毒性作用机制PPT课件

1、毒性作用机制 第四章第四章 毒作用机制毒作用机制 毒性作用机制 n有毒化学物数量庞大，中毒的表现多种多 样，导致毒性作用的机制各有不同，有些 比较简单如腐蚀性的强酸、碱等；有的是 扰乱正常的代谢，如影响酶的活性（氰离 子(CN-)能与氧化型细胞色素氧化酶中的铁 离子（Fe3+）结合，使细胞色素氧化酶的活 性被抑制而导致生物功能丧失，造成组织 缺氧）。 毒性作用机制 n尽管对某些外源化学物毒作用机制进行了 深入的研究，但大多数毒物的毒性作用机 制尚未完全阐明。关于中毒机制的理论和 假设较多，例如，细胞钙稳态学说、自由 基学说等。 毒性作用机制 毒作用的机制（4个历程） 目前为止大家比较认同，多数

2、毒物发挥毒作用至少经历4个过程： n1、经吸收进入机体的毒物通过多种屏障转运转运至一个 或多个靶部位； n2、进入靶部位的终毒物与内源靶分子发生交互作用 （反应）（反应）； n3、毒物引起机体分子、细胞和组织水平功能和结构 的紊乱紊乱； n4、机体启动不同水平的修复机制应对毒作用，当机 体修复功能低下或毒物引起的功能和结构紊乱超过 机体修复能力时，机体即出现组织坏死、癌症和纤 维化等毒性损害。（无法修复）（无法修复） 重要重要 毒性作用机制 化学物暴露后毒性发展可能存在 的阶段 毒性作用机制 第一阶段：从暴露部位到靶部位 毒性作用机制 1终毒物的概念 n毒效应的强度主要取决于终毒物在其作用位点

3、的 浓度及持续时间。 n终毒物终毒物（ultimate toxicant）是指与内源靶分子（如 受体、酶、DNA、微丝蛋白、脂质）相互作用， 使整体性的结构或功能改变，从而导致毒性作用 的物质。 终毒物可为机体所暴露的原化学物（母化合物）；而 另外一些毒物的毒性主要是由于其代谢物引起，生物 转化为有害产物的过程称为增毒（toxication）或代谢 活化（metabolic activation）。 重要 毒性作用机制 2终毒物的类型 n(1) 亲电子剂（electrophiles） n(2) 亲核物 (nucleophiles) n(3) 氧化还原性反应物(redox-active redu

4、ctants) n(4) 自由基 (free radicals) 毒性作用机制 2.1 亲电子剂（electrophiles） n是指含有一个缺电子原子的分子。 n带部分或全部正电荷，容易与亲核物中的 富含电子的原子共享电子对而发生反应。 形成方式： 插入的氧原子从外源化学物附着的原子中获得 一个电子，使其具有亲电性。如乙醛 共轭双键通过氧的去电子作用被极化。如醌 毒性作用机制 2.2 亲核物 (nucleophiles) n并不多见。具有一个原子或几个原子有多 余电子。 n最典型的是： 氰化物：苦杏仁经肠道菌糖苷酶催化水解 硒化氢：亚硒酸盐与谷胱甘肽或其他巯基反应 CO: 二卤甲烷经过氧化脱

5、卤的有毒代谢产物 毒性作用机制 2.3 氧化还原性反应物(redox-active reductants) n具有活性的各种氧化还原反应物 如：能引起高铁血红蛋白的亚硝酸盐。可在小 肠由硝酸盐经肠道菌还原而成，也可由亚硝酸 酯与谷胱甘肽反应产生。 n一般认为亲核物和活性氧还产物最终还是一般认为亲核物和活性氧还产物最终还是 形成亲电子物和自由基，是主要的终毒物形成亲电子物和自由基，是主要的终毒物 毒性作用机制 2.4 自由基 (free radicals) n自由基（free radicals）是独立游离存在的 带有不成对电子的分子、原子或离子。自 由基主要是由于化合物的共价键发生均裂 而产生。

6、 毒性作用机制 2.4.1自由基的来源与类型 n自由基在生物体内来源有： 细胞正常生理过程产生； 化学毒物在体内代谢过程产生。 毒性作用机制 毒性作用机制 n在与生物体有关的自由基中，最主要的是氧中心氧中心 自由基自由基，这类自由基持续不断地在机体内产生。 活性氧(reactive oxygen species, ROS)这个术语 实际上是一个集合名词，不仅包括氧中心自由基 如O2-，和OH，而且也包括某些氧的非自由基衍 生物，如H2O2、单线态氧和次氯酸，甚至还包括 过氧化物、氢过氧化物和内源性脂质及外来化合 物的环氧代谢物，因为它们都含有化学性质活泼 的含氧功能基团。 毒性作用机制 2.4

7、.2自由基的共同特点是： n（1）具有顺磁性、其化学性质十分活泼、反应性 极高，因而半减期极半减期极短短，一般仅能以s计。 n（2）自由基的产生是可传递的，呈链式链式的，产生 以后迅速作用于另外一个分子，生成新的自由基， 不断损害机体。 n（3）作用半径短作用半径短，只与临近的分子作用。 n（4）自由基存在时间短、半径小，因此无法捕获， 测定非常困难。只能用间接的办法，通过测定自 由基损伤后的产物来证明，如过氧化脂质，丙二丙二 醛醛（MDA）。 重要重要 毒性作用机制 2.4.3机体对氧化损伤的防御系统 n（1） 酶性抗氧化系统 SOD：是一类含有不同辅基的金属结合酶家族， 如CuZn-SOD

8、、Fe-SOD与Mn-SOD。它们在细 胞内定位变化很大，CuZnSOD存在多种脏器 内如肝脏、红细胞，而Mn-SOD主要在线粒体。 它的唯一生理功能是歧化超氧阴离子(O2-)，生 成H2O2和O2。 毒性作用机制 过氧化氢酶（CAT）：位于肝细胞和红细胞内 过氧化小体中，其主要功能是将H2O2转化为水。 GSH-Px（GPO）：在机体内广泛存在，能特 异地催化谷胱苷肽对过氧化物的还原反应，使 过氧化物转化为水或相应的醇类。可阻断脂质 过氧化的链锁反应。 毒性作用机制 谷胱甘肽还原酶（GR）：其分布同GSH-Px， 主要功能是产生还原型的谷胱甘肽(GSH)，以 保护机体解毒功能的执行。 心肌黄

9、酶(DT diaphorase):葡萄糖-6-磷酸脱氢 酶。 毒性作用机制 （2）非酶性抗氧化系统 n在生物体系中广泛分布着许多小分子，它们能通 过非酶促反应而清除氧自由基。例如，维生素维生素C、 维生素维生素E、GSH、尿酸、牛磺酸和次牛磺酸等。、尿酸、牛磺酸和次牛磺酸等。 n谷胱苷肽(GSH)参与GSHPx的作用，使过氧化 物还原为H2O和氧化型谷胱苷肽(GSSG)。有些有 毒化学物可耗竭肝脏GSH而继发脂质过氧化，如 丙烯腈、苯乙烯等。 毒性作用机制 n维生素E：它必须与膜结合才能发挥抗氧化 作用。首先与氧自由基反应，生成生育酚 自由基，再由抗坏血酸GSH氧化还原偶 联反应而还原。它属于

10、“链断裂”抗氧化 剂，主要通过提供不稳定的氧给过氧自由 基和烷基自由基，从而防止脂质过氧化。 毒性作用机制 2.4.4自由基对生物大分子的损害作 用 n（1） 脂质过氧化损害： 脂质过氧化(lipid peroxidation) ：指 主要由自由基引起的多不饱和脂肪 酸的氧化作用对生物膜生物膜具有强烈的 破坏作用。 毒性作用机制 n脂质过氧化的后果： 细胞器和细胞膜结构的改变和功能障碍。 脂质过氧化物的分解产物具有细胞毒性，其 中特别有害的是一些不饱和醛类。 对DNA影响： n一是脂质过氧化自由基和烷基自由基可引起DNA碱 基，特别是鸟嘌呤碱基的氧化； n一是脂质过氧化物的分解产物，丙二醛可以

11、共价结 合方式导致DNA链断裂和交联。 毒性作用机制 （2）蛋白质的氧化损伤 n机制： (a)对脂肪族氨基酸氧化损伤最常见的途径为： 在-位置上将一个氢原子除去，形成C中心 自由基，再加氧其上，生成过氧基衍生物。后 者分解成NH3及-酮酸，或生成NH3、CO2与醛 类或羧酸，破坏脂肪族氨基酸的结构破坏脂肪族氨基酸的结构。 (b)芳香氨基酸很少出现-除氢，而多形成羟基形成羟基 衍生物衍生物。后者可将苯环打开或在酪氨酸处交联交联 成二聚体成二聚体。 毒性作用机制 n后果 氧化的后果是凝集与交联，或是蛋白质的降解 与断裂，这主要取决于蛋白质成分的特征及自 由基的种类。 毒性作用机制 （3） 对DNA

12、的氧化损伤 活性氧对DNA的损伤作用，可能是突变和癌 变的基础，还与细胞凋亡有关。 n碱基损伤 活性氧攻击DNA的靶位点是腺嘌呤与鸟嘌呤的 C8，嘧啶的C5与C6双键。 nDNA链断裂： 毒性作用机制 nDNA链断裂在基因突变的形成过程中有重要意义。 DNA链断裂后，有下列途径产生突变： DNA链断裂造成部分碱基的缺失； DNA链断裂后，正常的细胞将启动修复过程，多种 酶可以辨别DNA内异常，并通过切割、再合成、重合 等途径使之修复。如酶也受自由基破坏或功能难以达 到修复的要求，可能造成被修复的DNA碱基的错误掺 入和错误编码； 可能引起癌基因的活化，或抑癌基因的失活。 毒性作用机制 第二阶段

13、：终毒物与靶分子的反应 毒性作用机制 1. 靶分子的属性 n实际上所有内源分子都是毒物潜在靶分子； n最为重要的是生物大分子如：核酸和蛋白质； n也涉及一些小分子如：膜脂质。 毒性作用机制 2.反应的类型 n非共价结合 n共价结合 n去氢反应 n酶促反应 n电子转移 毒性作用机制 2.1非共价结合（nonconvalent binding）: n通过非极性交互作用或氢键与离子键的形成，具 有代表性的是毒物与膜受体、细胞内受体、离子 通道以及某些酶等靶分子的交互作用。 n非共价结合一般是可逆可逆的，导致的毒性损害较小。 如西维因，一种有机氯农药，也可与乙酰胆碱酯 酶结合，呈疏松的整体分子结合，主

14、要靠静电氢 键结合，所以影响较小，是可逆的，机体慢慢会 恢复。但不能使复能剂，用解磷定无效，反而妨 碍解毒。 毒性作用机制 2.2 共价结合（convalent binding）: n指化学毒物或其具有活性的代谢产物与机 体的一些重要大分子发生共价结合，形成 加合物，从而改变核酸、蛋白质、酶、膜 脂质等生物大分子的化学结构与其生物学 功能。共价结合是不可逆不可逆的。 n加合物(adducts)指活性化学物与细胞大分 子之间通过共价键形成的稳定复合物稳定复合物。 毒性作用机制 2.2.1 与蛋白质的共价结合 n化学毒物与蛋白质的共价结合是不可逆的， 影响了蛋白质的结构和功能。如黄曲霉毒 素B1能

15、与白蛋白结合后、使白蛋白丧失了 作为载体的功能。 毒性作用机制 2.2.2 与核酸分子的共价结合 n化学毒物及其代谢产物与核酸分子的共价结合， 是研究化学毒物致癌作用的热点。有研究表明， 一旦细胞内DNA加合物形成，致癌过程即已启动， 随后进入促进和发展阶段。化学毒物与核酸共价 结合形成加合物有两种方式，一种是直接加合， 如烷化剂。另一种是需经代谢活化，生成具有活 性的代谢物才能结合，如多环芳烃类、黄曲霉素 类，大多数的化学物质以这种方式结合。 毒性作用机制 3.结合的后果 n3.1 靶分子结构的破坏 毒物与靶分子形成加合物、发生交联和断链改 变分子结构。如DNA加合物 n3.2 靶分子功能的

16、破坏 激活或抑制酶的活性（如戒酒硫） n3.3 形成新抗原 毒物及其代谢物与蛋白质结合，激发新的免疫 反应，如药物引起的狼疮。 毒性作用机制 第三阶段：细胞功能障碍及其导致的毒性 毒性作用机制 1. 毒物引起细胞调节功能障碍 n1.1 基因表达的调节障碍 细胞分裂异常：形成肿瘤，畸胎 细胞凋亡：组织退化，或畸胎 蛋白质合成受损 n1.2 细胞瞬息活动的调节障碍 特定细胞正常运行的控制是通过作用于膜受体 的信号分子来实现的。 n如：Ca2+ ，细胞钙稳态失调学说 毒性作用机制 1.2.1 细胞内钙稳态 n在毒理学中，发现细胞损伤和死亡与胞内 钙浓度增高有关，已发展成中毒机制的一 种重要学说重要学

17、说，细胞钙稳态紊乱学说，即细 胞内钙浓度不可控制地增高，从而产生一 系列反应，导致细胞损伤或死亡。 毒性作用机制 n在细胞内的钙有两种类型，游离的钙离子和与蛋 白质结合的钙。与钙结合的蛋白有两种类型，一 是结合在细胞膜或细胞器膜内的蛋白质上，二是 结合在可溶性蛋白质上。激动剂刺激引起细胞 Ca2+动员，可调节细胞的多种生物功能，包括肌 肉收缩、神经转导、细胞分泌、细胞分化和增殖。 Ca2+在细胞功能的调节中起了一种信使作用信使作用，负 责将激动剂的刺激信号传给细胞内各种酶反应系 统或功能性蛋白。 毒性作用机制 n在细胞静息状态下细胞内游离的Ca 2+仅为10- 7mol/L，而细胞外液Ca2+

18、则达10-3mol/L。当细胞 处于兴奋状态，第一信使转递信息，则细胞内游 离Ca2+迅速增多可达10-5mol/L，此后再降低至10- 7mol/L，完成信息转递循环。认为Ca2+是体内第 二信使。上述Ca2+浓度的变化过程呈稳态状，称 为细胞内钙稳态。 毒性作用机制 1.2.2 钙稳态失调的机制 n1.2.2.1 细胞内钙稳态的失调 细胞Ca2+信号的改变在各种病理及毒理学过程 中起重要的作用。在细胞受损时可导致Ca2+内 流增加，或Ca2+从细胞内贮存部位释放增加， 或抑制细胞膜向外逐出Ca2+ ，表现为细胞内 Ca2+浓度不可控制的持续增加，即打破细胞内 钙稳态，或称为细胞内钙稳态的失

19、调。 毒性作用机制 1.2.2.2 钙稳态失调学说 nCa2+这种失调或紊乱，将完全破坏正常生 命活动所必需的由激素和生长因子刺激而 产生的短暂的Ca2+瞬变，危及细胞器的功 能和细胞骨架结构，最终激活不可逆的细 胞成分的分解代谢过程。这就是所谓中毒 机制中钙稳态失调学说。 重要重要 毒性作用机制 1.2.2.3 机制 n钙的浓度变化，可通过下列途径造成细胞 损伤： n（1）正常的激素和生长因子刺激的Ca2+信 号的受损。 n（2）钙依赖性降解酶的活化，包括蛋白酶、 磷脂酶和核酸内切酶。 n（3）损伤细胞骨架 n（4）损害线粒体 n（5）与细胞凋亡有关 毒性作用机制 1.2.3 细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性 n1.2.3.1 重金属离子 主要有铅和镉。 n铅一方面与Ca2+及CaM结合，激活Ca-CaM依赖 酶系。另一方面高浓度时与细胞内巯基激活，可 抑制Ca-CaM依赖酶系，并呈剂量依赖的双相 效应。可见铅的中毒机制中Ca2+有重要意义。 n镉可使CaM含量减少。表现为免疫系统、雄性生 殖系统以及心肌