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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第五章 毒 性 机 制,1,1,概述,2,毒物对生物膜的损害作用,3,毒物对细胞钙稳态的影响,4,体内生物大分子氧化损伤,5,毒物与细胞大分子的共价结合,2,1,概述,1.1,基本概念,1.2,毒作用机制的内容,1.3,毒作用机制的意义,1.4,毒物产生毒性的可能途径,3,1.1,基本概念,毒物毒性的强度主要取决于,终毒物,在其作用部位的浓度和持续时间。,终毒物特点：,终毒物是最终产生毒性作用的物质。,终毒物可以与内源性靶分子相互作用,使整体结构和,/,或功能改变,从而导致毒性作用。,终毒物可以是母体化合物或其代谢产物，也可以是内源性分子。,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。,4,1.2,毒作用机制的内容,毒作用机制,内容,包括：毒物如何进入机体，怎样与靶分子相互作用，怎样表现其有害作用及机体对损害作用的反应等。,找出靶器官、靶组织,进一步找出受损的细胞、亚细胞,分子水平变化：,DNA,、,RNA,或蛋白质,5,1.3,毒作用机制的意义,掌握毒物作用机制不仅具有理论意义，且有,实际意义,包括：,阐明描述性毒性资料；,估计毒物所致有害作用的可能性；建立预防或解毒措施；,设计危害较小的药物和工业品；,开发对靶生物具有高选择性毒性的农药等。,6,1.4,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,7,2,毒物对生物膜的损害作用,2.1,对生物膜,组成成分,的影响,2.2,对生物膜上酶活性的影响,2.3,对生物膜生物物理性质的影响,8,2.1,对生物膜组成成分的影响,维持细胞膜的稳定性对机体内的,生物转运,、,信息传递,及,内环境稳定,是非常重要的。,化学毒物可引起膜成分的改变,。如：,四氯化碳,可引起细胞膜磷脂和胆固醇含量下降；,二氧化硅,可与人红细胞膜的蛋白结合，使其蛋白的,-,螺旋（二级结构）破坏。,9,2.2,对生物膜上酶活性的影响,化学毒物可影响膜上某些酶的活性而影响细胞的功能。,如：,有机磷类化合物抑制突触小体和红细胞膜上的胆碱酯酶；,对硫磷还可抑制突触小体和红细胞膜上的,Ca,2+,-ATPase,和,Ca,2+,Mg,2+,-,ATPase,；,苯并芘可抑制红细胞膜,Ca,2+,-ATPase,和,Na,+,K,+,-,ATPase,；,Pb,2+,、,Cd,2+,可与膜酶上的巯基结合，而抑制其活性。,10,2.3,对生物膜生物物理性质的影响,2.3.1,对膜,通透性,的影响,2.3.2,对膜流动性的影响,2.3.3,对膜表面电荷的影响,11,2.3.1,对膜通透性的影响,生物膜的通透性指生物膜与周围环境物质交换的能力。,膜的通透性具有选择性，不同的物质在膜上有不同的通透率，是物质逆浓差转运的基础。,12,2.3.2,对膜流动性的影响,膜的流动性包括：,膜脂质分子的旋转、伸缩和振荡、侧向扩散和翻转运动，膜蛋白分子的侧向扩散和旋转运动，膜整体结构的运动。,膜流动性的生理意义包括,：物质运输、细胞融合、细胞识别，细胞表面受体功能的调节等。,膜流动性的改变包括量变（程度变化）和质变（如相变和分相）。,化学毒物可通过改变膜的流动性而影响其功能。,13,1970,年，,L. David Frye,和,Michael,Edidin,进行了人、鼠细胞融合实验，令人信服地证明膜蛋白的流动。,14,许多生物物理实验技术可用于研究膜流动性如荧光偏振、核磁共振，激光拉曼光谱、激光漂白荧光恢复法和电镜冷冻蚀刻技术均可研究不同条件下膜结构的变化。,电镜冷冻蚀刻技术,15,2.3.3,对膜表面电荷的影响,膜表面的糖脂和糖蛋白形成膜表面极性基团，组成表面电荷。,膜表面电荷的性质和密度影响膜表面的结构和功能。,化学毒物可通过改变膜的表面电荷而影响其结构和功能。,16,3,毒物对细胞钙稳态的影响,3.1,细胞内钙稳态,3.2,细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性,3.3,钙稳态失调的机制,17,生物膜离子通道（,ion channels of,biomembrane,）,生物膜离子通道（,ion channels of,biomembrane,）是各种无机离子跨膜被动运输的通路。,被动运输（顺离子浓度梯度）离子通道,主动运输（逆离子浓度梯度）离子泵。,18,3.1,细胞内钙稳态,细胞内钙浓度的调节主要由,线粒体和内质网,等钙库、其次由细胞质中的缓冲系统（蛋白质、核苷酸、酸性磷脂等）来调节。,当内钙调节失灵（钙稳态紊乱）时，即可引起细胞功能损伤及坏死。,19,3.1,细胞内钙稳态,2,钙作为,第二信使,在细胞功能调节中起重要作用，如神经传导、肌肉收缩、细胞分泌、细胞增殖与分化、细胞形态的变化及细胞衰老等。,Ca,2+,作用途径有：,通过钙结合蛋白如钙调蛋白介导；,通过环磷酸腺苷介导；,通过蛋白激酶,C,和磷脂酶,C,介导；,通过钙通道介导。,指细胞感受胞外环境信号和胞间信号后产生的胞内信号分子，从而将细胞外信息转换为细胞内信息。,20,3.2,细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性,细胞钙稳态紊乱,是指细胞内钙浓度不可控制地增高，从而产生一系列反应，导致细胞损伤或死亡，是某些化学毒物中毒的机制之一。,如硝基酚、醌、过氧化物、醛类、二噁英、卤化烷烃和烯烃、镉、铅、汞等均能干扰细胞稳态，而引起细胞功能和结构损伤。,21,各种毒物进入机体后，引起细胞内钙过荷时，可,1.,激活,磷脂酶,而促进膜磷脂水解,2.,激活非溶酶体蛋白酶而促进细胞膜骨架蛋白水解,3.,激活核酸内切酶而促进,DNA,断裂和染色质溶解。,22,膜磷脂水解,23,细胞膜骨架蛋白水解,24,DNA,断裂和染色质溶解。,25,3.3,钙稳态失调的机制,3.3.1,对能量代谢的影响,3.3.2,对微管功能的影响,3.3.3,激活水解酶,26,3.3.1,对能量代谢的影响,胞浆内高浓度,Ca,2+,通过单转运器使线粒体,Ca,2+,摄取增加：,1.,线粒体膜势能降低而抑制,ATP,合成酶，结果,ATP,的合成减少，使细胞膜、内质网上的,Ca,2+,-,ATPase,及细胞膜上的,Na,+,K,+,-,ATPase,的能量供应减少，细胞内钙泵出减少而使细胞内钙进一步升高；,2.,同时线粒体的细胞内呼吸（电子传递）加速，使氧自由基生成增加，膜脂质过氧化。,3.Ca,2+,也可激磷脂酶，加速细胞膜脂质的水解。,27,3.3.2,对微管功能的影响,胞浆内钙无控制地升高引起细胞损伤也涉及到微管的解聚。,细胞通过骨架蛋白的微丝粘附于质膜中的肌动蛋白以维持细胞的正常形态。,胞浆内钙的增加使肌动蛋白丝同,-,辅动蛋白和胞衬蛋白分离，促使质膜大疱（细胞膜表面的突出物）的形成而易于破裂。,28,3.3.3,激活水解酶,细胞内,Ca,2+,浓度升高可激活降解蛋白质、磷脂和核酸的水解酶。,许多完整的膜蛋白是,Ca,2+,激活的中性蛋白酶或需钙蛋白酶的靶位点。需钙蛋白酶介导的肌动蛋白结合蛋白的水解也可引起膜大疱。,钙激活的蛋白酶经蛋白水解可将黄嘌呤脱氢酶转变成次黄嘌呤氧化酶，其副产物氧自由基和过氧化氢可引起细胞损伤。,29,4,体内生物大分子氧化损伤,自由基指含一个或多个未配对电子的任何分子或离子。其,共同点,是具有顺磁性、化学反应性极强、作用半径小、半衰期极短。,4.1,自由基的来源与类型,4.2,机体对氧化损伤的防御系统,4.3,自由基对生物大分子的损害作用,30,4.1,自由基的来源与类型,4.1.1,来源,正常生理代谢过程,外源化合物的作用,4.1.2,类型,氧中心自由基,其他自由基,31,正常生理代谢过程,线粒体是活性氧的重要来源。,活性氧族自由基都是其正常代谢副产物。生理条件下该自由基可被,锰超氧化物歧化酶,分解。,细胞内的氧化酶,催化的氧化还原反应也是产生自由基的来源。其中主要是黄嘌呤氧化酶，其直接将分子氧还原成过氧化物和过氧化氢或羟自由基。过氧化物酶具有很强的形成过氧化氢能力。过氧化氢可被过氧化氢酶水解,。,次黄嘌呤,+ H,2,O + O,2,黄嘌呤,+ H,2,O,2,黄嘌呤,+ H,2,O + O,2,尿酸,+ H,2,O,2,黄嘌呤,+ H,2,O + 2O,2,尿酸,+ 2O,2,-,（超氧阴离子）,+ 2H+,（氢离子）,32,外源化合物的作用,外源性化合物可通过各种不同途径产生自由基。,其中,最主要途径是通过氧化还原反应，通过单电子还原而产生自由基。,可发生该反应的外源性化合物包括：,醌类,：丝裂霉素、阿霉素、博莱霉素等；,硝基化合物,：苯的硝基化合物（如硝基苯）和硝基杂环化合物（如呋喃妥因）；,双吡啶化合物,：百草枯、杀草快。,此外，有些化学毒物可干扰线粒体的细胞内呼吸功能而产生氧自由基，如：甲基汞、氰化物、,3-,硝基丙酸。,33,氧中心自由基,该类自由基持续不断地在机体中产生。,它们包括氧自由基（,O,2,）、羟自由基（,OH-,）、过氧化氢,(H,2,O,2,),、单线态氧,(O.-),、次氯酸（,ClO,-,）等，也包括过氧化物、氢过氧化物及内源性脂质和外来化合物的环氧代谢物（,都含有化学性质活泼的氧功能基团,）。,34,其他自由基,除氧中心自由基外，其它有包括：,以,碳为中心,的自由基如三氯甲基自由基；,以,硫为中心,的自由基如烷硫自由基；,以,氮为中心,的自由基如苯基二肼自由基；,金属离子,（具有接受和供给电子的能力）自由基如：,Cu,+,/Cu,2+,、,Fe,2+,/Fe,3+,、,Ti()/Ti(),。,35,4.2,机体对氧化损伤的防御系统,正常生理条件下，自由基在体内持续不断地产生，但同时被机体内的抗氧化系统清除，从而不致出现损伤。,机体内的抗氧化系统包括：,非酶抗氧化系统,和,酶类抗氧化系统,。,36,非酶抗氧化系统,谷胱甘肽,(GSH),、维生素,C,、,维生素,E,、,尿酸、牛磺酸、次牛磺酸等。,谷胱甘肽能与过氧化氢或有机过氧化物作用，可保护细胞免受过氧化物损害，是重要的自由基捕获剂；,维生素,C,能还原氧自由基；,维生素,E,是细胞膜上主要的脂溶性抗氧化剂，通过阻断过氧自由基链反应，防止膜上的多不饱和脂肪酸的氧化；,-,胡萝卜素是自然界中已知最有效的单线态氧清除剂；,尿酸、牛磺酸、次牛磺酸具有防止自由基损伤作用；,金属硫蛋白对羟自由基有很强的灭活作用。,37,酶类抗氧化系统,在生物进化过程中，需氧生物体内存在清除自由基的酶系统。包括：,超氧化物歧化酶（,SOD,）：,铜,-,锌超氧化物歧化酶（,CuZnSOD,）,和锰超氧化物歧化酶（,MnSOD,）,它们催化超氧阴离子歧化为过氧化氢和氧气；,过氧化氢酶,(CAT),：将过氧化氢分解为水和氧气；,谷胱甘肽过氧化物酶（,GSH-,Px,，,含硒酶）：在,GSH,存在下，催化过氧化氢和有机氢过氧化物还原为水或醇和水，同时将,GSH,氧化为,GSSG,；,38,4.3,自由基对生物大分子的损害作用,当体内自由基的产生超过机体抗氧化防御能力时，即可产生自由基损伤，从而引发疾病或中毒。自由基对体内生物大分子的损害,由氧自由基产生的细胞毒性效应称为氧化应激,.,作用包括：,4.3.1,脂质过氧化损伤,4.3.2,蛋白质的氧化损伤,4.3.3 DNA,的氧化损伤,39,4.3.1,脂质过氧化损伤,羟自由基攻击多不饱和脂肪酸，从其碳链的亚甲基中抽取,1,个,H,，形成,脂质自由基（,L,.,),，然后分子重排成,共轭二烯,；,共轭二烯与,O2,形成,脂质过氧自由基（,LO,2,.,),；,LO,2,.,既能从邻近的脂肪酸抽取氢，使脂质过氧化扩展下去；也可从供氢体抽取氢导致,脂质氢过氧化物（,LOOH,）,的形成。,LOOH,通过,Fe(II,),催化的,Fenton,反应,形成,脂质过氧自由基（,LO,.,),。,最终断裂形成小分子的碳氢化合物，如乙烷和活性醛类（,4-,羟壬醛和丙二醛）。,链式连锁反应,40,4.3.2,蛋白质的氧化损伤,自由基对蛋白质的氧化损伤实际是对其氨基酸的氧化作用，尤其是对芳香族和含硫氨基酸。,结果是蛋白质的凝集与交联或降解与断裂。,41,4.3.3 DNA,的氧化损伤,自由基引起,DNA,的损伤是细胞突变或癌变的基础。,DNA,损伤可引起细胞凋亡。也可因损伤丢失部分碱基或修复时掺入错误的碱基而引起细胞突变和癌变。,活性氧可引起,DNA,碱基损伤、,DNA-,蛋白质交联物的形成和,DNA,断裂等。,不同活性氧对,DNA,作用不同：羟自由基可作用于,DNA,的所有成分；单线态氧主要作用于,DNA,中的鸟嘌呤；氧自由基可使,DNA,断裂；过氧化氢只参与,DNA,损伤过程。,42,5,毒物与细胞大分子的共价结合,共价结合,指毒物或其活性代谢产物与机体内重要的大分子物质（蛋白质、核酸、膜脂质）以共价键结合成稳定的复合物,-,加合物。,共价结合,的特点,是永久性地不可逆地改变了内源性分子的结构。从而损伤内源性大分子的功能。,由于外源性化合物或其代谢物构成了新生加合物的一部分，可以此作为毒物接触程度的标志物，也有助于中毒的诊断和防治。,5.1,与蛋白质的共价结合,5.2,与核酸的共价结合,43,5.1,与蛋白质的共价结合,外源毒物可与蛋白质分子中氨基酸的氨基、羟基、巯基、胍基、咪唑基、吲哚基发生共价结合，从而影响蛋白质的结构和功能。,5.1.1,与白蛋白的共价结合,5.1.2,与血红蛋白的共价结合,5.1.3,与组织细胞蛋白质的共价结合,44,5.1.1,与白蛋白的共价结合,白蛋白是血液和组织间质中的主要蛋白质,也是脂肪酸、内源性化合物及外源化合物的主要载体，容易与终致癌物质结合形成共价加合物。,血清白蛋白直接由肝细胞合成，同时肝细胞是致癌物质代谢活化的重要部位，因而白蛋白更易接触到肝细胞活化的亲电子性代谢产物。,白蛋白加合物形成的量与接触相应毒物的量成正比关系。,45,5.1.2,与血红蛋白的共价结合,外源性化合物进入血液后，先与红细胞膜结合继而进入红细胞内与血红蛋白发生共价结合。,因红细胞寿命较长、血样易采集又基本不影响健康，所以血红蛋白共价结合物常作为外源毒物接触人群的生物监测。,46,5.1.3,与组织细胞蛋白质的共价结合,进入人体的外源化合物直接或间接通过其活化代谢产物与胞浆、质膜、核内蛋白质结合而形成加合物。如：肝毒性物溴苯可直接消耗具有重要解毒作用的内源性物质谷胱甘肽，其活性代谢物环氧溴苯可与蛋白质发生共价结合，活性代谢物产物二氢二醇可引发自由基反应。,有些毒物进入机体后，首先与细胞浆蛋白或核蛋白共价结合，影响细胞的正常代谢过程或信号传递系统。同时，与核蛋白共价结合也必将对细胞生长、繁殖和分化等的调控产生重要影响。,47,5.2,与核酸的共价结合,5.2.1,毒物与核酸共价结合的意义,5.2.2,毒物与核酸共价结合的方式,5.2.3,毒物与核酸共价结合的分子机制,5.2.4,核酸加合物的类型,48,5.2.1,毒物与核酸共价结合的意义,毒物与核酸共价结合成不同类型加合物后，引起不同的生物效应，包括细胞毒性、诱变作用、活化癌基因、细胞癌变等。,毒物与核酸的共价结合是研究化学毒物致癌作用的热点。,一旦毒物与核酸共价结合成加合物，致癌过程即已启动，随后进入促进和发展阶段。,DNA,加合物形成是化学致癌过程中一个早期可检测的关键步骤，其可作为接触致癌物的量化标志。,DNA,加合物也是判断遗传毒性致癌物的生物标志之一。但由于人群及个体差异及接触因素繁多而复杂，要对检测结果作出准确判断存在很大困难。,49,5.2.2,毒物与核酸共价结合的方式,毒物与核酸共价结合形成加合物有,两种方式,：,部分毒物是母体化合物直接与核酸发生共价结合。如烷化剂是带有烷化功能团的化合物，无需代谢即具有亲电子活性，可直接与,DNA,进行共价结合。,大部分毒物需经代谢活化，生成具有活性的代谢物才能与核酸发生共价结合。如多环芳烃类、黄曲霉毒素及芳香胺类。,50,5.2.3,毒物与核酸共价结合的分子机制,亲电子性终毒物（占多数），其反应中心带有正电荷，易与核酸分子的富电子位点作用形成加合物。,亲电子性终毒物主要攻击鸟嘌呤的,N,7,、,C,8,、,O,6,，,腺嘌呤的,N,1,、,N,2,，,胞嘧啶和嘌呤的氨基。,亲核性终毒物（占少数），因富含电子，易与核酸分子的低电子位点作用形成加合物。,亲核性终毒物主要攻击胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶的,C,6,及胸腺嘧啶的,N,3,、,O,2,、,O,6,。,51,5.2.4,核酸加合物的类型,毒物或其代谢产物与,DNA,结合成加合物的类型有：,烷化,DNA,加合物；,多环芳烃,DNA,加合物；,环化的,DNA,加合物；,DNA,链间和链内交联；,DNA,与蛋白质的交联。,52,
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