現(xiàn)代科技綜述知識(shí)文庫(kù)：氟化物的亞細(xì)胞效應(yīng)

1、現(xiàn)代科技綜述系列氟化物的亞細(xì)胞效應(yīng)科技是人類區(qū)別于動(dòng)物的重要文明之一，是人類對(duì)自然規(guī)律研究和利用的學(xué)科。本文提供對(duì)科技基本概念“氟化物的亞細(xì)胞效應(yīng)”的解讀，以供大家了解。氟化物的亞細(xì)胞效應(yīng)氟對(duì)生物有機(jī)體存在危害性影響。在進(jìn)入體內(nèi)后，自身經(jīng)歷復(fù)雜的代謝過(guò)程，同時(shí)對(duì)體內(nèi)不同的生命物質(zhì)產(chǎn)生各種影響。氟化物(F)的亞細(xì)胞效應(yīng)研究是從亞細(xì)胞水平探討F對(duì)不同物質(zhì)的影響，這項(xiàng)研究已達(dá)到一定的廣度和深度。氟化物的任何生物效應(yīng)與氟的化學(xué)特征密切相關(guān) 氟原子(F)的電離能很高，因在小原子中電子被牢牢吸住，激活能也就很高。強(qiáng)氧化劑、低序的F可取代高序的鹵原子。因FF鍵能較低，反應(yīng)活性高。由此決定氟具有以下的與生物效

2、應(yīng)有關(guān)的化學(xué)特征。(1)根據(jù)共價(jià)鍵半徑的大小，F(xiàn)是第2最小的取代基，CF鍵強(qiáng)度與CH鍵極為相近。在生物活性化合物中，F(xiàn)與H在酶受體位點(diǎn)的空間效應(yīng)上相似。(2)因CF鍵強(qiáng)度大于CH鍵，故氟引入有機(jī)物中時(shí)，熱和氧化作用的穩(wěn)定度增高，導(dǎo)致CF鍵的生物穩(wěn)定。(3)電負(fù)性高。氟改變電性，影響鄰近功能團(tuán)或分子構(gòu)成(通過(guò)氫鍵形式或是極間作用)。(4)氟的存在增加分子的親水性，提高具有生物活性的F在體內(nèi)的吸收率和遷移率，致使此類化合物在靶組織中含量增高。抑制酶活性的機(jī)理 氟在生物系統(tǒng)中幾乎能與所有金屬離子構(gòu)成復(fù)合物，因它是有力的配位體，摻入生物復(fù)合物，取代其它離子配位體，例如OH離子，致使酶與底物錯(cuò)位，最終使

3、酶失去活性。說(shuō)明此類機(jī)理的示例是：(1)F過(guò)氧化物酶的過(guò)程。氟代過(guò)氧化物酶是在F作用下形成的氟化酶或稱氟抑制細(xì)胞色素C過(guò)氧化物酶，兩者的分子結(jié)構(gòu)基本上沒(méi)有變化。(2)過(guò)氧化物酶含有Fe2+，在pH中性時(shí)，與OH離子絡(luò)合。當(dāng)酶接觸F時(shí)，F(xiàn)便占有絡(luò)合位置，擠掉水分子，即在該酶的活性中心Fe2+上，F(xiàn)取代原來(lái)的OFe2+形成FFe2+，此時(shí)Fe2+附近的質(zhì)子數(shù)增多或鐵與原子間距離縮短。(3)在過(guò)氧化物酶的周?chē)却嬖诘臍滏I網(wǎng)絡(luò)被F破壞，使Fe2+不再能與其形成強(qiáng)有力的氫鍵的基團(tuán)發(fā)生聯(lián)絡(luò)，而形成OHF或NHF(虛線表示氫鍵)新的氫鍵聯(lián)系。(4)酶中精氨酸殘基(Arg48)向氟原子移位約2104m，以優(yōu)

4、化形成胍基與氟原子的氫鍵，而組氨酸殘基(His52)則移位約5105m，使咪唑基與氟原子搭成氫鍵。因此，F(xiàn)抑制酶活性不是通過(guò)改變酶的基本分子結(jié)構(gòu)，而是通過(guò)改變酶分子形狀或構(gòu)型而發(fā)生的。其原因是氫鍵盡管比CH化學(xué)鍵脆弱，但是一旦形成網(wǎng)絡(luò)體系，如DNA那樣能起不小的保護(hù)活性的作用。與痕量的鋁或鈹在機(jī)體內(nèi)形成新型的磷酯類似物A1Fx(x3)(x=16)或BeFx(x2)(x=14)。它們對(duì)磷酸核苷酸與蛋白質(zhì)結(jié)合部位具有高度親和力，還能生成焦磷酸酯類似物。由此F對(duì)各種的ATP酶和磷酸酯酶以及G蛋白質(zhì)產(chǎn)生影響，干擾在許多酶中負(fù)責(zé)能量和信號(hào)傳遞的磷移換過(guò)程。膠原氟作用的靶位 膠原是由3條多肽鏈擰成的三重螺

5、旋，分子間以共價(jià)鍵交聯(lián)，定向排列的原膠原構(gòu)成。甘氨酸、脯氨酸和羥脯氨酸及賴氨酸、羥賴氨酸是膠原蛋白中的重要氨基酸組分，占氨基酸殘基總量的23，按照化學(xué)結(jié)構(gòu)，膠原可分為I、和等4型，各型均有一定的分布，在F的作用下，膠原纖維的規(guī)則性下降，不同片段增厚不一，取向紊亂，骨骼培養(yǎng)物吸收減弱。尤以新生膠原受累最重。F致使膠原形態(tài)學(xué)變化外，還阻抑膠原蛋白質(zhì)合成，膠原數(shù)量普遍減少，羥脯氨酸和賴氨酸也隨之減少，相反，脯氨酸卻增多。上述的阻抑作用對(duì)不同型膠原具有選擇性。膠原纖維不僅是軟硬組織的重要結(jié)構(gòu)成分，而且也是器官細(xì)胞間質(zhì)中的共同物質(zhì)，因此F累及膠原的后果是危害各種器官組織的結(jié)構(gòu)和功能。目前，有些學(xué)者主張膠

6、原是有機(jī)體內(nèi)氟作用的靶位，其理由是(1)F降低膠原纖維中氫鍵的形成，膠原中形成氫鍵的關(guān)鍵基團(tuán)是羥基，它是脯氨酸在脯氨酸羥化酶催化下生成。羥化酶的主要輔助因子是維生素C，F(xiàn)導(dǎo)致維生素C代謝異常，由此降低羥化酶活性，促使膠原中無(wú)足量的羥基去形成氫鍵。另因維生素C是甾類脫氫酶的重要輔酶之一，因此F還危及甾類物質(zhì)的合成。(2)F降低膠原的交聯(lián)程度。飽和的多肽醛基是膠原分子兩端的賴氨酸或羥氨酸殘基經(jīng)氧化生成的交聯(lián)前體。它與分子內(nèi)另一條肽鏈相近的醛基發(fā)生醇醛縮合反應(yīng)，使這兩條肽鏈共價(jià)交聯(lián)，增強(qiáng)膠原纖維的堅(jiān)韌性。F降低銅和銅依賴的賴氨酸氧化酶活性，致使膠原中飽和醛基減少造成膠原纖維交聯(lián)不足。由于以上兩方面的

7、F作用，導(dǎo)致膠原分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的下降，原膠原易被降解，出現(xiàn)尿中排泄膠原肽。(3)F能使有機(jī)體內(nèi)鈣含量減少，而鈣是水解原膠原的膠原酶的激活劑，因此F能抑制膠原的分解代謝。對(duì)染色體的損傷 氟化物的生物效應(yīng)研究中存在實(shí)驗(yàn)結(jié)果互相矛盾的現(xiàn)象，除酶、生物膜等外，細(xì)胞遺傳效應(yīng)、染色體損傷中尤其突出。在整體實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)不誘發(fā)動(dòng)植物細(xì)胞的染色體畸變(主要是單體型斷裂和裂隙)、姐妹染色單體互換(SCE)、微核和程序外DNA合成(UDS)以及不延遲細(xì)胞周期動(dòng)力學(xué)過(guò)程，也不誘發(fā)小鼠卵細(xì)胞染色體損傷。在離體實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)誘發(fā)動(dòng)植物細(xì)胞染色體損傷，如染色體畸變、SCE、微核和UDS、以及延遲細(xì)胞周期動(dòng)力學(xué)過(guò)程。用L5178Y

8、小鼠淋巴瘤細(xì)胞前向突變檢測(cè)確定在胸腺嘧啶激酶位點(diǎn)上，突變體集落經(jīng)F處理后增多，表明在該系統(tǒng)中已發(fā)生染色體畸變。F除誘發(fā)人外周血白細(xì)胞的染色體斷裂和裂隙外，還誘發(fā)著絲點(diǎn)碎片、非整倍體和多倍體的結(jié)構(gòu)畸變，洋蔥根尖細(xì)胞發(fā)生染色體畸變外，發(fā)生后期延遲和橋。F誘發(fā)小鼠、綿關(guān)和牛的卵母細(xì)胞后期延遲發(fā)生率偏低，出現(xiàn)極體I(PBI)抑制和重排碎片，誘致小鼠睪丸細(xì)胞染色體損傷。以上事實(shí)反映同類指標(biāo)在整體與離體的實(shí)驗(yàn)中結(jié)果會(huì)異同并存。在離體實(shí)驗(yàn)中，人外周淋巴細(xì)胞在02580mmolF濃度范圍內(nèi)染色體畸變，而在1040mmol F濃度范圍內(nèi)SCEs和UDS率不增加；敘利亞倉(cāng)鼠胚細(xì)胞的UDS在1040gml F處理4

9、8h時(shí)不增加，在12h后隨劑量增加而增加，反映在相同的染毒途徑下，染色體效應(yīng)也不盡相同。當(dāng)F與輻射聯(lián)合處理小鼠成熟精子時(shí)隱性致死明顯率明顯地上升，F(xiàn)單獨(dú)處理時(shí)無(wú)影響，表明兩種不同因素起了協(xié)同作用。當(dāng)F與乙烯亞胺類物質(zhì)聯(lián)合處理時(shí)，后者使培養(yǎng)的人體細(xì)胞染色體單體斷裂，等位斷裂和易位的效應(yīng)大大地減弱。F、重鉻酸鉀、絲裂霉毒C和秋水仙素等各自單獨(dú)處理時(shí)，誘發(fā)蠶豆根尖細(xì)胞產(chǎn)生微核，但是當(dāng)F分別地與后三者之一聯(lián)合處理微效應(yīng)被減弱，由此表明發(fā)生了拮抗作用。F對(duì)染色體損傷出現(xiàn)如此矛盾現(xiàn)象，可能與F對(duì)蛋白質(zhì)DNA合成等產(chǎn)生的影響有關(guān)。目前，最新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明與F作用于細(xì)胞周期不同階段有關(guān)，即大多數(shù)細(xì)胞在G2期對(duì)

10、F敏感，畸變細(xì)胞增多，而在G2S期則不發(fā)生畸變細(xì)胞增多現(xiàn)象。F對(duì)多氯聯(lián)苯誘導(dǎo)大鼠肝微粒體組分(S9)混合功能氧化酶活性，進(jìn)而活化外源性物質(zhì)損傷染色體上沒(méi)有影響。對(duì)線粒體的影響F誘致線粒體和完整細(xì)胞能量活動(dòng)發(fā)生組織學(xué)和功能性的變化。F可破壞線粒體膜的完整性，結(jié)果使與膜結(jié)合的琥珀酸脫氫酶受抑制，細(xì)胞色素的活性也遭強(qiáng)烈抑制。在有氧或無(wú)氧糖酵解過(guò)程中，尤其存在磷酸時(shí)，F(xiàn)以氟磷酸離子形式強(qiáng)烈地抑制烯醇化酶，損害Kerbs環(huán)和電子傳遞系統(tǒng)，導(dǎo)致2，3磷酸甘油脂的堆積、檸檬酸鹽產(chǎn)量的大減、ATP生成的下降。ATP是在Na+、K+ATP酶、Mg2+ATP酶和H2CO3ATP酶催化下由ADP和AMP合成。F減弱

11、Na+、K+經(jīng)線粒體膜的運(yùn)動(dòng)降低Na+、K+ATP酶含量，以及提高或降低Mg2+ATP酶，終使ATP酶活性遭到阻抑，并且該阻抑作用隨著ATP在膜上位置不同而敏感度不一。當(dāng)F直接損傷肌肉的線粒體時(shí)，會(huì)促使其釋放磷酸肌酸激酶，也使由ADP和磷酸肌酸轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP的過(guò)程受阻。F抑制線粒體間質(zhì)的焦磷酸鹽酶，阻礙從無(wú)機(jī)焦磷酸的水解，造成焦磷酸鹽的累積，使間質(zhì)中的?；一o酶A合成酶遭抑制，結(jié)果降低ADP和ATP的水平。存在F時(shí)，組織氧消耗似呈雙相曲線：在組織勻漿或線粒體制品中活性先明顯地上升而后緩慢地下降；氧耗則呈直接下降的單相曲線。添加Mg2+后可使被F降低的氧耗，依賴Mg2+ATP酶和線粒體膜運(yùn)動(dòng)恢復(fù)

12、到正常狀態(tài)，F(xiàn)強(qiáng)烈地抑制游離脂肪酸不需?；鈮A的氧化。Ca2+是cAMP的激活劑，在線粒體內(nèi)累積，F(xiàn)降低Ca2+含量，影響與氧化磷酸化有關(guān)的許多過(guò)程。F誘發(fā)多形核中性白細(xì)胞呼吸爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生超氧陰離子O2和羥自由基OH，這些活性氧自由基都來(lái)自O(shè)2，消耗的O2來(lái)自細(xì)胞外，同時(shí)經(jīng)磷酸己糖支路利用葡萄糖。以上是需Ca2+的過(guò)程，F(xiàn)能單獨(dú)地使肝發(fā)生病理變化，但是不使因四氯化碳中毒的大鼠肝損傷加重。生物膜的效應(yīng) 在F過(guò)量時(shí)，F(xiàn)在人血紅細(xì)胞膜內(nèi)發(fā)生累積，消耗鈣，出現(xiàn)膜棘。F增強(qiáng)通透性，使磷酸肌酸激酶大量穿過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入血液，影響磷酸肌酸代謝。F抑制細(xì)胞膜上的鈉泵活?？笷細(xì)胞產(chǎn)生對(duì)F的遺傳適應(yīng)性：膜通透性對(duì)F發(fā)生

13、適應(yīng)性變化，或稱膜形成“泵”，機(jī)械地抽出F。促發(fā)膜透性和膜結(jié)合酶變化的主要原因是F引發(fā)生物膜不飽和脂肪酸氧化和脂質(zhì)過(guò)氧化，并且以上作用隨著器官種類和染毒途徑不同存在差別，F(xiàn)促使人血紅細(xì)胸膜流動(dòng)性輕度增加，并具有時(shí)間動(dòng)力學(xué)和溫度效應(yīng)。F影響膜的NADA細(xì)胞色素P450還原酶外，還引起游離巰基變化，并對(duì)人血紅細(xì)胞膜蛋白的巰基結(jié)合位置、性質(zhì)產(chǎn)生顯著的影響，具劑量效應(yīng)關(guān)系。在與重鉻酸鉀、絲裂毒素C和秋水仙素聯(lián)合處理時(shí)，F(xiàn)對(duì)膜蛋白巰基結(jié)合位置性質(zhì)的影響呈現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)，也具有劑量效應(yīng)關(guān)系。在與重鉻酸鉀、絲裂霉毒C和秋水仙毒聯(lián)合處理時(shí)，F(xiàn)對(duì)膜蛋白巰基結(jié)合位置性質(zhì)的影響呈現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)，也具有劑量效應(yīng)關(guān)系。F在細(xì)胞

14、膜上沒(méi)有象激素那樣固定的結(jié)合部位，它是通過(guò)膜內(nèi)側(cè)的腺苷酸環(huán)化酶(Ac)影響第二信號(hào)系統(tǒng)環(huán)3，5磷酸腺苷，例如F使整體動(dòng)物的心、肝、肺、頜下腺和骨骼中Ac和cAMP含量同步增高或減少，隨之尿中cAMP也增加或減少，但是骨胳中僅有cAMP含量變化，而Ac含量則不變。F對(duì)Ac的影響是通過(guò)以下3種方式中的一種產(chǎn)生：(1)直接激活或抑制；(2)作用于Ac分子的催化區(qū)；(3)阻抑磷酸二脂酶，結(jié)果造成cAMP降解為磷酸腺苷的過(guò)程發(fā)生變化，F(xiàn)的作用一般比激素強(qiáng)數(shù)倍。因在任意的ATP濃度下，Ac均被激活，使反應(yīng)速度增加達(dá)20倍左右，而在正常狀態(tài)下ATP轉(zhuǎn)變?yōu)閏AMP是緩慢的。其中Ac活性增減決定于非活化(二磷)

15、存在的形式。以上種種效應(yīng)在離體實(shí)驗(yàn)中不明顯。F刺激坐骨神經(jīng)縫匠肌發(fā)生非低鈣性骨骼肌興奮，此因末梢神經(jīng)的質(zhì)膜內(nèi)層Ac被激活，膽堿酯酶受到抑制和運(yùn)動(dòng)終板對(duì)乙酰膽堿敏感性增強(qiáng)所致。F增強(qiáng)完整細(xì)胞Ac活性指示細(xì)胞的完整性，使血清球蛋白降低白蛋白升高；ATP酶和堿性磷酸酶大大地減少，cAMP濃度變化，膜蛋白磷酸化等活動(dòng)減弱，以及葡萄糖經(jīng)膜轉(zhuǎn)運(yùn)受阻等一系列變化均指示膜通透性在F影響下發(fā)生了變異。因此，AccAMP系統(tǒng)對(duì)F是敏感的。在個(gè)體發(fā)育中上述的敏感性還與靶組織功能狀態(tài)有關(guān)，即F能作用于較早形成的Ac活化部位，而激素受體卻較遲地形成。至于膜的烏苷環(huán)化酶(Gc)、環(huán)3，5磷酸烏苷系統(tǒng)，迄今尚無(wú)充分的證據(jù)確

16、定F+的影響，不過(guò)已知F+對(duì)與Ca2+進(jìn)出和與cAMP有關(guān)的細(xì)胞膜，及從膜輸入胞內(nèi)介質(zhì)中糖蛋白“內(nèi)化”(Internalization)產(chǎn)生影響。對(duì)蛋白質(zhì)合成的影響。F引起有機(jī)體血清總蛋白，白蛋白，唾液酸含量降低，氨基多糖升高，在骨中，F(xiàn)使蛋白聚糖(基礎(chǔ)物質(zhì))增加。在亞細(xì)胞水平，F(xiàn)使核內(nèi)mRNA減少。通過(guò)阻滯蛋白質(zhì)合成啟動(dòng)降低蛋白質(zhì)合成，而此過(guò)程與RNA轉(zhuǎn)錄活動(dòng)有關(guān)。另外F雖使80s核糖體與40s和60s核糖體亞基脫離，但不影響已啟動(dòng)的蛋白質(zhì)肽鏈延長(zhǎng)過(guò)程，蛋白質(zhì)合成受阻導(dǎo)致蛋致白質(zhì)含量減少，隨之影響下一周期DNA合成的啟動(dòng)，使核內(nèi)DNA減少，細(xì)胞分裂減慢，生長(zhǎng)停滯，多核糖體部分地遭到裂解，rRNA減少，RNA酶則增加，DNA吸收胸腺嘧啶和RNA吸收尿嘧啶的能力