毒物的分子效應(yīng)與毒理學(xué)機制

1、第三章 毒物的分子效應(yīng)與毒理學(xué)機制3.1毒物生物轉(zhuǎn)化機制3.2毒物的分子效應(yīng)3.3生物標(biāo)記物與毒物分子的作用機制生物轉(zhuǎn)化：在生物調(diào)節(jié)下一種化學(xué)物質(zhì)被轉(zhuǎn)化成另一種化學(xué)物質(zhì),有酶的催化參與,可以加速毒物的消除、解毒、隔離、重新分布或者活化生物轉(zhuǎn)化生物活化生物鈍化生物鈍化作用：是污染物經(jīng)代謝轉(zhuǎn)化成無毒或低毒的產(chǎn)物。也被稱為生物解毒/失活作用生物活化作用：是污染物的有害作用加強或者使一種惰性的化合物被轉(zhuǎn)化成具有高生物活性的有害物質(zhì)親脂性毒物親水性物質(zhì)解毒過程生物轉(zhuǎn)化過程激活過程毒物被活化或增毒的因素1.污染物的化學(xué)結(jié)構(gòu)2.體內(nèi)酶系統(tǒng)的差異3.受體的存在毒物在體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化，與體內(nèi)的各組織器官的酶活性及

2、其相應(yīng)的 物理、化學(xué)、生化、生理效應(yīng)的綜合作用密切相關(guān)。同一種物質(zhì)即使經(jīng)過相同的生物轉(zhuǎn)化，在不同機體上所表現(xiàn)出來的生物效應(yīng)各不相同。消除:對污染物的排泄或者生物轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致生物體內(nèi)其含量的減少凈化:指生物被放如入清潔的環(huán)境隨時間消除污染物后,所測量到的污染物從生物體內(nèi)的消失生物富集:是個體內(nèi)吸收、生物轉(zhuǎn)化和消除過程的凈結(jié)果生長稀釋:指一個正在生長的生物體內(nèi)污染物濃度會因其可分布的組織的量的增加而降低.不屬于消除的一部分(污染總量并未減少)體內(nèi)屏障 存在于動物體內(nèi)特定部位,對環(huán)境污染物的轉(zhuǎn)運起著阻礙作用的特殊物質(zhì)結(jié)構(gòu)血腦屏障 對外源化學(xué)物的滲透性較小,對毒物進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)有阻止作用,許多物質(zhì)即便

3、在血液中的濃度相當(dāng)高也不能進(jìn)入大腦胎盤屏障 胎盤具有在母體與胎兒之間進(jìn)行營養(yǎng)物質(zhì)、O2、CO2和代謝產(chǎn)物交換的功能，還具有阻止外援化學(xué)物由母體透過胎盤進(jìn)入胚胎，保護(hù)胎兒正常生長發(fā)育的功能皮膚、血眼屏障、血睪屏障外來物的生物轉(zhuǎn)化過程的兩個階段階段代謝污染物一旦進(jìn)入生物體內(nèi)就會被生物轉(zhuǎn)化，其過程包括4種反應(yīng)，即氧化、還原、水解和結(jié)合反應(yīng)通常將氧化、還原、水解稱為外來化合物代謝轉(zhuǎn)化的第一階段即階段代謝氧化反應(yīng)微粒體混合功能氧化反應(yīng)微粒體外氧化反應(yīng)脂肪族羥化、芳香族羥化、氧化脫氨反應(yīng)、N-脫烷基反應(yīng)、 N-羥化反應(yīng)、S-氧化反應(yīng) 醇脫氫酶、醛脫氫酶、過氧化氫酶、單胺氧化酶脂肪族羥化還原反應(yīng)還原酶酶促哺

4、乳動物組織內(nèi)不活躍腸道細(xì)菌體內(nèi)反應(yīng)能力強脂類酰胺類含酯式鍵的磷酸鹽類水解反應(yīng)多種水解酶毒性降低階段代謝又稱結(jié)合反應(yīng)，指進(jìn)入機體的毒物在代謝過程中與某些內(nèi)源性化合物或基團(tuán)發(fā)生的生物合成反應(yīng)在結(jié)合反應(yīng)過程中需要輔酶和轉(zhuǎn)移酶，并且消耗代謝能量毒物在代謝過程中可以直接發(fā)生結(jié)合反應(yīng)，也可以經(jīng)過階段的氧化、還原或水解反應(yīng)再發(fā)生結(jié)合反應(yīng)根據(jù)結(jié)合劑不同結(jié)合反應(yīng)分為：葡萄糖醛酸結(jié)合、硫酸結(jié)合、谷光甘酞結(jié)合、甘氨酸結(jié)合、乙?；Y(jié)合等主要類型葡萄糖醛酸結(jié)合反應(yīng)硫酸結(jié)合反應(yīng)通常，毒物在發(fā)生結(jié)合反應(yīng)后，一方面可使其分子上某些功能基團(tuán)失去活性以及喪失毒性，另一方面多數(shù)毒物經(jīng)過結(jié)合反應(yīng)后其極性（水溶性）增強，脂溶性降低，加

5、速排泄過程，故大多失去毒性或有所降低，并排出體外影響生物轉(zhuǎn)化的因素物種差異與個體差異飲食營養(yǎng)結(jié)構(gòu)年齡、性別等生理因素代謝飽和狀態(tài)代謝酶的抑制與誘導(dǎo)經(jīng)生物轉(zhuǎn)化后,污染物的生物有效性發(fā)生改變，其改變程度根據(jù)不同的生物個體或個體的不同生命階段而不同比較不同污染物的生物有效性應(yīng)考慮生物個體差異和所選效應(yīng)指標(biāo)的一致性影響生物轉(zhuǎn)化的重要因素生物有效性：指進(jìn)入機體的污染物與受體結(jié)合，并產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)的能力，也是表征污染物的實際毒性生物可利用率：指某種來源的污染物可被吸收的程度比較不同污染物的相對生物有效性，除考慮生物之間的差異，還需確定所選用的效應(yīng)指標(biāo)的一致性和可比性，最常用的效應(yīng)指標(biāo)是“致死性”排泄 是外

6、源化學(xué)物及其代謝產(chǎn)物由機體向外轉(zhuǎn)運的過程動物的排泄 經(jīng)腎臟隨同尿液排泄：腎小球過濾、腎小管重吸收、腎小管的排泌作用經(jīng)肝臟隨同膽汁排泄經(jīng)肺隨同呼出氣排泄其它排泄途徑:乳汁、胃腸、汗液、唾液、毛發(fā)、指甲植物的排泄 植物分泌：泌鹽植物bioaccumulation effect bioenrichment effect biomagnification effect 有毒物質(zhì)的不同效應(yīng)生物富集效應(yīng):污染物從環(huán)境中包括水、空氣和固相物質(zhì)等所有來源,向生物體內(nèi),或者在某些情況下在生物體表的凈積累生物放大效應(yīng):污染物在食物鏈中因營養(yǎng)級的提高其濃度逐級增高的現(xiàn)象生物濃縮效應(yīng)超量蓄積現(xiàn)象外來物質(zhì)在生物體內(nèi)的蓄

7、積極限值與其吸收量和清除半衰期成正比,即吸收量越大,清除半衰期越長,則其蓄積極限值越高.當(dāng)兩個值足夠大,生物體的蓄積極限值將會異常高.這種生物體能夠蓄積異常高含量外源化學(xué)物的現(xiàn)象即一種污染物在生物群中的富集程度是污染物性質(zhì)、生物以及生物和污染物相互作用的環(huán)境狀況的函數(shù)。污染物性質(zhì)決定其在環(huán)境中呈現(xiàn)出的化學(xué)形式及能夠被吸收、生物轉(zhuǎn)化和消除的程度圖3 簡單的生物富集消除結(jié)果毒物動力學(xué)：運用數(shù)學(xué)方法,定量的研究外來化學(xué)物的生物轉(zhuǎn)化隨時間的動態(tài)變化的規(guī)律和過程毒物動力學(xué)一室模型：指將機體視為單一的室,外來化學(xué)物進(jìn)入機體后,能迅速均勻的分布在整個機體中單速率常數(shù)模型：描述當(dāng)生物被轉(zhuǎn)移到清潔環(huán)境中使其凈化

8、污染物時污染物從體內(nèi)的消除dC/dt=-KCC為房室內(nèi)的濃度為速率常數(shù)K二室模型血液與臟器1室：dC1/dt=K21C2-(K12+K10)C11室：C1=D(-K21)/V1(-)e-t+D(K21)/V1(- ) e-t2室：dC2/dt=K12C1-K21C22室：C2=DK12/V2(-)(e-t-e-t)分布相 ;清除相3.2 污染物的分子效應(yīng)污染物不同水平的生態(tài)效應(yīng)污染物的毒激活毒激活:指將前致癌劑轉(zhuǎn)化成致癌物的生物轉(zhuǎn)化過程外源化學(xué)物在生物轉(zhuǎn)化過程形成具有親電子基團(tuán)的中間代謝物,通過這些親電子基團(tuán)與生物大分子的親核基團(tuán)結(jié)合,產(chǎn)生致癌作用基礎(chǔ)毒激活機制將化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的化合物轉(zhuǎn)變成有化

9、學(xué)反應(yīng)性的代謝產(chǎn)物形成環(huán)氧化物形成N-羥基化合物（ N-羥基化作用）呼吸道中的代謝活化作用腎臟內(nèi)的活化作用形成亞硝酸鹽和亞硝胺化合物（胃腸道內(nèi)的活化作用）致癌物的激活方式微生物酶的代謝活化方式對位硝基聯(lián)苯 腸道細(xì)菌 對位氨基聯(lián)苯 化學(xué)方式的代謝活化（無酶反應(yīng)）毒物的轉(zhuǎn)運毒物與靶分子作用毒物與靶分子作用毒性的產(chǎn)生與表現(xiàn)確定污染物對環(huán)境造成的危害程度,需要檢測并衡量其引起的生物效應(yīng)生物監(jiān)測根據(jù)化學(xué)物質(zhì)所能夠引起的生物效應(yīng)而進(jìn)行的用生物來監(jiān)測污染, 特定的生物效應(yīng)可以表征某特定化合物及其有害暴露效應(yīng)biomarker是生化、物理、形態(tài)、或組織學(xué)上的某種物質(zhì),用來指示毒物的暴露或者效應(yīng)。biomark

10、er：是生物監(jiān)測中用活著的個體、組織、體液、生理或生化改變來定量地作為重要污染物存在的指示或者即將出現(xiàn)的效應(yīng)的早期預(yù)警系統(tǒng)生物標(biāo)記物性質(zhì)生物標(biāo)記物應(yīng)該在生物組織的高層次發(fā)生有害的顯著效應(yīng)之前能夠被檢測,具預(yù)警工具的價值理想生物標(biāo)記物的檢測應(yīng)該是快速、經(jīng)濟(jì)、簡單,適合廣泛應(yīng)用 理想生物標(biāo)記物應(yīng)該對單一毒物或者一組毒物具特異性這種檢測應(yīng)該服從于標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量控制/質(zhì)量保證的實行毒物與生物標(biāo)記物之間必須存在清晰的濃度-效應(yīng)關(guān)系 理想的生物標(biāo)記物應(yīng)該能夠被應(yīng)用于廣范圍的警戒性物種上,以使之具有廣泛的應(yīng)用性在生物標(biāo)記物變化與毒物有關(guān)的適應(yīng)性降低之間可以建立起理想的相關(guān)性生物標(biāo)記物的分類接受器生物標(biāo)記物生物化

11、學(xué)生物標(biāo)記物個體生物標(biāo)記物生理學(xué)生物標(biāo)記物暴露生物標(biāo)記物效應(yīng)學(xué)生物標(biāo)記物現(xiàn)有主要的biomarker金屬硫蛋白細(xì)胞色素P450單加氧酶應(yīng)激蛋白或熱沖擊蛋白結(jié)合酶(轉(zhuǎn)移酶谷胱甘肽)亞鐵血紅素和卟啉氧化應(yīng)激酶和抗氧化酶3.3生物標(biāo)記物與毒物分子的作用機制金屬硫蛋白（MT）定義：是一組低分子量、可以與金屬結(jié)合的蛋白質(zhì)作用：是吸收、內(nèi)部區(qū)域化、隔離、排泄必需（Cu、Zn）和非必需（Ag、Cd、Hg）金屬。參與必需金屬正常的代謝活動,在無有毒金屬暴露時以基本水平存在,可以被多種物質(zhì)以及物理化學(xué)條件所誘導(dǎo)金屬硫蛋白（MT）特性：低分子量,高金屬含量高半胱氨酸含量,無芳香族AA或組氨酸獨特的AA序列,尤其是

12、半胱氨酸的位置Cys-cys cys-X-X-cys cys-X-cys 金屬硫簇溢出假說：認(rèn)為在超過了金屬硫蛋白（MT）結(jié)合金屬的能力之后,毒效將開始顯現(xiàn)。未被結(jié)合的金屬“溢出”,在有害作用的地點發(fā)生作用金屬硫蛋白（MT）被用于多種暴露模式下金屬污染的生物標(biāo)記物金屬硫蛋白（MT）與有毒金屬的作用方式金屬硫蛋白（MT）在生態(tài)毒理學(xué)中的作用MTmRNA被作為MT基因表達(dá)的指示物MT被作為解毒途徑活化的指示物與MT結(jié)合的金屬被作為解除毒性的金屬的指示物在生態(tài)毒理學(xué)中,生物標(biāo)記物的用途之一就是評價來自具有多種人為和自然應(yīng)激源特點的環(huán)境中,特定污染物的暴露或毒性。 MT金屬專一異構(gòu)物的存在代表了此潛力

13、金屬硫蛋白（MT）植物金屬螯合蛋白金屬可以與MT或相似功能的分子結(jié)合并且被隔離開來常見致癌物的代謝活化多環(huán)和雜環(huán)芳烴（PAH）有機鹵化物（PCB、PBB、TCP、 PCP、二堊英類有機氯殺蟲劑隨著DDE的蓄積，加強了對酶活性的抑制DDD可抑制腎上腺皮質(zhì)分泌激素，產(chǎn)生性別畸變有機磷殺蟲劑有機金屬（有機錫）環(huán)境因子對于毒物效應(yīng)的影響溫度效應(yīng)濕度效應(yīng)光照環(huán)境pH值氧化-還原電位Eh生物因子對于毒物效應(yīng)的影響植物效應(yīng)（種類、生態(tài)型、生長部位、階段）動物效應(yīng)（遺傳因素、性別、生長發(fā)育階段、健康狀況、生活方式、營養(yǎng)條件）多因子聯(lián)合效應(yīng)（非生物因子、生物因子、多種因子交互）混合功能氧化酶MFO細(xì)胞色素P-4

14、50單加氧酶是與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜結(jié)合的血紅素蛋白,階段反應(yīng)中外來化學(xué)物質(zhì)的氧化反應(yīng)都與細(xì)胞色素P-450單加氧酶系統(tǒng)有關(guān)。MFO是通過改變外來化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)而影響其毒性,既可以產(chǎn)生某種特定的無毒化合物也可大大增強某化合物的毒性.MFO系統(tǒng)是由不同基因位點編碼的具相同功能的酶的不同形式的集合.大多數(shù)動植物體內(nèi)都有這種系統(tǒng),它可以改變非極性有機化學(xué)物質(zhì)的毒性(通常將其轉(zhuǎn)變?yōu)楦邩O性進(jìn)行降解的方式).許多PAH與鹵化物都可誘導(dǎo)MFO產(chǎn)生活性.MFO常被用做有機化合物在生理生化水平上的生物標(biāo)記物細(xì)胞色素P-450酶通過催化氧化反應(yīng)合成并降解動物體內(nèi)的內(nèi)源化合物(類固醇,前列腺素,脂肪酸和其他生物分子)同時對于

15、外源污染物的毒理作用和排泄過程起到非常關(guān)鍵的作用.不同的P-450蛋白質(zhì)決定不同的細(xì)胞,器官,個體以及種群會發(fā)生哪些酶促反應(yīng).PAH、含氯碳?xì)浠衔铩⒍嗦嚷?lián)苯、二堊英、造紙廠廢水中的有機化合物細(xì)胞色素P-450的誘導(dǎo)受許多因素的影響,包括環(huán)境溫度,目標(biāo)暴露毒物和生物體重、動物性別等等。當(dāng)將這些可以改變它的因素考慮在內(nèi)時,細(xì)胞色素P-450的誘導(dǎo)就是一個非常有效的生物標(biāo)記物,被作為多種污染物的大量暴露的指示。應(yīng)激蛋白細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)：指對作為細(xì)胞蛋白質(zhì)的保護(hù)和再利用系統(tǒng)的關(guān)鍵蛋白質(zhì)的有序誘導(dǎo)的反應(yīng)。可以在熱、缺氧、某些金屬、外來化學(xué)物質(zhì)、乙醇、砷化鈉或者紫外線輻射的影響下引發(fā)。應(yīng)激蛋白：指參與減少與

16、熱、缺氧、紫外線輻射、砷、金屬及某些外來化學(xué)物質(zhì)等應(yīng)激源有關(guān)的蛋白質(zhì)損傷的一組蛋白質(zhì)。蛋白毒性：指蛋白質(zhì)損傷的毒性。分子伴侶：指結(jié)合蛋白質(zhì)并指導(dǎo)其正確折疊和聚集的應(yīng)激蛋白,其亦可防止蛋白質(zhì)變性和凝聚,促使它們重新折疊為具有功能的結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在應(yīng)激蛋白90、應(yīng)激蛋白70上，是始終存在的，應(yīng)激蛋白90在沒有應(yīng)激源時就有較高濃度；應(yīng)激蛋白70正常條件下濃度較低具有顯著蛋白毒性的物理和化學(xué)物質(zhì)均可誘導(dǎo)應(yīng)激蛋白。不同分子量的應(yīng)激蛋白,應(yīng)激蛋白90、應(yīng)激蛋白70、低分子量熱休克蛋白（LMW）、分子伴侶60（cpn60）和泛素產(chǎn)量的提高由變性的蛋白質(zhì)引發(fā),以保護(hù)、修復(fù)或引導(dǎo)細(xì)胞中的蛋白質(zhì)分解應(yīng)激蛋白識別變性

17、蛋白富含憎水的縮氨酸的暴露部分,并與之結(jié)合,在應(yīng)激蛋白90和應(yīng)激蛋白70的幫助下,變性或凝聚的蛋白質(zhì)展開,然后重新正確折疊恢復(fù)功能。損傷后不能被恢復(fù)的蛋白質(zhì)與泛素結(jié)合,泛素幫助它們移動到溶酶體以完成最后的分解作用方式各種應(yīng)激蛋白濃度的增加被用于一般細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)的生物標(biāo)記物不同的應(yīng)激源所誘導(dǎo)的各種應(yīng)激蛋白的程度不同，應(yīng)激蛋白的誘導(dǎo)模式被用做該誘導(dǎo)反應(yīng)的生物標(biāo)記物谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶是存在于細(xì)胞質(zhì)和微粒體里的階段酶,它通過結(jié)合作用把谷胱甘肽加到外來化學(xué)物質(zhì)或其它代謝產(chǎn)物上。其誘導(dǎo)活性和結(jié)合產(chǎn)物的濃度被作為生物標(biāo)記物。結(jié)合酶磺基轉(zhuǎn)移酶，存在細(xì)胞質(zhì)中，可以使硫酸鹽與化合物結(jié)合，進(jìn)行S轉(zhuǎn)移UDP-葡萄糖醛酸基

18、轉(zhuǎn)移酶，存在細(xì)胞質(zhì)中，可以催化葡萄糖酸與親電子的外來化合物及其代謝物結(jié)合，如萘的生物轉(zhuǎn)化谷胱甘肽具有階段結(jié)合作用底物和抗氧化劑的雙重作用。氧化應(yīng)激：指氧自由基（O2-，H2O2 和OH）對生物分子的損害氧化應(yīng)激&抗氧化反應(yīng)在有氧代謝過程中分子氧與產(chǎn)生能量的過程結(jié)合,是氧化應(yīng)激反應(yīng)產(chǎn)生的基礎(chǔ)氧自由基可引起脂的過氧化,多鏈不飽和脂的氧化反應(yīng),導(dǎo)致膜功能紊亂許多環(huán)境污染物可通過生物體的氧化還原循環(huán)，使還原劑被氧化，同時產(chǎn)生氧自由基自由基可以與許多生物分子形成共價鍵;可以與膜的組分酶和受體共價結(jié)合改變其功能和結(jié)構(gòu);與蛋白質(zhì)和其它生物分子的巰基反應(yīng)造成損害,影響其功能，這些影響涉及核酸、膜脂、蛋白質(zhì)（包括蛋白質(zhì)金