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1、第四章 毒作用机制,有毒化学物数量庞大，中毒的表现多种多样，导致毒性作用的机制各有不同，有些比较简单如腐蚀性的强酸、碱等；有的是扰乱正常的代谢，如影响酶的活性（氰离子(CN-)能与氧化型细胞色素氧化酶中的铁离子（Fe3+）结合，使细胞色素氧化酶的活性被抑制而导致生物功能丧失，造成组织缺氧）。,尽管对某些外源化学物毒作用机制进行了深入的研究，但大多数毒物的毒性作用机制尚未完全阐明。关于中毒机制的理论和假设较多，例如，细胞钙稳态学说、自由基学说等。,毒作用的机制（4个历程）,目前为止大家比较认同，多数毒物发挥毒作用至少经历4个过程：1、经吸收进入机体的毒物通过多种屏障转运至一个或多个靶部位；2、进
2、入靶部位的终毒物与内源靶分子发生交互作用（反应）；3、毒物引起机体分子、细胞和组织水平功能和结构的紊乱；4、机体启动不同水平的修复机制应对毒作用，当机体修复功能低下或毒物引起的功能和结构紊乱超过机体修复能力时，机体即出现组织坏死、癌症和纤维化等毒性损害。（无法修复）,重要,化学物暴露后毒性发展可能存在的阶段,第一阶段：从暴露部位到靶部位,1终毒物的概念,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。终毒物（ultimate toxicant）是指与内源靶分子（如受体、酶、DNA、微丝蛋白、脂质）相互作用，使整体性的结构或功能改变，从而导致毒性作用的物质。终毒物可为机体所暴露的原化学
3、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（metabolic activation）。,重要,2终毒物的类型,(1)亲电子剂（electrophiles）(2)亲核物(nucleophiles)(3)氧化还原性反应物(redox-active reductants)(4)自由基(free radicals),2.1 亲电子剂（electrophiles）,是指含有一个缺电子原子的分子。带部分或全部正电荷，容易与亲核物中的富含电子的原子共享电子对而发生反应。形成方式：插入的氧原子从外源化学物附着的原子中获得一个
4、电子，使其具有亲电性。如乙醛共轭双键通过氧的去电子作用被极化。如醌,2.2 亲核物(nucleophiles),并不多见。具有一个原子或几个原子有多余电子。最典型的是：氰化物：苦杏仁经肠道菌糖苷酶催化水解硒化氢：亚硒酸盐与谷胱甘肽或其他巯基反应CO:二卤甲烷经过氧化脱卤的有毒代谢产物,2.3 氧化还原性反应物(redox-active reductants),具有活性的各种氧化还原反应物如：能引起高铁血红蛋白的亚硝酸盐。可在小肠由硝酸盐经肠道菌还原而成，也可由亚硝酸酯与谷胱甘肽反应产生。一般认为亲核物和活性氧还产物最终还是形成亲电子物和自由基，是主要的终毒物,2.4 自由基(free radi
5、cals),自由基（free radicals）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。,2.4.1自由基的来源与类型,自由基在生物体内来源有：细胞正常生理过程产生；化学毒物在体内代谢过程产生。,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(reactive oxygen species,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，
6、因为它们都含有化学性质活泼的含氧功能基团。,2.4.2自由基的共同特点是：,（1）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s计。（2）自由基的产生是可传递的，呈链式的，产生以后迅速作用于另外一个分子，生成新的自由基，不断损害机体。（3）作用半径短，只与临近的分子作用。（4）自由基存在时间短、半径小，因此无法捕获，测定非常困难。只能用间接的办法，通过测定自由基损伤后的产物来证明，如过氧化脂质，丙二醛（MDA）。,重要,2.4.3机体对氧化损伤的防御系统,（1）酶性抗氧化系统SOD：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
7、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。,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。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。,谷胱甘肽还原酶（GR）：其分布同GSH-Px，主要功能是产生还原型的谷胱甘肽(GSH)，以保护机体解毒功能的执行。心肌黄酶(DT diaphorase):葡萄糖-6-磷酸脱氢酶。,（2）非酶性抗氧化系统,
8、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GSHPx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。,2.4.4自由基对生物大分子的损害作用,（1）脂质过氧化损害：脂质过氧化(lipid p
9、eroxidation)：指主要由自由基引起的多不饱和脂肪酸的氧化作用对生物膜具有强烈的破坏作用。,脂质过氧化的后果：细胞器和细胞膜结构的改变和功能障碍。脂质过氧化物的分解产物具有细胞毒性，其中特别有害的是一些不饱和醛类。对DNA影响：一是脂质过氧化自由基和烷基自由基可引起DNA碱基，特别是鸟嘌呤碱基的氧化；一是脂质过氧化物的分解产物，丙二醛可以共价结合方式导致DNA链断裂和交联。,（2）蛋白质的氧化损伤,机制：(a)对脂肪族氨基酸氧化损伤最常见的途径为：在-位置上将一个氢原子除去，形成C中心自由基，再加氧其上，生成过氧基衍生物。后者分解成NH3及-酮酸，或生成NH3、CO2与醛类或羧酸，破坏
10、脂肪族氨基酸的结构。(b)芳香氨基酸很少出现-除氢，而多形成羟基衍生物。后者可将苯环打开或在酪氨酸处交联成二聚体。,后果氧化的后果是凝集与交联，或是蛋白质的降解与断裂，这主要取决于蛋白质成分的特征及自由基的种类。,（3）对DNA的氧化损伤,活性氧对DNA的损伤作用，可能是突变和癌变的基础，还与细胞凋亡有关。碱基损伤 活性氧攻击DNA的靶位点是腺嘌呤与鸟嘌呤的C8，嘧啶的C5与C6双键。DNA链断裂：,DNA链断裂在基因突变的形成过程中有重要意义。DNA链断裂后，有下列途径产生突变：DNA链断裂造成部分碱基的缺失；DNA链断裂后，正常的细胞将启动修复过程，多种酶可以辨别DNA内异常，并通过切割、
11、再合成、重合等途径使之修复。如酶也受自由基破坏或功能难以达到修复的要求，可能造成被修复的DNA碱基的错误掺入和错误编码；可能引起癌基因的活化，或抑癌基因的失活。,第二阶段：终毒物与靶分子的反应,1.靶分子的属性,实际上所有内源分子都是毒物潜在靶分子；最为重要的是生物大分子如：核酸和蛋白质；也涉及一些小分子如：膜脂质。,2.反应的类型,非共价结合共价结合去氢反应酶促反应电子转移,2.1非共价结合（nonconvalent binding）:,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。非共价结合一般是可逆的，导致的毒性损害
12、较小。如西维因，一种有机氯农药，也可与乙酰胆碱酯酶结合，呈疏松的整体分子结合，主要靠静电氢键结合，所以影响较小，是可逆的，机体慢慢会恢复。但不能使复能剂，用解磷定无效，反而妨碍解毒。,2.2 共价结合（convalent binding）:,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，形成加合物，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。共价结合是不可逆的。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。,2.2.1 与蛋白质的共价结合,化学毒物与蛋白质的共价结合是不可逆的，影响了蛋白质的结构和功能。如黄曲霉毒
13、素B1能与白蛋白结合后、使白蛋白丧失了作为载体的功能。,2.2.2 与核酸分子的共价结合,化学毒物及其代谢产物与核酸分子的共价结合，是研究化学毒物致癌作用的热点。有研究表明，一旦细胞内DNA加合物形成，致癌过程即已启动，随后进入促进和发展阶段。化学毒物与核酸共价结合形成加合物有两种方式，一种是直接加合，如烷化剂。另一种是需经代谢活化，生成具有活性的代谢物才能结合，如多环芳烃类、黄曲霉素类，大多数的化学物质以这种方式结合。,3.结合的后果,3.1 靶分子结构的破坏毒物与靶分子形成加合物、发生交联和断链改变分子结构。如DNA加合物3.2 靶分子功能的破坏激活或抑制酶的活性（如戒酒硫）3.3 形成新
14、抗原毒物及其代谢物与蛋白质结合，激发新的免疫反应，如药物引起的狼疮。,第三阶段：细胞功能障碍及其导致的毒性,1.毒物引起细胞调节功能障碍,1.1 基因表达的调节障碍细胞分裂异常：形成肿瘤，畸胎细胞凋亡：组织退化，或畸胎蛋白质合成受损1.2 细胞瞬息活动的调节障碍特定细胞正常运行的控制是通过作用于膜受体的信号分子来实现的。如：Ca2+，细胞钙稳态失调学说,1.2.1 细胞内钙稳态,在毒理学中，发现细胞损伤和死亡与胞内钙浓度增高有关，已发展成中毒机制的一种重要学说，细胞钙稳态紊乱学说，即细胞内钙浓度不可控制地增高，从而产生一系列反应，导致细胞损伤或死亡。,在细胞内的钙有两种类型，游离的钙离子和与蛋
15、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。,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
16、+浓度的变化过程呈稳态状，称为细胞内钙稳态。,1.2.2 钙稳态失调的机制,1.2.2.1 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。,1.2.2.2 钙稳态失调学说,Ca2+这种失调或紊乱，将完全破坏正常生命活动所必需的由激素和生长因子刺激而产生的短暂的Ca2+瞬变，危及细胞器的功能和细胞骨架结构，最终激活不可逆的细胞成分的分解代谢过程。这就是所谓中毒机制中钙稳态失调
17、学说。,重要,1.2.2.3 机制,钙的浓度变化，可通过下列途径造成细胞损伤：（1）正常的激素和生长因子刺激的Ca2+信号的受损。（2）钙依赖性降解酶的活化，包括蛋白酶、磷脂酶和核酸内切酶。（3）损伤细胞骨架（4）损害线粒体（5）与细胞凋亡有关,1.2.3 细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性,1.2.3.1 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
18、或减轻损伤作用。,1.2.3.2 农药,拟除虫菊酯为神经毒化合物，有研究发现它可使神经细胞内游离钙浓度增高，可能与其抑制Ca2+，Mg2+-ATPase、CaM(钙调蛋白)和磷酸二酯酶(PEE)有关。当然，拟除虫菊酪对钙稳态的影响有复杂的机制，且与其具体化学结构有关。,1.2.3.3 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。,2.毒物引起细胞维持功能改变,内部维持功能损害，则导致细胞损伤或者凋亡；外部维持功能损害。如：杀鼠灵（香豆素）抑制肝脏中凝血因子的合成，并不影响肝脏，但可因出血而引起死亡。,第四阶段：修复与修复紊乱,修复紊乱引起的毒性,修复过程也可能主动产生毒性作用。慢性组织损伤后，但修复过程偏离正确轨道，导致不可控制的增生而不是组织的重建，细胞增生即可形成肿瘤，而细胞外间质的过度产生则导致组织纤维化。,本章重点：,1、一般外源化学物发挥毒性作用的4个历程；2、自由基学说；3、细胞钙稳态学说；,谢 谢！,
