Pollution Ecology Chemistry and Biological Information Metabolism
XU Weibing, XU Houxiao
(Research Center for Eco-Environmental Science of Chinese Academy Science, Beijing
100085 China)
Abstract This paper raised a new
concept concerning the metabolic information molecular, and it was expounded that the
metabolic information moleculars of both alkylated nucleic acid bases and nitric oxide as
an expression of interrelation between pollution ecology chemistry and biological
information metabolism.
Key words Metabolic information molecular, Pollution ecology chemistry,
Biological information metabolism
接要
本文提出代谢信息分子新概念，并阐述了烷化核酸碱基和一氧化氮这两个代谢信息分子作为污染生态化学与生物信息代谢相互关系的表达。
关键词 代谢信息分子 污染生态化学 生物信息代谢
污染生态化学与生物信息代谢*
徐维并 许后效
(中国科学院生态环境研究中心 北京 100085)
污染生态化学是环境污染化学的分支学科，研究污染物在生态系统中产生生态效应的生物化学过程，因此，污染生态化学涉及到环境化学及环境化学物质的结构与活性及其相关的生物化学基础理论[1]。污染生态化学产生生态效应的主体是生态系统中最为活跃的生物体，例如，北京城市生态系统的主体是北京市的居民人群。生物体是多细胞的复合体系，细胞是生物机体的结构单元和功能单位，细胞代谢是一切生命的基础，生命的细胞进行着物质代谢、能量代谢和信息代谢。细胞从环境中摄取蛋白质、核酸、多糖和脂类等营养物质，经过氧化还原、基因转移、水解合成、异构化等细胞代谢生物化学反应，转化为种类繁多的化学分子，细胞利用其产生营养分子，摄取能量，构建和维持生物机体有序的组织结构，进行着一切生命活动。细胞代谢是酶促反应，生物机体内的酶具有高度的专一性以及催化效率高和易于失去活性的基本特点。酶通常还是一些污染化学毒物作用的靶分子，污染化学毒物抑制酶的生物活性，破坏生物体内酶的结构和功能，导致细胞有序的代谢过程受阻，出现细胞的代谢异常，因此酶对细胞的信息代谢发挥关键性的作用。生物大分子DNA是生物遗传的主要物质基础，遗传信息是以密码的形式贮存在DNA分子上，核酸是信息分子，烷化核酸碱基是代谢信息分子[2]。生物体细胞内代谢过程产生的一氧化氮(NO)是生物信使分子，也是代谢信息分子。代谢信息分子表达细胞内代谢过程生化反应的信息，是细胞信息代谢的物质基础。代谢信息分子是研究细胞信息代谢的切入点。代谢信息分子可以是无机化学分子、有机化学分子和核酸碱基等能够表达生物信息代谢的化学分子。环境中的化学污染物，总是以低剂量长效应以及多重性和复合性的特点，作用于生态系统，产生生态效应。从宏观生态系统和微观细胞信息代谢，研究环境污染物的化学过程，可以说代谢信息分子传递着细胞代谢的基本信息，表达了环境污染在宏观环境的化学过程和微观细胞生化效应的本质。代谢信息分子也表达了环境化学物质的结构与活性以及与生物体内酶的相关作用。
苯并(a)芘是大气环境中的典型污染物。苯并(a)芘在生物体细胞内经氧化代谢活化和细胞色素P450同工酶的作用，形成不稳定的中间体，并立即分解为能与DNA以及其它细胞大分子反应且亲电的烷化剂，这种亲电的烷化剂与DNA
核酸碱基上的氮和氧的亲核的中心部位反应，而且易于与鸟嘌呤碱基7位上氮的中心部位反应，形成DNA加合物BP-DNA和BPDE-DNA[3,4]，BP-DNA：benzo(a)pyrene-DNA；BPDE-DNA：benzo(a)pyrenediol
epoxide-DNA。 它们在DNA烷基转移酶和糖酶的催化作用下，便发生脱嘌呤化作用，释放出自由的烷化核酸碱基代谢信息分子7-BP鸟嘌呤和7-BPDE鸟嘌呤，7-BP鸟嘌呤(7-BP
Gua)：N7-[benzo(a)pyrene 6yl] guanine；7-BPDE鸟嘌呤(7-BPDE Gua)：N7-[benzo(a)pyrene
7,8-dihydrodial 9,10-epoxide 6yl] guanine[5,6] 。测定7-BP鸟嘌呤和7-BPDE鸟嘌呤这两个代谢信息分子，可以获取污染物苯并(a)芘生物体细胞内生化反应产生生态效应的重要生物代谢信息。从理论上讲，所有其它环境化学污染物，若能在生物体细胞内代谢活化为亲电的烷化剂，都可以形成相应的烷化核酸碱基代谢信息分子，例如，甲基烷化剂与核酸碱基腺嘌呤和鸟嘌呤作用，形成3-甲基腺嘌呤和7-甲基鸟嘌呤代谢信息分子。
生物体中的特异代谢信息分子，表达生物体中特异的生物化学反应的信息。室内环境中的特殊化学污染物，例如，香烟烟雾中的烟碱尼古丁及其经燃烧时亚硝化作用而生成的去甲基烟碱亚硝胺：N-nitrosonornicotine,NNN和新烟碱亚硝胺：4-(methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone,NNK。
NNN和NNK在人体细胞内发生DNA吡啶基氧代丁基化作用，形成吡啶基氧代丁基鸟嘌呤O6-pobG
：O6-[4-oxo-(3-pyridyl) butyl] guanine[7],
进一步脱嘌呤化和水解作用，最后代谢为HPB：4-hydro-4-(3-pyridyl) butanoic
acid[8], HPB传递的生物代谢信息，表达人体细胞内的DNA已受到烟碱尼古丁、NNN和NNK的攻击，可能因此而诱发人体组织和器官的肿瘤。生物细胞信息代谢的研究表明，75%的吸烟者的DNA已受到损伤，而非吸烟者仅为3%。
有关研究还进一步指出，吸烟孕妇的新生婴儿的尿液中发现有HPB代谢信息分子，这是由吸烟孕妇体内的HPB经由保护胎儿的胎盘而渗入到胎儿体内的。癌症流行病学调查显示，我国35～65岁的男性吸烟者中，癌症的超额死亡率为51%，这也表明特异的代谢信息分子，真实地表达了人体内特异的生物信息。
一氧化氮是生物信使分子，同时也是代谢信息分子和生物效应分子。NO虽是一个结构简单的气体分子，但却参与机体器官和组织细胞内一系列的生化反应代谢过程，传递重要的生物信息[9]。由于NO是一个高度弥散的化学分子，在近似生理的条件下，NO的弥散常数为3.3×10-5cm2·s-1。由于NO是低分子和疏水性及亲脂性的，从理论上讲，在生物体内，NO可以达到机体组织和器官细胞内的任何部位，但是，NO的弥散能力也还受到一些因素的制约。由于NO具有很强的反应性，所以，NO对生物体细胞的代谢过程发挥广泛的影响和作用，充分表达生物体细胞的信息代谢。NO对循环系统的血管张力、血压、器官血流量的调节以及NO对血管的通透性和心肌收缩都产生影响。NO作为信息传递物质，在中枢神经系统脑内，NO参与海马的长时程突触传递增强(long-term
potentiation,LTP)以及小脑的长时程突触传递抑制(long-term depression,LTD)的过程。NO还参与神经递质释放的调节以及脑血流的调节和痛觉的调节。NO在生物机体内的生理效应和信息传递，是通过L-精氨酸/NO通路实现的。在生物体内，无论NO的生成过多或过少，都会引起生理功能障碍，因此，NO作为生物效应分子和传递信息的分子，在机体内NO的产生应保持适宜的节律和强度，以调节正常的生理功能。NO参与能量代谢，抑制三羧酸循环(Krebs
cycle)的关键酶顺鸟头酸酶，还能抑制线粒体电子传递链中的NADH泛醌氧化还原酶和琥珀酸泛醌氧化还原蛋白酶。由于
NO的强亲脂性，NO在肺泡内的弥散速度比氧气和一氧化碳大数倍，NO与血红蛋白的亲合力要强于一氧化碳的数倍，因此，弥散入血管腔内的NO，迅速地与氧合血红蛋白结合形成高铁血红蛋白(methemoglobin)而失去其活性。NO是一个活跃的反应性分子，与生物有机分子上的氮和硫反应生成亚硝胺和亚硝基硫醇。NO被氧化成高氧的NOx，使含巯基的谷胱甘肽和白蛋白硝基化，硝基化的分子则是NO的载体。NO作用于铁-硫基团，使被激活的巨噬细胞(macrophage)产生大量的NO,抑制非血红素酶,干扰细胞的能量代谢和DNA合成。NO在细胞内的信息传递过程,
是由于NO激活可溶性鸟苷酸环化酶(sGC:soluble guanylyl cyclase),升高细胞内环鸟苷酸(cGMP：clelic
guanylic acid) 的水平，产生生物效应，表达生物信息代谢。生物体内的NO与超氧阴离了自由基(
)反应生成的过氧亚硝酸根(ONOO-)相对稳定,
与H+ 形成相应的酸ONOOH, 在37°C, pH为7时, 其半衰期为1s。ONOO-氧化低密度脂蛋白(LDC),使血浆蛋白释放Cu2+,
ONOO-抑制线粒体的呼吸作用,使过氧歧化酶(SOD：superoxide
dismutase)的酪氨酸硝基化。 由于ONOOˉ具有很强的氧化反应性,
能与细胞的蛋白质、脂类和DNA等成份作用,损伤DNA, 特别ONOO-对DNA鸟嘌呤核酸碱基的反应性更加敏感,
易于引起DNA双螺旋体核酸碱基鸟嘌呤单股或双股断裂。 ONOO-使核酸碱基鸟嘌呤发生硝基化和氧化作用,
生成相应的产物8-氧代鸟嘌呤(8-oxo-G)和8-硝基鸟嘌呤(8-nitro-G), ONOO-对8-oxo-G进一步二级氧化,
生成产物脲基乙酸(oxaluric acid)和氰尿酸(cyanuric acid),可以认为, 8-氧代鸟嘌呤和8-硝基鸟嘌呤以及脲基乙酸和氰尿酸是表达NO与DNA相关联的代谢信息分子[10,11]
。
代谢信息分子表达污染生态化学和生物信息代谢相互关系的内涵实质。代谢信息分子含有丰富的生物信息资料，这些信息资料可以用高度精密的现代分析仪器作定性定量测定。例如,Liquid
Chromatography/Electrospray Ionization Mass Spectrometry(HPLC/ESI-MS)，从而获得充分的代谢信息资料。如果生物代谢信息比较微弱，还可以用化学或者物理的方法刺激细胞膜受体，激活细胞内某些特异的酶，产生联级放大作用，使微弱的原始生物信息放大到几个数量级。如：用马流产杆菌脂多糖LPS(LPS：lipopolysaccharide)刺激大白鼠的巨噬细胞产生大量的NO。对于所获得的生物信息代谢资料，作综合分析和比较研究，以代谢信息分子为生化参数，研究环境污染物在生态系统中的生态效应以及变化趋势动态函数关系，将污染物在环境宏观和细胞微观的化学过程相对统一起来，为污染物的生态效应和生态毒理学的研究，从学术上开辟一条新思路和新途径。
1 参考文献
[1] 徐晓白，戴树桂，黄玉瑶主编.
典型化学污染物在环境中的变化及生态效应.北京: 科学出版社，1998:1-9.
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徐维并 女，52岁，副研究员，从事环境化学与生态毒理学的研究。
国家自然科学基金资助项目(29977025)。 2000-03-30收稿，2001-02-15修回。