Công nghệ môi trường - Chương 3: Sinh chuyển hoá các chất độc

350 trang vanle 1950

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Công nghệ môi trường - Chương 3: Sinh chuyển hoá các chất độc", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

cong_nghe_moi_truong_chuong_3_sinh_chuyen_hoa_cac_chat_doc.pdf

Nội dung text: Công nghệ môi trường - Chương 3: Sinh chuyển hoá các chất độc

Chương 3 SINH CHUYỂN HOÁ CÁC CHẤT ĐỘC Sinh chuyển hoá các chất độc là quá trình chuyển hoá các chất ngoại sinh (chất lạ) nhờ xúc tác enzim của cơ thể. Một số họ enzim trao đổi chất, thường với dãy rộng đặc trưng cơ chất, tham gia vào sự trao đổi chất của chất ngoại sinh và gồm các monooxi- genaza xitocrom P-450 (CYP), monooxigenaza chứa flavin (FMO), ancol và anđehit đehiđrogenaza, amin oxiđaza, xiclooxigenaza, ređuctaza, hyđrolaza và những enzim liên hợp khác như glucuroniđaza, glutathiontransferaza (bảng 3.1) Bảng 3.1. Các con đường chung của sinh chuyển hoá chất ngoại sinh và vị trí dưới tế bào chủ yếu của chúng. Phản ứng Enzim Vị trí Giai đoạn I Oxi hoá Xitocrom P-450 (bào sắc tố P-450) Vi thể (microsom) Flavin-mooxigenaza Vi thể Ancol đehiđrogenaza Phần bào tan (cytosol) Anđehit đehiđrogenaza Ti thể (mitochondria), phần bào tan Anđehit oxiđaza Phần bào tan Monoamin oxiđaza Ti thể Điamin oxiđaza Phần bào tan Prostaglanđin H synthaza Vi thể Khử hoá Khử nitro và azo Hệ thực vật nhỏ (microflora), vi thể, phần bào tan Khử đisunfua Phần bào tan Khử cacbonyl Phần bào tan, máu, vi thể Khử sunfoxit Phần bào tan Khử quinon Vi thể Khử đehalogen hoá Vi thể Thuỷ phân Esteraza Vi thể, phần bào tan, tiêu thể (lysosom), máu Peptiđaza Máu, tiêu thế Epoxit hiđrolaza Vi thể, phần bào tan Giai đoạn II Liên hợp glucuronit Vi thể Liên hợp sunfat Phần bào tan Liên hợp glutathion Phần bào tan, vi thể Liên hợp axit amin Ti thể, vi thể Metyl hoá Phần bào tan, vi thể, máu Axyl hoá Ti thể, phần bào tan 64
Hầu hết các chất ngoại sinh xuất hiện ở gan, một cơ quan được giành cho sự tổng hợp nhiều protein chức năng quan trọng và nhờ vậy có khả năng điều hoà sự chuyển hoá hoá học các chất ngoại sinh. Các chất ngoại sinh đi vào cơ thể thường là ưa dầu, khiến chúng có khả năng liên kết vào màng lipit và được vận chuyển bởi lipoprotein vào máu đến các mô. Sau khi đi vào gan cũng như các mô khác các chất có thể chịu một hoặc hai giai đoạn trao đổi chất. Ở giai đoạn I, nhóm phản ứng phân cực (– OH, – NH2, – SH hoặc – COOH) được đưa vào phân tử làm cho nó trở thành cơ chất thích hợp cho các enzim giai đoạn II. Các enzim điển hình trong sự trao đổi chất giai đoạn I bao gồm CYP, FMO và các hiđrolaza. Ở giai đoạn II, sau khi đưa nhóm phân cực vào, các enzim liên hợp điển hình đưa thêm vào nhiều nhóm thế cồng kềnh, như các đường, sunfat hoặc các axit amin tạo ra tính tan trong nước tăng lên đáng kể của chất ngoại sinh làm cho nó được dễ dàng bài tiết. Quá trình sinh chuyển hoá hai giai đoạn (hoặc một giai đoạn đối với các chất ngoại sinh chứa sẵn nhóm phân cực) nêu trên nói chung được xem là quá trình khử độc, mặc dù vậy có những trường hợp các chất trung gian hoạt động có thể được hình thành ở giai đoạn I và II) và chúng độc hơn nhiều so với các chất mẹ. 3.1. CÁC PHẢN ỨNG GIAI ĐOẠN I 3.1.1. Oxi hoá Monooxygenaza xitocrom P-450 phụ thuộc (CYP) CYP có nồng độ cao nhất trong lưới nội chất gan (các vi thể), nhưng thực tế có trong tất cả các mô. Các vi thể tách từ lưới nội chất (đồng thể hoá và bằng quay li tâm) gồm hai loại nhám và nhẵn. Loại vi thể nhám có màng bên ngoài gắn với các ribosom. Loại vi thể nhẵn có tất cả các hợp tử của hệ monooxygenaza P-450 phụ thuộc, hoạt tính đặc trưng của các loại nhẵn đối với chất ngoại sinh thường cao hơn. Các enzim P-450 vi thể và ti thể đóng vai trò quan trọng trong sinh tổng hợp hoặc dị hoá các homon steroit, axit mật, các vitamin tan trong dầu, các axit béo và eicosanoit và chúng cũng đóng vai trò chìa khoá trong sự khử độc các chất ngoại sinh. Tất cả các enzim P-450, xitocrom liên kết cacbon monoxit của vi thể, hiện được biết trên 2000 enzim riêng được phân bố rộng khắp trong động vật, thực vật và vi sinh vật. Chúng là các protein chứa hem. Sắt hem trong xitocrom P-450 thường là trạng thái sắt (III) (Fe3+). Khi bị khử đến trạng thái sắt (II) (Fe2+), xitocrom P-450 có thể liên kết các phối tử như O2, CO. Phức giữa xitocrom P-450 sắt (II) và CO hấp thụ ánh sáng cực đại ở 450 nm, và tên gọi của nó xuất phát từ đây. Cực đại hấp thụ của phức khác nhau nhẹ giữa các enzim P-450 khác nhau và nằm trong giới hạn từ 447 đến 452 nm. Tất cả các protein máu khác liên kết CO hấp thụ ánh sáng cực đại ở ~ 420 nm. 65
Phản ứng cơ bản được xúc tác bởi xitocrom P-450 là sự monooxi hoá trong đó một nguyên tử oxi của phân tử oxi được sát nhập vào cơ chất RH, và nguyên tử oxi kia bị khử tới nước với các đương lượng khử từ NADPH (chính từ đây người ta nói xitocrom P-450 phụ thuộc), và phản ứng toàn bộ có thể viết như sau: + + Cơ chất (RH) + O2 + NADPH + H  Sản phẩm (ROH) + H2O + NADP Mặc dù xitocrom P-450 có chức năng như là một monooxygenaza, nhưng các sản phẩm không bị giới hạn đến ancol hoặc phenol do các phản ứng chuyển vị. Trong quá trình xúc tác xitocrom P-450 liên kết trực tiếp với cơ chất và phân tử oxi mà không tương tác trực tiếp với NADPH hoặc NADH. Trong chu trình xúc tác của xitocrom P-450, các đương lượng khử (các electron) được vận chuyển từ NAD(P)H phụ thuộc vào sự định vị dưới tế bào của xitocrom P-450. Trong lưới nội chất (vi thể) các electron được truyền từ NADPH đến xitocrom P-450 qua enzim flavoprotein được gọi là NADPH – xitocrom P- 450 ređuctaza. Ređuctaza này là flavoprotein có phân tử khối khoảng 80.000 Đanton chứa 2 mol mỗi flavinmononucleotit (FMN) và flavinađenin đinucleotit (FAD) trên mol enzim, và các electron truyền qua FMN và FAD. Trong ti thể, các electron được truyền từ NAD(P)H đến xitocrom qua hai protein: protein chứa lưu huỳnh - sắt gọi là feređoxin và flavoprotein chứa FMN gọi là feređoxin ređuctaza (các protein này còn gọi là ađrenođoxin và ađrenođoxin ređuctaza). Các cấu tử khác cần cho sự hoạt hoá trong sự cấu trúc lại hệ thống là photpholipit và photphatiđylcholin. Chúng không tham gia trực tiếp vào sự vận chuyển electron mà xuất hiện để tham gia vào sự ghép cặp của ređuctaza với xitocrom P-450 và trong sự liên kết của cơ chất vào xitocrom P-450. Có một số trường hợp loại trừ không theo quy luật chung là xitocrom P-450 đòi hỏi enzim thứ hai (ví dụ, flavoprotein) cho sự hoạt động xúc tác. Cơ chế hoạt động của xitocrom P-450 chưa được thiết lập rõ ràng, tuy nhiên các giai đoạn chung đã được thừa nhận chỉ ra ở hình 3.1. Giai đoạn khởi đầu gồm sự liên kết của cơ chất vào xitocrom P-450, sắt hem bị khử từ sắt III (Fe3+) đến trạng thái sắt (II) (Fe2+) bởi cộng một electron từ NADPH-xitocrom P-450 ređuctaza để tạo ra phức cơ chất – xitocrom khử [Fe2+(RH)]. Tiếp theo phức này tương tác với oxi 2+ phân tử tạo ra phức bậc ba (ba thành phần) [Fe O2RH]. Phức ba thành phần này được chuyển hoá thành phức [Fe2+OOH RH] bởi cộng proton (H+) và electron thứ hai từ NADPH – xitocrom P-450 ređuctaza hoặc NADH xitocrom b5 ređuctaza. Sự đưa proton thứ hai vào phá vỡ phức [Fe2+OOH RH] để tạo ra nước và phức [(FeO)3+ RH], phức này chuyển oxi của nó cho cơ chất để tạo ra sản phẩm và quay trở lại xitocrom P-450 oxi hoá trạng thái ban đầu của nó. 66
S¶n phÈm (ROH) A [Fe3 + ] C¬ chÊt (RH) G [Fe3 + ROH] 3+ [Fe (RH)] B e 3+ F [(FeO) RH] 2+ [Fe (RH)] C H2O H+ O2 2+ 2+ E [Fe OOH RH] [Fe O2 RH] D H+, e NADPH e NADPH-xitocrom P-450 re®uctaza e C¸c s¶n phÈm kh¸c NADH Khö mét e C (Fe2 + RH) A (Fe3 + ) + RH 2+ 3+ T¹o anion superoxit D (Fe O 2 R H ) B (Fe RH) + O2 2+ 3+ T¹o hi®ro peroxit E (Fe OOH RH) B (Fe RH) + H2O2 3+ ChuyÓn h•íng peroxit B (Fe RH) + XOOH F (FeO)3 + RH + XOH Hình 3.1. Chu trình xúc tác của xitocrom P-450 Các phản ứng khác: Nếu chu trình bị gián đoạn (không ghép cặp) tiếp theo sự đưa electron thứ nhất vào, oxi được giải phóng như anion superoxit ( O 2 ). Nếu chu trình bị gián đoạn sau khi đưa electron thứ hai vào, oxi được giải phóng như hiđro peroxit 3+ (H2O2). Phần tử oxi hoá sau cùng [FeO) RH] có thể được sinh ra trực tiếp bởi sự chuyển nguyên tử oxi từ hiđro peroxit và hiđroperoxit khác nào đó, quá trình được biết như là sự chuyển hướng peroxit. Vì nguyên nhân này các phản ứng xitocrom P450 nào đó có thể được trợ giúp bởi các hiđroperoxit trong sự vắng mặt của NADPH-xitocrom P-450 ređuctaza và NADPH. 67
Xitocrom b5 có thể truyền electron thứ hai từ NADH đến xitocrom P-450. Mặc dù điều này chỉ có thể hi vọng là làm tăng tốc xúc tác của xitocrom P-450, xitocrom b5 cũng có thể làm tăng ái lực liên kết của xitocrom P-450 với cơ chất. Các họ bào sắc tố P 450 có khả năng trao đổi chất ngoại sinh Mặc dù động vật có vú được biết có 18 họ CYP, chỉ có ba họ tham gia vào sự trao đổi chất ngoại sinh. Ba họ này (các họ 1 – 3) được xem xét nhiều hơn gần đây bắt nguồn từ các họ CYP “thuỷ tổ”. Các họ còn lại có ít chức năng hỗn hợp trong khả năng trao đổi chất của chúng và thường chỉ đáp ứng cho các giai đoạn trao đổi chất riêng. Ví dụ, các thành viên của họ CYP4 đáp ứng riêng cho sự hiđroxyl hoá cuối mạch của axit béo mạch dài. Các họ còn lại khác của động vật tham gia vào sự sinh tổng hợp các homon steroit. Trong thực tế một số tên gọi của họ này xuất phát từ các vị trí khác nhau trong nhân steroit mà ở đây xảy ra sự trao đổi chất, ví dụ, CYP 7 tạo chất trung gian hiđroxyl hoá của cholesterol ở vị trí 7 , trong khi đó CYP 17 và 21 lại xúc tác cho sự hiđroxyl hoá ở các vị trí 17 và 21 tương ứng của progesteron. CYP 19 đáp ứng cho sự thơm hoá anđrogen thành estrogen bằng giai đoạn đầu hiđroxyl hoá ở vị trí 19. rất nhiều CYP đáp ứng cho sự sinh homon steroit được tìm thấy ở vỏ thượng thận lại tham gia vào sự trao đổi chất ngoại sinh trong các mô như gan, thận, phổi và khứu giác. Họ CYP1 ở người có ba thành viên được biết là CYP1A1, CYP1A2 và CYP1B1. CYP1A1 và CYP1A2 được tìm thấy trong hầu hết các loài động vật vì hai dạng tương đồng cao này được bảo tồn cao giữa các loài, mặc dù cả hai CYP này có thể có những chức năng nội sinh quan trọng. CYP2E1 chỉ là một CYP khác duy trì sự chỉ định gen tương tự giữa các loài. CYP1A1 và CYP1A2 có sự phân biệt nhưng các đặc tính cơ chất trùng lặp. CYP1A1 thích hợp với các hiđrocacbon thơm đa vòng trung hoà (PAH), CYP1A2 thích hợp với các amin và amit thơm và dị vòng. Vì ưu thế của họ này đối với các phân tử có cấu trúc phẳng cao, các thành viên của họ CYP1 có liên hệ chặt chẽ với sự hoạt hoá trao đổi gồm benzo[a]piren, đimetylbenzantraxen, aflatoxin B1, -naphtylamin, 4-aminobi- phenyl, 2-axetylaminofluoren và benziđin. Nhiều PAH phẳng gây ra sự trao đổi chất riêng của chúng nhờ sự sao chép cảm ứng của thụ thể aryl hiđrocacbon (thụ thể Ah). Mặc dù sự biểu hiện của CYP1A1 và và CYP1A2 thường được cảm ứng phối trí, có sự khác nhau rõ ràng về quy tắc, không chỉ ở tính đặc trưng cơ chất mà còn ở những biểu hiện sinh học của chúng. Chẳng hạn, CYP1A1 không thể hiện nhanh ở trong gan người trừ khi bị cảm ứng, trong khi đó CYP1A2 lại biểu lộ tính nội sinh trong gan. Tuy nhiên, CYP1A1 ở trong mô ngoài gan, như phổi lại có khả năng liên kết giữa sự hoạt hoá được 68
điều hoà bởi CYP của benzo[a]piren và các hoá chất liên quan khác có trong khói thuốc là với sự ung thư phổi ở người. Họ CYP 2 gồm 10 họ phụ, năm trong số đó có mặt ở trong gan động vật có vú. Một số dạng iso quan trong hơn cả được tìm thấy ở người của họ này là các CYP 2A6, - 2B6, - 2C8, - 2C9, - 2C19, - 2D6 và - 2E1. Enzim CYP 2A6 biểu hiện chủ yếu trong mô gan, chiếm từ 1-10% tổng số hàm lượng của CYP. CYP 2A6 đáp ứng cho sự 7-hiđroxyl hoá các hợp chất cumarin thực vật và sự hoạt của nó thường thuộc kiểu phenobacbital bằng kiểm soát con đường trao đổi chất riêng này. Các thuốc khác được trao đổi chất nhờ CYP 2A6 gồm nicotin, 2-axetylaminofluoren, metoxifluran, halothan, axit vanproic và đisunfiran. Các chất tiền ung thư như đã biết được hoạt hoá nhờ CYP2A6 bao gồm aflatoxin B1, 1,3-butađien, 2,6-điclobenzonitrin và vô số các nitrosamin. Vì CYP 2A6 đảm nhiệm tới 80% sự trao đổi chất của nicotin ở người, nhiều nghiên cứu nhằm vào việc xác định những cá thể có hiện tượng đa hình CYP2A6 có làm giảm sự rủi ro ung thư phổi không. Tương tự như CYP2A6, dạng iso CYP2B6 của người gần đây cũng đã giành được sự thừa nhận rộng lớn đối với vai trò của nó trong sự trao đổi chất của nhiều thuốc y tế. Một số cơ chất dược của CYP2B6 là xiclophotphamit, nevirapin, S-mephobacbitol, artemisinin, bupropion, propofol, ifosfamit, ketamin, seleginin, methađon. CYP2B6 cũng được miêu tả có vai trò trong sự trao đổi chất các cơ photpho clopirifot và trong sự phân huỷ thuốc trừ sâu sử dụng rộng rãi đietyl toluamit (DEET). CYP2A6 được tìm thấy một tỉ lệ nhỏ trong gan (< 25 %). Trái với CYP2A6 và CYP2B6, các thành viên của họ CYP2C có một tỉ lệ phần trăm khá lớn của các CYP trong gan người (khoảng 20%) và đảm nhận sự trao đổi chất của một số thuốc. Tất cả bốn thành viên của họ phụ này ở người biểu hiện các tính đa dạng di truyền khác nhau. Nhiều trong số chúng có tầm quan trọng y tế trong những cá thể chịu tác động. Các tính đa hình di truyền trong CYP2C19 chỉ ra rằng một trong những ảnh hưởng đa hình đầu tiên đã được miêu tả đối với sự trao đổi chất của mephenytoin. Dạng này làm giảm đáng kể sự trao đổi chất của mephenytoin, đưa đến sự phân loại chúng là những tác nhân trao đổi chất tồi. Những thuốc khác chịu sự tác động của các đồng chất dị tướng CYP2C19 bao gồm thuốc chống viêm loét (chống mụn nhọt) omeprazol, những chất ức chế bơm proton khác, bacbiturat, một số thuốc giảm đau như imipramin và thuốc chống sốt rét proguanil. Những thành viên khác của họ CYP2C ở người bao gồm CYP2C8, CYP2C9, CYP2C18. Các cơ chất bị trao đổi chất độc quyền bởi CYP2C8 là retinol, axit retinoic, taxol, axit arachiđonic. CYP2C9, một CYP2C chủ yếu trong gan người trao đổi chất một số thuốc bao gồm tác nhân gây bệnh đái tháo 69
đường tolbutamit, phenytoin chống co giật cơ bắp, warfarin chống đông tụ và nhiều thuốc viêm như ibuprofen, điclofenac và những thuốc khác. Cả CYP2C9 và CYP2C8 đảm nhận sự trao đổi chất của các thuốc chống ung thư paclitaxel. CYP2E1 là một trong số các thành viên của họ phụ CYP2E có ở trong hầu hết các động vật trừ thỏ. Các cơ chất đối với họ này là những chất có phân tử khối nhỏ gồm etanol, CCl4, benzen, axetaminophen. Trái với nhiều họ CYP gây cảm ứng khác. CYP2E1 được điều hoà nhờ sự tổ hợp các mức sao chép tăng và tìn hiệu tăng, và sự ổn định (bền) của protein. Họ CYP3, không còn nghi ngờ nào nữa, có một tỉ lệ lớn trong gan người. CYP3A4 là CYP giàu có nhất trong gan người (~30%) và được biết trao đổi chất đối với nhiều thuốc quan trọng bao gồm xiclosporin A, nifeđipin, rapamyxin, etinyl estrađiol, quiniđin, đigitoxin, lođocain, eritromyxin, miđazolam, lovastatin, tamoxifen. Những sự oxi hoá quan trọng khác của họ này bao gồm rất nhiều homon steroit, các chất kháng sinh macrolit, các ancaloit, benzođiazepin, đihiđropiriđin, warfarin, các dẫn xuất đihiđrođiol của hiđrocacbon thơm đa vòng, aflatoxin B1. Rất nhiều hoá chất có khả năng gây cảm ứng họ này bao gồm phenobacbital, rifampixim, đexemetason. Các phản ứng của bào sắc tố P-450 Bào sắc tố P-450 xúc tác cho một số loại phản ứng oxi hoá sau: Hyđroxyl hoá cacbon béo hoặc thơm: Hiđroxyl hoá béo. Sự hiđroxyl hoá béo bao gồm sự lắp oxi vào liên kết C–H giống như trong trường hợp hiđroxyl hoá thơm bằng lắp trực tiếp oxi, sự bẻ gãy liên kết C–H bằng sự tách hiđro là giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng (FeO)3+ HC–  Fe(OH)3+ .C–  Fe3+ HOC– Các phân tử dãy béo đơn giản như n-butan, n-pentan, n-hexan, cũng như vòng béo như xiclohexan được biết bị oxi hoá đến các ancol. Tương tự các mạch nhánh ankyl của hợp chất thơm bị oxi hoá đến ancol nhưng sự oxi hoá xảy ra dễ dàng hơn, thường ở nhiều hơn một vị trí. Ví dụ: mạch nhánh n-propyl của n-propylbenzen có thể bị oxi hoá ở một trong số ba cacbon C6H5CH2CH2CH2OH (3-phenylpropan) P 450 C6H5CH2CH2CH3 + O2  C6H5CH2CHOHCH3 (benzylmetyl cacbinol) C6H5CHOHCH2CH3 (etylphenyl cacbinol) Hiđroxyl hoá thơm. sự hiđroxyl hoá thơm có thể trực tiếp hoặc qua chất trung gian oxiran (nghĩa là aren oxit), chất này đồng phân hoá thành phenol tương ứng. Ví dụ: 70
O OH naphtalen naphtalen epoxit 1-naphtol Cl Cl OH ortho-hi®roxyl ho¸ O Cl Cl 2,3-oxit Trùc tiÕp meta-hi®roxyl ho¸ Cl OH cl obenzen Cl para-hi®roxyl ho¸ O 3,4-oxit OH Các phản ứng epoxi hoá và hiđroxyl hoá này cũng quan trọng trong sự trao đổi chất của các chất ngoại sinh khác có chứa nhân thơm như thuốc trừ sâu cacbaryl và chất gây ung thư benzo[a]piren. Sự hình thành epoxit điol trong trường hợp của benzo[a]piren được khẳng định là chất gây ung thư sau cùng: O HO OH O O HO OH Benzo[a]piren Benzo[a]piren Benzo[a]piren HO 7,8-epoxit 7,8-®ihi®ro®iol OH Benzo[a]piren 7,8-®iol-9,10-epoxit Epoxi hoá béo: rất nhiều chất ngoại sinh có chứa nối đôi cacbon – cacbon (các anken, vòng béo chưa no, ) cũng bị trao đổi chất thành các chất trung gian epoxit tương tự như sự oxi hoá các hợp chất thơm. Các epoxit béo có thể bị đồng phân hoá thành en-ol tương ứng. Trong trường hợp của anđrin sản phẩm là đienđrin, một epoxit đặc biệt bền và là dư lượng chủ yếu được tìm thấy trong các động vật phơi nhiễm anđrin. Sự hình thành 71
epoxit trong trường hợp của aflatoxin được khẳng định là giai đoạn sau cùng của sự hình thành các phần tử gây ung thư chủ yếu Cl Cl Cl Cl CCl2 CCl2 O Cl Cl Cl Cl an®rin ®ien®rin O O O O OCH O O 3 O aflatoxin B aflatoxin B epoxit 1 1 Oxi hoá các dị tố (S, N, P) và N-hiđroxyl hoá: S-oxi hoá. Các chất ngoại sinh chứa lưu huỳnh (các thioete, các thuốc bao gồm clopromazin, ximetiđin, lansoprazol, omeprazol) bị oxi hoá bởi monooxigenaza vi thể cho sunfoxit (SO), một số trong số này bị oxi hoá tiếp cho sunfon (SO2). Phản ứng này rất chung cho các thuốc trừ sâu của một số loại hoá chất khác nhau bao gồm cacbamat, cơ photpho, cơ clo. Cơ photpho (phorat, đemeton) bị oxi hoá đến sunfoxit; cacbamat methiocarb bị oxi hoá đến sunfoxit và sunfon; hiđrocacbon clo hoá enđosunfan bị oxi hoá đến enđosunfan sunfat. Tham gia vào sự oxi hoá lưu huỳnh là cả hai enzim vi thể CYP và FMO, enzim sau giữ vai trò chủ yếu. Giai đoạn đầu trong sự oxi hoá dị tố bởi xitocrom P-450 bao gồm sự bứt electron từ các dị tố (S, N, I) bởi phức [(FeO)3+ RH], RH ở đây là các dị tố, như sau: 3+ 2+ 3+ – (FeO) : S  (FeO) S  Fe O – S – N-oxi hoá. Các chất ngoại sinh chứa nitơ như clopromazin, đoxylamin, oflaxaxin, morphin, nicotin, metroniđazol, piriđin, stricnin, trimetylamin, trimipramin, bị oxi hoá bởi các enzim vi thể thành các N-oxit bền. Trong khi S-oxi hoá có thể được xúc tác bới cả hai xitocrom P-450 và FMO, sự N-oxi hoá thích hợp hơn cả bởi riêng một trong các enzim này. Nói chung FMO xúc tác sự N-oxi hoá các chất ngoại sinh chứa các nguyên tử nitơ thiếu hụt (nghèo) electron như clopromazin, trong khi đó xitocrom P-450 xúc tác sự N-oxi hoá các chất ngoại sinh chứa các nguyên tử nitơ giàu electron như piriđin. 72
N-oxi hoá xảy ra theo nhiều đường bao gồm sự tạo thành hiđroxilamin, oxim và N-oxit, mặc dù sự tạo thành N-oxit phụ thuộc chủ yếu vào enzim FMO.Phản ứng tạo hiđroxilamin xảy ra với các amin như anilin và các dẫn xuất thế của nó NH2 NHOH Trong trường hợp của 2-axetylaminofluoren sản phẩm là chất gây ung thư mạnh. H OH NCOCH3 NCOCH3 N-hi®roxi-2-axetyl- 2-axetylaminofluoren aminofluoren Sự hình thành oxim có thể xảy ra bởi sự N-hiđroxilamin hoá các imin và amin bậc nhất. Imin được giả thiết là chất trung gian trong sự hình thành oxim từ amin bậc nhất. CH3 O C CH=NH O C CH = NOH CH CH 3 3 Trimetylaxetophenon imin Trimetylaxetophenon oxim Sự oxi hoá đến cùng tạo N-oxit: N N O Piriđin piriđin-N-oxit Đeamin oxi hoá. Đeamin oxi hoá ở giai đoạn khởi đầu cũng là sự bứt electron từ dị tố, nhưng xảy ra nhanh tiếp sau sự tách proton từ nguyên tử cacbon (nguyên tử cacbon gắn với dị tố). Sự liên kết lại oxi dẫn tới sự hiđroxyl hoá cacbon và sau đó chuyển vị thành anđehit hoặc xeton tương ứng với sự bẻ gãy liên kết cacbon với dị tố theo sơ đồ sau: 73
(FeO)3 + N (FeO) 2+ + N (FeOH)3 + N CH2R CH2R CHR Fe3 + N N + O = CHR HOCHR H Ví dụ: O NH3 R2CHNH2  R2C(OH)NH2  R2C = O amin bậc nhất cacbinol amin xeton – H2O H2O R2C = NH R2C = NOH  R2C = O imin oxim xeton P-oxi hoá. Các phản ứng P-oxi hoá còn được biết ít bao gồm sự chuyển các photphin thế ba thành photphin oxit. Ví dụ: C6H5 C6H5 C6H5 P C6H5 P  O CH3 CH3 điphenylmetyl photphin điphenylmetyl photphin oxit Mặc dù phản ứng này được miêu tả như là sự monooxi hoá CYP - phụ thuộc điển hình, nó cũng được xúc tác bởi FMO. N-hiđroxyl hoá. Mặc dù các giai đoạn khởi đầu trong sự oxi hoá dị tố và đeankyl hoá dị tố giống nhau (sự bứt một electron từ dị tố để tạo ra cation gốc), bản chất của cation gốc quyết định chất ngoại sinh chịu sự oxi hoá hoặc sự đeankyl hoá. Cation gốc lưu huỳnh đủ bền để sự liên kết lại oxi với bản thân dị tố xảy ra như trong sự S-oxi hoá. Tuy nhiên, cation gốc nitơ lại chịu sự đeproton hoá nhanh ở cacbon gây ra bẻ gãy liên kết cacbon - dị tố như trong sự N-đeankyl hoá (đeamin oxi hoá). Do vậy, nói chung xitocrom P-450 xúc tác cho sự N-đeankyl hoá, không phải cho sự N-oxi hoá của amin. Sự N-oxi hoá bởi xitocrom P-450 chỉ có thể xảy ra nếu cation gốc nitơ được bền hoá bởi nhóm cho electron ở cạnh (làm giàu electron nitơ) hoặc nếu các proton vắng mặt (ví dụ như amin thơm). Trong trường hợp các amin thơm bậc nhất và bậc hai, sự N-oxi hoá bởi xitocrom P-450 thường tạo ra hiđroxilamin. Sự N-hiđroxyl hoá amin thơm với sự liên hợp sunfat tiếp theo là cơ chế theo đó các amin thơm gây khối u, như 2- axetylaminofluoren, được chuyển hoá thành chất trung gian hoạt động electrophin để liên kết cộng hoá trị vào ADN. 74
Trái với xitocrom P-450, enzim oxi hoá các chất ngoại sinh chứa nitơ theo cơ chế gốc bao gồm sự oxi hoá một electron khởi đầu của dị tố, monooxigenaza chứa flavin (FMO) oxi hoá các chất ngoại sinh chứa nitơ theo cơ chế dị li bao gồm sự oxi hoá hai electron bởi 4a-hiđroperoxit của FAD (xem hình 3.2). Sự khác nhau về cơ chế này giải thích vì sao sự N-oxi hoá chất ngoại sinh bởi xitocrom P-450 nói chung gây ra sự N- đeankyl hoá, trong khi đó sự N-oxi hoá bởi FMO lại sinh ra N-oxit. Ngược lại với xitocrom P-450, FMO không xúc tác cho các phản ứng đeankyl hoá dị tố. Đeankyl hoá các dị tố (O, N, S, Si): O-đeankyl. Sự đeankyl hoá ở O- có thể lấy ví dụ là sự đemetyl hoá của p-nitroanisol cho sản phẩm p-nitrophenol và fomanđehit. Phản ứng xảy ra qua sự hình thành chất trung gian metylol không bền OCH3 OCH2OH OH O + HCHO NO 2 NO2 NO2 p-nitroanisol p-nitrophenol Sự O-đeankyl hoá của các trieste cơ photpho khác với O-đeankyl hoá của p-nitro- anisol ở chỗ sự đeankyl hoá của một este hơn là một ete OH O CHCl O O C H O CH CHO HO 2 5 O 3 P C Cl P P + CH3CHO C2H5O C2H5O C2H5O Cl clophenvinphot N-đeankyl hoá. N-đeankyl hoá là phản ứng chung trong sự trao đổi chất của thuốc, thuốc trừ sâu và những chất ngoại sinh khác C2H5O H O H O NH + HCHO NCH3 HO etylmorphin S-đeankyl hoá. S-đeankyl hoá xảy ra đối với nhiều thioete như metylmercaptan, 6-metylthiopurin 75
S CH3 SH N N N N O + HCHO N NH N NH 6-metylthiopurin 6-thiopurin Si-đeankyl hoá. Xitocrom P-450 như được biết xúc tác cho sự đemetyl hoá của octametylxiclotetrasiloxan H C 3 CH3 Si CH3 O O Si CH3 CH3 O Si Si O O + HCHO CH2 CH3 H O O Si H3C CH3 Sự chuyển nhóm oxi hoá. Xitocrom P-450 xúc tác hai loại phản ứng chuyển nhóm oxi hoá: loại lưu huỳnh oxi hoá và loại halogen oxi hoá. Trong cả hai trường hợp nguyên tử dị tố (N, S hoặc halogen) được thay thế bằng oxi. 1 2 Loại lưu huuỳnh và phân giải este. Các photphothionat (R O)2 P(S) (OR ) và 1 2 photphođithionat (R O)2 P(S) (SR ) hoạt tính trừ sâu của chúng và độc tính đối với người là phản ứng oxi hoá chuyển nhóm P = S thành P = O. Đây là sự monooxi hoá điển hình của CYP- phụ thuộc, đòi hỏi có NADPH và O2 và bị ức chế bởi CO. S (C2H5O)2P O NO2 parathion O - S O P+ S O O P (C H O) P O NO + [S] 2 5 2 2 chÊt trung gian "photphooxithiran" paraoxon O S HO NO2 + (C2H5O)2P O + (C2H5O)2P O p-nitrophenol ®ietylphotphat ®ietylphotphothioat 76
Sự loại lưu huỳnh oxi hoá của parathion bao gồm sự tạo ra sản phẩm trung gian và chuyển vị thành paraoxon hoặc phân huỷ thành p-nitrophenol, đietylphotphat và đietyl- photphothioat, các sản phẩm này tương tự như các sản phẩm thuỷ phân của parathion. Ngoài sự làm dễ dàng thuỷ phân các este axit photphoric xitocrom P-450 còn xúc tác cho sự phân giải các este của axit cacboxilic (thuỷ phân thành axit và oxi hoá sản phẩm ancol thành anđehit hoặc đeaxyl hoá). Loại halogen oxi hoá. Xitocrom P-450 xúc tác cho cả phản ứng loại halogen oxi hoá và khử hoá. Trong quá trình loại halogen oxi hoá, halogen và hiđro từ cùng nguyên tử cacbon được thay thế bằng oxi (R1 R2 CHX R1 R2 CO) để tạo ra anđehit hoặc axylhalua. Ví dụ : Cl Cl O Cl CF C Br CF3 C Br CF3 C + HBr 3 O H O H Xitocrom P-450 cũng có thể xúc tác sự loại halogen khử hoá các haloankan và khử hoá một số hợp chất chứa nitro và azo. Điều này có thể hiểu được từ chu trình xúc tác (hình 3.1). Sự liên kết của cơ chất vào xitocrom P-450 được tiếp tục bởi sự khử một electron nhờ NADPH – xitocrom P-450 ređuctaza. Dưới điều kiện ưa khí, sự khử sắt hem (Fe3+) đến trạng thái sắt (II) cho phép liên kết oxi. Dưới điều kiện kị khí, ngược lại, chu trình bị ngắt tại điểm này, điều này cho phép xitocrom P-450 khử được những chất có khả năng nhận electron. Bởi vậy, xitocrom P-450 có thể xúc tác các phản ứng khử như khử nitro, khử azo và loại halogen khử hoá, đặc biệt dưới các điều kiện áp lực oxi thấp. Tính độc của nhiều haloankan phụ thuộc vào khả năng sinh chuyển hoá của chúng bởi sự loại halogen khử hoá này. Giai đoạn đầu trong loại halogen khử hoá và sự khử một electron với sự tạo gốc cacbon trung tâm độc cao và halua vô cơ. Đối với CCl4 là gốc triclometyl : – CCl4  CCl3 + Cl  – CF3CHClBr  CF3 CHCl + Br Đehiđro hoá : Xitocrom P-450 cũng có thể xúc tác cho sự đehiđro hoá (loại hiđro) của nhiều hợp chất bao gồm axetaminophen, nifeđipin, các chất liên quan đến sự khoá kênh canxi đihiđropiriđin, spartein, nicotin, axit vanproic, đigitoxin, testosteron. Ví dụ : H COCH3 COCH3 N N CYP2E1 CYP1A2 CYP3A4 OH O Axetaminophen N-axetylbenzoquinonimin 77
COOH COOH CYP2C9 axit vanproic axit 4-en vanproic Sự phá vỡ vòng metylenđioxi (benzođioxol). Các hợp chất metylenđioxi – phenol như safrol hoặc chất hỗ trợ trừ sâu như piperonyl butoxit, rất nhiều trong số chúng có tác dụng ức chế sự monooxi hoá của CYP, bản thân chúng bị trao đổi chất thành các catechol. Cơ chế có thể là sự tấn công lên cacbon metylen, tiếp theo tách nước tạo cacben. Cacben hoạt động cao này phản ứng với sắt hem tạo phức CYP ức chế hoặc bị bẻ gãy thành catechol: R O R O R O CH2 CHOH C: R O R O R O cacben R OH T¹o phøc víi Fe2 + HCHO + cña xitocrom P450 R OH thµnh phøc trao ®æi chÊt øc chÕ catechol Monooxygenaza chứa flavin (FMO) Các amin bậc ba như trimetylamin và đimetylanilin từ lâu được biết bị trao đổi chất thành các N-oxit bởi amin oxiđaza vi thể mà không phụ thuộc vào CYP. Enzim này hiện nay được biết là monooxygenaza vi thể chứa flavin (FMO) và cũng phụ thuộc vào NADPH và O2 như CYP, nhưng khác biệt về các tính chất hoá lí và tính đặc trưng cơ chất và có ít nhất sáu dạng đồng phân (FMO1 đến FMO6) đã được miêu tả bởi axit amin hoặc trình tự cADN. Mặc dù mỗi dạng đồng phân được đặc trưng ở người, một số trong chúng lại không có chức năng ở người trưởng thành. Thí dụ, FMO1 biểu hiện ở trong bào thai, mất đi tương đối nhanh sau khi sinh. FMO2 có trong hầu hết cư dân Caucasian và Asian chứa mã kết thúc sớm, cản trở sự biểu hiện của protein chức năng. FMO3 là FMO chủ yếu của người, biểu hiện ít ở người đẻ non, nhưng lại biểu hiện ở hầu hết những cá thể một tuổi. Sự biểu hiện của FMO3 tiếp tục tăng ở trẻ nhỏ và đạt mức cực đại ở trẻ trưởng thành. Một số dạng đa hình của FMO3 đảm trách bệnh chứng trimetylamin, còn gọi là «hội chứng mùi cá» được đặc trưng bởi một số cá thể không có khả năng chuyển hoá trimetylamin (từ thức ăn hoặc trao đổi chất) nặng mùi thành N-oxit không mùi. Mặc dù bản sao FMO4 đã được tìm thấy ở một số loài, protein còn chưa được biểu hiện thành công trong các loài bất kì. Mặc dù FMO5 biểu diện ở người ở mức dộ thấp, hoạt tính xúc 78
tác tồi của FMO5 đối với các loại cơ chất của FMO nói lên nó ít tham gia vào sự oxi hoá các chất ngoại sinh. FMO6 được phát hiện gần đây còn ít dữ liệu. Trừ một số ít ngoại lệ, FMO tác dụng như là chất xúc tác oxi hoá electrophin. Nói chung, các sản phẩm trao đổi chất được tạo ra bởi FMO là các sản phẩm của phản ứng hoá học giữa chất ngoại sinh và peraxit hoặc peroxit, phù hợp với cơ chế xúc tác của FMO (hình 3.2). Theo cơ chế này sau khi phần FAD bị khử đến FADH2 bới NADPH, đồng yếu + tố oxi hoá NADP , nằm lại liên kết vào enzim. FADH2 sau đó liên kết oxi tạo ra peroxit (nghĩa là 4a-hiđroperoxiflavin của FAD). Peroxit tương đối bền, có thể vì tâm hoạt động của FMO gồm các gốc axit amin ưa béo không nucleophin. Trong quá trình oxi hoá chất ngoại sinh, 4a-hiđroperoxiflavin được chuyển thành 4a-hiđroxiflavin với sự chuyển oxi peroxit flavin đến cơ chất (X XO, ở hình). Từ giai đoạn sau, ta có thể hiểu vì sao sản phẩm trao đổi chất là sản phẩm của phản ứng hoá học giữa chất ngoại sinh và peroxit hoặc peraxit. Giai đoạn cuối cùng trong chu trình xúc tác gồm sự đehiđrat hoá 4a-hiđroxiflavin NADP+ H O FMO NADPH 2 + FAD + H Hình 3.2 Chu trình xúc tác của flavin monooxygenaza (FMO) FMO FADHOH FMO X = cơ chất ngoại sinh, + NADP FADH 2 NADP + XO = sản phẩm trao đổi chất, FADHOOH = 4a-hiđropero- O XO 2 xiflavin; FMO FADHOOH FADHOH = 4a-hiđroxiflavin + X NADP để hoàn lại FAD ở trạng thái dừng, oxi hoá, và giải phóng NADP+. Giai đoạn cuối cùng là quan trọng vì có là giai đoạn quyết định tốc độ, và nó xảy ra sau sự oxi hoá cơ chất. Do vậy, giai đoạn này xác định giới hạn trên của tốc độ oxi hoá cơ chất. Tất cả các cơ chất tốt đối với FMO được chuyển hoá thành các sản phẩm ở cùng một tốc độ cực đại (nghĩa là VCĐ được xác định bởi giai đoạn cuối cùng trong chu trình xúc tác). Sự liên kết của NADP+ vào FMO trong quá trình xúc tác là quan trọng vì nó cản trở sự khử của oxi đến + H2O2. Trong sự vắng mặt của NADP liên kết, FMO có chức năng như một NADPH- oxiđaza, tiêu thụ NADPH và gây ra sự căng thẳng oxi hoá qua sự dư thừa H2O2. Các cơ chất chứa các nucleophin mềm (N, S, P, Se) là các ứng cử viên tốt cho sự oxi hoá của FMO: các thuốc như đimetylanilin, imipramin, thiobenzamit, clopromazin, promethazin, ximetiđin, tamoxifen; thuốc trừ sâu như phorat, fonofot, methiocarb; tác 79
nhân môi trường như chất gây ung thư 2-aminofluorin, chất độc thần kinh nicotin và 1-metyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahiđropiriđin (MPTP). Một số chất thức ăn hoặc nội sinh cũng chịu sự trao đổi chất của FMO như trimetylamin, sisteamin, methionin và một số các liên hợp –S-sistein. Trong hầu hết các trường hợp trao đổi chất bởi FMO tạo ra các sản phẩm khử độc, mặc dù có một vài ví dụ về cơ chất bị sinh hoạt hoá bởi sự oxi hoá của FMO lại độc như trường hợp các cơ chất tham gia sự oxi hoá lưu huỳnh. N N O N CH3 N CH3 Nicotin Nicotin-1'-N-oxit N(CH3)2 O N(CH3)2 Đimetylanilin Đimetylanilin-N-oxit S CNH2 O S CNH2 Thiobenzamit Thiobenzamit-S-oxit S S O C2H5O C2H5O PSCH2SC2H5 PSCH2SC2H5 C2H5O C2H5O Phorat Phorat sunfoxit O C6H5 C6H5 P CH3 P CH3 C H 6 5 C6H5 Điphenylmetyl photphin Điphenylmetyl photphin oxit Cả hai enzim FMO và CYP là enzim vi thể đòi hỏi NADPH và oxi, đồng thời hầu hết các cơ chất của FMO cũng là cơ chất của CYP nên rất khó phân biệt enzim nào đảm trách sự oxi hoá. Tuy nhiên các FMO nói chung kém bền nhiệt, đun nóng chế phẩm vi thể lên 50oC trong 1 phút làm mất hoạt tính của FMO, trong khi đó các CYP rất ít ảnh hưởng. 80
Thêm nữa, sự đóng góp của các FMO có thể được đánh giá bằng sử dụng chất ức chế chung của CYP như là N-benzylimiđazol hoặc bằng kháng thể ức chế đối với NADPH – xitocrom P-450 ređuctaza, cần coenzim CYP. Điều lí thú về mặt độc học là enzim FMO đảm trách sự oxi hoá nicotin thành nicotin-1 -N-oxit, trong khi sự oxi hoá nicotin thành cotinin được xúc tác bởi hai enzim tác dụng theo trật tự : CYP tiếp theo bởi anđehit đehyđrogenaza hoà tan. 3.1.2. Những sự oxi hoá không vi thể Ngoài các monooxygenaza vi thể, các enzim khác tham gia vào sự oxi hoá các chất ngoại sinh. Những enzim này có ở trong ti tạp thể hoặc trong tế bào chất. Ancol đehyđrogenaza. Ancol đehyđrogenaza xúc tác cho sự chuyển hoá ancol thành anđehit hoặc xeton : + + RCH2OH + NAD  RCHO + NADH + H Phản ứng này không lẫn lộn với sự monooxi hoá của etanol bởi CYP xảy ra trong các vi thể. Phản ứng của ancol đehyđrogenaza là thuận nghịch, với các hợp chất cacbonyl bị khử thành ancol. Enzim này được tìm thấy trong phân đoạn hoà tan của gan, thận, phổi và có khả năng là enzim quan trọng nhất trong sự trao đổi chất của các ancol ngoại. Ancol đehyđrogenaza có vô số biến thể. Trong động vật có sáu loại enzim đã được mô tả. Ancol đehyđrogenaza có thể sử dụng NAD hoặc NADP như là coenzim, nhưng phản ứng xảy ra chậm hơn nhiều so với NADP. Trong cơ thể còn nguyên phản ứng xảy ra theo chiều tiêu thụ ancol, vì các anđehit bị oxi hoá dến axit để bài tiết. Như vậy sự oxi hoá ancol có thể được xem là một phản ứng hoạt hoá, sự oxi hoá xa hơn đến axit là giai đoạn khử độc. Ancol bậc nhất bị oxi hoá đến anđehit, n-butanol là cơ chất bị oxi hoá ở tốc độ cao. Ancol bậc hai bị oxi hoá đến xeton, tốc độ chậm. Ancol bậc ba không dễ bị oxi hoá. Ancol đehyđrogenaza bị ức chế bởi nhiều hợp chất dị vòng như pyrazol, imiđazol và các dẫn xuất của chúng. Anđehit đehyđrogenaza. Các anđehit được sinh ra từ các cơ chất nội và ngoại. Các anđehit nội sinh được hình thành từ sự trao đổi chất của các axit amin, cacbohiđrat, lipit, amin sinh vật, vitamin, steroit. Sự trao đổi chất của các thuốc, các tác nhân môi trường tạo ra các anđehit. Các anđehit là các hợp chất electrophin hoạt tính cao, chúng phản ứng với các thiol và các nhóm amin tạo ra những ảnh hưởng khác nhau. Một số anđehit tạo ra các ảnh hưởng nhẹ nhàng, nhưng thường nhiều hơn là các ảnh hưởng độc tế bào, độc gen, dị biến và ung thư. Anđehit đehyđrogenaza là enzim quan trọng giúp làm dịu các ảnh hưởng 81
độc của sự sinh ra anđehit. Enzim này xúc tác sự hình thành các axit từ các anđehit béo và thơm; các axit là những cơ chất sẵn sàng phản ứng đối với các enzim liên hợp: RCHO + NAD+  RCOOH + NADH + H+ Siêu họ gen anđehit rất lớn có trên 330 anđehit hyđrogenaza gen trong các loài nhân sơ và nhân chuẩn. Siêu họ gen anđehit đehyđrogenaza nhân chuẩn gồm 20 họ gen, 9 trong số họ đó chứa 16 gen người và 3 giả gen. Các enzim khác có trong phân đoạn tan của gan oxi hoá các anđehit là anđehit oxiđaza và xanthin oxiđaza, cả hai flavoprotein này có chứa molipđen; tuy nhiên vai trò chủ yếu của chúng là oxi hoá các anđehit nội sinh tạo ra từ các phản ứng đeamin hoá. Amin oxiđaza. Chức năng quan trọng nhất của amin oxiđaza là oxi hoá các amin tạo ra trong các quá trình bình thường. Hai loại amin oxiđaza đeamin oxi hoá quan trọng đối với cả các amin nội sinh và ngoại sinh là: Monoamin oxiđaza – Monoamin oxiđaza là họ flavoprotein tìm thấy trong ti lạp thể của nhiều mô: gan, thận, não, ruột non và tiểu cầu máu. Chúng là nhóm các enzim tương tự có những tính đặc trưng và sự ức chế trùng lặp nhau. Mặc dù enzim trong hệ thần kinh trung ương chủ yếu liên quan với sự luân chuyển truyền thần kinh, trong khi ở gan lại đeamin hoá các amin bậc một, bậc hai và bậc ba béo, tốc độ phản ứng của amin bậc nhất nhanh hơn cả. Các nhóm thế hút e trên nhân thơm làm tăng tốc độ phản ứng, trong khi các hợp chất có nhóm metyl ở cacbon như amphetamin và epheđrin lại không bị trao đổi chất. CH2NH2 CHO + O2 + H2O + NH3 + H2O2 Cl Cl p-clobenzylamin p-clobenzanđehit Điamin oxiđaza - Điamin oxiđaza là enzim oxi hoá các amin đến anđehit. Cơ chất thích hợp là các điamin béo có chiều dài mạch bốn (putretxin) hoặc năm (cađaverin) nguyên tử cacbon. Các điamin với mạch cacbon dài hơn chín không được xem là cơ chất nhưng có thể bị oxi hoá bởi các monoamin oxiđaza. Các amin bậc hai và bậc ba không bị trao đổi chất. Các điamin oxiđaza điển hình là các protein tan chứa pyriđoxal photphat cũng như chứa đồng. Chúng được tìm thấy trong đa số các mô bao gồm gan, ruột non, thận và nhau. H2N(CH2)5NH2 + O2 + H2O  H2N(CH2)5CHO + NH3 + H2O2 82
Đồng oxi hoá bởi xiclooxygenaza Trong quá trình sinh tổng hợp prostaglanđin, axit béo đa chưa no như axit arachiđonic đầu tiên bị oxi hoá đến hiđroperoxi anđoperoxit (prostaglanđin G2). Chất này sau đó bị trao đổi chất tiếp thành prostaglanđin H2, cả hai phản ứng được xúc tác bởi cùng một enzim, xiclooxigenaza, như được biết là prostaglanđin synthaza. O COOH COOH xiclooxigenaza O Axit arachi®onic OOH PGG2 Peroxi®aza Sù oxi ho¸ ngo¹i sinh O COOH O OH PGH2 Enzim này có trong màng vi thể và được tìm thấy ở mức độ lớn nhất ở các mô hô hấp như phổi. Nó nói chung cũng có ở thận và túi tinh. Nó là glycoprotein có M 70.000 Đanton có chứa một hem trên một đơn vị phụ. Trong quá trình giai đoạn hai của chuỗi liên tiếp trên (peroxiđaza) nhiều chất ngoại sinh bị đồng oxi hoá, và sự nghiên cứu về cơ chế đã chỉ ra rằng các phản ứng là các phản ứng hiđroperoxit phụ thuộc được xúc tác bởi peroxiđaza, enzim này sử dụng prostaglanđin G làm cơ chất. Trong ít nhất một số trường hợp sự nhận biết peroxiđaza này được xác định là prostaglanđin synthaza. Các xiclooxygenaza được biết có hai dạng khác nhau. COX-1 là enzim chủ yếu biểu hiện tính giữ nhà được tìm thấy trong hầu hết các mô và điều dẫn các đáp ứng sinh lý. COX-2 là dạng cảm ứng biểu hiện chủ yếu bởi các tế bào tham gia vào đáp ứng (viêm). Một số mô thấp trong biểu hiện CYP lại giàu trong COX, cái đó có ý nghĩa trong các hiệu ứng gây ung thư của các amin thơm trong các cơ quan này. Trong quá trình đồng oxi hoá, một số cơ chất được hoạt hoá trở thành độc hơn so với chúng ban đầu. Trong một số trường hợp sự oxi hoá cơ chất tạo ra sản phẩm gốc tự do, chúng có thể khơi mào sự peroxi hoá lipit hoặc liên kết vào protein tế bào hoặc ADN. Con đường hoạt hoá khác tham gia vào sự tạo thành gốc peroxyl từ sự trao đổi chất kế tiếp prostaglanđin G2. Phân tử hoạt động này có thể epoxi hoá nhiều cơ chất bao gồm các PAH, nói chung tạo ra độc tính tăng lên của các cơ chất tương ứng. 83
Để phân biệt giữa các sự oxi hoá bởi COX và bởi CYP, trong sự cấy vi thể phòng thí nghiệm của chất ngoại sinh có thể được thực hiện hoặc có mặt axit arachiđonic (COX xúc tác) hoặc có mặt NADPH (CYP xúc tác). Khi có mặt axit arachiđonic trong khi vắng mặt NADPH, các cơ chất bị oxi hoá bởi COX sẽ được hình thành trong khi đó các cơ chất đòi hỏi CYP sẽ không có. Các chất ức chế riêng của PG synthaza (inđomethaxin) và CYP (metyrapon) hoặc SKF525A) cũng được sử dụng. 3.1.3. Các phản ứng khử Nhiều nhóm chức như nitro, azo, điazo, cacbonyl, đisunfua, sunfoxit, anken, asen háo trị năm dễ bị khử, mặc dù trong nhiều trường hợp khó nói phản ứng xảy ra là enzim hoặc không enzim bởi tác động của các tác nhân khử sinh học như khử flavin hoặc khử piriđinnucleotit. Trong một số trường hợp khử nối đôi trong axit xinamic (C6H5CH=CHCOOH) phản ứng có đóng góp của hệ vi thực vật ruột non. Khử nitro. Các nitro thơm dễ bị khử bởi cả các hệ nitroređuctaza động vật và vi khuẩn. Bằng chứng thuyết phục được báo cáo là chuỗi phản ứng này được xúc tác bởi CYP. Nó bị ức chế bởi oxi, mặc dù NADPH vẫn được tiêu thụ. Những nhà nghiên cứu trước đây giả thiết là một flavonprotein ređuctaza đã tham gia, và điều này không rõ ràng nếu như đây không đúng hoặc nếu như cả hai cơ chế xảy ra. Đó là sự thật, tuy nhiên, nồng độ cao của FAD hoặc FMN sẽ xúc tác sự khử không enzim các nhóm nitro : NO2 NO NHOH NH2 Nitrobenzen Nitrosobenzen Phenylhiđroxilamin Anilin Khử azo. Các đòi hỏi đối với sự khử azo cũng tương tự như khử nitro, các điều kiện kị khí và NADPH. Chúng cũng bị ức chế bởi CO, và đoán rằng chúng bao gồm CYP. Khả năng các tế bào động vật khử các liên kết azo tồi, các hệ vi thực vật ruột có thể đóng vai trò chính. CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 N N NH NH H N NH N=N NH2 2 2 + 2 2 H H o-Aminoazotoluen Dẫn xuất hiđrazo o-Toluđin o-Metyl-p-phenylen điamin Khử đisunfua. Một số đisunfua như thuốc đisunfiram (antabuse) bị khử đến các thành phần sunfiđryl: 84
S S S (C2H5)2NCS SCN(C2H5)2 2(C2H5)2NCSH Đisunfiram Axit Đietylđithiocacbamic Rất nhiều phản ứng khử đisunfua là các chuỗi 3 giai đoạn, phản ứng sau cùng của chúng được xúc tác bởi glutathion ređuctaza, sử dụng glutathion (GSH) như là coenzim : RSSR + GSH  RSSG + RSH RSSG + GSH  GSSG + RSH GSSG + NADPH + H+  2GSH + NADP+ Khử anđehit và xeton. Ngoài sự khử anđehit và xeton qua phản ứng nghịch của ancol đehyđrogenaza, họ anđehit ruđuctaza cũng khử các hợp chất này. Các ređuctaza này là những enzim bào chất phụ thuộc NADPH có M thấp và được tìm thấy trong gan, não, thận và các mô khác. Cl CHO Cl CH2OH p-Clobenzađehit p-Clobenzyl ancol Khử sunfoxit. Khử sunfoxit xảy ra ở trong mô động vật. Các enzim thioređoxin phụ thuộc tan có trong gan đảm trách. Người ta giả thiết là sự oxi hoá ở trong lưới nội bào tiếp theo bởi sự khử trong nội bào. S O S (C H ) PSCH S Cl 2 5 2 2 (C2H5)2PSCH2S Cl Cacbophenothion sunfoxit Cacbophenothion Khử quinone. Các quinon có thể bị khử đến hiđroquinon bởi NAD(P)H-quinon oxiđoređuctaza, một flavoprotein phần bào tan cũng được biết như DT-điaphoraza. Sự tạo thành hiđroquinon tương đối bền bao gồm sự khử hai electron của quinon với sự oxi hoá tỉ lượng của NAD(P)H không có sự tiêu thụ oxi. Sự khử hai electron của quinon cũng có thể được xúc tác bởi cacbonyl ređuctaza, dặc biệt ở người. Mặc dù có ngoại lệ, con đường khử hoá này không độc, vì không có sự xốc oxi hoá như khử hoá một electron của quinon bởi NADPH-xitocrom P-450 ređuctaza. Ngoài ra, cơ chất của DT- điaphoraza còn nhiều hợp chất độc mạnh (quinon epoxit, phầm màu azo, quinonimin, các dẫn xuất C-nitroso của arylamin). 85
O OH 2H +, 2e' CH3 CH3 DT-®iaphoraza (NADPH-quinon O oxi®ore®uctaza) OH Menađion Hiđroquinon Con đường thứ hai khử hoá quinon được xúc tác bới NADPH-xitocrom P-450 ređuctaza (flavoprotein vi thể) và gây ra sự hình thành gốc tự do semiquinon bởi sự khử một electron quinon. Semiquinon dễ dàng tự oxi hoá dẫn đến sự oxi hoá không tỉ lượng của NADPH và tiêu thụ oxi. Sự xốc oxi hoá liên quan với sự tự oxi hoá của gốc tự do semiquinon dẫn đến tạo ra anion superoxit, hiđroperoxit và các phần tử oxi hoạt động khác có thể là các chất cực độc tế bào (peroxi hoá lipit, phá huỷ protein và ADN) H +, 2e' O (NADPH- O xitocrom P450 CH3 CH3 re®uctaza) O O2 OH gèc tù do semiquinon O2 anion superoxit HO2 gèc pehi®roxyl H2O2 hi®roperoxit HO gèc hi®roxyl Sự thuỷ phân Các enzim cacboxyesteraza và amiđaza được phân bố rộng rãi trong cơ thể có trong các mô và trong cả hai phân đoạn tan và vi thể. Chúng xúc tác cho các phản ứng chung sau : RCOOR + H2O  RCOOH + R OH Thuỷ phân cacboxyleste RCONR R + H2O  RCOOH + HNR R Thuỷ phân cacboxyamit RCOSR + H2O  RCOOH + HSR Thuỷ phân cacboxythioeste Thực tế không tách riêng hoạt tính cacboxyesteraza với hoạt tính amiđaza. Hai hoạt tính này được xem như sự biểu lộ khác nhau của cùng hoạt tính, tính đặc hiệu phụ thuộc 86
vào bản chất của các nhóm R, R và R , và ở phạm vi ít hơn, vào nguyên tử (O, S hoặc N) kề cạnh nhóm cacboxyl. Các esteraza được chia thành ba nhóm A, B, C A-Esteraza, cũng gọi arylesteraza, được phân biệt bởi khả năng thuỷ phân của chúng đối với este dẫn xuất từ các hợp chất thơm. Các cơ photpho, như paraoxon trừ sâu thường được sử dụng để đặc trưng cho nhóm này. B-Esteraza, nhóm quan trọng và lớn nhất, bị ức chế bởi các cơ photphat. Tất cả các B-esteraza có gốc serin ở tâm hoạt động của chúng, tâm này bị photpho hoá bởi chất ức chế này. Nhóm này được đưa vào số các enzim khác nhau và các enzim đồng phân của chúng, nhiều trong só chúng có đặc trưng cơ chất hoàn toàn khác nhau. Thí dụ, nhóm chứa cacboxyesteraza, amiđaza, cholinesteraza, monoaxylglixerin lipaza và arylamiđaza. Nhiều enzim trong số này thuỷ phân các cơ chất sinh lí (nội chất) cũng như các chất ngoại sinh. C-Esteraza hoặc axetylesteza đặc hiệu cho các cơ chất là các axetyleste, và đối với chúng paraoxon được xem như không phải là cơ chất cũng như không phải là chất ức chế. Một số thí dụ về trao đổi chất của cơ chất ngoại sinh bởi các esteraza A-Esteraza: O O (C2H5)2PO NO2 + H2O (C2H5)2POH + HO NO2 O O CH3CO + H2O CH3COH + HO O O + + CH3CH2COCH3 H2O CH3CH2COH CH3OH O O CH3CS + H2O CH3COH + HS B-esteraza : O O CH3C N + H2O CH3COH + H2N H 87
C-Esteraza : O O CH3CO NO2 + H2O CH3COH + HO NO2 Sự hiđrat hoá epoxit Vòng epoxi của các hợp chất anken và aren bị hiđrat hoá bởi enzim được biết là các epoxit hiđrolaza. Các epoxit hiđrolaza động vật tạo ra các trans-điol, còn hiđrolaza vi khuẩn lại cho cis-điol. Mặc dù, nói chung sự hiđrat hoá vòng oxiran tạo ra sự khử độc của epoxit rất hoạt động, trong một số trường hợp như của bezo(a) piren, sự hiđrat hoá epoxit là giai đoạn đầu trong sự hoạt hoá tuần tự để tạo ra chất trung gian trans-đihiđrođiol độc tính cao, Trong những trường hợp khác, các epoxit hoạt động bị khử độc bởi cả hai glutathion transferaza và epoxit hiđrolaza. Phản ứng có khả năng bao gồm sự tấn công nucleophin của – OH lên cacbon oxiran. Hầu hết các epoxit hiđrolaza được nghiên cứu là của vi thể và được tách tinh khiết từ các vi thể gan của một số loài. Mặc dù còn được biết ít các epoxit hiđrolaza tan có những đặc trưng cơ chất khác nhau đã được miêu tả. Một số thí dụ về các phản ứng epoxit hiđrolaza được chỉ ra dưới đây : OH O OH + H2O Stiren-7,8-oxit Stiren-7,8-điol HO H O OH + H2O H Naphtalen 1,2-oxit Naphtalen đihiđrođiol Hiện được biết năm dạng khác nhau của epoxit hiđrolaza ở động vật có vú : epoxit hiđrolaza vi thể (mEH), epoxit hiđrolaza tan (sEH), epoxit hiđrolaza cholesterol. LTA4 hiđrolaza hepoxilin. Các epoxit hiđrolaza cholesterol, LTA1/4 hiđrolaza và epoxit hiđrolaza hepoxilin có tính đặc trưng cơ chất ở mức độ cao. Các epoxit hiđrolaza vi thể và tan (mEH và sEH) thuỷ phân ở một phạm vi rộng các cơ chất, các anken epoxit và aren oxit. Nhiều epoxit và oxit là các sản phẩm trao đổi chất trung gian được tạo ra trong quá trình oxi hoá xitocrom P-450 - phụ thuộc các chất ngoại sinh thơm và béo chưa no. Các sản phẩm trao đổi chất electrophin có thể liên kết vào protein và các axit nucleic và gây ra độc tế bào và biến dị di truyền. Các epoxit hiđrolaza, đặc biệt mEH và sEH, có thể chuyển hoá nhanh các sản phẩm trung gian epoxit và oxit độc này thành các đihiđrođiol 88
kém hoạt động và dễ bài tiết. Tuy nhiên, sự oxi hoá tiếp theo của các đihiđrođiol có thể dẫn đến sự tạo các dẫn xuất epoxit điol, mà ở đây vòng oxiran được bảo vệ bởi các nhóm thế cồng kềnh, sự cản trở không gian đã gây khó khăn cho sự tương tác của enzim và trở thành chất độc tính cao (trường hợp của các hiđrocacbon thơm đa vòng, như benzo[a]piren. Xong không phải tất cả các epoxit đều hoạt động và độc cao (các epoxit của carbamazepin, vitamin K). Peptiđaza. Sự thủy phân các peptit ở trong máu và mô được thực hiện bởi các peptiđaza khác nhau bao gồm các aminopeptiđaza và các cacboxipeptiđaza, các enzim này thuỷ phân các axit amin ở N- và C- cuối, và enđopeptiđaza thuỷ phân bẻ gãy các peptit ở các vị trí riêng bên trong (ví dụ, tripxin bẻ gãy các peptit ở trên cacbon cuối mạch của các gốc arginin hoặc lisin). Các peptiđaza bẻ gãy liên kết amit giữa hai axit amin cạnh nhau, do đó chúng có chức năng như một amiđaza. Trong trường hợp của cacboxylesteraza, vị trí hoạt động của các peptiđaza chứa hoặc gốc serin hoặc gốc xistein, khởi đầu sự tấn công nucleophin lên phần cacbonyl của liên kết amit. DDT Đehiđroclorinaza DDT Đehiđroclorinaza là enzim gặp cả ở trong động vật và côn trùng. Nó xúc tác sự đehiđroclo hoá DDT thành DDE và có ở trong phân đoạn tan của mô. Mặc dù phản ứng đòi hỏi glutathion nó giữ vai trò xúc tác vì không bị tiêu hao trong quá trình phản –7 ứng. Enzim này ở dạng đơn có M 36.000 Đanton, Km đối với DDT là 5.10 mol/L với hoạt độ tối ưu ở pH 7,4; nhưng enzim thường tồn tại ở thể tetrame. Ngoài xúc tác đehi- đroclo hoá DDT thành DDE và DDD (2,2 bis(p-clophenyl)-1,1-đicloetan) thành TDE (2,2 bis (p-clophenyl)-1-cloetylen, DDT đehiđoclorinaza cũng xúc tác cho sự đehiđro- halogen hoá số các đồng đẳng và đồng loại của DDT. H Cl C Cl Cl C Cl + HCl CCl CCl 3 2 DDT DDE 3.2. CÁC PHẢN ỨNG GIAI ĐOẠN II Các sản phẩm trao đổi chất giai đoạn I và những chất ngoại sinh chứa nhóm chức như hiđroxyl, amino, cacboxyl, epoxit hoặc halogen có thể chịu các phản ứng liên hợp (kết hợp) với các chất trao đổi nội sinh, những sự liên hợp này được gọi là phản ứng giai đoạn II. Các chất trao đổi nội sinh bao gồm các đường, axit amin, glutathion, sunfat, v.v Các sản phẩm liên hợp, trừ một ít ngoại lệ, là những chất phân cực hơn, ít độc hơn và dễ dàng được bài tiết hơn so với các chất cha mẹ của chúng. 89
Các phản ứng liên hợp thường gồm sự hoạt hoá các chất trao đổi bởi một số chất trung gian năng lượng cao và được phân thành hai loại chung: loại I, trong đó một tác nhân liên hợp được hoạt hoá kết hợp với cơ chất tạo ra sản phẩm liên hợp; loại II, trong đó cơ chất được hoạt hoá và sau đó kết hợp với các axit amin để tạo ra sản phẩm liên hợp. Sự hình thành các sunfat và các glucozit là các ví dụ của loại I, trong khi đó loại II gồm chủ yếu là sự liên hợp axit amin. 3.2.1. Sự liên hợp glucuronit Phản ứng glucuronit hoá là một trong số con đường chủ yếu dể thải nhiều chất ngoại sinh và nội sinh ưa dầu khỏi cơ thể. Cơ chế của sự liên hợp này bao gồm phản ứng của một trong nhiều nhóm chức có khả năng phản ứng (R-OH, Ar-OH, R-NH2, Ar-NH2, R-COOH, Ar-COOH) với dẫn xuất đường, axit uriđin-5’-điphotphoglucuronic (UDPGA) nhờ xúc tác của glucuronosyl transferaza (UGT). Glucuronosyl transferaza đồng thể được tách là một chuỗi polipeptit đơn có M khoảng 59.000 Đanton, có chứa cacbohiđrat; hoạt tính của nó phụ thuộc vào sự cấu trúc lại với lipit vi thể. Enzim này khi tồn tại ở màng vi thể không thể hiện khả năng cực đại của nó đối với sự liên hợp; sự hoạt hoá nhờ một số cách (ví dụ, chất tẩy sạch) là cần thiết. Phản ứng bao gồm sự thế nucleophin (phản ứng SN2) của nhóm chức cơ chất với sự nghịch chuyển Vanđen. UDPGA ở cấu hình khi đó HO OH NH COOH OH O COOH HO + N O UGT O HO OH HO O O OH O O 1-Naphtol O P OH OH + UDP P O OH HO HO Naphtol glucuronit UDPGA OH O NH2 SH O NH Cumarin 2-Naphtylamin Thiophenol CH3 H C 3 Propanolon HO O N NH CH 3 N N CH3 Oxazapam Imipramin 90
bị nghịch chuyển, glucuronit được tạo ra ở cấu hình . Enzim tham gia, UDP glucuro- nosyl transferaza (UGT) được tìm thấy ở trong phân đoạn vi thể của gan, thận, ruột non và các mô khác. Ví dụ một số loại glucuronit khác nhau được tạo ra trình bày ở trên. Sự liên hợp glucuronit nói chung tạo ra những sản phẩm có hoạt tính hoá học và sinh học kém, phân cực hơn, dễ dàng bài tiết và do đó đóng góp vào sự giải độc của hầu hểt các chất ngoại sinh. Tuy nhiên, sự liên hợp glucuronit cũng có nhiều trường hợp gây độc hơn. Ví dụ trường hợp của N-hiđroxi-2-axetylaminofluorin. Cơ chất này, không giống 2-axetylaminofluorin, không có khả năng liên kết vào ADN khi vắng mặt sự trao đổi chất. Tuy nhiên sự liên hợp glucuronit tiếp theo bởi sự liên kết oxi qua nhóm N-hiđroxi, cơ chất này trở nên có tác dụng mạnh tương tự như chất gây ung thư gan có chứa 2-axetylaminofluorin có khả năng liên kết với ADN. Những loại chất ngoại sinh khác thường được hoạt hoá bởi sự liên hợp glucuronit là các axyl glucuronit của axit cacboxylic. Hiện nay có trên 35 sản phẩm gen UGT khác nhau đã được miêu tả. Ở người được biết 9 enzim đồng phân thuộc họ UGT1 và 6 thuộc họ UGT2. 3.2.2. Sự liên hợp glucozit Mặc dù ít gặp ở động vật có xương sống, các glucozit được tạo ra từ các chất ngoại sinh nói chung gặp ở trong côn trùng và thực vật. Các glucozit này được tạo ra từ UDP-glucozơ nên có thể xem như thuộc cùng loại như glucuronit. 3.2.3. Sự liên hợp sunfat Sự sunfat hoá và sự thuỷ phân liên hợp sunfat được xúc tác bởi những thành viên khác nhau của sunfotransferaza (SULT) và các siêu họ enzim sunfataza, đóng vai trò rất quan trọng trong sự trao đổi chất và phân bố sắp xếp các cơ chất nội và ngoại sinh. Các sản phẩm của enzim sunfotransferaza với các chất ngoại sinh khác nhau bao gồm các ancol, arylamin, phenol, tạo ra các este sunfat tan trong nước dễ dàng đào thải khỏi cơ thể. Mặc dầu nói chung các phản ứng này quan trọng trong sự giải độc, chúng cũng được chỉ ra có tham gia vào sự hoạt hoá gây ung thư. Con đường sunfat hoá như chỉ ra gồm hai hệ enzim: SULT xúc tác cho phản ứng sunfat hoá, và sunfataza xúc tác cho sự thuỷ phân các este sunfat được tạo ra bởi tác động của SULT. Sự sunfat hoá tiêu phí năng lượng, vì hai phân tử ATP cần cho sự tổng hợp một phân tử 3’-photphoađenosin-5’-photphosunfat (PAPS). Cả hai enzim ATP sunfurylaza và APS kinaza tham gia vào tổng hợp PAPS cư trú ở trong protein tế bào hai chức năng đơn giản có M 56.000 Đanton, ở đây đường đi cơ chất APS từ ATP sunfurylaza đến APS-kinaza xảy ra. 91
ATP PP ATP ADP OH 2- SO4 APS PAPS 4-Nitrophenol ATP- APS-kinaza sunfurylaza sunfotranferaza NO2 sunfataza OSO3 PAP 4-Nitrophenol NO2 sunfat NH2 OH OH CH3 O CH3 CH 2-Naphtylamin 3 Estron 2-Butanol O CH3 HO NH2 HO NH HO §opamin Axetaminophen Trong người hiện biết có 5 gen SULT đặc trưng, mỗi gen có chuỗi axit amin khác nhau rộng và có những đặc trưng cơ chất khác nhau rộng. Dựa vào trật tự (trình tự) axit amin cũng như cơ chất thích hợp các enzim này có thể chia thành hai họ: phenol SULT (P-PST, SULT 1A2, M-PST, EST) và hiđroxisteroit SULT (HST). Các phenol SULT từ gan chuột được tách ra bốn dạng khác nhau, mỗi dạng xúc tác sự sunfat hoá các phenol và catecholamin khác nhau. Chúng khác biệt ở pH tối ưu, đặc trưng của cơ chất và tính chất miễn dịch. M của tất cả chúng nằm trong khoảng 61.000 – 64.000 Đanton. Các hiđroxisteroit sunfotransferaza cũng tồn tại ở một vài dạng. Phản ứng này được biết quan trọng không chỉ là cơ chế giải độc mà còn trong sự tổng hợp và khả năng vận chuyển các steroit. Hiđroxisteroit sunfotransferaza phản ứng với hiđroxisterol, các ancol bậc nhất, bậc hai, nhưng không phản ứng với nhóm hiđroxyl trong nhân thơn của steroit. 3.2.4. Metyltransferaza Một số lớn các chất nội sinh và ngoại sinh có thể bị metyl hoá bởi một số các N-, O- và S-metyltransferaza. Chất cho metyl chung nhất là S-ađenosyl methionin (SAM), nó được hình thành từ methionin và ATP. Mặc dù phản ứng này có thể làm giảm tính tan trong nước, nhưng nói chung vẫn là các phản ứng giải độc. 92
N-Metyl hoá. Một số enzim được biết là xúc tác phản ứng N-metyl hoá. Chúng bao gồm histamin N-metyltransferaza là một enzim đặc hiệu cao có trong phân đoạn tan của tế bào; phenyletanolamin N-metyltransferaza xúc tác sự metyl hoá norađrenalin thành ađrenalin cũng như các dẫn xuất phenyletanolamin khác. Một enzim thứ ba là inđoetylamin N-metyltransferaza, hoặc N-metyltransferaza, có trong các mô khác nhau xúc tác cho sự metyl hoá các chất nội sinh như serotonin và triptamin, và các chất ngoại sinh như nornicotin và norcođein. N N + SAM + S-a®enosyl homoxistein. H CH N N 3 (SAH) Nornicotin Nicotin O-Metyl hoá. Catechol O-metyltransferaza có ở trong phân đoạn tan của một số mô (gan) có M = 23.000 Đanton, đòi hỏi sự tham gia của S-ađenosylmethionin và Mg2+, và xúc tác sự metyl hoá epinepheđrin, norepinepheđrin và các dẫn xuất khác của catechol. Enzim này tồn tại đa dạng. O-Metyltransferaza vi thể metyl hoá các ankyl- metoxi- và halophenol. Sự metyl hoá này bị ức chế bởi SKF-525 (piperonyl butoxit), N- etylmaleimit và p-clo thuỷ ngân benzoat; hiđroxiinđol O-metyltransferaza metyl hoá N- axetylserotonin thành melatonin; ngoài ra còn có 5-hiđroxiinđol- và 5,6-đihiđroxiinđol metyltransferaza. NHCOCH3 NHCOCH3 + SAH + SAM OH OCH3 Hiđroxiaxetanilit p-Metoxiaxetanilit S-Metyl hoá. Nhóm thiol của các chất lạ bị metyl hoá bởi enzim, thiol S-metyl- transferaza. Enzim này có trong vi thể và giống như hầu hết các metyltransferaza đòi hỏi S-ađenosylmethionin. Nó được tinh chế từ gan chuột và có M = 28.000 Đanton, xúc tác metyl hoá nhiều cơ chất khác nhau như thioaxetanilit, mercaptoetanol, điphenyl- sunfua. Enzim này rất quan trọng trong sự giải độc H2S với hai giai đoạn, đầu tiên tạo ra metanthiol độc cao và sau đến đimetylsunfua 93
SH SCH3 + SAM + SAH Cl Cl Sự metylthiol hoá (đưa nhóm CH3S- vào) chất lạ còn được xúc tác bởi enzim khác tìm thấy gần đây là -lyaza liên hợp xistein của chất lạ: RSCH2CH(NH2)COOH  RSH + NH3 + CH3COCOOH Nhóm thiol này sau đó có thể bị metyl hoá thành dẫn xuất metylthio của chất lạ đầu. Sinh metyl hoá các nguyên tố. Sinh metyl hoá các nguyên tố được tiến hành chủ yếu bởi các vi sinh vật và quan trọng trong độc học môi trường, đặc biệt là với kim loại nặng, vì các hợp chất metyl hoá được hấp thụ qua màng của ruột, thành máu não và nhau dễ dàng hơn là ở dạng vô cơ. Thí dụ thuỷ ngân vô cơ có thể bị metyl hoá đầu tiên thành monometyl thuỷ ngân và tiếp theo thành đimetyl thủy ngân : 2+ + Hg  CH3Hg  (CH3)2Hg Các enzim này đòi hỏi hoặc S-ađenosylmethionin hoặc dẫn xuất vitamin B12 như là chất cho metyl cộng vào thuỷ ngân, các kim loại như chì, thiếc và tali cũng như các metaloit như asen, selen, telua và lưu huuỳnh, và cả các kim loại không hoạt động như vàng, bạch kim. 3.2.5. Glutathion S-transferaza (GST) và sự hình thành axit mecapturic Axit mecapturic, chất liên hợp N-axetylxistein của chất lạ được biết từ lâu đầu thế kỉ 20 và được làm sáng rõ trong nửa sau thế kỉ 20. Phản ứng khởi đầu là liên hợp của chất ngoại sinh có các nhóm thế electrophin với glutathion, phản ứng được xúc tác bởi một trong số các dạng khác khác nhau của GST. Phản ứng này xảy ra tiếp theo nhờ sự vận chuyển glutamat bởi - glutamyltranspeptiđaza, bởi sự mất glixin qua xisteinyl glixinaza và cuối cùng bằng axetyl hoá nhóm amin xistein. Toàn bộ trình tự, đặc biệt là phản ứng khởi đầu đặc biệt quan trọng trong độc học vì nhờ sự loại bỏ các electrophin hoạt động, các nhóm nucleophin sinh tử trong các chất cao phân tử như protein và axit nucleic được bảo vệ. Các axit mecapturic tạo ra được bài tiết trong mật hoặc trong nước tiểu. 94
RX + HSCH2 CHCONHCH2COOH NHCOCH2CH2CH(NH2)COOH glutathion S-transferaza RSCH2CHCONHCH2COOH NHCOCH2CH2CH(NH2)COOH -glutamyltranspeptiđaza RSCH2CHCONHCH2COOH + glutamat NH2 xisteinyl glixinaza RSCH2CH(NH2)COOH + glixin N-axetyltransferaza RSCH2CHCOOH NHCOCH3 Axit mecapturic Các GST, họ enzim xúc tác cho giai đoạn khởi đầu được phân bố rất rộng và được tìm thấy trong hầu hết các nhóm cơ thể sống chủ yếu. Chúng có trong phân đoạn tan của gan động vật cũng như các vi thể, tất cả các dạng thể hiện tính đặc trưng cao đồi với glutathion, nhưng không đặc trưng đối với các cơ chất ngoại sinh, mặc dù tốc độ tương đối đối với các cơ chất khác nhau có thể rất lớn từ dạng này đến dạng kia. Các loại phản ứng được xúc tác bao gồm các enzim sau: ankyltransferaza, aryltransferaza, arankyl- transferaza, ankentransferaza và epoxittransferaza. Ví dụ : Cl SG NO2 NO2 + GSH + HCl NO2 NO2 1-Clo-2,4-®initrobenzen CH2Cl CH2SG + GSH + HCl Clometylbenzen CHCOOC2H5 CH2COOC2H5 + GSH CHCOOC2H5 GSCHCOOC2H5 Đietylmaleat 95
SG OCH2CHCH2 OCH2CHCH2 O OH + GSH NO2 1,2-Epoxi-3-(p-nitrophenoxi)propan CH2OSO3H CH2SG + GSH + H2SO4 1-Naphtalen metylsunfat Các dạng nhiều và khác nhau của SGT có trong gan của nhiều động vật cũng như trong côn trùng. Hầu hết các GST là các protein đime tan, có M = 45.000  50.000 Đanton. Có ít nhất hai glutathion transferaza được liên kết với màng, một trong số đó tham gia vào sự trao đổi chất của chất ngoại sinh và được kí hiệu là GST vi thể. Các GST tế bào được chia thành sáu họ: , k (kappa),  (mu), ,  và  (theta). Hệ thống tên gọi mới lấy tên GST và sử dụng các tiếp đầu ngữ roman nhỏ để chỉ loài (m cho chuột), (h cho người), v.v và tiếp vĩ ngữ roman lớn để chỉ họ (A cho , K cho k, v.v ). Những nhóm phụ sử dụng chữ só Ả rập để chỉ dẫn, với hai nhóm phụ thì dùng dấu ngang giữa các con số. Thí dụ: hGSTM1-2 chỉ một heterođime của họ người mu có các nhóm phụ một và hai. Sự liên hợp glutathion làm tăng mạnh tính tan của sản phẩm trao đổi chất so với chất mẹ. Các sản phẩm trao đổi chất được giải phóng khỏi tế bào nhờ hệ thống vận chuyển hoạt động enzim gồm -glutamyltranspeptiđaza, xisteinyl glixinaza và N-axetyl transferaza. -Glutamyltranspeptiđaza là glycoprotein liên kết màng được tách tinh chế từ cả gan và thận một số loài, M = 68.000  90.000 Đanton và xuất hiện gồm hai đơn vị phụ không bằng nhau; các dạng khác nhau phân biệt ở mức độ sialyl hoá. Enzim này xúc tác cho hai loại phản ứng: Thuỷ phân -Glu-R + H2O  Glu + HR Sự chuyển peptit + chất nhận  -Glu-chất nhận + HR -Glu-R + -Glu-R  -Glu--Glu-R + HR Các aminopeptiđaza xúc tác cho sự thuỷ phân xisteinyl peptit. Các aminopeptiđaza liên kết màng là glycoprotein có M 100.000 Đanton. Chúng thể hiện là protein kim loại, 96
một trong số này được biết rõ nhất là enzim kẽm. Những enzim khác như leuxin aminopeptiđaza là enzim tế bào, nhưng ít nhất trong trường hợp này cũng chứa kẽm. Tính đặc trưng cơ chất của các enzim này khác nhau, nhưng nói chung tương dối không đặc thù. Biết ít hơn là các N-axetyltransferaza đảm trách sự axetyl hoá xistein thế S. Chúng được tìm thấy trong vi thể của thận và gan, tuy nhiên chúng đặc trưng đối với axetyl CoA, như là chất cho axetyl. Điều khác biệt với các N-axetyltransferaza khác bởi tính đặc thù cơ chất của nó và sự khu trú ở dưới tế bào. -lyaza liên kết xistein Enzim này sử dụng chất liên kết xistein làm cơ chất, giải phóng ra thiol của chất ngoại sinh, axit piruvic, amoniac, với sự metyl hoá tiếp tục cho dẫn xuất metylthio. Enzim tách từ phân đoạn tế bào của gan chuột là pyriđoxal photphat cần đến protein khoảng 175.000 Đanton. Chất liên hợp xistein của các hợp chất thơm là những cơ chất tốt nhất, và nó cần thiết đối với các nhóm cacboxyl và amino xistein để không bị thay thế đối với hoạt độ của enzim. 3.2.6. Axyl hoá Các phản ứng axyl hoá có hai loại chung, loại thứ nhất gồm một tác nhân liên hợp được hoạt hoá, coenzim A (CoA), và loại thứ hai gồm sự hoạt hoá của hợp chất lạ và sự axyl hoá tiếp theo của axit amin.Loại liên hợp này nói chung được thực hiện bởi các axit cacboxylic ngoại sinh và các amit, và mặc dù các sản phẩm ít tan trong nước hơn, nhưng chúng thường ít độc hơn. – Axetyl hoá : O H N + CoA CH CHN 2 NH2 3 NH2 Benzi®in COOH COSCoA + ATP + CoASH + PPi + AMP Sự liên hợp axit amin COSCoA CONHCH2COOH + H2NCH2COOH + CoASH Glixin Axit hippuric 97
Sự axetyl hoá. Các dẫn xuất axetyl của amin lạ được axetyl hoá bởi N-axetyltrans- feraza, chất cho axetyl là CoA. Enzim này là enzim tế bào, có ở trong gan và nhiều cơ quan khác. Enzim này tồn tại ở nhiều dạng. Mặc dù các hợp chất amino, hiđroxi và thiol nội sinh được axetyl hoá trong cơ thể, sự axetyl hoá các nhóm hiđroxi và thiol ngoại sinh vẫn chưa được rõ. Sự axetyl hoá các hợp chất lạ bị ảnh hưởng bởi cả hai sự sinh trưởng và di truyền. Các động vật mới sinh nói chung có mức độ transferaza thấp, mà ở đây là do những gen khác nhau tham gia, các tác nhân axetyl hoá chậm và nhanh được tìm thấy cả ở các quần thể chuột và người. N,O-Axyltransferaza. Các N-axyltransferaza được xác định tham gia vào sự gây ung thư của các arylamin. Các hợp chất này đầu tiên bị N-oxi hoá (trong một số loài có khả năng là sự N-axetyl hoá của chúng), sau đó được axetyl hoá thành axit arylhiđro- xamic. Axyl- Ar'NH2 ArNCOCH ArNH + CH CO enzim Ar'NHCOCH 3 transferaza 3 3 OH OH + [ArNHOCOCH3] [ArNH ] ph¶n øng víi c¸c nucleophin tÕ bµo Nhóm N-axyl của axit hiđroxamic đầu tiên được tách khơi và sau đó được chuyển, hoặc đến amin thành amit bền hoặc đến oxi của hiđroxilamin thành N-axyloxiarylamin hoạt động. Các hợp chất này có hoạt tính cao trong sự tạo sản phẩm kết hợp với cả protein và axit nucleic. 3.2.7. Sự liên hợp axit amin. Ở loại phản ứng axyl hoá thứ hai, các axit cacboxylic ngoại được hoạt hoá để tạo ra các dẫn xuất S-CoA trong phản ứng bao gồm ATP và CoA. Các dẫn xuất CoA này sau đó axyl hoá nhóm amin của các axit amin khác nhau. Glixin và glutamat là những axit amin chất nhận chung nhất ở động vật; ornithin ở loài bò sát và chim, và taurin ở cá. Enzim hoạt động gặp trong ti lạp thể và thuộc vào loại enzim được biết là axit ATP-phụ thuộc: CoA ligaza (AMP) nhưng cũng được biết là axyl CoA synthetaza và enzim hoạt hoá axit. Nó xuất hiện như một axyl CoA synthetaza axit béo mạch dài trung gian. Hai axyl-CoA: N-axyltransferaza axit amin được tinh chế từ ti lạp thể gan gia súc, khỉ và người. Một trong số đó là benzentransferaza CoA, sử dụng benzyl CoA, isovaleryl 98
CoA và tiglyl CoA, nhưng không phải phenylaxetyl CoA, malonyl CoA, hoặc inđolaxetyl CoA. Một N-axetyl transferaza axit amin khác là phenylaxetyl transferaza, sử dụng phenyl axetyl CoA và inđolaxetyl CoA, nhưng không hoạt hoá đối với benzoyl CoA. Nó không đặc thù đối với glixin; cả hai sử dụng asparagin và glutamin nhưng với tốc độ chậm hơn so với glixin. Các axit mật cũng được liên hợp bởi chuỗi các phản ứng tương tự bao gồm axit mật vi thể: CoA ligaza và N-axyltransferaza axit mật tan. Enzim sau đã được tinh chế rộng rãi và khác nhau ở các axit amin chất nhận, trong số đó taurin là chung nhất. Đeaxyl hoá. Đeaxyl hoá xảy ra ở nhiều loài, nhưng có sự khác nhau lớn giữa các loài. Vì sự axetyl hoá và đeaxyl hoá được xúc tác bởi những enzim khác nhau. Mức độ axetyl và đeaxetyl hoá ở các loài khác nhau thay đổi khác nhau. Chuột có hoạt độ axetyl transferaza cao và đeaxetylaza thấp, lượng amin axetyl hoá bài tiết nhiều; trong khi đó đối với chó thì ngược lại. Cơ chất điển hình đối với đeaxetyl thơm của gan và thận là axetanilit, chất này đeaxetyl hoá cho anilin. 3.2.8. Sự liên hợp photpho. Sự photpho hoá các chất ngoại sinh không đóng góp nhiều vào phản ứng liên hợp, côn trùng là nhóm động vật chủ yếu có phản ứng này. Enzim ruột gián sử dụng ATP, đòi hỏi Mg+, là hoạt động trong phản ứng photpho hoá 1-naphtol và p-nitrophenol. 99
Chương 4 ĐỘC HỌC VÀ SINH HOÁ CỦA CÁC HỢP CHẤT VÔ CƠ 4.1. Các khí độc, xianua, nitrat, nitrit và flo. 4.1.1. Cacbon monoxit (CO): Các nguồn cacbon monoxit được mô tả ở mục 1.8.1. Khí quyển toàn cầu chứa khoảng 530 triệu tấn cacbon monoxit với thời gian lưu trung bình từ 36 đến 110 ngày. Cacbon monoxit kết hợp dễ dàng với hemoglobin (Hb) tạo ra cacboxihemoglobin (COHb): O2Hb + CO COHb +O2 Phản ứng này có hằng số cân bằng khoảng 210 (nghĩa là ái lực của hemoglobin đối với CO khoảng 210 lần mạnh hơn ái lực của nó với oxi). Cacboxihemoglobin là phức bền do vậy mà kết quả là làm giảm khả năng tải O2 của máu. Nồng độ bình thường của cacboxihemoglobin trong máu người không hút thuốc khoảng 0.5% do sự nội sinh CO từ sự dị hóa của máu. Sự hấp thụ CO ngoại sinh làm tăng COHb như là hàm số của nồng độ CO trong không khí cũng như độ dài phơi nhiễm và tốc độ thông hơi của cá nhân. Chẳng hạn sự nhiễm liên tục của người ở nồng độ 30ppm CO, giá trị cân bằng đạt được là 5% COHb sau tám giờ. Tác dụng ban đầu của sự nhiễm độc cacbon monoxit là sự mất khả năng xét đoán. Điều này là một trong những nguyên nhân gây ra nhiều tai nạn ô tô. Cùng với sự tăng nồng độ cacbon monoxit thì những rối loạn về trao đổi chất khác nhau cũng diễn ra và hậu quả, mà trước tiên là chứng ngạt, dẫn đến cái chết, như được chỉ ra ở bảng 4.1. Bảng 4.1. Hậu quả của sự nhiễm độc CO ở các mức nồng độ khác nhau. Nồng độ CO, % chuyển hóa Ảnh hưởng đối với người ppm O2Hb→ COHb < 2 Không ảnh hưởng 10 2 Làm giảm phán đoán 45 5 Các ảnh hưởng tim mạch 100 15 Đau đầu, chóng mặt, mệt mỏi, thở khó khăn 250 32 Bất tỉnh 750 60 Chết sau vài giờ 1000 66 Chết rất nhanh 100
Sự nhiễm độc CO ở nồng độ thấp trong một thời gian dài có khả năng làm cho tim và sự rối loạn hô hấp thêm trầm trọng. Người bị nhiễm độc CO có thể cứu chữa bằng cho thở oxi hoặc đưa ra chỗ thoáng khí có oxi trong lành nhờ phản ứng nghịch xảy ra mạnh hơn. 4.1.2. Lưu huỳnh đioxit Lưu huỳnh đioxit là một khí kích thích tan trong nước. Nó được hấp thụ chủ yếu theo dòng không khí thở và kích thích sự co thắt phế quản và sự chế tiết của màng nhày. Hầu hết mọi người bị kích thích ở nồng độ SO2 là 5ppm và cao hơn. Một số người nhạy cảm thậm chí còn bị kích thích ở nồng độ 1-2 ppm. Ở trong đường hô hấp SO2 dễ dàng kết hợp với nước tạo thành axit sunfurơ gây độc. Những nghiên cứu chỉ ra rằng với những nồng độ nhiễm tương đối cao của SO2 sẽ gây tổn thương tế bào đường hô hấp và làm tăng sinh các tế bào hình đôi của màng tiết nhày. SO2 được xem như chất làm ô nhiễm không khí đáng kể nhất, mặc dù trên thực tế sự nhiễm cấp ở nồng độ 20ppm không gây độc hại và nồng độ gây chết người chỉ tại 500 ppm. Ảnh hưởng độc của SO2 được tăng cường khi nó được kèm theo với khói bụi. Sự kết hợp này xảy ra trong thời gian có sương mù dày đặc kéo dài. Nhiều thảm họa gây chết người đã xẩy ra ngay cả khi nồng độ SO2 thấp. Chẳng hạn, năm 1952 tại London Anh, sương mù dày đặc kéo dài 5 ngày liên tục và gây ra 4000 trường hợp tử vong (nồng 3 độ cực đại của SO2 là 1,3 ppm và khói bụi là 4 mg/m ). Nguyên nhân có thể do trong các hạt khói bụi có chứa các kim loại (sắt, mangan, vanađi) xúc tác cho quá trình chuyển hoá SO2 thành SO3 tạo ra axit sunfuric có tính độc cao hơn nhiều so với SO2 (bảng 4.2). Bảng 4.2. So sánh tính độc của SO2 và H2SO4 (nhiễm cấp) Thực nghiệm và ảnh hưởng SO2 H2SO4 µmol µmol Chuột lang: 1 giờ, gây tăng sự kháng trở luồng không khí 10% 6 1 Lừa, ngựa: 30 phút, khoảng trống phế quản bị thay đổi 8875 2 Các đối tượng thông thường : 7 phút, khoảng trống phế quản bị 520 1 thay đổi Các đối tượng thông thường: 10 phút,thể tích đạt đỉnh giảm 5% 29 1,25 Các bệnh nhân hen trẻ: 40 phút, sự kháng trở luồng không khí 20 1 tăng như nhau Tác dụng của SO2 lên giới thực vật ở nồng độ cao gây ra sự phá hủy các mô lá, làm hư hại vùng rìa của lá và vùng nằm giữa các gân lá. Khi độ ẩm tương đối tăng lên, 101
tác hại đối với thực vật cũng tăng lên. Ảnh hưởng của khí quyển SO2 ở nồng độ thấp nhưng lâu dài nguy hiểm đối với cây trồng hơn là ở nồng độ cao nhưng trong thời gian ngắn. SO2 còn gây ra mưa axit gây hại cho cây trồng và môi trường. 4.1.3. Các nitơ oxit Nitơ monoxit ít độc hơn so với nito đioxit. Giống như CO, NO tạo liên kết với hemoglobin và làm giảm hiệu suất vận chuyển oxi của máu. Ở trong không khí bị ô nhiễm thì NO có mặt ở nồng độ thấp hơn nhiều so với CO và vì vậy ít ảnh hưởng. Nitơ đioxit gây độc hại hơn đối với sức khỏe con người. Nó là chất kích thích phổi mạnh và có thể dẫn đến phù nề phổi (tràn dịch phổi) và chảy máu. Hậu quả của nhiễm độc NO2 ở các mức nồng độ khác nhau được trình bày ở bảng 4.3. Bảng 4.3. Hậu quả của sự nhiễm độc NO2 ở các mức nồng độ khác nhau đối với sức khỏe con người. Nồng độ NO2, ppm Thời gian nhiễm Hậu quả đến sức khỏe con người 50-100 Dưới 1 giờ Viêm phổi 6  8 tuần 150-200 Dưới 1 giờ Phá hủy khí quản, sẽ chết nếu thời gian nhiễm là 3  5 tuần 500 hoặc lớn hơn 2-10 giờ Chết Cơ chế sinh hóa giải thích tính độc của NO2 vẫn chưa rõ ràng. Có thể một số hệ enzim của tế bào dễ dàng bị phá hủy bởi NO2 , bao gồm sự đehidro hóa lactic và catalaza. NO2 còn đóng góp vào gây mưa axit. Vào cuối những năm 1980 thế kỉ trước sự phát thải toàn cầu được xác định vào khoảng 180 triệu tấn mét khối SO2 và khoảng 75 triệu tấn mét khối NOx. Nhiều trận mưa axit ở châu Âu và châu Mỹ trải rộng hàng chục nghìn kilomet vuông với sự hạ thấp pH 4,5  5,5 gây hại cho các hệ sinh thái dưới nước và trên cạn. 4.1.4. Ozon Ozon là chất khí oxi hóa và gây viêm mạnh (tương tự khí NO2 nhưng mạnh hơn), được hình thành bởi tác dụng của ánh sáng tử ngoại lên nitơ đioxit trong khói ở tầng đối lưu (ozon xấu; ozon tầng bình lưu nằm cách bề mặt trái đất khoảng 30 dặm là ozon tốt, có nhiệm vụ lọc tia cực tím tới trái đất). NO2 + U V  NO + O O + O2  O3 102
O3 + NO  NO2 Ngoài ra, trong không khí có chứa hiđrocacbon dưới tác dụng của O3, NO2 tạo ra peroxiaxetyl nitrat (CH3COOONO2, PAN) cũng có tác dụng gây độc mạnh. Ozon và PAN đều gây hại đối với mắt và cơ quan hô hấp của con người (gây tắc nghẽn, phù nề và xung huyết phổi). Không khí chứa 50ppm O3 sẽ gây chết trong vài giờ do tràn dịch phổi. Ở những nồng độ thấp hơn, O3 gây ra sự tích lũy chất lỏng trong phổi và phá hủy các mao quản của phổi (chưa tới mức chết). Cơ chế gây độc làm tổn thương tế bào của O3 đã được nghiên cứu. Vì O3 là chất oxi hóa mạnh có khả năng nhận các electron từ những phần tử khác. Bề mặt lót dịch nhày của đường hô hấp và các màng tế bào nằm dưới lớp này có chứa một lượng đáng kể các axit béo đa chưa no hoặc ở dạng tự do hoặc là một phần của cấu trúc lipoprotein của tế bào. Các nối đôi trong các axit này bị O3 tấn công dễ dàng tạo ra các ozonit, các ozonit tiến triển qua ion lưỡng cực kém bền hoặc trioxolan (tùy thuộc vào sự có mặt của nước ), và cuối cùng tổ hợp lại hoặc phân hủy thành lipohiđroperoxit, anđehit và hiđroperoxit (hình 4.1.). Sự hình thành nhiều chất oxi hóa mới và sự bẻ gẫy mạch cacbon là nguyên nhân dẫn đến sự phá hủy màng tế bào và ngay cả các tế bào. Axit bÐo ®a Ozon trioxolan Cacbonyl oxit An®ehit ch•a no O RCH=CH O3 O O RCH=O-O + RCH=O RCH CH H O 2 H2O O O OH RCH CH RCH RCH=O + H2O2 O OOH Ozonit Giegee Hiđroxi hiđroperoxit Anđehit Hiđroperoxit Hình 4.1.Các con đường phản ứng chính của O3 với các lipit trong lớp lót dịch nhày và màng tế bào phổi. Ngoài phản ứng với các lipit, O3 và PAN (chủ yếu là sự phát sinh các gốc tự do) phản ứng với các nhóm sunfiđrin (-SH) trên enzim (oxi hóa và axetyl hóa). Trong số các axit amin thì xistein bị PAN tấn công mạnh. Các enzim bị làm tê liệt (mất hoạt tính) bởi các tác nhân oxi hóa quang hóa bao gồm isoxitric đehiđrogenaza, malic đehiđrogenaza và glucozơ-6-photphat đehiđrogenaza (các enzim tham gia vào chu trình axit xitric sinh năng lượng). 103
Các tác nhân oxi hóa này cũng ngăn cản hoạt tính của các enzim tổng hợp xenlulozơ và chất béo trong thực vật. Các cây trồng nông nhiệp khá nhạy cảm với tác động của O3. Sự tổn thương cấp khi cho nhiễm 2 đến 3 giờ ở nồng độ 50-60 ppb O3, năng suất của khoai tây, đậu tương, ngũ cốc, cà chua bị giảm tới 12%. Nồng độ tối đa cho phép trong không khí xung quanh trung bình 24 giờ của CO, 3 NO2 , SO2, O3 tương ứng là 5; 0,1; 0,3; 0,06 (mg/m ) theo TCVN. 4.1.5. Xianua Xianua thâm nhập vào môi trường từ nhiều nguồn. HCN được sử dụng như là tác nhân sát trùng để tiêu diệt sinh vật gặm nhấm trong thùng, kho chứa ngũ cốc, nhà ở và hầm tầu. Xianua được sử dụng trong các tổng hợp khác nhau, trong mạ điện và công nghiệp làm sạch kim loại. Xianua (xianogen) có ở trong nhân hạt của một số loài quả như táo, anh đào, đào, mơ, mận, đặc biệt là nhân hạt quả hạnh đào đắng. Xian trong thực vật được liên kết với gốc đường và được gọi là amygđalin. Trong dạ dày, amygđalin bị thủy phân bởi axit hoặc enzim giải phóng ra axit hiđroxianic gây độc: O C6H10O4 O C6H11O5 N C CH + 2 H2O HCN + 2 C6H10O6 + C6H5CHO C6H 5 Xianua ức chế sự hô hấp tế bào (giống như CO) ở giai đoạn cuối của chuỗi hô hấp (giai đoạn chuyển electron từ xitocrom oxiđaza tới oxi) (xem hình 4.2). Sự ức chế này liên quan đến sự oxi hóa photpho hóa (sự tổng hợp ATP). Ở bước đầu tiên xianua kết hợp với ferixitocrom oxiđaza hoặc methemoglobin (hemoglobin dạng bị oxi hóa hoặc sắt ba), dưới đây gọi tắt là Fe(III)–oxit. Chất này bị khử thành feroxitocrom oxiđaza (dưới đây gọi là Fe(II) – oxit) bởi glucozơ. Fe(II)-oxit nhường điện tử cho oxi (bước 2) và sản phẩm là năng lượng: Bước 1: Fe (III)-oxit + glucozơ  Fe (II)-oxit + Bước 2: Fe (II)-oxit + ½ O2 + 2H  Fe (III)-oxit + H2O ATP ↑ ADP + Pi (photphat vô cơ ) Xianua can thiệp vào bước 1 bằng cách tạo liên kết với Fe(III)-oxit, cản trở bước 2, nghĩa là sự oxi hóa photpho hóa bị ngăn cản. 104
Sự ức chế hô hấp hiếu khí của xianua gây ra sự giảm oxi huyết dẫn đến các dấu hiệu sớm nhất của sự mất chức năng ở cơ tim và các tế bào thần kinh. Sự phá hủy hệ thần kinh dưới những điều kiện này là sự kết hợp các ảnh hưởng độc trực tiếp trên tế bào thần kinh và sự phá hủy thứ hai (thứ sinh) từ sự giảm oxi huyết hệ thống tuần hoàn. Sự nhiễm cấp xianua gây tổn thương chất trắng và các cấu trúc trong hệ thống thần kinh trung ương; các tế bào thần kinh ở những vùng riêng biệt của các hạch gốc và đồi hải mã, một số lớp vỏ đại não. Sự giải độc xianua trong cơ thể nhờ tác dụng của rođanaza (một enzim ti lạp thể) , enzim này chuyển hóa xianua thành chất trao đổi ít độc hơn là thioxianat. Phản ứng bao gồm sự chuyển hóa lưu huỳnh từ thiosunfat (hoặc một chất cho lưu huỳnh nào khác) như sau: 2 2 CN + S2O3  SCN + SO3 Xianua cũng có thể được khử độc bằng sự liên kết vào methemoglobin Dựa vào cơ chế sinh hóa giải độc trên người ta có thể khắc phục sự nhiễm độc xianua bằng sử dụng các chất giải độc natri nitrit (tiêm vào máu) hoặc amylnitrit (C5H11NO2 ) (ngửi). Các phản ứng lần lượt như sau: a) NO2 oxi hóa hemoglobin HbFe(II) thành methemoglobin HbFe (III), chất này không có khả năng liên kết và vạn chuyển oxi tới các mô (cơ chế của phản ứng chưa rõ): NO HbFe(II) 2 HbFe(III) Phản ứng này giải thích tác dụng gây độc của , nó gây nên sự thiếu oxi. b) Methemoglobin HbFe (III) cạnh tranh với ferixitocrom oxiđaza (Fe (III)-oxit) đối với xianua và nhờ vậy giải phóng xianua ra khỏi phức Fe(III)-oxit-CN: HbFe(III) + Fe(III)-oxit-CN  HbFe(III)-CN + Fe(III)-oxit c) Sự xử lý tiếp loại bỏ được xianua nhờ chất xúc tác của enzim rođanaza như đã nói ở trên: HbFe(III)-CN +  SCN + Nồng độ giới hạn cho phép của xianua trong nước mặt (có thể xử lý dùng làm nước sinh hoạt) và nước ngầm theo TCVN là 0,01 mg/L 105
Cơ chế ức chế hô hấp của tế bào Sự hô hấp tế bào là quá trình năng lượng ở mọi nơi, trong dạng ATP, được sinh ra trong tế bào khi oxi phân tử được cung cấp. Quá trình này xảy ra dọc theo các tổ hợp hô hấp được định vị trong màng ti lạp thể bên trong. Các electron bắt nguồn từ NADH hoặc NADH2 được truyền dọc theo mạch của các protein mang electron. Sự vận chuyển bước theo bước này dẫn đến sự bơm proton ra khỏi khuôn ti lạp thể, tạo ra một thế màng qua màng ti lạp thể bên trong. Các proton được bơm khỏi khuôn ti lạp tại ba vị trí dọc theo mạch hô hấp (hình 4.2). Ví trí 1 gồm phức NADH–Q ređuctaza, vị trí 2 gồm phức QH2- xitocrom với ređuctaza, và vị trí 3 là phức xitocrom với oxiđaza. ATP được sinh ra từ ADP khi dòng proton quay trở lại ở phía bên kia thông qua phức ATP synthetaza tới khuôn ti lạp thể. Sự truyền electron đạt tới cực điểm với việc khử oxi phân tử đến nước. P VỊ TRÍ 1 P P P Độc chất: e roteron e VỊ TRÍ 2 P Độc chất: P P actimyxin e P VỊ TRÍ 3 e Độc chất: P 4H+O2 xianua P P 2H2O P P ADP+P ATP P ATP synthetaza P Hình 4.2. Electron ( e ) vận chuyển dọc theo ti lạp thể bên trong gây ra sự bơm proton (P) khỏi khuôn ti lạp thể.Các proton được thông vận trở lại khuôn qua phức ATP synthetara, ở đây ATP được tạo ra. Nhiều hoá chất có thể cản trở sự hô hấp tế bào bằng liên kết vào các xitocrom mà các xitocrom này cấu trúc lên mạch vận chuyển electron và ức chế dòng các electron dọc theo phức protein này. Thuốc trừ sâu rotenon đặc biệt ức chế sự vận chuyển electron ở lúc đầu trong mạch cùng với sự ức chế sự vận chuyển proton bắt đầu ở vị trí 1. Actimyxin A ức chế sự truyền electron và bơm proton ở vị trí 2. Xianua, hiđrosunfua và 106
azit ức chế dòng electron giữa phức xitocrom oxiđaza và O2 cản trở sự sinh građien proton ở vị trí 3. Các triệu trứng độc từ sự ức chế chuỗi hô hấp bao gồm sự tiết nước bọt quá mức, chóng mặt, đau đầu, run rẩy, khó thở và mất nhận thức. Các chất ức chế mạnh như xianua có thể gây chết do ngừng hô hấp đột ngột sau khi nhiễm độc. Một số hoá chất không cản trở sự vận chuyển electron dẫn đến sự tiêu thụ oxi phân tử mà cản trở sự chuyển ADP thành ATP. Những chất không tạo cặp này của sự photpho hoá oxi hoá hoạt động bởi sự rò rỉ các proton qua màng bên trong quay trở lại khuôn ti lạp thể. Kết quả là thế màng không sinh ra, và năng lượng đòi hỏi để photpho hoá ADP thành ATP bị mất. Sự không tạo cặp của sự photpho hoá oxi hoá gây ra sự vận chuyển electron tăng, sự tiêu thụ oxi tăng và sinh nhiệt. Sự không tạo cặp kiểm soát được của sự photpho hoá oxi hoá là biện pháp sinh lí thích hợp để duy trì thân nhiệt của động vật ngủ đông, một số động vật mới sinh và trong một số động vật sống ở môi trường lạnh. Các hoá chất được biết gây ra sự không tạo cặp photpho hoá oxi hoá bao gồm 2,4- đinitrophenol, pentaclophenol, và đicumarol. Các triệu chứng nhiễm độc bao gồm sự hô hấp và nhịp mạch tăng, da bừng đỏ, nhiệt độ tăng, đổ mồ hôi, nôn mửa, hôn mê và chết. 4.1.6. Nitrat và nitrit Nguồn nitrat và nitrit tồn lưu trong môi trường chủ yếu từ phân bón (NH4NO3) và từ các quá trình oxi hóa xúc tác vi sinh các dạng khử của nito (NH3, NH4 , ure) từ công nghiệp hoá chất liên quan và mưa axit. Nitrat và nitrit cũng có trong nhiều loại thực phẩm (dưới dạng dư lượng hoặc phụ gia ). Ảnh hưởng độc của nitrat chủ yếu là gây chứng bệnh methemoglobin (sự oxi hóa sắt hai của máu thành trạng thái sắt ba). Methemoglobin không có khả năng liên kết và vận chuyển oxi đến các tế bào. Các biểu hiện lâm sàng tăng lên nghiêm trọng khi mức methemoglobin ở trong máu là 20% - 30%, còn mức methemoglobin trên 70% thường chết. Nitrat còn gây độc đối với tim (làm giãn động mạch vành ). Nguồn nitrit, ngoài các hóa chất sử dụng, còn được tạo ra nhờ vi khuẩn, ví dụ ở trong các chai sữa không tiệt trùng hoặc trong dạ dày trẻ nhỏ, khử một số nitrat thành nitrit: + NO3 + 2H + 2e  NO2 + H2O Nitrit ngoài những ảnh hưởng có hại giống như của nitrat, gây chứng bệnh methemoglobin và gây giãn động mạch vành, nó còn là tác nhân gián tiếp gây ung thư dạ dày. Nitrit phản ứng với các amin tạo ra N-nitrosamin 107
+ NO2 + H HNO2 R2NH + HONO  R2N N=O + H2O N-nitrosamin N-nitrosamin được biết là chất gây ung thư động vật. Nitrosamin không chỉ tạo ra ở trong dạ dày, mà còn hiển diện trong thực phẩm và đồ uống (thịt, thịt rán, cá, pho mát, bia), trong khói thuốc lá cũng như nước uống. Nitrosamin được nghiên cứu kỹ nhất là N- nitrosođimetylamin (NDMA): H2C N H O H2C NDMA được sinh ra từ phản ứng của nitrit và đimetylamin là một chất quan trọng sử dụng trong sản xuất xà phòng và cao su. Nó tan tương đối trong nước (khoảng 4 gam trong 1 lít) và trong các dung môi hữu cơ. Nó có khả năng gây ung thư cho người do sự chuyển các nhóm metyl (CH3) đến nguyên tử nitơ hoặc oxi của bazơ ADN làm thay đổi mã cấu trúc đối với việc tổng hợp protein trong tế bào. Nồng độ giới hạn cho phép của nitrat và nitrit trong nước mặt (có thể xử lý dùng làm nước sinh hoạt) theo TCVN là 10 mg/L và 0,01 mg/l (tính theo N), và của nitrat trong nước ngầm là 45mg/L . Sự gây ung thư: Sự gây ung thư có thể do sự làm tổn hại ADN hoặc do sự phát sinh đột biến. Sự làm tổn hại ADN: Nguồn gốc của hầu hết các ung thư hoặc vật mới sinh khác thường (khối u) là do sự hư hại trong phân tử ADN dẫn đến sự phiên mã sai các tín hiệu di truyền điều hòa sự phát triển bình thường các mô dinh dưỡng. Nếu thông tin di truyền bị pha trộn lẫn lộn được truyền vào mô mầm, thì các nhiễm sắc thể có thể bị hủy hoại và sự phát triển bình thường của hậu bối (con) sẽ bị hư hại. Phân tử ADN có chứa hai bazơ pirimidin (xitosin và thimin) và hai bazơ purin (guanin và ađenin) kết hợp với monosaccarit 2-đeoxi-β-ribofuranozơ và photphat tạo ra nucleotit. Mỗi nucleotit bazơ xitosin ở trên một sợi ADN được cặp đôi với một nucleotit bazơ guanin ở trên sợi đói; mỗi nucleotit bazơ thimin được cặp đôi với nucleotit bazơ ađenin. ARN có cấu trúc tương tự trừ một sự khác biệt là uraxin thay chỗ cho thimin và thành phần monosaccarit là β-D-ribofuranozơ. Cấu tạo của các bazơ purin và pirimiđin chung và các bazơ riêng được chỉ ra ở hình 4.3. 108
6 7 4 NH2 NH2 1 5 3 N 5 N N 8 N N N 2 2 6 4 N9 N N N N O N 3 1 H H H Purin Pirimiđin Ađenin Xitosin O O 7 O CH HN 3 HN N HN 8 O 2 N O N H N N N 2 1 H H H Thimin Guanin Uraxin Hình 4.3.Cấu tạo chung của purin và pirimiđin, và các bazơ thành phần của ADN, ARN Sự hư hại của ADN gây ra bởi các hóa chất hoặc các tác nhân khác (tia tử ngoại, tia phóng xạ) rất đa dạng. Sự hư hại do hóa chất gây ra thường từ sự tạo các liên kết cộng hóa trị (các sản phẩm cộng) giữa chất gây ung thư và một trong số các bazơ. Các vị trí tác động rất khác nhau tùy thuộc vào chất gây ung thư tham gia, và vào những gì ảnh hưởng đến kiểu và tính nghiêm trọng của sự hư hại tạo ra. CH3 CH 3 + N N O N N O N + CH O + CH3 2 2 CH 3 CH2OH O CH3 N+ HN N N H2N O CH2 P H H H H H O P Hình 4.4. Sự ankyl hóa ở vị trí N-7 của guanin bởi đimetylnitrosamin Do bản chất nucleophin (giầu electron) của vị trí N-7 của guanin, vị trí này là chỗ tương đối xung yếu và dễ bị tấn công bởi các tác nhân ankyl hóa như đimetylnitrosamin (hình 4.4). Các epoxit của aflatoxin và benzo [a] piren (chính xác là (+)-benzo [a] piren- 7,8-điol-9,10-epoxit-2) lại tạo liên kết cộng hóa trị với N ngoài vòng (N-2) của guanin, còn axetylaminofluoren được hoạt hóa lại tạo liên kết cộng hóa trị ở vị trí C-8 của guanin. Một số hợp chất vòng phẳng như acriflavin và 9-aminoacriđin nằm kẹp giữa các bazơ của 109
ADN không tạo liên kết cộng hóa trị (gọi là quá trình xen kẽ) có thể gây ra sự xoắn phân tử ADN dẫn đến cản trở sự sao chép và phiên mã. 4.1.7. Flo (F) Flo là nguyên tố halogen thể khí không kim loại nhẹ nhất và hoạt động nhất của nhóm VII bảng tuần hoàn, số nguyên tử 9, nguyên tử khối 18,99840, hoá trị 1, không có các đồng vị bền khác, là nguyên tố âm điện nhất và là tác nhân oxi hoá mạnh nhất được o o biết. Chất khí hai nguyên tử màu vàng nhạt, mùi hăng xốc, ts –188 C, tđđ –219 C, d (khí) 1,695 (không khí = 1). Phản ứng mãnh liệt với hầu hết các chất có khả năng oxi hoá được ở nhiệt độ phòng, thường với sự đánh lửa, tạo florua với tất cả các nguyên tố, trừ heli, neon và acgon. Sự xuất hiện, nguồn và tính chất của flo. Trong tự nhiên flo gặp chủ yếu ở dạng ion florua hoá trị một, là thành phần của các khoáng như floapatit [(Ca10F2)PO4)6], crriolit (Na3AlF6) và flospar (CaF2). Nó là một thành phần chung của đất, trung bình 200 mg/Lkg trên toàn thế giới. Florua cũng có ở trong nước tự nhiên, trung bình khoảng 0,2 mg/ (Châu Âu và Bắc Mỹ), trong nước biển nồng độ florua vào khoảng 1,2 mg/L. Tính chung flo là nguyên tố có độ giàu thứ mười ba trên trái đất, chiếm 0,03% vỏ trái đất. Flo được thải vào môi trường từ nhiều nguồn khác nhau. Khí florua (phần lớn là HF) được phát ra qua hoạt động của núi lửa và bởi một số ngành công nghiệp khác nhau. Flo ở dạng khí và dạng hạt là sản phẩm phụ của sự đốt than (than chứa 10  480 mg/1 kg flo, trung bình 80 mg/kg) và được giải phóng ra trong quá trình sản xuất thép và luyện các kim loại không chứa sắt. Sự sản xuất nhôm bao gồm việc sử dụng criolit, flospar và nhôm florua thường là nguồn florua môi trường quan trọng. Các khoáng có chứa florua thường cũng là vật liệu thô cho thuỷ tinh, gốm sứ, xi măng phân bón. Chẳng hạn, sự sản xuất phân photphat bằng sự axit hoá quặng apatit với axit sunfuric giải phóng ra hiđro florua theo phương trình sau đây là một ví dụ minh hoạ: 3[Ca3(PO4)2]CaF2 + 7H2SO4  3[Ca(H2PO4)2] + 7CaSO4 + 2HF Độc tính của florua. Florua có các ảnh hưởng bệnh lí học lên cả thực vật và động vật. Thực vật: là chất gây nguồn bệnh, florua gây ra sự phá huỷ một diện rộng mùa màng. Nó chủ yếu được tập trung bởi thực vật ở dạng khí (HF) qua khí khổng của lá, hoà tan vào pha nước của các lỗ cận khí khổng và được vận chuyển ở dạng ion theo dòng thoát hơi nước đến các đỉnh lá và các mép lá. Một số đi vào các tế bào lá và tích tụ ở bên 110
trong các bào quan của tế bào. Các ảnh hưởng của florua đến thực vật rất phức tạp vì liên quan với rất nhiều phản ứng sinh hoá. Các triệu trứng thương tổn chung là sự gây vàng đỉnh và mép lá và gây cháy lá. Nó cũng làm giảm sự sinh trưởng phát triển của thực vật và sự nẩy mầm của hạt. Một trong số biểu hiện sớm ảnh hưởng phá huỷ trong thực vật của florua là sự mất clorophin, điều này liên quan đến sự phá huỷ các lục lạp, ức chế sự quang tổng hợp. Florua cũng có ảnh hưởng trực tiếp tới các enzim liên quan đến sự glico phân, hô hấp và trao đổi chất của lipit và tổng hợp protein (photphoglucomutaza, piruvat kinaza, sucxinic đehiđrogenaza, pirophotphataza, và ATPaza ti thể). Tất cả những ảnh hưởng đó đã dẫn đến sự thất thu mùa màng. Động vật: Mặc dù florua chỉ có độc tính cấp vừa phải đối với động vật và không được xem là mối đe doạ đối với động vật hoang dã, nó có thể đóng vai trò đe doạ quan trọng đối với người và gia súc dưới những điều kiện nào đó. Các florua như đã được chỉ ra đối với nguyên nhân gây phá huỷ nhiễm sắc thể và sự đột biến trong các tế bào động và thực vật, dẫn đến ảnh hưởng gây ra ung thư mạnh, mặc dù vậy, các vấn đề nghiêm trọng nhất liên quan với sự nhiễm florua còn đương được tranh cãi, những nói chung là ảnh hưởng rối loạn bộ xương. Sự ô nhiễm không khí có chứa florua có khả năng gây ra sự phá huỷ rộng lớn hơn đối với vật nuôi ở các nước công nghiệp phát triển so với bất kì các chất ô nhiễm nào khác. Các triệu chứng ảnh hưởng thấy rõ là: sự vôi hoá khác thường của xương và răng; bộ dạng cứng nhắc, thân mảnh, lông xù; giảm cho sữa, giảm cân. Bệnh nhiễm flo nghề nghiệp đã được chẩn đoán ở các công nhân làm việc ở các xí nghiệp, đặc biệt là các xí nghiệp luyện nhôm và phân bón photphat, mức nhiễm flo xương đạt tới 2.000 mg/kg. Bằng chứng về ung thư ở các cộng đồng nhiễm florua ở mức cao có sự tranh cãi. Một số vượt quá mức bình thường bị ung thư đường hô hấp ở các mỏ flospar đã được công bố ở Canađa và một số nơi (Colorado). 4.2. Kim loại nặng và các hóa chất vô cơ khác Nguồn, sự vận chuyển và tính bền vững của kim loại trong môi trường Kim loại được con người sử dụng từ lâu, đồng thời cũng là những chất độc lâu đời nhất được biết đối với con người. Khoảng 80 trong số 105 nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn được xem như là các kim loại (còn lại bán kim loại khoảng 5-6 nguyên tố và không kim loại), song chỉ khoảng 30 kim loại và bán kim loại đã được nghiên cứu tính độc đối với con người. 111
Sự ô nhiễm kim loại nặng được gây ra từ nguồn tự nhiên (đá và quặng) và nguồn con người (chủ yếu). Các nguồn ô nhiễm kim loại nặng gây ra bởi hoạt động của con người phải kể đến: Chất trừ sâu vô cơ: Các chất trừ dịch hại như asenat, canxi asenat, đồng sunfat được sử dụng để trừ nấm gây bệnh và các loại động vật chân đốt hơn một thế kỷ qua (hiện nay không còn dùng hoặc ít dùng). Tùy thuộc vào chất nền của thuốc sử dụng mà tất cả các nguyên tố này có thể đọng lại trên ruộng đồng, trong cây cỏ và trong hệ sinh thái. Do các nguyên tố này bị liên kết tạo phức bởi các chất hữu cơ trong đất (như axit humic) và bởi các bề mặt trao đổi ion khác của các hạt keo đất, chúng hiếm khi hòa tan và có khuynh hướng tích tụ lại trong đất đã được kết luận chắc chắn. Đất canh tác cũng có thể ô nhiễm thủy ngân do việc sử dụng các hợp chất cơ thủy ngân để xử lý hạt giống, kiểm soát các bệnh cây trồng do nấm. Bùn cống rãnh: Bùn cống rãnh (ao hồ) là sản phẩm phụ của sự xử lý nước thải đô thị hoặc là những chất lắng đọng rửa trôi. Bùn là thứ đất được ưa chuộng do chứa nhiều chất hữu cơ và có hàm lượng đáng kể dưỡng chất đa lượng nitơ và photpho. Nhưng trong bùn thải cũng lại chứa lượng lớn các chất độc. Nồng độ các nguyên tố độc trong nước cống ở nhiều nước công nhiệp cho thấy hàm lượng kim loại catmi, đồng, niken, crom và kẽm khá cao. Việc sử dụng bùn cống có chứa kim loại làm chất cải tạo đất có thể gây ra sự ô nhiễm đất nông nghiệp. Kèm vào đó các kim loại được đồng hóa đi vào chuỗi thức ăn gây độc cho con người . Khai thác sản xuất kim loại: Ô nhiễm kim loại nặng cũng có nguồn gốc từ sản xuất công nghiệp. Trong sự khai thác mỏ, quặng được nghiền, sàng, tuyển thành một sản phẩm giầu kim loại, đồng thời cũng tạo ra một lượng lớn chất thải. Các chất được thải ra dưới dạng bùn chảy xuống các đầm, hồ. Quặng sau đó được đưa đến các lò nấu luyện để tách kim loại. Chất thải lò ngoài các khí độc hại là chất thải nóng chảy gọi là xỉ thường được chất đống ở bãi thải hoặc phân tán vào đất. Thành phần từ các lò luyện chảy khi được luyện tinh lại tạo ra nguồn thải thứ hai. Các kim loại đã được luyện tinh được dùng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau (chế tạo hợp kim, sản xuất hóa chất, ) tạo ra những nguồn ô nhiễm mới. Người ta thấy rằng ở các lò nấu kim loại môi trường xung quanh thường bị ô nhiễm nặng. Chẳng hạn, đất ở xung quanh lò nấu kẽm ở khoảng cách 0,3 km hàm lượng kẽm chiếm tới 1,6-2% trong đất hữu cơ bề mặt. Sự ô nhiễm đồng cũng tương tự. Các nguồn ô nhiễm kim loại nặng khác: Sự đốt các nhiên liệu hóa thạch than, dầu, khí thiên nhiên sử dụng trong công nghiệp và đời sống (điện, vật liệu xây dựng, giao thông, đun nấu ) cũng tạo ra một nguồn kim loại lớn như Hg, As, Cd, Pb, Cr, Ni và các 112
nguyên tố kim loại khác, trong đó những nguyên tố dễ bay hơi hơn như Hg, ít hơn là Cd được phát thải ở dạng khí, còn các nguyên tố khác ở dạng hạt mịn phát tán ra xung quanh. Sự đốt rác thải (công nghiệp, sinh hoạt ,y tế ) cũng tạo ra một lượng kim loại đáng kể (Zn, Ni). Sự vận chuyển hay sự phân bố lại của các kim loại xảy ra một cách tự nhiên trong môi trường bởi cả hai chu trình địa chất và sinh học (hình 4.5). KhÝ quyÓn g g n n è è u Sù ph¸t t¸n u x x i kim lo¹i a ¬ ö R R Hå C¸c hÖ thèng Ch¶y ra Dßng Trén trªn mÆt ®Êt s«ng Cöa s«ng BiÓn T•íi tiªu Bïn sa l¾ng Bïn sa l¾ng Hình 4.5. Các con đường vận chuyển các nguyên tố vết trong môi trường. Nước mưa hòa tan đá và quặng (hoặc nguồn ô nhiễm) và vận chuyển chất vào các dòng chảy và sông ngòi, lắng đọng và bóc tróc các chất từ lớp đất ở gần và kết quả cuối cùng vận chuyển những chất này ra biển, kết đọng như là bùn xa lắng, hoặc theo nước mưa tiếp tục đến địa điểm bất kì trên trái đất. Các chu trình sinh học bao gồm sự tập trung sinh học trong thực vật và động vật và hợp nhất vào các chuỗi thức ăn. Các chu trình tự nhiên này có thể vượt trội chu trình nhân tạo. Các hoạt động công nghiệp của con người, tuy nhiên có thể rút ngắn đáng kể thời gian tồn tại của các kim loại trong quặng, có thể tạo ra những hợp chất mới, và có thể làm tăng sự phân bố toàn cầu không chỉ bởi sự phóng xả vào đất và nước mà còn vào khí quyển. Khi phóng xả vào khí quyển ở dạng khí hay ở dạng hạt mịn, kim loại có thể được vận chuyển nhờ gió, bão tới những những khoảng cách toàn cầu. Vai trò hoạt động của con người trong sự phân bố lại các kim loại có thể được minh họa bởi sự tăng hàm lượng chi gấp 200 lần của băng Greenland so với mức thấp tự nhiên trước đây (800 năm trước công nguyên). Sự ô nhiễm kim loại của môi trường do vậy phản ảnh cả hai nguồn tự nhiên và sự đóng góp từ hoạt động công nghiệp. Tính bền của các chất ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường được xếp thứ nhất. Thời gian bán phân hủy của chúng phải tính đến hàng trăm năm và lâu hơn. Nếu một chất 113
còn lại không thay đổi và nếu nó có tính độc, thì hậu quả rõ ràng là nghiêm trọng hơn so với nếu nó có khả năng phân huỷ thành các hợp chất ít độc hơn. Khái niệm tính bền vững của chất trong cơ thể hoặc mô được đo lường bằng thời gian bán hủy sinh học (thời gian đòi hỏi để thải loại khỏi cơ thể 50% liều nhiễm). Các kim loại như chì và thủy ngân có thời gian bán hủy sinh học dài trong động vật có vú. Chì tích tụ và nằm lại trong xương tuy không độc, nhưng nó cung cấp một nguồn nội chì cho những cơ quan khác của cơ thể ngay cả khi vắng mặt sự phơi nhiễm chì mới. Thủy ngân ở dạng metyl hóa tồn tại dai dẳng trong các mô thần kinh gây ảnh hưởng độc kéo dài (khó khỏi). Một kim loại có thời gian bán hủy sinh học dài có thể là nguyên nhân trực tiếp của các ảnh hưởng có hại lâu dài nghiêm trọng so với kim loại mà được đào thải nhanh khỏi cơ thể. Sinh tích lũy kim loại nặng Khi các sinh vật bị nhiễm các kim loại và bán kim loại trong môi trường tương ứng của chúng, các nguyên tố được hấp thụ vào trong hoặc lên trên cơ thể sinh vật một cách chủ động hoặc thụ động, tùy thuộc vào nguyên tố và các điều kiện môi trường. Ở vào thời điểm cân bằng, cơ thể sinh vật thường chứa một nồng độ kim loại cao hơn trong các mô của nó so với môi trường xung quanh của nó (nước, bùn xa lắng, đất, không khí, ). Hiện tượng như vậy được gọi là “sinh tập trung” hay là “sinh tích lũy” (hai danh từ này có sự phân biệt chút ít, sự sinh tập trung có thể dừng, còn sinh tích lũy là sự tập trung liên tục suốt cả đời sống sinh vật). Để đánh giá sự sinh tập trung hoặc sinh tích lũy người ta sử dụng hệ số sinh tập trung hoặc hệ số sinh tích lũy F, là tỉ số nồng độ kim loại ở trong cơ thể với nồng độ kim loại ở trong môi trường sát gần xung quanh. Chẳng hạn, các loại nhuyễn thể hai mảnh vỏ có thể chứa thủy ngân và catmi ở mức lớn gấp hàng trăm nghìn lần so với các mức kim loại này ở trong nước nơi chúng sống ( F=100.000). Sự tập trung các kim loại trong cơ thể người chủ yếu là từ nước uống và thường là thấp không gây ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe, trừ trường hợp nước chứa những kim loại này ở nồng độ cao mà không được xử lý. Cũng giống như trường hợp của các hóa chất hữu cơ độc, lượng các kim loại nhiễm vào cơ thể là qua thức ăn và thường cao hơn nhiều so với nhiễm từ nước uống. Mức độ chất tích lũy trong cơ thể người hoặc bất cứ một cơ thể nào khác phụ thuộc vào tốc độ R đưa chất vào cơ thể từ nguồn, thí dụ sự cung cấp thức ăn, và cơ chế theo đó chất được đào thải, nghĩa là sự hạ xuống thấp của nó. Nói chung, tốc độ đào thải biểu thị mối quan hệ đơn giản đối với nồng độ cơ thể C của chất (thường là quan hệ bậc nhất). Nếu hằng số tốc độ của quá trình biểu thị là k , thì tốc độ đào thải là kC: 114
Tốc độ hấp thụ = R Tốc độ đào thải = kR Nếu không có mặt chất nào lúc đầu trong cơ thể, nghĩa là C=0, thì tốc độ đào thải lúc đầu là số không và nồng độ được tạo nên chỉ đơn thuần là do sự hấp thụ, như được miêu tả ở gần gốc đường biểu diễn (hình 4.6) ) 1,0 - s s C C = R/k Þ ss v 0,8 - (c¸c ®iÒu kiÖn n ¬ tr¹ng th¸i bÒn) ® ( 0,6 - C é ® 0,4 - g n å N 0,2 - . . . . . . . . . 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -1 Thêi gian (®¬n vÞ k ) Hình 4.6. Sự tăng nồng độ kim loại theo thời gian để đạt được giá trị trạng thái bền Css Tuy nhiên, khi nồng độ C tăng thì tốc độ đào thải tăng và thực tế tương đương tốc độ hấp thụ nếu R là một hằng số. Khi cân bằng này đạt được, C sẽ không biến đổi, đó là ở trong trạng thái bền. Ở điều kiện trạng thái bền tốc độ thải loại bằng tốc độ hấp thụ: kC = R Từ đây giá trị nồng độ trạng thái bền (kí hiệu Css ) là: Css = R / k Thường tốc độ thải loại được biểu thị bằng chu kì bán hủy t0,5 là độ dài thời gian đòi hỏi để một nửa lượng chất bị thải loại. Từ sự phân tích toán học của động học các phản ứng bậc nhất ta biết k = 0,693/t0,5 và thế vào phương trình trên ta có: Rt 0,5 C = = 1,44 t ss 0,693 0,5 Như vậy thời gian bán hủy của chất càng dài, mức độ tích lũy trạng thái bền của nó càng cao. Ví dụ, thời gian bán hủy của thủy ngân ở dạng Hg2+ trong cơ thể người khoảng 6 ngày, nếu ta ăn phải 1mg thủy ngân trong một ngày, sự tích lũy trạng thái bền có thể tính được là 9 mg vì: 115
Css = 1,44 1mg/ngày 6 ngày = 9 mg Sự tích lũy của một chất qua các mức dinh dưỡng nối tiếp xảy ra nếu chất không bị đào thải hoặc bị bài tiết hoặc bị kiểm soát, được gọi là sự sinh tăng cường. Nói cách khác một số chất có hiện tượng sinh tăng cường: nồng độ của chúng tăng mạnh nhờ dây chuyền thức ăn. Trong số các kim loại nặng và bán kim loại chỉ có thủy ngân là có khả năng sinh tăng cường này. 4.2.1. Chì (Pb) Chì là kim loại màu xám, mềm có số nguyên tử 82, nguyên tử khối 207,19 ; tỉ trọng 11,37; chảy ở 327,5oC, bốc hơi ở 550oC. Hơi chì có vị ngọt ở họng. Chì đun nóng chảy chậm bị oxit hóa thành PbO. Chì khó bị tác dụng bởi HCl, H2SO4 loãng nhưng bị oxi hóa hòa tan trong HNO3 hoặc tác dụng với H2SO4 đặc nóng. Một số hợp chất vô cơ của chì có nhiều ứng dụng là oxit (PbO, PbO2, Pb3O2), chì sunfua (PbS), chì clorua ( PbCl2 ), chì sunfat (PbSO4 ), chì cromat (PbCrO4), chì asenat (Pb3(AsO4)2). Chì cacbonat (PbCO3), chì hidroxit (Pb(OH)2) và hợp chất hữu cơ của chì là tetraetyl (Pb(C2H5)4), tetrametyl (Pb(CH3)4), chì stearat (Pb(C17H35COO)2), chì naphtenat (Pb(C6H11COO)2), chì axetat (Pb(CH3COO)2) Sự xuất hiện, nguồn và ứng dụng của chì: Chì gặp trong tự nhiên chỉ ở lượng vết. Hàm lượng chì trong vỏ trái đất khoảng 20 ppm. Nguồn chì tự nhiên (núi lửa, cháy rừng, rỉ chảy từ quăng mỏ) chỉ chiếm một phần nhỏ so với các nguồn chì nhân tạo. Chì kim loại đã được người Ai Cập sử dụng từ 4000 năm trước đây (xây dựng, ống nước). Song các hoạt động của con người mấy thế kỷ qua mới là những nguồn gây ô nhiễm chì chủ yếu. Theo thống kê trên thế giới có tới 360 ngành nghề sử dụng chì và các hợp chất của chì. Sự nấu chảy quặng chì lần thứ nhất cũng như các kim loại khác như đồng và kẽm (quặng của chúng có chứa chì). Sự nấu chảy chì thứ hai để thu hồi chì từ các phế thải (ắc quy, ống nước cũ, ) hoặc luyện hợp kim (với thiếc, antimon, đồng, ) tạo ra bụi chì phát tán vào không khí, và do đó vào đất và nước.Việc sử dụng chì chế tạo các sản phẩm như đúc bộ khung các tấm ngăn ắc quy chì, bản điện cực chì, ống dẫn, chữ in đều sinh các bụi chì. Chì (bụi chì) và nhiều hợp chất không tan của chì khi được thải vào ao hồ, đầm nước nhanh chóng bị treo lơ lửng rồi đi vào bùn sa lắng, có thể ảnh hưởng đến các sinh vật tầng đáy và có thể đi vào chuỗi thức ăn theo con đường này. Sự vận chuyển của chì vào môi trường nước (nghĩa là nước mặt) chủ yếu liên quan đến độ mềm và độ axit (pH < 5,4) của nước. Hàm lượng chì hòa tan trong các vùng nước này cao hơn hẳn các vùng nước khác. Việc sử dụng chì để phân phối nước hoặc để làm bao bì chứa thực phẩm, đồ uống hoặc để làm vật liệu hàn nối các sản phẩm này đều có thể hòa tan một 116