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1、重金属致毒的化学机理主讲人：连晓辉材料化学1班金属毒性与金属-生物分子配体的特殊结构化学结构原理在金属致毒机理中的应用目录12目前人体内发现的60余种元素中,27种有确凿证据表明它们参与了生物化学过程,称之为生命元素。另有一类危害人体健康的便是毒性元素。它们在周期表中的位置反映出两类元素在化学结构上的区别。如图1[1]所示,大多数必需元素居于周期表前部,除I,Mo外,全部在前面34种元素之中。有害元素则几乎都位于周期表后部,除Be外,它们都在第5和第6周期的后段,属于重金属元素生物分子配体的结构特点生物配体分子的原子及基团之
2、间的相互作用,较之一般无机或有机分子,在性质与程度上都更为丰富而多变,呈现出一种多级作用的特色生物大分子内和生物大分子间的各种相互作用有:生物大分子内和生物大分子间的各种相互作用有:①高强度、定向性的共价相互作用;②分子内荷正电与荷负电部位的静电作用;③具有方向性的氢键作用;④非键原子间的色散作用;⑤疏水键作用。大分子中疏水的侧链将尽量避免与水分子接触而形成疏水区。疏水区周围的水分子便排列有序而使能量升高。当分子内或分子间的2个疏水部位靠近时,一部分有序排列的水分子被挤出,又成为无序状态,体系的熵值便会增加,自由能下降,从而
3、使两疏水部位的“结合”稳定化。这种结合就称为疏水键共价键决定大分子的一级结构,其他相互作用则构成大分子的次级键。在发生构象变化或分子变形时,这些次级键易断裂破坏,使分子运动中存在较多自由度。在这种多级作用的基础上,生物大分子配体具有刚性与柔性相结合的特点。刚性指成键原子间固有的键长与键角并不轻易变形,只有微小的相对振动。柔性指局部区域非化学键作用的变化,它将导致构象改变图2[2]为Cd(Ⅱ )-金属硫蛋白的簇状结构。金属Cd(Ⅱ)周围结构是相对刚性的,其他无规则连接部分则是 柔性的相对静止的基本结构使大分子在反应中有一定的模
4、式与选择性,动态的构象变化则可以调节分子的反应能力。这种刚柔相济、动静结合的结构特点,既赋予金属-生物大分子配合物完成特定生理作用的能力,也带来有害金属改变正常生理结构,导致生物体中毒的可能性金属致毒机理在分子水平上的3种类型摄入的有害金属阻碍生物大分子的重要功能;有害金属取代生物大分子中的必需金属,使其丧失生物活性;有害金属改变生物大分子活性部位的构象,从而改变其生物活性从重金属致毒的角度看,由于生物大分子可以有多个不同的配位点,同一金属在不同条件下可与不同配位点结合;当某一配位点在空间及电子构型上对几种金属离子都相宜时,
5、它们可以同时争夺这一配位点;多配位能力还使大分子配体易形成螯合物及大环配合物,重金属元素的致毒性经常与这种“配位笼”在电子结构与空间构型上的选择性联系在一起。生物分子的吸收选择性与金属离子结构生物配体分子在吸收金属阳离子时,赖以识别和选择的基本因素,有离子的电荷与大小,以及由离子电子结构决定的对配位原子的亲合性图3[3]示出的金属离子半径变化趋势曲线表明,过渡金属离子中,半径的变化并不大。Cd2+,Hg2+,Pb2+的离子半径就与Ca2+接近。不仅如此,一些重金属同具有生命功能的过渡金属和钙元素相比,其络合物稳定常数 log
6、K及溶度积Ksp的值也很接近这样,在有机体对阳离子的吸收中,一些重金属离子便可能通过电荷相同,电子构型相似,离子半径相近的必需金属离子的吸收途径进入有机体内。对于一些能迅速形成金属有机化合物的重金属,例如汞的烷基化合物一甲基汞、二甲基汞等,由于对细胞膜的亲合性,比二价离子更容易通过细胞膜,有机体对这类化合物的选择性就更低。另外,生物大分子众多配位点中的“软碱”(如S2-,-SH等),与属于“软酸”及“中界酸”的Hg2+,Cd2+,Pb2+之间的亲合作用,也是这些重金属元素进入有机体的重要渠道进入有机体的重金属元素,在与生物大
7、分子的配位结合中,以各种方式破坏或干扰了有机体的正常生理活动。下面的例子具体说明这一问题。化学结构原理在金属致毒机理中的应 用 Pb(Ⅱ)对Ca(Ⅱ)的抗拮作用Pb(Ⅱ)对Ca(Ⅱ)的抗拮作用生物体内的硬组织(骨胳、牙齿等)称为生物矿物。由钙参与的生物矿化是生物体内进行的重要无机化学反应。生物体从环境中摄取的Ca2+,大部分被转化成难溶盐。难溶盐的生成与溶解构成了钙化与脱钙的可逆过程:Ca2++CO2-3钙化脱钙与Ca2+电荷相同,半径相近的Pb2+有机体在吸收时并无很高的选择性,而Pb2+较大的半径使得它与PO3-4的匹配
8、比其他阳离子更好(半径比效应)。它们形成的难溶磷酸盐导致了基本生物阴离子水平降低,从而使有机体钙化与脱钙的可逆平衡失控,硬组织的生理性强度便会受到影响作为调节细胞多种生理活动的Ca元素,在神经功能中发挥着重要作用,例如携带感觉信息的神经传质分子(如乙酰胆碱、3-羟酪胺、去肾上腺素等)在神经
