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1、【目的要求】掌握毒物的增毒(toxication)现象熟悉毒物主要毒性机制终毒物的种类与形成终毒物与靶分子的反应细胞功能障碍与毒性第四章第四章 毒作用机制毒作用机制 第一节第一节 概概 述述一、概念：一、概念：终毒物终毒物（ultimate toxicantultimate toxicant）是指与内源靶分子）是指与内源靶分子（如受体、酶、（如受体、酶、DNADNA、微丝蛋白、脂质）反应或严、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。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）；终
2、毒物可为机体所暴露的原化学物（母化合物）；而另外一些毒物的毒性主要是由于而另外一些毒物的毒性主要是由于其代谢物其代谢物引起，引起，生物转化为有害产物的过程称为生物转化为有害产物的过程称为增毒增毒（toxication）或代谢活化）或代谢活化（metabolic metabolic activationactivation）。）。毒效应的强度毒效应的强度主要取决于终毒物在其作用位点的浓主要取决于终毒物在其作用位点的浓度及持续时间。度及持续时间。 二、增毒过程二、增毒过程主要是使外源化学物转变为亲电物(electrophiles)自由基(free radicals)亲核物(nucleophiles
3、)氧化还原的还原性反应物(redox-active reductants) 三、化学毒物产生毒性的可能途径三、化学毒物产生毒性的可能途径 化学毒物化学毒物吸收、分布、代谢、排泄吸收、分布、代谢、排泄与靶分子相互作用与靶分子相互作用细胞功能失调、损伤细胞功能失调、损伤细胞修复功能失调细胞修复功能失调毒毒毒毒 性性性性解毒是指通过生物转化而将终毒物排除，或者阻止毒性产物形成的过程。在某些情况下，解毒可能与中毒竞争同一化学物。解毒途径解毒途径分类分类:无功能基团毒物的解毒； 亲核物的解毒亲电物的解毒； 自由基解毒蛋白质毒素解毒四四、解毒、解毒(detoxication) Detoxication o
4、f toxicants with no reactive groups无功能基团化学物（如：苯和甲苯）机体内的功能基团（羟基和羧基）Cyt P450等成为含功能基团产物内源性酸如葡萄糖醛酸、硫酸或氨基酸转移酶高度亲水的、较不活泼的有机酸排出体外1. 无功能基团毒物的解毒无功能基团毒物的解毒一般通过在亲核功能基团上的结合反应来解毒如羟基毒物通过硫酸化作用葡萄糖醛酸化作用羧基化最终成为高度亲水的、较不活泼的分子而排出体外2. 亲核物的解毒亲核物的解毒一般通过与巯基亲核物谷胱苷肽共轭结合而解毒此类反应可自发产生；或由谷胱甘肽-S-转移酶协同进行如金属离子Ag2+ (silver)； Cd2+ (ca
5、dmium)Hg2+ (mercury)； CH3Hg离子(methyl mercury, commonly called as organic mercury)与谷胱甘肽反应而解毒3.亲电物的解毒亲电物的解毒4. 自由基解毒自由基解毒没有任何一种酶能排除.OH唯一有效的抗.OH方法是防止其产生可通过两个反应防止其产生将O2-.先转化成HOOH，再将HOOH转化成水 5. 蛋白质毒素解毒蛋白质毒素解毒细胞内/外的蛋白酶参与有毒多肽的失活。第二节第二节 化学毒物对生物膜的损害作用化学毒物对生物膜的损害作用一、化学毒物对生物膜的组成成分的影响一、化学毒物对生物膜的组成成分的影响1、化学毒物对生物膜
6、的组成成分的影响、化学毒物对生物膜的组成成分的影响-对膜蛋对膜蛋 白质、膜脂质和糖膜的影响白质、膜脂质和糖膜的影响;2、化学毒物对膜生物物理性质的影响、化学毒物对膜生物物理性质的影响-对膜通透性、对膜通透性、膜流动性和膜表面电荷的影响。膜流动性和膜表面电荷的影响。二、化学毒物对细胞膜物理性质的影响二、化学毒物对细胞膜物理性质的影响 1、对膜通透性的影响；、对膜通透性的影响； 2、对膜流动性的影响；、对膜流动性的影响； 3 对膜表面电荷的影响。对膜表面电荷的影响。 第三节第三节 化学毒物对细胞钙稳态的影响化学毒物对细胞钙稳态的影响一、细胞内钙稳态一、细胞内钙稳态 细胞细胞Ca2+可分为细胞内可分
7、为细胞内Ca2+和细胞外和细胞外Ca2+，细胞外细胞外Ca2+浓度约为浓度约为10-3molL，细胞内，细胞内Ca2+浓度为浓度为10-7molL，仅为细胞外的，仅为细胞外的110000。当细胞处于兴奋状态时，细胞内游。当细胞处于兴奋状态时，细胞内游离的离的Ca2+迅速增加迅速增加(可达可达10-5molL)，随后，随后再降至再降至10-7molL，完成信息传递循环。，完成信息传递循环。Ca2+浓度的这一变化过程通常呈稳定状态，浓度的这一变化过程通常呈稳定状态，故称为细胞内钙稳态故称为细胞内钙稳态第三节第三节 化学毒物对细胞钙稳态的影响化学毒物对细胞钙稳态的影响二、细胞钙的转运二、细胞钙的转运
8、 1、 Ca2+通过四条途径进入细胞内：通过四条途径进入细胞内： 、由于质膜内外的电位差使、由于质膜内外的电位差使Ca2+自胞外流向自胞外流向胞内；胞内； 、通过质膜上的、通过质膜上的Ca2+受体进入细胞内；受体进入细胞内； 、通过细胞膜的钙漏流进入细胞；、通过细胞膜的钙漏流进入细胞； 、通过细胞内钠离子与细胞外钙离子交换而、通过细胞内钠离子与细胞外钙离子交换而进入。进入。 第三节第三节 化学毒物对细胞钙稳态的影响化学毒物对细胞钙稳态的影响2、胞内、胞内Ca2+流出路径：流出路径： 主要依靠细胞质膜、内质网和线粒体膜上的三个主要依靠细胞质膜、内质网和线粒体膜上的三个钙泵系统。钙泵系统。 、是高
9、亲和力低容量的、是高亲和力低容量的Ca2+泵泵(Ca2+ATP酶酶)。该酶转运该酶转运Ca2+、水解、水解ATP都要有都要有Mg 2+参与，故又参与，故又称之为称之为Ca2+Mg2+ATP酶。酶。 、是、是Na+ Ca2+交换器。与交换器。与Ca2+泵的区别是亲泵的区别是亲和力低而交换容量大。和力低而交换容量大。 、内质网肌浆网也有类似质膜钙泵的转运系、内质网肌浆网也有类似质膜钙泵的转运系统，将胞内溶质统，将胞内溶质Ca2+逆浓度梯度泵入内质网。逆浓度梯度泵入内质网。 、线粒体钙转运系统是靠、线粒体钙转运系统是靠Ca2+的单一运送器进的单一运送器进行的，它是一种膜蛋白，转运行的，它是一种膜蛋白
10、，转运Ca2+的能量来自线的能量来自线粒体呼吸代谢形成的膜电位。粒体呼吸代谢形成的膜电位。第三节第三节 化学毒物对细胞钙稳态的影响化学毒物对细胞钙稳态的影响三、三、 钙稳态失调引起细胞损害的机理钙稳态失调引起细胞损害的机理 细胞钙稳态失调引起细胞损害的机制较为复细胞钙稳态失调引起细胞损害的机制较为复杂。细胞内杂。细胞内Ca2+持续性升高对机体的损害是持续性升高对机体的损害是由于它可能引起：由于它可能引起： 、能量贮备耗竭；、能量贮备耗竭； 、微管功能障碍；微管功能障碍； 、水解酶的激活。、水解酶的激活。第四节第四节 机体内生物大分子氧化损伤机体内生物大分子氧化损伤1.自由基的定义：自由基的定义
11、：自由基自由基(free radical)是任何能独立存是任何能独立存在的含有一个或多个未配对电子的在的含有一个或多个未配对电子的原子、分子或原子团。原子、分子或原子团。 未配对电子是指单独在一个轨道里未配对电子是指单独在一个轨道里的电子。的电子。自由基的形成 (formation of free radicals):自由基主要是由于化合物的自由基主要是由于化合物的共价键发生均裂而产生。共价键发生均裂而产生。自由基在生物体内来源有两个方面：自由基在生物体内来源有两个方面：一、是细胞正常生理过程产生；二、是化学毒一、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。物在体内代谢过程产生。
12、许多外来化合物许多外来化合物可通过各种不同途径产生自由可通过各种不同途径产生自由基基，但其中最主要的途径是通，但其中最主要的途径是通过氧化还原反应过氧化还原反应（redox cyclingredox cycling）。它通过加入一个单电子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电子转移给分子氧而形成超氧阴离子自由基(O(O2 2- -)，而中间产物则再生为原化学物。如：，而中间产物则再生为原化学物。如：百草枯百草枯(PQ+)(PQ+)、阿霉素、阿霉素(DR)(DR)和硝化呋喃托英和硝化呋喃托英(N
13、F)(NF)可从还原酶接受一个电子形成自由基。可从还原酶接受一个电子形成自由基。第四节第四节 机体内生物大分子氧化损伤机体内生物大分子氧化损伤在与生物体有关的自由基中，最主要的是在与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氧中心自由基，这类自由基持续不断地在机体内产生。机体内产生。活性氧活性氧(reactive oxygen (reactive oxygen species,ROS)species,ROS)这个术语实际上是一个集合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名词，不仅包括氧中心自由基如O O2 2- - ，和，和OHOH，而且也包括某些氧的非
14、自由基衍生，而且也包括某些氧的非自由基衍生物，如物，如H H2 2O O2 2、单线态氧和次氯酸，甚至还包、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。有化学性质活泼的含氧功能基团。 2.自由基的共同特点：自由基的共同特点：、具有顺磁性、具有顺磁性; 、化学反应性极强、化学反应性极强、作用半径小、作用半径小 ; 、生物半减期极短、生物半减期极短3.自由基种类：自由基种类：、氧自由基：、氧自由基：(体内体内95%以上为氧自由基以上为氧自由基)
15、超氧阴离子超氧阴离子 (O2-. )；羟自由基；羟自由基 (OH.)烷氧基烷氧基 (RO.)；烷过氧基；烷过氧基 (ROO.)；单线；单线态氧态氧 (1O2)；脂过氧基；脂过氧基 (LOO.)；过氧化氢；过氧化氢 H2O2 、碳自由基、碳自由基 ；、氮、磷自由基、氮、磷自由基 、脂自由基、脂自由基4.体内自由基的防御体系体内自由基的防御体系 1）非酶类自由基的防御体系：）非酶类自由基的防御体系： 谷胱甘肽谷胱甘肽 维生素维生素E、维生素、维生素C、-胡萝卜素胡萝卜素 其他：泛醌、尿酸、牛磺酸、次牛磺酸、硒、其他：泛醌、尿酸、牛磺酸、次牛磺酸、硒、锌等锌等。 2）酶促防御体系：）酶促防御体系：
16、超氧化物歧化酶（超氧化物歧化酶（SODSOD） 谷胱甘肽过氧化物酶（谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PxGSH-Px） 过氧化氢酶（过氧化氢酶（CAT)CAT) 谷胱甘肽还原酶（谷胱甘肽还原酶（GR)GR) 其他酶或蛋白质其他酶或蛋白质5 自由基对生物分子损害作用自由基对生物分子损害作用 1）脂质过氧化作用及其损害）脂质过氧化作用及其损害 脂质过氧化脂质过氧化(lipid peroxidation)是指多不饱脂肪酸是指多不饱脂肪酸的氧化破坏作用。自由基易攻击生物膜上的不饱的氧化破坏作用。自由基易攻击生物膜上的不饱和脂肪酸而造成脂质过氧化，进而对生物膜产生和脂肪酸而造成脂质过氧化，进而对生物膜产生强
17、烈的破坏作用。强烈的破坏作用。 膜脂质过氧化过程可分为启动、发展和终止三个膜脂质过氧化过程可分为启动、发展和终止三个阶段。阶段。 2）对蛋白质的氧化损害）对蛋白质的氧化损害 蛋白质是自由基损害的靶分子。蛋白质是自由基损害的靶分子。 许多蛋白质是酶蛋白，氧化损伤可导致酶活性许多蛋白质是酶蛋白，氧化损伤可导致酶活性的诱导或抑制。的诱导或抑制。3）对）对DNA的氧化损伤的氧化损伤 环境污染物、化学致癌物均能诱发自由基攻击环境污染物、化学致癌物均能诱发自由基攻击DNA，表，表现为现为DNA单链断裂、双链断裂、交联等碱基损伤，出现单链断裂、双链断裂、交联等碱基损伤，出现无嘌呤位点、无嘌呤位点、5-羟甲基
18、尿嘧啶、羟甲基尿嘧啶、8-羟基脱氧鸟嘌呤羟基脱氧鸟嘌呤(8-OH-dG)。目前认为，活性氧自由基引起目前认为，活性氧自由基引起DNA氧化损伤的途径有二：氧化损伤的途径有二： 、羟自由基、羟自由基(OH)引起的引起的DNA损伤。损伤。 、核酸酶的激活导致、核酸酶的激活导致DNA损伤。损伤。4）活性氧与细胞凋亡）活性氧与细胞凋亡 活性氧诱导细胞凋亡的机制尚未完全阐明。活性氧诱导细胞凋亡的机制尚未完全阐明。 据认为，与调节凋亡有关的基因表达有关。按照该类基因据认为，与调节凋亡有关的基因表达有关。按照该类基因的表达产物对凋亡过程的影响，可分为凋亡促进基因表达的表达产物对凋亡过程的影响，可分为凋亡促进基
19、因表达和凋亡抑制基因表达。和凋亡抑制基因表达。第五节第五节 化学毒物与生物大分子的共价结合化学毒物与生物大分子的共价结合共价结合主要包括：共价结合主要包括： 1、与蛋白质共价结合、与蛋白质共价结合 、与白蛋白共价结合、与白蛋白共价结合 、与血红蛋白共价结合、与血红蛋白共价结合 、与组织细胞蛋白质共价结合、与组织细胞蛋白质共价结合 2、 与核酸分子共价结合与核酸分子共价结合 、亲电子代谢产物主要攻击鸟嘌呤、亲电子代谢产物主要攻击鸟嘌呤N7、C8、O6，腺嘌呤，腺嘌呤的的N1、 N2， 胞嘧啶和鸟嘌呤的氨基；胞嘧啶和鸟嘌呤的氨基； 亲核代谢产物主要攻击胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶的亲核代谢产物主要攻击胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶的C6。此外，胸腺嘧啶的。此外，胸腺嘧啶的N3、O2、O6也易受到攻击。也易受到攻击。 不同类型的不同类型的DNA加合物可引起不同的生物学效应。包括加合物可引起不同的生物学效应。包括细胞毒性、诱变作用、活化癌基因，乃至引发细胞癌变。细胞毒性、诱变作用、活化癌基因，乃至引发细胞癌变。
