环境生物化学第十章

10环境毒理生物化学环境生物化学Contents10.1环境毒理学概述10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢10.3环境有毒化学10.4环境有毒物质的生物化学效应环境生物化学10.1环境毒理学概述10.1.1环境毒理学概念环境毒理学是研究环境污染物，特别是有毒化学污染物对生物有机体，尤其是对人体的损害作用及其机理的科学。环境毒理学的任务不仅要研究有毒环境污染物对生物个体的损害作用，而且要研究对生物群体、生态系统、甚至特定环境下的整个生物社会的损害作用及其防治对策。环境毒理学属于环境科学的范畴，也是生物科学和毒理学的分支学科。毒理学是研究物理、化学和生物因素，特别是化学因素对生物机体的损害作用及其机理的科学。环境生物化学10.1环境毒理学概述10.1.1环境毒理学概念环境毒理学的研究对象是对各种生物特别是对人体产生危害的各种有毒环境污染物，包括物理性、化学性及生物性污染物。环境化学污染物为主要研究对象。环境生物化学10.1环境毒理学概述10.1.1环境毒理学概念环境毒理学的主要研究任务是研究有毒环境污染物对人体的损害作用及其机理，探索环境污染物对人体健康损害的早期检测指标和生物标记物，从而为制定环境卫生标准和防治环境污染对人体健康的危害提供理论依据和措施。此外，还依据有毒环境污染物对其它生物包括动物、植物、微生物等生物个体、种群，及生态系统甚至在特定环境中的整个生物社会的危害，研究其损害作用及其机理、早期损害指标及防治理论和措施。环境毒理学最终任务是保护地球生物圈内包括人类在内的各种生物的生存和持续健康的发展。环境生物化学10.1环境毒理学概述10.1.1环境毒理学概念目前环境毒理学研究的土要内容是：①环境毒理学的概念、理论和方法；②有毒环境污染物在人体内的吸收、分布、转化和排泄，及对人体的一般毒性作用与机理；③有毒环境污染物及共转化产物对人体的致突变、致癌变、致畸变等的特殊毒性作用与机理；④外境污染物的毒性评定方法，包括急性、亚急性和慢性毒性试验，代谢试验，蓄积试验，繁殖试验、迟发神经毒试验，以及各项致突变试验、致癌试验、致畸变试验等；⑤各种有毒污染物对人体损害作用的早发现、早防治的理论和措施。此外，环境污染物在其它生物包括动物、植物、微生物中的吸收、转运、代谢转化、排出体外，毒性作用的规律和预防措施，也被列入环境毒理学研究的主要内容。环境生物化学10.1环境毒理学概述10.1.2环境有毒化学物质①有毒化学物质概念当今世界，科学技术飞速发展。商品生产给人类的物质文明不断增添光彩。在丰富的物质世界中，化学品生产规模的扩大尤为迅速，人类的文明促使化学品的家庭成员不断发展。据估计，人类财富的50％来源于化学品，绝大部分化学品是低毒的(或称无毒的)，它们给人类带来巨大的利益利享受．但实践多次重复证明，少数化学品能给生态环境和人体健康带来严重危害。由于化学品种类繁多，它们对环境及人体健康的影响要通过的大量的科学实验才能获得证实。因此，众多的化学品究竟怎样来划分哪些是属于有毒的至今尚无确切的定义和统一的概念。一般认为某种化学物质接触或进人机体以后，损害机体的组织器官，并能在组织与器官内发生化学或物理化学作用，从而破坏了机体的正常生理功能，引起机体功能性或器质性病理改变，具于这种作用的化学物质，称为有毒化学物质或者称为有毒化学品。环境生物化学10.1环境毒理学概述10.1.2环境有毒化学物质②有毒化学物质分类根据毒性物质的总效应，可以把有毒化学物质分为诱变剂、致病物和致畸剂；根据毒性物质的化学性质可以把它们分成元素有毒物、有机有毒物和放射性有毒物等；按毒性物质的来源可以分为大气污染物、水污染物、土壤污染物、食品添加剂、农药污染物和溶剂。据美国“化学文摘”中登记的化学物质已达600万种之多，并且正以每周6000种的速地增加着，而且大部分是自然界中未发现的新化合物。1973年美国职业卫生研究所所列出有毒物质有25043种，据估计已有96000种化学物质进入人类环境。各国从对于如此众多的污染物中优先选择了一些潜在危害性大的有毒污染物作为环境优先控制污染物。环境生物化学10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢10.2.1有毒化学物质进入人体途径有毒化学物质进入人体的主要途径是经口摄食、呼吸道和肺吸入和皮肤吸收；次要的途径是直肠、生殖道以及药物注射进入。有毒物进入人体的途径见图10-1。环境生物化学10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢图10-1有毒物进入体内的途径及在体内的转移环境生物化学10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢呼吸道是工业生产中毒物进入体内的最重要的途径。凡是以气体、蒸汽、雾、烟、粉尘形式存在的毒物，均可经呼吸道侵入体内。人的肺脏由亿万个肺泡组成，肺泡壁很薄，壁上有丰富的毛细血管，毒物一旦进入肺脏，很快就会通过肺泡壁进入血液循环系统而被运送到全身。呼吸道吸收的最重要的影响因素是其在空气中的浓度，浓度越高，吸收越快。环境生物化学10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢在工业生产中，毒物经皮肤吸收引起中毒亦比较常见。脂溶性毒物经表皮吸收后，还需兼有水溶性，才能进一步扩散和吸收，所以水和脂能溶解的物质(如苯胺)易被皮肤吸收。环境生物化学10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢在工业生产中，毒物经消化道吸收多半是由于个人卫生习惯不良，手沾染的毒物随进食、饮水或吸烟等而进入消化道和呼吸道，进入呼吸道的难溶性毒物被清除后，可经由咽部被咽下而进入消化道。环境生物化学10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢10.2.2有毒化学物质在体内的分布有毒化学物质被吸收后，随血液循环(部分随淋巴液)分布到全身。当在作用点达到一定浓度时，就可发生中毒。毒物在体内各部位的分布是不均匀的，同一种毒物在不同的组织和器官分布量有多有少。有些毒物相对集中于某组织或器官中，例如铅、氟主要集中在骨质，苯多分布于骨髓及类脂质。环境生物化学10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢10.2.2有毒化学物质在体内的分布毒物吸收后受到体内生化过程的作用，其化学结构会发生一定改变，称之为毒物的生物转化。其结果可使毒性降低(解毒作用)或增加(增毒作用)。毒物的生物转化可归结为氧化、还原、水解及结合。经转化形成的毒性代谢产物排出体外。环境生物化学10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢10.2.2有毒化学物质在体内的分布毒物在体内可经转化或不经转化而排出。毒物经肾、呼吸道及消化道途径排出，其中经肾随尿排出是最主要的途径。尿液中毒物浓度与血液中的浓度密切相关，常通过测定尿中毒物及其代谢物，以监测和诊断毒物的吸收和中毒。环境生物化学10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢10.2.2有毒化学物质在体内的分布毒物进入体内的总量超过转化和排出总量时，体内的毒物就会逐渐增加，这种现象就称之为毒物的蓄积。此时毒物大多相对集中于某些部位，并对这些蓄积部位可产生毒害作用。毒物在体内的蓄积是发生慢性中毒的根源。环境生物化学10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢10.2.3环境有毒物质代谢水溶性高的有毒物质，例如能离子化的羧酸，比较容易通过排泄系统从生物体内清除出去，一般不需要生物酶来参与代谢。而对于难溶于水的亲脂性有毒化合物，一般需要生物酶来参与代谢过程。有酶参与的有毒物代谢生物化学反应有两种基本类型：第一类反应和第二类反应。环境生物化学10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢①第一类反应第一类反应是酶催化下的氧化、还原和水解等反应，这些反应使亲脂性有毒分子改性，加上极性基团如羟基-OH、巯基-SH、羟胺基-NH(OH）和环氧基-C-O–C-等，转化为衍生物（一级代谢物），增加水溶性和反应活性。未改性之前，亲脂性有毒物分子容易透过含脂类物的细胞膜，与脂蛋白结合，并容易在体内传输。经过第一类反应改性后的衍生物，增加亲水性官能团，其溶解度增加了；更重要的是，衍生物容易与生物体的内源底物材料相配结合，有利于再通过第二类反应把有毒物从体内清除出去。环境生物化学第一类反应通常是由单细胞色素P-450氧化酶参与进行的，这类酶含NADPH-细胞色素C还原酶和细胞色素P-450氧化酶。下面列出的是由这些酶进行的最重要的反应类型。环氧化反应是将一个氧原子加合在一个双键上：10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢环境生物化学芳香族化合物的羟基化反应涉及一个芳香环的环氧化作用，然后重排成酚：10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢环境生物化学脂肪族化合物的羟基化反应是将一个-OH基团连接在脂肪族化合物上：10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢环境生物化学N-、O-或S-脱烷基反应包括下列各类反应：10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢环境生物化学脱硫作用涉及用氧取代硫的反应：10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢环境生物化学硫的氧化反应是将氧原子加成到有机硫化物分子的硫原子上：10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢环境生物化学②第二类反应第二类反应通常是指在专一性强的各种转移酶催化作用下，生物体内某些内源物结合剂与第一类反应的衍生物进行结合反应，生成结合产物（二级代谢物），而结合产物的极性（亲水性）一般有所增强，有利于排出体外。容易结合的衍生物基团包括羧基-C(O)OH、羟基-OH、卤素原子（F、CI、Br和I）、环氧基-C-O–C-、氨基-NH2等。经过第二类反应的结合产物一般比原来的有毒物质毒性更小、亲脂性更低、极性更高、水溶性更强以及排泄更容易。主要的结合剂和催化酶包括葡萄糖酸苷（UDP葡萄糖苷转移酶）、硫酸盐（硫转移酶）以及乙酰基（乙酰转移酶）。其中最常见的结合产物是葡萄糖苷酸衍生物。10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢环境生物化学10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢结构式中的-X-R代表与葡萄糖酸苷结合的有毒物质，而R代表有机基团部分。例如，如果被结合的是酚，则HXR为HOC6H5,X为氧原子O,R代表苯环基团C6H5。以上两类反应主要在肝脏内进行，但是也可以在肾脏、肠、肺、脑和皮肤等处进行。一般而言，经过第一类反应生成的衍生物结构和性质变化相对比较小；而第二类反应的产物与母体化合物很不相同。应该指出，不是所有的有毒物的代谢都需要经历第一类反应和第二类反应，有些物质经过第一类反应就能从直接体内排泄出去；或者有些物质已经有适合于结合的官能团，不必先经过第一类反应，而直接进行第二类反应。有毒物质和其他外来物质在体内除了进行上述反应外，还可进行许多其他的生物化学反应。虽然这些反应一般可用于解毒和促进有毒物质的清除，但有一些代谢过程却会增加毒性。尤其是，芳香族和含C-C双键化合物的环氧化代谢衍生物中，有些被认为是有致突变和致癌作用的。环境生物化学10.2.4环境有毒物干扰酶功能的机制酶是主要的生物化学催化剂，生物体中几乎所有的代谢过程都与酶的催化密切相关，因此，酶功能的正常作用是保证生物体健康的关键。有毒物进人生物体后，一方面在酶的催化作用下通过第一类和第二类反应进行代谢转化；另一方面也可干扰酶的正常作用，对酶的活性和数量等有影响，有些严重中毒将使某些酶的活性完全丧失，导致生物体死亡。可以说，各种疾病，包括严重疾病如基因突变、癌症、畸变等几乎都与酶功能的干扰有关。因此，有毒物对生物体的中毒效应，最根本的就是对生物体中各种酶功能的干扰。酶的干扰机制主要有以下几种类型。10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢环境生物化学①重元素与酶结合亲硫重金属离子，特别Hg2＋、Pb2＋和Cd2+，能与酶结构中的巯基中的硫原子结合。10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢环境生物化学以亚砷酸盐形式存在的三价砷As(Ⅲ)也能与酶中的巯基作用，可形成一个非常稳定的五元环结构。10.2环境有毒物质在生物体内的转运和代谢环境生物化学由于-SH基团一般在酶的活性部位，被这些重元素结合会使酶功能受损，使许多酶的活性受到破坏，尤其是对于在柠檬酸循环中参与产生细胞能量的那些酶更容易受到影响