毒理學(xué)基礎(chǔ)-第四章-毒物作用機制課件

毒理學(xué)基礎(chǔ)第四章毒物作用機制第四章毒作用機制

毒作用機制研究的內(nèi)容◆毒物如何進入機體◆毒物怎樣與靶分子相互作用◆毒物怎樣表現(xiàn)其有害作用◆機體有害作用的反應(yīng)如何第四章毒作用機制毒物在體內(nèi)的可能毒性過程

毒物的轉(zhuǎn)運過程是毒性發(fā)展的第一階段第一節(jié)外源化學(xué)物的增毒與解毒

終毒物

是指與內(nèi)源靶分子（如受體、酶、DNA、微絲蛋白、脂質(zhì)）反應(yīng)或嚴重地改變生物學(xué)（微）環(huán)境、啟動結(jié)構(gòu)和/或功能改變（其結(jié)果表現(xiàn)為毒性）的物質(zhì)。終毒物可以為：原化學(xué)物（母化合物）代謝物活性氧（氮）內(nèi)源化學(xué)物

增毒(toxication)代謝活化(metabolicactivation)

定義：毒物經(jīng)生物轉(zhuǎn)化為有害產(chǎn)物的過程。原因及結(jié)果：◆增毒過程使生物學(xué)微環(huán)境和/或它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了不利于機體的變化?！敉ㄟ^生物轉(zhuǎn)化而獲得更有效地與特定受體或酶相互作用的結(jié)構(gòu)特征和反應(yīng)性?！粼龆臼雇庠椿瘜W(xué)物轉(zhuǎn)變?yōu)椋海?）親電物(electrophiles)；（2）自由基(freeradicals)；（3）親核物(nucleophiles)（4）氧化還原性反應(yīng)物(redox-activereductants)增加其反應(yīng)性，從而更易于與帶有重要功能基因的內(nèi)源性分子反應(yīng)。一、親電物的形成親電物是指含有一個缺電子原子(帶部分或全部正電荷)的分子，它能通過與親核物中的富電子原子共享電子對而發(fā)生反應(yīng)。親電物的形成通過插入一個氧原子而產(chǎn)生共軛雙鍵形成鍵異裂金屬的氧化還原

注：AAF＝2－乙酰氨基芴，ADH＝醇脫氫酶，CCβL＝半胱氨酸結(jié)合β裂解酶；ChE＝乙酰膽堿酯酶；DENA＝二乙基亞硝胺；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＝黃素單加氧酶；GT＝尿苷二磷酸葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶；GGT＝γ谷氨酰基轉(zhuǎn)移酶；GST＝谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶；HAPP＝雜環(huán)芳香胺熱裂解產(chǎn)物；HCBD＝六氯丁二烯；p450＝細胞色素p450；ST＝磺基轉(zhuǎn)移酶；s.r.＝自發(fā)重排二、自由基形成自由基（freeradicals）是獨立游離存在的帶有不成對電子的分子、原子或離子。是由于化合物的共價健發(fā)生均裂而產(chǎn)生。自由基特點：順磁性化學(xué)性質(zhì)活潑反應(yīng)性極高半減期極短（一般僅能以μS計）作用半徑短。自由基在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用：腫瘤、輻射損傷、老化和某些疾?。ò變?nèi)障、糖尿病、精神病、肺氣腫、炎癥和缺血性疾?。┲卸緳C理研究

（一）自由基的類型見下頁表。

活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS）是一個集合名詞，包括：氧中心自由基：O2

和

OH非自由基衍生物：H2O2、單線態(tài)氧△g、次氯酸（HOCl）過氧化物、氫過氧化物內(nèi)源性脂質(zhì)外源化學(xué)物的環(huán)氧代謝物這些含有化學(xué)性質(zhì)活潑的含氧功能基團。

介紹幾種主要的活性氧1．單線態(tài)氧△單線態(tài)氧（△gO2）∑單線態(tài)氧(∑g+O2)2．超氧陰離子自由基3．過氧化氫(H2O2)4．羥基自由基(

OH)5．臭氧(O3)6．氮的氧化物[NO、NO2、過氧亞硝基(ONOO

)]7．次氯酸(HOCl)（二）自由基的來源1．生物系統(tǒng)產(chǎn)生的自由基1）胞漿中的小分子2）胞漿蛋白質(zhì)3）膜酶活性反應(yīng)4）吞噬細胞的吞噬過程及“呼吸爆發(fā)”(respiratoryburst)5）過氧化酶體6）線粒體電子傳遞過程7）微粒體電子傳遞系統(tǒng)2.外源化學(xué)物的氧化還原代謝產(chǎn)生自由基百草枯（PQ＋＋）阿霉素（DR）呋喃妥英（NF）PQ＋＋，DR、NF產(chǎn)生的O2·－不是這些外源物質(zhì)毒作用過程的最終階段，因為O2·－能產(chǎn)生反應(yīng)性更強的羥基自由基。

三、親核物的形成是毒物活化作用較少見的一種機制。如苦杏仁經(jīng)腸道細菌β-糖苷酶催化形成氰化物。四、活性氧化還原還原反應(yīng)物的形成氧化還原循環(huán)形成的外源性自由基以及O－2和·NO能還原結(jié)合于鐵蛋白的Fe（Ⅲ），隨后以Fe（Ⅱ）形式將其釋放,由此形成的Fe(Ⅱ)催化HO·形成

五、解毒1．無功能基團毒物的解毒：I、II相代謝解毒。2．親核物的解毒：在親核功能基團上的結(jié)合反應(yīng)解毒3．親電物的解毒：谷胱甘肽結(jié)合環(huán)氧化物水化酶催化金屬離子由金屬硫蛋白形成復(fù)合物4．自由基的解毒（僅舉此例子，下頁）5.蛋白質(zhì)毒素的解毒

超氧化物歧化酶（SOD），谷胱甘肽氧化酶（GPO）和過氧化氫酶（CAT）對超氧陰離子自由基（O2·－）的解毒作用

六、解毒過程失效1.解毒能力耗竭（解毒酶、共底物、抗氧化劑）2.解毒酶失活3.某些結(jié)合反應(yīng)被逆轉(zhuǎn)4.解毒過程產(chǎn)生潛在的有害副產(chǎn)物第二節(jié)終毒物與靶分子的反應(yīng)

終毒物和靶分子的反應(yīng)：是毒性發(fā)展的第二階段一、靶分子的屬性所有的內(nèi)源化合物都是毒物潛在的靶標(biāo)毒理學(xué)相關(guān)的靶標(biāo)是大分子，如DNA、蛋白質(zhì)

小分子中如膜脂質(zhì)、輔因子如輔酶A和吡哆醛內(nèi)源性分子作為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)生共價或非共價反應(yīng)。靶分子必須接觸足夠高濃度的終毒物，故處于反應(yīng)活性化學(xué)物鄰近或接近它們形成部位的內(nèi)源性分子常常是靶分子?；钚源x物的第一個靶分子常常是催化這些代謝物形成的酶或鄰近的細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)

二、反應(yīng)的類型（一）非共價結(jié)合(nonconvalentbinding)定義：通過非極性交互作用或氫鍵與離子鍵等非共價結(jié)合方式與膜受體、細胞內(nèi)受體、離子通道和某些酶等靶分子結(jié)合。特點：毒物原子的空間排列使其與內(nèi)源性分子的互補部位結(jié)合。非共價鍵結(jié)合的鍵能相對較低，因此是可逆的。例子：番木鱉堿（strychnine）與脊髓運動神經(jīng)元甘氨酸受體的結(jié)合；TCDD與芳烴受體的結(jié)合；哈蚌毒素（saxitoxin）與鈉通道的結(jié)合；佛波酯與蛋白激酶C的結(jié)合；殺鼠靈（warfarin）與維生素K2，3-環(huán)氧化物還原酶的結(jié)合；2.共價結(jié)合(convalentbinding)是不可逆的，這種結(jié)合持久地改變內(nèi)源分子，具有重要的毒理學(xué)意義親電子劑（如非離子和陽離子親電子劑以及自由基陽離子）中性自由基（如：HO?、NO2?和Cl3C?）親核毒物

30胺類和肼類與醛吡哆醛（pyridoxal）的共價反應(yīng)一氧化碳、氰化物、硫化氫和疊氮化物與各種血紅素蛋白中的鐵形成配位共價鍵

3.去氫反應(yīng)(hydrogenabstraction)（自由基作用）R-SH(R-S˙)巰基化合物/硫基自由基（為次黃酸/R-SOH和二硫化物/R-S-S-R等巰基氧化物的前身；使游離氨基酸或氨基酸殘基的CH2基團去氫，轉(zhuǎn)變?yōu)轸驶衔?，并進一步與胺類化合物反應(yīng)，形成DNA或蛋白質(zhì)交聯(lián)。

自由基脫氧核糖去氫并產(chǎn)生C-4‘自由基是引起DNA鏈斷裂的基礎(chǔ)脂肪酸去氫并產(chǎn)生脂質(zhì)自由基最終啟動脂質(zhì)過氧化

由羥基自由基（HO·）啟動的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)。許多產(chǎn)物，如自由基和α，β－不飽和醛，都具有反應(yīng)活性，而其它產(chǎn)物如乙烷，不具有反應(yīng)活性卻是脂質(zhì)過氧化的指示劑

4.電子轉(zhuǎn)移(electrontransfer)如化學(xué)物能將血紅蛋白中的Fe（Ⅱ）氧化為Fe（Ⅲ），形成高鐵血紅蛋白血癥。5.酶促反應(yīng)(enzymaticreaction)少數(shù)一些毒素（蓖麻蛋白、細菌毒素、白喉毒素等）通過酶促反應(yīng)作用于特定靶蛋白上。三、毒物對靶分子的影響1.靶分子功能失調(diào)對蛋白質(zhì)靶：活化靶蛋白分子，模擬內(nèi)源性配體抑制靶分子的功能（酶、受體、通道、復(fù)合物）對NDA靶：干擾DNA的模板功能，化學(xué)物與DNA共價結(jié)合引起復(fù)制期間核苷酸錯配。2．靶分子的破壞3．新抗原形成4．毒物引起生物學(xué)微環(huán)境改變改變生物水相中氫離子濃度使細胞膜脂質(zhì)發(fā)生物理化學(xué)或生物物理變化占據(jù)空間位置細胞通過程序執(zhí)行其調(diào)節(jié)功能某些程序決定細胞的命運：增殖、分化或凋亡；某些程序控制已分化細胞的瞬息活動[ongoing（momentory）activity]:細胞分泌物質(zhì)的數(shù)量、收縮或舒張、轉(zhuǎn)運和代謝營養(yǎng)物質(zhì)的速率;

細胞的維持功能細胞裝備有合成、代謝、動力、轉(zhuǎn)運和產(chǎn)生能量的體系以及結(jié)構(gòu)元件，組裝為大分子復(fù)合物、細胞膜和細胞器，以維持其自身的完整性(內(nèi)部功能)和支持其他細胞(外部功能)。

第三節(jié)細胞功能障礙與毒性

毒性發(fā)展的第三階段：細胞調(diào)節(jié)或維持功能的改變

一、毒物引起細胞調(diào)節(jié)功能障礙細胞受信號分子所調(diào)節(jié)，它激活與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)所聯(lián)系的細胞受體，而信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)將信號傳遞給基因的調(diào)節(jié)區(qū)域和/或功能蛋白。

受體激活最終可導(dǎo)致：（1）改變基因表達，增加或減少特定蛋白的功能。（2）通過磷酸化使特定蛋白發(fā)生化學(xué)修飾，從而激活或抑制蛋白質(zhì)。

控制細胞命運的程序主要影響基因表達；而調(diào)節(jié)日常活動的程序主要影響功能蛋白的活性。

（一）基因表達調(diào)節(jié)障礙1．基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)障礙毒物可激活轉(zhuǎn)錄因子（TFs）。有兩種類型的TFs，即：配體激活的TFs信號激活的TFs天然配體：激素（如類固醇、甲狀腺激素）（內(nèi)源性配體(維生素（視黃醇和維生素D）通過結(jié)合與激活而影響基因的表達化學(xué)物模擬天然配體

信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑：從細胞膜受體到信號激活的核轉(zhuǎn)錄因子（影響參與細胞周期調(diào)節(jié)的基因轉(zhuǎn)錄）

2.信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)障礙細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的機制：信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是通過細胞外的信號分子如生長因子、細胞因子、激素和神經(jīng)遞質(zhì)等利用細胞表面受體和細胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)來完成的。毒物引起細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常的途徑

①改變蛋白質(zhì)的磷酸化；②干擾G蛋白（如Ras蛋白）的GTP酶活性；③破壞正常的蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)交互作用或建立異常的交互作用；④改變信號蛋白的合成與降解。具有增殖效應(yīng)的化學(xué)物對信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的影響此類化學(xué)物使信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白磷酸化，促進有絲分裂和腫瘤形成。化學(xué)物改變了抗增生效應(yīng)信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)。

（二）細胞瞬息活動的調(diào)節(jié)障礙1．電可興奮細胞的調(diào)節(jié)障礙1）神經(jīng)遞質(zhì)水平的改變：毒物通過干擾神經(jīng)遞質(zhì)的合成、貯存、釋放或從受體附近清除而改變突觸的神經(jīng)遞質(zhì)水平。2）毒物-神經(jīng)遞質(zhì)受體交互作用3）毒物-信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白交互作用4）毒物-信號終止蛋白的交互作用

神經(jīng)元、骨骼肌、心肌和平滑肌等可興奮細胞的活動，這些細胞的功能（如：神經(jīng)遞質(zhì)的釋放和肌肉的收縮）受鄰近神經(jīng)元合成和釋放的遞質(zhì)或介質(zhì)的控制。2.其他細胞活動的調(diào)節(jié)障礙很多信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制也在非可興奮細胞中起作用，但這些細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的失調(diào)通常不產(chǎn)生嚴重的后果。大鼠肝細胞表達α1-腎上腺素能受體，受體的激活可引起葡萄糖水解和谷胱甘肽輸出增加，這些改變可能對細胞有一定毒理學(xué)意義。

許多外分泌細胞受毒蕈堿樣乙酰膽堿受體調(diào)控。有機磷殺蟲劑中毒刺激外分泌細胞受毒蕈堿樣乙酰膽堿受體引起唾液、流淚和支氣管過度分泌，而阿托品中毒則阻斷外分泌細胞受毒蕈堿樣乙酰膽堿受體引起高熱。細菌內(nèi)毒素通過激活肝臟庫普弗細胞（Kupffer）表面的Toll樣受體4（toll-likereceptor4，TLR4）、啟動Toll樣受體信號通路并產(chǎn)生大量炎性細胞因子和活性氧（ROS），引起鄰近肝實質(zhì)細胞的毒性損傷。

二、毒物引起細胞維持功能的改變(一)細胞內(nèi)部維持自身功能的損害－－中毒性細胞死亡的機制1.危害細胞存活的原發(fā)性代謝紊亂：ATP耗竭：Ca2+蓄積：ROS/RNS生成

Ca2＋從細胞漿中消除的四種機制：Ca2＋－ATP酶介導(dǎo)的Ca2＋泵入（1）細胞外空間以及（2）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）；離子梯度驅(qū)動Ca2＋轉(zhuǎn)運到（3）細胞外空間（通過Ca2＋/Na＋交換體）（4）線粒體（M；通過Ca2＋單向轉(zhuǎn)運蛋白）2.原發(fā)性代謝紊亂之間的相互影響導(dǎo)致的細胞紊亂細胞ATP儲存的耗竭剝奪了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)質(zhì)膜Ca2+泵的燃料，引起胞漿Ca2+的升高。細胞內(nèi)高鈣促進ROS和RNS的形成，而ROS與RNS使巰基依賴的Ca2+泵發(fā)生氧化性失活，這反過來又加劇了高鈣。ROS與RNS也能消耗ATP儲備

ONOO－能誘發(fā)DNA單鏈斷裂，導(dǎo)致聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）激活，耗ATP。

最終引起壞死或凋亡的初級代謝紊亂（ATP耗竭，細胞內(nèi)高鈣含量和ROS/RNS過量產(chǎn)生）間的相互關(guān)系。ATP－SYN＝ATP合酶；MET＝線粒體電子傳遞；NOS＝一氧化氮合酶；PARP＝聚（ADP－核糖）聚合酶；ROS＝活性氧；RNS＝活性氮；XO＝黃嘌呤氧化酶；△ψm＝線粒體膜電位3.線粒體損傷在細胞死亡（壞死與凋亡）中的作用（線粒體滲透性轉(zhuǎn)變及其后果）

線粒體滲透轉(zhuǎn)變(mitochondrialpermeabilitytransition,MPT）

是由于一種跨越線粒體內(nèi)外膜間的蛋白質(zhì)孔（“巨通道”）開放而引起的。由于這種孔洞對<1500Da的溶質(zhì)是可通透的，它的開放使質(zhì)子自由地內(nèi)流進入基質(zhì)間隙，引起△Ψm迅速和完全消散、ATP合成中斷及水滲透內(nèi)流，導(dǎo)致線粒體膨脹，已蓄積于基質(zhì)間隙的Ca2+通過孔流出，涌進胞質(zhì)。

細胞色素c（Cytc）進入胞漿Cytc釋放的意義至少包括兩個方面：①由于Cytc處于線粒體電子傳遞鏈，Cytc的丟失阻斷ATP合成，增加O2－?形成，導(dǎo)致細胞死亡；②釋放的Cytc在ATP的共同作用下，與Apaf-1結(jié)合，激活caspase-9，啟動細胞凋亡。線粒體內(nèi)的ATP合成（氧化磷酸化作用）線粒體損害，核DNA損害和Fas或TNF受體刺激啟動的凋亡途徑4.ATP的利用度決定細胞死亡的形式許多外源化學(xué)物既引起凋亡，也引起壞死。毒物在低暴露水平或高水平暴露后的早期階段傾向于誘發(fā)凋亡;而在高暴露水平后期則引起壞死。ATP的利用度是決定細胞死亡形式的關(guān)鍵

受損細胞命運的“決定方案”MPT＝線粒體通透性轉(zhuǎn)變，RO（N）S＝活性氧或活性氮（二）細胞外部維持的損害毒物干擾那些給其他細胞組織或整個機體專門提供支持的細胞。例子：肝臟。

第四節(jié)修復(fù)、修復(fù)紊亂與毒性一、損傷修復(fù)機制1．分子修復(fù)（1）蛋白質(zhì)修復(fù)蛋白巰基（Prot-SHs）氧化為蛋白二硫化物（Prot-SS、Port1-SS-Prot2）、蛋白質(zhì)-谷胱甘肽混合二硫化物（Prot-SSG)和蛋白質(zhì)次磺酸（Prot-SOH）蛋白質(zhì)中的甲硫氨酸氧化為甲硫氨酸亞砜(Prot-Met=O這是兩種廣泛存在的小蛋白質(zhì)，在它們的活性中心含有兩個氧化還原活性半胱氨酸上述被氧化的蛋白質(zhì)通過兩種內(nèi)源性的還原劑——硫氧還蛋白[thioredoxin，TR-(SH)2]谷氧化蛋白[glutaredoxin,GRO-(SH)2]已氧化的血紅蛋白（高鐵血紅蛋白）借助于來自細胞色素b5的電子轉(zhuǎn)移來修復(fù)，然后通過NADH依賴的細胞色素還原酶（也稱高鐵血紅蛋白還原酶）而再生。蛋白質(zhì)巰基氧化的修復(fù)

（2）脂質(zhì)修復(fù)過氧化的脂質(zhì)通過一系列還原劑以及谷胱甘肽過氧化物酶和還原酶共同協(xié)調(diào)運作的復(fù)雜過程來修復(fù)（圖23）。含有脂肪酸氫過氧化物的磷酯首先為磷酯酶A2所水解，過氧化的脂肪酸為正常脂肪酸所取代。同時，需要NADPH來修復(fù)在該過程中被氧化的還原劑。過氧化脂質(zhì)的修復(fù)

（3）DNA修復(fù)直接修復(fù)切除修復(fù)堿基的切除修復(fù)(