重金属致毒的化学机理

START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,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logK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)在神经触突中的运动(图4)。神经触突是神经长链中充满水状液体的间隔。作为一种化学开关,在神经传质分子通过触突图4神经触突传递感觉信息示意图这个过程需要触突膜两侧离子浓度维持不均衡状态(形成一种化学电势),这是由腺苷三磷酸(ATP)裂变的能量维持的。该裂变通过ATP酶实现。作为生物体内多种酶活化剂的钙调蛋白CaM也是ATP酶的活化剂。但通过Ca2+吸收途径进入体内的Pb2+,却强烈抑制ATP酶的活化,而破坏触突膜两侧正常电势,导致神经系统的铅中毒取代金属的配键构型对锌酶活性的影响作为生物体必需的微量元素,锌参与了各种酶的组成或作为酶的激活剂。锌与生物分子配位结合时,配位键的空间构型常取四面体型,这种指样结构被称为锌指结构。它在锌元素的生理功能中起着特殊的结构上的作用碳酸酐酶和存在于哺乳动物胰脏中的羧肽酶A(CPA)都是重要的锌酶,如碳酸酐酶、催化二氧化碳的可逆水合作用:CO2+H2OHCO-3+H+。在将血液中的二氧化碳从肺中排出的过程中,这是必需的酶。X-射线研究表明,在碳酸酐酶及羧肽酶A的活性中心,Zn2+与周围配体形成一种扭曲的四面体结构以碳酸酐酶为例,Co2+,Ni2+,Cd2+,Hg2+,Pb2+都可能取代碳酸酐酶中的Zn2+,但取代结果却有很大差异:Co2+取代后的酶仍保留高活性;Ni2+的取代会降低酶活性;Cd2+,Hg2+,Pb2+的取代则使酶失去全部活性。比较这几种离子的d电子结构,可以发现一些锌指结构在酶活性中的作用Co2+具有3d7组态,在四面体配位场中高自旋与低自旋状态的d电子排布完全一样,e能级和t2能级上的电荷分布是对称的,不引起空间构型畸变,与Zn2+(3d10)的d电子结构非常相似,见图6-(a)(b),同时离子半径也接近,因此可以认为,Co2+取代能保留酶活性是取代物仍然保持着锌指结构的缘故。事实上,Co2+是Zn2+的最佳替代者。锌酶活性部位的结构分析就是用Co(Ⅱ)光谱探针进行的。Ni2+(3d8)的d电子结构则不一样。Td场的t2能级上d电荷密度分布不对称,见图7-(c),产生的John2Teller畸变将影响锌指结构。另一方面,Ni(Ⅱ)Td构型的配合物晶体场稳定化能较小(01356Dq),不如D4h构型(高自旋)配合物稳定(CFSE为11456Dq),故通常Ni2+的3d电子更倾向于平面四方形配位。例如Ni(Ⅱ)卟啉中,Ni2+在卟啉环的孔洞中与4个氨基上的N形成平面结构;Zn(Ⅱ)卟啉中,Zn2+则在环的孔洞外形成非平面结构。显然这2个因素都会在不同程度上影响Ni2+取代物的锌指结构而降低酶的活性。至于Cd2+,Hg2+,Pb2+等离子,价电子组态为4dn和5dn,与Zn2+(3d10)相比,主量子数不同,在电子结构上有较大差异,离子半径相差也比较大(图3)。当发生这些金属离子的取代时,活性部位的锌指结构便难以保留,酶的活性也就丧失了金属同配位原子的亲合性与金属致毒金属与生物分子结合形成的生物功能分子,既是配合物,也是酸碱加合物。金属阳离子有价层空轨道可接受电子,被视为Lewis酸;生物分子配位点的C,N,O,S等原子,都可提供电子而作为Lewis碱。其中正电荷较少,半径较大,外层电子被束缚较松而易变形的阳离子为“软酸”;配位原子电负性小,半径大,易给出电子的分子或离子为“软碱”。根据大量实验总结的软硬酸碱规则指出,酸碱的软硬程度越接近,相互之间的亲合力就越强,结合也越稳定对重金属在生物体内的贮存、代谢和输送,以及有毒金属的防御机制等方面,金属硫蛋白(MT)发挥着重要作用。这是一种富含半胱氨酸的蛋白质,其中的巯基(—SH)与多种金属有亲合性。作为软碱,膜和酶的蛋白质巯基对Hg2+十分敏感,使汞化物,尤其是烷基汞极易被生物体吸收。例如CH3Hg+能很快被红细胞吸收(红细胞中的谷胱甘肽也是含巯基氨基酸,在pH为1～13的范围内,都与CH3Hg+1∶1络合[6]),然后又迅速穿过血脑屏障,同脑细胞膜中的硫蛋白结合,致使膜的结构发生改变。这将影响膜的功能,对膜两边离子分布、电位及营养物的通过都造成干扰,使脑细胞受到永久性损伤。发生在日本的“水俣病”(手足麻木,听觉障碍,视野缩小,情绪失常等)就是烷基汞造成的脑中毒病变在血红素合成中,Pb2+对ALA-D酶的非活性效应,也跟Pb2+与—SH的亲合性直接相关。ALA-D称为“胆色素合成酶”,在血红素合成中是关键性的酶。它含有8个—SH基和相当于1个亚基的Zn,其中有2个—SH基是活性中心,Zn起着保护活性中心的作用(若用EDTA除去Zn,2个—SH基便形成S—S键而失去活性)。但Zn2+与—SH的亲合力是很小的,一旦发生Pb2+与—SH的结合便会置换出Zn,巯基活性中心则成为硫醇盐而失去活性综上所述,金属离子与生物配体分子的电子结构,在此基础上建立起来的相互作用效应和空间构型效应,反映了金属的致毒机理