第四章 毒作用机制.pdf

1 毒性机制毒性机制 2 主要内容 主要内容 概述概述 General Information 增毒和终毒物增毒和终毒物 Toxication Activation and Toxicant 毒物与靶标的反应毒物与靶标的反应 Target Sites its Response 细胞功能障碍和毒性细胞功能障碍和毒性 Dysfunction Toxicity 3 概述概述 General Information 4 外源化学物毒作用研究外源化学物毒作用研究 描述毒理学 描述毒理学 管理毒理学 管理毒理学 机制毒理学机制毒理学 5 外源化学物毒作用机制的研究过程外源化学物毒作用机制的研究过程 6 1 外源化学物的增毒与终毒物的形成 外源化学物的增毒与终毒物的形成 终毒物终毒物 转运过程转运过程 外源化学物 外源化学物 毒物的转运过程毒物的转运过程 毒性发展的第一阶段 毒性发展的第一阶段 增毒增毒 代谢活化代谢活化 7 终毒物终毒物 Ultimate Toxicant 毒效应的强度 毒效应的强度 主要取决于 主要取决于 终毒物 终毒物 其作用位点 其作用位点 浓度 浓度 持续时间持续时间 8 终毒物的种类终毒物的种类 代谢物作用后的内源性化合物代谢物作用后的内源性化合物 UPFA 蛋白蛋白 代谢中间产物代谢中间产物 ROS RNS 直接代谢物 直接代谢物 外源化合物的代谢物 外源化合物的代谢物 原外源化合物原外源化合物 暴露的母化合物暴露的母化合物 9 增毒增毒 代谢活化代谢活化 增毒增毒 toxication 代谢活化代谢活化 activation 外源化学物外源化学物 生物转化生物转化 有毒有毒 害产物害产物 终毒物终毒物 含义 含义 亲电物 亲电物 自由基自由基 亲核物 氧化还原性反应物 亲核物 氧化还原性反应物 外源物使外源物使O 2 NO转变为转变为 最多见最多见 获得更有效地与特定受体或酶相互作用的结构和反应性获得更有效地与特定受体或酶相互作用的结构和反应性 化学结构和生物学微环境发生不利的变化 化学结构和生物学微环境发生不利的变化 形式 形式 10 亲电物及其形成亲电物及其形成 含有一个缺电子原子含有一个缺电子原子 带部分或全部正电荷带部分或全部正电荷 的分子 的分子 能通过与亲核物中的富电子原子共享电子对而反应 能通过与亲核物中的富电子原子共享电子对而反应 含义 亲电物含义 亲电物 electrophiles 11 亲电物及其形成亲电物及其形成 氧去电子极化氧去电子极化 双键碳电子缺失双键碳电子缺失 形成共轭双键形成共轭双键 插入插入1个氧原子个氧原子 从附着的原子抽取从附着的原子抽取1个电子 个电子 亲电子代谢物的形成 亲电子代谢物的形成 氧化氧化 还原还原 金属离子金属离子 无机化学物亲电物无机化学物亲电物 键异裂键异裂 形成阳离子亲电物形成阳离子亲电物 12 亲核物亲核物 nucleophiles 的形成 的形成 较少见的毒物活化作用机制较少见的毒物活化作用机制 13 氧化还原活性还原剂的形成氧化还原活性还原剂的形成 Redox active reductants 14 自由基及其形成自由基及其形成 独力游离存在 独力游离存在 带有不成对电子 分子带有不成对电子 分子 原子原子 离子 离子 含义 自由基含义 自由基 Free Radical 超量超量 失衡失衡 损害 损害 重要生理功能 重要生理功能 可为防御体系清除 可为防御体系清除 反应性极高 反应性极高 作用半径短 作用半径短 顺磁性 顺磁性 化学性质十分活泼化学性质十分活泼 化学特性 化学特性 在体内不断产生在体内不断产生 生物学特性 生物学特性 正常正常 平衡平衡 低水平 低水平 可受诱导产生 可受诱导产生 氧化应激作用机制 氧化应激作用机制 半衰期极短半衰期极短 s 共价键均裂产生共价键均裂产生 物理特性 物理特性 理化和生物学理化和生物学 特点 特点 15 自由基的类型自由基的类型 氢中心自由基 氢中心自由基 碳中心自由基 碳中心自由基 硫中心自由基 硫中心自由基 氮中心自由基 氮中心自由基 过渡金属离子 过渡金属离子 过渡金属离子过渡金属离子 16 活性氧活性氧 Reactive oxygen species ROS 自由基 自由基 氧的非自由基 氧的非自由基 衍生物 衍生物 含氧功能基团 含氧功能基团 化学物 化学物 氮中心氮中心 含氧含氧 自由基 自由基 氧中心氧中心 17 超氧阴离子自由基超氧阴离子自由基 O 2 3种化学转化途径 种化学转化途径 很强还原剂 很强还原剂 弱弱氧化剂氧化剂 在水溶液中在水溶液中 启动启动2种增毒途径种增毒途径 1个电子进入个电子进入 2P轨道 轨道 超氧阴离子自由基超氧阴离子自由基 O 2 18 过氧化氢过氧化氢 H 2 O 2 CATse GPX POXase 体内有抗性酶防御体系 体内有抗性酶防御体系 形成高活性自由基 形成高活性自由基 弱氧化剂 弱氧化剂 和 和 弱还原剂 弱还原剂 不合格自由基 不合格自由基 歧化歧化O 2 或 或 2个电子酶催化转移给氧个电子酶催化转移给氧 O 2 O 2 H 2 O 2 OH 过氧化氢过氧化氢 H 2 O 2 19 羟基自由基羟基自由基 OH 3种来源途径种来源途径 1 2 很短 很短 10 9 S 极强化学活性极强化学活性 分子反应分子反应 作用距离短作用距离短 3nm 3个电子还原氧 个电子还原氧 羟基自由基羟基自由基 OH 20 ONOO 强氧化强氧化 NOS催化催化 L 精氨酸氧化 精氨酸氧化 与与O 2 启动增毒途径 启动增毒途径 合成 合成 VEC M 内 内 一氧化氮自由基一氧化氮自由基 NO Nitric Oxide 活性氮活性氮 RNS 氮的活性氧化物氮的活性氧化物 21 活性氮活性氮 RNS 氮的活性氧化物氮的活性氧化物 与与CO 2 反应均裂 反应均裂 无需酶催化 无需酶催化 酸性降解 酸性降解 由由ONOO 生成生成 二氧化氮自由基二氧化氮自由基 NO 2 Nitrogen Dioxide 22 次氯酸次氯酸 HOCl Fe 2 OH O 2 OH 强氧化剂 强氧化剂 髓髓POXase催化 催化 依赖依赖 不依赖不依赖Fe 2 增毒途径 增毒途径 合成 活化合成 活化NC M 内 内 次氯酸次氯酸 HOCl 23 自由基的来源自由基的来源 一一 生物系统的细胞产生 生物系统的细胞产生 电子传递链中酶复合物电子传递链中酶复合物 I II III 线粒体 线粒体 氧化酶 氧化酶 过氧化物酶体过氧化物酶体 NAPDH氧化酶 氧化酶 M 呼吸爆发 呼吸爆发 LAse COX 膜酶 膜酶 黄嘌呤氧化酶 黄嘌呤氧化酶 胞浆蛋白胞浆蛋白 酶 酶 儿茶酚案类 儿茶酚案类 胞浆小分子胞浆小分子 Fe 2 Fe 3 Cu Cu 2 过渡金属离子过渡金属离子 MFOs CYP还原酶 还原酶 内质网膜内质网膜 24 外源化学物代谢外源化学物代谢 氧化还原循环氧化还原循环 Redox Cycling 自由基的来源自由基的来源 二二 生物系统的细胞产生 生物系统的细胞产生 25 某些已确认毒性可归结于自由基产生的外源化学物某些已确认毒性可归结于自由基产生的外源化学物 肺损害 肺损害 空气污染物 空气污染物 吸烟 吸烟 NO 2 其他 其他 血液毒性 血液毒性 抗高血压药 抗高血压药 抗忧郁药 抗忧郁药 抗结核药 抗结核药 肼苯达嗪 肼苯达嗪 异烟酰异丙肼 异烟酰异丙肼 异烟肼 异烟肼 肼类衍生物 肼类衍生物 脂肪肝硬化 脂肪肝硬化 饮酒 饮酒 乙醇 乙醇 乙醇 乙醇 肝损害 肝损害 有机溶剂 有机溶剂 麻醉剂麻醉剂 CCl 4 氯仿 氯仿 氟烷 氟烷 卤代烷烃 卤代烷烃 肺损害 肺损害 除草剂 除草剂 百草枯 杀草快 百草枯 杀草快 双吡啶化合物 双吡啶化合物 血液毒性 血液毒性 肝脏毒性 肝脏毒性 抗微生物药 抗微生物药 抗菌素 抗菌素 呋喃妥因 呋喃西林 米索硝 呋喃妥因 呋喃西林 米索硝 唑 甲硝唑 唑 甲硝唑 氯霉素 磺胺类 氯霉素 磺胺类 硝基化合物硝基化合物 硝基苯硝基苯 多细胞毒性 多细胞毒性 抗癌药物 抗癌药物 阿霉素 正定霉素 丝裂霉素阿霉素 正定霉素 丝裂霉素 C 博莱霉素 道诺霉素 博莱霉素 道诺霉素 醌类醌类 对对 苯醌类苯醌类 毒性损害 毒性损害 应用 应用 外源化学物 外源化学物 种类种类 26 解毒解毒 Detoxication 阻止终毒物形成 阻止终毒物形成 或 或 排除终毒物 排除终毒物 含义 含义 亲核物的解毒 亲核物的解毒 亲电物的解毒 亲电物的解毒 无功能基团的解毒 无功能基团的解毒 途径 途径 蛋白质毒素的解毒 蛋白质毒素的解毒 细胞内酶促防御体系和化学清除剂细胞内酶促防御体系和化学清除剂 自由基的解毒 自由基的解毒 27 解毒过程的失效解毒过程的失效 反应性毒物使代谢酶失活 反应性毒物使代谢酶失活 解毒解毒 结合结合 反应逆转 反应逆转 解毒过程产生潜在的有害副产物解毒过程产生潜在的有害副产物 毒物引起的失效 毒物引起的失效 解毒失效的原因解毒失效的原因 28 靶分子的属性 靶分子的属性 并非都是并非都是 一毒一靶一毒一靶 更多见的是 更多见的是 一毒多靶一毒多靶 小分子小分子 膜脂质 辅因子膜脂质 辅因子 CoA 吡哆醛吡哆醛 最常见的是最常见的是 生物大分子 生物大分子 核酸核酸 DNA 蛋白质 蛋白质 酶 受体酶 受体 毒物潜在的靶标 所有的内源性分子 毒物潜在的靶标 所有的内源性分子 具有关键功能具有关键功能 Critical Function 合适的空间构型合适的空间构型 易接近性易接近性 合适的反应性 合适的反应性 作为靶分子必须具备的条件 作为靶分子必须具备的条件 29 靶分子的属性 靶分子的属性 终毒物以所观察的毒效应相关的机制改变靶标 终毒物以所观察的毒效应相关的机制改变靶标 终毒物必须在靶部位达到有效浓度 终毒物必须在靶部位达到有效浓度 终毒物与靶分子反应 终毒物与靶分子反应 最终确认引起毒性的靶分子 必须证实 最终确认引起毒性的靶分子 必须证实 一毒一靶一毒一靶 和和 一毒多靶一毒多靶 30 终毒物与靶分子反应的类型终毒物与靶分子反应的类型 1 空间结构与内源性分子的结合部位互补空间结构与内源性分子的结合部位互补 钥匙与锁钥匙与锁 通常是可逆性结合通常是可逆性结合 结合键能相对较低结合键能相对较低 与膜受体 与膜受体 胞内受体 胞内受体 离子通道离子通道 酶 酶 DNA双链等结合 双链等结合 以非极性交互作用以非极性交互作用 氢键 离子键的形式 氢键 离子键的形式 非共价结合 非共价结合 nonconvalent binding 31 终毒物与靶分子反应的类型终毒物与靶分子反应的类型 2 实际是不可逆性结合实际是不可逆性结合 持久地改变内源分子持久地改变内源分子 亲电原子对亲核原子结合的选择性取决于电荷亲电原子对亲核原子结合的选择性取决于电荷 半径比 半径比 少见于亲核毒物与亲电内源性分子的反应 少见于亲核毒物与亲电内源性分子的反应 也见于中性自由基与生物分子的共价结合 也见于中性自由基与生物分子的共价结合 常见于亲电毒物与生物大分子的亲核原子反应 常见于亲电毒物与生物大分子的亲核原子反应 共价结合共价结合 convalent binding 32 终毒物与靶分子反应的类型终毒物与靶分子反应的类型 3 自由基自由基 内源性自由基内源性自由基 毒性损伤 毒性损伤 去氢反应去氢反应 Hydrogen abstraction 33 终毒物与靶分子反应的类型终毒物与靶分子反应的类型 4 电子转移电子转移 Electron transfer 如 如 Hb Fe 2 Fe 3 34 终毒物与靶分子反应的类型终毒物与靶分子反应的类型 5 毒素作用于特定的靶分子 毒素作用于特定的靶分子 酶促反应酶促反应 enzymatic reaction 35 毒物对靶标 毒物对靶标 靶分子的影响靶分子的影响 1 蛋白变性蛋白变性 外源蛋白外源蛋白 抗原性抗原性 结构破坏结构破坏 异常 异常 功能失调 功能失调 靶分子 靶分子 生物学微环境 生物学微环境 核酸核酸 蛋白质 蛋白质 通道通道 受体受体 断裂断裂 降解 降解 交联 交联 加合物 加合物 形成 形成 外源物外源物 代谢 代谢 物物 变性蛋白变性蛋白 激发免疫应答激发免疫应答 36 基因表达调节障碍 基因表达调节障碍 转录调节障碍 转录调节障碍 转录起始复合物其他元件 转录起始复合物其他元件 转录因子转录因子 TFs 目的基因启动子区目的基因启动子区 结合序列结合序列 天然化合物天然化合物 内源性配体内源性配体 信号因子信号因子 配体激活的配体激活的TF 信号激活的信号激活的TF 37 雌激素的作 雌激素的作 用机制用机制 雌雌激素效应激素效应 内分泌内分泌 生殖生殖 性腺 性腺 肝脏肝脏 ER Estrogens 38 基因表达调节障碍 基因表达调节障碍 转录调节障碍 转录调节障碍 转录起始复合物其他元件 转录起始复合物其他元件 转录因子转录因子 TFs 配体激活的配体激活的TF 信号激活的信号激活的TF 目的基因启动子区目的基因启动子区 结合序列结合序列 外源化学物外源化学物 外源性配体外源性配体 转录元件功能损害转录元件功能损害 39 外源化学物外源化学物 配 配 体体 作用机制作用机制 萎缩萎缩 肿瘤肿瘤 致畸致畸 酶诱导酶诱导 细胞凋亡细胞凋亡 增殖增殖 LC 内分泌内分泌 生殖 生殖 肝脏肝脏 GR RAR RXR PPAR AhR GH RA FA TCDD 40 信号转导调节障碍 信号转导调节障碍 转录调节障碍 转录调节障碍 转录起始复合物其他元件 转录起始复合物其他元件 转录因子转录因子 TFs 配体激活的配体激活的TF 信号激活的信号激活的TF 目的基因启动子区目的基因启动子区 结合序列结合序列 天然化合物天然化合物 内源性配体内源性配体 信号因子信号因子 转录元件功能损害 转录元件功能损害 信号转导调节障碍信号转导调节障碍 参参见见p78 细胞外信号细胞外信号 信号转导调控途径信号转导调控途径 级联级联 细胞反应性转归细胞反应性转归 41 信号转导途径的调节功能信号转导途径的调节功能 调控基因转录调控基因转录 细胞转归细胞转归 核内信号激活核内信号激活TFs活化活化 细胞内信号转导网络细胞内信号转导网络 级联级联 细胞表面受体细胞表面受体 细胞外信号细胞外信号 生长因子生长因子 细胞因子细胞因子 激素激素 神经递质神经递质 参参见见p78 42 信号转导途径的调节功能 信号转导途径的调节功能 逐级分段连续传递逐级分段连续传递 级联级联 cascade 磷酸酶磷酸酶 蛋白脱磷酸化蛋白脱磷酸化 失活失活 反馈反馈 建立建立MAPK级联级联 信号元件信号元件 激活激活Ras Raf 激酶激酶 P 信号转 信号转 导蛋白导蛋白 Ser Thr Tyr P 激活激活 通过蛋白通过蛋白 蛋白交互作用和蛋白质蛋白交互作用和蛋白质 P 经由交换经由交换 蛋白蛋白 因子因子 exchange factors 参参见见p78 43 细胞调节或维持功能的改变细胞调节或维持功能的改变 基因表达调节障碍基因表达调节障碍 蛋白合成蛋白合成 过氧化物酶体增生过氧化物酶体增生 酶诱导 致癌酶诱导 致癌 增殖增殖 凋亡凋亡 形成肿瘤形成肿瘤 致畸 致畸 细胞分裂细胞分裂 形成肿瘤 致畸 形成肿瘤 致畸 转录转录 信号转导不适当信号转导不适当 44 细胞瞬息活动的调节细胞瞬息活动的调节 Ongoing Momentary activity 细胞功能的立即变化细胞功能的立即变化 功能蛋白功能蛋白 P 活化 活化 Ca 2 内流 内流 细胞内第二信使酶促激活细胞内第二信使酶促激活 特定细胞 特定细胞 表面受体表面受体 通道通道 泵泵 细胞外信号细胞外信号 细胞因子细胞因子 激素激素 神经递质神经递质 离子离子 电电 45 细胞调节或维持功能的改变细胞调节或维持功能的改变 毒物毒物 信号终止蛋白交互作用信号终止蛋白交互作用 毒物毒物 信号转导蛋白交互作用信号转导蛋白交互作用 毒物毒物 神经递质受体交互作用神经递质受体交互作用 神经递质水平的改变 神经递质水平的改变 电可电可兴奋细胞兴奋细胞 ex N M cell 瞬息功能调节障碍瞬息功能调节障碍 Dyregulation of ongoing cell functions 46 作用于形成神经递质信号系统以及引 作用于形成神经递质信号系统以及引 起电兴奋细胞瞬息活动起电兴奋细胞瞬息活动 47 不适当的代谢和外分泌功能不适当的代谢和外分泌功能 昏迷 麻痹 感觉异常昏迷 麻痹 感觉异常 震颤 抽搐 痉挛 心律失常 震颤 抽搐 痉挛 心律失常 不适当的神经肌肉活动不适当的神经肌肉活动 细胞瞬息活动的调节细胞瞬息活动的调节 48 细胞内部维持自身功能的损害 细胞内部维持自身功能的损害 细胞内源分子 细胞内源分子 组成 结构的破坏组成 结构的破坏 ROS RNS生成 生成 细胞内稳态紊乱细胞内稳态紊乱 Ca 2 蓄积 蓄积 能量代谢紊乱能量代谢紊乱 ATP耗竭 耗竭 原发性代谢紊乱原发性代谢紊乱 49 ATP合成的损伤合成的损伤 外源化学物外源化学物 E M DNA损伤损伤 蛋白转录损害的物质蛋白转录损害的物质 D 抑制抑制ADP P 的物质 的物质 C 抑制氧向电子传递链传递的物质抑制氧向电子传递链传递的物质 B 电子传递链的抑制物电子传递链的抑制物 A 抑制氢向电子传递链传递的化学物 抑制氢向电子传递链传递的化学物 原发性代谢紊乱原发性代谢紊乱 50 细胞内钙稳态细胞