外源化學(xué)物的毒理作用機制

外源化學(xué)物的毒理作用機制第一節(jié)一般毒作用機制第二節(jié)增毒及誘導(dǎo)終毒物形成的過程第三節(jié)終毒物與靶分子結(jié)合的機制第四節(jié)誘發(fā)細胞功能障礙一、生物膜損傷Schematicoftypicalanimalcell.Organelles:(1)nucleolus(2)nucleus(3)ribosome(4)vesicle,(5)roughendoplasmicreticulum(ER),(6)Golgiapparatus,(7)Microtubule,(8)smoothER,(9)mitochondria,(10)vacuole,(11)cytoplasm,(12)lysosome,(13)centrioles第一節(jié)一般毒作用機制

許多環(huán)境因素作用于細胞膜，引起細胞膜結(jié)構(gòu)和功能的改變。膜成分的改變膜脂流動性的改變膜上酶的活性膜通透性的改變四氯化碳導(dǎo)致大鼠肝細胞膜磷脂和膽固醇含量下降DDT、對硫磷引起紅細胞膜脂流動性降低；乙醇引起肝細胞線粒體膜脂流動性增高有機磷化合物與紅細胞膜上的乙酰膽堿酯酶共價結(jié)合主要是膜蛋白的改變，如重金屬與膜蛋白上的巰基、羰基、氨基、磷酸基等的作用1.自由基的產(chǎn)生和特點2.活性氧系統(tǒng)3.自由基與脂質(zhì)過氧化二、化學(xué)物質(zhì)對生物大分子的氧化損傷自由基是具有不成對電子的原子、分子或離子。主要因為化合物的共價鍵的耗能均裂而產(chǎn)生，也可以通過俘獲電子而產(chǎn)生。CH3︰HCH3·+H·CCl4+eCCl3·+Cl-均裂電子俘獲1.自由基的產(chǎn)生和特點一個共價鍵化合物A-B,當(dāng)它受到熱、輻射及超聲波等能量的作用時，共價鍵可能要斷裂，斷裂方式有兩種。1.共價鍵異裂

形成陽離子和陰離子2.共價鍵均裂形成兩個自由基

共價鍵均裂，使均裂的兩部分各帶一個未成對獨電子(自由電子)，這些帶有未成對獨電子的部分稱為自由基。O2+e→O2-·超氧陰離子自由基O2+2e+2H+→H2O2

O2+3e+3H+→H2O+OH.羥自由基O2+4e+4H+→2H2O自由基可以帶正電荷，也可以帶負電荷，也可以不帶任何電荷而成中性。自由基的特性：順磁性，生物化學(xué)反應(yīng)活性高，半衰期極短，一般僅能以μs計?！鷵寠Z其他自由基或非自由基的電子對人體造成的影響:壞的方面:?OH使脂質(zhì)過氧化產(chǎn)生?LOOLH+·OH→·L+H2O·L+O2→·ROO好的方面:?O2-殺死入侵病菌，信號傳導(dǎo)等作用NADPH+2O2→NADP++H++2.O2?有連鎖反應(yīng)，一般可分為引發(fā)(initiation)、增殖(propagation)及終止(termination)三個階段。有未成對電子，自由基和自由原子非常的活潑，通常無法分離得到。不過在許多反應(yīng)中，自由基和自由原子以中間體的形式存在，盡管濃度很低，存留時間很短。習(xí)慣上以“·”表示不成對電子。常見的自由基:1.

?O2-超氧陰離子自由基(superoxide）2.

?OH

羥基自由基(hydroxylradical)3.

?NO一氧化氮(nitricoxide)4.

?LOO脂質(zhì)過氧化自由基自由基—百病之源2.活性氧系統(tǒng)（reactiveoxygenspecies，ROS）

是指由氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生，并在其分子上含有氧的一類化學(xué)性質(zhì)非常活潑物質(zhì)的總稱。含有氧原子的自由基Ex:

·O2-&

·OH經(jīng)化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生自由基的含氧衍生物Ex:H2O2&HOClFe2++H2O2→Fe3++·OH+OH-HOCl+·O2-→O2+Cl-+·OH活性氧系統(tǒng)1.?O2-

超氧陰離子自由基(superoxide）2.H2O2

過氧化氫

(hydrogenperoxide)

(非自由基)

3.?OH

羥基自由基(hydroxylradical)4.1O2

單線態(tài)氧

(Singletoxygen)(1)對多不飽和脂肪酸（PUFA）的攻擊(2)對蛋白質(zhì)分子的攻擊(3)對核酸和其他大分子的影響3.自由基對生物大分子的損害作用（1）脂質(zhì)過氧化損害：由自由基引起的多不飽和脂肪酸的氧化作用對生物膜具有強烈的破壞作用。

自由基的形成與脂質(zhì)過氧化的關(guān)系

①啟動階段：由一些脂鏈側(cè)鏈α亞甲基碳上奪去一個氫的化合物所啟動。OH·是最重要的脂質(zhì)過氧化的誘導(dǎo)物。

LH+·OH→·L+H2O②發(fā)展階段：已形成的自由基將作為啟動子而產(chǎn)生新的自由基，使反應(yīng)發(fā)展下去。在發(fā)展階段中，形成的自由基總數(shù)保持不變，一種自由基團可經(jīng)多種反應(yīng)轉(zhuǎn)變成另一種形式的自由基團。去氫后的碳原子形成中心自由基(L·)。與脂質(zhì)過氧化反應(yīng)關(guān)系最重要的是脂質(zhì)過氧化自由基（LOO·）和脂質(zhì)過氧化物的形成（LOOH）?！+O2→·LOO③終止階段：只有兩個自由基相互作用，才能使自由基反應(yīng)鏈終止，消除自由基。脂質(zhì)過氧化的后果：

①細胞器和細胞膜結(jié)構(gòu)的改變和功能障礙。②脂質(zhì)過氧化物的分解產(chǎn)物具有細胞毒性，其中特別有害的是一些不飽和醛類。③對DNA影響：

一是脂質(zhì)過氧化自由基（LOO·）和烷基自由基（L·）可引起DNA堿基，特別是鳥嘌呤堿基的氧化；

一是脂質(zhì)過氧化物的分解產(chǎn)物，丙二醛可以共價結(jié)合方式導(dǎo)致DNA鏈斷裂和交聯(lián)。④對低密度脂蛋白(LDL)的作用。自由基對生物膜的損傷脂質(zhì)過氧化反應(yīng)及其脂質(zhì)自由基的生成（LOOH、LOO·、LO·）（2）蛋白質(zhì)的氧化損傷①對脂肪族氨基酸氧化損傷最常見的途徑為：在α-位置上將一個氫原子除去，形成C-中心自由基，再加氧其上，生成過氧基衍生物。后者分解成NH3及α-酮酸，或生成NH3、CO2與醛類或羧酸，破壞脂肪族氨基酸的結(jié)構(gòu)。②芳香氨基酸很少出現(xiàn)α-除氫，而多出現(xiàn)羥基衍生物。后者可將苯環(huán)打開或在酪氨酸處交聯(lián)成二聚體。③由過渡金屬介導(dǎo)出現(xiàn)氧化損傷，主要通過Fenton反應(yīng)。其損傷特點為部位特異性。因為，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)只有某個或幾個金屬結(jié)合部位的氨基酸受到影響。④脂質(zhì)過氧化的自由基中間產(chǎn)物作用，如烷氧自由基(LO·)和過氧自由基(LOO·)，可與過氧化脂質(zhì)緊密聯(lián)系的蛋白質(zhì)反應(yīng)。后果氧化的后果是凝集與交聯(lián)，或是蛋白質(zhì)的降解與斷裂，這主要取決于蛋白質(zhì)成分的特征及自由基的種類。（3）核酸的氧化損傷：①堿基損傷

活性氧攻擊DNA的靶位點是腺嘌呤與鳥嘌呤的C8，嘧啶的C5與C6雙鍵。其可能的機制為：氧自由基直接作用于雙鍵部位，使之獲得一個加合基而改變其結(jié)構(gòu)?！H使脫氧核苷脫嘌呤，即自由基可使DNA鏈上出現(xiàn)無嘌呤或無嘧啶部位。·OH可以自動從胸嘧啶的甲基中除去H原子。②DNA鏈斷裂：

·OH對DNA的攻擊，主要針對DNA分子中的核糖部分，可能的位置在DNA分子中核糖的3’和4’碳位上，造成DNA鏈的斷裂。自由基對胸腺嘧啶堿基作用，造成的損害經(jīng)修復(fù)酶切除，可產(chǎn)生類似的單鏈斷裂。氧化應(yīng)激可啟動細胞內(nèi)的一系列代謝過程，激活核酸酶，導(dǎo)致DNA鏈的斷裂。DNA鏈斷裂在基因突變的形成過程中有重要意義。DNA鏈斷裂后，有下列途徑產(chǎn)生突變：DNA鏈斷裂造成部分堿基的缺失；DNA鏈斷裂后，正常的細胞將啟動修復(fù)過程，多種酶可以辨別DNA內(nèi)異常，并通過切割、再合成、重合等途徑使之修復(fù)。如酶也受自由基破壞或功能難以達到修復(fù)的要求，可能造成被修復(fù)的DNA堿基的錯誤摻入和錯誤編碼；可能引起癌基因的活化，或抑癌基因的失活。非共價結(jié)合（nonconvalentbinding）通過非極性交互作用或氫鍵與離子鍵的形成；具有代表性的是毒物與膜受體、細胞內(nèi)受體、離子通道以及某些酶等靶分子的交互作用?？赡?。三、與生物大分子的結(jié)合共價結(jié)合學(xué)說認為：

許多外源化學(xué)物對細胞的損害作用與其本身或其親電代謝物不可逆地結(jié)合于細胞大分子的親核部位（如蛋白質(zhì)的巰基）有密切關(guān)系。這類外源化學(xué)物或其本身有足夠的形成共價鍵的反應(yīng)活性，或能通過細胞代謝活化過程而轉(zhuǎn)變?yōu)槟芙閷?dǎo)共價結(jié)合的產(chǎn)物。共價結(jié)合（convalentbinding）:指化學(xué)毒物或其具有活性的代謝產(chǎn)物與機體的一些重要大分子發(fā)生共價結(jié)合，從而改變核酸、蛋白質(zhì)、酶、膜脂質(zhì)等生物大分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)與其生物學(xué)功能。加合物(adducts)指活性化學(xué)物與細胞大分子之間通過共價鍵形成的穩(wěn)定復(fù)合物。

1）蛋白質(zhì)分子中的氨基、羥基、巰基2）DNA、RNA中的堿基、核糖或脫氧核糖以及磷酸酯等亞單元3）脂質(zhì)中的磷脂酰絲氨酸、膽堿和乙醇胺生物大分子中親核部位：1）與核酸結(jié)合：

在核酸分子中，堿基、戊糖及磷酸等任何一個亞單元均可受到攻擊，造成化學(xué)性損傷。堿基是最常見也是最重要的靶。后果：堿基置換、堿基丟失、鏈斷裂、核酸交聯(lián)等。共價結(jié)合的類型和后果與核酸分子的共價結(jié)合

毒物與核酸共價結(jié)合成不同類型加合物后，引起不同的生物效應(yīng)，包括細胞毒性、誘變作用、活化癌基因、細胞癌變等。

毒物與核酸的共價結(jié)合是研究化學(xué)毒物致癌作用的熱點。

一旦毒物與核酸共價結(jié)合成加合物，致癌過程即已啟動，隨后進入促進和發(fā)展階段。與DNA形成加合物是啟動致癌作用的化合物的一個重要特征DNA加合物形成的后果取決于加合物在DNA鏈上的位置和加合物的性質(zhì)G（鳥嘌呤）-C（胞嘧啶）N1（G）氫鍵N3（C）加合物位于G的O6位置N2（G）氫鍵N1（T）G（鳥嘌呤）-T（胸腺嘧啶）（錯配）

蛋白質(zhì)分子中有許多官能團可與外源化學(xué)物或其活性代謝物共價結(jié)合，從而影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。如半胱氨酸的巰基、組氨酸的咪唑基、色氨酸的吲哚基、酪氨酸的酚基、賴氨酸的ε-氨基、精氨酸的胍基以及蘇氨酸和絲氨酸的羥基等。2）與蛋白質(zhì)結(jié)合生物學(xué)后果：①細胞膜結(jié)構(gòu)及通透性改變；②引起各亞細胞結(jié)構(gòu)和功能損傷；③影響酶的催化功能，引起代謝異常及能量供應(yīng)障礙；④導(dǎo)致遺傳毒性；⑤引起機體特殊的免疫反應(yīng)。3）與脂質(zhì)結(jié)合：

外源化學(xué)物或其活性代謝產(chǎn)物與脂質(zhì)發(fā)生共價結(jié)合的部位主要有絲氨酸、膽堿及乙醇胺等，脂質(zhì)的化學(xué)損傷使膜結(jié)構(gòu)和功能改變。4）致死性摻入：

是指外源化學(xué)物或其代謝活性產(chǎn)物作為生物合成的“原料”摻入生物大分子，從而導(dǎo)致生物大分子組成及功能的異常。第二節(jié)增毒及誘導(dǎo)終毒物形成的機制42一、終毒物的概念1、終毒物的概念終毒物是指與內(nèi)源性靶分子如受體、酶、DNA、微絲蛋白、脂質(zhì)等反應(yīng)，或者嚴重改變生物學(xué)微環(huán)境，導(dǎo)致機體結(jié)構(gòu)和功能改變而表現(xiàn)出毒性的物質(zhì)。2、終毒物的來源：外源性化學(xué)物的原形：如CO，重金屬等；外源性化學(xué)物的代謝物，即代謝活化：如正已烷、四氯化碳的活性代謝產(chǎn)物；活性氧與活性氮：內(nèi)源性物質(zhì)的產(chǎn)物：終毒物與其來源43443、終毒物的類型外源性化學(xué)物經(jīng)代謝活化后，最常見的是轉(zhuǎn)化為以下四種產(chǎn)物。親電物；親核物；自由基；氧化還原性反應(yīng)物。毒物引起的毒效應(yīng)強度主要取決于終毒物在靶位點的濃度和持續(xù)時間。

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)。二、親電物的形成親電物：親電物的形成機理

插入一個氧原子，該氧原子從其附著的原子中抽取一個電子，使其具有親電性共軛雙鍵形成，通過氧的去電子作用而被極化，使得雙鍵碳之一發(fā)生電子缺失

鍵異裂形成陽離子親電物表2親電代謝物產(chǎn)生的毒性親電子代謝物源毒物催化增毒酶毒性作用非離子親電物醛,酮乙醛乙醇ADH肝纖維化(？)佐美酸葡萄糖醛酸苷佐美酸GT→異構(gòu)化作用免疫反應(yīng)(？)2,5－己二酮己烷p450軸索疾病表2親電代謝物產(chǎn)生的毒性(續(xù))親電子代謝物源毒物催化增毒酶毒性作用2,5－己二酮己烷p450軸索疾病α,β－不飽和醛,酮丙烯醛丙烯醇ADH肝臟壞死丙烯醛丙烯胺MAO血管損傷粘糠醛苯多個酶骨髓損傷4－羥基壬醛脂肪酸脂質(zhì)過氧化作用細胞損傷（？）表2親電代謝物產(chǎn)生的毒性(續(xù))親電子代謝物源毒物催化增毒酶毒性作用苯醌,苯醌亞胺DES－4,4ˊ－苯醌DES過氧化物酶致癌作用（？）N－乙?；璸－苯醌亞胺對乙酰氨基酚p450,過氧化物酶肝臟壞死表2親電代謝物產(chǎn)生的毒性(續(xù))親電子代謝物源毒物催化增毒酶毒性作用環(huán)氧化物,芳烴氧化物黃曲霉素B1-8,9-環(huán)氧化物黃曲霉素B1p450致癌作用2－氯環(huán)氧乙烷氯化乙烯p450致癌作用溴苯3,4-環(huán)氧化物溴苯p450肝臟壞死BP-7,8-二醇-9,10-環(huán)氧化物苯并（a）芘p450致癌作用表2親電代謝物產(chǎn)生的毒性(續(xù))親電子代謝物源毒物催化增毒酶毒性作用亞砜硫代乙酰胺S氧化物硫代乙酰胺FMO肝臟壞死亞硝基化合物亞硝基－磺胺甲基異噁唑磺胺甲基異噁唑p450免疫反應(yīng)膦酸酯對氧磷對硫磷p450ChE抑制表2親電代謝物產(chǎn)生的毒性(續(xù))親電子代謝物源毒物催化增毒酶毒性