外源化學(xué)物的毒理作用機(jī)制

外源化學(xué)物的毒理作用機(jī)制第一節(jié)一般毒作用機(jī)制第二節(jié)增毒及誘導(dǎo)終毒物形成的過(guò)程第三節(jié)終毒物與靶分子結(jié)合的機(jī)制第四節(jié)誘發(fā)細(xì)胞功能障礙一、生物膜損傷Schematicoftypicalanimalcell.Organelles:(1)nucleolus(2)nucleus(3)ribosome(4)vesicle,(5)roughendoplasmicreticulum(ER),(6)Golgiapparatus,(7)Microtubule,(8)smoothER,(9)mitochondria,(10)vacuole,(11)cytoplasm,(12)lysosome,(13)centrioles第一節(jié)一般毒作用機(jī)制

許多環(huán)境因素作用于細(xì)胞膜，引起細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的改變。膜成分的改變膜脂流動(dòng)性的改變膜上酶的活性膜通透性的改變四氯化碳導(dǎo)致大鼠肝細(xì)胞膜磷脂和膽固醇含量下降DDT、對(duì)硫磷引起紅細(xì)胞膜脂流動(dòng)性降低；乙醇引起肝細(xì)胞線(xiàn)粒體膜脂流動(dòng)性增高有機(jī)磷化合物與紅細(xì)胞膜上的乙酰膽堿酯酶共價(jià)結(jié)合主要是膜蛋白的改變，如重金屬與膜蛋白上的巰基、羰基、氨基、磷酸基等的作用1.自由基的產(chǎn)生和特點(diǎn)2.活性氧系統(tǒng)3.自由基與脂質(zhì)過(guò)氧化二、化學(xué)物質(zhì)對(duì)生物大分子的氧化損傷自由基是具有不成對(duì)電子的原子、分子或離子。主要因?yàn)榛衔锏墓矁r(jià)鍵的耗能均裂而產(chǎn)生，也可以通過(guò)俘獲電子而產(chǎn)生。CH3︰HCH3·+H·CCl4+eCCl3·+Cl-均裂電子俘獲1.自由基的產(chǎn)生和特點(diǎn)一個(gè)共價(jià)鍵化合物A-B,當(dāng)它受到熱、輻射及超聲波等能量的作用時(shí)，共價(jià)鍵可能要斷裂，斷裂方式有兩種。1.共價(jià)鍵異裂

形成陽(yáng)離子和陰離子2.共價(jià)鍵均裂形成兩個(gè)自由基

共價(jià)鍵均裂，使均裂的兩部分各帶一個(gè)未成對(duì)獨(dú)電子(自由電子)，這些帶有未成對(duì)獨(dú)電子的部分稱(chēng)為自由基。O2+e→O2-·超氧陰離子自由基O2+2e+2H+→H2O2

O2+3e+3H+→H2O+OH.羥自由基O2+4e+4H+→2H2O自由基可以帶正電荷，也可以帶負(fù)電荷，也可以不帶任何電荷而成中性。自由基的特性：順磁性，生物化學(xué)反應(yīng)活性高，半衰期極短，一般僅能以μs計(jì)?！鷵寠Z其他自由基或非自由基的電子對(duì)人體造成的影響:壞的方面:?OH使脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)生?LOOLH+·OH→·L+H2O·L+O2→·ROO好的方面:?O2-殺死入侵病菌，信號(hào)傳導(dǎo)等作用NADPH+2O2→NADP++H++2.O2?有連鎖反應(yīng)，一般可分為引發(fā)(initiation)、增殖(propagation)及終止(termination)三個(gè)階段。有未成對(duì)電子，自由基和自由原子非常的活潑，通常無(wú)法分離得到。不過(guò)在許多反應(yīng)中，自由基和自由原子以中間體的形式存在，盡管濃度很低，存留時(shí)間很短。習(xí)慣上以“·”表示不成對(duì)電子。常見(jiàn)的自由基:1.

?O2-超氧陰離子自由基(superoxide）2.

?OH

羥基自由基(hydroxylradical)3.

?NO一氧化氮(nitricoxide)4.

?LOO脂質(zhì)過(guò)氧化自由基自由基—百病之源2.活性氧系統(tǒng)（reactiveoxygenspecies，ROS）

是指由氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生，并在其分子上含有氧的一類(lèi)化學(xué)性質(zhì)非?；顫娢镔|(zhì)的總稱(chēng)。含有氧原子的自由基Ex:

·O2-&

·OH經(jīng)化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生自由基的含氧衍生物Ex:H2O2&HOClFe2++H2O2→Fe3++·OH+OH-HOCl+·O2-→O2+Cl-+·OH活性氧系統(tǒng)1.?O2-

超氧陰離子自由基(superoxide）2.H2O2

過(guò)氧化氫

(hydrogenperoxide)

(非自由基)

3.?OH

羥基自由基(hydroxylradical)4.1O2

單線(xiàn)態(tài)氧

(Singletoxygen)(1)對(duì)多不飽和脂肪酸（PUFA）的攻擊(2)對(duì)蛋白質(zhì)分子的攻擊(3)對(duì)核酸和其他大分子的影響3.自由基對(duì)生物大分子的損害作用（1）脂質(zhì)過(guò)氧化損害：由自由基引起的多不飽和脂肪酸的氧化作用對(duì)生物膜具有強(qiáng)烈的破壞作用。

自由基的形成與脂質(zhì)過(guò)氧化的關(guān)系

①啟動(dòng)階段：由一些脂鏈側(cè)鏈α亞甲基碳上奪去一個(gè)氫的化合物所啟動(dòng)。OH·是最重要的脂質(zhì)過(guò)氧化的誘導(dǎo)物。

LH+·OH→·L+H2O②發(fā)展階段：已形成的自由基將作為啟動(dòng)子而產(chǎn)生新的自由基，使反應(yīng)發(fā)展下去。在發(fā)展階段中，形成的自由基總數(shù)保持不變，一種自由基團(tuán)可經(jīng)多種反應(yīng)轉(zhuǎn)變成另一種形式的自由基團(tuán)。去氫后的碳原子形成中心自由基(L·)。與脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)關(guān)系最重要的是脂質(zhì)過(guò)氧化自由基（LOO·）和脂質(zhì)過(guò)氧化物的形成（LOOH）?！+O2→·LOO③終止階段：只有兩個(gè)自由基相互作用，才能使自由基反應(yīng)鏈終止，消除自由基。脂質(zhì)過(guò)氧化的后果：

①細(xì)胞器和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的改變和功能障礙。②脂質(zhì)過(guò)氧化物的分解產(chǎn)物具有細(xì)胞毒性，其中特別有害的是一些不飽和醛類(lèi)。③對(duì)DNA影響：

一是脂質(zhì)過(guò)氧化自由基（LOO·）和烷基自由基（L·）可引起DNA堿基，特別是鳥(niǎo)嘌呤堿基的氧化；

一是脂質(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)。④對(duì)低密度脂蛋白(LDL)的作用。自由基對(duì)生物膜的損傷脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)及其脂質(zhì)自由基的生成（LOOH、LOO·、LO·）（2）蛋白質(zhì)的氧化損傷①對(duì)脂肪族氨基酸氧化損傷最常見(jiàn)的途徑為：在α-位置上將一個(gè)氫原子除去，形成C-中心自由基，再加氧其上，生成過(guò)氧基衍生物。后者分解成NH3及α-酮酸，或生成NH3、CO2與醛類(lèi)或羧酸，破壞脂肪族氨基酸的結(jié)構(gòu)。②芳香氨基酸很少出現(xiàn)α-除氫，而多出現(xiàn)羥基衍生物。后者可將苯環(huán)打開(kāi)或在酪氨酸處交聯(lián)成二聚體。③由過(guò)渡金屬介導(dǎo)出現(xiàn)氧化損傷，主要通過(guò)Fenton反應(yīng)。其損傷特點(diǎn)為部位特異性。因?yàn)椋诘鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)只有某個(gè)或幾個(gè)金屬結(jié)合部位的氨基酸受到影響。④脂質(zhì)過(guò)氧化的自由基中間產(chǎn)物作用，如烷氧自由基(LO·)和過(guò)氧自由基(LOO·)，可與過(guò)氧化脂質(zhì)緊密聯(lián)系的蛋白質(zhì)反應(yīng)。后果氧化的后果是凝集與交聯(lián)，或是蛋白質(zhì)的降解與斷裂，這主要取決于蛋白質(zhì)成分的特征及自由基的種類(lèi)。（3）核酸的氧化損傷：①堿基損傷

活性氧攻擊DNA的靶位點(diǎn)是腺嘌呤與鳥(niǎo)嘌呤的C8，嘧啶的C5與C6雙鍵。其可能的機(jī)制為：氧自由基直接作用于雙鍵部位，使之獲得一個(gè)加合基而改變其結(jié)構(gòu)?！H使脫氧核苷脫嘌呤，即自由基可使DNA鏈上出現(xiàn)無(wú)嘌呤或無(wú)嘧啶部位。·OH可以自動(dòng)從胸嘧啶的甲基中除去H原子。②DNA鏈斷裂：

·OH對(duì)DNA的攻擊，主要針對(duì)DNA分子中的核糖部分，可能的位置在DNA分子中核糖的3’和4’碳位上，造成DNA鏈的斷裂。自由基對(duì)胸腺嘧啶堿基作用，造成的損害經(jīng)修復(fù)酶切除，可產(chǎn)生類(lèi)似的單鏈斷裂。氧化應(yīng)激可啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)的一系列代謝過(guò)程，激活核酸酶，導(dǎo)致DNA鏈的斷裂。DNA鏈斷裂在基因突變的形成過(guò)程中有重要意義。DNA鏈斷裂后，有下列途徑產(chǎn)生突變：DNA鏈斷裂造成部分堿基的缺失；DNA鏈斷裂后，正常的細(xì)胞將啟動(dòng)修復(fù)過(guò)程，多種酶可以辨別DNA內(nèi)異常，并通過(guò)切割、再合成、重合等途徑使之修復(fù)。如酶也受自由基破壞或功能難以達(dá)到修復(fù)的要求，可能造成被修復(fù)的DNA堿基的錯(cuò)誤摻入和錯(cuò)誤編碼；可能引起癌基因的活化，或抑癌基因的失活。非共價(jià)結(jié)合（nonconvalentbinding）通過(guò)非極性交互作用或氫鍵與離子鍵的形成；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?？赡?。三、與生物大分子的結(jié)合共價(jià)結(jié)合學(xué)說(shuō)認(rèn)為：

許多外源化學(xué)物對(duì)細(xì)胞的損害作用與其本身或其親電代謝物不可逆地結(jié)合于細(xì)胞大分子的親核部位（如蛋白質(zhì)的巰基）有密切關(guān)系。這類(lèi)外源化學(xué)物或其本身有足夠的形成共價(jià)鍵的反應(yīng)活性，或能通過(guò)細(xì)胞代謝活化過(guò)程而轉(zhuǎn)變?yōu)槟芙閷?dǎo)共價(jià)結(jié)合的產(chǎn)物。共價(jià)結(jié)合（convalentbinding）:指化學(xué)毒物或其具有活性的代謝產(chǎn)物與機(jī)體的一些重要大分子發(fā)生共價(jià)結(jié)合，從而改變核酸、蛋白質(zhì)、酶、膜脂質(zhì)等生物大分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)與其生物學(xué)功能。加合物(adducts)指活性化學(xué)物與細(xì)胞大分子之間通過(guò)共價(jià)鍵形成的穩(wěn)定復(fù)合物。

1）蛋白質(zhì)分子中的氨基、羥基、巰基2）DNA、RNA中的堿基、核糖或脫氧核糖以及磷酸酯等亞單元3）脂質(zhì)中的磷脂酰絲氨酸、膽堿和乙醇胺生物大分子中親核部位：1）與核酸結(jié)合：

在核酸分子中，堿基、戊糖及磷酸等任何一個(gè)亞單元均可受到攻擊，造成化學(xué)性損傷。堿基是最常見(jiàn)也是最重要的靶。后果：堿基置換、堿基丟失、鏈斷裂、核酸交聯(lián)等。共價(jià)結(jié)合的類(lèi)型和后果與核酸分子的共價(jià)結(jié)合

毒物與核酸共價(jià)結(jié)合成不同類(lèi)型加合物后，引起不同的生物效應(yīng)，包括細(xì)胞毒性、誘變作用、活化癌基因、細(xì)胞癌變等。

毒物與核酸的共價(jià)結(jié)合是研究化學(xué)毒物致癌作用的熱點(diǎn)。

一旦毒物與核酸共價(jià)結(jié)合成加合物，致癌過(guò)程即已啟動(dòng)，隨后進(jìn)入促進(jìn)和發(fā)展階段。與DNA形成加合物是啟動(dòng)致癌作用的化合物的一個(gè)重要特征DNA加合物形成的后果取決于加合物在DNA鏈上的位置和加合物的性質(zhì)G（鳥(niǎo)嘌呤）-C（胞嘧啶）N1（G）氫鍵N3（C）加合物位于G的O6位置N2（G）氫鍵N1（T）G（鳥(niǎo)嘌呤）-T（胸腺嘧啶）（錯(cuò)配）

蛋白質(zhì)分子中有許多官能團(tuán)可與外源化學(xué)物或其活性代謝物共價(jià)結(jié)合，從而影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。如半胱氨酸的巰基、組氨酸的咪唑基、色氨酸的吲哚基、酪氨酸的酚基、賴(lài)氨酸的ε-氨基、精氨酸的胍基以及蘇氨酸和絲氨酸的羥基等。2）與蛋白質(zhì)結(jié)合生物學(xué)后果：①細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)及通透性改變；②引起各亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能損傷；③影響酶的催化功能，引起代謝異常及能量供應(yīng)障礙；④導(dǎo)致遺傳毒性；⑤引起機(jī)體特殊的免疫反應(yīng)。3）與脂質(zhì)結(jié)合：

外源化學(xué)物或其活性代謝產(chǎn)物與脂質(zhì)發(fā)生共價(jià)結(jié)合的部位主要有絲氨酸、膽堿及乙醇胺等，脂質(zhì)的化學(xué)損傷使膜結(jié)構(gòu)和功能改變。4）致死性摻入：

是指外源化學(xué)物或其代謝活性產(chǎn)物作為生物合成的“原料”摻入生物大分子，從而導(dǎo)致生物大分子組成及功能的異常。第二節(jié)增毒及誘導(dǎo)終毒物形成的機(jī)制42一、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：終毒物與其來(lái)源43443、終毒物的類(lèi)型外源性化學(xué)物經(jīng)代謝活化后，最常見(jiàn)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。

含有一個(gè)缺電子原子（帶部分或全部正電荷）的分子，它能通過(guò)與親核物中的富電子原子共享電子對(duì)而發(fā)生反應(yīng)。二、親電物的形成親電物：親電物的形成機(jī)理

插入一個(gè)氧原子，該氧原子從其附著的原子中抽取一個(gè)電子，使其具有親電性共軛雙鍵形成，通過(guò)氧的去電子作用而被極化，使得雙鍵碳之一發(fā)生電子缺失

鍵異裂形成陽(yáng)離子親電物表2親電代謝物產(chǎn)生的毒性親電子代謝物源毒物催化增毒酶毒性作用非離子親電物醛,酮乙醛乙醇ADH肝纖維化(？)佐美酸葡萄糖醛酸苷佐美酸GT→異構(gòu)化作用免疫反應(yīng)(？)2,5－己二酮己烷p450軸索疾病表2親電代謝物產(chǎn)生的毒性(續(xù))親電子代謝物源毒物催化增毒酶毒性作用2,5－己二酮己烷p450軸索疾病α,β－不飽和醛,酮丙烯醛丙烯醇ADH肝臟壞死丙烯醛丙烯胺MAO血管損傷粘糠醛苯多個(gè)酶骨髓損傷4－羥基壬醛脂肪酸脂質(zhì)過(guò)氧化作用細(xì)胞損傷（？）表2親電代謝物產(chǎn)生的毒性(續(xù))親電子代謝物源毒物催化增毒酶毒性作用苯醌,苯醌亞胺DES－4,4ˊ－苯醌DES過(guò)氧化物酶致癌作用（？）N－乙?；璸－苯醌亞胺對(duì)乙酰氨基酚p450,過(guò)氧化物酶肝臟壞死表2親電代謝物產(chǎn)生的毒性(續(xù))親電子代謝物源毒物催化增毒酶毒性作用環(huán)氧化物,芳烴氧化物黃曲霉素B1-8,9-環(huán)氧化物黃曲霉素B1p450致癌作用2－氯環(huán)氧乙烷氯化乙烯p450致癌作用溴苯3,4-環(huán)氧化物溴苯p450肝臟壞死BP-7,8-二醇-9,10-環(huán)氧化物苯并（a）芘p450致癌作用表2親電代謝物產(chǎn)生的毒性(續(xù))親電子代謝物源毒物催化增毒酶毒性作用亞砜硫代乙酰胺S氧化物硫代乙酰胺FMO肝臟壞死亞硝基化合物亞硝基－磺胺甲基異噁唑磺胺甲基異噁唑p450免疫反應(yīng)膦酸酯對(duì)氧磷對(duì)硫磷p450ChE抑制表2親電代謝物產(chǎn)生的毒性(續(xù))親電子代謝物源毒物催化增毒酶毒性