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03 第三章 环境污染物的生物转运和生物转化-生物转运.ppt

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资源描述

1、第三章 污染物的生物转运和生物转化,生态毒理学 Ecotoxicology,污染物在体内的生物转运和生物转化,环境污染物,血液,吸收,排泄,化学结构和性质改变,分布组织脏器,代谢产物,贮存,2,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、排泄速度和途径,为阐明毒作用及其作用机理提供科学依据,3,3.1.1 生物膜的结构和功能,3.1 生物

2、转运,4,细胞膜的生理学功能蛋白质,维持细胞完整性和细胞器内部理化性质的稳定 选择性地通过物质,影响物质吸收和排出 细胞识别和信息传递 能量转换 酶类的催化作用,3.1.1 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,6,3.1.1 生物膜的结构和功能,研究范例W. Hu et al. / Comparative Biochemistry and Physiology Part C 135 (2003) 7788,Alterations in cell membrane prope

3、rties caused by perfluorinated compounds,7,Effects of PFOS on memebrane fluidity in fish leucocytes,Negative control,Positive control,PFOS exposed,Exposure to PFOS significantly increased membrane fluidity of fish leukocytes,8,Alterations in cell membrane properties caused by perfluorinated compound

4、s,Effect of PFOS on mitochondrial electron potential.,研究范例W. Hu et al. / Comparative Biochemistry and Physiology Part C 135 (2003) 7788,Mitochondrial membrane potential was inversely related to the PFOS concentration.,9,TCDD PFOS,研究范例W. Hu et al. / Comparative Biochemistry and Physiology Part C 135

5、(2003) 7788,Interactive effects of PFOS and TCDD on H4IIEluc cell EROD activity,10,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 proteins could significantly ameliorate the membrane-related effects observed here if the affini

6、ty for protein is greater than that for membranes.,Interactive effects of E2 and PFOS or E2 and TCDD on MVLN cell luciferase activity,3.1.2 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(specialized transport)易化扩散、主动转运、吞噬和胞饮作用,11,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,

7、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,简单扩散的特点1.不消耗能量2.不需要载体3.无饱和限速4.无竞争性抑制5.符合一级速率过程,被动转运,12,滤过(Filtration),毒物通过生物膜上的亲水孔道(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,13,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。,特点:1.逆浓度梯度转运2.载体3.能量代谢4.

8、选择性5.饱和性6.竞争性,14,特殊转运(specialized transport),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.具有一定的选择性和主动性,主动转运(Active transport),15,吞噬作用(Phagocytosis)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。,主动转运(Active transport),16,3.1.3

9、 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、肌肉和静脉注射等,17,人体消化系统解剖图,(一) 消化道吸收,18,胃组织学结构,(一) 消化道吸收,19,脂/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) 消化道吸收,20,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

10、 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物而改变其毒性,(一) 消化道吸收,21,呼吸系统解剖图1,(二) 呼吸道吸收,22,肺泡和终末细支气管微细结构,(二) 呼吸道吸收,23,环境污染物的呼吸道吸收方式,(二) 呼吸道吸收,24,颗粒物粒径与呼吸系统内沉积部位、沉积率的关系,(二) 呼吸道吸收,25,ultrafine carbon black(ufCB) and fine carbon black (CB),(二) 呼吸道吸收,26,影响肺泡对气态物质的吸收的因素,(1)分压差和血/气分配系数。 (2)血液中溶解度和相对分子质量。 (3)肺的通气量和血流量,特别是与两者的比

11、值有关。,(二) 呼吸道吸收,27,皮肤组织学结构示意图,表皮,真皮,皮下组织,角质层,透明层,颗粒层,有棘层,基底层:生成新表皮细胞,乳头层:输送养分、含水分、弹性蛋白,网状层:含水分、弹性蛋白、胶原蛋白、提供张力,(二) 皮肤吸收,28,表皮,毛囊、汗腺、皮脂腺,表皮角质层, 阻止MW300,连接角质层, 阻止水溶性物质,基底膜,血液,环境污染物,(二) 皮肤吸收,29,影响皮肤吸收的因素,分子量 脂/水分配系数 接近1.0的容易被表皮途径吸收 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 环境、皮肤温度和湿度 角质层厚度和完整性、血液流量 汞等一些金属及化合物,可以经过毛

12、囊、皮脂腺和汗腺直接进入血液,(二) 皮肤吸收,30,3.1.4 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,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,32,生物屏障(barrier)与分布,血脑屏障,胎盘屏障,肺-血屏障,血

13、-睾屏障,3.1.4 环境污染物的体内分布,33,血脑屏障结构,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之间增加粘合性。,3.1.4 环境污染物的体内分布,34,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,35,部分POPs通过胎盘屏障影响胎儿in utero exposure,36,International Journal of Hygiene and En

14、vironmental Health 216 (2013) 184-194,International comparison of mean PFOS and PFOA concentrations in cord sera. Elevated cord PFOA levels were weakly associated with a higher risk of low birth weight ( 2500 g),Fig. 1. Contribution of individual PFCs congeners to the PFCs in adult serum,human milk

15、and cord serum,cord PFOA Adult serum,preferential placental transfer of PFOA,sulfonates (PFOS, PFBS and PFHxS) being easier transferred to milk compared to carboxylates.,Environmental Pollution 158 (2010) 2546-2552,Prenatal and postnatal exposure assessment,Prenatal exposure: cord plasma PFC/BFR bod

16、y blood volumePostnatal exposure:human milk PFC/BFR average milk intake BW,Environmental Pollution 158 (2010) 2546-2552,部分POPs通过胎盘屏障影响胎儿in utero exposure,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,39,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

17、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,40,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,41,体内主要的贮存库,3.脂肪组织脂溶性脂溶性环境污染

18、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、锶等能与骨基质结合而贮存其中。,3.1.4 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(excretion),43,肾脏排出,1.肾小球滤过,膜孔 710nm MW60000,3.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(excretion),44,

19、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(excretion),45,肠肝循环 Enterohepatic circulation 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,并随同胆汁排泄,即进行肝肠循环。 肠肝循环使毒物在体内停留时间延长,排泄减慢,毒性作用增强。,46,3.1.5 环境污染物的排泄(excretion),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,47,3.1.5 环境污染物的排泄(excretion),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,48,3.1.5 环境污染物的排泄(excretion),49,

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