第五章 环境生物化学和化学毒理学

第五章环境生物化学

和化学毒理学2/5/20231第一节物质通过生物膜的方式一、生物膜的结构生物膜主要是由磷脂双分子层和蛋白质镶嵌组成的、厚度为75—100A的流动变动复杂体。在生物膜中还间以带极性、常含有水的微小孔道，称为膜孔。2/5/20232二、物质通过生物膜的方式1．膜孔滤过直径小于膜孔的水溶性物质，可借助膜两侧静水压及渗透压经膜孔滤过。2．被动扩散脂溶性物质从高浓度侧向低浓度侧、即顺浓度梯度扩散通过有类脂层屏障的生物膜，扩散速率服从费克定律。2/5/202333．被动易化扩散有些物质可在高浓度侧与膜上特异性蛋白质载体结合，通过生物膜，至低浓度侧解离出原物质。4．主动转运在需消耗一定的代谢能量下，一些物质可在低浓度侧与膜上高浓度特异性蛋白载体结合，通过生物膜，至高浓度侧解离出原物质。2/5/202345．胞吞和胞饮少数物质与膜上某种蛋白质有特殊亲和力，当其与膜接触后，可改变这部分膜的表面张力，引起膜的外包或内陷而被包围进入膜内，固体物质的这一转运称为胞吞，而液态物质的这一转运称为胞饮。2/5/20235第二节污染物质在机体内的转运一、吸收吸收是污染物质从机体外，通过各种途径通透体膜进入血液的过程。吸收途径主要是机体的消化管、呼吸道和皮肤。2/5/20236二、分布分布是指污染物质被吸收后或其代谢转化物质形成后，由血液转送至机体各组织；与组织成分结合；从组织返回血液；以及再反复等过程。2/5/20237三、排泄排泄是污染物质及其代谢物质向机体外的转运过程。排泄器官有肾、肝胆、肠、肺、外分泌腺等，而以肾和肝胆为主。2/5/20238四、蓄积物质在体内逐增的现象，称为生物蓄积。蓄积量是吸收、分布、代谢转化和排泄各量的代数和。蓄积时，污染物质的体内分布，常表现为相对集中的方式，主要集中在机体的某些部位。2/5/20239第三节污染物质的生物富集、放大和积累一、生物富集生物富集是指生物通过非吞食方式，从周围环境（水、土壤、大气）蓄积某种元素或难降解的物质，使其在机体内浓度超过周围环境中浓度的现象。生物富集用生物浓缩系数（BCF）来表示。2/5/202310从动力学观点来看，水生生物对水中难降解物质的富集速率，是生物对其吸收速率、消除速率及由生物机体质量增长引起的物质稀释速率的代数和。式中：ka、ke、kg—水生生物吸收、消除、生长的速率常数；cw、cf—水及生物体内的瞬时物质浓度。2/5/202311如果富集过程中生物质量增长不明显，则kg可忽略不计，通常，水体足够大，水中的物质浓度可视为恒定，则水生生物富集速率方程为2/5/202312水生生物浓缩系数(cf/cw)随时间延续而增大，先期增大比后期迅速，当t→∞时，生物浓缩系数依次为：2/5/202313二、生物放大生物放大是指在同一食物链上的高营养级生物，通过吞食低营养级生物蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体内的浓度随营养级数提高而增大的现象。生物放大的程度也用生物浓缩系数表示。2/5/202314三、生物积累生物积累，是生物从周围环境(水、土壤、大气)和食物链蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体中的浓度超过周围环境中浓度的现象。生物积累也用生物浓缩系数表示。2/5/202315第四节污染物质的生物转化绝大多数的生物转化是在机体的酶参与和控制下进行的。酶是一类由细胞制造和分泌的、以蛋白质为主要成分的、具有催化活性的生物催化剂。在酶催化下发生转化的物质称为底物或基质，底物所发生的转化称为酶促反应。2/5/202316一、有机物生物降解的原理有机物的生化降解首先从活性官能团开始。羧基（-COOH）是生物降解的活性反应中心，6个碳原子以下的有机酸在生物降解时总是从羧基开始。长碳链有机酸的生物降解则可能在其他碳原子进行。2/5/202317其他基团反应顺序为：醛基，酮基，羟基，氨基，硫基，甲基等。其他如：-C(O)-NH2（酰胺），R-COO-R`(酯），-SO3H（磺酸基），X-（卤代基），R-O-R’（醚）等，它们在降解中可能位于上述基团的或前或后的位置。2/5/202318（1）饱和烃的氧化降解饱和烃的氧化降解是有机物生化降解的基本途径，其在好氧条件下借助生物催化经过醇、醛氧化为酸。

R-C-C–2HR-C=C+H2OR-C-C-OH

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

-2HR-C-COOH2/5/202319以苯环为代表，经生物催化氧化，导致芳环断裂。通常苯环通过氧化为酚、二酚、醌等中间产物，最后成为有机酸。（2）芳环断裂2/5/202320有机酸的降解发生在β碳原子上，每一次反应都将脱下烃基上的两个碳原子。降解作用是在辅酶HSCoA的参与下进行。由于氧化反应使碳链断裂发生在β-碳原子上，一般指这类氧化作用为β氧化。（3）有机酸的β-氧化2/5/202321偶数碳原子的有机酸，最终生成许多分子的乙酰辅酶A，参与三羧酸循环，最后生成CO2和H2O。奇数碳原子的有机酸，最后生成一个分子的丙酰辅酶A和乙酰辅酶A。2/5/202322降解作用是从生成柠檬酸开始，在生物化学中通常称为三羧酸（TCA）循环。例如乙酰辅酶A与草醋酸反应生成柠檬酸：柠檬酸的生成开始进入三羧酸循环中，它们的反应为：（4）三羧酸循环2/5/202323柠檬酸

-H2O顺乌头酸+H2O异柠檬酸-2H草酰琥珀酸

-CO2

-HSCoA

α酮戊二酸

+H2O+H2O+乙酰辅酶A-2H-CO2

草醋酸-2H苹果酸+H2O富马酸-2H琥珀酸三羧酸循环2/5/202324反应实际上是醋酸分解（以及丙酮酸）得到CO2，反应总的结果为：

CH3COOH+2O2

→2CO2↑+2H2O

或者:CH3COCOOH+5/2O2

→3CO2↑+2H2O2/5/202325醋酸及丙酮酸是有机物通过三羧酸循环的生物化学降解的中间产物。实验证实，凡是能够产生与循环中相同化合物的反应就能够参与三羧酸循环。2/5/202326二、耗氧有机污染物质的微生物降解1．糖类的微生物降解糖类通式为Cx(H2O)y，分成单糖、二糖和多糖三类。微生物降解糖类的基本途径是：(1)多糖水解成单糖：多糖在胞外水解酶催化下水解成二糖和单糖，而后才能被微生物摄取进入细胞内。二糖在细胞内经胞内水解酶催化，继续水解成为单糖。多糖水解成的单糖产物以葡萄糖为主。2/5/2023272/5/202328（2）单糖酵解成丙酮酸：细胞内单糖不论在有氧氧化或在无氧氧化条件下，都可经过相应的一系列酶促反应形成丙酮酸。（3）丙酮酸转化：在有氧氧化条件下，丙酮酸通过酶促反应转化成乙酰辅酶A，进入三羧酸循环，生成CO2和H2O。在无氧条件下进行发酵，生成低级酸、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为脂肪酸及甘油。脂肪酸及甘油能被微生物摄入细胞内继续转化。（2）甘油的转化：甘油在有氧或无氧条件下，均能被相应的一系列酶促反应转变成丙酮酸。2/5/202330（3）脂肪酸的转化：在有氧氧化条件下，饱和脂肪酸通常经过酶促氧化途径变成脂酰辅酶A和乙酰辅酶A。在无氧氧化条件下，脂肪酸通过酶促反应，往往以其转化的中间产物作受氢体而不完全氧化，形成低级的有机酸、醇和二氧化碳等。2/5/2023313、蛋白质的微生物降解蛋白质的主要组成元素是碳、氢、氧和氮，有些还含有硫、磷等元素。蛋白质是一类由a-氨基酸通过肽键联结成的大分子化合物。（1）蛋白质水解成氨基酸：蛋白质由胞外水解酶催化水解，经多肽至二肽或氨基酸而被微生物摄入细胞内。二肽在细胞内可继续水解形成氨基酸。2/5/202332（2）氨基酸脱氨脱羧成脂肪酸：氨基酸在细胞内的转化由于不同酶的作用而有多种途径，其中以脱氨脱羧形成脂肪酸为主。蛋白质通过微生物作用，在有氧氧化下可被彻底降解成为二氧化碳、水和氨（或铵离子），而在无氧氧化下通常是酸性发酵，生成简单有机酸、醇和二氧化碳等，降解不彻底。蛋白质中含有硫的氨基酸有半胱氨酸、胱氨酸和蛋氨酸，它们在有氧氧化下还可形成硫酸、在无氧氧化下还有硫化氢产生。2/5/2023334．甲烷发酵在无氧氧化条件下糖类、脂肪和蛋白质都可借助产酸菌的作用降解成简单的有机酸、醇等化合物。如果条件允许，这些有机化合物在产氢菌和产乙酸菌作用下，可被转化为乙酸、甲酸、氢气和二氧化碳，进而经产甲烷菌作用产生甲烷。复杂有机物质降解的这一总过程，称为甲烷发酵或沼气发酵。在甲烷发酵中，一般以糖类的降解率和降解速率最高，脂肪次之，蛋白质最低。2/5/202334三、影响污染物质的生物转化速率的因素链长规律：脂肪酸、脂族碳氢化合物和烷基苯等有机物质，在一定范围内碳链越长，降解也越快；有机聚合物降解速率随分子的增大而减小。链分支规律：烷基苯磺酸盐、烷基化合物等有机物质中，烷基支链越多，分支程度越大，降解也越慢。取代规律：取代基的种类、位置及数量对有机物质降解速率有规律性的影响。2/5/202335第五节污染物质的毒性一、毒物毒物是进人生物机体后能使体液和组织发生生物化学的变化，干扰或破坏机体的正常生理功能，并引起暂时性或持久性的病理损害，甚至危及生命的物质。大多数环境污染物质都是毒物。2/5/202336二、毒物的毒性毒理学把毒物剂量(浓度)与引起个体生物学的变化，如脑电、心电、血象、免疫功能、酶活性等的变化称为效应；把引起群体的变化，如肿瘤或其他损害的发生率、死亡率等变化称为反应。毒物剂量（浓度）与反（效）应变化之间的关系，称为剂量—反(效)应关系。2/5/202337急性毒作用一般以半数有效剂量(ED50)或半数有效浓度(EC50)来表示。ED50和EC50分别是毒物引起一群受试生物的半数产生同一毒作用所需的毒物剂量和毒物浓度。半数有效剂量或半数有效浓度，若以死亡率作为毒作用的观察指标，则称为半数致死剂量(LD50）或半数致死浓度(LC50)。2/5/2023382/5/202339三、毒物的联合作用

1．协同作用指联合作用的毒性，大于其中各个毒物成分单独作用毒性的总和。其中某一毒物成分能促进机体对其他毒物成分的吸收加强、降解受阻、排泄迟缓、蓄积增多或产生高毒代谢物等，使混和物毒性增加。2/5/202340

2．相加作用指联合作用的毒性，等于其中各毒物成分单独作用毒性的总和。当各毒物成分的化学结构相近、性质相似、对机体作用的部位及机理相同时，其联合的结果往往呈现毒性相加作用。2/5/202341

3．独立作用各毒物对机体的侵入途径、作用部位、作用机理等均不相同，因而在其联合作用中各毒物生物学效应彼此无关、互不影响。即独立作用的毒性低于相加作用，但高于其中单项毒物的毒性。2/5/202342

4．拮抗作用指联合作用的毒性，小于其中各毒物成分单独作用毒性的总和。即其中某一毒物成分能促进机体对其他毒物成分的降解加速、排泄加快、吸收减少或产生低毒代谢物等，使混合物毒性降低。2/5/202343四、毒作用的生物化学机制

1．酶活性的抑制毒物进人机体后，一方面在酶催化下进行代谢转化；另一方面也可干扰酶的正常作用，包括酶的活性、数量等，从而有可能导致机体的损害。2/5/202344

2．致突变作用致突变作用是指生物细胞内DNA改变，引起的遗传特性突变的作用。这一突变可以传至后代。具有致突变作用的污染物质称为致突变物。致突变作用分为基因突变和染色体突变两类。2/5/202345

3．致癌作用致癌是体细胞不受控制的生长。能在动物和人体中引起致癌的物质称为致癌物。致癌物根据性质可分为化学(性)致癌物、物理性致癌物(如x—射线、放射性核素氡)和生物性致癌物(如某些致癌病毒)。2/5/2023464．致畸作用人或动物在胚胎发育过程中由于各种原因所形成的形态结构异常，称为先天性畸形或畸胎。遗传因素、物理因素(如电寓辐射)、化学因素、生物因素(如某些病毒)，母体营养缺乏或内分泌障碍等都可引起先天性畸形，并称为致畸作用。2/5/202347第六节有机物的定量结构与活性相关应用统计模型方法或模式识别法，描述有机物的活性和结构关系，称为定量结构与活性关系或定量构效关系（QSAR）。结构包括化合物的分子、官能团、分子碎片等，以有关的结构参数或物理化学参数表示。活性指化合物的生物活性，如毒性和药效性等，还可指化合物的理化性质，如水溶性、挥发性、分配、吸附、水解、光解、生物降解等。2/5/202348一、Hansch分析法Hansch等认为一系列具有同一骨架、不同取代基的有机类似化合物，其生物活性取决于分子（整体）或取代基的疏水性及取代基的电性和立体效应。取代基的电性效应，包括诱导与共轭效应，会引起分子中电子密度的特定分布。若此分布同受体作用部位电子密度分布相适应，则有利于分子与受体作用部位间的结合，使化合物的活性增加。否则，会导致化合物的活性减小。2/5/202349取代基的立体效应表现在体积大的取代基不利于同受体作用部位的适当匹配，从而减小化合物活性。然而有时又可以迫使分子采取与受体作用部位结合所需的构象异构体，而使化合物活性增加。2/5/202350Hansch分析法的常用参数2/5/202351一、分子结构拓扑指数表示法1、拓扑结构的矩阵描述矩阵是以数学的形式提供分子拓扑性的科学表达。（1）邻接矩阵：任一有n个顶点的图，可构成一个n×n阶矩阵，矩阵元为：2/5/202352则苯的邻接矩阵为：2/5/202353（2）距离矩阵，对任一有n个顶点的图构成一个n×n阶矩阵D，矩阵元dij为：则苯的距离矩阵2/5/2023542、分子结构的数值化（1）距离矩阵指数—Wiener指数WWiener首先将分子结构绘成隐氢图，由图得到表示分子拓扑结构的距离矩阵，加和此矩阵的上三角矩阵元便得到Wiener指数W。如苯的Wiener指数W=1+2+3+2+1+1+2+3+2+2+3+1+2+1+1=272/5/202355W指数与某些类型烃分子的性质如沸点、临界常数、粘滞性、表面张力、色谱保留时间具有良好的相关性。Boncher利用Wiener指数与单取代和双取代苯系列的色谱保留时间相关。得到的回归方程相关系数超过0.999。

2/5/202356（2）邻接矩阵指数—Randic指数如果把分子中每个碳原子用相应的点价δ来表示，那么每个C-C键都可以用相应的δ值来表示。Randic认为，烷烃异构体分子中，构成键的碳原子点价不同相应的键也不同，因此，烷烃中的键可分为十种类型，表示如下：2/5/202357隐氢式：这里，括号内的数值越大，说明构成该键的原子的相邻基团越多，分枝越多。Randic把每个键中两原子的点价相乘，再取平方根的倒数作为“分枝指数”，把各键的分枝指数相加，即得连接指数。2/5/202358以异戊烷为例，其隐氢式可表示为：骨架中原子附近的数字表示点价，用点价表示该分子中的所有键：（1，3）（1，3）（3，2）（1，2）用这种方法算得的指数与烷烃的沸点等其他性质成比例关系，并且有很精确的预测能力。2/5/202359Randic指数存在的问题：含不饱和键的化合物不符合这一规律；对于分子中含有杂原子的情况不能处理；环状化合物不能处理，因为键的数目比开链烃多。2/5/202360二、有机物定量结构与活性相关QSAR（QuantitativeStructure-ActivityRelationships）有机物的定量结构与活性效应相关。QSAR是建立有机物的毒性和理化参数的相关性，通过测量或计算有机物的特征参数，很容易的估算有机物对生物的毒性。2/5/2023611、毒性机理毒性机理有两种—反应性和非反应毒性。反应性毒性称为特殊毒性，非反应性毒性也称非特殊毒性或麻醉。反应性毒性是一种特殊的反应性机理，如化学物质和酶等发生作用，或由于化学作用堵塞了代谢通道，而质细胞失去活性。非反应性毒性不是一种特殊的反应机理，该机理认为化学物质的毒性