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1、第三章 污染物的生物转运和生物转化生态毒理学生态毒理学 Ecotoxicology污染物在体内的生物转运和生物转化污染物在体内的生物转运和生物转化环环境境污污染染物物血血液液吸吸收收排排泄泄化化学学结结构构和和性性质质改改变变分分布布组组织织脏脏器器代代谢谢产产物物贮贮存存2生物转运和生物转化生物转运和生物转化生物转运(Biotrnsport)污染物通过机体的吸收、分布和排泄过程,体内的空间位置的改变 生物转化(Biotransformation)污染物在体内受代谢酶的作用，污染物的化学结构和性质发生改变，形成新的代谢产物的过程研究的意义 了解吸收过程、分布特征、蓄积性、代谢产物的性质、排泄速
2、度和途径,为阐明毒作用及其作用机理提供科学依据33.1.1 生物膜的结构和功能生物膜的结构和功能脂质双分子层脂质双分子层磷脂分子磷脂分子糖分子糖分子蛋白分子蛋白分子7-10nm3.1 生物转运生物转运4细胞膜的生理学功能细胞膜的生理学功能蛋白质蛋白质u维持细胞完整性和细胞器内部理化性质的稳定u选择性地通过物质，影响物质吸收和排出u细胞识别和信息传递u能量转换u酶类的催化作用3.1.1 生物膜的结构和功能生物膜的结构和功能5很多化学物质的毒性与生物膜有关氰化钾 线粒体内膜细胞色素C氧化酶有机磷化合物 半嵌入质膜的乙酰胆碱酯酶蛋白质 受体 靶器官靶细胞63.1.1 生物膜的结构和功能生物膜的结构和
3、功能研究范例研究范例W.Hu et al./Comparative Biochemistry and Physiology Part C 135(2003)7788 Alterations in cell membrane properties caused by perfluorinated compounds7Effects of PFOS on memebrane fluidity in fish leucocytesNegative controlPositivecontrolPFOS exposedExposure to PFOS significantly increased me
4、mbrane fluidity of fish leukocytes8Alterations in cell membrane properties caused by perfluorinated compoundsEffect of PFOS on mitochondrial electron potential.研究范例研究范例W.Hu et al./Comparative Biochemistry and Physiology Part C 135(2003)7788 Mitochondrial membranepotential was inversely related to th
5、e PFOS concentration.9TCDDPFOS研究范例研究范例W.Hu et al./Comparative Biochemistry and Physiology Part C 135(2003)7788 Interactive effects of PFOS and TCDD on H4IIEluc cell EROD activity10研究范例研究范例W.Hu et al./Comparative Biochemistry and Physiology Part C 135(2003)7788 It is possible that binding of PFOS to
6、proteins could significantly ameliorate the membrane-related effects observed here if the affinity for protein is greater than that for membranes.Interactive effects of E2 and PFOS or E2 and TCDDon MVLN cell luciferase activity3.1.2 化学物质通过生物膜的方式化学物质通过生物膜的方式被动转运(passive transport)简单扩散、滤过特殊转运(speciali
7、zed transport)易化扩散、主动转运、吞噬和胞饮作用11 简单扩散简单扩散(Passive transport)毒物从细胞膜的高浓度一侧向低浓度侧扩散，直到两边的浓度达到平衡。影响因素：浓度梯度，脂/水分配系数、解离度和体液pH、蛋白质亲和力R：转运速率 K：为扩散系数A：膜面积 D：膜厚度C:膜两侧浓度脂溶性物质脂溶性物质简单扩散的特点简单扩散的特点 1.1.不消耗能量不消耗能量 2.2.不需要载体不需要载体 3.3.无饱和限速无饱和限速 4.4.无竞争性抑制无竞争性抑制 5.5.符合一级速率过程符合一级速率过程被动转运被动转运12滤过滤过(Filtration)毒物通过生物膜上的
8、亲水孔道(如毛细血管、肾小球膜孔和细胞膜上由蛋白质的亲水性氨基酸构成）的过程。影响因素：分子量(100200)膜内外流体静压或渗透压差被动转运被动转运13主动转运主动转运(Active transport)化学物质伴随能量消耗，从细胞膜的低浓度侧向高浓度侧扩散过程。脂溶性低的化学物特点：1.逆浓度梯度转运 2.载体 3.能量代谢 4.选择性 5.饱和性 6.竞争性14特殊转运特殊转运(specialized transport)易化扩散易化扩散 (Facilitated diffusion)脂溶性低的化学物质,利用载体由高浓度处向低浓度处转运过程。特点：1.不需要能量 2.通过载体转运 3.具
9、有一定的选择性和主动性水溶性分子葡萄糖等主动转运主动转运(Active transport)15吞噬作用吞噬作用(Phagocytosis)胞饮作用胞饮作用(Pinocytosis)固态颗粒物或液滴与细胞膜上的某些蛋白质具有特殊亲和力。颗粒物与该蛋白质接触后，通过结合部位细胞膜的变形和收缩，把颗粒物包入细胞内的过程。吞噬作用胞饮作用液体或极小的颗粒物质较大的固体颗粒物质主动转运主动转运(Active transport)163.1.3 环境污染物的吸收环境污染物的吸收(Absorption)污染物在接触部位通过生物膜，进入血液的过程。吸收途径消化道吸收呼吸道吸收皮肤吸收其他：腹腔、皮下、肌肉和
10、静脉注射等17人体消化系统解剖图人体消化系统解剖图(一一)消化道吸收消化道吸收18胃组织学结构胃组织学结构HE染色 40倍HE染色 400倍(一一)消化道吸收消化道吸收19脂脂/水分配系数与消化道吸收率的关系水分配系数与消化道吸收率的关系消化道吸收率（%）脂/水分配系数甘露醇乙酰苯胺巴比妥酸乙酰水杨酸苯胺硫喷妥(一一)消化道吸收消化道吸收20影响消化道吸收的因素影响消化道吸收的因素 胃肠道对环境污染物的主要吸收方式：简单扩散、过滤和载体中介吸收影响因素 胃肠道pH，解离度和脂溶性 胃肠道内容物的种类和数量、排空时间及蠕动状态 溶解度和分散度 消化道中的多种酶类和菌丛，可使某些化学物形成新的化学
11、物而改变其毒性(一一)消化道吸收消化道吸收21呼吸系统解剖图呼吸系统解剖图1 1(二二)呼吸道吸收呼吸道吸收22肺泡和终末细支气管微细结构肺泡和终末细支气管微细结构肺泡肺泡肺肺-血屏障血屏障(二二)呼吸道吸收呼吸道吸收23环境污染物的呼吸道吸收方式环境污染物的呼吸道吸收方式气体和蒸汽 吸收速度与肺泡气和血液中该污染物的分压差呈正比关系气溶胶和颗粒物 吸收速度和吸收率与粒径有关 简单扩散简单扩散(二二)呼吸道吸收呼吸道吸收24颗粒物粒径与呼吸系统内沉积部位、颗粒物粒径与呼吸系统内沉积部位、沉积率的关系沉积率的关系252575755050TotalTotal鼻咽头部鼻咽头部呼吸道内呼吸道内几何学粒
12、径几何学粒径空气动力学粒径空气动力学粒径0.50.51.01.05.05.010.010.0（m)0.10.1沉沉积积率率（%）(二二)呼吸道吸收呼吸道吸收25ultrafine carbon black(ufCB)and fine carbon black(CB)Particle dose(g/ml)4003002001006005000-1001050309070110130*Fluorescence intensityufCBCB *P0.05*P300 连接角质层,阻止水溶性物质 基底膜血液环境污染物(二二)皮肤吸收皮肤吸收29影响皮肤吸收的因素影响皮肤吸收的因素1.分子量2.脂/水分
13、配系数 接近1.0的容易被表皮途径吸收3.种属差异 大鼠和兔通透性好，豚鼠、猪和猴的皮肤通透性与人接近4.环境、皮肤温度和湿度5.角质层厚度和完整性、血液流量6.汞等一些金属及化合物，可以经过毛囊、皮脂腺和汗腺直接进入血液(二二)皮肤吸收皮肤吸收303.1.4 环境污染物的体内分布环境污染物的体内分布(distribution)环境化学物被吸收进入血液和体液后，随血液和淋巴液流动分散到全身各组织的过程称为分布。同一种环境化学物在体内各组织器官的分布并不均匀，不同的化学物在体内的分布差异很大。化学物在体内组织器官起始分布取决于血流量，而最终分布取决于亲和力。31影响体内分布的因素影响体内分布的因
14、素 1.与血清蛋白的结合力 2.生物屏障通过能力 3.组织中血液流量 4.与组织器官的亲和力 5.特殊转运-离子通道3.1.4 环境污染物的体内分布环境污染物的体内分布32生物屏障生物屏障(barrier)与分布与分布血脑屏障 胎盘屏障肺-血屏障 血-睾屏障 3.1.4 环境污染物的体内分布环境污染物的体内分布33血脑屏障结构血脑屏障结构星形胶质细胞基底膜毛细血管内皮细胞紧密连接点血脑屏障结构特点：毛细血管内皮细胞相互联结比较紧密 脑组织毛细血管内皮细胞无胞饮作用 内皮细胞间小洞和裂隙少 基底膜外的星形胶质细胞数量多，而且连接很紧密 星形胶质细胞可产生粘多糖类物质，分泌到内皮细胞和星形胶质细胞
15、之间增加粘合性。3.1.4 环境污染物的体内分布环境污染物的体内分布34胎盘屏障组织结构胎盘屏障组织结构合体滋养层细胞滋养层和基膜绒毛结缔组织绒毛毛细血管3.1.4 环境污染物的体内分布环境污染物的体内分布35部分部分POPs通过胎盘屏障影响胎儿通过胎盘屏障影响胎儿in utero exposure36International Journal of Hygiene and Environmental Health 216(2013)184-194International comparison of mean PFOS and PFOA concentrations in cord sera
16、.Elevated cord PFOA levels were weakly associated with a higher risk of low birth weight(Adult serum preferential placental transfer of PFOAsulfonates(PFOS,PFBS and PFHxS)being easier transferred to milk compared to carboxylates.Environmental Pollution 158(2010)2546-2552Prenatal and postnatal exposu
17、re assessmentPrenatal exposure:cord plasma PFC/BFR body blood volumePostnatal exposure:human milk PFC/BFR average milk intake BWPrenatal exposurePostnatal exposurePBDE2 ng/day75 ng/day(42 ng/day for adult)PFCs1367 ng/day2533 ng/dayEnvironmental Pollution 158(2010)2546-2552部分部分POPs通过胎盘屏障影响胎儿通过胎盘屏障影响胎
18、儿in utero exposure污染物通过生物屏障的影响因素污染物通过生物屏障的影响因素1.分子量大小2.脂/水分配系数3.解离程度和极性4.与血浆蛋白的结合能力3.1.4 环境污染物的体内分布环境污染物的体内分布39污染物的体内贮存污染物的体内贮存 进入血液的环境化学物大部分与血浆蛋白或体内各组织成分结合，积聚在特定部位。一些化学物对其积聚的部位可直接发挥毒作用，该部位称为靶器官(target organ)。机体内一些组织或脏器化学物含量虽高，但不显示明显的毒性，这些组织脏器称为该化学物的贮存库(storage depot)。3.1.4 环境污染物的体内分布环境污染物的体内分布40体内主
19、要的贮存库体内主要的贮存库1.血浆蛋白 有机物、金属离子等进入血液中的环境化学物可与血液中的蛋白质(血清蛋白)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，影响化学物的排泄、转化及再分布等。2.肝脏和肾 肝脏的主动转运和肝内蛋白质的结合能力 肾脏中的MT,影响重金属离子分布 铅、锶、镭等重金属蓄积3.1.4 环境污染物的体内分布环境污染物的体内分布41体内主要的贮存库体内主要的贮存库3.脂肪组织 脂溶性脂溶性环境污染物，容易被吸收并贮存在体脂内而不呈现生物学活性。4.骨骼 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
20、基质结合而贮存其中。3.1.4 环境污染物的体内分布环境污染物的体内分布42环境污染物吸收 分布代谢污染物代谢产物结合物尿 粪便呼气汗液毛发等体外3.1.5 环境污染物的排泄环境污染物的排泄(excretion)43肾脏排出肾脏排出1.肾小球滤过膜孔 710nm MW600003.肾小管的主动分泌有机阴、阳离子蛋白结合性毒物2.肾小管的重吸收极性毒物随尿排出脂溶性毒物重吸收3.1.5 环境污染物的排泄环境污染物的排泄(excretion)44污染物的肠道排出和肠肝循环污染物的肠道排出和肠肝循环毒物其他脏器中分布和贮存肝脏消化道血液解毒排出体外未吸收随粪便排除代谢胆汁3.1.5 环境污染物的排泄
21、环境污染物的排泄(excretion)45肠肝循环肠肝循环Enterohepatic circulation有有些些脂脂溶溶性性的的、易易被被吸吸收收的的环环境境化化学学物物或或其其代代谢谢产产物物可可在在小小肠肠中中重重新新被被吸吸收收，再再经经门门静静脉脉系系统统返返回回肝肝脏脏，并并随随同同胆胆汁汁排排泄泄，即即进行肝肠循环。进行肝肠循环。肠肠肝肝循循环环使使毒毒物物在在体体内内停停留留时时间间延延长长，排排泄泄减慢，毒性作用增强。减慢，毒性作用增强。463.1.5 环境污染物的排泄环境污染物的排泄(excretion)经呼吸排出经呼吸排出挥发性气体 脂/水分配系数小，从血液通过简单扩散释放到呼气中，排出体外颗粒性污染物 呼吸道纤毛运动，随痰运至咽部，排出473.1.5 环境污染物的排泄环境污染物的排泄(excretion)其他途径排出其他途径排出乳汁排出 脂/水分配系数大的有机氯农药，PCB、二恶英等污染物汗腺和唾液腺排出 I、Br、F和Hg等头发和指甲排出头发HgAs指甲483.1.5 环境污染物的排泄环境污染物的排泄(excretion)49