污染物質(zhì)在生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)富集市公開(kāi)課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

1、第五章 生物體內(nèi)污染物質(zhì) 運(yùn)動(dòng)過(guò)程及毒性第一節(jié) 物質(zhì)經(jīng)過(guò)生物膜方式第二節(jié) 污染物質(zhì)在機(jī)體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)第三節(jié) 污染物質(zhì)生物富集、放大和積累第四節(jié) 污染物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化第五節(jié) 毒作用生物機(jī)制第1頁(yè)第一節(jié) 物質(zhì)經(jīng)過(guò)生物膜方式一、生物膜結(jié)構(gòu)生物膜及其作用是圍繞細(xì)胞和各種獨(dú)特亞細(xì)胞（如核、線粒體、 溶酶體等）區(qū)室界面起著選擇性通透屏障作用，使得細(xì)胞或細(xì)胞器內(nèi)環(huán)境不一樣于外環(huán)境第2頁(yè)生物膜基本組成膜脂質(zhì)（磷脂、糖脂、膽固醇等），蛋白質(zhì)，糖類第3頁(yè)甘油磷脂磷酸化頭部甘油骨架兩條脂肪酸鏈第4頁(yè)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(tuán)（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(tuán)排列于脂雙層兩表面，疏水脂肪酸鏈端伸向內(nèi)側(cè)，在雙分子層中央存在一個(gè)疏水區(qū)。第5頁(yè)膜蛋白質(zhì)膜蛋白類型深埋或貫通脂雙層內(nèi)在蛋白(與膜結(jié)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(zhuǎn)運(yùn)膜內(nèi)外物質(zhì)載體起催化作用酶能量轉(zhuǎn)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(yè)二、物質(zhì)經(jīng)過(guò)生物膜方式磷脂雙分子層膜通透性對(duì)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(jīng)過(guò)膜層。對(duì)極性大分子(葡萄糖、氨基酸)和離子(K+,Na+,Cl-,Ca2+)不通透，需要內(nèi)在運(yùn)轉(zhuǎn)蛋白幫助。細(xì)胞膜與細(xì)胞

3、器膜選擇性通透屏障物質(zhì)經(jīng)過(guò)生物膜方式：溶劑(水)通透: 膜孔濾過(guò)小分子轉(zhuǎn)運(yùn): 1被動(dòng)轉(zhuǎn)輸（簡(jiǎn)單擴(kuò)散，被動(dòng)易化擴(kuò)散） 2主動(dòng)轉(zhuǎn)輸 大分子轉(zhuǎn)運(yùn): 胞吞和胞飲第7頁(yè)二、物質(zhì)經(jīng)過(guò)生物膜方式1膜孔濾過(guò)直徑小于膜孔溶劑(水)，可借助膜兩側(cè)靜水壓及滲透壓經(jīng)膜孔濾過(guò)。第8頁(yè)2被動(dòng)擴(kuò)散（simple diffusion）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(kuò)散經(jīng)過(guò)有類脂層屏障生物膜。被動(dòng)擴(kuò)散速率服從費(fèi)克定律水、氣(O2,CO2)和不帶電荷極性小分子(尿素、乙醇)以被動(dòng)擴(kuò)散方式跨膜；被動(dòng)擴(kuò)散不需能量輸入；被動(dòng)擴(kuò)散不需載體(特定內(nèi)在膜蛋白)參加，因而不會(huì)出現(xiàn)特異性選擇、競(jìng)爭(zhēng)性抑制及飽和現(xiàn)象。第9頁(yè)3. 被動(dòng)

4、易化擴(kuò)散(幫助擴(kuò)散facilitated diffusion)有些物質(zhì)可在高濃度側(cè)與膜上特異性內(nèi)在膜蛋白質(zhì)(單向轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白)載體結(jié)合，經(jīng)過(guò)生物膜，至低濃度側(cè)解離出原物質(zhì)。這一轉(zhuǎn)運(yùn)稱為被動(dòng)易化擴(kuò)散。親水性分子、葡萄糖、氨基酸以幫助擴(kuò)散方式運(yùn)輸。它受到特異性內(nèi)在膜蛋白質(zhì)及其數(shù)量制約，因而展現(xiàn)特異性選擇，類似物質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)性抑制和飽和現(xiàn)象。第10頁(yè)第11頁(yè) 4主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn) (Active Transport)在需消耗一定代謝能量(如ATP水解)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，經(jīng)過(guò)生物膜，至高濃度側(cè)解離出原物質(zhì)。這一轉(zhuǎn)運(yùn)稱為主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)速度可用米氏方程描述。P為磷酸蛋白第12頁(yè)三磷

5、酸腺苷 (ATP)第13頁(yè)組分細(xì)胞內(nèi)濃度細(xì)胞外濃度(mmol/L) (mmol/L)Na+5-15145K+1405Mg2+0.51-2Ca2+10-41-2H+pH7.2pH7.4Cl-5-15110經(jīng)典哺乳類動(dòng)物內(nèi)外離子濃度比較第14頁(yè) 5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(dāng)其與膜接觸后，可改變這部分膜表面張力，引發(fā)膜外包或內(nèi)陷而被包圍進(jìn)入膜內(nèi):固體物質(zhì)這一轉(zhuǎn)運(yùn)稱為胞吞，液態(tài)物質(zhì)這一轉(zhuǎn)運(yùn)稱為胞飲。第15頁(yè)第二節(jié) 污染物質(zhì)在機(jī)體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn) 污染物質(zhì)在機(jī)體內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程包含吸收、分布、排泄和生物轉(zhuǎn)化。吸收、分布、排泄統(tǒng)稱轉(zhuǎn)運(yùn)排泄與生物轉(zhuǎn)化又稱為消除。第16頁(yè)一、污染物吸收（生物攝取）吸收

6、是污染物質(zhì)從機(jī)體外，經(jīng)過(guò)各種路徑通透體膜進(jìn)入血液過(guò)程。動(dòng)物吸收污染物路徑飲食污染物隨食物進(jìn)入消化道。消化道主要吸收部位在小腸，其次是胃。污染物質(zhì)主要經(jīng)過(guò)被動(dòng)擴(kuò)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(zhì)，常以被動(dòng)擴(kuò)散相繼經(jīng)過(guò)皮膚表皮及真皮，再濾過(guò)真皮中毛細(xì)血管壁膜進(jìn)入血液。第17頁(yè) 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(jī)體各組織；與組織成份結(jié)合；從組織返回血液；以及再重復(fù)等過(guò)程。在污染物質(zhì)分布過(guò)程中，污染物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)以被動(dòng)擴(kuò)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(jié)合與解離平衡，只有未被結(jié)合組織才能在體內(nèi)組織中分布第18頁(yè)三、排泄排泄是污染物質(zhì)及其代謝物質(zhì)向機(jī)體外轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)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(jīng)過(guò)腎隨尿而排除過(guò)程，是污染物主要排泄路徑。膽汁排泄指污染物經(jīng)血液到達(dá)肝臟后，以原物或其代謝物與膽汁一起分泌至十二指腸，經(jīng)小腸至大腸內(nèi)，再排出體外過(guò)程，是污染物質(zhì)代謝物主要排泄路徑。第19頁(yè)四、蓄積機(jī)體長(zhǎng)久接觸某污染物質(zhì)，若吸收超出排泄及其代謝轉(zhuǎn)化，則會(huì)出現(xiàn)該污染 物質(zhì)在體內(nèi)逐增現(xiàn)象，稱為生物蓄

8、積。蓄積量是吸收、分布、代謝轉(zhuǎn)化和排泄各量代數(shù)和。蓄積時(shí)，污染物質(zhì)體內(nèi)分布，常集中在肌體一些部位。苯，多氯聯(lián)苯集中于脂肪組織F，Ba，Sr，Be等集中于骨骼組織第20頁(yè)四、蓄積機(jī)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(zhì)，常同血漿中游離型污染物質(zhì)保持相對(duì)穩(wěn)定平衡。當(dāng)污染物質(zhì)從體內(nèi)排出或機(jī)體不與之接觸時(shí)，血漿中污染物質(zhì)即降低，蓄積部位就會(huì)釋放該物質(zhì)，以維持上述平衡。在污染物質(zhì)蓄積和毒性作用部位不相一致時(shí)，蓄積部位可成為污染物質(zhì)內(nèi)在二次接觸源，有可能引發(fā)機(jī)體慢性中毒。第21頁(yè)第三節(jié) 污染物質(zhì)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(jīng)過(guò)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物質(zhì)，使其在機(jī)體內(nèi)濃度超出周圍環(huán)境中濃度現(xiàn)象。生物濃縮系數(shù)BCFcb某種元素或難降解物質(zhì)在機(jī)體中濃度；ce某種元素或難降解物質(zhì)在機(jī)體周圍環(huán)境中濃度第22頁(yè)影響生物濃縮系數(shù)BCF原因污染物性質(zhì)降解性小、脂溶性高、水溶性低物質(zhì)，BCF高；虹鱒對(duì)污染物BCF ：四氯聯(lián)苯(12400), CCl4(17.7)。生物特征生物種類、大小、性別、器官、生物發(fā)育階段等。對(duì)銅BCF ：金槍魚(yú)(100), 海綿(1400)環(huán)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(yú)對(duì)多氯聯(lián)苯BCF ：5(6103)，15 (5104)第23頁(yè)

10、第24頁(yè)水生生物對(duì)水中難降解物質(zhì)富集動(dòng)力學(xué)水生生物對(duì)水中難降解物質(zhì)富集速率，是生物對(duì)其吸收速率(Ra)、 消除速率(Re)及由生物機(jī)體質(zhì)量增加引發(fā)物質(zhì)稀釋速率(Rg)和。Ka,ke,kg水生生物吸收、消除、生長(zhǎng)速率常數(shù)；Kg=(dW/dt)/WCw,Cf水及生物體內(nèi)瞬時(shí)物質(zhì)濃度。第25頁(yè)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(shù)有一閾值。此時(shí)，水生生物富集抵達(dá)動(dòng)態(tài)平衡。生物濃縮系數(shù)常指生物富集抵達(dá)平衡時(shí)BCF值。第26頁(yè)BCF與KOW(辛醇水相間分配系數(shù))間關(guān)系對(duì)于有較高脂溶性和較低水溶性、以被動(dòng)擴(kuò)散經(jīng)過(guò)生物膜難降解有機(jī)物質(zhì)，這一過(guò)程機(jī)理可簡(jiǎn)示為該類物質(zhì)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(fā)覺(jué)log(Kow)與log(BCF)之間有良好線性關(guān)系。a,b與生物體種類相關(guān)，對(duì)虹鱒：第27頁(yè)二、生物放大(Biomagnification)生物放大是指在同一食物鏈上高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物，經(jīng)過(guò)吞食低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物蓄積某種元素或難降解物質(zhì)，使其在機(jī)體內(nèi)濃度隨營(yíng)養(yǎng)級(jí)數(shù)提升而增大現(xiàn)象。生物放大程度也用生物濃縮系數(shù)表示。生物放大結(jié)果，可使食物鏈上高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物體內(nèi)這種元素或物質(zhì)濃度超出周圍環(huán)境中濃度。第28頁(yè)第29頁(yè)第30頁(yè)三、生物積累(Bioaccumulation)生物積累是指生物在其整個(gè)代謝活躍期內(nèi)經(jīng)過(guò)吸收、吞食等各種過(guò)程，從周圍環(huán)境蓄積某種元素或難分解化合

12、物以致隨生物生長(zhǎng)發(fā)育，富集系數(shù)不停增大現(xiàn)象。牡蠣在50ug/l HgCl2溶液中對(duì)汞積累，在7d、14d、19d和42d時(shí)，富集系數(shù)分為500、700、800和1 200機(jī)體內(nèi)污染物濃度水平取決于攝取和排除兩個(gè)過(guò)程速率，當(dāng)攝取量大于排除量時(shí)，就發(fā)生生物積累，在代謝活躍期內(nèi)富集系數(shù)是不停增加。第31頁(yè)水生生物生物積累微分速率方程Cw生物生存水中某物質(zhì)濃度；Ci食物鏈i級(jí)生物中該物質(zhì)濃度；Ci-1食物鏈i-1級(jí)生物中該物質(zhì)濃度；Wi,i-1i級(jí)生物對(duì)i-1級(jí)生物攝食率；ai,i-1i級(jí)生物對(duì)i-1級(jí)生物中該物質(zhì)同化率；Kaii級(jí)生物對(duì)該物質(zhì)吸收速率常數(shù)；Keii級(jí)生物體中該物質(zhì)消除速率常數(shù)；Kgi

13、i級(jí)生物生長(zhǎng)速率常數(shù)。直接從水體中攝取，從 i-1級(jí)生物攝食消除稀釋第32頁(yè)當(dāng)生物積累到達(dá)平衡時(shí)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(shí)有生物放大作用；Cwi / Ci : 反應(yīng)在生物積累到達(dá)平衡時(shí)，生物富集和生物放大貢獻(xiàn)大小。第33頁(yè)第四節(jié) 污染物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化污染物質(zhì)在環(huán)境中三大主要轉(zhuǎn)化類型:生物轉(zhuǎn)化化學(xué)轉(zhuǎn)化光化學(xué)轉(zhuǎn)化生物轉(zhuǎn)化(代謝)物質(zhì)在生物作用下經(jīng)受化學(xué)改變稱為生物轉(zhuǎn)化。外來(lái)物質(zhì)進(jìn)入生物體后，在機(jī)體酶體系代謝作用下，轉(zhuǎn)變成水溶性高而易于排出體外化合物過(guò)程。經(jīng)過(guò)生物轉(zhuǎn)化，污染物質(zhì)毒性也隨之改變。對(duì)于污染物質(zhì)在環(huán)境中生物轉(zhuǎn)化，微生物起著關(guān)

14、鍵作用。因?yàn)樗鼈兇罅看嬖谟谧匀唤纾镛D(zhuǎn)化呈多樣性，又含有大表面體積比，繁殖非?？焖?，對(duì)環(huán)境條件適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。第34頁(yè)一、生物轉(zhuǎn)化中酶酶是一類由細(xì)胞制造和分泌、以蛋白質(zhì)為主要成份、含有催化活性生物催化劑。酶催化下發(fā)生轉(zhuǎn)化物質(zhì)稱為底物或基質(zhì)；底物所發(fā)生轉(zhuǎn)化稱為酶促反應(yīng)。酶+底物 酶-底物復(fù)合物 酶+產(chǎn)物第35頁(yè)氨基酸 (amino acid)氨基酸是蛋白質(zhì)構(gòu)件，全部蛋白質(zhì)均右20種標(biāo)準(zhǔn)氨基酸組成。第36頁(yè)蛋白質(zhì) (protein)蛋白質(zhì)是氨基酸以肽鍵(peptide bond)連接在一起線性序列。肽鍵是一個(gè)氨基酸氨基和另一個(gè)氨基酸羧基之間共價(jià)鍵。第37頁(yè)酶活性部位(active site)是結(jié)

15、合底物和將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物區(qū)域，通常是整個(gè)酶分子相當(dāng)小一部分，它是由在線性多肽鏈中可能相隔很遠(yuǎn)氨基酸殘基形成三維實(shí)體?；钚圆课煌ǔＴ诿副砻婵障痘蛄芽p處，形成促進(jìn)底物結(jié)合優(yōu)越非極性環(huán)境。在活性部位，底物與活性殘基被多重弱作用力結(jié)合(靜電、氫鍵、范德華鍵等)，在一些情況下被可逆共價(jià)鍵結(jié)合。酶鍵合底物分子，形成酶底物復(fù)合物，將它轉(zhuǎn)移為過(guò)渡態(tài)然后生成產(chǎn)物。第38頁(yè)酶催化作用特點(diǎn)催化專一性高（底物專一性）一個(gè)酶只能對(duì)一個(gè)底物或一類底物起催化作用。氨基酸殘基性質(zhì)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(zhì)水解，對(duì)淀粉無(wú)效脲酶僅催化尿素水解，對(duì)甲基尿素?zé)o效酶催化效率高。普通，酶催化

16、反應(yīng)速度比化學(xué)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(yè)酶與底物結(jié)合模型第40頁(yè)酶分類依據(jù)起催化作用場(chǎng)所分類胞外酶能經(jīng)過(guò)細(xì)胞膜，在細(xì)胞外對(duì)底物起催化作用，通常是催化底物水解；胞內(nèi)酶不能經(jīng)過(guò)細(xì)胞膜，僅能在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮各種催化作用。依據(jù)催化反應(yīng)類型分類（國(guó)際分類）酶按照組成份類第41頁(yè)酶依據(jù)催化反應(yīng)類型分類（國(guó)際分類）氧化還原酶(轉(zhuǎn)移電子)AH2+1/2O2=A+H2O轉(zhuǎn)移酶(轉(zhuǎn)移功效基團(tuán))AR+B=A+BR (R=氨基、醛基、磷酸基等)水解酶(水解反應(yīng))AB+H2O=AOH+BH裂解酶(催化底物分子一些鍵非水解性斷裂反應(yīng))AB=A+B (C-C、C-O、C-N等

17、鍵)異構(gòu)酶(催化異構(gòu)反應(yīng)，即分子內(nèi)基團(tuán)轉(zhuǎn)移)合成酶(與ATP分解耦聯(lián)，催化兩種底物結(jié)合反應(yīng))A+B+ATP=AB+ADP+Pi第42頁(yè)酶按照組成份類單成份酶(單純酶)單成份酶只含有蛋白質(zhì)，只由氨基酸組成脲酶、蛋白酶。雙成份酶(全酶，結(jié)合酶)雙成份酶除含蛋白質(zhì)外，還含有非蛋白質(zhì)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(xué)基團(tuán)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(jī)化合物或小分子復(fù)雜有機(jī)化合物。第43頁(yè) 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(yè)1 FMN(黃素單核苷酸)和FAD(黃素腺嘌呤二核苷酸)第45頁(yè)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(yīng)中含有傳遞氫原子功效。FMN+2H+2e=FMN-H2第46頁(yè) 2. NAD+(輔酶)和NADP+ +(輔酶)輔酶NAD +和DADP+是一些氧化還原酶