第四章 毒性机制

第四章毒作用机制哈尔滨医科大学公共卫生学院卫生毒理学教研室李百祥第四章毒作用机制毒作用机制研究的内容◆毒物如何进入机体◆毒物怎样与靶分子相互作用◆毒物怎样表现其有害作用◆机体有害作用的反应如何第四章毒作用机制毒物在体内的可能毒性过程毒物的转运过程是毒性发展的第一阶段第一节外源化学物的增毒与解毒终毒物是指与内源靶分子（如受体、酶、DNA、微丝蛋白、脂质）反应或严重地改变生物学（微）环境、启动结构和/或功能改变（其结果表现为毒性）的物质。终毒物可以为：原化学物（母化合物）代谢物活性氧（氮）内源化学物表1终毒物的来源及其类型1．原外源化合物作为终毒物铅离子河豚毒素TCDD异氰酸甲酯HCNCO2．外源化合物的代谢物作为终毒物苦杏仁苷→HCN砷酸盐→亚砷酸盐氟乙酰胺→氟柠檬酸1，2－亚乙基二醇→草酸，乙二酸己烷→2，5－己二酮乙酰氨基酚→N－乙酰－p－苯醌亚胺CCl4→CCl3OO●苯并（a）芘（BP）→BP－7，8－二醇－9，10－环氧化物苯并（a）芘（BP）→BP自由基阳离子3．活性氧或活性氮作为终毒物过氧化氢敌草快，阿霉素，呋喃妥英→羟基自由基（HO●）Cr（Ⅴ），Fe（Ⅱ），Mn（Ⅱ），Ni（Ⅱ）百草枯→O2－●＋NO●→过氧亚硝基（ONOO－）4．内源化合物作为终毒物磺胺类药物→白蛋白结合的胆红素→胆红素CCl3OO●→不饱和脂肪酸→脂质过氧自由基CCl3OO●→不饱和脂肪酸→脂质烷氧自由基CCl3OO●→不饱和脂肪酸→4－羟基壬醛HO●→蛋白质→蛋白羰基增毒(toxication)代谢活化(metabolicactivation)定义：毒物经生物转化为有害产物的过程。原因及结果：◆增毒过程使生物学微环境和/或它们的化学结构发生了不利于机体的变化。◆通过生物转化而获得更有效地与特定受体或酶相互作用的结构特征和反应性。◆增毒使外源化学物转变为：（1）亲电物(electrophiles)；（2）自由基(freeradicals)；（3）亲核物(nucleophiles)（4）氧化还原性反应物(redox-activereductants)增加其反应性，从而更易于与带有重要功能基因的内源性分子反应。一、亲电物的形成亲电物是指含有一个缺电子原子(带部分或全部正电荷)的分子，它能通过与亲核物中的富电子原子共享电子对而发生反应。亲电物的形成通过插入一个氧原子而产生共轭双键形成键异裂金属的氧化还原表2亲电代谢物产生的毒性亲电子代谢物源毒物催化增毒酶毒性作用1.非离子亲电物(1)醛，酮乙醛乙醇ADH肝纤维化（？）佐美酸葡萄糖醛酸苷佐美酸GT→异构化作用免疫反应（？）2，5－己二酮己烷p450轴索疾病(2)α，β－不饱和醛，酮丙烯醛丙烯醇ADH肝脏坏死丙烯醛丙烯胺MAO血管损伤粘糠醛苯多个酶骨髓损伤4－羟基壬醛脂肪酸脂质过氧化作用细胞损伤（？）(3)苯醌，苯醌亚胺DES－4，4ˊ－苯醌DES过氧化物酶致癌作用（？）N－乙酰基－p－苯醌亚胺对乙酰氨基酚p450，过氧化物酶肝脏坏死(4)环氧化物，芳烃氧化物黄曲霉素B1-8，9-环氧化物黄曲霉素B1p450致癌作用2－氯环氧乙烷氯化乙烯p450致癌作用溴苯3，4-环氧化物溴苯p450肝脏坏死BP-7，8-二醇-9，10-环氧化物苯并（a）芘p450致癌作用(5)亚砜硫代乙酰胺S氧化物硫代乙酰胺FMO肝脏坏死(6)亚硝基化合物(6)亚硝基－磺胺甲基异噁唑磺胺甲基异噁唑p450免疫反应膦酸酯对氧磷对硫磷p450ChE抑制(7)酰卤化物光气氯仿p450肝脏坏死三氟乙酰基氯化物氟烷p450免疫性肝炎(8)硫羰乙酰卤化物2，3，4，4－四氯硫丁基HCBDGST→GGT肾小管坏死－3－烯醇酸氯化物→DP→CβCL(9)硫乙烯酮氯－1，2，2－三氯乙烯HCBDGST→GGT肾小管坏死－硫乙烯酮→DP→CCβL2.阳离子亲电子物(1)碳鎓离子苯甲基碳鎓阳离子7，12－DMBAp450→ST致癌作用碳鎓阳离子DENAp450→s.r.(2)氮鎓离子芳基氮鎓离子AAF，DMAB，p450→ST致癌作用HAPP(3)锍离子表锍离子1，2－二溴乙烷GST致癌作用(4)金属离子二价汞离子汞元素过氧化物酶脑损伤二水合二氨基铂离子（Ⅱ）顺铂s.r.肾小管坏死注：AAF＝2－乙酰氨基芴，ADH＝醇脱氢酶，CCβL＝半胱氨酸结合β裂解酶；ChE＝乙酰胆碱酯酶；DENA＝二乙基亚硝胺；DMAB＝N，N－二甲基－4―氨基偶氮苯；7，12－DMBA＝7，12－二甲基苯并蒽；DES＝二乙基己烯雌酚；DP＝二肽酶；FMO＝黄素单加氧酶；GT＝尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶；GGT＝γ谷氨酰基转移酶；GST＝谷胱甘肽硫转移酶；HAPP＝杂环芳香胺热裂解产物；HCBD＝六氯丁二烯；p450＝细胞色素p450；ST＝磺基转移酶；s.r.＝自发重排二、自由基形成自由基（freeradicals）是独立游离存在的带有不成对电子的分子、原子或离子。是由于化合物的共价健发生均裂而产生。自由基特点：顺磁性化学性质活泼反应性极高半减期极短（一般仅能以μS计）作用半径短。自由基在生物学和医学领域的应用：肿瘤、辐射损伤、老化和某些疾病（白内障、糖尿病、精神病、肺气肿、炎症和缺血性疾病）中毒机理研究（一）自由基的类型见下页表。表3：与生物体系有关的自由基类型自由基类型实例评价1.以氢为中心H原子（一个质子，一个电子）从含碳化合物抽取H原子常启动自由基链式反应，例如OH能通过从膜脂肪酸侧链抽出H而启动脂质过氧化：LH+OHL+H2O2.以碳为中心三氯甲基自由基(CCl3).通过H抽取反应形成的膜脂质中的碳中心自由基（L.），为CCl4毒性的主要动因。3.以硫为中心烷硫自由基R－S巯基化合物氧化时产生的活性自由基（由过渡全属促发）4.以氮为中心苯基二肼自由基参与苯肼的红细胞毒性C6H5N=N5.以氧为中心无机：超氧阴离于（O2）氧化应激自的主要动因：OH十分活跃，羟基自由基（OH）O2较弱有机：烷氧自由（LO）由L与O2反应产生（LO2），或由金属烷过氧自由基(LO2)依赖的脂质过氧化产物破环产生LO和LO2,任何碳中心自由基通常迅速与O2反应产生过氧自由基，如：CCl3+O2→CCl3O2(三氯甲基过氧自由基）6.过渡金属离子Cu+/Cu2+，Fe2+/Fe3+接受和供给电子的能力使它们成为自由Ti3+/Ti4+基反应的重要催化剂注：O2本身是自由基，双原子氧分子有2个不同配对电子，所以氧经单电子还原为O2（一个不配对电子）和双电子还原为H2O2（没有不配对电子），故H2O2不是合格的自由基，虽然它能形成OH而成为重要的氧化剂。活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS）是一个集合名词，包括：氧中心自由基：O2和OH非自由基衍生物：H2O2、单线态氧△g、次氯酸（HOCl）过氧化物、氢过氧化物内源性脂质外源化学物的环氧代谢物这些含有化学性质活泼的含氧功能基团。介绍几种主要的活性氧1．单线态氧△单线态氧（△gO2）∑单线态氧(∑g+O2)2．超氧阴离子自由基3．过氧化氢(H2O2)4．羟基自由基(OH)5．臭氧(O3)6．氮的氧化物[NO、NO2、过氧亚硝基(ONOO)]7．次氯酸(HOCl)（二）自由基的来源1．生物系统产生的自由基1）胞浆中的小分子2）胞浆蛋白质3）膜酶活性反应4）吞噬细胞的吞噬过程及“呼吸爆发”(respiratoryburst)5）过氧化酶体6）线粒体电子传递过程7）微粒体电子传递系统2.外源化学物的氧化还原代谢产生自由基百草枯（PQ＋＋）阿霉素（DR）呋喃妥英（NF）PQ＋＋，DR、NF产生的O2·－不是这些外源物质毒作用过程的最终阶段，因为O2·－能产生反应性更强的羟基自由基。三、亲核物的形成是毒物活化作用较少见的一种机制。如苦杏仁经肠道细菌β-糖苷酶催化形成氰化物。四、活性氧化还原还原反应物的形成氧化还原循环形成的外源性自由基以及O－2和·NO能还原结合于铁蛋白的Fe（Ⅲ），随后以Fe（Ⅱ）形式将其释放,由此形成的Fe(Ⅱ)催化HO·形成五、解毒1．无功能基团毒物的解毒：I、II相代谢解毒。2．亲核物的解毒：在亲核功能基团上的结合反应解毒3．亲电物的解毒：谷胱甘肽结合环氧化物水化酶催化金属离子由金属硫蛋白形成复合物4．自由基的解毒（仅举此例子，下页）5.蛋白质毒素的解毒超氧化物歧化酶（SOD），谷胱甘肽氧化酶（GPO）和过氧化氢酶（CAT）对超氧阴离子自由基（O2·－）的解毒作用六、解毒过程失效1.解毒能力耗竭（解毒酶、共底物、抗氧化剂）2.解毒酶失活3.某些结合反应被逆转4.解毒过程产生潜在的有害副产物第二节终毒物与靶分子的反应终毒物和靶分子的反应：是毒性发展的第二阶段一、靶分子的属性所有的内源化合物都是毒物潜在的靶标毒理学相关的靶标是大分子，如DNA、蛋白质小分子中如膜脂质、辅因子如辅酶A和吡哆醛内源性分子作为靶分子必须具有合适的反应性和/或空间构型，以容许终毒物发生共价或非共价反应。靶分子必须接触足够高浓度的终毒物，故处于反应活性化学物邻近或接近它们形成部位的内源性分子常常是靶分子。活性代谢物的第一个靶分子常常是催化这些代谢物形成的酶或邻近的细胞内结构二、反应的类型（一）非共价结合(nonconvalentbinding)定义：通过非极性交互作用或氢键与离子键等非共价结合方式与膜受体、细胞内受体、离子通道和某些酶等靶分子结合。特点：毒物原子的空间排列使其与内源性分子的互补部位结合。非共价键结合的键能相对较低，因此是可逆的。例子：番木鳖碱（strychnine）与脊髓运动神经元甘氨酸受体的结合；TCDD与芳烃受体的结合；哈蚌毒素（saxitoxin）与钠通道的结合；佛波酯与蛋白激酶C的结合；杀鼠灵（warfarin）与维生素K2，3-环氧化物还原酶的结合；2.共价结合(convalentbinding)是不可逆的，这种结合持久地改变内源分子，具有重要的毒理学意义亲电子剂（如非离子和阳离子亲电子剂以及自由基阳离子）中性自由基（如：HO•、NO2•和Cl3C•）亲核毒物30胺类和肼类与醛吡哆醛（pyridoxal）的共价反应一氧化碳、氰化物、硫化氢和叠氮化物与各种血红素蛋白中的铁形成配位共价键3.去氢反应(hydrogenabstraction)（自由基作用）R-SH(R-S˙)巯基化合物/硫基自由基（为次黄酸/R-SOH和二硫化物/R-S-S-R等巯基氧化物的前身；使游离氨基酸或氨基酸残基的CH2基团去氢，转变为羰基化合物，并进一步与胺类化合物反应，形成DNA或蛋白质交联。自由基脱氧核糖去氢并产生C-4‘自由基是引起DNA链断裂的基础脂肪酸去氢并产生脂质自由基最终启动脂质过氧化由羟基自由基（HO·）启动的脂质过氧化反应。许多产物，如自由基和α，β－不饱和醛，都具有反应活性，而其它产物如乙烷，不具有反应活性却是脂质过氧化的指示剂4.电子转移(electrontransfer)如化学物能将血红蛋白中的Fe（Ⅱ）氧化为Fe（Ⅲ），形成高铁血红蛋白血症。5.酶促反应(enzymaticreaction)少数一些毒素（蓖麻蛋白、细菌毒素、白喉毒素等）通过酶促反应作用于特定靶蛋白上。三、毒物对靶分子的影响1.靶分子功能失调对蛋白质靶：活化靶蛋白分子，模拟内源性配体抑制靶分子的功能（酶、受体、通道、复合物）对NDA靶：干扰DNA的模板功能，化学物与DNA共价结合引起复制期间核苷酸错配。2．靶分子的破坏3．新抗原形成4．毒物引起生物学微环境改变改变生物水相中氢离子浓度使细胞膜脂质发生物理化学或生物物理变化占据空间位置细胞通过程序执行其调节功能某些程序决定细胞的命运：增殖、分化或凋亡；某些程序控制已分化细胞的瞬息活动[ongoing（momentory）activity]:细胞分泌物质的数量、收缩或舒张、转运和代谢营养物质的速率;•细胞的维持功能细胞装备有合成、代谢、动力、转运和产生能量的体系以及结构元件，