毒理學基礎(chǔ)：第四章 毒作用機制

1、第四章 毒作用機制Mechanism of Toxicity,2,【目的要求】,掌握毒物主要毒性機制 終毒物的形成與種類 終毒物與靶分子的反應(yīng) 細胞功能障礙與毒性 熟悉毒物的增毒 (toxication) 現(xiàn)象,3,【內(nèi)容】,外源化學物增毒現(xiàn)象，終毒物類型（親電物、親核物、自由基） 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、毒物對靶分子的影響 毒物引起的細胞調(diào)節(jié)功能障礙：基因表達調(diào)節(jié)障礙、細胞瞬息活動調(diào)節(jié)障礙 毒物引起的細胞維持功能改變：內(nèi)、外,4,研究毒性機制應(yīng)明確以下四點,毒性效應(yīng)是由毒物引起正常細胞發(fā)生生理和生化改變的結(jié)果 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)

2、 靶組織和靶器官具有代償能力，可發(fā)揮解毒功能 超常 毒效應(yīng)包括一般毒性效應(yīng)和特殊毒性效應(yīng),5,毒性機制涉及多個層次和步驟,毒物被轉(zhuǎn)運 一個或多個靶部位 毒物或代謝產(chǎn)物與內(nèi)源性靶分子相互作用 細胞結(jié)構(gòu)與功能紊亂 啟動細胞或分子水平修復(fù) 產(chǎn)生毒性效應(yīng) 毒物引起的損傷超過修復(fù)能力或修復(fù)本身障礙時 靶分子結(jié)構(gòu)改變 功能紊亂,6,大部分疾病都是環(huán)境與機體交互作用的結(jié)果,機體因素,環(huán)境因素,7,毒性產(chǎn)生的可能途徑,I,II,III,8,機制毒理學 Mechanistic Tox.,主要研究 毒物對機體毒性作用的生化、細胞和分子機制 目的是為 建立敏感、特異的預(yù)測試驗 安全性評價與管理 更安全的化學物（或藥

3、物）的設(shè)計與生產(chǎn) 以及疾病的診斷和治療 提供科學依據(jù),9,機制毒理學研究的意義,主要應(yīng)用應(yīng)用毒理學(Applied Toxicology) 證實動物中所觀察到的損害作用與人類的相關(guān)性 cancer、birth defects 驗證在實驗動物中有毒而可能與人類無關(guān)的毒物 Organophosphate insecticide inhibition of acetylcholinesterase Saccharin (糖精) cause bladder caner in rats 設(shè)計生產(chǎn)較為安全的化學物、合理治療中毒和臨床疾病 Thalidomide (反應(yīng)停) 進一步加深對基礎(chǔ)學科的了解 秋水

4、仙素,10,第一節(jié) 毒物的ADME過程與靶器官 Section 1 ADME Process of Toxicant and Its Target Organ,11,【內(nèi)容】,從吸收部位進入血液循環(huán) 從血液循環(huán)進入靶部位 增毒與解毒,12,毒性發(fā)展的第一階段,從接觸部位到靶部位的過程每個環(huán)節(jié)都可能影響毒效應(yīng) 毒效應(yīng)主要取決于終毒物在其靶部位的 濃度 作用時間 觸毒部位到靶部位 吸收 vs 進入血液循環(huán)前清除 到達靶部位 vs 由靶部位向外分布 重吸收 vs 排泄 增毒 vs 解毒,13,增毒與終毒物,增毒 (toxication) 亦即代謝活化 (metabolic activation) 毒

5、物經(jīng)生物轉(zhuǎn)化使其毒性增強 Toxication vs Intoxication! 終毒物 (ultimate toxicant) 是指能與內(nèi)源靶分子反應(yīng) 如受體、酶、DNA等 或嚴重地改變生物學（微） 環(huán)境 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和/或功能改變 而表現(xiàn)出毒性的物質(zhì),14,增毒過程,主要是使外源化學物轉(zhuǎn)變?yōu)楦呋瘜W反應(yīng)活性的 親電物 (electrophiles) 親核物 (nucleophiles) 自由基 (free radicals) 氧化還原性反應(yīng)物 (redox-active reactants),15,親電物(electrophiles),常是毒物經(jīng)Cyp450或其它酶促氧化成酮、環(huán)氧化物、不飽和

6、酮和醛、醌和酰鹵化物等物質(zhì)而產(chǎn)生 陽性親電物常由化學鍵斷裂而形成 親電物類型 含不飽和共價鍵的原子、離子和分子 是一類含缺電子原子的分子 它們可與有富含電子的物質(zhì)共享電子,16,是較少見的一種毒物活化機制 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,親核物,17,自由基,自由基 (free radicals) 游離存在，帶有不成對電子的分子/原子/離子 自由基的形成 (formation of free radicals) 通過接受或失去一個電子，或由化合物的共價鍵發(fā)生均裂而形成 特點 化學性質(zhì)十分活潑 反應(yīng)性極高，半減期極短

7、，作用半徑短 具有順磁性 D or L is important in biology/biological activity,18,19,自由基的類型,一類含氧功能基團的化學性質(zhì)活潑物質(zhì)，也常稱作 活性氧 (reactive oxygen species, ROS) 包括 單線態(tài)氧 超氧陰離子自由基(O2.) 羥基自由基(.OH) 過氧化氫(H2O2) 臭氧(O3) 氮氧化物(NOx) 次氯酸(HOCl),20,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)（酶）催化的反應(yīng) dopamine-b-hydroxylase D-amino acid oxidase fatty acy

8、l CoA oxidase xanthine oxidase,自由基的來源（ 1）,21,膜酶活性 lipoxygenase cycloxygenase 細胞吞噬過程及呼吸爆發(fā) (respiratory burst) 過氧化酶體 線粒體電子傳遞過程 微粒體電子傳遞系統(tǒng),自由基的來源（2）,22,氧化還原活性還原劑的形成,23,最活潑的代謝物是缺電子的分子或分子片段，如親電子物、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),增毒過程小結(jié),24,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，解毒可能與中毒競爭同一化學物,解毒 (detoxication),25,

9、根據(jù)毒物化學性質(zhì) 無功能基團毒物的解毒 親核物的解毒 親電物的解毒 自由基解毒 蛋白質(zhì)毒素解毒,解毒途徑分類,26,無功能基團化學物（如：苯和甲苯）的解毒 Detoxification of toxicants with no reactive moieties 機體內(nèi)的功能基團（羥基和羧基） CYP450等， 或內(nèi)源性酸如葡萄糖醛酸、硫酸或氨基酸 以及轉(zhuǎn)移酶 成為含功能基團產(chǎn)物 高度親水的、較不活潑的有機酸排出體外,無功能基團毒物的解毒,27,一般通過在親核功能基團上的結(jié)合反應(yīng) 成為高度親水的、較不活潑的分子而排出體外來解毒 如羥基毒物 通過硫酸化作用 葡萄糖醛酸化作用 羧基化,親核物的解毒

10、,28,一般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)同進行 金屬離子多與谷胱甘肽反應(yīng)而解毒，如： Ag2+ (silver) Cd2+ (cadmium) Hg2+ (mercury) CH3Hg (methyl mercury, commonly called as organic mercury),親電物的解毒,29,.OH 沒有任何一種酶能排除 唯一有效的抗 .OH方法是防止其產(chǎn)生 O2-. 通過兩步反應(yīng)防止其產(chǎn)生 先將O2-. 轉(zhuǎn)化成HOOH 再將HOOH轉(zhuǎn)化成水,自由基解毒,30,細胞內(nèi)/外的蛋白酶參與使有毒多肽失活,蛋白質(zhì)毒素解毒,31

11、,原因后果 使解毒酶失活（偶爾可見）中毒、終毒物蓄積 某些結(jié)合反應(yīng)可被逆轉(zhuǎn)中毒、終毒物蓄積 有時解毒過程產(chǎn)生潛在的 有害副產(chǎn)物中毒、終毒物蓄積,解毒過程失效,32,第二節(jié) 終毒物與靶分子的反應(yīng) Section 2 Reaction of ultimate toxicant with its target molecule,33,【內(nèi)容】,34,理論上所有內(nèi)源性物都是毒物的潛在靶標 主要有 機體大分子 如核酸，特別是DNA 蛋白質(zhì) 膜脂質(zhì) 其他成分 并不是所有的毒物與靶標的反應(yīng)都有害 ?,靶分子的屬性 (attribute),35,具體是看終毒物 與靶標反應(yīng)，并對其功能產(chǎn)生不良影響 在靶部位達到

12、有效濃度 在某種機制上，以所觀察的毒性相關(guān)的方式改變靶標,確定毒作用靶分子的標準,36,非共價結(jié)合 (noncovalent binding) 共價結(jié)合 (covalent binding) 去氫反應(yīng) (dehydrogenation, hydrogen abstraction) 電子轉(zhuǎn)移 (electron transfer) 酶促反應(yīng) (enzymatic reaction),終毒物與靶標反應(yīng)的類型,37,通過非極性交互作用或形成氫鍵與離子鍵 如毒物與膜受體、細胞內(nèi)受體、離子通道 某些酶等與靶分子的交互作用 特點 互補結(jié)合 通常是可逆的,非共價結(jié)合,38,共價結(jié)合一般是不可逆的，能永久性改

13、變內(nèi)源性分子結(jié)構(gòu) 故共價結(jié)合具有重要的毒理學意義 親電毒物與親核生物大分子 如：蛋白質(zhì)和核酸的反應(yīng) 親電原子對親核原子具有選擇性，這主要取決于其負載與半徑的比例 軟（次）親電物較易與軟（次）親核物反應(yīng) 硬（強）親電物較易與硬（強）親核物反應(yīng),共價結(jié)合,39,是指終毒物與內(nèi)源性分子反應(yīng)，引起靶分子的功能失調(diào)和結(jié)構(gòu)破壞 表現(xiàn)為 靶分子功能失調(diào) 靶分子結(jié)構(gòu)的破壞 新抗原形成 化學物引起的生物學微環(huán)境改變 而產(chǎn)生毒性,毒物對靶分子的影響,40,常見的是毒物抑制靶分子功能 作用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位（其活性基團） 有干擾DNA的模板功能 也有毒物能模擬內(nèi)源配體而激活蛋白質(zhì)的靶分子 AhR 阻斷神經(jīng)遞質(zhì)的

14、傳遞 阻斷離子的轉(zhuǎn)運而抑制線粒體電子傳送鏈的功能,靶分子功能失調(diào),41,形成DNA加合物 (adduct) 也可是改變內(nèi)源分子的主體結(jié)構(gòu) 通過交聯(lián)導(dǎo)致分子斷裂等，如 脂質(zhì)過氧化分解作用 蛋白質(zhì)降解作用 DNA斷裂作用,靶分子結(jié)構(gòu)的破壞,42,變異的蛋白可能會促發(fā)免疫反應(yīng),新抗原形成,43,能改變生物水相中H+離子濃度的化學物 使細胞膜脂質(zhì)相發(fā)生物理化學改變 通過占據(jù)位置或空間引起危害,引起的生物學微環(huán)境改變,44,第三節(jié) 細胞功能障礙與毒性 Section 3 Cellular dysfunction and toxicity,45,【內(nèi)容】,細胞調(diào)節(jié)功能障礙 細胞維持功能障礙,46,機體協(xié)調(diào)

15、細胞的各種活動，是通過每個細胞執(zhí)行其各自的指令或程序而實現(xiàn)的 長期程序決定細胞的歸宿 即細胞是否進入分裂、分化或死亡 短期程序控制各種已分化細胞的活動，決定細胞 是否分泌各種物質(zhì)、轉(zhuǎn)移或代謝營養(yǎng)物質(zhì)等 由信號分子來調(diào)節(jié)和控制 激活其細胞受體 通過信號傳達的網(wǎng)絡(luò)將信號傳送至基因的調(diào)節(jié)部位或功能蛋白 特性 對每個信號分子來說多有多種調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)功能系統(tǒng),細胞的正常生理功能,47,受體激活激發(fā)的信號傳導(dǎo)示意圖,48,任何能夠直接或間接干擾細胞正常信號傳導(dǎo)和功能調(diào)節(jié)的毒物都能引起細胞調(diào)節(jié)功能障礙(cellular dysregulation) 主要是通過影響受體 激活 抑制,毒物引起的細胞調(diào)節(jié)功能障礙,4

16、9,改變特異靶基因的表達，使特定蛋白的功能 增加或減少 調(diào)節(jié)磷酸化/去磷酸化 (phospharylation and dephospharylation)，從而激活或抑制蛋白質(zhì)的功能 p53 etc. 控制細胞歸宿的程序主要影響基因表達 調(diào)節(jié)細胞活動的程序主要影響蛋白質(zhì)功能,受體激活,50,蛋白激酶磷酸化,磷酸水解酶去磷酸化,51,可發(fā)生在？ 與轉(zhuǎn)錄直接有關(guān)的部位 在信號傳導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)部位 或者在其信號分子的合成、儲存和釋放的過程中,基因表達調(diào)節(jié)障礙,52,轉(zhuǎn)錄 遺傳信息從DNA轉(zhuǎn)錄到mRNA的過程 調(diào)控 主要是由轉(zhuǎn)錄因子與基因的啟動部位相互作用 毒物可作用于轉(zhuǎn)錄因子、基因啟動部位或其他啟動復(fù)合

17、體部位 配體激活 啟動子甲基化 信號激活,轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)障礙,53,激活轉(zhuǎn)錄因子 (Transcription Factor) 如： 細胞激動素 (cytokine) 激素 (hormone) 生長因子 (growth factor) 等 磷酸化反應(yīng)是 常見的激活轉(zhuǎn)錄因子及啟動基因轉(zhuǎn)錄的機制 絕大多數(shù)影響信號傳遞至轉(zhuǎn)錄因子，包括蛋白質(zhì)磷酸化或去磷酸化的反應(yīng)，都會改變由轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)的基因表達,信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)障礙,54,作用于膜受體的信號分子通過受體構(gòu)象改變激活 細胞內(nèi)第二信使 調(diào)節(jié)Ca2+進入細胞質(zhì) 增加cGDP濃度，等 毒物可通過破壞信號的傳遞過程而損害細胞的活動,細胞瞬息活動的調(diào)節(jié)障礙,55,多細胞

18、生物體的細胞必須維持自身結(jié)構(gòu)和功能的完整性，并支持其他細胞 細胞維持功能改變(alteration of cellular maintenance by toxicants) 如果毒物能影響/破壞這些功能，則產(chǎn)生毒效,毒物引起細胞維持功能改變,56,第四節(jié) 修復(fù)障礙 Section 4 Repair dysfunction,57,【內(nèi)容】,修復(fù)機制 修復(fù)障礙導(dǎo)致的毒作用,58,分子修復(fù) 蛋白質(zhì)修復(fù) 脂質(zhì)修復(fù) 核酸修復(fù) 細胞修復(fù) 神經(jīng)元細胞：巨噬細胞吞噬激活Schwann Cell 組織修復(fù) 細胞凋亡 細胞分裂、增殖 細胞外基質(zhì)替代,損傷修復(fù)機制 Mechanisms of Damage Repair,59,壞死 (necrosis) 炎癥 (inflammation) 纖維化 (fibrosis) 致癌作用 (carcinogenesis),修復(fù)障礙導(dǎo)致的毒作用 Toxicity due to Damage Repair Dysfunction,60,細胞壞死出現(xiàn) 主要是因為細胞凋亡 (programmed cell death)失效！ 損傷的細胞啟動“計劃性”死亡的現(xiàn)象 分子修復(fù)失效 一種保護性“措施” 進而導(dǎo)致炎癥 細胞壞死的修復(fù) 周圍細胞的增生（阻止發(fā)生組織壞死） 壞死出現(xiàn)的原因