《毒理学教学课件》04 第四章 毒性机制.ppt

1,2,www-3 “W”,What- 毒作用的影响因素,Why- 毒作用机制,How- 毒物如何进入机体，引起中毒,3,第四章 毒作用机制 （Mechanisms of Toxic Effect）,4,某炼油厂焦化车间因泵房外下水井（深4米）不畅通，车间班长安排两名工人去疏通。他们打开井盖，发现气味较大，立即上来，并劝告班长不能下井，但班长不听劝告，未采用任何措施，只身一人下井。很快晕倒在井中，两名工人见班长晕倒，救人心切，立刻用绳子栓人下井救人，还未触及班长本人，下井工人支持不住，很快昏迷。见呼喊后没有回应，地面上的工人立即将下井的工人拉起。后向其它车间的同事求救，15分钟后，车间人员用铁钩将班长捞出，由于中毒过重，经医院多方抢救无效死亡，而下井救人的工人被救活。,5,作用组织或器官？,1.阻断氧的运输和利用,2.颈动脉窦主动脉弓,6,掌握外源化学物增毒现象 掌握外源化学物主要毒性机制 熟悉终毒物的种类与形成 熟悉终毒物与靶分子的反应及其类型 熟悉细胞应激及其类型 了解细胞功能障碍与毒性 了解修复障碍及其引起的毒作用,【目的要求】,7,外源化学物增毒与解毒、终毒物类型、解毒途径、解毒过程失效的原因 终毒物与靶分子的反应类型、毒物对靶分子的影响 毒物引起的细胞调节功能障碍：细胞应激及其类型、细胞调节功能障碍、细胞稳态失调 修复障碍：损伤修复机制、修复障碍及其引起的毒作用,【内容】,8,9,中毒是有毒化学物与机体交互作用，导致机体的功能或结构产生不良改变的结果，这些改变除与机体本身的属性有关外，主要取决于化学物暴露的程度与途径 定性和定量地描述这些有害或有毒效应的特征，深入研究引起毒性表现的机制，即毒物是如何进入机体的、如何与靶分子交互作用、机体又是如何应对这种损害的，对于评价特定化学物的潜在危险性具有重要价值,10,由于有毒化学物数量庞多，可能被损害的生物学过程复杂，因而中毒的表现多种多样，可能导致毒性的各种不同机制相应地存在着,11,吸收毒物到达靶器官,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,大多数毒物产生毒性需要经历的四个过程,当毒物引起的紊乱超过修复能力或修复功能低下时，毒性就会出现，如组织坏死、癌症和纤维化,12,研究中毒机制步骤,整体动物有无毒性 找出靶器官、靶组织 进一步找出受损的细胞、亚细胞 分子水平：DNA、RNA或蛋白质,解释结果,寻找原因,13,水迷宫实验,14,15,PSD95,Drebrin数量明显减少,16,第一节 毒物的ADME过程与靶器官,17,终毒物 (ultimate toxicant)：是指直接与内源靶分子反应或引起机体生物学微环境的改变，导致机体结构和功能紊乱并表现出毒物毒性的物质,终毒物在其作用位点的浓度及持续时间决定了毒效应的强度 生物学微环境变化：由乙二醇形成的草酸可引起酸中毒和低血钙，并可因草酸钙沉淀而导致肾小管阻塞（三聚氰胺）,（一）终毒物的形成,三、增毒与解毒,18,终毒物的来源,外源化学物：如强酸碱、重金属离子、HCN、CO 外源化学物的代谢物：如亲电物和亲核物 活性氧或活性氮：如自由基 内源化学物：如氧化还原反应物,19,增毒（toxication）或代谢活化（metabolic activation)：外源化学物经生物转化使其毒性增强，甚至产生致畸、致癌效应的过程,增毒过程主要是使外源化学物转变为 亲电子剂（electrophiles) 自由基（free radicals) 亲核物（nucleophiles) 氧化还原性反应物（redox-active reductants）,20,1.亲电子剂 （eletraophiles),亲电子剂（electrophiles)：含有一个缺电子的原子或分子 亲电物可与含电子的亲核物共享电子对而发生反应 常常是外源化学物经Cyp450或其他酶氧化成酮、环氧化物、不饱和酮和醛、醌和酰卤化物等物质,21,亲电子代谢物的形成,插入氧原子：插入的氧原子从其附着的原子中获得一个电子，使其具有亲电性(环氧化物） 形成共轭双键：外源化学物通过氧的去电子作用而被极化，使得其双键碳之一发生电子缺失，继而形成亲电子剂 阳离子型亲电物通过键异裂形成：共价键分裂时，共用的电子对变为仅属于其中一个原子或原子团。这种断裂方式称为异裂。异裂生成阴离子和正离子,22,2.自由基,自由基（free radicals)：是指在其外层轨道中含有一个或多个不成对电子的分子或分子片段 在这个由原子组成的世界中，有一个特别的法则，只要有两个以上的原子组合在一起，它的外围电子就一定要配对，如果不配对，就要去寻找另一个电子，使自己变成稳定的元素 自由基可通过人体的细胞（组织）在氧化反应过程中产生,23,自由基通过接受或失去一个电子，或由化合物的共价键发生均裂而形成 共价键断裂时，共用电子均等地分配给成键的两个原子，这种断键方式称为均裂，A:BA+B。均裂后的两个部分各带有一个未成对电子，很活泼，即自由基,24,自由基的特点： 具有顺磁性 化学性质十分活泼 反应性极高，半减期极短,25,自由基在体内虽然不断产生，但也不断为机体的防御体系（自由基清除体系）所清除。在生理条件下，处于平衡状态下的自由基浓度很低，不仅不会对机体造成损伤，而且还具有重要的生理功能 当环境中的物理因素或外源化学物质直接或间接诱导产生的大量自由基超过了机体的清除能力，或内源性自由基产生和清除失去平衡，就会使机体处于氧化应激（oxidative stress），进而造成机体的损害,26,自由基可与体内生物大分子作用，生成过氧化物而对细胞产生损害，影响细胞的功能 自由基对细胞的损害主要表现为对细胞膜、线粒体、溶酶体的膜损害，因为膜上的磷脂含不饱和脂肪酸（PUFA）多，对自由基最敏感。自由基与PUFA作用形成过氧化物，使膜的通透性和脆性增加，导致细胞丧失功能。自由基还导致酶变性。,27,3.亲核物（nucleophiles),形成亲核物是毒物增毒作用较为少见的机制，如硒化氢是由亚硒酸盐与谷胱甘肽或其他巯基反应形成的一种强亲核物 一氧化碳经由氧化取卤反应而形成的毒性代谢产物 苦杏仁经肠道细菌-糖苷酶催化形成氰化物,28,一种特殊的产生氧化还原活性还原剂的机制 例如：硝酸盐通过肠道细菌还原、亚硝酸酯或硝酸酯与谷脱甘肽反应而形成产生高铁血红蛋白的亚硝酸盐,4.活性氧化还原反应物 (redox-active reactants),29,（二）解毒作用,解毒（detoxication）：消除终毒物或阻止终毒物生成的生物转化过程 解毒可以几种途径进行，取决于有毒物质的化学特征,30,1.无功能基团毒物的解毒（detoxication of toxicants with no function groups) 无功能基团化学物（苯和甲苯）+ 功能基团（羟基和羧基） CyP450 含功能基团产物+内源性酸如葡萄糖醛酸、硫酸或氨基酸 转移酶 不活泼的、高度亲水的有机酸排出体外,根据毒物化学性质，解毒途径可分为,31,一般通过在亲核功能基团上的结合反应来解毒。亲核功能基团与内源性基团的结合可防止由过氧化物酶催化的亲核物转变为自由基。 如羟化的化合物通过硫酸化作用、葡萄糖醛酸化作用来结合 乙醇可经醇脱氢酶催化氧化为羧酸而解毒 氰化物经硫氰酸酶生成硫氰酸而解毒,2.亲核物的解毒 （detoxication of nucleophiles),32,3.亲电物的解毒 （detoxication of electrophiles) 一般亲电性毒物的解毒是通过与巯基亲核物谷胱苷肽共轭结合而解毒 此类反应可自发产生或由谷胱甘肽-S-转移酶协同进行 金属离子如Ag2+、Cd2+、Hg2+和CH3Hg离子很容易与谷胱甘肽反应而解毒,33,通过超氧化物歧化酶(SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPO）或过氧化物酶体中的过氧化氢酶（CAT）来实施的。 没有任何一种酶能排除HO,4.自由基解毒 （detoxication of free radicals),34,细胞外和细胞内的蛋白酶参与有毒多肽的失活 在蛇毒发现的几种毒素，如-和-银环蛇毒素；蛇毒活性依赖于蛇毒毒素分子中的二硫键；这些蛋白质可被一种还原必需二硫键的内源性双巯基蛋白硫氧还原蛋白所失活。,5.蛋白质毒素解毒 （detoxication of protein toxins),35,6.解毒过程失效 （when detoxication fails),1. 毒物接触剂量过量，引起解毒酶耗竭，最终可能使解毒过程失效，终毒物蓄积 2. 某种具有反应活性的毒物使解毒酶失活 3. 某些结合反应可被逆转 4. 有时解毒过程产生潜在的有害副产物,36,第二节 靶分子的反应 reaction of the target molecule,37,毒性是终毒物与靶分子反应所介导是一系列继发性事件。终毒物与靶分子的交互作用触发毒性效应需考虑：,靶分子的属性； 终毒物与靶分子之间反应的类别； 毒物对靶分子的效应； 生物学微环境的改变所引起的毒性,38,靶分子的属性 （attributes of target molecules),理论上所有内源性化合物都是毒物潜在的靶标 主要有： 机体大分子：如核酸特别是DNA和蛋白质 膜脂质 其他成分 并不是所有的毒物与靶标的反应都是有害的。与哪种蛋白结合具有毒理学意义常常是不确定的,39,内源性分子作为一个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 为了发生这些反应，靶分子必须接触足够高浓度的终毒物 活化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,40,一、反应类型（types of reactions),1.非共价结合（nonconvalent binding)：某些毒物以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： 结构上互补结合 键能较低，通常是可逆的,41,2.共价结合（convalent binding),共价结合一般是不可逆的，能永久性改变内源性分子结构，故共价结合具有重要的毒理学意义 共价加合物的形成常见于亲电毒物，如非离子和阳离子亲电物以及自由基阳离子,羟自由基与DNA碱基结合形成许多产物，如8-羟基鸟嘌呤、5-羟甲基嘧啶等，均引起DNA损伤,42,4. 电子转移 (electron transfer)：化学物能将血红蛋白中的Fe 2+氧化为Fe 3+，形成高铁血红蛋白血症，如亚硝酸盐能氧化血红蛋白,5. 酶促反应 (enzymatic reaction)：少数一些毒素通过酶促反应作用于特定靶蛋白上，如霍乱毒素活化G蛋白，蛇毒通过水解酶破坏生物分子,3. 去氢反应（hydrogen abstraction）：自由基可迅速从内源化合物去除氢原子，将这些化合物转变为自由基，即R-SH R-S,43,二、毒物对靶分子的影响,终毒物与内源性分子反应，引起靶分子的功能失调和/或破坏靶分子结构,（一）靶分子功能失调 模拟内源配体而激活蛋白质的靶分子（冰毒激活鸦片受体,苯丙胺类兴奋剂具有强烈的中枢兴奋作用。滥用者会处于强烈兴奋状态，不吃不睡、情感冲动、不讲道理、偏执狂、妄想、幻觉和暴力倾向） 化学物抑制靶分子功能则更常见（河豚毒素抑制钠通道开放，破坏动作电位的生成）,44,阻断神经递质的传递（肉毒素能阻断神经肌肉接头处的神经递质乙酰胆碱的释放，引起迟缓性瘫痪。破伤风毒素能阻断脊髓抑制性神经元产生的氨基酸类神经递质释放，导致肌肉强直，进一步发展为致死性僵硬和痉挛性抽搐） 抑制线粒体电子传送（CN-对细胞呼吸链有很强的亲和力，可与细胞色素氧化酶的三价铁结合，抑制该酶的活性，从而阻断细胞对氧的利用，形成“内呼吸”障碍，导致呼吸衰竭和心血管功能衰竭） 抑制酶活性（毒物作用于蛋白质结构的关键部位，如巯基基团） 毒物干扰DNA的模板功能，引起突变（碱基错配）,45,（二）靶分子的结构破坏,毒物除了形成DNA加合物外，还可通过交联和分子断裂而改变内源分子的一级结构 脂质过氧化分解作用 蛋白质降解作用 DNA断裂作用,某些个体的变异蛋白可能会促发免疫反应（青霉素等药物）,（三）新抗原形成,46,第三节 细胞调节功能障碍,47,机体协调细胞的各种活动，是通过每个细胞执行其各自的指令或程序而达到的 长期程序决定细胞的归宿，即细胞是否进入分裂、分化或死亡 短期程序控制各种已分化细胞的活动，决定细胞是否分泌各种物质、转移或代谢营养物质等 毒物与靶分子的反应可导致细胞功能损害 通常细胞在受到外界有害刺激情况下，首先会发生细胞应激；如果细胞损伤进一步加重，会引起细胞调节功能障碍，最终发展为细胞稳态失调，甚至出现细胞死亡,48,一、细胞应激,细胞应激（cellular stress）指细胞处于不利环境和遇到有害刺激时所产生的防御或适应性反应 根据引起细胞应激的原因不同以及细胞应激反应的差异，细胞应激分为热应激、缺氧应激、氧化应激、内质网应激和遗传毒性应激,49,二、细胞调节功能障碍,细胞的活动是由信号分子来调节和控制的 信号分子激活细胞受体，通过信号传达的网络将信号传送至基因的调节部位或功能蛋白,50,51,受体激活可导致 改变基因的表达，增加或减少特定蛋白的功能 通过磷酸化使特定蛋白发生化学修饰，从而激活或抑制蛋白质 控制细胞归宿的程序主要影响基因表达 调节细胞活动的程序则主要影响蛋白质功能,52,（一）基因表达调节障碍 可发生在与转录直接有关的部位、也可以是在信号传导的网络部位，或者在其信号分子的合成、储存和释放的过程中,1.转录调节障碍 2.信号转导调节障碍,53,54,（二）细胞瞬息活动的调节障碍 信号分子作用于膜受体，受体通过构象改变调节Ca2+进入细胞质，或者激活细胞内第二信使而将信号传至细胞核，从而控制细胞活动 Ca2+或其他第二信使促使功能蛋白质的磷酸化，以改变它们的活性和细胞功能 毒物可通过破坏信号的传递过程而损害细胞的活动（神经毒物可影响神经和肌肉活动）,55,三、细胞稳态失调,细胞稳态（cellular homeostasis）指在神经、内分泌和免疫系统共同调节下，细胞内各种成分和生理功能保持相对稳定的状态 细胞稳态是细胞存活和正常代谢所必需的 生物膜决定细胞内外以及不同亚细胞结构与细胞浆之间发生频繁的物质交换。因此，生物膜的完整性是维持细胞稳态的关键,56,41,线粒体产生细胞生命活动所需的能量。因此，线粒体功能障碍有可能干扰细胞稳态 维持细胞稳态需要一个细胞稳态调节系统 机体生理性衰老状态下，细胞稳态调节系统出现异常，导致细胞内物质转运障碍和代谢功能丧失，甚至诱发细胞死亡，这种现象称为细胞稳态失调 一些外源性化学物可通过干扰细胞稳态调节系统，继而损害生物膜的结构完整性或破坏线粒体功能，最终导致细胞稳态失调,57,第四节 修复障碍,58,毒性发展的第四阶段是不适当的修复 许多毒物可改变大分子，这些改变若不能修复时，就会引起机体较高水平生物学层次上的损害,一、损伤修复机制,59,修复,分子修复,蛋白,脂肪,DNA,细胞修复,组织修复,凋亡,增生,细胞,细胞外间质,60,（一）分子修复,1.蛋白质修复 巯基对许多蛋白质如受体、酶、细胞骨架蛋白和TF的功能是必不可少的。受损的巯基可通过酶促还原而逆转 已氧化的血红蛋白（高铁血红蛋白）的修复借助于细胞还原酶而再生 损害的蛋白质也可通过水解而排除。 热休克蛋白在物理或化学伤害引起的蛋白质变性时大量合成，对变化了的蛋白质的再折叠起重要作用,61,2.脂质修复 过氧化的脂质通过一系列还原剂以及谷胱甘肽过氧化物酶和还原酶共同协调运作的复杂过程来修复,62,直接修复：共价的DNA改变可被光裂合酶直接逆转，仅适用于光暴露细胞 切除修复：碱基切除和核苷酸切除是从DNA除去损伤碱基的两种机制。DNA螺旋结构未明显变形时由碱基切除来修复；较大的损伤如黄曲霉毒素或UV辐射引起的二聚体由核苷酸切除修复来清除 复制后修复：若加合物或二聚体的切除在DNA复制开始前未能进行，就会发生重组修复,3.DNA修复,63,（二）细胞修复,在大多数组织，损伤的细胞死亡，而以幸存细胞的分裂来取代丧失的细胞 神经细胞是个例外，因为成熟的神经元无繁殖能力。在轴索损伤的周围神经元，可通过修复使靶细胞重新受神经支配,64,（三）组织修复,凋亡：受损细胞的主动清除 受损细胞的凋亡作为一种修复过程对由持续更新细胞（骨髓、皮肤）或条件分裂细胞（肝和肾实质细胞）构成的组织具有重要作用 凋亡可阻拦导致坏死的过程 凋亡可通过清除具有潜在致突变作用的DNA损伤细胞而阻拦肿瘤形成的过程,65,增生：组织的再生 通过有丝分裂替代丧失的细胞：损伤早期细胞内信号开通，表现为蛋白激酶和转录因子激活，许多基因表达增加。随后是其产物能调节细胞分裂周期的基因表达。基因表达重新进入程序以保证DNA合成和有丝分裂优先于特定的细胞活动 细胞外基质的替代,66,何种情况修复失效,虽然修复机制在分子、细胞和组织水平上作用，但由于多种原因，常常不能提供对损伤的保护作用 修复机制的保真度 损害超过修复能力时出现修复失效 修复也可能引起毒性,67,二、修复障碍及其引起的毒作用,（一）修复障碍 修复机制发生在分子、细胞和组织水平，但有时不能对损伤起保护作用 修复机制保真度并非绝对，某些损伤的修复可能被遗漏 损伤程度超过机体修复能力时，修复失效,68,（二）修复障碍引起的毒性,1.炎症 炎症的标志是微循环改变和炎性细胞（巨噬细胞和粒细胞）聚集。启动炎症反应主要依赖于巨噬细胞分泌的炎性细胞因子，包括急性炎性细胞因子（如TNF-、IL-1和IL-6)和慢性炎性细胞因子（如TGF-）,69,2.坏死 由于损伤效应压倒修复机制，并使下列修复机制失效，就会发生组织坏死 受损害分子的修复 通过凋亡对损害