第十一章毒作用机制-黄.ppt

1 第十一章毒作用机制 2 掌握外源化合物的增毒现象熟悉外源化合物的主要毒性机制终毒物的种类与形成终毒物与靶分子的反应细胞功能障碍与毒性 教学目的与要求 3 研究毒效应机制应明确 毒性效应是由毒物引起正常细胞发生生理和生化改变的结果毒性效应的程度除与毒物本身外 还与剂量和靶部位有关靶组织和靶器官具有代偿能力 可超常发挥解毒功能毒效应包括一般毒性效应和特殊毒性效应 4 研究中毒机制的步骤 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 5 产生毒性可能的途径 6 毒物进入机体 与机体发生多种相互作用 最终引起毒作用的过程 最直接的途径 即化学毒物在机体重要部位出现 不与靶分子作用 如过量的糖进入肾小管 化学毒物产生毒性的可能途径 7 较复杂途径 毒物进入机体后 抵达靶部位 与靶分子相互作用 导致毒作用 如河豚毒素进入机体 抵达运动神经元 与na 通道相互作用 使na 通道阻塞 抑制运动神经元的功能 8 最为复杂的途径 需要许多步骤 首先 毒物分布到靶部位 终毒物与内源性靶分子相互作用 引起细胞功能和 或结构的紊乱 启动分子水平 细胞或组织水平的修复机制 当毒物所致紊乱超过修复能力 使修复功能失调或丧失 毒作用发生 9 毒物是如何进入机体的如何与靶分子交互作用机体是如何应对各种侵害的 想知道 10 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 除与机体自身有关外 主要取决于化学物暴露的程度与途径 11 中毒表现多种多样 毒性机制不一 与靶分子反应 引起细胞功能失调 对生物学环境 微环境 产生有害的影响 引起分子 细胞器 细胞或器官等不同水平的功能失调 导致毒效应 12 复杂的毒性反应首先 毒物转运到一个或多个靶部位 然后经毒物与内源靶分子交互作用 触发细胞功能和结构的紊乱 随后细胞启动修复机制 当紊乱超过修复能力或修复功能低下时 毒性出现 如组织坏死 癌症和纤维化 13 第一节毒物从暴露部位到靶组织的转运及终毒物的形成 14 是指与内源靶分子 如受体 酶 dna 微丝蛋白 脂质 反应或严重地改变生物学 微 环境 启动结构和 或 功能改变而表现出毒性的物质 终毒物 如外源化学物具有直接毒性作用 终毒物即为机体所暴露的原化学物 15 终毒物是毒物本身 母化合物 或是毒物的代谢产物 毒物经代谢或生物转化后表现出毒性或毒性增强的过程称为增毒或代谢活化 toxicationormetabolicactivation 增毒 16 使生物学微环境发生了不利于机体的变化 化学结构发生了不利于机体的变化 通过生物转化而获得更有效地与特定受体或酶相互作用的结构特征和反应性 增毒作用机理 17 1 乙二醇形成的草酸可引起酸中毒和低血钙 可因草酸钙沉淀而导致肾小管堵塞 2 有机磷杀虫剂对硫磷转化为一种高活性的胆碱酯酶抑制剂对氧磷 3 杀鼠药氟乙酸盐在柠檬酸循环中转变为一种抑制顺鸟头酸酶的假底物氟柠檬酸 举例 18 增毒使外源化学物转变为 亲电物 electrophiles 自由基 freeradicals 亲核物 nucleophiles 氧化还原性反应物 redox activereductants 进而与靶分子结合或引起生物学微环境改变 导致毒效应的出现 19 毒物进入大循环前的排除 从作用部位分布到其他部位 排泄与解毒 促进终毒物在其靶部位蓄积的因素 毒物的吸收 作用部位的分布重吸收 增毒 代谢活化 减少终毒物在其靶部位蓄积的因素 20 原外源化合物作为终毒物铅离子河豚毒素tcdd异氰酸甲酯hcnco外源化合物的代谢物作为终毒物苦杏仁苷 hcn砷酸盐 亚砷酸盐氟乙酰胺 氟柠檬酸1 2 亚乙基二醇 草酸 乙二酸己烷 2 5 己二酮乙酰氨基酚 n 乙酰 p 苯醌亚胺ccl4 ccl3oo 苯并 a 芘 bp bp 7 8 二醇 9 10 环氧化物苯并 a 芘 bp bp自由基阳离子 表1终毒物的来源及其类型 21 过氧化氢敌草快 阿霉素 呋喃妥英 羟基自由基 ho cr fe mn ni 过氧亚硝基 onoo 百草枯 o2 no 内源化合物作为终毒物磺胺类药物 白蛋白结合的胆红素 胆红素ccl3oo 不饱和脂肪酸 脂质过氧自由基ccl3oo 不饱和脂肪酸 脂质烷氧自由基ccl3oo 不饱和脂肪酸 4 羟基壬醛 ho 蛋白质 蛋白羰基 表1终毒物的来源及其类型 活性氧或活性氮作为终毒物 22 含有一个缺电子原子 带部分或全部正电荷 的分子 它能通过与亲核物中的富电子原子共享电子对而发生反应 一 亲电物的形成 亲电物 23 亲电物的形成机理 插入一个氧原子 该氧原子从其附着的原子中抽取一个电子 使其具有亲电性 共轭双键形成 通过氧的去电子作用而被极化 使得双键碳之一发生电子缺失键异裂形成阳离子亲电物 24 插入一个氧原子 该氧原子从其附着的原子中抽取一个电子 使其具有亲电性 如 醛 酮 环氧化物 形成时出现 1 非离子亲电子物的形成 25 共轭双键形成 通过氧的去电子作用而被极化 使得双键碳之一发生电子缺失 发生于 不饱和醛和酮以及醌和醌亚胺 quinoneimines 形成时 许多这些亲电代谢物的形成是由p450催化的 26 甲基替代的芳香族化合物如7 12 二甲基苯蒽以及芳香胺 酰胺 这些物质一般为磺基转移酶所酯化 这些酯类的c o或n o键的异裂分别导致硫氰酸盐阴离子以及苄基碳鎓离子和芳基氮鎓离子的共同形成 2 键异裂形成阳离子亲电物 27 3 由无机化学物形成亲电毒物的实例 金属汞氧化为hg2 cro42 还原为cro33 aso43 还原为aso32 as3 28 表2亲电代谢物产生的毒性 29 表2亲电代谢物产生的毒性 续 30 表2亲电代谢物产生的毒性 续 31 表2亲电代谢物产生的毒性 续 32 表2亲电代谢物产生的毒性 续 33 表2亲电代谢物产生的毒性 续 34 表2亲电代谢物产生的毒性 续 35 表2亲电代谢物产生的毒性 续 36 二 自由基形成 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 自由基 freeradicals 37 具有顺磁性 性质活泼 反应性极高 半减期极短 作用半径短 自由基的特点 38 自由基在肿瘤 辐射损伤 老化和某些疾病发生发展中的作用得到了进一步的证实 自由基在体内虽然不断产生 但也不断为机体的防御体系所清除 39 当诱导产生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 使机体处于氧化应激 oxidativestress 造成机体的损害 40 最主要的是活性氧 reactiveoxygenspecies ros 活性氧是指含有化学性质极为活泼的含氧功能基团的一类基团或化合物 一 自由基的类型 41 活性氧氧中心自由基 也包括某些氧的非自由基衍生物 甚至包括过氧化物 氢过氧化物和内源性脂质及外源性化学物的环氧代谢物 o2 oh 42 表3 与生物体系有关的自由基类型 自由基类型 实例 评价 以氢为中心 h原子 一个质子 一个电子 从含碳化合物抽取h原子常启动自由基链式反应 如 oh能通过从膜脂肪酸侧链抽出h而启动脂质过氧化 lh oh l h2o 以碳为中心 三氯甲基自由基 ccl3 通过h抽取反应形成的膜脂质中的碳中心自由基 l 为ccl4毒性的主要动因 以硫为中心 烷硫自由基r s 巯基化合物氧化时产生的活性自由基 由过渡全属促发 43 表3 与生物体系有关的自由基类型 自由基类型 实例 评价 以氧为中心 无机 超氧阴离于 o2 羟基自由基 oh 氧化应激的主要动因 oh十分活跃 o2 较弱 有机 烷氧自由 lo 烷过氧自由基 lo2 由l 与o2反应产生 lo2 或由金属依赖的脂质过氧化产物破环产生lo 和lo2 任何碳中心自由基通常迅速与o2反应产生过氧自由基 如 ccl3 o2 ccl3o2 三氯甲基过氧自由基 44 接受和供给电子的能力使它们成为自由基反应的重要催化剂 表3 与生物体系有关的自由基类型 自由基类型 实例 评价 以氮为中心 苯基二肼自由基c6h5n n 参与苯肼的红细胞毒性 过渡金属离子 cu cu2 fe2 fe3 ti3 ti4 45 主要的活性氧种类 单线态氧超氧阴离子自由基过氧化氢 h2o2 羟基自由基 oh 臭氧氮的氧化物次氯酸 46 单线态氧具有较高的反应性 1 单线态氧 单线态氧 1 go2 寿命很长 但不含不配对电子 不属于自由基 单线态氧 1 go2 具有很高的反应性 半减期很短 形成后立即衰变为 单线态氧状态 47 双原子氧经单电子还原而形成 其化学特性主要取决于溶液环境 2 超氧阴离子自由基 o2 水溶液中 弱氧化剂 能氧化某些分子 维生素c和巯基 强还原剂 能还原几种含铁复合物 细胞色素c和fe2 edta 48 o2 是两种增毒途径的启动物质 形成过氧化氢 后形成羟基自由基 oh 产生过氧亚硝基 peroxynitrte onoo 最终形成二氧化氮 no2 和碳酸盐阴离子自由基 co3 49 50 产生o2 的系统都可产生h2o2 许多酶通过直接转移2个电子给氧而产生h2o2 是一种弱氧化剂和弱还原剂 在缺乏过渡金属离子时是相对稳定的 能迅速与水混合 在机体迅速通过细胞膜扩散并被处理为水分子 3 过氧化氢 h2o2 51 机体对抗h2o2的防御体系 过氧化氢酶 catalase 谷胱甘肽过氧化物酶 glutathioneperoxidase 其他过氧化物酶 52 oh是分子氧三电子还原的产物 是一种化学活性极强的自由基 能与任何生物分子起反应 oh的半减期不到1 s 作用直径很短 3nm 4 羟基自由基 oh 53 oh主要来源于金属催化的haber weiss反应或称fenton型haber weiss反应 fe3 络合物能加快反应速度 54 臭氧是一种有毒的氧化污染物 臭氧可损害肺 能迅速氧化蛋白质 dna和脂质 5 臭氧 55 no和no2含奇数电子 属自由基 6 氮的氧化物 no可能与o2 反应产生活性中间产物过氧亚硝基 onoo 损害许多生物分子 并能在酸性ph下降解 释放出少量羟基自由基 56 onoo 与co2反应产生亚硝基过氧碳酸盐 onooco 它可自发地均裂为二氧化氮 no2 和碳酸阴离子自由基 co3 onoo 及其以后的自由基形成代表着o2 与no的增毒机制 57 次氯酸 hocl 强氧化剂 由活化的中性粒细胞形成 吞噬细胞胞浆中的含血红素的酶 髓过氧化物酶 催化h2o2和氯离子形成hocl 7 次氯酸 58 二 自由基的来源 1 生物系统产生的自由基 细胞浆中的儿茶酚胺类 黄素类 四氢蝶呤类 醌类和巯基类等可溶性小分子的自氧化过程可促使o2的还原而产生氧自由基 1 胞浆中的小分子 59 胞浆酶 可通过酶促循环而直接还原分子氧自由基 h2o2 可能还有羟基自由基 2 胞浆蛋白质 氧化酶 如多巴胺 羟化酶 dopamine hydroxylase 脂肪酰coa氧化酶 fattyacylcoaoxidase 也能生成ros 60 脂肪氧合酶 hpoxygenase 和环加氧酶 cyclooxygenase 催化产生氧自由基 环加氧酶的增毒产物可与氧反应产生高活性的活性氧 3 膜酶活性 61 生物体中o2 的主要来源之一 4 吞噬细胞的吞噬过程及 呼吸暴发 respiratoryburst 当吞噬细胞被活化并准备吞噬时 会出现氧耗的增高 还原型烟酰胺 腺嘌呤二核苷酸磷酸 nadph 氧化酶催化氧分子还原为超氧自由基 62 刺激过氧化酶体生物合成的化学物能诱导h2o2的过量生成 过氧化酶体含有高浓度的氧化酶 如乙醇酸氧化酶或d 氨基酸氧化酶能催化分子氧二价还原形成h2o2 5 过氧化酶体 63 线粒体在整体或离体都产生ros主要是o2 6 线粒体电子传递过程能生成ros nadh 辅酶q 复合物 琥珀酸 辅酶q 复合物 辅酶qh2 细胞色素c还原酶 复合物 非血红素铁 硫蛋白 涉及 64 混合功能氧化酶家族在氧化底物时需要由nadph供给电子以产生部分还原的氧中间体 在电子传递过程中可发生渗漏 导致周围组织结构的损害 7 微粒体电子传递系统 65 7 微粒体电子传递系统 损害或外源化学物存在时 可大大提高这一来源的ros 细胞色素还原酶参与细胞色素p450和b5的氧化还原反应 当它们催化某些外源化学物还原然后发生自氧化时 也能产生o2 和h2o2 66 许多外源化学物可通过各种不同通过氧化还原循环 redoxcycling 途径形成自由基 这些自由基典型地将额外电子转移到分子氧 形成超氧阴离子自由基 o2 并再生为容易获得新电子的原外源化学物 2 外源化学物的氧化还原代谢 67 某些带有活性基团或杂环的对 苯醌类 其他复杂的醌类的毒性已在临床用作为抗癌药物 如丝裂霉素 链黑霉素 阿霉素 博莱霉素 道诺霉素和黑孢霉素等均能产生ros 1 醌类 68 苯的硝基化合物以及硝基杂环化合物包括氯霉素 米索硝唑和甲硝唑等均能被黄素蛋白 nadph 细胞色素p 450还原酶或其他细胞内还原酶还原活化 引起血液毒性和肝毒性 2 硝基化合物 69 百草枯和除草剂如杀草快 很容易为细胞还原酶所还原 但在氧存在时 这些化合物迅速发生自发的再氧化 导致ros形成 3 双吡啶化合物 百草枯 paraquat 和杀草快 diquat 引起肺损害 70 在植物 许多酶的失活迅速随之发生 植物因而死亡 氧化还原循环是其动植物毒性的重要原因 但在人体 百草枯主动地蓄积在肺里 可因吸人空气中氧浓度的增高而显著地增加 杀草快也在高氧浓度时也能攻击肺组织 71 4 卤代烷烃 ccl4 卤烷 cf3chclbr 引起肝损害 ccl4是一种经典的肝毒物 可引起肝脏脂肪变和肝细胞坏死 作用机制是ccl4在细胞色素p 4502e1催化下发生还原脱卤而使ccl3 cl键的均裂产生 ccl3自由基 启动脂质过氧化并产生其他代谢物 72 p 4502e1ccl4 ccl3 cl三氯甲基自由基在体内可以最快的速度与分子氧形成三氯甲基过氧自由基 ccl3o2 ccl3 o2 ccl3o2 73 酒是许多民族饮用的一种饮料 其主要成分为乙醇 乙醇能通过细胞膜 并穿透血脑屏障而影响中枢神经系统 小量乙醇可被肝中的醇脱氢酶代谢形成乙醛 5 乙醇 74 除肼和苯肼外 有不少可作药用 如肼苯哒嗪为降压药 异烟肼和异烟酰异丙肼为抗结核药 肼及其衍生物在过渡金属离子存在时会氧化并生成o2 h2o2和以氮为中心的自由基 这类活性氧和自由基是其毒作用的主要原因 6 肼类衍生物 75 亲核物的形成是毒物活化作用较少见的一种机制 三 亲核物的形成 76 丙烯腈环氧化后和谷胱甘肽结合形成氰化物 co是二卤甲烷经过氧化脱卤的有毒代谢产物 硒化氢是由亚硒酸盐与谷胱甘肽或其他巯基反应形成的 77 硝酸盐通过肠道细菌还原 亚硝酸酯或硝酸酯与谷胱甘肽反应而形成亚硝酸盐 氨苯砜羟胺和5 羟伯氨喹啉通过协同氧化作用而引起高铁血红蛋白的形成 还原剂如维生素c以及还原酶如nadph依赖的黄素酶使cr6 还原为cr5 四 氧化还原活性还原剂的形成 78 排除终毒物或阻止其形成的生物转化过程称为解毒 在某些情况下 解毒可与增毒过程竞争某一化学物 解毒的途径取决于毒物的化学特征 五 解毒 79 以两相方式解毒 最常见的是通过细胞色素p 450酶将功能基团引入到分子中 随后发生结合反应 形成失活的 高度亲水的 易于排泄的有机酸 1 无功能基团毒物的解毒 途径 80 羟化的化合物 硫酸 葡萄糖醛酸结合 偶尔通过甲基化作用 巯基化合物 甲基化或葡萄糖醛酸化 胺类和肼类 乙酰基化 防止由过氧化物酶催化的亲核物转变为自由基 酚 氨基酚 儿茶酚和氢醌 生物转化为亲电性的醌和醌亚胺 2 亲核物的解毒 通过在亲核功能基团上的结合反应解毒 81 排除巯基化合物和肼类的另一个途径是通过含黄素酶的单加氧酶类的氧化作用 醇类经醇及醛脱氢酶氧化为羧酸而解毒 氰化物经硫氰酸酶生物转化而形成硫氰酸 82 与谷胱甘肽 巯基亲核物 结合 可自发地发生 也可由谷胱甘肽 s 转移酶催化 金属离子与谷胱甘肽反应并通过谷胱甘肽来解毒 3 亲电物的解毒 83 环氧化物水化酶催化的环氧化物与芳烃氧化物分别生物转化为二醇类和二氢二醇类 羧基酯酶催化的有机磷酸酯杀虫剂的水解 亲电化学物解毒的特殊机制 84 亲电化学物解毒的特殊机制 醌经黄递酶 dt 双电子还原为氢醌 不饱和醛由醇脱氢酶还原为醇 或由醛脱氢酶氧化为酸 具有巯基反应活性的金属离子由金属硫蛋白形成复合物 氧化还原活性的二价铁由铁蛋白形成复合物 85 通过胞浆 cu zn sod 和线粒体 mn sod 中的sod来实施 将o2 转变为hooh 被胞浆中含硒半胱氨酸的谷胱甘肽过氧化物酶 gpo 或过氧化物酶体系中的过氧化氢酶 cat 还原为水 4 自由基的解毒 1 o2 的排除 86 oh的半衰期极短 10 9s 没有任何酶能排除 oh 排除其前体h2o2是唯一有效的手段 2 oh的排除 87 3 onoo比ho 更稳定 半衰期约1s 小的生物抗氧化剂分子 抗坏血酸 生育酚 88 含有硒半胱氨酸的谷甘肽过氧化物酶 能通过hooh还原为水相同的方式将onoo 还原为亚硝酸盐 ono onoo 与氧合血红蛋白 含血红蛋白的过氧化物酶和白蛋白反应 这些蛋白质可能都是onoo 的排除场所 89 胞外和胞内的蛋白酶参与有毒多肽的失活作用 5 蛋白质毒素的解毒 如蛇毒素和磷酯酶含有其活性所需的分子内二硫键 可被还原必需二硫键的内源性双巯基蛋白 硫氧还蛋白所失活 90 共底物的消耗或细胞抗氧化剂 如谷胱甘肽 维生素c和 维生素e 的耗竭 导致解毒失效 终毒物的蓄积 六 解毒过程失效 1 毒物可能使解毒过程失效 解毒酶耗竭 91 萘胺在肝被n 羟化并进行葡萄糖醛酸结合 以葡糖苷酸式排泄到尿中 在膀胱中 葡糖苷酸被水解 释放的芳基羟胺经质子化过程和脱水过程转变为具有反应性的亲电子芳基硝鎓离子 3 某些结合反应可被逆转 2 具有反应活性的毒物使解毒酶失活 92 如 在自由基解毒过程中产生如谷胱甘肽自由基和谷胱甘肽二硫化物 能与蛋白巯基形成混合二硫化物 而谷胱甘肽硫基自由基 gs 在与硫醇盐 gs 反应后形成谷胱甘肽二硫化物自由基阴离子 gssg 它能使o2还原为o2 4 解毒过程产生潜在的有害副产物 93 第二节终毒物与靶分子的相互作用 94 终毒物与靶分子的交互作用触发毒性效应需考虑以下几个方面 靶分子的属性 终毒物与靶分子之间反应的类型 毒物对靶分子的效应 生物学微环境改变所引起的毒性 95 所有的内源化合物都是毒物潜在的靶标最相关的靶标是大分子 在小分子中 膜脂质最为常见 辅因子如辅酶a和吡哆醛也被涉及 一 靶分子的属性 96 内源性分子作为一个靶分子必须具有合适的反应性和空间构型 以容许终毒物发生共价或非共价反应 靶分子必须接触足够高浓度的终毒物 处于反应活性化学物邻近或接近它们形成部位的内源性分子常常是靶分子 成为靶标的条件 97 活性代谢物的第一个靶分子 在密切靠近其形成部位未能找到合适内源性分子的活性代谢物时 可发生扩散直至它们遇到这样的反应物 98 负责甲状腺激素合成的酶 甲状腺过氧化物酶将某些亲核的外源化学物 如甲巯咪唑和间苯二酚 转变为活性自由基代谢物这些自由基代谢物又使甲状腺过氧化物酶失活 这是这些化学物抗甲状腺作用以及诱发甲状腺肿瘤的基础 举例1 99 四氯化碳由细胞色素p 450活化后破坏细胞色素p 450酶本身及其邻近的微粒体膜 因为这种结合物在相同的细胞器由线粒体半胱氨酸结合物 裂合酶转变为亲电物 举例2 100 在密切靠近其形成部位未能找到合适内源性分子的活性代谢物时 可发生扩散直至它们遇到这样的反应物 如硬亲电物如n 甲基 4 氨基偶氮苯的芳基硝鎓离子代谢物易于与核酸中的亲核原子反应 易于与核中的靶dna反应 即使亲电物是在胞浆中产生 举例3 101 不出现不良后果的蛋白质共价结合甚至可通过占有毒理学相关的靶分子 如 有机磷杀虫剂血浆胆碱酯酶是一种保护机制 因为减少了靶分子乙酰胆碱酯酶共价结合的磷酰化 举例4 102 终毒物与靶标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 终毒物在某种机制上以所观察的毒性相关的方式改变靶标 如何确证引起毒性的靶分子 103 二 反应的类型 与靶分子非共价结合 与靶分子共价结合 靶分子去氢反应 靶分子电子转移 酶促反应 104 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 1 非共价结合 nonconvalentbinding 105 番木鳖碱结合于脊髓运动神经元上甘氨酸受体tcdd结合于芳烃受体哈蚌毒素结合钠通道佛波酯结合于蛋白激酶c 举例 106 毒理 外源化学物原子的空间排列使它们与内源性分子的互补部位结合 因而表现出毒性效应 非共价结合通常是可逆的 因为键能相对较低 107 共价结合不可逆且持久地改变内源分子 共价加合物的形成常见于亲电毒物 这些毒物与生物大分子中的亲核原子反应 亲电原子对亲核原子表现出某些选择性 取决于它们的电荷 半径比 2 共价结合 convalescentbinding 108 亲电子物亲核物 软 硬亲电物和亲核物实例 极化双键中的碳软巯基化合物中的硫 如 如醌 不饱和酮 蛋白质和谷胱苷肽中的半胱氨酸残基 环氧化物 应变环内酯 芳基卤化物 甲硫氨酸中的硫 芳基碳鎓离子 蛋白质的一级和二级氨基基团中的氮 苄碳鎓离子 氮鎓离子 核酸中嘌呤碱氨基中的氮 硬核酸中嘌呤和嘧啶中的氧 烷基碳鎓离子 核酸中磷酸酯的氧 109 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 银和汞类 软亲电物 优先与软亲核物反应 锂 钙和钡类 硬亲电物 优先与硬亲核物反应 铬 锌和铅 与亲核物的反应普遍性 110 中性自由基如 oh no2和cl3c 也能共价结合于生物分子 cl3c 加入到脂质的双键碳或脂质自由基产生含有氯甲基脂肪酸的脂质 羟基自由基加入到dna碱基导致许多产物的形成 包括8 羟嘌呤 5 羟甲基嘧啶以及胸腺嘧啶和胞嘧啶的乙二醇 111 亲核毒物倾向于与亲电内源化合物反应 但这样的反应不常发生 因为在生物分子中亲电物十分罕见 胺类和肼类与一种脱羧酶的共底物吡哆醛的共价反应 一氧化碳 氰化物 硫化氢和叠氮化物与各种血红素蛋白中的铁形成配位共价键 其他亲核物以电子转移反应的方式与血红蛋白反应 112 内源化合物去除氢 将其转变为自由基 巯基化合物去除氢形成硫基自由基 r s 氨基酸残基的ch2基除去氢 转变为羰基化合物 与dna或其他蛋白质的交联 3 去氢反应 113 3 去氢反应 脱氧核糖去除氢 产生c4 自由基 脂肪酸去除氢 产生脂质自由基 酪氨酸残基的硝基化可能涉及去氢反应 酪氨酰自由基与no2共价结合 114 化学物能将血红蛋白中的fe2 氧化为fe3 形成高铁血红蛋白血症 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 4 电子转移 115 少数毒素通过酶促反应作用于特定靶蛋白上 5 酶促反应 蓖麻蛋白诱发核糖体的水解断裂 阻断蛋白质的合成 几种细菌毒素催化adp 核糖从and 转移到特定蛋白质 116 大多数终毒物可通过不同机制与靶分子反应 如 醌类可以作为电子受体启动巯基氧化或导致脂质过氧化的自由基反应 也可作为软亲电物共价结合于蛋白巯基 铅离子与 alad的关键巯基形成配位共价键时 是作为软亲电物 当结合于蛋白激酶c或阻断钙通道时 表现一种硬亲电物或一种离子 117 三 毒物对靶分子的作用 毒物活化靶蛋白分子 模拟内源性配体 1 靶分子功能失调 吗啡激活鸦片受体 氯苯丁酯 clofibrate 为一种过氧化物酶体增殖物激活性受体的激动剂 佛波酯和铅离子刺激蛋白激酶c 118 化学物抑制靶分子的功能 阿托品 箭毒 curare 和番木鳖碱 strychine 附着于配体结合部位或通过干扰离子通道而阻断神经递质受体 119 化学物抑制靶分子的功能 河豚毒素 tetrotodoxin 和蛤蚌毒素 saxitoxin 抑制神经元膜上电压激活的钠通道开放 ddt和除虫菊酯 pyrethroid 杀虫剂抑制它们的关闭 120 当蛋白质与毒物交互作用而改变其构型结构时 蛋白质的功能即受损害 许多蛋白质具有催化活性和组装为大分子复合物所必需的关键部分 特别是巯基 121 某些毒物阻断离子转运蛋白 毒物抑制线粒体电子转移复合物 多毒物抑制酶活性 损害细胞骨架蛋白的组装的拆装过程 122 如黄曲霉毒素8 9 氧化物共价结合于鸟嘌呤的n 7位使得带有加合物的鸟嘌呤与腺嘌呤配对而不是与胞嘧啶配对 导致不正确密码的形成及不正确的氨基酸插入蛋白质 毒物干扰dna的模板功能 化学物与dna共价结合引起复制期间核苷酸错配 123 2 靶分子的破坏 毒物通过交联和断裂而使内源分子的初级结构改变 二硫化碳 丙烯醛 4 羟壬醛和氮芥烷化剂能交联细胞骨架蛋白 dna 或使dna与蛋白质交联 124 靶分子对化学物攻击后的自发性降解敏感 cl3coo 和 oh自由基可通过从脂肪酸去除氢而启动脂质的过氧化降解 所形成的脂质自由基 l 紧接着通过氧固化作用转变为脂质过氧自由基 loo 125 通过去氢反应形成脂质氢过氧化物 脂质过氧化不仅破坏细胞膜脂质 还容易与邻近的分子如膜蛋白质反应 或扩散到更远的分子如dna 126 毒物引起酶辅基破坏 细胞色素p 450将烯丙基异丙基乙酰胺转变为具有反应活性的代谢物 它使酶的血红素部位发生烷基化 导致变化了的血红素丢失及卟啉症的发生 127 多种羟自由基攻击长度较短的dna引起双链断裂 受影响细胞常表现为致死效应 毒物可引起dna断裂 128 外源化学物或其代谢物的共价结合可激发免疫应答 某些化学物可能具有足够高的反应性而自发地结合于蛋白质 另外一些化学物可通过自氧化为醌类或通过酶促生物转化而获得反应性 3 新抗原形成 129 例如 细胞色素p 450将氟烷转化为三氟乙酰氯 作为半抗原与肝各种微粒体和细胞表面蛋白质结合 诱导抗体产生 130 4 化学物引起生物学微环境改变与毒性 能改变生物水相中的h 离子浓度的化学物 在线粒体基质中使酚的质子分离 使推动atp合成的质子梯度消失 使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及去垢剂 通过占据位置或空间引起危害的其他外源化学物 131 第三节细胞功能障碍与毒性 132 多细胞机体的每个细胞都执行着特定的程序 决定细胞的命运 分裂 分化或凋亡 控制分化细胞的瞬息活动 决定细胞分泌物质的数量 是否收缩或舒张 转运和代谢营养物质的速率等 133 细胞受信号分子调节 它激活与信号转导网络所联系的细胞受体 信号转导网络将信号传递给基因的调节区域和 或 功能蛋白 一 毒物引起的细胞调节功能障碍 134 改变基因的表达 增加或减少特定蛋白的功能 受体激活的结局 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 135 基因表达调节障碍可发生于直接负责转录的元件上 细胞内信号转导途径的成员以及细胞外信号分子的合成 贮存或释放过程中 一 基因表达调节障碍 136 外源化学物可与基因的启动子区域 转录因子或前起始复合物的其他元件交互作用 转录因子激活作用的改变是最常见的方式 1 转录调节障碍 部分天然化合物通过结合与激活而影响基因的表达 137 细胞外信号分子 如生长因子 细胞因子 激素和神经递质能利用细胞表面受体和细胞内信号转导网络激活mrna受体激活分子 tfs 这些tfs控制着影响细胞周期进展 决定细胞结局的基因的转录活性 2 信号转导调节障碍 138 化学物可通过多种途径引起信号转导的异常 最常见的是通过改变蛋白磷酸化 也通过干扰c蛋白 如ras 的gtpase活性 破坏正常的蛋白质 蛋白质交互作用 建立异常的交互作用 改变信号蛋白的合成与降解 这样的干扰最终可影响细胞周期的进展 139 促使信号转导蛋白磷酸化的外源化学物常会促进有丝分裂和肿瘤形成 1 具有增殖效应的化学物对信号转导的影响 140 活化的pkc至少以两种方式促进有丝分裂信号形成 1 通过磷酸化mapk途径的第一种蛋白激酶raf 2 通过磷酸化一种蛋白磷酸酶 这种酶使转录因子在特定位点脱磷酸 使其能给合于dna 蛋白激酶可通过受外源化学物改变的蛋白质相互作用而激活 141 蛋白质磷酸化不仅随激酶磷酸化的增加而增加 而且也可能通过磷酸酶的脱磷酸作用而产生 磷酸酶的抑制似乎是各种化学物 氧化应激和紫外 uv 辐射促有丝分裂作用的基本机制 142 细胞损伤后增加了的细胞信号的衰减可能危及损伤细胞的取代 2 化学物改变的抗增生效应信号的转导 正常有丝分裂信号的下调使细胞走向凋亡 143 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施的 这些受体通过调节ca2 进入胞浆或刺激细胞内第二信息的酶促形成而传递信号 ca2 或其他第二信息最终改变功能蛋白质的磷酸化 改变其活性 引起细胞功能的变化 毒物可通过中断信号连接过程中的任何一个步骤而影响细胞的瞬息活动 二 细胞瞬息活动的调节障碍 144 外源化学物影响可兴奋细胞如神经元 骨骼肌 心肌和平滑肌细胞的细胞活动 这些细胞的功能如神经递质的释放 肌肉的收缩受邻近神经元合成和释放的递质或介质的控制 1 电可兴奋细胞的调节障碍 145 化学物引起的瞬息细胞活动的障碍可能是由于4方面的改变 神经递质浓度 受体功能 细胞内信号转导 信号终止过程 146 化学物通过干扰神经递质的合成 贮存 释放或从受体附近清除而改变突触的神经递质水平 利血平通过抑制去甲肾上腺素 5 羟色氨和多巴胺在神经元中的贮存而耗竭递质 引起严重不良效应 肉毒杆菌毒素引起骨骼肌麻痹是乙酰胆碱从运动神经元释放的抑制以及神经肌肉接头上乙酰胆碱受体缺乏刺激 1 神经递质水平的改变 147 有机磷或氨基甲酸酯农药可抑制胆碱酯酶的释放阻碍乙酰胆碱的水解 导致胆碱能受体的强大刺激和出现胆碱能危象 148 某些化学物直接与神经递质受体交互作用 这些化学物包括 2 毒物 神经递质受体交互作用 1 与受体上的配体结合部位相联系的激动剂以及模拟天然配体的激动剂 2 占据配体结合部位但不能激活受体的拮抗剂 3 激活剂 4 结合于不直接参与配体结合的受体上某部位的抑制剂 149 毒蝇菌胺 一种蘑菇毒素是抑制性gabaa受体的激动剂 巴比妥酸盐 苯 并 二氮卓类 全身麻醉剂和醇类是活化剂 所有这些物质引起cns活性的抑制 随着摄入剂量的不同 导致镇静作用 全身麻醉 昏迷 最终导致延髓呼吸中枢的阻断 举例 150 由激动剂 激活剂在兴奋性受体上所引起的应答及拮抗剂 抑制剂在抑制性部位所诱发的应答存在类似问题 谷氨酸受体激动剂和毒蕈碱受体激动剂引起大脑神经元的过高活动性 最终导致惊厥 gabaa受体拮抗剂也是如此 举例 151 全身麻醉剂引起的全身麻醉作用不仅是通过激活抑制性配体门控的氯离子通道 也通过抑制兴奋性的配体门控的阳离子通道 如神经元烟碱样乙酰胆碱受体和谷氨酸受体 来实现 举例 152 由于每一种神经递质具有多种类型的受体 这些受体受毒物的影响可能是有差异的 例如 神经元烟碱样乙酰胆碱受体对铅离子的抑制极其敏感 而肌肉的烟碱受体亚型却并非如此 举例 153 某些感觉神经元具有可受化学物刺激的受体 如辣椒素受体 是一种配体门控的阳离子通道 它介导舌头的烫觉 同时对接触红辣椒和其他刺激物相关的泪腺刺激作出反射 举例 154 许多化学物通过作用于信号转导过程而改变神经元和 或 肌肉的活动 3 毒物 信号转导蛋白交互作用 电压门控的na 通道转换和放大由配体门控的阳离子通道生成的兴奋性信号 受植物和动物毒素以及合成化学物激活 导致兴奋过度 阻断电压门控的na 通道的毒物 如河豚毒素和蛤蚌毒素 可引起麻痹 155 4 毒物 信号终止蛋白的交互作用 na k 泵的失效被认为是缺氧 低血糖和氰化物中毒引起的神经元损害的原因 鉴于神经元中生成的70 atp用于驱动na k 泵 atp合成的中断引起细胞去极化并停留在去极化状态 去极化引起的神经递质释放被认为是由谷氨酸的神经毒性作用引起的缺氧性癫痫发作和神经元损害进一步放大的重要原因 156 虽然很多信号转导机制也在非可兴奋细胞中运作 但这些过程的失调通常没有显著后果 2 其他类型细胞活动的调节障碍 157 乙酰胆碱受体调控 有机磷杀虫剂中毒后唾液分泌 流泪和支气管过度分泌就是由于这些受体的刺激 受体的阻断可导致阿托品中毒时的高热 枯否细胞 居留于肝脏的巨噬细胞 分泌可损伤邻近细胞的炎症介质 158 由于枯否氏细胞具有甘氨酸受体 即甘氨酸门控的cl 通道 这些巨噬细胞的分泌功能可因摄入甘氨酸而阻断 这种干预作用缓解了乙醇引起的肝损害 159 某些磺胺药抑制胰腺 细胞的k 通道 随后诱导去极化 ca2 通过电压门控的ca2 通道的内流以及胰岛素从细胞外排 抗高血压药二氮嗪以相反的方式作用于k 通道 损害胰岛素的分泌 虽然这种作用通常并不希望出现 但它可开发应用于无法手术治疗的胰岛素分泌型胰腺肿瘤的治疗 160 二 毒物引起的细胞维持功能改变 破坏细胞自刎功能的毒物 特别是损害线粒体能量产生功能和控制基因组功能的蛋白质合成的毒物均可危及生存并可引起中毒性细胞死亡 161 为了生存 所有细胞必须合成内源性分子 组装大分子复合物 膜及细胞器 维持细胞内环境 并产生细胞活动所需的能量 破坏这些功能的毒物 特别是损害线粒体能量产生功能和控制基因组功能的蛋白质合成的毒物均可危及生存并可引起中毒性细胞死亡 一 细胞内部维持自身功能的损害 162 使细胞遭受致死性打击的化学物可启动三种关键性的生化紊乱 即atp耗竭 持续性的细胞内ca2 升高以及ros和rns过量产生 163 描述这些事件和可能引起这些事件的化学物的特征 指出它们的协同作用是如何导致生物能的灾变 并以死亡而告终 讨论细胞可能避免这种紊乱的一些情况 以及它可能如何通过活化使细胞有序的分解和清除的分解代谢而导致死亡的 讨论内容 164 atp通过磷酸化和腺苷化作用活化内源化合物 掺入到辅因子及核酸中去 它对肌肉收缩和细胞骨架的聚合作用 为细胞运动 细胞分裂 囊泡转运提供能量和维持细胞形态都是必不可少的 1 危害细胞存活的原发性代谢紊乱 1 atp耗竭 165 atp驱动离子转运蛋白 如 质膜的na k atpase 质膜和内质网膜的ca2 atpase 溶酶体膜以及含神经递质的囊泡的h atpase 维持了各种细胞功能所必需的条件 如由na k 泵形成的穿质膜na 浓度梯度驱动na 葡萄糖和na 氨基酸协同转运蛋白以及na ca2 反向转运蛋白 促使这些营养素的进入和的ca2 移动 166 化学能通过atp水解为adp或amp的形式来释放 adp在线粒体中由atp合酶重新磷酸化 与氢氧化为水相偶联 这一过程称为氧化磷酸化 167 除了atp合酶 氧化磷酸化还需要 1 氢以nadh的形式传递给初始电子转运复合物 2 氧传递给终末电子转运复合物 3 adp和无机磷转运给atp合酶 4 电子沿电子传递链流向o2 伴有质子从基质腔穿内膜逐出 5 质子沿电化学递度下穿越内膜返回到基质腔从而驱动atp合酶 168 干扰线粒体atp合成的化学物 a类物质干扰氢向电子传递链传递 b类化学物如鱼藤酮和氰化物抑制电子沿电子传递链转移到分子氧 c类毒物干扰氧传递到终末电子转运蛋白 细胞色素氧化酶 d类化学物抑制atp合酶的活性 e类引起线粒体dna损伤和损害关键线粒体蛋白转录的化学物 169 氧化磷酸化的损伤对细胞是有害的 因为adp未能重新磷酸化导致adp及其破坏产物的堆积以及atp的耗竭 因此 由于腺苷二磷酸盐和三磷酸盐 以mg盐形式存在 的水解以及磷酸和mg2 的释放 暴露于kcn和碘乙酸的肝细胞胞浆h 和mg2 迅速升高 丙酮酸转变为乳酸增加也可能引起酸中毒 170 atp的缺乏危及需atp的离子泵的运作 导致离子及细胞容量调节控制的丧失 细胞内的酸中毒及高镁症后不久 暴露于kcn和碘乙酸的肝细胞即出现细胞内na2 的升高 可能是由于na 泵的失效 随后质膜出现大疱状结构 细胞内磷酸症是有益的 可能是由于释放的磷酸形成不溶性的磷酸钙 防止具有有害后果的胞浆ca 的升高 171 低ph也直接降低了磷脂酶的活性 抑制线粒体透渗转移 细胞内ph升高 增加酸酯酶活性 这就导致不可逆的膜损伤 不仅是通过磷脂的降解 而且也通过内源性去垢剂如溶血磷脂和游离脂肪酸的生成 由于溶血性磷脂与脂肪酸的再酰化过程受损 atp的缺乏加剧了这种变化 172 细胞外和胞浆ca2 浓度差是通过质膜对ca2 的不渗透和ca2 从胞浆清除的转运机制来维持 ca2 从胞浆穿过质膜被主动泵出 并隔离在内质网和线粒体内 2 细胞内ca2 的持续升高 173 毒物通过促进ca2 向细胞质内流或抑制ca2 从细胞质外流而诱导胞浆ca2 水平的升高 配体或电压门控的ca2 通道开放或质膜损伤引起细胞外液与细胞质间ca2 浓度梯度的下移 毒物诱导ca2 从线粒体或内质网漏出而增加胞浆ca2 通过抑制ca2 转运蛋白或耗竭其驱动力而减少的ca2 的外流 174 细胞内ca2 的持续升高是有害的 它能导致 1 能量储备的耗竭 2 微丝功能障碍 3 水解酶的活化 4 ros和rns的生成 175 胞浆ca2 水平升高引起线粒体ca2 单转运蛋白 uniporter 摄取ca2 增加 这种单转运蛋白像atp合酶一样 利用线粒体内膜的负电位 m 作为驱动力 1 细胞内ca2 持续升高对细胞能量平衡产生不良的影响 176 ca2 可能通过对内膜造成氧化损伤而损害atp合成 胞浆ca2 的持续升高不仅损害atp合成 也由于ca2 atpase用于排除多余的ca2 而增加atp的消耗 177 遍布细胞的肌动蛋白 actin 微丝网络借助于其纤丝附着于质膜的肌动蛋白结合蛋白来维持细胞的形态 胞浆ca2 的增高引起肌动蛋白纤丝与 辅肌动蛋白 actinin 和胞影蛋白 fodrin 解离 导致质膜大疱形成 使质膜易于破裂 2 胞浆ca2 不可控制的升高引起细胞的微丝的解离 178 整合性膜蛋白质是ca2 激活的中性蛋白酶或钙蛋白酶 ealpains 的靶分子 ca2 对磷脂酶的激活引起膜的破坏 ca2 mg2 依赖的核酸内切酶的激活引起染色质的断裂 ca2 水平的升高封闭拓扑异构酶 使已断裂的dna无法重新联结 3 高ca2 水平可激活降解蛋白质 磷脂和核酸的水解酶 179 ros和rns的过度产生可继发于细胞内高钙 3 ros与rns的过度产生 1 ca2 活化柠檬酸循环中的脱氢酶加速氢从柠檬酸循环中产出 电子沿电子传递链流动 与atp合酶活性的抑制共同增加由线粒体电子传递链形成的o2 180 2 ca2 激活的蛋白酶通过蛋白质水解过程使黄嘌呤脱氢酶转变为黄嘌呤氧化酶 其副产品是o2 和hooh 3 ca2 激活神经元和内皮细胞组成型表达的no合酶 nos onoo 能通过使高敏感性的mn sod失效而增加其自身的形成 181 2 原发性代谢紊乱之间的相互影响导致的细胞紊乱 1 细胞atp储存的耗竭剥夺了内质网质膜ca2 泵的燃料 引起胞浆ca2 的升高 2 细胞内高钙促进ros和rns的形成 而ros与rns使巯基依赖的ca2 泵发生氧化性失活 反过来又加剧了高钙 182 3 ros与rns也能消耗atp储备 no是一种可逆的细胞色素氧化酶的抑制剂 no 亚硝基鎓阳离子 no的产物 使甘油醛 3 磷酸脱氢酶发生s 亚硝酰化 使之失活 损害糖酵解作用 onoo 使呼吸链复合物 和顺鸟头酸酶发生不可逆的失活 与这些酶的fe s中心反应 no和onoo 抑制细胞atp合成 183 4 onoo 能诱发dna单链断裂 导致聚 adp 核糖 聚合酶 parp 激活 激活的parp将来自nad 的多个adp 核糖部分转移到核蛋白和parp自身 nad 的消耗严重地危及atp合成 而nad 的再合成又消耗atp 由onoo 引起的dna损害的主要后果是细胞能量亏欠 184 线粒体ca2 摄取 m下降 ros和rns生成 atp耗竭和原发性代谢紊乱可引起线粒体内膜渗透性突然升高 线粒体渗透转变 mitochondrialpermeabilitytransition mpt 是由一种跨越线粒体内外膜间的蛋白质孔 巨通道 开放而引起的 3 线粒体损伤在细胞死亡 坏死与凋亡 中的作用 185 线粒体渗透转变 mpt 及其最恶劣后果 坏死凋亡 186 坏死的细胞出现肿胀与溶解 凋亡的细胞出现皱缩 其核和胞质物质浓缩 然后破坏 形成被吞噬的膜结合的碎片 凋亡小体 凋亡 187 大多数化学物诱发的细胞死亡涉及线粒体 导致的线粒体功能失调 如ca2 的蓄积 m的消散 ros rns的过量产生 最终触发坏死或凋亡 mpt是这两个过程的关键事件 另一个相关事件是细胞色素c cytc 从线粒体进入胞质 188 cytc处于线粒体电子传递链上倒数第二个环节 它的丢失将阻断atp合成 增加的o2 形成 促使细胞走向死亡 释放的cytc代表一种指引细胞向凋亡途径发展过程中的一种信号或启动环节 cytc释放的意义 189 当cytc与atp一起结合于一种连接物蛋白 apsf 1 时 cytc能诱发apaf 1结合的休眠状态的天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶原 9 procaspase 9 发生蛋白水解断裂而成为活性的天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶 9 caspase 9 190 caspase催化的特定蛋白的水解 直接或间接地解释了凋亡细胞的形态学和生化改变 191 parp酶蛋白的水解失活阻止了无效的dna修复和atp的浪费 dna断裂因子的水解活化诱导核dna的断裂 结构蛋白的修剪有助于细胞的解组装 粘着斑激酶的失效使得细胞与细胞外间质分离 固醇调节元件结合蛋白的水解激活可导致固醇的蓄积和质膜中磷脂酰丝氨酸的外在化 使吞噬细胞识别凋亡细胞 192 mpt和cytc释放受bcl 2家族的蛋白质控制 促进 如bax bad bid 直接作用于线粒体膜 抑制 如bcl 2 bcl xl 通过与死亡激动剂二聚作用 使之中性化 193 4 atp的利用度决定细胞死亡的形式 细胞耗竭atp时出现坏死 当提供atp生成的基质而使atp耗竭得以缓解时 发生凋亡 194 凋亡与坏死存在着几种共同的特征许多外源化学物 如肝毒物乙酰氨基酚 1 1 二氯乙烯 硫代乙酰胺和镉以及肾毒物赭曲霉毒素既引起凋亡 也引起坏死 毒物在低暴露水平或高水平暴露后的早期阶段倾向于诱发凋亡 在高暴露水平后引起坏死 195 凋亡与坏死存在着几种共同的特征由细胞毒物引起的两种形式的细胞死亡就可能涉及到类似的代谢紊乱 其中最重要的是mpt mpt的阻断剂 如环孢霉素a bcl 2过度表达 既阻止凋亡 也阻止坏死的发生 196 决定受损伤的细胞是发生凋亡还是坏死的因素是什么呢 正如下面将要进一步强调的 这可能对周围组织有重要的影响 197 在诸如ca2 暴露的肝细胞 fas刺激的t淋巴细胞和hooh暴露的内皮细胞这样不同