1、第四章 毒作用機制 有毒化學物數量龐大，中毒的表現多種多樣，導致毒性作用的機制各有不同，有些比較簡單如腐蝕性的強酸、堿等；有的是擾亂正常的代謝，如影響酶的活性（氰離子(CN-)能與氧化型細胞色素氧化酶中的鐵離子（Fe3+）結合，使細胞色素氧化酶的活性被抑制而導致生物功能喪失，造成組織缺氧）。 盡管對某些外源化學物毒作用機制進行了深入的研究，但大多數毒物的毒性作用機制尚未完全闡明。關于中毒機制的理論和假設較多，例如，細胞鈣穩態學說、自由基學說等。 毒作用的機制（4個歷程）目前為止大家比較認同，多數毒物發揮毒作用至少經歷4個過程： 1、經吸收進入機體的毒物通過多種屏障轉運至一個或多個靶部位； 2、

2、進入靶部位的終毒物與內源靶分子發生交互作用（反應）； 3、毒物引起機體分子、細胞和組織水平功能和結構的紊亂； 4、機體啟動不同水平的修復機制應對毒作用，當機體修復功能低下或毒物引起的功能和結構紊亂超過機體修復能力時，機體即出現組織壞死、癌癥和纖維化等毒性損害。（無法修復）重要化學物暴露后毒性發展可能存在的階段第一階段：從暴露部位到靶部位1終毒物的概念 毒效應的強度主要取決于終毒物在其作用位點的濃度及持續時間。 終毒物（ultimate toxicant）是指與內源靶分子（如受體、酶、DNA、微絲蛋白、脂質）相互作用，使整體性的結構或功能改變，從而導致毒性作用的物質。 終毒物可為機體所暴露的原化

3、學物（母化合物）；而另外一些毒物的毒性主要是由于其代謝物引起，生物轉化為有害產物的過程稱為增毒（toxication）或代謝活化（metabolic activation）。重要2終毒物的類型 (1) 親電子劑（electrophiles） (2) 親核物 (nucleophiles) (3) 氧化還原性反應物(redox-active reductants) (4) 自由基 (free radicals) 2.1 親電子劑（electrophiles） 是指含有一個缺電子原子的分子。 帶部分或全部正電荷，容易與親核物中的富含電子的原子共享電子對而發生反應。形成方式： 插入的氧原子從外源化學物

4、附著的原子中獲得一個電子，使其具有親電性。如乙醛 共軛雙鍵通過氧的去電子作用被極化。如醌2.2 親核物 (nucleophiles) 并不多見。具有一個原子或幾個原子有多余電子。 最典型的是： 氰化物：苦杏仁經腸道菌糖苷酶催化水解 硒化氫：亞硒酸鹽與谷胱甘肽或其他巰基反應 CO: 二鹵甲烷經過氧化脫鹵的有毒代謝產物2.3 氧化還原性反應物(redox-active reductants) 具有活性的各種氧化還原反應物 如：能引起高鐵血紅蛋白的亞硝酸鹽。可在小腸由硝酸鹽經腸道菌還原而成，也可由亞硝酸酯與谷胱甘肽反應產生。 一般認為親核物和活性氧還產物最終還是形成親電子物和自由基，是主要的終毒物2

5、.4 自由基 (free radicals) 自由基（free radicals）是獨立游離存在的帶有不成對電子的分子、原子或離子。自由基主要是由于化合物的共價鍵發生均裂而產生。2.4.1自由基的來源與類型 自由基在生物體內來源有： 細胞正常生理過程產生； 化學毒物在體內代謝過程產生。 在與生物體有關的自由基中，最主要的是氧中心自由基，這類自由基持續不斷地在機體內產生。活性氧(reactive oxygen species, ROS)這個術語實際上是一個集合名詞，不僅包括氧中心自由基如O2-，和OH，而且也包括某些氧的非自由基衍生物，如H2O2、單線態氧和次氯酸，甚至還包括過氧化物、氫過氧化物

6、和內源性脂質及外來化合物的環氧代謝物，因為它們都含有化學性質活潑的含氧功能基團。2.4.2自由基的共同特點是： （1）具有順磁性、其化學性質十分活潑、反應性極高，因而半減期極短，一般僅能以s計。 （2）自由基的產生是可傳遞的，呈鏈式的，產生以后迅速作用于另外一個分子，生成新的自由基，不斷損害機體。 （3）作用半徑短，只與臨近的分子作用。 （4）自由基存在時間短、半徑小，因此無法捕獲，測定非常困難。只能用間接的辦法，通過測定自由基損傷后的產物來證明，如過氧化脂質，丙二醛（MDA）。重要2.4.3機體對氧化損傷的防御系統 （1） 酶性抗氧化系統 SOD：是一類含有不同輔基的金屬結合酶家族，如CuZ

7、n-SOD、Fe-SOD與Mn-SOD。它們在細胞內定位變化很大，CuZnSOD存在多種臟器內如肝臟、紅細胞，而Mn-SOD主要在線粒體。它的唯一生理功能是歧化超氧陰離子(O2-)，生成H2O2和O2。 過氧化氫酶（CAT）：位于肝細胞和紅細胞內過氧化小體中，其主要功能是將H2O2轉化為水。 GSH-Px（GPO）：在機體內廣泛存在，能特異地催化谷胱苷肽對過氧化物的還原反應，使過氧化物轉化為水或相應的醇類。可阻斷脂質過氧化的鏈鎖反應。 谷胱甘肽還原酶（GR）：其分布同GSH-Px，主要功能是產生還原型的谷胱甘肽(GSH)，以保護機體解毒功能的執行。 心肌黃酶(DT diaphorase):葡萄

8、糖-6-磷酸脫氫酶。（2）非酶性抗氧化系統 在生物體系中廣泛分布著許多小分子，它們能通過非酶促反應而清除氧自由基。例如，維生素C、維生素E、GSH、尿酸、牛磺酸和次牛磺酸等。 谷胱苷肽(GSH)參與GSHPx的作用，使過氧化物還原為H2O和氧化型谷胱苷肽(GSSG)。有些有毒化學物可耗竭肝臟GSH而繼發脂質過氧化，如丙烯腈、苯乙烯等。 維生素E：它必須與膜結合才能發揮抗氧化作用。首先與氧自由基反應，生成生育酚自由基，再由抗壞血酸GSH氧化還原偶聯反應而還原。它屬于“鏈斷裂”抗氧化劑，主要通過提供不穩定的氧給過氧自由基和烷基自由基，從而防止脂質過氧化。2.4.4自由基對生物大分子的損害作用（1）

9、 脂質過氧化損害：脂質過氧化(lipid peroxidation) ：指主要由自由基引起的多不飽和脂肪酸的氧化作用對生物膜具有強烈的破壞作用。 脂質過氧化的后果： 細胞器和細胞膜結構的改變和功能障礙。 脂質過氧化物的分解產物具有細胞毒性，其中特別有害的是一些不飽和醛類。 對DNA影響： 一是脂質過氧化自由基和烷基自由基可引起DNA堿基，特別是鳥嘌呤堿基的氧化； 一是脂質過氧化物的分解產物，丙二醛可以共價結合方式導致DNA鏈斷裂和交聯。（2）蛋白質的氧化損傷 機制： (a)對脂肪族氨基酸氧化損傷最常見的途徑為：在-位置上將一個氫原子除去，形成C中心自由基，再加氧其上，生成過氧基衍生物。后者分解

10、成NH3及-酮酸，或生成NH3、CO2與醛類或羧酸，破壞脂肪族氨基酸的結構。 (b)芳香氨基酸很少出現-除氫，而多形成羥基衍生物。后者可將苯環打開或在酪氨酸處交聯成二聚體。 后果 氧化的后果是凝集與交聯，或是蛋白質的降解與斷裂，這主要取決于蛋白質成分的特征及自由基的種類。（3） 對DNA的氧化損傷活性氧對DNA的損傷作用，可能是突變和癌變的基礎，還與細胞凋亡有關。 堿基損傷 活性氧攻擊DNA的靶位點是腺嘌呤與鳥嘌呤的C8，嘧啶的C5與C6雙鍵。 DNA鏈斷裂： DNA鏈斷裂在基因突變的形成過程中有重要意義。DNA鏈斷裂后，有下列途徑產生突變： DNA鏈斷裂造成部分堿基的缺失； DNA鏈斷裂后，

11、正常的細胞將啟動修復過程，多種酶可以辨別DNA內異常，并通過切割、再合成、重合等途徑使之修復。如酶也受自由基破壞或功能難以達到修復的要求，可能造成被修復的DNA堿基的錯誤摻入和錯誤編碼； 可能引起癌基因的活化，或抑癌基因的失活。第二階段：終毒物與靶分子的反應1. 靶分子的屬性 實際上所有內源分子都是毒物潛在靶分子； 最為重要的是生物大分子如：核酸和蛋白質； 也涉及一些小分子如：膜脂質。2.反應的類型 非共價結合 共價結合 去氫反應 酶促反應 電子轉移2.1非共價結合（nonconvalent binding）: 通過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、細胞內受體、離

12、子通道以及某些酶等靶分子的交互作用。 非共價結合一般是可逆的，導致的毒性損害較小。如西維因，一種有機氯農藥，也可與乙酰膽堿酯酶結合，呈疏松的整體分子結合，主要靠靜電氫鍵結合，所以影響較小，是可逆的，機體慢慢會恢復。但不能使復能劑，用解磷定無效，反而妨礙解毒。2.2 共價結合（convalent binding）: 指化學毒物或其具有活性的代謝產物與機體的一些重要大分子發生共價結合，形成加合物，從而改變核酸、蛋白質、酶、膜脂質等生物大分子的化學結構與其生物學功能。共價結合是不可逆的。 加合物(adducts)指活性化學物與細胞大分子之間通過共價鍵形成的穩定復合物。2.2.1 與蛋白質的共價結合

13、化學毒物與蛋白質的共價結合是不可逆的，影響了蛋白質的結構和功能。如黃曲霉毒素B1能與白蛋白結合后、使白蛋白喪失了作為載體的功能。2.2.2 與核酸分子的共價結合 化學毒物及其代謝產物與核酸分子的共價結合，是研究化學毒物致癌作用的熱點。有研究表明，一旦細胞內DNA加合物形成，致癌過程即已啟動，隨后進入促進和發展階段。化學毒物與核酸共價結合形成加合物有兩種方式，一種是直接加合，如烷化劑。另一種是需經代謝活化，生成具有活性的代謝物才能結合，如多環芳烴類、黃曲霉素類，大多數的化學物質以這種方式結合。3.結合的后果 3.1 靶分子結構的破壞 毒物與靶分子形成加合物、發生交聯和斷鏈改變分子結構。如DNA加

14、合物 3.2 靶分子功能的破壞 激活或抑制酶的活性（如戒酒硫） 3.3 形成新抗原 毒物及其代謝物與蛋白質結合，激發新的免疫反應，如藥物引起的狼瘡。第三階段：細胞功能障礙及其導致的毒性1. 毒物引起細胞調節功能障礙 1.1 基因表達的調節障礙 細胞分裂異常：形成腫瘤，畸胎 細胞凋亡：組織退化，或畸胎 蛋白質合成受損 1.2 細胞瞬息活動的調節障礙 特定細胞正常運行的控制是通過作用于膜受體的信號分子來實現的。 如：Ca2+ ，細胞鈣穩態失調學說1.2.1 細胞內鈣穩態 在毒理學中，發現細胞損傷和死亡與胞內鈣濃度增高有關，已發展成中毒機制的一種重要學說，細胞鈣穩態紊亂學說，即細胞內鈣濃度不可控制地

15、增高，從而產生一系列反應，導致細胞損傷或死亡。 在細胞內的鈣有兩種類型，游離的鈣離子和與蛋白質結合的鈣。與鈣結合的蛋白有兩種類型，一是結合在細胞膜或細胞器膜內的蛋白質上，二是結合在可溶性蛋白質上。激動劑刺激引起細胞Ca2+動員，可調節細胞的多種生物功能，包括肌肉收縮、神經轉導、細胞分泌、細胞分化和增殖。Ca2+在細胞功能的調節中起了一種信使作用，負責將激動劑的刺激信號傳給細胞內各種酶反應系統或功能性蛋白。 在細胞靜息狀態下細胞內游離的Ca2+僅為10-7mol/L，而細胞外液Ca2+則達10-3mol/L。當細胞處于興奮狀態，第一信使轉遞信息，則細胞內游離Ca2+迅速增多可達10-5mol/L

16、，此后再降低至10-7mol/L，完成信息轉遞循環。認為Ca2+是體內第二信使。上述Ca2+濃度的變化過程呈穩態狀，稱為細胞內鈣穩態。1.2.2 鈣穩態失調的機制 1.2.2.1 細胞內鈣穩態的失調 細胞Ca2+信號的改變在各種病理及毒理學過程中起重要的作用。在細胞受損時可導致Ca2+內流增加，或Ca2+從細胞內貯存部位釋放增加，或抑制細胞膜向外逐出Ca2+ ，表現為細胞內Ca2+濃度不可控制的持續增加，即打破細胞內鈣穩態，或稱為細胞內鈣穩態的失調。1.2.2.2 鈣穩態失調學說 Ca2+這種失調或紊亂，將完全破壞正常生命活動所必需的由激素和生長因子刺激而產生的短暫的Ca2+瞬變，危及細胞器的

17、功能和細胞骨架結構，最終激活不可逆的細胞成分的分解代謝過程。這就是所謂中毒機制中鈣穩態失調學說。重要1.2.2.3 機制 鈣的濃度變化，可通過下列途徑造成細胞損傷： （1）正常的激素和生長因子刺激的Ca2+信號的受損。 （2）鈣依賴性降解酶的活化，包括蛋白酶、磷脂酶和核酸內切酶。 （3）損傷細胞骨架 （4）損害線粒體 （5）與細胞凋亡有關1.2.3 細胞鈣穩態的紊亂與細胞毒性1.2.3.1 重金屬離子主要有鉛和鎘。 鉛一方面與Ca2+及CaM結合，激活Ca-CaM依賴酶系。另一方面高濃度時與細胞內巰基激活，可抑制Ca-CaM依賴酶系，并呈劑量依賴的雙相效應。可見鉛的中毒機制中Ca2+有重要意義

18、。 鎘可使CaM含量減少。表現為免疫系統、雄性生殖系統以及心肌等改變，有的可用鈣調素拮抗劑來預防或減輕損傷作用。1.2.3.2 農藥 擬除蟲菊酯為神經毒化合物，有研究發現它可使神經細胞內游離鈣濃度增高，可能與其抑制Ca2+ ，Mg2+-ATPase、CaM(鈣調蛋白)和磷酸二酯酶(PEE)有關。當然，擬除蟲菊酪對鈣穩態的影響有復雜的機制，且與其具體化學結構有關。1.2.3.3 四氯化碳 它可抑制肝細胞微粒體Ca2+ - ATPase，表現為肝內質網酶活性改變及鈣的蓄積。其機制可能是CCl4可在肝臟氧化產生自由基，后者攻擊Ca2+ -ATPase上的巰基，使酶活性下降；另外， Ca2+濃度增加，

19、可激活某些酶，如磷酸化酶a。2.毒物引起細胞維持功能改變 內部維持功能損害，則導致細胞損傷或者凋亡； 外部維持功能損害。如：殺鼠靈（香豆素）抑制肝臟中凝血因子的合成，并不影響肝臟，但可因出血而引起死亡。第四階段：修復與修復紊亂修復紊亂引起的毒性 修復過程也可能主動產生毒性作用。 慢性組織損傷后，但修復過程偏離正確軌道，導致不可控制的增生而不是組織的重建，細胞增生即可形成腫瘤，而細胞外間質的過度產生則導致組織纖維化。本章重點： 1、一般外源化學物發揮毒性作用的4個歷程； 2、自由基學說； 3、細胞鈣穩態學說；謝 謝！化學物暴露后毒性發展可能存在的階段 維生素E：它必須與膜結合才能發揮抗氧化作用。首先與氧自由基反應，生成生育酚自由基，再由抗壞血酸GSH氧化還原偶聯反應而還原。它屬于“鏈斷裂”抗氧化劑，主要通過提供不穩定的氧給過氧自由基和烷基自由基，從而防止脂質過氧化。 DNA鏈斷裂在基因突變的形成過程中有重要意義。DNA鏈斷裂后，有下列途徑產生突變： DNA鏈斷裂造成部分堿基的缺失； DNA鏈斷裂后，正常的細胞將啟動修復過程，多種酶可以辨別DNA內異常，并通過切割、再合成、重合等途徑使之修復。如酶也受自由基破壞或功能難以達到修復的要求，可能造成被修復的DNA堿基的錯誤摻入