第五章 環(huán)境生物化學(xué)和化學(xué)毒理學(xué)

第五章環(huán)境生物化學(xué)

和化學(xué)毒理學(xué)2/5/20231第一節(jié)物質(zhì)通過生物膜的方式一、生物膜的結(jié)構(gòu)生物膜主要是由磷脂雙分子層和蛋白質(zhì)鑲嵌組成的、厚度為75—100A的流動變動復(fù)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(zhì)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(zhì)，可借助膜兩側(cè)靜水壓及滲透壓經(jīng)膜孔濾過。2．被動擴散脂溶性物質(zhì)從高濃度側(cè)向低濃度側(cè)、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(zhì)可在高濃度側(cè)與膜上特異性蛋白質(zhì)載體結(jié)合，通過生物膜，至低濃度側(cè)解離出原物質(zhì)。4．主動轉(zhuǎn)運在需消耗一定的代謝能量下，一些物質(zhì)可在低濃度側(cè)與膜上高濃度特異性蛋白載體結(jié)合，通過生物膜，至高濃度側(cè)解離出原物質(zhì)。2/5/202345．胞吞和胞飲少數(shù)物質(zhì)與膜上某種蛋白質(zhì)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(nèi)陷而被包圍進入膜內(nèi)，固體物質(zhì)的這一轉(zhuǎn)運稱為胞吞，而液態(tài)物質(zhì)的這一轉(zhuǎn)運稱為胞飲。2/5/20235第二節(jié)污染物質(zhì)在機體內(nèi)的轉(zhuǎn)運一、吸收吸收是污染物質(zhì)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(zhì)被吸收后或其代謝轉(zhuǎn)化物質(zhì)形成后，由血液轉(zhuǎn)送至機體各組織；與組織成分結(jié)合；從組織返回血液；以及再反復(fù)等過程。2/5/20237三、排泄排泄是污染物質(zhì)及其代謝物質(zhì)向機體外的轉(zhuǎn)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(zhì)在體內(nèi)逐增的現(xiàn)象，稱為生物蓄積。蓄積量是吸收、分布、代謝轉(zhuǎn)化和排泄各量的代數(shù)和。蓄積時，污染物質(zhì)的體內(nèi)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(zhì)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(zhì)，使其在機體內(nèi)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(xué)觀點來看，水生生物對水中難降解物質(zhì)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(zhì)量增長引起的物質(zhì)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(nèi)的瞬時物質(zhì)濃度。2/5/202311如果富集過程中生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)，使其在機體內(nèi)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(zhì)，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(zhì)的生物轉(zhuǎn)化絕大多數(shù)的生物轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhuǎn)化的物質(zhì)稱為底物或基質(zhì)，底物所發(fā)生的轉(zhuǎn)化稱為酶促反應(yīng)。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(yīng)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(yīng)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(jīng)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(jīng)生物催化氧化，導(dǎo)致芳環(huán)斷裂。通常苯環(huán)通過氧化為酚、二酚、醌等中間產(chǎn)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(yīng)實際上是醋酸分解（以及丙酮酸）得到CO2，反應(yīng)總的結(jié)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(xué)降解的中間產(chǎn)物。實驗證實，凡是能夠產(chǎn)生與循環(huán)中相同化合物的反應(yīng)就能夠參與三羧酸循環(huán)。2/5/202326二、耗氧有機污染物質(zhì)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(nèi)。二糖在細胞內(nèi)經(jīng)胞內(nèi)水解酶催化，繼續(xù)水解成為單糖。多糖水解成的單糖產(chǎn)物以葡萄糖為主。2/5/2023272/5/202328（2）單糖酵解成丙酮酸：細胞內(nèi)單糖不論在有氧氧化或在無氧氧化條件下，都可經(jīng)過相應(yīng)的一系列酶促反應(yīng)形成丙酮酸。（3）丙酮酸轉(zhuǎn)化：在有氧氧化條件下，丙酮酸通過酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)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(nèi)繼續(xù)轉(zhuǎn)化。（2）甘油的轉(zhuǎn)化：甘油在有氧或無氧條件下，均能被相應(yīng)的一系列酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)變成丙酮酸。2/5/202330（3）脂肪酸的轉(zhuǎn)化：在有氧氧化條件下，飽和脂肪酸通常經(jīng)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(yīng)，往往以其轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)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(zhì)的微生物降解蛋白質(zhì)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(zhì)是一類由a-氨基酸通過肽鍵聯(lián)結(jié)成的大分子化合物。（1）蛋白質(zhì)水解成氨基酸：蛋白質(zhì)由胞外水解酶催化水解，經(jīng)多肽至二肽或氨基酸而被微生物攝入細胞內(nèi)。二肽在細胞內(nèi)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(nèi)的轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)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(zhì)都可借助產(chǎn)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(chǎn)氫菌和產(chǎn)乙酸菌作用下，可被轉(zhuǎn)化為乙酸、甲酸、氫氣和二氧化碳，進而經(jīng)產(chǎn)甲烷菌作用產(chǎn)生甲烷。復(fù)雜有機物質(zhì)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(zhì)最低。2/5/202334三、影響污染物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)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(zhì)，在一定范圍內(nèi)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(zhì)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(zhì)降解速率有規(guī)律性的影響。2/5/202335第五節(jié)污染物質(zhì)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(xué)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(zhì)。大多數(shù)環(huán)境污染物質(zhì)都是毒物。2/5/202336二、毒物的毒性毒理學(xué)把毒物劑量(濃度)與引起個體生物學(xué)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(yīng)；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(yīng)。毒物劑量（濃度）與反（效）應(yīng)變化之間的關(guān)系，稱為劑量—反(效)應(yīng)關(guān)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(chǎn)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(chǎn)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(xué)結(jié)構(gòu)相近、性質(zhì)相似、對機體作用的部位及機理相同時，其聯(lián)合的結(jié)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(xué)效應(yīng)彼此無關(guān)、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(chǎn)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(xué)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(zhuǎn)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(dǎo)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(nèi)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(zhì)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(zhì)稱為致癌物。致癌物根據(jù)性質(zhì)可分為化學(xué)(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(jié)構(gòu)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(xué)因素、生物因素(如某些病毒)，母體營養(yǎng)缺乏或內(nèi)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(jié)構(gòu)與活性相關(guān)應(yīng)用統(tǒng)計模型方法或模式識別法，描述有機物的活性和結(jié)構(gòu)關(guān)系，稱為定量結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系或定量構(gòu)效關(guān)系（QSAR）。結(jié)構(gòu)包括化合物的分子、官能團、分子碎片等，以有關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)或物理化學(xué)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(zhì)，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(yīng)。取代基的電性效應(yīng)，包括誘導(dǎo)與共軛效應(yīng)，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(yīng)，則有利于分子與受體作用部位間的結(jié)合，使化合物的活性增加。否則，會導(dǎo)致化合物的活性減小。2/5/202349取代基的立體效應(yīng)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(jié)合所需的構(gòu)象異構(gòu)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(jié)構(gòu)拓撲指數(shù)表示法1、拓撲結(jié)構(gòu)的矩陣描述矩陣是以數(shù)學(xué)的形式提供分子拓撲性的科學(xué)表達。（1）鄰接矩陣：任一有n個頂點的圖，可構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)的數(shù)值化（1）距離矩陣指數(shù)—Wiener指數(shù)WWiener首先將分子結(jié)構(gòu)繪成隱氫圖，由圖得到表示分子拓撲結(jié)構(gòu)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(zhì)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(guān)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(guān)。得到的回歸方程相關(guān)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(yīng)的點價δ來表示，那么每個C-C鍵都可以用相應(yīng)的δ值來表示。Randic認為，烷烴異構(gòu)體分子中，構(gòu)成鍵的碳原子點價不同相應(yīng)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(nèi)的數(shù)值越大，說明構(gòu)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(zhì)成比例關(guān)系，并且有很精確的預(yù)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(jié)構(gòu)與活性相關(guān)QSAR（QuantitativeStructure-ActivityRelationships）有機物的定量結(jié)構(gòu)與活性效應(yīng)相關(guān)。QSAR是建立有機物的毒性和理化參數(shù)的相關(guān)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(yīng)性和非反應(yīng)毒性。反應(yīng)性毒性稱為特殊毒性，非反應(yīng)性毒性也稱非特殊毒性或麻醉。反應(yīng)性毒性是一種特殊的反應(yīng)性機理，如化學(xué)物質(zhì)和酶等發(fā)生作用，或由于化學(xué)作用堵塞了代謝通道，而質(zhì)細胞失去活性。非反應(yīng)性毒性不是一種特殊的反應(yīng)機理，該機理認為化學(xué)物質(zhì)的毒性