第四章

毒性機(jī)制

MechanismofToxicity袁占鵬，Ph.D武漢大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院衛(wèi)生毒理學(xué)系電話：68759982-mail:zpyuan@【目的要求】掌握毒物的增毒(toxication)現(xiàn)象熟悉毒物主要毒性機(jī)制終毒物的種類與形成終毒物與靶分子的反應(yīng)細(xì)胞功能障礙與毒性【內(nèi)容】外源化學(xué)物增毒現(xiàn)象，終毒物類型（親電物、自由基、親核物）解毒途徑，解毒過程失效的原因終毒物與靶分子的反應(yīng)：類型、毒物對靶分子的影響毒物引起的細(xì)胞調(diào)節(jié)功能障礙：基因表達(dá)調(diào)節(jié)障礙、細(xì)胞瞬息活動調(diào)節(jié)障礙毒物引起的細(xì)胞維持功能改變：內(nèi)、外研究毒性機(jī)制應(yīng)明確以下四點(diǎn)毒性效應(yīng)是由毒物引起正常細(xì)胞發(fā)生生理和生化改變的結(jié)果毒性效應(yīng)的程度除毒物本身外，還與劑量及靶部位有關(guān)靶組織和靶器官具有代償能力，可超常發(fā)揮解毒功能毒效應(yīng)包括一般毒性效應(yīng)和特殊毒性效應(yīng)研究毒性機(jī)制的步驟毒性產(chǎn)生的可能途徑毒性機(jī)制涉及多個層次和步驟毒物被轉(zhuǎn)運(yùn)一個或多個靶部位毒物或代謝產(chǎn)物與內(nèi)源性靶分子相互作用細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能紊亂啟動細(xì)胞或分子水平修復(fù)產(chǎn)生毒性效應(yīng)毒物引起的損傷超過修復(fù)能力或修復(fù)本身障礙時靶分子結(jié)構(gòu)改變功能紊亂機(jī)制毒理學(xué)MechanisticTox.主要研究毒物對機(jī)體毒性作用的細(xì)胞、生化和分子機(jī)制目的是為建立敏感、特異的預(yù)測試驗安全性評價與管理更安全的化學(xué)物（或藥物）的設(shè)計與生產(chǎn)以及疾病的診斷和治療提供科學(xué)依機(jī)制毒理學(xué)研究的意義主要應(yīng)用—應(yīng)用毒理學(xué)(AppliedToxicology)證實(shí)動物中所觀察到的損害作用與人類的相關(guān)性cancer、birthdefects驗證在實(shí)驗動物中有毒而可能與人類無關(guān)的毒物OrganophosphateinsecticideinhibitionofacetylcholinesteraseSaccharin(糖精)causebladdercanerinrats設(shè)計和生產(chǎn)較為安全的化學(xué)物、合理治療中毒和臨床疾病Thalidomide(反應(yīng)停)

進(jìn)一步加深對基礎(chǔ)學(xué)科的了解秋水仙素第一節(jié)增毒與終毒物的形成Section1ToxicationandFormationofUltimateToxicant增毒與終毒物增毒(toxication)，亦即代謝活化(metabolicactivation)毒物經(jīng)生物轉(zhuǎn)化使其毒性增強(qiáng)Intoxicationvs

Toxication終毒物是指與內(nèi)源靶分子如受體、酶、DNA等反應(yīng)或嚴(yán)重地改變生物學(xué)（微）環(huán)境啟動結(jié)構(gòu)和（或）功能改變而表現(xiàn)出毒性的物質(zhì)增毒過程主要是使外源化學(xué)物轉(zhuǎn)變?yōu)橛H電物(electrophiles)自由基(freeradicals)親核物(nucleophiles)氧化還原的還原性反應(yīng)物(redox-activereductants)一、親電物的形成

親電物是一類含缺電子原子的分子(???)含不飽和共價鍵的原子、離子和分子親電物可與有富含電子的原子核的物物共享電子親電物的形成(formationofelectrophiles)常常是毒物經(jīng)Cyp450或其它酶促氧化成酮、環(huán)氧化物、不飽和酮和醛、醌和酰鹵化物等物質(zhì)陽性親電物常由化學(xué)鍵斷裂而形成二、自由基的形成自由基游離存在，帶有不成對電子的分子/原子/離子自由基的形成(formationoffreeradicals)通過接受或失去一個電子，或由化合物的共價鍵發(fā)生均裂而形成特點(diǎn)具有順磁性堆(?)DorLisimportantinbiology/biologicalactivity化學(xué)性質(zhì)十分活潑反應(yīng)性極高，半減期極短，作用半徑短（一）自由基的類型活性氧（reactiveoxygenspecies,ROS)一類含氧功能基團(tuán)的化學(xué)性質(zhì)活潑的物質(zhì)包括單線態(tài)氧超氧陰離子自由基(O2.)羥基自由基(.OH)過氧化氫(H2O2)臭氧(O3)氮氧化物(NOx)次氯酸(HOCl)胞漿中的小分子自氧化促使氧還原，產(chǎn)生氧自由基胞漿蛋白質(zhì)(酶)催化的反應(yīng)dopamine-β-hydroxylaseD-aminoacidoxidasefattyacyl

CoA

oxidasexanthine

oxidase（二）自由基的來源1膜酶活性lipoxygenasecycloxygenase細(xì)胞吞噬過程及呼吸爆發(fā)(respiratoryburst)過氧化酶體線粒體電子傳遞過程微粒體電子傳遞系統(tǒng)自由基的來源2是較少見的一種毒物活化機(jī)制硒化氫是由亞硒酸鹽與谷胱甘肽或其他巰基反應(yīng)形成的一種強(qiáng)親核物一氧化碳經(jīng)由氧化取鹵反應(yīng)而形成的毒性代謝產(chǎn)物三、親核物的形四、氧化還原活性還原劑的形成最活潑的代謝物是缺電子的分子或分子片段，如親電子物或中性物，或陽性物多數(shù)親核物需轉(zhuǎn)化成親電子物后才能反應(yīng)帶一個多余電子的自由基在HOOH的斷裂，形成中性.OH而產(chǎn)生毒性作用增毒過程小結(jié)是指通過生物轉(zhuǎn)化而將終毒物排除，或者阻止毒性產(chǎn)物形成的過程在某些情況下，解毒可能與中毒競爭同一化學(xué)物五、解毒(detoxication)

根據(jù)毒物化學(xué)性質(zhì)無功能基團(tuán)毒物的解毒親核物的解毒親電物的解毒自由基解毒蛋白質(zhì)毒素解毒解毒途徑分類Detoxicationoftoxicantswithnoreactivegroups無功能基團(tuán)化學(xué)物（如：苯和甲苯）機(jī)體內(nèi)的功能基團(tuán)（羥基和羧基）CytP450等成為含功能基團(tuán)產(chǎn)物內(nèi)源性酸如葡萄糖醛酸、硫酸或氨基酸轉(zhuǎn)移酶高度親水的、較不活潑的有機(jī)酸排出體外1.

無功能基團(tuán)毒物的解毒一般通過在親核功能基團(tuán)上的結(jié)合反應(yīng)來解毒如羥基毒物通過硫酸化作用葡萄糖醛酸化作用羧基花成為高度親水的、較不活潑的分子而排出體外2.

親核物的解毒一般通過與巰基親核物谷胱苷肽共軛結(jié)合而解毒此類反應(yīng)可自發(fā)產(chǎn)生或由谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶協(xié)同進(jìn)行金屬離子Ag2+(silver)Cd2+(cadmium)Hg2+(mercury)CH3Hg離子(methylmercury,commonlycalledasorganicmercury)與谷胱甘肽反應(yīng)而解毒3.親電物的解毒沒有任何一種酶能排除.OH唯一有效的抗.OH方法是防止其產(chǎn)生可通過兩個反應(yīng)防止其產(chǎn)生將O2-.先轉(zhuǎn)化成HOOH，再將HOOH轉(zhuǎn)化成水4.

自由基解毒

細(xì)胞內(nèi)/外的蛋白酶參與有毒多肽的失活5.

蛋白質(zhì)毒素解毒 原因 后果使解毒酶失活(偶爾可見) 中毒、終毒物蓄積某些結(jié)合反應(yīng)可被逆轉(zhuǎn) 中毒、終毒物蓄積有時解毒過程產(chǎn)生潛在的 中毒、終毒物蓄積 有害副產(chǎn)物六、解毒過程失效第二節(jié)終毒物與靶分子的反應(yīng)Section2reactionoftheultimatetoxicantwiththetargetmolecule理論上所有內(nèi)源性物都是毒物的潛在靶標(biāo)主要有機(jī)體大分子如核酸，特別是DNA蛋白質(zhì)膜脂質(zhì)其他成分?并不是所有的毒物與靶標(biāo)的反應(yīng)都有害?一、靶分子的屬性(attribute)終毒物與靶標(biāo)反應(yīng)，并對其功能產(chǎn)生不良影響終毒物在靶部位達(dá)到有效濃度終毒物在某種機(jī)制上，以所觀察的毒性相關(guān)的方式改變靶標(biāo)確定毒作用靶分子的標(biāo)準(zhǔn)非共價結(jié)合(noncovalentbinding)共價結(jié)合(covalentbinding)去氫反應(yīng)(hydrogenabstraction)電子轉(zhuǎn)移(electrontransfer)酶促反應(yīng)(enzymaticreaction)二、終毒物與靶標(biāo)反應(yīng)的類型通過非極性交互作用或形成氫鍵與離子鍵如毒物與膜受體、細(xì)胞內(nèi)受體、離子通道某些酶等靶分子的交互作用特點(diǎn)互補(bǔ)結(jié)合通常是可逆的（一）非共價結(jié)合共價結(jié)合一般是不可逆的，能永久性改變內(nèi)源性分子結(jié)構(gòu)，故共價結(jié)合具有重要的毒理學(xué)意義?親電毒物與親核生物大分子如：蛋白質(zhì)和核酸的反應(yīng)?親電原子對親核原子具有選擇性，這主要取決于其負(fù)載與半徑的比例?軟（次）親電物較易與軟（次）親核物反應(yīng)?硬（強(qiáng)）親電物較易與硬（強(qiáng)）親核物反應(yīng)（二）共價結(jié)合是指終毒物與內(nèi)源性分子反應(yīng)，引起靶分子的功能失調(diào)和結(jié)構(gòu)破壞

表現(xiàn)為靶分子功能失調(diào)靶分子結(jié)構(gòu)的破壞新抗原形成化學(xué)物引起的生物學(xué)微環(huán)境改變而產(chǎn)生毒性三、毒物對靶分子的影響常見的是毒物抑制靶分子功能也有毒物能模擬內(nèi)源配體而激活蛋白質(zhì)的靶分子AhR阻斷神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞阻斷離子的轉(zhuǎn)運(yùn)而抑制線粒體電子傳送鏈的功能作用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位是其活性基團(tuán)有干擾DNA的模板功能1.

靶分子功能失調(diào)形成DNA加合物(adduct)也可改變內(nèi)源分子的主體結(jié)構(gòu)通過交聯(lián)導(dǎo)致分子斷裂，等脂質(zhì)過氧化分解作用蛋白質(zhì)降解作用DNA斷裂作用2.

靶分子結(jié)構(gòu)的破壞變異的蛋白可能會促發(fā)免疫反應(yīng)3.

新抗原形成能改變生物水相中H+離子濃度的化學(xué)物使細(xì)胞膜脂質(zhì)相發(fā)生物理化學(xué)改變通過占據(jù)位置或空間引起危害4.

引起的生物學(xué)微環(huán)境改變的毒物第三節(jié)

細(xì)胞功能障礙與毒性Section3cellulardysfunctionandtoxicity

機(jī)體協(xié)調(diào)細(xì)胞的各種活動，是通過每個細(xì)胞執(zhí)行其各自的指令或程序而實(shí)現(xiàn)的長期程序決定細(xì)胞的歸宿，即細(xì)胞是否進(jìn)入分裂、分化或死亡短期程序控制各種已分化細(xì)胞的活動，決定細(xì)胞是否分泌各種物質(zhì)、轉(zhuǎn)移或代謝營養(yǎng)物質(zhì)等由信號分子來調(diào)節(jié)和控制—激活其細(xì)胞受體，通過信號傳達(dá)的網(wǎng)絡(luò)將信號傳送至基因的調(diào)節(jié)部位或功能蛋白對每個信號分子來說多有多種調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)功能系統(tǒng)細(xì)胞的正常生理功能受體激活激發(fā)的信號傳導(dǎo)示意圖 任何能夠直接或間接干擾細(xì)胞正常信號傳導(dǎo)和功能調(diào)節(jié)的毒物都能引起細(xì)胞調(diào)節(jié)功能障礙(cellulardysregulation)主要是通過受體激活一、毒物引起的細(xì)胞調(diào)節(jié)功能障礙改變特異靶基因的表達(dá)，使特定蛋白的功能增加或減少調(diào)節(jié)磷酸化/去磷酸化(phospharylationanddephospharylation)，使特定蛋白發(fā)生化學(xué)修飾，從而激活或抑制蛋白質(zhì)p53etc.

?控制細(xì)胞歸宿的程序主要影響基因表達(dá)

?調(diào)節(jié)細(xì)胞活動的程序主要影響蛋白質(zhì)功能受體激活可蛋白激酶—磷酸化磷酸水解酶 可發(fā)生在與轉(zhuǎn)錄直接有關(guān)的部位在信號傳導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)部位或者在其信號分子的合成、儲存和釋放的過程中（一）基因表達(dá)調(diào)節(jié)障礙遺傳信息從DNA轉(zhuǎn)錄到mRNA的過程調(diào)控主要是由轉(zhuǎn)錄因子與基因的及啟動部位相互作用毒物可作用于轉(zhuǎn)錄因子、基因啟動部位或其他啟動復(fù)合體部位?配體激活?信號激活1.轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)障礙激活轉(zhuǎn)錄因子(TranscriptionFactor)細(xì)胞激動素(cytokine)激素(hormone)和生長因子(growthfactor)等常見的激動轉(zhuǎn)錄因子及啟動基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)制是磷酸化反應(yīng)絕大多數(shù)影響信號傳遞至轉(zhuǎn)錄因子，包括蛋白質(zhì)磷酸化或去磷酸化的反應(yīng)，都會改變由轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)的基因表達(dá)2.

信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)障礙作用于膜受體的信號分子通過受體構(gòu)象改變激活細(xì)胞內(nèi)第二信使調(diào)節(jié)Ca2+進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)增加cGDP濃度，等

而將信號傳至細(xì)胞核，從而控制細(xì)胞活動毒物可通過破壞信號的傳遞過程而損害細(xì)胞的活動（二）細(xì)胞瞬息活動的調(diào)節(jié)障礙 細(xì)胞維持功能改變 toxicalterationofcellularmaintenance多細(xì)胞生物體的細(xì)胞必須維持自身結(jié)構(gòu)和功能的完整性，并支持其他細(xì)胞如果毒物能影響/破壞這些功能，則產(chǎn)生毒效二、毒物引起細(xì)胞維持功能改變