《环境生物学》 第三章

• 二、对细胞的影响 • （一）对细胞膜的影响 • （二）对细胞器的影响
1、对线粒体的影响。 2、对内质网的影响
• 三、对组织器官的影响 • （一）靶－效应－蓄积和贮存 • 蓄积组织和蓄积器官是CAFs在体内的贮存
库，动物体内的储存库主要有以下几种：
• 1、血浆蛋白。2、脂肪组织。 • 3、肝和肾。4、骨骼组织。 • （二）对组织器官的影响
二、BAFs的生物学效应
• 1、病原微生物污染
• 病原微生物是指能够使人或者动物致病的 微生物。
• 2、他感作用
• 他感作用是是指一种植物（包括微生物） 通过释放某些化学物质到环境中，而对其 它种属植物（包括微生物）产生直接或间 接的有害影响。
• 1、自由基与脂质过氧化 • 2、自由基与蛋白质氧化损伤 • 3、自由基与DNA氧化损伤 • （1）对碱基的损伤。 • （2）造成DNA 链断裂。 • （3）引起DNA-蛋白质交联。
• 六、修复和修复失调机制
• 损伤的分子可通过几种途径得到修复： DNA的甲基化是可逆的，通过水解作用可 去除分子的损伤部分；插入重新合成的结 构进行修复，某些情况下，受损的分子可 以全部分解而重新合成，例如有机磷中毒 后重新生成胆碱酯酶；酶蛋白的巯基经氧 化后通过还原反应可得以修复而被重新循 环利用；等等。
（二）毒性和毒性作用
毒性（toxicity）是指毒物接触或进入机体后，引起 生物体的易感部位产生有害作用的能力，是毒物潜 在的特性。
毒性可分为急性毒性、亚慢性毒性和慢性毒性，毒 性强弱取决于CAFs的化学结构。讨论一种CAFs的 毒性时，必须考虑到它进入机体的数量（剂量或浓 度）、方式（如经口食入、经呼吸道吸入、经皮肤 或粘膜接触）和时间分布（一次或反复多次给予）， 其中最基本的因素是剂量或浓度。
DNA损伤示意图
• DNA损伤修复是生物保持遗传机构相对稳 定的重要因素，主要修复途径有：
• 1、光复活修复（photoreactivation repair ）。
• 2、切除修复（excission repair）。 • 3、错配修复（mismatch repair）。 • 4、重组修复（recombination repair）。 • 5、SOS修复（SOS repair）。
• （一）对生物机体酶的影响 • 1、对MFOs的影响 • 2、对抗氧化防御系统酶的影响 • 3、对腺三磷酶的影响 • 4、对AchE的影响 • 5、对ALAD的影响 • 6、对蛋白磷酸酶的影响
氧化－还原循环和ROS产生示意图
• （二）对生物大分子的影响
• 不同类型的DNA加合物可引起不同的生物 学效应，包括细胞毒性、诱变作用、活化 癌基因，乃至引发细胞癌变。
表 3-1 部分 CAFs 及其活性代谢产物与 DNA 的结合部位
CAFs 及其活性代谢产物
与 DNA 的结合部位
芳香族代谢产物 2-乙酰氨基芴（AAF）
N-羟基-1-萘胺 N-羟基-2-萘胺 苯并（a）芘活化代谢产物 乙烯氧化物和丙烯氧化物
β-丙内酯 氮芥和硫芥
鸟嘧啶 N7 鸟嘌呤（G）N7 和 C8
鸟嘌呤（G）06 腺嘌呤（A）N6 鸟嘌呤（G）N2、N7 和腺嘌呤（A）N6 鸟嘌呤（Fra Baidu bibliotek）N7 和腺嘌呤（A）N1 鸟嘌呤（G）N7 和腺嘌呤（A）N1 鸟嘌呤（G）N7
• （二）自由基损伤
• 自由基（free radical）造成的氧化损伤被认 为是许多CAFs毒性作用的起点。正常机体 内，自由基与其防御体系之间处于动态平 衡之中，由于种种原因，机体内自由基积 累过多而不能被防御体系消除，或者防御 体系功能不足而不能消除过多的自由基时 ，机体的功能就可能发生紊乱，受到自由 基反应的损害，导致疾病发生或中毒。
第三章 化学逆境因子的毒性 作用和生物学效应
本章重点内容
• 本章介绍了化学逆境因子的毒性作用类型， 毒性作用机制，影响毒性作用的因素，从 不同生物学水平阐述了化学逆境因子的生 物学效应，并例举几种常见化学逆境因子 的生物学效应，最后对物理逆境因子和生 物逆境因子的生物学效应作了简单的概述。
第一节 毒性作用的类型
• 一、有关毒性的几个概念 • （一）毒物
• 孔繁翔等人将毒物（toxicant）定义为：在一定条 件下，以较小剂量给予生物机体时，能与生物相 互作用，引起生物体功能或器质性损伤的化学物 质；或剂量虽微，但累积到一定的量，就能干扰 或破坏机体的正常生理功能，引起暂时或持久性 的病理变化，甚至危及生命的化学物质。
一般包括三个方面：对能量代谢的影响、 微管功能障碍、水解酶激活。
• 五、胞内共价结合和自由基损伤机制
• （一）共价结合机制
• 共价结合是重要的细胞损害机制之一，可 解释一些CAFs的中毒作用。CAFs或其具 有活性的代谢产物上具有亲电子基，可与 生物机体内核酸、蛋白质、酶、膜脂等分 子中的亲核部位或基团发生共价结合，形 成稳定的加合物（adducts），从而不可逆 地改变这些生物大分子的化学结构与生物 学功能。
• 2、环境激素分类 • 根据来源，环境激素主要分为两大类： • （1）天然雌激素和合成的激素药物。 • （2）具有雌激素活性的CAFs。
• 3、环境激素对繁殖和内分泌的影响
• 环境激素是引起两栖类、鱼类、鸟类种群 退化及灭绝的元凶，对人类生殖系统的发 育和功能的影响也尤为明显。
• 除了对繁殖有影响，环境激素还可导致内 分泌系统、神经系统和免疫系统异常。
• 四、在个体水平上的影响
• （一）对死亡的影响
• （二）对行为的影响
CAFs可影响的动物行为主要有：捕食行 为、学习行为、警惕行为、社会行为和对逆 境因子的回避行为。
水生生物捕食行为组成示意图
• （三）对繁殖的影响 • 1、环境激素定义 • CAFs可影响生物机体的繁殖能力，生物机
体繁殖受损害最终导致种群数量下降，甚 至导致物种灭绝。
• 一、靶位点结合机制
• CAFs损伤作用的靶位点通常是CAFs及其 代谢产物与生物体接触的部位，或是生物 转运和生物转化发生的部位，CAFs这种特 异性的损伤作用，主要取决于CAFs本身的 理化性质，同时也与生物体靶位点的生物 大分子结构及其功能密切相关。
• 二、生物膜损伤机制
• 生物膜的正常结构对维持机体内的生物转 运、信息传递及内环境稳定至关重要，而 CAFs在机体内的生物转运和生物转化过程 均与生物膜有关。近年来，环境毒理学发 展了一个新的分支――膜毒理学，主要研 究CAFs对生物膜的组成成分和生物物理功 能、膜上的酶或受体、信息传递和物质转 运过程的影响和损伤。
第三节 影响毒性作用的因素
• CAFs毒性作用强弱受多种因素的影响，其 中主要影响因素有CAFs的结构和理化性质、 机体自身的因素、环境因素和CAFs之间的 相互作用等。
（一）结构 • 1、碳原子数和分子量。 • 2、结构功能团。 • 3、基团电荷。 • 4、异构体。
• （二）理化性质
• CAFs的脂/水分配系数、溶解度、解离度、 分散度、挥发度等物理特性与其毒性有密 切的关系，这些主要是通过影响CAFs在生 物体内的转运行为来影响其毒性。
• 受体理论中的受体与配体结合机制有以下 几种学说：
1、占领学说。 2、“诱导契合”学说与受体变构学说。 3、速率学说。
• 四、钙稳态机制 • （一）细胞内钙稳态 • （二）CAFs引起的钙稳态失调
• 目前，在环境毒理学领域[Ca2＋]变化研究已 成为CAFs毒性机制的研究热点之一，发展 出细胞钙稳态紊乱（distribution of calcium homeostasis）学说。该学说认为，细胞钙 稳态失调引起细胞损伤的机制较为复杂，
• CAFs（毒物）引起生物机体的损害总称为 毒性作用（toxic effect）。
• 主要影响因素分四个方面：化学因素、机 体因素、CAFs与机体所处的环境条件、 CAFs的联合作用。
（三）生物有效性
在环境毒理学中，生物有效性指CAFs被生物 体利用的实际程度,与CAFs的存在形态有直接 关系。
• （四）对生长和发育的影响
对生长和发育的影响通常可通过反映生物机 体能量的获取、利用和代谢的综合指标来表 示，生长指示器(scope for growth，SFG)， SFG可以用下列公式表示：
• SFG =A－(R+U) • 式中：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
• 根据目前的研究，环境激素可能通过以下 几条途径影响内分泌：
• （1）直接进入细胞内。 • （2）与激素受体作用。 • （3）阻碍天然激素合成的能力。 • （4）调节细胞膜上的离子通道。 • （5）影响内分泌系统与其他系统的调控作
用。
• （6）自由基学说。 • （7）肝酶系统的影响。 • （8）环境激素之间的协同作用。
二、毒性作用的类型
（一）速发毒作用与迟发毒作用 （二）局部毒作用与全身毒作用 （三）可逆毒作用与不可逆毒作用 （四）变态反应 （五）高敏感性反应与高耐受性反应 （六）特异体质反应 （七）功能作用和形态作用
第二节 化学逆境因子毒性 作用的机制
• CAFs毒性作用的机制可概括为以下内容： 靶位点结合机制、生物膜损伤机制、受体 结合机制、钙稳态机制、胞内共价结合和 自由基损伤机制、修复和修复失调机制。
• 三、受体结合机制
• 受体（receptor）是存在于细胞膜、细胞浆 或细胞核中的大分子化合物（例如蛋白质 、核酸、脂质等），能与特异性物质（递 质、激素、内源性活性物质、药物等外源 性化合物）结合并产生效应，与受体结合 的特异性物质称为配体（ligand），受体上 与配体相结合的活性基团，称为受点或位 点。
• 二、机体状况 • 种属因素 • 遗传因素 • 年龄和性别因素 • 营养状况 • 机体昼夜节律
• 三、环境因素 • （一）接触条件 • （二）溶剂和助溶剂 • （三）温度和湿度 • （四）气象因素 • （五）化学因素
• 1、复合污染 • （1）重金属－重金属复合污染。 • （2）重金属－有机物复合污染。 • （3）有机物－有机物复合污染。 • （4）OCPs－病原微生物复合污染。
表 3-2 生物对 CAFs 的防护性和非防护性生化反应
作用类型
例子
后果
防护性 混合功能氧化酶的诱导 加快新陈代谢，生成水溶性代
谢物，从而加速排泄
金属硫蛋白的生成
增加对金属的束缚速度，从而
降低金属的生物利用率
非防护性 乙酰胆碱酯酶的抑制作用 DNA 加合物的生成
50%以上因抑制而产生可见 的毒性效应 若导致突变会发生损害作用
毒物的分类方法有多种，按其化学性质，可分
为挥发性毒物、非挥发性毒物或金属性毒物、阴离 子型毒物等等，按其用途及分布范围，可分为工业 毒物、农用化合物、化妆品及其它日用品中的有害 成分、生物毒素、食品中的有害成分、医用药物、 军事毒物、放射性同位素等。在环境毒理学研究中， 因为主要研究CAFs对生物的毒性作用，常常将被研 究的CAFs称为“毒物”。
• 五、对种群和群落水平的影响
• （一）对种群的影响
• （二）对生物群落的影响
• CAFs可导致群落组成和结构的改变，包括 优势种、生物量、丰度、种的多样性等变 化。
第五节 非化学性人为逆境因子的生物学效应 一、 PAFs的生物学效应 • 1、对眼睛的影响。 • 2、对睾丸、雌性生殖系统的影响。 • 3、对神经系统的影响。 • 4、对心血管的影响 • 5、对内分泌及代谢的影响。 • 6、对消化系统的影响。 • 7、致畸、致突变、致癌作用。
• 2、联合作用类型 • （1）协同作用。 • （2）相加作用。 • （3）独立作用。 • （4）拮抗作用。
第四节：化学逆境因子的 生物学效应
• 一、在生物化学和分子水平上的影响
• CAFs进入机体后，首先将导致机体一系列的生物 化学变化，这些变化从广义上说可分为两种：一 种是用来保护生物体抵抗CAFs的伤害，称之为防 护性生化反应(protective biochemical reaction） ；另一种不起保护作用，称之为非防护性生化反 应(non-protective biochemical reaction）