12章 金属与人类健康

第十二章金属与人类健康地球上的生物被环境包围着，环境中的无机物远多于有机物。生物在漫长的进化历程中，使自己适应了利用阳光作为原始能源，并利用周围大量有机物作为自身的“建筑”材料，还学会通过生物体之间及生物体与环境之间相互作用的复杂系统来保护自己。第一节生物体内微量金属元素的代谢第二节金属元素的体内平衡与金属中毒第一节生物体内微量金属元素的代谢金属元素进入生物体后发生什么作用，除了与吸入量有关外，还与它在体内的代谢过程密切相关。特别是有毒物质进入生物体后，不是干扰或破坏机体的正常生理功能，使机体中毒或产生潜在危害，就是机体通过各种防护机制及代谢活动，使毒物降解排出体外。金属在人体内的代谢包括吸收、分布、生物化学转化和排泄等过程。其中，生物化学转化不是孤立的，在吸收、分布和排泄过程中，也同时发生生物化学转化。一、吸收经呼吸道吸收，是在工业生产中金属侵入人体的主要途径。肺泡周围布满毛细血管，空气中的有毒物质很容易经肺泡吸收，仅次于静脉注射。呼吸道也有防护功能，支气管上皮可以把沉积的粉尘带到喉部，通过咳出或咽下排出呼吸道，而有一部分沉积在肺泡内，形成肺泡灰尘病或结节。消化道吸收是日常生活的主要途径。除了食物可以把金属带进消化道外，从上呼吸道清除出来的部分金属也进入消化道。肠道是主要吸收部位，金属主要以扩散方式通过细胞膜而被吸收，浓度越高吸收量越大。脂溶性物质较易被吸收。皮肤在正常情况下是保护机体的有效屏障，只有少数金属及化合物能通过皮肤吸收。如四乙基铅、有机汞化合物、有机锡化合物等具有脂溶性的物质，才可以通过皮肤吸收。二、分布金属化合物主要通过血液分布到机体内各组织的数量，取决于它通过细胞膜的能力及它与各组织的亲和力，因此金属在体内的分布有很大差异。金属在体内的分布也不是一成不变的，体内环境的变化会改变某些金属的分布。肝脏细胞膜通透性高，血液中大部分毒物，甚至与蛋白质结合的毒物，都能进入肝脏。肝脏和肾脏细胞内含有特殊的结合蛋白，它们与毒物的亲和力很强，能把血浆中已经与蛋白质结合的毒物夺过来，而且肝脏结合外来毒物极为迅速。肝脏还有很多酶系，它是毒物降解转化的器官。很多脂溶性毒物都分布在体脂中，脂溶性越高，毒性越大。脑和神经组织中脂类较多，一般水溶性强的物质不易通过血脑屏障，而脂溶性物质，如烷基汞则容易扩散到脑和神经组织中而出现神经症状。无机汞离子具有水溶性，难以进入脑组织。四乙铅具有脂溶性，初期在脑和肝脏含量最高，以后转化为磷酸铅则主要储存在骨骼里。某一器官存积某种金属较多，使这一器官受到损伤，但同时又减轻对机体其他器官与组织的毒害。例如，铅的毒性作用部位主要是软组织，因此铅存积在骨骼内的危害性相对减少很多。三、生物化学转化金属和金属化合物与有机物不同，它们进入人体后不能降解，只能发生化学物种转化。金属或其他化合物摄入人体之后，经过水解、氧化、还原、结合等代谢过程所发生的一系列变化称为生物化学转化。大多数金属在体内第一阶段的生物化学转化主要在肝脏进行，胃、肠、皮肤也有不同程度的生物化学转化功能。具有脂溶性的汞蒸气在血液中溶解以后，很容易越过血脑屏障；但汞蒸气进入人体后，大部分迅速氧化为二价汞，使毒性降低。镉和汞在肾脏转化为镉硫蛋白和汞硫蛋白，因而具有解毒作用。四乙铅在体内经脱烃作用，逐渐转化为三乙铅、二乙铅和无机铅。四、排泄金属及其代谢产物从体内排出的主要途径是肾和肠道。一般从口摄入的主要经肠道排出，从呼吸道摄入的经肾脏排出。有时同一种金属由几个不同途径排出。多数金属从尿中排出，但排出量差异很大。尿中排出量占摄入量约50％的有：Co、Sb、Ti、Hg、Nb、Mo；尿中排出量占摄入量15％以下的有：Cr、Zn、Cu、Pb、Al、Ba等；而V、Sn、Mn、Ni等从尿中排出也很多。随汗液也可排出一定量的金属元素。如Cr、Cu、Mg、Mo等元素从汗液的排出量，在某些情况下占摄入量的40～60％，Sr和Co约占10％。经粪便排出的金属主要是Mn、Fe等重金属。汞在吸收初期主要由粪便排出。从口摄入而未被吸收的铅也由粪便排出。头发中排出的金属量很少，仅Zn、Fe略高。头发的代谢活动缓慢，所含微量元素可以反映人体摄入微量元素的数量及代谢状况。近年来，常以头发中微量元素含量，作为人体与环境中某些微量元素接触程度的参数，在营养学上也作为某些必需元素是否缺乏的诊断指标。第二节金属元素的体内平衡与金属中毒一、金属元素摄入量对人体健康的影响各种必需元素在人体内都有严格的存量范围，过量或缺乏都会对机体有害。人类在漫长的进化历程中，逐渐形成了一系列平衡机制，以调节控制必需元素在体内迁移和防止它们过量摄入。在最高摄入量与最低摄入量之间常有一定余地，使机体可以在某种范围内与变化的环境相适应。当摄入量不足时，机体可以动用体内贮存的元素，在所谓负平衡状态下暂时维持正常的生理功能，但如果这种状态继续下去，则势必发展为一种疾病。当摄入量略为偏高时，体内平衡的机制可以把多余的微量元素排出体外。但是当摄入量过大，即超出机体的排泄能力时，这些元素就会在体内积累，最终导致某些组织或器官受到损害。这些元素一旦在体内累积，往往需要很长时间才能消除。因此，金属元素过量比缺乏的后果更严重。二、金属中毒的一般机理一种金属或化合物对生物体的毒性是一个非常复杂的问题。它除了取决于金属的性质和浓度外，与摄入方式、机体的健康状况等因素都有关系。金属毒性的重要标志是致死、致癌和导致其他疾病。通常认为，金属主要通过与生物分子结合而发挥毒性作用，其毒性机理可以归结为三个方面：(1)阻碍生物大分子的必需功能基团发挥作用。例如汞离子容易与半胱氨酸的巯基发生作用，而巯基是很多酶的催化活性部位，所以汞离子会抑制这些酶的活性。(2)取代生物分子中必需的金属离子，使其失去活性。例如铍离子可取代镁离子激活酶中的镁离子，但铍离子不能使这些酶具有活性。(3)改变生物大分子的活性构象。生物大分子必须采取某种特殊构象才具有活性，而金属离子可能使蛋白质、核酸等重要生物大分子的构象改变。核酸贮存着遗传信息，它们受到破坏可能导致癌症或先天性畸形等严重后果。三、金属中毒解毒剂在有毒金属摄入量较多，依靠人体自身功能不足以迅速有效排除时，采用解毒剂是十分必要的措施。例如人们曾经利用活性炭在肠胃中吸附有毒金属。作为解毒剂，它必须是一种强的配位剂，同时应该具备药理学的要求，对人体没有毒性。2,3-二巯基-1-丙醇(BAL)能与砷形成稳定的五元环，从而把砷从生物体内排除，解除砷的毒性。BAL对汞、锑、金中毒都有一定效果，有时还用于治疗急性铅中毒。但BAL可以和汞离子形成脂溶性配合物，能进入脑组织。目前，氨酸螯合剂是品种最多的一类解毒剂，包括乙二胺四乙酸(EDTA)、环己烷二胺四乙酸、二乙三胺五乙酸、三乙四胺六乙酸等，均用于治疗重金属中毒。这类螯合剂可以选择性地与铅、镉、汞等有毒金属结合，形成水溶性配合物排出体外。它也有副作用，会干扰体内必需金属元素的代谢，影响金属酶的活性。D-青霉胺和N-乙酰-D-青霉胺分子中，含有S、N、O配位原子，能与汞、铅、铜、金等重金属离子螯合。它们的最大优点是毒性小，可以口服。D-青霉胺用于治疗威尔逊病，消除铜离子对机体的损害。由于大多数解毒剂与有毒金属配位后，均通过肾脏排出体外，故对肾脏造成过重负担。而有些解毒剂还会与必需金属离子螯合，改变某些金属的正常分布。因此解毒剂的研究还要努力探索，合成选择性强而高效低毒的新型解毒剂。