第三章化学污染物毒性作用

第三章化学污染物的毒性作用本节重点•毒物、剂量（LD50）•效应、反应、剂量-反应曲线•联合作用的类型及评定方法第一节基本概念一、毒物和毒性•毒物：指在一定条件下，较小剂量就能对机体产生损害作用或使机体出现异常反应的外源化学物。“物质并非毒物，只有在一定剂量下才能使一种物质变成毒物”辐射、砷•毒物低剂量兴奋效应，是指接触某一化学物时，低浓度对机体产生有利效应，而在高浓度时却产生不良效应的现象。毒物低剂量兴奋效应对机体的具体作用体现在促进生长发育、增加体重、延长寿命、增强机体防御能力以及刺激损伤修复等方面。•毒性：指一种物质对生物体易感部位产生有害作用的性质和能力。特点：选择性①不同个体②不同组织器官二、剂量•剂量：一般指给予机体的或机体接触的外源化学物的数量。单位：mg/kg，mg/m3，mg/L•致死剂量：指以机体死亡为观察指标而确定的外源化学物的剂量•绝对致死剂量(LD100)：指引起所观察个体全部死亡的最低剂量•半致死剂量(LD50)：指引起一半个体死亡所需的剂量；值越小，毒性越强•最小致死量(MLD)：指引起受试群体中个别个体死亡的最低剂量。•最大耐受量(MTD)：指受试群体中不出现个体死亡的最高剂量。•半数效应剂量(ED50)：指外源化学物引起机体某项生物效应发生50％改变所需要的剂量•最小有作用剂量(MEL)：中毒阈剂量或中毒阈值，指外源化学物按一定方式或途径与机体接触时，在一定时间内，使某项灵敏的观察指标开始出现异常变化或机体开始出现损害作用所需的最低剂量。•最大无作用剂量(MNEL)：又称未观察到作用剂量。是根据慢性或亚慢性毒性试验的结果确定的，是评定外源化学物对机体损害作用的主要依据。•安全浓度(SC)：指通过整个生活周期甚至持续数个世代的慢性试验，对受试生物确无影响的毒物浓度。三、效应和反应•效应：指一定剂量外源化学物与机体接触后所引起的生物学变化。量效应、质效应•反应：指一定剂量的外源化学物与机体接触后，呈现某种效应的个体在群体中所占的比例/比率，如死亡率、发病率、反应率等。第二节环境污染物的毒性效应及其评定一、外源化学物对生物体的直接毒性效应致死效应生长效应生殖效应形态结构效应行为效应致突变效应•致死效应：指受到影响的生物在短时间内死亡。用于评价外源化学物的毒性。•生长效应：指外源化学物对生物生长的影响，如质量、体积、高度的下降。•生殖效应：指外源化学物对生物的生殖过程所产生的损伤作用。要考虑对当代和下一代生物个体生殖能力的效应。•形态结构效应：指机体的器官或组织的外形和解剖结构在外源化学物作用下发生的损伤性变化。•行为效应：指在外源化学物作用下动物所表现出的行为异常现象。•致突变效应：指在外源化学物作用下机体基因组的改变。二、剂量－效(反)应关系曲线剂量－效应剂量－反应三、环境污染物的联合毒性作用•多种外源化学物同时或在短时间内相继进入生物体后所产生的综合生物学作用称为联合作用。相应地，多种化学物质经联合作用而产生的毒性称为联合毒性。联合作用的类型：•独立作用：互不影响•相加作用：综合生物学效应＝单独生物学效应之和•协同作用：综合生物学效应单独生物学效应之和•拮抗作用：综合生物学效应单独生物学效应之和联合作用类型的评定•目前一般都以急性毒性试验为基础，测定单个化合物和混合物的LD50，再采用一定的方法进行判断。联合作用系数法等效应线图法联合作用系数法：•K＝1，相加作用(理论上)•K0.4，拮抗作用•K2.5，协同作用•0.4K2.5，相加作用A的LD50aB的LD50bN的LD50n++预期LD501….+=K=预期LD50实测LD50等效应线图法乙化学物/(mg/kg)231上限LD50下限下限LD50上限甲化学物/(mg/kg)1相加作用2拮抗作用3协同作用影响联合作用效应的因素毒物种类剂量与组分的配比作用次序动物种属观察指标第三节外源化学物的毒性作用机理毒物及其活性代谢产物对机体的作用阶段：（1）原发过程：毒物或活性代谢产物与靶分子相互作用，造成靶分子结构和功能的损伤（2）继发过程：生物大分子结构功能的改变引发一系列的生物化学和生物物理过程，最后在效应器官出现效应。一、对细胞的损伤（1）细胞膜•改变膜的成分CCl4可引起大鼠细胞膜磷脂和胆固醇含量的下降•改变膜的流动性DDT、对硫磷可引起红细胞膜脂流动性降低•影响膜上某些酶的活力对硫磷可抑制突触小体膜和红细胞膜上的某些酶类•与膜蛋白结合改变膜的通透性如Pb、Hg（2）细胞器•滑面内质网：细胞色素P450的破坏•粗面内质网与核糖体：引起核糖体的脱落，导致蛋白质合成受阻，可能诱发癌症•线粒体：内膜和嵴的变形；膜密度、体密度的增加或减小•高尔基体：在内质网受损时可发生肿胀及其他结构改变•微丝和微管：细胞松弛素可以切断微丝；秋水仙素可分散微管，干扰纺锤体功能•溶酶体：水解酶、细胞内释放（3）核与核仁核膜反折、产生核内包含体；核仁离析、核仁碎裂二、与生物大分子的共价结合•共价结合学说认为：许多外源化学物对细胞的损害作用与其亲电代谢物不可逆地结合于细胞大分子的亲核部位（如蛋白质的巯基）有密切关系。可逆的：药物与受体、酶与底物不可逆的：共价结合形成加合物除少数直接烷化剂外，绝大多数外源化学物均需经混合功能氧化酶体系转化成亲电子的活性代谢物，然后与细胞内的生物大分子结合。共价结合的类型及后果•与核酸结合碱基置换、碱基丢失、链断裂、核酸交联等。—细胞死亡和突变•与蛋白质结合膜结构及通透性改变；影响酶的催化功能；导致遗传毒性；引起机体特殊的免疫反应。组织细胞损伤，最终导致细胞死亡和组织坏死•与脂质结合脂质的化学损伤使膜的结构和功能改变•致死性掺入外源化学物或其代谢产物作为生物合成的“原料”掺入生物大分子，从而导致生物大分子组成及结构的异常。三、脂质过氧化反应机理:LHLOOHLOO.L.脱氢环境条件O2（分子重排）（2）脂质过氧化的后果•对膜的损害主要是引起细胞膜结构改变和功能障碍•蛋白质变性与酶失活•对核酸分子的损害四、对受体的作用•受体：一种能够识别和选择性结合某种物质（配体）的生物大分子。•受体的特点：特异性；高度亲和力；效应大小与受体被占领的数目成正比•五、对酶作用的影响对数量、活性的影响•六、细胞钙稳态紊乱质膜转位酶和细胞内钙隔室系统共同控制•七、干扰细胞能量的产生与供给第四节化学污染物的三致作用一、化学污染物的致突变作用•起源于基因和染色体的变异才能遗传。可以遗传的变异称为突变自发的诱发的物种进化外源化学物（一）突变损伤的类型•以光学显微镜（0.2µm）能否观察到损伤基因突变（点突变）染色体结构畸变1.基因突变碱基置换移码：DNA分子中增加或减少一对或几对不等于3的倍数的碱基对所造成的突变－氨基酸序列大变大段损伤：指DNA链的大段缺失或插入转换颠换一对碱基2.染色体结构畸变染色体型畸变染色单体型畸变染色体分离异常（二）化学诱变的分子机理（1）DNA损伤的分子机理①共价结合形成加合物②碱基类似物取代③改变或破坏碱基的化学结构④平面大分子嵌入DNA链⑤DNA构象改变（2）不以DNA为靶的损伤机理•1）对酶系统的作用•2）对纺锤体的毒作用①与微管蛋白二聚体结合②与微管上的巯基结合③破坏已组装完成的微管④妨碍中心粒移动（三）突变的不良后后果生殖细胞突变的后果①致死效应精子丧失受精能力；合子在着床前死亡；早期胚胎死亡②遗传性疾病——遗传负荷增大体细胞突变的后果—癌症二、化学污染物的致癌作用（一）化学致癌物遗传毒性致癌物直接致癌物、前致癌物、无机致癌物非遗传毒性致癌物促癌剂、过氧化物酶体增生剂、免疫抑制剂、激素、细胞毒物、固态物质暂未确定遗传毒性的致癌物突变致癌学说细胞癌变是由突变引起的启动——促进——演变基因外调节障碍学说基因的结构并没有发生改变，而是基因外的一些物质发生了改变癌基因学说细胞DNA分子中都存在癌基因（二）化学污染物的致癌机理（三）外源化学物致癌性的判别•短期试验Ames试验•动物诱癌试验•流行病学调查内剂量、生物有效剂量生物效应标记、敏感性标记三、化学污染物对生物生殖和发育的影响（一）生殖毒性及其评定•1.对雄性生殖的毒性①对睾丸生精细胞的影响②对内分泌功能的影响下丘脑—垂体—睾丸轴③对性功能和生殖功能的影响•2.对雌性生殖系统的损害（二）胚胎毒性及其评定1.胚胎毒性与母体毒性•胚胎毒性：指外源化学物对母体子宫内的胚胎或胎儿产生毒作用，表现在胚胎死亡；生长迟缓；功能发育不全；畸形•母体毒性：指外源化学物在一定剂量下对受孕母体产生的损害作用，表现在体重减轻、出现临床症状、甚至死亡2致畸机理（1）基因突变和染色体畸变（2）酶的抑制（3）生物合成的原料和能量不足（4）对细胞膜损伤（5）细胞毒作用（6）非特异性发育毒作用（7）母体及胎盘的正常功能受到干扰第五节影响毒性作用的因素（一）化学结构与毒性大小•（1）同系物的碳原子数•（2）分子饱和度•（3）卤素取代•（4）氨基、羟基、羧基和磺酸基•（5）构型•（6）有机磷化合物的结构与毒性（二）物理性质与毒性•（1）脂水分配系数•（2）挥发度和蒸汽压•（3）分散度•（4）纯度•（5）在水中的绝对溶解度三、生物机体状况•种属与个体差异•年龄•性别与激素•营养状况•健康状况•遗传因素与心理因素•生物节律四、接触条件•接触途径静脉注射－腹腔注射－肌内注射－经口－经皮•溶剂•浓度•交叉接触六、环境因素•气温•气湿•气压•季节和昼夜节律