第四章 毒性机制

第四章毒性机制

10/18/20231第四章毒性机制第一节外源化学物的增毒与终毒物的形成第二节终毒物与靶分子的反应第三节细胞功能障碍与毒性10/18/20232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果。除与机体自身有关外，主要取决于化学物暴露的程度与途径。10/18/20233中毒表现多种多样，毒性机制不一。与靶分子反应，引起细胞功能失调；对生物学环境(微环境)产生有害的影响，引起分子、细胞器、细胞或器官等不同水平的功能失调，导致毒效应。10/18/20234总体把握：化学物对生物体的原发性毒作用可分为：物理性毒作用、化学性毒作用和生理性毒作用。由于不同毒作用间存在着相互联系或相互影响，故对某一化合物来说可能在毒作用发展过程中，先后或同时有几种中毒机理存在。由于它的复杂性，要想正确地、完整地阐明一个化学物的毒作用机理是比较困难的。但不管怎样，一个化学物总归有其主要的毒作用机理。10/18/202351、物理性毒作用（1）脂溶性化学物能损伤皮肤的保护层或靶细胞的脂质生物膜。如接触有机溶剂和两性去污剂后可发生膜的溶解。（2）惰性气体（N2、CO2、甲烷等）被大量吸入时，可降低肺泡中的氧分压而造成窒息。（3）空气中飘尘吸附有害气体或蒸气造成机体的危害。（4）放射性物质对机体的辐射。10/18/202362、化学性毒作用（1）强酸强碱的腐蚀作用。（2）CO与Hb结合形成碳氧Hb症。破坏血液携O2

功能而造成窒息。（3）氰化物与氧化型细胞色素氧化酶的含铁辅基相结合，使呼吸链的电子传递中断，组织细胞不能摄取和利用氧，造成细胞内窒息。（4）络合剂如氰化物和二硫代氨基甲酸酯可去除金属辅酶如铜和锌而抑制金属依赖性酶。10/18/202373、生理性毒作用（1）影响机体代谢过程：①干扰糖元的合成或分解：例如，CCl4抑制糖元转移酶，导致肝糖元量减少，并损害肝细胞线粒体，障碍三羧酸循环，影响糖的氧化和产能。金属有机物可阻碍脑组织中葡萄糖的氧化。②引起脂质代谢障碍：例如，CCl4损害肝脏亚细胞结构，使脂蛋白减少，甘油三酯堆积。③干扰蛋白质及核酸的代谢：化学物与复制的DNA和RNA共价结合可引起致癌、致突变、和致畸等严重损害。④破坏机体的能量代谢：例如，二硝基酚类农药能使作用物氧化产生的能量不能用于二磷酸腺苷（ADP）的磷酸化，使氧化和磷酸化的偶联作用被解除。10/18/20238（2）损害生物膜的结构和功能：生物膜最易受到毒物的损害。例如，铅离子能使细胞膜的脆性增加，导致溶血。汞作用于细胞膜的巯基，改变细胞膜的结构和功能，进而损害整个细胞。麻醉性醚类等亲脂性物质在细胞膜中蓄积，从而干扰了氧和葡萄糖转入细胞的过程。由于中枢神经系统的细胞对低氧和低血糖特别敏感，故最先受到影响。（3）干扰酶系统：酶往往是毒作用的靶分子。外来化合物引起的中毒反应都要涉及正常酶活性的变化，包括酶活性的增高和抑制等。10/18/20239①诱导作用：苯巴比妥、氯化烃类杀虫剂等到注入大鼠体内，可使细胞色素P-450氧化酶系大量增加，葡萄糖醛酸转移酶活力增高，明显加速外来化学物的生物转化作用。对一些经代谢转化而“生物活化”的化学物则使毒性增强。许多脏器或组织受到外来化学物损伤时，常见到血清中酶活性增高，例如，肝细胞损伤时，血清谷丙转氨酶活性明显提高；肾小球受损伤时，尿中酸性磷酸酶活性增高；肾小管受损时，尿中氨基肽酶活力增高等。10/18/202310②抑制作用：外来化学物对酶活性的抑制作用较为常见。例如：有机磷农药抑制胆碱酯酶；铅抑制氨基酮戊二酸脱水酶；有机氯化合物抑制K+-Na+-ATP酶等。10/18/202311致死性合成：酶可被毒物在体内合成的产物所抑制，此产物属异常的中间代谢产物，可阻断正常的中间代谢，造成生物化学损害，甚至生物死亡，称之。例如：氟乙酸在体内与乙酰辅酶A作用生成氟乙酰CoA，再与草酰乙酸缩合成氟柠檬酸。后者竞争地抑制乌头酸酶，使用权柠檬酸不能转变为异柠檬酸而使三羧酸循环受阻，造成心脏和CNS损害。10/18/202312外来化学物对酶活性的抑制方式：A、一般性抑制，不具有特异性：例如，对某些需要特殊金属作为活化剂的酶，对任何能置换该金属或使该金属失活的物质，都可使该酶灭活。B、特异性抑制酶活性中心：外来化学物与酶蛋白部分活性中心的功能基团如-SH，-OH，-COOH相结合，如果此酶很重要，且无其它旁路可通，则将造成细胞死亡。C、抑制辅酶：外来化学物与酶活性必需的辅助因子竞争酶的作用部位，阻断酶的正常功能，造成正常代谢的抑制。10/18/202313（4）损害细胞大分子：有些毒物作用于细胞遗传物质——核酸，对机体产生致突变、致癌和致畸等作用。毒物对细胞遗传物质的作用主要包括：基因突变和染色体畸变。①基因突变:主要是外来化学物与DNA结合，包括共价结合和嵌入，使DNA链产生一些变化，形成化学致突变作用。突变的结果可能是细胞死亡或遗传性状的改变，亦有可能使正常细胞向肿瘤细胞转化。②染色体畸变:化学诱变物亦可引起细胞染色体畸变，即在染色体数目和结构上发生变化，引起严重后果。10/18/202314（5）影响机体免疫功能：外来化学物对机体免疫功能有兴奋或抑制两方面的影响，可对机体产生相应的损害。①兴奋诱导作用：有些化学物可作为半抗原或全抗原对机体诱发Ag-Ab反应，包括：过敏反应、溶细胞型变态反应、抗原-抗体免疫复合物型反应、细胞免疫或迟发型反应等。它们都以变态反应为特征，故又称化学致敏作用。引起这种作用的化学物质为化学致敏原。10/18/202315②抑制消退作用：指在免疫反应过程中出现某一环节或多环节的障碍，致使免疫水平不同程度地下降。例如：臭氧、SO2等可损害呼吸器官的巨噬细胞吞噬力和粘膜纤毛的清除力，使进入体内的微生物得以迅速增殖。有的外来化学物可损害淋巴系统，影响T淋巴细胞和B淋巴细胞的功能，造成免疫抑制，其后果是机体对微生物感染的易感性提高。10/18/202316第一节外源化学的增毒与终毒物的形成终毒物（ultimatetoxicant）是指与内源靶分子（如受体、酶、DNA、微丝蛋白、脂质）反应或严重地改变生物学（微）环境、启动结构和（或）功能而表现出毒性的物质。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（metabolicactivation）。最为多见的情况是增毒使外源化学物如氧和氧化氮（NO）转变为：亲电子、自由基、亲核物、氧化还原性反应物。毒效应的强度主要取决于终毒物在其作用位点的浓度及持续时间。

10/18/202317使生物学微环境发生了不利于机体的变化；化学结构发生了不利于机体的变化；通过生物转化而获得更有效地与特定受体或酶相互作用的结构特征和反应性。增毒作用机理10/18/202318增毒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）10/18/202319毒物进入大循环前的排除；从作用部位分布到其他部位；排泄与解毒，促进终毒物在其靶部位蓄积的因素毒物的吸收；作用部位的分布重吸收；增毒(代谢活化)减少终毒物在其靶部位蓄积的因素10/18/20232010/18/202321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①②③10/18/202322亲电子剂的形成亲电子剂是含有一个缺电子原子（带部分或全部正电荷）的分子。该缺电子原子中的部分或全部阳电荷使其很容易通过共享电子对的方式与亲核剂中富含电子的原子反应。化学物在代谢活化时形成非离子亲电子剂。亲电子剂经常是在外源化合物被细胞色素P-450或其他酶氧化成酮类、环氧化物及芳烃氧化物、α,β-不饱和酮及醛类、醌类或醌亚胺类以及酰基卤等过程中形成的。10/18/202323亲电物的形成机理插入一个氧原子，从其附着的原子中抽取一个电子，使其具有亲电性。通过氧的去电子作用而被极化，使得双键碳之一发生电子缺失

；键异裂形成阳离子亲电物10/18/202324由无机化学物形成亲电毒物的实例金属汞氧化为Hg2+；

CrO42-还原为CrO33+；

AsO43-还原为AsO32-/As3+10/18/202325苯并(a)芘[benzo(a)pyrene，BaP]P-4507,8-环氧苯并(a)芘7,8-二羟-BaP7,8-二羟基-9,10-环氧BaP环氧化物水解酶(终致癌物)10/18/202326自由基形成自由基（freeradicals）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。其共同特点是：具有顺磁性、其化学性质十分活泼、反应性极高，因而半减期极短，一般仅能以μs计，作用半径短。在与生物体有关的自由基中，最主要的是氧中心自由基，这类自由基持续不断地在机体内产生。活性氧(reactiveoxygenspecies,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。

10/18/202327最主要的是活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS）自由基的类型氧中心自由基：O2-·和·OH；氧的非自由基衍生物：H2O2、单线态氧Δg和次氯酸（HOCl），过氧化物、氢过氧化物和内源性脂质及外源化学物的环氧代谢物。10/18/202328分子氧的反应性很低。氧的活性可以通过使其两个外层电子中的一个电子改变自旋方向或依次单价还原为自由基而增加。10/18/202329双原子氧经单电子还原而形成，其化学特性主要取决于溶液环境。超氧阴离子自由基(O2-·)水溶液中，弱氧化剂，能氧化某些分子（维生素C和巯基）；

强还原剂，能还原几种含铁复合物，（细胞色素C和Fe2+-EDTA）。10/18/202330O2-·是两种增毒途径的启动物质形成过氧化氢，然后形成羟基自由基(·OH)；产生过氧亚硝基[peroxynitrte（ONOO-)]，最终形成二氧化氮(·NO2)和碳酸盐阴离子自由基(CO3-·)。10/18/20233110/18/202332产生O2-·的系统都可产生H2O2。许多酶通过直接转移2个电子给氧而产生H2O2。

是一种弱氧化剂和弱还原剂，在缺乏过渡金属离子时是相对稳定的。能迅速与水混合，在机体迅速通过细胞膜扩散并被处理为水分子。过氧化氢(H2O2)10/18/202333机体对抗H2O2的防御体系过氧化氢酶（catalase）；谷胱甘肽过氧化物酶（glutathioneperoxidase）；其他过氧化物酶。10/18/202334·OH是分子氧三电子还原的产物，是一种化学活性极强的自由基，能与任何生物分子起反应。·OH的半减期不到1μs，作用直径很短（3nm）。羟基自由基(·OH)10/18/202335·OH主要来源于金属催化的Haber-Weiss反应或称Fenton型Haber-Weiss反应。Fe3+-络合物能加快反应速度。Fe3++O2-·O2+Fe2+(1)Fe2++H2O2Fe3++OH-+·OH(2)O2-·+H2O2O2+OH-+·OH(3)10/18/202336臭氧是一种有毒的氧化污染物。在污染的城市空气中存在臭氧，同时也由科学仪器和某些光复印机中使用的强光源产生。臭氧可损害肺，能迅速氧化蛋白质、DNA和脂质。臭氧10/18/202337NO和NO2含奇数电子，属自由基。氮的氧化物NO可能与O2-·反应产生活性中间产物过氧亚硝基（ONOO-），损害许多生物分子，并能在酸性pH下降解，释放出少量羟基自由基。10/18/202338ONOO-与CO2反应产生亚硝基过氧碳酸盐（ONOOCO-），它可自发地均裂为二氧化氮（·NO2）和碳酸阴离子自由基（CO3-·）。ONOO-及其以后的自由基形成代表着O2-·与NO的增毒机制。10/18/202339次氯酸（HOCl），强氧化剂，由活化的中性粒细胞形成。吞噬细胞胞浆中的含血红素的酶（髓过氧化物酶）催化H2O2和氯离子形成HOCl。次氯酸H2O2+Cl-+H+HOCl+H2O10/18/202340HOCl可通过依赖或不依赖铁的反应而形成羟基自由基。HOCl+O2-··OH+Cl·+O2HOCl+Fe2+·OH+Cl·+Fe3+10/18/202341自由基的来源与类型10/18/202342自由基在生物体内来源有二：一是细胞正常生理过程产生；二是化学毒物在体内代谢过程产生。许多外来化合物可通过各种不同途径产生自由基，但其中最主要的途径是通过氧化还原反应（redoxcycling）。它通过加入一个单电子使化学物还原为不稳定的中间产物，随后这个电子转移给分子氧而形成超氧阴离子自由基(O2-·)，而中间产物则再生为原化学物。如：百草枯(PQ++)、阿霉素(DR)和硝化呋喃托英(NF)可从还原酶接受一个电子形成自由基。自由基形成10/18/202343自由基在肿瘤、辐射损伤、老化和某些疾病发生发展中的作用得到了进一步的证实。自由基在体内虽然不断产生，但也不断为机体的防御体系所清除。10/18/202344当环境中的物理因素或外源化学物质直接或间接诱导产生的大量自由基超过了机体的清除能力，或内源性自由基产生和清除失去平衡，就会使机体处于氧化应激（oxidativestress），进而造成机体的损害。10/18/202345亲核物的形成亲核物的形成是毒物活化作用较少见的一种机制。例如：苦杏仁经肠道β－糖苷酶催化形成氰化物；丙烯氰环氧化和随后谷胱甘肽结合形成的氰化物；以及硝普钠经巯基诱导降解后形成氰化物，等。

10/18/202346亲核物的形成是毒物活化作用较少见的一种机制。亲核物的形成丙烯腈环氧化后和谷胱甘肽结合形成氰化物；硝普钠(sodiummitroprusside)经巯基诱导降解后形成氰化物；

CO是二卤甲烷经过氧化脱卤的有毒代谢产物；硒化氢是由亚硒酸盐与谷胱甘肽或其他巯基反应形成的。10/18/202347氧化还原活性还原剂的形成除了上述那些机制外，还存在着一种特殊的产生氧化还原活性还原剂的机制。引起高铁血红蛋白的亚硝酸盐，既可在小肠中由硝酸盐经细菌还原生成，也可由亚硝酸酯或硝酸酯与谷胱甘肽反应而生成。还原性化合物如抗坏血酸等以及NADPH依赖性黄素酶等还原酶可使Cr6+还原为Cr5+。Cr5+反过来又可催化HO·生成。

10/18/202348硝酸盐通过肠道细菌还原、亚硝酸酯或硝酸酯与谷胱甘肽反应而形成亚硝酸盐；氨苯砜(dapsone)羟胺和5-羟伯氨喹啉通过协同氧化作用而引起高铁血红蛋白的形成；还原剂如维生素C以及还原酶如NADPH依赖的黄素酶使Cr6+还原为Cr5+。氧化还原活性还原剂的形成10/18/202349解毒（1）无功能基团毒物的解毒

一般情况下，苯和甲苯等不含功能基团化学物的解毒分两相首先，通常由细胞色素P—450将羧基和羟基等功能基团引入分子中。随后，通过转移酶将内源性酸如葡糖醛酸、硫酸或氨基酸结合到这些功能基团上。除了某些例外，多数化合物的最终产物无反应活性，是易于排泄的高度亲水的有机酸。10/18/202350以两相方式解毒。最常见的是通过细胞色素P-450酶将功能基团引入到分子中，随后发生结合反应，形成失活的、高度亲水的、易于排泄的有机酸。无功能基团毒物的解毒10/18/202351（2）亲电子剂的解毒

亲电性毒物较为普遍的解毒方式是与亲核剂谷胱苷肽结合。该结合反应可以是自发的，也可由谷胱甘肽-S-转移酶催化。Ag+、Cd2+、Hg2+和CH3Hg+等金属离子易与谷胱甘肽结合而解毒。亲电子剂较为特殊的解毒机制是环氧化物和芳烃环氧化物被环氧化物水化酶催化分别生成二醇类及二氢二醇类化合物。其他的解毒方式还有，由DL-黄递酶催化氢醌的双电子还原反应；醇脱氢酶催化α,β-不饱和醛还原成醇，或醛脱氢酶催化α,β-不饱和醛氧化成酸;金属硫蛋白与有巯基反应活性的金属离子形成复合物；具有氧化-还原活性的亚铁离子可为铁蛋白结合解毒。解毒10/18/202352与谷胱甘肽（巯基亲核物）结合，可自发地发生，也可由谷胱甘肽-S-转移酶催化。金属离子与谷胱甘肽反应并通过谷胱甘肽来解毒。亲电物的解毒10/18/202353环氧化物水化酶催化的环氧化物与芳烃氧化物分别生物转化为二醇类和二氢二醇类；羧基酯酶催化的有机磷酸酯杀虫剂的水解。亲电化学物解毒的特殊机制醌经黄递酶(DT)双电子还原为氢醌；

α、β-不饱和醛由醇脱氢酶还原为醇、或由醛脱氢酶氧化为酸；具有巯基反应活性的金属离子由金属硫蛋白形成复合物；氧化还原活性的二价铁由铁蛋白形成复合物。10/18/202354（3）

亲核剂的解毒

亲核剂一般通过亲核性功能基团的结合反应进行解毒。如羟基化合物与硫酸或葡糖醛酸结合，硫醇类与葡糖醛酸结合，胺类和肼类化合物被乙酰化。这些结合反应可防止过氧化物酶催化亲核剂生成自由基，也可防止酚类、氨基酚类、儿茶酚类以及氢醌类化合物经生物转化形成亲电性醌类及醌亚胺类化合物。消除硫醇类、胺类及肼类化合物的另一机制是含黄素单加氧酶催化的氧化反应。乙醇等醇类化合物可通过醇脱氢酶或醛脱氢酶催化的反应氧化成羧酸而被解毒。硫氰酸酶催化的氰化物生成硫氰酸是较特殊的亲核剂解毒机制。

解毒10/18/202355羟化的化合物：硫酸、葡萄糖醛酸结合、偶尔通过甲基化作用；巯基化合物：甲基化或葡萄糖醛酸化；胺类和肼类：乙酰基化，防止由过氧化物酶催化的亲核物转变为自由基；酚、氨基酚、儿茶酚和氢醌：生物转化为亲电性的醌和醌亚胺。亲核物的解毒通过在亲核功能基团上的结合反应解毒。10/18/202356排除巯基化合物和肼类的另一个途径是通过含黄素酶的单加氧酶类的氧化作用。醇类经醇及醛脱氢酶氧化为羧酸而解毒；氰化物经硫氰酸酶生物转化而形成硫氰酸10/18/202357（4）

自由基的解毒

酶性抗氧化系统

aSOD：是一类含有不同辅基的金属结合酶家族，如CuZn-SOD、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。

b

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。

c

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。

d谷胱苷肽还原酶（GR）：其分布同GSH-Px，主要功能是产生还原型的谷胱苷肽(GSH)，以保护机体解毒功能的执行。

e心肌黄酶(DTdiaphorase):葡萄糖-6-磷酸脱氢酶。

解毒10/18/202358通过胞浆（Cu、Zn-SOD）和线粒体（Mn-SOD）中的SOD来实施。将O2-·转变为HOOH，被胞浆中含硒半胱氨酸的谷胱甘肽过氧化物酶（GPO）或过氧化物酶体系中的过氧化氢酶（CAT）还原为水。自由基的解毒O2-·的排除10/18/202359·OH的半衰期极短(10-9s)，没有任何酶能排除·OH。排除其前体H2O2是惟一有效的手段。·OH的排除10/18/202360谷胱甘肽排除自由基时，其自身被氧化，但可被谷胱甘肽还原酶所逆转。10/18/202361（4）

自由基的解毒非酶性抗氧化系统

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C、维生素E、GSH、尿酸、牛磺酸和次牛磺酸等。

谷胱苷肽(GSH)参与GSH—Px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。

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“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。

解毒10/18/202362（5）蛋白毒素的解毒

胞内或胞外的蛋白酶可能在毒性多肽的解毒中起作用。在蛇毒中发现的几种毒素(如α,β-环蛇毒素，永良部海蛇毒素，磷酯酶)中含有分子内二硫键，这些二硫键是其保持活性必不可少的。硫氧化还原蛋白可使上述几种蛋白失活。硫氧化还原蛋白是一种可还原必需二硫键的内源性二巯基蛋白。解毒10/18/202363共底物（cosubstractes）的消耗或细胞抗氧化剂，如谷胱甘肽、维生素C和α-维生素E的耗竭，导致解毒失效，终毒物的蓄积。解毒过程失效1．毒物可能使解毒过程失效解毒酶耗竭10/18/202364α-萘胺在肝被N-羟化并进行葡萄糖醛酸结合，以葡糖苷酸式排泄到尿中。而在膀胱中，葡糖苷酸被水解，释放的芳基羟胺经质子化过程和脱水过程转变为具有反应性的亲电子芳基硝铺离子。3.某些结合反应可被逆转ONOO-使Mn-SOD失效。2．具有反应活性的毒物使解毒酶失活10/18/202365在自由基解毒过程中产生如谷胱甘肽自由基和谷胱甘肽二硫化物（图4-5）。能与蛋白巯基形成混合二硫化物，而谷胱甘肽硫基自由基（GS·）在与硫醇盐（GS-）反应后形成谷胱甘肽二硫化物自由基阴离子（GSSG-·），它能使O2还原为O2-·4．解毒过程产生潜在的有害副产物10/18/202366第二节终毒物与靶分子的反应实际上所有的内源化合物都是毒物潜在的靶标，然而毒理学上相关的靶标是大分子，如核酸（特别是DNA）和蛋白质。在小分子中，膜脂质最为常见。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，因此，处于反应活性化学物邻近或接近它们形成部位的内源性分子常常是靶分子。活性代谢