第3章毒作用機(jī)制課件

主要內(nèi)容第1節(jié)終毒物形成第2節(jié)終毒物與靶分子的反應(yīng)第3節(jié)細(xì)胞功能障礙與毒性2023/6/111第1節(jié)終毒物的形成1、終毒物的概念2、終毒物的形成2一、終毒物的概念1、終毒物的概念終毒物是指與內(nèi)源性靶分子如受體、酶、DNA、微絲蛋白、脂質(zhì)等反應(yīng)，或者嚴(yán)重改變生物學(xué)微環(huán)境，導(dǎo)致機(jī)體結(jié)構(gòu)和功能改變而表現(xiàn)出毒性的物質(zhì)。2、終毒物的來(lái)源：外源性化學(xué)物的原形：如CO，重金屬等；外源性化學(xué)物的代謝物，即代謝活化：如正已烷、四氯化碳的活性代謝產(chǎn)物；活性氧與活性氮：內(nèi)源性物質(zhì)的產(chǎn)物：2023/6/113終毒物與其來(lái)源2023/6/1143、終毒物的類型外源性化學(xué)物經(jīng)代謝活化后，最常見的是轉(zhuǎn)化為以下四種產(chǎn)物。親電物；親核物；自由基；氧化還原性反應(yīng)物。毒物引起的毒效應(yīng)強(qiáng)度主要取決于終毒物在靶位點(diǎn)的濃度和持續(xù)時(shí)間。2023/6/115二、終毒物的形成親電物的形成親核物的形成氧化還原性反應(yīng)物質(zhì)的形成自由基的形成2023/6/116(一)親電物的形成1、親電物的概念親電物是指含有一個(gè)缺電子原子的分子。它帶有一部分或者一個(gè)完整的正電荷，能通過(guò)與親核物中的富電子原子共享電子對(duì)而發(fā)生效應(yīng)。2023/6/1172、親電物的形成外源性化學(xué)物通過(guò)插入一個(gè)O原子而產(chǎn)生。O原子從其附著的原子抽取一個(gè)電子使其具有親電性。如醛、酮、環(huán)氧化物、亞硝基化學(xué)物、亞砜物的形成等等。共軛雙鍵形成。外源性化學(xué)物形成共軛雙鍵后，通過(guò)氧的吸電子作用而被極化，使得雙鍵碳之一發(fā)生電子缺失，成為親電物。如α、β-不飽合醛和酮、醌、醌亞胺等的形成。陽(yáng)離子親電物的形成多是化學(xué)鍵異裂的結(jié)果。如碳翁離子、氮翁離子、金屬離子如二價(jià)汞離子。2023/6/118形成親電物增毒的物質(zhì)2023/6/119(二)親核物的形成在毒物的活化機(jī)制中，親核物形成比較少見?？嘈尤式?jīng)腸道細(xì)菌β-糖苷酶催化形成氰化物；丙烯腈環(huán)氧化后與谷胱甘肽結(jié)合形成氰化物。2023/6/1110(三)氧化還原活性劑的形成如硝酸鹽經(jīng)過(guò)腸道細(xì)菌的作用還原，生成亞硝酸鹽,可引起高鐵血紅蛋白血癥。還原性物質(zhì)如抗壞血酸等，以及NADPH-細(xì)胞色素P450還原酶等還原酶可使Cr6+還原為Cr5+。Cr5+反過(guò)來(lái)又可催化HO·生成。2023/6/1111(四)自由基的形成1、自由基的概念2、活性氧3、自由基的來(lái)源2023/6/1112132023/6/111.自由基的概念自由基的概念：自由基是獨(dú)立游離存在的帶有不成對(duì)電子的分子、原子或離子。自由基的特點(diǎn)：化學(xué)性質(zhì)十分活潑，反應(yīng)性極高，半減期極短。近30年來(lái)，自由基在腫瘤、老化及其疾病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的作用得到了進(jìn)一步證實(shí)。13自由基的種類自由基的種類很多，主要有A、以氧為中心的自由基；B、以碳為中心的自由基；C、以氫為中心的自由基；D、以硫?yàn)橹行牡淖杂苫籈、以氮為中心的自由基；F、過(guò)渡金屬離子：其中，目前研究最深入的是氧自由基。2023/6/1114常見的自由基超氧陰離子自由基羥自由基碳酸鹽陰離子自由基二氧化氮一氧化氮三氯甲基自由基152.活性氧（1）活性氧的概念活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS),也稱反應(yīng)氧族，是一個(gè)集合名詞，不僅包括氧中心自由基，如超氧陰離子自由基和羥自由基；也包括某些氧的非自由基衍生物，如過(guò)氧化氫、單線態(tài)氧和次氯酸，甚至包括過(guò)氧化物、氫過(guò)氧化物和內(nèi)源性脂質(zhì)及外源性化學(xué)物的環(huán)氧代謝物。它們的共同特點(diǎn)是都含有化學(xué)性質(zhì)活潑的含氧功能基團(tuán)。2023/6/1116（2）主要的活性氧①超氧陰離子自由基

A、超氧陰離子自由基的基本特點(diǎn)超氧陰離子自由基是一種弱的氧化劑，能氧化某些分子如維生素C和巰基。但在更多的情況下是一種強(qiáng)的還原劑，如還原細(xì)胞色素C。B、超氧陰離子自由基的增毒途徑一是導(dǎo)致過(guò)氧化氫的形成，然后生成羥自由基。二是產(chǎn)生過(guò)氧亞硝基（ONOO-），最后生成二氧化氮和碳酸鹽陰離子自由基。2023/6/1117超氧陰離子自由基的兩個(gè)增毒途徑182023/6/1118C、超氧陰離子自由基的消除過(guò)程。在水溶液中O2.-

通過(guò)歧化反應(yīng)消除，產(chǎn)生H2O2和O2，反應(yīng)由銅鋅超氧化物歧化酶（SOD）催化。O2.-+O2.-+2H+H2O2+O2

SOD按輔基不同分為2類：Cu/Zn-SOD:存在于真核生物的胞液中。Mn-SOD:存在于真核生物的線粒體中。2023/6/1119②過(guò)氧化氫（H2O2

）：歧化反應(yīng)的結(jié)果，任何產(chǎn)生O2.-的系統(tǒng)也將產(chǎn)生H2O2由于。H2O2

是一種弱氧化劑和弱還原劑，在缺乏過(guò)渡金屬離子時(shí)是相對(duì)穩(wěn)定的。過(guò)氧化氫酶、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶可將其分解成水和氧。2023/6/1120③羥基自由基（.OH)羥自由基是化學(xué)性質(zhì)極強(qiáng)的自由基，能與任何生物分子反應(yīng)。半衰期短(不到1μs)，作用直徑很短(3nm)。與.OH相比，O2.-、H2O2的反應(yīng)性弱，但它們有較長(zhǎng)的壽命，因此它們能與遠(yuǎn)離自由基產(chǎn)生部位的分子反應(yīng)。2023/6/11214.自由基的來(lái)源機(jī)體內(nèi)自由基的來(lái)源:生物系統(tǒng)本身產(chǎn)生；外來(lái)化合物的代謝產(chǎn)生。2023/6/1122生物系統(tǒng)產(chǎn)生自由基的主要途徑胞漿中的小分子：胞漿中的小分子通過(guò)自氧化使O2還原產(chǎn)生氧自由基。如兒茶酚胺、黃素類、四氫碟呤類、醌類等。胞漿蛋白質(zhì)：某些胞漿酶如黃嘌呤氧化酶可通過(guò)酶促循環(huán)產(chǎn)生ROS。線粒體電子傳遞過(guò)程能生成ROS。主要是O2.-。吞噬細(xì)胞的吞噬過(guò)程和“呼吸爆發(fā)”：生物體中O2.-的主要來(lái)源之一。當(dāng)吞噬細(xì)胞活化準(zhǔn)備吞噬時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)氧耗量增加。1973年，Babior等首先證實(shí)了這種“呼吸爆發(fā)”的過(guò)程，使氧分子還原為超氧自由基。2023/6/1123外源化學(xué)物的氧化還原代謝許多外源化學(xué)物可通過(guò)不同途徑形成自由基，但其中最主要的途徑是通過(guò)氧化還原循環(huán)。氧化還原循環(huán):外源化學(xué)物通過(guò)加入一個(gè)電子而還原為不穩(wěn)定的中間代謝產(chǎn)物，隨后這個(gè)電子轉(zhuǎn)移給分子氧而形成超氧陰離子自由基，而中間產(chǎn)物則再變成原化學(xué)物。通常由NADPH-細(xì)胞色素P450還原酶催化。2023/6/1124醌類：醌類是數(shù)量最多的一類可發(fā)生氧化還原循環(huán)的化學(xué)物，臨床上廣泛用于抗腫瘤的藥物。如絲裂霉素、阿霉素、博萊霉素等均能產(chǎn)生ROS。硝基化合物：苯的硝基化合物如硝基苯、三硝基甲苯以及硝基雜環(huán)化合物包括呋喃妥因、呋喃西林、氯霉素和甲硝唑等。雙吡啶化合物：百草枯、殺草快等除草劑通過(guò)氧化還原循環(huán),在植物中生成大量的O2.-，并通過(guò)SOD的作用形成H2O2，由于植物缺乏過(guò)氧化氫酶，單靠GSH循環(huán)無(wú)法處置高水平的H2O2，導(dǎo)致許多酶失活，引起植物死亡。2023/6/1125氧化還原循環(huán)百草枯(paraquat,PQ++)、阿霉素(doxorubicin,DR)和呋喃妥因(nitrofurantoin,NF)產(chǎn)生自由基。262023/6/1126第二節(jié)終毒物與靶分子的反應(yīng)毒效應(yīng)是由終毒物與靶分子反應(yīng)引起的。首先終毒物與靶分子相互作用，接著一系列繼發(fā)性事件發(fā)生，導(dǎo)致在不同水平上出現(xiàn)功能紊亂和結(jié)構(gòu)損傷，如靶分子本身水平、細(xì)胞器水平、細(xì)胞水平、組織器官水平以及整個(gè)機(jī)體水平。終毒物與靶分子交互作用觸發(fā)毒效應(yīng)，需考慮以下方面：靶分子的屬性；終毒物與靶分子反應(yīng)的類型；毒物對(duì)靶分子的效應(yīng)。2023/6/1127一、靶分子的屬性常見的靶分子所有的內(nèi)源性分子都可能成為毒物的靶點(diǎn)，但最常見的靶點(diǎn)是：生物大分子，如核酸和蛋白質(zhì)，小分子中膜脂質(zhì)最常見。此外，輔因子，如輔酶A、吡哆醛也能成為毒物靶點(diǎn)。2.靶分子的屬性作為靶分子，必須具有合適的反應(yīng)性和空間構(gòu)型，允許終毒物與其發(fā)生共價(jià)或非共價(jià)反應(yīng)。2023/6/1128二、終毒物與靶分子反應(yīng)的類型終毒物與靶分子的反應(yīng)，常見的有以下幾種類型。非共價(jià)結(jié)合

(noncovalentbinding)共價(jià)結(jié)合(covalentbinding)去氫反應(yīng)(hydrogenabstraction)電子轉(zhuǎn)移

(electrontransfer)酶促反應(yīng)

(enzymaticreaction)2023/6/11291、非共價(jià)結(jié)合非共價(jià)結(jié)合通過(guò)非極性交互作用或氫鍵與離子鍵形成。具有代表性的是：毒物與膜受體、細(xì)胞內(nèi)受體、離子通道以及某些酶等靶分子的交互作用。如TCDD與芳香烴受體的結(jié)合、蛤蚌毒素與鈉通道的結(jié)合等。這種結(jié)合通常是可逆的。2023/6/11302、共價(jià)結(jié)合共價(jià)結(jié)合不可逆，并且能夠持久地改變內(nèi)源分子，因此在毒理學(xué)上具有重要的意義。常見的共價(jià)結(jié)合有：A、共價(jià)加合物的形成。最常見的是親電毒物，如非離子和陽(yáng)離子親電物以及自由基陽(yáng)離子。它們能與生物大分子，如核酸、蛋白質(zhì)中的親核原子發(fā)生反應(yīng)。二者之間的結(jié)合具有選擇性。2023/6/1131一般來(lái)說(shuō)，軟親電物較易與軟親核物結(jié)合；硬親電物較易與硬親核物結(jié)合。所謂的軟，是指較低的電荷/半徑比；硬則指較高的電荷/半徑比。如銀、汞等歸為軟親電物易與軟親核物結(jié)合，如巰基；鋰、鈣、鋇等硬親電物優(yōu)先與硬親核物結(jié)合，如羧基和磷酸鹽陰離子；而鉻、鉛等位于兩個(gè)極端之間，能與親核物普遍反應(yīng)。2023/6/1132B、中性自由基，如羥自由基、NO2等也能與生物分子發(fā)生共價(jià)結(jié)合。如羥自由基加入到DNA堿基中，導(dǎo)致許多產(chǎn)物的形成，如8-羥嘌呤、5-羥甲基嘧啶等。C、理論上親核毒物能夠與親電內(nèi)源性物質(zhì)結(jié)合。但實(shí)際上這種情況比較少見。因?yàn)樵谏锓肿又杏H電物十分罕見。2023/6/11333、去氫反應(yīng)中性自由基能從內(nèi)源性化合物中去除H原子，生成新的內(nèi)源性自由基。從DNA分子的脫氧核糖中去除H，產(chǎn)生C-4’-自由基，是DNA斷裂的最初步驟；從脂肪酸去除H產(chǎn)生脂質(zhì)自由基，能夠啟動(dòng)脂質(zhì)過(guò)氧化降解。從巰基化學(xué)物中去除H，形成巰基自由基；2023/6/11344、電子轉(zhuǎn)移：如化學(xué)毒物能夠?qū)⒀t蛋白中的二價(jià)鐵[Fe(II)]轉(zhuǎn)變成三價(jià)鐵[Fe(III)]，形成高鐵血紅蛋白。如亞硝酸鹽、苯胺等。2023/6/11355、酶促反應(yīng)少數(shù)毒物能夠通過(guò)酶促反應(yīng)作用于特定靶蛋白上。如蓖麻毒素是一種N-糖苷酶（N-glycosidases），能水解核糖核酸的糖苷鍵（堿基與核糖之間），阻斷蛋白質(zhì)合成。肉毒毒素是一種鋅依賴的蛋白酶，能水解膽堿能神經(jīng)元的神經(jīng)遞質(zhì)分泌過(guò)程中的一種融合蛋白，阻斷神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿的釋放，引起癱瘓。

2023/6/1136三、毒物對(duì)靶分子的影響終毒物與內(nèi)源性分子反應(yīng)，主要通過(guò)以下四種機(jī)制對(duì)靶分子產(chǎn)生影響，引起靶分子的功能失調(diào)和結(jié)構(gòu)破壞。靶分子的功能失調(diào)靶分子的結(jié)構(gòu)破壞2023/6/1137靶分子功能失調(diào)某些毒物模擬內(nèi)源性配體，活化靶分子。如嗎啡可以激活鴉片受體；佛波酯和鉛激活蛋白激酶C。更多的情況下，毒物則是抑制靶分子的功能。河豚毒素、蛤蚌毒素抑制神經(jīng)細(xì)胞膜上鈉通道開放；DDT和擬除蟲菊酯殺蟲劑則抑制鈉通道關(guān)閉。2023/6/1138毒物與蛋白作用，通過(guò)改變其結(jié)構(gòu)構(gòu)型，引起蛋白功能受損。如巰基是許多蛋白分子重要的功能基團(tuán)，特別是維持酶的活性中心所必須。巰基反應(yīng)物能損害其活性，觸發(fā)異常的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，或者損害細(xì)胞的能量和代謝穩(wěn)態(tài)。2023/6/1139毒物可以干擾DNA的模板功能?；瘜W(xué)物與DNA共價(jià)結(jié)合，可引起復(fù)制期間核苷酸錯(cuò)配。例如黃曲霉毒素8,9-環(huán)氧化物能共價(jià)結(jié)合于鳥嘌呤的N-7位，使其與腺嘌呤配對(duì)，而不是與胞嘧啶配對(duì)，引起蛋白質(zhì)翻譯的錯(cuò)誤阿霉素(doxorubicin)能夠插入到雙螺旋DNA的堿基間，迫使鄰近的堿基對(duì)分開，造成讀碼框架的改變，而引起DNA模板功能的較大錯(cuò)誤。2023/6/1140靶分子結(jié)構(gòu)破壞毒物通過(guò)與內(nèi)源性分子形成加合物、發(fā)生交聯(lián)和斷裂引起內(nèi)源性分子初級(jí)結(jié)構(gòu)改變。如雙功能的親電子劑如2,5-HD、烷化劑能夠引起細(xì)胞骨架蛋白、DNA發(fā)生交聯(lián)，或者引起蛋白質(zhì)與DNA交聯(lián)。交聯(lián)能夠使被連接的分子發(fā)生結(jié)構(gòu)和功能的抑制。自由基特別是羥自由基（HO?）和三氯甲基過(guò)氧自由基(Cl3COO?)可通過(guò)脂肪酸脫氫，而啟動(dòng)脂質(zhì)的過(guò)氧化降解。2023/6/1141羥自由基啟動(dòng)的脂質(zhì)過(guò)氧化羥自由基攻擊多不飽和脂肪酸，從其碳鏈的亞甲基中抽取1個(gè)H，形成脂質(zhì)自由基（L.)，然后分子重排成共軛二烯；共軛二烯與O2形成脂質(zhì)過(guò)氧自由基（LO2.)；LO2.既能從鄰近的脂肪酸抽取氫，使脂質(zhì)過(guò)氧化擴(kuò)展下去；也可從供氫體抽取氫導(dǎo)致脂質(zhì)氫過(guò)氧化物（LOOH）的形成。

LOOH通過(guò)Fe(II)催化的Fenton反應(yīng)形成脂質(zhì)烷氧自由基（LO.)。最終斷裂形成小分子的碳?xì)浠衔?，如乙烷和活性醛類?-羥壬醛和丙二醛）。2023/6/1142膜脂質(zhì)過(guò)氧化的后果脂質(zhì)過(guò)氧化不僅破壞細(xì)胞膜脂質(zhì)，而且產(chǎn)生許多內(nèi)源性毒物包括自由基（如LOO?,LO?)和親電物(如醛類)。細(xì)胞器和細(xì)胞膜功能障礙，膜流動(dòng)性↓、通透性↑。脂質(zhì)過(guò)氧化物的分解產(chǎn)物具有細(xì)胞毒性，其中特別是一些不飽和醛類。對(duì)DNA影響。脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)生的自由基可引起DNA堿基特別是鳥嘌呤的氧化；脂質(zhì)過(guò)氧化物的分解產(chǎn)物丙二醛可以共價(jià)結(jié)合方式導(dǎo)致DNA鏈斷裂和交聯(lián)。2023/6/1143毒物可引起多種形式的DNA斷裂。羥自由基（HO?）攻擊DNA堿基能引起咪唑環(huán)開放的嘌呤或環(huán)收縮的嘧啶，最終導(dǎo)致DNA復(fù)制障礙；羥自由基通過(guò)從DNA的脫氧核糖提取H，產(chǎn)生C-4’自由基，最終引起磷酸二酯鍵的斷裂，而產(chǎn)生單鏈斷裂。大量羥自由基攻擊較短的DNA，引起雙鏈斷裂。這種情況常發(fā)生于電離輻射之后，常表現(xiàn)為致死效應(yīng)。2023/6/1144第三節(jié)細(xì)胞功能障礙與毒性細(xì)胞是生命體的結(jié)構(gòu)和功能單位。毒物與靶分子的反應(yīng)首先導(dǎo)致細(xì)胞功能受損，然后才引起整個(gè)機(jī)體的功能損害。毒物引起的細(xì)胞功能損害可分為兩類：引起細(xì)胞調(diào)節(jié)功能障礙引起細(xì)胞維持功能改變2023/6/1145毒物引起的細(xì)胞維持功能改變一、危害細(xì)胞存活的原發(fā)性代謝紊亂危害細(xì)胞存活的原發(fā)性代謝紊亂的3個(gè)關(guān)鍵事件：ATP耗竭鈣蓄積活性氧(ROS)/活性氮(RNS)生成2023/6/1146ATP耗竭1、ATP耗竭ATP作為生物合成的化學(xué)物質(zhì)和能量的主要來(lái)源，在細(xì)胞維持中起著核心作用，它能用于許多生物合成反應(yīng)，通過(guò)磷酸化和腺苷化活化內(nèi)源性化學(xué)物質(zhì)，摻入到輔因子及核酸中去。體內(nèi)ATP產(chǎn)生的主要方式是氧化磷酸化，即在呼吸鏈電子傳遞過(guò)程中偶聯(lián)ADP的磷酸化，生成ATP。2023/6/1147電子傳遞鏈與ATP產(chǎn)生2023/6/1148ATPsynthesis(oxidativephosphorylation)inmitochondria2023/6/1149ATP生成障礙的主要機(jī)制干擾H向電子傳遞鏈傳遞。如氟乙酸抑制檸檬酸循環(huán)和NADH的產(chǎn)生。抑制電子沿電子傳遞鏈轉(zhuǎn)移到O2。如氰化物、魚骨藤。干擾氧傳遞到細(xì)胞色素氧化酶，如CO。抑制ATP合酶的活性，ADP→ATP受抑制。如寡霉素、DDT能抑制此過(guò)程。引起線粒體DNA損傷和損害線粒體蛋白轉(zhuǎn)錄翻譯，如乙醇、抗病毒藥2023/6/1150細(xì)胞內(nèi)Ca2+的持續(xù)升高1.細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)細(xì)胞外液的Ca2+濃度為10-3mol/l，而細(xì)胞內(nèi)約為10-7mol/l，即相當(dāng)于胞外的1/10000，且經(jīng)常保持在一定的水平。鈣是可興奮細(xì)胞中的重要的第二信使，能將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樯飳W(xué)效應(yīng)，如神經(jīng)遞質(zhì)的釋放、激素分泌和肌肉收縮等。2023/6/11512.機(jī)體內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)的調(diào)控機(jī)制Ca2+內(nèi)流機(jī)制：如電壓門控的鈣通道，配體門控的鈣通道等，當(dāng)它們激活時(shí)，鈣離子順電化學(xué)梯度內(nèi)流，細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度超過(guò)靜息水平。Ca2+緩沖機(jī)制：即細(xì)胞內(nèi)的鈣庫(kù)，包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體，可以吸收、儲(chǔ)存和釋放鈣。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)聚積鈣主要是通過(guò)Ca2+-ATPase即鈣泵完成；而線粒體主要是通過(guò)Ca2+-uniporter即鈣單向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來(lái)完成。Ca2+外排機(jī)制：主要是由細(xì)胞膜上的Ca2+-ATPase和鈉鈣交換轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)來(lái)完成。鈉鈣交換轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)：能排出一個(gè)Ca2+,進(jìn)入3個(gè)Na+。2023/6/1152

2023/6/11533.引起細(xì)胞內(nèi)鈣濃度升高的原因促進(jìn)Ca內(nèi)流，或抑制其從胞質(zhì)外流的因素都可引起細(xì)胞內(nèi)鈣水平的升高。具體地說(shuō)：毒物可誘導(dǎo)配體或電壓門控的鈣通道開放，或損傷質(zhì)膜，引起細(xì)胞外液中的鈣內(nèi)流；毒物誘導(dǎo)鈣從線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)漏出，而增加胞漿鈣濃度；毒物通過(guò)抑制鈣轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或耗竭其動(dòng)力，減少鈣外流。2023/6/11544.細(xì)胞內(nèi)鈣持續(xù)升高的后果能量?jī)?chǔ)備的耗竭；引起細(xì)胞內(nèi)微絲的解離，使質(zhì)膜易于破裂?？杉せ罱到獾鞍踪|(zhì)、磷脂和核酸的水解酶，引起蛋白、磷脂