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1、第四章第四章 毒作用机制毒作用机制第一节第一节 外源化学物的增毒与终毒物的形成外源化学物的增毒与终毒物的形成第二节第二节 终毒物与靶分子的反应终毒物与靶分子的反应第三节第三节 细胞功能障碍与毒性细胞功能障碍与毒性7/20/20241 第一节第一节 外源化学的增毒与终毒物的形成外源化学的增毒与终毒物的形成概念：概念：o终毒物终毒物（ultimate toxicant）是指能与内源靶分子是指能与内源靶分子（如受体、酶、（如受体、酶、DNA、微丝蛋白、脂质）反应或严微丝蛋白、脂质）反应或严重改变其生物学结构、功能和微环境而表现出毒性的重改变其生物学结构、功能和微环境而表现出毒性的物质。物质。 o终终
2、毒物可为机体所暴露的原化学物（母化合物）；也毒物可为机体所暴露的原化学物（母化合物）；也可以是其代谢产物。可以是其代谢产物。o按增毒（代谢活化按增毒（代谢活化)原理可将外源化学物分为：原理可将外源化学物分为：亲电亲电子剂子剂、自由基自由基、亲核物亲核物。7/20/20242亲电子剂的形成亲电子剂的形成o亲电子剂亲电子剂是含有一个缺电子原子是含有一个缺电子原子（带部分或全部正电荷）（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正电荷使其很容易的分子。该缺电子原子中的部分或全部正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。通过共享电子对的方式与亲核剂中富含电子的原子反
3、应。o这些亲电子剂主要是在外源化合物被细胞色素这些亲电子剂主要是在外源化合物被细胞色素P-450P-450或其他或其他酶氧化成酮类、环氧化物、芳烃氧化物、酶氧化成酮类、环氧化物、芳烃氧化物、,-,-不饱和酮不饱和酮及醛类、醌类或醌亚胺类以及酰基卤等过程中形成。及醛类、醌类或醌亚胺类以及酰基卤等过程中形成。7/20/20243苯并苯并(a)芘芘benzo (a) pyrene，BaP 7,8-环氧苯并环氧苯并(a)芘芘 7,8-二羟二羟-BaP 7,8-二羟基二羟基-9,10-环氧环氧BaP (终致癌物终致癌物)芳烃羟化酶（芳烃羟化酶（AHH）P-450与与GSH结合排结合排出体外（解毒）出体外
4、（解毒）环环 氧氧 化化 物物水水解解酶酶 7/20/20244自由基形成自由基形成o自由基自由基（free radicalsfree radicals）是指是指带有未配对电子的带有未配对电子的分子或离子分子或离子。自由基主要是由于化合物的共价键发。自由基主要是由于化合物的共价键发生均裂而产生。生均裂而产生。 特点：其化学性质十分活泼、反应性极高。特点：其化学性质十分活泼、反应性极高。 在与生物体有关的自由基中，最主要的是氧中在与生物体有关的自由基中，最主要的是氧中心自由基。心自由基。7/20/20245自由基的来源与类型7/20/20246o活性氧活性氧(reactive oxygen (r
5、eactive oxygen species,ROSspecies,ROS) )是是指具有化学性质活泼的含氧功能基团物质。指具有化学性质活泼的含氧功能基团物质。 包括：氧中心自由基如包括：氧中心自由基如O O2 2- -和和OHOH H H2 2O O2 2、单线态氧和次氯酸、单线态氧和次氯酸 过氧化物、氢过氧化物过氧化物、氢过氧化物 外源化合物的环氧代谢产物外源化合物的环氧代谢产物7/20/20247o自由基在生物体内来源自由基在生物体内来源： 一是细胞正常生理过程产生；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中产生。二是化学毒物在体内代谢过程中产生。o许多外源化合物可通过各种
6、不同途径产生自由基，但其中最许多外源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主要的途径是通过氧化还原反应（氧化还原反应（redoxredox cycling cycling）。）。自由基形成自由基形成7/20/20248（1）亲电子剂的解毒：）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谷胱苷肽结合。该结合。该结合反应可以是自发的，也可由谷胱甘肽反应可以是自发的，也可由谷胱甘肽-S-转移酶催化。如转移酶催化。如Ag+、Cd2+、Hg2+和和CH3Hg+等金属离子易与谷胱甘肽结合而解毒。等金属离子易与谷胱甘肽结合而
7、解毒。 环氧化物和芳烃环氧化物被环氧化物和芳烃环氧化物被环氧化物水化酶环氧化物水化酶催化分别生成二醇类及催化分别生成二醇类及二氢二醇类化合物。二氢二醇类化合物。 其他的解毒方式还有，由其他的解毒方式还有，由DL-黄递酶黄递酶催化氢醌的双电子还原反应；催化氢醌的双电子还原反应；醛脱氢酶醛脱氢酶催化催化,-不饱和醛氧化成酸不饱和醛氧化成酸;金属硫蛋白金属硫蛋白与有巯基反应活性的与有巯基反应活性的金属离子形成复合物；具有氧化金属离子形成复合物；具有氧化-还原活性的亚铁离子可为还原活性的亚铁离子可为铁蛋白铁蛋白结合结合解毒。解毒。解解 毒毒7/20/20249（2） 自由基的解毒：自由基的解毒： 酶类
8、抗氧化系统（抗自由基系统）酶类抗氧化系统（抗自由基系统）SODSOD：是是一一类类含含有有不不同同辅辅基基的的金金属属结结合合酶酶家家族族，如如CuZnCuZn-SOD-SOD、Fe-SODFe-SOD与与MnMn-SOD-SOD。它它们们在在细细胞胞内内定定位位变变化化很很大大，CuZnSODCuZnSOD存存在在于于多多种种脏脏器器内内如如肝肝脏脏、红红细细胞胞，而而MnMn-SOD-SOD主主要要在在线线粒粒体体分分布布。它它的的唯唯一一生生理理功功能能是是使使超超氧氧阴阴离离子子(O(O2 2- -) )歧歧化化反反应应，生生成成H H2 2O O2 2和和O O2 2。过过氧氧化化氢
9、氢酶酶（CATCAT）：位位于于肝肝细细胞胞和和红红细细胞胞内内过过氧氧化化小小体体中中，其主要功能是将其主要功能是将H H2 2O O2 2转化为水和转化为水和O O2 2。谷谷胱胱甘甘肽肽过过氧氧化化物物酶酶（GSH-GSH-PxPx ）：在在机机体体内内广广泛泛存存在在，能能特特异异地地催催化化谷谷胱胱苷苷肽肽对对过过氧氧化化物物的的还还原原反反应应，使使过过氧氧化化物物转转化化为水或相应的醇类。可阻断脂质过氧化的链锁反应。为水或相应的醇类。可阻断脂质过氧化的链锁反应。谷谷胱胱苷苷肽肽还还原原酶酶（GRGR）：其其分分布布同同GSH-GSH-PxPx，主主要要功功能能是是产产生生还原型的
10、谷胱苷肽还原型的谷胱苷肽(GSH)(GSH)，以保护机体解毒功能。以保护机体解毒功能。解解 毒毒7/20/202410 非酶类抗氧化系统非酶类抗氧化系统 在在生生物物体体系系中中广广泛泛分分布布着着许许多多小小分分子子，它它们们能能通通过过非非酶酶促促反反应应而而清清除除氧氧自自由由基基。例例如如，维维生生素素C C、维维生生素素E E、GSHGSH、尿尿酸酸、牛牛磺磺酸和次牛磺酸等。酸和次牛磺酸等。 谷谷胱胱苷苷肽肽(GSH)(GSH)参参与与GSH-GSH-PxPx的的作作用用，使使过过氧氧化化物物还还原原为为H H2 2O O和和氧氧化化型型谷谷胱胱苷苷肽肽(GSSG)(GSSG)。有有
11、些些毒毒物物可可耗耗竭竭肝肝脏脏GSHGSH而而继继发发脂脂质质过氧化，如丙烯腈、苯乙烯等。过氧化，如丙烯腈、苯乙烯等。 维生素维生素E E 先与氧自由基反应，生成生育酚自由基（反应性先与氧自由基反应，生成生育酚自由基（反应性较低，再由抗坏血酸较低，再由抗坏血酸-GSH-GSH氧化还原偶联反应而还原。）它通过氧化还原偶联反应而还原。）它通过自己与氧自由基反应，从而防止脂质中不饱和脂肪酸的过氧化。自己与氧自由基反应，从而防止脂质中不饱和脂肪酸的过氧化。 解解 毒毒7/20/202411第二节第二节 终毒物与靶分子的反应终毒物与靶分子的反应o所有的内源化合物都是毒物潜在的靶标，然而毒理所有的内源化
12、合物都是毒物潜在的靶标，然而毒理学上主要的靶标有两种，一是学上主要的靶标有两种，一是大分子物质大分子物质，如，如核酸核酸（特别是（特别是DNADNA）和蛋白质）和蛋白质；二是小分子物质，如膜脂；二是小分子物质，如膜脂质最为常见。质最为常见。7/20/202412一、反应的类型：一、反应的类型：p共价结合（共价结合（convalentconvalent binding binding）: : 指化学毒物或其代谢产物与机体的一些重要生物大分子指化学毒物或其代谢产物与机体的一些重要生物大分子（核酸、蛋白质、酶、膜脂质等）发生共价结合，形成加合（核酸、蛋白质、酶、膜脂质等）发生共价结合，形成加合物，从
13、而改变这些大分子的化学结构与其生物学功能。物，从而改变这些大分子的化学结构与其生物学功能。加合加合物物(adducts)(adducts)指化学物与生物大分子之间通过共价键形成的稳指化学物与生物大分子之间通过共价键形成的稳定复合物。如定复合物。如亲电子剂。亲电子剂。p非共价结合（非共价结合（nonconvalentnonconvalent binding binding）: : 通过非极性交互作用或形成氢键与离子键的形式结合，通过非极性交互作用或形成氢键与离子键的形式结合，具有代表性的非共价结合包括：毒物与膜受体、细胞内受体、具有代表性的非共价结合包括：毒物与膜受体、细胞内受体、离子通道以及某
14、些酶等靶分子的交互作用。离子通道以及某些酶等靶分子的交互作用。p电子转移电子转移：如如氧化损伤。氧化损伤。 7/20/202413毒物对靶分子的影响毒物对靶分子的影响( (一一) )脂质过氧化损害：脂质过氧化损害： 脂质过氧化脂质过氧化脂质过氧化脂质过氧化(lipid (lipid (lipid (lipid peroxidationperoxidationperoxidationperoxidation) ) ) ) ：指主要由自：指主要由自：指主要由自：指主要由自由基引起的由基引起的由基引起的由基引起的多不饱和脂肪酸的氧化作用多不饱和脂肪酸的氧化作用多不饱和脂肪酸的氧化作用多不饱和脂肪酸的
15、氧化作用, , , ,对生物膜具有对生物膜具有对生物膜具有对生物膜具有强烈的破坏作用。强烈的破坏作用。强烈的破坏作用。强烈的破坏作用。 7/20/202414脂质过氧化的后果：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，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其中特别有害的是一些不饱和醛类。 7/20/202415（二）蛋白质的氧化损伤（二）蛋白质的氧化损伤1 1机制：机制： (1)脂脂肪肪族族氨氨基基酸酸氧氧化化损损伤伤最最常常见见的的途途径径为为：在在-位位置置上上将将一一个个氢氢原
16、原子子除除去去，形形成成C中中心心自自由由基基，破坏脂肪族氨基酸的结构。破坏脂肪族氨基酸的结构。 (2)芳芳香香氨氨基基酸酸多多出出现现羟羟基基衍衍生生物物。后后者者可可将将苯苯环打开或在酪氨酸处交联成二聚体。环打开或在酪氨酸处交联成二聚体。毒物对靶分子的影响毒物对靶分子的影响7/20/202416(3)由过渡金属介导出的氧化损伤（由过渡金属介导出的氧化损伤（Fenton反应）。反应）。 其其特特点点为为部部位位特特异异性性。因因为为，在在蛋蛋白白质质结结构构内内只有一个或几个金属结合部位的氨基酸受到影响。只有一个或几个金属结合部位的氨基酸受到影响。 (4)脂脂质质过过氧氧化化的的自自由由基基
17、中中间间产产物物（如如烷烷氧氧自自由由基基(LO)和和过过氧氧自自由由基基(LOO)）可可与与脂脂质质紧紧密密联联系系的的蛋白质反应。蛋白质反应。7/20/202417（二）蛋白质的氧化损伤（二）蛋白质的氧化损伤 2 2后果后果 蛋蛋白白质质氧氧化化损损伤伤的的后后果果是是使使其其凝凝集集、交交联联、降降解解或或断断裂裂，这这主主要要取取决决于于蛋蛋白白质质成成分分及及自自由由基的种类。基的种类。 7/20/202418（三）核酸的氧化损伤：（三）核酸的氧化损伤： 1 1碱基损伤碱基损伤 活活性性氧氧攻攻击击DNADNA的的靶靶位位点点是是腺腺嘌嘌呤呤与与鸟鸟嘌嘌呤呤的的C C8 8，嘧啶的嘧
18、啶的C C5 5与与C C6 6双键。双键。毒物对靶分子的影响毒物对靶分子的影响7/20/2024192 2DNADNA链断裂：链断裂： OHOH对对DNADNA的的攻攻击击，主主要要针针对对DNADNA分分子子中中的的核核糖糖部部分分，可可能能在在DNADNA分分子子中中核核糖糖的的33和和44碳碳位位上上，造造成成DNADNA链的断裂。链的断裂。 7/20/202420第三节第三节 细胞功能障碍与毒性细胞功能障碍与毒性一一 毒物引起细胞调节功能障碍：毒物引起细胞调节功能障碍：（一）基因表达调节障碍：（一）基因表达调节障碍： 1.1.信号转导调节障碍：信号转导调节障碍： 细胞外信号分子细胞外
19、信号分子( (如生长因子、细胞因子、激素如生长因子、细胞因子、激素和神经递质和神经递质) )能利用细胞表面受体和细胞内信号转能利用细胞表面受体和细胞内信号转导网络激活转录因子（导网络激活转录因子（TFsTFs）。）。 化学物可通过改变蛋白磷酸化或干扰化学物可通过改变蛋白磷酸化或干扰G G蛋白蛋白（RasRas），而引起信号转导的异常。），而引起信号转导的异常。7/20/2024212 2、转录调节障碍：、转录调节障碍： 遗传信息从遗传信息从DNADNA转录给转录给mRNAmRNA时，主要受转录因时，主要受转录因子（子（TFsTFs）与基因调节或启动子区域间的相互作用所）与基因调节或启动子区域间
20、的相互作用所控制。控制。 外源化学物可与基因的启动子区域、转录因外源化学物可与基因的启动子区域、转录因子等交互作用，使其激活作用改变。子等交互作用，使其激活作用改变。7/20/202422二、毒物引起的细胞维持功能改变二、毒物引起的细胞维持功能改变 oATP耗竭：耗竭： ADP在线粒体中由在线粒体中由ATP合成酶重新磷酸化生合成酶重新磷酸化生成。化学物可阻碍这些过程，干扰线粒体成。化学物可阻碍这些过程，干扰线粒体ATP合合成。成。p细胞内细胞内Ca2+稳态失调：稳态失调： 7/20/202423细胞内钙稳态细胞内钙稳态 在细胞静息状态下细胞内的游离在细胞静息状态下细胞内的游离Ca2+仅为仅为1
21、0-7mol/L，而细胞外液而细胞外液Ca2+则达则达10-3mol/L,有很大的浓度差。当细胞受到刺激时，则细胞内游有很大的浓度差。当细胞受到刺激时，则细胞内游离离Ca2+迅速增高可达迅速增高可达10-5mol/L，使细胞兴奋，此后再降低至，使细胞兴奋，此后再降低至10-7mol/L，恢复细胞静息状态而完成信息转递循环。把上述，恢复细胞静息状态而完成信息转递循环。把上述Ca2+浓度变化的动态浓度变化的动态平衡状态，称为平衡状态，称为细胞内钙稳态细胞内钙稳态。 Ca2+是体内第二信使。是体内第二信使。 10-7 10-5 10-7 10-5 10-710-710-710-37/20/20242
22、4 细胞内钙稳态的作用细胞内钙稳态的作用：如肌肉收缩、神：如肌肉收缩、神经转导、细胞分泌、细胞分化和增殖。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。各种酶反应系统或功能性蛋白。 7/20/202425CaCa2+2+信使作用实现信使作用实现 v钙结合蛋白能介导钙结合蛋白能介导CaCa2+2+信使作用信使作用: :如钙调蛋白如钙调蛋白( (CaMCaM) )。vCaCa2+2+对对cAMPcAMP有协调或拮抗。有协调或拮抗。vCaC
23、a2+2+对蛋白激酶对蛋白激酶C(PKC)C(PKC)、磷脂酶磷脂酶C(PLC)C(PLC)的调节。的调节。vCaCa2+2+对离子通道对离子通道有有活化作用。活化作用。7/20/202426细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性 v重金属离子重金属离子 v农药农药 v四氯化碳四氯化碳 7/20/202427重金属离子重金属离子 主要有铅和镉。主要有铅和镉。铅铅在在低低浓浓度度时时能能激激活活Ca-Ca-CaMCaM依依赖赖酶酶系系。但但高高浓浓度度时时与与细细胞胞内内巯巯基基结结合合，可可抑抑制制Ca-Ca-CaMCaM依依赖赖酶酶系系，并并呈呈剂剂量量依依赖赖的双相效应。可见
24、铅的中毒机制中的双相效应。可见铅的中毒机制中CaCa2+2+有重要意义。有重要意义。镉镉可可使使CaMCaM含含量量减减少少。表表现现为为免免疫疫系系统统、雄雄性性生生殖殖系系统统以以及及心心肌肌等等异异常常，可可用用钙钙调调素素拮拮抗抗剂剂来来预预防防或或减减轻轻损损伤伤作作用用。7/20/202428农药农药 o拟除虫菊酯为神经毒化合物，有研究证实它可使神经拟除虫菊酯为神经毒化合物，有研究证实它可使神经细胞内游离细胞内游离CaCa2+2+浓度增高。浓度增高。7/20/202429四氯化碳四氯化碳它可抑制肝细胞微粒体它可抑制肝细胞微粒体CaCa2+ 2+ - - ATPaseATPase，表
25、现为肝内表现为肝内质网酶活性改变及钙的蓄积。其机制可能是质网酶活性改变及钙的蓄积。其机制可能是CClCCl4 4可可在肝脏氧化产生自由基，后者攻击在肝脏氧化产生自由基，后者攻击CaCa2+ 2+ - -ATPaseATPase上上的巯基，使酶活性下降的巯基，使酶活性下降7/20/202430钙稳态失调的机制钙稳态失调的机制 细胞内钙稳态的失调细胞内钙稳态的失调 在细胞受损时可导致在细胞受损时可导致CaCa2+2+内流增加，或内流增加，或CaCa2+2+从从细胞内贮存部位释放增加，或抑制细胞膜向外转运细胞内贮存部位释放增加，或抑制细胞膜向外转运CaCa2+2+，表现为细胞内表现为细胞内CaCa2
26、+2+浓度不可控制的持续增加，浓度不可控制的持续增加，即打破细胞内钙稳态，称为即打破细胞内钙稳态，称为细胞内钙稳态的失调细胞内钙稳态的失调。 10-710-310-7 10-5 10-7 10-5 10-77/20/202431钙稳态失调的机制钙稳态失调的机制o钙的浓度变化，可通过下列途径造成细胞损伤：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正常的激素和生长因子刺激CaCa2+2+信号的功能受损。信号的功能受损。 钙依赖性降解酶的活化，包括蛋白酶、磷脂酶和核钙依赖性降解酶的活化，包括蛋白酶、磷脂酶和核酸内切酶。酸内切酶。 损伤细胞骨架损伤细胞骨架 损害线粒体损害线粒体 与细胞凋亡有关与细胞凋亡有关 7/20/202432
