1、毒理学基础 第四章 毒物作用机制第四章第四章 毒作用机制毒作用机制n毒作用机制研究的内容毒作用机制研究的内容 毒物如何进入机体毒物如何进入机体 毒物怎样与靶分子相互作用毒物怎样与靶分子相互作用 毒物怎样表现其有害作用毒物怎样表现其有害作用 机体有害作用的反应如何机体有害作用的反应如何第四章第四章 毒作用机制毒作用机制n毒物在体内的可能毒性过程毒物在体内的可能毒性过程 毒物的转运过程是毒性发展的第一阶段毒物的转运过程是毒性发展的第一阶段第一节第一节 外源化学物的增毒与解毒外源化学物的增毒与解毒 一、亲电物的形成一、亲电物的形成n亲电物亲电物 是指含有一个缺电子原子是指含有一个缺电子原子(带部分或
2、全部正电荷带部分或全部正电荷)的的分子，它能通过与亲核物中的富电子原子共享电子分子，它能通过与亲核物中的富电子原子共享电子对而发生反应。对而发生反应。亲电物的形成亲电物的形成 通过插入一个氧原子而产生通过插入一个氧原子而产生 共轭双键形成共轭双键形成 键异裂键异裂 金属的氧化还原金属的氧化还原 注：注：AAF2乙酰氨基芴，乙酰氨基芴，ADH醇脱氢酶，醇脱氢酶，CCL半胱氨酸结合半胱氨酸结合裂解酶；裂解酶；ChE乙酰胆碱酯酶；乙酰胆碱酯酶；DENA二乙基亚硝胺；二乙基亚硝胺；DMABN，N二甲基二甲基4氨基偶氮苯；氨基偶氮苯；7，12DMBA7，12二甲基苯并蒽；二甲基苯并蒽；DES二乙基己烯雌
3、酚；二乙基己烯雌酚；DP二肽酶；二肽酶；FMO黄素单加氧酶；黄素单加氧酶；GT尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶；尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶；GGT谷氨酰基转移酶；谷氨酰基转移酶；GST谷胱甘肽硫转移酶；谷胱甘肽硫转移酶；HAPP杂环芳香胺热裂解产物；杂环芳香胺热裂解产物；HCBD六氯丁二烯；六氯丁二烯；p450细胞色素细胞色素p450；ST磺基转移酶；磺基转移酶；s.r.自发重排自发重排 n介绍几种主要的活性氧介绍几种主要的活性氧 1 1单线态氧单线态氧 单线态氧（单线态氧（gOgO2 2）单线态氧单线态氧(g+O(g+O2 2)2 2超氧阴离子自由基超氧阴离子自由基 3 3过氧化氢过氧化氢(H(H
4、2 2O O2 2)4 4羟基自由基羟基自由基(OH)OH)5 5臭氧臭氧(O(O3 3)6 6氮的氧化物氮的氧化物NO NO、NONO2 2、过氧亚硝基过氧亚硝基(ONOO(ONOO)7 7次氯酸次氯酸(HOCl)(HOCl)（二）自由基的来源（二）自由基的来源 1 1生物系统产生的自由基生物系统产生的自由基 1 1）胞浆中的小分子）胞浆中的小分子 2 2）胞浆蛋白质）胞浆蛋白质 3 3）膜酶活性反应）膜酶活性反应 4 4）吞噬细胞的吞噬过程及）吞噬细胞的吞噬过程及“呼吸爆呼吸爆发发”(respiratory burst)5 5）过氧化酶体）过氧化酶体 6 6）线粒体电子传递过程）线粒体电子
5、传递过程 7 7）微粒体电子传递系统）微粒体电子传递系统 三、亲核物的形成三、亲核物的形成 是毒物活化作用较少见的一种机制。如苦杏仁经肠道细是毒物活化作用较少见的一种机制。如苦杏仁经肠道细 菌菌-糖苷酶催化形成氰化物。糖苷酶催化形成氰化物。四、活性氧化还原还原反应物的形成四、活性氧化还原还原反应物的形成 氧化还原循环形成的外源性自由基以及氧化还原循环形成的外源性自由基以及O O2 2和和NONO能还原结能还原结合于铁蛋白的合于铁蛋白的FeFe（），随后以），随后以FeFe（）形式将其释放）形式将其释放,由此形成的由此形成的Fe()Fe()催化催化HOHO形成形成 终毒物和靶分子的反应：终毒物和
6、靶分子的反应：是毒性发展的第二阶段是毒性发展的第二阶段 一、靶分子的属性一、靶分子的属性 n所有的内源化合物都是毒物潜在的靶标所有的内源化合物都是毒物潜在的靶标 毒理学相关的靶标是毒理学相关的靶标是，如，如、中如中如、如辅酶如辅酶A A和吡哆醛和吡哆醛n内源性分子作为靶分子必须具有合适的内源性分子作为靶分子必须具有合适的，以容许终毒物发生共价或非共价反应。，以容许终毒物发生共价或非共价反应。n靶分子必须接触靶分子必须接触的终毒物，故处于的终毒物，故处于反应活反应活性化学物邻近性化学物邻近或或接近它们形成部位接近它们形成部位的内源性分子常常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
7、催化这是靶分子。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些代谢物形成的或或 ；2.2.共价结合共价结合(convalent binding)是不可逆的，这种结合持久地改变内源分子，具有重要的是不可逆的，这种结合持久地改变内源分子，具有重要的毒理学意义毒理学意义 3.3.去氢反应去氢反应(hydrogen abstraction)（自由基作用）（自由基作用）nR-SH(R-S)巯基化合物巯基化合物/硫基自由基（为次黄酸硫基自由基（为次黄酸/R-SOH和二硫化物和二硫化物/R-S-S-R等巯基氧化物的前身；等巯基氧化物的前身；三、毒物对靶分子的影响三、毒物对靶分子的影响 1.1.靶分子功
8、能失调靶分子功能失调n对蛋白质靶：对蛋白质靶：活化靶蛋白分子，模拟内源性配体活化靶蛋白分子，模拟内源性配体 抑制靶分子的功能抑制靶分子的功能 （酶、受体、通道、复合物）（酶、受体、通道、复合物）n对对NDANDA靶：靶：干扰干扰DNADNA的模板功能，化学物与的模板功能，化学物与DNADNA共价结合引起复共价结合引起复制期间核苷酸错配。制期间核苷酸错配。2 2靶分子的破坏靶分子的破坏3 3新抗原形成新抗原形成4 4毒物引起生物学微环境改变毒物引起生物学微环境改变p改变生物水相中氢离子浓度改变生物水相中氢离子浓度p使细胞膜脂质发生物理化学或生物物理变化使细胞膜脂质发生物理化学或生物物理变化p占据
9、空间位置占据空间位置l细胞通过程序执行其细胞通过程序执行其调节功能调节功能某些程序决定某些程序决定细胞的命运细胞的命运：增殖、分化或凋亡；：增殖、分化或凋亡；某些程序控制已分化细胞的某些程序控制已分化细胞的瞬息活动瞬息活动ongoing（momentory）activity:细胞分泌物质的数量、收细胞分泌物质的数量、收缩或舒张、转运和代谢营养物质的速率缩或舒张、转运和代谢营养物质的速率;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、毒物引起一、毒物引起细胞调节功能细胞调节功能障碍障碍 细胞受细胞受信号分子信号分子所调节，它激活与所调节，它激活与信号转导网络信号转导网络所联系的所联系的
10、细胞受体细胞受体，而信号转导网络将信号传递给，而信号转导网络将信号传递给基因的调节区域基因的调节区域和和/或或功能蛋白功能蛋白。受体激活受体激活最终可导致：最终可导致：（1 1）改变）改变基因表达基因表达，增加或减少，增加或减少特定蛋白特定蛋白的功能。的功能。（2 2）通过）通过磷酸化磷酸化使使特定蛋白特定蛋白发生发生化学修饰化学修饰，从而，从而激活激活或或抑制抑制蛋白质。蛋白质。控制细胞命运控制细胞命运的程序主要影响的程序主要影响基因表达基因表达；而；而调节日常活调节日常活动的程序动的程序主要影响主要影响功能蛋白的活性。功能蛋白的活性。（一）基因表达调节障碍（一）基因表达调节障碍1 1基因转
11、录调节障碍基因转录调节障碍n 毒物可激活转录因子（毒物可激活转录因子（TFsTFs）。）。n 有两种类型的有两种类型的TFsTFs，即：，即：配体激活的配体激活的TFsTFs 信号激活的信号激活的TFsTFsn天然配体：天然配体：激素（如类固醇、甲状腺激素）激素（如类固醇、甲状腺激素）（内源性配体（内源性配体 (维生素（视黄醇和维生素维生素（视黄醇和维生素D D）通过结合与激活而影响基因的表达通过结合与激活而影响基因的表达 n 化学物化学物 模拟天然配体模拟天然配体 2.2.信号转导调节障碍信号转导调节障碍 n具有增殖效应的化学物对信号转导的影响具有增殖效应的化学物对信号转导的影响 此类化学物
12、此类化学物使信号转导蛋白磷酸化使信号转导蛋白磷酸化，促进有丝分裂和肿瘤，促进有丝分裂和肿瘤形成。形成。n化学物化学物改变了抗增生效应信号的转导改变了抗增生效应信号的转导 。（二）细胞瞬息活动的调节障碍（二）细胞瞬息活动的调节障碍 1 1电可兴奋细胞电可兴奋细胞的调节障碍的调节障碍 1 1）神经递质水平的改变：）神经递质水平的改变：毒物通过干扰毒物通过干扰神经递质神经递质的的合成、贮存、释放合成、贮存、释放或从或从受受体附近清除体附近清除而改变突触的神经递质水平。而改变突触的神经递质水平。2 2）毒物）毒物-神经递质受体交互作用神经递质受体交互作用 3 3）毒物）毒物-信号转导蛋白交互作用信号转
13、导蛋白交互作用 4 4）毒物）毒物-信号终止蛋白的交互作用信号终止蛋白的交互作用 二、毒物引起细胞维持功能的改变二、毒物引起细胞维持功能的改变(一一)细胞内部维持自身功能的损害细胞内部维持自身功能的损害中毒性细胞死亡的机制中毒性细胞死亡的机制 1.危害细胞存活的原发性代谢紊乱：危害细胞存活的原发性代谢紊乱：n ATP耗竭：耗竭：n Ca2+蓄积：蓄积：n ROS/RNS生成生成 2.原发性代谢紊乱之间的相互影响导致的细胞紊乱原发性代谢紊乱之间的相互影响导致的细胞紊乱 n细胞细胞ATP储存的耗竭剥夺了内质网质膜储存的耗竭剥夺了内质网质膜Ca2+泵的燃料，泵的燃料，引起胞浆引起胞浆Ca2+的升高。
14、的升高。n细胞内高钙促进细胞内高钙促进ROS和和RNS的形成，而的形成，而ROS与与RNS使使巯基依赖的巯基依赖的Ca2+泵发生氧化性失活，这反过来又加剧泵发生氧化性失活，这反过来又加剧了高钙。了高钙。n ROS与与RNS也能消耗也能消耗ATP储备储备 n ONOO能诱发能诱发DNA单链断裂，导致聚（单链断裂，导致聚（ADP-核糖）核糖）聚合酶（聚合酶（PARP）激活）激活，耗，耗ATP。最终引起坏死或凋亡的初级代谢紊乱（ATP耗竭，细胞内高钙含量和ROS/RNS过量产生）间的相互关系。ATPSYNATP合酶；MET线粒体电子传递；NOS一氧化氮合酶；PARP聚（ADP核糖）聚合酶；ROS活性
15、氧；RNS活性氮；XO黄嘌呤氧化酶；m线粒体膜电位 3.3.线粒体损伤在细胞死亡（坏死与凋亡）中的作用（线粒体损伤在细胞死亡（坏死与凋亡）中的作用（n线粒体渗透转变线粒体渗透转变(mitochondrial permeability transition,MPT）线粒体内的ATP合成（氧化磷酸化作用）线粒体损害，核线粒体损害，核DNA损害和损害和Fas或或TNF受体刺激启动的凋亡途径受体刺激启动的凋亡途径 4.ATP4.ATP的利用度决定细胞死亡的形式的利用度决定细胞死亡的形式n许多外源化学物既引起凋亡，也引起坏死。许多外源化学物既引起凋亡，也引起坏死。毒物在毒物在低暴露水平低暴露水平或或高水
16、平暴露后的早期高水平暴露后的早期阶段倾向阶段倾向于诱发于诱发凋亡凋亡;而在而在高暴露水平后期高暴露水平后期则引起则引起坏死坏死。nATPATP的利用度是决定细胞死亡形式的关键的利用度是决定细胞死亡形式的关键 受损细胞命运的“决定方案”MPT线粒体通透性转变，RO（N）S活性氧或活性氮（二）细胞外部维持的损害（二）细胞外部维持的损害 毒物干扰那些给毒物干扰那些给其他细胞组织其他细胞组织或或整个机体整个机体专专门门提供支持的细胞提供支持的细胞。例子：肝脏。例子：肝脏。第四节第四节 修复、修复紊乱与毒性修复、修复紊乱与毒性 一、损伤修复机制一、损伤修复机制1 1分子修复分子修复 （1 1）蛋白质修复
17、）蛋白质修复 n蛋白巯基（蛋白巯基（Prot-SHsProt-SHs）氧化为）氧化为 蛋白二硫化物（蛋白二硫化物（Prot-SSProt-SS、Port1-SS-Prot2Port1-SS-Prot2）、）、蛋白质蛋白质-谷胱甘肽混合二硫化物（谷胱甘肽混合二硫化物（Prot-SSG)Prot-SSG)和和 蛋白质次磺酸（蛋白质次磺酸（Prot-SOHProt-SOH）n蛋白质中的甲硫氨酸氧化为蛋白质中的甲硫氨酸氧化为 甲硫氨酸亚砜甲硫氨酸亚砜(Prot-Met=O(Prot-Met=O这是两种广泛存这是两种广泛存在的小蛋白质，在的小蛋白质，在它们的活性中在它们的活性中心含有两个氧化心含有两个氧
18、化还原活性半胱氨还原活性半胱氨酸酸上述被氧化的蛋白质通过两种内源性的还原剂上述被氧化的蛋白质通过两种内源性的还原剂 硫氧还蛋白硫氧还蛋白thioredoxinthioredoxin，TR-(SH)2TR-(SH)2 谷氧化蛋白谷氧化蛋白glutaredoxin,GRO-(SH)2 glutaredoxin,GRO-(SH)2 已氧化的血红蛋白（高铁血红蛋白）借助于来自细胞已氧化的血红蛋白（高铁血红蛋白）借助于来自细胞色素色素b5b5的电子转移来修复，然后通过的电子转移来修复，然后通过NADHNADH依赖的细胞依赖的细胞色素还原酶（也称高铁血红蛋白还原酶）而再生。色素还原酶（也称高铁血红蛋白还原酶）而再生。蛋白质巯基氧化的修复蛋白质巯基氧化的修复（2 2）脂质修复）脂质修复 过氧化的脂质过氧化的脂质通过一系列通过一系列还原剂还原剂以及以及谷胱甘肽过氧化物谷胱甘肽过氧化物酶酶和和还原酶还原酶共同协调运作的复杂过程来修复（图共同协调运作的复杂过程来修复（图2323）。）。含有含有脂肪酸氢过氧化物脂肪酸氢过氧化物的的磷酯磷酯首先为首先为磷酯酶磷酯酶A2A2所水解，所水解，过氧化的脂肪酸过氧化的脂肪酸为为正常脂肪酸正常脂肪酸所取代。同时，需要所取代。同时，需要NADPHNADPH来来修复在该过程中修复在该过程中被氧化的还原剂被氧化的还原剂。过氧化脂质的修复过氧化脂质的修复 。
