦がした樽で熟成させたアルコール、ピートスモークで風味付けしたアルコール、または焙煎した穀物で作られたアルコールを飲むことによっても曝露されます。^{[ 71 ]}飲料水中のPAH濃度は通常低濃度です。^{[ 64 ]}

PAH は通常、都市部や郊外の非点源から道路流出、下水、大気循環、それに続く粒子状大気汚染物質の沈着によって拡散します。^{[ 72 ] [ 50 ]} クレオソート製造施設などの工業用地付近の土壌や河川堆積物は、PAH で高度に汚染されている可能性があります。 ^{[ 38 ]}石油流出、クレオソート、石炭採掘粉塵、その他の化石燃料源も、環境中に PAH を拡散させる可能性があります。^{[ 38 ] [ 73 ]}

2環および3環のPAHは、水に溶解しているとき、または大気中で気体として広範囲に拡散する可能性がある一方、分子量の大きいPAHは、粒子が水柱から沈降するまで、空気中または水中に浮遊する粒子状物質に付着して局所的または地域的に拡散する可能性がある。^{[ 38 ]} PAHは有機炭素に対する親和性が高いため、河川、湖沼、海洋の有機物含有量の多い堆積物は、PAHの大きなシンクとなる可能性がある。^{[ 67 ]}

英国地質調査所は、グレーターロンドンの76か所の都市土壌における親化合物およびアルキル化化合物を含むPAH化合物の量と分布を報告した。^{[ 74 ]}この研究では、親化合物（16 PAH）の含有量は4～67  mg/kg（乾燥土壌重量）の範囲であり、平均PAH濃度は18  mg/kg（乾燥土壌重量）であったのに対し、総PAH含有量（33 PAH）は6～88  mg/kgの範囲であり、フルオランテンとピレンが一般的に最も豊富なPAHであったことが示された。^{[ 74 ]}親PAHの中で最も毒性の高いベンゾ[ a ]ピレン（B a P）は、環境評価の重要なマーカーPAHとして広く考えられている。^{[ 75 ]}ロンドンの都市部におけるB a Pの通常のバックグラウンド濃度は6.9  mg/kg（乾燥土壌重量）であった。^{[ 74 ]}ロンドンの土壌には、石炭や石油の燃焼、交通由来の粒子状物質などの燃焼や熱分解源を示す、より安定した4～6環のPAHが含まれていました。しかし、全体的な分布は、ロンドンの土壌中のPAHが風化を受け、揮発や微生物による生分解などのさまざまな堆積前および堆積後のプロセスによって変化したことを示唆しています。

英国における湿原植生の管理された燃焼は、泥炭表面に組み込まれるPAHを生成することが示されている。^{[ 76 ]}ヒースなどの湿原植生の燃焼は、当初、表面堆積物中の4～6環PAHに比べて2環および3環PAHを多く生成するが、低分子量PAHが生物分解および光分解によって減衰するにつれて、このパターンは逆転する。^{[ 76 ]}主成分分析（PCA）などの統計的手法を用いたPAH分布の評価により、この研究は発生源（燃焼した湿原）から経路（懸濁した河川堆積物）を経て堆積シンク（貯水池底）に至ることを明らかにした。^{[ 76 ]}

河川や河口の堆積物中の PAH の濃度は、都市や産業の排水地点からの距離、風向、主要な都市道路からの距離、淡水排出に比べて一般的にきれいな海洋堆積物の希釈効果を制御する潮汐体制など、さまざまな要因によって変化します。^{[ 72 ] [ 77 ] [ 78 ]}その結果、河口の汚染物質の濃度は河口で減少する傾向があります。^{[ 79 ]} PAH は懸濁物や堆積物を食べる生物の健康に影響を与える可能性があるため、河口の堆積物中に存在する PAH を理解することは、商業漁業(ムール貝など) や一般的な環境生息地の保全にとって重要です。^{[ 80 ]}英国の河川や河口の表面堆積物は、 表面から 10～60 cm 下に埋まっている堆積物よりも PAH 含有量が低い傾向があります。これは、現在の産業活動の低下と、PAH に関する環境法の改善が相まって反映されています。^{[ 78 ]}英国の河口域における典型的な PAH 濃度は、クライド川では約 19 ～ 16,163  µg/kg (乾燥堆積物重量) 、マージー川では626 ～ 3,766 µg/kg の範囲である。^{[ 78 ] [ 81 ]}一般的に、天然の全有機炭素含有量 (TOC) が高い河口域の堆積物は、有機物の吸着能力が高いため、PAH を蓄積する傾向がある。 ^{[ 81 ]} PAH と TOC の同様の相関関係は、中国南部沿岸に位置する熱帯マングローブの堆積物でも観察されている。 ^{[ 82 ]} 

PAHは、確立された動物モデル研究において、皮膚がん、肺がん、膀胱がん、肝臓がん、胃がんとの関連が指摘されている。 ^{[ 83 ]}さまざまな機関によってヒト発がん性物質の可能性のあるもの、または可能性が高いものとして分類されている特定の化合物は、以下の「規制と監督」のセクションで特定されている。

歴史

歴史的に、PAHは化学発がんを含む環境汚染物質への曝露による健康への悪影響についての理解に大きく貢献した。^{[ 84 ]} 1775年、ロンドンのセント・バーソロミュー病院の外科医パーシバル・ポットは、陰嚢がんが煙突掃除夫に異常に多いことに気づき、その原因を職業上の煤への曝露であると提唱した。 [ ^{85 ] 1}世紀後、リヒャルト・フォン・フォルクマンはドイツのコールタール産業の労働者の皮膚がんの増加を報告し、1900年代初頭には煤とコールタールへの曝露によるがんの増加率が広く受け入れられていた。1915年、山川と市川は、ウサギの耳にコールタールを局所的に塗布することで、特に皮膚がんを実験的に初めて発生させた。^{[ 85 ]}

1922年、アーネスト・ケナウェイは、コールタール混合物の発がん性成分が炭素と水素のみからなる有機化合物であることを突き止めた。この成分は後に、ベンズ[ a ]アントラセン（後に腫瘍を引き起こすことが実証されたPAH）に似ているが同一ではない特徴的な蛍光パターンと関連付けられた。^{[ 85 ]}クック、ヒューエット、ハイガーは、ベンゾ[ a ]ピレンの特定の分光学的蛍光プロファイルをコールタールの発がん性成分のものと関連付けた。^{[ 85 ]}これは、環境混合物（コールタール）からの特定の化合物が発がん性であることが初めて実証された事例である。

1930年代以降、リチャード・ドールをはじめとする日本、英国、米国の疫学者らは、コークス炉や石炭炭化・ガス化工程の労働者がPAHを多く含む環境に職業的に曝露された後に肺がんによる死亡率が高くなったことを報告した。^{[ 86 ]}

発がんのメカニズム

PAHの構造は、個々の化合物が発がん性を持つかどうか、またどのように発がん性を持つかに影響します。^{[ 83 ] [ 87 ]}発がん性のあるPAHの中には、遺伝毒性があり、がんを引き起こす突然変異を誘発するものもあれば、遺伝毒性はなく、がんの促進や進行に影響を与えるものもあります。^{[ 87 ] [ 88 ]}

がんの発生に影響を与える PAH は、通常、最初に酵素によって化学的に修飾されて、DNA と反応して突然変異を引き起こす代謝物になります。細胞複製を制御する遺伝子の DNA 配列が変化すると、がんが発生する可能性があります。ベンゾ[ a ]ピレンなどの変異原性 PAH は、通常、4 つ以上の芳香環と、分子の代謝酵素に対する反応性を高める構造ポケットである「ベイ領域」を持っています。^{[ 89 ]} PAH の変異原性代謝物には、ジオールエポキシド、キノン、およびラジカルPAHカチオンが含まれます。^{[ 89 ] [ 90 ] [ 91 ]}これらの代謝物は、特定の部位で DNA に結合し、安定または不安定なDNA 付加物と呼ばれるかさ高い複合体を形成することができます。^{[ 85 ] [ 92 ]}安定な付加物はDNA複製エラーを引き起こす可能性がある一方、不安定な付加物はDNA鎖と反応してプリン塩基（アデニンまたはグアニン）を除去する。^{[ 92 ]}このような変異は、修復されない場合、正常な細胞シグナル伝達タンパク質をコードする遺伝子を癌を引き起こす癌遺伝子に変化させる可能性がある。^{[ 87 ]}キノンは、DNAを独立して損傷する可能性のある活性酸素種を繰り返し生成することもある。^{[ 89 ]}

シトクロムファミリーの酵素（CYP1A1、CYP1A2、CYP1B1）は、PAHをジオールエポキシドに代謝します。^{[ 93 ]} PAHへの曝露はシトクロム酵素の産生を増加させ、酵素がPAHを変異原性ジオールエポキシドに変換する速度を速めます。^{[ 93 ]}この経路では、PAH分子がアリール炭化水素受容体（AhR）に結合し、転写因子として活性化してシトクロム酵素の産生を増加させます。これらの酵素の活性は、PAH毒性から逆に保護する場合もありますが、そのメカニズムはまだ十分に解明されていません。^{[ 93 ]}

2～4個の芳香族炭化水素環を持つ低分子量PAHは、がんの促進段階において、より強力な共発がん物質となる。この段階では、開始細胞（細胞複製に関連する重要な遺伝子に発がん性変異を保持している細胞）は、近隣細胞からの増殖抑制シグナルから切り離され、クローン的に複製を開始する。^{[ 94 ]}ベイ領域またはベイ様領域を持つ低分子量PAHは、ギャップ結合チャネルを調節不全にし、細胞間コミュニケーションを妨害するだけでなく、細胞増殖に関与する転写因子を活性化するマイトジェン活性化プロテインキナーゼにも影響を与える。^{[ 94 ]}ギャップ結合タンパク質チャネルの閉鎖は、細胞分裂の正常な前駆過程である。PAHへの曝露後にこれらのチャネルが過剰に閉鎖すると、細胞は周囲の細胞集団によって課せられる正常な増殖調節シグナルから切り離され、開始がん細胞が複製できるようになる。これらのPAHは、最初に酵素的に代謝される必要はない。低分子量PAHは環境中に広く存在するため、がんの発症促進段階において、人間の健康に重大なリスクをもたらす。

成人のPAHへの曝露は心血管疾患と関連付けられています。^{[ 95 ]} PAHはタバコの煙や粒子状大気汚染に含まれる複雑な汚染物質群の一つであり、そのような曝露による心血管疾患の一因となる可能性があります。^{[ 96 ]}

実験室での実験では、特定のPAHに曝露された動物は、動脈内でプラーク（動脈硬化）の発生が増加することが示されている。 ^{[ 97 ]}動脈硬化性プラークの病因と発生の潜在的なメカニズムは、PAHの発がん性および変異原性に関与するメカニズムと類似している可能性がある。 ^{[ 97 ]}有力な仮説は、PAHが血管平滑筋細胞のシトクロム酵素CYP1B1を活性化する可能性があるというものである。この酵素は、PAHを代謝してキノン代謝物に変換し、それが反応性付加物としてDNAに結合してプリン塩基を除去する。結果として生じる変異は、血管平滑筋細胞の制御されない増殖または動脈内への移動に寄与する可能性があり、これらはプラーク形成の段階である。^{[ 96 ] [ 97 ]}これらのキノン代謝物は、プラーク形成に影響を与える遺伝子の活性を変化させる可能性のある活性酸素種も生成する。 ^{[ 97 ]}

PAH曝露後の酸化ストレスは、炎症を引き起こすことで心血管疾患を引き起こす可能性もあり、炎症は動脈硬化や心血管疾患の発症における重要な因子として認識されている。^{[ 98 ] [ 99 ]}ヒトにおけるPAH曝露のバイオマーカーは、心血管疾患の重要な予測因子として認識されている炎症性バイオマーカーと関連しており、PAH曝露による酸化ストレスがヒトの心血管疾患のメカニズムである可能性を示唆している。^{[ 100 ]}

ヨーロッパ、米国、中国に住む人々を対象とした複数の疫学研究では、大気汚染や親の職業上の曝露による胎内でのPAHへの曝露が、胎児の発育不良、免疫機能の低下、 IQの低下を含む神経発達の遅れと関連していることが示されている。^{[ 101 ] [ 102 ] [ 103 ] [ 104 ]}

PAH は宇宙に豊富に存在する可能性がある。^{[ 6 ] [ 113 ] [ 114 ] [ 115 ]}それらはビッグバンから数億年後という早い時期に形成されたようで、新しい星や系外惑星と関連付けられている。^{[ 5 ]}宇宙の炭素の 20% 以上がPAH と関連している可能性がある。 ^{[ 5 ]} PAH は、最も初期の生命の出発物質である可能性があると考えられている。^{[ 5 ] [ 6 ]}赤色長方形星雲 から放出される光は、アントラセンとピレンの存在を示唆するスペクトル特性を持っている。^{[ 116 ] [ 117 ]}この報告は、赤い長方形と同じタイプの星雲が寿命の終わりに近づくと、対流によって星雲の中心部の炭素と水素が恒星風に巻き込まれ、外側に放射されるという、物議を醸す仮説とみなされた。冷却されるにつれて、原子はさまざまな方法で互いに結合し、最終的に100万個以上の原子からなる粒子を形成すると考えられている。アドルフ・ウィットとそのチームは、地球上の初期生命の形成に不可欠であった可能性のあるPAHは星雲でのみ発生する可能性があると推論した^{[ 116 ] 。 [ 117 ]}

PAH は、星間物質 (ISM)の条件下に置かれると、水素化、酸素化、水酸化を経て、より複雑な有機化合物に変化します。これは、「それぞれタンパク質とDNAの原料であるアミノ酸とヌクレオチドへの経路の一歩」です。^{[ 119 ] [ 120 ]}さらに、これらの変化の結果、PAH はその分光学的特徴を失います。これが、「星間氷粒、特に低温で密度の高い雲の外縁部や原始惑星系円盤の上層分子層で PAH が検出されない理由の 1つです」^{[ 119 ] [ 120 ]です。}

単純な有機化合物から複雑なPAHに至る低温化学経路は興味深い。このような化学経路は、土星の衛星タイタンの低温大気中にPAHが存在することを説明するのに役立つ可能性があり、 PAHワールド仮説の観点から、私たちが知っている生命に関連する生化学物質の前駆体を生成する重要な経路である可能性がある。^{[ 121 ] [ 122 ]}