污染物质在生物体内的转运富集省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第五章 生物体内污染物质 运动过程及毒性第一节 物质经过生物膜方式第二节 污染物质在机体内转运第三节 污染物质生物富集、放大和积累第四节 污染物质生物转化第五节 毒作用生物机制第1页第一节 物质经过生物膜方式一、生物膜结构生物膜及其作用是围绕细胞和各种独特亚细胞（如核、线粒体、溶酶体等）区室界面起着选择性通透屏障作用，使得细胞或细胞器内环境不一样于外环境第2页生物膜基本组成膜脂质（磷脂、糖脂、胆固醇等），蛋白质，糖类第3页甘油磷脂磷酸化头部甘油骨架两条脂肪酸链第4页磷脂双分子层（脂双层）甘油磷脂为两亲分子，含有亲水性极性基团（头部）和疏水性脂肪酸链在水溶液中，两亲分子（甘油磷脂）为防止疏水部分接触水分子而定向排列，形成脂双层。在脂双层中，亲水极性基团排列于脂双层两表面，疏水脂肪酸链端伸向内侧，在双分子层中央存在一个疏水区。第5页膜蛋白质膜蛋白类型深埋或贯通脂双层内在蛋白(与膜结合紧密)附着在脂双层表面表在蛋白(周围蛋白)膜蛋白生理功效转运膜内外物质载体起催化作用酶能量转换器等。在生物膜中还间以带极性、常含有水微小孔道，称为膜孔。第6页二、物质经过生物膜方式磷脂双分子层膜通透性对水、气(O2,CO2)和不带电荷极性小分子(尿素、乙醇)含有通透性，不需要帮助能直接经过膜层。对极性大分子(葡萄糖、氨基酸)和离子(K+,Na+,Cl-,Ca2+)不通透，需要内在运转蛋白帮助。细胞膜与细胞器膜选择性通透屏障物质经过生物膜方式：溶剂(水)通透:膜孔滤过小分子转运:1被动转输（简单扩散，被动易化扩散）2主动转输 大分子转运:胞吞和胞饮第7页二、物质经过生物膜方式1膜孔滤过直径小于膜孔溶剂(水)，可借助膜两侧静水压及渗透压经膜孔滤过。第8页2被动扩散（simple diffusion）脂溶性物质从高浓度侧向低浓度侧、即顺浓度梯度扩散经过有类脂层屏障生物膜。被动扩散速率服从费克定律水、气(O2,CO2)和不带电荷极性小分子(尿素、乙醇)以被动扩散方式跨膜；被动扩散不需能量输入；被动扩散不需载体(特定内在膜蛋白)参加，因而不会出现特异性选择、竞争性抑制及饱和现象。第9页3.被动易化扩散(帮助扩散facilitated diffusion)有些物质可在高浓度侧与膜上特异性内在膜蛋白质(单向转运体蛋白)载体结合，经过生物膜，至低浓度侧解离出原物质。这一转运称为被动易化扩散。亲水性分子、葡萄糖、氨基酸以帮助扩散方式运输。它受到特异性内在膜蛋白质及其数量制约，因而展现特异性选择，类似物质竞争性抑制和饱和现象。第10页第11页 4主动转运(Active Transport)在需消耗一定代谢能量(如ATP水解)下，一些物质可在低浓度侧与膜上高浓度特异性蛋白载体结合，经过生物膜，至高浓度侧解离出原物质。这一转运称为主动转运。主动转运速度可用米氏方程描述。P为磷酸蛋白第12页三磷酸腺苷(ATP)第13页组分细胞内浓度细胞外浓度(mmol/L)(mmol/L)Na+5-15145K+1405Mg2+0.51-2Ca2+10-41-2H+pH7.2pH7.4Cl-5-15110经典哺乳类动物内外离子浓度比较第14页 5胞吞和胞饮少数物质与膜上某种蛋白质有特殊亲和力，当其与膜接触后，可改变这部分膜表面张力，引发膜外包或内陷而被包围进入膜内:固体物质这一转运称为胞吞，液态物质这一转运称为胞饮。第15页第二节 污染物质在机体内转运 污染物质在机体内运动过程包含吸收、分布、排泄和生物转化。吸收、分布、排泄统称转运排泄与生物转化又称为消除。第16页一、污染物吸收（生物摄取）吸收是污染物质从机体外，经过各种路径通透体膜进入血液过程。动物吸收污染物路径饮食污染物随食物进入消化道。消化道主要吸收部位在小肠，其次是胃。污染物质主要经过被动扩散被消化道吸收。呼吸呼吸管是吸收大气污染物主要路径。其主要吸收部位是肺泡。体表暴露皮肤吸收污染物能力普通较差。皮肤接触污染物质，常以被动扩散相继经过皮肤表皮及真皮，再滤过真皮中毛细血管壁膜进入血液。第17页 二、分布分布是指污染物质被吸收后或其代谢转化物质形成后，由血液转送至机体各组织；与组织成份结合；从组织返回血液；以及再重复等过程。在污染物质分布过程中，污染物质转运以被动扩散为主。脂溶性高污染物分布主要受组织血流速度限制，在血流丰富组织（肺，肝，肾）中分布快速。非脂溶性低污染物分布主要受膜通透性限制，在脑部分布较慢（血脑屏障）污染物与血浆蛋白处于结合与解离平衡，只有未被结合组织才能在体内组织中分布第18页三、排泄排泄是污染物质及其代谢物质向机体外转运过程。排泄器官有肾、肝胆、肠、肺、外分泌腺等，而以肾和肝胆为主。肾排泄是血液中污染物经过肾随尿而排除过程，是污染物主要排泄路径。胆汁排泄指污染物经血液到达肝脏后，以原物或其代谢物与胆汁一起分泌至十二指肠，经小肠至大肠内，再排出体外过程，是污染物质代谢物主要排泄路径。第19页四、蓄积机体长久接触某污染物质，若吸收超出排泄及其代谢转化，则会出现该污染 物质在体内逐增现象，称为生物蓄积。蓄积量是吸收、分布、代谢转化和排泄各量代数和。蓄积时，污染物质体内分布，常集中在肌体一些部位。苯，多氯联苯集中于脂肪组织F，Ba，Sr，Be等集中于骨骼组织第20页四、蓄积机体主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨骼。蓄积部位中污染物质，常同血浆中游离型污染物质保持相对稳定平衡。当污染物质从体内排出或机体不与之接触时，血浆中污染物质即降低，蓄积部位就会释放该物质，以维持上述平衡。在污染物质蓄积和毒性作用部位不相一致时，蓄积部位可成为污染物质内在二次接触源，有可能引发机体慢性中毒。第21页第三节 污染物质生物富集、放大和积累一、生物富集（生物浓缩，Bioconcentration）生物富集是指生物经过非吞食方式，从周围环境(水、土壤、大气)蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体内浓度超出周围环境中浓度现象。生物浓缩系数BCFcb某种元素或难降解物质在机体中浓度；ce某种元素或难降解物质在机体周围环境中浓度第22页影响生物浓缩系数BCF原因污染物性质降解性小、脂溶性高、水溶性低物质，BCF高；虹鳟对污染物BCF：四氯联苯(12400),CCl4(17.7)。生物特征生物种类、大小、性别、器官、生物发育阶段等。对铜BCF：金枪鱼(100),海绵(1400)环境条件包含温度、盐度、水硬度、pH值、氧含量和光照情况。翻车鱼对多氯联苯BCF：5(6103)，15 (5104)第23页第24页水生生物对水中难降解物质富集动力学水生生物对水中难降解物质富集速率，是生物对其吸收速率(Ra)、消除速率(Re)及由生物机体质量增加引发物质稀释速率(Rg)和。Ka,ke,kg水生生物吸收、消除、生长速率常数；Kg=(dW/dt)/WCw,Cf水及生物体内瞬时物质浓度。第25页污染物在水生生物中富集速率方程在一定条件下生物浓缩系数有一阈值。此时，水生生物富集抵达动态平衡。生物浓缩系数常指生物富集抵达平衡时BCF值。第26页BCF与KOW(辛醇水相间分配系数)间关系对于有较高脂溶性和较低水溶性、以被动扩散经过生物膜难降解有机物质，这一过程机理可简示为该类物质在水和生物脂肪组织两相间分配作用。人们以正辛醇作为水生生物脂肪组织代用具，发觉log(Kow)与log(BCF)之间有良好线性关系。a,b与生物体种类相关，对虹鳟：第27页二、生物放大(Biomagnification)生物放大是指在同一食物链上高营养级生物，经过吞食低营养级生物蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体内浓度随营养级数提升而增大现象。生物放大程度也用生物浓缩系数表示。生物放大结果，可使食物链上高营养级生物体内这种元素或物质浓度超出周围环境中浓度。第28页第29页第30页三、生物积累(Bioaccumulation)生物积累是指生物在其整个代谢活跃期内经过吸收、吞食等各种过程，从周围环境蓄积某种元素或难分解化合物以致随生物生长发育，富集系数不停增大现象。牡蛎在50ug/l HgCl2溶液中对汞积累，在7d、14d、19d和42d时，富集系数分为500、700、800和1 200机体内污染物浓度水平取决于摄取和排除两个过程速率，当摄取量大于排除量时，就发生生物积累，在代谢活跃期内富集系数是不停增加。第31页水生生物生物积累微分速率方程Cw生物生存水中某物质浓度；Ci食物链i级生物中该物质浓度；Ci-1食物链i-1级生物中该物质浓度；Wi,i-1i级生物对i-1级生物摄食率；ai,i-1i级生物对i-1级生物中该物质同化率；Kaii级生物对该物质吸收速率常数；Keii级生物体中该物质消除速率常数；Kgii级生物生长速率常数。直接从水体中摄取，从 i-1级生物摄食消除稀释第32页当生物积累到达平衡时dcidt=0，Cwi:表示从水中摄得浓度;Ci:从食物链传递得到浓度；Ci/Ci-1时有生物放大作用；Cwi/Ci:反应在生物积累到达平衡时，生物富集和生物放大贡献大小。第33页第四节 污染物质生物转化污染物质在环境中三大主要转化类型:生物转化化学转化光化学转化生物转化(代谢)物质在生物作用下经受化学改变称为生物转化。外来物质进入生物体后，在机体酶体系代谢作用下，转变成水溶性高而易于排出体外化合物过程。经过生物转化，污染物质毒性也随之改变。对于污染物质在环境中生物转化，微生物起着关键作用。因为它们大量存在于自然界，生物转化呈多样性，又含有大表面体积比，繁殖非常快速，对环境条件适应性强等特点。第34页一、生物转化中酶酶是一类由细胞制造和分泌、以蛋白质为主要成份、含有催化活性生物催化剂。酶催化下发生转化物质称为底物或基质；底物所发生转化称为酶促反应。酶+底物 酶-底物复合物 酶+产物第35页氨基酸(amino acid)氨基酸是蛋白质构件，全部蛋白质均右20种标准氨基酸组成。第36页蛋白质(protein)蛋白质是氨基酸以肽键(peptide bond)连接在一起线性序列。肽键是一个氨基酸氨基和另一个氨基酸羧基之间共价键。第37页酶活性部位(active site)是结合底物和将底物转化为产物区域，通常是整个酶分子相当小一部分，它是由在线性多肽链中可能相隔很远氨基酸残基形成三维实体。活性部位通常在酶表面空隙或裂缝处，形成促进底物结合优越非极性环境。在活性部位，底物与活性残基被多重弱作用力结合(静电、氢键、范德华键等)，在一些情况下被可逆共价键结合。酶键合底物分子，形成酶底物复合物，将它转移为过渡态然后生成产物。第38页酶催化作用特点催化专一性高（底物专一性）一个酶只能对一个底物或一类底物起催化作用。氨基酸残基性质和空间布局形成酶活性部位，它决定哪种分子能形成酶底物。蛋白酶仅催化蛋白质水解，对淀粉无效脲酶仅催化尿素水解，对甲基尿素无效酶催化效率高。普通，酶催化反应速度比化学催化剂高107-1013。酶催化需要温和外界条件(常温、常压、中性)。第39页酶与底物结合模型第40页酶分类依据起催化作用场所分类胞外酶能经过细胞膜，在细胞外对底物起催化作用，通常是催化底物水解；胞内酶不能经过细胞膜，仅能在细胞内发挥各种催化作用。依据催化反应类型分类（国际分类）酶按照组成份类第41页酶依据催化反应类型分类（国际分类）氧化还原酶(转移电子)AH2+1/2O2=A+H2O转移酶(转移功效基团)AR+B=A+BR (R=氨基、醛基、磷酸基等)水解酶(水解反应)AB+H2O=AOH+BH裂解酶(催化底物分子一些键非水解性断裂反应)AB=A+B (C-C、C-O、C-N等键)异构酶(催化异构反应，即分子内基团转移)合成酶(与ATP分解耦联，催化两种底物结合反应)A+B+ATP=AB+ADP+Pi第42页酶按照组成份类单成份酶(单纯酶)单成份酶只含有蛋白质，只由氨基酸组成脲酶、蛋白酶。双成份酶(全酶，结合酶)双成份酶除含蛋白质外，还含有非蛋白质部分，前者称酶蛋白，后者称辅酶；辅酶起着传递电子、原子或一些化学基团作用，酶蛋白起着决定催化专一性与高效率作用；辅酶成份是金属离子，含金属有机化合物或小分子复杂有机化合物。第43页 二、若干主要辅酶功效1 FMN(黄素单核苷酸)和FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)第44页1 FMN(黄素单核苷酸)和FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)第45页FMN或FAD氢原子传递功效FMN或FAD是一些氧化还原酶辅酶，在酶促反应中含有传递氢原子功效。FMN+2H+2e=FMN-H2第46页 2.NAD+(辅酶)和NADP+(辅酶)辅酶NAD+和DADP+是一些氧化还原酶辅酶，在酶促反应中起着传递氢作用。第47页第48页NAD+/NADP+氢原子传递功效NAD+H+2e=NADH第49页3辅酶Q(泛醌,CoQ)辅酶Q是一些氧化还原酶辅酶，在酶促反应中担任递氢任务。第50页4细胞色素酶系辅酶细胞色素酶系是催化底物氧化一类酶系，主要有细胞色素b、c1、c、a和a3等。它们酶蛋白部分各不相同，不过辅酶都是铁卟啉；在酶促反应中起着传递电子作用。cytnFe3+e=cytnFe2+第51页5辅酶A (CoASH)辅酶A是泛酸一个衍生物，是一个转移酶辅酶，所含巯基与酰基形成硫酯，而在酶促反应中起着传递酰基功效。第52页