基因毒性杂质作用原理-中文版

1、DNA发遗传毒性致癌物发生致癌和致突变的作用,第一步一般认为都是和生反响.从机理上理解基因毒性杂质的作用原理,不用死记硬背,就能轻松记住所有的基因毒性杂质.根据Miller的理论：致癌物要么是亲电试剂,要么可以代谢成亲电试剂.然后和 DNA的亲核 基团发生反响.DNA的亲核活性基团主要有： ?碱基上的氮? 碱基上的氧?磷酸酯骨架先来看一下DNA的结构双螺旋的DNA主要含有四个碱基,分别是 腺喋吟、鸟喋吟、胞喀呢、胸 腺喀呢以及磷酸酯的串联骨架.这些口密呢和喋吟上面的氮氧都富有电子,如果遇见一些缺电子的试剂,很 容易发生取代等反响.事实上,DNA的反响种类除了只反响某一处位点外,还会有一些比拟复

2、杂 的反响类型：?可以看到有的碱基上不仅含有一个亲核位点,如果一个致癌物有两处 亲电位点,反响一处后,还会和碱基的另外一个位点反响,生成一些 小环.?双亲电基团的另外一个基团也有可能和两个不同的碱基链接,甚至可 以和两个螺旋上的不同碱基链接.?也会有可能另外一个基团和蛋白质反响,造成 DNA-蛋白质的链接DNA的反响活性除了亲核性之外,主要受空间结构的影响.Guanine中的N7位置位于DNA双螺旋的大沟槽处,空间较大,容易和亲 电试剂接触,反响活性显然要比Adenine中处于小沟槽中的 N3 红色数字要高.当然根据结构也能预知,Adenine的N1和Cytosine的N3 绿色数字位置处于狭

3、窄的分子空间内,又有氢键相连,所以根本上没有反响活性.DNA反响并不都是反响在氧和氮上,比方粉红色的C8位置也能发生反应,不过该反响也是先和相邻的N7反响然后重排到 C8.纯粹的理论说明略显枯燥,下面会详细介绍每一类含有警示结构的致癌 物.酰化试剂酰基卤化物酰基卤化物由于卤原子电负性较大,吸引电子,导致跋基碳非常缺电子, 一旦和DNA接触,会和腺喋吟的好基氧发生酯化反响.二甲氨基甲酰氯和二乙氨基甲酰氯被IARC归为致癌物2A类.异富酸酯类异氟酸酯是具有多种商业应用的高活性化合物.广泛用于制造聚氨酯泡 沫、弹性体、涂料、粘合剂、涂料、杀虫剂和许多其他产品.单芳基异鼠 酸酯是制造药品和农药的重要中

4、间体.观察到胞喀呢、腺喋吟和鸟喋吟的外环氨基上的氨和异氟酸酯反响,胸腺 喀呢未检测到加合物.烷基化亘接作用试剂磺酸、磷酸酯类烷基化试剂一般烷基为小于5个碳的小分子烷烧,由于烷姓为供电子基团,碳原子越 多,给电子水平强,磺酸、磷酸的诱导作用减弱,烷基的亲电变差,反响 活性减弱.磷酸酯中P和C都是亲电位点,和 DNA反响主要有两种反响机理:?亲核试剂进攻烷基碳?亲核试剂进攻磷原子第一种机理是遗传毒性主要的因素,烷基越小反响活性越高.有机磷农药不仅具有遗传毒性,还有神经毒性.通过一些数据已经观察到有机磷杀虫剂可以使 Guanine的N7位置烷基化.磺酸酯类主要是通过使 DNA烷基化发挥遗传毒性.烷基

5、化的反响机理分为两种：?通过SN1反响机理,一般是小分子烷烧,比方磺酸甲酯、磺酸乙酯.DNA烷基化的主要位点是鸟喋吟的N7.?通过SN2反响机理,一般是支链烷烧,比方磺酸异丙酯. DNA烷基化的主要位点是鸟喋吟的 O6 .值得着重介绍一下的是 Busulfan ,白消安,1, 4-双甲基磺酰氧丁烷.是一种双功能烷化剂,可以和两分子鸟喋吟反响产生鸟喋吟-鸟喋吟桥,将DNA相互交联.N-羟甲基衍生物该类物质属于代谢后产生活性甲醛,发挥遗传毒性.甲醛属于高活性致癌物,会和DNA发生多种反响.详见后面醛类遗传毒性杂质.硫芥和氮芥硫芥和氮芥的反响机理类似.首先是一个氯原子离去,形成氮杂环丙烷1 ,然后被

6、鸟喋吟的 N7位开环成2,另外一个氯原子离去,再次形成氮杂环丙烷3, 3可以被水开环成4,也可以和另外一分子的鸟喋吟反响,成两分子交联.正是由于它们可以诱导 DNA链间交联,使 DNA丧失了复制水平,所以导 致高度的遗传毒性和细胞毒性.伊内酯和丫-磺酸内酯B内酯四元环具有很大的张力能,因此遇到亲核试剂很容易开环.和DNA的反响主要发生在鸟喋吟的N7处以及腺喋吟的 N1处,生成竣乙基衍生物.r磺酸内酯反响类似.环氧化物和氮杂环丙烷环氧乙烷是常见的环境污染物,会产生很大的人类直接或间接暴露.环氧乙烷活性较高,两个碳原子均可以发生反响.最常见的和DNA中的氮反生亲核开环反响,生成伊羟乙基衍生物.主要

7、反响位点：? 胞口密噬N3?腺喋吟N1和N3? 鸟喋吟N7?磷酸酯和磷酸酯的烷基化会导致DNA断裂氮杂环丙烷和环氧反响类似.卤代脂肪族类试剂遗传毒性的潜力取决于卤素的性质、数量和位置以及化合物的分子大小甲基澳和甲基碘化物已被证实能直接烷基化关键大分子,如蛋白质和DNA.一卤甲烷的肝脏代谢的第一步是与谷胱甘肽GSH结合,导致S-甲基谷胱甘肽的形成.这种物质最终可能转化为甲硫醇,后者被认为是有毒的代谢 物.或者,甲醛的产生可能导致细胞损伤.甲醛可能来源于细胞色素 P450直接氧化母体化合物或甲硫醇的代谢.二卤代烷始通常通过谷胱甘肽或者细胞色素P450代谢后活化,产生遗传毒性.比方1, 2-二氯乙烷

8、作为一类试剂,被 GSH活化形成硫芥类中间态,和鸟 喋吟反响,引发遗传毒性.三卤代烷姓容易被 P450氧化活化,产生光气,光气是一种高活性的亲电 中间体.完全卤代烷始倾向于自由基机理反响.四氯化碳在P450中被复原成三氯甲基自由基,该自由基和DNA之间的加合物是导致肝癌的主要原因.三氯甲基自由基也可以和氧气反响,生成光气.亚硝酸烷基酯亚硝酸酯和DNA的作用机制尚不明确,一般有两种观点：?亚硝酸酯和DNA上的氮发生酯交换反响? DNA和亚硝酸酯的烷基局部发生烷基化反响虽然作用机制不明确,但是亚硝酸酯类具有遗传毒性已经被很多证据证实.a,伊不饱和埃基a,伊不饱和好基作为活泼的迈克尔受体,很容易被亲

9、核试剂进攻B碳或者跋基碳.和 DNA的反响形式多样,以鸟喋吟为例进行说明.鸟喋吟的环外胺基首先发生迈克尔加成,得到化合物1,化合物1有两种反响途径：?酰胺处的胺基进攻撅基,得到环合的半缩醛2?裸露的撅基和另外一分子鸟喋吟进行缩合反响,然后酰胺进攻亚胺环合得到交联的 5.小分子醛小分子醛的反响活性高,均会和DNA中的胺基反响生成席夫碱.最小的醛为甲醛,反响活泼.是一种广泛使用的化学品,常用作防腐剂、消毒剂、树脂和化工品的原料.在环境中广泛存在.目前通过动物和人体实验已经证实,甲醛具有很强的细胞毒性和遗传毒性.常引起 DNA和蛋 白质交联,是导致遗传毒性的主要原因.乙醛和鸟喋吟生成席夫碱1,1被复

10、原得到2,如果1继续和乙醛缩合得到3.化合物3也会像不饱和醛一样环合得到4.化合物4可以导致DNA编码错误并抑制DNA合成.没有环合的5和另外一分子的鸟喋吟反响得到交联的6.小分子醛的遗传毒性的主要原因就是4和交联的6引起DNA损伤.醍类酿类即是亲电试剂也是氧化试剂,容易被复原成酚.酿遗传毒性的两个主要机理是：?亲核剂的烷基化由于醍本身也是迈克尔受体,易于被亲核试剂进攻,可以和蛋白质上 GSH、半胱氨酸烷基化?氧化复原反响.它们可以与相应的半醍自由基进行酶促即细胞色素P450/P450 复原酶和非酶氧化复原循环,导致 ROS的形成,包括超 氧阴离子,过氧化氢,并最终形成羟基自由基.ROS是造成

11、衰老和癌变的主要元凶.烷基化间接作用试剂单卤代烯烧卤代烯姓经过 P450代谢后会被氧化成环氧化合物,然和和DNA反响诱导癌变.多卤代烯姓的反响更为复杂,三氯代乙烯经过P450代谢可以生成酰氯、环氧、氯代醛,这些物质均会诱导癌变.肿类肥作为药物种类很多： ?异烟用治疗结核?苯乙肺抗抑郁? 丙咔嗪用于治疗Hodgkin s但是含肥药物的主要副作用就是致癌、肝毒性和诱导红斑狼疮.该类物质通过P450中氧化酶的催化,脏被氧化成偶氮类化合物.然后反应生成一系列碳正离子、自由基等活性物质,最终导致DNA烷基化,诱导癌变.脂肪族偶氮化合物该系列化合物是脏的氧化中间体,见上图.作用机理一致.氨基甲酸酯和硫代氨

12、基甲酸酯具有代表性的分子是氨基甲酸乙酯乌拉坦.是一种的多部位致癌 物,能够在各种器官和动物物种中诱导月中瘤.乌拉坦以往被用作催眠剂,以及用于治疗包括慢性白血病、多发性骨髓瘤 和静脉曲张在内的一系列疾病.在商业上,氨基甲酸乙酯被用作杀虫剂、 熏蒸剂和化装品的助溶剂.氨基甲酸乙酯也是发酵过程的副产品,在烟叶和烟雾中发现.目前,人类暴露于氨基甲酸乙酯的最大风险是通过饮用酒精饮料和发酵食 品.乌拉坦在体内的代谢主要有两种途径：?解毒途径通过一些酶的催化,代谢成低毒性的乙醇、二氧化碳和氨气?生物途径P450催化的氨基甲酸乙酯发生氧化,脱氢生成氨基甲酸乙烯酯,随后生 成环氧化物氨基甲酸乙烯酯.氨基甲酸乙烯

13、酯环氧化物被认为是氨基甲酸 乙酯的最终致癌代谢物,能够与 DNA结合并产生诱变.硫代氨基甲酸酯主要用作除草剂.硫代氨基甲酸酯已被证实通过S-氧化进行代谢生物活化,形成活性亚碉和碉中间体,它们是强有力的氨基甲酰化试剂.已经观察到硫代氨基甲酸酯暴露与结肠癌和白血病之间存在正相关.N-亚硝胺化合物N-亚硝胺在各种N-亚硝胺化合物代表一类非常稳定的化学致癌物.很多种 动物物种中已经被证实具有致癌作用.广泛存在于食品、饮用水、化装品和农药中.N-亚硝胺需要代谢活化产生基因毒性的原因主要有两方面:?代谢得到活性烷基和大分子DNA或者蛋白质烷基化是产生遗传毒性和致癌性的主要原因?代谢得到的小分子醛会进一步和

14、DNA结合造成额外的损伤N-亚硝胺是属于基因毒性杂质的重点关注对列,有着更加严苛的质量限制 标准.有代表性的是 NDMA在缴沙坦中的限度被要求限制到0.3ppm叠氮和三氮烯类三氮烯的致突变作用机理是：代谢后导致DNA的烷基化.化合物1通过细胞色素 P450酶的代谢氧化得到羟甲基三氮烯2,羟甲基三氮烯 通过脱除甲醛产生单甲基三氮烯3.3能够通过产生甲基重氮离子4来甲基化 DNA 和RNA.N-硝基胺化合物硝基脂肪胺的致癌作用机理尚不明确,主要有两种观点:?复原活化：硝基胺化合物通过复原作用生成亚硝基、偶氮、胺等活性基团,参与DNA反响?氧化活化：含甲基胺硝基化合物氧化后降解出甲醛,作为活性试剂导

15、致癌变a,伊不饱和脂肪族醍致癌物黄曲霉素的关键组成结构,并被认为是黄曲霉素发生癌变的主要关 键基团.黄曲霉素B1通过P450活化后产生环氧化物,被 DNA中的亲核N开环, 产生遗传毒性.DNA加合物 间接作用试剂多环芳姿具有平面高度共腕芳香结构的多环芳烧包括杂环芳香族化合物,需要代谢活化才能发才¥其致突变 /致癌作用.主要有以下三种作用机理：1 .最普遍接受的激活多环芳姓的反响机理涉及二醇-环氧化物的形成.细胞色素P450单加氧酶的初始环氧化,然后是环氧化物水合酶EH介导的水解为反式二醇,以及相邻双键的第二次环氧化.活性产物会引起DNA的烷基化 PAH二醇环氧化物形成有害DNA加合物

16、的水平依赖于环氧基的位置.邻近“Bay或"Fjord区域的末端环氧化产生高度诱变性和致瘤性化合物.2 .多环芳姓代谢活化以引发癌症的另一机理是细胞色素P450单电子氧化,产生自由基阳离子.自由基阳离子在苯环中有两种存在形式： ?给单子对位路径1 , DNA进攻对位?苇基位置路径2, DNA进攻下基位3 .第三条PAH活化途径,涉及二氢二醇脱氢酶DDs催化形成高活性和氧化复原性物种-邻酿.中间生成多种 ROS ,如超氧自由基和过氧化氢自由基.最后得到的化合物4,也是一个迈克尔受体,都会引起DNA损伤.杂环多环芳煌作用机理类似于多环芳姓.都需要代谢活化,唯一不同的一条路径是杂环多环芳姓有

17、可能经历 N杂环的氧化.香豆素和映喃香豆素香豆素的致癌机理目前尚不清楚.在人类中,香豆素主要由 P450代谢为7-羟基香豆素5, 7-羟基香豆素5 作为葡萄糖醛酸和硫酸盐结合物在尿中排泄.在啮齿动物中,香豆素代谢的主要途径是通过香豆素3, 4-环氧化物1,导致形成包括邻羟基苯乙醛 2,邻羟基苯乙醇3和邻羟基苯乙酸4在内 的开环代谢物.具体和DNA的反响机理还没有定论.吠喃香豆素是DNA的交联试剂.该系列化合物结构中具有两个光活性双键,当用长波长紫外光照射时,会 发生【2+2】环加成反响,导致 DNA交联.含氮芳香环和DNA的加合物间接作用试剂亚硝基芳香化合物含有芳香胺、硝基、亚硝基或羟胺基团的

18、化合物,活化机理有相似性.一般都经过芳香羟胺中间体,通过酶促活化,最终产生亲电物种,和亲核 的DNA产生加合物.亚硝基的作用机理略有不同：芳香羟胺被不同的酸活化,产生苯胺正离子的活性亲电物种,然后和DNA加和.芳香N-O化物虽然其作用机理尚不完全清楚,但芳香族N-氧化物被发现是各种致癌物的重要组成局部.硝基芳煌硝基芳香化合物的代谢活化涉及到硝基的单电子复原,以产生共振稳定的 硝基阴离子自由基.?在有氧条件下,自由基可以复原分子氧,形成超氧阴离子,产生各种和DNA反响的活性氧物种.?在厌氧的环境中,硝基阴离子自由基可以进一步复原为亚硝基、羟胺和胺.进一步活化羟胺产生反响性硝离子芳香胺芳香胺必须代谢为反响性亲电试剂,才能发挥致癌作用.对于芳香胺和酰胺,这通常涉及N-羟基芳胺和N-羟基芳酰胺的初始 N-氧化.这是由细胞色素 P450介导的.在通过酶的酯化作用进一步活化,形 成活性亲电物种.最终造成DNA损伤.芳香重氮化合物偶氮化合物通过其代谢物芳香胺,具有生物活性.常见非遗传毒性的致癌物这些化合物不会直接和DNA反响,但是由于强烈的致癌作用也会在药品标准中需要着重关注.硫代谈基化合物IARC将其归类于非遗传毒性,但是该类化合物具有致癌、致畸和促甲状腺月中等危害.聚合卤代环烷炫提出了几种致癌作用机理但并非和DNA的直接作用? (I)抑制细胞间通讯? (Ii)粗面内质