毒作用机制.ppt

毒物ADME过程与靶器官 靶分子的反应 细胞调节功能障碍 细胞修复障碍 毒物毒作用的表观遗传机制,第四章 毒作用机制,第一节,从接触部位进入血液循环 从血液循环进入靶器官 增毒与解毒,第一节 毒物ADME过程与靶器官,一、从接触部位进入血液循环 （一）毒物的吸收（吸收系数） （二）毒物进入体循环前的消除（首过效应） 1.肠上皮细胞、肝细胞的毒物转运蛋白转出细胞（肝胆排泄）； 2.进入血液前，在接触部位(如皮肤)被细胞代谢。 二、从血液循环进入靶部位 （一）促进毒物进入靶部位机制 1.毛细血管内皮的多孔性（肝窦、肾小管孔道） 2.专一化的膜转运（离子通道、膜转运蛋白） 3.细胞器内的蓄积（溶酶体与线粒体，胺的pH陷阱） pH陷阱-非离子化胺进入溶酶体酸性细胞器内部，胺被质子化， 后者与溶酶体磷脂结合引起“磷脂沉着症”。 4.可逆性细胞内结合（黑色素与阳离子结合）,吸收系数: （Absorption coefficient） 吸收系数是指外源化学物进入血液的量与接触量之比。 不同部位的吸收系数顺序一般是： 静脉注射经肺吸入腹腔注射皮下注射肌肉注射皮内注射经口摄入（胃肠道）表皮涂抹 （暴露的途径与位点） 首过效应： （First pass effect） 指化学毒物进入血液循环（体循环）以前，在吸收部位发生的阻隔作用或生物转化作用，或经肝脏门静脉在肝脏中进行的代谢转化作用。,other than-除了，不同于,（二）妨碍毒物分布靶部位机制 1.与血浆蛋白结合（不易通过毛细血管壁） 2.专一化屏障（如血脑屏障）； 3.贮存库对毒物的蓄积（如氯代烃在脂肪组织的贮存，可起到暂时的保护作用）； 4.与细胞内结合蛋白结合（金属硫蛋白与镉的结合，可减少急性镉暴露的毒性作用） 5.从细胞内排除（ATP依赖性膜转运蛋白P蛋白可将细胞内毒物转运到细胞外。 （三）排泄与重吸收（不讲） 1.排泄（亲水性和离子化毒物-肝、肾排泄） 2.重吸收（肾小管、肠粘膜）,三、增毒与解毒 （一）终毒物的形成,脂质氧化自由基，脂质过氧化自由基等,(毒物原型),常见的终毒物： 亲电物（electrophiles） 自由基（free radicals） 亲核物（nucleophiles） 活性氧化还原产物 （redox-active reductants）,增毒作用 （Toxication） 无毒或毒性较低的外源化学物在体内转变为有毒的或毒性较高的代谢产物的生物转化作用，称为增毒作用，亦称“代谢活化”(metabolic activation)。,增毒作用实例： 乙醇 乙醛，毒性 对硫磷 对氧磷，毒性 苦杏仁 氰化物，毒性,1.亲电子剂（带正电荷） （electrophiles） 概念： 亲电子剂是指含有一个缺电子原子（带正 电荷）的分子，它能通过与富含电子原子的亲 核物共享电子对而发生反应的物质。,亲电物种类： （1）非离子亲电物 外源化学物分子中插入氧原子，后者从其附近原子获得一个电子，使其具有亲电性。 如： 乙醇 乙醛 丙烯醇 丙烯醛 对硫磷 对氧磷（获得氧原子） 生物转化形成共轭双键，氧原子去电子作用，双键碳产生电子缺失。 如： 苯并(a)芘 7,8-二氢二醇-9,10-环氧苯并(a)芘+,苯并a芘代谢活化,（2）阳离子亲电物“键异裂” 如： 7,12-二甲基苯蒽 苯甲基碳翁阳离子 2-乙酰氨基芴 芳基氮翁阳离子 金属汞氧化 Hg2+ Cr042-还原 Cr3+ AsO43-还原 AsO32-/As3+,2.自由基 （free radicals） 概念： 自由基是在其外侧层轨道中含有一个或多 个不成对电子的分子或分子片段。 自由基的共同特点： 1. 奇数电子在一个轨道里； 2. 顺磁性； 3. 化学反应性极高； 4. 作用半径短； 5. 生物半衰期极短（s）。,自由基形成途径： 1. 外源化学物接受一个电子 如：外源化学物的氧化还原反应，可从还原酶接受一个电子。 2. 亲核外源化学物在过氧化物酶作用下丢失一 个电子，后者可形成含氧自由基 如：氢醌（亲核外源化学物）连续发生两次单电子转移产生半醌自由基与含氧自由基。 3. 电子向分子转移引起的还原性键均裂 如：四氯化碳从细胞色素P450或线粒体电子传递链获得一个电子，还原脱氯，生成CCI3. ；H2O2均裂产生HO 。,自由基类型： 1. 不含氧自由基 A.非金属类 如：H，CCI3.，R-S，C6H5N=N.等。 B.金属类 如：Cu+/Cu2+，Fe2+/Fe3+，Ti3+/Ti4+等。 2含氧自由基 A.无机含氧自由基 如：O2- ，HO ，H2O2等。 B.有机含氧自由基 如：LO，LOO等,机体内自由基来源： 1. 生物机体内产生的自由基 (1)胞浆中的小分子自氧化; (2)胞浆蛋白氧化酶酶促反应; (3)膜酶催化的反应; (4)过氧化酶体生物合成; (5)线粒体电子传递过程； (6)微粒体电子传递系统。 2外源毒物的氧化还原代谢 如：醌类。,自由基存在形式： 1. 笼蔽的自由基 -存在于线粒体内 2. 自由的自由基 -存在于胞浆中或细胞外液中 氧化应激（Oxidation stress） 指由氧化自由基产生的细胞毒效应。 产生条件： 1. 自由基产生量大于机体的清除能力； 2. 机体抗氧化能力降低。,3.亲核物（带负电荷） （nucleophiles） 概念： 亲核物是指含有一个或多个电子的代谢产 物或者具有亲核倾向位点的（带有负电荷）代 谢产物。 如： 丙烯腈环氧化后与谷胱甘肽结合形成氰化物； 二卤甲烷经过氧化脱卤形成的CO代谢产物； 苦杏仁经肠道细菌-糖苷酶催化形成氰化物。 亚硒酸盐与谷胱甘肽巯基反应形成硒化氢。,4.活性氧化还原产物 （redox-active reductants） 概念：在体内氧化还原反应中形成的具有还原活性的代谢产物。 例如： 硝酸盐通过肠道细菌还原亚硝酸盐，也可由亚硝酸酯与谷甘肽反应形成亚硝酸盐，引起高铁血红蛋白。 Cr()在维生素C等还原剂或还原酶的作用下，还原成Cr()。,（二）解毒作用（属于解毒机制） （detoxication） 1.无功能基团毒物的解毒 氧化、还原、水解反应；结合反应。 2.亲核物的解毒 亲核功能基团与内源性物质（如葡萄糖醛酸）的结合。 3.亲电子剂的解毒 与巯基亲核物谷胱甘肽结合。 4.自由基的解毒 酶性抗氧化系统与非酶性抗氧化系统。 5.蛋白质毒素的解毒（酶解） 体内蛋白酶解毒（蛇毒被硫氧还蛋白酶解毒）。,6.解毒过程失效 毒物接触过量，引起解毒酶或抗氧化剂的耗竭，导致终毒物蓄积； 某些具有反应活性的毒物能使解毒酶失活； （如：ONOO-可使Mn-SOD功能失效） 某些结合反应的产物可被逆转成有毒物质； （如：甲基异氰酸盐在肺部与GSH结合，其结合物分布到其他组织被重新分解成为异氰酸和异硫氰酸） 解毒过程中产生有害副产物； （如：自由基解毒过程中产生GSH自由基）,靶分子的反应类型 毒物对靶分子的影响,第二节 靶分子的反应,靶分子的属性 内源性生物分子： 1. 生物大分子 -核酸、脂质、蛋白质（酶）等 2. 生物小分子 -辅酶A和谷胱甘肽等 注意： 靶分子必须具有合适的反应性和(或)空间构型， 靶分子常常是催化这些终毒物的酶或邻近细胞 内部结构分子。,一、反应类型 1.非共价结合（nonconvalent binding） 终毒物通过非极性交互作用或以氢键与离子 键等非共价结合方式与内源性分子结合。 被结合的内源性分子有： 膜受体、细胞内受体、离子通道、某些酶等。 2.共价结合（convalent binding） 终毒物的共价结合是不可逆的，这种结合持 久地改变内源分子。 被结合的内源性分子有： 蛋白质、核酸、脂质等生物大分子。,羟基 巯基 -氨基 胍基 咪唑基等,碱基 核糖 脱氧核糖 磷酸脂,3.去氢反应 如内源性巯基化合物（R-SH）在自由基作用下去氢形成巯基自由基（R-SH.） 。 4.电子转移 外源化学物使Hb分子中的Fe2+氧化成Fe3+ ,引起高铁血红蛋白症，如亚硝酸盐。 5.破坏酶促反应 生物毒素通过酶促反应作用于特定酶蛋白质分子，如蛇毒可破坏水解酶。,二、毒物对靶分子的影响 1.使靶分子功能失调 化学毒物模拟内源性配体，活化靶蛋白分子。 毒物与内源性蛋白质交联，使靶蛋白结构改变。 毒物干扰DNA模板功能（如黄曲霉毒素8，9-氧化物）。 2.破坏靶分子结构 毒物与内源性分子形成加合物（细胞骨架蛋白、DNA）。 3.新抗原形成 化学毒物可作为新抗原或半抗原，激发免疫应答。 （如硝基氯苯、青霉素等）,一、细胞应激 二、细胞调节功能障碍 三、细胞稳态失常 （钙稳态失常）,第三节 细胞调节功能障碍,一、细胞应激 细胞应激是指应激原诱发细胞内信号转导，激活相关的转录因子，并促进应激基因的快速表达，合成多种特异性或非特异性的且对细胞具有保护作用的应激蛋白，从而对细胞产生应激性的保护作用。 （一）热应激(heat stress) 环境高温可诱导机体细胞表达产生热休克蛋白（heat shock protein,HSP）,HSP不限于热应激。 （二）氧化应激(oxidative stress) 自由基（ROS）可影响细胞钙稳态、蛋白质磷酸化和转录因子的激活等细胞信号转导过程。,（三）缺氧应激(hypoxia stress) 低氧环境（包括重金属离子等外源化学物质）诱导血管生成基因、铁与糖代谢相关基因表达，以维持细胞的增值与存活。 氧感受器：NADPH氧化酶（最可能）。 介导缺氧应激反应的关键分子：缺氧诱导因子 （hypoxia-inducible factor-1,HIF1） HIF1下游靶基因： 红细胞生成与铁代谢相关基因 血管生成相关基因 血管收缩相关基因 基质代谢相关基因 糖代谢相关基因 细胞存活与增值相关基因等。,（四）内质网应激(endoplasmic reticulum stress) 内质网是细胞蛋白质和脂质合成、加工、折叠和运输的重要场所，内质网在外来因素刺激下发生应激反应。 特异性分子伴侣：糖调节蛋白78 （glucose regulated protein 78, GRP78） 介导内质网应激的跨膜蛋白（三个）： 肌醇需求酶1（inositol-reguiring enzyme1，IRE1） 蛋白激酶R样内质网激酶 （protein kinase R-like ER kinase, PERK） 激活转录因子6 （the activating transcription factor 6, ATF6）,诱导介导内质网应激的因素： 内质网特异性分子伴侣（如GRP78）减少或缺乏； 内质网中钙的消耗； 氧化应激或缺氧应激； 基因突变影响到基因产物蛋白质分子折叠； 二硫键形成减少等。,（五）遗传毒性应激(genetic toxicity stress) 是指人体细胞启动自身防御网络系统来抵御外来遗传毒物损伤的应激反应过程。 主要信号转导途径：丝裂原活化蛋白激酶 （mitogen-activated protein kinase, MAPKS） 包括：细胞外信号调节激酶通路 （extracellular signal regulated kinases, ERKs） Jun-氨基末端激酶/ 应激活化蛋白激酶通路 （JNK/SAPK） p38 通路 MAPKS途径有不同的通路，但均可通过特异的MAPK信号联级放大反应使细胞形成对DNA损伤的应激反应，从而保证细胞正常分裂和DNA保真复制。,二、细胞调节功能障碍 （一）基因表达调节障碍 1.基因转录调节障碍 毒物影响基因启动子、转录因子等功能。 2.信号转导调节障碍 毒物干扰细胞表面受体、细胞内信号转导网络。 3.细胞外信号的调节障碍 如苯巴比妥促进甲状腺激素代谢减低甲状腺激素水平反馈调控垂体激素增加促甲状腺激素的分泌。 （二）细胞瞬息活动的调节障碍 1.可兴奋细胞的调节障碍（神经与肌肉活动） 2.其他细胞活动的调节障碍 毒物可通过毒蕈碱样乙酰胆碱受体调控外分泌细胞分泌，如有机磷杀虫剂。,三、细胞稳态（cellular homeostasis）障碍 细胞稳态是指在神经、内分泌及免疫系统调节下，细胞内各种成分和生理功能保持相对的稳定状态。 （一）细胞稳态失调的机制 1.ATP耗竭（导致膜离子转运蛋白功能障碍） 2.细胞内Ca2+持续升高 后果：ATP储备耗竭；微丝功能障碍；水解酶活化；ROS与RNS生成等。 3.ROS、RNS的过渡产生 原因： 氧化还原循环物质与重金属进入细胞； 细胞内Ca2+过高等。,（二）细胞稳态失调各要素的相互关系 细胞ATP储存耗竭内质网质膜Ca+2泵失去能量导致胞浆Ca+2升高Ca+2进入线粒体膜电位（m）下降ATP合成酶发生障碍。 高钙促进了ROS与RNS的生成。 （三）细胞稳态失调的后果 1.细胞坏死 2.细胞凋亡 3.细胞早衰 （四）细胞稳态失调的毒理学意义 化学毒物通过影响细胞稳态从而影响细胞能量代谢、基因表达与调控、细胞信号转导、脂质与蛋白质合成与修饰、细胞增值与细胞周期调控、细胞生存等。,细胞钙稳态,（高钙）,（低钙）,第四节 细胞修复障碍,一、毒物损伤修复机制 （一）分子修复 有蛋白质、脂质与DNA的修复。 （二）细胞修复 1.活细胞的分裂增殖替代受损死亡细胞； 2.巨噬细胞吞噬清除细胞碎片； 3.细胞自噬（autophagy）。 （三）组织修复 1.细胞凋亡（受损的细胞） 2.细胞增殖 3.细胞分裂 4.细胞外基质的替代,二、修复障碍及其引起的毒作用 （一）修复障碍 原因： 修复遗漏 修复失效 修复能力耗竭（如修复酶或辅因子被消耗） （二）修复障碍引起的毒性 1.炎症 2.坏死 3.纤维化 4.致癌作用等,第五节 毒物毒作用的表观遗传机制,重点研究环境有害因素引起的，不涉及DNA序列变化的可遗传的基因表达改变，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑（构象改变）和非编码RNA等。 环境因素通过表观遗传变异所致的健康损害有： 肿瘤、衰老、生长发育异常、免疫疾病和中枢神经系统与精神发育紊乱等。 表观遗传毒理学在化学致癌研究、药物安全性评价和化学物危险度评定中发挥重要作用，如： 砷致癌机制研究发现，人外周血淋巴细胞p53基因第5外显子低甲基化发生率在砷暴露癌变病例中明显升高（即p53低表达），且呈剂量-效应关系。,一、表观遗传调控机制,表观遗传调控机制： (一)DNA甲基化 在真核生物DNA中，5-甲基胞嘧啶(mC)是唯一天然存在的化学性修饰碱基，哺乳动物中C约占C总量的27%。C-G二核苷酸是最重要的甲基化位点，在基因组中呈不均匀分布，存在高甲基化区，低甲基化区和非甲基化区。化学毒物可以改变正常的甲基化状态。 一般来说，DNA甲基化与基因沉默相关联（即与基因表达呈负相关), 而非甲基化多与基因活化相关联（即与转录活性呈正相关）。 在体外，将甲基化的DNA序列转入细胞后可出现某些基因表达降低；相反，许多内源基因在经甲基化抑制剂（5-叠氮胞嘧啶）处理后某些基因被激活。,(二)组蛋白修饰 组蛋白是核小体的重要组成成分。 组蛋白修饰对基因表达调控的影响： 通过影响核小体中组蛋白与DNA双链的亲和性，使核小体变成开放式的疏松结构，促进基因转录过程。 通过影响其他转录因子与结构基因启动子的亲和性发挥基因调控作用。 常见的组蛋白尾部修饰方式： 乙酰化 甲基化 磷酸化 泛素化等（泛