Chương 4 ĐỘC LỰC HỌC CHẤT Ô NHIỄM

4.1 GIỚI THIỆU Khi hiện diện trong môi trường với nồng độ cao vừa đủ, một chất ô nhiễm có thể gây ra những tác hại lên quá trình sống của sinh vật. Một chất ô nhiễm muốn gây ra tổn thương cho sinh vật tiếp xúc với chất đó thì trước tiên phải đi vào được cơ thể sinh vật và sau đó đi đến cơ quan đích. Độc chất phải trải qua một quá trình phức tạp từ khi sinh vật tiếp xúc độc chất cho đến khi sinh vật phát sinh các biểu hiện tổn thương. Chương này trình bày một số cách độc chất thể hiện độc tính lên cây cối, động vật và con người.

Chương 4

ĐỘC LỰC HỌC CHẤT ÔNHIỄM

4.1 GIỚI THIỆU

Khi hiện diện trong môi trường với nồng độ cao vừa đủ, một chất ô nhiễm có thể gây ra những tác hại lên quá trình sống của sinh vật Một chất ô nhiễm muốn gây ra tổn thương cho sinh vật tiếp xúc với chất đó thì trước tiên phải đi vào được cơ thể sinh vật và sau đó đi đến cơ quan đích Độc chất phải trải qua một quá trình phức tạp từ khi sinh vật tiếp xúc độc chất cho đến khi sinh vật phát sinh các biểu hiện tổn thương Chương này trình bày một số cách độc chất thể hiện độc tính lên cây cối, động vật và con người.

4.2 THỰC VẬT

4.2.1 NGUỒN Ô NGHIỄM

Đối với hầu hết các nơi, ô nhiễm môi trường là một vấn đề do con người tạo ra Như đã đề cập ở trên, nguồn ô nhiễm không khí quan trọng nhất tại Mỹ chính là xe máy Các nguồn ô nhiễm quan trọng khác bao gồm các hoạt động công nghiệp, sản xuất điện năng, sưởi ấm, và đốt chất thải Thành phần của các chất ô nhiễm rất khác nhau, trong đó các ngành công nghiệp thải ra nhiều loại chất ô nhiễm nhất Carbon monocide (CO) là thành phần ô nhiễm chính của động cơ xe máy, sulfur oxide (SOx) là thành phần ô nhiễm chính của các ngành công nghiệp, ngành sản xuất điện năng và hoạt động sưởi ấm Trong một số thành số lớn ví dụ như Los Angeles, sự tích tụ ozone, peroxyacyl nitrate (PAN) và các chất oxy quang hóa khác chính là vấn đề ô nhiễm không khí chính

4.2.2 QUÁ TRÌNH HẤP THU CHẤT Ô NHIỄM

Các loại cây trên mặt đất có thể tiếp xúc với chất ô nhiễm môi trường thông qua hai cách Một là tiếp xúc với chất ô nhiễm bằng đường không khí hai là tiếp xúc thông qua rễ mọc trong đất bị ô nhiễm Thực vật phát triển gần các cơ sở công nghiệp ví dụ như lò luyện kim, lò sản xuất nhôm, và nhà máy năng lượng sử dụng than có thể hấp thụ các chất ô nhiễm qua đường không khí thông qua lá và bị tổn thương Các chất ô nhiễm có thể ở dạng khí ví dụ như SO2, NO2 và hydrofluoric acid (HF) hay dạng hạt chẳng hạn như oxit kim loại hay muối kim loại có trong tro bụi (hình 4.1).

Để biết được tác động của bất kì chất ô nhiễm không khí nào trên thực vật thì điều quan trọng là phải hiểu được quá trình hấp thu chất ô nhiễm ở thực vật Mặc dù nồng độ của chất ô nhiễm trong không khí là một yếu tố quan trọng, nhưng nồng độ được hấp thu lại quan trọng hơn Quá trình mao dẫn thông qua khí khổng, là cơ quan điều chỉnh việc hấp thu độ ẩm không khí đi vào tế bào của cây, đóng vai trò hết sức quan trọng Quá trình lưu chuyển chất ô nhiễm trong cây cối tùy thuộc nhiều vào cấu trúc của lá (hình 4.2) hoặc các phản ứng thải trừ của lá Các yếu tố như hướng lá và hình dạng lá trong đó có các đặc

điểm biểu bì lá, và dòng khí lưu chuyển trong lá là những yếu tố quyết định đến sự di chuyển của dòng khí trên bề mặt lá.

Sức cản của khí khổng là một yếu tố rất quan trọng tác động đến việc hấp thu chất ô nhiễm Sức cản phụ thuộc vào kích thước và số lượng khí khổng, độ mở của khí khổng, và các đặc điểm hình thái khác Việc đóng mở khí khổng là hết sức quan trọng vì khi khí khổng đóng chất ô nhiễm sẽ không thể hấp thu hoặc chỉ được hấp thu rất ít Hoạt động này phụ thuộc vào ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ, nồng độ CO2 nội sinh, mức độ sẵn có của nước và dinh dưỡng đối với cây trồng, và ion Kali vận chuyển vào các tế bào bảo vệ.

Sự tiếp xúc của rễ đối với độc chất trong đất ô nhiễm là một con đường quan trọng khác mà thực vật hấp thu độc chất Ví dụ thực vật tăng trưởng ở nơi có đất bị ô nhiễm, ví dụ như các bãi rác thải và các khu vực tiếp nhận nước thải từ cống rãnh bị ô nhiễm có thể hấp thu độc chất thông qua rễ Tại những nơi bị ô nhiễm thường có hàm lượng cao các kim loại nặng ví dụ như chì và cadmium Các ion kim loại cũng dễ dàng được hình thành và dễ dàng được hấp thu khi đất bị axit hóa bởi sự lắng đọng các axit.

4.2.3 QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN CHẤT Ô NHIỄM

Sau khi được hấp thu, độc chất có thể trải qua quá trình hòa lẫn vào môi trường bên trong cơ thể thực vật và sau đó được vận đến một số cơ quan và mô Sự hòa lẫn này bao gồm sự di chuyển vi mô của các phân tử và sự dung hò giữa các nồng độ khác nhau Nhìn chung sự vận chuyển hóa chất trong cây xảy ra một cách thụ động theo cơ chế khuyếch tán và dẫn truyền Khuyếch tán nghĩa là chuyển động giữa các mức khác nhau từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp Trong khi đó, dẫn chuyền là di chuyển theo chiều ngang bên trong môi trường.

4.2.4 TỔN THƯƠNG CÂY

Ngoài việc gây tổn thương và làm chết cây, các chất ô nhiễm không khí còn có thể gây ra các tác hại khác Như đã đề cập, tổn thương do ô nhiễm thường được chia thành hai dạng là tổn thương tức thời và lâu dài Ở cây cối, tổn thương tức thời thường xảy ra sau khi cây hấp thu một lượng vừa đủ các khí độc hay các dạng khác của độc chất dẫn đến phá hủy các mô của cây Sự phá hủy thường biểu hiện dưới dạng mất rìa lá, hay các phần khác có hình dạng như bị úng Sau cùng, lá trở nên khô và chuyển thành màu ngà, nâu hoặc nâu đỏ Ngược lại tổn thương lâu dài xảy ra khi cây hấp thu nồng độ độc chất dưới mức gây chết trong một thời gian dài Tổn thương lâu dài biểu hiện dưới dạng vàng lá từ từ cho đến khi lá mất hết chất diệp lục và caroten

Để gây tổn thương ở lá, chất ô nhiễm không khí cần phải đi qua khí khổng mô biểu bì, do đó biểu bì chính là cơ quan đích đầu tiên của chất ô nhiễm Khi đi ngang qua khoảng gian bào, chất ô nhiễm có thể hòa tan vào nước bề mặt của tế bào lá, ảnh hưởng đến pH tế bào Chất ô nhiễm có thể không còn tồn tại dưới dạng gốc ban đầu mà chuyển sang dạng khác khi hòa tan vào dung dịch Dạng chuyển đổi đó có thể phản ứng mạnh hơn và độc hơn chất ban đầu Việc hình thành các gốc tự do phản ứng sau phản ứng nguyên phát là một ví dụ Chất ô nhiễm, có thể tồn tại dưới dạng ban đầu hay dạng chuyển đổi, khi đó sẽ phản ứng với một số thành phần tế bào chẳng hạn như màng tế bào chất, màng các hạt tế bào hay với một số chất trong đó có enzyme, coenzyme hay cofactor hay các chất nền Chất ô nhiễm khi đó có thể gây các tác hại lên trao đổi chất của tế bào, dẫn đến tổn thương cây.

Một ví dụ về khả năng phá hủy cây cối của chất ô nhiễm dạng khí chính là SO2 Một khi được hấp thu vào lá, SO2 có thể gây ra các tổn thương cho các cực của một số hạt tế bào trong đó có hạt lục lạp và ti thể, dẫn đến phá vỡ quá trình quang hợp hay quá trình

trao đổi năng lượng tế bào Tương tự như vậy khi nghiên cứu về mô hóa học các tổn thương do flo gây ra, người ta nhận thấy rằng các tổn thương ở lá xuất hiện đầu tiên ở phần mô lưới và biểu bì dưới sau đó phá vỡ hay biến đổi lạp lục trong tế bào gai.

Trong quá trình di chuyển từ khu vực dưới khí khổng cho đến vị trí gây tổn thương, chất ô nhiễm có thể gặp phải một số rào cản Các phản ứng thải trừ giữa các chất nội sinh và chất ô nhiễm có thể xảy ra và làm thay đổi độc lực của chất ô nhiễm Ví dụ ascobate là chất luôn có mặt trong tế bào thực vật có thể phản ứng hay trung hòa một chất ô nhiễm nào đó hoặc dạng chuyển đổi của chất ô nhiễm ban đầu Ngược lại các chất oxi

màng Sau phản ứng sẽ sinh ra một số độc chất như aldehyde, ketone, và các gốc tự do Các gốc tự do này sẽ tấn công các chất cấu tạo màng chẳng hạn protein, lipids và acit nucleic từ đó gây phá hủy mô Các chất chống oxi hóa nội sinh, ví dụ ascobic axit trong ví dụ trước, sẽ phản ứng với các gốc tự do và biến đổi độc tính của chúng.

Việc ức chế các enzyme của tế bào cũng thường được quan sát thấy khi lá tiếp xúc với các chất ô nhiễm không khí Sự ức chế xảy ra thậm chí trước khi các tổn thương lá được biểu thị rõ ràng Ví dụ, F là chất ức chế trao đổi chất có thể ức chế nhiều enzyme Việc ức chế các enzyme sử dụng F thường là do F- phản ứng với các kim loại đồng vận như Cu2+ hay Mg2+ trong hệ thống enzyme Các kim loại nặng ví dụ như Pb và Cd cũng có thể ức chế các enzyme chứa gốc -SH ở vị trí hoạt động hoặc SO2 có thể oxi hóa và phá vỡ các mối nối sulfur trong các enzyme của màng và phá vỡ chức năng tế bào

Như đã đề cập ở trên, đất bị axit hóa làm tăng việc giải phóng các ion kim loại độc hại chẳng hạn như Pb2+ và Cd2+ Các ion kim loại này có thể phá hủy trực tiếp rễ bằng cách ngăn cản hấp thu nước và dinh dưỡng dẫn đến thiếu nước hay thiếu dinh dưỡng Đất bị axit hóa cũng có thể làm thoát dưỡng chất, dẫn đến thiếu dưỡng chất và rối loạn tăng trưởng (hình 4.1) Cây kém phát triển có thể do một hoặc nhiều một rối loạn nêu trên Thậm chí trước khi các triệu chứng biểu lộ rõ ràng, cây tiếp xúc chất ô nhiễm có thể trở nên yếu đi và chậm tăng trưởng Khi đã biểu hiện, các triệu chứng có thể thấy là úa lá hay hoại tử lá và sau đó là chết

4.3 ĐỘNG VẬT CÓ VÚ

4.3.1 QUÁ TRÌNH TIẾP XÚC VỚI CHẤT Ô NHIỄM CỦA SINH VẬT

Chất ô nhiễm môi trường có thể đi vào động vật hay con người thông qua một số cách Hình 4.3 trình bày một số cách chung mà chất ô nhiễm đi vào cơ quan của động vật có vú Như đã đề cập trước đây, sự tiếp xúc của sinh vật vật với một chất ô nhiễm có thể là bước đầu của biểu hiện nhiễm độc Động vật có vú có thể tiếp xúc với chất ô nhiễm thông qua đường hô hấp, mắt, da, hay nuốt phải

4.3.2 QUÁ TRÌNH HẤP THU CHẤT Ô NHIỄM VÀO CƠ THỂ

Các tác động tức thời và lâu dài của một chất ô nhiễm có liên quan trực tiếp đến cách xâm nhập cơ thể của chất ô nhiễm Ngã vào của chất ô nhiễm không khí có thể là qua da, mắt, phổi và đường tiêu hóa Chân tóc, tuyến mồ hôi và các vết thương hở là những vị trí xâm nhập của chất ô nhiễm Chất ô nhiễm không khí có thể đi vào phổi dưới dạng khí và dạng hạt còn chất độc đi vào đường tiêu hóa khi động vật ăn phải thức ăn, nước uống bị nhiễm các chất như chì, Cd hay các thuốc trừ sâu dạng phun sương.

Để một chất ô nhiễm có thể hấp thu vào cơ thể và cuối cùng đi đến tế bào nó phải đi qua một vài lớp màng sinh học Những màng này không chỉ là màng mô ngoại biên mà còn có màng mao mạch và màng tế bào Vì vậy bản chất màng và thành phần hóa học

hay vật lý của độc chất là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến việc hấp thu độc chất Sau đây là các cơ chế mà một tác nhân hóa học có thể đi qua màng:

chở mang một chất hòa tan trong nước đi qua màng

Trong số các cơ chế trên,vận chuyển tích cực là cơ chế duy nhất mà độc chất có thể di chuyện ngược lại với sự thay đổi nồng độ nghĩa là di chuyển từ nơi có nồng độ thấp đến nơi có nồng độ cao (bảng 4.1) muốn thực hiện được điều này cần phải tốn năng lượng

4.3.3 QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN CHẤT Ô NHIỄM TRONG CƠ THỂ

Ngay sau khi được hấp thu, độc chất có thể được gắn với protein trong máu (ví dụ như lipoprotein), tạo thành phức hợp hay có thể tồn tại ở dạng tự do Sau đó độc chất được vận chuyển nhanh chóng trong toàn bộ cơ thể Độc chất có thể được vận chuyển trong máu hay hệ bạch huyết Sau đó độc chất có thể được phân phối đến một số mô cơ quan trong đó có mô của các cơ quan dự trữ và các cơ quan trao đổi chất

4.3.4 QUÁ TRÌNH TÍCH TRỮ CHẤT Ô NHIỄM TRONG CƠ THỂ

Độc chất có thể được tích trữ tại gan, phổi, thận, xương hay các mô mỡ Các cơ quan dự trữ này có thể là nơi xảy ra hoặc không xảy ra các hoạt động gây độc Độc chất có thể được dự trữ tạm thời tại một cơ quan nào đó, sau đó được phóng thích và di chuyển đến cơ quan khác Tương tự như vậy, độc chất hay các dạng chuyển hóa của nó có thể được vận chuyển đến một cơ quan và tích trữ tại đây trong một khoảng thời gian dài, thậm chí là vĩnh viễn độc chất cũng có thể được đào thải ra ngoài cơ thể ngay sau khi vừa dự trữ tạm thời tại cơ quan.

4.3.5 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA CHẤT Ô NHIỄM TRONG CƠ THỂ

Quá trình chuyển hóa độc chất có thể xảy ngay tại ngõ vào hay tại các cơ quan như da, phổi, gan, thận và đường tiêu hóa Gan đóng vai trò trung tâm trong cơ chế chuyển hóa độc chất môi trường (chất ngoại lại) Cơ chế chuyển hóa của chất ngoại lai chính là quá trình chuyển đổi sinh học Gan là cơ quan chứa rất nhiều enzyme không đặc hiệu có vai trò chuyển hóa nhiều hợp chất hữu cơ.

Các phản ứng chuyển hóa sinh học được chia thành hai giai đoạn, giai đoạn I và giai đoạn II Phản ứng giai đoạn I được chia thành ba loại chính là phản ứng oxi hóa, phản ứng khử và phản ứng thủy phân Vai trò của các phản ứng này là tạo ra một nhóm điện cực trên chất ngoại lại từ đó tạo nên chất chuyển hóa sơ cấp Ngược lại phản ứng giai đoạn II bao gồm các phản ứng kết hợp trong đó các chất chuyển hóa sơ cấp kết hợp với một chất nội sinh ví dụ như amino acid hay glutathione (GSH) để hình thành một phức chất chuyển hóa thứ cấp Chất chuyển hóa thứ cấp dễ hòa tan trong nước hơn vì vậy dễ bĩ đào thải hơn so với độc chất ban đầu.

Trong khi nhiều chất ngoại lai bị khử độc do các phản ứng trên vẫn có một số chất lại chuyển đổi và trở nân hoạt động và độc hơn so với ban đầu Chuyển hóa sinh học sẽ được trình bày trong chương 5.

4.3.6 QUÁ TRÌNH ĐÀO THẢI CHẤT Ô NHIỄM RA KHỎI CƠ THỂ

Bước cuối cùng trong quá trình chuyển hóa độc chất là đào thải độc chất ra khỏi cơ thể Quá trình đào thải có thể xảy ra ở phổi, thận, hay đường tiêu hóa Một chất độc có thể được đào thải dưới dạng ban đầu hay dưới dạng chuyển hóa phụ thuộc vào đặc tính hóa

học Quá trình đào thải là một phương cách lâu dài nhất để loại trừ độc chất ra khỏi cơ thể.

4.4 CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG

Hoạt động gây độc của chất ô nhiễm liên quan đến các hợp chất có khả năng gây độc nội sinh hay các chất chuyển hóa được kích hoạt Những chất này tương tác với các thành phần tế bào ở một vị trí hoạt động cụ thể rồi gây ra tác động gây độc cho nhiều nơi trong cơ thể Hậu quả của những hoạt động này có thể biểu hiện dưới dạng những thay đổi quá trình vật lý và sinh hóa bên trong cơ thể phơi nhiễm Các thay đổi này có thể biểu hiện ở những cách khác nhau bao gồm làm suy giảm chức năng hệ thống thần kinh trung tâm (CNS) và quá trình trao đổi oxi hóa, tổn thương hệ sinh sản, hoặc biến đổi DNA dẫn đến ung thư.

Thời gian của các hoạt động gây độc phụ thuộc vào đặc tính độc chất và chức năng vật lý hay sinh hóa của cơ thể Nhìn chung, các hoạt động gây độc của chất ngoại lai có thể bị phá vỡ do quá trình tích trữ, chuyển hóa sinh học hay đào thải.

Cơ chế liên quan đến độc tính do chất ngoại lai sinh ra rất phức tạp và vẫn cần phải làm sáng tỏ Các cách thức chất ngoại lai gây tác hại trên sinh vật bao gồm:

 Kết hợp trực tiếp với một thành phần tế bào

 Phản ứng tạo ra gốc tự do

4.4.1 PHÁ VỠ HAY PHÁ HỦY CẤU TRÚC TẾ BÀO

Độc chất có thể sản sinh ra các tác hại tổn thương trên các mô cây trồng và động vật bằng cách phá vỡ hay phá hủy cấu trúc tế bào Như đã đề cập ở trên, các chất ô nhiễm không khí chẳng hạn SO2, NO2 và O3 là cách chất quang hóa, chúng có thể gây tổn thương cây cối Các cây nhạy cảm có thể tiếp xúc với bất kì chất ô nhiễm nào kể trên với mật độ cao vừa đủ có thể biểu hiện các tổn thương cấu trúc khi tế bào mô bị phá hủy Các nghiên cứu cho thấy nồng độ thấp SO2 có thể làm tổn thương tế bào bảo vệ và tế bào biểu mô, dẫn đến mở rộng lổ khí khổng và làm tăng hấp thu chất ô nhiễm vào lá Tương tự như vậy, O3

hoặc các gốc tự do của O3 sau khi xâm nhập vào khu vực dưới khí khổng của lá cây có thể phản ứng với các protein hay lipid màng làm phá vỡ cấu trúc tế bào lá

Ở người và động vật, khi hít phải lượng vừa đủ NO2 và sương mù axit sulfuric có thể phá hủy các lớp bề mặt của hệ thống hô hấp Tương tự như vậy O3 nồng độ cao có thể gây ra quá trình khử oxy các axit béo bão hòa của lipid màng tế bào, dẫn đến phá vỡ cấu trúc màng.

4.4.2 CƠ CHẾ KẾT HỢP HÓA HỌC CỦA CHẤT Ô NHIỄM VÀ THÀNH PHẦNTẾ BÀO

Độc chất có thể kết hợp với một thành phần tế bào tạo thành phức hợp và làm giảm cơ chế chuyển hóa tế bào Ví dụ CO là chất có khả năng gắn kết với hemoglobin (Hb) Sau được hít vào và đi vào máu CO dễ dàng phản ứng với Hb tạo thành carboxynhemoglobin (COHb)

CO + Hb  COHb

COHb hiện diện lượng lớn trong máu có thể phá vỡ chức năng sống trao đổi CO2 và O2

giữa máu và phổi và các mô khác của cơ thể Chức năng của của hemoglobin bị hạn chế bởi sự tích lũy các COHb có thể ảnh hưởng xấu đến sức khỏe và có thể gây chết.

Một số độc chất hay chất chuyển hóa có khả năng gắn kết với DNA để tạo thành DNA ghép Việc hình thành các dạng biến đổi này dẫn đến thay đổi cấu trúc DNA và gây ra ung thư Ví dụ, benzopyrene là một trong nhiều hydrocabon polycyclic thơm có thể chuyển thành dạng epoxit trong cơ thể Dạng epoxit này có thể phản ứng với Guanine trên phân tử DNA tạo thành guanin ghép Một ví dụ khác là các tác nhân alkyl hóa Những hóa chất này được chuyển hóa thành các gốc alkyl hoạt động có thể trở thành các dạng ghép Chương 16 sẽ trình bày chi tiết hơn về vấn đề này.

Một số cation kim loại có thể tương tác với các nhóm polynucleotide ion phosphat Chúng có thể gắn kết với polynucleotid tại một số vị trí trên phân tử đặc biệt là tại purine và thymine Vì vậy những cation kim loại này có thể ức chế sao chép DNA và tổng hợp RNA dẫn đến thiếu nucleotid trên chuỗi polynucleotide Một đặc tính giải phẫu học của độc tính mạn của Pb ở người và một số loài động vật là sự hiện diện của các thể vùi nội phân tử trong tế bào biểu mô ống lượn gần tại thận Những thể vùi này dường như được tạo từ Pb và các protein hòa tan Bằng cách gắn chặt vào protein tế bào, Pb có thể phá vỡ hay ức chế chức năng protein

4.4.3 TÁC ĐỘNG LÊN ENZYME

Một loại phản ứng đặc trưng nhất diễn ra trong tế bào của sinh vật sống là sự tham gia của enzyme làm chất xúc tác Hầu hết các enzyme là protein với cấu trúc globulin, và nhiều enzyme thực hiện chức năng xúc tác chỉ dựa trên cấu trúc của chúng Một số ezyme khác cần phải có các thành phần không phải là protein gọi là cofactor Các cofactor này có thể là ion kim loại hay phân tử hữu cơ gọi là coenzyme Các ion kim loại làm cofactor bao gồm ion K+, Na+, Cu2+, Fe2+ hay Fe3+, Mg2+, Ca2+, và Zn2+ Các ví dụ về coenzyme hoạt động như chất vận chuyển tạm thời các nhóm nguyên tử hay nhóm chức năng đặc hiệu được trình bày trong bảng 4.3 Nhiều coenzyme là vitamin hay chứa vitamin là một thành phần trong cấu trúc Thường thì một coenzyme liên kết chặt với protein enzyme và khó có thể tách hai phần này ra với nhau Các lạoi voenzyme này được gọi là các nhóm ghép của enzyme Các phức hợp protein kích hoạt xúc tác và nhóm ghép được gọi là holoenzyme, trong khi protein không có nhóm ghép gọi là apoenzyme, không có khả năng xúc tác (phản ứng 4.2).

Enzyme + nhóm ghép  protein-nhóm ghép

Coenzyme đặc biệt quan trọng đối với dinh dưỡng ở người và động vật bởi vì như đã đề cập, hầu hết coenzyme đều là vitamin hoặc các chất được cấu tạo từ vitamin Ví dụ, niacin sau khi được hấp thu vào cơ thể sẽ chuyển thành nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) hay nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH), là các coenzymes quan trọng trong cơ chế chuyển hóa tế bào

4.4.3.1 Ức chế enzyme bằng cách bất hoạt cofactor

Như đã đề cập ở trên, một số cofactor trong hệ thống enzyme là các ion kim loại cung cấp điện tử cho vị trí hoạt động, giúp cho phản ứng xúc tác diễn ra dễ dàng Ví dụ F được biết là ức chế -amylase, là một enzyme chịu trách nhiệm phân tách tinh bột thành maltose và cuối cùng là glucose-sau đó glucose được dùng cho hoạt động năng lượng

-amylase cần phải có Ca2+ để ổn định cấu trúc và hoạt hóa xúc tác Nếu có sự hiện của ion F- thì hoạt động của -amylase sẽ bị ức chế Cách ức chế dường như liên quan đến việc F

-loại bỏ cofactor Ca2+ của -amylase Các bằng chứng ủng hộ quan sát này chính là cho chiết xuất enzyme -amylase từ mầm đậu xanh tiếp xúc với 5mM NaF trong vòng 3 ngày

thời gian lần lượt là 30, 60, 90 phút thì hoạt động của -amylase ngày càng cao hơn so với hoạt động của nó khi trong hỗn hợp thí nghiệp có chứa CaCl2.

F cũng được xem là chất ức chế enolase, một enzyme liên quan đến thủy phân glyco Enolase cần Mg2+ làm cofactor (xem chương 10, hình 10.7) Nếu có phosphat thì khả năng ion F- ức chế hoạt động của enzyme càng mạnh Như vậy, người ta đặt ra giả thuyết rằng cách ức chế của F đối với enzyme enolase là bất hoạt cofactor Mg bằng cách tạo ra hợp chất magnesium fluorophophate.

4.4.3.2 Ức chế enzyme bằng cách cạnh tranh với cofactor

Nhiều enzyme thực hiện chức năng làm xúc tác chỉ dựa trên cấu trúc protein của mình Tuy nhiên một số enzyme khác lại cần phải có các cofactor không phải protein trợ giúp để thực hiện chức năng xúc tác Các cofactor có thể là ion kim loại hay phân tử hữu cơ còn gọi là coenzyme Bảng 4.2 trình bày một số ion kim loại và một số enzyme sử dụng các kim loại đó và bảng 4.3 trình bày một số coenzyme và các enzyme đại diện sử dụng chúng Như trong bảng 4.2, một số enzyme sử dụng Zn2+ làm cofactor Cadmiun (Cd2+) có tính chất hóa học tương tự như Zn2+ có thể ức chế hoạt động của các enzyme này bằng cách cạnh tranh với cofactor Zn2+ Beryllium (Be) được biết là chất ức chế một số enzyme sử dụng Mg2+ làm cofactor.

4.4.3.3 Ức chế enzyme bằng cách gắn vào vị trí hoạt động

Độc chất có thể gắn vào vị trí hoạt động của một enzyme Ví dụ, một thiol hay một nhóm sulfuldryl (-SH) của phân tử enzyme protein chính là vị trí hoạt động để tiến hành phản ứng xúc tác cho enzyme đó Một kim loại nặng ví dụ như Pb, Cd, hg sau khi hấp thu vào cơ thể có thể tự gắn vào nhóm –SH, tạo thành một cấu trúc đối xứng hai bên nguyên tử sulfur (phản ứng 4.3) Vì vị trí hoạt động đã bị khóa do đó hoạt động của enzyme bị gián đoạn hay mất đi.

2Enz-SH + Pb2+  Enz-S-Pb-S-Enz + 2H+ (4.3)

Ví dụ, enzyme alanine aminotransferase (có vai trò thủy phân alanine) và enzyme -aminolevulinate dehydratase (ALAD, một enzyme quan trọng trong chu trình tổng hợp heme) đều có gốc –SH là vị trí hoạt động Pb ức chế mạnh cả hai enzyme này với cơ chế nêu trên.

Một ví dụ khác là việc ức chế acetylcholineterase bằng một phosphat hữu cơ Acetycholineterase (AchE) là một enzyme quan trọng dùng để phân tách acetylcholine (Ach) là chất dẫn truyền thần kinh ở côn trùng và động vật có xương sống (phản ứng 4.4)

(CH3)3N+-CH2CH2-O-C-CH3  (CH3)3N+-CH2CH2OH + CH3COOH

Khi AchE bị ức chế, Ach sẽ tích tụ lại và bị đốt cháy tại cuối dây thần kinh Kết quả là chức năng thần kinh bị gián đoạn và có thể dẫn đến cái chết cho sinh vật.

Các bằng chứng cho thấy rằng AchE của động vật có xương sống có hai vị trí gắn, một trong số đó là serine (một amino acid) với gốc –CH2OH làm vị trí hoạt động Các hóa chất ví dụ như hóa chất trừ sâu hữu cơ photphat, có thể bất hoạt AchE, sẽ gấn vào nhóm –CH2OH của serine trên phân tử enzyme bằng cách tạo cấu trúc đối xứng (xem mục 13.2.2.3).

4.4.3.4 Giảm hoạt động enzyme bằng chuyển hóa gây độc

Trong trường hợp này, việc ức chế enzyme không phải do bản thân độc chất mà do cơ chế chuyển hóa độc chất Ví dụ, muối fluoroacetate, được biết đến như là thuốc chuột 1080, cực độc đối với động vật tuy nhiên độc tính của nó không phải do bản thân muối fluoroacetate mà do một sản phẩm chuyển hóa từ nó là fluorocitrate, được tạo thành từ chu trình gây chết (hình 4.5)

Chất fluorocitrate độc bởi vì nó có khả năng ức chế enzyme aconitase là men xúc tác chuyển citrate thành cis-asconitate rồi thành isocitrate (trong chu trình krebs) Việc ức chế aconitase dẫn đến tích lũy citrate Hệ quả của việc ức chế là chu trình Kreb bị gián đoạn do đó phá vỡ cơ chế chuyển hóa năng lượng.

4.4.4 CÁC HOẠT ĐỘNG THỨ PHÁT DO SỰ HIỆN DIỆN CỦA CHẤT Ô NHIỄM

Sự hiện diện của chất ô nhiễm trong cơ thể sinh vật có thể giải phóng một số chất gây tổn thương tế bào Sau đây là một số ví dụ.

4.4.4.1 Phản ứng dị ứng đối với phấn hoa

Ở nhiều người, phản ứng dị ứng xảy ra sau khi hít phải phấn hoa, dẫn đến các triệu chứng phổ biến của sốt cỏ khô Các triệu chứng này là do việc phóng thích histamin, một chất hình thành từ amino acid histidine thông qua quá trình khử carbon oxy Histamine được tạo thành và dự trữ trong đại thực bào và trong nhiều tế bào khác của cơ thể Việc phóng thích histamin xảy ra trong phản ứng quá mẫn hay do hệ quả của phản ứng dị ứng; nó cũng phát sinh do sử dụng một số loại thuốc và hóa chất Histamin là một chất giản mạch mạnh, có khả năng gây giản mạch và tăng thẩm thấu thành mạch Histamin cũng kích thích bài tiết pepsin, có thể giảm huyết áp và nếu nặng có thể gây sốc Khi nồng độ histamin vượt mức cho phép, nó có thể gây vỡ mạch Các chất kháng histamin như diphenulhydramine và anterhan là các hợp chất có cấu trúc tương tự histamin và có thể ngăn chặn các thay đổi vật lý do histamin sinh ra.

4.4.4.2 Carbon Terachloride

Một ví dụ khác là carbon tetrachloride (CCl4) tác động lên con người Một khi cơ thể hít phải, CCl4 sẽ làm tháot epinephrine từ hệ thần kinh giao cảm với số lượng lớn, điều này đưa đến tổn thương gan Epinephrine là một hormone mạnh tham gia vào nhiều phản ứng sinh học quan trọng ở người và động vật bao gồm:

 Kích thích phân giải glycogen (tách glycogen thành glucose) ở gan và cơ: tại gan, glucose tổng hợp đi vào máu; tại cơ glucose tổng hợp không đi vào vòng tuần hoàn máu mà chuyển thành lactic acid trước khi di chuyển về lại gan.

 Phân giải lipid (phân tách mỡ): liên quan đến việc phân tách triacylglycerol thành acid béo và glycerol

 Bài tiết insulin

Epinephrine cũng làm tăng huyết áp Giống như các loại hormon khác epinephrine cũng dễ dàng phân tách sau khi hoàn tất chức năng Sự phân tách epinephrine chủ yếu xảy ra tại gan Các nghiên cứu cho thấy tại gan CCl4 bị tách thành các gốc tự do như là .CCl3 và Cl. (phản ứng 4.5) Người ta cho rằng các gốc tự do này có thể làm tổn thương gan bằng cách phản ứng với các thành phần của tế bào gan.

Cytochrome P450 CCl4  CCl3 + Cl.

4.4.4.3 Chelation

Chelation là một chu trình trong đó nhân của một kim loại trong dung dịch được cô lập bởi các phân tử dạng vòng Vòng các nguyên tử thường là với O, N hay S là nguồn cho electron trong khi kim loại là nguồn nhận electron Kim loại gắn chặt hơn vào vòng so với khi nó gắn với từng phân tử riêng biệt sự hình thành vòng chelate ổn định không đứt đòi hỏi ít nhất hai nguyên tử có thể gắn vào một ion kim loại Ion trong phân tử

hemoglobin và magesium trong phân tử chlorophyl là hai ví dụ Thông qua chu trình chelation, một số hợp chất hoạt động sinh học được hấp thu và phục hồi trong cơ thể trong khi số khác bị loại bỏ.

Một số nhà nghiên cứu cho rằng độc tính của một số loại hóa chất có thể liên quan đến chu trình chelation Ví dụ, khi cho thỏ tiếp xúc với carbon disulfide (CS2) với nồng độ 250 ppm, thì quá trình mất Zn trong mô xảy ra Việc Zn trong cơ thể bị mất chủ yếu là do phản ứng hóa học của CS2 với các nhóm amino của protein mô tạo thành

thiocarbamate và thiazolidone, mà các chất này có thể tạo thànhchelate với Zn.

Người ta cho rằng quá trình chelat kim loại có thể là một trong những cơ chế liên quan đến ung thư Nhiều chất ung thư chuyển hóa hay bị chuyển hóa thành các hóa chất có khả năng gắn kết kim loại Điều này giúp cho kim loại vào được tế bào Một khi vào được tế bào kim loại thường sẽ kết hợp với kim loại bất thường gây ra biến đổi cơ chế tế bào.

4.4.4.4 Dịch chuyển kim loại

Dịch chuyển kim loại là hiện tượng có thể thấy được ở một số động vật khi tiếp xúc với độc chất dịch chuyển kim loại là quá trình kim loại tại một cơ quan di chuyển sang một cơ quan khác do sự xuất hiện của độc chất và là một trong những chỉ tố sinh học sớm nhất của phản ứng gây độc Ví dụ, chuộc tiếp xúc với F có biểu hiện hàm lượng Zn huyết thanh tăng cao trong khi mức Se và Al trong lông của chuột lại giảm thấp Chúng ta cũng có thể quan sát những thay đổi tương tự khi cho chuột tiếp xúc với O3 Khi tiếp xúc với O3 trong vòng 4 giờ chuột biểu hiện tăng hàm lượng Cu, Mo, và Zn ở phổi trong khi hàm lượng các kim loại tại gan lại xuống thấp.

4.4.5 PHẢN ỨNG TẠO GỐC TỰ DO

Một gốc tự do là bất kì phân tử nào có số electron là số lẻ và có thể xảy ra ở phân tử hữu cơ cũng như vô cơ Các gốc tự do có hoạt tính cao vì vậy khó bền vững và có vòng đời ngắn ví dụ, nửa vòng đồi của gốc lipid peroxyl (ROO) là 7 giây trong khi của hydroxyl (HO) là 10-9 giây.

Các gốc tự do bắt nguồn từ các hoạt động tự nhiên hoặc do con người tạo ra Trong tự nhiên, chúng được sinh ra trong cơ thể thông qua các cơ chế chuyển hóa bình thường Một số ví dụ là gốc superoxide (O2) và H2O2 Nguồn do con người tạo ra các gốc tự do được tìm thấy trong các trường hợp trên khi một sinh vật tiếp xúc với phóng xạ ion hóa, một số loại thuốc hay một số chất ngoại lai Vì vậy các gốc phóng xã có thể tạo ra

các phản ứng chuỗi và phá hủy các thành phần tế bào quan trọng trong đó có protein, lipid và DNA Đối với protein hậu quả của việc tác động của gốc tự so biểu hiện là phân tách chuỗi peptide và bị biến chất Đối với DNA tác hại là tách chuỗi hay bổ sung vào gốc DNA dẫn đến đột biến tế bào và gây chết Các nhà nghiên cứu đồng ý rằng nhiều bệnh ở người trong đó có ung thư và bệnh tim mạch một phần là do phản ứng của các gốc tự do.

Khi các gốc tự do phản ứng với acid béo không no và cholesterol, chẳng hạn như của thành tế bào, chúng có thể gây ra khử oxi hóa lipid Quá trình này lại tự xúc tác và tạo ra các sản phẩm là lipid peroxide, aldehydes và các hóa chất khác Dĩ nhiên khi tạo ra các phản ứng trên, các gốc tự do đã làm phá hủy màng tế bào và các hạt trong tế bào

Một số chất ô nhiễm không khí như O3, PAN, và NO2 có thể hoạt động như là gốc tự do Các nghiên cứu mở rộng được tiến hành nhằm tìm hiểu bản chất của các phản ứng khử oxi của lipid phụ thuộc O3 ở động vật và thực vật phản ứng khử oxi lipid cũng có thể xảy ra do các phản ứng phụ thuộc gốc tự do được kích hoạt bởi các tác nhân môi trường Hình 4.6 trình bày cơ chế liên quan đến phản ứng khử oxit lipid Hình 4.6 còn trình bày sự khởi đầu của phản ứng chuỗi xảy ra sau khi các gốc tự do được hình thành Kết quả của việc khử oxit lipid và các phản ứng liên tiếp là tính chất của vật liệu lipid bị thay đổi và chức năng tế bào bị phá vỡ.

Các nghiên cứu cho thấy các gốc tự do ví dụ như gốc hydroxyl (OH) có thể gây khử oxi hay liên kết chéo giữa lipid màng và các hợp chất nội tế bào vì vậy làm cho tế bào già đi và chết Mặc dù quá trình già đi của tế bào là một hiện tượng tự nhiên, nhưng chính sự xuất hiện của các gốc tự do làm thúc đẩy quá trình lão hóa của các tế bào Ví dụ, tác dụng gây ra các phản ứng có hại và khử oxi của ion Fe được kiểm soát chặt chẽ trong cơ thể bằng cách cho Fe gắn với protein vận chuyển hay bằng sự hiện diện của các phân tử khác có tác dụng kháng oxi hóa Khi Fe không thể kiểm soát, các phản ứng oxi hóa khử xảy ra có thể gây ra các tổn thương đến thành phần tế bào như axit béo, protein, và axit nucleic Fe sẽ xúc tác phản ứng Fenton là một quá trình chuyển đổi superoxit và hydrogen peroxit thành các gốc tự do có hoạt tính cao (phản ứng 4.6 và phản ứng 4.7).

O2 + Fe+3  O2 + Fe+2 (4.6) Fe+2 + H2O2  Fe+3 + OH- + OH- (4.7)

4.4.6 PHÁ VỠ NỘI TIẾT TỐ

Estrogen là một hormon steroit được tạo ra ở cả nữ giới và nam giới Nó được sản xuất lượng lớn ở phụ nữ vì vậy được coi là hormon sinh dục nữ Ở người và động vật tỷ lệ nhất định giữa estrogen và androgen (hormon sinh dục nam) sẽ quyết định giới tính trong quá trình phát triển bào thai Nếu tỷ lệ này bị thay đổi thì đứa con sinh ra có thể mang hai bộ phận thuộc hai giới tính hay chỉ mang một bộ phận thuộc một giới tính duy nhất nhưng lại khiếm khuyết hoặc phát triển không hoàn thiện.

Việc tạo ra estrogen được quyết định bởi việc gắn vào một protein nội bào gọi là

receptor Việc gắn kết này dẫn đến một thay đổi về hình dạng của receptor giúp phức hợp estrogen và receptor có thể gắn vào vị trí đặc hiệu trên DNA Một khi đã gắn vào DAN, phức hợp này sẽ làm thay đổi biểu hiện của gen đáp ứng estrogen Các estrogen steroit tác động thông qua thay đổi này trong biểu hiện gen (hình 4.7) Một tác nhân hóa học ngoại sinh có thể làm thay đổi quá trình điều chỉnh receptor thông qua một số cơ chế Ví