第4章毒作用機(jī)制

1 第四章毒作用機(jī)制 MechanismsofToxicology 2 目的要求 掌握化學(xué)毒物增毒現(xiàn)象熟悉化學(xué)毒物主要毒性機(jī)制終毒物的種類(lèi)與形成終毒物與靶分子的反應(yīng)細(xì)胞功能障礙與毒性 3 內(nèi)容 毒物的ADME過(guò)程和靶器官靶分子的反應(yīng)細(xì)胞調(diào)節(jié)功能障礙修復(fù)障礙毒物毒作用的表觀遺傳機(jī)制 4 闡明毒作用機(jī)制的意義 1 解釋描述性資料 評(píng)估特定外源化學(xué)物引起有害效應(yīng)的概率 制定預(yù)防策略 設(shè)計(jì)危害程度小的藥物和工業(yè)化學(xué)物 以及開(kāi)發(fā)靶生物具有良好選擇性的殺蟲(chóng)劑等提供依據(jù) 2 有利于對(duì)機(jī)體生理和生化過(guò)程及人類(lèi)某些疾病重要疾病病理過(guò)程的進(jìn)一步認(rèn)識(shí) 5 毒物在體內(nèi)的可能毒性過(guò)程 第一步 第二步 第三步 第四步 6 第一節(jié)毒物ADME過(guò)程與靶器官 7 毒性的強(qiáng)度主要取決于終毒物在其作用部位的濃度和持續(xù)時(shí)間 終毒物 ultimatetoxicant 是指與內(nèi)源靶分子 如受體 酶 DNA 微絲蛋白 脂質(zhì) 反應(yīng)或引起機(jī)體生物學(xué)微環(huán)境改變 導(dǎo)致機(jī)體結(jié)構(gòu)和功能紊亂 表現(xiàn)毒物毒性作用的化學(xué)物 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 8 一 從接觸部位進(jìn)入血液循環(huán) 10 一 毒物的吸收 透過(guò)細(xì)胞擴(kuò)散穿越上皮屏障到達(dá)毛細(xì)血管脂溶性是影響吸收的重要因素 二 毒物進(jìn)入體循環(huán)前的消除 首過(guò)效應(yīng) 胃腸道粘膜細(xì)胞 肝臟 肺腸上皮細(xì)胞和肝細(xì)胞 豐富的代謝酶和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 毒物經(jīng)腸胃吸收進(jìn)入血液循環(huán)之前 一部分經(jīng)腸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白泵回腸腔 一部分經(jīng)腸肝代謝酶代謝 一小部分進(jìn)入血液循環(huán) 11 二 從血液循環(huán)進(jìn)入靶部位 一 促進(jìn)毒物分布到靶部位的機(jī)制1 毛細(xì)血管內(nèi)皮多孔性 肝竇 腎小管周?chē)?xì)血管有較大孔道 利于化合物的蓄積 2 專(zhuān)一化的膜轉(zhuǎn)運(yùn) 離子通道 膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 鉈 百草枯3 細(xì)胞器內(nèi)蓄積 可質(zhì)子化的胺類(lèi)和親脂特征的兩性化合物 溶酶體 線粒體4 可逆性細(xì)胞內(nèi)結(jié)合 黑色素 12 二 從血液循環(huán)進(jìn)入靶部位 二 妨礙毒物分布到靶部位的機(jī)制1 血漿蛋白結(jié)合 與高分子血漿蛋白或脂蛋白結(jié)合 影響擴(kuò)散 2 專(zhuān)一化屏障 血腦屏障 血睪屏障 胎盤(pán)屏障阻止親水性化合物3 貯存部位分布 鉛取代羥磷灰石中的鈣離子沉積在骨骼 氯代烴蓄積脂肪細(xì)胞4 與細(xì)胞內(nèi)結(jié)合蛋白結(jié)合 金屬硫蛋白與鎘結(jié)合5 從細(xì)胞內(nèi)排出 mdr編碼的P蛋白將化合物泵回細(xì)胞間隙 13 二 從血液循環(huán)進(jìn)入靶部位 三 排泄與重吸收1 排泄 主要排泄器官為肝和腎 毒物理化性質(zhì)決定排泄途徑和速度 高親水性和離子化的化合物 2 重吸收 1 腎小管重吸收 需要化學(xué)物質(zhì)有一定脂溶性的物質(zhì) 2 經(jīng)膽汁 胃腸排泄 及唾液腺和外分泌胰腺分泌而轉(zhuǎn)運(yùn)到胃腸道的毒物 可穿越腸黏膜二重吸收 14 三 增毒與減毒 一 終毒物的形成 15 三 增毒與減毒 一 終毒物的形成增毒 toxication 外源化學(xué)物在體內(nèi)經(jīng)生物轉(zhuǎn)化為終毒物的過(guò)程 增毒過(guò)程主要是使外源化學(xué)物轉(zhuǎn)變?yōu)?親電子劑 electrophiles 自由基 freeradicals 親核物 nucleophiles 活性氧化還原性反應(yīng)物 redox activereductants 16 一 終毒物的形成1 親電子劑的形成親電子劑 是指含有一個(gè)缺電子原子的分子 它能通過(guò)與親核物中的富含電子原子共享電子對(duì)而發(fā)生反應(yīng) 親電子劑的形成通過(guò)插入一個(gè)氧原子而產(chǎn)生 共軛雙鍵形成 鍵異裂 金屬的氧化還原 17 常見(jiàn)親電物 無(wú)機(jī)離子的氧化與還原 18 異裂作用產(chǎn)生陽(yáng)離子親電子劑 19 20 21 一 終毒物的形成2 自由基 1 自由基 freeradicals 是在其外層軌道中含有一個(gè)或多個(gè)不成對(duì)電子的分子片段 自由基主要是由于化合物的共價(jià)鍵發(fā)生均裂而產(chǎn)生 接受或丟失一個(gè)電子 22 2 幾種主要的自由基單線態(tài)氧 單線態(tài)氧 gO2 單線態(tài)氧 g O2 超氧陰離子自由基 O2 過(guò)氧化氫 H2O2 羥基自由基 OH 臭氧 O3 氮的氧化物 NO NO2 過(guò)氧亞硝基 ONOO 次氯酸 HOCl 23 3 自由基的來(lái)源 了解 1 外源化學(xué)物通過(guò)接受一個(gè)電子形成自由基 2 親核外源化學(xué)物在過(guò)氧化氫酶催化作用下丟失一個(gè)電子而形成自由基 3 電子向分子轉(zhuǎn)移引起的還原性鍵均裂過(guò)程形成自由基 24 25 26 一 終毒物的形成3 親核物的形成親核物的形成是毒物活化作用較少見(jiàn)的一種機(jī)制 氰化物苦杏仁經(jīng)腸道 糖苷酶催化形成氰化物 丙烯腈環(huán)氧化后與谷胱甘肽結(jié)合形成氰化物 硝普鈉經(jīng)巰基誘導(dǎo)降解后形成氰化物 等 27 一 終毒物的形成4 活性氧化還原反應(yīng)物的形成特殊機(jī)制 引起高鐵血紅蛋白的亞硝酸鹽 既可在小腸中由硝酸鹽經(jīng)細(xì)菌還原生成 也可由亞硝酸酯或硝酸酯與谷胱甘肽反應(yīng)而生成 還原性化合物如抗壞血酸等以及NADPH依賴(lài)性黃素酶等還原酶可使Cr6 還原為Cr5 Cr5 反過(guò)來(lái)又可催化HO 生成 28 二 解毒解毒 detoxication 是指通過(guò)生物轉(zhuǎn)化而將終毒物消除 或者阻止毒性產(chǎn)物形成的過(guò)程 在某些情況下 解毒過(guò)程可能與代謝活化過(guò)程競(jìng)爭(zhēng)同一外源化學(xué)物 無(wú)功能基團(tuán)毒物的解毒 I II相代謝解毒 親核物的解毒 在親核功能基團(tuán)上的結(jié)合反應(yīng)解毒親電子劑的解毒 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)合物自由基的解毒 SOD GSH Px蛋白質(zhì)毒素的解毒 蛋白酶 29 二 解毒1 無(wú)功能基團(tuán)毒物的解毒I II相代謝解毒 30 二 解毒2 親核物的解毒一般通過(guò)在親核功能基團(tuán)上的結(jié)合反應(yīng)來(lái)解毒如羥化的化合物通過(guò)硫酸化作用 葡萄糖醛酸化作用來(lái)結(jié)合3 親電子劑的解毒一般親電性毒物的解毒是通過(guò)與巰基親核物谷胱甘肽共軛結(jié)合而解毒此類(lèi)反應(yīng)可自發(fā)產(chǎn)生或由谷脫甘肽 s 轉(zhuǎn)移酶協(xié)同進(jìn)行金屬離子如Ag2 Cd2 Hg2 和CH3Hg離子很容易與谷脫甘肽反應(yīng)而解毒 31 二 解毒4 自由基的解毒沒(méi)有任何一種可以解除HO 預(yù)防HO 毒作用的最有效辦法是阻止其產(chǎn)生 超氧化物歧化酶 SOD 谷胱甘肽氧化酶 GPO 和過(guò)氧化氫酶 CAT 對(duì)超氧陰離子自由基 O2 的解毒作用 32 二 解毒5 蛋白質(zhì)毒素的解毒硫氧環(huán)蛋白 蛇毒6 解毒過(guò)程失效解毒能力耗竭 解毒酶 共底物 抗氧化劑 解毒酶失活 某些結(jié)合反應(yīng)被逆轉(zhuǎn) 肺部吸入甲基異氰酸鹽 不穩(wěn)定的谷胱甘肽結(jié)合物解毒過(guò)程產(chǎn)生潛在的有害副產(chǎn)物 谷胱甘肽自由基 33 第二節(jié)靶分子的反應(yīng) 34 35 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(jià)或非共價(jià)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 活性代謝物的第一個(gè)靶分子常常是催化這些代謝物形成的酶或鄰近的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu) 36 二 反應(yīng)的類(lèi)型 一 非共價(jià)結(jié)合 nonconvalentbinding 定義 通過(guò)非極性交互作用或氫鍵與離子鍵等非共價(jià)結(jié)合方式與膜受體 細(xì)胞內(nèi)受體 離子通道和某些酶等靶分子結(jié)合 特點(diǎn) 毒物原子的空間排列使其與內(nèi)源性分子的互補(bǔ)部位結(jié)合 非共價(jià)鍵結(jié)合的鍵能相對(duì)較低 因此是可逆的 舉例 番木鱉堿 strychnine 與脊髓運(yùn)動(dòng)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 37 二 共價(jià)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(yáng)離子親電子劑以及自由基陽(yáng)離子 中性自由基 如 HO NO2 和Cl3C DNA或脂質(zhì)親核毒物 體內(nèi)親電化合物罕見(jiàn) 胺類(lèi)和肼類(lèi)與吡哆醛 pyridoxal 的共價(jià)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(jià)鍵 38 三 去氫反應(yīng) hydrogenabstraction 自由基作用 自由基引起內(nèi)源性分子去氫 生成新的內(nèi)源性自由基 R SH R S 為R SOH和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(tuán)去氫 變?yōu)轸驶衔?并與胺類(lèi)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(dòng)脂質(zhì)過(guò)氧化 39 四 電子轉(zhuǎn)移 electrontransfer 如化學(xué)物能將血紅蛋白中的Fe2 氧化為Fe3 形成高鐵血紅蛋白血癥 五 酶促反應(yīng) enzymaticreaction 少數(shù)一些毒素 蓖麻蛋白 細(xì)菌毒素 白喉毒素等 通過(guò)酶促反應(yīng)作用于特定靶蛋白上 40 三 毒物對(duì)靶分子的影響 41 三 毒物對(duì)靶分子的影響 一 靶分子功能失調(diào)模擬內(nèi)源性配體 活化靶蛋白 嗎啡激活鴉片受體 氯貝丁酯為過(guò)氧化酶體增殖物激活劑受體的激動(dòng)劑抑制靶分子功能 阿托品 箭毒及士的寧 阻斷神經(jīng)遞質(zhì)受體 DDT抑制鈉通道關(guān)閉改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) 催化中心和關(guān)鍵基團(tuán) 與蛋白質(zhì)巰基發(fā)生共價(jià)結(jié)合或氧化修飾 酪氨酸硝化影響信號(hào)通路 干擾DNA模板功能 黃曲霉素8 9 氧化物與鳥(niǎo)嘌呤共價(jià)結(jié)合 導(dǎo)致G A配對(duì) 導(dǎo)致某些基因堿基突變 42 三 毒物對(duì)靶分子的影響 二 靶分子結(jié)構(gòu)破壞加合物形成 親電子劑 細(xì)胞骨架蛋白 DNA大分子交聯(lián) OH 活性親電子劑 親核部位結(jié)合DNA斷裂 DNA堿基受 OH自由基攻擊形成咪唑環(huán)開(kāi)放的嘌呤或環(huán)收縮的嘧啶 DNA復(fù)制障礙電離輻射 OH 斷裂較短的DNA雙鏈自發(fā)性降解 氧化損傷 自由基引起脂肪酸脫氫啟動(dòng)脂質(zhì)過(guò)氧化 與脂質(zhì) 鄰近蛋白或DNA反應(yīng) 43 三 毒物對(duì)靶分子的影響 三 新抗原形成 與外源化合物共價(jià)結(jié)合的蛋白質(zhì)少數(shù)可以形成新抗原 激發(fā)免疫應(yīng)激 硝基氯苯 青霉素和鎳本身具有蛋白質(zhì)結(jié)合的能力 另一些化合物經(jīng)轉(zhuǎn)化與蛋白有結(jié)合能力 藥物引起狼瘡和粒細(xì)胞減少癥是有藥物 蛋白質(zhì)加合物才出發(fā)的免疫反應(yīng)介導(dǎo) 44 第三節(jié)細(xì)胞調(diào)節(jié)功能障礙 45 細(xì)胞執(zhí)行特定著特定的程序決定細(xì)胞命運(yùn) 增殖 分化 凋亡或自噬控制細(xì)胞瞬息活動(dòng) 分泌活性物質(zhì) 轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)毒物引起細(xì)胞功能障礙 細(xì)胞功能障礙程序 細(xì)胞應(yīng)激 細(xì)胞調(diào)節(jié)功能障礙 細(xì)胞穩(wěn)態(tài)失調(diào) 細(xì)胞死亡 46 一 細(xì)胞應(yīng)激細(xì)胞應(yīng)激 指細(xì)胞處于不利環(huán)境和遇到有害刺激時(shí)所產(chǎn)生的防御或適應(yīng)性反應(yīng) 根據(jù)引起細(xì)胞應(yīng)激的原因不同以及細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)的差異 熱應(yīng)激 heatstress 氧化應(yīng)激 oxidativestress 缺氧應(yīng)激 hypoxicstress 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激 endophasmicreticulumstress 遺傳毒性應(yīng)激 genotoxicstress 47 一 細(xì)胞應(yīng)激細(xì)胞應(yīng)激過(guò)程高度有序 應(yīng)激源誘發(fā)的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)激活相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子和促進(jìn)應(yīng)激基因的快速表達(dá) 合成多種特異性和非特異性的且對(duì)細(xì)胞具有保護(hù)作用的應(yīng)激蛋白質(zhì) 從而對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生特異性和非特異性保護(hù)作用 同時(shí)細(xì)胞內(nèi)正?；虮磉_(dá)受抑制 若細(xì)胞損傷嚴(yán)重而導(dǎo)致?lián)p傷無(wú)法修復(fù) 則啟動(dòng)細(xì)胞凋亡或自噬過(guò)程 加速細(xì)胞死亡 48 一 細(xì)胞應(yīng)激應(yīng)激原 能導(dǎo)致細(xì)胞應(yīng)激的物理 化學(xué)和生物因素 DNA損傷性應(yīng)激原介導(dǎo)的細(xì)胞應(yīng)激稱(chēng)為基因毒性應(yīng)激 DNA損傷性應(yīng)激原 紫外線 離子射線 活性氧 化學(xué)致畸劑 化學(xué)致癌劑 化學(xué)致突變劑非DNA損傷性應(yīng)激原介導(dǎo)的細(xì)胞應(yīng)激為非基因毒性應(yīng)激 如熱應(yīng)激 缺氧應(yīng)激 氧化應(yīng)激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激 非DNA損傷性應(yīng)激原 創(chuàng)傷 感染 營(yíng)養(yǎng)剝奪 滲透壓改變 缺氧和熱應(yīng)激 49 一 熱應(yīng)激熱應(yīng)激的特征反應(yīng) 是誘導(dǎo)細(xì)胞表達(dá)熱休克蛋白 heatshockprotein HSP HSP有稱(chēng)應(yīng)激蛋白 結(jié)構(gòu)性HSP 為細(xì)胞的結(jié)構(gòu)蛋白 正常時(shí)即存在于細(xì)胞內(nèi) 幫助新生的蛋白質(zhì)進(jìn)行正確的折疊 移位 降解 稱(chēng)為分子伴侶 Molecularchaperone 誘導(dǎo)性HSP 由各種應(yīng)激原誘導(dǎo)生成 參與受損蛋白質(zhì)的修復(fù)或移除 保護(hù)細(xì)胞免受?chē)?yán)重?fù)p傷 加速修復(fù) 提高細(xì)胞對(duì)應(yīng)激原的耐受性 50 二 氧化應(yīng)激氧化應(yīng)激 主要應(yīng)激原主要為自由基 活性氧 reactiveoxygenspecies ROS 和活性氮 reactivenitrogenspecies RNS 自由基包括超氧陰離子 O2 羥自由基 OH 過(guò)氧自由基 ROO 氯離子自由基 CL 和一氧化氮分子自由基 NO ROS是一類(lèi)由氧形成 并在分子組成上含有氧且化學(xué)性質(zhì)比較活波的物質(zhì)包括超氧陰離子 O2 羥自由基 OH 過(guò)氧自由基 ROO 等 RNS是NO及其體內(nèi)繼發(fā)性產(chǎn)物的總稱(chēng) 包括一氧化氮 NO 二氧化氮 NO2 和過(guò)氧化亞硝酸鹽 ONOO 等 51 1 ROS RNS 機(jī)體防御 吞噬細(xì)胞殺傷病原體 2 免疫細(xì)胞殺傷腫瘤細(xì)胞 與ROS有關(guān) 3 ROS RNS 參與解毒 4 ROS參與細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達(dá)調(diào)控 細(xì)胞增殖 分化 5 影響Ca2 穩(wěn)態(tài) 蛋白質(zhì)磷酸化 轉(zhuǎn)錄因子激活等多通路發(fā)揮調(diào)節(jié)作用 二 氧化應(yīng)激ROS和RNS的生理功能 機(jī)體通過(guò)抗氧化防御系統(tǒng) 清除自由基 防止氧化應(yīng)激 52 1 線粒體機(jī)制 作用于線粒體 導(dǎo)致位于線粒體的促凋亡蛋白Bcl 2家族成員激活 啟動(dòng)凋亡程序 2 過(guò)量ROS通過(guò)激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激活信號(hào)通路 啟動(dòng)凋亡程序 二 氧化應(yīng)激自由基 ROS和RNS過(guò)多 破壞氧化 還原平衡 發(fā)生氧化應(yīng)激細(xì)胞調(diào)節(jié)功能 細(xì)胞維持功能障礙 甚至凋亡和自噬 ROS引起凋亡的機(jī)制 53 三 缺氧應(yīng)激缺氧應(yīng)激 細(xì)胞和組織為適應(yīng)低氧壓力而誘導(dǎo)系列涉及血管生成 鐵代謝和糖代謝相關(guān)基因的表達(dá) 以維持細(xì)胞的增殖和存活 此過(guò)程稱(chēng)缺氧應(yīng)激 低氧是重要缺氧應(yīng)激原 金屬暴露 脂多糖 IL 1 胰島素等引起缺氧應(yīng)激 Ca2 NO和CO在低氧信號(hào)傳導(dǎo)中起重要作用 介導(dǎo)缺氧應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵因子為缺氧誘導(dǎo)因子1 HIF 1 由兩種亞基HIF 1 和HIF 1 HIF 1 穩(wěn)定表達(dá) HIF 1 在正常情況下檢測(cè)不到 但缺氧狀態(tài)下 降解受抑制 與HIF 1 形成有活性的HIF 1 轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核調(diào)節(jié)多基因轉(zhuǎn)錄 54 HIF 1下游靶基因 1 EPO 2 VEGF 3 iNOS 4 MMP 5 GLUT 1 6 TGF 1 2 3 3 5 5 5 55 四 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 蛋白質(zhì)和脂質(zhì)合成 加工 折疊和運(yùn)輸 加工和包裝特異性的分子伴侶為糖調(diào)節(jié)蛋白78 glucoseregulatedprotein78 GRP78 細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)受損或需要加工和包裝的蛋白質(zhì)合成增加時(shí) 即引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和非折疊蛋白反應(yīng) theunfoldedproteinresponse URP 由三個(gè)主要內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜蛋白介導(dǎo) 即IRE1 pERK和ATF6信號(hào)通路 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是一種保護(hù)機(jī)制 降低胞內(nèi)未折疊蛋白濃度 阻礙聚集 56 四 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激以下情況 出現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激 1 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)特異性分子伴侶減少或缺失 2 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2 耗竭 3 氧化應(yīng)激或缺氧應(yīng)激 4 基因突變影響到基因產(chǎn)物蛋白質(zhì)分子折疊 5 二硫鍵形成減少 57 五 遺傳毒性應(yīng)激遺傳毒性應(yīng)激 人體細(xì)胞啟動(dòng)自身防御網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以應(yīng)對(duì)遺傳物質(zhì)DNA免受外源遺傳毒性損傷的過(guò)程 應(yīng)激原 遺傳毒性致癌劑和致突變物 紫外線和放射性核素 化療藥物 某些代謝產(chǎn)物 如自由基和活性氧 絲裂原活性蛋白激酶 MAPKs 途徑是細(xì)胞遺傳應(yīng)激反應(yīng)中主要信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑之一 保證細(xì)胞正常生長(zhǎng)和DNA復(fù)制保真度 58 六 毒理學(xué)意義細(xì)胞應(yīng)激 細(xì)胞能量代謝 蛋白質(zhì)合成和加工 細(xì)胞內(nèi)環(huán)境建立和維持 細(xì)胞遺傳物質(zhì)損傷的識(shí)別和修復(fù) 細(xì)胞增殖 細(xì)胞周期調(diào)控 細(xì)胞存活和凋亡等 1 是機(jī)體面對(duì)有害因素刺激的防御性反應(yīng) 利于內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定 2 過(guò)程引起信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)迅速改變 某些重要信號(hào)分子或信號(hào)通路改變可能損害細(xì)胞正常功能 二 細(xì)胞調(diào)節(jié)功能障礙細(xì)胞受信號(hào)分子所調(diào)節(jié) 受體激活最終可導(dǎo)致 1 改變基因表達(dá) 增加或減少特定蛋白的功能 2 通過(guò)磷酸化使特定蛋白發(fā)生化學(xué)修飾 磷酸化 甲基化 乙酰化和硝化 從而激活或抑制蛋白質(zhì) 控制細(xì)胞命運(yùn)的程序主要影響基因表達(dá) 而調(diào)節(jié)控制細(xì)胞瞬息活動(dòng)的程序主要影響功能蛋白的活性 60 一 基因表達(dá)調(diào)節(jié)障礙 61 一 基因表達(dá)調(diào)節(jié)障礙1 基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)障礙 轉(zhuǎn)錄因子 能結(jié)合在某基因上游特異核苷酸序列上的蛋白質(zhì) 能調(diào)控其基因的轉(zhuǎn)錄 順式作用元件 位于基因旁側(cè) 可調(diào)控影響基因表達(dá)的核酸序列 包括啟動(dòng)子 增強(qiáng)子等 應(yīng)答元件 位于基因上游能被轉(zhuǎn)錄因子識(shí)別和結(jié)合 從而調(diào)控基因?qū)Ｒ恍员磉_(dá)的DNA序列 如熱激應(yīng)答元件 金屬應(yīng)答元件等 62 一 基因表達(dá)調(diào)節(jié)障礙1 基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)障礙 63 一 基因表達(dá)調(diào)節(jié)障礙1 基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)障礙 64 毒物影響轉(zhuǎn)錄因子 TFs 活性是毒物調(diào)節(jié)基因表達(dá)最主要方式 兩種類(lèi)型TFs 即配體激活的TFs 和信號(hào)激活的TFs天然配體 激素 如類(lèi)固醇 甲狀腺激素 和維生素 視黃醇和維生素D 通過(guò)結(jié)合與激活轉(zhuǎn)錄因子而影響基因的表達(dá)化學(xué)物 模擬天然配體而調(diào)節(jié)下游基因表達(dá) 一 基因表達(dá)調(diào)節(jié)障礙1 基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)障礙 65 鄰苯二甲酸酯模擬多不飽和脂肪酸 模擬Zn2 66 細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)制 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是通過(guò)細(xì)胞外的信號(hào)分子如生長(zhǎng)因子 細(xì)胞因子 激素和神經(jīng)遞質(zhì)等利用細(xì)胞表面受體和細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成的 一 基因表達(dá)調(diào)節(jié)障礙2 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)障礙 68 細(xì)胞生長(zhǎng)因子 細(xì)胞表面生長(zhǎng)因子受體磷酸化 RAS 連續(xù)的激酶磷酸化 轉(zhuǎn)錄因子 調(diào)控影響細(xì)胞周期進(jìn)展和決定細(xì)胞結(jié)局的基因 69 毒物引起細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)異常的途徑改變蛋白質(zhì)的磷酸化 干擾G蛋白 如Ras蛋白 的GTP酶活性 破壞正常的蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)交互作用建立異常的交互作用 改變信號(hào)蛋白的合成與降解 70 I B抑制性結(jié)合蛋白降解 促使NF B進(jìn)入細(xì)胞核 MAPK PI3K AKT途徑激活 蛋白表達(dá)上調(diào)炎癥維持存活 抗凋亡 過(guò)量活性氧 71 一 基因表達(dá)調(diào)節(jié)障礙3 細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)產(chǎn)生的調(diào)節(jié)障礙 72 二 細(xì)胞瞬息活動(dòng)的調(diào)節(jié)障礙1 電可興奮細(xì)胞的調(diào)節(jié)障礙 運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元電壓門(mén)控的Na 通道 中樞神經(jīng)系統(tǒng)GABA受體 73 2 其他細(xì)胞活動(dòng)的調(diào)節(jié)障礙信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制也在非可興奮細(xì)胞中起作用 但這些細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程的失調(diào)通常不產(chǎn)生嚴(yán)重的后果 大鼠肝細(xì)胞表達(dá) 1 腎上腺素能受體 受體激活引起葡萄糖水解和谷胱甘肽輸出增加 可能對(duì)細(xì)胞有一定毒理學(xué)意義 74 三 細(xì)胞穩(wěn)態(tài)失調(diào)細(xì)胞穩(wěn)態(tài) cellularhomeostasis 指在神經(jīng) 內(nèi)分泌和免疫系統(tǒng)共同調(diào)節(jié)下 細(xì)胞內(nèi)各種成分和生理功能保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài) 細(xì)胞穩(wěn)態(tài)是細(xì)胞存活和正常代謝所必須的 生物膜的完整性是維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵 細(xì)胞穩(wěn)態(tài)失調(diào) 機(jī)體生理性衰老狀態(tài)下 細(xì)胞穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)異常 導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)障礙和代謝功能喪失 甚至誘發(fā)細(xì)胞死亡 75 一 細(xì)胞穩(wěn)態(tài)失調(diào)的機(jī)制外源性化合物通過(guò)啟動(dòng)三種關(guān)鍵性生化代謝紊亂引起細(xì)胞穩(wěn)態(tài)失調(diào) 1 ATP耗竭 2 細(xì)胞內(nèi)Ca2 持續(xù)升高 3 ROS和RNS的過(guò)度產(chǎn)生 76 1 ATP耗竭 78 氧化磷酸化過(guò)程及外源化合物干擾物 氫以NADH形式傳遞給初始電子轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合物氧傳遞給終末電子轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合物ADP和無(wú)機(jī)磷轉(zhuǎn)運(yùn)給ATP合酶電子沿電子傳遞鏈流向氧 伴有質(zhì)子從基質(zhì)腔膜逐出 質(zhì)子返回基質(zhì)腔驅(qū)動(dòng)ATP合酶 79 外源化合物干擾氧化磷酸化 80 2 細(xì)胞內(nèi)Ca2 持續(xù)升高 81 毒物促進(jìn)Ca2 向細(xì)胞質(zhì)內(nèi)流或抑制細(xì)胞質(zhì)之內(nèi)Ca2 外流 而引起胞漿Ca2 水平升高 毒物可誘導(dǎo)Ca2 從線粒體或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)漏出而增加胞漿Ca2 也可通過(guò)抑制Ca2 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或耗竭其驅(qū)動(dòng)力而較少Ca2 外流 2 細(xì)胞內(nèi)Ca2 持續(xù)升高 82 3 ROS和RNS過(guò)度產(chǎn)生 83 三 細(xì)胞穩(wěn)態(tài)失調(diào) 二 細(xì)胞穩(wěn)態(tài)失調(diào)各要素的相互關(guān)系A(chǔ)TP儲(chǔ)存耗竭胞漿Ca2 升高 細(xì)胞內(nèi)高Ca2 ROS和RNS ROS與RNS巰基依賴(lài)的Ca2 泵發(fā)生氧化性失活加劇了高鈣 ROS與RNS也能消耗ATP儲(chǔ)備 過(guò)氧亞硝酸鹽陰離子ONOO 能誘發(fā)DNA單鏈斷裂 導(dǎo)致聚 ADP 核糖 合酶 PARP 激活 消耗ATP 最終引起壞死或凋亡的初級(jí)代謝紊亂 ATP耗竭 細(xì)胞內(nèi)高鈣含量和ROS RNS過(guò)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 m 線粒體膜電位 85 三 細(xì)胞穩(wěn)態(tài)失調(diào) 三 細(xì)胞穩(wěn)態(tài)失調(diào)的后果致死前時(shí)相 prelethalphase 可發(fā)生凋亡 apoptosis 脹亡 oncosis 和自噬 autophagy 改變 壞死時(shí)相壞死是指細(xì)胞死亡時(shí)發(fā)生的一系列變化 包括 腫脹性壞死 凋亡性壞死和自噬性壞死 86 87 三 細(xì)胞穩(wěn)態(tài)失調(diào)的后果1 壞死 線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的高通透狀態(tài)即所謂的線粒體通透性轉(zhuǎn)變 mitochondrialpermeabilitytransition MPT 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(kāi)放而引起 其開(kāi)放使質(zhì)子自由地內(nèi)流進(jìn)入基質(zhì)間隙 引起 m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(guò)孔流出 涌進(jìn)胞質(zhì) 88 三 細(xì)胞穩(wěn)態(tài)失調(diào)的后果2 凋亡 決定細(xì)胞凋亡的線粒體事件 MPT和Cytc釋放細(xì)胞色素c Cytc 從線粒體進(jìn)入胞漿 可導(dǎo)致 線粒體ATP合成受阻 增加O2 形成 導(dǎo)致細(xì)胞死亡 激活胱天蛋白酶 Caspases 啟動(dòng)細(xì)胞凋亡 89 細(xì)胞凋亡途徑 線粒體途徑和死亡受體途徑 信號(hào)型Caspase效應(yīng)型Caspase Fas 90 受損細(xì)胞命運(yùn)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 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利用度是決定細(xì)胞死亡形式的關(guān)鍵 發(fā)生MPT的線粒體數(shù)量影響到細(xì)胞ATP耗竭的嚴(yán)重性和細(xì)胞結(jié)局 存活 線粒體自體吞噬凋亡 天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶激活壞死 ATP耗竭 91 有些毒物通過(guò)其他機(jī)制引起細(xì)胞死亡 1 直接損傷細(xì)胞膜 2 損傷溶酶體膜 3 破壞細(xì)胞骨架 4 引起微絲和其他細(xì)胞蛋白超磷酸化 5 抑制細(xì)胞蛋白質(zhì)合成 92 三 細(xì)胞穩(wěn)態(tài)失調(diào)的后果3 細(xì)胞程序性壞死 細(xì)胞壞死也是可調(diào)控的程序性細(xì)胞壞死 稱(chēng)為細(xì)胞程序性壞死 programmednecrosis 或壞死性凋亡 necroptosis 細(xì)胞膜破裂 細(xì)胞器腫脹 細(xì)胞質(zhì)形成透明樣結(jié)構(gòu)等壞死樣形態(tài)特征 缺血再灌注損傷 物理和化學(xué)因素誘導(dǎo)的機(jī)體損傷 機(jī)體感染 神經(jīng)退行性病變等伴有程序性死亡發(fā)生 化學(xué)藥物和細(xì)胞因子 如TNF FasL TRAIL 均可誘導(dǎo) 93 三 細(xì)胞穩(wěn)態(tài)失調(diào)的后果3 細(xì)胞程序性壞死 受體相互作用蛋白1和3 RIPK1和RIPK3 是程序性壞死的關(guān)鍵信號(hào)分子 RIPK1 RIPK3形成的壞死復(fù)合體成為細(xì)胞程序性死亡起始階段的調(diào)控核心 執(zhí)行階段 涉及因素包括細(xì)胞內(nèi)ROS水平升高 Ca2 濃度升高 能量耗竭和組織蛋白酶激活 94 第四節(jié)修復(fù)障礙 95 96 一 損傷修復(fù)機(jī)制 一 分子修復(fù)1 蛋白質(zhì)修復(fù)巰基被氧化使許多蛋白質(zhì)功能受損 被氧化的蛋白巰基可通過(guò)酶促還原而逆轉(zhuǎn) a氧化的巰基 酶促還原使其逆轉(zhuǎn)內(nèi)源性還原劑硫氧還蛋白 谷氧還蛋白b受損蛋白 通過(guò)水解清除 97 2 脂質(zhì)修復(fù)過(guò)氧化的脂質(zhì)通過(guò)一系列還原劑以及谷胱甘肽過(guò)氧化物酶和還原酶共同協(xié)調(diào)運(yùn)作的復(fù)雜過(guò)程來(lái)修復(fù) 含有脂肪酸氫過(guò)氧化物的磷酯首先為磷酯酶A2所水解 過(guò)氧化的脂肪酸為正常脂肪酸所取代 同時(shí) 需要NADPH來(lái)修復(fù)在該過(guò)程中被氧化的還原劑 98 3 DNA修復(fù)直接修復(fù)切除修復(fù)堿基的切除修復(fù) BER 核苷酸切除修復(fù) NER 錯(cuò)配修復(fù) MMR DNA雙鏈斷裂的修復(fù) 同源重組修復(fù) HRR 和同源末端連接 NHEJ 99 二 細(xì)胞修復(fù)大多數(shù)組織 細(xì)胞受化學(xué)物傷害后死亡 而存活的細(xì)胞靠分裂來(lái)取代死亡的細(xì)胞 神經(jīng)細(xì)胞成熟的神經(jīng)細(xì)胞沒(méi)有繁殖能力 因此當(dāng)其軸索損傷時(shí) 其修復(fù)主要靠巨噬細(xì)胞和施旺細(xì)胞 schwanncells 來(lái)完成 100 三 組織修復(fù)1 細(xì)胞凋亡 受損細(xì)胞的主動(dòng)清除2 細(xì)胞增殖 細(xì)胞和細(xì)胞外的間質(zhì)的再生 還涉及新元件的重新整合連接 細(xì)胞分裂 分裂周期的啟動(dòng)受多種基因的調(diào)控 再生 細(xì)胞移動(dòng) 3 細(xì)胞外基質(zhì)的替代 101 二 修復(fù)障礙及其引起的毒作用 一 修復(fù)障礙修復(fù)的局限性 某些損傷的修復(fù)可能被遺漏 損傷程度超過(guò)機(jī)體修復(fù)能力時(shí) 修復(fù)失效 修復(fù)所必需的酶或輔因子被消耗時(shí) 修復(fù)能力耗竭 某些毒性損害不能被有效地修復(fù) 如毒物與蛋白質(zhì)的共價(jià)結(jié)合 102 修復(fù)過(guò)程本身也可引起毒性 因DNA損傷修復(fù)過(guò)程消耗過(guò)量NAD 機(jī)體抗氧化過(guò)程消耗過(guò)量NAD P H均可危及氧化磷酸化過(guò)程 導(dǎo)致或加劇ATP耗竭 從而引發(fā)細(xì)胞損害 DNA的剪切修復(fù)和脂質(zhì)的再?；饔靡惨?yàn)橄拇罅康腁TP而導(dǎo)致細(xì)胞供能障礙和損傷 慢性組織損傷后 當(dāng)修復(fù)過(guò)程偏離正確軌道 導(dǎo)致不可控制的增生形成腫瘤 細(xì)胞外間質(zhì)的過(guò)度產(chǎn)生則導(dǎo)致組織纖維化 103 二 修復(fù)障礙引起的毒性炎癥 1 細(xì)胞與炎癥 微循環(huán)改變和炎性細(xì)胞聚集 2 活性氧和活性氮 聚集細(xì)胞釋放自由基和水解酶 損害鄰近組織 2 壞死 1 凋亡和增殖 可終止壞死 2 損傷程度超過(guò)機(jī)體修復(fù)能力 即壞死 104 二 修復(fù)障礙引起的毒性3 纖維化 1 組織修復(fù)不良 2 細(xì)胞增生和細(xì)胞外基質(zhì)形成增多 致癌作用 1 DNA修復(fù)失效 原癌基因活化和抑癌基因失活 2 細(xì)胞凋亡失效 凋亡抑制劑 3 終止細(xì)胞增生失效 有絲分裂增加 原癌基因表達(dá)高 4 非遺傳毒性致癌物 有絲分裂促進(jìn)劑和凋亡抑制劑 105 第五節(jié)毒物毒作用的表觀遺傳機(jī)制 106 一 表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制表觀遺傳學(xué) 研究不涉及DNA序列改變的基因表達(dá)和調(diào)控的可遺傳變化的 或者說(shuō)是研究從基因演繹為表型的過(guò)程和機(jī)制的一門(mén)遺傳學(xué)分支 表觀遺傳就是不基于DNA差異的核酸遺傳 即細(xì)胞分裂過(guò)程中 DNA序列不變的前提下 全基因組的基因表達(dá)調(diào)控所決定的表型遺傳 涉及染色質(zhì)重塑 整體的基因表達(dá)調(diào)控 如DNA甲基化 組蛋白修飾等功能等 107 表觀遺傳學(xué)的研究?jī)?nèi)容 基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控基因組中非編碼RNA微小RNA miRNA 反義RNA內(nèi)含子 核糖開(kāi)關(guān)等 基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控DNA甲基化基因印記組蛋白共價(jià)修飾染色質(zhì)重塑 107 108 DNA甲基化 DNAmethylation 主要是基因組DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基間的共價(jià)結(jié)合 胞嘧啶由此被修飾為5甲基胞嘧啶 5 methylcytosine 5mC 胞嘧啶甲基化反應(yīng) S 腺苷甲硫氨酸 一 DNA甲基化 哺乳動(dòng)物基因組中5mC占胞嘧啶總量的2 7 約70 的5mC存在于CpG二連核苷 在結(jié)構(gòu)基因的5 端調(diào)控區(qū)域 CpG二連核苷常常以成簇串聯(lián)形式排列 這種富含CpG二連核苷的區(qū)域稱(chēng)為CpG島 CpGislands 其大小為500 1000bp 約56 的編碼基因含該結(jié)構(gòu) 基因調(diào)控元件 如啟動(dòng)子 所含CpG島中的5mC會(huì)阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體與DNA的結(jié)合 DNA甲基化一般與基因沉默相關(guān)聯(lián) 一 DNA甲基化 109 以基因型為a a的母鼠及其孕育的基因型為AVY a的仔鼠作實(shí)驗(yàn)對(duì)象 孕鼠分為兩組 試驗(yàn)組孕鼠除喂以標(biāo)準(zhǔn)飼料外 從受孕前兩周起還增加富含甲基的葉酸 乙酰膽堿等補(bǔ)充飼料 而對(duì)照組孕鼠只喂飼標(biāo)準(zhǔn)飼料 結(jié)果實(shí)驗(yàn)組孕鼠產(chǎn)下的仔鼠大多數(shù)在身體的不同部位出現(xiàn)了大小不等的棕色斑塊 甚至出現(xiàn)了以棕褐色為主要毛色的小鼠 而對(duì)照組孕鼠的仔鼠大多數(shù)為黃色 分析表明喂以富甲基飼料的孕鼠所產(chǎn)仔鼠的IAP所含CpG島的甲基化平均水平遠(yuǎn)高于對(duì)照組 轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)的高甲基化使原該呈異位表達(dá)的基因趨于沉默 毛色也趨于棕褐色 111 二 組蛋白修飾 組蛋白與DNA組裝成核小體 是蛋白質(zhì)中最保守的 112 組蛋白修飾是表觀遺傳研究的重要內(nèi)容 組蛋白的N端是不穩(wěn)定的 無(wú)一定組織的亞單位 其延伸至核小體以外 會(huì)受到不同的化學(xué)修飾 這種修飾往往與基因的表達(dá)調(diào)控密切相關(guān) 被組蛋白覆蓋的基因如果要表達(dá) 首先要改變組蛋白的修飾狀態(tài) 使其與DNA的結(jié)合由緊變松 這樣靶基因才能與轉(zhuǎn)錄復(fù)合物相互作用 因此 組蛋白是重要的染色體結(jié)構(gòu)維持單元和基因表達(dá)的負(fù)控制因子 112 113 組蛋白修飾種類(lèi)