环境生物学 第二章

其作用是代谢非极性的亲脂性有机化合物，包括内源 性化合物和外源性化合物。 • 从解毒作用来看，许多外源性化合物进入体内，经MFO 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。但有的则变成高毒甚至致癌物。
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抗氧化防御系统酶
活性氧（ 活性氧（Activated Oxygen） ）
• 带有2~3个电子的分子氧还原产物，主要有：·OH、O2-、H2O2
活性氧的控制和消除
• 由体内产生的活性氧可为抗氧化防御系统控制，消除活性氧
对机体的伤害作用。 • 某些污染物如多环芳烃、多氯联苯在生物体内进行生物转化 时产生大量活性氧。在一定范围内，这些活性氧可被体内的 抗氧化防御系统清除，但当体内的抗氧化防御系统不能消除 这些活性氧时，它们可使DNA链断裂、脂质过氧化、酶蛋白 链断裂、 链断裂 脂质过氧化、 失活等，从而引起机体氧化应激或氧毒性 氧化应激或氧毒性。 失活 氧化应激或氧毒性
导致蛋白质化学损伤：细胞膜结构及通透性改变； 导致蛋白质化学损伤：细胞膜结构及通透性改变；影 响酶的催化功能等 诱导生物机体内一些功能蛋白的产生： 诱导生物机体内一些功能蛋白的产生：如应激蛋白 （Stress Proteins）和金属硫蛋白（Metallothionein） ）和金属硫蛋白（ ） 的产生，这些蛋白质的产生可保护生物机体抵抗污染 的产生， 物的损害。 物的损害。
与生物大分子共价结合
• 共价结合可改变生物大分子的结构和功能，引起一系列生物
学改变，特别是与酶蛋白、脂肪、核酸等重要生物大分子共 价结合，能改变其化学结构，影响其生理功能，甚至导致变 性和细胞死亡。
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例：污染物对蛋白质的影响
污染物对蛋白质的影响主要表现在以下方面： 污染物对蛋白质的影响主要表现在以下方面：
• 受体（receptor）是许多组织细胞膜上的大分子成分，配体
（ligand）是生物体内的一些具有生物活性的化学物。正常情 况下，受体与配体结合形成受体－配体复合物，产生一定的 生物学效应。
生物膜损伤
• 不少环境化学物通过改变膜脂流动性，影响膜的通透性和镶
嵌蛋白质的活性，改变其结构和稳定性，从而产生生物效应
污染物对生物体内酶的影响
1 污染物对酶辅助因子的影响
• 一些污染物能与酶的辅助因子——金属离子作用，从而使辅助
因子失活，影响到酶的活性。 • 例如：氰化物等能与细胞色素酶中的铁离子结合，形成稳定络 合物，而抑制细胞色素的酶活性，使其不能传递电子，则细胞 内的氧化代谢过程中断，使机体不能利用氧，出现内窒息性缺 氧。
• MFO是污染物在体内进行生物转化相I过程中的关键酶
系，它们对人工化学品解毒发挥了重要作用。 • MFO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，即具有多种催化功能。
混合功能氧化酶（MFO） 混合功能氧化酶（MFO）的作用
• MFO存在于所有的脊椎动物和大部分的无脊椎动物中，
2 对酶活性中心的影响
• 污染物还能和酶的其它活性基团结合，如汞和砷与某些酶的活
性基团结合就很牢固，从而使酶失去活性。
3 破坏酶的结构
• 有些污染物能够取代酶分子中的某些成分，从而使酶失去活性。
如铍的毒作用机理就是能取代某些酶分子中的镁和锰，破坏了 酶的正常结构，使酶失去活性。
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4 与酶激活剂作用
第二章 污染物对生物的影响
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生物系统的各级生物学水平：
生物分子 细胞器 细胞 组织 器官 器官系统 个体 种群 群落 生态系统
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本章将讨论以下内容：
污染物在生物化学和分子水平上的影响 污染物在细胞和器官水平上的影响 污染物在个体水平上的影响 污染物在种群和群落水平上的影响 化学污染物对生物的联合作用
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污染物对DNA的影响 污染物对DNA的影响
外源性化合物及其代谢产物能引起DNA损伤，它们与 损伤， 外源性化合物及其代谢产物能引起 损伤 DNA的相互作用过程有以下四个阶段： 的相互作用过程有以下四个阶段： 的相互作用过程有以下四个阶段
• 形成 形成DNA加合物（DNA Addcuts） 加合物（ 加合物 ） • 发生 发生DNA的二次修饰 的二次修饰 • DNA结构的破坏被固定 结构的破坏被固定 • 当细胞分裂时，外源性化合物造成的危害可导致 当细胞分裂时，外源性化合物造成的危害可导致DNA突变及其 突变及其
干扰细胞内钙稳态
• 正常情况下细胞内的钙浓度较低（10－7～10－8 mol/L），细胞
外浓度较高（103 mol/L ）。各种细胞毒物，如硝基酚、过氧 化物、汞、铅等重金属离子均能干扰细胞内钙稳态，引起细 胞损伤和死亡。
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干扰细胞能量的合成
• 一些环境污染物可干扰糖类的氧化，使细胞不能合成能被生
代谢场所。 代谢场所。 • 糙面内质网：通过附着或解离核糖体控制蛋白质的合成 糙面内质网： • 例：多种化学致癌物如黄曲霉毒素能引起核糖体脱落， 多种化学致癌物如黄曲霉毒素能引起核糖体脱落， 导致蛋白质合成控制的改变。 导致蛋白质合成控制的改变。
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2.2.3 污染物对组织器官的影响
三个概念：靶器官、 三个概念：靶器官、效应器官和蓄积器官
• 有些酶需要激活剂才能表现活性。酶激活剂往往是金属离子，
凡是能与激活剂作用的污染物都能抑制酶的活性。
5 污染物与基质竞争同种酶而抑制酶的作用
• 污染物与底物有相似的结构，也能与酶形成复合物，从而竞相
和酶发生作用。
酶的抑制 • 不可逆性抑制 • 非竞争性抑制 • 竞争性抑制
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混合功能氧化酶（MFO） 混合功能氧化酶（MFO） 混合功能氧化酶（MFO） 混合功能氧化酶（MFO）
酶和污染物的相互作用
• 污染物进入机体后，一方面在酶的催化 酶的催化下，进行代谢转 酶的催化
化，另一方面也导致体内酶活性改变 酶活性改变，影响酶的数量和 酶活性改变 活性。 • 另外有些环境污染物对酶有诱导作用。目前已发现多种 环境污染物能诱导生物体内一些酶的活性增加，例如： 有机氯农药、多氯联苯、多环芳烃、表面活性剂、增塑 6 剂和染料中间体等，均可对酶产生诱导作用。
抗氧化防御系统酶
• 超氧化物歧化酶（SOD） 超氧化物歧化酶（ ） • 谷胱甘肽氧化酶（GPx） 谷胱甘肽氧化酶（ ） • 过氧化氢酶（Ct） 过氧化氢酶（ ）
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2.1.2 污染物对生物大分子的影响
污染物对生物大分子的影响主要表现在以下方面： 干扰正常的受体——配体的相互作用 干扰正常的受体 配体的相互作用
对组织器官的影响
• 对植物，表现为叶面出现点、片伤害斑，造成叶、蕾、 对植物，表现为叶面出现点、片伤害斑，造成叶、
2010届淮阴师范学院优秀本科毕业论文 届淮阴师范学院优秀本科毕业论文
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2.2.2 对细胞器的影响
线粒体
• 线粒体是细胞供能的场所。 线粒体是细胞供能的场所。 • 污染物可引起其结构改变，从而影响线粒体的氧化磷酸 污染物可引起其结构改变，
化和电子传递功能
光面内质网和糙面内质网
• 光面内质网和糙面内质网是进行激素和外源性化合物的
基因功能的改变
DNA加合物的形成是产生 加合物的形成是产生DNA损伤最早期的作用，随后 损伤最早期的作用， 加合物的形成是产生 损伤最早期的作用 产生的最重要影响是DNA结构的改变，如碱基置换、碱 结构的改变， 产生的最重要影响是 结构的改变 如碱基置换、 基丢失、链断裂等。 基丢失、链断裂等。 DNA加合物作为一项生物指标来评价环境中化学污染物 加合物作为一项生物指标来评价环境中化学污染物 的遗传毒性的研究日益受到重视。 的遗传毒性的研究日益受到重视。
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同一浓度处理水平下，单一重金属污染对浮萍丙二醛含量影 同一浓度处理水平下，单一重金属污染对浮萍丙二醛含量影 丙二醛 响的大小依次为Cd > Zn > As。与单一污染相比，复合污染 响的大小依次为 。与单一污染相比， 对浮萍丙二醛的生态毒性效应情况则较复杂， 对浮萍丙二醛的生态毒性效应情况则较复杂，As + Cd对浮 对浮 萍丙二醛含量的影响是因为两者呈现拮抗作用的结果， 萍丙二醛含量的影响是因为两者呈现拮抗作用的结果，对浮 萍细胞膜增透作用较弱。而其他3种复合污染在低浓度时对 萍细胞膜增透作用较弱。而其他 种复合污染在低浓度时对 浮萍丙二醛含量影响较大，在高浓度时影响作用下降。 浮萍丙二醛含量影响较大，在高浓度时影响作用下降。 同一浓度处理水平下， 同一浓度处理水平下，单一重金属污染对浮萍的生态毒性效 应表现在对叶绿素的损伤程度为Cd > Zn > As，与单一污染 叶绿素的损伤程度为 应表现在对叶绿素的损伤程度为 ， 相比， 复合污染对浮萍毒性增强， 相比，As + Cd和Zn + Cd复合污染对浮萍毒性增强，表现为 和 复合污染对浮萍毒性增强 协同作用，加强了对浮萍叶细胞的伤害； 协同作用，加强了对浮萍叶细胞的伤害；而As + Zn和As + 和 Zn + Cd复合污染对浮萍的联合毒性作用趋向于毒性减少的 复合污染对浮萍的联合毒性作用趋向于毒性减少的 拮抗作用。 拮抗作用。
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2.1 污染物在生物化学和 分子水平上的影响
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污染物进入机体后导致的生物化学变化包括： 污染物进入机体后导致的生物化学变化包括：防护性生 化反应和非防护性生化反应。 化反应和非防护性生化反应。 表2－1 对污染物的防护性和非防护性生化反应
作用类型 例子 混合功能氧化酶的 诱导 金属硫蛋白的生成 乙酰胆碱酯酶的抑 制作用 非防护性 DNA加合物的生成 若导致突变会发生损害作用
物利用的ATP，ATP使细胞生命活动得不到充足的能量供给
脂质过氧化(lipid peroxidation)与自由基 脂质过氧化 与自由基
• 脂质过氧化是细胞损伤的一种特殊方式,是由于产生了自由基
而引起的,正常情况下,生物体内氧化、还原和酶促反应过程中， 均可产生少量自由基，一般可被体内存在的抗氧化物质（如 维生素C、维生素E）所对抗，对生物危害不大。当大量污染 物（自由基）进入机体，造成机体抗氧化作用失衡，即可发 生脂质过氧化，对生物体造成危害。
• 注1：靶器官不同于效应器官，污染物的毒作用可以通 ：靶器官不同于效应器官，
过靶器官表现处来，也可由另外的效应器官表现出来。 过靶器官表现处来，也可由另外的效应器官表现出来。 • 注2：靶器官不同于蓄积器官，污染物在蓄积器官内的 ：靶器官不同于蓄积器官， 浓度高于其他器官， 浓度高于其他器官，但对蓄积器官并不一定显示毒作 用。
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2.2 污染物在细胞和器官水平上的影响
2.2.1 对细胞膜的影响 对细胞膜的影响主要表现在以下方面：
• 污染物引起的脂质过氧化作用导致的损伤 • 污染物可影响膜的离子通透性 • 污染物与膜上的受体结合，干扰正常的生理功能 污染物与膜上的受体结合，
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镉-锌-砷单一及复合污染对浮萍的毒性效应
06(4) 王璐、唐艳楠 王璐、
在逆境胁迫下， 在逆境胁迫下，植物体内产 生大量活性氧自由基。 生大量活性氧自由基。活性 氧很容易使植物细胞内膜发 生过氧化作用或脱脂作用， 生过氧化作用或脱脂作用， 丙二醛则是细胞内膜脂过 而丙二醛则是细胞内膜脂过 氧化或脱脂的产物， 氧化或脱脂的产物，会严重 地损伤细胞的生物膜， 地损伤细胞的生物膜，降低 膜中不饱和脂肪酸的含量， 膜中不饱和脂肪酸的含量， 使膜的流动性降低， 使膜的流动性降低，作为间 接衡量植物体内氧化损伤程 度的指标。 度的指标。
• 注：金属硫蛋白对二价金属离子具有极高的亲和力，在细胞 金属硫蛋白对二价金属离子具有极高的亲和力，
内起贮存必需的微量金属如Zn、 和结合有毒金属如 和结合有毒金属如Cd、 内起贮存必需的微量金属如 、Cu和结合有毒金属如 、 Hg的作用，它与必需金属的结合起调节这些金属在细胞内浓 的作用， 的作用 度的作用， 度的作用，而与有毒金属结合则可以保护细胞免受金属毒性 影响。 影响。
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后果 加快新陈代谢，生成水溶性 代谢物，从而加速排泄 增加对金属的束缚速度，从 而降低金属的生物利用率 50％以上因抑制而产生可见 的毒性效应
防护性
2.1.1 污染物对生物机体酶的影响 什么是酶（ enzyme ）？
• 酶是一种特殊的蛋白质，在生物体内对代谢活动起催化
作用，本身不发生变化。受酶作用的物质称为基质（底 基质（ 基质 酶促反应。 物），在酶作用下的反应称为酶促反应 酶促反应