毒理学基础-第四章-毒物作用机制课件

毒理学基础第四章毒物作用机制第四章毒作用机制

毒作用机制研究的内容◆毒物如何进入机体◆毒物怎样与靶分子相互作用◆毒物怎样表现其有害作用◆机体有害作用的反应如何第四章毒作用机制毒物在体内的可能毒性过程

毒物的转运过程是毒性发展的第一阶段第一节外源化学物的增毒与解毒

终毒物

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/或功能改变（其结果表现为毒性）的物质。终毒物可以为：原化学物（母化合物）代谢物活性氧（氮）内源化学物

增毒(toxication)代谢活化(metabolicactivation)

定义：毒物经生物转化为有害产物的过程。原因及结果：◆增毒过程使生物学微环境和/或它们的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。◆增毒使外源化学物转变为：（1）亲电物(electrophiles)；（2）自由基(freeradicals)；（3）亲核物(nucleophiles)（4）氧化还原性反应物(redox-activereductants)增加其反应性，从而更易于与带有重要功能基因的内源性分子反应。一、亲电物的形成亲电物是指含有一个缺电子原子(带部分或全部正电荷)的分子，它能通过与亲核物中的富电子原子共享电子对而发生反应。亲电物的形成通过插入一个氧原子而产生共轭双键形成键异裂金属的氧化还原

注：AAF＝2－乙酰氨基芴，ADH＝醇脱氢酶，CCβL＝半胱氨酸结合β裂解酶；ChE＝乙酰胆碱酯酶；DENA＝二乙基亚硝胺；DMAB＝N，N－二甲基－4―氨基偶氮苯；7，12－DMBA＝7，12－二甲基苯并蒽；DES＝二乙基己烯雌酚；DP＝二肽酶；FMO＝黄素单加氧酶；GT＝尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶；GGT＝γ谷氨酰基转移酶；GST＝谷胱甘肽硫转移酶；HAPP＝杂环芳香胺热裂解产物；HCBD＝六氯丁二烯；p450＝细胞色素p450；ST＝磺基转移酶；s.r.＝自发重排二、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。是由于化合物的共价健发生均裂而产生。自由基特点：顺磁性化学性质活泼反应性极高半减期极短（一般仅能以μS计）作用半径短。自由基在生物学和医学领域的应用：肿瘤、辐射损伤、老化和某些疾病（白内障、糖尿病、精神病、肺气肿、炎症和缺血性疾病）中毒机理研究

（一）自由基的类型见下页表。

活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS）是一个集合名词，包括：氧中心自由基：O2

和

OH非自由基衍生物：H2O2、单线态氧△g、次氯酸（HOCl）过氧化物、氢过氧化物内源性脂质外源化学物的环氧代谢物这些含有化学性质活泼的含氧功能基团。

介绍几种主要的活性氧1．单线态氧△单线态氧（△gO2）∑单线态氧(∑g+O2)2．超氧阴离子自由基3．过氧化氢(H2O2)4．羟基自由基(

OH)5．臭氧(O3)6．氮的氧化物[NO、NO2、过氧亚硝基(ONOO

)]7．次氯酸(HOCl)（二）自由基的来源1．生物系统产生的自由基1）胞浆中的小分子2）胞浆蛋白质3）膜酶活性反应4）吞噬细胞的吞噬过程及“呼吸爆发”(respiratoryburst)5）过氧化酶体6）线粒体电子传递过程7）微粒体电子传递系统2.外源化学物的氧化还原代谢产生自由基百草枯（PQ＋＋）阿霉素（DR）呋喃妥英（NF）PQ＋＋，DR、NF产生的O2·－不是这些外源物质毒作用过程的最终阶段，因为O2·－能产生反应性更强的羟基自由基。

三、亲核物的形成是毒物活化作用较少见的一种机制。如苦杏仁经肠道细菌β-糖苷酶催化形成氰化物。四、活性氧化还原还原反应物的形成氧化还原循环形成的外源性自由基以及O－2和·NO能还原结合于铁蛋白的Fe（Ⅲ），随后以Fe（Ⅱ）形式将其释放,由此形成的Fe(Ⅱ)催化HO·形成

五、解毒1．无功能基团毒物的解毒：I、II相代谢解毒。2．亲核物的解毒：在亲核功能基团上的结合反应解毒3．亲电物的解毒：谷胱甘肽结合环氧化物水化酶催化金属离子由金属硫蛋白形成复合物4．自由基的解毒（仅举此例子，下页）5.蛋白质毒素的解毒

超氧化物歧化酶（SOD），谷胱甘肽氧化酶（GPO）和过氧化氢酶（CAT）对超氧阴离子自由基（O2·－）的解毒作用

六、解毒过程失效1.解毒能力耗竭（解毒酶、共底物、抗氧化剂）2.解毒酶失活3.某些结合反应被逆转4.解毒过程产生潜在的有害副产物第二节终毒物与靶分子的反应

终毒物和靶分子的反应：是毒性发展的第二阶段一、靶分子的属性所有的内源化合物都是毒物潜在的靶标毒理学相关的靶标是大分子，如DNA、蛋白质

小分子中如膜脂质、辅因子如辅酶A和吡哆醛内源性分子作为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。靶分子必须接触足够高浓度的终毒物，故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。活性代谢物的第一个靶分子常常是催化这些代谢物形成的酶或邻近的细胞内结构

二、反应的类型（一）非共价结合(nonconvalentbinding)定义：通过非极性交互作用或氢键与离子键等非共价结合方式与膜受体、细胞内受体、离子通道和某些酶等靶分子结合。特点：毒物原子的空间排列使其与内源性分子的互补部位结合。非共价键结合的键能相对较低，因此是可逆的。例子：番木鳖碱（strychnine）与脊髓运动神经元甘氨酸受体的结合；TCDD与芳烃受体的结合；哈蚌毒素（saxitoxin）与钠通道的结合；佛波酯与蛋白激酶C的结合；杀鼠灵（warfarin）与维生素K2，3-环氧化物还原酶的结合；2.共价结合(convalentbinding)是不可逆的，这种结合持久地改变内源分子，具有重要的毒理学意义亲电子剂（如非离子和阳离子亲电子剂以及自由基阳离子）中性自由基（如：HO•、NO2•和Cl3C•）亲核毒物

30胺类和肼类与醛吡哆醛（pyridoxal）的共价反应一氧化碳、氰化物、硫化氢和叠氮化物与各种血红素蛋白中的铁形成配位共价键

3.去氢反应(hydrogenabstraction)（自由基作用）R-SH(R-S˙)巯基化合物/硫基自由基（为次黄酸/R-SOH和二硫化物/R-S-S-R等巯基氧化物的前身；使游离氨基酸或氨基酸残基的CH2基团去氢，转变为羰基化合物，并进一步与胺类化合物反应，形成DNA或蛋白质交联。

自由基脱氧核糖去氢并产生C-4‘自由基是引起DNA链断裂的基础脂肪酸去氢并产生脂质自由基最终启动脂质过氧化

由羟基自由基（HO·）启动的脂质过氧化反应。许多产物，如自由基和α，β－不饱和醛，都具有反应活性，而其它产物如乙烷，不具有反应活性却是脂质过氧化的指示剂

4.电子转移(electrontransfer)如化学物能将血红蛋白中的Fe（Ⅱ）氧化为Fe（Ⅲ），形成高铁血红蛋白血症。5.酶促反应(enzymaticreaction)少数一些毒素（蓖麻蛋白、细菌毒素、白喉毒素等）通过酶促反应作用于特定靶蛋白上。三、毒物对靶分子的影响1.靶分子功能失调对蛋白质靶：活化靶蛋白分子，模拟内源性配体抑制靶分子的功能（酶、受体、通道、复合物）对NDA靶：干扰DNA的模板功能，化学物与DNA共价结合引起复制期间核苷酸错配。2．靶分子的破坏3．新抗原形成4．毒物引起生物学微环境改变改变生物水相中氢离子浓度使细胞膜脂质发生物理化学或生物物理变化占据空间位置细胞通过程序执行其调节功能某些程序决定细胞的命运：增殖、分化或凋亡；某些程序控制已分化细胞的瞬息活动[ongoing（momentory）activity]:细胞分泌物质的数量、收缩或舒张、转运和代谢营养物质的速率;

细胞的维持功能细胞装备有合成、代谢、动力、转运和产生能量的体系以及结构元件，组装为大分子复合物、细胞膜和细胞器，以维持其自身的完整性(内部功能)和支持其他细胞(外部功能)。

第三节细胞功能障碍与毒性

毒性发展的第三阶段：细胞调节或维持功能的改变

一、毒物引起细胞调节功能障碍细胞受信号分子所调节，它激活与信号转导网络所联系的细胞受体，而信号转导网络将信号传递给基因的调节区域和/或功能蛋白。

受体激活最终可导致：（1）改变基因表达，增加或减少特定蛋白的功能。（2）通过磷酸化使特定蛋白发生化学修饰，从而激活或抑制蛋白质。

控制细胞命运的程序主要影响基因表达；而调节日常活动的程序主要影响功能蛋白的活性。

（一）基因表达调节障碍1．基因转录调节障碍毒物可激活转录因子（TFs）。有两种类型的TFs，即：配体激活的TFs信号激活的TFs天然配体：激素（如类固醇、甲状腺激素）（内源性配体(维生素（视黄醇和维生素D）通过结合与激活而影响基因的表达化学物模拟天然配体

信号转导途径：从细胞膜受体到信号激活的核转录因子（影响参与细胞周期调节的基因转录）

2.信号转导调节障碍细胞信号转导的机制：信号转导是通过细胞外的信号分子如生长因子、细胞因子、激素和神经递质等利用细胞表面受体和细胞内的信号转导网络来完成的。毒物引起细胞信号转导异常的途径

①改变蛋白质的磷酸化；②干扰G蛋白（如Ras蛋白）的GTP酶活性；③破坏正常的蛋白质－蛋白质交互作用或建立异常的交互作用；④改变信号蛋白的合成与降解。具有增殖效应的化学物对信号转导的影响此类化学物使信号转导蛋白磷酸化，促进有丝分裂和肿瘤形成。化学物改变了抗增生效应信号的转导。

（二）细胞瞬息活动的调节障碍1．电可兴奋细胞的调节障碍1）神经递质水平的改变：毒物通过干扰神经递质的合成、贮存、释放或从受体附近清除而改变突触的神经递质水平。2）毒物-神经递质受体交互作用3）毒物-信号转导蛋白交互作用4）毒物-信号终止蛋白的交互作用

神经元、骨骼肌、心肌和平滑肌等可兴奋细胞的活动，这些细胞的功能（如：神经递质的释放和肌肉的收缩）受邻近神经元合成和释放的递质或介质的控制。2.其他细胞活动的调节障碍很多信号转导机制也在非可兴奋细胞中起作用，但这些细胞信号转导过程的失调通常不产生严重的后果。大鼠肝细胞表达α1-肾上腺素能受体，受体的激活可引起葡萄糖水解和谷胱甘肽输出增加，这些改变可能对细胞有一定毒理学意义。

许多外分泌细胞受毒蕈碱样乙酰胆碱受体调控。有机磷杀虫剂中毒刺激外分泌细胞受毒蕈碱样乙酰胆碱受体引起唾液、流泪和支气管过度分泌，而阿托品中毒则阻断外分泌细胞受毒蕈碱样乙酰胆碱受体引起高热。细菌内毒素通过激活肝脏库普弗细胞（Kupffer）表面的Toll样受体4（toll-likereceptor4，TLR4）、启动Toll样受体信号通路并产生大量炎性细胞因子和活性氧（ROS），引起邻近肝实质细胞的毒性损伤。

二、毒物引起细胞维持功能的改变(一)细胞内部维持自身功能的损害－－中毒性细胞死亡的机制1.危害细胞存活的原发性代谢紊乱：ATP耗竭：Ca2+蓄积：ROS/RNS生成

Ca2＋从细胞浆中消除的四种机制：Ca2＋－ATP酶介导的Ca2＋泵入（1）细胞外空间以及（2）内质网（ER）；离子梯度驱动Ca2＋转运到（3）细胞外空间（通过Ca2＋/Na＋交换体）（4）线粒体（M；通过Ca2＋单向转运蛋白）2.原发性代谢紊乱之间的相互影响导致的细胞紊乱细胞ATP储存的耗竭剥夺了内质网质膜Ca2+泵的燃料，引起胞浆Ca2+的升高。细胞内高钙促进ROS和RNS的形成，而ROS与RNS使巯基依赖的Ca2+泵发生氧化性失活，这反过来又加剧了高钙。ROS与RNS也能消耗ATP储备

ONOO－能诱发DNA单链断裂，导致聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）激活，耗ATP。

最终引起坏死或凋亡的初级代谢紊乱（ATP耗竭，细胞内高钙含量和ROS/RNS过量产生）间的相互关系。ATP－SYN＝ATP合酶；MET＝线粒体电子传递；NOS＝一氧化氮合酶；PARP＝聚（ADP－核糖）聚合酶；ROS＝活性氧；RNS＝活性氮；XO＝黄嘌呤氧化酶；△ψm＝线粒体膜电位3.线粒体损伤在细胞死亡（坏死与凋亡）中的作用（线粒体渗透性转变及其后果）

线粒体渗透转变(mitochondrialpermeabilitytransition,MPT）

是由于一种跨越线粒体内外膜间的蛋白质孔（“巨通道”）开放而引起的。由于这种孔洞对<1500Da的溶质是可通透的，它的开放使质子自由地内流进入基质间隙，引起△Ψm迅速和完全消散、ATP合成中断及水渗透内流，导致线粒体膨胀，已蓄积于基质间隙的Ca2+通过孔流出，涌进胞质。

细胞色素c（Cytc）进入胞浆Cytc释放的意义至少包括两个方面：①由于Cytc处于线粒体电子传递链，Cytc的丢失阻断ATP合成，增加O2－•形成，导致细胞死亡；②释放的Cytc在ATP的共同作用下，与Apaf-1结合，激活caspase-9，启动细胞凋亡。线粒体内的ATP合成（氧化磷酸化作用）线粒体损害，核DNA损害和Fas或TNF受体刺激启动的凋亡途径4.ATP的利用度决定细胞死亡的形式许多外源化学物既引起凋亡，也引起坏死。毒物在低暴露水平或高水平暴露后的早期阶段倾向于诱发凋亡;而在高暴露水平后期则引起坏死。ATP的利用度是决定细胞死亡形式的关键

受损细胞命运的“决定方案”MPT＝线粒体通透性转变，RO（N）S＝活性氧或活性氮（二）细胞外部维持的损害毒物干扰那些给其他细胞组织或整个机体专门提供支持的细胞。例子：肝脏。

第四节修复、修复紊乱与毒性一、损伤修复机制1．分子修复（1）蛋白质修复蛋白巯基（Prot-SHs）氧化为蛋白二硫化物（Prot-SS、Port1-SS-Prot2）、蛋白质-谷胱甘肽混合二硫化物（Prot-SSG)和蛋白质次磺酸（Prot-SOH）蛋白质中的甲硫氨酸氧化为甲硫氨酸亚砜(Prot-Met=O这是两种广泛存在的小蛋白质，在它们的活性中心含有两个氧化还原活性半胱氨酸上述被氧化的蛋白质通过两种内源性的还原剂——硫氧还蛋白[thioredoxin，TR-(SH)2]谷氧化蛋白[glutaredoxin,GRO-(SH)2]已氧化的血红蛋白（高铁血红蛋白）借助于来自细胞色素b5的电子转移来修复，然后通过NADH依赖的细胞色素还原酶（也称高铁血红蛋白还原酶）而再生。蛋白质巯基氧化的修复

（2）脂质修复过氧化的脂质通过一系列还原剂以及谷胱甘肽过氧化物酶和还原酶共同协调运作的复杂过程来修复（图23）。含有脂肪酸氢过氧化物的磷酯首先为磷酯酶A2所水解，过氧化的脂肪酸为正常脂肪酸所取代。同时，需要NADPH来修复在该过程中被氧化的还原剂。过氧化脂质的修复

（3）DNA修复直接修复切除修复碱基的切除修复(