毒作用机制ppt课件

第四章 毒作用机制,1,目的和要求,掌握终毒物、氧化损伤的概念，毒物对生物膜的损害作用，毒物对生物分子的氧化损伤；毒物对细胞钙稳态的影响; 熟悉化学毒物与生物大分子的共价结合； 了解外源化学物产生损害的途径；生物膜的化学组成、结构特点及功能、自由基的概念、性质、类型。,2,第一节 概 述,毒作用机制的研究内容： 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？ 机体对损害作用的反应等。 毒作用机制的研究是评价化学毒物潜在危害的基础。,3,终毒物：,终毒物：是可与内源性靶分子（如受体蛋白、酶、微纤维蛋白、DNA及脂质等）相互作用，使机体整体性结构或功能改变，从而导致毒性损害的物质。 终毒物形式：母体化合物、母体化学物的代谢产物或者是毒物生物转化期间产生的活性氧，也可能是内源性分子。,4,外源化学物产生损害的途径：,最直接途径：化学毒物在机体重要部位出现，而不与靶分子作用。 较为复杂途径：毒物进入机体后，抵达靶部位，与靶分子相互作用，引起损害。 最复杂途径： a 毒物先分布到靶部位； b 终毒物与靶分子相互作用，引起细胞和域结构的紊乱； c 启动分子、细胞或组织水平的修复机制，当毒物所致紊乱超过修复能力，修复功能失调，毒作用发生。,5,第二节 毒物对生物膜的损害作用,一、生物膜概述 （一）生物膜的化学组成,6,（二）生物膜的结构特点,1 膜的运动性,侧向运动,分子的摆动,旋转运动,翻转运动,侧向运动,旋转运动,7,2 膜脂的相变与流动性,相变温度,Tc,脂质,凝固态,液晶态,8,（三）生物膜的“流动镶嵌学说”,脂质双层是膜的基本结构，膜脂质分子在不断运动中；生理条件下，呈流动的液晶态；脂双层结构既是屏障，也是膜蛋白表现功能的舞台。,9,（三）生物膜的“流动镶嵌学说”,细胞膜上的蛋白质与膜脂分子之间存在相互作用，也处于运动之中；部分膜脂分子对于维持膜蛋白的构象和发挥功能有直接的影响。,10,（三）生物膜的“流动镶嵌学说”,膜的脂质、膜蛋白和膜糖在脂双层两侧的分布是不对称的，膜上的糖基总是暴露在细胞膜的外表面上。这种不对称性表明了膜功能的复杂性。,11,（四）生物膜的三大基本功能,能量转换； 物质运送； 信号跨膜转导。,12,二、毒物对生物膜的损害作用,（一）对生物膜组成成分的影响 化学毒物可引起细胞膜成分含量、结构和性质的改变。 CCl4可引起大鼠肝细胞膜磷脂和胆固醇含量的下降； SiO2可与人红细胞膜上的蛋白结合，使其结构中的-螺旋减少； 有机磷农药可抑制突触小体及红细胞膜上乙酰胆碱酯酶的活性。,13,（二）对膜生物物理性质的影响,膜生物物理性质：通透性、流动性、膜电荷和膜电位等。 1. 对膜通透性的影响 许多化学毒物可通过与膜蛋白或膜脂相互作用，改变膜的通透性来发挥毒作用。 DDT可作用于神经轴索膜，改变Na+和K+的通透性，从而产生一系列的神经中毒症状。 缬氨霉素可使线粒体膜对K+的通透性增大，使氧化磷酸化解偶联，从而造成细胞损伤。,14,氧化磷酸化作用：,当电子流过呼吸链时，质子通过膜被泵出,高 H+ ,低 H+ ,线粒体外膜,线粒体内膜,膜间腔,线粒体基质,H+,Pi+ADP,ATP,线粒体,e,ATP酶复合体,15,（二）对膜生物物理性质的影响,2. 对膜流动性的影响 流动性是生物膜的基本特征之一。现已发现不少化学毒物可以影响膜的流动性。 例如，重金属离子，如Pb2+可引起膜流动性下降；SiO2可引起巨噬细胞的膜脂流动性升高等。,16,（二）对膜生物物理性质的影响,3. 对膜电荷的影响 膜表面糖脂、糖蛋白形成膜表面极性基团，组成膜表面电荷（如-OH、-COOH、 -SO3H，以及His、Arg、Lys、Asp、Glu中的带电基团）。 化学毒物对膜电荷性质和密度的改变可能会影响到细胞的功能。,17,第三节 毒物对细胞钙稳态的影响,一、Ca2+的第二信使作用与细胞钙稳态,神经 神经递质,体液 激素, 质膜受体, 胞内中间物质介导,第一信使,第二信使,生理效应,18,细胞钙稳态（calcium homeostasis）,Ca2+,CaM酶,Ca2+，Mg2+-ATP酶,肌肉收缩蛋白,腺苷酸环化酶,磷酸酯酶,蛋白激酶,离子通道蛋白,Ca 2+=1000M,Ca 2+=0.1M,细胞,19,“细胞钙稳态”的维持,Ca 2+=1000M,Ca 2+=0.1M,钙泵,Ca2+,Ca2+,钙通道,蛋白质、核苷酸、酸性磷脂,内质网,线粒体,细胞,20,二、毒物对细胞钙稳态的影响及其危害,现已发现多种化学毒物可引起细胞内Ca 2+浓度不可控制地升高，从而导致细胞损伤或死亡。 细胞钙稳态紊乱的主要危害： 可抑制线粒体内ATP的合成和使氧自由基的生成增加。 可引起微管的解聚，进而损伤细胞的正常形态。 可激活一系列水解酶，导致体内蛋白质、磷脂和核酸等的水解。,21,细胞骨架结构：,细胞骨架,细胞核骨架,细胞膜骨架,细胞质骨架,细胞外基质,微丝、微管、中间纤维,22,细胞骨架(Cytoskeleton),引自：丁明孝，等分子细胞生物学,23,引自：丁明孝，等分子细胞生物学,24,引自：丁明孝，等分子细胞生物学,25,钙稳态紊乱的危害水解损伤：,许多膜蛋白是Ca 2+激活的中性蛋白酶或钙蛋白酶的靶分子。 钙蛋白酶介导的肌动蛋白结合蛋白的水解可引起质膜大疱形成； Ca 2+对磷脂酶的激活引起膜的破坏； Ca2+-Mg2+ 依赖的核酸内切酶的激活引起染色质的断裂； Ca 2+浓度升高可封闭拓扑异构酶，使已断裂的DNA无法重新连接。,26,第四节 生物分子的氧化损伤,一、 自由基概述 概念：一般指含有一个或多个未配对电子的离子、原子或分子。 性质：具有顺磁性；化学反应性极强；生物半减期极短。,27,一、 自由基概述,类型： 活性氧族（reactive oxygen species, ROS）： A 氧自由基：O2- 、 OH ；LO、LOO； B 含氧的非自由基衍生物：单线态氧（1O2）、氢过氧化物、 次氯酸、过氧化物、内源性脂质和外源化合物的环氧代谢产物。,28,一、 自由基概述, 其他自由基： 碳中心自由基（ CCl3）， 硫中心自由基（烷硫自由基R-S ）， 氮中心自由基（苯基二肼自由基C6H5N=N ）； 此外，过渡金属离子Cu +/ Cu 2+、Fe 2+/ Fe 3+、Ti 3+ / Ti 4+可作为自由基反应的催化剂，在自由基的损伤作用中起重要作用。,29,二、氧化应激（Oxidative stress）,自由基来源： 外源化学物代谢产生； 细胞正常生理过程产生。,机体抗氧化系统： 非酶类抗氧化系统 GSH、Vc、 VE、 VA、尿酸、牛磺酸和次牛磺酸等； 酶类抗氧化系统 超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化酶、谷胱甘肽还原酶等。,30,二、氧化应激（Oxidative stress）,氧化应激：机体促氧化与抗氧化之间的平衡失调，而倾向于前者，所导致的细胞损伤。,31,“目前多数观点认为外源因素诱导的细胞氧化应激及随后启动信号通路在细胞损伤中发挥重要作用，同时认为氧化应激可同时激活多种信号转导途径和核转录因子，它们之间相互串话，形成了一个复杂而精细的调控网络，共同决定氧化损伤最终引起何种生物学效应”。,曹佳，郑玉新，周宗灿，等.毒理学研究进展和热点，中国科学基金， 2011年， 第03期,32,33,（一）对脂质的过氧化损伤,脂质过氧化损伤：在O2存在下，自由基或其活性衍生物引发脂质过氧化及其链式反应。 生物膜是生物体内最易发生脂质过氧化的场所。因为它具备脂质过氧化的两个必要条件：氧气和PUFA （polyunsaturated fatty acid） 。,34,35,脂质过氧化反应过程：,膜脂质（LH）,脂质自由基（L ）,O2,抽氢作用,脂质过氧自由基（LOO）,氢过氧化物 （LOOH）,脂质氧自由基 （LO）,Fe3+,Fe2+,Fenton反应,环过氧化物自由基,环内过氧化物自由基,丙二醛（MDA） + 短链的酮、羧酸或烃类,HO,H2O,分子内双键加成,过氧化作用,LH,L,36,单电子氧化还原：,凡是能发生单电子氧化还原的金属离子（属于过渡金属）都可与H2O2反应，使其发生裂解，产生自由基，例如Fenton反应： Fe2+ + H2O2 Fe3+ + OH + OH 除Fe2+外，可氧化为较高价态的过渡金属还有铜、钴、钛等离子。,37,38,脂质过氧化的其他损害：, 脂质过氧化中间产物L、 LOO 、 LO可作为引发剂通过抽氢使蛋白质变成自由基，后者可以引起链式反应，导致蛋白质聚合，使蛋白质的运动和功能受到限制。,39,脂质过氧化的其他损害：, 终产物丙二醛（MDA）可与蛋白质分子中的NH2作用导致多肽链的链内交联或链间交联。 此外，醛类产物也能与蛋白质中Cys的-SH反应，使蛋白质失去活性。,40,丙二醛与蛋白质分子的交联：,链内交联：,CH2,C - H,C - H,O,O,H2N,H2N,P,CH - NH,CH = N,P,CH,链间交联：,CH2,C - H,C - H,O,O,2 P NH2,CH NH P1,CH = N P2,CH,丙二醛,蛋白质,交联产物,41,脂质的过氧化损伤小结：,直接结果是使膜PUFA减少，膜脂流动性降低和膜骨架损伤； 过氧化中间产物和终产物引起的膜蛋白共价交联与聚合，影响膜蛋白的构象及其运动性，必然导致膜功能的异常。,42,（二）对蛋白质的氧化损伤,对蛋白质的氧化损伤，主要是自由基对氨基酸的作用。 例如，所有氨基酸残基均可被 OH损伤，其中以含硫氨基酸和芳香氨基酸最为敏感。,43,44,（二）对蛋白质的氧化损伤,2. 芳香族与杂环氨基酸残基的损伤 如色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸与组氨酸。 经活性氧作用： Trp的氧化产物为2-、4-、5-、6-或7-羟基色氨酸，甲酰基犬尿氨酸，3-羟基犬尿氨酸或硝基色氨酸。 Tyr转变为3-、4-二羟基苯丙氨酸，二酪氨酸交联产物或3-硝基酪氨酸。 Phe转变为2-、3-或4-羧基苯丙氨酸，2-、3-二羟基苯丙氨酸。 His转变为2-氧组氨酸。,45,（二）对蛋白质的氧化损伤,3. 脂肪族氨基酸残基的损伤 如，Asp、Glu、Pro、Lys、Arg、Leu、Val与Thr。 可能的损伤机制：在-C原子上除去一个氢原子，形成C中心自由基；其上再加O2，生成过氧基衍生物；后者分解成NH3和-酮酸，或是NH3、CO2与醛类或羧酸，从而破坏相应氨基酸的结构。,46,（二）对蛋白质的氧化损伤,4. 肽的折断,OH,H2O,O2,过氧化物,肽的折断,47,（二）对蛋白质的氧化损伤,5. 蛋白质-蛋白质的交联 蛋白质之间的交联将形成分子量更大的“分子”，进而限制蛋白质的运动性及其功能。,48,49,50,2. 对脱氧核糖的损伤,脱氧核糖中的每一个C原子和-OH上的氢都能与 OH反应；在C位置上抽氢、加氧，而破坏戊糖的结构。,51,52,3. 对DNA链的损伤,DNA链断裂的后果： 可能会造成部分碱基的缺失； 修复的DNA可能存在碱基的错误掺入和错误编码； 也可能引起原癌基因的活化或抑癌基因的失活等，从而导致细胞的突变或癌变。,53,（四）对多糖的氧化损伤,ROS中活性很强的自由基如OH可无选择地攻击糖类，抽提氢，使其变为碳中心自由基，后者与O2结合成为过氧化物，然后裂解。,54,第五节 化学毒物与生物大分子的共价结合,一、概述 概念：共价结合是指化学毒物或其活性代谢 产物与机体内一些重要的生物大分子如核 酸、蛋白质等发生共价结合，从而改变这些生物大分子结构或功能的过程。,55,一、概述,方式：一般为亲电子剂与大分子的亲核基团作用，同过共价键形成稳定的复合物 加合物，使外源化学物或其代谢产物进入大分子内而成为其中的组成成分，一般用生化或化学手段处理不能使其解离。 特点：永久性、不可逆地改变内源性物质的结构。,56,二、与蛋白质的共价结合,蛋白质分子中可与外源化学物共价结合的功能基团： 氨基和羧基；Ser和Thr的羟基；Cys的巯基；Arg的胍基；His的咪唑基；Tyr的酚羟基；Trp的吲哚基。,57,1. 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，也是血液中重要的运输载体。 血清白蛋白由肝细胞合成，而肝脏正是外源化学物活化代谢的主要场所，因而白蛋白更易受到由肝细胞活化形成的亲电子剂的攻击。,58,2. 与血红蛋白的共价结合,外源化学物进入血液后，先与红细胞膜结合，继而进入细胞与血红蛋白共价结合。 血红蛋白中参与结合的基团主要有氨基、巯基和芳香胺基团。 应用：血红蛋白加合物可用于人群接触外源化学物的监测，具有样品容易获得，寿命长的优点，方便检测。,59,3. 与组织细胞蛋白质的共价结合,与膜蛋白或胞浆蛋白共价结合，将影响到细胞的正常代谢或信号传递过程； 而与核蛋白的共价结合将对细胞生长、增殖和分化等的调控产生影响。,核蛋白（nuclear protein）是指在细胞质内合成，然后运输到核内起作用的一类蛋白质。,60,61,三、与核酸的共价结合,毒物类型：亲电性代谢产物为主，亲核性代谢产物和自由基也可。 结合部位：碱基、核糖或脱氧核糖、磷酸均可，但以碱基损伤的毒理学意义最大。 结合后果：细胞突变、癌变及其他一些细胞损伤。 应用：一般，DNA加合物一旦形成，致癌过程即已启动。因此，DNA加合物是一类重要的生物标志物，可用于化学物致癌的早期检测。,62,四、共价结合的毒理学意义, 加合物是一类重要的生物标志物，可用于反映机体对毒物的接触、损伤程度； 有助于毒性损伤的早期诊断和防治； 可用于解释某些化学毒物的中毒作用机制。,63,