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1、第四章 毒 性 机 制,2,28 March 2023,第四章 毒性机制,第一节 外源化学物的增毒与终毒物的形成第二节 终毒物与靶分子的反应第三节 细胞功能障碍与毒性,3,28 March 2023,中毒是有毒化学物与机体交互作用，导致机体的功能或结构产生不良改变的结果。除与机体自身有关外，主要取决于化学物暴露的程度与途径。,4,28 March 2023,中毒表现多种多样，毒性机制不一。,与靶分子反应，引起细胞功能失调；对生物学环境(微环境)产生有害的影响，引起分子、细胞器、细胞或器官等不同水平的功能失调，导致毒效应。,5,28 March 2023,总体把握：,化学物对生物体的原发性毒作用
2、可分为：物理性毒作用、化学性毒作用和生理性毒作用。由于不同毒作用间存在着相互联系或相互影响，故对某一化合物来说可能在毒作用发展过程中，先后或同时有几种中毒机理存在。由于它的复杂性，要想正确地、完整地阐明一个化学物的毒作用机理是比较困难的。但不管怎样，一个化学物总归有其主要的毒作用机理。,6,28 March 2023,1、物理性毒作用（1）脂溶性化学物能损伤皮肤的保护层或靶细胞的脂质生物膜。如接触有机溶剂和两性去污剂后可发生膜的溶解。（2）惰性气体（N2、CO2、甲烷等）被大量吸入时，可降低肺泡中的氧分压而造成窒息。（3）空气中飘尘吸附有害气体或蒸气造成机体的危害。（4）放射性物质对机体的辐射
3、。,7,28 March 2023,2、化学性毒作用（1）强酸强碱的腐蚀作用。（2）CO与Hb结合形成碳氧Hb症。破坏血液携O2 功能而造成窒息。（3）氰化物与氧化型细胞色素氧化酶的含铁辅基相结合，使呼吸链的电子传递中断，组织细胞不能摄取和利用氧，造成细胞内窒息。（4）络合剂如氰化物和二硫代氨基甲酸酯可去除金属辅酶如铜和锌而抑制金属依赖性酶。,8,28 March 2023,3、生理性毒作用（1）影响机体代谢过程：干扰糖元的合成或分解：例如，CCl4抑制糖元转移酶，导致肝糖元量减少，并损害肝细胞线粒体，障碍三羧酸循环，影响糖的氧化和产能。金属有机物可阻碍脑组织中葡萄糖的氧化。引起脂质代谢障碍：
4、例如，CCl4损害肝脏亚细胞结构，使脂蛋白减少，甘油三酯堆积。干扰蛋白质及核酸的代谢：化学物与复制的DNA和RNA共价结合可引起致癌、致突变、和致畸等严重损害。破坏机体的能量代谢：例如，二硝基酚类农药能使作用物氧化产生的能量不能用于二磷酸腺苷（ADP）的磷酸化，使氧化和磷酸化的偶联作用被解除。,9,28 March 2023,（2）损害生物膜的结构和功能：生物膜最易受到毒物的损害。例如，铅离子能使细胞膜的脆性增加，导致溶血。汞作用于细胞膜的巯基，改变细胞膜的结构和功能，进而损害整个细胞。麻醉性醚类等亲脂性物质在细胞膜中蓄积，从而干扰了氧和葡萄糖转入细胞的过程。由于中枢神经系统的细胞对低氧和低血
5、糖特别敏感，故最先受到影响。（3）干扰酶系统：酶往往是毒作用的靶分子。外来化合物引起的中毒反应都要涉及正常酶活性的变化，包括酶活性的增高和抑制等。,10,28 March 2023,诱导作用：苯巴比妥、氯化烃类杀虫剂等到注入大鼠体内，可使细胞色素P-450氧化酶系大量增加，葡萄糖醛酸转移酶活力增高，明显加速外来化学物的生物转化作用。对一些经代谢转化而“生物活化”的化学物则使毒性增强。许多脏器或组织受到外来化学物损伤时，常见到血清中酶活性增高，例如，肝细胞损伤时，血清谷丙转氨酶活性明显提高；肾小球受损伤时，尿中酸性磷酸酶活性增高；肾小管受损时，尿中氨基肽酶活力增高等。,11,28 March 2
6、023,抑制作用：外来化学物对酶活性的抑制作用较为常见。例如：有机磷农药抑制胆碱酯酶；铅抑制氨基酮戊二酸脱水酶；有机氯化合物抑制K+-Na+-ATP酶等。,12,28 March 2023,致死性合成：酶可被毒物在体内合成的产物所抑制，此产物属异常的中间代谢产物，可阻断正常的中间代谢，造成生物化学损害，甚至生物死亡，称之。例如：氟乙酸在体内与乙酰辅酶A作用生成氟乙酰CoA，再与草酰乙酸缩合成氟柠檬酸。后者竞争地抑制乌头酸酶，使用权柠檬酸不能转变为异柠檬酸而使三羧酸循环受阻，造成心脏和CNS损害。,13,28 March 2023,外来化学物对酶活性的抑制方式：A、一般性抑制，不具有特异性：例如
7、，对某些需要特殊金属作为活化剂的酶，对任何能置换该金属或使该金属失活的物质，都可使该酶灭活。B、特异性抑制酶活性中心：外来化学物与酶蛋白部分活性中心的功能基团如-SH，-OH，-COOH相结合，如果此酶很重要，且无其它旁路可通，则将造成细胞死亡。C、抑制辅酶：外来化学物与酶活性必需的辅助因子竞争酶的作用部位，阻断酶的正常功能，造成正常代谢的抑制。,14,28 March 2023,（4）损害细胞大分子：有些毒物作用于细胞遗传物质核酸，对机体产生致突变、致癌和致畸等作用。毒物对细胞遗传物质的作用主要包括：基因突变和染色体畸变。基因突变:主要是外来化学物与DNA结合，包括共价结合和嵌入，使DNA链
8、产生一些变化，形成化学致突变作用。突变的结果可能是细胞死亡或遗传性状的改变，亦有可能使正常细胞向肿瘤细胞转化。染色体畸变:化学诱变物亦可引起细胞染色体畸变，即在染色体数目和结构上发生变化，引起严重后果。,15,28 March 2023,（5）影响机体免疫功能：外来化学物对机体免疫功能有兴奋或抑制两方面的影响，可对机体产生相应的损害。兴奋诱导作用：有些化学物可作为半抗原或全抗原对机体诱发Ag-Ab反应，包括：过敏反应、溶细胞型变态反应、抗原-抗体免疫复合物型反应、细胞免疫或迟发型反应等。它们都以变态反应为特征，故又称化学致敏作用。引起这种作用的化学物质为化学致敏原。,16,28 March 2
9、023,抑制消退作用：指在免疫反应过程中出现某一环节或多环节的障碍，致使免疫水平不同程度地下降。例如：臭氧、SO2等可损害呼吸器官的巨噬细胞吞噬力和粘膜纤毛的清除力，使进入体内的微生物得以迅速增殖。有的外来化学物可损害淋巴系统，影响T淋巴细胞和B淋巴细胞的功能，造成免疫抑制，其后果是机体对微生物感染的易感性提高。,17,28 March 2023,第一节 外源化学的增毒与终毒物的形成,终毒物（ultimate toxicant）是指与内源靶分子（如受体、酶、DNA、微丝蛋白、脂质）反应或严重地改变生物学（微）环境、启动结构和（或）功能而表现出毒性的物质。终毒物可为机体所暴露的原化学物（母化合物
10、）；而另外一些毒物的毒性主要是由于其代谢物引起，生物转化为有害产物的过程称为增毒（toxication）或代谢活化（metabolic activation）。最为多见的情况是增毒使外源化学物如氧和氧化氮（NO）转变为：亲电子、自由基、亲核物、氧化还原性反应物。毒效应的强度主要取决于终毒物在其作用位点的浓度及持续时间。,18,28 March 2023,使生物学微环境发生了不利于机体的变化；化学结构发生了不利于机体的变化；通过生物转化而获得更有效地与特定受体或酶相互作用的结构特征和反应性。,增毒作用机理,19,28 March 2023,增毒使外源化学物转变为,亲电物（electrophile
11、s）；自由基（free radicals）；亲核物（nucleophiles）；氧化还原性反应物（redox-active reductants）,20,28 March 2023,毒物进入大循环前的排除；从作用部位分布到其他部位；排泄与解毒，,促进终毒物在其靶部位蓄积的因素,毒物的吸收；作用部位的分布 重吸收；增毒(代谢活化),减少终毒物在其靶部位蓄积的因素,21,28 March 2023,22,28 March 2023,化学毒物产生毒性的可能途径,化学毒物,吸收、分布、代谢、排泄,与靶分子相互作用,细胞功能失调、损伤,细胞修复功能失调,毒 性,23,28 March 2023,亲电子剂
12、的形成,亲电子剂是含有一个缺电子原子（带部分或全部正电荷）的分子。该缺电子原子中的部分或全部阳电荷使其很容易通过共享电子对的方式与亲核剂中富含电子的原子反应。化学物在代谢活化时形成非离子亲电子剂。亲电子剂经常是在外源化合物被细胞色素P-450或其他酶氧化成酮类、环氧化物及芳烃氧化物、,-不饱和酮及醛类、醌类或醌亚胺类以及酰基卤等过程中形成的。,24,28 March 2023,亲电物的形成机理,插入一个氧原子，从其附着的原子中抽取一个电子，使其具有亲电性。,通过氧的去电子作用而被极化，使得双键碳之一发生电子缺失；键异裂形成阳离子亲电物,25,28 March 2023,由无机化学物形成亲电毒物
13、的实例,金属汞氧化为Hg2+；CrO42-还原为CrO33+；AsO43-还原为AsO32-/As3+,26,28 March 2023,苯并(a)芘benzo(a)pyrene，BaP,P-450,7,8-环氧苯并(a)芘,7,8-二羟-BaP,7,8-二羟基-9,10-环氧BaP,环氧化物水解酶,(终致癌物),27,28 March 2023,自由基形成,自由基（free radicals）是独立游离存在的带有不成对电子的分子、原子或离子。自由基主要是由于化合物的共价键发生均裂而产生。其共同特点是：具有顺磁性、其化学性质十分活泼、反应性极高，因而半减期极短，一般仅能以s计，作用半径短。在与
14、生物体有关的自由基中，最主要的是氧中心自由基，这类自由基持续不断地在机体内产生。活性氧(reactive oxygen species,ROS)这个术语实际上是一个集合名词，不仅包括氧中心自由基如O2-，和OH，而且也包括某些氧的非自由基衍生物，如H2O2、单线态氧和次氯酸，甚至还包括过氧化物、氢过氧化物和内源性脂质及外来化合物的环氧代谢物，因为它们都含有化学性质活泼的含氧功能基团。,28,28 March 2023,最主要的是活性氧（reactive oxygen species，ROS）,自由基的类型,氧中心自由基：O2-和OH；,氧的非自由基衍生物：H2O2、单线态氧g和次氯酸（HOCl
15、），过氧化物、氢过氧化物和内源性脂质及外源化学物的环氧代谢物。,29,28 March 2023,分子氧的反应性很低。氧的活性可以通过使其两个外层电子中的一个电子改变自旋方向或依次单价还原为自由基而增加。,30,28 March 2023,双原子氧经单电子还原而形成，其化学特性主要取决于溶液环境。,超氧阴离子自由基(O2-),水溶液中，弱氧化剂，能氧化某些分子（维生素C和巯基）；强还原剂，能还原几种含铁复合物，（细胞色素C和Fe2+-EDTA）。,31,28 March 2023,O2-是两种增毒途径的启动物质,形成过氧化氢，然后形成羟基自由基(OH)；产生过氧亚硝基peroxynitrte（
16、ONOO-)，最终形成二氧化氮(NO2)和碳酸盐阴离子自由基(CO3-)。,32,28 March 2023,33,28 March 2023,产生O2-的系统都可产生H2O2。许多酶通过直接转移2个电子给氧而产生H2O2。是一种弱氧化剂和弱还原剂，在缺乏过渡金属离子时是相对稳定的。能迅速与水混合，在机体迅速通过细胞膜扩散并被处理为水分子。,过氧化氢(H2O2),34,28 March 2023,机体对抗H2O2的防御体系,过氧化氢酶（catalase）；谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase）；其他过氧化物酶。,35,28 March 2023,OH是分子氧三电子还
17、原的产物，是一种化学活性极强的自由基，能与任何生物分子起反应。OH的半减期不到1s，作用直径很短（3nm）。,羟基自由基(OH),36,28 March 2023,OH主要来源于金属催化的Haber-Weiss反应或称Fenton型Haber-Weiss反应。Fe3+-络合物能加快反应速度。,37,28 March 2023,臭氧是一种有毒的氧化污染物。在污染的城市空气中存在臭氧，同时也由科学仪器和某些光复印机中使用的强光源产生。臭氧可损害肺，能迅速氧化蛋白质、DNA和脂质。,臭氧,38,28 March 2023,NO和NO2含奇数电子，属自由基。,氮的氧化物,NO可能与O2-反应产生活性中
18、间产物过氧亚硝基（ONOO-），损害许多生物分子，并能在酸性pH下降解，释放出少量羟基自由基。,39,28 March 2023,ONOO-与CO2反应产生亚硝基过氧碳酸盐（ONOOCO-），它可自发地均裂为二氧化氮（NO2）和碳酸阴离子自由基（CO3-）。ONOO-及其以后的自由基形成代表着O2-与NO的增毒机制。,40,28 March 2023,次氯酸（HOCl），强氧化剂，由活化的中性粒细胞形成。吞噬细胞胞浆中的含血红素的酶（髓过氧化物酶）催化H2O2和氯离子形成HOCl。,次氯酸,41,28 March 2023,HOCl可通过依赖或不依赖铁的反应而形成羟基自由基。,HOCl+O2-
19、OH+Cl+O2HOCl+Fe2+OH+Cl+Fe3+,42,28 March 2023,自由基的来源与类型,43,28 March 2023,自由基在生物体内来源有二：一是细胞正常生理过程产生；二是化学毒物在体内代谢过程产生。许多外来化合物可通过各种不同途径产生自由基，但其中最主要的途径是通过氧化还原反应（redox cycling）。它通过加入一个单电子使化学物还原为不稳定的中间产物，随后这个电子转移给分子氧而形成超氧阴离子自由基(O2-)，而中间产物则再生为原化学物。如：百草枯(PQ+)、阿霉素(DR)和硝化呋喃托英(NF)可从还原酶接受一个电子形成自由基。,自由基形成,44,28 Ma
20、rch 2023,自由基在肿瘤、辐射损伤、老化和某些疾病发生发展中的作用得到了进一步的证实。自由基在体内虽然不断产生，但也不断为机体的防御体系所清除。,45,28 March 2023,当环境中的物理因素或外源化学物质直接或间接诱导产生的大量自由基超过了机体的清除能力，或内源性自由基产生和清除失去平衡，就会使机体处于氧化应激（oxidative stress），进而造成机体的损害。,46,28 March 2023,亲核物的形成,亲核物的形成是毒物活化作用较少见的一种机制。例如：苦杏仁经肠道糖苷酶催化形成氰化物；丙烯氰环氧化和随后谷胱甘肽结合形成的氰化物；以及硝普钠经巯基诱导降解后形成氰化物，
21、等。,47,28 March 2023,亲核物的形成是毒物活化作用较少见的一种机制。,亲核物的形成,丙烯腈环氧化后和谷胱甘肽结合形成氰化物；硝普钠(sodium mitroprusside)经巯基诱导降解后形成氰化物；CO是二卤甲烷经过氧化脱卤的有毒代谢产物；硒化氢是由亚硒酸盐与谷胱甘肽或其他巯基反应形成的。,48,28 March 2023,氧化还原活性还原剂的形成,除了上述那些机制外，还存在着一种特殊的产生氧 化还原活性还原剂的机制。引起高铁血红蛋白的亚硝酸盐，既可在小肠中由硝酸盐经细菌还原生成，也可由亚硝酸酯或硝酸酯与谷胱甘肽反应而生成。还原性化合物如抗坏血酸等以及NADPH依赖性黄素酶
22、等还原酶可使Cr6+还原为Cr5+。Cr5+反过来又可催化HO生成。,49,28 March 2023,硝酸盐通过肠道细菌还原、亚硝酸酯或硝酸酯与谷胱甘肽反应而形成亚硝酸盐；氨苯砜(dapsone)羟胺和5-羟伯氨喹啉通过协同氧化作用而引起高铁血红蛋白的形成；还原剂如维生素C以及还原酶如NADPH依赖的黄素酶使Cr6+还原为Cr5+。,氧化还原活性还原剂的形成,50,28 March 2023,解 毒,（1）无功能基团毒物的解毒 一般情况下，苯和甲苯等不含功能基团化学物的解毒分两相首先，通常由细胞色素P450将羧基和羟基等功能基团引入分子中。随后，通过转移酶将内源性酸如葡糖醛酸、硫酸或氨基酸结
23、合到这些功能基团上。除了某些例外，多数化合物的最终产物无反应活性，是易于排泄的高度亲水的有机酸。,51,28 March 2023,以两相方式解毒。最常见的是通过细胞色素P-450酶将功能基团引入到分子中，随后发生结合反应，形成失活的、高度亲水的、易于排泄的有机酸。,无功能基团毒物的解毒,52,28 March 2023,（2）亲电子剂的解毒 亲电性毒物较为普遍的解毒方式是与亲核剂谷胱苷肽结合。该结合反应可以是自发的，也可由谷胱甘肽-S-转移酶催化。Ag+、Cd2+、Hg2+和CH3Hg+等金属离子易与谷胱甘肽结合而解毒。亲电子剂较为特殊的解毒机制是环氧化物和芳烃环氧化物被环氧化物水化酶催化分
24、别生成二醇类及二氢二醇类化合物。其他的解毒方式还有，由DL-黄递酶催化氢醌的双电子还原反应；醇脱氢酶催化,-不饱和醛还原成醇，或醛脱氢酶催化,-不饱和醛氧化成酸;金属硫蛋白与有巯基反应活性的金属离子形成复合物；具有氧化-还原活性的亚铁离子可为铁蛋白结合解毒。,解 毒,53,28 March 2023,与谷胱甘肽（巯基亲核物）结合，可自发地发生，也可由谷胱甘肽-S-转移酶催化。金属离子与谷胱甘肽反应并通过谷胱甘肽来解毒。,亲电物的解毒,54,28 March 2023,环氧化物水化酶催化的环氧化物与芳烃氧化物分别生物转化为二醇类和二氢二醇类；羧基酯酶催化的有机磷酸酯杀虫剂的水解。,亲电化学物解毒
25、的特殊机制,醌经黄递酶(DT)双电子还原为氢醌；、-不饱和醛由醇脱氢酶还原为醇、或由醛脱氢酶氧化为酸；具有巯基反应活性的金属离子由金属硫蛋白形成复合物；氧化还原活性的二价铁由铁蛋白形成复合物。,55,28 March 2023,（3）亲核剂的解毒 亲核剂一般通过亲核性功能基团的结合反应进行解毒。如羟基化合物与硫酸或葡糖醛酸结合，硫醇类与葡糖醛酸结合，胺类和肼类化合物被乙酰化。这些结合反应可防止过氧化物酶催化亲核剂生成自由基，也可防止酚类、氨基酚类、儿茶酚类以及氢醌类化合物经生物转化形成亲电性醌类及醌亚胺类化合物。消除硫醇类、胺类及肼类化合物的另一机制是含黄素单加氧酶催化的氧化反应。乙醇等醇类化
26、合物可通过醇脱氢酶或醛脱氢酶催化的反应氧化成羧酸而被解毒。硫氰酸酶催化的氰化物生成硫氰酸是较特殊的亲核剂解毒机制。,解 毒,56,28 March 2023,羟化的化合物：硫酸、葡萄糖醛酸结合、偶尔通过甲基化作用；巯基化合物：甲基化或葡萄糖醛酸化；胺类和肼类：乙酰基化，防止由过氧化物酶催化的亲核物转变为自由基；酚、氨基酚、儿茶酚和氢醌：生物转化为亲电性的醌和醌亚胺。,亲核物的解毒,通过在亲核功能基团上的结合反应解毒。,57,28 March 2023,排除巯基化合物和肼类的另一个途径是通过含黄素酶的单加氧酶类的氧化作用。,醇类经醇及醛脱氢酶氧化为羧酸而解毒；氰化物经硫氰酸酶生物转化而形成硫氰酸
27、,58,28 March 2023,（4）自由基的解毒 酶性抗氧化系统 a SOD：是一类含有不同辅基的金属结合酶家族，如CuZn-SOD、Fe-SOD与Mn-SOD。它们在细胞内定位变化很大，CuZnSOD存在多种脏器内如肝脏、红细胞，而Mn-SOD主要在线粒体。它的唯一生理功能是歧化超氧阴离子(O2-)，生成H2O2和O2。b 过氧化氢酶（CAT）：位于肝细胞和红细胞内过氧化小体中，其主要功能是将H2O2转化为水。c GSH-Px（GPO）：在机体内广泛存在，能特异地催化谷胱苷肽对过氧化物的还原反应，使过氧化物转化为水或相应的醇类。可阻断脂质过氧化的链锁反应。d 谷胱苷肽还原酶（GR）：其
28、分布同GSH-Px，主要功能是产生还原型的谷胱苷肽(GSH)，以保护机体解毒功能的执行。e 心肌黄酶(DT diaphorase):葡萄糖-6-磷酸脱氢酶。,解 毒,59,28 March 2023,通过胞浆（Cu、Zn-SOD）和线粒体（Mn-SOD）中的SOD来实施。将O2-转变为HOOH，被胞浆中含硒半胱氨酸的谷胱甘肽过氧化物酶（GPO）或过氧化物酶体系中的过氧化氢酶（CAT）还原为水。,自由基的解毒,O2-的排除,60,28 March 2023,OH的半衰期极短(10-9s)，没有任何酶能排除OH。排除其前体H2O2是惟一有效的手段。,OH的排除,61,28 March 2023,谷
29、胱甘肽排除自由基时，其自身被氧化，但可被谷胱甘肽还原酶所逆转。,62,28 March 2023,（4）自由基的解毒非酶性抗氧化系统 在生物体系中广泛分布着许多小分子，它们能通过非酶促反应而清除氧自由基。例如，维生素C、维生素E、GSH、尿酸、牛磺酸和次牛磺酸等。谷胱苷肽(GSH)参与GSHPx的作用，使过氧化物还原为H2O和氧化型谷胱苷肽(GSSG)。有些有毒化学物可耗竭肝脏GSH而继发脂质过氧化，如丙烯腈、苯乙烯等。维生素E 它必须与膜结合才能发挥抗氧化作用。首先与氧自由基反应，生成生育酚自由基，再由抗坏血酸GSH氧化还原偶联反应而还原。它属于“链断裂”抗氧化剂，主要通过提供不稳定的氧给过
30、氧自由基和烷基自由基，从而防止脂质过氧化。,解 毒,63,28 March 2023,（5）蛋白毒素的解毒 胞内或胞外的蛋白酶可能在毒性多肽的解毒中起作用。在蛇毒中发现的几种毒素(如,-环蛇毒素，永良部海蛇毒素，磷酯酶)中含有分子内二硫键，这些二硫键是其保持活性必不可少的。硫氧化还原蛋白可使上述几种蛋白失活。硫氧化还原蛋白是一种可还原必需二硫键的内源性二巯基蛋白。,解 毒,64,28 March 2023,共底物（cosubstractes）的消耗或细胞抗氧化剂，如谷胱甘肽、维生素C和-维生素E的耗竭，导致解毒失效，终毒物的蓄积。,解毒过程失效,1毒物可能使解毒过程失效,解毒酶耗竭,65,28
31、 March 2023,-萘胺在肝被N-羟化并进行葡萄糖醛酸结合，以葡糖苷酸式排泄到尿中。而在膀胱中，葡糖苷酸被水解，释放的芳基羟胺经质子化过程和脱水过程转变为具有反应性的亲电子芳基硝铺离子。,3.某些结合反应可被逆转,ONOO-使Mn-SOD失效。,2具有反应活性的毒物使解毒酶失活,66,28 March 2023,在自由基解毒过程中产生如谷胱甘肽自由基和谷胱甘肽二硫化物（图4-5）。能与蛋白巯基形成混合二硫化物，而谷胱甘肽硫基自由基（GS）在与硫醇盐（GS-）反应后形成谷胱甘肽二硫化物自由基阴离子（GSSG-），它能使O2还原为O2-,4解毒过程产生潜在的有害副产物,67,28 March
32、 2023,第二节 终毒物与靶分子的反应,实际上所有的内源化合物都是毒物潜在的靶标，然而毒理学上相关的靶标是大分子，如核酸（特别是DNA）和蛋白质。在小分子中，膜脂质最为常见。内源性分子作为一个靶分子必须具有合适的反应性和（或）空间构型，以容许终毒物发生共价或非共价反应。为了发生这些反应，靶分子必须接触足够高浓度的终毒物，因此，处于反应活性化学物邻近或接近它们形成部位的内源性分子常常是靶分子。活性代谢物的第一个靶分子常常是催化这些代谢物形成的酶或邻近的细胞内结构，例如，负责甲状腺激素合成的酶甲状腺过氧化物酶将某些亲核的外源性化学物转变为活性自由基代谢物，这些自由基代谢物又使甲状腺过氧化物酶失活
33、，这使这些化学物抗甲状腺作用以及诱发甲状腺肿瘤的基础。,68,28 March 2023,一、反应的类型,非共价结合（nonconvalent binding）通过非极性交互作用或氢键与离子键的形成，具有代表性的是毒物与膜受体、细胞内受体、离子通道以及某些酶等靶分子的交互作用。共价结合（convalent binding）指化学毒物或其具有活性的代谢产物与机体的一些重要大分子发生共价结合，从而改变核酸、蛋白质、酶、膜脂质等生物大分子的化学结构与其生物学功能。加合物(adducts)指活性化学物与细胞大分子之间通过共价键形成的稳定复合物。去氢反应电子转移,69,28 March 2023,毒物对
34、靶分子的影响,(一)脂质过氧化损害 脂质过氧化(lipid peroxidation)：指主要由自由基引起的多不饱和脂肪酸的氧化作用对生物膜具有强烈的破坏作用。1.自由基的形成与脂质过氧化的关系 启动阶段：脂质过氧化是由一些脂链侧链甲叉碳上除去一个氢的化合物所启动。OH是最重要的脂质过氧化的诱导物。发展阶段：已形成的自由基将作为启动子而产生新的自由基，使反应发展下去。在发展阶段中，形成的自由基总数保持不变，一种自由基团可经多种反应转变成另一种形式的自由基团。去氢后的碳原子形成中心自由基(L)。与脂质过氧化反应关系最重要的是脂质过氧化自由基和脂质过氧化物的形成。终止阶段：只有二个自由基相互作用，
35、才能使自由基反应链终止，消除自由基。,70,28 March 2023,2脂质过氧化的后果 细胞器和细胞膜结构的改变和功能障碍。脂质过氧化物的分解产物具有细胞毒性，其中特别有害的是一些不饱和醛类。对DNA影响：一是脂质过氧化自由基和烷基自由基可引起DNA碱基，特别是鸟嘌呤碱基的氧化；一是脂质过氧化物的分解产物，丙二醛可以共价结合方式导致DNA链断裂和交联。对低密度脂蛋白(LDL)的作用。,71,28 March 2023,（二）蛋白质的氧化损伤1机制：(1)对脂肪族氨基酸氧化损伤最常见的途径为：在-位置上将一个氢原子除去，形成C中心自由基，再加氧其上，生成过氧基衍生物。后者分解成NH3及-酮酸
36、，或生成NH3、CO2与醛类或羧酸，破坏脂肪族氨基酸的结构。(2)芳香氨基酸很少出现-除氢，而多出现羟基衍生物。后者可将苯环打开或在酪氨酸处交联成二聚体。,毒物对靶分子的影响,72,28 March 2023,（二）蛋白质的氧化损伤1机制：(3)由过渡金属介导出现氧化损伤，主要通过Fenton反应。其损伤特点为部位特异性。因为，在蛋白质结构内只有某个或几个金属结合部位的氨基酸受到影响。(4)脂质过氧化的自由基中间产物作用，如烷氧自由基(LO)和过氧自由基(LOO)，可与过氧化脂质紧密联系的蛋白质反应。,73,28 March 2023,（二）蛋白质的氧化损伤 2后果 氧化的后果是凝集与交联，或
37、是蛋白质的降解与断裂，这主要取决于蛋白质成分的特征及自由基的种类。对蛋白质影响表现在二个方面：直接作用 间接作用,74,28 March 2023,（三）核酸的氧化损伤 1碱基损伤 活性氧攻击DNA的靶位点是腺嘌呤与鸟嘌呤的C8，嘧啶的C5与C6双键。其可能的机制为：氧自由基直接作用于双键部位，使之获得一个加合基而改变其结构。OH使脱氧核苷脱嘌呤，即自由基可使DNA链上出现无嘌呤或无嘧啶部位。OH可以自动从胸嘧啶的甲基中除去H原子。,毒物对靶分子的影响,75,28 March 2023,（三）核酸的氧化损伤2DNA链断裂：OH对DNA的攻击，主要针对DNA分子中的核糖部分，可能的位置在DNA分
38、子中核糖的3和4碳位上，造成DNA链的断裂。自由基对胸腺嘧啶碱基作用，造成的损害经修复酶切除，可产生类似的单链断裂。氧化应激可启动细胞内的一系列代谢过程，激活核酸酶，导致DNA链的断裂。,76,28 March 2023,（三）核酸的氧化损伤DNA链断裂在基因突变的形成过程中有重要意义。DNA链断裂后，有下列途径产生突变：DNA链断裂造成部分碱基的缺失；DNA链断裂后，正常的细胞将启动修复过程，多种酶可以辨别DNA内异常，并通过切割、再合成、重合等途径使之修复。如酶也受自由基破坏或功能难以达到修复的要求，可能造成被修复的DNA碱基的错误掺入和错误编码；可能引起癌基因的活化，或抑癌基因的失活。,
39、77,28 March 2023,第三节 细胞功能障碍与毒性,一 毒物引起的细胞调节功能障碍（一）基因表达调节障碍：1 转录调节障碍：遗传信息从DNA转录给mRNA 主要受转录因子（TFs）与基因的调节或启动区域间的相互作用所控制。通过与这一区域的核苷酸序列相结合，激活的转录因子促进前起始复合物的形成，促使相毗邻的基因的转录。外源化学物可与基因的启动子区域、转录因子或前起始复合物的其他元件交互作用，然而，转录因子激活作用的改变似乎是最常见的方式。,78,28 March 2023,一 毒物引起的细胞调节功能障碍（一）基因表达调节障碍 2、信号转导调节障碍 细胞外信号分子，如生长因子、细胞因子、
40、激素和神经递质能利用细胞表面受体和细胞内信号转导网络激活TFs。这些TFs控制着影响细胞周期进展、决定细胞结局的基因的转录活性，如c-Fos 和c-Jun蛋白等。化学物可通过多种途径引起信号转导的异常，最常见的是通过改变蛋白磷酸化，偶尔也通过干扰G蛋白（Ras）的GTPase活性、破坏正常的蛋白质蛋白质交互作用、建立异常的交互作用、改变信号蛋白的合成与降解。,79,28 March 2023,一 毒物引起的细胞调节功能障碍（二）细胞瞬息活动的调节障碍 特定细胞正常运行的控制是通过作用与膜受体的信号分子来实施的，这些受体通过调节Ca2+进入胞浆或刺激细胞内第二信息的酶促形成而传递信号。Ca2+或
41、其他第二信息最终改变功能蛋白质的磷酸化，改变其活性，随后几乎立即引起细胞功能的变化。毒物可通过中断信号连接过程中的任何一个步骤而影响细胞的瞬息活动。,80,28 March 2023,二、毒物引起的细胞维持功能改变 ATP耗竭 ATP作为生物合成的化学物质和能量的主要来源在细胞维持中起核心作用。它对肌肉收缩和细胞骨架的聚合作用、细胞运动、细胞分裂、囊泡转运提供能量和维持细胞形态都是必不可少的。化学能通过ATP水解为ADP或AMP的形式来释放。ADP在线粒体中由ATP合酶重新磷酸化。化学物可阻碍这些过程，干扰线粒体ATP合成。细胞内Ca2+稳态失调,81,28 March 2023,细胞内钙稳态
42、 细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性 钙稳态失调的机制,82,28 March 2023,细胞内钙稳态,在细胞静息状态下细胞内游离的Ca2+仅为10-7mol/L，而细胞外液Ca2+则达10-3mol/L。当细胞处于兴奋状态，第一信使转递信息，则细胞内游离Ca2+迅速增多可达10-5mol/L，此后再降低至10-7mol/L，完成信息转递循环。认为Ca2+是体内第二信使。上述Ca2+浓度的变化过程呈稳态状，称为细胞内钙稳态。,83,28 March 2023,细胞内钙稳态,在细胞内的钙有两种类型，游离的钙离子和与蛋白质结合的钙。与钙结合的蛋白有两种类型，一是结合在细胞膜或细胞器膜内的蛋白质上，二是结合
43、在可溶性蛋白质上。激动剂刺激引起细胞Ca2+动员，可调节细胞的多种生物功能，包括肌肉收缩、神经转导、细胞分泌、细胞分化和增殖。Ca2+在细胞功能的调节中起了一种信使作用，负责将激动剂的刺激信号传给细胞内各种酶反应系统或功能性蛋白。,84,28 March 2023,Ca2+信使作用实现,Ca2+与钙结合蛋白:如钙调蛋白(CaM)。Ca2+与cAMP：Ca2+与蛋白激酶C(PKC)、磷脂酶C(PLC)：Ca2+与离子通道：,85,28 March 2023,细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性,重金属离子 农药 四氯化碳,86,28 March 2023,重金属离子,主要有铅和镉。铅一方面与Ca2+及Ca
44、M结合，激活Ca-CaM依赖酶系。另一方面高浓度时与细胞内巯基激活，可抑制Ca-CaM依赖酶系，并呈剂量依赖的双相效应。可见铅的中毒机制中Ca2+有重要意义。镉可使CaM含量减少。表现为免疫系统、雄性生殖系统以及心肌等改变，有的可用钙调素拮抗剂来预防或减轻损伤作用。,87,28 March 2023,农 药,拟除虫菊酯为神经毒化合物，有研究发现它可使神经细胞内游离钙浓度增高，可能与其抑制Ca2+，Mg2+-ATPase、CaM和磷酸二酯酶(PEE)有关。当然，拟除虫菊酪对钙稳态的影响有复杂的机制，且与其具体化学结构有关。,88,28 March 2023,四氯化碳,它可抑制肝细胞微粒体Ca2+
45、-ATPase，表现为肝内质网酶活性改变及钙的蓄积。其机制可能是CCl4可在肝脏氧化产生自由基，后者攻击Ca2+-ATPase上的巯基，使酶活性下降；另外，Ca2+浓度增加，可激活某些酶，如磷酸化酶a。,89,28 March 2023,钙稳态失调的机制,细胞内钙稳态的失调 细胞Ca2+信号的改变在各种病理及毒理学过程中起重要的作用。在细胞受损时可导致Ca2+内流增加，或Ca2+从细胞内贮存部位释放增加，或抑制细胞膜向外逐出Ca2+，表现为细胞内Ca2+浓度不可控制的持续增加，即打破细胞内钙稳态，或称为细胞内钙稳态的失调。,90,28 March 2023,钙稳态失调的机制,钙稳态失调学说 C
46、a2+这种失调或紊乱，将完全破坏正常生命活动所必需的由激素和生长因子刺激而产生的短暂的Ca2+瞬变，危及细胞器的功能和细胞骨架结构，最终激活不可逆的细胞成分的分解代谢过程。这就是所谓中毒机制中钙稳态失调学说。,91,28 March 2023,钙稳态失调的机制,钙的浓度变化，可通过下列途径造成细胞损伤：正常的激素和生长因子刺激的Ca2+信号的受损。钙依赖性降解酶的活化，包括蛋白酶、磷脂酶和核酸内切酶。损伤细胞骨架 损害线粒体 与细胞凋亡有关,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
