喊麦帝王音教学:金属铬在自然界中的存在形式？

近些年来铬化合物的营养价值和致病机理一直是学术界
争论的焦点.三价铬Cr(III)化合物被认为是毒性最小的化合
物,同时它对糖尿病起到一定的治疗作用,因此被用作营养补
充剂.六价铬化合物Cr(VI)在上世纪就被认为是一类致癌物
之一.由于铬有很多重要的化学性质,它在工业上用途极
广.流行病调查显示职业铬暴露与呼吸系统癌症密切相关,
因此由铬导致的癌症引起人们的极大关注.究竟是铬化合物
以何种形式引起疾病,它的致病机理如何目前一直是学术界
争论的焦点.目前这方面的工作国内开展的不多.本文总结
了铬在自然界的存在形式,工业用途,对健康的影响,探讨了
铬化合物损伤DNA的机理,为今后进一步认识铬化合物在人
体内的作用打下基础.
1铬在自然界的存在形式,工业用途以及职业接触
情况
1.1铬在自然界的存在形式
元素铬在地壳中的储量排在第10位,并且以多种氧化态
形式存在(从一1价至+6价).三价铬[Cr(111)WHO〕及六价铬[Cr
(III)]是自然界水中主要的存在形式,但由于它们的浓度很
低,故很难测定.水中的铬来源于矿物冶炼过程,泥土及沉淀
的淤泥中可溶性的有机铬,自然沉降等.美国规定水中铬允
许浓度定为0.05m创L.土壤中铬的含量与形成这些土壤的母
石的组成有关,一般说来,土壤中铬的浓度范围从0.005
1.5mg/L,空气中的铬主要以三价形式存在,并且其浓度随着
地域的不同而不同,主要来源于工业污染.唯一的市售的铬
金属是铬铁矿.其组成一般是铁与氧化铬的混合物FeO
CTZ 03.第一个生产铬金属的方法是光热处理,最终产物是铬
及氧化铬的混合物,另一个普遍采用的生产铬金属的方法是
硅热处理.
1.2工业用途以及职业接触情况
铬主要用于制造工业.含铬的合金可以增加金属的机械
性能,如增加抗拉及坚硬度等,还可以改善金属的化学特性如
耐磨及耐腐蚀性等.六价铬常用于印染,木材防腐保存,有机
合成及某些催化剂的制造,铬还用于皮革染色等.
随着人们对铬元素的化学性质的认识,铬化学近来发展
很快,许多从事冶炼,印染,制革等职业的工人,通过吸呼及皮
肤直接接触铬的机会大大增加.据报道共有104种职业存在
着潜在接触铬的机会.由于铬的应用非常广泛,因此很难确
定铬的职业接触量到底有多少,但是,职业接触铬肯定是引发
呼吸系统癌症的主要因素〔'〕.据流行病调查显示,在斯堪地
那维亚(Scandinavian)钢铁厂废气中排出的Cr(VI)的浓度范围
在0.5一2mg/耐,这与1982年美国推荐的空气中铬含量为
50ng/时高出许多倍.
基金项目:Australia Research Council, the University of Sydney Cancer
Research Fund
作者简介:史黎薇,女,硕士,副研究员
2铬对健康的影响
由于铬的毒性及营养价值的双重作用,它对人体的健康
第4期史黎薇.铬化合物对健康影响的研究进展411
影响一直是学术界争论的焦点.在生理pH范围内,Cr(VI)比
Cr(III)更容易穿透细胞膜而进人细胞中.由于Cr(III)在动物
实验中观察到参与葡萄糖代谢而被认为是人体的必须元素,
至少被认为是有益的元素[:,,〕.另一方面Cr(VI)一直被认为
是有害健康的,并被列为一级有毒物质之一[[41.虽然Cr(VI)
在生理pH值范围内不与DNA反应,它的主要毒性在于Cr
(VI)被还原成Cr(III)时,由于细胞内存在其它还原性物质,使
这个还原过程中产生很多中间产物,如Cr(IV)及Cr ( V)等化
合物,而这些中间产物可以和DNA反应而造成DNA解旋或
断裂. 铬通过三种方式如皮肤接触,食物摄人及呼吸进人人体.
由于Cr(VI)具有很强的氧化性,它可氧化皮肤表面蛋白,自身
被还原成Cr(III ).通过消化道吸收Cr(VI)的含量很低,这是
由于胃酸很快将其还原成Cr(III),通过消化道吸收的Cr(III)
一般在0.5% - 3%. 2001年美国食物与营养委员会推荐的
铬的摄人量是:婴儿0.2一5.5ttg/d,成人20一40pg/do
通过呼吸道吸人Cr(VI)越来越引起人们的重视,因为职
业接触Cr(VI)的癌症患者基本上是呼吸系统病变.职业接触
Cr(VI)与呼吸道癌症的关系早在20年前流行病调查中已得
到确认[[4sl o Cr(VI)颗粒的吸收是由粒子的可溶性及大小决
定,铬化合物可溶性越大,越容易通过呼吸道吸收.不溶性的
颗粒物的吸收由颗粒的大小决定,小颗粒(0.5pm)的吸收一般
是吸附并保持在肺泡中,直到被巨噬细胞吸收为止.长期接
触Cr(VI)的临床症状包括皮肤溃疡,鼻粘膜穿孔,肝炎及喉
炎,哮喘及呼吸道癌症(主要是鼻癌及肺癌).1990年芬兰职
业卫生部的调查数据表明与铬有关的癌症患病率占25%,其
次是Ni(20% ),石棉(15%)及苯(4%)0
实验表明,在生理pH范围内,当反应体系无任何还原剂
存在时,Cr(VI)并不与DNA反应,当有还原剂存在时,如葡萄
糖,抗坏血酸,谷胧甘肤等,大部分Cr(VI)化合物被还原成Cr
(111 )化合物,只有小部分Cr(VI)化合物在被还原过程中产生
Cr(V/IV)中间产物,而这两种化合物对DNA有明显的解旋作
用.上述还原性物质是人体内普遍存在的还原剂,故Cr(VI)
化合物对人体的毒性是因为其在还原过程中形成的中间产物
损伤DNA.还原剂在反应中起2种作用:(1)参与Cr(VI)化合
物的氧化还原反应;(2)稳定反应产物Cr(V)化合物.CI(IV )
化合物目前研究的很少,这是因为:它在水溶液中不稳定及没
有适当的检测手段.室温条件下顺磁共振波谱仪(EPR)对Cr
(V)化合物检测比较灵敏,而对Cr(IV)化合物的检测响应不
大,因而造成研究困难.与之相反,对Cr(V)化合物的研究相
对比较多,某些Cr(V)化合物的结构根据EPR及X光衍射谱
图已经确定,因此对研究Cr(V)化合物在生理pH范围内造成
DNA损伤机理探讨起了重要作用.
与Cr(VI)不同,Cr(III)化合物相对稳定且不易穿透细胞
膜,但Cr(VI)化合物可在细胞内被还原成Cr(III),因此Cr(III)
可能在细胞内也有生物作用.Cr(III)的营养价值表现为动物
实验中发现Cr(III)参与了葡萄糖的代谢,因而用于治疗II型
糖尿病,肥胖症及心血管疾病.Cr(III)化合物的毒性表现为
当Cr(V)在细胞内解旋DNA时,从反应机理可看出经过解旋
的(即使被修复的)DNA,它的链上始终含有Cr(III)基团,与未
参与过反应的DNA存在明显不同.此结论间接的被实验所
证实.如Crcl,,在水介质中可以和DNA结合,最新研究结果
显示Cr(III)可以与DNA的磷酸骨架及鸟嗦吟的N-7原子缓
慢结合[[6],因此,Cr(III)离子也可能有毒性.另外,最新细胞
培养实验结果也表明Cr(III)化合物在细胞内可被氧化成Cr
(VI)化合物[[7. 81,对职业接触Cr (III)的工人可能会有长期的
健康效应.至于DNA链上的Cr(III)在细胞内的毒性到底如
何,目前研究的还不是很多,有待于进一步探讨.到目前为止
还没有发现有职业接触Cr(III)引起的癌症,但皮肤过敏相对
普遍.
3铬化合物致癌的反应机理
3.1铬在细胞内的代谢
了解Cr(VI)在细胞中的代谢对理解由铬导致致瘤机理是
非常重要的.Connett和Wetterhahnl983年第一次提出铬进人
细胞内的模型,随后由其他研究者进行了修改[[9]
由于Cro;一与SO,一 /HPO,一离子结构相似,核电核数相
同,因此它很容易通过S叹一/HPO;一离子通道进人细胞中.
一但Cr(VI)化合物进人细胞中,它很容易被细胞内存在的各
种还原性物质所还原,这些还原物质可分为:含氨基酸的硫化
物,梭酸,小分子肤,维生素,多糖,核昔酸等.Cr(VI)的氧化
还原反应可引起多种DNA损伤,产生Cr-DNA加合物,DNA-
DNA交联,DNA一蛋白质交联,去碱基化及氧化反应等.最有
可能损伤DNA的化合物是Cr(V)化合物,Cr(IV)化合物及自
由基,致于究竞是自由基还是Cr ( V)及CI(IV)化合物损伤
DNA目前还在争论之中,有关实验证明Cr(V)或Cr(IV)化合
物是引起DNA损伤的主要化合物〔'.〕,但自由基在其中的作用
也不可忽视.由于Cr(V/IV)化合物可引起DNA多种损伤,因
此反应机理不一定局限与一种.下面介绍一个大多数研究者
普遍认同的反应机理.
3.2铬引起DNA损伤的可能反应机理
综上所述,最有可能损伤DNA的铬化合物是Cr(V/IV)化
合物.由于Cr(IV)化合物迄今为止研究的不多,故在这里不
进行详细的讨论.本文重点讨论Cr(V)化合物造成DNA损伤
的反应机理.与Cr(VI)化合物相似,Cr(V)化合物同样有很高
的穿透哺乳动物肺细胞膜的能力〔n],这就使得除了Cr(VI)在
细胞内被还原时产生Cr(V)中间产物外,体外产生的Cr(V)化
合物也可以进人细胞内并在细胞内引起DNA损伤.研究最
多的Cr(V)化合物是Na[ CrO( ehba), ],这种化合物易于合成与
提纯,在避光情况下可以保存很长的时间,同时配体2一乙基2-
轻基丁酮(ehba)是体内存在的如柠檬酸及乳酸盐等含经基的
典型分子,另外,Na[CrO(ehba),」的结构已经单晶X光衍射及
液相X光吸收光谱(XAFS)确定〔121
自从第一次观察到体外Na [ CrO ( ehba) 2〕在微酸状态下
(pH3. 8 - 4.8)可以解旋DNA后,其它研究者发现在生理声
值范围内Cr (V)化合物也可以解旋DNA及核昔酸
(nucleotides). Cr(V)化合物的寿命随着Cr(V)浓度的不同而
不同,并且与反应体系的配体种类,pH值及反应介质有关.
反应机理主要有两种路径(反应介质是丙酮或磷酸缓冲
液pH5.5一7.5),(1)有氧参与的在脱氧核糖环的C-4'位置形
成氢键而脱氢;(2)无氧参与的碱基释放机理.通过测定反应
产物,认为脱氧核糖环的C-4'上的氢易于与Cr(V)化合物结
合形成氢键,进而夺取氢原子或氢离子而分别产生DNA自由
412卫生研究第犯卷
基或DNA正离子.DNA自由基在有氧或无氧参与情况下被
氧化而断裂.另一方面,有机分子如乙醇,草酸,二甲亚讽
(DMSO )及常用的缓冲液如三经甲基氨基甲烷(Tris)等,在
pH7时还可以修复DNA自由基.另外DNA阳离子还可通过
无氧参与路径释放碱基使DNA的脱氧核糖环断裂.最新研
究成果对上述机理又进行了进一步修改,认为当Cr(V)化合
物与C-4'上的氢结合形成Cr(V)-DNA后,发生分子内一个
电子转移而形成Cr(IV)-DNA 中间产物,然后进一步解旋
DNA.这个结论是否正确还需进一步验证反应中间产物Cr
(IV)-DNA的存在.直接证明Cr(IV)-DNA的存在比较困
难,因为它的存在非常短暂.目前对这个中间产物的认识还
不清楚,还需进一步证实.
从以上机理可看出Cr(III)-DNA无论在哪种情况下,即使
是在有抑制剂如有机分子的存在状况下也可产生.目前这种
加合物的毒性还不清楚,也可能在体内的毒性比Cr(IV/V)的
还大,这是因为:(1)后者很容易被细胞内存在的还原剂所还
原;(2) Cr(III)-DNA加合物从动力学角度讲比较惰性,与氧化
的DNA相比,不易被酶所修复与重组;(3)个体在暴露Cr(VI)
后形成的Cr(III)可以在细胞内蓄积,并在体内存在相当长的
时间[,].
另外学术界还提出了另一种铬化合物引起DNA损伤的
反应路径〔'们.它认为无机高价金属化合物是强氧化剂,与还
原性物质作用可产生 OH,而 OH是主要的使DNA损伤的毒
性物质,这是因为在细菌细胞中由铬引起的突变有02的参
与,且在旋转捕捉实验(DMPO)中发现有DMPO-OH加合物,并
认为它是DMPO与 OH的反应产物〔14,151,但他们没有考虑到
强氧化剂如Cr(V/IV)也可以生成同样的产物〔161,其它体外实
验结果也对 OH的作用提出疑问〔17 1,这些实验包括用Cr(VI)
处理的细胞及Cr(VI)氧化DNA.反应结果证明 OH的扩散
是非常有限的,因此不是主要的引起DNA断裂的物质,但是
活性氧化自由基(ROS)的作用并不能忽视,这是因为这些反
应还会产生ROSS 181.当有高价过度金属中间产物存在时,
ROS在氧化DNA机理方面的作用目前有一些报道,但还不能
完全解释实验结果.有关ROS的作用还需有关工作者继续
进行深人探讨.
(III)的营养作用提出了疑问,因此Cr(III)在人体内的作用还
需进一步探讨,尤其是它与胰岛素的反应机理还需进一步认
识.
5参考文献
1 Burrows D. Chromium:
叭〕石c. Boca Raton
metabolism and toxicity, in chromium. Meta
CRC Press, 1983, 14-15
4小结 本文总结了目前铬化合物在无机生物化学方面的研究进
展.了解铬化合物的生物活性比较困难,因为它的化学价态
比较多,因而它的氧化一还原反应及配体的交换能力差别很
大.有两大方面的工作是今后发展的方向.(1)根据现有的
实验结果证明Cr(VI)的毒性只有当体系中存在还原剂时才能
表现出来,故体外实验体系Cr(VI)+还原剂+氧气十DNA是
今后Cr(VI)化合物毒性的研究方向;同时,目前的机理研究还
仅限于DNA链上的解旋,其对基因表达的影响将是未来的发
展方向;(2) Cr(III)化合物通常指Cra,和W N仇),,而未考
虑其在水溶液中易水解而改变其原有的化学性质.目前对
Cr(III)的生物作用认识还不是很清楚,有些实验结果还对Cr

http://202.96.31.71:85/~kjqk/wsyj/wsyj2003/0304pdf/030439.pdf

http://www.c3h3.com/Article/Print.asp?ArticleID=1035&Page=1

污水综合排放标准得总铬最高容许排放浓度为1.5mg/L。