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1、重金屬致毒的化學(xué)機(jī)理主講人：連曉輝材料化學(xué)1班金屬毒性與金屬-生物分子配體的特殊結(jié)構(gòu)化學(xué)結(jié)構(gòu)原理在金屬致毒機(jī)理中的應(yīng)用目錄12目前人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的60余種元素中,27種有確鑿證據(jù)表明它們參與了生物化學(xué)過程,稱之為生命元素。另有一類危害人體健康的便是毒性元素。它們在周期表中的位置反映出兩類元素在化學(xué)結(jié)構(gòu)上的區(qū)別。如圖1[1]所示,大多數(shù)必需元素居于周期表前部,除I,Mo外,全部在前面34種元素之中。有害元素則幾乎都位于周期表后部,除Be外,它們都在第5和第6周期的后段,屬于重金屬元素生物分子配體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)生物配體分子的原子及基團(tuán)之
2、間的相互作用,較之一般無機(jī)或有機(jī)分子,在性質(zhì)與程度上都更為豐富而多變,呈現(xiàn)出一種多級作用的特色生物大分子內(nèi)和生物大分子間的各種相互作用有:生物大分子內(nèi)和生物大分子間的各種相互作用有:①高強(qiáng)度、定向性的共價(jià)相互作用;②分子內(nèi)荷正電與荷負(fù)電部位的靜電作用;③具有方向性的氫鍵作用;④非鍵原子間的色散作用;⑤疏水鍵作用。大分子中疏水的側(cè)鏈將盡量避免與水分子接觸而形成疏水區(qū)。疏水區(qū)周圍的水分子便排列有序而使能量升高。當(dāng)分子內(nèi)或分子間的2個(gè)疏水部位靠近時(shí),一部分有序排列的水分子被擠出,又成為無序狀態(tài),體系的熵值便會增加,自由能下降,從而
3、使兩疏水部位的“結(jié)合”穩(wěn)定化。這種結(jié)合就稱為疏水鍵共價(jià)鍵決定大分子的一級結(jié)構(gòu),其他相互作用則構(gòu)成大分子的次級鍵。在發(fā)生構(gòu)象變化或分子變形時(shí),這些次級鍵易斷裂破壞,使分子運(yùn)動(dòng)中存在較多自由度。在這種多級作用的基礎(chǔ)上,生物大分子配體具有剛性與柔性相結(jié)合的特點(diǎn)。剛性指成鍵原子間固有的鍵長與鍵角并不輕易變形,只有微小的相對振動(dòng)。柔性指局部區(qū)域非化學(xué)鍵作用的變化,它將導(dǎo)致構(gòu)象改變圖2[2]為Cd(Ⅱ )-金屬硫蛋白的簇狀結(jié)構(gòu)。金屬Cd(Ⅱ)周圍結(jié)構(gòu)是相對剛性的,其他無規(guī)則連接部分則是 柔性的相對靜止的基本結(jié)構(gòu)使大分子在反應(yīng)中有一定的模
4、式與選擇性,動(dòng)態(tài)的構(gòu)象變化則可以調(diào)節(jié)分子的反應(yīng)能力。這種剛?cè)嵯酀?jì)、動(dòng)靜結(jié)合的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),既賦予金屬-生物大分子配合物完成特定生理作用的能力,也帶來有害金屬改變正常生理結(jié)構(gòu),導(dǎo)致生物體中毒的可能性金屬致毒機(jī)理在分子水平上的3種類型攝入的有害金屬阻礙生物大分子的重要功能;有害金屬取代生物大分子中的必需金屬,使其喪失生物活性;有害金屬改變生物大分子活性部位的構(gòu)象,從而改變其生物活性從重金屬致毒的角度看,由于生物大分子可以有多個(gè)不同的配位點(diǎn),同一金屬在不同條件下可與不同配位點(diǎn)結(jié)合;當(dāng)某一配位點(diǎn)在空間及電子構(gòu)型上對幾種金屬離子都相宜時(shí),
5、它們可以同時(shí)爭奪這一配位點(diǎn);多配位能力還使大分子配體易形成螯合物及大環(huán)配合物,重金屬元素的致毒性經(jīng)常與這種“配位籠”在電子結(jié)構(gòu)與空間構(gòu)型上的選擇性聯(lián)系在一起。生物分子的吸收選擇性與金屬離子結(jié)構(gòu)生物配體分子在吸收金屬陽離子時(shí),賴以識別和選擇的基本因素,有離子的電荷與大小,以及由離子電子結(jié)構(gòu)決定的對配位原子的親合性圖3[3]示出的金屬離子半徑變化趨勢曲線表明,過渡金屬離子中,半徑的變化并不大。Cd2+,Hg2+,Pb2+的離子半徑就與Ca2+接近。不僅如此,一些重金屬同具有生命功能的過渡金屬和鈣元素相比,其絡(luò)合物穩(wěn)定常數(shù) log
6、K及溶度積Ksp的值也很接近這樣,在有機(jī)體對陽離子的吸收中,一些重金屬離子便可能通過電荷相同,電子構(gòu)型相似,離子半徑相近的必需金屬離子的吸收途徑進(jìn)入有機(jī)體內(nèi)。對于一些能迅速形成金屬有機(jī)化合物的重金屬,例如汞的烷基化合物一甲基汞、二甲基汞等,由于對細(xì)胞膜的親合性,比二價(jià)離子更容易通過細(xì)胞膜,有機(jī)體對這類化合物的選擇性就更低。另外,生物大分子眾多配位點(diǎn)中的“軟堿”(如S2-,-SH等),與屬于“軟酸”及“中界酸”的Hg2+,Cd2+,Pb2+之間的親合作用,也是這些重金屬元素進(jìn)入有機(jī)體的重要渠道進(jìn)入有機(jī)體的重金屬元素,在與生物大
7、分子的配位結(jié)合中,以各種方式破壞或干擾了有機(jī)體的正常生理活動(dòng)。下面的例子具體說明這一問題?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)原理在金屬致毒機(jī)理中的應(yīng) 用 Pb(Ⅱ)對Ca(Ⅱ)的抗拮作用Pb(Ⅱ)對Ca(Ⅱ)的抗拮作用生物體內(nèi)的硬組織(骨胳、牙齒等)稱為生物礦物。由鈣參與的生物礦化是生物體內(nèi)進(jìn)行的重要無機(jī)化學(xué)反應(yīng)。生物體從環(huán)境中攝取的Ca2+,大部分被轉(zhuǎn)化成難溶鹽。難溶鹽的生成與溶解構(gòu)成了鈣化與脫鈣的可逆過程:Ca2++CO2-3鈣化脫鈣與Ca2+電荷相同,半徑相近的Pb2+有機(jī)體在吸收時(shí)并無很高的選擇性,而Pb2+較大的半徑使得它與PO3-4的匹配
8、比其他陽離子更好(半徑比效應(yīng))。它們形成的難溶磷酸鹽導(dǎo)致了基本生物陰離子水平降低,從而使有機(jī)體鈣化與脫鈣的可逆平衡失控,硬組織的生理性強(qiáng)度便會受到影響作為調(diào)節(jié)細(xì)胞多種生理活動(dòng)的Ca元素,在神經(jīng)功能中發(fā)揮著重要作用,例如攜帶感覺信息的神經(jīng)傳質(zhì)分子(如乙酰膽堿、3-羥酪胺、去腎上腺素等)在神經(jīng)
