03第三章環(huán)境污染物的生物轉(zhuǎn)運(yùn)和生物轉(zhuǎn)化生物轉(zhuǎn)運(yùn)

1、第三章 污染物的生物轉(zhuǎn)運(yùn)和生物轉(zhuǎn)化生態(tài)毒理學(xué)生態(tài)毒理學(xué) ecotoxicology污染物在體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)運(yùn)和生物轉(zhuǎn)化污染物在體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)運(yùn)和生物轉(zhuǎn)化環(huán)環(huán)境境污污染染物物血血液液吸吸收收排排泄泄化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)改變改變分布組織臟器分布組織臟器代謝產(chǎn)物代謝產(chǎn)物貯存貯存2生物轉(zhuǎn)運(yùn)和生物轉(zhuǎn)化生物轉(zhuǎn)運(yùn)和生物轉(zhuǎn)化生物轉(zhuǎn)運(yùn)(biotrnsport) 污染物通過機(jī)體的吸收、分布和排泄過程, 體內(nèi)的空間位置的改變 生物轉(zhuǎn)化(biotransformation) 污染物在體內(nèi)受代謝酶的作用，污染物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生改變，形成新的代謝產(chǎn)物的過程研究的意義 了解吸收過程、分布特征、蓄積性、代謝產(chǎn)物的性質(zhì)、

2、排泄速度和途徑,為闡明毒作用及其作用機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)33.1.1 生物膜的結(jié)構(gòu)和功能生物膜的結(jié)構(gòu)和功能脂質(zhì)雙分子層脂質(zhì)雙分子層磷脂分子磷脂分子糖分子糖分子蛋白分子蛋白分子7-10nm3.1 生物轉(zhuǎn)運(yùn)生物轉(zhuǎn)運(yùn)4細(xì)胞膜的生理學(xué)功能細(xì)胞膜的生理學(xué)功能蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)u維持細(xì)胞完整性和細(xì)胞器內(nèi)部理化性質(zhì)的穩(wěn)定u選擇性地通過物質(zhì)，影響物質(zhì)吸收和排出u細(xì)胞識(shí)別和信息傳遞u能量轉(zhuǎn)換u酶類的催化作用3.1.1 生物膜的結(jié)構(gòu)和功能生物膜的結(jié)構(gòu)和功能5很多化學(xué)物質(zhì)的毒性與生物膜有關(guān)氰化鉀 線粒體內(nèi)膜細(xì)胞色素c氧化酶有機(jī)磷化合物 半嵌入質(zhì)膜的乙酰膽堿酯酶蛋白質(zhì) 受體 靶器官靶細(xì)胞63.1.1 生物膜的結(jié)構(gòu)和功能生物膜的

3、結(jié)構(gòu)和功能研究范例研究范例w. hu et al. / comparative biochemistry and physiology part c 135 (2003) 7788 alterations in cell membrane properties caused by perfluorinated compounds7effects of pfos on memebrane fluidity in fish leucocytesnegative controlpositivecontrolpfos exposedexposure to pfos significantly incr

4、eased membrane fluidity of fish leukocytes8alterations in cell membrane properties caused by perfluorinated compoundseffect of pfos on mitochondrial electron potential.研究范例研究范例w. hu et al. / comparative biochemistry and physiology part c 135 (2003) 7788 mitochondrial membranepotential was inversely

5、related to the pfos concentration.9tcddpfos研究范例研究范例w. hu et al. / comparative biochemistry and physiology part c 135 (2003) 7788 interactive effects of pfos and tcdd on h4iieluc cell erod activity10研究范例研究范例w. hu et al. / comparative biochemistry and physiology part c 135 (2003) 7788 it is possible t

6、hat binding of pfos to proteins could significantly ameliorate the membrane-related effects observed here if the affinity for protein is greater than that for membranes.interactive effects of e2 and pfos or e2 and tcddon mvln cell luciferase activity3.1.2 化學(xué)物質(zhì)通過生物膜的方式化學(xué)物質(zhì)通過生物膜的方式被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)(passive transpo

7、rt) 簡(jiǎn)單擴(kuò)散、濾過特殊轉(zhuǎn)運(yùn)(specialized transport) 易化擴(kuò)散、主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)、吞噬和胞飲作用11 簡(jiǎn)單擴(kuò)散簡(jiǎn)單擴(kuò)散(passive transport) 毒物從細(xì)胞膜的高濃度一側(cè)向低濃度側(cè)擴(kuò)散，直到兩邊的濃度達(dá)到平衡。影響因素： 濃度梯度，脂/水分配系數(shù)、解離度和體液ph、蛋白質(zhì)親和力dccakr)(21r：轉(zhuǎn)運(yùn)速率 k：為擴(kuò)散系數(shù)a：膜面積 d：膜厚度c: 膜兩側(cè)濃度脂溶性物質(zhì)脂溶性物質(zhì)簡(jiǎn)單擴(kuò)散的特點(diǎn)簡(jiǎn)單擴(kuò)散的特點(diǎn) 1.1.不消耗能量不消耗能量 2.2.不需要載體不需要載體 3.3.無飽和限速無飽和限速 4.4.無競(jìng)爭(zhēng)性抑制無競(jìng)爭(zhēng)性抑制 5.5.符合一級(jí)速率過程符合一級(jí)速

8、率過程被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)12濾過濾過(filtration) 毒物通過生物膜上的親水孔道(如毛細(xì)血管、腎小球膜孔和細(xì)胞膜上由蛋白質(zhì)的親水性氨基酸構(gòu)成）的過程。影響因素： 分子量(100200) 膜內(nèi)外流體靜壓或滲透壓差被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)13主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)(active transport) 化學(xué)物質(zhì)伴隨能量消耗，從細(xì)胞膜的低濃度側(cè)向高濃度側(cè)擴(kuò)散過程。脂溶性低的化學(xué)物特點(diǎn)： 1.逆濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn) 2.載體 3.能量代謝 4.選擇性 5.飽和性 6.競(jìng)爭(zhēng)性14特殊轉(zhuǎn)運(yùn)特殊轉(zhuǎn)運(yùn)(specialized transport)易化擴(kuò)散易化擴(kuò)散 (facilitated diffusion) 脂溶性低的化學(xué)物

9、質(zhì),利用載體由高濃度處向低濃度處轉(zhuǎn)運(yùn)過程。特點(diǎn)： 1.不需要能量 2.通過載體轉(zhuǎn)運(yùn) 3.具有一定的選擇性和主動(dòng)性水溶性分子葡萄糖等主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)(active transport)15吞噬作用吞噬作用(phagocytosis)胞飲作用胞飲作用(pinocytosis) 固態(tài)顆粒物或液滴與細(xì)胞膜上的某些蛋白質(zhì)具有特殊親和力。顆粒物與該蛋白質(zhì)接觸后，通過結(jié)合部位細(xì)胞膜的變形和收縮，把顆粒物包入細(xì)胞內(nèi)的過程。吞噬作用胞飲作用液體或極小的顆粒物質(zhì)較大的固體顆粒物質(zhì)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)(active transport)163.1.3 環(huán)境污染物的吸收環(huán)境污染物的吸收(absorption)污染物在接觸

10、部位通過生物膜，進(jìn)入血液的過程。吸收途徑消化道吸收呼吸道吸收皮膚吸收其他： 腹腔、皮下、肌肉和靜脈注射等17人體消化系統(tǒng)解剖圖人體消化系統(tǒng)解剖圖(一一) 消化道吸收消化道吸收18胃組織學(xué)結(jié)構(gòu)胃組織學(xué)結(jié)構(gòu)he染色 40倍he染色 400倍(一一) 消化道吸收消化道吸收19脂脂/ /水分配系數(shù)與消化道吸收率的關(guān)系水分配系數(shù)與消化道吸收率的關(guān)系消化道吸收率（%）脂/水分配系數(shù)甘露醇乙酰苯胺巴比妥酸乙酰水楊酸苯胺硫噴妥(一一) 消化道吸收消化道吸收20影響消化道吸收的因素影響消化道吸收的因素 胃腸道對(duì)環(huán)境污染物的主要吸收方式：簡(jiǎn)單擴(kuò)散、過濾和載體中介吸收影響因素 胃腸道ph，解離度和脂溶性 胃腸道內(nèi)容

11、物的種類和數(shù)量、排空時(shí)間及蠕動(dòng)狀態(tài) 溶解度和分散度 消化道中的多種酶類和菌叢，可使某些化學(xué)物形成新的化學(xué)物而改變其毒性(一一) 消化道吸收消化道吸收21呼吸系統(tǒng)解剖圖呼吸系統(tǒng)解剖圖1 1(二二) 呼吸道吸收呼吸道吸收22肺泡和終末細(xì)支氣管微細(xì)結(jié)構(gòu)肺泡和終末細(xì)支氣管微細(xì)結(jié)構(gòu)肺泡肺泡肺肺- -血屏障血屏障(二二) 呼吸道吸收呼吸道吸收23環(huán)境污染物的呼吸道吸收方式環(huán)境污染物的呼吸道吸收方式氣體和蒸汽 吸收速度與肺泡氣和血液中該污染物的分壓差呈正比關(guān)系氣溶膠和顆粒物 吸收速度和吸收率與粒徑有關(guān) 簡(jiǎn)單擴(kuò)散簡(jiǎn)單擴(kuò)散(二二) 呼吸道吸收呼吸道吸收24顆粒物粒徑與呼吸系統(tǒng)內(nèi)沉積部位、顆粒物粒徑與呼吸系統(tǒng)內(nèi)沉

12、積部位、沉積率的關(guān)系沉積率的關(guān)系252575755050totaltotal鼻咽頭部鼻咽頭部呼吸道內(nèi)呼吸道內(nèi)幾何學(xué)粒徑幾何學(xué)粒徑空氣動(dòng)力學(xué)粒徑空氣動(dòng)力學(xué)粒徑1.05.05.010.010.0（m)0.10.1沉沉積積率率（% %）(二二) 呼吸道吸收呼吸道吸收25ultrafine carbon black(ufcb) and fine carbon black (cb)particle dose ( g/ml)4003002001006005000-1001050309070110130*fluorescence intensityufcbcb * p0.05* p300

13、連接角質(zhì)層, 阻止水溶性物質(zhì) 基底膜血液環(huán)境污染物(二二) 皮膚吸收皮膚吸收29影響皮膚吸收的因素影響皮膚吸收的因素1. 分子量2. 脂/水分配系數(shù) 接近1.0的容易被表皮途徑吸收3. 種屬差異 大鼠和兔通透性好，豚鼠、豬和猴的皮膚通透性與人接近4. 環(huán)境、皮膚溫度和濕度5. 角質(zhì)層厚度和完整性、血液流量6. 汞等一些金屬及化合物，可以經(jīng)過毛囊、皮脂腺和汗腺直接進(jìn)入血液(二二) 皮膚吸收皮膚吸收303.1.4 環(huán)境污染物的體內(nèi)分布環(huán)境污染物的體內(nèi)分布(distribution) 環(huán)境化學(xué)物被吸收進(jìn)入血液和體液后，隨血液和淋巴液流動(dòng)分散到全身各組織的過程稱為分布。 同一種環(huán)境化學(xué)物在體內(nèi)各組織器

14、官的分布并不均勻，不同的化學(xué)物在體內(nèi)的分布差異很大。 化學(xué)物在體內(nèi)組織器官起始分布取決于血流量，而最終分布取決于親和力。31影響體內(nèi)分布的因素影響體內(nèi)分布的因素 1. 與血清蛋白的結(jié)合力 2. 生物屏障通過能力 3. 組織中血液流量 4. 與組織器官的親和力 5. 特殊轉(zhuǎn)運(yùn)-離子通道3.1.4 環(huán)境污染物的體內(nèi)分布環(huán)境污染物的體內(nèi)分布32生物屏障生物屏障(barrier)與分布與分布血腦屏障 胎盤屏障肺-血屏障 血-睪屏障 3.1.4 環(huán)境污染物的體內(nèi)分布環(huán)境污染物的體內(nèi)分布33血腦屏障結(jié)構(gòu)血腦屏障結(jié)構(gòu)星形膠質(zhì)細(xì)胞基底膜毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞緊密連接點(diǎn)血腦屏障結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞相互聯(lián)結(jié)比較

15、緊密 腦組織毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞無胞飲作用 內(nèi)皮細(xì)胞間小洞和裂隙少 基底膜外的星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量多，而且連接很緊密 星形膠質(zhì)細(xì)胞可產(chǎn)生粘多糖類物質(zhì)，分泌到內(nèi)皮細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞之間增加粘合性。 3.1.4 環(huán)境污染物的體內(nèi)分布環(huán)境污染物的體內(nèi)分布34胎盤屏障組織結(jié)構(gòu)胎盤屏障組織結(jié)構(gòu)合體滋養(yǎng)層細(xì)胞滋養(yǎng)層和基膜絨毛結(jié)締組織絨毛毛細(xì)血管3.1.4 環(huán)境污染物的體內(nèi)分布環(huán)境污染物的體內(nèi)分布35部分部分pops通過胎盤屏障影響胎兒通過胎盤屏障影響胎兒in utero exposure36international journal of hygiene and environmental health 216

16、(2013) 184-194international comparison of mean pfos and pfoa concentrations in cord sera.elevated cord pfoa levels were weakly associated with a higher risk of low birth weight ( adult serum preferential placental transfer of pfoasulfonates (pfos, pfbs and pfhxs) being easier transferred to milk com

17、pared to carboxylates.environmental pollution 158 (2010) 2546-2552prenatal and postnatal exposure assessmentprenatal exposure: cord plasma pfc/bfr body blood volumepostnatal exposure: human milk pfc/bfr average milk intake bwprenatal exposurepostnatal exposurepbde2 ng/day75 ng/day(42 ng/day for adul

18、t)pfcs1367 ng/day2533 ng/dayenvironmental pollution 158 (2010) 2546-2552部分部分pops通過胎盤屏障影響胎兒通過胎盤屏障影響胎兒in utero exposure污染物通過生物屏障的影響因素污染物通過生物屏障的影響因素1.分子量大小2.脂/水分配系數(shù)3.解離程度和極性4.與血漿蛋白的結(jié)合能力3.1.4 環(huán)境污染物的體內(nèi)分布環(huán)境污染物的體內(nèi)分布39污染物的體內(nèi)貯存污染物的體內(nèi)貯存 進(jìn)入血液的環(huán)境化學(xué)物大部分與血漿蛋白或體內(nèi)各組織成分結(jié)合，積聚在特定部位。 一些化學(xué)物對(duì)其積聚的部位可直接發(fā)揮毒作用，該部位稱為靶器官(targe

19、t organ)。 機(jī)體內(nèi)一些組織或臟器化學(xué)物含量雖高，但不顯示明顯的毒性，這些組織臟器稱為該化學(xué)物的貯存庫(storage depot)。3.1.4 環(huán)境污染物的體內(nèi)分布環(huán)境污染物的體內(nèi)分布40體內(nèi)主要的貯存庫體內(nèi)主要的貯存庫1.血漿蛋白 有機(jī)物、金屬離子等進(jìn)入血液中的環(huán)境化學(xué)物可與血液中的蛋白質(zhì)(血清蛋白)發(fā)生結(jié)合。與蛋白質(zhì)結(jié)合的化學(xué)物不易透過細(xì)胞膜進(jìn)入靶器官產(chǎn)生毒作用，影響化學(xué)物的排泄、轉(zhuǎn)化及再分布等。 2.肝臟和腎 肝臟的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和肝內(nèi)蛋白質(zhì)的結(jié)合能力 腎臟中的mt, 影響重金屬離子分布 鉛、鍶、鐳等重金屬蓄積3.1.4 環(huán)境污染物的體內(nèi)分布環(huán)境污染物的體內(nèi)分布41體內(nèi)主要的貯存庫體內(nèi)主要的貯存庫3.脂肪組織 脂溶性脂溶性環(huán)境污染物，容易被吸收并貯存在體脂內(nèi)而不呈現(xiàn)生物學(xué)活性。 4.骨骼 骨骼組織中某些成分與環(huán)境化學(xué)物有特殊親和力，使骨骼成為這些物質(zhì)貯存沉積的場(chǎng)所。如氟化物、鉛、鍶等能與骨基質(zhì)結(jié)合而貯存其中。3.1.4 環(huán)境污染物的體內(nèi)分布環(huán)境污染物的體內(nèi)分布42環(huán)境污染物吸收 分布代謝污染物代謝產(chǎn)物結(jié)合物尿 糞便呼氣汗液毛發(fā)等體外3.1.5 環(huán)境污染物的排泄環(huán)境污染物的排泄(excretion)43腎臟排出腎臟排出1.腎小球?yàn)V過膜孔 710n