1、第五章 生物體內污染物質 運動過程及毒性第一節 物質經過生物膜方式第二節 污染物質在機體內轉運第三節 污染物質生物富集、放大和積累第四節 污染物質生物轉化第五節 毒作用生物機制第1頁第一節 物質經過生物膜方式一、生物膜結構生物膜及其作用是圍繞細胞和各種獨特亞細胞（如核、線粒體、 溶酶體等）區室界面起著選擇性通透屏障作用，使得細胞或細胞器內環境不一樣于外環境第2頁生物膜基本組成膜脂質（磷脂、糖脂、膽固醇等），蛋白質，糖類第3頁甘油磷脂磷酸化頭部甘油骨架兩條脂肪酸鏈第4頁磷脂雙分子層（脂雙層）甘油磷脂為兩親分子，含有親水性極性基團（頭部）和疏水性脂肪酸鏈在水溶液中，兩親分子（甘油磷脂）為防止疏水部

2、分接觸水分子而定向排列，形成脂雙層。在脂雙層中，親水極性基團排列于脂雙層兩表面，疏水脂肪酸鏈端伸向內側，在雙分子層中央存在一個疏水區。第5頁膜蛋白質膜蛋白類型深埋或貫通脂雙層內在蛋白(與膜結合緊密)附著在脂雙層表面表在蛋白(周圍蛋白)膜蛋白生理功效轉運膜內外物質載體起催化作用酶能量轉換器等。在生物膜中還間以帶極性、常含有水微小孔道，稱為膜孔。第6頁二、物質經過生物膜方式磷脂雙分子層膜通透性對水、氣(O2,CO2)和不帶電荷極性小分子(尿素、乙醇)含有通透性，不需要幫助能直接經過膜層。對極性大分子(葡萄糖、氨基酸)和離子(K+,Na+,Cl-,Ca2+)不通透，需要內在運轉蛋白幫助。細胞膜與細胞

3、器膜選擇性通透屏障物質經過生物膜方式：溶劑(水)通透: 膜孔濾過小分子轉運: 1被動轉輸（簡單擴散，被動易化擴散） 2主動轉輸 大分子轉運: 胞吞和胞飲第7頁二、物質經過生物膜方式1膜孔濾過直徑小于膜孔溶劑(水)，可借助膜兩側靜水壓及滲透壓經膜孔濾過。第8頁2被動擴散（simple diffusion）脂溶性物質從高濃度側向低濃度側、即順濃度梯度擴散經過有類脂層屏障生物膜。被動擴散速率服從費克定律水、氣(O2,CO2)和不帶電荷極性小分子(尿素、乙醇)以被動擴散方式跨膜；被動擴散不需能量輸入；被動擴散不需載體(特定內在膜蛋白)參加，因而不會出現特異性選擇、競爭性抑制及飽和現象。第9頁3. 被動

4、易化擴散(幫助擴散facilitated diffusion)有些物質可在高濃度側與膜上特異性內在膜蛋白質(單向轉運體蛋白)載體結合，經過生物膜，至低濃度側解離出原物質。這一轉運稱為被動易化擴散。親水性分子、葡萄糖、氨基酸以幫助擴散方式運輸。它受到特異性內在膜蛋白質及其數量制約，因而展現特異性選擇，類似物質競爭性抑制和飽和現象。第10頁第11頁 4主動轉運 (Active Transport)在需消耗一定代謝能量(如ATP水解)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，經過生物膜，至高濃度側解離出原物質。這一轉運稱為主動轉運。主動轉運速度可用米氏方程描述。P為磷酸蛋白第12頁三磷

5、酸腺苷 (ATP)第13頁組分細胞內濃度細胞外濃度(mmol/L) (mmol/L)Na+5-15145K+1405Mg2+0.51-2Ca2+10-41-2H+pH7.2pH7.4Cl-5-15110經典哺乳類動物內外離子濃度比較第14頁 5胞吞和胞飲少數物質與膜上某種蛋白質有特殊親和力，當其與膜接觸后，可改變這部分膜表面張力，引發膜外包或內陷而被包圍進入膜內:固體物質這一轉運稱為胞吞，液態物質這一轉運稱為胞飲。第15頁第二節 污染物質在機體內轉運 污染物質在機體內運動過程包含吸收、分布、排泄和生物轉化。吸收、分布、排泄統稱轉運排泄與生物轉化又稱為消除。第16頁一、污染物吸收（生物攝取）吸收

6、是污染物質從機體外，經過各種路徑通透體膜進入血液過程。動物吸收污染物路徑飲食污染物隨食物進入消化道。消化道主要吸收部位在小腸，其次是胃。污染物質主要經過被動擴散被消化道吸收。呼吸呼吸管是吸收大氣污染物主要路徑。其主要吸收部位是肺泡。體表暴露皮膚吸收污染物能力普通較差。皮膚接觸污染物質，常以被動擴散相繼經過皮膚表皮及真皮，再濾過真皮中毛細血管壁膜進入血液。第17頁 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；與組織成份結合；從組織返回血液；以及再重復等過程。在污染物質分布過程中，污染物質轉運以被動擴散為主。脂溶性高污染物分布主要受組織血流速度限制，在血流豐富組

7、織（肺，肝，腎）中分布快速。非脂溶性低污染物分布主要受膜通透性限制，在腦部分布較慢（血腦屏障）污染物與血漿蛋白處于結合與解離平衡，只有未被結合組織才能在體內組織中分布第18頁三、排泄排泄是污染物質及其代謝物質向機體外轉運過程。排泄器官有腎、肝膽、腸、肺、外分泌腺等，而以腎和肝膽為主。腎排泄是血液中污染物經過腎隨尿而排除過程，是污染物主要排泄路徑。膽汁排泄指污染物經血液到達肝臟后，以原物或其代謝物與膽汁一起分泌至十二指腸，經小腸至大腸內，再排出體外過程，是污染物質代謝物主要排泄路徑。第19頁四、蓄積機體長久接觸某污染物質，若吸收超出排泄及其代謝轉化，則會出現該污染 物質在體內逐增現象，稱為生物蓄

8、積。蓄積量是吸收、分布、代謝轉化和排泄各量代數和。蓄積時，污染物質體內分布，常集中在肌體一些部位。苯，多氯聯苯集中于脂肪組織F，Ba，Sr，Be等集中于骨骼組織第20頁四、蓄積機體主要蓄積部位是血漿蛋白、脂肪組織和骨骼。蓄積部位中污染物質，常同血漿中游離型污染物質保持相對穩定平衡。當污染物質從體內排出或機體不與之接觸時，血漿中污染物質即降低，蓄積部位就會釋放該物質，以維持上述平衡。在污染物質蓄積和毒性作用部位不相一致時，蓄積部位可成為污染物質內在二次接觸源，有可能引發機體慢性中毒。第21頁第三節 污染物質生物富集、放大和積累一、生物富集（生物濃縮，Bioconcentration）生物富集是指

9、生物經過非吞食方式，從周圍環境(水、土壤、大氣)蓄積某種元素或難降解物質，使其在機體內濃度超出周圍環境中濃度現象。生物濃縮系數BCFcb某種元素或難降解物質在機體中濃度；ce某種元素或難降解物質在機體周圍環境中濃度第22頁影響生物濃縮系數BCF原因污染物性質降解性小、脂溶性高、水溶性低物質，BCF高；虹鱒對污染物BCF ：四氯聯苯(12400), CCl4(17.7)。生物特征生物種類、大小、性別、器官、生物發育階段等。對銅BCF ：金槍魚(100), 海綿(1400)環境條件包含溫度、鹽度、水硬度、pH值、氧含量和光照情況。翻車魚對多氯聯苯BCF ：5(6103)，15 (5104)第23頁

10、第24頁水生生物對水中難降解物質富集動力學水生生物對水中難降解物質富集速率，是生物對其吸收速率(Ra)、 消除速率(Re)及由生物機體質量增加引發物質稀釋速率(Rg)和。Ka,ke,kg水生生物吸收、消除、生長速率常數；Kg=(dW/dt)/WCw,Cf水及生物體內瞬時物質濃度。第25頁污染物在水生生物中富集速率方程在一定條件下生物濃縮系數有一閾值。此時，水生生物富集抵達動態平衡。生物濃縮系數常指生物富集抵達平衡時BCF值。第26頁BCF與KOW(辛醇水相間分配系數)間關系對于有較高脂溶性和較低水溶性、以被動擴散經過生物膜難降解有機物質，這一過程機理可簡示為該類物質在水和生物脂肪組織兩相間分配

11、作用。人們以正辛醇作為水生生物脂肪組織代用具，發覺log(Kow)與log(BCF)之間有良好線性關系。a,b與生物體種類相關，對虹鱒：第27頁二、生物放大(Biomagnification)生物放大是指在同一食物鏈上高營養級生物，經過吞食低營養級生物蓄積某種元素或難降解物質，使其在機體內濃度隨營養級數提升而增大現象。生物放大程度也用生物濃縮系數表示。生物放大結果，可使食物鏈上高營養級生物體內這種元素或物質濃度超出周圍環境中濃度。第28頁第29頁第30頁三、生物積累(Bioaccumulation)生物積累是指生物在其整個代謝活躍期內經過吸收、吞食等各種過程，從周圍環境蓄積某種元素或難分解化合

12、物以致隨生物生長發育，富集系數不停增大現象。牡蠣在50ug/l HgCl2溶液中對汞積累，在7d、14d、19d和42d時，富集系數分為500、700、800和1 200機體內污染物濃度水平取決于攝取和排除兩個過程速率，當攝取量大于排除量時，就發生生物積累，在代謝活躍期內富集系數是不停增加。第31頁水生生物生物積累微分速率方程Cw生物生存水中某物質濃度；Ci食物鏈i級生物中該物質濃度；Ci-1食物鏈i-1級生物中該物質濃度；Wi,i-1i級生物對i-1級生物攝食率；ai,i-1i級生物對i-1級生物中該物質同化率；Kaii級生物對該物質吸收速率常數；Keii級生物體中該物質消除速率常數；Kgi

13、i級生物生長速率常數。直接從水體中攝取，從 i-1級生物攝食消除稀釋第32頁當生物積累到達平衡時dcidt=0，Cwi: 表示從水中攝得濃度;Ci: 從食物鏈傳遞得到濃度；Ci / Ci-1時有生物放大作用；Cwi / Ci : 反應在生物積累到達平衡時，生物富集和生物放大貢獻大小。第33頁第四節 污染物質生物轉化污染物質在環境中三大主要轉化類型:生物轉化化學轉化光化學轉化生物轉化(代謝)物質在生物作用下經受化學改變稱為生物轉化。外來物質進入生物體后，在機體酶體系代謝作用下，轉變成水溶性高而易于排出體外化合物過程。經過生物轉化，污染物質毒性也隨之改變。對于污染物質在環境中生物轉化，微生物起著關

14、鍵作用。因為它們大量存在于自然界，生物轉化呈多樣性，又含有大表面體積比，繁殖非常快速，對環境條件適應性強等特點。第34頁一、生物轉化中酶酶是一類由細胞制造和分泌、以蛋白質為主要成份、含有催化活性生物催化劑。酶催化下發生轉化物質稱為底物或基質；底物所發生轉化稱為酶促反應。酶+底物 酶-底物復合物 酶+產物第35頁氨基酸 (amino acid)氨基酸是蛋白質構件，全部蛋白質均右20種標準氨基酸組成。第36頁蛋白質 (protein)蛋白質是氨基酸以肽鍵(peptide bond)連接在一起線性序列。肽鍵是一個氨基酸氨基和另一個氨基酸羧基之間共價鍵。第37頁酶活性部位(active site)是結

15、合底物和將底物轉化為產物區域，通常是整個酶分子相當小一部分，它是由在線性多肽鏈中可能相隔很遠氨基酸殘基形成三維實體。活性部位通常在酶表面空隙或裂縫處，形成促進底物結合優越非極性環境。在活性部位，底物與活性殘基被多重弱作用力結合(靜電、氫鍵、范德華鍵等)，在一些情況下被可逆共價鍵結合。酶鍵合底物分子，形成酶底物復合物，將它轉移為過渡態然后生成產物。第38頁酶催化作用特點催化專一性高（底物專一性）一個酶只能對一個底物或一類底物起催化作用。氨基酸殘基性質和空間布局形成酶活性部位，它決定哪種分子能形成酶底物。蛋白酶僅催化蛋白質水解，對淀粉無效脲酶僅催化尿素水解，對甲基尿素無效酶催化效率高。普通，酶催化

16、反應速度比化學催化劑高107-1013。酶催化需要溫和外界條件(常溫、常壓、中性)。第39頁酶與底物結合模型第40頁酶分類依據起催化作用場所分類胞外酶能經過細胞膜，在細胞外對底物起催化作用，通常是催化底物水解；胞內酶不能經過細胞膜，僅能在細胞內發揮各種催化作用。依據催化反應類型分類（國際分類）酶按照組成份類第41頁酶依據催化反應類型分類（國際分類）氧化還原酶(轉移電子)AH2+1/2O2=A+H2O轉移酶(轉移功效基團)AR+B=A+BR (R=氨基、醛基、磷酸基等)水解酶(水解反應)AB+H2O=AOH+BH裂解酶(催化底物分子一些鍵非水解性斷裂反應)AB=A+B (C-C、C-O、C-N等

17、鍵)異構酶(催化異構反應，即分子內基團轉移)合成酶(與ATP分解耦聯，催化兩種底物結合反應)A+B+ATP=AB+ADP+Pi第42頁酶按照組成份類單成份酶(單純酶)單成份酶只含有蛋白質，只由氨基酸組成脲酶、蛋白酶。雙成份酶(全酶，結合酶)雙成份酶除含蛋白質外，還含有非蛋白質部分，前者稱酶蛋白，后者稱輔酶；輔酶起著傳遞電子、原子或一些化學基團作用，酶蛋白起著決定催化專一性與高效率作用；輔酶成份是金屬離子，含金屬有機化合物或小分子復雜有機化合物。第43頁 二、若干主要輔酶功效1 FMN(黃素單核苷酸)和FAD(黃素腺嘌呤二核苷酸)第44頁1 FMN(黃素單核苷酸)和FAD(黃素腺嘌呤二核苷酸)第45頁FMN或FAD氫原子傳遞功效FMN或FAD是一些氧化還原酶輔酶，在酶促反應中含有傳遞氫原子功效。FMN+2H+2e=FMN-H2第46頁 2. NAD+(輔酶)和NADP+ +(輔酶)輔酶NAD +和DADP+是一些氧化還原酶