化学物质的毒理机制

1、第一节第一节 概概 述述 第二节第二节 化学毒物毒作用的分子机制化学毒物毒作用的分子机制 第三节第三节 化学物质的结构与毒性的关系化学物质的结构与毒性的关系第五章第五章 化学物质的毒理机制化学物质的毒理机制中毒是有毒化学物与机体交互作用，导中毒是有毒化学物与机体交互作用，导致机体的功能或结构产生不良改变的结致机体的功能或结构产生不良改变的结果，这些改变除与机体本身的属性有关果，这些改变除与机体本身的属性有关外，主要取决于化学物暴露的程度与途外，主要取决于化学物暴露的程度与途径。径。 研究毒性机制应明确以下几点研究毒性机制应明确以下几点1.毒性效应是由毒物引起正常细胞发生生理和毒性效应是由毒物引

2、起正常细胞发生生理和生化改变的结果生化改变的结果2.毒性效应的程度除毒物本身外，还与剂量及毒性效应的程度除毒物本身外，还与剂量及靶部位有关靶部位有关3.靶组织和靶器官具有代偿能力，可超常发挥靶组织和靶器官具有代偿能力，可超常发挥解毒功能解毒功能4.毒效应包括一般毒性效应和特殊毒性效应毒效应包括一般毒性效应和特殊毒性效应产生毒性可能的途径产生毒性可能的途径1 吸收、分布、代谢、排泄吸收、分布、代谢、排泄2 与靶分子相互作用与靶分子相互作用3 细胞功能失调损伤细胞功能失调损伤4 细胞修复功能失调细胞修复功能失调化学毒物毒 性毒性机制涉及多个层次和步骤毒性机制涉及多个层次和步骤毒物被转运到一个或多个

3、靶部位毒物被转运到一个或多个靶部位毒物或代谢产物与内源性靶分子相互作用毒物或代谢产物与内源性靶分子相互作用细胞结构与功能紊乱细胞结构与功能紊乱启动细胞或分子水平修复启动细胞或分子水平修复毒物引起的靶分子结构改变或功能紊乱超过修复能毒物引起的靶分子结构改变或功能紊乱超过修复能力或修复本身障碍时，即产生毒性效应力或修复本身障碍时，即产生毒性效应第二节第二节 化学物质毒作用的分子机制化学物质毒作用的分子机制 一、细胞膜损伤一、细胞膜损伤Schematic of typical animal cell. Organelles: (1) nucleolus (2) nucleus (3) ribosom

4、e (4) vesicle,(5) rough endoplasmic reticulum (ER), (6) Golgi apparatus, (7) Microtubule, (8) smooth ER, (9) mitochondria, (10) vacuole, (11) cytoplasm, (12) lysosome, (13) centrioles l 许多环境因素作用于细胞膜，引起细胞膜结构和功能的改变。膜成分的改变膜成分的改变膜脂流动性的改变膜脂流动性的改变膜上酶的活性膜上酶的活性膜通透性的改变膜通透性的改变四氯化碳导致大鼠肝细胞膜四氯化碳导致大鼠肝细胞膜磷脂和胆固醇含量下

5、降磷脂和胆固醇含量下降DDT、对硫磷引起红细胞膜、对硫磷引起红细胞膜脂流动性降低；乙醇引起肝脂流动性降低；乙醇引起肝细胞线粒体膜脂流动性增高细胞线粒体膜脂流动性增高有机磷化合物与红细胞膜上有机磷化合物与红细胞膜上的乙酰胆碱酯酶共价结合的乙酰胆碱酯酶共价结合主要是膜蛋白的改变，如重主要是膜蛋白的改变，如重金属与膜蛋白上的巯基、羰金属与膜蛋白上的巯基、羰基、氨基、磷酸基等的作用基、氨基、磷酸基等的作用二、化学毒物对细胞钙稳态的影响二、化学毒物对细胞钙稳态的影响1.细胞内钙稳态细胞内钙稳态 离子钙又分为细胞内离子钙又分为细胞内Ca2+和细胞外和细胞外Ca2+。 在细胞静息状态下细胞内游离的在细胞静息

6、状态下细胞内游离的Ca2+仅为仅为10-7mol/L，而，而细胞外液细胞外液Ca2+则达则达10-3mol/L。当细胞处于兴奋状态，第。当细胞处于兴奋状态，第一信使转递信息，则细胞内游离一信使转递信息，则细胞内游离Ca2+迅速增多可达迅速增多可达10-5mol/L，此后再降低至，此后再降低至10-7mol/L，完成信息转递循环。，完成信息转递循环。认为认为Ca2+是体内第二信使是体内第二信使。上述。上述Ca2+浓度的变化过程呈浓度的变化过程呈稳态状，称为稳态状，称为细胞内钙稳态细胞内钙稳态。 一、细胞内钙稳态一、细胞内钙稳态 正常情况下，细胞内钙稳态是由质膜正常情况下，细胞内钙稳态是由质膜Ca

7、2+转位转位酶和细胞内钙池系统共同操纵控制的。酶和细胞内钙池系统共同操纵控制的。 激动剂刺激引起细胞激动剂刺激引起细胞Ca2+动员，可调节细胞的多动员，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。泌、细胞分化和增殖。Ca2+在细胞功能的调节中在细胞功能的调节中起了一种信使作用，负责将激动剂的刺激信号传起了一种信使作用，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。给细胞内各种酶反应系统或功能性蛋白。钙离子在细胞中有重要的生理意义。钙离子在细胞中有重要的生理意义。 2.钙稳态失调的机制钙稳态失调的机制 细胞内

8、Ca2+浓度不可控制地持续升高，即是细胞内的钙稳态失调，这种紊乱或失调将破坏正常生命活动所必需的细胞内外Ca2+的瞬变，破坏各种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。l在毒理学中，发现细胞损伤和死亡与胞在毒理学中，发现细胞损伤和死亡与胞内钙浓度增高有关。内钙浓度增高有关。 l 细胞内钙浓度不可控制地增高，从而产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。生一系列反应，导致细胞损伤或死亡。 l钙的浓度变化，可通过下列途径造成细胞损钙的浓度变化，可通过下列途径造成细胞损伤：伤： 正常的激素和生长因子刺激的正常的激素和生长因子刺激的Ca2+信号的

9、受信号的受损。损。 钙依赖性降解酶的活化，包括蛋白酶、磷脂钙依赖性降解酶的活化，包括蛋白酶、磷脂酶和核酸内切酶。酶和核酸内切酶。 损伤细胞骨架损伤细胞骨架 损害线粒体损害线粒体 与细胞凋亡有关与细胞凋亡有关 l 三、自由基与氧化损伤三、自由基与氧化损伤1.自由基的产生和特点自由基的产生和特点2.活性氧系统活性氧系统3.自由基与脂质过氧化自由基与脂质过氧化4.污染物对机体自由基防卫系统的影响污染物对机体自由基防卫系统的影响自由基是具有不成对电子的原子、分子或离自由基是具有不成对电子的原子、分子或离子。主要因为化合物的共价键的耗能子。主要因为化合物的共价键的耗能均裂均裂而而产生，也可以通过产生，也

10、可以通过俘获电子俘获电子而产生。而产生。CH3H CH3+HCCl4+e CCl3+Cl-均裂电子俘获1.1.自由基的产生和特点自由基的产生和特点v一个共价键化合物一个共价键化合物A-B,当它受到热、辐射及超当它受到热、辐射及超声波等能量的作用时，共价键可能要断裂，断声波等能量的作用时，共价键可能要断裂，断裂方式有两种。裂方式有两种。v 1. 共价键异裂共价键异裂 A B A + BA B A + B形成阳离子和阴离子形成阳离子和阴离子2. 共价键均裂共价键均裂形成两个自由基形成两个自由基 O2+eO2- 超氧阴离子自由基超氧阴离子自由基 O2+2e+2H+ H2O2 O2+3e +3H+ H

11、2O+OH.羟自由基羟自由基 O2+4e+4H+ 2H2O 自由基可以带正电荷，也可以带负电荷，自由基可以带正电荷，也可以带负电荷，也可以不带任何电荷而成中性。也可以不带任何电荷而成中性。自由基的特性：顺磁性，顺磁性， 生物化学反应活性高，半衰期极短，一般仅能生物化学反应活性高，半衰期极短，一般仅能以以s计。计。抢夺抢夺其他自由基或非自由基的其他自由基或非自由基的电子电子对人体对人体造成的造成的影响影响: 坏坏的方面的方面: OH使使脂质过氧化产生脂质过氧化产生 ROORH +OH R+H2OR+ O2 ROO好的方面好的方面: O2-杀杀死入侵病菌死入侵病菌，信号传导等作用，信号传导等作用N

12、ADPH + 2O2 NADP+ + H+ + 2 . O2 有连锁反应，一般可分为有连锁反应，一般可分为引发引发(initiation)、增殖增殖(propagation)及终止及终止(termination)三三个阶段。个阶段。有未成对电子，自由基和自由原子非常有未成对电子，自由基和自由原子非常的活泼，的活泼，通常无法分离得到通常无法分离得到。不过在许。不过在许多反应中，自由基和自由原子以中间体多反应中，自由基和自由原子以中间体的形式存在，尽管浓度很低，存留时间的形式存在，尽管浓度很低，存留时间很短很短 。习惯上习惯上以以“”表示不成表示不成对电子对电子。 常见常见的自由基的自由基:1.

13、O2- 超氧超氧阴离子阴离子自由基自由基 (superoxide）2. OH 羟基羟基自由基自由基 (hydroxyl radical) 3. NO 一氧化氮一氧化氮 (nitric oxide )4. ROO 脂质过氧化脂质过氧化自由自由基基自由基自由基 百病之源百病之源2.活性氧系统（活性氧系统（reactive oxygen species，ROS） 是指由氧化还原反应产生，并在其分是指由氧化还原反应产生，并在其分子上含有氧的一类化学性质非常活泼物质子上含有氧的一类化学性质非常活泼物质的总称。的总称。含有氧原子的自由基含有氧原子的自由基Ex: O2- & OH经化学反应经化学反应

14、而而产生产生自由基的含氧衍生物自由基的含氧衍生物Ex: H2O2 & HOClFe2+ + H2O2 Fe3+ +OH + OH-HOCl +O2- O2 + Cl- +OH活性氧系统活性氧系统1. O2- 超氧超氧阴离子阴离子自由基自由基 (superoxide）2. H2O2 过氧化氢过氧化氢 (hydrogen peroxide)(非自由基非自由基) 3. OH羟基羟基自由基自由基 (hydroxyl radical) 4. 1O2 单线态氧单线态氧 (Singlet oxygen)氧分子依次单电子还原流程图氧分子依次单电子还原流程图机体虽有多种途径产生自由基，但并不机体虽有多种

15、途径产生自由基，但并不是产生自由基就会对机体有损害作用。是产生自由基就会对机体有损害作用。 自由基产生只有超过抗氧化能力或机体自由基产生只有超过抗氧化能力或机体抗氧化能力降低时，才会造成损害作用。抗氧化能力降低时，才会造成损害作用。 这是因为机体有相应的防御机制。这是因为机体有相应的防御机制。自由基自由基不成对电子不成对电子靶靶自由基自由基抗氧化剂抗氧化剂完整完整被減化被減化被氧化被氧化破坏破坏自由基形成自由基形成机体抗氧化功能机体抗氧化功能自由基超过了自由基超过了机体的清除能机体的清除能力力自由基过多自由基过多自由基自由基适量适量过多过多机体损害作用机体损害作用发挥重要生理功能发挥重要生理功

16、能抗氧化物机制:生物体消除自由基或其他生物体消除自由基或其他ROIs的防卫系统：的防卫系统：内生性机制内生性机制:超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶(superoxidedismutase) 简称简称SOD过氧化氢酶过氧化氢酶(catalase)谷胱甘肽过氧化酶谷胱甘肽过氧化酶(glutathione peroxidase)还原性谷胱甘肽还原性谷胱甘肽（GSH）、尿酸等）、尿酸等超氧化物歧化酶催化的反应2O2-+2H+H2O2+O2 O2-是生物体多种生理反应中自然生成的中间产物，具有极强的氧化能力，是生物氧毒害的重要因素之一。 主要存在于真核细胞的胞浆中，线粒体中主要存在于真核细胞的胞浆中，线粒体

17、中也含有也含有GSH-Px可催化可催化H2O2和有机氢过氧和有机氢过氧化物还原，此过程需以化物还原，此过程需以GSH为辅基。为辅基。 此酶含有四个具有催化活性的硒原子。此酶含有四个具有催化活性的硒原子。O2H2GSSG2GSHOH2PGSH22XOHROHGSSG2GSHROO2PGSHX谷胱甘肽过氧化物酶催化的反应谷胱甘肽过氧化物酶催化的反应外生性机制外生性机制:抗氧化物抗氧化物如如Vitamin A、E、C、胡萝卜素、胡萝卜素食品添加剂食品添加剂中的丁基羟基甲苯（中的丁基羟基甲苯（BHT）、没食子）、没食子丙酸或乙氧基喹啉（丙酸或乙氧基喹啉（ethoxyquin）等抗氧化剂）等抗氧化剂药品

18、药品中的许多带有中的许多带有N、S的杂环化合物如吩噻嗪的杂环化合物如吩噻嗪基团、去甲乌药碱等基团、去甲乌药碱等中药中药中的五味子、芦丁、甘草等中的五味子、芦丁、甘草等 (1) 对多不饱和脂肪酸（对多不饱和脂肪酸（PUFA）的攻击）的攻击(2)对蛋白质分子的攻击对蛋白质分子的攻击 (3)对核酸和其他大分子的影响对核酸和其他大分子的影响3.自由基对生物大分子的损害作用自由基对生物大分子的损害作用（1）脂质过氧化损害：）脂质过氧化损害： 由自由基引起的多不饱和脂肪酸的氧由自由基引起的多不饱和脂肪酸的氧化作用对生物膜具有强烈的破坏作用。化作用对生物膜具有强烈的破坏作用。 自由基的形成与脂质过氧化的关系

19、自由基的形成与脂质过氧化的关系 启动阶段启动阶段：由一些脂链侧链：由一些脂链侧链亚甲基碳亚甲基碳上夺去一个氢的化合物所启动。上夺去一个氢的化合物所启动。OH是最是最重要的脂质过氧化的诱导物。重要的脂质过氧化的诱导物。 RH +OH R+H2O发展阶段发展阶段：已形成的自由基将作为启动子而产生新的自由已形成的自由基将作为启动子而产生新的自由基，使反应发展下去。在发展阶段中，形成的自由基总数保基，使反应发展下去。在发展阶段中，形成的自由基总数保持不变，一种自由基团可经多种反应转变成另一种形式的自持不变，一种自由基团可经多种反应转变成另一种形式的自由基团。去氢后的碳原子形成由基团。去氢后的碳原子形成

20、中心自由基中心自由基(L)。与脂质过氧。与脂质过氧化反应关系最重要的是脂质化反应关系最重要的是脂质过氧化自由基（过氧化自由基（ LOO ）和和脂脂质过氧化物质过氧化物的形成的形成（ LOOH ）。 R+ O2 ROO终止阶段终止阶段：只有两个自由基相互作用，才能使自由基反应只有两个自由基相互作用，才能使自由基反应链终止，消除自由基。链终止，消除自由基。脂质过氧化的后果：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的是一些不饱和醛类。对对

21、DNA影响：影响： 一是脂质过氧化自由基和烷基自由基可引起一是脂质过氧化自由基和烷基自由基可引起DNA碱基，碱基，特别是鸟嘌呤碱基的氧化；特别是鸟嘌呤碱基的氧化； 一是脂质过氧化物的分解产物，丙二醛可以共价结合一是脂质过氧化物的分解产物，丙二醛可以共价结合方式导致方式导致DNA链断裂和交联。链断裂和交联。 对低密度脂蛋白对低密度脂蛋白(LDL)的作用。的作用。 自由基对生物膜的损伤自由基对生物膜的损伤脂质过氧化反应及其脂质自由基的生成（LOOH、LOO 、LO）（2）蛋白质的氧化损伤）蛋白质的氧化损伤对脂肪族氨基酸氧化损伤最常见的途径为：对脂肪族氨基酸氧化损伤最常见的途径为：在在-位置上将一个

22、氢原子除去，形成位置上将一个氢原子除去，形成C-中心中心自由基，再加氧其上，生成自由基，再加氧其上，生成过氧基衍生物过氧基衍生物。后者分解成后者分解成NH3及及-酮酸，或生成酮酸，或生成NH3、CO2与醛类或羧酸，破坏脂肪族氨基酸的结构。与醛类或羧酸，破坏脂肪族氨基酸的结构。芳香氨基酸很少出现芳香氨基酸很少出现-除氢，而多出现羟除氢，而多出现羟基衍生物。后者可将苯环打开或在酪氨酸处基衍生物。后者可将苯环打开或在酪氨酸处交联成二聚体。交联成二聚体。由过渡金属介导出现氧化损伤，主要通由过渡金属介导出现氧化损伤，主要通过过Fenton反应。其损伤特点为部位特异性。反应。其损伤特点为部位特异性。因为，

23、在蛋白质结构内只有某个或几个金因为，在蛋白质结构内只有某个或几个金属结合部位的氨基酸受到影响。属结合部位的氨基酸受到影响。脂质过氧化的自由基中间产物作用，如脂质过氧化的自由基中间产物作用，如烷氧自由基烷氧自由基(LO)和过氧自由基和过氧自由基(LOO)，可与过氧化脂质紧密联系的蛋白质反应。可与过氧化脂质紧密联系的蛋白质反应。后果后果氧化的后果是凝集与交联，或是蛋白质的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。特征及自由基的种类。 （3）核酸的氧化损伤：）核酸的氧化损伤：碱基损伤碱基损伤 活性氧攻击活性氧攻击D

24、NA的靶位点是腺嘌呤与鸟嘌的靶位点是腺嘌呤与鸟嘌呤的呤的C8，嘧啶的，嘧啶的C5与与C6双键。其可能的机制双键。其可能的机制为：为：氧自由基直接作用于双键部位，使之获得一氧自由基直接作用于双键部位，使之获得一个加合基而改变其结构。个加合基而改变其结构。OH使脱氧核苷脱嘌呤，即自由基可使使脱氧核苷脱嘌呤，即自由基可使DNA链上出现无嘌呤或无嘧啶部位。链上出现无嘌呤或无嘧啶部位。OH可以自动从胸嘧啶的甲基中除去可以自动从胸嘧啶的甲基中除去H原子。原子。DNA链断裂：链断裂： uOH对对DNA的攻击，主要针对的攻击，主要针对DNA分子中的分子中的核糖部分，可能的位置在核糖部分，可能的位置在DNA分子

25、中核糖的分子中核糖的3和和4碳位上，造成碳位上，造成DNA链的断裂。链的断裂。u自由基对胸腺嘧啶碱基作用，造成的损害经自由基对胸腺嘧啶碱基作用，造成的损害经修复酶切除，可产生类似的单链断裂。修复酶切除，可产生类似的单链断裂。u氧化应激可启动细胞内的一系列代谢过程，氧化应激可启动细胞内的一系列代谢过程，激活核酸酶，导致激活核酸酶，导致DNA链的断裂。链的断裂。DNA链断裂在基因突变的形成过程中有重要意义。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：链断裂后，有下列途径产生突变：uDNA链断裂造成链断裂造成部分碱基的缺失部分碱基的缺失；uDNA链断裂后，正常的细胞将

26、启动修复过程，多种链断裂后，正常的细胞将启动修复过程，多种酶可以辨别酶可以辨别DNA内异常，并通过切割、再合成、重合内异常，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，可能造成被修复的到修复的要求，可能造成被修复的DNA碱基的错误掺碱基的错误掺入和错误编码入和错误编码；u可能引起可能引起癌基因的活化，或抑癌基因的失活。癌基因的活化，或抑癌基因的失活。4.污染物对机体自由基防卫系统的影响一些污染物可损害有些自由基防卫系统，从而使自一些污染物可损害有些自由基防卫系统，从而使自由基积累，氧化损伤作用加强。由基积累，

27、氧化损伤作用加强。（1）重金属）重金属Pb2+、Cd2+、Ni2+以下两类：以下两类：通过与通过与GSH反应，将反应，将GSH氧化为氧化为GSHG，并形成，并形成还原性金属，如还原性金属，如Cr6+。金属与GSH形成稳定的复合体，干扰GSH与GSHG之间的正常转化，从而影响细胞维持较高水平的GSH。例如，Pb2+、Cd2+、Hg2+、Ni2+、Ag+、Cu2+、Co2+等金属离子与GSH相互作用后，在GSH的巯基、氨基酸残基、羟基、-氨基酸中心或甘氨酸羟基等处形成金属-谷胱甘肽复合物。（2）有机毒物）有机毒物 乙醇在肝脏中的代谢可伴随有乙醇在肝脏中的代谢可伴随有OH的产生，的产生，并进一步转化

28、为乙醛。并进一步转化为乙醛。 OH攻击乙醇可促使攻击乙醇可促使之生成乙醇自由基，后者可与肝脏内的之生成乙醇自由基，后者可与肝脏内的GSH反应，使之氧化成反应，使之氧化成GSHG，进而引起细胞氧，进而引起细胞氧化性损伤。化性损伤。（3）有害气体和粉尘自由基有害气体如O3、NO2、SO2、光气、香烟烟雾、汽车尾气、煤烟等所产生的肺毒作用也是由于形成高活性的自由基造成的氧气型肺损伤。四、DNA损伤与修复机制1.DNA损伤与修复机制 哺乳动物细胞的巨大基因组很容易受到内源性和环境中DNA损伤因子的攻击。这就需要通过DNA修复途径切除和替换损伤的核苷酸，以对抗潜在的突变形成和细胞毒性。电离辐射电离辐射氧

29、自氧自由基由基烷化剂烷化剂复制错误复制错误碱基类似物碱基类似物紫外线紫外线电离辐射电离辐射氧自氧自由基由基烷化剂烷化剂复制错误复制错误碱基类似物碱基类似物紫外线紫外线（1）DNA损伤损伤碱基损伤碱基损伤a碱基错配碱基错配烷化作用烷化作用 烷化剂提供甲基或乙基等烷基与烷化剂提供甲基或乙基等烷基与DNA共共价结合的过程。价结合的过程。常见的烷化剂有常见的烷化剂有烷基硫酸酯、烷基硫酸酯、N-亚硝基化合物、氮亚硝基化合物、氮芥和硫芥等环状烷化剂和卤代亚硝基脲芥和硫芥等环状烷化剂和卤代亚硝基脲等。等。甲基化甲基化甲基化甲基化碱基烷基化碱基烷基化鸟嘌呤鸟嘌呤 G胞嘧啶胞嘧啶 CO6-乙基鸟嘌呤乙基鸟嘌呤胸

30、腺嘧啶胸腺嘧啶烷化剂对烷化剂对DNA的损伤的损伤烷化剂对烷化剂对DNA的损伤的损伤烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定，容易脱落形成烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定，容易脱落形成DNA上的无碱基位点，复制时可以插上的无碱基位点，复制时可以插入入任何核任何核苷酸，造成序列的改变。苷酸，造成序列的改变。b平面大分子嵌入DNA链有些化合物，如9-氨基吖啶的致突变作用插入DNA的碱基对中，在DNA复制时，由于吖啶分子式较为扁平的分子，能结合到DNA的分子上，掺入临近的碱基对，使它们分开，造成DNA链的歪斜，引起排列参差，产生两个重组子，一个碱基对增多，一个碱基对减少，即造成碱基对的缺失或额外碱基对的插入。嵌入剂嵌入剂 吖

31、啶橙、原黄素、吖黄素等吖啶类染料吖啶橙、原黄素、吖黄素等吖啶类染料 嵌合到嵌合到DNA碱基对之间导致单个碱基对的插入或缺失，引碱基对之间导致单个碱基对的插入或缺失，引起移码突变。起移码突变。c碱基类似物、修饰剂对碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤的损伤 人工合成的碱基类似物人工合成的碱基类似物如如5-溴尿嘧啶、溴尿嘧啶、5-氟尿氟尿嘧啶、嘧啶、2-氨基腺嘌呤等，其结构与正常碱基相似，氨基腺嘌呤等，其结构与正常碱基相似，进入细胞后能替代正常碱基掺入到进入细胞后能替代正常碱基掺入到DNA链中而干链中而干扰扰DNA复制合成，例如复制合成，例如5-溴尿嘧啶的结构与胸腺溴尿嘧啶的结构与胸腺嘧啶十分相近，在

32、酮式结构时与嘧啶十分相近，在酮式结构时与A配对，但更容配对，但更容易成为烯醇式结构而与易成为烯醇式结构而与G配对，在配对，在DNA复制时导复制时导致致A-T转换为转换为G-C。ATABUABU*ATGBU*ATATGCGBU*5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶引起的突变引起的突变酮式酮式烯醇式烯醇式d碱基化学结构的改变或破坏碱基化学结构的改变或破坏 有的化学物可对碱基产生氧化作用，有的化学物可对碱基产生氧化作用，从而改变或破坏碱基的化学结构，有时还从而改变或破坏碱基的化学结构，有时还可以引起链的断裂。可以引起链的断裂。主要改变核酸中核苷酸的化学组成，其作主要改变核酸中核苷酸的化学组成，其作用与用与DNA复制

33、无关。复制无关。碱基的脱氨基作用碱基的脱氨基作用 碱基的环外氨基有时碱基的环外氨基有时会自发脱落，从而胞嘧会自发脱落，从而胞嘧啶啶(C)变成尿嘧啶变成尿嘧啶(U)，腺，腺嘌呤嘌呤(A)变成次黄嘌呤变成次黄嘌呤(H)、鸟嘌呤（鸟嘌呤（G）变成黄嘌呤）变成黄嘌呤(X)等。复制时等。复制时,U与与A配配对、对、H和和X都与都与C配对就配对就会导致子代会导致子代DNA序列的序列的错误变化。错误变化。CUDNA链损伤链损伤a二聚体的形成细胞或机体受到紫外线刺激，会使DNA发生化学变化，主要是由于产生了环丁烷嘧啶二聚体和光产物。这些损伤可阻止DNA的复制，引起细胞死亡。当当DNA受到最易被其吸收波受到最易

34、被其吸收波长长(260 nm)的紫外线照射的紫外线照射时，同一条时，同一条DNA链上相邻的链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体，嘧啶以共价键连成二聚体，相邻的两个相邻的两个T、或两个、或两个C、或或C与与T间都可以间都可以环丁基环环丁基环(cyclobutane ring)连成二聚连成二聚体，其中最容易形成的是体，其中最容易形成的是T-T二聚体二聚体。同一条同一条DNA链上相邻的嘧啶以共价键连链上相邻的嘧啶以共价键连成嘧啶二聚体成嘧啶二聚体 二聚体引起的突变二聚体引起的突变 bDNA加合物的形成 DNA加合物的形成是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，通常很难用一般的化学或生物学

35、的方法使其分离。c DNA-蛋白质交联物的形成烷化剂有两类，一类是烷化剂有两类，一类是单功能基烷化剂单功能基烷化剂，如，如甲基甲烷碘酸，只能使一个位点烷基化；另甲基甲烷碘酸，只能使一个位点烷基化；另一类是一类是双功能基烷化剂双功能基烷化剂，如化学武器氮芥、，如化学武器氮芥、硫芥等，一些抗癌药物如环磷酰胺、苯丁酸硫芥等，一些抗癌药物如环磷酰胺、苯丁酸氮芥、丝裂霉素等，某些致癌物如二乙基亚氮芥、丝裂霉素等，某些致癌物如二乙基亚硝胺等均属此类，其两个功能基可同时使两硝胺等均属此类，其两个功能基可同时使两个位点烷基化，结果就能造成个位点烷基化，结果就能造成DNA链内、链内、DNA链间或链间或DNA与蛋

36、白质间的交联。与蛋白质间的交联。交联作用交联作用（2）DNA的修复细胞有一系列的细胞有一系列的DNA修复机制，它们构修复机制，它们构成对成对DNA损伤危害的防卫机制，如果修损伤危害的防卫机制，如果修复机制的获得性或遗传性缺陷使细胞基复机制的获得性或遗传性缺陷使细胞基因突变和恶化转化率升高。因突变和恶化转化率升高。光修复、切除修复、重组修复、光修复、切除修复、重组修复、SOS修复修复等。等。光修复光修复通过光修复酶催化完成的，仅需通过光修复酶催化完成的，仅需300600nm波长的辐射即可活化，普遍存波长的辐射即可活化，普遍存在于各种生物当中。在于各种生物当中。光复活（光复活（photoreact

37、ivation） 可见光（可见光（300600nm）/光修复酶光修复酶 机理：可见光激活光复活酶，分解因紫机理：可见光激活光复活酶，分解因紫外线导致外线导致DNA分子上形成的嘧啶二聚体。分子上形成的嘧啶二聚体。 photolyase （300-600nm）T-TTT切除修复 细胞内的最重要的修复机制，主要由DNA聚合酶和连接酶进行修复。553353535353UvrABCPol I (或或和和）DNA连接酶连接酶5533核苷酸切除修复（核苷酸切除修复（NER）碱基切除修复（碱基切除修复（BER） -糖基化酶修复糖基化酶修复（1）糖基化酶切断糖苷键，）糖基化酶切断糖苷键，释放出损伤碱基，产生释放

38、出损伤碱基，产生AP位位点点（2）AP内切酶在内切酶在AP位点切位点切开磷酸二酯键开磷酸二酯键（3）外切酶进一步切割）外切酶进一步切割（4）DNA聚合酶、聚合酶、DNA连连接酶填充缺口接酶填充缺口5353B*53AP siteAP site53DNA glycosylaseDNA glycosylase53APAP内切核酸酶内切核酸酶5353535533进一步酶切进一步酶切PolPol RecAAB 受损伤的受损伤的DNA链复制时，产生的子代链复制时，产生的子代DNA在损伤的对应部位出现缺口。在损伤的对应部位出现缺口。 重组修复重组修复Recombination repairingAB 完整的

39、另一条母链完整的另一条母链DNA与有缺口的子链与有缺口的子链DNA进行重组交换，将母链进行重组交换，将母链DNA上相应的片上相应的片段填补子链缺口处，而母链段填补子链缺口处，而母链DNA出现缺口。出现缺口。DNA pol、ligase 以另一条子链以另一条子链DNA为模板，经为模板，经DNA聚合酶聚合酶催化合成一新催化合成一新DNA片段填补母链片段填补母链DNA的缺口，的缺口，最后由最后由DNA连接酶连接，完成修补。连接酶连接，完成修补。使损伤限制在原来使损伤限制在原来的链上，不至影响的链上，不至影响新合成的新合成的DNA重组修复重组修复SOS修复（修复（SOS response） 一种能够引

40、起误差的紧急修复，是在无模板一种能够引起误差的紧急修复，是在无模板 DNA情况下诱导产生的修复作用。情况下诱导产生的修复作用。 特点：特点：1、DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种种DNA修复方式修复方式2、修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生、修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，故又称为错误倾向修复成率，但留下的错误较多，故又称为错误倾向修复（error-prone repair），使细胞有较高的突变率。），使细胞有较高的突变率。 母链SOS修复复制过程中的SOS修复基因是遗传信息的储藏、传递

41、基因是遗传信息的储藏、传递与实现单位。与实现单位。所有生物基因组中的所有生物基因组中的DNA并不并不稳定，很容易发生各种各样的、稳定，很容易发生各种各样的、可以遗传的改变，即基因突变可以遗传的改变，即基因突变（Gene mutation）。）。2.基因突变机制基因突变机制由于核苷酸的增加或缺失，或在DNA复制或修复过程中一种核苷酸和另一种核苷酸的替换，都可导致DNA序列的改变，任何一种引起单个基因功能改变的上述分子变化成为基因突变。发生在生殖细胞的突变可以遗传给下一代，发生于体细胞的突变可以遗传给该细胞有丝分裂而产生的子代细胞。携带突变的生物个体或群体（或株系）成为突变体（mutant）。正是

42、由于突变体中DNA碱基序列的变化，因而产生了突变体的表型。突变点可能在基因内，该基因就称为突变基因（mutant gene）。没有发生突变的基因称为野生型基因。基因突变的后果基因突变的后果功能丧失功能丧失 功能丧失可能是部分的或全部的。功能丧失可能是部分的或全部的。功能获得功能获得 很多机制可以产生功能获得的显性表现型。很多机制可以产生功能获得的显性表现型。癌症发生癌症发生 并非所有的突变都会导致疾病，一个正常细并非所有的突变都会导致疾病，一个正常细胞转变成恶性肿瘤需要以多种特异性的突变胞转变成恶性肿瘤需要以多种特异性的突变同时发生为条件。同时发生为条件。（1）单点突变（点突变）和多点突变）单

43、点突变（点突变）和多点突变单点突变单点突变 只有一个碱基对发生突变只有一个碱基对发生突变多点突变多点突变 两个或两个以上碱基对两个或两个以上碱基对转换转换：嘌呤和嘌呤之间的替换，或嘧啶和嘧啶：嘌呤和嘌呤之间的替换，或嘧啶和嘧啶之间的替换。之间的替换。颠换颠换：嘌呤和嘧啶之间的替换：嘌呤和嘧啶之间的替换 原因：原因：1、DNA复制过程中的自发突变。此类引起突变的频复制过程中的自发突变。此类引起突变的频率很低。率很低。2、诱导突变。由于物理、化学原因，导致、诱导突变。由于物理、化学原因，导致DNA发生发生了改变。例如射线（紫外线，伦琴射线等）。了改变。例如射线（紫外线，伦琴射线等）。 Ex：镰刀型

44、红细胞贫血镰刀型红细胞贫血（ sickle-cell disease）是典）是典型的由于点突变引起的疾病型的由于点突变引起的疾病 镰刀型红细胞贫血血红蛋白病血红蛋白病镰刀形细胞贫血症镰刀形细胞贫血症（2）移码突变）移码突变是指是指DNA分子中分子中插入或缺失一个或两个碱基插入或缺失一个或两个碱基后引起后引起其后整个阅读框架的改变。其后整个阅读框架的改变。移码突变不但改变了产物等的氨基酸组成，而且可移码突变不但改变了产物等的氨基酸组成，而且可能使氨基酸的合成过早的终止。能使氨基酸的合成过早的终止。如果移码突变发生在如果移码突变发生在必需氨基酸必需氨基酸上，则发生此类突上，则发生此类突变的细胞或早

45、期发育阶段的生物个体常常是致死性变的细胞或早期发育阶段的生物个体常常是致死性的。如果插入或缺失三个碱基，则阅读框不变，其的。如果插入或缺失三个碱基，则阅读框不变，其产物常常有活性或部分活性。产物常常有活性或部分活性。TACGA ATCGGGTATTATGCT TAGCCCATAATACGA ATCGGGTATTATGCT TAGCCCATAACG染料分染料分子嵌入子嵌入复制复制插入一个碱基对插入一个碱基对移码突变移码突变（3）大段损伤）大段损伤也称也称DNA重排（重排（DNA rearrangement），指），指DNA序列上有较长的一段序列重排，包括大序列上有较长的一段序列重排，包括大段（一

46、至数千个碱基）的插入、缺失、取代、段（一至数千个碱基）的插入、缺失、取代、放大、复制和倒位。放大、复制和倒位。同义突变(same sense mutation)：密码子发生改变, 但所编码的氨基酸不变。例如：CUU CUC 亮氨酸 CUG（4）同义、错义与无义突变）同义、错义与无义突变错义突变错义突变（missense mutation）指DNA改变后mRNA中相应密码子发生改变，编码另一种氨基酸，使蛋白质中的氨基酸发生改变。错义突变结果产生异常蛋白质和酶。但也有不少基因由于错义突变产生部分降低活性和异质组分的酶，不完全抑制了催化反应，这种基因称为漏出基因漏出基因（leaky gene）。）。

47、有些错义突变不影响蛋白质或酶的生物活性，不表现出明显的表型效应。由于一对或几对碱基对的改变而使决定某一氨基酸的密码子变成一个终止密码子的基因突变叫无无义突变义突变 (nonsense mutation) 。酪氨酸的密码子是UAC，置换突变使UAC变为密码子UAG后翻译便到此停止。亮氨酸的密码子UUA，中间的U变为A这样一个碱基变化就会成为（终止密码子）UAA。（5）正向突变和回复突变正向突变正向突变 野生型野生型突变体突变体回复突变回复突变:使突变体所失去的野生型性状得到恢复使突变体所失去的野生型性状得到恢复的第二次突变的第二次突变 野生型野生型突变体突变体野生型野生型就一个基因而言，回复突变

48、率通常要比正向突变率就一个基因而言，回复突变率通常要比正向突变率低，有的突变基因完全不发生回复突变，这样的基低，有的突变基因完全不发生回复突变，这样的基因认为是由于原来的基因发生缺失造成的。因认为是由于原来的基因发生缺失造成的。 （6）不以）不以DNA为靶的间接突变为靶的间接突变化学物的间接致突变可能是通过对纺锤体作用或干扰与DNA合成和修复有关的酶系统。纺锤体抑制一些化学物能作用于纺锤体、中心粒或其它核内细胞器，从而干扰有丝分裂过程。诱发这种作用的物质称为有丝分裂毒物，又称干扰剂。秋水仙碱 抗有丝分裂剂对酶促过程的作用对DNA合成和复制有关的酶系统作用也可直接影响遗传物质。五、致癌的分子机制

49、多数致癌物具有遗传毒性，皆为亲电子剂，即分子结构中有正碳原子等亲电子基团的一类化合物。而细胞中的大分子化合物都具有亲核基团，即富含电子的部位，易与细胞大分子的亲核中心共价结合。DNA、RNA和蛋白质等大分子化合物的亲核基团就是致癌物的结合部位。外源化学物、物理因素（辐射、创伤等）、生物因素（病毒等）。1.DNA加合物的形成与致癌加合物的形成与致癌 有致癌活性的终致癌物，含有亲电子结构基团的化合物，它能与细胞靶分子发生共价结合，形成加合物使这些生物大分子烷基化，导致DNA的突变。与与DNA形成加合物是启动致癌作用的化合物的形成加合物是启动致癌作用的化合物的一个重要特征一个重要特征DNA加合物形成

50、的后果取决于加合物在加合物形成的后果取决于加合物在DNA链链上的位置和加合物的性质上的位置和加合物的性质G（鸟嘌呤）（鸟嘌呤）-C（胞嘧啶）（胞嘧啶）N1（G）氢键氢键N3（C）加合物位于加合物位于G的的O6位置位置N2（G）氢键氢键N1（T）G（鸟嘌呤）（鸟嘌呤）-T（胸腺嘧啶）（错配）（胸腺嘧啶）（错配）2.DNA修复与化学致癌正确修复，使机体内受损的DNA完全回复原有的结构和功能。错误修复，经修复的DNA部分仍可能在结构和功能上有缺陷。DNA损伤的修复损伤的修复正常细胞有正常细胞有DNA修复系统，使受损伤的修复系统，使受损伤的DNA分子迅分子迅速恢复正常，使细胞的遗传稳定性和正常功能得以

51、速恢复正常，使细胞的遗传稳定性和正常功能得以保持而不致发生恶变保持而不致发生恶变化学致癌物作用于机体能否引发癌症既取决于它们化学致癌物作用于机体能否引发癌症既取决于它们对体内生物大分子尤其是对体内生物大分子尤其是DNA的损伤，也取决于机的损伤，也取决于机体对损伤体对损伤DNA的修复能力的修复能力DNA损伤修复缺陷在化学致癌机制中也起重要作用损伤修复缺陷在化学致癌机制中也起重要作用 在自然或实验条件下具有诱发恶性转化在自然或实验条件下具有诱发恶性转化的潜在基因，是化学致癌物作用的主要靶分的潜在基因，是化学致癌物作用的主要靶分子，在细胞癌变过程中起着关键作用。子，在细胞癌变过程中起着关键作用。是一

52、是一类被激活的基因，所指导合成的蛋白质能够类被激活的基因，所指导合成的蛋白质能够促成细胞恶性表型的形成。促成细胞恶性表型的形成。 癌基因癌基因 (oncogene)3.癌基因、原癌基因与抑癌基因癌基因、原癌基因与抑癌基因 机体内正常细胞所具有的能致癌的遗机体内正常细胞所具有的能致癌的遗传信息。正常情况下它呈静止状态，对细传信息。正常情况下它呈静止状态，对细胞无害且具有重要生物学功能（调控细胞胞无害且具有重要生物学功能（调控细胞生长分化，促进细胞分裂、增殖等）生长分化，促进细胞分裂、增殖等） 原癌基因在进化过程中高度保守原癌基因在进化过程中高度保守 。原癌基因原癌基因 (proto-oncoge

53、ne) 当发生突变、缺失、病毒整合、染色体易位、基因扩增或促长剂插入时，原癌基因发生改变，失去正常的调控细胞生长和分化功能，使细胞发生恶性转化。发生恶性转化的原癌基因即是癌基因 化学、物理或生物等致癌因素作用于细胞后，引起原癌基因突变使之激活，转变成癌基因后才会导致细胞癌变 正常细胞分裂生长的负性调节因子，其编码的蛋白质能够降低或抑制细胞分裂活性，或称为肿瘤抑制基因(tumor suppressor gene)、肿瘤易感基因(tumor susceptibility gene) 抑癌基因对细胞的生长、增殖和分化起负调节作用，即抑癌作用。抑癌基因 (anti-oncogene) 抑癌基因正常时可

54、抑制肿瘤细胞的肿瘤性状的表达。当其自身不能表达或其产物去活化才允许肿瘤性状的表达 正常细胞转化为肿瘤细胞最少涉及两类基因的遗传学改变，即癌基因和抑癌基因的改变 基因学说：癌变是由于基因的改变基因学说：癌变是由于基因的改变 基因外学说：基因表达调控失常基因外学说：基因表达调控失常 理论统一理论统一4.基因表达调控异常与肿瘤发生基因表达调控异常与肿瘤发生5.非遗传性致癌机制非遗传性致癌机制部分致癌物用目前常用致突变试验不能检部分致癌物用目前常用致突变试验不能检出其致突变性。出其致突变性。常见的非遗传毒性致癌物：石棉、激素、常见的非遗传毒性致癌物：石棉、激素、免疫抑制剂、多氯联苯及免疫抑制剂、多氯联

55、苯及TCDD。 细胞间隙连接通讯细胞间隙连接通讯 （gap junction intracellular communication，GJIC） 信号传导系统信号传导系统 纺锤丝系统纺锤丝系统 DNA修复系统修复系统 基因表达调控系统基因表达调控系统非遗传毒性致癌机制非遗传毒性致癌机制l 在正常体重不至于过轻的情况下，越瘦越好在正常体重不至于过轻的情况下，越瘦越好l 每天最少锻炼每天最少锻炼30分钟分钟l 多喝水，少喝含糖饮料多喝水，少喝含糖饮料l 多吃各种蔬菜、水果、全麦和豆类多吃各种蔬菜、水果、全麦和豆类l 少吃红肉，避免食用加工肉制品少吃红肉，避免食用加工肉制品l 喝酒精饮品男士别超过两

56、杯，女士只限一杯喝酒精饮品男士别超过两杯，女士只限一杯l 限制盐腌食品或用盐加工的食品限制盐腌食品或用盐加工的食品l 不用营养补充剂预防癌症不用营养补充剂预防癌症l 母乳喂养至少坚持母乳喂养至少坚持6个月个月l 癌症幸存者也应癌症幸存者也应“守纪律守纪律” 125第三节第三节 化学物质的结构与毒性的关系化学物质的结构与毒性的关系一、官能团与毒性的关系一、官能团与毒性的关系1.烃类化合物及其烃基烃类化合物及其烃基烃类化合物大部分溶于脂肪而难溶于水。一烃类化合物大部分溶于脂肪而难溶于水。一种化合物中凡含有烃基结构者均可增高其脂种化合物中凡含有烃基结构者均可增高其脂溶性，因而渗透力增高，毒性也相应的

57、增强。溶性，因而渗透力增高，毒性也相应的增强。分子中不饱和键增多可使化学物活性增大，毒性增强。分子中不饱和键增多可使化学物活性增大，毒性增强。乙炔毒性大于乙烯，乙烯毒性大于乙烷乙炔毒性大于乙烯，乙烯毒性大于乙烷芳香烃毒性大于脂肪烃芳香烃毒性大于脂肪烃丙烯醛对眼结膜的刺激作用大于丙醛丙烯醛对眼结膜的刺激作用大于丙醛丁烯醛毒性大于丁醛。丁烯醛毒性大于丁醛。2.卤素卤素卤素元素具有强烈的吸电子效应，结构中增卤素元素具有强烈的吸电子效应，结构中增加卤素就会使分子的极化程度增加，更易与加卤素就会使分子的极化程度增加，更易与酶系统结合，使毒性升高。如卤化烃的麻醉酶系统结合，使毒性升高。如卤化烃的麻醉作用，

58、按其作用强弱，依次为作用，按其作用强弱，依次为3.羟基羟基脂肪族化合物引入羟基后，麻醉作用增强，毒性增高。脂肪族化合物引入羟基后，麻醉作用增强，毒性增高。芳香族化合物引入羟基后，毒性增高。芳香族化合物引入羟基后，毒性增高。多羟基的芳香族化合物毒性更高。多羟基的芳香族化合物毒性更高。如苯引入羟基后成为苯酚，后者具弱酸性，如苯引入羟基后成为苯酚，后者具弱酸性，易与蛋白质中的碱性基团结合，与酶蛋白有较强的亲和力。易与蛋白质中的碱性基团结合，与酶蛋白有较强的亲和力。毒性增大。毒性增大。4.巯基巯基硫的电负性为硫的电负性为2.5，低于氧（，低于氧（3.5），氢键具有较弱），氢键具有较弱的极性，故硫醇化合

59、物的水溶性较相应的醇化合物的极性，故硫醇化合物的水溶性较相应的醇化合物低，脂溶性增高，因而比醇化合物更易渗入组织；低，脂溶性增高，因而比醇化合物更易渗入组织；易与多种金属离子生成硫醇盐；易与多种金属离子生成硫醇盐；易与带双键的化合物之间进行加成反应，故化学易与带双键的化合物之间进行加成反应，故化学活性较高；活性较高；易氧化生成二硫化合物，可干扰蛋白质中半胱氨易氧化生成二硫化合物，可干扰蛋白质中半胱氨酸与胱氨酸之间的氧化还原作用。酸与胱氨酸之间的氧化还原作用。5.醚键醚键ROR，氧的未公用电子对有吸引氢离子，氧的未公用电子对有吸引氢离子的倾向，所以具有亲水性。的倾向，所以具有亲水性。醚中的烃基是

60、拒水而亲脂的，故醚介于水油醚中的烃基是拒水而亲脂的，故醚介于水油二相之间。醚具有定向排列的性质，氧有亲二相之间。醚具有定向排列的性质，氧有亲水性而烃基有亲油脂性，易渗入到组织中去。水性而烃基有亲油脂性，易渗入到组织中去。6.酸基和酯基酸基和酯基包括羧基（包括羧基（-COOH）和磺酸基（）和磺酸基（-SO3H），当引入），当引入化合物后，可使其理化性质发生很大的变化。水溶化合物后，可使其理化性质发生很大的变化。水溶性及离解度增加，而脂溶性降低，难以在体内渗入性及离解度增加，而脂溶性降低，难以在体内渗入到组织中去，从而使毒性降低。如苯甲酸的毒性较到组织中去，从而使毒性降低。如苯甲酸的毒性较苯低，人工合成的染料中引