重金属致毒的化学机理

生物分子的吸收选择性与金属离子 结构
生物配体分子在吸收金属阳离子时,赖以识别和选择的基本因素,有离子的 电荷与大小,以及由离子电子结构决定的对配位原子的亲合性
图3[3]示出的金属离子半径变化趋势曲线表明,过渡金属离 子中,半径的变化并不大。Cd2+,Hg2+,Pb2+的离子半径就 与Ca2+接近。不仅如此,一些重金属同具有生命功能的过渡 金属和钙元素相比,其络合物稳定常数 logK及溶度积Ksp的值也很接近
进入有机体的重金属元素,在与生物大分子的配位结合中,以各种方式破坏 或干扰了有机体的正常生理活动。下面的例子具体说明这一问题。
化学结构原理在金属致毒机理Hale Waihona Puke Baidu的应 用
Pb(Ⅱ)对Ca(Ⅱ)的抗拮作用
Pb(Ⅱ)对Ca(Ⅱ)的抗拮作用
生物体内的硬组织(骨胳、牙齿等)称为生物矿物。由钙参与的生物矿化是生物 体内进行的重要无机化学反应。生物体从环境中摄取的Ca2+,大部分被转化成 难溶盐。难溶盐的生成与溶解构成了钙化与脱钙的可逆过程:
生物分子配体的结构特点
生物配体分子的原子及基团之间的相互作用,较之一般无机或有机分子,在 性质与程度上都更为丰富而多变,呈现出一种多级作用的特色
生物大分子内和生物大分子间的各种相互作用有:
• 生物大分子内和生物大分子间的各种相互作用有:
①高强度、定向性的共价相互作用; ②分子内荷正电与荷负电部位的静电作用; ③具有方向性的氢键作用; ④非键原子间的色散作用; ⑤疏水键作用。
大分子中疏水的侧链将尽量避免与水分子接触而形成疏水区。疏水区周围的 水分子便排列有序而使能量升高。当分子内或分子间的2个疏水部位靠近时,一 部分有序排列的水分子被挤出,又成为无序状态,体系的熵值便会增加,自由能下 降,从而使两疏水部位的“结合”稳定化。这种结合就称为疏水键
共价键决定大分子的一级结构,其他相互作用则构成大分子的次级键。在发生 构象变化或分子变形时,这些次级键易断裂破坏,使分子运动中存在较多自由度 。在这种多级作用的基础上,生物大分子配体具有刚性与柔性相结合的特点。 刚性指成键原子间固有的键长与键角并不轻易变形,只有微小的相对振动。柔 性指局部区域非化学键作用的变化,它将导致构象改变
取代金属的配键构型对锌酶活性的 影响
作为生物体必需的微量元素,锌参与了各种酶的 组成或作为酶的激活剂。锌与生物分子配位结 合时,配位键的空间构型常取四面体型,这种指样 结构被称为锌指结构。它在锌元素的生理功能 中起着特殊的结构上的作用
碳酸酐酶和存在于哺乳动物胰脏中的羧肽酶A(CPA)都是重要的锌酶,如碳酸 酐酶、催化二氧化碳的可逆水合作用:CO2+H2O HCO-3+H+。在将血液 中的二氧化碳从肺中排出的过程中,这是必需的酶。X-射线研究表明,在碳酸 酐酶及羧肽酶A的活性中心,Zn2+与周围配体形成一种扭曲的四面体结构
作为调节细胞多种生理活动的Ca元素,在神经功能中发挥着重要作用,例如 携带感觉信息的神经传质分子(如乙酰胆碱、3-羟酪胺、去肾上腺素等)在 神经触突中的运动(图4)。神经触突是神经长链中充满水状液体的间隔。作 为一种化学开关,在神经传质分子通过触突图4 神经触突传递感觉信息示意 图
这个过程需要触突膜两侧离子浓度维持不均衡状 态(形成一种化学电势),这是由腺苷三磷酸(ATP)裂 变的能量维持的。该裂变通过ATP酶实现。作为 生物体内多种酶活化剂的钙调蛋白CaM也是ATP 酶的活化剂。但通过Ca2+吸收途径进入体内的Pb 2+,却强烈抑制ATP酶的活化,而破坏触突膜两侧正 常电势,导致神经系统的铅中毒
这样,在有机体对阳离子的吸收中,一些重金属离子 便可能通过电荷相同,电子构型相似,离子半径相近 的必需金属离子的吸收途径进入有机体内。对于 一些能迅速形成金属有机化合物的重金属,例如汞 的烷基化合物一甲基汞、二甲基汞等,由于对细胞 膜的亲合性,比二价离子更容易通过细胞膜,有机体 对这类化合物的选择性就更低。另外,生物大分子 众多配位点中的“软碱”(如S2-,-SH等),与属于“软 酸”及“中界酸”的Hg2+,Cd2+,Pb2+之间的亲合作 用,也是这些重金属元素进入有机体的重要渠道
• Ca2++CO2-3 钙化脱钙
与Ca2+电荷相同,半径相近的Pb2+有机体在吸 收时并无很高的选择性,而Pb2+较大的半径使得 它与PO3-4的匹配比其他阳离子更好(半径比效 应)。
它们形成的难溶磷酸盐导致了基本生物阴离子 水平降低,从而使有机体钙化与脱钙的可逆平衡 失控,硬组织的生理性强度便会受到影响
重金属致毒的化 学机理
主讲人：连晓辉 材料化学1班
目录
1 金属毒性与金属-生物分子配体的 特 殊结构
2 化学结构原理在金属致毒机理中的 应 用
目前人体内发现的60余种元素中,27种有确凿证据表明它们参与了生物化 学过程,称之为生命元素。另有一类危害人体健康的便是毒性元素。它们在 周期表中的位置反映出两类元素在化学结构上的区别。如图1[1]所示,大多 数必需元素居于周期表前部,除I,Mo外,全部在前面34种元素之中。有害元 素则几乎都位于周期表后部,除Be外,它们都在第5和第6周期的后段,属于重 金属元素
金属致毒机理在分子水平上的3种类型 摄入的有害金属阻碍生物大分子的重要功能; 有害金属取代生物大分子中的必需金属,使其丧失生物活性; 有害金属改变生物大分子活性部位的构象,从而改变其生物活性
从重金属致毒的角度看,由于生物大分子可以有多个不同的配位点,同一金属在 不同条件下可与不同配位点结合;当某一配位点在空间及电子构型上对几种金 属离子都相宜时,它们可以同时争夺这一配位点;多配位能力还使大分子配体易 形成螯合物及大环配合物,重金属元素的致毒性经常与这种“配位笼”在电子结 构与空间构型上的选择性联系在一起。
图2[2]为Cd(Ⅱ )-金属硫蛋白的簇状结构。金属Cd(Ⅱ)周围结构是 相对刚性的,其他无规则连接部分则是 柔性的
相对静止的基本结构使大分子在反应中有一定的模式与选择性,动态的构象变 化则可以调节分子的反应能力。这种刚柔相济、动静结合的结构特点,既赋予 金属-生物大分子配合物完成特定生理作用的能力,也带来有害金属改变正常生 理结构,导致生物体中毒的可能性