第3章毒作用机制.ppt
第四章 毒作用机制,2,2023/11/2,主要内容,第1节 终毒物形成第2节 终毒物与靶分子的反应第3节 细胞功能障碍与毒性,第1节 终毒物的形成,1、终毒物的概念2、终毒物的形成,4,2023/11/2,一、终毒物的概念,1、终毒物的概念终毒物是指与内源性靶分子如受体、酶、DNA、微丝蛋白、脂质等反应，或者严重改变生物学微环境，导致机体结构和功能改变而表现出毒性的物质。2、终毒物的来源：外源性化学物的原形：如CO，重金属等；外源性化学物的代谢物，即代谢活化：如正已烷、四氯 化碳的活性代谢产物；活性氧与活性氮：内源性物质的产物：,终毒物与其来源,5,2023/11/2,6,2023/11/2,3、终毒物的类型外源性化学物经代谢活化后，最常见的是转化为以下四种产物。亲电物；亲核物；自由基；氧化还原性反应物。毒物引起的毒效应强度主要取决于终毒物在靶位点的浓度和持续时间。,二、终毒物的形成,亲电物的形成亲核物的形成氧化还原性反应物质的形成自由基的形成,7,2023/11/2,8,2023/11/2,(一)亲电物的形成,1、亲电物的概念亲电物是指含有一个缺电子原子的分子。它带有一部分或者一个完整的正电荷，能通过与亲核物中的富电子原子共享电子对而发生效应。,2、亲电物的形成外源性化学物通过插入一个O原子而产生。O原子从其附着的原子抽取一个电子使其具有亲电性。如醛、酮、环氧化物、亚硝基化学物、亚砜物的形成等等。共轭双键形成。外源性化学物形成共轭双键后，通过氧的吸电子作用而被极化，使得双键碳之一发生电子缺失，成为亲电物。如、-不饱合醛和酮、醌、醌亚胺等的形成。阳离子亲电物的形成多是化学键异裂的结果。如碳翁离子、氮翁离子、金属离子如二价汞离子。,9,2023/11/2,形成亲电物增毒的物质,10,2023/11/2,11,2023/11/2,(二)亲核物的形成,在毒物的活化机制中，亲核物形成比较少见。苦杏仁经肠道细菌-糖苷酶催化形成氰化物；丙烯腈环氧化后与谷胱甘肽结合形成氰化物。,12,2023/11/2,(三)氧化还原活性剂的形成,如硝酸盐经过肠道细菌的作用还原，生成亚硝酸盐,可引起高铁血红蛋白血症。还原性物质如抗坏血酸等，以及NADPH-细胞色素P450还原酶等还原酶可使Cr6+还原为Cr5+。Cr5+反过来又可催化HO生成。,13,2023/11/2,(四)自由基的形成,1、自由基的概念2、活性氧3、自由基的来源,14,2023/11/2,1.自由基的概念,自由基的概念：自由基是独立游离存在的带有不成对电子的分子、原子或离子。自由基的特点：化学性质十分活泼，反应性极高，半减期极短。近30年来，自由基在肿瘤、老化及其疾病的发生发展过程中的作用得到了进一步证实。,15,2023/11/2,自由基的种类,自由基的种类很多，主要有A、以氧为中心的自由基；B、以碳为中心的自由基；C、以氢为中心的自由基；D、以硫为中心的自由基；E、以氮为中心的自由基；F、过渡金属离子：其中，目前研究最深入的是氧自由基。,常见的自由基,超氧阴离子自由基羟自由基碳酸盐阴离子自由基二氧化氮一氧化氮三氯甲基自由基,17,2023/11/2,2.活性氧,（1）活性氧的概念活性氧(reactive oxygen species,ROS),也称反应氧族，是一个集合名词，不仅包括氧中心自由基，如超氧阴离子自由基和羟自由基；也包括某些氧的非自由基衍生物，如过氧化氢、单线态氧和次氯酸，甚至包括过氧化物、氢过氧化物和内源性脂质及外源性化学物的环氧代谢物。它们的共同特点是都含有化学性质活泼的含氧功能基团。,18,2023/11/2,（2）主要的活性氧 超氧阴离子自由基 A、超氧阴离子自由基的基本特点超氧阴离子自由基是一种弱的氧化剂，能氧化某些分子如维生素C和巯基。但在更多的情况下是一种强的还原剂，如还原细胞色素C。B、超氧阴离子自由基的增毒途径一是导致过氧化氢的形成，然后生成羟自由基。二是产生过氧亚硝基（ONOO-），最后生成二氧化氮和碳酸盐阴离子自由基。,超氧阴离子自由基的两个增毒途径,19,2023/11/2,20,2023/11/2,C、超氧阴离子自由基的消除过程。在水溶液中O2.-通过歧化反应消除，产生H2O2和O2，反应由铜锌超氧化物歧化酶（SOD）催化。O2.-+O2.-+2H+H2O2+O2 SOD按辅基不同分为2类：Cu/Zn-SOD:存在于真核生物的胞液中。Mn-SOD:存在于真核生物的线粒体中。,21,2023/11/2,过氧化氢（H2O2）：歧化反应的结果，任何产生O2.-的系统也将产生H2O2由于。H2O2 是一种弱氧化剂和弱还原剂，在缺乏过渡金属离子时是相对稳定的。过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶可将其分解成水和氧。,22,2023/11/2,羟基自由基（.OH)羟自由基是化学性质极强的自由基，能与任何生物分子反应。半衰期短(不到1s)，作用直径很短(3nm)。与.OH相比，O2.-、H2O2的反应性弱，但它们有较长的寿命，因此它们能与远离自由基产生部位的分子反应。,23,2023/11/2,4.自由基的来源,机体内自由基的来源:生物系统本身产生；外来化合物的代谢产生。,24,2023/11/2,生物系统产生自由基的主要途径,胞浆中的小分子：胞浆中的小分子通过自氧化使O2还原产生氧自由基。如儿茶酚胺、黄素类、四氢碟呤类、醌类等。胞浆蛋白质：某些胞浆酶如黄嘌呤氧化酶可通过酶促循环产生ROS。线粒体电子传递过程能生成ROS。主要是O2.-。吞噬细胞的吞噬过程和“呼吸爆发”：生物体中O2.-的主要来源之一。当吞噬细胞活化准备吞噬时，就会出现氧耗量增加。1973年，Babior等首先证实了这种“呼吸爆发”的过程，使氧分子还原为超氧自由基。,25,2023/11/2,外源化学物的氧化还原代谢,许多外源化学物可通过不同途径形成自由基，但其中最主要的途径是通过氧化还原循环。氧化还原循环:外源化学物通过加入一个电子而还原为不稳定的中间代谢产物，随后这个电子转移给分子氧而形成超氧阴离子自由基，而中间产物则再变成原化学物。通常由NADPH-细胞色素P450还原酶催化。,26,2023/11/2,醌类：醌类是数量最多的一类可发生氧化还原循环的化学物，临床上广泛用于抗肿瘤的药物。如丝裂霉素、阿霉素、博莱霉素等均能产生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杂环化合物包括呋喃妥因、呋喃西林、氯霉素和甲硝唑等。双吡啶化合物：百草枯、杀草快等除草剂通过氧化还原循环,在植物中生成大量的O2.-，并通过SOD的作用形成H2O2，由于植物缺乏过氧化氢酶，单靠GSH循环无法处置高水平的H2O2，导致许多酶失活，引起植物死亡。,氧化还原循环,百草枯(paraquat,PQ+)、阿霉素(doxorubicin,DR)和呋喃妥因(nitrofurantoin,NF)产生自由基。,27,2023/11/2,28,2023/11/2,第二节 终毒物与靶分子的反应,毒效应是由终毒物与靶分子反应引起的。首先终毒物与靶分子相互作用，接着一系列继发性事件发生，导致在不同水平上出现功能紊乱和结构损伤，如靶分子本身水平、细胞器水平、细胞水平、组织器官水平以及整个机体水平。终毒物与靶分子交互作用触发毒效应，需考虑以下方面：靶分子的属性；终毒物与靶分子反应的类型；毒物对靶分子的效应。,29,2023/11/2,一、靶分子的属性,常见的靶分子 所有的内源性分子都可能成为毒物的靶点，但最常见的靶点是：生物大分子，如核酸和蛋白质，小分子中膜脂质最常见。此外，辅因子，如辅酶A、吡哆醛也能成为毒物靶点。2.靶分子的属性作为靶分子，必须具有合适的反应性和空间构型，允许终毒物与其发生共价或非共价反应。,30,2023/11/2,二、终毒物与靶分子反应的类型,终毒物与靶分子的反应，常见的有以下几种类型。非共价结合(noncovalent binding)共价结合(covalent binding)去氢反应(hydrogen abstraction)电子转移(electron transfer)酶促反应(enzymatic reaction),31,2023/11/2,1、非共价结合非共价结合通过非极性交互作用或氢键与离子键形成。具有代表性的是：毒物与膜受体、细胞内受体、离子通道以及某些酶等靶分子的交互作用。如 TCDD 与芳香烃受体的结合、蛤蚌毒素与钠通道的结合等。这种结合通常是可逆的。,32,2023/11/2,2、共价结合共价结合不可逆，并且能够持久地改变内源分子，因此在毒理学上具有重要的意义。常见的共价结合有：A、共价加合物的形成。最常见的是亲电毒物，如非离子和阳离子亲电物以及自由基阳离子。它们能与生物大分子，如核酸、蛋白质中的亲核原子发生反应。二者之间的结合具有选择性。,33,2023/11/2,一般来说，软亲电物较易与软亲核物结合；硬亲电物较易与硬亲核物结合。所谓的软，是指较低的电荷/半径比；硬则指较高的电荷/半径比。如银、汞等归为软亲电物易与软亲核物结合，如巯基；锂、钙、钡等硬亲电物优先与硬亲核物结合，如羧基和磷酸盐阴离子；而铬、铅等位于两个极端之间，能与亲核物普遍反应。,34,2023/11/2,B、中性自由基，如羟自由基、NO2等也能与生物分子发生共价结合。如羟自由基加入到DNA碱基中，导致许多产物的形成，如8-羟嘌呤、5-羟甲基嘧啶等。C、理论上亲核毒物能够与亲电内源性物质结合。但实际上这种情况比较少见。因为在生物分子中亲电物十分罕见。,35,2023/11/2,3、去氢反应中性自由基能从内源性化合物中去除H原子，生成新的内源性自由基。从DNA分子的脱氧核糖中去除H，产生C-4-自由基，是DNA断裂的最初步骤；从脂肪酸去除H产生脂质自由基，能够启动脂质过氧化降解。从巯基化学物中去除H，形成巯基自由基；,36,2023/11/2,4、电子转移：如化学毒物能够将血红蛋白中的二价铁Fe(II)转变成三价铁Fe(III)，形成高铁血红蛋白。如亚硝酸盐、苯胺等。,5、酶促反应少数毒物能够通过酶促反应作用于特定靶蛋白上。如蓖麻毒素是一种N-糖苷酶（N-glycosidases），能水解核糖核酸的糖苷键（碱基与核糖之间），阻断蛋白质合成。肉毒毒素是一种锌依赖的蛋白酶，能水解胆碱能神经元的神经递质分泌过程中的一种融合蛋白，阻断神经递质乙酰胆碱的释放，引起瘫痪。,37,2023/11/2,38,2023/11/2,三、毒物对靶分子的影响,终毒物与内源性分子反应，主要通过以下四种机制对靶分子产生影响，引起靶分子的功能失调和结构破坏。靶分子的功能失调靶分子的结构破坏,靶分子功能失调,某些毒物模拟内源性配体，活化靶分子。如吗啡可以激活鸦片受体；佛波酯和铅激活蛋白激酶C。更多的情况下，毒物则是抑制靶分子的功能。河豚毒素、蛤蚌毒素抑制神经细胞膜上钠通道开放；DDT和拟除虫菊酯杀虫剂则抑制钠通道关闭。,39,2023/11/2,毒物与蛋白作用，通过改变其结构构型，引起蛋白功能受损。如巯基是许多蛋白分子重要的功能基团，特别是维持酶的活性中心所必须。巯基反应物能损害其活性，触发异常的信号转导，或者损害细胞的能量和代谢稳态。,40,2023/11/2,41,2023/11/2,毒物可以干扰DNA的模板功能。化学物与DNA共价结合，可引起复制期间核苷酸错配。例如黄曲霉毒素8,9-环氧化物能共价结合于鸟嘌呤的N-7位，使其与腺嘌呤配对，而不是与胞嘧啶配对，引起蛋白质翻译的错误阿霉素(doxorubicin)能够插入到双螺旋DNA的碱基间，迫使邻近的碱基对分开，造成读码框架的改变，而引起DNA模板功能的较大错误。,42,2023/11/2,靶分子结构破坏,毒物通过与内源性分子形成加合物、发生交联和断裂引起内源性分子初级结构改变。如双功能的亲电子剂如2,5-HD、烷化剂能够引起细胞骨架蛋白、DNA发生交联，或者引起蛋白质与DNA交联。交联能够使被连接的分子发生结构和功能的抑制。自由基特别是羟自由基（HO）和三氯甲基过氧自由基(Cl3COO)可通过脂肪酸脱氢，而启动脂质的过氧化降解。,羟自由基启动的脂质过氧化,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（LO2.)；LO2.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反应形成脂质烷氧自由基（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）。,43,2023/11/2,44,2023/11/2,膜脂质过氧化的后果,脂质过氧化不仅破坏细胞膜脂质，而且产生许多内源性毒物包括自由基（如LOO,LO)和亲电物(如醛类)。细胞器和细胞膜功能障碍，膜流动性、通透性。脂质过氧化物的分解产物具有细胞毒性，其中特别是一些不饱和醛类。对DNA影响。脂质过氧化产生的自由基可引起DNA碱基特别是鸟嘌呤的氧化；脂质过氧化物的分解产物丙二醛可以共价结合方式导致DNA链断裂和交联。,45,2023/11/2,毒物可引起多种形式的DNA断裂。羟自由基（HO）攻击DNA碱基能引起咪唑环开放的嘌呤或环收缩的嘧啶，最终导致DNA复制障碍；羟自由基通过从DNA的脱氧核糖提取H，产生C-4自由基，最终引起磷酸二酯键的断裂，而产生单链断裂。大量羟自由基攻击较短的DNA，引起双链断裂。这种情况常发生于电离辐射之后，常表现为致死效应。,46,2023/11/2,第三节 细胞功能障碍与毒性,细胞是生命体的结构和功能单位。毒物与靶分子的反应首先导致细胞功能受损，然后才引起整个机体的功能损害。毒物引起的细胞功能损害可分为两类：引起细胞调节功能障碍引起细胞维持功能改变,47,2023/11/2,毒物引起的细胞维持功能改变,一、危害细胞存活的原发性代谢紊乱危害细胞存活的原发性代谢紊乱的3个关键事件：ATP耗竭钙蓄积活性氧(ROS)/活性氮(RNS)生成,48,2023/11/2,ATP耗竭,1、ATP耗竭ATP作为生物合成的化学物质和能量的主要来源，在细胞维持中起着核心作用，它能用于许多生物合成反应，通过磷酸化和腺苷化活化内源性化学物质，掺入到辅因子及核酸中去。体内ATP产生的主要方式是氧化磷酸化，即在呼吸链电子传递过程中偶联ADP的磷酸化，生成ATP。,49,2023/11/2,电子传递链与ATP产生,ATP synthesis(oxidative phosphorylation)in mitochondria,50,2023/11/2,51,2023/11/2,ATP生成障碍的主要机制,干扰H向电子传递链传递。如氟乙酸抑制柠檬酸循环和NADH的产生。抑制电子沿电子传递链转移到O2。如氰化物、鱼骨藤。干扰氧传递到细胞色素氧化酶，如 CO。抑制ATP合酶的活性，ADPATP受抑制。如寡霉素、DDT能抑制此过程。引起线粒体DNA损伤和损害线粒体蛋白转录翻译，如乙醇、抗病毒药,52,2023/11/2,细胞内Ca2+的持续升高,1.细胞内钙稳态细胞外液的Ca2+浓度为10-3 mol/l，而细胞内约为10-7 mol/l，即相当于胞外的1/10000，且经常保持在一定的水平。钙是可兴奋细胞中的重要的第二信使，能将电信号转变为生物学效应，如神经递质的释放、激素分泌和肌肉收缩等。,53,2023/11/2,2.机体内钙稳态的调控机制,Ca2+内流机制：如电压门控的钙通道，配体门控的钙通道等，当它们激活时，钙离子顺电化学梯度内流，细胞内钙离子浓度超过静息水平。Ca2+缓冲机制：即细胞内的钙库，包括内质网和线粒体，可以吸收、储存和释放钙。内质网聚积钙主要是通过Ca2+-ATPase即钙泵完成；而线粒体主要是通过Ca2+-uniporter即钙单向转运蛋白来完成。Ca2+外排机制：主要是由细胞膜上的Ca2+-ATPase和钠钙交换转运系统来完成。钠钙交换转运系统：能排出一个Ca2+,进入3个Na+。,54,2023/11/2,55,2023/11/2,3.引起细胞内钙浓度升高的原因促进Ca 内流，或抑制其从胞质外流的因素都可引起细胞内钙水平的升高。具体地说：毒物可诱导配体或电压门控的钙通道开放，或损伤质膜，引起细胞外液中的钙内流；毒物诱导钙从线粒体和内质网漏出，而增加胞浆钙浓度；毒物通过抑制钙转运蛋白或耗竭其动力，减少钙外流。,56,2023/11/2,4.细胞内钙持续升高的后果能量储备的耗竭；引起细胞内微丝的解离，使质膜易于破裂。可激活降解蛋白质、磷脂和核酸的水解酶，引起蛋白、磷脂和DNA损伤；能够导致ROS和NOS的过度产生。,ROS与RNS的过度产生,外源化学物可直接生成ROS与RNS，如氧化还原循环物质和过渡金属。此外可继发于细胞内高钙。Ca2+活化柠檬酸循环中的脱氢酶加速氢产出，然后电子沿电子传递链流动，这一过程与ATP合酶活性抑制共同增加由电子传递链形成的O2。Ca2+激活的蛋白酶可将黄嘌呤脱氢酶转变为黄嘌呤氧化酶，其副产品是O2 和HOOH。神经元和内皮细胞组成型表达Ca2+激活的NOS。由于NO.与O2具有极高的反应性，导致ONOO的形成，这是一种高反应性的氧化剂。而且，ONOO能通过使高敏感性的Mn-SOD 失效而增加其自身的形成。,3种原发性代谢障碍之间的相互作用,58,2023/11/2,细胞ATP的耗竭剥夺了内质网膜和细胞膜上钙泵的动力，引起胞浆Ca2+的升高。随着Ca2+内流进线粒体，m下降，ATP合酶发生障碍，影响ATP生成。细胞内高钙促进ROS和RNS的形成，而ROS与RNS使巯基依赖的钙泵氧化失活，又加剧了高钙。ROS与RNS也能消耗ATP储备。NO是一种可逆的细胞色素氧化酶的抑制剂。NO+（亚硝基鎓阳离子，一种NO的产物）使甘油醛-3-磷酸脱氢酶失活，损害糖酵解作用，而ONOO使呼吸链复合物、和顺鸟头酸酶发生不可逆的失活。因此，NO和ONOO抑制细胞ATP合成。ONOO 诱导 DNA 单链断裂，激活聚腺苷二磷酸核糖聚合酶（PARP)来进行修复。这一过程消耗大量 NAD+。NAD+消耗能够严重影响ATP，同时重新合成NAD+也会消耗ATP.,59,2023/11/2,
