化学物质与人体健康.ppt

第19章 化学物质与人体健康,主要内容,一、外来物质在生物体内的生物转化和代谢 二、化学物质的联合作用 三、化学致突变、致畸及致癌作用 四、有机物结构与致癌作用的关系 五、元素与健康 六、有毒物质的生物化学的生物化学效应 七、环境地球化学与地方病,一、外来化学物质在生物体内的生物转运,定义：外来化学物质与机体接触后，经过一定途径进入血液，再由血液分散到全身各组织，最后通过一定途径离开机体的过程。,Absorption Distribution Metabolism Excretion,外源化学物的体内动态,外源化学物在生物体内的的生物转化,外源 化学物,接触,皮肤 肺,消化道,粪,接触,排泄,肝,吸收,再吸收,代谢,血液循环 白蛋白结合型 游离型,吸收,靶器官 (损害),器官组织 (贮存),分布,肾,肺,分泌腺,排泄,外源化学物在体内的动态过程,二、外来化合物的代谢,代谢转化：外来化合物在体内转化成为衍生物的过程,结果,化学物质极性增强，水溶性增大,改变外来毒物毒性,化合物反应类型,外来化合物的生物转化过程,氧化反应,还原反应,水解反应,结合反应,化合物转化的第一阶段,化合物转化第二阶段,1、氧化反应,（a）环氧化反应 将一个原子氧加到双键上，如,(b)芳香族和脂肪族化合物的羟基化反应,（c）N-、O-、或S-脱烷基反应,2、还原反应,含有硝基、偶氮基、羟基的外来化合物以及二硫化物和链烯（CnH2n）化合物易还原。,3、水解反应,许多外来化合物如脂类、酰胺类和含有脂式键的磷酸盐取代物极易被水解，而且水解后毒物大多降低。,4、结合反应,外来化合物在代谢过程中可直接发生结合反应，经过上述氧化、还原、水解等第一阶段反应，在通过结合反应使其极性增强，脂溶性降低，加速由体内排泄过程。结合反应机理：,19.2 化学物质的联合作用 （Jointacation of chemicals）,实际生活环境中，有多种化学物质同时存在，他们对机体的生物学作用与任何单一化学物质分别作用于机体所产生的生物学作用完全不同，因此，把两种或两种以上的化学物质共同作用于机体所产生的综合生物效应，称为联合作用。根据生物学效应的差异，多种化学物质联合作用通常分为四种类型。,四种类型,协同作用（Synergistic effect） M协同 M1+M2,相加作用（Additive effect） M协同 =M1+M2,独立作用（Independent effect） M1+M2M协同MaxM1,M2,拮抗作用(Antagonism effect) M协同 M1+M2,举例：,一定剂量的化学物质A和B同时作用于机体，如A引起10%动物死亡，B引起40%动物死亡，那么根据相加作用，在100只动物中死亡50只，存活50只,举例：,化学物质A和B分别引起动物死亡为10%和40%，那么100只活的动物，经A作用后，尚存活90只，经B作用后，死亡应为9040%，即36只，故此时存活的动物数应为54只。可见，与上述相加作用不同。,确定联合作用类型方法,将联合作用物按相加作用预测的半数致死量LD50给于实验动物其死亡率80%为协同作用，30%为拮抗作用，在两者之间的为相加作用。,运用相加作用的数学模型，计算出混合物的LD50预期的P值，求P与LD50的实测值Q的比值。P/Q1相加作用； P/Q1拮抗作用； P/Q1协同作用。,将单项毒物进行毒性实验的结果与联合毒性试验的结果进行统计学的显著性检验，根据有无显著性来确定联合作用的类型。,19.3化学致突变、致畸、及致癌作用,一、化学致突变作用（Mutagensis） 1）致突变作用（mutagenesis）指外来因素(化学,物理,生物因素)引起细胞核中的遗传物质发生改变的能力，而且这种改变可随同细胞分裂过程而传递。 2) 致突变物（mutagen）能够引起突变的物质.(遗传毒物, 诱变物),化学毒物致突变类型,基因突变 碱基置换、移码突变 突变 染色体畸变 (结构异常-染色单体 染色体畸变) 染色体组畸变 (数目异常- 非整倍体、 多倍体),二、化学致畸作用,导致畸胎的四种主要因素为病毒、放射性、药物和化学品。 化学致畸作用机理尚未完全清楚，目前认为化学致畸作用机理主要如下： （1）突变引起胚胎发育异常 （2）胚胎细胞代谢障碍 （3）细胞死亡和增值速度减慢 （4）胚胎组织发育过程的不协调,三、化学致癌作用（Carciongenesis）,1、化学致癌作用 （1）基因机制学派 认为癌变是基因（DNA）发生改变，即外来致癌基因引起细胞基因改变或外来基因螯合到细胞基因中，由于细胞基因改变而导致癌变。 （2）基因外机制学派 认为基因本身并未发生改变，是基因调控的表达发生改变，使细胞分化异常，出现异常膜特征及免疫调节等。,2、化学致癌物的分类,到目前为止，已经鉴定出的有机化合物、无机化合物、固体状态物质、激素及免疫抑制剂等多种多样的化学致癌物。 化学致癌物的分类： （1）根据化学致癌物对人体和动物致癌作用的不同进行分类，有利对人致癌危险性进行综合评价； （2）根据作用机理分类。,根据化学致癌物对人类和动物致癌作用不同：,（1）确认致癌物；此类化学物质在人群流行病学调查及动物实验中，以确定具有致癌作用。 （2）可疑致癌物；已确定对动物有致癌作用，对人类致癌性证据尚不足。 （3）潜在致癌物；对实验动物有致癌作用，但无任何资料表明对人类有致癌作用。,根据化学致癌物是否作用于生物体的遗传物质,遗传毒性致癌物,非遗传毒性致癌物,直接致癌物,间接致癌物,无机致癌物,固体致癌物,激素,免疫抑制剂,19.4有机物结构与致癌作用的关系,有机化合物的与其生理活性之间，特别是结构与致癌性能的关系，一直是研究热点。由于与苯并芘相关的多环芳烃在职业癌及大气环境致癌污染方面的重要性，因此，多环芳烃的结构与致癌性能的关系，具有重大的实际意义。 结构与毒性的关系研究在分子水平上进行的，设计毒性的分子机理，且必须在分子生物学的水平上进行，分定性与定量两方面。关于多环芳烃与致癌活性关系已提出K区理论与湾区理论。,20世纪50年代Pullman等人应用休克尔Huckell）的分子轨道理论于多环芳烃的结构与生理活性的关系，提出了K区理论。把多环烃分子分为K区和L区结构。K区是环芳烃分子中双键特性最强的区域，如菲的9,10位置，苯并蒽的5,6位置；而蒽的9,10位置和苯并蒽的7,12位置则称为L区，此区的2个碳原子具有最高的自由价数，属非活化性的。当K区的复合定域能小于3.31，L区的复合定域能大于5.66时，则此多环芳烃将具有致癌活性。 K区理论的缺陷是由于当时缺乏多环芳烃在生物体中实际代谢过程的充分资料，而没有考虑到代谢作用往往不发生在K区，以致使理论计算结果与许多事实不符。,一、K区理论与湾区理论,二、双区理论,双区理论认为，多环芳烃完全致癌作用的必要条件，是在代谢过程中产生两个亲电中心。此外，对于PAH的致癌活性，两个中心已足够，更多的活性中心会在总的代谢趋势上起脱毒作用。进一步研究表明，对于多环芳烃致癌活性，两个活性中心最优距离0.280.30nm，这正好是DNA双螺旋之间互补译码编译 化学致癌作用的可能机理是DNA双螺旋之间的互补移码变异。,发生代谢活化的位置称为M区（代谢活性区），发生亲电反应的理论位置称E区（亲电活性区），L区是一个脱毒区，K区根据不同的情况即可起亲电活性区，也可起脱毒区作用，是一个双重性能区域。E及M所在的环称为角环，未标符号的环称为次角环。E区附近蒽环的碳可称为亲电碳原子或E碳，M区附近蒽环的碳称为活化碳原子，或称M碳。,三、双区理论的定量模型,角环E碳阳离子的离域能E（单位）是有关正离子稳定性的度量，其绝对值越大，则正离子越稳定。 以计算的离域能作参数，经近似处理，得致癌活性定量公式： log=4.75 E1_ E23-0.0512n E2-3 式中： E1具有最高离域能角环或次角环离域能值（ 单位） E2具有次高离域能角环或次角环离域能值（0.4 ） N脱毒区总数，及L区、等价K区及未参加活化的角环总数,19.5元素与健康,元素与健康是当代生命科学和环境科学共同关心的话题。许多研究表明，生命的无机组分和有机组分同样重要，都是生命系统不可缺少部分。例如人体必需的微量元素，主要功能是作为催化剂，即引起或增强酶的活性，一般具有两个作用（1）氧化还原作用；（2）金属直接参与控制反应历程。 一、元素的生物学分类 从医学生物学出发，通常把92种天然元素分为5类： （1）生命必须大量元素（2）生命必须微量元素 （3）生命可能必须元素（4）有毒元素（5）非必须元素,二、生物最适营养浓度定律,德国科学家伯特兰德在对Mn与植物生态关系的研究中，发现植物缺少某种必需元素时就不能成活，元素适量时则能茁壮成长，而当元素过量时就显示出它对植物的毒性，直至最终导致死亡。这一现象被称为伯特兰德定律，即生物最适营养浓度定律。适用范围：植物、动物、人类。 对于有毒元素，伯特兰德定律就不适用。施罗德提出了无生物功能的有毒元素的效应理论。,三、金属中毒与解毒,（1）金属在体内与生物分子的决定它的去向和生物作用。蛋白质由于其配位基团的多样性、构象的复杂多样性以及蛋白质在细胞外液中的大量存在，都使得进入生物体的金属首先与蛋白质配位。除血浆蛋白质外，进入体内的金属离子还可与酶的活性部位直接作用，抑制酶的活性。此外，金属的化学形态不同，所显示的毒性不同。 （2）有毒金属 最后通过肾脏以尿的形式和胃肠道以粪便形式排出体外，有时也通过呼吸作用道排出，少量随汗液、乳汁、唾液及毛发等排出。对于重金属中毒者，往往需要服用解毒剂。,19.6 有毒物质的生物化学效应,一、砷的生物化学效应 砷引起主要中毒症状有神经损害，早期有末梢神经炎，有蚁走感，皮肤色素沉淀，运动功能失调，视力、听力障碍，肝脏损伤等。 近年来科学家发现，适量的砷对人体是必需的，因此将As列入生物必需元素。实验已经证明，动物因为缺砷而使生长发育受阻，免疫力下降。,二、铅的生物化学效应,铅主要引起中枢神经系统损伤和贫血。早期症状是头痛（晕）、失眠、味觉不佳，体重减轻。铅还能够降低人的生育能力。铅可进入神经系统各部位，导致中枢神经系统紊乱，运动失调、多动，注意力下降，智商下降，模拟学习困难，空间综合能力下降。 儿童对铅特别敏感，它能够使儿童的神经、血液、心血管、消化、免疫、内分泌、生殖泌尿等多系统多器官受损，而且是不可逆的终生损伤。,三、汞的生化效应 进入机体的无机汞多蓄积在肾、肝、骨髓、脾等脏器；烷基汞多存在于肾、肝、肌肉中，又特别容易通过血脑屏障，以在脑内蓄积为特征。 甲基汞在人体中与-SH结合形成硫醇盐、使含-SH的酶包括过氧化物酶、细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶、葡萄糖脱氢酶失去活性进而使肝脏失去解毒功能和破坏细胞离子平衡导致细胞坏死。甲基汞还能侵害神经系统，特别是中枢神经系统，损害最严重的是小脑和大脑两半球，特别是枕叶、脊髓后束以及末梢感觉神经。汞也能够引起流产、死胎、畸胎等异常妊娠。,四、N-亚硝基化合物,N-亚硝基化合物是强烈致癌（主要是肝癌）物质，它有两个前驱物质，一是亚硝酸盐，存在于一切农产品中，其中特别是腌制品中含量特别高，放置时间太长的新鲜蔬菜以及焖煮时间太长的食品都会使亚硝酸盐的含量明显增加。二是仲胺，它是动物、植物蛋白质代谢的中间产物。亚硝酸盐除有强烈致癌作用外，还能够使血红蛋白失去输送氧的能力，出现不同程度的缺氧症状。,19.7 环境生物地球化学与地方病,人体与地球化学环境的关系 微量元素与人类健康 地球化学环境与人类疾病（地方性疾病）,地球化学环境与人类疾病,一、我国地方病生物地球化学区的成因类型及地理分布 生物地球化学区是指地表元素缺乏或过剩而引起生物与环境的化学平衡遭到破坏的地区，它是在地质、地形、气候、水文、土壤、植物和人文等问题的综合作用下形成的。,二、几种主要的地方病 地方性疾病指具有一定的发病区域环境的疾病，影响范围大，潜伏周期长，突发性流行，不易根治的疾病。,世界地方性甲状腺肿分布示意图,(一)地方性甲状腺肿,地方性甲状腺肿,*地球化学环境中的碘与地方性甲状腺肿关系 （1）当水碘低于最适浓度的下限(10g/L)时，饮水中含碘量愈低，地方性甲状腺肿患病率愈高，二者呈负相关关系 （2）当水碘高于最适浓度的上限浓度时，饮水中的碘含量愈高，地方性甲状腺肿患病率愈高，两者呈正相关关系,地方性甲状腺肿的防治 查明天然水中碘的分布规律，提供适量碘的饮水水源； 查明水中Ca、F、Mg、Mn等元素的含量 查明地区性的食物特征，如蔬菜、食盐、海产等对该病的干扰； 测定水中有机质的含量和细菌指数、水中的亚硝酸盐含量。 对于该病的有效防治方法是使用碘盐、进行改水、限制使用“促甲状腺肿”物质。,(二)地方性氟病 地方性氟病是一种世界性地方病，遍及五大洲，主要表现是氟中毒引起的斑釉牙、氟骨症和氟摄入不足引起的龋齿。,我国地方性氟中毒的分布 除上海市外，全国各省市区均有不同程度的地方性氟中毒的流行。 根据2000年统计资料，高氟暴露人口10980万，分布在1280个病区县、149541个自然村。病区人口1.5亿，氟斑牙现患4000多万，氟骨症现患260多万。,中国地方性氟中毒分布示意图,地方性氟病症状 生活在高氟区的人群，往往有肢体麻木、知觉异常、反应迟钝、嗜睡不醒等症状。严重的氟中毒就是氟骨症，全身麻木、关节疼痛、弯腰驼背、四肢关节变形，有的丧失劳动能力，生活不能自理，乃至瘫痪。,(三)克山病 一种原因未明的以心肌病变为主的疾病，亦称地方性心肌病。主要为急性和慢性心功能不全，心脏扩大，心律失常以及脑、肺和肾等脏器的栓塞。主要是与硒元素有关。,全国克山病分布示意图,中国硒营养背景值示意图,3、预防 (1)流行区采用亚硒酸钠作为预防性服药，使用含硒酵母、含硒食盐。 (2)农村使用含硒液浸过的种子种植，植物根部施加含硒肥料以提高农作物中含硒量。 (3)改水（或换水）阻截致病因子进入人体。,(2)水文条件和水的化学成分 水质上看，池塘水、沟渠水的有机污染严重， NO3-、NO2-、NH4+、腐殖酸(OH)含量高，化学需氧量(COD)高，Se、Mo、Mg、Ca含量低。,(五) 大骨节病 大骨节病是一种伴有机体改变对称的地方性畸形骨关节病，病情有明显的地方性。在我国14个省区均有分布，主要发生在我国北方地区。,在我国，大骨节病主要分布在东北至西藏的一个狭长高寒地带，若尔盖是一个重病区之一,中国大骨节病分布图,我国主要大骨节病病区饮水水源污染程度和病情相关图解 I一无污染；II一轻度污染；III一中度污染；IV一严重污染；V一极严重污染,(六)地方性砷中毒 由于某些地区居民长期从外环境中摄入过量的砷而引起的皮肤角化、色素沉着、癌变等为主要表现的一种慢性全身性疾病。 地方性砷中毒的病区类型 (1)饮水型地砷病区 (2)燃煤污染型地砷病区,2、地球化学环境 自然界砷广泛分布于岩石、土壤和水环境中 ，含砷矿石如砷铁矿、雄黄、雌黄等，砷多与锌、铜铅等元素共生于硫化物矿床中。,食品添加剂事件：,毒,家,报,道,毒家大曝光,染色馒头事件,上海盛禄食品有限公司分公司在生产过程中添加色素、防腐剂等，将白面染色制成玉米面馒头、黑米馒头等，工人还随意更改馒头的生产