分子毒理外源化合物

外源化学物的毒理机制1要评价化学毒物对机体是否具有毒性或毒性的大小就必须对化学毒物的毒性作用进行定性和定量的研究。毒作用机制研究内容包括：毒物如何进入机体（接触途径）怎样与靶分子相互作用怎样表现其有害作用机体对损害作用的反应第一节概述

2化学物质的毒理机制就是经研究毒物吸收以后在机体内引起的代谢功能和组织结构的变化规律。主要涉及的毒作用机制有：涉及干扰正常受体-配体的相互作用干扰生物膜功能干扰细胞能量生成与生物大分子共价结合氧自由基过量生成细胞内钙稳态失调细胞因子和细胞信号转导途径紊乱、选择性细胞致死细胞程序性死亡（凋亡）癌基因等肿瘤相关基因突变等等3一、终毒物(ultermatetoxicant)

终毒物是指一种特别化学性质的物质，它可与内源性靶分子(如受体、酶、DNA、微纤维蛋白及脂质等)相互作用，使整体性结构和／或功能改变，从而导致毒性作用。

毒性作用的强度是由终毒物在其作用位点的浓度及持续时间决定的。

4终毒物的类型及其来源：母体化合物：铅、河豚毒素、CO母体化合物的代谢物：砷→砷酸盐在毒物生物转化期间产生的活性氧

如，过氧化氢、杀草快

内源性化合物5当污染物达到某一浓度，并足以引发一系列有害生物效应的部位，称之为污染物毒作用的靶位点。终毒物在靶位点达到某种浓度，并与靶位点结合，导致靶位点分子结构和功能的改变，是产生有害生物学效应的基础。6靶位点的位置和结构污染物及其代谢产物与生物体接触的部位许多污染物对皮肤粘膜和呼吸系统的损伤作用，多发生在与生物体直接接触的部位；生物转运和生物转化过程所发生的部位百草枯在肺部代谢活化，诱发活性氧自由基，造成肺部损伤7靶位点的功能肝脏(代谢转化的重要部位)——混合功能氧化酶的代谢活化作用，可以使外源化合物的毒性大大增加，造成肝细胞的损伤。CCl4、氯仿、氯乙烯等—肝细胞代谢活化—脂肪变性、坏死、突变和肿瘤细胞形成和发展肾脏(排泄污染物及其代谢产物的重要脏器)——对体内生物活性物质也具有高度的重吸收功能，许多污染物因而也可选择性地贮存或作用于肾脏组织。

有机氟—代谢为氟离子—肾脏损伤8靶位点的功能靶位点的生理学功能不同，对污染物及其代谢产物的敏感性或耐受性也不同。不同部位酶不同—对污染物代谢转化能力不同机体各部位对稳定性较强的中间代谢产物的进一步代谢灭活所需酶也存在分布上的差异，当缺乏代谢灭活所需要的酶时，这一部位就会出现损伤现象。甲醇—代谢转化为甲醛和甲酸—人的眼组织缺乏代谢降解中间代谢产物的酶—眼成为靶位点

9受体学说受体存在于细胞膜上对特定生物活性物质具有识别能力并可选择性地与其结合的大分子蛋白质。生物活性物质能引起生物效应的各种物质内源性活性物质神经递质、激素、抗体等外源性活性物质食物、药物和毒物10受体学说配体对受体具有选择性结合能力的生物活性物质。反应体受体与配体结合后进而引发机体中某一特定结构产生初始生物效应，这种受体-配体结构称为反应体。反应体离子或分子传输酶的灭活或激活神经递质或激素释放生物效应生物膜配体受体识别换能放大11作用机制（引发生物效应的过程）受体在识别相应配体(毒物)并与之结合后需要细胞内第二信使将获得的信息增强、分化、整合并传递给效应机制才能发挥其特定的生物学效应。细胞表面受体接受细胞外信号后转换而来的细胞内信号称为第二信使；将细胞外的信号称为第一信使

细胞内的第二信使环磷腺苷(cAMP)、钙离子12作用机制（引发生物效应的过程）腺苷环化酶（C-AMPase）：毒物C-AMPase活化催化ATPC-AMP（环腺苷酸，第二信使）催化蛋白质磷酸化膜透性等改变有关的生物效应13作用机制Ca2+与钙调蛋白复合物的形成：正常细胞保持严格的钙稳态：胞外10-3mol/L，胞内10-7~10-6mol/L。M+Acceptor

激活磷脂酶磷脂酸肌醇水解

Ca2+增加（10-7~10-5mol/L）钙调蛋白复合物系列酶非生理性激活：环核苷磷酯酶；脑腺苷酶；蛋白激酶、磷酸化激酶等在不同的组织产生不同的生物效应(肌肉收缩、腺体分泌、K+外流等，甚至细胞或组织坏死)。14二、化学毒物产生毒性的可能途径

化学毒物吸收、分布、代谢、排泄与靶分子相互作用细胞功能失调、损伤细胞修复功能失调毒性作用①最直接的途径

②较为复杂途径③最为复杂的途径15复杂的毒性机制可涉及多个层次和步骤：

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↓细胞结构的损伤和功能的失调↓启动组织水平、细胞水平或分子水平的修复机制↓毒物引起的靶分予结构改变和/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16人细胞正面应对：

天生我才必有用(正确的态度)启动正常的DNA损伤蠡测机制(functionaldamagesurveillance)不着急,分析一下该如何应对(正确策略)主动停滞细胞周期的进行(cellcyclearrest)找到正确的方案解决问题(成啦！)启动无错误损伤修复机制(error-freerepair)自我安慰:家不是还没丢吗?(忍耐方案)启动损伤耐受机制(Damagetolerance)负面应对：

我有麻烦吗？我咋看不见？(态度有问题)损伤检测系统失灵(deficientdamagesignalingandcheckpoint)我还有更好的选择吗？谁知道我没有好好干？(选错道路喽！)启动易错的损伤修复机制(error-pronerepair)谁知道我的数据造假？(开始失控要危害社会啦)细胞周期调节失控(cancer,defectivecheckpoint)我受不了了!大家都别理我!(开始自闭)永久退出细胞周期(senescence)彻底绝望：活着受罪有什么意思？(自杀也不是没有可能)细胞主动凋亡(apoptosis)171、局部刺激和腐蚀作用：硫化氢、氯气、沥青2、扰乱正常代谢影响组织对氧的利用影响酶的活性3、损害机体的生理功能对消化功能、血液系统、免疫系统、肝脏、肾脏、心血管系统、呼吸系统、神经系统、生殖系统、内分泌系统的毒性作用第二节化学物质的一般毒性作用机制

18第三节化学物质毒作用的分子机制

一、化学物质对生物膜的损害作用

对生物膜的组成成分的影响对膜脂质的影响（改变膜脂质的组成、改变膜结构的性质、引起膜脂质的过氧化）对膜蛋白质的影响

对膜糖的影响对生物膜物理性质的影响对膜通透性的影响如,重金属、DDT对膜流动性的影响如,DDT、对硫磷、乙醇、铅对膜表面电荷的影响19

细胞内钙稳态离子钙和结合钙细胞内钙离子浓度低于细胞外钙离子浓度钙离子称为体内第二信使2+Ca

2+Ca

-310mol/L膜外膜内

-710mol/L蛋白质结合钙二、化学物质对细胞钙稳态的影响细胞内游离钙水平的提高是许多细胞死亡之前或死亡时的常见现象。体内钙稳态失调镉离子→细胞内钙离子浓度升高20“女儿国”的故事在我国南方的深山老林里，就仍保持着女性至上的人际关系的村落，一个犹如神话传说般的“女儿国”。这个神奇的村落位于海拨1500多米我国的湖南炎陵、资兴和桂东县交界的群山之间。村落四面环山，山上竹修林茂，两泓溪流绕村而过，颇有人间仙境的感觉。村里的村民多为瑶族，大都以狩猎、采磨菇、卖竹笋为生。村子不大，也就60多人，但是90％以上都是女的，为了延续后代，她们只得从外村招婿上门续继香火。21据当地的老人讲，近100年来，这个村里几乎只生女孩不生男孩，尽管这些外来女婿不断改变这里的血缘关系，但“女儿国”的面貌仍然没有改变。有人推测，

“女儿国”形成的原因可能与当地的水质有关。专家调查发现在这个村子的上游有一个废弃的锌矿，在矿床中含有镉，男人们喝了镉污染的水后，含有男性基因的精子就受到了损伤，育龄男子在喝了这个含有铬的水之后，就会破坏精子中的男性基因。所以，就导致了只生女孩不生男孩的局面，所以就很容易生女孩儿。后来，国家有关部门首先清除了这个废弃的锌矿，然后又对这里的水进行了净化处理，生女不生男的状况才有所改变。

22三、引起机体内生物大分子氧化损伤

1、自由基(freeradicals)的来源与类型增毒的过程主要是使外源化学物转变为：

亲电物、自由基、亲核物、氧化还原性反应物等自由基：是指独立游离存在的带有不成对电子的分子、原子或离子。特点：化学性质十分活泼；反应性极高；具有顺磁性；半减期极短；作用半径短23自由基的类型（1）以氧为中心的自由基活性氧(ROS)：一类化学性质活泼的含氧功能基团的物质。包括：单线态（1O2）、超氧阴离子自由基(O-2·)、羟基自由基(·OH)、过氧化氢(H2O2)、臭氧(O3)、氮氧化物(NOX)、次氯酸(HOCl)（2）其他自由基以氢为中心以碳为中心（如三氯甲基自由基CCl3）以硫为中心（如烷硫自由基R-S）以氮为中心（苯基二肼自由基C6H5N=N·）过渡金属离子（如Cu+/Cu2+,Fe2+/Fe3+）

24自由基在生物体内来源主要有两个：

一是生物体正常生理过程产生的内源性自由基由线粒体呼吸链电子泄露产生由经过氧化物酶体的多功能氧化酶（MFO）等催化底物羟化产生机体血红蛋白、肌红蛋白中还可通过非酶促反应产生自由基二是外来化学物质在体内代谢而产生的主要通过氧化还原反应产生252、自由基对生物大分子的损害作用自由基形成增加机体抗氧化功能下降超过了机体清除能力自由基过多自由基过多适量机体损害作用发挥重要生理功能自由基可称“万恶之源，百病元凶”。如免疫和信号转导过程26

过多的自由基可能产生的不良后果27防止自由基过量可多食用：维生素C、E、B、胡萝卜素，以及各种蔬菜水果来等。28自由基对机体的损伤主要有使脂质过氧化而破坏生物膜，导致膜的通透性和流动性改变而引起细胞损伤和死亡；与蛋白质氨基酸残基或巯基反应，导致蛋白质功能或酶活性丧失，引起蛋白质分子聚合和交联；破坏核酸的结构、攻击嘌呤与嘧啶基，导致变异的出现与蓄积。2、自由基对生物大分子的损害作用29自由基与脂质过氧化细胞的90%以上为膜性结构，细胞膜上含有大量多不饱和脂肪酸(PUFA)，是最易受到活性氧攻击的生物大分子，使其发生脂质过氧化作用。脂质过氧化作用主要是指在PUFA中发生的一种自由基链式反应，它主要是由活性氧引发产生。30自由基与脂质过氧化PUFA在活性氧的作用下，可在不饱和双键上不断发生过氧化作用。PUFA中邻近双键的α-甲烯碳与其上的丙烯氢间的碳氢键的键能较小，易发生均裂；需要较少的能量即可从PUFA的α-甲烯碳上夺走氢，完成自由基的启动反应，生成活性极强的脂质自由基(L·)，然后L·与基态氧反应生成脂质过氧化自由基(LOO·)；LOO·再与另一个PUFA分子反应，生成又一个LOO·和一个脂氢过氧化物(LOOH)。脂质过氧化作用一旦被引发，就可以较持续的进行，不断地产生LOOH。LOO·也可形成环氧化物，当环氧化物断裂后，产生许多种醛类和烃类的普通分子，使连锁反应终止。31自由基与脂质过氧化脂氢过氧化物的分解产物——醛式产物对细胞及其成分具有毒性效应。丙二醛对蛋白质和核酸等生物大分子产生一定的毒作用32自由基与脂质过氧化脂质过氧化引起生物膜整体流动性、通透性、不对称性和完整性破坏，膜蛋白交联直至溶酶体破裂水解酶释出，到整个细胞瓦解。33蛋白质是构成生物体的重要组成部分，是由多种氨基酸组合成的肽链生物大分子；在人体的固有物质中，蛋白质约占总量的45%。对蛋白质分子的攻击直接作用脂质过氧化中间产物的作用34对蛋白质分子的攻击直接作用自由基可通过作用于蛋白质分子(酶)的氨基酸残基与巯基而使其发生交联和断裂，改变蛋白质(酶)的结构和功能。35对蛋白质分子的攻击脂质过氧化中间产物的作用各种PUFA过氧化产物和磷脂混合物可使微粒体膜破坏，并在内质网发生病变，再逐步扩大和扩散到其他细胞器和质膜；最终可致细胞发生坏死。36对蛋白质分子的攻击脂质过氧化中间产物的作用甲醛、乙醛等短链醛类对蛋白质的影响较大可以与蛋白质的游离氨基作用，引起蛋白质分子内和分子间交联；与蛋白质或核酸交联后则形成惰性的脂褐素。脂质过氧化产物使蛋白质或酶的结构断解脂质过氧化产物也可直接影响酶的结构与活性37对核酸的损伤核酸，尤其是脱氧核糖核酸(DNA),是生物体中的重要成分，它带有生物信息编码，能够控制多种生物功能，如蛋白质的合成和遗传性状等。自由基引起的核酸氧化性损伤包括DNA主链的断裂，单股DNA链的断裂、交联碱基降解和氢键的断裂等；所有核酸成分都有可能受到自由基攻击，造成可逆或不可逆损伤。这些改变都将使细胞发生深刻的功能性变化或遗传性变化，甚至造成细胞的癌变和死亡。383、机体对氧化损伤的防御系统酶促防御系统

超氧化歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）谷胱甘肽还原酶(GR)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)

非酶促防御系统天然的自由基清除剂：谷胱甘肽、维生素C、维生素E、类胡萝卜素(CAR)、尿酸、牛磺酸、次牛磺酸等。

人工合成的自由基清除剂：苯甲酸钠、二苯胺、没食子酸丙酯等39四、与细胞大分子的共价结合共价结合指化学毒物或其具有活性的代谢产物与生物机体内的一些重要大分子如核酸、蛋白质、酶、膜脂质等发生共价结合，从而改变这些生物大分子的化学结构与生物学功能。加合物：亲电子毒物与细胞内的亲核部位或基团相互作用，通过共价键形成稳定的复合物。与蛋白质的共价结合

与核酸分子的共价结合

40共价结合学说在生物体内，污染物或其代谢产物可以与生物大分子发生共价结合，从而改变生物大分子的结构与功能，引起一些列的有害生物效应。该学说认为，机体重要的生物大分子，如DNA、RNA、酶和其他多种生物活性物质，都可与污染物或其代谢产物发生不可逆的共价结合。41与蛋白质(酶)的共价结合与核酸的共价结合与脂质的共价结合42各种污染物或其代谢产物通常可与结构蛋白质或酶的活性中心的配位体巯基、羟基、胍基、氨基等部位发生共价结合，最终抑制这些蛋白质的功能。与结构蛋白结合蛋白质的一个重要生理功能是构建生物体，这类蛋白质被称为结构蛋白。细胞膜、线粒体、内质网等都是由蛋白质和脂类组成的，具有各种重要的生物学功能(除了结构作用外)，易受到污染物的毒作用。醌类、醛类，羟胺化合物和环氧化物等污染物，可与脂蛋白、糖蛋白发生共价结合，引起细胞膜通透性改变和细胞内营养物质合成障碍，最终导致细胞或组织坏死。43与结构蛋白结合污染物或其代谢产物还可与胞浆蛋白发生共价结合，使胞浆蛋白变性——可作用于细胞核内的DNA、RNA等遗传物质，引起畸变、癌变和突变。某些具有抗原或半抗原作用的污染物与机体组织蛋白（如载体、抗体、补体等）可形成共价结合，所形成的复合物可以引起特殊的变态反应。44与酶结合单纯蛋白酶结合蛋白酶酶蛋白辅因子(金属离子、金属有机化合物、小分子有机化合物)辅酶(非蛋白质部分与酶蛋白以非共价键相连)辅基(非蛋白质部分与酶蛋白以共价键相连)

污染物或其代谢产物可与酶的活性中心、辅酶、辅基或底物发生共价结合，导致酶活性的抑制，从而引起一些列的有害生物效应。45与酶结合与酶的活性中心共价结合有机磷农药与乙酰胆碱酯酶竞争性地共价结合——乙酰胆碱酯酶的磷酰化—胆碱酯酶活性受抑制(不能起分解乙酰胆碱的作用)—组织中乙酰胆碱过量蓄积—使胆碱能神经过度兴奋—中枢神经系统症状等神经递质乙酰胆碱的主要职能是从神经细胞携带信号到肌肉细胞。46与酶结合与酶的活性中心共价结合与细胞色素氧化酶中的Fe和许多金属辅酶中的Cu、Zn等元素结合：CO、CN-、叠氮化物、亚硝酸盐、硫化物等，阻断电子传递过程，引起细胞窒息。含有-SH基酶在巯基部位结合多种重金属(Cd,Hg,Pb,As等)，导致酶活性抑制。47与酶结合致死性合成许多与酶的底物结构类似的污染物或其代谢产物，在酶的催化作用下参与生物合成或其他代谢途径，形成无功能的中间代谢产物，扰乱正常的代谢过程。48与核酸的共价结合核酸是生物信息遗传的物质基础，可分为RNA,DNA两类。污染物不仅可与这些核酸物质发生共价结合，还可与核酸的氢键进行氢键结合，或者嵌入碱基对之间，造成遗传信息的错误表达。与脂质的共价结合能直接与脂质共价结合的化合物不多，部分有机卤化物。49一些事实不能解释。毒作用程度与共价结合能力不符合某些污染物或其代谢产物在靶器官内的共价结合量反而低于非靶器官有大量污染物以非共价键的形式作用于生物大分子，导致各种有害生物效应。常常发现污染物与生物大分子共价结合的部位并未产生毒作用。50五、研究毒性损伤机制的意义了解化学物是否有可能对机体产生有害毒作用建立预防或解毒措施设计危害较小的药物和工业品开发对靶生物具有强烈选择毒性的农药。51六、研究中毒机制步骤：整体动物有无毒性↓找出靶器官、靶组织↓找出受损的细胞、亚细胞↓分子水平：DNA、RNA或蛋白质52第四节外源化学物毒性损伤的影响因素

毒物因素环境因素机体因素联合作用53一、毒物因素

1、毒物的化学结构

化学结构化学性质物理性质生物学活性毒性541、毒物的化学结构（1）同系物的碳原子数：碳原子数增加毒性增强

烷烃化合物的毒性：丙烷<丁烷<戊烷<己烷<庚烷醇的毒性：乙醇<丙醇<丁醇<戊醇（2）分子饱和度：不饱和键增多，其毒性增加

乙烷<乙烯<乙炔丙（丁）烯醛对结膜的刺激作用大于丙（丁）醛

（3）构型

对位>邻位>间位；对称>非对称

直链化合物毒性大于异构体成环化合物毒性大于不成环化合物55（4）取代基的性质烃基

苯环中的氢被甲基取代后毒性增加苯<甲苯<二甲苯

卤素取代

烷烃类化学物的氢若被卤族元素所取代后，毒性增强氯化甲烷对肝脏的毒性依次为：CCl4>CHCl3>CH2Cl2>CH3Cl>CH4

羟基

芳香族化合物中引入羟基，毒性增加

苯的毒性<苯酚

酸基

分子中引入羧基(－COOH)和磺酸基(－SO3H)后，毒性降低

苯甲酸的毒性<苯氨基

伯胺(RNH2)>仲胺(RNHR’)>叔胺(RNR’R”)

562、毒物的理化性质

一般脂溶性高的物质毒性较大

吸收率：氯化高汞2％<醋酸汞50％<苯基汞50％～80％<甲基汞90％以上

毒物在水中的溶解度越大，毒性越大砒霜(As2O3)>雄黄(As2S3)；铅化物：一氧化铅>金属铅>硫酸铅>碳酸铅气态化物的溶解度还可影响毒性作用的部位

HF、NH3对上呼吸道损害；NO2等可深入肺泡引起肺水肿（1）溶解度（脂/水分配系数）

57（2）电离度

非离子型毒性>离子型（3）挥发度和蒸气压

有些有机溶剂的绝对毒性相当，但由于它们各自的挥发度不同，所以实际毒性相差较大。

LC50：苯＝苯乙烯；毒性：苯>苯乙烯58（4）分散度

影响进入呼吸道的深度影响化学物的溶解度影响化学物的活性（5）外源化学物的纯度

如，除草剂中含有TCDD导致一定的致畸性“橙战剂”的悲剧59二、机体因素

（一）种属与个体差异1、代谢酶的差异如，苯可以引起兔白细胞减少，而对狗则引起白细胞升高;

β-萘胺能引起狗和人的膀胱癌，而对大鼠、兔、和豚鼠没有此作用2、生物转化能力的差异3、生物结合能力的差异4、排泄能力的差异60（二）遗传因素

遗传因素不同决定了个体间存在酶的多态性差异，导致代谢的多态性，而代谢的多态性是导致机体致癌易感性和某些疾病的内在因素。

遗传因素是导致种属、品系和个体间毒物易感性差异的根本原因。（三）年龄和性别研究发现：新生动物对毒性的反应比青年或成年动物敏感，敏感性平均高3倍。在一般情况下，成年雌性动物比雄性动物对化学物毒性敏感，但也有例外。如马拉硫磷和甲基对硫磷对雄性大鼠毒性敏感性高于雌鼠。（四）营养、健康状况（五）生活方式61大量调查研究已证实了吸烟是引起肺癌发病的主要原因，香烟烟雾中含有多环芳烃化合物等多种致癌物或促癌物。肺癌发病及死亡与吸烟量、开始吸烟年龄和卷烟中多环芳烃化合物等有害成分的多少密切有关。吸烟量大，开始吸烟年龄小，卷烟中有害成分含量高，则肺癌的患病人数和死亡人数均高。研究还发现，在吸烟量相同的情况下，患肺癌的危险度存在着明显的个体差异。香烟烟雾中的多环芳烃类化合物在芳烃羟化酶(AHH）作用下可使芳香烃化合物羟化，并产生致癌活性，其活力在个体之间存在明显的差异。在吸烟量相同的情况下，AHH活力较高的人，患肺癌的危险度比活力低的人高36倍，中等活力的人患肺癌的危险度比活力低的人高16倍。62（一）化学物质与机体接触方式

1、接触途径2、接触剂量3、接触频率、速度4、溶剂

常用的溶剂有水、生理盐水、植物油、二甲基亚砜等如，DDT的油溶液对大鼠的LD50为150mg/kg,

DDT的水混悬液对大鼠的LD50为500mg/kg。三、环境因素

63(二)气温、气湿和气压

机体皮肤毛细血管扩张、血循环加快、呼吸加速⇗⇘高温毒性增强

⇘