毒理学 毒性机制

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毒性机制

（MechanismsofToxicity)2【内容】外源化学物增毒现象，终毒物类型（亲电物、自由基、亲核物），解毒途径，解毒过程失效的原因终毒物与靶分子的反应：类型，毒物对靶分子的影响3毒物引起的细胞调节功能障碍：基因表达调节障碍、细胞瞬息活动调节障碍毒物引起的细胞维持功能改变：细胞内部维持自身功能的损害、细胞外部维持功能的损害4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，还与剂量及靶部位有关3.靶组织和靶器官具有代偿能力，可超常发挥解毒功能4.毒效应包括一般毒性效应和特殊毒性效应5研究中毒机制步骤整体动物有无毒性找出靶器官、靶组织进一步找出受损的细胞、亚细胞分子水平：DNA、RNA或蛋白质6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

毒性产生毒性可能的途径7毒性机制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与功能紊乱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力或修复本身障碍时，即产生毒性效应8机制毒理学(Mechanistictoxicology)

主要研究化学物对生物体产生毒性作用的细胞、生化和分子机制，为建立敏感、特异的预测试验，安全性评价与管理、安全性化学物（或药物）的设计与生产以及疾病的诊断和治疗提供科学依据。9证实与人类直接相关的实验动物中所观察到的损害作用（Cancer、Birthdefects、Organophosphateinsecticideinhibitionofacetylcholinesterase）验证可能与人类无关的发生于实验动物中的有害效应（Artificialsweetenersaccharintocausebladdercancerinrats）机制毒理学研究成果在应用毒理学（AppliedToxicology）领域的主要用途10设计和生产较为安全的化学物以及合理治疗化学中毒和临床疾病(Thalidomide可干扰某些血管生成基因的表达，已被用于治疗某些传染病、炎症性疾病、癌症等，但孕妇禁用)进一步加深对生理学、药理学、细胞生物学、生物化学等基础学科的了解（河豚毒素Tetrodotoxin以及DDT等）现代分子生物学、基因组学等理论和技术的应用（个体易感性-基因多态性,家族遗传背景,表观遗传学等)11第一节外源化学物的增毒与终毒物的形成终毒物：是指与内源靶分子（如受体、酶、DNA等）反应或严重地改变生物学（微）环境，启动结构和（或）功能改变而表现出毒性的物质(表4-1)终毒物在其作用位点的浓度及持续时间决定了毒效应的强度12类型举例直接终毒物Pb,河豚毒素,TCDD,CO,HCN代谢物作为终毒物砷酸盐亚砷酸盐,己烷己二酮Bap,Aflatoxinepoxides活性氧(氮)作为终毒物过氧化氢,阿霉素,Fe++,Paraquat

羟自由基(HO.)/过氧亚硝基(ONOO-)内源化合物作为终毒物黄胺类药物清蛋白结合的胆红素胆红素CCl3OO.

不饱和脂肪酸自由基HO.

蛋白质蛋白羟基表4-1终毒物的来源及其类型13增毒（toxication)或代谢活化（metabolicactivation)：外源化学物经生物转化使其毒性增强，甚至可产生致畸、致癌效应的过程增毒过程主要是使外源化学物转变为亲电物（electrophiles)自由基（freeradicals)亲核物（nucleophiles)氧化还原性反应物（redox-activereductants）14一、亲电物的形成

（formationofeletraophiles)亲电物（electrophiles)：是一类缺少电子而使整个分子部分或全部带正电的物质(表4-2)亲电物可与含电子的亲核物共享电子反应常常是外源化学物经Cyp450或其他酶氧化成酮、环氧化物、不饱和酮和醛、醌和酰卤化物等物质阳性亲电物常由化学键断裂而形成15二、自由基形成

（formationoffreeradicals）

自由基通过接受或失去一个电子，或由化合物的共价键发生均裂而形成自由基（freeradicals)：是指独立游离存在的带有不成对电子的分子、原子或离子16特点：具有顺磁性化学性质十分活泼反应性极高半减期极短(µs)

作用半径短氧化应激(OxidativeStress)17自由基过多适量机体损害作用发挥重要生理功能自由基超过了机体清除能力自由基形成机体抗氧化功能自由基过多18活性氧（reactiveoxygenspecies,ROS)：一类化学性质活泼的含氧功能基团的物质,很常见包括：单线态氧:较高的反应性(1∆gO2/1ΣgO2)超氧阴离子自由基(O2.）:强还原剂羟基自由基（.OH):活性极强,可与任何生物分子反应;但半衰期短,作用半径小(一）自由基的类型（typesoffreeradicals)19过氧化氢（H2O2):弱氧化剂和弱还原剂臭氧（O3):氮氧化物（NOX)次氯酸（HOCl)20二、自由基的来源（sourcesoffreeradicals)1.生物系统产生的自由基胞浆中的小分子：自氧化促使氧还原，产生氧自由基胞浆蛋白质：xanthineoxidase、dopamine-β-hydroxylase、D-aminoacidoxidase、andfattyacylCoAoxidase均可产生ROS21膜酶活性：lipoxygenase、cycloxygenase吞噬细胞的吞噬过程及呼吸爆发（respiratoryburst)过氧化酶体线粒体电子传递过程能生成ROS微粒体电子传递系统22三、亲核物的形成

（formationofnucleophiles)是毒物活化作用较少见的一种机制硒化氢是由亚硒酸盐与谷胱甘肽或其他巯基反应形成的一种强亲核物一氧化碳经由氧化取卤反应而形成的毒性代谢产物23四、氧化还原活性还原剂的形成

(formationofredox-activereactants)

硝酸盐肠道细菌还原亚硝酸酯或硝酸酯谷胱甘肽亚硝酸盐高铁血红蛋白24最活泼的代谢物是缺电子的分子或分子片段，如亲电子物或中性物，或阳性物多数亲核物需转化成亲电子物后才能反应带一个多余电子的自由基在HOOH的断裂，形成中性.OH而产生毒性作用25五、解毒（detoxication)解毒（detoxication)：是指通过生物转化而将终毒物排除，或者阻止毒性产物形成的过程在某些情况下，解毒可能与中毒竞争同一化学物261.无功能基团毒物的解毒（detoxicationoftoxicantswithnofunctiongroups)无功能基团化学物（苯和甲苯）+功能基团（羟基和羧基）CyP450含功能基团产物+内源性酸如葡萄糖醛酸、硫酸或氨基酸转移酶不活泼的、高度亲水的有机酸排出体外根据毒物化学性质，解毒途径可分为272.亲核物的解毒（detoxicationofnucleophiles)一般通过在亲核功能基团上的结合反应来解毒如羟化的化合物通过硫酸化作用、葡萄糖醛酸化作用来结合283.亲电物的解毒（detoxicationofelectrophiles)一般亲电性毒物的解毒是通过与巯基亲核物谷胱苷肽共轭结合而解毒此类反应可自发产生或由谷胱甘肽-S-转移酶协同进行金属离子如Ag2+、Cd2+、Hg2+和CH3Hg离子很容易与谷胱甘肽反应而解毒294.自由基解毒（detoxicationoffreeradicals)没有任何一种酶能排除HO.唯一有效的抗HO.方法是防止其产生，可通过两个反应即将O2-.先转化成HOOH，再将HOOH转化成水305.蛋白质毒素解毒

（detoxicationofproteintoxins)细胞外和细胞内的蛋白酶参与有毒多肽的失活31六、解毒过程失效

（whendetoxicationfails)1.毒物可能使解毒过程失效，终毒物蓄积2.偶尔可见某种具有反应活性的毒物使解毒酶失活3.某些结合反应可被逆转4.有时解毒过程产生潜在的有害副产物32

第二节终毒物与靶分子的反应（reactionoftheultimatetoxicantwiththetargetmolecule)33终毒物与靶分子的交互作用触发毒性效应需考虑：靶分子的属性；终毒物与靶分子之间反应的类别；毒物对靶分子的效应；生物学微环境的改变所引起的毒性3435一、靶分子的属性（attributesoftargetmolecules)理论上所有内源性化合物都是毒物潜在的靶标主要有：机体大分子：如核酸特别是DNA和蛋白质膜脂质其他成分并不是所有的毒物与靶标的反应都是有害的36内源性分子作为一个靶分子必须具有合适的反应性和（或）空间构型，以容许终毒物发生共价或非共价反应。为了发生这些反应，靶分子必须接触足够高浓度的终毒物。37确定毒作用靶分子的标准：1.终毒物与靶标反应，并对其功能产生不良影响2.终毒物在靶部位达到有效浓度3.终毒物在某种机制上，以所观察的毒性相关的方式改变靶标38二、反应类型（typesofreactions)

1.非共价结合（nonconvalentbinding)：通过非极性交互作用或氢键与离子键的形成。如毒物与膜受体、细胞内受体、离子通道及其某些酶等靶分子的交互作用特点：互补结合通常是可逆的392.共价结合（convalentbinding)共价结合一般是不可逆的，能永久性改变内源性分子结构，故共价结合具有重要的毒理学意义亲电毒物与亲核物如生物大分子：蛋白质和核酸的反应40亲电原子对亲核原子具有选择性，这主要取决于其负载与半径的比例软（次）亲电物较易与软（次）亲核物反应硬