第4章 毒性作用机制

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、细胞分化和增殖。 信使作用，负 Ca2+在细胞功能的调节中起了一种信使作用 信使作用 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。
2.1 亲电子剂（electrophiles）
是指含有一个缺电子原子的分子。 带部分或全部正电荷，容易与亲核物中的 富含电子的原子共享电子对而发生反应。 形成方式：
插入的氧原子从外源化学物附着的原子中获得 一个电子，使其具有亲电性。如乙醛 共轭双键通过氧的去电子作用被极化。如醌
2.2 亲核物 (nucleophiles)
2.2.1 与蛋白质的共价结合
化学毒物与蛋白质的共价结合是不可逆的， 影响了蛋白质的结构和功能。如黄曲霉毒 素B1能与白蛋白结合后、使白蛋白丧失了 作为载体的功能。
2.2.2 与核酸分子的共价结合
化学毒物及其代谢产物与核酸分子的共价结合， 是研究化学毒物致癌作用的热点。有研究表明， 一旦细胞内DNA加合物形成，致癌过程即已启动， 随后进入促进和发展阶段。化学毒物与核酸共价 结合形成加合物有两种方式，一种是直接加合， 如烷化剂。另一种是需经代谢活化，生成具有活 性的代谢物才能结合，如多环芳烃类、黄曲霉素 类，大多数的化学物质以这种方式结合。
2.2 共价结合（convalent binding）:
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，形成 加合物，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。共价结合是不可逆 不可逆的。 不可逆 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 稳定复合物。 稳定复合物
化学物暴露后毒性发展可能存在 的阶段
第一阶段：从暴露部位到靶部位
1终毒物的概念
重要
毒效应的强度主要取决于终毒物在其作用位点的 浓度及持续时间。 终毒物 （ultimate toxicant） 是指与内源靶分子（如 受体、酶、DNA、微丝蛋白、脂质）相互作用， 使整体性的结构或功能改变，从而导致毒性作用 的物质。
一般认为亲核物和活性氧还产物最终还是 形成亲电子物和自由基， 形成亲电子物和自由基，是主要的终毒物
2.4 自由基 (free radicals)
自由基（free radicals）是独立游离存在的 带有不成对电子的分子、原子或离子。自 由基主要是由于化合物的共价键发生均裂 而产生。
2.4.1自由基的来源与类型
并不多见。具有一个原子或几个原子有多 余电子。 最典型的是：
氰化物：苦杏仁经肠道菌糖苷酶催化水解 硒化氢：亚硒酸盐与谷胱甘肽或其他巯基反应 CO: 二卤甲烷经过氧化脱卤的有毒代谢产物
2.3 氧化还原性反应物(redox-active reductants)
具有活性的各种氧化还原反应物
如：能引起高铁血红蛋白的亚硝酸盐。可在小 肠由硝酸盐经肠道菌还原而成，也可由亚硝酸 酯与谷胱甘肽反应产生。
1.1 基因表达的调节障碍
细胞分裂异常：形成肿瘤，畸胎 细胞凋亡：组织退化，或畸胎 蛋白质合成受损
1.2 细胞瞬息活动的调节障碍
特定细胞正常运行的控制是通过作用于膜受体 的信号分子来实现的。
如：Ca2+ ，细胞钙稳态失调学说
1.2.1 细胞内钙稳态
在毒理学中，发现细胞损伤和死亡与胞内 钙浓度增高有关，已发展成中毒机制的一 种重要学说 重要学说，细胞钙稳态紊乱学说，即细 重要学说 胞内钙浓度不可控制地增高，从而产生一 系列反应，导致细胞损伤或死亡。
2.4.2自由基的共同特点是：
重要
（1）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。 半减期极短 半减期极 （2）自由基的产生是可传递的，呈链式 链式的，产生 链式 以后迅速作用于另外一个分子，生成新的自由基， 不断损害机体。 （3）作用半径短 作用半径短，只与临近的分子作用。 作用半径短 （4）自由基存在时间短、半径小，因此无法捕获， 测定非常困难。只能用间接的办法，通过测定自 由基损伤后的产物来证明，如过氧化脂质，丙二 丙二 醛（MDA）。
终毒物可为机体所暴露的原化学物（母化合物）；而 另外一些毒物的毒性主要是由于其代谢物引起，生物 转化为有害产物的过程称为增毒（toxication）或代谢 活化（metabolic activation）。
2终毒物的类型
(1) 亲电子剂（electrophiles） (2) 亲核物 (nucleophiles) (3) 氧化还原性反应物(redox-active reductants) (4) 自由基御系统
（1） 酶性抗氧化系统
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，CuZnSOD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。
尽管对某些外源化学物毒作用机制进行了 深入的研究，但大多数毒物的毒性作用机 制尚未完全阐明。关于中毒机制的理论和 假设较多，例如，细胞钙稳态学说、自由 基学说等。
毒作用的机制（4个历程）
目前为止大家比较认同，多数毒物发挥毒作用至少经历4个过程：
重要
1、经吸收进入机体的毒物通过多种屏障转运 转运至一个 转运 或多个靶部位； 2、进入靶部位的终毒物与内源靶分子发生交互作用 反应） （反应）； 3、毒物引起机体分子、细胞和组织水平功能和结构 的紊乱 紊乱； 紊乱 4、机体启动不同水平的修复机制应对毒作用，当机 体修复功能低下或毒物引起的功能和结构紊乱超过 机体修复能力时，机体即出现组织坏死、癌症和纤 维化等毒性损害。（无法修复） （无法修复）
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。
2.4.4自由基对生物大分子的损害作 用 （1） 脂质过氧化损害：
（2）蛋白质的氧化损伤
机制：
(a)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 破坏脂肪族氨基酸的结构。 破坏脂肪族氨基酸的结构 (b)芳香氨基酸很少出现α-除氢，而多形成羟基 形成羟基 衍生物。后者可将苯环打开或在酪氨酸处交联 交联 衍生物 成二聚体。 成二聚体
1. 靶分子的属性
实际上所有内源分子都是毒物潜在靶分子； 最为重要的是生物大分子如：核酸和蛋白质； 也涉及一些小分子如：膜脂质。
2.反应的类型
非共价结合 共价结合 去氢反应 酶促反应 电子转移
2.1非共价结合（nonconvalent binding）:
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。 非共价结合一般是可逆 可逆的，导致的毒性损害较小。 可逆 如西维因，一种有机氯农药，也可与乙酰胆碱酯 酶结合，呈疏松的整体分子结合，主要靠静电氢 键结合，所以影响较小，是可逆的，机体慢慢会 恢复。但不能使复能剂，用解磷定无效，反而妨 碍解毒。
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。
（3） 对DNA的氧化损伤
活性氧对DNA的损伤作用，可能是突变和癌 变的基础，还与细胞凋亡有关。 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。
DNA链断裂：
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。
第二阶段：终毒物与靶分子的反应
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。
1.2.2 钙稳态失调的机制
1.2.2.1 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 Ca 流增加，或Ca2+从细胞内贮存部位释放增加， 或抑制细胞膜向外逐出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。
（2）非酶性抗氧化系统
在生物体系中广泛分布着许多小分子，它们能通 过非酶促反应而清除氧自由基。例如，维生素 、 维生素C、 维生素 维生素E、 维生素 、GSH、尿酸、牛磺酸和次牛磺酸等。 、尿酸、牛磺酸和次牛磺酸等。 谷胱苷肽(GSH)参与GSH—Px的作用，使过氧化 物还原为H2O和氧化型谷胱苷肽(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。
脂质过氧化(lipid peroxidation) ：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 生物膜具有强烈的 生物膜 破坏作用。
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：
一是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； 一是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。