毒理學(xué) 毒性機(jī)制

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毒性機(jī)制

（MechanismsofToxicity)2【內(nèi)容】外源化學(xué)物增毒現(xiàn)象，終毒物類型（親電物、自由基、親核物），解毒途徑，解毒過程失效的原因終毒物與靶分子的反應(yīng)：類型，毒物對(duì)靶分子的影響3毒物引起的細(xì)胞調(diào)節(jié)功能障礙：基因表達(dá)調(diào)節(jié)障礙、細(xì)胞瞬息活動(dòng)調(diào)節(jié)障礙毒物引起的細(xì)胞維持功能改變：細(xì)胞內(nèi)部維持自身功能的損害、細(xì)胞外部維持功能的損害4研究毒性機(jī)制應(yīng)明確以下幾點(diǎn)1.毒性效應(yīng)是由毒物引起正常細(xì)胞發(fā)生生理和生化改變的結(jié)果2.毒性效應(yīng)的程度除毒物本身外，還與劑量及靶部位有關(guān)3.靶組織和靶器官具有代償能力，可超常發(fā)揮解毒功能4.毒效應(yīng)包括一般毒性效應(yīng)和特殊毒性效應(yīng)5研究中毒機(jī)制步驟整體動(dòng)物有無毒性找出靶器官、靶組織進(jìn)一步找出受損的細(xì)胞、亞細(xì)胞分子水平：DNA、RNA或蛋白質(zhì)6化學(xué)毒物吸收、分布、代謝、排泄

與靶分子相互作用細(xì)胞功能失調(diào)、損傷

細(xì)胞修復(fù)功能失調(diào)

毒性產(chǎn)生毒性可能的途徑7毒性機(jī)制涉及多個(gè)層次和步驟毒物被轉(zhuǎn)運(yùn)到一個(gè)或多個(gè)靶部位毒物或代謝產(chǎn)物與內(nèi)源性靶分子相互作用細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能紊亂啟動(dòng)細(xì)胞或分子水平修復(fù)毒物引起的靶分子結(jié)構(gòu)改變或功能紊亂超過修復(fù)能力或修復(fù)本身障礙時(shí)，即產(chǎn)生毒性效應(yīng)8機(jī)制毒理學(xué)(Mechanistictoxicology)

主要研究化學(xué)物對(duì)生物體產(chǎn)生毒性作用的細(xì)胞、生化和分子機(jī)制，為建立敏感、特異的預(yù)測(cè)試驗(yàn)，安全性評(píng)價(jià)與管理、安全性化學(xué)物（或藥物）的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)以及疾病的診斷和治療提供科學(xué)依據(jù)。9證實(shí)與人類直接相關(guān)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中所觀察到的損害作用（Cancer、Birthdefects、Organophosphateinsecticideinhibitionofacetylcholinesterase）驗(yàn)證可能與人類無關(guān)的發(fā)生于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中的有害效應(yīng)（Artificialsweetenersaccharintocausebladdercancerinrats）機(jī)制毒理學(xué)研究成果在應(yīng)用毒理學(xué)（AppliedToxicology）領(lǐng)域的主要用途10設(shè)計(jì)和生產(chǎn)較為安全的化學(xué)物以及合理治療化學(xué)中毒和臨床疾病(Thalidomide可干擾某些血管生成基因的表達(dá)，已被用于治療某些傳染病、炎癥性疾病、癌癥等，但孕婦禁用)進(jìn)一步加深對(duì)生理學(xué)、藥理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生物化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的了解（河豚毒素Tetrodotoxin以及DDT等）現(xiàn)代分子生物學(xué)、基因組學(xué)等理論和技術(shù)的應(yīng)用（個(gè)體易感性-基因多態(tài)性,家族遺傳背景,表觀遺傳學(xué)等)11第一節(jié)外源化學(xué)物的增毒與終毒物的形成終毒物：是指與內(nèi)源靶分子（如受體、酶、DNA等）反應(yīng)或嚴(yán)重地改變生物學(xué)（微）環(huán)境，啟動(dòng)結(jié)構(gòu)和（或）功能改變而表現(xiàn)出毒性的物質(zhì)(表4-1)終毒物在其作用位點(diǎn)的濃度及持續(xù)時(shí)間決定了毒效應(yīng)的強(qiáng)度12類型舉例直接終毒物Pb,河豚毒素,TCDD,CO,HCN代謝物作為終毒物砷酸鹽亞砷酸鹽,己烷己二酮Bap,Aflatoxinepoxides活性氧(氮)作為終毒物過氧化氫,阿霉素,Fe++,Paraquat

羥自由基(HO.)/過氧亞硝基(ONOO-)內(nèi)源化合物作為終毒物黃胺類藥物清蛋白結(jié)合的膽紅素膽紅素CCl3OO.

不飽和脂肪酸自由基HO.

蛋白質(zhì)蛋白羥基表4-1終毒物的來源及其類型13增毒（toxication)或代謝活化（metabolicactivation)：外源化學(xué)物經(jīng)生物轉(zhuǎn)化使其毒性增強(qiáng)，甚至可產(chǎn)生致畸、致癌效應(yīng)的過程增毒過程主要是使外源化學(xué)物轉(zhuǎn)變?yōu)橛H電物（electrophiles)自由基（freeradicals)親核物（nucleophiles)氧化還原性反應(yīng)物（redox-activereductants）14一、親電物的形成

（formationofeletraophiles)親電物（electrophiles)：是一類缺少電子而使整個(gè)分子部分或全部帶正電的物質(zhì)(表4-2)親電物可與含電子的親核物共享電子反應(yīng)常常是外源化學(xué)物經(jīng)Cyp450或其他酶氧化成酮、環(huán)氧化物、不飽和酮和醛、醌和酰鹵化物等物質(zhì)陽性親電物常由化學(xué)鍵斷裂而形成15二、自由基形成

（formationoffreeradicals）

自由基通過接受或失去一個(gè)電子，或由化合物的共價(jià)鍵發(fā)生均裂而形成自由基（freeradicals)：是指獨(dú)立游離存在的帶有不成對(duì)電子的分子、原子或離子16特點(diǎn)：具有順磁性化學(xué)性質(zhì)十分活潑反應(yīng)性極高半減期極短(μs)

作用半徑短氧化應(yīng)激(OxidativeStress)17自由基過多適量機(jī)體損害作用發(fā)揮重要生理功能自由基超過了機(jī)體清除能力自由基形成機(jī)體抗氧化功能自由基過多18活性氧（reactiveoxygenspecies,ROS)：一類化學(xué)性質(zhì)活潑的含氧功能基團(tuán)的物質(zhì),很常見包括：?jiǎn)尉€態(tài)氧:較高的反應(yīng)性(1?gO2/1ΣgO2)超氧陰離子自由基(O2.）:強(qiáng)還原劑羥基自由基（.OH):活性極強(qiáng),可與任何生物分子反應(yīng);但半衰期短,作用半徑小(一）自由基的類型（typesoffreeradicals)19過氧化氫（H2O2):弱氧化劑和弱還原劑臭氧（O3):氮氧化物（NOX)次氯酸（HOCl)20二、自由基的來源（sourcesoffreeradicals)1.生物系統(tǒng)產(chǎn)生的自由基胞漿中的小分子：自氧化促使氧還原，產(chǎn)生氧自由基胞漿蛋白質(zhì)：xanthineoxidase、dopamine-β-hydroxylase、D-aminoacidoxidase、andfattyacylCoAoxidase均可產(chǎn)生ROS21膜酶活性：lipoxygenase、cycloxygenase吞噬細(xì)胞的吞噬過程及呼吸爆發(fā)（respiratoryburst)過氧化酶體線粒體電子傳遞過程能生成ROS微粒體電子傳遞系統(tǒng)22三、親核物的形成

（formationofnucleophiles)是毒物活化作用較少見的一種機(jī)制硒化氫是由亞硒酸鹽與谷胱甘肽或其他巰基反應(yīng)形成的一種強(qiáng)親核物一氧化碳經(jīng)由氧化取鹵反應(yīng)而形成的毒性代謝產(chǎn)物23四、氧化還原活性還原劑的形成

(formationofredox-activereactants)

硝酸鹽腸道細(xì)菌還原亞硝酸酯或硝酸酯谷胱甘肽亞硝酸鹽高鐵血紅蛋白24最活潑的代謝物是缺電子的分子或分子片段，如親電子物或中性物，或陽性物多數(shù)親核物需轉(zhuǎn)化成親電子物后才能反應(yīng)帶一個(gè)多余電子的自由基在HOOH的斷裂，形成中性.OH而產(chǎn)生毒性作用25五、解毒（detoxication)解毒（detoxication)：是指通過生物轉(zhuǎn)化而將終毒物排除，或者阻止毒性產(chǎn)物形成的過程在某些情況下，解毒可能與中毒競(jìng)爭(zhēng)同一化學(xué)物261.無功能基團(tuán)毒物的解毒（detoxicationoftoxicantswithnofunctiongroups)無功能基團(tuán)化學(xué)物（苯和甲苯）+功能基團(tuán)（羥基和羧基）CyP450含功能基團(tuán)產(chǎn)物+內(nèi)源性酸如葡萄糖醛酸、硫酸或氨基酸轉(zhuǎn)移酶不活潑的、高度親水的有機(jī)酸排出體外根據(jù)毒物化學(xué)性質(zhì)，解毒途徑可分為272.親核物的解毒（detoxicationofnucleophiles)一般通過在親核功能基團(tuán)上的結(jié)合反應(yīng)來解毒如羥化的化合物通過硫酸化作用、葡萄糖醛酸化作用來結(jié)合283.親電物的解毒（detoxicationofelectrophiles)一般親電性毒物的解毒是通過與巰基親核物谷胱苷肽共軛結(jié)合而解毒此類反應(yīng)可自發(fā)產(chǎn)生或由谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶協(xié)同進(jìn)行金屬離子如Ag2+、Cd2+、Hg2+和CH3Hg離子很容易與谷胱甘肽反應(yīng)而解毒294.自由基解毒（detoxicationoffreeradicals)沒有任何一種酶能排除HO.唯一有效的抗HO.方法是防止其產(chǎn)生，可通過兩個(gè)反應(yīng)即將O2-.先轉(zhuǎn)化成HOOH，再將HOOH轉(zhuǎn)化成水305.蛋白質(zhì)毒素解毒

（detoxicationofproteintoxins)細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)的蛋白酶參與有毒多肽的失活31六、解毒過程失效

（whendetoxicationfails)1.毒物可能使解毒過程失效，終毒物蓄積2.偶爾可見某種具有反應(yīng)活性的毒物使解毒酶失活3.某些結(jié)合反應(yīng)可被逆轉(zhuǎn)4.有時(shí)解毒過程產(chǎn)生潛在的有害副產(chǎn)物32

第二節(jié)終毒物與靶分子的反應(yīng)（reactionoftheultimatetoxicantwiththetargetmolecule)33終毒物與靶分子的交互作用觸發(fā)毒性效應(yīng)需考慮：靶分子的屬性；終毒物與靶分子之間反應(yīng)的類別；毒物對(duì)靶分子的效應(yīng)；生物學(xué)微環(huán)境的改變所引起的毒性3435一、靶分子的屬性（attributesoftargetmolecules)理論上所有內(nèi)源性化合物都是毒物潛在的靶標(biāo)主要有：機(jī)體大分子：如核酸特別是DNA和蛋白質(zhì)膜脂質(zhì)其他成分并不是所有的毒物與靶標(biāo)的反應(yīng)都是有害的36內(nèi)源性分子作為一個(gè)靶分子必須具有合適的反應(yīng)性和（或）空間構(gòu)型，以容許終毒物發(fā)生共價(jià)或非共價(jià)反應(yīng)。為了發(fā)生這些反應(yīng)，靶分子必須接觸足夠高濃度的終毒物。37確定毒作用靶分子的標(biāo)準(zhǔn)：1.終毒物與靶標(biāo)反應(yīng)，并對(duì)其功能產(chǎn)生不良影響2.終毒物在靶部位達(dá)到有效濃度3.終毒物在某種機(jī)制上，以所觀察的毒性相關(guān)的方式改變靶標(biāo)38二、反應(yīng)類型（typesofreactions)

1.非共價(jià)結(jié)合（nonconvalentbinding)：通過非極性交互作用或氫鍵與離子鍵的形成。如毒物與膜受體、細(xì)胞內(nèi)受體、離子通道及其某些酶等靶分子的交互作用特點(diǎn)：互補(bǔ)結(jié)合通常是可逆的392.共價(jià)結(jié)合（convalentbinding)共價(jià)結(jié)合一般是不可逆的，能永久性改變內(nèi)源性分子結(jié)構(gòu)，故共價(jià)結(jié)合具有重要的毒理學(xué)意義親電毒物與親核物如生物大分子：蛋白質(zhì)和核酸的反應(yīng)40親電原子對(duì)親核原子具有選擇性，這主要取決于其負(fù)載與半徑的比例軟（次）親電物較易與軟（次）親核物反應(yīng)硬