第3章 污染物对生物的影响

null第三章 污染物对生物的影响第三章 污染物对生物的影响生物系统的各级生物学水平：生物系统的各级生物学水平： 生物分子 细胞器 细胞 组织 器官 器官系统 个体 种群 群落 生态系统 本章将讨论以下内容：本章将讨论以下内容：污染物在生物化学和分子水平上的影响 污染物在细胞和器官水平上的影响 污染物在个体水平上的影响 污染物在种群和群落水平上的影响 3.1 污染物在生物化学和 分子水平上的影响3.1 污染物在生物化学和 分子水平上的影响污染物进入机体后导致的生物化学变化包括：防护性生化反应和非防护性生化反应污染物进入机体后导致的生物化学变化包括：防护性生化反应和非防护性生化反应 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 2－1 对污染物的防护性和非防护性生化反应3.1.1 污染物对生物机体酶的影响3.1.1 污染物对生物机体酶的影响什么是酶（ enzyme ）？ 酶是一种特殊的蛋白质，在生物体内对代谢活动起催化作用，本身不发生变化。受酶作用的物质称为基质（底物），在酶作用下的反应称为酶促反应。 酶和污染物的相互作用 污染物进入机体后，一方面在酶的催化下，进行代谢转化，另一方面也导致体内酶活性改变，影响酶的数量和活性。 另外有些环境污染物对酶有诱导作用。目前已发现多种环境污染物能诱导生物体内一些酶的活性增加，例如：有机氯农药、多氯联苯、多环芳烃、表面活性剂、增塑剂和染料中间体等，均可对酶产生诱导作用。 null1 污染物对酶辅助因子的影响 一些污染物能与酶的辅助因子——金属离子作用，从而使辅助因子失活，影响到酶的活性。 例如：氰化物等能与细胞色素酶中的铁离子结合，形成稳定络合物，而抑制细胞色素的酶活性，使其不能传递电子，则细胞内的氧化代谢过程中断，使机体不能利用氧，出现内窒息性缺氧。 2 对酶活性中心的影响 污染物还能和酶的其它活性基团结合，如汞和砷与某些酶的活性基团结合就很牢固，从而使酶失去活性。 3 破坏酶的结构 有些污染物能够取代酶分子中的某些成分，从而使酶失去活性。如铍的毒作用机理就是能取代某些酶分子中的镁和锰，破坏了酶的正常结构，使酶失去活性。 污染物对生物体内酶的影响null4 与酶激活剂作用 有些酶需要激活剂才能表现活性。酶激活剂往往是金属离子，凡是能与激活剂作用的污染物都能抑制酶的活性。 5 污染物与基质竞争同种酶而抑制酶的作用 污染物与底物有相似的结构，也能和酶形成复合物，从而竞相和酶发生作用。 混合功能氧化酶（MFO）混合功能氧化酶（MFO）混合功能氧化酶（MFO） MFO是污染物在体内进行生物转化相I过程中的关键酶系，它们对人工化学品解毒发挥了重要作用。 MFO引起的生物转化的反应特征相同，但底物、产物的化学特性差别很大，即具有多种催化功能。 混合功能氧化酶（MFO）的作用 MFO存在于所有的脊椎动物和大部分的无脊椎动物中，其作用是代谢非极性的亲脂性有机化合物，包括内源性化合物和外源性化合物。 从解毒作用来看，许多外源性化合物进入体内，经MFO作用后发生各种变化，大多数被转化成低毒易溶的代谢产物排出体外。但有的则变成高毒甚至致癌物。 MFO活性的诱导MFO活性的诱导多氯联苯和多环芳烃对MFO有诱导作用，包括许多药物和杀虫剂等 利用污染物对MFO的诱导作用可以监测环境，起着早期预警作用抗氧化防御系统酶抗氧化防御系统酶活性氧（Activiated Oxygen） 带有2~3个电子的分子氧还原产物，主要有：·OH、O2-、H2O2 活性氧的控制和消除 由体内产生的活性氧可为抗氧化防御系统控制，消除活性氧对机体的伤害作用。 某些污染物如多环芳烃、多氯联苯可在生物体内进行生物转化时产生大量活性氧。在一定范围内，这些活性氧可被体内的抗氧化防御系统清除，但当体内的抗氧化防御系统不能消除这些活性氧时，它们可使DNA链断裂、脂质过氧化、酶蛋白失活等，从而引起机体氧化应激或氧毒性。 抗氧化防御系统酶 超氧化物歧化酶（SOD） 谷胱甘肽过氧化酶（G P x） 过氧化氢酶（Ct） 谷胱甘肽转移酶(GSTs) 超氧化物歧化酶（ SOD ）超氧化物歧化酶（ SOD ）超氧化物歧化酶（ SOD ）又称过氧化物歧化酶， SOD 属于金属酶 。 按其结合的金属离子种类不同，分为Cu/Zn-SOD、Mn-SOD和Fe-SOD三种，分子量32000~85000；三种 SOD 都催化超氧化物阴离子自由基歧化为过氧化氢与氧气。 SOD的用途 催化超氧阴离子O2-的歧化反应，清除生物体内的氧自由基 2O2-+2H+ SOD→ O2+H2O2 谷胱甘肽过氧化酶（G P x）谷胱甘肽过氧化酶（G P x）是以H2O2作为底物，催化形成H2O，消除H2O2. 催化有机过氧化氢物还原成相应的醇过氧化氢酶（CAT）过氧化氢酶（CAT）过氧化氢酶存在于红细胞及某些组织内的过氧化体中，它的主要作用就是催化H2O2分解为H2O与O2，使得H2O2不致于与O2在铁螯合物作用下反应生成非常有害的-OH  过氧化氢酶是过氧化物酶体的标志酶, 约占过氧化物酶体酶总量的40%。过氧化氢酶的作用是使过氧化氢还原成水: 2H2O2 → O2 + 2H2O 几乎所有的生物机体都存在过氧化氢酶。其普遍存在于能呼吸的生物体内，主要存在于植物的叶绿体、线粒体、内质网、动物的肝和红细胞中，其酶促活性为机体提供了抗氧化防御机理。 CAT是红血素酶，不同的来源有不同的结构。在不同的组织中其活性水平高低不同。过氧化氢在肝脏中分解速度比在脑或心脏等器官快，就是因为肝中的CAT含量水平高。 谷胱甘肽转移酶(GSTs)谷胱甘肽转移酶(GSTs)是污染物在体内生物转化相Ⅱ过程中的重要酶，具有许多同工酶。 GSTs存在于所有的动物中，肝是脊椎动物中GSTs的主要场所。 GSTs被许多污染物诱导，如有机氯农药、多环芳烃和多氯联苯等。酶的抑制酶的抑制不可逆性抑制：如有机磷农药对胆碱酯酶的抑制作用；铅、汞等重金属对酶的抑制 非竞争性抑制：如氰化物与Fe2+结合。 竞争性抑制： 几种重要的可被抑制的酶 ⒈腺三磷酶 ⒉乙酰胆碱酯酶 ⒊蛋白磷酸酶 不可逆性抑制不可逆性抑制不可逆性抑制作用的抑制剂，通常以共价键方式与酶的必需基团进行不可逆结合而使酶丧失活性，按其作用特点，又有专一性及非专一性之分 非竞争性抑制非竞争性抑制 抑制剂I和底物S与酶E的结合完全互不相关，既不排斥，也不促进结合，抑制剂I可以和酶E结合生成EI，也可以和ES复合物结合生成ESI。底物S和酶E结合成ES后，仍可与I结合生成ESI，但一旦形成ESI复合物，再不能释放形成产物P。 　　I和S在结构上一般无相似之处，I常与酶分子上结合基团以外的化学基团结合，这种结合并不影响底物和酶的结合，增加底物浓度并不能减少I对酶的抑制程度。 竞争性抑制竞争性抑制 抑制剂I和底物S对游离酶E的结合有竞争作用，互相排斥，已结合底物的ES复合体，不能再结合I。同样已结合抑制剂的EI复合体，不能再结合S。 　　抑制剂I在化学结构上与底物S相似，能与底物S竞争酶E分子活性中心的结合基团，因此，抑制作用大小取决于抑制剂与底物的浓度比，加大底物浓度，可使抑制作用减弱。 　　例如，丙二酸、苹果酸及草酰乙酸皆和琥珀酸的结构相似，是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。 3.1.2 污染物对生物大分子的影响3.1.2 污染物对生物大分子的影响污染物对生物大分子的影响主要表现在以下方面： 干扰正常的受体——配体的相互作用 受体（receptor）是许多组织细胞膜上的大分子成分，配体（ligand）是生物体内的一些具有生物活性的化学物。正常情况下，受体与配体结合形成受体－配体复合物，产生一定的生物学效应。 生物膜损伤 不少环境化学物通过改变膜脂流动性，影响膜的通透性和镶嵌蛋白质的活性，改变其结构和稳定性，从而产生生物效应 干扰细胞内钙稳态 正常情况下细胞内的钙浓度较低（10-7～10-8 mol/L），细胞外浓度较高（10-3 mol/L ）。各种细胞毒物，如硝基酚、过氧化物、汞、铅等重金属离子均能干扰细胞内钙稳态，引起细胞损伤和死亡。 null干扰细胞能量的合成 一些环境污染物可干扰糖类的氧化，使细胞不能合成能被生物利用的ATP，使细胞生命活动得不到充足的能量供给 脂质过氧化(lipid peroxidation) 脂质过氧化是细胞损伤的一种特殊方式，是由于产生了自由基而引起的，正常情况下，生物体内氧化、还原和酶促反应过程中，均可产生少量自由基，一般可被体内存在的抗氧化物质（如维生素C、维生素E）所对抗，对生物危害不大。当大量污染物（自由基）进入机体，造成机体抗氧化作用失衡，即可发生脂质过氧化，对生物体造成危害。 与生物大分子共价结合 共价结合可改变生物大分子的结构和功能，引起一系列生物学改变，特别是与酶蛋白、脂肪、核酸等重要生物大分子共价结合，能改变其化学结构，影响其生理功能，甚至导致变性和细胞死亡。1.污染物对蛋白质的影响1.污染物对蛋白质的影响污染物对蛋白质的影响主要表现在以下方面： 导致蛋白质化学损伤：细胞膜结构及通透性改变；影响酶的催化功能等 诱导生物机体内一些功能蛋白的产生：如应激蛋白（Stress Proteins）和金属硫蛋白（Metallothionein）的产生，这些蛋白质的产生可保护生物机体抵抗污染物的损害。 注：金属硫蛋白对二价金属离子具有极高的亲和力，在细胞内起贮存必需的微量金属如Zn、Cu和结合有毒金属如Cd、Hg的作用，它与必需金属的结合起调节这些金属在细胞内浓度的作用，而与有毒金属结合则可以保护细胞免受金属毒性影响。 2.污染物对DNA的影响2.污染物对DNA的影响外源性化合物及其代谢产物能引起DNA损伤，它们与DNA的相互作用过程有以下四个阶段： 形成DNA加合物（DNA Addcuts） 发生DNA的二次修饰 DNA结构的破坏被固定 当细胞分裂时，外源性化合物造成的危害可导致DNA突变及其基因功能的改变 DNA加合物的形成是产生DNA损伤最早期的作用，随后产生的最重要影响是DNA结构的改变，如碱基置换、碱基丢失、链断裂等。 DNA加合物作为一项生物指标来评价环境中化学污染物的遗传毒性的研究日益受到重视。DNA加合物与肿瘤DNA加合物与肿瘤DNA 加合物就是亲电性的化合物或其代谢产物和生物体内大分子形成共价相连的化合物, 是DNA化学损伤的最重要和最普遍的形式。 这种加合物一旦逃避自身的修复, 就可能成为致突、致畸、致癌的最小因子, 因此DNA 加合物的形成被认为是致肿瘤过程的一个重要起始阶段。 研究表明DNA 加合物的形成与肿瘤的发生、发展之间存在着因果联系和剂量一反应关系。 形成过程形成过程 许多污染物是亲电化合物,它们具有低电子密度中心,因此可以与具有高电子密度的分子(如具有亲核中心的DNA 分子或蛋白质分子Y) 反应,形成生物大分子加合物.大多数亲电子剂(RX) 的加合物形成机理是亲核替代,亲电子基团通过亲核原子(O、N、S 等) 的一对不共享的电子(∶或-与之形成一个新的共价键. 如式(1) 所示被替代基团(X)。根据反应物性质的不同或被亲核基团( Y) 中和或带上了负电： 毒性机理毒性机理DNA 加合物的形成是遗传毒性物质导致生物体遗传毒性的前提,含DNA 加合物的DNA 分子未能被修复或被细胞错误地复制,将会导致一系列基因突变而产生遗传毒性. 大多数遗传毒性化学物质如PAHs 在生物体内一般首先经过存在于许多生物组织中的混合功能细胞色素氧化酶P450的代谢. 它们形成DNA 加合物的途径有2 种: 1) 通过单电子氧化途径;2) 通过混合功能细胞色素氧化酶P450 的激活. 化合物氧化途径活化并且生成嘌呤加合物,大多数通过单电子氧化途径形成的DNA 加合物具有不稳定的糖苷结构,能自动地使嘌呤脱落而形成一无嘌呤位点,这个位点被认为DNA 分子上的一个致突变损伤,同时这些无嘌呤位点也有可能是一些化合物致癌的主要原因。 DNA 加合物与致癌关系DNA 加合物与致癌关系DNA加合物是化学致癌过程的一个早期、可检测的重要步骤,通过DNA 加合物与突变和致癌关系的研究, 人们认识到DNA 加合物可能是化学致癌物与癌症之间的一个分子桥梁。有可能用于肿瘤防治的早期生物监测,对化学致癌机理的探讨及肿瘤病因的研究具有重要意义,并可最终为肿瘤的预防和治疗服务。　DNA 加合物的形成机制　DNA 加合物的形成机制DNA 呈双链超螺旋结构存在于细胞中, 嘌呤和嘧啶碱基重于螺旋内侧。在DNA 的4 个碱基中, 存在着N、O、P等原子, 这些原子都含有孤对电子, 容易受到亲电试剂的攻击。 研究表明, 在DNA 分子至少有12个位点易受到化学致癌剂的攻击。 对于大多数致癌物都是经过代谢活化后变成亲电的代谢物后, 再与DNA 发生共价结合的, 但也有直接结合的化合物。 3.脂质的过氧化3.脂质的过氧化细胞和亚细胞膜系统的磷脂富含多烯脂肪酸侧链,使脂蛋白膜对亲水性物质具有一定的通透性,多烯脂肪酸易发生过氧化降解 脂质过氧化的后果:导致各种亚细胞结构的损伤,如细胞膜的通透性、流动性改变；光面内质网扩张；糙面内质网上核糖体脱落；线粒体崩解；溶酶体破裂等。使多种与脂蛋白结合的酶活性降低或消失，如MFO破坏。 引起的污染物：如大气污染物O3、NO2，水体污染物CCl4、PCB、PAH、Cd等3.2 污染物在细胞和器官水平上的影响 3.2.1 对细胞膜的影响3.2 污染物在细胞和器官水平上的影响 3.2.1 对细胞膜的影响对细胞膜的影响主要表现在以下方面： 污染物引起的脂质过氧化作用导致的损伤 污染物可影响膜的离子通透性 污染物与膜上的受体结合，干扰正常的生理功能3.2.2 对细胞器的影响3.2.2 对细胞器的影响线粒体 线粒体是细胞供能的场所。 污染物可引起其结构改变，从而影响线粒体的氧化磷酸化和电子传递功能 光面内质网和糙面内质网 光面内质网和糙面内质网是进行激素和外源性化合物的代谢场所。 糙面内质网：通过附着或解离核糖体控制蛋白质的合成 例：多种化学致癌物如黄曲霉毒素能引起核糖体脱落，导致蛋白质合成控制的改变。 3.2.3 污染物对组织器官的影响3.2.3 污染物对组织器官的影响三个概念：靶器官、效应器官和蓄积器官 注1：靶器官不同于效应器官，污染物的毒作用可以通过靶器官表现处来，也可由另外的效应器官表现出来。 注2：靶器官不同于蓄积器官，污染物在蓄积器官内的浓度高于其他器官，但对蓄积器官并不一定显示毒作用。 对组织器官的影响 对植物，表现为叶面出现点、片伤害斑，造成叶、蕾、花、果实等的脱落 对动物，以重金属污染为例：铅可损害造血器官和神经系统，镉可损害肝脏、肾脏，导致骨痛病。 3.3 污染物在个体水平上的影响3.3 污染物在个体水平上的影响污染物对植物在个体水平上的影响： 主要表现为生长减慢、发育受阻、失绿黄化、早衰等 污染物对动物在个体水平上的影响： 主要表现为死亡、行为改变、繁殖下降、生长和发育抑制、疾病敏感性增加、代谢率变化3.3.1 死亡3.3.1 死亡 衡量死亡的指标 死亡率：死亡比例的大小，为评价污染物毒性大小的生物学指标 致死剂量（Lethal Dose）或致死浓度（Lethal Concentration）：能引起动物死亡的污染物的剂量或浓度。 半数致死剂量（LD50）或半数致死浓度（LC50）：能引起50％的动物死亡的污染物的剂量或浓度。 影响致死效应的主要因素： 污染物的种类及其物理化学性质 生物的种类 作用时间、水质条件，如温度、硬度、溶解氧等 多种污染物的综合作用 3.3.2 对行为的影响3.3.2 对行为的影响行为毒性（Behavioral Toxicity）的概念 指一种污染物或其他因素（如温度、光照、辐射）使得动物一种行为超过正常变化的范围。 水环境污染可影响的生物行为： 回避行为 捕食行为 警惕行为 对鸟类行为的影响 有机磷农药可影响鸟的神经系统，导致鸟的平衡和协调性的损害。 受污染的鸟类还可表现出对领地的失控和不能照顾后代。 3.3.3 对繁殖的影响3.3.3 对繁殖的影响污染物的繁殖的影响 主要表现为：产卵数、孵化率、幼体存活率下降以及繁殖行为下降等 概念：环境激素（Environmental Endocrine Disrupters） 指具有动物和人体激素的活性，能干扰和破坏野生动物繁殖障碍、诱发人类重大疾病的天然物质或人工合成物质。也叫做外源性雌激素或环境内分泌干扰物。 环境激素的种类包括：天然雌激素、合成雌激素、植物雌激素 、具有雌激素活性的环境化学物质 注：具有雌激素活性的环境化学物质：如杀虫剂、多氯联苯、多环芳烃、洗涤剂、塑料添加剂、食品添加剂等，工业废水和生活污水往往含有上述物质。3.3.4 对生长和发育的影响3.3.4 对生长和发育的影响污染物对生长和发育的影响可通过生长指示器来测定 生长指示器（Scope for Growth）是反映生物机体能量获取利用和代谢的综合指标。 P=A-(R+U) 注：P——SFG； A——从食物获得的能量； R——呼吸作用的能量损失； U——排泄作用的能量损失 3.4 污染物在种群和群落水平上的影响 3.4.1 对生物种群的影响3.4 污染物在种群和群落水平上的影响 3.4.1 对生物种群的影响概念：种群（Population） 是指在一定时空中同种个体的组合。 污染物对种群的影响表现为： 种群数量的密度改变 结构和性别比例的变化：年龄结构、种群大小、性逆转 遗传结构的改变：在进化过程中通过改变基因频率以适应环境的改变 竞争关系的改变 3.4.2 对生物群落的影响3.4.2 对生物群落的影响基本概念 群落（Community） 优势种（Dominant Species） 优势度？？ 耐污种 敏感种 污染物对群落的影响表现在： 群落组成和结构改变 对物种多样性（Species Diversity）的影响 注：物种多样性指群落中物种的数目（丰富度）和各个物种的相对密度（群落的异质性）。