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第三章 环境化合物的毒性作用 及其影响因素 第一节 毒性作用 一、基本概念 （一）毒物toxicant 指在一定条件下，较小剂量就能引起机体功能性或器质 性损伤的化学物质。毒物与非毒物没有绝对界限，只是在 于中毒剂量的大小。 （二）毒性toxicity 指一种物质能引起机体损害的性质和能力，毒性大小可 通过对生物体的损害性质和程度表现出来。可用动物实验 或用其他方法检测。 （三）中毒 toxication 中毒指机体受到某种化学物质作用引起的功能性和器质 性的病变 （四）危险性和危害性 risk & hazard 危险性即危险度，指某种能引起中毒可能性 的物质在具体接触条件下，对机体造成损害可 能性的定量估计。较为精确。 危害性内涵与危险性相近，但较模糊，缺乏 定量概念。危害性大小取决于生物是否与之接 触、该物质进入机体的能力和数量。 （五）剂量（dose） 一般指给予机体的或机体接触的外来化学物的 数量，也可指外来化学物吸收进入机体的数量， 或外源化学物在关键组织器官和体液中的浓度或 含量。单位：mg/kg体重或mg/m3空气或mg/L水 1、致死剂量（Lethal dose，LD） （1）绝对致死剂量LD100 指能造成一群体全部死亡的最低剂量。 （2）半数致死剂量LD50（致死中量）： 能引起一群个体50%死亡所需剂量，也称致 死中量。表示LD50 的单位mg/kg体重，LD50 数值 越小，表示外来化合物毒性越强。 LC50——单位mg/m3、mg/L，表示外源化合 物经呼吸道与机体接触后的毒性，指接触化学物2 －4h后，在一定观察期限内（一般是14天）死亡 50％所需浓度。 TLM：median tolerance limit，半数存活浓 度，用于水生生物，一般用TLM48表示。 （3）最小致死量LD01：在一群个体中仅引起个别 死亡的最低剂量。 （4）最大耐受量LD0 ：在一群个体中不引起死亡 的最高剂量。 2、半数效应剂量median effective dose，ED50 引起生物体某种生物效应50％改变的剂量 3、最小有作用剂量（minimal effect level） 即在一定时间内，一种外来化合物按一定方式 或途径与机体接触，能使某项观察指标开始出现 异常变化或使机体开始出现损害作用所需的最低 剂量，也可称为中毒阈剂量，或中毒阈值。 4、最大无作用剂量（maximal no-effect level) (no observed effect level NOEL) 最大无作用剂量即在一定时间内，一种外来化 合物按一定方式或途径与机体接触，根据现今的 认识水平，用最灵敏的试验方法和观察指标，亦 未能观察到任何对机体的损害作用的最高剂量。 最大无作用剂量的确定系根据亚慢性毒性或 慢性毒性试验的结果，是评定外来化合物对机体 损害作用的主要依据。 低 高 ──┼───┼─┼─┼─────┼─┼─┼───┼──┼─┼──┼→ 安全限值 NOAEL 阈 LOAEL NOAEL 阈 LOAEL MTD MLD LD50 LD100 └────┘ └────┘ LD0 LD01 慢性 急性 观察到有害作用剂量（LOAEL） 有害作用阈（threshold） 末观察到有害作用剂量（NOAEL） （六）效应和反应 1、效应（effect） 效应表示一定剂量外来化合物与机体接触后 可引起的生物学变化。此种变化的程度用计量单 位来表示，例如若干个、毫克、单位等。 效应仅 涉及个体。 2、 反应（response） 一定剂量的外来化合物与机体接触后，呈现某 种效应并达到一定程度的比率，或者产生效应的 个体数在某一群体中所占的比率，一般以%或比 值表示。涉及群体。 （七）剂量－效应关系和剂量－反应关系 以表示效应强度的计量单位或表示反应的百分率或比 值为纵座标，以剂量为横座标，绘制散点图，可得出一 条曲线。不同外来化合物在不同具体条件下，所引起的 效应或反应类型不同，主要是效应或反应与剂量的相关 关系不一致，可呈现不同类型的曲线。 A、直线型 B、抛物线 C、Ｓ－状曲线 二、毒性作用的类型 （一）局部和全身毒作用 局部毒作用：外源化学物引起机体直接接触部 位的损伤。 全身毒作用：化学物随血液循环分布全身呈现 的毒作用。全身毒作用中各组织器官的损伤不均 匀，主要的损伤部位称为靶器官。 （二）速发和迟发毒作用 速发：一次接触后短时间内的毒性作用 迟发：一次或多次接触后经一段时间呈现 （三）可逆和不可逆毒作用 三致作用是不可逆的，是否可逆与受损组织 再生能力有关。 （四）变态反应 即过敏性反应，该化学物为半抗原，与内源性 蛋白质结合形成完全抗原→ 抗体形成 → 再接触 该化学物 → 抗原-抗体反应。该剂量-反应关系不 是S曲线，但特定个体的反应强度与剂量有关。 （五）特异体质反应 遗传决定的特异体质对某化学物的异常反应。 三、环境化学物的联合毒性作用 两种或两种以上的化学物同时或短期内先 后作用于机体所产生的综合毒性作用。 （一）联合作用类型 1、相加作用 additive effect—— 1+1=2 化合物在化学结构上相似或为同系物，或其 毒作用的靶器官相同，则其对机体产生的总效 应等于各个化合物成分单独效应的总和，这种 现象即是化合物的相加作用。 2、协同作用 synergistic effect—— 1+1 > 2 各化合物交互作用结果引起毒性增强，这种现 象即为化合物的协同作用。多个化合物之间发生 协同作用的机理复杂而多样。可能与化合物之间 影响吸收速率,促使吸收加快、排出延缓、干扰体 内降解过程和在体内的代谢动力学过程的改变等 有关。 3、增强作用 potentiation —— 0+1 > 1 无毒性的化学物能促进同时进入机体的其他化 学物的毒性。 4、拮抗作用 antagonistic effect —— 1+1 < 2 各化合物在体内交互作用的总效应，低于各 化合物单独效应的总和，这一现象称为拮抗作 用。化合物在体内产生拮抗作用可能有几种形 式： （1）化合物之间的竞争作用（受体拮抗） （2）功能性或效应性拮抗 （3）化学拮抗 （4）干扰拮抗 5、独立作用 independent joint effect 两种或两种以上的化合物作用于机体，由 于其各自作用的受体、部位、靶细胞或靶器官 等不同，所引发的生物效应也不相互干扰，从 而其交互作用表现为化合物的各自的毒性效应 ，对此称为独立作用。与相加类似。 （二）联合作用类型的评定 1、联合作用系数法 如A：LD50=200mg/kg 按1：4混合 1 LD50( AB) B：LD50=800mg/kg， 0.2 0.8 1 200 800 500 则LD50（AB）=500mg/kg 再 计 算 LD50 （ AB ） （ 理 论 值 ） /LD50 （ AB ） （测定值） 2、 等效应图解法 只能评定两个化合物的联合作用。 C点位于A1B1、 A2B2之间——相加 作用 C点低于A1B1—— 增强作用 C点在A2B2D中— —独立作用 C高于A2D但在B2D 内——拮抗作用 3、综合描述 当实验资料非常明显的时候，可直接判断其联 合作用。 乙醇 四氯化碳 （5.0mg/kg体重） （吸收1000mg/L） + - GOT单位 217±17 - + 238±8 + + 202±26 （间隔2h） + + 1941±558 （间隔16－18h） 四、毒性作用机理 （一）干扰正常受体－配体的相互作用 受体（receptor）是细胞在进化过程中形成的位于膜上 或胞浆中的糖蛋白、脂蛋白，能识别周围环境中某种微量 化学物质，与之结合，而后通过中介的信息转导与放大系 统，触发随后的生理效应及药理效应。能与受体特异性结 合的 物质成为配体。 尤其是神经毒物 如有机磷农药的毒 性作用干扰正常受 体－配体作用。 （二）细胞膜损伤 膜是外来化合物及其代谢物进出细胞以及在体内转 运的必经门户，因此容易受到外来化合物的损害，引 起结构与功能的变化，这种变化可以较为灵敏地反映 外来化合物的生物学效应以及毒性作用；另一方面， 膜本身结构和性质也会影响外来化合物的敏感性和耐 受性，而细胞内的一些毒性反应又可对膜的结构和功 能产生一定影响。 1、对细胞膜生物物理性质的损伤——通透性、流动性 2、对生物膜生物化学性质的影响——脂质过氧化膜结合酶 3、外来化合物对膜成分和结构的影响 （三）干扰细胞内钙稳态 正常情况下，细胞内Ca2＋ 浓度低于细胞外，Ca2＋ 作为第 二信使在调节细胞内功能中起着重要作用。受体与配体的结 合可能促进Ca2＋离子通道形成导致细胞内Ca2＋浓度增加。 1、激活磷酸酶促进磷脂分解，破坏膜结构 2、导致蛋白质分子交联，改变微丝微管结构 3、激活某些核酸内切酶，引起DNA断裂。 （四）干扰细胞能量的产生 1、破坏电子链，造成细胞内窒息。 2、氧化磷酸化解偶联，能量不能转化为ATP。 （五）自由基与脂质过氧化 自由基来源于共价键的均裂，具有奇数电子的分子。 细胞及亚细胞膜系统的 磷脂富含多烯脂肪酸侧链，容易 发生氧化降解，生物膜上的多烯脂肪酸受到过氧化即脂质过 氧化。脂质过氧化主要是在自由基作用下产生。 自由基的来源： 1、有些环境化合物本身具有自由基性质，如NO2 2、细胞内代谢后产生，如卤代烃(CCl4)、芳香烃化合物 、硝基胺类化合物 3、热解、光解 4、体内生物大分子共价均裂 脂质过氧化 的过程：花生四 烯酸与 CCl3·（三氯甲 基自由基）反应 结果导致多不饱 和脂肪酸降解形 成丙二醛 脂质过氧化后果： a、改变膜的流动性，损害膜结构。线粒体肿胀解体，溶 酶体破裂，内质网扩张； b、破坏与脂蛋白结合的酶，活性下降或丧失。 自由基对核酸损伤：作用于腺嘌呤、鸟嘌呤的C8，嘧啶 的C5、C6双键，引起碱基置换，脱嘌呤，DNA断裂。 （六）生物大分子结合 共价结合与非共价结合。 非共价结合主要是与细胞内酶的特异部位结合，改变 酶的活性，如与血红蛋白结合，阻止其携氧功能。 1、核酸： 污染物及其代谢物可与核酸共价结合，也可与核酸的氢 键结合，或嵌入碱基对之间，出现遗传信息的错误表达。 常见化合物有烷化剂、酰化剂、溴。核酸的碱基、戊糖 及磷酸都可受到攻击，碱基是最常见最重要的靶位。 2、蛋白质和酶 常与结构蛋白和酶分子活性中心的半胱氨酸的－SH、 丝氨酸的－OH、精氨酸的胍基等部位发生共价结合。 3、脂质 脂质最易产生共价结合的是磷脂酰丝氨酸、胆碱、 乙醇胺。 （七）选择性细胞致死： 与某些疾病过程非常类似，相当特异的毒性。 （八）非致死性遗传改变 干扰DNA复制和修复，引起DNA损伤或染色体畸变。 毒物与DNA的共价结合能直接导致细胞死亡，也可引发一 系列变化而致癌。 第二节 影响毒性作用的因素 一、环境化合物的结构与性质 （一）结构与毒性 1、 同系物碳原子数 烷、醇、酮等碳氢化合物碳原子越多，毒性越大。甲醇 、甲醛除外。但当碳原子数大于7－9时，毒性反而迅速下 降，其水溶性过小。 同系物碳原子相同时，直链毒性大于支链；成环大于不 成环的 2、烃基 加入烃基增加脂溶性，增强毒性。一般芳香烃大于脂 肪烃。 3、分子饱和度：分子不饱和键越多，毒性越大 4、卤素元素 一种化学物结构中增加卤素元素，可使其分子极化程 度增加，更易与酶系统结合。 5、羟基 脂肪族和芳香族中加入羟基后毒性增加 6、酸基和酯基 酸基、磺酸基引入分子后可提高水溶性和电离度，脂 溶性下降，毒性下降。 酸基酯化后，电离度下降，脂溶性增加，易被吸收。 7、胺基 胺具碱性，易与蛋白质、核酸的酸性基团反应。 RNH2（伯胺）>RNHR’（仲胺）>RNRR’’（叔胺） 8、构型 酶对构型有高度特异性，当环境化学物为不对称分子 时，酶只能作用于一种构型。 （1）同分异构体：对位>邻位>间位 （2）旋光异构体：一般情况下L－构型对机体有较强生 物学作用，D－构型者，往往不呈现生物学作用。 9、有机磷化合物 与毒性均有亲电子的磷，它以共价键结合于乙酰胆碱 酯酶的酯解部位。但有机磷化合物的一些取代基不同， 可以影响磷原子上的电荷密度，使其毒性发生变化。 （二）物理性质与毒性 1、脂/水分配系数 （1）脂溶性高的易被吸收不易被排泄 （2）绝对溶解度。体液中溶解度越大，毒性越大。 非脂溶性或非水溶性的毒物几乎不能被吸收，一般 无毒性。 2、电离度 即化合物的pKa值，对于弱酸性或弱碱性的有机化合 物，只有在pH条件适宜，使其维持最大限度成为非离子 型时，才易于吸收，包括透过生物膜，发挥毒性效应。若 化合物在一定pH条件下呈离子型的比例越高，虽易溶于 水，但难于吸收，且易随尿排出。电离度小的易吸收，毒 性大。 3、挥发度 挥发度越大，在空气中浓度越大，通过呼吸道或皮肤吸 收引起中毒的危险性就越大。同类有机物中，碳原子越多 挥发度越小。 有些有机溶剂的LD50值相似，但由于其各自的挥发度不 同，所以实际毒性可以相差较大。 4、分散度 颗粒小分散度越大，表面积越大，生物活性也越强。 5、纯度 工业品往往混有溶剂，未参加合成反应的原料、原料中杂 质、合成副产品等。商品中往往还含有赋形剂或添加剂。这 些杂质有可能影响、加强、甚至改变原化合物的毒性或毒性 效应。 二、机体状况(可参考第二章第三节中“影响生物转化的 因素”部分) （一）种属和个体差异： 代谢差异 生物转运：吸收排泄速度不同 生物结合能力和容量：血浆蛋白、尿量 其他：解剖形态、生理功能、食性 （二）性别与激素： 在一般情况下，成年雌性动物比雄性动物对化学物毒 性敏感，但也有例外。而对性别差异可能主要与性激素功 能和代谢转化有关。 （三）年龄 新生动物、幼年动物较敏感，新生、幼年动物某些组 织器官和酶系发育并不完全。 1、中枢神经系统发育不全。 2、血脑屏障不完全，毒物对大脑易作用； 3、排泄功能差； 4、代谢酶活性低； 5、吸收能力不同，对铅的吸收能力为成年的4－5倍。 出现年龄差异的原因可能是不同年龄动物酶活力、解 毒能力、代谢速度、皮肤和粘膜的通透性以及肾脏清除 率等方面的差别造成的。 （四）营养与健康 营养不足或失调可影响生物转化酶的含量和活性， 影响毒物的毒性作用。 健康状况可影响化学物毒性作用，如肝病使肝解毒 能力下降。 吸烟、酗酒：乙醇可增加机体对二硫化碳的易感性 ，产生对神经系统的联合毒性。吸烟可增加机体对某 些化合物的接触；吸烟和烟尘对呼吸道疾病有增效联 合作用。 （五）生物节律 三、接触条件 （一）接触途径 在相同化合物剂量下，接触途径不同，其吸收 速度、吸收率也不尽相同。一般认为，接触化合 物吸收速度和毒性大小的顺序是： 静脉注射（或呼吸道）> 腹腔注射 > 皮下注射 > 肌肉注射 > 经口 > 经皮。 （二）溶剂 有的化学物在溶剂中可改变化学物理性质及生 物活性，所以溶剂选择不当，可能加速或延缓毒 物的吸收、排泄而影响毒性。常用的溶剂有水（ 蒸馏水）、生理盐水、植物油（橄榄油、玉米油 、葵花籽油）、聚乙二醇、DMSO等。 常用助溶剂有吐温－80，非离子表面活性剂。 水生生物实验中，水的硬度不同可影响化学物 的LD50。 （三）毒物浓度与容积 毒性实验中，相同剂量的毒物，由于稀释度不同可造 成毒性的差异，一般浓溶液较稀溶液吸收快，毒性强。 经口给药容积不超过体重的1.2％～3％，静脉注射： 鼠<0.5ml，较大动物<2ml。 容积过大，可对毒性产生影响，此时溶剂的毒性也应 注意。 （四）交叉接触 经呼吸道接触时，应保护皮肤，防止经皮肤吸收；对 易挥发物经皮肤吸收时，应密封，防止经口经呼吸道呼吸. 四、环境因素 1、气温 在正常生理情况下，高气温使机体皮肤毛细血管扩张 、血循环加快、呼吸加速。凡可经皮肤或经呼吸道吸收 的化合物，吸收速度将加快。另一方面，高温时多汗， 随汗液排出氯化钠等物质增多，胃液分泌减少、胃酸降 低，影响化合物经胃肠吸收。同时排汗增多，尿量减少 ，易于造成经肾脏随尿排出的化合物或其代谢产物在体 内存留时间延长。 低温下，一般化学物对机体反应下降，这与化学物吸 收速度慢代谢慢有关。 2、气湿 高气湿可使经皮肤接触吸收的化合物吸收速度加快。因 为高气湿环境汗液蒸发困难，皮肤角质层的水合作用加强 ，脂水分配系数较低的化合物也易吸收。此外化合物也易 于粘着皮肤表面，延长接触时间。 3、气压 高气压与低气压环境条件下，接触外来化合物可以引起 外来化合物的毒性改变。