环境毒理学第二讲生物转运和转化.ppt
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1、第二章 环境化学物的 生物转运和生物转化,环境污染物,与机体接触,进入血液,分布到组织,代 谢,排 泄,化学物的吸收、分布和排泄具有类似的机理,都是反复通过生物膜的过程,统称为生物转运(biotransport)。 化学物质在组织细胞中发生的结构和性质的变化过程,称为生物转化(biotransformation)。,主要内容,第一部分:生物转运 外源化学物在体内的吸收、分布和排泄过程 第二部分: 生物转化 外源化学物在机体内经多种酶催化的代谢转化 可使污染物发生化学结构和性质的改变,转变为新的代谢产物 第三部分:代谢动力学 用数学方法研究毒物的吸收、分布、生物转化和排泄等代谢过程随时间变化的规
2、律; 研究毒物代谢的量变的经时过程,污染物在体内的吸收、分布与排泄,第一部分:生物转运,生物膜 真核细胞,质膜(细胞膜):包围在细胞外的膜,内膜:各种细胞器的膜 核膜、线粒体膜、内质网膜等,生物机体对环境化学污染物的生物转运过程,均需要通过各种生物膜屏障才能进出细胞、组织和机体。 生物膜 细胞、细胞器和其环境接界的所有膜结构的总称。,细胞器是细胞质中具有一定结构和功能的微结构,1)脂质双分子层 主要成分为磷脂,每一脂质分子的一端为头部,由磷酸和碱基组成,具亲水性,朝向膜的内外表面;另一端为尾部,由两条脂肪酸链组成,具有疏水性,朝向膜的中部脂质的,1.1生物膜的结构,2)蛋白质 分布具有不对称性
3、,有的镶嵌在膜表面,有的嵌入或横跨脂质双分子层。,细胞膜表面存在有少量 3)糖类,形成糖脂 糖和脂质结合所形成的物质的总称 4)糖蛋白 一种结合蛋白质,由短的寡糖链与蛋白质共价相连,脂质双分子层是生物膜的基本骨架,膜中脂类和蛋白质含量的变化与膜的功能有关。 镶嵌在脂质层中的蛋白质功能 物质转运的载体、接受化学物质的受体、能量转换器、具有催化作用的酶等。 生物膜功能 物质转运、能量转换、物质代谢、细胞识别及信息传递等过程中起着重要作用,1.2生物膜的功能,1.3化学物通过生物膜的方式,被动转运(passive transport) 简单扩散 滤过 特殊转运(specialized transpo
4、rt) 主动转运 易化扩散 吞噬和胞饮,(一) 被动转运 1、简单扩散 simple diffusion 生物膜两侧的化学物分子顺浓度梯度扩散,称为简单扩散。大多数环境化学物可以此方式通过生物膜。,影响因素有: (1)膜两侧化学物的浓度差 (2)脂/水分配系数:物质在脂质中的溶解度与其在水中的溶解度之比。脂/水分配系数越大越易透过生物膜。但过大也不易透过。只有脂溶性和水溶性均高的物质容易经过简单扩散的方式进入生物膜。乙醇 (3)化学物质的解离度和体液的pH:解离度越大越难以简单扩散的方式透过生物膜。体液的pH可以影响弱酸、弱碱的解离度。,2、滤过 是化学物透过生物膜上的亲水性孔道的过程。孔道由
5、嵌入脂质双分子层的蛋白质中的亲水性氨基酸组成,凡直径小于膜孔的化学物质都可随水流透过。,滤过影响因素 1)膜孔大小:一般4 nm;毛细血管和肾小球细胞膜上有较大的膜孔70 nm 2)分子量100-200的化合物可通过4nm孔,如Pb、Mn、Cd盐; 3)肾小球滤过:除蛋白质外,其余溶于血浆中的物质均可滤过,(二)特殊转运 1、主动转运 active transport 化学物伴随能量的消耗由低浓度向高浓度转运透过生物膜的过程。 主要特点: 需有载体 (蛋白) 消耗能量 载体具有选择性 载体有一定容量 共用一个载体的化学物之间可发生竞争性抑制。,每一循环消耗一个ATP,转运出三个Na+,转进两个
6、K+,2、 易化扩散 facilitated diffusion 不易溶于脂质的化学物,利用载体由高浓度向低浓度移动的过程。 特点:有载体参加;不消耗能量。,3、 吞噬和胞饮膜动转运 cytosis,吞噬作用 phagocytosis:一些固态颗粒物与细胞膜上的某种蛋白质发生作用,引起膜的外包或内凹,将异物包围进入细胞。 吞入物通常是较大的颗粒。吞噬作用只限于几种特殊的细胞类型 ,如巨噬细胞和中性粒细胞。,胞饮作用(pinocytosis)是一种非选择性的连续摄取细胞外基质中液滴的内吞过程。吞入的物质通常是液体或溶解物。,入侵机体细胞的细菌、病毒、死亡的细菌、组织碎片、偶氮色素都可通过吞噬作用
7、被细胞清除。,外来毒物以何种方式通过细胞膜,主要取决于毒物本身的化学结构,理化性质及各种组织细胞膜的结构特征。,吸收,环境化学物经各种途径透过机体的生物膜而进入血液的过程称为吸收。主要通过消化道、呼吸道和皮肤吸收,1、消化道吸收 是吸收环境化学物的主要途径。消化道的任何部位均有吸收作用,主要在小肠。,经胃肠道吸收的外源化合物主要通过下列转运方式: (1)简单扩散 是外源化学物在胃肠道吸收的主要方式。 (2)滤过 小肠粘膜细胞膜上有直径0.4nm左右的亲水性孔道,分子量100左右,直径小于亲水性孔道的小分子,可随同水分子一起滤过而被吸收。 (3)主动转运 机体需要的某些营养物质如糖类、氨基酸、核
8、酸、无机盐可由肠道通过主动转运逆浓度梯度被吸收,少数外源化学物,由于其化学结构或性质与体内所需的营养物质非常相似,也能通过主动转运进入机体。 (4)胞吞作用 偶氮色素及某些微生物毒素可通过胞吞作用进入肠粘膜上皮细胞。,影响吸收的因素: (1)消化道中的酶类和菌丛,可改变某些化学物毒性 (2)胃肠道内容物的种类和数量、排空时间、蠕动状态。 (3) 环境化学物的溶解度和分散度。分散度大,易于吸收。,2、呼吸道吸收:主要在肺。吸收最快的是气体、小颗粒气溶胶和脂/水分配系数高的物质。,吸收特点:吸收的外来化合物直接进入血液循环而分布全身,与胃肠道吸收不同。 主要方式:简单扩散,气态物质吸收的影响因素:
9、 (1)分压差和血/气分配系数主要决定因素 当肺泡膜两侧分压差达到平衡时,血液中的浓度(mg/L)与肺泡中的浓度之比为血/气分配系数。 (2)分子量和溶解度:水溶性物质分子量越大的化学物吸收的越慢。脂溶性物质吸收速度与分子量大小关系不大,取决于脂/水分配系数。 (3)肺通气量和血流量:,颗粒物的吸收主要取决于大小: 10m,沉积在上呼吸道痰 510m,沉积在气管和支气管 15m,可到达呼吸道深处,部分到达肺泡 1m,在肺泡内扩散而沉积,3、皮肤吸收 皮肤对化学物的通透性较弱,存在脂质屏障。四氯化碳、有机磷农药等可经皮肤吸收,皮肤吸收的两条途径: (1)表皮 (2)毛囊、汗腺、皮脂腺,影响因素:
10、 (1)分子量大小、脂/水分配系数及角质层厚度 (2)种属不同:可能与角质层厚度不同有关。 (3)高温:易于吸收 (4)角质层损失因子:角质层被损坏,可使环境化学物通透性增加。,四、分布与贮存 (一)分布(distribution),环境化学物被吸收进入血液和体液后,随血液和淋巴的流动分散到全身各组织的过程称为分布。,同种化学物在体内不同器官分布不同,不同化学物分布也不同,这与组织的血流量、亲和力及其他因素有关。 在分布的开始阶段,血液供应丰富的器官化学物浓度最高,随时间延长,分布取决于化学物与组织器官的亲和力。,影响分布的另一主要因素是体内屏障,1、血脑屏障(bloodbrain barri
11、er,BBB) 原因:脑部的毛细血管壁与一般的不同, 管壁由紧密联合在一起的扁平内皮细胞构成,中间不留小孔,近似于生物膜 管壁外侧被星状胶质细胞紧密包围,亲脂性物质易于通过 间液中蛋白质浓度很低,2、胎盘屏障,胎盘是由母体血液循环和胚胎胎盘之间的几层细胞构成。,大部分外来化合物透过胎盘的机理是简单扩散,而胚胎发育所必需的营养物质,则通过主动转运而进入胚胎。,(二)化学物的贮存 进入血液的环境化学物大部分积聚在特定部位。 有的化学物对其积聚部位发生毒性作用靶部位、靶器官(target organ); 有的化学物对其积聚部位不发生毒性作用贮存库(storage depot)。,主要有几种: 1、血
12、浆蛋白 外来化合物进入血液之后往往与血浆蛋白,尤其是血浆白蛋白结合,使之不易透过膜进入靶器官,也影响化学物的 排泄、转化及再分布。这种结合大多为可逆的非共价结合。,2、肝和肾 含有特殊结合蛋白,如金属硫蛋白(metallothiontin,MT),可与Zn、Cd、Hg、Pb结合。,3、脂肪 脂溶性外来化合物如有机氯农药、有机汞农药、PCB等易于贮存于脂肪组织中,并不呈现生物学活性。只有在脂肪被动用、外来化合物重新成为游离状态时,才出现生物学作用。,4、骨骼 Pb、Si、Ba可取代骨质中的Ca而蓄积在骨质中。,有毒物质在体内贮存的生理意义: 1、保护作用;2、可能成为慢性中毒的来源。,五、化学物
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