生态毒理学.ppt

毒性动力学,跨膜扩散遵从Fick定律 D = (C0/Ci)SA/MW1/2d 其中，D：扩散速率；C0/Ci：浓度梯度；MW：化学物分子量；S：膜中溶解度；A：膜表面积；d：膜的厚度。 分室模型 分室是一个完全抽象化概念，是根据化学物在体内过程和速率的差异，将机体分为若干个假设的“空间”即“分室”(compartment)。 在同一分室内化学物的转运和转化是均一的。 因分室完全按速率观点划分，不具备解剖学的实体意义，一个房室可包括一个或多个组织器官。 (1) 单室模型 简单地将机体视作由一个隔室组成。,有毒物进入机体后能随血液迅速分布至所有组织，当达到平衡时，尽管体内各组织中的浓度可能不同，但血浆中浓度变化可反映全身组织中毒物浓度变化。 毒物在体内分布的动力学符合一室开放模型，毒物按一级动力学从体内消除。 (2) 两室模型 有毒物进入机体后，在各组织或器官中达到同一浓度水平(以血液循环为例，即血浆中浓度)所需时间不同，动力学特征也不一样，因此，不能用单室模型描述(基于所有器官组织迅速达到同一浓度水平)。为此，提出两个不同的隔室分别加以描述。 该模型也是相当简化的，仅仅区分中央室和周边室，前者达到平衡的时间短，后者则相对较慢。,(3) 多室模型 类似于两室模型，只不过增加更多的分隔室。 通常将快速达到平衡的隔室称为中央室(或I室)，而将平衡较慢地隔室称为周边室(II、III室)。 对照 (control) 为保证检测体系的有效性和可靠性，对受试化学物的检验应选择平行对照。分为阴性和阳性对照。 阴性对照指除受试化学物之外，其它条件与实验组完全一致，并确保实验系统是可靠的。 阳性对照指用已知能引发有显著意义生物学效应的化学物作为对照，用于确定受试系统是有反应的。,几个主要参数,分布容积(distribution volume) 对于单室模型 Vd = Dose/C0 C0是在时间为零时外推得到的毒物浓度 对于两室模型 Vd = Dose/(AUC) 从时间0至时间，曲线下面积(area under the curve, AUC)表达式： AUC = A/ + B/ AUC表示化学物吸收的程度，用于计算生物利用度的必要参数。,载体控制转运 不需能量的易化扩散和需要能量支持的主动转运都会出现饱和现象，表明有毒物是与膜中有限数目的载体蛋白进行可逆结合。 饱和膜转运载体系统的动力学可以由类似酶基质动力学解释。 消除速率常数 毒物从体内某一分室的消除经常按一级动力学方式进行，消除速率与毒物量的比例常数称为消除速率常数。 半减期 (biological half life, BHL) 某一毒物在体内减少至最初摄入量一半时所需的时间。消除速率常数和半减期是常用的两种衡量尺度。,表现分布容积Vd 是染毒剂量或体内毒物总量与血液中毒物浓度间相互关系的一个比例常数。 它是假设毒物在体内完全均匀分布，体内全部毒物按血液中毒物浓度溶解时所需的体液总体积。 在某一毒物对血浆和机体所有组织的亲和力相同(即浓度相同)时，使毒物达到血浆浓度所需的容积。 体内毒物总量A理论上应占有的体液容积Vd = A/血浆游离毒物浓度C 代表进入体内有毒物剂量或体内有毒物的量与血浆毒物浓度之间相互关系的比例。 表现分布容积并非机体真正的容积数值，而是一种比例因素。表现分布容积较高，说明该毒物是隔离于某一特殊组织内或定位于脂肪中。,表现分布体积数值依赖于毒物的理化性质及其与组织细胞的亲和力： 一般水溶性或极性大的毒物，不易进入细胞内或脂肪组织中，血液中毒物浓度较高，表观分布容积较小； 而亲脂性化合物，通常在血液中浓度较低，表观分布容积较大，往往超过体液总量。 表观分布容积能粗略地反映出毒物在组织器官中的分布情况，是一种毒物特征参数。 消除率 单位时间内，毒物的消除量(消除速率)与当时毒物浓度之比。 也可视为单位时间内从模型中消除毒物的体积。,单室模型,体内浓度 CB,外介浓度 CM,速率常数 k2,速率常数 k1,单个生物体对化学物积聚的 动力学模型质量平衡方程式： dCB/dt = k1CMk2CB,毒物浓度,毒物吸收速率,一级动力学,零级和一级 混和动力学,零级动力学,时间,LogCP,C0,斜率 = k2t/2.303,t1/2 = 0.693/k2,两室模型,组织 T,血浆 P,k12,k21,废弃 W (waste, excretion),代谢 M (metabolism),ke,km,dCP/dt = k21CTk12CP(ke+km)CP CP = Aet + Bet A, B, 和是k12, k21和(ke+km)的复合常数,分布与排除,时间,LnC,LnB,LnA,LnC0,分布,排除,1,2,k12,k21,k10,LnC,时间,2,1,k21 = (A+B)/(A+B) k12 = +k21(kekm) ke+km = /k21,一室至三室开放模型,一室模型,周边室 II,中央室 I,Ka,Ke,I,Ka,Ka,K12,K21,Ke,II,III,K21,K12,K13,K31,Ke,(1) 有毒物进入机体后，在各组织或器官中达到同 一浓度水平(以血液循环中血浆浓度为例)所需时间 不同，动力学特征不同，因此，不能用单室模型 描述(基于所有器官组织迅速达到同一浓度水平)， 提出不同的隔室分别加以描述。 (2) 两室模型也是相当简化的，仅仅区分中央室和 周边室，前者达到平衡的时间短，后者相对较慢。,吸收过程中机体不同分室内单一毒物剂量的相对变化,毒性剂量比例,时间,P,T,M+W,P：血浆分室 T：组织分室 M+W：代谢和废物分室之和 速率常数的变化对曲线形状影响明显,零级和一级动力学特点,零级动力学特征 (1) 当某些毒物剂量过大或机体消除能力有限，体内毒物将以最大消除速率衰减，即恒量衰减。 时量曲线用普通坐标显示为直线，斜率为Vmax； (2) 毒物血浆浓度半减衰期不是恒定值，而随毒物血浆浓度高低变化。 当血浆浓度降低至最大消除能力以下时，转为一级动力学； (3) 在多次给毒时增加剂量，可超比例升高毒物的稳定浓度和延长消除时间。 当毒物剂量超过一定水平，毒物消除能力饱和，毒物在体内的负荷急剧增加，将导致毒效应急剧加强。,一级动力学特征 (1) 进入体内毒物量较少，机体代谢或排泄能力未被饱和，体内毒物按恒比衰减，时量曲线用普通坐标时，为曲线。 纵坐标改为对数时为直线，斜率为K/2.303； (2) 毒物半减期恒定，不因血浆浓度高低而变化，也不受给毒途径影响。 一次给毒物大约经过5个半减期，体内毒物量排泄96%以上。 每个半减期给毒一次，则经过5个半减期，血浆浓度基本达到稳态浓度； (3) 多次给毒时，增加剂量能相应增加血液浓度，并使时量曲线从下面按比例增加，但不能缩短达到稳定的时间，并不能按比例延长毒物消除完毕的时间。,多次给毒时： 血浆浓度提高一倍，毒作用维持时间延长一个半减期；血浆浓度增加四倍，毒作用维持时间延长两个半减期。,酶基质动力学,参数说明 载体蛋白摩尔浓度，P0； 未被占据的载体摩尔浓度，P； 游离化学物基质摩尔浓度，S； 基质载体络合物摩尔浓度，PS。 基质化学物作用的解离常数Km(Michaelis常数) Km = (P)(S)/(PS) = (P0PS)(S)/(PS) PS = (P0)(S)/(Km+(S) PS生成的速率常数v，v = k(PS) v = k(P0)(S)/(Km+(S) 当载体达到饱和，v = k(P0)，达到最大值vmax，此时 v = vmax(S)/(Km+(S) vmax，S，v均为实验测定。,Km当载体被半饱和时载体浓度(最大反应/转运速率一半时载体的浓度)。 Km反映外源化学物对酶的亲和力大小，若一种酶有几个载体，则对每一载体各有一个特定的Km值。 通过图解法推导 Km数值提供了载体对化学物(基质)亲和力的一种量度，较小的Km值指示较高的载体基质亲合度。,Michaelis-Menten图解饱和载体控制转运,(a),(b),(c),S,(PS),P0 for (a) & (b),P0 for (c),1/2P0 for (a) & (b),1/2P0 for (c),Km for (a) & (c),Km for (b),P0：指对三个不同的系统a、b、c，载体蛋白上活性结合点位总数(承载容量)；其中： (1) a和b具有相同的承载容量； (2) a和c具有相同的基质亲和力，由描述基质的Michaelis常数Km确定。 S：载体浓度； PS：载体基质络合物。,其它描述载体/底物与酶结合动力学方程,Hill方程 V/Vmax = Sn / (K + Sn) 其中，V表示底物浓度为S时，酶促反应的初始速率，Vmax是表观最大反应速率，K是常数，n为每分子酶结合底物的数目。 Hill图形 将上述公式两侧取对数进行线性化， 以logV/(VmaxV)对logS作图，斜率为n，截距为logK的直线。,有毒物抑制载体控制转运内源基质的方式,竞争方式 竞争方式导致Km相对于正常基质发生数值变化，引发曲线从曲线a向b逆转，而载体总数未变。 此时，较高的Km数值反映降低的基质亲和力。 非竞争方式 另一方面，非竞争抑制方式由可用载体总数的降低表征。 尽管Km未受影响(如曲线c情形)，但这种降低导致饱和曲线的上部渐近线的数值降低(即最大通量速率较低)。,Scatchard图示载体基质动力学,P0/Km,P0,PS,PS/S,线性关系,排除过程的动力学模型,排除过程的分室模型(compartment)可分为： 基于速率常数(rate)的模型 进一步分为：一室、两室和其它多重分室模型。 基于清除体积(clearance volume)的模式 用于建立更为复杂的参数模型，例如基于生理药物动力学模型(physiologicallybased pharmacokinetics, PBPK)。 逸度模式(fugacity model) 逸度f = 浓度C/逸度容量Z 有关专著： Mackay D. 1991, Multimedia Environmental Models: The Fugacity Approach Lewis Publisher, Chelsea, MI, 257p.,毒物进入生物体摄入、吸收和蓄积的可能曲线,生物半衰期,毒物质量单位,A：摄入量曲线,B：吸收量曲线,C：体内蓄积曲线,致毒引起的病变,致毒效应分类 致毒效应包括毒物分子与某些作用器官的特异部位即受体之间相互作用，产生一系列反应结果 (1) 机体受污染毒害后对健康损害； (2) 通过母体致胎儿先天性异常畸变、功能不全等； (3) 作用于遗传物质的损害遗传病。 对机体的直接毒害作用称近期毒效应 对胚胎和基因损害称为远期毒效应 致毒引起的病变： 组织细胞的病变 (1) 实质细胞变性 颗粒性变性、水样性变性、脂肪变性、玻璃样变性等；,(2) 实质细胞坏死 如坏死病理变化、坏死组织的表现、坏死组织的后果(吸收和修复，纤维化，溃疡)； (3) 萎缩 (4) 间质(结缔组织)病变 如变性和硬化； 血液循环的障碍 (1) 充血：器官或组织内血管扩张，血量过多； (2) 缺血； (3) 出血：血管壁完整性被破坏，凝血动能受障碍； (4) 血栓形成；聚集和凝固过程； (5) 栓塞：异物造成血管堵塞现象；,致毒引起的病变,(6) 梗死：血流受阻断，侧枝循环不能很快恢复，引起局部组织坏死。 炎症 原因有两类： (1) 感染或传染性炎症； (2) 由于机械损伤、等理化因子引起的炎症，又分为急性、慢性和亚急性。 肿瘤 实质部份由肿瘤细胞组成，间质部份由结缔组织和血管组成。,致毒效应的机制,在分子水平、细胞水平、器官水平以及整体水平上出现多种响应： 对细胞的损伤 (1) 直接作用； (2) 细胞膜通透性变化 维持细胞膜的稳定性对机体内生物转运、信息传递和内环境稳定非常重要。环境毒物可改变细胞膜成份、膜脂流动性，影响膜通透性和镶嵌蛋白活性； (3) 细胞内消化； (4) 选择性细胞死亡； (5) 对一般功能的影响 麻醉作用、干扰神经传导、对DNA、RNA、蛋白质合成的干扰和抑制细胞生长、阻止氧的吸收、运输和利用、物理性积聚作用；,(6) 干扰细胞内钙稳定性 钙作为细胞的第二信使，在调节细胞内功能方面发挥关键作用。环境毒物可通过干扰细胞内钙稳态引起细胞损伤和死亡； (7) 干扰细胞能量的产生 机体内的能量来自糖类和脂肪类的生物氧化，产生的能量以三磷酸腺苷ATP形式存储，这种氧化磷酸化过程称为细胞呼吸链。环境毒物可干扰糖类氧化，造成细胞不产生ATP。 对受体的作用 受体按功能分为神经介质、激素受体和药物受体 涉及的机制 (1) 腺苷酸(或鸟苷酸)环化酶； (2) 钙离子通道；,致毒效应的机制,(3) 配位体与基于生物膜上的受体相互作用； (4) 附设的受体部位供竞争性拮抗剂占领； (5) 有活性和非活性两种形式的处于动态平衡的受体。 对酶作用的影响 (1) 与酶蛋白的金属离子或活性中心功能团作用； (2) 与辅酶作用； (3) 与酶激活剂作用； (4) 非竞争性抑制； (5) 竞争性抑制； (6) 体液中酶活性增高。 自由基与脂质过氧化 自由基具有奇数电子的分子，因化合物共价键发生均裂产生。具有顺磁性、化学反应性高，半衰期短。,形成自由基的四种情况： (1) 外源性化学物本身即为自由基； (2) 外源性化学物不需要酶参与而转化为自由基； (3) 外源性化学物经酶催化转化为自由基； (4) 外源性化学物也能形成自由基。 自由基在生物体内的作用方式： (a) 对生物大分子影响：攻击多不饱和脂肪酸，攻击蛋白质和酶，攻击核酸； (b) 对生物膜的影响：包括对微粒体的影响，对线粒体的影响，对溶酶体的影响； (c) 影响脂质过氧化和各种因素：肝微粒体混合功能氧化酶系统的活性程度，机体的抗氧化水平，机体抗氧化酶系统活性。,致毒效应的机制,结合作用 (1) 非共价键结合 效应包括： 改变酶活性； 干扰内源性物质与血红蛋白的结合； 嵌入DNA分子； 对细胞直接作用； (2) 共价键结合 对免疫功能的干扰 (1) 使免疫功能受到抑制或产生免疫缺损； (2) 改变宿主体系的防御机制，降低抵抗力； (3) 产生变态反应；,按过敏反应出现的快慢、抗体是否存在分为四型： 速发型或过敏型； 溶细胞型； 免疫复合物型； 迟发型。 非致死性遗传改变 干扰DNA复制和修复； 引起DNA损伤和染色体异常； 对体细胞可诱发细胞突变和癌变； 对生殖细胞可遗传下代，产生遗传性疾病和畸胎。 从分子机理分析毒性作用，分为： (1) 毒物与靶分子的不可逆作用而引起毒作用；,包括： 与生物大分子的共价结合， 脂质过氧化作用， 致死性合成以及致死性渗入。 酶的不可逆性抑制涉及体内携带/转运系统的化学性损伤，引起过敏性变态反应物质的毒作用； 其它，如局部刺激作用； (2) 毒物与靶分子的可逆作用而引起的毒作用； (3) 毒物物理蓄积引起的毒作用。,外源母体化学物和/或其化学反应代谢物所诱发的毒性可能机制,去毒作用,外源母体化学物,反应代谢产物,代谢活 化作用,共价结合,氧化,自由基形成,惰性代谢物,蛋白质包括酶,核酸，RNA DNA,脂类,小分子物质,(ATP UDPG等),脂类或DNA 自由基,超氧化、氢过氧化 或羟氢氧自由基,潜在生态效应,+,生态毒理学研究方法,一般方法步骤： 从复杂系统中发现某些环境要素，研究在此环境要素条件下污染物的行为(即模拟分析)； 利用自然生态系研究污染物的变化； 详细分析环境中的样品，确定污染物定量方法。,毒性的影响因素,生物因素 (1) 生物分类组别 (taxonomic group) 种属和个体差异 不同种属生物或同一种属不同个体之间对同一毒物的反应差异，原因复杂。 但主体原因是毒物在体内代谢差异(包括代谢酶)所致。 所以在进行毒性实验时，应尽可能选择条件一致的生物以减少个体差异造成的影响。 (2) 年龄阶段/机体大小 反应灵敏度差异 新生和幼年生物通常对毒物较成年生物敏感。新生生物中枢神经系统发育不完全，对有关的兴奋剂敏感性差，而对抑制剂则较为灵敏。,新生生物的膜通透性较强，对某些脂溶性神经毒物的毒性反应较大。 经代谢转化后毒性增强的化学物，对新生和幼年生物毒性较成年低，反之，在体内可迅速代谢失活的化学物，对新生和幼年生物毒性可能较大。 (3) 营养与健康 营养不足或失调影响化学物毒性作用。 如蛋白质缺乏引起酶蛋白合成减少、活性降