第四章化学物质的毒理机制

第四章化学物质的毒理机制基本概念毒理机制：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。毒性的强度主要取决于终毒物在其作用部位的浓度和持续时间终毒物：可以与内源性靶分子相互作用，使整体性结构或功能改变，从而导致毒性作用。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毒性产生毒性可能的途径示意图123第一节化学物质的一般毒性作用机制一、局部刺激和腐蚀作用

指毒物化学作用的直接损害硫化氢中毒：强烈的神经毒物，低浓度会造成呼吸道和眼部的刺激，高浓度会出现中枢神经系统症状和窒息症状。沥青中毒成分除胶质、沥青质外，还含有少量的蒽、菲、吡啶等光感物质，在阳光照射下，皮肤可产生光敏性皮炎；沥青的粉尘和挥发性气体对人体呼吸道也有刺激作用，可出现咳嗽、胸闷、恶心等全身症状。还可见流泪、畏光、异物感及鼻咽部灼热干燥、咽炎等症状。强酸强碱的腐蚀作用二、扰乱正常代谢第一节化学物质的一般毒性作用机制1影响组织对氧的利用黑斑病甘薯毒素可引起急性肺水肿与间质性肺泡气肿(番薯酮和番薯酮醇)亚硝酸盐可使血红蛋白氧化为高铁血红蛋白。氰化物可抑制组织内的生物氧化过程，阻止组织对氧的利用影响酶的活性

与酶活性中心的金属离子结合（氰离子能与细胞色素氧化酶中的铁离子结合）与酶激活剂的使用（镁离子是磷酸葡萄糖变位酶，氟中毒）与酶的辅酶结合（烟酰胺是辅酶的组成成分，铅中毒）与酶的底物发生竞争性抑制抑制酶的活性

第一节化学物质的一般毒性作用机制

特异性抑制：有机磷农药中毒使胆碱酯酶失活非特异性抑制氟乙酰胺酰胺酶氟乙酸辅酶A氟乙酰辅酶A草酰乙酸氟柠檬酸柠檬酸顺乌头酸酶三、损害机体的生理功能化学物对消化功能的影响主要是引起消化功能紊乱比如：蓖麻，巴豆、相思豆等第一节化学物质的一般毒性作用机制化学物对血液系统的毒性作用通常化学物对血液毒性涉及血液两个方面的功能：红细胞的携氧功能（铅可引起血红蛋白合成障碍，导致贫血)

红细胞、白细胞以及血小板的生成功能第一节化学物质的一般毒性作用机制化学物对肝脏毒性作用第一节化学物质的一般毒性作用机制急性接触化学毒物：肝细胞内脂质蓄积、肝细胞坏死、肝胆功能障碍慢性接触化学毒物：肝硬化、瘤样改变体质依赖性肝毒物真性肝毒物直接肝毒物：四氯化碳、三氯甲烷间接肝毒物：化学物对肝脏的毒性作用直接肝毒物，直接作用于肝细胞、细胞膜或生物大分子的化学毒物，导致膜脂质过氧化，膜蛋白质变性，导致细胞死亡间接肝毒物：进入肝细胞内有干扰细胞酶活性从而导致细胞内物质代谢紊乱的化学毒物。（乙硫氨酸抑制脂蛋白酶的合成，减少脂蛋白的合成、乙醇诱导甘油三酯合成酶增加)第一节化学物质的一般毒性作用机制化学物对肾脏的毒性作用第一节化学物质的一般毒性作用机制虽然肾脏的重量还不到体重的1％，但为了维持其活动，需要大量营养物质2、肾脏的细微结构：尿液流往肾孟再通往输尿管肾小管(重吸收)肾小球(滤过)终尿(部分水、无机盐、尿素等)有用的物质及大部分的水分再被重吸收入血中血液流回静脉血液在此过滤原尿(部分水、无机盐、葡萄糖、尿素)第二节化学物质毒作用的分子机制一、细胞膜损伤与钙稳态失调化学毒物对生物膜的组成成分的影响四氯化碳大鼠肝细胞膜磷脂和胆固醇二氧化硅膜蛋白的阿尔法螺旋减少对硫磷突触小体膜和红细胞膜Ca-ATPase和Ca、Mg-ATPase二、化学毒物对膜生物物理性质的影响（1）对膜通透性的影响通透性：指生物膜与周围环境极性物质的交换能力重金属、DDT

以通透性作为细胞毒性作用的观察指标

胞内钾离子浓度，乳酸脱氢酶的漏出（铅中毒）第二节化学物质毒作用的分子机制（2）对膜流动性的影响

生理意义：物质运输、细胞融合、细胞识别，受体功能调节等均与膜流动性有关DDT、对硫磷红细胞膜脂流动性降低乙醇、溴氰菊脂人工膜的流动性增强

第二节化学物质毒作用的分子机制(3)对膜表面电荷的影响

膜表面的糖脂、糖蛋白、形成膜表面极性基团，组成表面电荷第二节化学物质毒作用的分子机制化学毒物对细胞钙稳态的影响细胞外液（存在于细胞外）内环境的构成血浆 组织液→淋巴——细胞外液（细胞生活的液体环境）（一）内环境的概念细胞与内环境的关系细胞内环境外界环境养料、氧气代谢废物CO2第二节化学物质毒作用的分子机制细胞外液本质上是一种盐溶液，类似于海水，一定程度上反应了生命起源于海洋。呼吸系统细胞食物（营养成分）氧气CO2和H2O体外体外体内消化系统泌尿系统皮肤血浆淋巴组织液尿液（含氮废物,水）汗液（含氮废物,水）内环境呼吸系统——正常机体在神经系统和体液的调节下，通过各个器官、系统的协调活动，共同维持内环境的相对稳定状态，叫稳态。（二）稳态的概念稳态的实质——内环境pH、渗透压、温度等理化性质的相对稳定。（一）细胞内钙稳定在细胞静息状态下细胞内游离的Ca2+仅为10-7mol/L，而细胞外液Ca2+则达10-3mol/L。当细胞处于兴奋状态，第一信使转递信息，则细胞内游离Ca2+迅速增多可达10-5mol/L，此后再降低至10-7mol/L，完成信息转递循环。认为Ca2+是体内第二信使。上述Ca2+浓度的变化过程呈稳态状，称为细胞内钙稳态。

第二节化学物质毒作用的分子机制在细胞内的钙有两种类型，游离的钙离子和与蛋白质结合的钙。与钙结合的蛋白有两种类型，一是结合在细胞膜或细胞器膜内的蛋白质上，二是结合在可溶性蛋白质上。激动剂刺激引起细胞Ca2+动员，可调节细胞的多种生物功能，包括肌肉收缩、神经转导、细胞分泌、细胞分化和增殖。

Ca2+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给细胞内各种酶反应系统或功能性蛋白。化学物质毒作用的分子机制化学物质毒作用的分子机制钙作为信使作用途径：

（1）钙离子与钙结合蛋白（2）钙离子与cAMP两种系统以协同与拮抗的方式相互影响（3）钙离子与蛋白激酶C、磷脂酶（4）钙离子与离子通道化学物质可以通过干扰细胞内钙稳态从而引起细胞损伤和死亡，即细胞钙稳态紊乱（distributionofcalciumhomeostasis)化学毒物：硝基酚、醌、过氧化物、醛类重金属：铅、镉化学物质毒作用的分子机制钙稳态失调的机制

细胞内钙稳态的失调细胞Ca2+信号的改变在各种病理及毒理学过程中起重要的作用。在细胞受损时可导致Ca2+内流增加，或Ca2+从细胞内贮存部位释放增加，或抑制细胞膜向外逐出Ca2+，表现为细胞内Ca2+浓度不可控制的持续增加，即打破细胞内钙稳态，或称为细胞内钙稳态的失调。

重金属离子

主要有铅和镉。铅一方面与Ca2+及CaM结合，激活Ca-CaM依赖酶系。另一方面高浓度时与细胞内巯基激活，可抑制Ca-—CaM依赖酶系，并呈剂量依赖的双相效应。可见铅的中毒机制中Ca2+有重要意义。镉可使CaM含量减少。表现为免疫系统、雄性生殖系统以及心肌等改变，有的可用钙调素拮抗剂来预防或减轻损伤作用。四氯化碳它可抑制肝细胞微粒体Ca2+-ATPase，表现为肝内质网酶活性改变及钙的蓄积。其机制可能是CCl4可在肝脏氧化产生自由基，后者攻击Ca2+-ATPase上的巯基，使酶活性下降；另外，Ca2+浓度增加，可激活某些酶，如磷酸化酶a。

化学物质毒作用的分子机制（三）钙稳态失调的机制

（1）对能量代谢的影响

ATP合成酶的驱动力降低、电子传递加速（膜氧化）

（2）微观功能的障碍使肌动蛋白同a-辅肌动蛋白和胞衬蛋白分离，

（3）水解酶激活激活降解蛋白质、磷脂和核酸的水解酶化学物质毒作用的分子机制一、自由基的来源于类型自由基是指含有一个或多个未配对电子的任何分子或离子。一类是正常参与线粒体电子转运过程的自由基一类是自由的、非结合状态的并能与各种组分相互作用的自由基化学物质毒作用的分子机制（1）细胞正常生理过程产生的自由基

过氧化物酶体具有很强的形成过氧化氢的能力（2）外来化学物质在体内产生的自由基

醌类、硝基化合物、双吡啶一、自由基生成增多1.概念与分类（Conceptionandclassification）■概念（Conception）外层轨道上有单个不配对价电子的原子、原子团或分子。（Freeradicalareahighlyreactivegroupofatoms,moleculesorradicals,whichcarryunpairedelectroninouterorbital.）什么是自由基呢？自由基是含奇数电子的一群原子。奇数不成对的电子急欲寻求其他电子来配对，因此会把別的物质氧化。就像空气中的铁生锈、削好的萍果变色一样。

▲氧自由基（Oxygenfreeradical，OFR）

以氧为中心的自由基称为氧自由基。（由氧诱发的自由基称为氧自由基，Oxygen-derivedfreeradical）超氧阴离子自由基（Superoxideanion,）羟自由基（Hydroxylradical,OH•）O2ˉ·氧自由基■自由基分类（Classificationoffreeradical

）氧自由基、脂性自由基、氮中心自由基（Oxygenfreeradical,Lipidradicals,Reactivenitrogenspecies）4.自由基损伤作用（Mechanismsoffreeradicalinjury）【氧化应激】（Oxidativestress）当机体内ROS（OFR）增多，并破坏机体氧化/还原的正常平衡，引起细胞氧化损伤的病理过程。■膜脂质过氧化增强（Lipidperoxidation）生物膜是自由基攻击主要部位。脂肪酸、芳香环的不饱和键

OFR（ROS）

脂质过氧化细胞膜结构损伤和破坏【细胞膜损伤形式】▲膜结构破坏膜脂质过氧化膜不饱和性异常膜流动性↓、通透性↑▲膜蛋白功能抑制受体失活、泵失灵信号传递障碍▲线粒体功能受损

ATP生成减少

▲脂性自由基（Lipidradicals）

氧自由基与多聚不饱和脂肪酸发生脂质过氧化的链式反应后生成的中间代谢产物。烷自由基（L•）烷氧自由（LO•）烷过氧自由基（LOO•）脂性自由基

▲氮中心自由基（Reactivenitrogenspecies,RNS）

由氮形成，并在分子组成上含有氮的一类化学性质非常活泼的物质。也称活性氮。

一氧化氮（NO）过氧亚硝基阴离子（ONOO-）RNS

3.自由基的清除（Scavengethefreeradicals）

■酶性清除剂（Enzymes）过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶H2O2降解

清除■非酶性清除剂（Non-enzymesubstances）VE、VA、VC、半胱氨酸、谷胱甘肽、白蛋白、铜蓝蛋白

ROS生成↓、清除ROS↑超氧阴离子降解

（Mn-SOD、Zn-SOD）清除超氧化物岐化酶（SOD）2.自由基的特性（Propertyoffreeradical）■存在时间短；■高度化学活泼性；■氧化性强。突变(mutation)

遗传结构本身的变化及其引起的变异称为突变，突变实际上是遗传物质的一种可遗传的变异。自发突变(spontaneousmutation)

由于自然界中诱变剂的作用或由于偶然的自制、转录、修复时的碱基配对错误所产生的突变。诱发突变(inducedmutation)

诱变剂诱发的突变。三、外源化学物质的致突变作用基因突变(genemutation)

一个或几个DNA碱基对的改变

染色体畸变(chromosomeaberration)

染色体的结构及数目改变

三、外源化学物质的致突变作用脱氧核糖核苷酸组成多聚核苷酸链，两条链互相盘绕形成双螺旋磷酸核糖腺嘌呤A碱基碱基碱基碱基胞嘧啶C碱基对核糖-磷酸骨架氢键3’端羟基5’端磷酸胸腺嘧啶T鸟嘌呤G三、外源化学物质的致突变作用一、基因突变(genemutation)1．碱基置换(base—pairsubstitution)

指某一碱基配对性能改变或脱落所致的突变。转换(transition)颠换(transvertion)2．移码突变(frameshiftmutation)

指发生一对或几对（三对除外）的碱基减少或增加，以致从受损点开始碱基序列完全改变，形成错误的密码，并转译成为不正常的氨基酸。

DNA损伤与突变(一)碱基损伤1.碱基错配2.嵌入DNA链3.碱基类似物的取代4.碱基的化学结构改变或破坏TACGAATCGGGTATTATGCTTAGCCCATAATACGAATCGGGTATTATGCTTAGCCCATAACG染料分子嵌入复制插入一个碱基对移码突变三、外源化学物质的致突变作用基因突变(genemutation)三、外源化学物质的致突变作用染色体畸变裂隙(gap)

断裂(break)断片(fragment)和缺失(deletion)

微小体(minutebody)

无着丝点环环状染色体

双着丝点染色体

倒位(inversion)

易位(translocation)

插入(insertion)和重复(duplication)辐射体

染色体畸变(chromosomeaberration)

指染色体的结构改变染色单体型畸变(chromatid-typeaberration)染色体型畸变(chromosomeaberration)

三、外源化学物质的致突变作用

染色体缺失及环状染色体的形成图

染色体插入和重复示意图

三、外源化学物质的致突变作用染色体畸变(chromosomeaberration)近三十年以来，癌症发病数以年均3-5%的速度递增；3/4新增病例发生在新兴工业国家及发展中国家；癌症已成为人类第二位死因，超过艾滋病、结核、疟疾致死病例的总和；WHO要求各会员国制定国家癌症防控规划，指出“Ifyou’renotplanning,you’replanningtofail”—Dr.JohnR.Seffrin癌症已成为一个全球性公共健康问题四、外源化学物致癌作用

全球癌症状况2002年,(IARC报告)全球恶性肿瘤新发病例1090万死亡病例670万带瘤生存患者2460万发病率最高：肺癌、乳腺癌和大肠癌死亡率最高：肺癌、胃癌和肝癌患病率最高：乳腺癌

预计2020

年1000万

死亡1500万

新发病例

3000万带瘤生存肿瘤指有分裂潜能的细胞受致癌因素的作用后发生恶性转化和克隆性增生所形成的新生物，在人体任何部位、任何组织都可以发生肿瘤。化学致癌作用(chemicalcarcinogenesis)是指化学物质引起正常细胞发生恶性转化并发展成肿瘤的过程。化学致癌物(chemicalcarcinogen)是指具有化学致癌作用的化学物质。

四、外源化学物致癌作用

化学致癌直接致癌物烷化剂、亚硝酰胺类间接致癌物促癌物糖精多环芳烃类烤制、熏制鱼类亚硝胺类油煎食品，酸菜四、外源化学物致癌作用

四、外源化学物致癌作用

化学致癌作用的分子机制：（一）DNA加合物：（二）DNA修复与致癌过程：

人类致癌 动物致癌 证据 证据1组（致癌物） 充分2组（A可疑致癌物）有限 充分

（B可能致癌物）有限 不充分 不足 充分3组（目前无法分类）不足 不足4组（可能是非致癌物）没有