毒作用机制分解.ppt

第二十八章 毒作用机制 赵素微2013.02.01,主 要 内 容,终毒物的形成和解毒 终毒物与靶分子的反应 细胞功能障碍与毒性 修复和修复失控 毒作用机制研究的一般性讨论,毒物,处置,毒 作 用,化学物引起毒作用的三种途径,生物环境 的改变,与靶分子 相互作用,功能紊乱损伤,修复失调,(1)化学物不与靶分子发生作用而直接作用于接触的部位，如某些物质沉积于肾小管； (2)毒物与靶分子发生作用造成细胞功能障碍或损伤, 如河豚毒素进入机体后阻断运动神经元的钠离子通道,导致骨骼肌麻痹; (3)毒物造成细胞损伤后, 机体出现异常修复(包括分子水平、细胞水平和组织水平的修复)。,毒作用机制,第一节 终毒物的形成和解毒,终毒物：是指与内源靶分子（如受体、酶等蛋白质、DNA、脂质）反应或严重地改变生物学（微）环境、启动结构和/或功能紊乱，表现其毒性的物质。 一些外源化学物（如强酸与强碱、烟碱、氨基糖苷、环氧乙烷、甲基异氰酸盐、重金属离子、HCN、CO等）具有直接作用；而另外一些化学物，经代谢活化成终毒物，并引起毒性。 终毒物分4类：亲电物、自由基、亲核物、氧化还原性反应物。 其中最多见的是亲电物。对这4类终毒物的生成和解毒在第4章（机体对毒物的作用-生物转化）已有介绍。,亲电代谢物产生的毒性,鉴定终毒物的证据,终毒物应该引起与母体化学物相同性质的毒效应； 终毒物应该不需要代谢活化，具有高度的反应活性，可直接与靶分子反应； 以相同剂量的母体化学毒物比较有更强的毒性； 鉴定终毒物与靶分子反应产物。,解毒过程可因下述几种原因而不够充分： 毒物可能使解毒过程失效，引起解毒酶耗竭，共底物的消耗或细胞抗氧化剂如谷胱甘肽的耗竭，这就导致终毒物生成增加，并引起毒性。 偶尔可见某种具有反应活性的毒物使解毒酶失活。 某些结合反应可被逆转。 有时解毒过程产生潜在的有害副产物。如：在自由基解毒过程中产生谷胱甘肽自由基和谷胱甘肽二硫化物。,第二节 终毒物与靶分子的反应,靶分子属性 与终毒物有合适的反应性和亲和性 与终毒物有相互接近的条件和结构 在体内是否有重要的功能 毒理学上的靶分子 膜脂质、核酸（特别是DNA）、蛋白质 确认毒物靶分子的条件 终毒物与靶分子反应并对其功能产生不良影响 终毒物在靶部位达到有效的浓度 终毒物以某种机制与所观察的毒性相关的方式改变靶分子,终毒物与靶分子之间的反应类型 非共价结合（noncovalent binding） 共价结合（covalent binding） 脱氢反应 电子转移 酶促反应,非共价结合 可能是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 神经性毒剂的亲电子能力比乙酰胆碱强，对乙酰胆碱酯酶有更大的亲和力和抑制力，因而竞争性的抑制了胆碱能神经系统的作用 由于非共价结合的能量相对较低，所以这种结合一般是可逆的。如：士的宁。,共价结合 一般是不可逆的，能永久地改变内源性分子的结构，故这类反应具有重要的毒理学意义。共价结合也称不可逆结合 毒物或其具有活性的代谢产物与机体的一些重要的大分子发生共价结合，从而改变核酸、蛋白质、酶、膜脂质等分子的化学结构与其生物学功能。 共价结合多见于亲电毒物，如非离子和阳电子亲电物以及自由基阳离子等。 共价结合具有选择性，由电荷/半径比决定。一般而言，软亲电物较易与软亲核物反应，而硬亲电子较易与硬亲核物反应。 中性自由基OH 、NO2 、Cl3C等也可以共价结合的形式与生物大分子反应,脱氢反应 定义： 自由基迅速从内源性化合物去除氢原子，将它们转变为自由基 机制 ： 某些中性自由基由于具有不配对电子的特点，可与内源性化合物结合，夺取氢原子发生脱氢反应。如Cl +CH4 HCl+ CH3 脱氢反应实例： 自由基与DNA分子通过脱氢反应生成自由基，引起DNA断裂 巯基化合物脱氢形成巯自由基，是其他巯基氧化产物的前身 脂肪酸脱氢产生脂质自由基能启动脂质过氧化作用 单糖易产生自由基，通过氧化脱氢反应可产生多种-羰醛类产物。 -羰醛类产物能与DNA、RNA发生交联，能抗有丝分裂、抗癌；与蛋白质发生交联使酶失活，使细胞膜变形性下降，导致细胞衰老和死亡 糖尿病性白内障和毛细血管病也与单糖的自动脱氢氧化有关,电子转移 外源性化合物影响机体的电子传递功能，在电子传递过程中产生自由基，主要影响线粒体呼吸链的电子传递 线粒体内膜上的呼吸链有NADH呼吸链和FADH2呼吸链。 电子传递链有5类电子传递复合体：NAD+、黄素蛋白、铁硫蛋白、辅酶Q、细胞色素外源性化合物阻断电子传递，抑制磷酸化的进行，发生供能障碍，造成生物体内窒息死亡 杀虫剂鱼藤酮阻断电子由NADH向CoQ的传递 抗霉素A阻断电子从Cytb到Cytc1的传递 叠氮化物、CO、氰化物阻断电子由Cytaa3到氧的传递 有些化合物能将血红蛋白中的二价铁通过影响电子传递生产三价铁，形成高铁血红蛋白血症，影响携氧供能 亚硝酸盐能氧化血红蛋白 N-羟基芳胺、酚类化合物和肼类与氧合血红蛋白共氧化，形成高铁血红蛋白与过氧化氢,酶促反应 化合物本身有催化作用 蓖麻毒素催化核糖体发生水解断裂 化合物与靶蛋白作用后，使蛋白形成具有酶活性的分子 醌类化合物接受巯基氧化后的电子，可以促进脂质或核酸发生过氧化反应 蛇毒含有破坏生物大分子的水解酶，可以降解机体正常组织细胞中的蛋白质，产生严重的毒性反应 木瓜含有木瓜蛋白酶，处理不当食用发生中毒 梭曼与乙酰胆碱酯酶结合后，生成梭曼磷酰化乙酰胆碱酯酶促进具有重活化酶老化，其实质是毒剂残基上烷氧基团的去烷基反应。梭曼磷酰化酶不能被重活化是老化反应快的原因。,毒物对靶分子的影响 靶分子功能失调 模拟内源性配体 吗啡激动阿片受体 蛋白激酶C 抑制靶分子的功能 干扰离子通道，如阿托品抑制胆碱能M受体、士的宁、筒箭毒碱。 抑制线粒体电子传递链 影响蛋白质的活性 蛋白酪氨酸硝化改变蛋白质功能，干扰酪氨酸激酶和磷酸酶参与的反应 干扰DNA的模板功能 黄曲霉素8,9-氧化物结合于鸟嘌呤，干扰碱基配对 靶分子的破坏 通过交联和断裂，使内源分子的初级结构改变 2,5-己二酮、二硫化碳、丙烯醛、4-羟壬醛、氮芥烷化剂能交联细胞骨架蛋白、DNA或使DNA与蛋白质交联 自发性降解敏感 酶辅基破坏 DNA断裂,毒物对靶分子的影响 新抗原形成 自发结合于蛋白质 硝基氯苯 青霉素 镍 通过自氧化为醌类或通过酶促生物转化而获得反应性 如：细胞色素p450将氟烷生物转化为三氟乙酰氯，作为半抗原而结合于肝脏各种微粒体和细胞表面蛋白质，诱导抗体产生，免疫反应引起肝炎样综合征。药物引起的狼疮、可能还有许多药物引起的粒性白细胞缺乏症是由药物-蛋白质加合物触发的免疫反应所介导的（如磺胺类）。某些带有加合物的蛋白质能模拟正常蛋白质，因此抗体也能攻击正常蛋白质。 化学物引起生物学微环境改变与毒性 改变生物水相中氢离子浓度 酸 细胞膜脂质相发生物理化学改变以及破坏细胞功能所必需的穿膜溶质梯度的 溶剂或去污剂 占据位置或空间引起危害 乙二醇 磺胺,毒物所引起的细胞调节或维持功能的改变,基因表达失控,细胞功能 失调,细胞内稳态受损,细胞外稳态受损,不适当的:,如不适当的神经肌肉活性： 震颤、抽搐、痉挛、心率失常 昏迷状态、麻痹、感觉异常,ATP合成 钙离子调节 蛋白质合成 细胞损伤/死亡 微管功能 膜功能,影响：,影响整体系统的功能 如：止血功能损害出血,细胞分裂肿瘤，致畸 细胞凋亡组织退化，致畸 蛋白质合成如：过氧化酶 体增殖,调控细 胞功能,维持细胞稳态,靶分子的作用,第三节 细胞功能障碍与毒性,一、毒物引起的细胞功能障碍,基因表达调节障碍 转录调节障碍 信号转导调节障碍 细胞外信号产生的调节障碍 细胞瞬息活动的调节障碍 电可兴奋细胞的调节障碍 神经递质水平改变：利血平：去甲肾上腺素、5-羟色胺和多巴胺递质耗竭； 有机磷：乙酰胆碱酯酶抑制-乙酰胆碱堆积-激活胆碱受体； 药物-神经递质受体相互作用 巴比妥类 激动 GABA受体 镇静、麻醉、中枢抑制 药物-信号传导相互作用 局部麻醉 利多卡因/普鲁卡因 抑制 电压门控Na+通道 心动过缓,药物-信号终端相互作用,其它细胞活动的调节障碍 腺体细胞 外分泌细胞：M受体调控：有机磷农药中毒；阿托品阻断，高热。,二、细胞维持的毒性改变,细胞内部维持的损害：中毒性细胞死亡机制 危害细胞存活的原发性代谢紊乱：ATP耗竭、Ca2+蓄积、ROS/RNS生成 原发性代谢紊乱之间的相互影响导致的细胞紊乱 线粒体渗透转变（MPT）及其后果：坏死，凋亡 ATP的利用度决定细胞死亡的形式 由其它机制诱发的细胞死亡 细胞外部维持的损害 毒物也能干扰给其他细胞组织或整个机体提供支持的细胞。,第四节 修复和修复失控,一、损伤的修复,蛋白质的修复 蛋白质的某些化学变化，如蛋白巯基的氧化和DNA的甲基化是可逆的。通过水解作用去除分子的损伤部位或者插入重新合成的结构，是常见的修复机制，可见于化学性变异的DNA和过氧化的脂肪。在某些情况下，受损的分子可以全部分解而重新合成，如有机磷中毒后重新生成胆碱酯酶。 脂质修复 过氧化脂质的修复涉及一系列的还原剂和谷胱甘肽过氧化物酶和过氧化物还原酶。 DNA修复 直接修复；切除修复；重组修复等。,分子修复：,细胞修复： 大多数死亡细胞可被活细胞分裂代替。但神经组织例外，成熟的神经细胞无分裂能力。中枢神经的损伤是不可逆的。外周神经轴索损失时，在巨噬细胞和施万细胞的参与下修复。 组织修复： 细胞分裂 细胞间质,二、修复失控,炎症：炎症的形成标志为微环境的改变和炎症细胞的聚集。 坏死：细胞损伤向组织坏死进展可被两种协同的修复机制所 中止：凋亡与细胞增生。 在毒物引起组织坏死的剂量反应关系中，有效的修复是一个重要条件。即毒物引起组织坏死不仅是因为它唉毒作用达到一定的剂量，而且由于损伤超过了修复的能力，使得损伤能进一步恶化。,纤维化：是受损组织修复不良的一种特殊表现。异常修复石纤维化的一个主要因素。长期饮酒或慢性接触四氯化碳等，可致肝脏纤维化或肝硬化。长期吸入某些矿物质或使用某些药物如争光霉素，可致肺纤维化。亚德里亚霉素可致心脏纤维化。 化学致癌过程：涉及各种修复机制的功能不足，包括：1.DNA修复失效，突变固定，启动恶性转化遗传改变的靶基因，包括原癌基因活化和肿瘤抑制基因灭活；2.凋亡失效：突变与克隆生产；3.终止增生过程失效：突变促进，原癌基因表达与克隆生长；4.非遗传毒性致癌物：有丝分裂的促进剂和细胞凋亡的抑制剂。,第五节 毒作用机制研究的一般性讨论,一、毒作用机制和模式 在药理学和毒理学中，作用机制表示从化学物的剂量吸 收至在靶器官中产生特定的生物反应的事件分子序列。 与作用机制不同，“作用模式”是对药品或化学物作用 的支持证据权重的一般描述，主要是关联关系。作用模式表 示在暴露的机体导致的反应类型或仅为产生特定生物学反应 所涉及的一组关键性步骤或特征。 如果化学物的全部作用机制是已知的，则作用模式是已 知的，但反之则不然。,二、选择性毒性 选择毒性是毒作用的普遍特点，选择性毒性可发生在物 种之间、群体内（易感人群为高危人群）和个体内（易感器 官为靶器官）。选择毒性反映了生物现象的多样性和复杂性。 毒物靶器官成因： 器官在体内的解剖位置和功能，毒物吸收和排泄器官 该器官的血液供应 具有特殊的摄入系统 代谢毒物的能力和活化/解毒系统平衡 存在特殊的酶或生化途径 毒物与特殊的生物大分子结合 对损伤的修复能力 对特异性损伤的易感性,三、靶分子 途径 网络 毒作用机理的研究应该是点-线-面，也就是从生物靶分 子-途径-网络，即说明毒作用的靶分子，其上下游关系即毒 作用的途径，不同途径的联系和交互作用即为毒作用的网络。 四、实验终点的变异 在给以一种化学品的实验动物中被观察的最终反应依赖于 一系列复杂事件的交互作用，尤其以只发生在长期暴露之后的 效应，如肿瘤的形成。一系列的事件能影响剂量-反应曲线的 形状和影响反应的变异。 五、毒作用机制的研究 外