生态毒理学第三章毒物的分子效应与毒理学机制课件

生态毒理学第三章毒物的分子效应与毒理学机制生物转化：在生物调节下一种化生物转化：在生物调节下一种化学物质被转化成另一种化学物质学物质被转化成另一种化学物质,有酶的催化参与有酶的催化参与,可以加速毒物可以加速毒物的消除、解毒、隔离、重新分布的消除、解毒、隔离、重新分布或者活化或者活化生物转化生物转化生物活化生物活化生物钝化生物钝化生物钝化作用：是污染物经代谢生物钝化作用：是污染物经代谢转化成无毒或低毒的产物。也被转化成无毒或低毒的产物。也被称为生物解毒称为生物解毒/失活作用失活作用生物活化作用：是污染物的有害生物活化作用：是污染物的有害作用加强或者使一种惰性的化合作用加强或者使一种惰性的化合物被转化成具有高生物活性的有物被转化成具有高生物活性的有害物质害物质亲脂性毒物亲脂性毒物亲水性物质亲水性物质解解毒毒过过程程生生物物转转化化过过程程激激活活过过程程毒物被活化或增毒的因素毒物被活化或增毒的因素1.污染物的化学结构污染物的化学结构2.体内酶系统的差异体内酶系统的差异3.受体的存在受体的存在毒物在体内的生物转化，与体内毒物在体内的生物转化，与体内的各组织器官的酶活性及其相应的各组织器官的酶活性及其相应的的 物理、化学、生化、生理效应物理、化学、生化、生理效应的综合作用密切相关。的综合作用密切相关。同一种物质即使经过相同的生物同一种物质即使经过相同的生物转化，在不同机体上所表现出来转化，在不同机体上所表现出来的生物效应各不相同。的生物效应各不相同。消除消除:对污染物的对污染物的排泄或者生物转化排泄或者生物转化,导致生物体内其含导致生物体内其含量的减少量的减少净化净化:指生物被放指生物被放如入清洁的环境随如入清洁的环境随时间消除污染物后时间消除污染物后,所测量到的污染物所测量到的污染物从生物体内的消失从生物体内的消失蛋白毒性：指蛋白质损伤的毒性。金属硫蛋白（MT）特性：作用：是吸收、内部区域化、隔离、排泄必需（Cu、Zn）和非必需（Ag、Cd、Hg）金属。Cys-cys cys-X-X-cys cys-X-cys毒激活:指将前致癌剂转化成致癌物的生物转化过程通常将氧化、还原、水解称为外来化合物代谢转化的第一阶段即阶段代谢血脑屏障 对外源化学物的渗透性较小,对毒物进入中枢神经系统有阻止作用,许多物质即便在血液中的浓度相当高也不能进入大脑外来物的生物转化过程的两个阶段bioenrichment effect生物转化：在生物调节下一种化学物质被转化成另一种化学物质,有酶的催化参与,可以加速毒物的消除、解毒、隔离、重新分布或者活化污染物性质决定其在环境中呈现出的化学形式及能够被吸收、生物转化和消除的程度多环和杂环芳烃（PAH）微粒体混合功能氧化反应在有氧代谢过程中分子氧与产生能量的过程结合,是氧化应激反应产生的基础污染物不同水平的生态效应不同的应激源所诱导的各种应激蛋白的程度不同，应激蛋白的诱导模式被用做该诱导反应的生物标记物毒激活:指将前致癌剂转化成致癌物的生物转化过程比较不同污染物的相对生物有效性，除考虑生物之间的差异，还需确定所选用的效应指标的一致性和可比性，最常用的效应指标是“致死性”影响生物转化的重要因素Cys-cys cys-X-X-cys cys-X-cys生物富集生物富集:是个体内是个体内吸收、生物转化和消吸收、生物转化和消除过程的净结果除过程的净结果生长稀释生长稀释:指一个正在生指一个正在生长的生物体内污染物浓度长的生物体内污染物浓度会因其可分布的组织的量会因其可分布的组织的量的增加而降低的增加而降低.不属于消不属于消除的一部分除的一部分(污染总量并污染总量并未减少未减少)体内屏障体内屏障 存在于动物体内特定部位存在于动物体内特定部位,对环境污对环境污染物的转运起着阻碍作用的特殊物质结构染物的转运起着阻碍作用的特殊物质结构血脑屏障血脑屏障 对外源化学物的渗透性较小对外源化学物的渗透性较小,对毒物对毒物进入中枢神经系统有阻止作用进入中枢神经系统有阻止作用,许多物质即便在血液许多物质即便在血液中的浓度相当高也不能进入大脑中的浓度相当高也不能进入大脑胎盘屏障胎盘屏障 胎盘具有在母体与胎儿之间进行营养胎盘具有在母体与胎儿之间进行营养物质、物质、O2、CO2和代谢产物交换的功能，还具有阻和代谢产物交换的功能，还具有阻止外援化学物由母体透过胎盘进入胚胎，保护胎儿止外援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功能正常生长发育的功能皮肤、血眼屏障、血睾屏障皮肤、血眼屏障、血睾屏障外来物的生物转化过程的两个阶段外来物的生物转化过程的两个阶段阶段阶段代谢代谢污染物一旦进入生物体内就会被污染物一旦进入生物体内就会被生物转化，其过程包括生物转化，其过程包括4种反应，种反应，即氧化、还原、水解和结合反应即氧化、还原、水解和结合反应通常将氧化、还原、水解称为外通常将氧化、还原、水解称为外来化合物代谢转化的第一阶段即来化合物代谢转化的第一阶段即阶段阶段代谢代谢氧化反应氧化反应微粒体混合功微粒体混合功能氧化反应能氧化反应微粒体外氧化反应微粒体外氧化反应脂肪族羟化、芳香族脂肪族羟化、芳香族羟化、氧化脱氨反应、羟化、氧化脱氨反应、N-脱烷基反应、脱烷基反应、N-羟羟化反应、化反应、S-氧化反应氧化反应 醇脱氢酶、醛脱氢酶、过醇脱氢酶、醛脱氢酶、过氧化氢酶、单胺氧化酶氧化氢酶、单胺氧化酶脂肪族羟化脂肪族羟化还原反应还原反应还原酶酶促还原酶酶促哺乳动物组哺乳动物组织内不活跃织内不活跃肠道细菌体内肠道细菌体内反应能力强反应能力强脂类脂类酰胺类酰胺类含酯式含酯式键的磷键的磷酸盐类酸盐类水解反应水解反应多种水解酶多种水解酶毒性毒性降低降低阶段阶段代谢代谢又称结合反应，指进入机体的毒又称结合反应，指进入机体的毒物在代谢过程中与某些内源性化物在代谢过程中与某些内源性化合物或基团发生的生物合成反应合物或基团发生的生物合成反应在结合反应过程中需要辅酶和转在结合反应过程中需要辅酶和转移酶，并且消耗代谢能量移酶，并且消耗代谢能量毒物在代谢过程中可以直接发生毒物在代谢过程中可以直接发生结合反应，也可以经过阶段结合反应，也可以经过阶段的氧的氧化、还原或水解反应再发生结合化、还原或水解反应再发生结合反应反应根据结合剂不同结合反应分为：根据结合剂不同结合反应分为：葡萄糖醛酸结合、硫酸结合、谷葡萄糖醛酸结合、硫酸结合、谷光甘酞结合、甘氨酸结合、乙酰光甘酞结合、甘氨酸结合、乙酰基结合等主要类型基结合等主要类型葡萄糖醛酸结合反应葡萄糖醛酸结合反应硫酸结合反应硫酸结合反应有机卤化物（PCB、PBB、TCP、PCP、二垩英类损伤后不能被恢复的蛋白质与泛素结合,泛素帮助它们移动到溶酶体以完成最后的分解影响生物转化的重要因素生物转化：在生物调节下一种化学物质被转化成另一种化学物质,有酶的催化参与,可以加速毒物的消除、解毒、隔离、重新分布或者活化影响生物转化的重要因素这种生物体能够蓄积异常高含量外源化学物的现象即比较不同污染物的相对生物有效性，除考虑生物之间的差异，还需确定所选用的效应指标的一致性和可比性，最常用的效应指标是“致死性”不属于消除的一部分(污染总量并未减少)不同的P-450蛋白质决定不同的细胞,器官,个体以及种群会发生哪些酶促反应.谷胱甘肽转移酶是存在于细胞质和微粒体里的阶段酶,它通过结合作用把谷胱甘肽加到外来化学物质或其它代谢产物上。经生物转化后,污染物的生物有效性发生改变，其改变程度根据不同的生物个体或个体的不同生命阶段而不同不属于消除的一部分(污染总量并未减少)未被结合的金属“溢出”,在有害作用的地点发生作用可以在热、缺氧、某些金属、外来化学物质、乙醇、砷化钠或者紫外线辐射的影响下引发。比较不同污染物的相对生物有效性，除考虑生物之间的差异，还需确定所选用的效应指标的一致性和可比性，最常用的效应指标是“致死性”生物通过制造与氧自由基反应的抗氧化剂或者制造可以减少氧自由基的酶,从而避免氧化性损伤具有显著蛋白毒性的物理和化学物质均可诱导应激蛋白。主要应用在应激蛋白90、应激蛋白70上，是始终存在的，应激蛋白90在没有应激源时就有较高浓度；这种生物体能够蓄积异常高含量外源化学物的现象即这种检测应该服从于标准的质量控制/质量保证的实行许多环境污染物可通过生物体的氧化还原循环，使还原剂被氧化，同时产生氧自由基通常，毒物在发生结合反应后，通常，毒物在发生结合反应后，一方面可使其分子上某些功能基一方面可使其分子上某些功能基团失去活性以及丧失毒性，另一团失去活性以及丧失毒性，另一方面多数毒物经过结合反应后其方面多数毒物经过结合反应后其极性（水溶性）增强，脂溶性降极性（水溶性）增强，脂溶性降低，加速排泄过程，故大多失去低，加速排泄过程，故大多失去毒性或有所降低，并排出体外毒性或有所降低，并排出体外影响生物转化的因素n物种差异与个体差异n饮食营养结构n年龄、性别等生理因素n代谢饱和状态n代谢酶的抑制与诱导经生物转化后经生物转化后,污染物的生物污染物的生物有效性发生改变，其改变程度有效性发生改变，其改变程度根据不同的生物个体或个体的根据不同的生物个体或个体的不同生命阶段而不同不同生命阶段而不同比较不同污染物的生物有效性比较不同污染物的生物有效性应考虑生物个体差异和所选效应考虑生物个体差异和所选效应指标的一致性应指标的一致性影响生物转化的重要因素影响生物转化的重要因素生物有效性：指进入机体的污染生物有效性：指进入机体的污染物与受体结合，并产生生物学效物与受体结合，并产生生物学效应的能力，也是表征污染物的实应的能力，也是表征污染物的实际毒性际毒性生物可利用率：指某种来源的污生物可利用率：指某种来源的污染物可被吸收的程度染物可被吸收的程度比较不同污染物的相对生物有比较不同污染物的相对生物有效性，除考虑生物之间的差异，效性，除考虑生物之间的差异，还需确定所选用的效应指标的还需确定所选用的效应指标的一致性和可比性，最常用的效一致性和可比性，最常用的效应指标是应指标是“致死性致死性”排泄排泄 是外源化学物及其代谢产物由机体向外转运是外源化学物及其代谢产物由机体向外转运的过程的过程动物的排泄动物的排泄 经肾脏随同尿液排泄：经肾脏随同尿液排泄：肾小球过滤、肾小管重吸收、肾小球过滤、肾小管重吸收、肾小管的排泌作用肾小管的排泌作用经肝脏随同胆汁排泄经肝脏随同胆汁排泄经肺随同呼出气排泄经肺随同呼出气排泄其它排泄途径其它排泄途径:乳汁、胃肠、汗液、唾液、毛发、指甲乳汁、胃肠、汗液、唾液、毛发、指甲植物的排泄植物的排泄 植物分泌：植物分泌：泌盐植物泌盐植物bioaccumulation effect bioenrichment effect biomagnification effect 有毒物质的不同效应有毒物质的不同效应生物富集效应生物富集效应:污染物从环境中包括水、空气污染物从环境中包括水、空气和固相物质等所有来源和固相物质等所有来源,向生物体内向生物体内,或者在或者在某些情况下在生物体表的净积累某些情况下在生物体表的净积累生物放大效应生物放大效应:污染物在食物链中因营养污染物在食物链中因营养级的提高其浓度逐级增高的现象级的提高其浓度逐级增高的现象生物浓缩效应生物浓缩效应超量蓄积现象超量蓄积现象外来物质在生物体内的蓄积极限值与外来物质在生物体内的蓄积极限值与其吸收量和清除半衰期成正比其吸收量和清除半衰期成正比,即吸收即吸收量越大量越大,清除半衰期越长清除半衰期越长,则其蓄积极则其蓄积极限值越高限值越高.当两个值足够大当两个值足够大,生物体的生物体的蓄积极限值将会异常高蓄积极限值将会异常高.这种生物体能这种生物体能够蓄积异常高含量外源化学物的现象够蓄积异常高含量外源化学物的现象即即一种污染物在生物群一种污染物在生物群中的富集程度是污染中的富集程度是污染物性质、生物以及生物性质、生物以及生物和污染物相互作用物和污染物相互作用的环境状况的函数。的环境状况的函数。污染物性质决定其在污染物性质决定其在环境中呈现出的化学环境中呈现出的化学形式及能够被吸收、形式及能够被吸收、生物转化和消除的程生物转化和消除的程度度图图3 简单的生物富集简单的生物富集消除结果消除结果毒物动力学：运用数毒物动力学：运用数学方法学方法,定量的研究定量的研究外来化学物的生物转外来化学物的生物转化随时间的动态变化化随时间的动态变化的规律和过程的规律和过程毒物动力学毒物动力学净化:指生物被放如入清洁的环境随时间消除污染物后,所测量到的污染物从生物体内的消失经生物转化后,污染物的生物有效性发生改变，其改变程度根据不同的生物个体或个体的不同生命阶段而不同许多环境污染物可通过生物体的氧化还原循环，使还原剂被氧化，同时产生氧自由基毒激活:指将前致癌剂转化成致癌物的生物转化过程MFO常被用做有机化合物在生理生化水平上的生物标记物生物转化：在生物调节下一种化学物质被转化成另一种化学物质,有酶的催化参与,可以加速毒物的消除、解毒、隔离、重新分布或者活化作用：是吸收、内部区域化、隔离、排泄必需（Cu、Zn）和非必需（Ag、Cd、Hg）金属。比较不同污染物的相对生物有效性，除考虑生物之间的差异，还需确定所选用的效应指标的一致性和可比性，最常用的效应指标是“致死性”这种检测应该服从于标准的质量控制/质量保证的实行自由基可以与许多生物分子形成共价键;可以与膜的组分酶和受体共价结合改变其功能和结构;与蛋白质和其它生物分子的巯基反应造成损害,影响其功能，这些影响涉及核酸、膜脂、蛋白质（包括蛋白质金属中心）氧化1室：dC1/dt=K21C2-(K12+K10)C1比较不同污染物的相对生物有效性，除考虑生物之间的差异，还需确定所选用的效应指标的一致性和可比性，最常用的效应指标是“致死性”比较不同污染物的生物有效性应考虑生物个体差异和所选效应指标的一致性UDP-葡萄糖醛酸基转移酶，存在细胞质中，可以催化葡萄糖酸与亲电子的外来化合物及其代谢物结合，如萘的生物转化植物效应（种类、生态型、生长部位、阶段）大多数动植物体内都有这种系统,它可以改变非极性有机化学物质的毒性(通常将其转变为更具极性进行降解的方式).不同的P-450蛋白质决定不同的细胞,器官,个体以及种群会发生哪些酶促反应.污染物性质决定其在环境中呈现出的化学形式及能够被吸收、生物转化和消除的程度一室模型：指将机体视为单一的室,外来化学物进入机体后,能迅速均匀的分布在整个机体中具有显著蛋白毒性的物理和化学物质均可诱导应激蛋白。不同的应激源所诱导的各种应激蛋白的程度不同，应激蛋白的诱导模式被用做该诱导反应的生物标记物生物监测根据化学物质所能够引起的生物效应而进行的用生物来监测污染,特定的生物效应可以表征某特定化合物及其有害暴露效应生物转化：在生物调节下一种化学物质被转化成另一种化学物质,有酶的催化参与,可以加速毒物的消除、解毒、隔离、重新分布或者活化生态毒理学第三章毒物的分子效应与毒理学机制不同的应激源所诱导的各种应激蛋白的程度不同，应激蛋白的诱导模式被用做该诱导反应的生物标记物影响生物转化的重要因素胎盘屏障 胎盘具有在母体与胎儿之间进行营养物质、O2、CO2和代谢产物交换的功能，还具有阻止外援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功能低分子量,高金属含量在有氧代谢过程中分子氧与产生能量的过程结合,是氧化应激反应产生的基础大多数动植物体内都有这种系统,它可以改变非极性有机化学物质的毒性(通常将其转变为更具极性进行降解的方式).Cys-cys cys-X-X-cys cys-X-cys生物因子对于毒物效应的影响作用：是吸收、内部区域化、隔离、排泄必需（Cu、Zn）和非必需（Ag、Cd、Hg）金属。排泄 是外源化学物及其代谢产物由机体向外转运的过程MT金属专一异构物的存在代表了此潜力不同分子量的应激蛋白,应激蛋白90、应激蛋白70、低分子量热休克蛋白（LMW）、分子伴侣60（cpn60）和泛素产量的提高由变性的蛋白质引发,以保护、修复或引导细胞中的蛋白质分解不同的应激源所诱导的各种应激蛋白的程度不同，应激蛋白的诱导模式被用做该诱导反应的生物标记物这种检测应该服从于标准的质量控制/质量保证的实行1室：dC1/dt=K21C2-(K12+K10)C1一室模型：指将机体视为单一的室,外来化学物进入机体后,能迅速均匀的分布在整个机体中不同的P-450蛋白质决定不同的细胞,器官,个体以及种群会发生哪些酶促反应.根据结合剂不同结合反应分为：葡萄糖醛酸结合、硫酸结合、谷光甘酞结合、甘氨酸结合、乙酰基结合等主要类型一室模型：一室模型：指将机体视指将机体视为单一的室为单一的室,外来化学物外来化学物进入机体后进入机体后,能迅速均匀能迅速均匀的分布在整的分布在整个机体中个机体中单速率常数模型：描述当生物单速率常数模型：描述当生物被被转移到清洁环境中使其净化污转移到清洁环境中使其净化污染染物时污染物从体内的消除物时污染物从体内的消除dC/dt=-KCdC/dt=-KCC C为房室内的浓度为房室内的浓度为速率常数为速率常数K K二室模型二室模型血液与脏血液与脏器器1室：室：dC1/dt=K21C2-(K12+K10)C11室：室：C1=D(-K21)/V1(-)e-t+D(K21)/V1(-)e-t2室：室：dC2/dt=K12C1-K21C22室：室：C2=DK12/V2(-)(e-t-e-t)分布相分布相;清除相清除相3.2 3.2 污染物的分子效污染物的分子效应应污染物不同水平的生态效应污染物不同水平的生态效应污染物的毒激活污染物的毒激活毒激活毒激活:指将前致癌剂转化成致癌指将前致癌剂转化成致癌物的生物转化过程物的生物转化过程外源化学物在生物转化过程形成具外源化学物在生物转化过程形成具有亲电子基团的中间代谢物有亲电子基团的中间代谢物,通过这通过这些亲电子基团与生物大分子的亲核些亲电子基团与生物大分子的亲核基团结合基团结合,产生致癌作用基础产生致癌作用基础毒激活机制毒激活机制将化学性质稳定的化合物转变成将化学性质稳定的化合物转变成有化学反应性的代谢产物有化学反应性的代谢产物形成环氧化物形成环氧化物形成形成N-N-羟基化合物（羟基化合物（N-N-羟基化羟基化作用）作用）呼吸道中的代谢活化作用呼吸道中的代谢活化作用肾脏内的活化作用肾脏内的活化作用形成亚硝酸盐和亚硝胺化合形成亚硝酸盐和亚硝胺化合物（胃肠道内的活化作用）物（胃肠道内的活化作用）致癌物的激活方式致癌物的激活方式微生物酶的代谢活化方式微生物酶的代谢活化方式对位硝基联苯对位硝基联苯 肠道细菌肠道细菌 对位氨基对位氨基联苯联苯 化学方式的代谢活化（无酶反应）化学方式的代谢活化（无酶反应）毒物的转运毒物的转运毒物与靶分毒物与靶分子作用子作用毒物与靶分毒物与靶分子作用子作用毒毒性性的的产产生生与与表表现现MT被作为解毒途径活化的指示物生物转化：在生物调节下一种化学物质被转化成另一种化学物质,有酶的催化参与,可以加速毒物的消除、解毒、隔离、重新分布或者活化外来物质在生物体内的蓄积极限值与其吸收量和清除半衰期成正比,即吸收量越大,清除半衰期越长,则其蓄积极限值越高.蛋白毒性：指蛋白质损伤的毒性。具有显著蛋白毒性的物理和化学物质均可诱导应激蛋白。3生物标记物与毒物分子的作用机制定义：是一组低分子量、可以与金属结合的蛋白质比较不同污染物的相对生物有效性，除考虑生物之间的差异，还需确定所选用的效应指标的一致性和可比性，最常用的效应指标是“致死性”毒物在代谢过程中可以直接发生结合反应，也可以经过阶段的氧化、还原或水解反应再发生结合反应排泄 是外源化学物及其代谢产物由机体向外转运的过程环境因子对于毒物效应的影响随着DDE的蓄积，加强了对酶活性的抑制生物有效性：指进入机体的污染物与受体结合，并产生生物学效应的能力，也是表征污染物的实际毒性形成N-羟基化合物（N-羟基化作用）微粒体混合功能氧化反应biomarker：是生物监测中用活着的个体、组织、体液、生理或生化改变来定量地作为重要污染物存在的指示或者即将出现的效应的早期预警系统确定污染物对环境造成的危害程度,需要检测并衡量其引起的生物效应根据结合剂不同结合反应分为：葡萄糖醛酸结合、硫酸结合、谷光甘酞结合、甘氨酸结合、乙酰基结合等主要类型MT被作为解毒途径活化的指示物生物转化：在生物调节下一种化学物质被转化成另一种化学物质,有酶的催化参与,可以加速毒物的消除、解毒、隔离、重新分布或者活化bioenrichment effect毒激活:指将前致癌剂转化成致癌物的生物转化过程确定污染物对环境造成的危害确定污染物对环境造成的危害程度程度,需要检测并衡量其引起需要检测并衡量其引起的生物效应的生物效应生物监测根据化学物质所能够生物监测根据化学物质所能够引起的生物效应而进行的用生引起的生物效应而进行的用生物来监测污染物来监测污染,特定的生物效特定的生物效应可以表征某特定化合物及其应可以表征某特定化合物及其有害暴露效应有害暴露效应biomarkerbiomarker是生化、物理、形态、是生化、物理、形态、或组织学上的某种物质或组织学上的某种物质,用来指用来指示毒物的暴露或者效应。示毒物的暴露或者效应。biomarkerbiomarker：是生物监测中用活：是生物监测中用活着的个体、组织、体液、生理或着的个体、组织、体液、生理或生化改变来定量地作为重要污染生化改变来定量地作为重要污染物存在的指示或者即将出现的效物存在的指示或者即将出现的效应的早期预警系统应的早期预警系统生物标记物性质生物标记物性质生物标记物应该在生物组织的生物标记物应该在生物组织的高层次发生有害的显著效应之前高层次发生有害的显著效应之前能够被检测能够被检测,具预警工具的价值具预警工具的价值理想生物标记物的检测应该是理想生物标记物的检测应该是快速、经济、简单快速、经济、简单,适合广泛应用适合广泛应用 理想生物标记物应该对单一毒理想生物标记物应该对单一毒物或者一组毒物具特异性物或者一组毒物具特异性这种检测应该服从于标准的质这种检测应该服从于标准的质量控制量控制/质量保证的实行质量保证的实行毒物与生物标记物之间必须存毒物与生物标记物之间必须存在清晰的浓度在清晰的浓度-效应关系效应关系 理想的生物标记物应该能够被应用理想的生物标记物应该能够被应用于广范围的警戒性物种上于广范围的警戒性物种上,以使之具以使之具有广泛的应用性有广泛的应用性在生物标记物变化与毒物有关的适在生物标记物变化与毒物有关的适应性降低之间可以建立起理想的相关应性降低之间可以建立起理想的相关性性生物标记物的分类生物标记物的分类接受器生物标记物接受器生物标记物生物化学生物标记物生物化学生物标记物个体生物标记物个体生物标记物生理学生物标记物生理学生物标记物暴露生物标记物暴露生物标记物效应学生物标记物效应学生物标记物现有主要的现有主要的biomarker金属硫蛋白金属硫蛋白细胞色素细胞色素P450P450单加氧酶单加氧酶应激蛋白或热冲击蛋白应激蛋白或热冲击蛋白结合酶结合酶(转移酶谷胱甘肽转移酶谷胱甘肽)亚铁血红素和卟啉亚铁血红素和卟啉氧化应激酶和抗氧化酶氧化应激酶和抗氧化酶3.33.3生物标记物与毒物分生物标记物与毒物分子的作用机制子的作用机制金属硫蛋白（金属硫蛋白（MTMT）定义：是一组低分子量、可以与金定义：是一组低分子量、可以与金属结合的蛋白质属结合的蛋白质作用：是吸收、内部区域化、隔离、作用：是吸收、内部区域化、隔离、排泄必需（排泄必需（CuCu、ZnZn）和非必需（）和非必需（AgAg、CdCd、HgHg）金属。参与必需金属正常）金属。参与必需金属正常的代谢活动的代谢活动,在无有毒金属暴露时以在无有毒金属暴露时以基本水平存在基本水平存在,可以被多种物质以及可以被多种物质以及物理化学条件所诱导物理化学条件所诱导金属硫蛋白（金属硫蛋白（MTMT）特性：）特性：低分子量低分子量,高金属含量高金属含量高半胱氨酸含量高半胱氨酸含量,无芳香族无芳香族AAAA或组或组氨酸氨酸独特的独特的AAAA序列序列,尤其是半胱氨酸的尤其是半胱氨酸的位置位置Cys-cys cys-X-X-cys cys-X-cys Cys-cys cys-X-X-cys cys-X-cys 金属硫簇金属硫簇溢出假说：认为在超过了金属硫蛋溢出假说：认为在超过了金属硫蛋白（白（MTMT）结合金属的能力之后）结合金属的能力之后,毒效毒效将开始显现。未被结合的金属将开始显现。未被结合的金属“溢溢出出”,”,在有害作用的地点发生作用在有害作用的地点发生作用金属硫蛋白（金属硫蛋白（MTMT）被用于多种暴露）被用于多种暴露模式下金属污染的生物标记物模式下金属污染的生物标记物金属硫蛋白（金属硫蛋白（MTMT）与有毒金属的作用方式）与有毒金属的作用方式金属硫蛋白（金属硫蛋白（MTMT）在生态毒理学中）在生态毒理学中的作用的作用MTmRNAMTmRNA被作为被作为MTMT基因表达的指示物基因表达的指示物MTMT被作为解毒途径活化的指示物被作为解毒途径活化的指示物与与MTMT结合的金属被作为解除毒性结合的金属被作为解除毒性的金属的指示物的金属的指示物在生态毒理学中在生态毒理学中,生物标记物的用途生物标记物的用途之一就是评价来自具有多种人为和之一就是评价来自具有多种人为和自然应激源特点的环境中自然应激源特点的环境中,特定污染特定污染物的暴露或毒性。物的暴露或毒性。MT MT金属专一异构金属专一异构物的存在代表了此潜力物的存在代表了此潜力金属硫蛋白（金属硫蛋白（MTMT）植物金属螯合蛋白植物金属螯合蛋白金属可以与金属可以与MT或或相似功能的分子相似功能的分子结合并且被隔离开来结合并且被隔离开来常见致癌物的代谢活化常见致癌物的代谢活化多环和多环和杂环芳烃杂环芳烃（PAHPAH）有机卤化物（有机卤化物（PCBPCB、PBBPBB、TCPTCP、PCP PCP、二垩英类二垩英类有机氯杀虫剂有机氯杀虫剂随着随着DDEDDE的蓄积，加强了对酶活性的抑制的蓄积，加强了对酶活性的抑制DDDDDD可抑制肾上腺皮质分泌激素，产生性别可抑制肾上腺皮质分泌激素，产生性别畸变畸变有机磷杀虫剂有机磷杀虫剂有机金属（有机锡）有机金属（有机锡）与MT结合的金属被作为解除毒性的金属的指示物排泄 是外源化学物及其代谢产物由机体向外转运的过程外来物质在生物体内的蓄积极限值与其吸收量和清除半衰期成正比,即吸收量越大,清除半衰期越长,则其蓄积极限值越高.污染物性质决定其在环境中呈现出的化学形式及能够被吸收、生物转化和消除的程度脂肪族羟化、芳香族羟化、氧化脱氨反应、N-脱烷基反应、N-羟化反应、S-氧化反应细胞色素P450单加氧酶不同的P-450蛋白质决定不同的细胞,器官,个体以及种群会发生哪些酶促反应.3生物标记物与毒物分子的作用机制生长稀释:指一个正在生长的生物体内污染物浓度会因其可分布的组织的量的增加而降低.毒激活:指将前致癌剂转化成致癌物的生物转化过程毒物与生物标记物之间必须存在清晰的浓度-效应关系应激蛋白70正常条件下浓度较低胎盘屏障 胎盘具有在母体与胎儿之间进行营养物质、O2、CO2和代谢产物交换的功能，还具有阻止外援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功能经生物转化后,污染物的生物有效性发生改变，其改变程度根据不同的生物个体或个体的不同生命阶段而不同比较不同污染物的相对生物有效性，除考虑生物之间的差异，还需确定所选用的效应指标的一致性和可比性，最常用的效应指标是“致死性”微粒体混合功能氧化反应生物可利用率：指某种来源的污染物可被吸收的程度体内屏障 存在于动物体内特定部位,对环境污染物的转运起着阻碍作用的特殊物质结构毒物在代谢过程中可以直接发生结合反应，也可以经过阶段的氧化、还原或水解反应再发生结合反应比较不同污染物的生物有效性应考虑生物个体差异和所选效应指标的一致性大多数动植物体内都有这种系统,它可以改变非极性有机化学物质的毒性(通常将其转变为更具极性进行降解的方式).环境因子对于毒物效应的影响环境因子对于毒物效应的影响温度效应温度效应湿度效应湿度效应光照光照环境环境pHpH值值氧化氧化-还原电位还原电位EhEh生物因子对于毒物效应的影响生物因子对于毒物效应的影响植物效应（种类、生态型、生长植物效应（种类、生态型、生长部位、阶段）部位、阶段）动物效应（遗传因素、性别、生动物效应（遗传因素、性别、生长发育阶段、健康状况、生活方式、长发育阶段、健康状况、生活方式、营养条件）营养条件）多因子联合效应（非生物因子、多因子联合效应（非生物因子、生物因子、多种因子交互）生物因子、多种因子交互）混合功能氧化酶混合功能氧化酶MFOMFO细胞色素细胞色素P-450P-450单加氧酶是与内质单加氧酶是与内质网膜结合的血红素蛋白网膜结合的血红素蛋白,阶段阶段反反应中外来化学物质的氧化反应都与应中外来化学物质的氧化反应都与细胞色素细胞色素P-450P-450单加氧酶系统有关。单加氧酶系统有关。MFOMFO是通过改变外来化学物质的结是通过改变外来化学物质的结构而影响其毒性构而影响其毒性,既可以产生某种既可以产生某种特定的无毒化合物也可大大增强某特定的无毒化合物也可大大增强某化合物的毒性化合物的毒性.MFOMFO系统是由不同基因位点编码的具系统是由不同基因位点编码的具相同功能的酶的不同形式的集合相同功能的酶的不同形式的集合.大大多数动植物体内都有这种系统多数动植物体内都有这种系统,它可它可以改变非极性有机化学物质的毒性以改变非极性有机化学物质的毒性(通常将其转变为更具极性进行降解通常将其转变为更具极性进行降解的方式的方式).).许多许多PAHPAH与卤化物都可诱导与卤化物都可诱导MFOMFO产生活性产生活性.MFOMFO常被用做有机化合物在生理生化常被用做有机化合物在生理生化水平上的生物标记物水平上的生物标记物细胞色素细胞色素P-450P-450酶通过催化氧化反酶通过催化氧化反应合成并降解动物体内的内源化合应合成并降解动物体内的内源化合物物(类固醇类固醇,前列腺素前列腺素,脂肪酸和其脂肪酸和其他生物分子他生物分子)同时对于外源污染物同时对于外源污染物的毒理作用和排泄过程起到非常关的毒理作用和排泄过程起到非常关键的作用键的作用.不同的不同的P-450P-450蛋白质决定蛋白质决定不同的细胞不同的细胞,器官器官,个体以及种群会个体以及种群会发生哪些酶促反应发生哪些酶促反应.PAHPAH、含氯碳氢化合物、多氯联苯、二垩含氯碳氢化合物、多氯联苯、二垩英、造纸厂废水中的有机化合物英、造纸厂废水中的有机化合物细胞色素细胞色素P-450P-450的诱导受许多因素的诱导受许多因素的影响的影响,包括环境温度包括环境温度,目标暴露毒目标暴露毒物和生物体重、动物性别等等。当物和生物体重、动物性别等等。当将这些可以改变它的因素考虑在内将这些可以改变它的因素考虑在内时时,细胞色素细胞色素P-450P-450的诱导就是一个的诱导就是一个非常有效的生物标记物非常有效的生物标记物,被作为多被作为多种污染物的大量暴露的指示。种污染物的大量暴露的指示。应激蛋白应激蛋白细胞应激反应：指对作为细胞蛋白细胞应激反应：指对作为细胞蛋白质的保护和再利用系统的关键蛋白质的保护和再利用系统的关键蛋白质的有序诱导的反应。质的有序诱导的反应。可以在热、缺氧、某些金属、外来可以在热、缺氧、某些金属、外来化学物质、乙醇、砷化钠或者紫外化学物质、乙醇、砷化钠或者紫外线辐射的影响下引发。线辐射的影响下引发。应激蛋白：指参与减少与热、缺氧、应激蛋白：指参与减少与热、缺氧、紫外线辐射、砷、金属及某些外来紫外线辐射、砷、金属及某些外来化学物质等应激源有关的蛋白质损化学物质等应激源有关的蛋白质损伤的一组蛋白质。伤的一组蛋白质。蛋白毒性：指蛋白质损伤的毒性。蛋白毒性：指蛋白质损伤的毒性。分子伴侣：指结合蛋白质并指导其分子伴侣：指结合蛋白质并指导其正确折叠和聚集的应激蛋白正确折叠和聚集的应激蛋白,其亦可其亦可防止蛋白质变性和凝聚防止蛋白质变性和凝聚,促使它们重促使它们重新折叠为具有功能的结构新折叠为具有功能的结构主要应用在应激蛋白主要应用在应激蛋白9090、应激蛋白、应激蛋白7070上，是始终存在的，应激蛋白上，是始终存在的，应激蛋白9090在没有应激源时就有较高浓度；应在没有应激源时就有较高浓度；应激蛋白激蛋白7070正常条件下浓度较低正常条件下浓度较低具有显著蛋白毒性的物理和化学物具有显著蛋白毒性的物理和化学物质均可诱导应激蛋白。不同分子量质均可诱导应激蛋白。不同分子量的应激蛋白的应激蛋白,应激蛋白应激蛋白9090、应激蛋白、应激蛋白7070、低分子量热休克蛋白（、低分子量热休克蛋白（LMWLMW）、）、分子伴侣分子伴侣6060（cpn60cpn60）和泛素产量的）和泛素产量的提高由变性的蛋白质引发提高由变性的蛋白质引发,以保护、以保护、修复或引导细胞中的蛋白质分解修复或引导细胞中的蛋白质分解应激蛋白识别变性蛋白富含憎水的应激蛋白识别变性蛋白富含憎水的缩氨酸的暴露部分缩氨酸的暴露部分,并与之结合并与之结合,在在应激蛋白应激蛋白9090和应激蛋白和应激蛋白7070的帮助下的帮助下,变性或凝聚的蛋白质展开变性或凝聚的蛋白质展开,然后重新然后重新正确折叠恢复功能。损伤后不能被正确折叠恢复功能。损伤后不能被恢复的蛋白质与泛素结合恢复的蛋白质与泛素结合,泛素帮助泛素帮助它们移动到溶酶体以完成最后的分它们移动到溶酶体以完成最后的分解解作用方式作用方式各种应激蛋白浓度的增加被用于一各种应激蛋白浓度的增加被用于一般细胞应激反应的生物标记物般细胞应激反应的生物标记物不同的应激源所诱导的各种应激蛋不同的应激源所诱导的各种应激蛋白的程度不同，应激蛋白的诱导模白的程度不同，应激蛋白的诱导模式被用做该诱导反应的生物标记物式被用做该诱导反应的生物标记物谷胱甘肽转移酶是存在于细胞质和谷胱甘肽转移酶是存在于细胞质和微粒体里的阶段微粒体里的阶段酶酶,它通过结合它通过结合作用把谷胱甘肽加到外来化学物质作用把谷胱甘肽加到外来化学物质或其它代谢产物上。其诱导活性和或其它代谢产物上。其诱导活性和结合产物的浓度被作为生物标记物。结合产物的浓度被作为生物标记物。结合酶结合酶磺基转移酶，存在细胞质中，可以磺基转移酶，存在细胞质中，可以使硫酸盐与化合物结合，进行使硫酸盐与化合物结合，进行S S转移转移UDP-UDP-葡萄糖醛酸基转移酶，存在细葡萄糖醛酸基转移酶，存在细胞质中，可以催化葡萄糖酸与亲电胞质中，可以催化葡萄糖酸与亲电子的外来化合物及其代谢物结合，子的外来化合物及其代谢物结合，如萘的生物转化如萘的生物转化谷胱甘肽具有阶段谷胱甘肽具有阶段结合作用底物结合作用底物和抗氧化剂的双重作用。和抗氧化剂的双重作用。氧化应激：指氧自由基（氧化应激：指氧自由基（O O2 2-，H H2 2O O2 2 和和OHOH）对生物分子的损害）对生物分子的损害氧化应激氧化应激&抗氧化反应抗氧化反应在有氧代谢过程中分子氧与产生能在有氧代谢过程中分子氧与产生能量的过程结合量的过程结合,是氧化应激反应产是氧化应激反应产生的基础生的基础氧自由基可引起脂的过氧化氧自由基可引起脂的过氧化,多链多链不饱和脂的氧化反应不饱和脂的氧化反应,导致膜功能导致膜功能紊乱紊乱许多环境污染物可通过生物体的氧许多环境污染物可通过生物体的氧化还原循环，使还原剂被氧化，同化还原循环，使还原剂被氧化，同时产生氧自由基时产生氧自由基自由基可以与许多生物分子形成共自由基可以与许多生物分子形成共价键价键;可以与膜的组分酶和受体共可以与膜的组分酶和受体共价结合改变其功能和结构价结合改变其功能和结构;与蛋白与蛋白质和其它生物分子的巯基反应造成质和其它生物分子的巯基反应造成损害损害,影响其功能，这些影响涉及影响其功能，这些影响涉及核酸、膜脂、蛋白质（包括蛋白质核酸、膜脂、蛋白质（包括蛋白质金属中心）氧化金属中心）氧化生物通过制造与氧自由基反应的抗生物通过制造与氧自由基反应的抗氧化剂或者制造可以减少氧自由基氧化剂或者制造可以减少氧自由基的酶的酶,从而避免氧化性损伤从而避免氧化性损伤被暴露个体中超氧化物歧化酶、触媒被暴露个体中超氧化物歧化酶、触媒或谷胱甘肽过氧化物酶水平的提高则或谷胱甘肽过氧化物酶水平的提高则指示氧化应激的提高。指示氧化应激的提高。抗氧化剂包括超氧化物歧化酶、过氧抗氧化剂包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶化氢酶、过氧化物酶,谷胱甘肽还原谷胱甘肽还原酶酶