第二章 污染物对生物的影响

1. 混合功能氧化酶 (MFO)
（1）混合功能氧化酶是污染物在体内进行生物转化相 I 过程中的关键酶系。它们对人工合成化学品解毒发挥了 重要的作用。
（2）存在于大多数组织的细胞内质网上。
（3）混合功能氧化酶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 , 即具多种催化功能。
（4）具有明显的物种差异性和多样性。
2 污染物可影响细胞膜的离子通透性。 如拟除虫菊酯杀虫剂和DDT均可作用于细胞膜的Na+ 通道，干扰Na+通过细胞膜，影响神经传导。 3 污染物与细胞膜上的受体结合，干扰了受体正常的 生理功能。
（二）对细胞器的影响
1 线粒体
污染物不仅可以引起细胞线粒体膜和嵴的形态结构地改变 , 而且可以影响线粒体的氧化磷酸化和电子传递功能。
( 一 ) 酶活性的诱导
至今发现有许多不同化学结构的 化合物 , 能诱导混 合功能氧化酶和其他酶。这些化合物包括药物、杀 虫剂、多环 芳烃和许多其他化合物 , 其中大量是存 在环境中的污染化合物。这些能诱导酶 的化合物 大都属有机亲脂性化合物 , 并且在较长的生物半衰 期。其诱导作用是增加酶的合成速度 , 或可能降低 酶蛋白的分解。
第三节 污染物在个体水平上的影晌
一、 死亡 1不同污染物可引起同一种动物死亡率各不相
同，同一种污染物也可导致不同动物不同得死 亡率。 2许多因素能影响污染物对动物的致死效应。 污染物的种类及其物理化学性质、生物种类、 污染物作用的时间、水质条件和多种污染物的 综合作用。 3不同生物种类及其生理状态、年龄、发育阶 段等也影响污染物的致病作用。 二、对行为的影响 （一）对水生生物行为的影响
2 对DNA影响
DNA受损各种修复酶增加并被活化。如不能被修 复，则产生DNA结构和功能影响，细胞突变。
外源性化合物及其活性代谢产物与DNA作用产生突变的顺序。 1 形成DNA加合物。 2 DNA的二次修饰。如链断裂。 3 DNA结构的破坏被固定。细胞功能改变，姊妹染色体交
换。
4 细胞分裂时，外源性化合物造成的危害可导致DNA突变 及其基因功能改变。
1 对蛋白质影响
（1）蛋白质中的许多活性基团易与污染物及其活性 代谢产物发生反应，导致蛋白质化学损伤，对细胞 膜和亚细胞的损伤作用，最终可导致细胞死亡和组 织坏死。
（2）污染物还可诱导生物机体内一些功能蛋白产生， 如应激蛋白和金属硫蛋白。是防护性生化反应。
如金属硫蛋白对二价金属离子具有极高的亲和力， 与微量金属Zn等结合调节其细胞内浓度，而与有毒 金属如Cd、Hg的作用，可以保护细胞免受金属毒性 影响。并可被重金属诱导。
4. 蛋白磷酸酶
蛋白磷酸酶 （Protein Phosphatase）广泛存在于细胞中， 对任何一种蛋白质进行脱磷酸化作用。人们研究发现微囊 藻毒素对蛋白磷酸酶的 抑制作用很强，是迄今最强的蛋白 磷酸酶抑制剂。
二、对生物大分子的影响
污染物及其活性代谢产物可直接与生物大分子反 应，共价结合，如蛋白质、核酸、脂肪酸等，导致生 物大分子的化学性损伤，从而影响生物大分子的功能， 引起一系列生物学反应，产生毒性效应。
在污染物及其活性代谢产物与生物大分子结合中， 最典型的方式是污染物及其活性代谢产物作为生物合 成的原料，掺入生物大分子，导致生物大分子组成的 功能性异常。
如给动物大剂量的D-半乳糖胺，D-半乳糖胺代谢物 掺入糖蛋白及糖脂，产生细胞膜损害，最终发生动物 肝损害。
污染物及其活性代谢物还可抑制生物大分子的合 成。例如蛋白质合成抑制、DNA合成抑制。
（5）许多外源性化合物进入体内, 经混合功能氧化酶作用 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。然而有些则变成高毒甚至变成致癌物。
（6）可以利用混合功能氧化酶诱导反应作为分子水平上敏 感性的生物指标，来监测污染物对生态系统的早期影响。
2抗氧化防御系统酶
在长期进化中 , 需氧生物发展防御过氧化损害的系统 (Antioxidant Defense) 其组成包括 : 水溶性组分如谷 胱甘肽 (GSH) 、维生素C；脂溶性组分 , 如维生素E、 胡萝卜素 。
DNA中碱基最易受到攻击。 亲电性化合物主要攻击鸟嘌呤的N7和C8等。 亲核化合物主要攻击胞嘧啶等。
自由基等主要攻击腺嘌呤等。
DNA的修复途径：
（1）光复活修复：
最简单、最特异性的酶催化修复过程。可见光提供能 量，光复活酶与嘧啶二聚体结合，催化解聚，使DNA恢复 原来状态，酶释放。
（2）切除修复：
导致细胞膜通透性变化等。
如O3、NO2、Cd等。
第二节 污染物在细胞和器官水平上的影响
一、对细胞的影响 ( 一 ) 对细胞膜的影响
1 污染物引起的膜脂过氧化作用导致细胞膜的损伤。 例如 , 大气污染物 S02 经气孔进入叶组织后溶于 浸润细胞壁的水分中, 产生SO32-或HSO3-,后被细 胞的氧过化氧成 化S，O伤42害-,这了一膜过系程统产。生了自由基，引起脂膜
（一）靶器官
1概念：污染物进入机体后 , 对各器官并不产生同样的毒作用，而 只对部分器官产生直接毒作用，这些器官称为靶器官 (Target Organ)。 例如 , 放射性碘积累在哺乳动物的甲状腺中, 可能引起 甲状腺癌。
2 靶器官不一定是效应器官
污染物的毒作用不直接由靶器官表现出来，而由另一个效应器 官表现出来。如有机磷农药的靶器官是神经系统,而效应器官则是 瞳孔、唾液腺和横纹肌等。
应用 RNA 和 DNA 代谢抑制剂 , 发现诱 导作用发 生在转录水平上 , 并不需要新的 DNA 合成，有人 认为 , 外源性化合物 诱导酶蛋白合成 , 主要是操纵 基因去阻遏作用 (Depression)。外源性化合物与 阻 遏物形成复合物 , 使阻遏作用失效 , 故操纵基因 不受阻遏 , 结构基因指导酶蛋白 合成增加 。
C 竞争性抑制
特点是当底物浓度增加时 , 抑制作用减弱。竞争性抑制 作用的强弱取决于抑制剂的浓度与底物浓度的相对比 例。这是因为竞争性抑制剂与酶的正常底物在化学结 构上相似、 与酶活性中心结合部位相同 , 但竞争性抑 制 不被酶代 谢。 如5－氟尿嘧啶。
D 除上述抑制以外 , 有些污染物是通过生成中间代谢产物抑 制酶活性 , 造成生物化学损害。例如 , 有机氟代烷的毒性 。
3 靶器官也不同于蓄积器官
蓄积器官是污染物毒物在体内的蓄积部位。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。如DDT等 有机氯农药的靶器宫虽是中枢神经系统和肝脏 , 但这类农药主要 蓄积在脂肪组织中。
4 靶器官可以是接触、吸收毒物的器官，也可以是远离接触、吸 收部位的器官。如大气污染物中的铅经肺吸收后 , 却主要作用 于神经系统和造血器官。
( 二 ) 酶的抑制作用
酶活性的抑制可分为不可逆性抑制、非 竞争性抑制和竞争性抑制。
A 不可逆性抑制
是由于污染物与酶蛋白的活性中心功能 基因不可逆性结合而引起的。如铅、汞 等重金属与酶活性中心上的半胱氨酸残 基的巯基结合，抑制酶的活性。
B 非竞争性抑制
是一种可逆性抑制 , 污染物与酶分子的结合位置不是 底物的结合位置 , 因此增加底物浓度 , 不能使抑制 作用逆转。非竞争性抑制剂能与游离的酶结合 , 也可 能与酶一底物复合物结合。最常见的非竞争性抑制是 某些污染物与酶分子中半胱氨酸残基的巯基可逆性结 合 , 引起酶构型改变 , 使酶活性受到可逆性但非竞 争性抑制。
▪3. 谷胱甘肽转移酶 (GSTs)
▪谷胱甘肽转移酶 (Glutathione Transferases， GST) 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。该酶的生理作用是与不同 的亲电性化合物或一些相Ⅰ代谢产物结合 , 产生 水溶性化合物 , 易于排出体外 , 因此起到脱毒 作用。肝是脊椎动物中 GSTs的主要场所。
先复制，在损伤处留下缺口，重组时，缺口与未损伤 姐妹链相对，以姐妹链为模板并修复连接。
<2> 分支移动修复
当DNA复制到损伤处时，新合成的子链移动，原已解 螺旋的亲链重新缠绕，以正常子链为模板合成，再解螺旋， 子链移回，继续半保留复制。
3 脂质的过氧化
细胞和亚细胞膜系统磷脂富含多烯脂肪酸侧链，很容 易因污染物在细胞内形成的自由基作用下脂质过氧化。
（2）谷胱甘肽过氧化酶：是以H2O2为底物，催化形成H20， 消除H2O2。它也能催化有机过氧化氢物还原成相应的醇。 根据植物体谷脱甘肽过氧化酶活性的变化可绘制大气污染 图谱。
▪(3)过氧化氢酶（Ct）
▪过氧化氢酶仅能分解H2O2。
▪鱼类暴露于漂白纸浆废水后，过氧化氢酶升高2 －7倍。水生生物暴露于受多环芳烃(PAH)污染的 底泥后，过氧化氢酶也升高。
切除DNA的损伤部位，再重新合成，恢复DNA顺序。
<1> 内切，5‘端切开DNA链。
<2> 外切。外切核酸酶切除损伤的核苷酸及邻近的核酸。
<3>修补DNA聚合酶催化，以互补链为模板。
<4> 3’-OH和5’磷酸连接成二酯键，DNA恢复原来状态。 DNA连接酶催化。
（3）复制后修复
<1> 复制后重组修复
E 还有些污染物可消耗辅酶或抑制辅酶的合成 , 导致酶活性 抑制 , 如铅可使体内烟酸量下降 。
F 此外有些金属 离子是酶的辅基或激活剂 , 污染物与这些金 属离子结合 , 抑制相应的酶。
举例说明污染物对酶的抑制作用：
1腺三磷酶（ATPase）
是生物体重要酶，存在于所有的细胞中。在细胞供能活动、 离子平衡等过程中起重要作用 。ATPase 抑制已作为 –项评 价污染应为的指标。
2光面内质网和糙面内质网
某些污染物经代谢活化产生自由基,可导致光面内质网结构 和微粒体膜的一些重要组分如混合功能氧化酶的破坏。
多种化学致癌物如黄曲霉毒素等 , 能引起糙面内质网上附 着核糖体脱落, 导致蛋白质合成控制Biblioteka Baidu改变。
3污染物还可影响微管、微丝、高尔基体、溶酶体等其他细 胞器。
二、对组织器官的影响
但当体内抗氧化防御系统不能消除活性氧时 , 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 (Oxidative Stress) 或氧毒性。
(1）超氧化物歧化酶 (SOD):在抗氧化防御系统中起重要 的作用 。超氧化物歧化酶存在于多种需氧生物中 , 有三 种典型的同工酶 , 并具不同的金属中心 。
2 乙酰胆碱酯酶 （AchE）
乙酰胆碱酯酶 （AchE）在神经系统的信号传导中起重要作 用。有机磷农药和氨基甲酸酯农药对高等和低等动物的 AchE具有明显的抑制作用。
3.δ一氨基己酰丙酸脱氢酶 (ALAD)
存在于许多组织的细胞质中 , 其生理作用在合成血红蛋白 中起重要作用。 目前把 ALAD 作为一个敏感的指标 , 应 用于监测和理评价铅污染对生态系统的影响。
一般来说 , 水生生物对污染物 的回避阀值低于污染物对水生 生物的致死浓度，但有例外。
水生生物的回避能力在实验室和野外也存在差异性 。如在 受铜、 锌污染的 -条加拿大河流中 , 野外现场观测的阀值 为实验室阀值的 18 倍。
第二章 污染物对生物的影响
第一节 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 , 首先将导致机体一 系列的生物化学变化。这些变化广义上 说可分为两种 :一种是用来保护生物体抵 抗污染物的伤害 , 称之为防护性生化反 应 ; 另一种不起保护作用 , 称之为非防护 性生化反应 。
一、对生物机体酶的影响
1. 回避行为
目前已知能对污染物产生回避反应的水生动物主要是各种鱼、 虾、蟹 , 此外 , 水生昆虫也 有一定的回避能力 。
不同的水生动物对同 种污染物的回避能力差异很大 。如 杂 色鳟对 DDT 有较强的回避能力 , 阀值为 0.005mg/L; 食蚊鱼 次之 , 阀值为 0.1mg/L; 草虾 完全不回避。
（二）对组织器官的影响
1氟化氢污染时植物吸收的 F－随蒸腾流转移到叶尖和叶缘, 在 那里积累至一定浓度后就会使组织坏死,出现叶片脱落。
2 对动物组织器官影响复杂。以重金属污染为例 铅 (Pb)可损 害动物造血器官骨髓和神经系统。对造血器官的损害是通过干扰 血红素合成 , 引也贫血。对神经系统制损害是引起末梢神经炎 , 出现运动和感觉障碍。