第4章 毒作用机制

第四章毒作用机制第一节概述终毒物（ultimatetoxicant）是指与内源靶分子（如受体、酶、DNA、微丝蛋白、脂质）相互作用或严重地改变生物学（微）环境，使整体性结构和（或）功能改变而表现出毒性作用的物质。终毒物可为机体所暴露的原化学物（母体化合物）；或其代谢产物；内源性分子；等。化学毒物产生毒性的可能途径化学毒物吸收、分布、代谢、排泄与靶分子相互作用细胞功能失调、损伤细胞修复功能失调毒性①②③毒物引起的细胞调节功能障碍：1基因表达调节障碍：转录调节障碍信号转导调节障碍细胞外信号分子，如生长因子、细胞因子、激素和神经递质改变蛋白磷酸化2细胞瞬息活动的调节障碍：细胞内钙稳态的失调第二节化学毒物对生物膜的损害作用——膜毒理学生物膜组成脂质糖蛋白质：结构蛋白、受体、酶、载体、离子通道等结构：液态镶嵌模型功能隔离功能生化反应和生命活动的场所内外环境物质交换的屏障毒物对生物膜组成成分的影响蛋白质：结构蛋白、受体、酶、载体、离子通道等脂质糖毒物对生物膜生物物理性质的影响细胞膜的通透性：膜蛋白细胞膜的流动性细胞膜表面电荷：糖脂、糖蛋白质量第三节化学毒物对细胞钙稳态的影响细胞内钙稳态细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性钙稳态失调的机制一、细胞内钙稳态在细胞静息状态下细胞内游离的Ca2+仅为10-7mol/L，而细胞外液Ca2+则达10-3mol/L。当细胞处于兴奋状态，第一信使转递信息，则细胞内游离Ca2+迅速增多可达10-5mol/L，此后再降低至10-7mol/L，完成信息转递循环。Ca2+是体内第二信使。上述Ca2+浓度的变化过程呈稳态状，称为细胞内钙稳态。在细胞内的钙有两种类型，游离的钙离子和与蛋白质结合的钙。与钙结合的蛋白有两种类型，一是结合在细胞膜或细胞器膜内的蛋白质上，二是结合在可溶性蛋白质上。激动剂刺激引起细胞Ca2+动员，可调节细胞的多种生物功能，包括肌肉收缩、神经转导、细胞分泌、分化和增殖。Ca2+在细胞功能的调节中起了一种信使作用，负责将激动剂的刺激信号传给细胞内各种酶反应系统或功能性蛋白。Ca2+第二信使作用的实现机制Ca2+与钙结合蛋白:如钙调蛋白(CaM)。Ca2+与cAMP：Ca2+与蛋白激酶C(PKC)、磷脂酶C(PLC)：Ca2+与离子通道二、细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性重金属离子农药四氯化碳重金属离子主要有铅和镉。铅：与Ca2+及CaM结合，激活Ca-CaM依赖酶系。高浓度时与细胞内巯基激活，可抑制Ca—CaM依赖酶系，并呈剂量依赖的双相效应。镉可使CaM含量减少。农药拟除虫菊酯为神经毒化合物可使神经细胞内游离钙浓度增高，可能与其抑制Ca2+，Mg2+-ATPase、CaM和磷酸二酯酶(PEE)有关。当然，拟除虫菊酯对钙稳态的影响有复杂的机制，且与其具体化学结构有关。四氯化碳可抑制肝细胞微粒体Ca2+-ATPase，表现为肝内质网酶活性改变及钙的蓄积。其机制可能是CCl4可在肝脏氧化产生自由基，后者攻击Ca2+-ATPase上的巯基，使酶活性下降；Ca2+浓度增加，可激活某些酶，如磷酸化酶a。三、钙稳态失调的机制细胞内钙稳态的失调细胞Ca2+信号的改变在各种病理及毒理学过程中起重要的作用。在细胞受损时可导致Ca2+内流增加，或Ca2+从细胞内贮存部位释放增加，或抑制细胞膜向外排出Ca2+，表现为细胞内Ca2+浓度不可控制的持续增加，即打破细胞内钙稳态，或称为细胞内钙稳态的失调。Ca2+这种失调或紊乱，将完全破坏正常生命活动所必需的由激素和生长因子刺激而产生的短暂的Ca2+瞬变，危及细胞器的功能和细胞骨架结构，最终激活不可逆的细胞成分的分解代谢过程。中毒机制：钙稳态失调学说。钙的浓度变化，可通过下列途径造成细胞损伤：正常的激素和生长因子刺激的Ca2+信号受损钙依赖性降解酶的活化，包括蛋白酶、磷脂酶和核酸内切酶。损伤细胞骨架损害线粒体与细胞凋亡有关第四节机体内生物大分子氧化损伤一、自由基的来源与类型自由基（freeradicals）是独立游离存在的带有一个或多个不成对电子的分子、原子或离子。自由基主要是由于化合物的共价键发生均裂而产生。其共同特点是：具有顺磁性、其化学性质十分活泼、反应性极高，因而半减期极短，一般仅能以μs计，作用半径短。最主要的是氧中心自由基，这类自由基持续不断地在机体内产生。活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)实际上是一个集合名词，不仅包括氧中心自由基如O2-••，·OH，而且也包括某些氧的非自由基衍生物，如H2O2、单线态氧和次氯酸，甚至还包括过氧化物、氢过氧化物和内源性脂质及外来化合物的环氧代谢物，因为它们都含有化学性质活泼的含氧功能基团。自由基在生物体内的来源细胞正常生理过程产生（线粒体；过氧化物酶体；等）化学毒物在体内代谢过程产生。许多外来化合物可通过各种不同途径产生自由基，但其中最主要的途径是通过氧化还原反应（redoxcycling）。（一）非酶性抗氧化系统在生物体系中广泛分布着许多小分子，如，维生素C、维生素E、GSH、尿酸、牛磺酸和次牛磺酸等，它们能通过非酶促反应而清除氧自由基。二、机体对氧化损伤的防御系统谷胱甘肽(GSH)参与GSH—Px的作用，使过氧化物还原为H2O和氧化型谷胱甘肽(GSSG)。有些有毒化学物可耗竭肝脏GSH而继发脂质过氧化，如丙烯腈、苯乙烯等。维生素E它必须与膜结合才能发挥抗氧化作用。首先与氧自由基反应，生成生育酚自由基，再由抗坏血酸—GSH氧化还原偶联反应而还原。它属于“链断裂”抗氧化剂，主要通过提供不稳定的氧给过氧自由基和烷基自由基，从而防止脂质过氧化。（二）酶性抗氧化系统a超氧化物歧化酶SOD：是一类含有不同辅基的金属结合酶家族，如CuZn-SOD、Fe-SOD与Mn-SOD。它们在细胞内定位变化很大，CuZn-SOD存在多种脏器内如肝脏、红细胞，而Mn-SOD主要在线粒体。它的唯一生理功能是歧化超氧阴离子(O2-·)，生成H2O2和O2。b过氧化氢酶（CAT）：位于肝细胞和红细胞内过氧化小体中，其主要功能是将H2O2转化为水。c谷胱甘肽过氧化物酶GSH-Px（GPO）：在机体内广泛存在，能特异地催化谷胱苷肽对过氧化物的还原反应，使过氧化物转化为水或相应的醇类。可阻断脂质过氧化的链锁反应。d谷胱苷肽还原酶（GR）：其分布同GSH-Px，主要功能是产生还原型的谷胱苷肽(GSH)，以保证机体解毒功能的执行。e心肌黄酶(DTdiaphorase):葡萄糖-6-磷酸脱氢酶。谷胱甘肽的抗氧化作用GSHGSSGH2O2H2OGSH-Px还原型谷胱甘肽氧化型谷胱甘肽谷胱甘肽过氧化物酶三、自由基对生物大分子的损害作用氧化应激（OxidativeStress）：氧自由基所致细胞毒性作用；抗氧化失衡状态(一)脂质过氧化作用及其损害脂质过氧化(lipidperoxidation)：指主要由自由基引起的多不饱和脂肪酸的氧化作用对生物膜具有强烈的破坏作用。脂质过氧化的过程：①启动阶段：脂质过氧化是由一些脂链侧链甲叉碳上除去一个氢的化合物所启动。OH·是最重要的脂质过氧化的诱导物。②发展阶段：已形成的自由基将作为启动子而产生新的自由基，使反应发展下去。在发展阶段中，形成的自由基总数保持不变，一种自由基团可经多种反应转变成另一种形式的自由基团。去氢后的碳原子形成中心自由基(L·)。与脂质过氧化反应关系最重要的是脂质过氧化自由基和脂质过氧化物的形成。③终止阶段：只有二个自由基相互作用，才能使自由基反应链终止，消除自由基。脂质过氧化的后果：①细胞器和细胞膜结构的改变和功能障碍。②脂质过氧化物的分解产物具有细胞毒性，其中特别有害的是一些不饱和醛类。③对DNA影响：脂质过氧化自由基和烷基自由基可引起DNA碱基，特别是鸟嘌呤碱基的氧化；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。④对低密度脂蛋白(LDL)的作用。（二）蛋白质的氧化损伤1．机制：(1)对脂肪族氨基酸氧化损伤最常见的途径为：在α-位置上将一个氢原子除去，形成C—中心自由基，再加氧其上，生成过氧基衍生物。后者分解成NH3及α-酮酸，或生成NH3、CO2与醛类或羧酸，破坏脂肪族氨基酸的结构。(2)芳香氨基酸很少出现α-除氢，而多出现羟基衍生物。后者可将苯环打开或在酪氨酸处交联成二聚体。(3)由过渡金属介导出现氧化损伤，主要通过Fenton反应（过氧化氢与二价铁离子混合溶液具有强氧化性），其损伤特点为部位特异性。因为，在蛋白质结构内只有某个或几个金属结合部位的氨基酸受到影响。(4)脂质过氧化的自由基中间产物作用，如烷氧自由基(LO·)和过氧自由基(LOO·)，可与过氧化脂质紧密联系的蛋白质反应。2．后果氧化的后果是凝集与交联，或是蛋白质的降解与断裂，这主要取决于蛋白质成分的特征及自由基的种类。对蛋白质影响表现在二个方面：直接作用间接作用（三）核酸的氧化损伤：1．碱基损伤活性氧攻击DNA的靶位点是腺嘌呤与鸟嘌呤的C8，嘧啶的C5与C6双键。其可能的机制为：①氧自由基直接作用于双键部位，使之获得一个加合物而改变其结构。②·OH使脱氧核苷脱嘌呤，即自由基可使DNA链上出现无嘌呤或无嘧啶部位。③·OH可以自动从胸嘧啶的甲基中除去H原子。8-OHdG是重要的毒理学生物标记物。2．DNA链断裂①·OH对DNA的攻击，主要针对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链的断裂。②自由基对胸腺嘧啶碱基作用，造成的损害经修复酶切除，可产生类似的单链断裂。③氧化应激可启动细胞内的一系列代谢过程，激活核酸酶，导致DNA链的断裂。DNA链断裂在基因突变的形成过程中有重要意义。DNA链断裂后，有下列途径产生突变：①DNA链断裂造成部分碱基的缺失；②DNA链断裂后，正常的细胞将启动修复过程，多种酶可以辨别DNA内异常，并通过切割、再合成、重合等途径使之修复。如酶也受自由基破坏或功能难以达到修复的要求，可能造成被修复的DNA碱基的错误掺入和错误编码；③可能引起癌基因的活化，或抑癌基因的失活。第五节化学毒物与细胞大分子的共价结合终毒物与靶分子反应的类型：非共价结合（nonconvalentbinding）共价结合（convalentbinding）去氢反应电子转移非共价结合（nonconvalentbinding）通过非极性交互作用或氢键与离子键的形成；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。可逆。共价结合（convalentbinding）:指化学毒物或其具有活性的代谢产物与机体的一些重要大分子发生共价结合，从而改变核酸、蛋白质、酶、膜脂质等生物大分子的化学结构与其生物学功能。加合物(adducts)指活性化学物与细胞大分子之间通过共价键形成的稳定复合物。与蛋白质的共价结合与核酸分子的共价结合