环境毒理学(董国日)03-3环境污染物在体内的生物转运和生物转化

环境毒理学,第三章污染物在生物体内的生物转运和生物转化,污染物,生物转运,生物转化,代谢动力学,生物膜的结构和功能,化学物质通过生物膜的方式,化学物的排泄,吸收,污染物分布,生物转化的反应机理,生物转化的复杂性,影响生物转化的因素,基本概念,一室模型,第一节生物转运,生物膜的结构和功能生物膜是细胞或细胞器与周围环境分隔的一层半渗透性薄膜。结构：由类脂质双分子层和蛋白质组成。各种蛋白质嵌在类脂层内或附在膜表面。功能：1）保持细胞和细胞器内部理化性质的稳定；2）选择性地允许或不允许某些物质通过，以便吸收和排出一些物质；3）生物膜上的酶类还对化学物质的生物转化过程起催化作用；4）传递信息。,二.化学物质通过生物膜的方式,被动转运,特殊转运,简单扩散,吞噬和胞饮,滤过作用,被动转运,易化扩散,化学物质通过生物膜的方式,被动转运（生物膜对物质的转运不起主动作用）简单扩散（simplediffusion）扩散过程过程中，膜两侧的化学物质从高浓度向低浓度扩散，化学物质不与膜起反应，不消耗能量。,影响因素：1）膜两侧毒物的浓度梯度。R=KA(c1-c2)/D式中R为扩散速率，K为常数，A为膜面积，c-c为膜内、膜外浓度，D为膜厚度。2）毒物在脂质中的溶解度，以脂/水分配系数表示。,脂/水分配系数越大就越易通过细胞膜。但由于毒物在生物体内的扩散除需要通过脂相外还要通过水相，因而如果一种毒物如果在水中的溶解度极低，其简单扩散过程也会受影响。,3）化学物质的解离度和体液的pH质。解离状态毒物在脂质中溶解度低，不易通过细胞膜；非解离状态在脂质中溶解度高，易通过细胞膜扩散。体液pH质下降时，弱酸性物质的解离度降低，以不带电的分子存在，脂溶性强，易通过细胞膜扩散；体液pH质上升时，弱碱性性物质的解离度降低，易通过细胞膜扩散；4）毒物与蛋白质的亲和力，以及膜两侧体液中的蛋白浓度。亲和力大，两侧蛋白浓度高，则易扩散。,b.滤过滤过是化学物质通过细胞膜上的亲水性孔道的过程。生物膜具有充满水分的小孔道和间隙，它是由嵌入类脂质双分子层的蛋白质的亲水性氨基酸构成。由于流体静力和渗透压的作用，水能携带小分子溶质经亲水性孔道顺压差透过生物膜。,2.特殊转运（生物膜对物质的转运起主动作用）对于某些分子量较大的化学物质，不能通过上述方式转运，需通过生物膜上的特殊转运系统。主动转运（activetransportation）易化扩散（facilitateddiffusion）吞噬和胞饮（endocytosis）,a.主动转运（activetransportation）指化学物质伴随着能量的消耗由低浓度向高浓度处转运以透过生物膜的过程。特点：需要载体（生物膜上的蛋白质）；消耗能量，因而代谢抑制剂可阻止该过程；对被转运物质有选择性（主要是化学物的结构）；载体有一定容量，当化学物质达到一定浓度时，载体会饱和，转运达极限；不同的化学物质之间会出现竞争性抑制。,b.易化扩散（facilitateddiffusion）指不溶于脂质的化学物质，利用载体由高浓度向低浓度处移动的过程。特点：需要载体；不消耗能量。,c.吞噬和胞饮（endocytosis）吞噬作用（phagocytosisi）：指一些固态颗粒物质与某种蛋白于有特殊亲和力，当其与细胞膜接触后，可以改变这部分细胞膜的张力，引起外包或内凹，将异物包围进入细胞。胞饮作用（piocytosisi）：液滴异物通过上述方式进入细胞称为胞饮。吞噬和胞饮可以合称为入胞作用或内吞作用，或膜动转运。白细胞,吸收1.陆生哺乳动物的吸收消化道吸收呼吸道吸收皮肤吸收2.植物的吸收,1.陆生哺乳动物的吸收消化道吸收消化道吸收是吸收环境化学物质的主要形式。主要在小肠内吸收。小肠内的吸收主要是简单扩散方式。b.呼吸道吸收空气中的化学污染物主要从呼吸道侵入机体。肺部是呼吸道中的主要器官。肺部对气态物质的吸收主要是简单扩散的方式。到达肺部的颗粒物质去向有三种：直接从肺部进入血液；随黏液咳出或咽入胃肠道游离或被吞噬的颗粒物可透过肺的间质进入淋巴系统。,皮肤吸收主要是一些有机物如有机磷农药、四氯化碳吸收途径：表皮；毛囊、汗腺及皮脂腺表皮吸收的的主要方式是简单扩散。表皮吸收的影响因素：脂溶性高、分子量小的透过表皮角质层的速度快；不同动物种属表皮通透性不同；高温促进皮肤吸收；角质层损伤因子。,2.植物的吸收,植物吸收系数,植物灰分中某元素的含量,环境中某元素的含量,四.污染物分布1.动物体内的分布2.植物体内的运输和分布,动物体内的分布化学物质被吸收进入体液后，随血液和淋巴的流动分散到全身各组织的过程，称为分布（distribution)。在分布的开始阶段，血液供应愈丰富的器官，化学物质的分布愈多，如肝脏；随着时间的延长，化学物质在器官和组织的分布，愈来愈收到化学物质与组织器官的亲和力的影响而形成化学物质的再分布（reditribution）过程。,毒物在体内的贮存a.血浆蛋白b.肝和肾c.脂肪组织d.骨骼组织,2.植物体内的运输和分布一般：根部茎叶种子和果实凯氏带（casparianstrip）,五.化学物的排泄排泄是环境化学物质及其代谢产物向机体外转运的过程。1.动物的排泄2.植物的排泄,动物的排泄经过肾随尿液排出肾小球滤过、肾小管的主动分泌、肾小管的重吸收经肝脏排出经呼吸道排出其他排出途径乳汁；唾液、汗腺；指甲和头发植物的排泄植物的排泄主要以分泌的形式进行。（如泌盐植物）分泌是将物质从原生质分离或将原生质的一部分分开的现象。组织器官的脱落,第二节生物转化,一.基本概念生物转化：化学物质在组织和器官中，经过一系列生物化学变化并形成各种衍生物（即中间代谢产物）的过程，液称为代谢转化。代谢失活（biodetoxication）：外源化学物质经生物转化后其极性及水溶性增加，毒性降低甚至消失的现象。活化(bioactivation)：外源性化学物质的代谢产物的毒性增高，或水溶性降低的现象。,二.生物转化的反应机理生物转化过程主要包括4种反应：氧化、还原、水解、结合。前三种反应往往使分子上出现一个极性基团，使其易溶于水（并可进行结合反应，这是外源化学物质首先经过的第一阶段反应，也称为I相反应（phaseIreaction)。然后经过结合反应，即第二阶段反应，也称为II相反应（phaseIreaction）。,1.I相反应（1）氧化反应氧化反应是在混合功能氧化酶系（mixedfunctionoxidases，MFOs）的催化下进行的。这些氧化酶位于内质网，内质网的碎片称为微粒体（microsome）。,RH(毒物）,混合功能氧化酶系,ROH(氧化产物）,O21,2H2O,1NADPH2(还原辅酶II）；2NADP（氧化辅酶II）,细胞色素P450酶（cytP450）细胞细胞色素P450酶是一种以铁原子为辅基的卟啉蛋白。铁原子可以在二价和三价之间来回转换。该酶能与CO结合，其复合物在波长450nm处有特征吸收峰，故称为细胞色素P450。,（a）微粒体氧化指内质网碎片上的酶系统所催化的氧化反应。主要发生单加氧酶催化的一些氧化反应。脂肪族的氧化,RCH3,O,RCH2OH,芳香族羟化,O,O,OH,环氧化脂肪族烯烃类化合物的环氧化,CHCl=CH2,O,HClC,CH2,O,芳香族环氧化反应,O,O,HHO,H,OH,N-脱烷基反应,O-脱烷基反应和S-脱烷基反应,RN(CH3)2,RNCH3,CH2OH,RNCH3,H,+HCHO,ROCH3,ROCH2OH,ROH+HCHO,O,O,RSCH3,O,RSCH2OH,RSH+HCHO,脱氨基反应,N-羟化反应,烷基金属脱烷基反应,RCH2NH2,O,RCHO+NH3,RNH2,O,RNHOH,Pb(C2H5)4,Pb(C2H5)3,S氧化反应,氧化脱卤反应,RSR,O,RSOR,RSO2R,RCH2X,O,RCHOH,RCH2X,X-,（b）非微粒体氧化这类酶主要催化具有醇、醛、酮功能基的外源化学物质的氧化反应。主要包括醇脱氢酶、醛脱氢酶和胺氧化酶类。醇脱氢酶催化伯醇类形成醛类，仲醇类形成酮。,RCH2OH,NAD,RCHO+NADH+H+,RCHOH,R,NAD,RC=O+NADH+H+,醛脱氢酶催化醛类形成相应的羧酸类。,RCHO,NAD,RCOOH,RCH2NH2,MAO,RCHO+NH3+H2O,胺氧化酶(单胺氧化酶MAO、二胺氧化酶DAO),O,H2N(CH2)nNH2,O,DAO,H2N(CH2)n-1CHO+NH3+H2O,（2）还原反应催化还原反应的酶主要存在于肝、肾和肺的微粒体和胞液中。此外体内还存在一些非酶促反应。,（a）微粒体还原羰基还原反应醛伯醇酮仲醇,含氮基团还原反应硝基还原反应RNO2RNORNHOHRNH2偶氮还原反应R-N=N-RR-NHHN-R2R-NH2含硫基团还原反应R-S-RR-S-R,O,含卤素基团的还原反应CHCl3、CCl4、六氯代苯等在微粒体的催化下发生还原性脱卤反应。如CHCl3脱卤加氢。,（b）非微粒体还原包括醇、醛、酮、有机二硫化物、硫氧化物和氮氧化物等的还原反应。如,R-C-R,O,R-CH-R,OH,（3）水解反应脂类水解反应RCOORRCOOH+ROH酰胺类水解反应RCONHRRCOOH+RNH2水解脱卤反应,2.II相反应亦称为结合反应（conjugation）。经过I相反应，读物可能带有一些急性基团，如-OH、-SH、-COOH、-NH2等。结合反应是在此基础上再引入一个强酸性基团，如葡萄糖醛酸、硫酸等。结合反应一方面可以使有毒化合物某些功能基团失活；另一方面大多数化合物通过结合反应，水溶性增加，很快由肾脏排出，因此，结合反应是一种解毒反应。结合反应分为两个阶段：首先是形成一个活化的中间体，此过程一般需要ATP；继而由多种转移酶将活化的中间体的一个化学基团，作为供体转移到另一个化合物（受体）上，形成结合物。毒物及其代谢产物一般为受体，而内源性结合基团为供体。,常见的结合反应1）葡萄糖醛酸结合2）硫酸结合3）乙酰化4）氨基酸结合5）谷光甘肽结合6）甲基化,1）葡萄糖醛酸结合这是最常见也是最重要的一种结合反应。葡萄糖醛酸是体内的正常代谢产物，凡是有羟基、氨基、羧基和某些带巯基的外来化学物质，都能在肝脏与葡萄糖醛酸结合。,-葡萄糖-1-磷酸,尿苷三磷酸（UTP）,尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）,UDPG脱氢酶,尿苷二磷酸葡萄糖醛酸（UDPGA）,底物,葡萄糖醛酸结合产物,UDPGA转葡萄糖醛酸酶,形成O-葡萄糖醛酸化物,OH,O-C6H906,COOH,COO-C6H906,形成S-葡萄糖醛酸化物,形成N-葡萄糖醛酸化物,NH2,NH-C6H906,SH,S-C6H906,2）硫酸结合毒物的醇类、酚类和胺类的代谢物都可以与硫酸结合成硫酸酯。硫酸来源于含硫氨基酸的代谢产物。这一反应过程多在肝、肾、胃和肠中进行。,硫酸根,ATP,AMP-O-SO3H（APS）,ATP激酶,3-磷酸腺苷-5磷酰硫酸（PAPS）,底物,硫酸酸结合产物,UDPGA转葡萄糖醛酸酶,ATP,3-磷酸腺苷,ATP硫化酶,3）乙酰化乙酰化是各种芳香类、酰肼类等外源化合物的重要转化途径。,外源化合物,乙酰辅酶A,乙酰化产物,N乙酰基转移酶,4）氨基酸结合许多具有羟基的毒物（如苯乙酸、取代苯甲酸和杂环羧酸等，可以与乙酰辅酶A在酰基辅酶A合成酶的作用下，形成酰基辅酶A作为供体，然后在N乙酰基转移酶的作用下，与甘氨酸等-氨基酸受体结合。,毒物,乙酰辅酶A,酰基辅酶A,N-乙酰基转移酶,酰基辅酶A合成酶,氨基酸,氨基酸结合产物,5）谷光甘肽结合谷光甘肽分子中的巯基，在谷光甘肽-S-转移酶的作用下，可与卤代芳香烃、卤代硝基苯、环氧化物以及少数的芳香烃结合。产生的谷光甘肽结合产物经-谷胺酰转肽酶和甘氨酰氨基转移酶的作用下，依次脱去谷光甘肽上的谷胺酰和甘氨酸，经N-乙酰化生成硫醚氨酸衍生物排出体外。,毒物,谷光甘肽,-谷胺酰转肽酶,谷光甘肽-S-转移酶,谷光甘肽结合产物,甘氨酰氨基转移酶,N-乙酰基转移酶,硫醚氨酸衍生物,6）甲基化该反应由甲基转移酶所催化，其辅酶为S-酰苷蛋氨酸。甲基化不是毒物进行生物氧化的主要途径，一般甲基化产物的水溶性也不增加。各种酚类（特别是多羟基酚）、硫醇类、胺类及氮杂环化合物都可以进行甲基化反应。,-OH,O-甲基化,S-甲基化,N-甲基化,O-甲基转移酶,-OCH3,酚羟基,-OH,巯基,S-甲基转移酶,-SCH3,N,N-甲基转移酶,N,CH3,+,吡啶,N-甲基吡啶阳离子,总结,高度亲脂且代谢稳定,细胞外转移、排出,第II相：结合,亲水性的,极性的,亲脂性的,I相氧化、还原、水解,蓄积于脂肪组织中,极性,水溶性,三.生物转化的复杂性（了解性内容）1.生物转化的多样性2.生物转化的连续性3.代谢转化的两重性4.代谢饱和状态,生物转化的多样性毒物通常都经过多种形式的生物转化，形成各种不同的代谢产物。不同的转化方式所产生的代谢产物其毒性作用往往极不相同，因而化学物质的毒性可能在很大程度上受到这些因素的影响。生物转化的连续性绝大多数毒物在体内的代谢转化往往不是单一的反应，常常是多个反应连续进行，表现出代谢转化的连续性。当一些具有连续反应特点的毒物在正常代谢途径受干扰时，其毒效应可明显受到影响。,代谢转化的两重性从毒作用来看，许多化学物质经代谢后其毒性降低，但代谢转化导致毒性增强的例子也很多。从毒物经转化后是否有利于排出的角度来看，一般情况下，代谢转化的结果往往是使化学物质的急性增强，成为水溶性更强的衍生物以至影响分布，并更易随尿液和胆汁排出体外。但也有例外，如磺胺类化合物与酰基结合后，其水溶性反而降低。,4.代谢饱和状态毒物的浓度或剂量能影响毒物的代谢情况，开始接触毒物时，随毒物在体内浓度的增加，单位时间内代谢酶对毒物催化代谢产生的产物量也随之增加，但当毒物量达到一定浓度时，其代谢过程所需的基质可能被耗尽或者参与代谢酶的催化能力不能满足其需要，单位时间内代谢产物量不再随之增加，正常代谢途径亦可能发生改变。这种代谢途径被饱和的状态称为代谢饱和（mentabolicsaturation）,四.影响生物转化的因素1.物种差异和个体差异a）物种差异：代谢酶的种类不同；代谢酶的活力不同。b）品系差异c）个体差异,2.饮食营养状况a）蛋白质营养较差时，对于经生物转化可达到解毒或降低毒性作用的大多数外源化学物质转化速度减慢，对机体的毒刑增强。b）膳食中多不饱和脂肪酸不足或过多，均可引起肝细胞色素P450单加氧酶活力下降。c）一般，维生素缺乏会使生物转化速度减慢，但具体情况有所不同。d）无机盐营养成分（如钙、镁、铜、铁、锌等）的缺乏均可影响到细胞色素P450单加氧酶的活力。,3.年龄、性别等生理因素a）年龄：随着年龄的增加，某些代谢酶的活力在变化。b）性别：大多数情况下雄性动物在代谢转化能力和代谢酶活力上均高于雌性，故一般外源化学物质对雄性毒性作用较低。c）激素：雌雄在生物转化上的差异主要是由雌、雄激素所决定。d）昼夜节律：机体在每日不同时间的生物转化能力有高低差异，一般认为这与内分泌功能的昼夜节律有关。,代谢饱和状态当代谢途径被饱和时，正常代谢途径就可能发生改变。,5.抑制和诱导a）抑制特异性抑制：一种外源化学物质对某一种酶有特异性抑制作用，使该酶催化的生物转化受到抑制。竞争性抑制：同一酶系统有几种不同的底物，当一种底物在体内过多时，可抑制该酶系统对另一底物生物转化的催化作用。,b）诱导有些外源化学物质可使某些代谢酶的活力或酶的含量增加，这种现象称为酶的诱导。凡具有诱导效应的化学物质称为诱导物。诱导的结果将对其他外源化学物质的生物转化产生促进作用。,第三节污染物的代谢动力学(了解性内容）,一.基本概念,1.毒物代谢动力学（toxicokinetics）用数学的方法研究毒物的吸收、分布、生物转化和排泄等随时间而发生的量变的动态规律。即研究毒物代谢的量变的经时过程。,2.室（compartment）的概念将机体视作一个系统，按动力学特点分