毒理學(xué)基礎(chǔ)-第四章-毒物作用機(jī)制課件

毒理學(xué)基礎(chǔ)第四章毒物作用機(jī)制第四章毒作用機(jī)制

毒作用機(jī)制研究的內(nèi)容◆毒物如何進(jìn)入機(jī)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(jī)體有害作用的反應(yīng)如何第四章毒作用機(jī)制毒物在體內(nèi)的可能毒性過(guò)程

毒物的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)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(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（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(guò)程。原因及結(jié)果：◆增毒過(guò)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(jī)體的變化?！敉ㄟ^(guò)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(gè)缺電子原子(帶部分或全部正電荷)的分子，它能通過(guò)與親核物中的富電子原子共享電子對(duì)而發(fā)生反應(yīng)。親電物的形成通過(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

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?；D(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(xì)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(dú)立游離存在的帶有不成對(duì)電子的分子、原子或離子。是由于化合物的共價(jià)健發(fā)生均裂而產(chǎn)生。自由基特點(diǎn)：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(jì)）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(jī)理研究

（一）自由基的類型見下頁(yè)表。

活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS）是一個(gè)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(guò)氧化物、氫過(guò)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(tuán)。

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(guò)氧化氫(H2O2)4．羥基自由基(

OH)5．臭氧(O3)6．氮的氧化物[NO、NO2、過(guò)氧亞硝基(ONOO

)]7．次氯酸(HOCl)（二）自由基的來(lái)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(xì)胞的吞噬過(guò)程及“呼吸爆發(fā)”(respiratoryburst)5）過(guò)氧化酶體6）線粒體電子傳遞過(guò)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(guò)程的最終階段，因?yàn)镺2·－能產(chǎn)生反應(yīng)性更強(qiáng)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(jī)制。如苦杏仁經(jīng)腸道細(xì)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(wú)功能基團(tuán)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(tuán)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(yè)）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(guò)氧化氫酶（CAT）對(duì)超氧陰離子自由基（O2·－）的解毒作用

六、解毒過(guò)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(guò)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(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?；钚源x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)

二、反應(yīng)的類型（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。例子：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；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(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?）親核毒物

30胺類和肼類與醛吡哆醛（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

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(tuán)去氫，轉(zhuǎn)變?yōu)轸驶衔?，并進(jìn)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(dòng)脂質(zhì)過(guò)氧化

由羥基自由基（HO·）啟動(dòng)的脂質(zhì)過(guò)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(guò)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(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。三、毒物對(duì)靶分子的影響1.靶分子功能失調(diào)對(duì)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(duì)NDA靶：干擾DNA的模板功能，化學(xué)物與DNA共價(jià)結(jié)合引起復(fù)制期間核苷酸錯(cuò)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(xì)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(xì)胞通過(guò)程序執(zhí)行其調(diào)節(jié)功能某些程序決定細(xì)胞的命運(yùn)：增殖、分化或凋亡；某些程序控制已分化細(xì)胞的瞬息活動(dòng)[ongoing（momentory）activity]:細(xì)胞分泌物質(zhì)的數(shù)量、收縮或舒張、轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的速率;

細(xì)胞的維持功能細(xì)胞裝備有合成、代謝、動(dòng)力、轉(zhuǎn)運(yùn)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(xì)胞膜和細(xì)胞器，以維持其自身的完整性(內(nèi)部功能)和支持其他細(xì)胞(外部功能)。

第三節(jié)細(xì)胞功能障礙與毒性

毒性發(fā)展的第三階段：細(xì)胞調(diào)節(jié)或維持功能的改變

一、毒物引起細(xì)胞調(diào)節(jié)功能障礙細(xì)胞受信號(hào)分子所調(diào)節(jié)，它激活與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)所聯(lián)系的細(xì)胞受體，而信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)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(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，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)日?；顒?dòng)的程序主要影響功能蛋白的活性。

（一）基因表達(dá)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(hào)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(guò)結(jié)合與激活而影響基因的表達(dá)化學(xué)物模擬天然配體

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

2.信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)障礙細(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。毒物引起細(xì)胞信號(hào)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(hào)蛋白的合成與降解。具有增殖效應(yīng)的化學(xué)物對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的影響此類化學(xué)物使信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白磷酸化，促進(jìn)有絲分裂和腫瘤形成?；瘜W(xué)物改變了抗增生效應(yīng)信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)。

（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1）神經(jīng)遞質(zhì)水平的改變：毒物通過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白交互作用4）毒物-信號(hào)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(xì)胞的活動(dòng)，這些細(xì)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(xì)胞活動(dòng)的調(diào)節(jié)障礙很多信號(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)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(duì)細(xì)胞有一定毒理學(xué)意義。

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

二、毒物引起細(xì)胞維持功能的改變(一)細(xì)胞內(nèi)部維持自身功能的損害－－中毒性細(xì)胞死亡的機(jī)制1.危害細(xì)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(xì)胞漿中消除的四種機(jī)制：Ca2＋－ATP酶介導(dǎo)的Ca2＋泵入（1）細(xì)胞外空間以及（2）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）；離子梯度驅(qū)動(dòng)Ca2＋轉(zhuǎn)運(yùn)到（3）細(xì)胞外空間（通過(guò)Ca2＋/Na＋交換體）（4）線粒體（M；通過(guò)Ca2＋單向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）2.原發(fā)性代謝紊亂之間的相互影響導(dǎo)致的細(xì)胞紊亂細(xì)胞ATP儲(chǔ)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(xì)胞內(nèi)高鈣促進(jìn)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(guò)來(lái)又加劇了高鈣。ROS與RNS也能消耗ATP儲(chǔ)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(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；△ψm＝線粒體膜電位3.線粒體損傷在細(xì)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(duì)<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(jìn)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(guò)孔流出，涌進(jìn)胞質(zhì)。

細(xì)胞色素c（Cytc）進(jìn)入胞漿Cytc釋放的意義至少包括兩個(gè)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(xì)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(dòng)細(xì)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(dòng)的凋亡途徑4.ATP的利用度決定細(xì)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(xì)胞死亡形式的關(guān)鍵

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（二）細(xì)胞外部維持的損害毒物干擾那些給其他細(xì)胞組織或整個(gè)機(jī)體專門提供支持的細(xì)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(jī)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(gè)氧化還原活性半胱氨酸上述被氧化的蛋白質(zhì)通過(guò)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(lái)自細(xì)胞色素b5的電子轉(zhuǎn)移來(lái)修復(fù)，然后通過(guò)NADH依賴的細(xì)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(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)（圖23）。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。過(guò)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)(