第二章 污染物对生物的影响

5'→3'外切酶活性──切除修复作用: 5'→3'外切酶活性──切除修复作用: 外切酶活性──切除修复作用 5'→3'外切酶活性就是从5'→3'方向水解DNA生长链前方的 5'→3'外切酶活性就是从5'→3'方向水解DNA生长链前方的 外切酶活性就是从5'→3'方向水解DNA DNA链 主要产生5' 脱氧核苷酸。每次能切除10个核苷酸， 5'10个核苷酸 DNA链，主要产生5'-脱氧核苷酸。每次能切除10个核苷酸，而 DNA的聚合作用能刺激5'→3'外切酶活力达10倍以上 的聚合作用能刺激5'→3'外切酶活力达10倍以上。 且DNA的聚合作用能刺激5'→3'外切酶活力达10倍以上。因此 这种酶活性在DNA损伤的修复中可能起着重要作用。 DNA损伤的修复中可能起着重要作用 ，这种酶活性在DNA损伤的修复中可能起着重要作用。
防护性
非防护性 DNA加合物的生成
一、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（底物），在酶作用下的反应称 基质（ 基质 底物） 为酶促反应 酶促反应。 酶促反应
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 酶的催化 行代谢转化，另一方面也导致体内酶活性改变 酶活性改变， 酶活性改变 影响酶的数量和活性。 • 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、增塑剂和染料中间体等， 均可对酶产生诱导作用。
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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 • 例：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。
三：污染物对组织器官的影响
三个概念： 靶器官： 靶器官：化学物质被吸收后可随血流分布到全身各个 组织器官， 组织器官，但其直接发挥毒作用的部位往往只限于一 个或几个组织器官，这样的组织器官称为靶器官。 个或几个组织器官，这样的组织器官称为靶器官。 效应器官：毒作用表现出来的器官。 效应器官：毒作用表现出来的器官。 蓄积器官：毒物在体内的蓄积部位。 蓄积器官：毒物在体内的蓄积部位。
大肠杆菌DNA聚合酶 聚合酶 大肠杆菌 这是1956年由 年由ArthurKornberg首先发现的 首先发现的DNA聚合酶，又 聚合酶， 这是 年由 首先发现的 聚合酶 称Kornber酶。 酶 5‘→3’外切酶活性位点，用以结合生长链前方的5‘-端脱氧核 外切酶活性位点，用以结合生长链前方的 端脱氧核 外切酶活性位点 苷酸并切除之； 苷酸并切除之； 3'→5'外切酶活性位点，用以结合和切除生长链上未配对的 外切酶活性位点， 外切酶活性位点 3'-端核苷酸。 端核苷酸。 端核苷酸
一种行为超过正常变化的范围。
水环境污染可影响的生物行为：
• 回避行为：水生动物，特别是游泳能力强的水生动物，能主
动避开受污染的水区，游向未受污染的清洁水区的行为。 • 捕食行为： • 警惕行为
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
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
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 若导致突变会发生损害作用
• 注1：靶器官不同于效应器官，污染物的毒作用可以通过靶器
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浓度高 于其他器官，但对蓄积器官并不一定显示毒作用。
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、花、果实等的脱落 • 对动物，以重金属污染为例：铅可损害造 血器官和神经系统，镉可损害肝脏、肾脏， 导致骨痛病。
抗氧化防御系统酶
• 超氧化物歧化酶（SOD） • 谷胱甘肽氧化酶（G P x） • 过氧化氢酶（CAT）
二、污染物对生物大分子的影响 生物大分子：是作为生物体内主要活性成分的各种 分子量达到上万或更多的有机分子。常见的生物大 分子包括蛋白质、核酸、脂质、糖类。 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 • 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。
混合功能氧化酶（MFO） 混合功能氧化酶（MFO）
混合功能氧化酶（MFO）
• 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）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，其作用
• 死亡率：死亡比例的大小，为评价污染物毒性大小的生物学
影响致死效应的主要因素：
• • • •
污染物的种类及其物理化学性质 生物的种类 作用时间、水质条件，如温度、硬度、溶解氧等 多种污染物的综合作用
二、 对行为的影响
行为毒性（Behavioral Toxicity）的概念
• 指一种污染物或其他因素（如温度、光照、辐射）使得动物
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。
4 与酶激活剂作用 • 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，也能酶形 成复合物，从而竞相和酶发生作用。
• • • •
形成DNA加合物（DNA Addcuts） 发生DNA的二次修饰 DNA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DNA突变及 其基因功能的改变
DNA加合物的形成是产生DNA损伤最早期的作用，随 后产生的最重要影响是DNA结构的改变 结构的改变，如碱基置换、 结构的改变 碱基丢失、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 物的遗传毒性的研究日益受到重视。
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。
抗氧化防御系统酶
活性氧（Activiated Oxygen）
• 带有2~3个电子的分子氧还原产物，主要有：·OH、O2、H2O2
功能：
→5’外切酶活性 3’→5 外切酶活性─校对作用:这种酶活性的主 →5 外切酶活性─校对作用: 要功能是从3 →5 方向识别和切除不配对的DNA →5’方向识别和切除不配对的DNA生长 要功能是从3’→5 方向识别和切除不配对的DNA生长 链末端的核苷酸。 →5 外切酶活性对DNA →5’外切酶活性对DNA复制真实 链末端的核苷酸。 3’→5 外切酶活性对DNA复制真实 性的维持是十分重要。 性的维持是十分重要。
第三节 污染物在个体水平上的影响
污染物对植物在个体水平上的影响：
• 主要表现为生长减慢、发育受阻、失绿黄化、早衰等
污染物对动物在个体水平上的影响：
• 主要表现为死亡、行为改变、繁殖下降、生长和发育抑制、
疾病敏感性增加、代谢率变化
一、死亡
衡量死亡的指标
指标 • 致死剂量（Lethal Dose）或致死浓度（Lethal Concentration）： 能引起动物死亡的污染物的剂量或浓度。 • 半数致死剂量（LD50）或半数致死浓度（LC50）：能引起50％ 的动物死亡的污染物的剂量或浓度。
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。
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：
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：如应激蛋白 （Stress Proteins）和金属硫蛋白 金属硫蛋白（Metallothionein）的 金属硫蛋白 产生，这些蛋白质的产生可保护生物机体抵抗污染物 的损害。
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
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(lipied peroxidation)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。
活性氧的控制和消除