环境毒理学 第一章 环境毒理学概述 一、毒理学(Toxicology) 毒理学：是研究物理、化学和生物因素，特别是化学因素对生物机体的损害作用及其机理的科学。 环境毒理学:研究环境污染物，特别是化学污染物对生物有机体，尤其是对人体的损害作用及其机理的科学。 由于环境污染物对人类之外其他生物种类包括动物、植物和微生物等的损害作用更加严重。环境毒理学研究已扩展到环境污染物对各种生物机体及其种群的损害作用规律及防治措施的范围。 环境生态毒理学：应用毒理学的观点和方法，从环境生态学角度研究环境污染物对生态系统及其组成种群的影响规律的一门科学。 环境生态毒理学是应用毒理学的观点和方法，从环境生态学角度研究环境污染物对生态系统及其组成种群影响规律的一门科学。是环境毒理学的一部分，也是环境生态学的分支学科。 环境生态毒理学主要研究对象不是生物个体的变化，而是生物群体的改变；不仅研究环境化学物对某一种群的损害，而且研究环境化学物对生态系统的影响。 毒物：进入生物机体的外源性物质，累积到一定程度后，可以达到干扰机体生理平衡，导致其组织、器官或生理过程受到不良影响的程度。 外源性化学物(Xenobiotics): 是一类“外来生物活性物质”，又可称为外来化学物，以区别于机体内代谢过程中形成的产物和中间产物——内源化学物。超过800万种，常用65725种。工、商业应用；化妆品；食品添加剂；农药；药品等。 环境化学污染物通常简称为环境化学物,是由于人类的生产活动和生活活动人为地进入环境的化学物质，它们属于外源化学物的范畴。 二、毒理学发展简史 早在远古时代，人们对一些动植物的有毒作用就已有认识。 1550 BC已有文献记载。 在16世纪，瑞士著名医生Paracelsus提出有毒物的剂量反应。 “Everything is a poison…it is only the dose that makes it not a poison” 18世纪西班牙化学家和生理学家Bonaventura Orfila:现代毒理学的奠基人。 ---组织和体液中的毒物的化学分析鉴别 ---试验动物的系统应用 毒理学在19世纪得到快速发展。 四、环境污染物 (一) 环境污染物的种类 1．化学类： 主要的有：重金属；有机染料；农用化学品；食品中毒素 添加剂等；医用、日用污染物 目前日益受到重视的环境类激素(内分秘干扰物)可分3类：外源性雌激素、外源性雄激素、拟甲状腺激素，特别是前者的作用更引起人们的关注。它可降低精子数，减少精液量，引发生殖发育异常．促发一些与激素有关的肿瘤如睾丸癌、乳腺癌等，从而引发环境雌性化，如多氧联苯、多环芳烃、二 口恶 英等。 国际癌症研究所(IARC)到1995年为止，已出版了6O多卷专集，共评述了800多种化学物质，按其致癌程度，已确证人类致癌物或生产方式约有600种，如黄曲霉素、砷、石棉、联苯胺等。但当前人类所接触到的化学物质数以l0万计，而对其中绝太部分物质的致癌性仍缺乏了解。可见今后任务的艰巨性。 2．物理类： 主要有：滥用医源电离辐射x、υ射线，CT等等；环境电离辐射：如氡及其子体，建材中的放射性物质；环境中紫外线的强化；激光与电磁辐射场等。 辐射作为环境诱变剂，可诱发畸胎效应，如日本原爆幸存者胎内(妊娠8～15周)受到照射，可发生严重智力障碍，IQ值下降、小头症等。这是由于受精卵至器官形成期对辐射敏感而发生畸形。 辐射诱发癌症包括白血病和实体癌。辐射致癌研究的历史较久，1945年在日本原子弹爆炸后，对1O余万幸存者进行终生观察，发现最主要医学后果是癌症发生。 3 生物类： 细菌、病毒等，以病毒为主，这些病毒诱发肿瘤亦为主要后果。现已发现有150泉种病毒可诱发肿瘤．肿瘤病毒中有DNA病毒、RNA病毒。 肿瘤是环境因素、遗传因素和机能因素相互作用所致的多因素作用、多阶段发病和多基因参与的疾病。其中环境因素占肿瘤病因学中的85％ 以上 我国人口死因中，城市中占首位，每年死亡人数160万，造成社会负担在200亿以上。 (二)环境污染对机体作用的特点 1、接触剂量小：剂量环境污染对人类造成的影响，大多数是小剂量长期暴露，污染面广，污染对健康的影响难以准确识别。 2、长时间内反复接触甚至终生接触：既有急性效应(大量一次性摄入)，但多数为远后效应，其中以随机性效应中的致突、致癌为主，需要大人群、长时期的、通过流行病学的观察、分析才能确认，因此技术难度大。 3、多种污染物同时作用于机体：存在相加、拮抗、协同等联合作用 4、接触人群的易感性差异较大：接触的人群既有青少年、成年，又有老幼病弱 (三)环境污染物与机体的交互作用 人的疾病／健康状态在本质上是由环境暴露、个体遗传易感性、个体的衰老过程，通过复杂的相互作用而决定的。 环境毒物对细胞及大分子的直接或间接作用和损害的信息，可通过信息传递通路传递给细胞基因组，后者通过编码各种功能蛋白对环境因子所造成的应激做出应答，以适应或代偿环境因素对细胞或机体不利影响，使细胞得以恢复。因这种适应是有限的，如负荷越过限度，细胞即会由代偿进入不正常失代偿状态，引起细胞损伤或死亡；另一途径，细胞也可做出错误应答，导致周期调控失常，异常增殖，永生化，产生肿瘤或导致细胞损伤坏死。 五、环境毒理学的研究对象、任务和内容 研究对象：对各种生物特别是对人体产生危害的各种环境污染物，包括物理性、化学性及生物性污染物，其中以环境化学物为主要研究对象。 环境污染物的种类繁多 ： 物理性污染 :电离辐射、电磁辐射及噪声污染等； 生物性污染 :细菌、病毒及生物毒素污染等 ; 化学污染物 :如工业化学品、农用化学品、日用化学品及染料等。 研究内容和任务： (1)研究环境毒物与机体相互作用的一般规律: 包括毒物接触机体后的吸收、分布、代谢转化、排泄等过程和毒作用机理，探求其对肌体健康损害的早期反应指标(即用最灵敏的探测手段，找出环境污染物作用于机体后最初出现的生物学变化，以便及早发现并设法排除)，预测其对健康的潜在危害，以便及早防治 (2)研究环境毒物对机体影响的作用条件及其影响因素： 除主要通过动物实验外，还应结台现场调查，以观察环境毒物在环境中的浓度、分布、变迁、侵入方式、接触时间以及其他作用条件对肌体反应的影响。 (3)研究环境毒物及其转化产物的毒性和评定方法： 主要包括各种毒性试验， 测定其急性、蓄积性、亚急性、亚慢性、慢性毒性和“三致性”， 及多种有毒物质共存时的联合毒性。从剂量—反应关系中得出对肌体作用的相对安全界限(最大无作用水平)，为制定环境卫生标准提供依据。 作用和意义： 1.环境有毒物的毒理学评价：毒性鉴定、危险度评估。 2.在环境监测和人群健康影响研究中的应用 3.在制定环境卫生基准中的应用 4.污染物处理 (保护地球生物圈包括人类在内的各种生物的生存和持续发展 环境毒理学在环境监测中的应用： 目前，环境毒理学在环境监测中的应用．主要可分为以下两类： 1 直接用于现场检测，以评价环境污染状况 有的国际组织推荐用紫露草四分体微核试验、紫露草雄蕊毛突变实验、蚕豆根尖细胞有丝分裂染色体畸变试验建立全球性的生物监测网以监测大气和水体的污染。这些方法经济、简便、快速、测试结果有效可靠，更重要的是可直接用于现场测试。国外现已分别或联合使用这些方法对机场、停车场、学校、田间、城市烟雾区、高速公路收费处、垃圾场、水库、水井及某些工作处的各种气态和液态污染物进行了监测。这些监测为环境污染状况提供了有说服力的科学依据，有的已引起管理部门的重视 2 环境样品的生物测试 收集空气、水和固体废弃物等环境样品进行生物测试，以了解环境是否受污染。 1986年，我国在北京、上海、天津、青岛等20个城市执行生物监测。至今，生物监测在我国各级环境监测站中尚未很好地开展，影响了环境监测的深入发展。 比如现在死鱼污染纠纷较多，环保部门往往测定化学需氧量、溶解氧、重金属等项目，有时这些项目都不超标却造成了死鱼事故，数据不能直接说明事故原因，给纠纷的处理带来一定困难 如果能够开展生物监测，进行鱼类毒性试验，找出某种毒物或工业废水对鱼类半致死浓度与安全浓度，则将给纠纷的处理提供更科学的依据。 环境样品的生物测试方法很多．可以说现行毒理学的各种方法包括整体动物、体外培养细胞和器官等都可用于测试，测试的重点包括一般毒性、免疫毒性、“三致性”、生殖和发育毒性或其他特异器官的毒性等。目前多采用遗传毒理学方法进行测试。报道最多的有Ames试验、人体外周血淋巴细胞SCE和染色体畸变分析、小鼠骨髓微核试验和染色体畸变分析、果蝇伴性隐性致死试验等。 我国不少地区都对水源水和饮用水的致突变性进行了监测和研究。如上海市“饮水与健康”协作组发现黄浦江中有机物含量达700种。由于水中有机物常以混合方式联合作用于人体．而致癌物与致突变物之间存在高度相关性．故可通过监测水中混合有机物致突变性来评价其致癌危险性。 六、环境毒理学的研究方法 试验材料：根据研究目的可选用植物、微生物、非哺乳类动物及哺乳类动物。 环境生态毒理学研究上主要对植物和非哺乳类动物群体进行研究，在环境生态毒理学上常常选用水溞做毒性试验，也常常将收集到的毒理学资料通过数学和计算机科学的方法编制生态毒理模型，以预测未来的生态毒理学现象。 在研究环境污染物对动物，尤其是对人体的生物学作用时，常以哺乳类动物为主要研究材料进行体内研究和体外实验。 研究方法: 1. 体内实验法：多在整体动物进行，也称整体动物实验。 按人体可能接触的剂量和途径使实验动物在一定时间内接触环境污染物，然后观察动物出现的形态和功能的变化。整体动物实验不仅可以反映环境污染物的综合生物学效应，而且可以反映在动物整体状态下环境污染物的各种生物学效应。 实验动物（laboratory animal）：指经人工培育，对其携带微生物实行控制，遗传背景明确，来源清楚，可用于科学研究的动物。一般的实验动物有:狗、小鼠 、大鼠、家兔、豚鼠、仓鼠。 实验动物的毒理学实验资料外推到人群接触的安全性时的不确定性 1 实验动物和人对外源化学物的反应敏感性不同，有时甚至存在着质的差别 2 高剂量向低剂量外推的不确定性 3 小数量实验动物到大量人群外推的不确定性 4 成年健康动物向年老体弱及患病个体外推的不确定性 描述毒理学试验的基本原则 1 化学物在实验动物产生的作用，可以外推于人。基本假设 ①人是最敏感的动物物种；②人和实验动物的生物学过程与体重 (或体表面积)相关。 2 实验动物必须暴露于高剂量，这是发现对人潜在危害的必需的和可靠的方法。 3 成年的健康(雄性和雌性未孕)实验动物和人可能的暴露途径基本一致。 按照染毒时间的长短可分为：急性毒性试验(acute toxicity)，一次或24小时；亚急性毒性试验(subacute toxicity)，15-30天；亚慢性毒性试验(subchronic toxicity)，1-3个月；慢性毒性试验(chronic toxicity)，6个月-2年，低剂量反复染毒 按照实验目的的不同可分为：繁殖实验、蓄积实验、代谢实验及“三致实验”（即致癌变、致畸变和致突变实验）。 2.体外试验：植物、微生物、动物体外试验（器官、组织、细胞、亚细胞、分子水平试验）； 可利用器官灌流技术，将受试化学物经过血管流经特定的脏器，观察环境污染物在脏器内的代谢转化和毒性作用。也可以将某种脏器从体内取出再制成原代游离细胞，进行环境污染物对细胞毒性作用的研究。 还可以利用经过在体外多次传代的细胞株，例如HeLa细胞、CHO细胞、V79细胞等对外来化学物进行一般毒性和特殊毒性研究。 采用离心技术，可将细胞器或组分，例如内质网、线粒体等分离纯化，研究环境污染物对这些亚细胞组分的毒性作用。 3.调查研究：以已有试验结果、已有知识为基础，采用医学流行病学的调查方法 ?近代环境毒理学还将生物化学和分子生物学的最新技术引用到实验研究中； 将有关酶、核酸、蛋白质的理论和方法渗透到环境毒理学的多个领域； ?PCR基因扩增、DNA序列分析、以及单克隆抗体技术等分子生物学的概念和方法已成为环境毒理学研究的重要工具，形成了环境生化与分子毒理学分支。 ?近年来，随着人类基因组、小鼠基因组及水稻基因组的测定和完成，随着各种动、植物基因组学和蛋白质组学的研究进展，环境基因组学、环境蛋白质组学及环境酶学正在兴起。在不久的将来，这些研究领域的迅速发展，将使环境毒理学的面貌为之一新。 毒理学研究方法的优缺点 研究方法 流行病学研究 受控的临床研究 毒理学体内试验 毒理学体外试验 优点 · 真实的暴露条件 · 规定的限定暴露条件 · 易于控制暴露条件 · 影响因素少，易于控 · 在各化学物之间发生相 · 在人群中测定反应 · 能测定多种效应 制 互作用 · 对某组人群(如哮喘) · 能评价宿主特征的作用 · 可进行某些深入的研 · 测定在人群的作用 的研究是有力的 (如：性别、年龄、遗 究(如：机制，代谢) · 表示全部的人敏感性 · 能测定效应的强度 传特征等和其他调控因 · 人力物力花费较少 素饮食等) · 能评价机制 缺点 · 耗资、耗时多 · 耗资多 · 动物暴露与人暴露相关 · 不能全面反映毒作用 · 多为回顾性，无健康 · 较低浓度和较短时 的不确定性 不能作为毒性评价和 保护 间的暴露 · 受控的饲养条件与人的 危险性评价的最后依 · 难以确定暴露，有混杂 · 限于较少量的人群 实际情况不一致 据 暴露问题 (一般<50) · 暴露的浓度和时间的模 · 难以观察慢性毒作用 · 可检测的危险性增加必 · 限于暂时、微小、 式显著地不同于人群的 需达到2倍以上 可逆的效应 暴露 · 测定指标较粗(发病率， · 一般不适于研究最 死亡率) 敏感的人群 基因水平上的研究 1、识别易感基因 环境应答基因(环境易感基因)：对环境因子具有特定的反应，影响人体对有害环境因子（特别是环境化学物）易感性的基因。 人类对环境因素易感的基因非常之多，总称为环境基因组。 易感性形成的原因：① 代谢酶的遗传多态性；② 修复能力的差异；③ 受体因素；④ 宿主因素等多方面。 2、以癌前病变为主，寻找相关的标志物，为癌的早期诊断、早期预测、早期治疗提供依据。 环境基因组 ： 人类的某些基因对环境因子具有特定的反应，这些反应影响着人体对有害环境因子（特别是环境化学物）的易感性。这些基因被称为环境应答基因或环境易感基因。人类对环境因素易感的基因非常之多，总称为环境基因组。 然而，环境易感基因是如何与环境相互作用的，环境易感基因的结构或其多态性与人类疾病之间是如何联系的，迄今知之甚少，开展环境基因组学的研究是摆在环境毒理学家面前的重要任务之一。 基因水平上的研究(切入点) 1 识别环境反应基因结构与功能的多态性——易感基因，阐明个体对环境暴露作出不同反应的遗传学基础，以更好地预测高危人群危险度及易感个体的判定，协助管理机构发展环境保护政策。探究其原因，找出易感基因，是从基因水平上研究的切入点。 毒性作用的易感性形成的原因是多方面的，有：① 代谢酶的遗传多态性；② 修复能力的差异；③ 受体因素；④ 宿主因素等多方面。 2以癌前病变为主，寻找相关的标志物，为癌的早期诊断、早期预测、早期治疗提供依据。 以肺癌为例，正常细胞经诱癌因子作用发展成瘤，要经历一系列组织病理学变化：化生、增生、不典型性增生、严重不典型性增生，发展成癌时间约需10～30年。 美国国家环境卫生科学研究院(NIEHS)1998年启动环境基因组计划(EGP)。 EGP计划的两个主要目标： 促进识别环境暴露后决定疾病危险差异的环境反应基因结构与功能上的多态性。 促进疾病病因学中基因环境交互作用的流行病学研究。 即在强调两者交互作用的基础上，首先研究l大类200种机体耐环境的反应基因。 1O类反应基因为：外源性物质代谢与解毒基因，激素代谢基因，受体基因，DNA修复基因，细胞周期基因，控制细胞死亡基因，免疫及炎症反应传递基因，营养因子传导基因，氧化过程中包含的基因及信号转导系统的基因。 通过交互作用研究，最终目标是绘制所有环境反应基因中易感基因的多态性结构变异谱并阐明各自的功能，为疾病危险度的评价、病因学研究及痰病防治提供理论依据。 环境毒理学的发展方向 1、探讨多种环境污染物同时对机体产生的联合作用：相加、拮抗、协同等联合作用 2、深入研究环境污染物在环境中的降解和转化产物及其引起的生物学变化 3、进一步研究致畸作用的机理，完善致突变作用的试验方法和致癌作用与致突变作用的确切关系 4、深入研究早期观察的敏感指标：环境污染物对动物神经功能、行为表现、免疫机能的影响往往出现在一般毒性表现之前，有必要把这些影响作为早期观察的敏感指标，进行深入研究。 5、环境污染物化学结构与毒性作用的关系：环境污染物化学结构与毒性作用的性质和强度有密切关系，应深入研究，找出规律，以便根据化学结构，作出毒性的估计，减少动物毒性试验，并为合成某些低毒化合物提供依据。 6、吸收分子生物学的最新成就，使环境毒理学的研究由细胞水平研究提高到分子水平 第二章环境毒理学的基本原理 第一节 环境有毒物的接触和暴露方式 一、概述 环境化学物对于生物体的毒害或风险取决于： 1、物质的性质； 2、该物质在环境中的去向； 3、该物质在机体中的作用和行为。 暴露（Exposure)： 环境潜在有害物以任何方式与生物机体接触或进入机体。分定性和定量方面。 环境有害物从产生到危害发生的过程： 1、污染物的产生阶段 2、环境动力学阶段 3、暴露阶段 4、致毒动力学阶段（Toxicokinetic phase) 5、毒效阶段（Toxicodynamic phase） 二、暴露方式和途径 1、暴露方式：污染物接触生物机体的状态和方式 生物体在的环境（大气、土壤、水体）； 污染物的物理状态（气、液、颗粒）； 污染物的物理化学性质（水溶性、脂溶性）； 接触特点：单次、多次 2、暴露途径： 通过肠胃道系统（Gastrointestinal tract)/经口: 食物：天然毒素：有毒蛋白质、生物碱等 人为污染：生产、加工过程，如农药、重金属、药物、食品添加剂，NO3-盐、色素 饮用水和天然水： 通过呼吸道系统（Respiration tract) 大气污染物：气溶胶及其吸附的各种污染物、可吸入颗粒物、各种有害气体 皮肤接触吸收： 各种脂溶性化合物： 皮肤损伤。 其它途径： 静脉注射 吸收速度： 静脉注射最快，其他一般依次为 呼吸道，腹腔注射，肌肉注射，经口，经皮。 三、暴露水平的定量 1、确定暴露水平所需人体生理参数(EPA)： 平均寿命：75岁； 平均体重：男70kg、女60kg；2-5岁儿童13.2kg、6岁儿童20.8kg 食物摄入量:1.5-2kg F.W/d； 饮水量：1.4L/d；<10kg儿童1L/d 呼吸量：平均20 m3/d 外露体表面积：通常0.2m2，外露较多时0.52m2 2、暴露特征分析 暴露途径和方式； 暴露起止时间； 各种暴露途径有害物含量水平的分析、监测。 3、暴露水平的监测方法： 直接测定暴露源中有害物的浓度； 测定机体中一个或多个组织中有毒物或其代谢产物的含量水平； (考虑毒物代谢动力学的影响！ 体内负荷（Body burden): 有毒物在体内的总量。如吸收速率>排泄速率(体内负荷增加 体内暴露水平（Internal exposure):机体中敏感组织的实际暴露水平，目标组织中的浓度更重要。 测定毒物引起的毒害效应的程度 4、暴露—效应的定量关系（Exposure-Response relationship) （1）有毒物的毒害效应取决于： 暴露程度(Exposure extent)； 暴露时间（duration)； 受害个体的敏感性（Sensitivity） （2）暴露剂量决定受害程度： 有所表现（Noticeable) 可逆失调（Reversible disorder) 不可逆失调或致残（Disability) 死亡（Lethal) 对于高毒性有害物：瞬时浓度重要； 累积性毒物：长期平均浓度 （3）暴露-效应关系曲线 第二节 环境化学物质的吸收分布和排泄 ―毒质动力学 有害物与机体接触后(吸收、分布、代谢和排泄过程； 通过吸收进入血液(血液循环(分布到各组织、器官(代谢(有害物及其代谢产物(存储、排泄( 生物转运过程。 反复通过生物膜的过程。 一、生物膜的结构与功能 结构：由脂质双分子层和蛋白质构成的半透性膜； 脂质双分子层：生物膜的基本骨架； 膜蛋白：载体、受体、能量转换器、酶(完成生物膜的主要功能。 ？ 功能：物质转运、能量和物质代谢、细胞识别、信息传递、毒性作用 ?保持细胞和细胞器内部理化性质的稳定; ?选择性地允许或不允许某些物质透过，以便吸收和排出一些物质； ?传递信息; ?生物膜上的酶类（如混合功能氧化酶类等）还对化学物质的生物转化过程起催化作用。 二、化学物质通过生物膜的方式 ?被动转运：扩散、滤过； ?特殊转运：主动转运、易化扩散、吞噬作用和胞饮作用。 （一）被动转运 1．简单扩散（Passive transport） 定义：生物膜两侧的化学物分子从浓度高的一侧向浓度低的一侧（即顺浓度梯度）扩散。 ?驱动力：浓度梯度 ?转运物质：多数环境化学物 ?转运速率（R）： K为扩散系数， A为膜面积，D为膜厚度。 影响简单扩散的主要因素如下： （1）生物膜两侧化学物的浓度梯度 （2）脂/水分配系数 （3）化学物质的解离度和体液的pH 2．滤过(Filtration) 定义：滤过是环境化学物透过生物膜上的亲水性孔道的过程。 驱动力：流体静压或渗透压； 转运物质：分子直径<膜孔的化学物 生物膜上有一些亲水性孔道或间隙，它们是由嵌入脂质双分子层中的蛋白质结构中某些亲水性氨基酸构成。如在膜的两侧存在着流体静压或渗透压差时，水就能携带小分子溶质经亲水性膜孔顺压差而透过生物膜。凡分子直径小于膜孔的化学物，均可随同水流透过生物膜。 影响因素： ?膜孔大小：一般0.4nm；肾小球毛细血管内皮细胞7-10nm ?M<100-200的化合物可通过0.4nm孔，如Pb、Mn、Cd盐； ?肾小球滤过：除蛋白质外，其余溶于血浆中的物质均可滤过 （二）特殊转运 对于某些非脂溶性的、分子量较大的环境化学物，不能通过上述方式转运，需通过生物膜上的特殊转运系统转运。 1．主动转运(active transport) 定义：化学物伴随能量的消耗由低浓度处向高浓度处转运以透过生物膜的过程称主动转运。 ?驱动力：代谢能量 ?特点： ?需要有载体（或称运转系统）参加； ?化学物质可逆浓度梯度转运，故需消耗一定的代谢能量，因此代谢抑制剂可阻止此转运过程； ?载体具有一定选择性，化学物必须具有一定适配的基本结构才能被转； ?载体有一定容量； ?相似结构底物可发生竞争性抑制：Pb(Ca ； Tl(Fe (必须物质的吸收：K、Na、Ca平衡； 有害物的不均匀分布； 通过肝肾的排泄：Pb、Cd、As 肾脏有2种，肝脏3种，神经组织2种载体 2.易化扩散(Facilitated diffusion) 定义： 非脂溶性化学物，利用载体由高浓度处向低浓度处移动的过程，称为易化扩散，又称帮助扩散或载体扩散。 特点： 需要载体； 不消耗代谢能量。 具有一定的主动性和选择性，但因只能从高浓度处向低浓度处转运，故又属于扩散性质。如葡萄糖的转运 。 3.吞噬和胞饮 一些固体颗粒或液滴与细胞膜上的蛋白质具有特殊亲和力，可改变细胞膜表面张力，引起外包或内凹，将外源物包围进入细胞。 吞噬作用：一些固态颗粒物质与细胞膜上某种蛋白质有特殊亲和力，当其与细胞膜接触后，可改变这部分膜的表面张力，引起外包或内凹，将异物包围进入细胞，这种转运方式称为吞噬作用。 胞饮作用：液滴异物也可通过此种方式进入细胞，称为吞饮或胞饮作用。 吞噬和胞饮作用可合称为入胞作用，或膜动转运。 吞噬：Phagocytosis; 胞饮：Pinocytosis (Edocytosis 膜动转运：Cytosis 三、吸 收 定义：环境化学物经各种途径透过机体的生物膜而进入血液的过程称为吸收。 （一）消化道吸收(Digestive tract) 消化道: 口腔( 食道( 胃( 肠道，主要吸收途径。 1、消化道吸收特点： 通过口腔粘膜吸收极少； 胃内酸度高，弱有机酸类物质未解离，易吸收； 小肠： 扩散吸收为主。吸收面积大，呈中性至微碱性。吸收有机碱类物质多。 滤过吸收M<100-200的物质； 吞噬和胞饮：肠胃道上皮细胞。 2、影响消化道吸收的因素 ⑴消化道的多种酶类和菌丛： 小肠中的菌丛：芳香硝基化合物( 芳香胺 （Carcinogenesis); 婴儿胃肠道 ：pH 高，存在埃希氏菌丛，NO3 (NO2 ( 高铁血红蛋白血症 ⑵肠胃道内容物种类数量、排空时间及蠕动状态： 蠕动降低时( 内容物滞留时间长( 吸收多，反之亦然。 化学物的溶解度和分散度。 （二）呼吸道吸收 呼吸道: 鼻腔(气管(支气管及其分支(肺泡(Alveoli) 1 、吸收特点： 吸收的物质不经过静脉血液进入肝脏，故未经肝脏的生物转化而直接进入体循环并分布全身。 肺泡数量多(3亿多个)；表面积大(50-100 M2)；周围毛细血管密布（2000km)，供血丰富；毛细血管与肺泡上皮细胞膜薄（1.5(m)(吸收速度快。 2 、对气态物质的吸收及影响因素 主要通过简单扩散方式吸收： 分压差和血/气分配系数：分压差大(系数速度快；当肺泡和血液中气态物浓度达到平衡时，吸收量不再增加，此时，血液中的浓度与肺泡空气中的浓度之比(血/气分配系数。系数高的物质易被吸收： 乙醇：1500，乙醚15， CO2 5。 溶解度和分子量： 脂溶性物质：脂/水分配系数；氯仿、HCN：15，乙烯：0.14 非脂溶性物质：分子量大小。 肺通气量和血流量： 通气量高（温度、劳动）：呼吸次数和呼吸深度( (吸收量( ； 血流量( (吸收量( 3、对颗粒物的吸收： 主要受颗粒大小的影响。 空气进入呼吸道后，流速减慢，方向多变，较大颗粒物沉积在上呼吸道，随粘膜纤毛运动而由痰咳出； 纤毛运动速率：1mm-1cm/min，每小时可清除表面沉积物90%以上； 进入呼吸道颗粒物的归宿： >10(m ，大部分沉积在上呼吸道； 5-10 (m ，大部分阻留在气管和支气管； 1-5 (m ，可到达呼吸道深部，部分到达肺泡； < 1(m ，在肺泡内沉积。 ●沉积在肺泡内的颗粒物： 吸收进入血液； 随粘液咳出； 进入淋巴系统； 长期存留在肺泡?肺泡灰尘病灶或结节。 （三）皮肤吸收 皮肤通透性较弱(屏障； 亲脂性高的化合物：如CCl4、某些有机磷农药(皮肤吸收(全身性中毒。 1、皮肤构造：表皮、基膜、真皮。 2、化学物皮肤吸收需通过的屏障： 表皮角质层:M>300，不易通过； 连接角质层:阻止非脂溶性物质通过； 基膜：仅能阻止某些物质透过。 3、吸收途径：表皮；毛囊、汗腺及皮脂腺(仅占皮肤表面积的0.1%～1%) 表皮吸收主要方式：简单扩散。 4、影响皮肤吸收的因素： 角质层厚度； 化学物分子大小、脂/水分配系数≈1易吸收； 高温促进皮肤血液和间质液流动； 角质层损伤 动物种类 四、分布与储存 （一）分布 吸收进入血液的化学物随体液（血液、淋巴液）的流动分散到各组织中的过程。体液占人体重量的60%。 血液：大约占人体重的8%，50kg体重的人，约有4000ml血。失血1/4~1/3 (危及生命。 血清溶液：许多化学物质可部分溶解于血清溶液。 血浆蛋白（红血球、白血球、血小板）：化学物大部分与血浆蛋白结合。 淋巴液：对个别化学物的运输 1、影响分布的因素 (1)血流量：大部分外源物与血浆蛋白结合，分布开始阶段，供血丰富的器官，初始分布浓度高，如肝脏，肺。 (2)外源物与器官的亲和力：随时间延长，亲和力起主要作用。 浓缩、蓄积器官(靶器官或储存库。 (3)血脑屏障(blood-brain barrier):对毒物进入中枢神经系统（CNS）起保护作用。 原因：血脑屏障对外源化学物质的渗透性较小，使许多物质在血液中相当高的浓度时仍不能进入大脑。 CNS的毛细血管内皮细胞间连接紧密，几无空隙； CNS的毛细血管被星状胶质细胞紧密包围； CNS间液中蛋白质浓度很低。 (4)胎盘屏障(Placental barrier): 胎盘：营养物质(主动转运； 外源化学物：扩散 胎盘具有阻止一些外源化学物由母体透过胎盘进入胚胎、保护胎儿正常生长发育的作用。 胎盘屏障：由母体血液血液循环系统与胚胎之间的几层特殊细胞构成。 （二）化学物的贮存 进入血液的环境化学物大部分与血浆蛋白或机体内各组织成分结合。 对蓄积器官产生危害的(靶组织或靶器官； 对蓄积部位不显示毒害的(贮存库。 主要贮存库： 1、血浆蛋白 进入血液中的环境化学物可与血液中的蛋白质，特别是白蛋白发生结合，与蛋白质结合的化学物不易透过细胞膜进入靶器官产生毒作用，对化学物的排泄、转化及再分布也有影响。 可逆非共价结合：静电作用，氢键。 假设：n：Binding sites/protein p: Concen. Of protein np: total binding sites [RX]: binding sites occupied by xenobiotics X [R]: free binding sites np=[Rx]+[R] Kd——外源物与血浆蛋白的亲和力，越大，亲和力越高。 Kd高的化学物可取代，亲和力低的化合物。 DDT可置换结合的胆红素(游离于血中(黄疸 2、肝和肾： 化学物的贮存和转化、排泄的重要器官。肝和肾组织成分可与许多化学物结合，肝和肾的细胞中含有特殊的结合蛋白，对污染物亲和力高于血浆蛋白，能将与血浆蛋白结合的环境化学物夺过来。如： 肝中：配体蛋白(ligandin):有机酸、有机阴离子、类固醇、偶氮染料； 肝和肾中：金属巯蛋白(metallothionein): Zn、Cd 3、脂肪组织： 脂溶性污染物可蓄积于脂肪组织中。如：DDT、六六六、氯丹；有机汞农药 体脂占体重的20-50%。蓄积于体脂中的有毒物可因脂肪的消化而释放进入血浆(进入靶组织。 4．骨骼组织 骨骼组织中某些成分与环境化学物有特殊亲和力，使骨骼成为这些物质贮存沉积的场所，如氟化物、铅、锶等能与骨基质结合而贮存其中。 F-可取代羟基磷灰石中的OH-；Pb、Sr可取代Ca。 体内贮存的毒理学意义： 急性中毒的解毒机制； 毒物的二次供给源。 五、化学物的排泄 (elimination) 定义：环境化学物及其代谢产物向机体外转运的过程。 主要途径： 经肾随尿液排出； 经肝随胆汁通过肠道随粪排出； （一）经肾随尿液排出 外源物及其代谢产物的最主要的排泄途径。 肾小球被动滤过（renal filtration)； 肾小管的主动分泌(tubular secretion)； 肾小管再吸收(reabsorption). 1、肾小球被动滤过：膜系统有4~10nm微孔，选择性只针对分子大小。M<69000；与血浆蛋白结合的毒物不能通过。 2、主动分泌：通过肾近曲小管使毒物分泌到尿中；与血浆蛋白可逆结合的毒物也可分泌； 3、肾小管的重吸收：分布有主动运输系统，解离的、极性分子被排出；G、amino acids等可被再吸收，具有选择性高的特点。 （二）经肝脏排出 毒物(肝实质细胞(胆汁( 肠道( 粪便排出或进入肝肠循环 1、肝细胞(胆汁：主要为主动转运：有机酸、有机碱、中性化合物系统，重金属输送系统。逆浓度梯度转运。 2、胆汁( 小肠： a 、肝肠循环（enterohepatic cycle) ：有些脂溶性的、易被吸收的环境化学物或其代谢产物，可在小肠中重新被吸收，再经门静脉系统返回肝脏，再随同胆汁排泄，即进行肠肝循环。 ( 延长毒物在体内的停留时间, 毒性增加 b、直接排出体外 高度极性的化合物，随粪便排出。 （三）经呼吸道排出 一些气体和挥发性物质如CO、醇类等毒物主要通过简单扩散由肺排出。 肺泡壁两侧有毒气体的分压差； 血/气分配系数。 非可溶性颗粒物：肺泡(细支气管(支气管(咽部(随痰咳出或进入消化道。 （四）其它途径排出 乳汁：有机碱、亲脂性有毒物可通过简单扩散进入乳汁，而极性强的化学物较难随乳汁排出。 有些毒物如重金属可通过指甲和毛发排出。 唾液、汗液、月经等 第三节 有害物的生物转化 一、生物转化概述 环境化学物质在机体组织或器官中，在系列酶作用下转化为各种代谢产物的过程。 特点： 酶促反应过程； 生物转化的多样性； 转化的连续性。 反应场所和类型： 主要在肝内进行、其次是在肾和肺内。包括： 第一相反应(Phase I reaction)：氧化、还原、水解(在分子中引入极性基团(增加分子极性。 第二相反应(Phase II reaction)：结合反应(加入极性基团的分子与内源亲水性物质结合(水溶性增加(易于排泄 二、第一相反应：从亲脂性到极性 通过氧化、还原和水解在分子中引入极性基团：-OH、-COOH、-NH2等。 （一）氧化反应 最重要的1相反应。微粒体混合功能氧化酶催化(microsomal mixed function oxidase system, MFOS)和非MFOS催化。 1、 MFOS催化的氧化反应： MFOS主要存在于肝细胞内质网中； 特异性低：可催化几乎所有环境化学物的氧化反应； (1) 组成：由多种酶构成的多酶系统。 Cyt P450（P448):细胞色素P450单加氧酶；主要功能酶。 NADPH（辅酶II） Cyt P450 还原酶； Cyt b-5:细胞色素b-5单加氧酶； NADH （辅酶I） Cyt b-5还原酶； 环氧化物水化酶； 黄素蛋白单加氧酶（FAD): 功能酶 (2) 反应：使O2分子中的1个氧原子还原成H2O，并将另1个氧原子加入底物使之氧化: RH+ NADPH+H++O2(ROH+H2O+NADP+ (底物)（辅酶II） （氧化产物） 反应步骤: A: 底物与氧化态Cyt P450结合； B: 在NADPH-Cyt p450还原酶(FP1)的催化下，由NADPH提供电子给形成的酶—底物复合物； C: 分子氧O2与还原态酶—底物复合物结合； D: 形成的复合物接受来自NADH-cyt b5还原酶(FP2)或FP1提供的第二个电子使复合物第二次还原； E: 第二步还原使氧分子激活，最终使酶—底物—氧分子复合物裂解，形成水分子，氧化态底物和氧化态Cyt P450 (3)催化的反应类型 脂肪族羟化 脂肪族化合物侧链（R）末端倒数第一个或第二个碳原子发生氧化，形成羟基。 芳香族羟化 芳香环上的氢被氧化形成-OH。 C：环氧化反应 脂肪族烯烃： 芳香环氧化反应 D、脱烷基反应 与N-、O-、S-相结合的烷基在MFO酶的催化下，脱除烷基是药物、杀虫剂和N-烷基外源化学物的共同反应。 胺类化合物氨基N上的烷基被氧化脱去一个烷基，形成醛类或酮类 E、脱氨基反应 伯胺类化合物，在邻近N原子的C原子上发生氧化： F、烷基金属脱烷基反应 氨基上的一个H与氧结合 G、烷基金属脱烷基反应 H、S-氧化反应 硫醚类化合物，S原子被氧化，形成亚砜、砜 杀虫剂内吸磷（1059）、甲拌磷、灭虫威和药物氯丙嗪等可发生硫氧化反应。内吸磷氧化后毒性比母体化合物提高8~10倍。 I、氧化脱卤反应 卤代烃氧化成卤代醇，不稳定，脱去卤素。 2.非微粒体酶催化的氧化反应 这类酶主要催化具有醇、醛、酮功能基团的外源化学物的氧化反应，主要包括醇脱氢酶、醛脱氢酶及胺氧化酶类。此类酶主要在肝细胞线粒体和胞液中存在，肺、肾也有出现。 (1) 醇脱氢酶：存在于胞液中： (2) 醛脱氢酶：存在于肝细胞线粒体和胞液中： 体内醛脱氢酶活性低→酒后乙醛积累→酒精中毒。 (3) 胺氧化酶：主要存在于线粒体 （二）还原反应 机体内通常细胞通常处于有氧状态，以MFOS催化的氧化反应为主。 还原反应可在下述条件下发生： ?①存在局部性还原环境：某些还原性化学物或代谢物在一定的组织细胞内积聚形成局部还原环境，使还原反应能够进行； ?②某些酶可在有氧条件下催化还原反应：在外源化学物的生物转化过程中，即使在细胞色素P450单加氧酶系催化的氧化反应中，也有电子的转移，有些外源化学物存在接受电子的可能性，以致被还原。 ?③氧化还原反应中的可逆反应：即还原方向的反应。NAD(P)+ (NAD(P)H 催化还原反应的酶类主要存在于：肝、肾和肺的微粒体和胞液中。肠道处于还原环境，存在含还原酶的菌丛。 1.羰基还原反应 醛类和酮类可分别还原成伯醇和仲醇。 2．含氮基团还原反应 （1）硝基还原反应 3．含硫基团还原反应 二硫化物、亚砜化合物等可在体内被还原。杀虫剂三硫磷可被氧化形成三硫磷亚砜，在一定条件下可被还原成三硫磷。 4．含卤素基团还原反应 与碳原子结合的卤素被氢原子取代。 例1：在NADPH-Cyt P450催化下： (NADPH：辅酶Ⅱ，Cyt：细胞色素) CCl4+NADPH (CCl3˙+ HCl CCl3˙自由基能破坏肝细胞膜脂质结构，引起肝脂肪变形或坏死。 例2：F3CH-CH2Br (F3CH-CH2˙ (F3CH-CH3 (破坏肝细胞膜结构。 5、无机化合物的还原：典型的例子如五价砷化合物可在体内还原为毒性作用更强的三价砷化合物。AsO42- ( AsO32-+H2O (三) 水解反应 水解酶催化。血浆、肝、肾、肠、肌肉和神经组织中菌含有多种水解酶。 1、脂类水解反应：脂酶在体内广泛分布。 RCOOR’+H2O(RCOOH+R’OH 许多有机磷杀虫剂在体内的主要代谢方式： 敌敌畏、对硫磷、马拉硫磷等；拟除虫菊脂类杀虫剂的降解。P29. 2、酰胺类水解反应： 酰胺：羧酸中的-OH被-NH2所取代。通式：R-CO-NH2或R-CO-NH-R’。 R-CO-NH-R’ +H2O( R-COOH+R’NH2 乐果的水解,P29。 3、水解脱卤反应： 例如：DDT水解脱卤(DDE(毒性降低、可继续转化为易排泄物） 人体吸收的DDT，60%可经此途径转化。 (Cl-C6H4)2>CH-CCl3 +H2O ( (Cl-C6H4)2>C=CCl2+HCl 4、环氧化物的水化反应 水化反应：含双键或三键化合物在酶催化下与水分子结合。 芳香烃和脂肪族烃类化合物氧化反应产生的环氧化物可在环氧化物催化下可通过水化反应形成相应的二氢二醇化合物。 BaP (BaP-7,8环氧化物( BaP-7,8二氢二醇( BaP-7,8二氢二醇-9，10-环氧化物（致癌物）。 水化反应在致癌物活化中有重要作用。 (三) 水解反应 在水解酶的催化下，化学物与水发生化学反应而引起化学物分解的反应。 血浆、肝、肾、肠、肌肉和神经组织中均含有多种水解酶。 1、脂类水解反应： 脂酶在体内广泛分布。酯类在酯酶的催化下发生水解反应生成相应的酸和醇 RCOOR’+H2O(RCOOH+R’OH 水解反应是许多有机磷杀虫剂在体内的主要代谢方式，例如，敌敌畏、对硫磷（或对氧磷）及马拉硫磷等水解后毒性降低和消失。 2、酰胺类水解反应： 酰胺：是羧酸中的-OH被-NH2所取代而形成的产物。通式：R-CO-NH2或R-CO-NH-R’。 R-CO-NH-R’ +H2O( R-COOH+R’NH2 杀虫剂乐果可通过此类水解反应降解和解毒。 3、水解脱卤反应： DDT在生物转化过程中形成滴滴伊（DDE）是典型的水解脱卤反应。DDT-脱氯化氢酶可催化DDT和DDD转化为DDE。在此催化过程中需要谷胱甘肽的存在，以维持该酶的结构。人体吸收的DDT约60%可经此反应转化为DDE。DDE的毒性远较DDT为低，且DDE可继续转化为易于排泄的代谢物。 例如：DDT水解脱卤(DDE(毒性降低、可继续转化为易排泄物) (Cl-C6H4)2>CH-CCl3 +H2O ( (Cl-C6H4)2>C=CCl2+HCl 昆虫特别是蚊蝇类，体内DDT-脱氯化氢酶活性较高，故对DDT耐药性强，可将DDT与抑制该酶活性的杀螨醇联合使用。 4、环氧化物的水化反应 水化反应：含双键或三键化合物在酶催化下与水分子结合。 最简单的水化反应是乙烯与水结合形成乙醇的反应。 H2C=CH2 + H2O CH3CH2OH 芳烃类和脂肪族烃类化合物经氧化作用形成的环氧化物，在环氧化物水化酶的催化下通过水化反应可形成相应的二氢二醇化合物。 三、第二相反应（结合反应，Conjugation）：从极性到亲水性 结合反应是进入体内的外源化学物在代谢过程中与某些其他内源性化学物或基团发生的生物合成反应，形成的产物称结合物。 外源化学物可直接发生结合反应，也可经第一相反应后再发生结合反应（第二相反应）。大多数外源化学物及其代谢产物均需经过结合反应，再排出体外。 经过Phase I反应，使外源物增加了极性基团，易与具有极性基团的内源性化合物（Endogenous)发生结合反应?进一步增加极性和水溶性?排泄消除。也有例外。 Endogenous compounds: 葡萄糖醛酸； 硫酸：含硫氨基酸代谢产物； 谷胱甘肽：G-SH； 乙酰基：乙酰辅酶A； 氨基酸： 甲基：主要由S-腺苷蛋氨酸提供。 Aromatic：芬芳的 Alcohol：酒精、酒 Epoxide：环氧化物 organic halide：有机卤化物 hydrazine：联氨，肼 葡萄糖醛酸结合反应（Glucuronic conjugation） 在葡萄糖醛酸基转移酶（Glucuronyl transferase, GT）催化下，将葡萄糖醛酸基结合到外源化学物的-OH、-COOH等极性基团上。 主要在肝微粒体中进行，肾、肠粘膜和皮肤中也可进行。在结合反应中占有最重要的地位。 葡萄糖首先需要经过UTP活化。 （二）、硫酸结合反应(Sulfate Conjugation) 内源性硫酸来自含硫氨基酸的代谢产物，但必须先经三磷酸腺苷（ATP）活化，成为3?-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸（PAPS），再在磺基转移酶（Sulfotransferase）的催化下与醇类、酚类或胺类结合为硫酸酯。 通常，硫酸结合后，亲水性大大加强,毒性降低。但也存在毒性增加的情况。 （三）谷胱甘肽结合(Glutathione conjugation) 在谷胱甘肽S-转移酶的催化下进行 存在于肝、肾细胞的微粒体中 可与卤代芳香烃、卤代硝基苯、环氧化物等结合 体内重要解毒机制。 谷胱甘肽的结构： 在谷胱甘肽S-转移酶的催化下，环氧化物卤代芳香烃、未饱和脂肪烃类及有毒金属等与谷胱甘肽(GSH)结合，产生谷胱甘肽结合物而解毒。！！体内大量亲电子化合物的出现，将使GSH耗竭，出现严重损害 （四）其他结合反应 1、乙酰结合：在乙酰转移酶的催化下，芳香胺类，酰肼类、磺胺类化合物与乙酰辅酶A结合。存在于肝、肠粘膜细胞。 可掩盖胺类毒物中具有重要生物活性的氨基，但乙酰化后，水溶性降低。 2、氨基酸结合 　含有羧基（-COOH）的外源化学物如有机酸可与氨基酸结合，反应的本质是肽式结合，以甘氨酸多见。 3、甲基结合 各种酚类（特别是多羟基酚）、硫醇类、胺类及氮杂环化合物（如吡啶、喹啉、异吡唑等）在体内可与甲基结合，也称甲基化。甲基主要由S-腺苷蛋氨酸提供，其次可由N5-甲基四氢叶酸衍生物和B12（甲基类咕啉）衍生物提供。蛋氨酸的甲基经ATP活化，成为S-腺苷蛋氨酸，再经甲基转移酶催化，发生甲基化反应。 由甲基转移酶催化，由S-腺苷氮氨酸提供甲基 可甲基化的化合物：多酚类、硫醇类、胺类、氮杂环化合物、重金属等 体内生物胺失活的主要方式，但产物水溶性常降低。 甲基嵌入位置：-O, -N,-S 4、环氧化物水解酶（Epoxide hydrolase) 四、生物活化生物转化的作用： 通常：转化(极性及水溶性增加(易于排泄(毒性降低或消失(生物失活(bio-inactivation) 例外：转化(水溶性降低、毒性增加(生物活化(bi0-acivation)。例如：对硫磷(对氧磷；乐果(氧乐果；磺胺类+乙酰基(水溶性降低。 五、生物转化的复杂性 (一) 生物转化的多样性 同一污染物在体内可能存在不同的代谢方式,形成不同的代谢产物,产生不同的毒性. (二) 生物转化的连续性 毒物在体内的转化常由一系列反应构成,当其转化的连续性受到干扰时,常会引起毒性的变化 (三)代谢转化的两重性 解毒与生物活化(毒性加强) (四)代谢饱和状态 毒物的代谢途径,可因剂量的不同产生差异 当基质剂量超过某代谢途径的代谢能力时，代谢物的产量不随时间而增加．出现新的代谢途径，形成不同的代谢产物．产生不同的毒性． 六、影响生物转化的因素 （一）物种差异和个体差异 　　在I相反应和II相反应中，污染物的生物转化均存在显著不同． １、代谢酶的种类不同；污染物的代谢途径和方式不同，污染危害炯异。例如： 猪没有芳香胺乙酰化酶 猫缺乏N-乙酰转移酶和UDP葡萄糖醛酸转移酶； 豚鼠没有甘氨酸结合反应，而猪没有硫酸结合反应。 2、代谢酶的活性不同。 个体差异： 主要是酶活力的差异． 例１：芳烃羟化酶（AHH）：使芳烃类化合物羟化，产生致癌活性． 　　AHH活性高的人，患肝癌的危险度比活性低的人高３６倍． 例２：１６－?－羟化酶：使雌酮和雌二醇转化为雌三酮。前者致癌，后者不致癌。 　　活性低的人，易患乳腺癌。 （二）生理因素 包括年龄、性别、昼夜节律等 1、年龄 年龄在生物转化中起着重要作用。I相反应和II相反应的酶活性从出生到老年有着不同的变化过程． 不同年龄有害物所表现的毒性不同． 凡经代谢转化解毒或降低毒性的外源物对幼年、老年的毒性大。 ２、性别与激素 雌、雄两性对外源性化合物的生物转化存在性别差异。主要由性激素决定。 从性成熟到成年，雄性代谢转化能力和代谢酶活力高于雌性。 对雌性毒性更高的有害物： 　环己巴比妥，对硫磷，甲胺磷，苯硫磷，乐果，敌敌畏，敌百虫，马钱子碱等； 对雄性毒性更高的有害物： 　马拉硫磷、艾氏剂，麦角生物碱，洋地黄毒苷，烟碱等 ３、昼夜节律 生物转化的酶活性存在昼夜节律，与内分泌功能的昼夜节律有关。如大鼠在一天的黑暗阶段对外源化学物的生物转化速度较高。 （三）饮食营养状况 包括蛋白质、不饱和脂肪酸，维生素等 蛋白质缺乏：CytP450和NADP-CytP450还原酶活性降低．对外源性化合物的转化速度降低． 　六六六，马拉硫磷，DDT，黄曲酶素等毒性增强． 不饱和脂肪酸过多或不足： CytP450酶活性降低． VA, VE, VC缺乏： CytP450酶活性降低 Vc缺乏：苯胺羟化反应减弱 VB缺乏： NADP-CytP450还原酶活性降低 （四）代谢饱和状态 毒物的浓度或剂量能影响毒物的代谢状况，并因此影响毒物的毒性作用。 机体吸收毒物后，随毒物在体内的浓度增高，单位时间内代谢酶对毒物催化代谢形成的产物量也随之增高，但当毒物量达到一定浓度时，其代谢过程中所需的基质可能被耗尽或者参与代谢的酶的催化能力不能满足其需要，单位时间内的代谢产物量不再随之增高，这种代谢途径被饱和的现象称为代谢饱和。 （五）代谢酶的抑制和诱导 抑制：一种物质使另一种物质的生物转化受到抑制的过程． 1）特异性抑制，一种外源化学物对某一种酶有特异性抑制作用，使该酶催化的生物转化受抑制。 2）竞争性抑制。参与生物转化的酶系统一般对底物的专一性不高，几种不同的化学物均可为同一酶系统的底物；当一种外源化学物在体内过多时，可抑制该酶系对另一种化学物生物转化的催化作用。 诱导：一些物质可使某些代谢酶活性增强或酶含量增加的现象． 诱导的结果将对其它外源化学物的生物转化产生促进作用。由于外源化学物经生物转化后有的毒性降低、有的毒性增高，所以对酶诱导的后果应全面分析，不能单纯强调其解毒的一面。 第四节　污染物的代谢动力学 一、基本概念 1、代谢动力学（toxicokinetics)：用数学方法研究毒物的吸收、分布、生物转化和排泄等代谢过程随时间变化的规律 目的：了解毒物在体内的消长规律，为毒物的安全性评价提供依据。 2、室 室又称房室,其含义是假设机体是由一个或多个室组成。在室内，外来化学物的浓度随时间而变化。在线性动力学模型中，室不代表解剖学的部位，而是理论假设的机体容积。 隔室(compartment)：毒物吸收进入血液，并随血液进入全身各组织，不同组织对毒物的亲和力不同，对毒物的转运速率不同。 若毒物转运速率高，能迅速与体内各组织达到平衡，则可将机体作为一室模型。 若毒物在不同组织和器官中的转运速率不同，则将血流丰富，能与血液迅速达到分布平衡的组织和器官与血液一起，称为中央室；其它血流量少毒物穿透速率慢的组织，称为周边室。周边室有一个或多个，可用二室模型或多室模型描述。 ）3、几个主要参数 （１）表观分布容积（Vd, apparent volume of distribution）: 体内毒物总量（D）与血液中毒物浓度（C）之比： Vd=D/C (L, ml,或L/kg, ml/kg) Vd越大，表明毒物在体内分布越广，毒物容易与组织或器官结合，血液中浓度低；反之，表明毒物不容易被组织吸收，血液中浓度高． 若Vd已知，则根据Ct，可计算当时的体内毒物量。 Dt=VdCt （２）半衰期（T1/2）： 某种毒物在体内含量减少一半所需要的时间。与消除速率常数(K)成反比： T1/2=0.696/K 　 一般亲水性毒物半衰期短，亲脂性毒物半衰期长。 （3）消除速率常数(K)：单位时间内毒物在体内的消除数量与体内数量的比例常数。 K=(dD/dt)/D K=0.1h-1,表示每小时有１０％的毒物从体内消除． （４）消除率(Cl, clearance rate)： 单位时间内毒物消除量与血浆中毒物浓度之比： 　　　Cl=消除速率／血浆浓度＝dD/dt/C=KD/C=KVd 单位： L/h, ml/min等 4、一级速率过程 ?一级速率过程指化学物在体内随时间变化的速率与其浓度成正比，线性动力学模型符合一级速率过程。其公式为： ?dC/dt = －keC (2-1) ?式中dC/dt 代表化学物浓度随时间变化率，ke 代表速率常数， ?C代表体内化合物浓度。 二、一室模型 一室模型或称单室模型，是将机体视为单一的室, 指外来化学物进入机体后，能迅速均匀地分布于整个机体之中。 1、模型假设 毒物直接进入血液； 毒物迅速分布并在各组织和器官中建立平衡。 2、可用于描述： 毒品静脉注射； 一些口服药品。 3、模型： 消除速度与与血液中毒物浓度成正比 以InC与时间t作图成直线，外延到纵轴的截距为Co，直线斜率即为ke。 三、两室模型 大多数外来化学物进入机体后，从血浆（包括体液）到组织脏器间有一个逐步分布与逐步达到平衡的过程，并非迅速和均匀地分布到全身。对化学物这种动力学过程可应用多室模型来表达，而其中以二室模型为多。二室模型是以“Ⅰ室”表示血浆（或包括体液），而以“Ⅱ室”表示组织脏器，“Ⅰ室”也可称为中心室（中央室），“Ⅱ室” 也称为周边室。 １、假设： 毒物直接进入血液； 将机体分为中央室和周边室。毒物进入血液后，迅速向中央室分布，浓度迅速下降，称为分布相（(－阶段）；此后，血浆毒物浓度缓慢下降，反映毒物从体内得排除过程，称为消除相（(－阶段）． ２、应用 　多数毒物在体内得运转符合两室模型。 ３、模型 4、参数计算。采用剩余法计算。 当t足够大时（分布相之后），由于(>>(，Ae^(- (t)(0, 因此有 C*=Be^((t) 应用举例 某大鼠体重３００g, 静注化学物６.0mg,血浆中该化合物的浓度变化： 解：用半对数纸作图。可用二市模型描述。 后4点呈直线。拟合有： lgC*=0.4893-0.08407t B=lg-10.4893=3.0852 (mg/L) (=0.08407/0.4343=0.1936 (h-1) 计算前３点的剩余浓度Cτ(见表）。将 lgCτ对时间作直线回归，得： lgCτ=0.9680-4.5240t A=lg-10.9680=9.29(mg/L) (=4.5240/0.4343=10.4167 (h-1) 因此，拟合模型为： 第五节 环境化学物的毒性作用机理 一、基本概念 1.毒物（Toxicant）：能引起机体暂时或永久性损害，甚至导致死亡的物质。 2.毒性（toxicity）：毒物引起生物体损害的性质和能力。 3.中毒（Toxication）：有害物引起生物机体出现功能或器质性改变而出现的疾病状态。 4.危险性（Risk）与危害性(hazard)： 危险性（危险度）：在特定接触条件下，对有害物造成损害的可能性大小的定量估计。 危害性：化学物质对人群造成损害的可能性。 5. 剂量（Dose）：机体接触的外源化学物的数量。多种表示方法。 剂量的单位通常是以单位体重接触的外源化学物数量（mg/kg体重）或机体生存环境中的浓度（mg/m3空气，mg/L水）表示。 剂量是决定外源化学物对机体造成损害作用的最主要因素。同一种化学物，不同剂量对机体作用的性质和程度不同。 常用毒理学剂量参数 (1). 致死剂量（Lethal dose，LD）：以死亡为观察指标的外源化学物的量。 绝对致死剂量（LD100)：能引起所观察的个体全部死亡的最低剂量。 半数致死剂量（LD50)：能引起所观察的个体50%死亡的剂量。 最小致死剂量（MLD、LDmin、LD01)：引起群体中个别死亡的最低剂量。低于此剂量，不会出现死亡。 最大耐受剂量（MTD、LD0）：一个群体中不会引起死亡的最高剂量。 (2). 半数效应剂量（ED50）：外源物引起机体某项生物效应发生50%改变所需要的剂量。 半数致死浓度（LC50），即能引起一群个体50%死亡所需的浓度。一般以mg/m3空气和mg/L水来表示。 半数耐受限量（TLm），也称半数存活浓度，是指在一定时间内一群水生生物中50%个体能够耐受的某种环境污染物在水中的浓度，单位为mg/L。 (3).最小有作用剂量（MEL） 也称中毒阈剂量或中毒阈值，指外源化学物按一定方式或途径与机体接触时，在一定时间内，使某项灵敏的观察指标开始出现异常变化或机体开始出现损害作用所需的最低剂量。 (4). 最大无作用剂量（MNEL） 又称NOEL或称NOAEL，指外源化学物在一定时间内按一定方式或途径与机体接触后，用目前最为灵敏的方法和观察指标，未能观察到任何对机体损害作用的最高剂量。 (5).无可观察效应剂量（No-observed-effect level, NOEL）：又称未观察到作用剂量，不能观察到任何效应的最高剂量。 ⑹无可观察有害效应剂量（No-observed-adverse-effect level, NOAEL）：又称未观察到有害作用的剂量，不能观察到有害效应的最高剂量。 ⑺可观察有害效应最低剂量（Lowest-observed-adverse-effect level, LOAEL）：可观察到有害效应的最低剂量。 6. 效应（Effect)与反应(Response) 效应：一定剂量的外源化学物与机体接触后所引起的生物学变化。 反应：一定剂量的外源化学物与机体接触后，呈现某种效应并达到一定程度的比率，或产生效应的个体在群体中所占的比例。 二、急性毒作用带(Zac) 急性毒作用带是指毒性上限与毒性下限之比值，一般以LD50（LC50）代表毒性上限值，急性阈值（Limac，常以NOAEL作为其近似值）代表毒性下限值，即Zac=LD50（LC50）／Limac 。 Zac值的大小反映急性阈剂量（阈浓度）距离LD50（LC50）的宽窄。Zac值大，表示受试化学物引起急性毒性的阈剂量距引起死亡的剂量之间的剂量范围大，引起急性中毒死亡的危险性小；反之表明引起死亡的危险性大。 三、剂量效应（反应）关系 是进行毒物毒性评价的基础，通过毒理学试验获得。 剂量—效应关系：描述外源性化学物的剂量水平与所引起的个体或群体的量效应之间的相互关系； 剂量—反应关系：描述外源性化学物的剂量水平与所引起的效应发生率之间的相互关系。 剂量-效应关系和剂量-反应关系均可用曲线表示，即以表示效应强度的计量单位或表示反应的百分率或比值为纵坐标，以剂量为横坐标绘制散点图所得曲线。 1、剂量—效应（反应）关系的基本类型： （1）直线型：Y=a+bx 仅在一些体外试验中一定剂量范围内存在。 （2）抛物线型：Y=x/(kd+x) 将剂量换成对数值后，可转化为直线。 LD50：X=Kd （3）S-形曲线（Logistic growth curve）: 2、毒性分级：LD50或ED50%:环境化学物毒性评价的重要参数。 四、毒性作用的类型 1、局部和全身毒作用： 局部毒作用：在接触部位引起局部性直接损伤。如腐蚀性物质和刺激性气体等。 全身性毒作用：化学物被吸收后随血液循环分布于全身而呈现的毒作用，主要危害靶组织和靶器官。如CO与血红蛋白结合导致全身缺氧。 2、速发和迟发毒作用： 速发毒作用：在一次性接触化学物后短时间内出现毒害作用。如：高毒性物质。 迟发毒作用：接触化学物后在较长时间（几天甚至几十年）内才呈现的毒作用。如：致癌物，重金属等。 3、可逆和不可逆毒作用： 可逆：停止接触化学物后，毒性危害可逐步减轻或消失；如果机体接触化学物的浓度低、时间短、损伤轻，可以是可逆的毒性作用 不可逆：停止接触化学物后，其作用继续存在，甚至损伤可进一步发展。化学物的致突变、致癌变作用是不可逆毒性作用。 与毒物性质和危害组织的再生能力有关。CNS易出现不可逆损伤，致癌物和致突变物不可逆 4、变态反应（过敏性反应）： 是指机体对环境化学物产生的一种有害免疫介导反应，又称过敏性反应。 通过机体免疫系统产生的危害。化学物作为半抗原?与内源性蛋白质结合?激发抗体形成。抗体+抗原?过敏反应。 5、特异体质反应： 由遗传决定的特异体质对某种化学物的异常反应。缺乏NADPH高铁血红蛋白还原酶的人，对亚硝酸盐敏感。 五、毒性作用的机制 外源化学物的毒作用机制十分复杂，了解毒作用机制对于毒性评价和毒性防治具有重要作用。 毒害作用过程涉及多个步骤： 接触?吸收?转运?靶部位?分子结构变化，功能紊乱?修复?修复失调?毒性效应。 （一）毒物的转运 转运：毒物从接触部位向其作用部位的运输过程。 毒性强度：终毒物在作用部位的浓度与持续时间 （二）毒物对靶位点（分子）的作用 1、靶位点学说： 毒物产生毒性作用的位点，称为靶位点。 终毒物在靶位点达到某种浓度，并与靶位点结合，导致靶位点分子结构和功能的改变，是产生有害生物学效应的基础。 靶位点：接触污染物的部位；污染物转化、累积部位，如肝、肾等。 2、共价结合学说 毒物与靶分子的反应方式：共价结合、氢键、电子转移、酶反应、氢原子摘取。 共价结合：不可逆反应，结构的永久性改变。 毒物与生物反应活性中心共价结合： 与核酸结合 RNA, DNA 共价结合，氢键结合． 　 导致遗传信息的错误表达。污染物代谢产生的终毒物： 亲电子结构：自由基， 环氧化物 亲核结构：羰离子、硝离子等。 　它们可攻击核酸碱基的不同位点． (2) 与蛋白质和酶结合。 与酶的活性中心结合。 ?Cyt aa3中的Fe结合：CO, CN, 叠氮化物，硫化物等． ?-SH基：许多重要酶的活性中心．可与多种重金属（Cd, Hg, Pb, As等）结合． (3)脂质：能直接与脂质共价结合的化合物不多．部分有机卤化物． ３、自由基作用学说 ?自由基：含有未配对电子的原子或分子。可通过共价键均裂或电子浮获产生。 　　　　CH3:H(CH3?+H? CCl4+e (CCl3?+Cl- 具有极高的反应活性。可攻击核酸、蛋白质、脂质等生物大分子，导致结构和功能的异常，出现癌变、畸变、细胞死亡等。 ⑴生物体内自由基的产生. 某些污染物生物代谢过程中可产生自由基中间产物, 由MFOS酶系统中的NADPH-CytP450还原酶，或NADH-CytB3还原酶催化： 　　这些污染物包括：硝基、氨基化合物，芳香族化合物，喹啉、CCl4等。 MFOS酶系统活性，被某些污染物诱导后，可使另一些污染物的自由基产生量及损伤作用大大增加．如卤代烃，PCB，BaP等可诱导MFOS活性增加，从而使氯乙烯、醋氨酚等的自由基作用增强。 活性氧系统： 　　生物体内污染物或内源性物质在生物转化过程中可产生一系列氧自由基。包括： 　　羟基自由基（OH?）、　超氧化阴离子自由基（O2-?） 　　氢过氧自由基（ HO２-?）、单线态氧（1O2） 　　过氧化氢（H2O2）等． ((可导致细胞膜破坏，心脏毒性，神经毒性，氧化胁迫，　癌症等． 　　由生物体内氧的单电子还原，NADPH-CytP450还原酶催化． （２）自由基的危害 A 自由基对核酸的攻击 所有核酸成分都能被自由基攻击．可导致： 　DNA主链断裂、单股DNA链断裂，碱基降解、氢键断裂。 靶位点：腺嘌呤、鸟嘌呤的C8位，嘧啶的C5＝C6双键等． 当DNA损伤不能修复时，即产生突变． B 自由基对蛋白质的攻击 酶：分子交联或断解。硝基和亚硝基攻击氧合血红蛋白形成高铁血红蛋白，导致高铁血红蛋白症。 膜蛋白：干扰细胞内离子稳态。特别是钙稳态。 C 自由基对脂质的攻击 对不饱和脂肪酸的攻击，导致脂质过氧化（p49, 图３－３），损害细胞膜的结构合功能． （3） 体内防御系统： SOD歧化酶，过氧化氢酶（CAT），谷光苷肽过氧化酶(GSH-Px), GSH, VA, VE, Vc、胡萝卜素等。 例如：SOD歧化酶催化： 　 O2-?+SOD-Cu2+ (O2+ SOD-Cu+ O2-?+SOD-Cu2+ +2H+(H2O2+ SOD-Cu+ （4）污染物对自由基防卫系统的影响 重金属 Pb2+可抑制血红细胞中的SOD－ZnCu活性； Cd2+：抑制心肌细胞SOD－ZnCu和GSH-Px; Ni2+:抑制SOD, CAT, GSH-Px等，引起多种细胞脂质过氧化； Pb2+, Cd2+, Hg2+, Ni2+, Ag+, Cu2+, Co2+等均可与GSH结合，形成复合物，消耗体内GSH． 　Cr6+可使GSH氧化为GSSG: 2[HCrO4]-+6GSH+nH+?3GSSG+2Cr3++n[H2O] B. 有机毒物 　PCBs, 氯仿，苯烯晴，溴苯，硝基苯，CCl4，氯乙酰胺，三甲基胆蒽，三硝基甲苯，1,２-二溴乙烷和醋氨酚等 均可导致体内GSH等自由基清除系统的大量损耗，引起细胞氧化性损伤． 乙醇：代谢过程中可产生OH?和乙醇自由基，可使肝细胞的GSH氧化成GSSH.。　 C. 有害气体和粉尘的自由基作用 　　O3, NOx, SO2, 香烟烟雾，汽车尾气，煤烟等对肺的毒害作用，也与肺的氧化性损伤具有密切作用． 　　SiO2被肺巨噬细胞吞噬后，可引起巨噬细胞内H2O2，O2和OH?含量增加． ４、受体学说 受体：存在于细胞膜上对特定生物活性物质具有识别能力并可选择性地与其结合的大分子蛋白质。 生物活性物质：能引起生物效应的各种物质。包括污染物。 配体：对受体具有选择性结合能力的生物活性物质。 作用机制： 腺苷环化酶（C-AMPase）： M（毒物）(C-AMPase活化(催化ATP (C-AMP（环腺苷酸，第二信使） (催化蛋白质磷酸化(膜透性等改变(生理效应 Ca2+与钙调蛋白复合物的形成： Ca2+：细胞中的另一第二信使 正常细胞保持严格的钙稳态：胞外10-3 mmol/L，胞内10-7 ~ 10-8 mmol/L。 M + Acceptor ( 激活磷 酯酶(磷酯酸肌醇水解( Ca2+增加（ 10-4~ 10-5 mmol/L） (钙调蛋白复合物(系列酶非生理性激活： 环核苷磷酯酶；脑腺苷酶；蛋白激酶、磷酸化激酶等 M：硝基酚、醌、过氧化物、醛类、二恶英、重金属Cd、Pb、Hg等 （三）毒物引起的细胞功能障碍 六、影响毒性作用的因素 环境化学物的结构和性质 机体状况 接触条件 环境因素 环境化学物的结构和性质 研究外源化学物的结构与毒性之间的关系，有助于通过比较来预测新化合物的生物活性、作用机理和安全限量范围。 1、化学结构：构效关系研究 影响其毒作用的性质 影响毒作用的大小。 （1）化学性质与毒作用性质 苯环上的氢被不同基团取代产生不同的毒性 苯：麻醉作用、抑制造血机能； 甲基苯、二甲基苯：对造血机能抑制作用不明显； 苯胺、硝基苯：形成高铁血红蛋白、肝脏毒性。 多环芳香烃： 三环以下的无致癌活性； 五环的具有明显致癌活性； 七环以上的母体化合物无致癌活性 （2）毒性大小与结构 a、同系物中的碳原子数 碳氢化合物（烷、醇、酮等）： ◆当碳原子数在2~7之间时：随C数的增加毒性增加。 超过一定限度(7 ~9个)后：随C数的增加毒性下降。 如：毒性戊烷<己烷<庚烷，但辛烷毒性迅速降低 ◆当碳原子数相同时：直链的>支链的；成环的>不成环的； b、卤代 烷烃类对肝脏的毒性可因取代的卤素原子的增加而使分子极化程度增加，易与酶系统结合而使毒性作用增强。 如： 烷烃类的肝脏毒性： CCl4>CHCl3>CH2Cl2>CH3Cl 麻醉作用：CHCl3>CH2Cl2>CH3Cl> CH4 c、羟化 芳香族羟化，分子极性增强，毒性增强。如：苯引入羟基而成苯酚，后者具弱酸性，易与蛋白质中碱性基团结合，与酶蛋白有较强亲和力，毒性增强。多羟基的芳香族化合物毒性更高。 脂肪烃的麻醉作用，引入羟基成为醇类，麻醉作用增强，并可损伤肝脏。 d、烃基 非烃类化合物中引入烃基，使脂溶性增高，易于透过生物膜，毒性增强 烃基结构可增加毒物分子空间位阻，使毒性增加或减少。 e、构型： ①同分异构体：一般对位>邻位>间位，但也有例外。 ②旋光异构 2、物理性质与毒性 溶解性、挥发性、分散度 ①脂∕水分配系数 即化合物在脂（油）相和水相的溶解达到平衡时的平衡常数，称为脂（油）∕水分配系数。一般，脂溶性高的毒物，易于吸收且不易排泄，大体内停留时间较长，毒性较大。 ②电离度： 弱酸或弱碱有机化合物，电离度越低，非离子型比率越高，越易吸收，发挥毒效应；反之，离子型比率越高，虽易溶于水，但难于吸收，且易随尿排出。 ③挥发度和蒸气压： 易挥发蒸气压大的化学物质，易于污染空气，并经呼吸道进入机体。如：苯与苯乙烯，绝对毒性相同，但苯易挥发，实际危害更大。 ④分散度： 粉尘、烟和雾状大气污染物，粒子越小，分散度越大，比表面积越大，生物活性超强。 ⑤纯度： 杂质可能影响或增强，甚至改变原化合物的毒性作用。如：除草剂2，4，5-T致畸性主要由于含杂质四氯二苯二口恶英(TCDD)。 （二）机体的状况 1、种属、年龄、性别、营养与健康状况、遗传因素、生物节律 （三）接触条件 接触途径： 一般对于同种毒物：呼吸道（静脉注射）>腹腔注射>胃肠道>皮肤吸收 七、环境化学物的相互作用（联合毒性作用） 环境和食品中许多有害化学物往往同时存在。同时暴露在多种化学物下所产生的毒害效应与单一化学物存在时的效应在危害方式和强度上均可能不同。 (一)、化学物之间的相互作用发生阶段： 两种或两种以上化学物的相互作用可以表现在致毒过程的不同阶段。 1、接触暴露阶段：在环境或食品中发生物理、化学反应： A+B(A(B(C) (new toxicity) 例1：NO3-+胺(硝胺（Carcinogenic) NO3-:肉类、蔬菜 胺：天然产物、食品等 例2：无机汞在环境中的甲基化反应。 2、毒物动力学阶段：一种物质的存在可影响另一种物质的毒质动力学过程。 吸收：VB2+脂肪(易吸收 Fe、Zn、Ca抑制吸收 转化：一种物质激活或抑制另一种物质的转化酶(促进或抑制另一种物质的转化。 A ( Enzyme (Adjust B 例如：二硫氨基甲酸（造纸工业杀菌剂） (抑制甲醛脱氢酶(血液中甲醛累积(加重酒精中毒 分配排泄：例如： EDTA、BAL(C3H%(SH)3 (加速体内重金属排泄 体内化学反应： 3、毒效阶段(生理拮抗 例1：DDT (CNS激活 巴比妥(抑制CNS。 (巴比妥用于减轻DDT的毒害。 例2： 改变血液电解质浓度(影响化学物的毒性和排泄。 （二）联合作用的类型 1、基本概念 毒性单位（Toxic Unit）：T=D/ED50 ED50：半数效应剂量 2、联合作用类型 （1）相加作用（Addition）：多种环境化学物同时作用于机体所产生的生物学作用的强度是各自单独作用的总和，此种作用称为相加作用。 多在化学性质相近或属同系，靶器官相同，作用机理相似的化学物质间发生。 M=M1+M2 丙稀晴、乙晴 （2）协同作用（Synergism）：两种或两种以上环境化学物同时作用于机体，所产生生物学作用的强度远远超过各化学物单独作用强度的总和，此种作用称为协同作用。 与化合物间促进吸收、延缓排泄、干扰体内代谢有关。 M>M1+M2 稻瘟净与马拉硫磷 （3）拮抗作用（Antagonism）：两种环境化学物同时作用于机体时，其中一种化学物可干扰另一种化学物的生物学作用，或两种化学物相互干扰，使混合物的毒作用强度低于各自单独作用的强度之和，此种作用称为拮抗作用。 M<M1+M2 二氯乙烷与乙醇 （4）独立作用(independent jiont action)：两种或两种以上的环境化合物作用于机体，各自的作用方式、途径、受体和部位不同，彼此互无影响，仅表现为各自的毒作用，对此称为独立作用。 M=M1+M2（1-M1） （5）增强作用（Potentiation）：一种环境化学物本身对机体并无毒性，但能使与其同时进入机体的另一种环境化学物的毒性增强，此种作用称为增强作用或增效作用。 联合作用类型的评定—— （1）毒性指数法 MTI=(logM0-LogM)/LogM0 式中：——所有毒性单位总和； （2）联合作用系数法 首先采用急性毒性试验，测定单个化合物和混合物的LD50。 其次，计算联合作用系数（K） 2．等效应线图法 本法只能评定两个化合物的联合作用，其原理是在试验条件和接触途径相同情况下分别求出受试的甲、乙两种化合物的LD50及其95%可信限。 第六节 化学物的致突变、致癌变及致畸作用 一、化学物的致突变作用 物种的遗传稳定性：DNA的特殊结构，精确复制、高保真修复。 变异(variation)：在物种的各个体和各代之间的种种差异。 突变(mutation):可遗传的变异。(源于基因和染色体的变异)。 研究发展: Mendel(1822~1884):19世纪下半叶发现遗传物质； De Vries Correns和Tschermark 1900年独立发现。 Mendel发现的遗传物质被De Vries 称为基因； De Vries：1901年首先提出了基因突变（Mutation)理论，奠定了基因毒理学的基础。 Muller:1927年首次成功应用X-线使果蝇发生突变； Auerback和Robson:1943年首次阐明化学物可诱发果蝇突变。 Cattanck:1966首次报道化学物可引起乳动物（小鼠）突变 （一）诱发突变的类型 基因突变、染色体畸变、染色体分离异常 1、基因突变（ gene mutation，点突变） （1）碱基替换（Base-pair substitution)：碱基配对性能的改变或脱落引起的突变。 碱基：腺嘌呤（A, Adenine) 鸟嘌呤（G, Guanine) 胞嘧啶（C, Cytosine) 胸腺嘧啶（T, Thymine) A-T; G-C, 三个碱基对构成一个密码子。 引起碱基置换的方式： 类碱基的引入： 正常碱基对的化学改变； 化学物与碱基结合 碱基对的自发突变 （2）移码： DNA中增加或减少一对或几对不等于3的倍数的碱基对导致的突变。 化学物：氮蒽（杀菌剂）、二氨基丫啶 （3）DNA大段损伤 DNA链大段缺少或插入。 DNA链断裂后修复错误； 减数分裂过程中错误连接。 2、染色体畸变(chromosome mutation )： 染色体结构异常：染色体或染色单体断裂或错误修复。 3、染色体分离异常 （二）DNA损伤的修复 1、复制前修复 光复活： 最常见的紫外线对DNA的损伤：相邻2个胸腺嘧啶形成二聚体。 修复：在长波紫外线或短波可见光诱导下，光裂合酶可催化嘧啶二聚体进行单体化。在人类未得到充分证明。 “适应性”反应: 低剂量烷化剂可诱导一种专一蛋白质（酶）的合成，这种酶称为烷基转移酶或烷基受体蛋白。 可将结合到碱基上（鸟嘌呤）的烷基转移到酶本身的半光氨酸-SH基上，恢复嘌呤本身的结构。 多种细胞中存在。 切除修复: 多步骤修复过程。在多种酶的作用下，将受损伤的碱基或异常核苷酸切除。 包括损伤部位识别外切酶、内切酶、连接酶等。 能修复UV、加合等多种形式的DNA损伤。 2、复制过程中的修复 损伤保留至复制时修复，容易发生错误。有些损伤保留至复制时才得以修复。 3‘-5’外切核酸酶，具有校正读码功能，修复复制过程中的错误。 3、复制后修复（SOS修复) 仅限于原核生物。 （三）突变的后果 癌变、畸变、死亡及其它疾病。 化学突变物(Chemical mutagen):可作用于体细胞或生殖细胞,产生不同后果. Mutagen?生殖细胞(精子、卵子): 突变细胞不能与异性细胞结合；胚胎死亡 遗传性疾病：先天性遗传缺陷 Mutagen?体细胞： 胚胎畸形、死亡 肿瘤 据估计，80％一90％的人类癌症与环境因素有关，其中主要是化学因素，约占80％一85％。 （一）化学致癌物的分类 化学致癌作用是指化学物质引起正常细胞发生恶性转化并发展成肿瘤的过程，具有这种作用的化学物质称为化学致癌物。 1、按对人类和动物的致癌性分类：国际癌症研究所(IARC)根据化学物对人类和实验动物的致癌性资料，以及在实验系统和人类其它有关的资料(包括结构—活性关系，吸收、分布、排泄和代谢，一般毒性及遗传毒性)进行综合评价，将化学物质、化学物质类别及生产过程与人类癌症的关系 分为下列四类； 第一类，对人类是致癌物，即对人类致癌性证据充分。 第二类，对人类很可能或可能是致癌物，又分为以下两组： A组：对人类很可能是致癌物，即对人类致癌性证据有限， 对实验动物致癌性证据充分； B组：对人类可能是致癌物，即对人类致癌性证据有限，对实验动物致癌性证据并不充分；或对人类致癌性证据不足，对实验动物致癌性证据充分。 第三类，现有证据末能对人类致癌性进行分级评价。 第四类，对人类很可能是非致癌物。 已知的人类致癌物：p76表4-1。 2、 按作用方式分类 （1）直接致病物：化学物本身直接具有致癌作用，在体内不需要经过代谢活化即可致癌。该类物质一般是烷化剂，它们在体内能释放出亲电子物，同大分子受体结合。如p—丙内醋、硫酸二甲酯、甲烷硫酸甲蓖、氮芥、二氯甲醚等。 （2 ）间接致癌物：化学物本身并不直接致癌，必须在体内经代谢，其所形成的代谢产物才具有效癌作用。大多数致癌物为间接致癌物。如：苯并(s)芘、 8-萘胺、2-乙酰氨基芴、黄曲霉毒素B1、二甲基亚硝胺、联苯胺、氯乙烯 等 ?前致癌物； ?近致癌物； ?终致癌物。 3、按作用机理分类（p77表4-2）： （1） 遗传毒性致癌物：主要由亲电子的致癌物组成，能与DNA产生相互化学作用而引起则A损伤； （2）非遗传毒性致癌物：通常没有与遗传物质相互作用的证据，但从其它生物学效应揭示可以作为致病性的证据。这类物质中很多能增加DNA合成、有丝分裂和细胞复制。包括： ①促长剂：佛波酯(TPA及其衍生物)、苯巴比妥、二丁基羟基甲苯(BHT)、1，8，9-蒽三醇、DDT、TCDD(二恶英)及胆盐等 ②激素调控剂：乙烯雌酚、雌二醇、硫脲等 ③细胞毒剂：次氮基三乙酸、氯仿等 ④过氧化物酶体增殖剂：祛脂乙酯、邻苯二甲酸乙基己酯等 ⑤免疫抑制剂：嘌呤同型物等 ⑥固态物质：塑料、石棉等 （二）化学物致癌作用机理 化学致癌作用机理的研究已有多年的历史，做了大量研究，提出了多种理论或学说，主要可分为两大学派： ①基因机理学派，认为正常细胞恶性变的根本原因在于细胞遗传结构在基因或染色体水平上发生了突变； ②基因外机理学派，认为正常细胞恶性变时细胞DNA的一级结构即基因本身并没有发生改变，而是基因表达的调控失常，从而出现了异常的表型(恶性变细胞)。 目前得到多数人公认的多阶段致癌理论。 多阶段致癌理论 癌基因(oncogene): 能引起细胞恶性转化及癌变的基因，是化学致癌物作用的主要靶分子，在细胞癌变过程中起关键作用. 细胞原癌基因: 本身是正常的细胞基因，是一类调控细胞生长分化的基因组，在进化过程中，高度保守，在胚胎期或组织的再生和修复过程中表达外，通常处于静止状态，在化学致癌物、某些物理因素和生物因素的作用下被激活而进行表达，促进细胞分裂增殖，引起细胞转化，最终形成肿瘤。 抑癌基因(tumor suppressor gene): 作用方式与癌基因相反，它们在正常细胞中起着抑制细胞增殖和促进分化的作用，在环境致癌因素的作用下，抑癌基因发生纯合缺失或失活亦会引起细胞的恶性转化而致癌。抑癌基因必须一对等位基因丢失或突变后失活，才能对细胞的恶性转化起作用，故又称为隐性癌基因(recessive oncogene)。 1、致癌作用的阶段性 a、引发阶段(initiating)是指致癌物与某一组织相互作用导致“引发细胞’’产生的过程，也称为启动阶段。能导致“引发细胞’’产生的物质称为引发剂。 b、促长阶段(promoting )是指促进引发细胞的表型在组织水平表达的过程。具有促长作用的化学物质称为促长剂或促癌物，促长剂单独使用无致病性，必须在给予引发剂后才发挥作用，其作用是非累积性的，必须持续作用，剂量—反应关系显示有可测定的闽剂量。通常认为该阶段早期是可逆的，晚期是不可逆的。 同时具有引发作用和促长作用的化学物质称为完全致癌物，而仅具有引发作用的化学致癌物，则称为不完全致癌物。 C、进展阶段(Progressing stage)是指引发细胞群进一步的表型改变，包括恶性前型转变为恶性型细胞等变化的过程。该阶段是不可逆的。 在不同阶段的生物学特征见表4-3。 2、多阶段致癌过程中的遗传学和非遗传学改变 （1）遗传学改变： 多阶段致病模型的基本前提之一是多种遗传和／或非遗传的改变，涉及多个独立的基因。 引发作用通常被看作是一次突变事件，然而引发作用的机理对不同组织或相同组织的不同引发剂可能不同； 促长作用是由克隆的引发细胞发展为一可见的肿瘤过程，通常有一起始损伤。这个过程至少涉及选择性地影响引发细胞蹭殖作用的某些非遗传因素。促长作用的结果是导致良性肿瘤或癌前细胞灶； 进展阶段：良性肿瘤或癌前细胞灶发展为恶性肿瘤的过程。经历一种或多种额外的可遗传改变。 致癌过程中遗传损伤：单个碱基对的置换到大的染色体改变?基因表达异常，特别是涉及增殖和分化的基因。 目前认为，即使不是全部至少也是大部分肿瘤的进化中涉及癌基因和抗癌基因。原癌基因(proto-oncogene)甚至抗癌基因(anti—oncogene)是一大类控制细胞生长和分化的基因，约占人体全部基因的0.1％一1％，是细胞生长、分化、个体发育、组织修补和生命所必需的。 在外界致癌因素的作用下，部分原癌基因(包括它的调节顺序)发生了结构改变、引起异常的激活成为癌基因(oncogene)，使它们的表达发生质变或量变，特别是失去了时、空的调节控制。推测与这同时也可以使部分抗癌基因失去活性，使某种细胞失去分化或对抗细胞生长的影响或作用，这种作用的总和导致细胞异常生长和恶变。 到1990年，已经发现的癌基因大约有100个。它们的功能各不相同，大体上可归纳为生长因子、生长因子受体、信号转导物、蛋白激酶和转录激活物几大类。目前发现的抗癌基因大约有15种。 （2）细胞增殖 细胞增殖可能在致病过程的每一阶段起作用。 在遗传毒性致癌物的引发作用中，细胞增殖是DNA加合物转变为永久性突变过程的一个必要步骤。细胞增殖还能增强致突变物的效率，一种致突变物或致癌物在可诱致细胞增殖剂量时，其效力比在不诱致增殖剂量时高得多，这是因为加速细胞增殖将使加合物转变为突变之前只有很短的时间用予清除DNA加合物的修复。 在促长作用中，有丝分裂剂可直接诱致靶组织的细胞增殖；细胞毒物导致细胞死亡后继之以细胞再生增殖。 （三）已知主要化学致癌物 1、基因毒性致癌物： a 、DNA烷化剂； b、前致癌剂： 硝基胺、芳香胺、多环芳香烃、杂环芳香烃、卤代烃、肼类 c、DNA干扰剂： Ni、Cr、Pb、Co、Cd、As，可能干扰DNA的修复、与DNA聚合酶反应，干扰DNA的合成、导致染色体变异。 2、非基因毒性致癌物(促进剂）： A、有丝分裂促进剂：选择性促进细胞分裂： 激素、DDT、PCBs、TCDD、糖精等 B、细胞毒物：细胞致死剂．诱发再生生长，突变可能继发于细胞增殖出现，可能引起癌前细胞优先生长。 C、免疫抑制剂