第五章 環(huán)境生物化學和化學毒理學

第五章環(huán)境生物化學

和化學毒理學2/5/20231第一節(jié)物質通過生物膜的方式一、生物膜的結構生物膜主要是由磷脂雙分子層和蛋白質鑲嵌組成的、厚度為75—100A的流動變動復雜體。在生物膜中還間以帶極性、常含有水的微小孔道，稱為膜孔。2/5/20232二、物質通過生物膜的方式1．膜孔濾過直徑小于膜孔的水溶性物質，可借助膜兩側靜水壓及滲透壓經膜孔濾過。2．被動擴散脂溶性物質從高濃度側向低濃度側、即順濃度梯度擴散通過有類脂層屏障的生物膜，擴散速率服從費克定律。2/5/202333．被動易化擴散有些物質可在高濃度側與膜上特異性蛋白質載體結合，通過生物膜，至低濃度側解離出原物質。4．主動轉運在需消耗一定的代謝能量下，一些物質可在低濃度側與膜上高濃度特異性蛋白載體結合，通過生物膜，至高濃度側解離出原物質。2/5/202345．胞吞和胞飲少數(shù)物質與膜上某種蛋白質有特殊親和力，當其與膜接觸后，可改變這部分膜的表面張力，引起膜的外包或內陷而被包圍進入膜內，固體物質的這一轉運稱為胞吞，而液態(tài)物質的這一轉運稱為胞飲。2/5/20235第二節(jié)污染物質在機體內的轉運一、吸收吸收是污染物質從機體外，通過各種途徑通透體膜進入血液的過程。吸收途徑主要是機體的消化管、呼吸道和皮膚。2/5/20236二、分布分布是指污染物質被吸收后或其代謝轉化物質形成后，由血液轉送至機體各組織；與組織成分結合；從組織返回血液；以及再反復等過程。2/5/20237三、排泄排泄是污染物質及其代謝物質向機體外的轉運過程。排泄器官有腎、肝膽、腸、肺、外分泌腺等，而以腎和肝膽為主。2/5/20238四、蓄積物質在體內逐增的現(xiàn)象，稱為生物蓄積。蓄積量是吸收、分布、代謝轉化和排泄各量的代數(shù)和。蓄積時，污染物質的體內分布，常表現(xiàn)為相對集中的方式，主要集中在機體的某些部位。2/5/20239第三節(jié)污染物質的生物富集、放大和積累一、生物富集生物富集是指生物通過非吞食方式，從周圍環(huán)境（水、土壤、大氣）蓄積某種元素或難降解的物質，使其在機體內濃度超過周圍環(huán)境中濃度的現(xiàn)象。生物富集用生物濃縮系數(shù)（BCF）來表示。2/5/202310從動力學觀點來看，水生生物對水中難降解物質的富集速率，是生物對其吸收速率、消除速率及由生物機體質量增長引起的物質稀釋速率的代數(shù)和。式中：ka、ke、kg—水生生物吸收、消除、生長的速率常數(shù)；cw、cf—水及生物體內的瞬時物質濃度。2/5/202311如果富集過程中生物質量增長不明顯，則kg可忽略不計，通常，水體足夠大，水中的物質濃度可視為恒定，則水生生物富集速率方程為2/5/202312水生生物濃縮系數(shù)(cf/cw)隨時間延續(xù)而增大，先期增大比后期迅速，當t→∞時，生物濃縮系數(shù)依次為：2/5/202313二、生物放大生物放大是指在同一食物鏈上的高營養(yǎng)級生物，通過吞食低營養(yǎng)級生物蓄積某種元素或難降解物質，使其在機體內的濃度隨營養(yǎng)級數(shù)提高而增大的現(xiàn)象。生物放大的程度也用生物濃縮系數(shù)表示。2/5/202314三、生物積累生物積累，是生物從周圍環(huán)境(水、土壤、大氣)和食物鏈蓄積某種元素或難降解物質，使其在機體中的濃度超過周圍環(huán)境中濃度的現(xiàn)象。生物積累也用生物濃縮系數(shù)表示。2/5/202315第四節(jié)污染物質的生物轉化絕大多數(shù)的生物轉化是在機體的酶參與和控制下進行的。酶是一類由細胞制造和分泌的、以蛋白質為主要成分的、具有催化活性的生物催化劑。在酶催化下發(fā)生轉化的物質稱為底物或基質，底物所發(fā)生的轉化稱為酶促反應。2/5/202316一、有機物生物降解的原理有機物的生化降解首先從活性官能團開始。羧基（-COOH）是生物降解的活性反應中心，6個碳原子以下的有機酸在生物降解時總是從羧基開始。長碳鏈有機酸的生物降解則可能在其他碳原子進行。2/5/202317其他基團反應順序為：醛基，酮基，羥基，氨基，硫基，甲基等。其他如：-C(O)-NH2（酰胺），R-COO-R`(酯），-SO3H（磺酸基），X-（鹵代基），R-O-R’（醚）等，它們在降解中可能位于上述基團的或前或后的位置。2/5/202318（1）飽和烴的氧化降解飽和烴的氧化降解是有機物生化降解的基本途徑，其在好氧條件下借助生物催化經過醇、醛氧化為酸。

R-C-C–2HR-C=C+H2OR-C-C-OH

-2HR-C-C=O+H2OR-C-C(OH)2

-2HR-C-COOH2/5/202319以苯環(huán)為代表，經生物催化氧化，導致芳環(huán)斷裂。通常苯環(huán)通過氧化為酚、二酚、醌等中間產物，最后成為有機酸。（2）芳環(huán)斷裂2/5/202320有機酸的降解發(fā)生在β碳原子上，每一次反應都將脫下烴基上的兩個碳原子。降解作用是在輔酶HSCoA的參與下進行。由于氧化反應使碳鏈斷裂發(fā)生在β-碳原子上，一般指這類氧化作用為β氧化。（3）有機酸的β-氧化2/5/202321偶數(shù)碳原子的有機酸，最終生成許多分子的乙酰輔酶A，參與三羧酸循環(huán)，最后生成CO2和H2O。奇數(shù)碳原子的有機酸，最后生成一個分子的丙酰輔酶A和乙酰輔酶A。2/5/202322降解作用是從生成檸檬酸開始，在生物化學中通常稱為三羧酸（TCA）循環(huán)。例如乙酰輔酶A與草醋酸反應生成檸檬酸：檸檬酸的生成開始進入三羧酸循環(huán)中，它們的反應為：（4）三羧酸循環(huán)2/5/202323檸檬酸

-H2O順烏頭酸+H2O異檸檬酸-2H草酰琥珀酸

-CO2

-HSCoA

α酮戊二酸

+H2O+H2O+乙酰輔酶A-2H-CO2

草醋酸-2H蘋果酸+H2O富馬酸-2H琥珀酸三羧酸循環(huán)2/5/202324反應實際上是醋酸分解（以及丙酮酸）得到CO2，反應總的結果為：

CH3COOH+2O2

→2CO2↑+2H2O

或者:CH3COCOOH+5/2O2

→3CO2↑+2H2O2/5/202325醋酸及丙酮酸是有機物通過三羧酸循環(huán)的生物化學降解的中間產物。實驗證實，凡是能夠產生與循環(huán)中相同化合物的反應就能夠參與三羧酸循環(huán)。2/5/202326二、耗氧有機污染物質的微生物降解1．糖類的微生物降解糖類通式為Cx(H2O)y，分成單糖、二糖和多糖三類。微生物降解糖類的基本途徑是：(1)多糖水解成單糖：多糖在胞外水解酶催化下水解成二糖和單糖，而后才能被微生物攝取進入細胞內。二糖在細胞內經胞內水解酶催化，繼續(xù)水解成為單糖。多糖水解成的單糖產物以葡萄糖為主。2/5/2023272/5/202328（2）單糖酵解成丙酮酸：細胞內單糖不論在有氧氧化或在無氧氧化條件下，都可經過相應的一系列酶促反應形成丙酮酸。（3）丙酮酸轉化：在有氧氧化條件下，丙酮酸通過酶促反應轉化成乙酰輔酶A，進入三羧酸循環(huán)，生成CO2和H2O。在無氧條件下進行發(fā)酵，生成低級酸、醇及CO2等。2/5/2023292、脂肪的微生物降解（1）水解成脂肪酸和甘油：在胞外水解酶催化下水解為脂肪酸及甘油。脂肪酸及甘油能被微生物攝入細胞內繼續(xù)轉化。（2）甘油的轉化：甘油在有氧或無氧條件下，均能被相應的一系列酶促反應轉變成丙酮酸。2/5/202330（3）脂肪酸的轉化：在有氧氧化條件下，飽和脂肪酸通常經過酶促氧化途徑變成脂酰輔酶A和乙酰輔酶A。在無氧氧化條件下，脂肪酸通過酶促反應，往往以其轉化的中間產物作受氫體而不完全氧化，形成低級的有機酸、醇和二氧化碳等。2/5/2023313、蛋白質的微生物降解蛋白質的主要組成元素是碳、氫、氧和氮，有些還含有硫、磷等元素。蛋白質是一類由a-氨基酸通過肽鍵聯(lián)結成的大分子化合物。（1）蛋白質水解成氨基酸：蛋白質由胞外水解酶催化水解，經多肽至二肽或氨基酸而被微生物攝入細胞內。二肽在細胞內可繼續(xù)水解形成氨基酸。2/5/202332（2）氨基酸脫氨脫羧成脂肪酸：氨基酸在細胞內的轉化由于不同酶的作用而有多種途徑，其中以脫氨脫羧形成脂肪酸為主。蛋白質通過微生物作用，在有氧氧化下可被徹底降解成為二氧化碳、水和氨（或銨離子），而在無氧氧化下通常是酸性發(fā)酵，生成簡單有機酸、醇和二氧化碳等，降解不徹底。蛋白質中含有硫的氨基酸有半胱氨酸、胱氨酸和蛋氨酸，它們在有氧氧化下還可形成硫酸、在無氧氧化下還有硫化氫產生。2/5/2023334．甲烷發(fā)酵在無氧氧化條件下糖類、脂肪和蛋白質都可借助產酸菌的作用降解成簡單的有機酸、醇等化合物。如果條件允許，這些有機化合物在產氫菌和產乙酸菌作用下，可被轉化為乙酸、甲酸、氫氣和二氧化碳，進而經產甲烷菌作用產生甲烷。復雜有機物質降解的這一總過程，稱為甲烷發(fā)酵或沼氣發(fā)酵。在甲烷發(fā)酵中，一般以糖類的降解率和降解速率最高，脂肪次之，蛋白質最低。2/5/202334三、影響污染物質的生物轉化速率的因素鏈長規(guī)律：脂肪酸、脂族碳氫化合物和烷基苯等有機物質，在一定范圍內碳鏈越長，降解也越快；有機聚合物降解速率隨分子的增大而減小。鏈分支規(guī)律：烷基苯磺酸鹽、烷基化合物等有機物質中，烷基支鏈越多，分支程度越大，降解也越慢。取代規(guī)律：取代基的種類、位置及數(shù)量對有機物質降解速率有規(guī)律性的影響。2/5/202335第五節(jié)污染物質的毒性一、毒物毒物是進人生物機體后能使體液和組織發(fā)生生物化學的變化，干擾或破壞機體的正常生理功能，并引起暫時性或持久性的病理損害，甚至危及生命的物質。大多數(shù)環(huán)境污染物質都是毒物。2/5/202336二、毒物的毒性毒理學把毒物劑量(濃度)與引起個體生物學的變化，如腦電、心電、血象、免疫功能、酶活性等的變化稱為效應；把引起群體的變化，如腫瘤或其他損害的發(fā)生率、死亡率等變化稱為反應。毒物劑量（濃度）與反（效）應變化之間的關系，稱為劑量—反(效)應關系。2/5/202337急性毒作用一般以半數(shù)有效劑量(ED50)或半數(shù)有效濃度(EC50)來表示。ED50和EC50分別是毒物引起一群受試生物的半數(shù)產生同一毒作用所需的毒物劑量和毒物濃度。半數(shù)有效劑量或半數(shù)有效濃度，若以死亡率作為毒作用的觀察指標，則稱為半數(shù)致死劑量(LD50）或半數(shù)致死濃度(LC50)。2/5/2023382/5/202339三、毒物的聯(lián)合作用

1．協(xié)同作用指聯(lián)合作用的毒性，大于其中各個毒物成分單獨作用毒性的總和。其中某一毒物成分能促進機體對其他毒物成分的吸收加強、降解受阻、排泄遲緩、蓄積增多或產生高毒代謝物等，使混和物毒性增加。2/5/202340

2．相加作用指聯(lián)合作用的毒性，等于其中各毒物成分單獨作用毒性的總和。當各毒物成分的化學結構相近、性質相似、對機體作用的部位及機理相同時，其聯(lián)合的結果往往呈現(xiàn)毒性相加作用。2/5/202341

3．獨立作用各毒物對機體的侵入途徑、作用部位、作用機理等均不相同，因而在其聯(lián)合作用中各毒物生物學效應彼此無關、互不影響。即獨立作用的毒性低于相加作用，但高于其中單項毒物的毒性。2/5/202342

4．拮抗作用指聯(lián)合作用的毒性，小于其中各毒物成分單獨作用毒性的總和。即其中某一毒物成分能促進機體對其他毒物成分的降解加速、排泄加快、吸收減少或產生低毒代謝物等，使混合物毒性降低。2/5/202343四、毒作用的生物化學機制

1．酶活性的抑制毒物進人機體后，一方面在酶催化下進行代謝轉化；另一方面也可干擾酶的正常作用，包括酶的活性、數(shù)量等，從而有可能導致機體的損害。2/5/202344

2．致突變作用致突變作用是指生物細胞內DNA改變，引起的遺傳特性突變的作用。這一突變可以傳至后代。具有致突變作用的污染物質稱為致突變物。致突變作用分為基因突變和染色體突變兩類。2/5/202345

3．致癌作用致癌是體細胞不受控制的生長。能在動物和人體中引起致癌的物質稱為致癌物。致癌物根據(jù)性質可分為化學(性)致癌物、物理性致癌物(如x—射線、放射性核素氡)和生物性致癌物(如某些致癌病毒)。2/5/2023464．致畸作用人或動物在胚胎發(fā)育過程中由于各種原因所形成的形態(tài)結構異常，稱為先天性畸形或畸胎。遺傳因素、物理因素(如電寓輻射)、化學因素、生物因素(如某些病毒)，母體營養(yǎng)缺乏或內分泌障礙等都可引起先天性畸形，并稱為致畸作用。2/5/202347第六節(jié)有機物的定量結構與活性相關應用統(tǒng)計模型方法或模式識別法，描述有機物的活性和結構關系，稱為定量結構與活性關系或定量構效關系（QSAR）。結構包括化合物的分子、官能團、分子碎片等，以有關的結構參數(shù)或物理化學參數(shù)表示?；钚灾富衔锏纳锘钚?，如毒性和藥效性等，還可指化合物的理化性質，如水溶性、揮發(fā)性、分配、吸附、水解、光解、生物降解等。2/5/202348一、Hansch分析法Hansch等認為一系列具有同一骨架、不同取代基的有機類似化合物，其生物活性取決于分子（整體）或取代基的疏水性及取代基的電性和立體效應。取代基的電性效應，包括誘導與共軛效應，會引起分子中電子密度的特定分布。若此分布同受體作用部位電子密度分布相適應，則有利于分子與受體作用部位間的結合，使化合物的活性增加。否則，會導致化合物的活性減小。2/5/202349取代基的立體效應表現(xiàn)在體積大的取代基不利于同受體作用部位的適當匹配，從而減小化合物活性。然而有時又可以迫使分子采取與受體作用部位結合所需的構象異構體，而使化合物活性增加。2/5/202350Hansch分析法的常用參數(shù)2/5/202351一、分子結構拓撲指數(shù)表示法1、拓撲結構的矩陣描述矩陣是以數(shù)學的形式提供分子拓撲性的科學表達。（1）鄰接矩陣：任一有n個頂點的圖，可構成一個n×n階矩陣，矩陣元為：2/5/202352則苯的鄰接矩陣為：2/5/202353（2）距離矩陣，對任一有n個頂點的圖構成一個n×n階矩陣D，矩陣元dij為：則苯的距離矩陣2/5/2023542、分子結構的數(shù)值化（1）距離矩陣指數(shù)—Wiener指數(shù)WWiener首先將分子結構繪成隱氫圖，由圖得到表示分子拓撲結構的距離矩陣，加和此矩陣的上三角矩陣元便得到Wiener指數(shù)W。如苯的Wiener指數(shù)W=1+2+3+2+1+1+2+3+2+2+3+1+2+1+1=272/5/202355W指數(shù)與某些類型烴分子的性質如沸點、臨界常數(shù)、粘滯性、表面張力、色譜保留時間具有良好的相關性。Boncher利用Wiener指數(shù)與單取代和雙取代苯系列的色譜保留時間相關。得到的回歸方程相關系數(shù)超過0.999。

2/5/202356（2）鄰接矩陣指數(shù)—Randic指數(shù)如果把分子中每個碳原子用相應的點價δ來表示，那么每個C-C鍵都可以用相應的δ值來表示。Randic認為，烷烴異構體分子中，構成鍵的碳原子點價不同相應的鍵也不同，因此，烷烴中的鍵可分為十種類型，表示如下：2/5/202357隱氫式：這里，括號內的數(shù)值越大，說明構成該鍵的原子的相鄰基團越多，分枝越多。Randic把每個鍵中兩原子的點價相乘，再取平方根的倒數(shù)作為“分枝指數(shù)”，把各鍵的分枝指數(shù)相加，即得連接指數(shù)。2/5/202358以異戊烷為例，其隱氫式可表示為：骨架中原子附近的數(shù)字表示點價，用點價表示該分子中的所有鍵：（1，3）（1，3）（3，2）（1，2）用這種方法算得的指數(shù)與烷烴的沸點等其他性質成比例關系，并且有很精確的預測能力。2/5/202359Randic指數(shù)存在的問題：含不飽和鍵的化合物不符合這一規(guī)律；對于分子中含有雜原子的情況不能處理；環(huán)狀化合物不能處理，因為鍵的數(shù)目比開鏈烴多。2/5/202360二、有機物定量結構與活性相關QSAR（QuantitativeStructure-ActivityRelationships）有機物的定量結構與活性效應相關。QSAR是建立有機物的毒性和理化參數(shù)的相關性，通過測量或計算有機物的特征參數(shù)，很容易的估算有機物對生物的毒性。2/5/2023611、毒性機理毒性機理有兩種—反應性和非反應毒性。反應性毒性稱為特殊毒性，非反應性毒性也稱非特殊毒性或麻醉。反應性毒性是一種特殊的反應性機理，如化學物質和酶等發(fā)生作用，或由于化學作用堵塞了代謝通道，而質細胞失去活性。非反應性毒性不是一種特殊的反應機理，該機理認為化學物質的毒性