外源化学物的毒作用机制

1、.,食品毒理学 Food Toxicology,程祥,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,第六章 外源化学物的毒作用机制,二.增毒及诱导终毒物形成的机制,一.一般毒作用机制,三.终毒物与靶分子结合的机制,四.诱发细胞功能障碍,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,一般毒作用机制,毒作用机制的研究内容： 毒物如何进入机体？ 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等。 毒作用机制的研究是评价化学毒物潜在危害的基础。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,一、直接损伤,毒作用是指化学物质进入机体经过生物转

2、运和生物转化，化学物质本身或其代谢产物与生物大分子或者靶部位相互作用，产生不良或有害的生物学效应，超过机体自身的解毒、修复功能。 化学物质对机体的损害作用主要取决于化学物质与机体的接触途径、与靶分子的相互作用和对机体损害作用的反应。,某些外源性物质，如强碱、强酸、尼古丁、重金属离子、氧化乙烯、一氧化碳等，它们能直接发回毒作用，叫做直接毒物。某些毒物质与机体接触或者进入机体后，直接与机体的重要部位接触，产生毒性作用。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,二、化学物与受体的相互作用,1.化学物质对生物膜的损害 细胞表面及各种细胞器的表面都覆盖着特殊的膜状结构，称为生物膜。如

3、质膜、细胞膜、核膜、内质网膜及线粒体膜等。 化学毒物在机体内的生物转运和生物转化过程均与生物膜有关，而生物膜的正常结构对维持细胞正常生理功能和信息传递又至关重要。,.,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,二、化学物与受体的相互作用,（1）.对膜通透性的影响 生物膜的通透性指生物膜与周围环境极性物质交换能力。膜通透性有选择性，不同物质在膜上有不同的通透率。 生物膜是有高度选择性的通透屏障，并造成某些物质的细胞内外浓度差； 可保持细胞内pH和离子组成的相对稳定，并可以进行摄取和浓缩营养物，排除废物，产生神经、肌肉兴奋所必需的离子强度等重要生理功能。,.,点击添加文本,点击添

4、加文本,点击添加文本,点击添加文本,二、化学物与受体的相互作用,可利用生物膜的选择通透性，研究化学毒物对生物膜的影响，以通透性作为细胞毒性作用的观察指标。例如，细胞内重要离子，如K+浓度可作为评价通透性及膜完整性的指标。用胞内某些酶如乳酸脱氢酶、酸性磷酸酶的漏出，作为膜通透性损伤的指标。 膜的选择通透性与细胞的功能有密切的联系。许多可以改变细胞膜或细胞器膜通透性的物质往往具有一定的毒性。 农药DDT，可作用于神经轴索膜，改变Na+、K+通透性；,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,二、化学物与受体的相互作用,在离体的神经纤维上，可观察到DDT使其动作电位持续时间延长和重

5、复；在整体动物，则可观察到动物兴奋性增高、震颤和痉挛。因此，DDT中毒的症状与神经细胞膜离子通透性改变有关。 影响膜通透性的其他因素： 脂水分配系数是膜通透性的决定因素。 通过调节膜上原有通透途径而改变通透性。如汞、铅等重金属可抑制肾脏有机酸转运系统。 通过在原来膜上建造新的通透途径而改变通透性。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,二、化学物与受体的相互作用,（2）.对膜流动性的影响 “流动性”是生物膜的基本特征之一。其定义为膜成分的许多不同类型的运动，包括：脂质分子的旋转，沿长轴的伸缩和振荡，侧向扩散运动及翻转运动；蛋白质分子侧向扩散和旋转运动。还应包括膜整体结构的

6、流动性。膜流动性具有重要的生理意义，例如，物质运输、细胞融合、细胞识别，细胞表面受体功能调节等均与膜流动性有关。细胞可以通过代谢等方式调节控制膜流动性，使其保持相对稳定的水平。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,二、化学物与受体的相互作用,侧向运动,分子的摆动,旋转运动,翻转运动,侧向运动,旋转运动,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,二、化学物与受体的相互作用,相变温度,Tc,脂质,凝固态,液晶态,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,二、化学物与受体的相互作用,现已发现不少化学毒物可以影响膜脂流动性。溴氰菊酯对膜流动性

7、影响研究发现：溴氰菊酯可使人工膜的脂质流动性升高。而用突触体膜，其易与脂质双层分子极性头部和膜蛋白分子极性基团相互作用，增加脂质双层极性基团活动程度，可能削弱了膜脂和膜蛋白相互作用，而导致膜脂流动性降低。人工膜与生物膜流动性表现有一定差异，所以体外研究结果的外推应十分慎重。 有机化合物、无机化合物或重金属对膜流动性均可产生影响，虽然影响剂量各有不同，有些至今尚不清楚，但是均可通过对膜脂流动性的影响分析其对膜的毒性作用。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,二、化学物与受体的相互作用,（3）.对膜表面电荷的影响 膜表面糖脂、糖蛋白形成膜表面极性基团，组成表面电荷。细胞膜表

8、面电荷的性质和密度可以反映细胞表面的结构和功能。因此，可通过测定细胞膜表面电荷来了解化学毒物与膜作用的途径和方式。 SiO2在膜表面形成硅醇基，与膜上含胆碱基的磷脂结合，正电荷减少。同时，可明显降低细胞膜水化度。表现为细胞电泳速度明显加快，zeta电位增加。这就可解释SiO2致膜脂流动性增加，以及膜通透性增加的原因。二价金属离子在细胞周围浓度变化可以影响膜表面电荷密度，使zeta电位减少，细胞电泳迁移率逐渐减慢。还可表现为膜脂流动性的变化。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,二、化学物与受体的相互作用,2.化学物质对生物膜的组成成分的影响 (1).对膜蛋白质的影响 膜

9、蛋白依其在膜结构的位置可分为两类：一是在膜外侧，其功能是作为特别的受体位点或作为细胞的标志。例如，人类白细胞上组织相容性抗原(HLA)，B淋巴细胞表而的免疫球蛋白受体。二是在胞内，它又可分为细胞色素b5和跨膜大分子，如Na+，K+-ATPase。膜蛋白按其功能又可分为：受体蛋白、载体蛋白和酶蛋白。目前已测出质膜上有30多种酶。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,二、化学物与受体的相互作用,各种化学毒物作用的膜结合酶并不相同，且作用机制也不尽相同。农药DDT作用细胞膜上的Na+，K+-ATPase，是通过与膜脂结合，使膜流动性增高，故影响Na+，K+-ATPase，表现

10、为神经细胞膜Na+，K+离子通透性改变。有机磷化合物对红细胞膜乙酰胆碱酯酶(AchE)的抑制作用，是直接作用于酶，通过有机磷分子中活化的磷原子与乙酰胆碱催化活性中心丝氨酸分子的-OH发生不可逆的结合，从而抑制AchE的催化活性。对膜结构破坏，使膜结合酶改变，如Cd2+对肾脏损伤，表现为丙氨酸氨肽酶活力下降，而碱性磷酸酶和-谷氨酰转移酶活性明显上升，Hg也有类似的作用，但膜结合酶改变不一样。化学毒物对膜结合酶作用，有的表现为活力下降；有的表现为活力增强；不能单独以活力改变来判断其作用。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,二、化学物与受体的相互作用,(2).对膜脂质的影响

11、 膜脂质由磷脂与胆固醇及其他脂类组成。磷脂等组成双层的脂质。其极性一端位于膜的内外两个表面，非极性的一端位于膜的内部，构成与外界隔离及特定的内环境。胆固醇与磷脂相结合，调节磷脂分子脂肪链的流动性。由于不同的细胞及细胞器的功能不同，其所含磷脂种类与比例也不尽相同。化学毒物对膜脂质影响的可能机制有：膜脂质组成改变，主要因为影响脂质代谢合成的过程。例如，四氯化碳可对肝细胞膜作用，使磷脂总量减少60，但胆固醇含量没有变化。农药对硫磷，可影响大肠杆菌，主要使磷脂总含量增加，即菌膜的磷脂和膜蛋白的比值发生变化。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,二、化学物与受体的相互作用,膜脂质

12、与化学毒物结合，改变膜结构的性质。例如，二氧化硅(SiO2)与巨噬细胞一起培养，可见巨噬细胞负电性增加，经清洗变化不大。说明二氧化硅与膜固有结构的某基团发生结合。膜脂质过氧化，指由自由基作用于膜脂质，引起膜脂质中多不饱和脂肪酸的过氧化反应，即多不饱和脂肪酸的氧化破坏。 (3).对膜糖的影响 膜糖不是单独存在，往往与脂质和蛋白质组成蛋白质组成糖脂和糖蛋白，蛋白质组成糖脂和糖蛋白，分布于质膜的外表面。外来刺激如激素、生物因子或其他细胞等，通过跨膜蛋白传入细胞，引起细胞的应答反应，即细胞的识别过程。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,自由基概述,概念：一般指含有一个或多个未

13、配对电子的离子、原子或分子。 性质：具有顺磁性；化学反应性极强；生物半减期极短。 类型： 活性氧族（reactive oxygen species, ROS）： A .氧自由基：O2- 、 OH ；LO、LOO； B.含氧的非自由基衍生物：单线态氧（1O2）、氢过氧化物、 次氯酸、过氧化物、内源性脂质和外源化合物的环氧代谢产物。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,自由基概述, 其他自由基： 碳中心自由基（ CCl3）， 硫中心自由基（烷硫自由基R-S ）， 氮中心自由基（苯基二肼自由基C6H5N=N ）； 此外，过渡金属离子Cu +/ Cu 2+、Fe 2+/ Fe

14、3+、Ti 3+ / Ti 4+可作为自由基反应的催化剂，在自由基的损伤作用中起重要作用。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,自由基概述,自由基来源： 外源化学物代谢产生； 细胞正常生理过程产生。,机体抗氧化系统： 非酶类抗氧化系统 GSH、Vc、 VE、 VA、尿酸、牛磺酸和次牛磺酸等； 酶类抗氧化系统 超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化酶、谷胱甘肽还原酶等。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,对脂质过氧化作用及其损害,脂质过氧化损伤：在O2存在下，自由基或其活性衍生物引发脂质过氧化及其链式反应。 生物膜是生物体内最易发生脂质过氧化

15、的场所。因为它具备脂质过氧化的两个必要条件：氧气和多不饱和脂肪酸（PUFA ，polyunsaturated fatty acid） 。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,对脂质过氧化作用及其损害,膜脂质的结构：,R1、R2：脂酰基的烃基， R1多为饱和烃基，R2常为不饱和烃基。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,脂质过氧化反应过程,膜脂质（LH）,脂质自由基（L ）,O2,抽氢作用,脂质过氧自由基（LOO）,氢过氧化物 （LOOH）,脂质氧自由基 （LO）,Fe3+,Fe2+,Fenton反应,环过氧化物自由基,环内过氧化物自由基,丙二醛（

16、MDA） + 短链的酮、羧酸或烃类,HO,H2O,分子内双键加成,过氧化作用,LH,L,.,LH,+ L,链启动,链扩展,脂质（花生四烯酸）过氧化的总过程,LH,LOOH,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,对脂质过氧化作用及其损害, 脂质过氧化中间产物L、 LOO 、 LO可作为引发剂通过抽氢使蛋白质变成自由基，后者可以引起链式反应，导致蛋白质聚合，使蛋白质的运动和功能受到限制。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,对脂质过氧化作用及其损害, 终产物丙二醛（MDA）可与蛋白质分子中的NH2作用导致多肽链的链内交联或链间交联。 此外，醛类产物也能

17、与蛋白质中Cys的-SH反应，使蛋白质失去活性。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,丙二醛与蛋白质分子的交联,链内交联：,CH2,C - H,C - H,O,O,H2N,H2N,P,CH - NH,CH = N,P,CH,链间交联：,CH2,C - H,C - H,O,O,2 P NH2,CH NH P1,CH = N P2,CH,丙二醛,蛋白质,交联产物,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,对脂质过氧化作用及其损害,脂质的过氧化损伤小结：,直接结果是使膜PUFA减少，膜脂流动性降低和膜骨架损伤； 过氧化中间产物和终产物引起的膜蛋白共价交联与聚

18、合，影响膜蛋白的构象及其运动性，必然导致膜功能的异常。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,蛋白质的氧化损伤,对蛋白质的氧化损伤，主要是自由基对氨基酸的作用。 例如，所有氨基酸残基均可被 OH损伤，其中以含硫氨基酸和芳香氨基酸最为敏感。,1. 含硫氨基酸的损伤 OH可使甲硫氨酸氧化为甲硫氨酸亚砜；使半胱氨酸（Cys）氧化成Cy-S-S-Cy、Cy-SOH及Cy-SO2H。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,蛋白质的氧化损伤,- NH3+,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,蛋白质的氧化损伤,2. 芳香族与杂环氨基酸残基的

19、损伤 如色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸与组氨酸。 经活性氧作用： Trp的氧化产物为2-、4-、5-、6-或7-羟基色氨酸，甲酰基犬尿氨酸，3-羟基犬尿氨酸或硝基色氨酸。 Tyr转变为3-、4-二羟基苯丙氨酸，二酪氨酸交联产物或3-硝基酪氨酸。 Phe转变为2-、3-或4-羧基苯丙氨酸，2-、3-二羟基苯丙氨酸。 His转变为2-氧组氨酸。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,蛋白质的氧化损伤,3. 脂肪族氨基酸残基的损伤 如，Asp、Glu、Pro、Lys、Arg、Leu、Val与Thr。 可能的损伤机制：在-C原子上除去一个氢原子，形成C中心自由基；其上再加O2，生成过氧

20、基衍生物；后者分解成NH3和-酮酸，或是NH3、CO2与醛类或羧酸，从而破坏相应氨基酸的结构。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,蛋白质的氧化损伤,4. 肽的折断,OH,H2O,O2,过氧化物,肽的折断,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,蛋白质的氧化损伤,5. 蛋白质-蛋白质的交联 蛋白质之间的交联将形成分子量更大的“分子”，进而限制蛋白质的运动性及其功能。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,DNA的氧化损害,1 碱基的损伤,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,DNA的氧化损害,.,点击添加文

21、本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,DNA的氧化损害,2. 对脱氧核糖的损伤,脱氧核糖中的每一个C原子和-OH上的氢都能与 OH反应；在C位置上抽氢、加氧，而破坏戊糖的结构。,3. 对DNA链的损伤,脱氧核糖,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,DNA的氧化损害,DNA链断裂的后果： 可能会造成部分碱基的缺失； 修复的DNA可能存在碱基的错误掺入和错误编码； 也可能引起原癌基因的活化或抑癌基因的失活等，从而导致细胞的突变或癌变。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,DNA的氧化损害,4. 对多糖的氧化损伤,ROS中活性很强的自由基如OH

22、可无选择地攻击糖类，抽提氢，使其变为碳中心自由基，后者与O2结合成为过氧化物，然后裂解。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,三、与生物大分子的结合,概念：共价结合是指化学毒物或其活性代谢产物与机体内一些重要的生物大分子如核酸、蛋白质等发生共价结合，从而改变这些生物大分子结构或功能的过程。 方式：一般为亲电子剂与大分子的亲核基团作用，同过共价键形成稳定的复合物 加合物，使外源化学物或其代谢产物进入大分子内而成为其中的组成成分，一般用生化或化学手段处理不能使其解离。 特点：永久性、不可逆地改变内源性物质的结构。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,

23、与蛋白质的共价结合,蛋白质分子中可与外源化学物共价结合的功能基团： 氨基和羧基；Ser和Thr的羟基；Cys的巯基；Arg的胍基；His的咪唑基；Tyr的酚羟基；Trp的吲哚基。,1. 与白蛋白的共价结合,白蛋白是血液和组织间质中的主要蛋白质，也是血液中重要的运输载体。 血清白蛋白由肝细胞合成，而肝脏正是外源化学物活化代谢的主要场所，因而白蛋白更易受到由肝细胞活化形成的亲电子剂的攻击。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,与蛋白质的共价结合,2. 与血红蛋白的共价结合,外源化学物进入血液后，先与红细胞膜结合，继而进入细胞与血红蛋白共价结合。 血红蛋白中参与结合的基团主要

24、有氨基、巯基和芳香胺基团。 应用：血红蛋白加合物可用于人群接触外源化学物的监测，具有样品容易获得，寿命长的优点，方便检测。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,与蛋白质的共价结合,3. 与组织细胞蛋白质的共价结合,与膜蛋白或胞浆蛋白共价结合，将影响到细胞的正常代谢或信号传递过程； 而与核蛋白的共价结合将对细胞生长、增殖和分化等的调控产生影响。,核蛋白（nuclear protein）是指在细胞质内合成，然后运输到核内起作用的一类蛋白质。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,与核酸的共价结合,毒物类型：亲电性代谢产物为主，亲核性代谢产物和自由基也可

25、。 结合部位：碱基、核糖或脱氧核糖、磷酸均可，但以碱基损伤的毒理学意义最大。 结合后果：细胞突变、癌变及其他一些细胞损伤。 应用：一般，DNA加合物一旦形成，致癌过程即已启动。因此，DNA加合物是一类重要的生物标志物，可用于化学物致癌的早期检测。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,与谷胱甘肽结合,谷胱甘肽（GSH）主要存在于胞液中，可以维持细胞膜的稳定性，保持细胞骨架的有序性，参与蛋白质和DNA的合成等，对机体有保护作用。,谷胱甘肽（GSH）分子中的半胱氨酸残基段的巯基，使GSH成为一种强亲核物质。能为亲电子物质或其他氧化代谢物提供巯基，形成无毒的结合物，阻断亲电物质

26、与生物大分子共价结合，防止活性化学物对细胞的损害。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,共价结合的毒理学意义, 加合物是一类重要的生物标志物，可用于反映机体对毒物的接触、损伤程度； 有助于毒性损伤的早期诊断和防治； 可用于解释某些化学毒物的中毒作用机制。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,增毒及诱导终毒物形成的机制,终毒物是指外源化学物可直接与内源性靶分子反应并造成机体损害时的化学形态。,终毒物类型,亲电子反应物,自由基,亲核反应物,氧化还原反应物,.,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,亲电物的形成,亲电子物质是指带有

27、正电荷而缺乏电子的分子，它可以与负电子的亲核物质共享电子对而发生反应。 阴离子类亲电子物质是由细胞色素P-450或其他酶系将母体化学物氧化而成。 阳离子类亲电子物质是由不同性质的基团或元素结合物的裂解所产生的。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,自由基的形成,自由基是在原子的外轨道上含有一个或多个不成对电子的分子或基团，可因接受或失去电子或由性质相同的元素形成的共价键均裂产生。 超氧阴离子自由基的形成 亲核化学物形成自由基 电子向分子转移引起的还原性键均裂过程也可形成自由基。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,亲核物的形成,亲核物质是指具有亲

28、核性的化学物质，它的形成在化学物的活化过程是相对较少的。 苦杏仁苷 丙烯晴 5-羟基伯胺喹啉 亲核功能基团被结合会导致亲核物质的灭活。 羟基化合物 酚、对苯二酚 巯基、氨基、肼,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,活性氧化还原反应物的形成,活性氧化还原反应物的生成有特殊的机制。,硝酸盐,亚硝酸酯或硝酸酯,谷胱甘肽,亚硝酸盐,高铁血红蛋白,肠道细菌还原,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,终毒物与靶分子结合的机制,促发毒性效应需要考虑以下方面：,1.靶分子的属性；,2.终毒物与靶分子之间反应的类型；,3.毒物对靶分子的效应；,4.一些由于生物学微环

29、境改变所引起的而不是直接由终毒物与靶分子反应所启动的毒性。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,共价结合,化学毒物与细胞大分子的共价结合指化学毒物或其具有活性的代谢产物与机体的一些重要大分子发生共价结合，从而改变核酸、蛋白质、酶、膜脂质等生物大分子的化学结构与其生物学功能。 加合物（adducts）指活性化学物与细胞大分子之间通过共价键形成的稳定复合物。为重要的生物标志物之一。共价加合物的形成常见于亲电毒物，如非离子和阳离子亲电物以及自由基阳离子。 如胺类、肼类与一种脱羧酶底物吡哆醛的共价反应。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,非共价结合,非

30、共价结合可能是通过非极性交互作用或氢键与离子键的形成，具有代表性的是毒物与膜受体、细胞内受体、离子通道以及某些酶等靶分子的交互作用。 如番木鳖碱结合于脊髓运动神经元上甘氨酸受体。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,酶促反应,少数一些毒素通过酶促反应作用于特定靶蛋白上。 例如，蓖麻蛋白诱发核糖体的水解断裂，阻断蛋白质的合成。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,电子转移,化学物能将血红蛋白中的Fe2氧化为Fe3，形成高铁血红蛋白血症。亚硝酸盐能氧化血红蛋白，而N-羟基芳胺、酚类化合物和肼类与氧合血红蛋白共氧化，形成高铁血红蛋白与过氧化氢。,.,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,去氢反应,自由基可迅速从内源化合物去除氢原