主题:适应、损伤与修复
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主题:适应、损伤与修复 学科:毒理学. 毒作用机制. 外源化学物. Step 1. 吸收、分布、代谢、排泄. 毒性. Step 2. 与靶分子相互作用. Step 3. 细胞功能失调、损伤. Step 4. 细胞修复功能失调. Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系. 化学物暴露到产生毒效应可能存在的阶段. A D M E. 毒 效 应. Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系. 第一阶段 毒物转运 - 从接触部位到靶部位.

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主题:适应、损伤与修复 学科:毒理学

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主题:适应、损伤与修复学科:毒理学

毒作用机制


Department of toxicology and nutrition

外源化学物

Step 1

吸收、分布、代谢、排泄

毒性

Step2

与靶分子相互作用

Step 3

细胞功能失调、损伤

Step 4

细胞修复功能失调

Department of Toxicology and Nutrition毒理学与营养学系

化学物暴露到产生毒效应可能存在的阶段

A D M E


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Department of Toxicology and Nutrition毒理学与营养学系

第一阶段毒物转运-从接触部位到靶部位


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Department of Toxicology and Nutrition毒理学与营养学系

影响毒物从接触部位到靶部位的因素

  • 毒物从接触部位进入血液循环(吸收、进入循环前消除)

  • 毒物从血液循环到达靶部位

    1. 促进因素

    ① 毛细血管内皮多孔性:肝窦、肾小管周围毛细血管

    ② 专一化的膜转运:铊、百草枯

    ③ 细胞器内蓄积:溶酶体、线粒体

    ④ 可逆性细胞内结合:黑色素

    2. 阻碍机制

    ① 血浆蛋白结合

    ② 专一化屏障

    ③ 贮存部位分布:铅、DDT

    ④ 与细胞内结合蛋白结合:金属硫蛋白

    ⑤ 从细胞内排除:mdr表达的P蛋白

    3. 排泄与重吸收


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增毒作用—终毒物

  • 终毒物(ultimate toxicant): 是指直接与生物靶分子反应或改变生物学微环境、导致结构和/或功能紊乱的化学物

  • 增毒作用(toxicatyion): 外源化学物在体内经生物转化为终毒物的过程

亲电子剂(electrophiles)

自由基(free radicals)

终毒物分类

亲核剂(nucleophiles)

氧化还原产物(redox-active reductants)


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终毒物的来源

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  • 亲电子剂

    • 指含有一个缺电子原子的分子

    • 带部分或全部正电荷

    • 与多种化学物的增毒作用有关

    • 形成方式:

      1)插入一个氧原子,氧原子从其附着的原子中获得一个电子

      2)氧的去极化作用,使双键碳之一发生电子缺失

      3)阳离子亲电物:有机物异裂作用,无机物氧化或还原


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  • 自由基

    • 自由基是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

    • 形成方式:

      • 接受一个电子

      • 丢失一个电子:亲核化学物

      • 共价键均裂

    • 活性氧(ROS):超氧阴离子(O2·-)和羟自由基(·OH)

    • 活性氮(RNS):过氧亚硝基(ONOO·)


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PQ++

DR NF

½ NADPH+H+

O2

P450

还原酶

PQ

DR NF

½ NADP+

O2

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百草枯(PQ++)、多柔比星(DR)和呋喃妥英(NF)

接受一个电子产生的超氧阴离子自由基


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ONOO

-

O2

-

·

ONOOCO2

-

[HOOH]

-

·

NO2

CO3

+

·

HO

·

HO

-

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HOOH

FENTON反应

超氧阴离子自由基通过两种均裂途径形成最终增毒形式


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  • 亲核物

    • 具有未共用电子对的中性分子和负离子

    • 形成方式:

      • 主要是氧化反应

    • 典型的亲核物:

      氰化物:苦杏仁、丙烯晴、硝普钠等可形成

      CO:二卤甲烷氧化脱卤形成

      硒化氢:亚硒酸盐与谷胱甘肽反应形成

    • 是较少见的一种增毒方式


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解毒作用

  • 解毒作用(detoxication)是指消除终毒物或阻止终毒物生成的生物转化过程

无功能基团毒物的解毒:I 相和II相反应

亲核剂的解毒:亲核功能基团的结合反应

亲电子剂的解毒:与谷胱甘肽的结合反应

自由基的解毒:SOD、GSH-Px

蛋白毒素的降解:蛇毒、蓖麻毒素?


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第二阶段终毒物与靶分子的反应


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靶分子的属性

反应性

易接近性

关键功能

1

结果

功能障碍

结构破坏

新抗原形成

靶分子

终毒物

3

2

反应类型

非共价结合

共价结合

去氢作用

电子转移

酶促反应

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反应类型

  • 非共价结合

    • 包括以离子键、金属键和分子间作用力等结合方式

    • 典型举例:

      番木鳖碱:与脊髓运动神经元甘氨酸受体结合

      TCDD:与芳烃受体结合

      蛤蚌毒素:与钠通道结合

      佛波酯:与蛋白激酶C结合

      杀鼠灵:与维生素K2、3-环氧化物还原酶结合

    • 键能相对较低,通常是可逆的


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  • 共价结合

    • 举例:

      • 亲电子剂(非离子、阳离子亲电子剂等)与靶分子的结合

        通常与生物大分子中的亲核原子反应

        亲电子剂与亲核原子的反应性取决于其电荷/半径比

      • 阳离子自由基与靶分子的结合

      • 中性自由基与靶分子的结合

        如HO、NO2和Cl3C

      • 亲核毒物与亲电内源性分子的反应

    • 不可逆,持久改变内源分子

·

·

·


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  • 去氢反应

    • 自由基引起内源化学物去氢,生成新的内源性自由基

    • 举例:

      • 自由基使巯基化合物(R-SH)去氢形成硫基自由基(R-S )

        (巯基氧化物的前身)

      • 自由基能使游离氨基酸的CH2基团去氢,形成羰基化合物

        (进一步与胺类反应,形成与DNA或蛋白质交联)

      • 自由基使脱氧核糖去氢并产生C-4’自由基

        (引起DNA断裂的第一步)

      • 自由基使脂肪酸去氢产生脂质自由基

        (启动脂质过氧化)

·

·

·

·


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  • 电子转移

    • 化学物将血红蛋白分子中的Fe2+氧化成Fe3+

      • 亚硝酸盐氧化血红蛋白

      • N-羟基芳胺、酚类化合物和肼类与氧合血红蛋白共氧化

        (高铁血红蛋白血症)

  • 酶促反应

    • 少数毒素通过酶促反应作用于特定靶蛋白

      • 蓖麻毒素诱发核糖体水解断裂,阻断蛋白质合成

      • 白喉毒素阻断蛋白质合成过程中延伸因子的功能

      • 霍乱毒素活化G蛋白

      • 蛇毒含有破坏生物分子的水解酶


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毒物对靶分子的影响

  • 靶分子的功能失调

    • 某些毒物模拟内源性配体,活化靶蛋白分子

      • 吗啡激活鸦片受体

      • 氯贝丁酯激活过氧化物酶体增殖物激活剂受体

      • 佛波酯和铅离子激活蛋白激酶C

    • 多数情况下,化学物抑制靶分子的功能

      • 阿托品、箭毒通过配体结合或干扰离子通道阻断神经递质受体

      • 河豚毒素和蛤蚌毒素抑制神经元膜电压激活的钠通道开放

      • DDT和除虫菊酯抑制钠通道的关闭

      • 毒物与微管蛋白(如长春碱、秋水仙碱)或肌动蛋白(如细胞松弛素)结合后损害细胞骨架蛋白的组装和拆装过程


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  • 当毒物与蛋白质交互作用而改变结构时,蛋白质的功能即发生损害

    • 许多蛋白质的巯基极易与毒物发生共价结合或发生氧化修饰,活性改变,如酶蛋白酪氨酸磷酸酶、Ca2+泵和转录因子AP-1等

  • 毒物可干扰DNA的模板功能

    • 毒物与DNA共价结合

    • 毒物插入双螺旋DNA链的碱基间


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  • 靶分子的结构破坏

    • 毒物通过与内源性分子形成加合物,发生交联或断裂

      • 双功能亲电子剂:二硫化碳、丙烯醛、氮芥等

        与蛋白和DNA分子发生交联、引起DNA和蛋白质之间的交联

      • 羟自由基转换大分子为活性亲电子剂(蛋白羰基)/ 自由基

        与另一大分子的亲核部位 / 大分子自由基反应

    • 毒物引发的靶分子自发性降解

      • 自由基——脂质过氧化(L·)

    • DNA断裂

      • 自由基、电离辐射等——单链 / 双链断裂

  • 新抗原的形成

    • 半抗原/ 完全抗原


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第三阶段

细胞调节和维持功能的改变


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靶分子

作为效应的决定因素

效应

基因表达的

调节障碍

  • 不适当

  • 细胞分裂→形成肿瘤、畸胎

  • 凋亡→组织退化,形成畸胎

  • 蛋白合成→如过氧化物酶体增生

细胞调节

  • 如不适当的神经肌肉活动

  • 震颤,抽搐,痉挛,心律失常

  • 昏迷状态,麻痹,感觉异常

瞬间细胞功能

的调节障碍

靶分子

的作用

  • 损害

  • ATP合成

  • 钙离子调节

  • 蛋白合成

  • 微管功能

  • 膜功能

损害内部的

维持

细胞维持

损害外部的

维持

损害整合系统功能

如止血功能损害→出血

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基因表达调节障碍

  • 基因转录调节障碍

    • 毒物可与基因启动子区域、转录因子等元件作用

    • 影响转录因子(TF)的活性是毒物调节基因表达最主要方式。已知两类:配体激活的TF和信号激活的TF

      芳烃受体(AhR)——TCDD、PCB、PAH

      雌激素受体(ER)——DDT、玉米赤霉烯酮

      糖皮质激素受体(GR)——地塞米松

      过氧化物酶体增殖剂激活受体(PPAR)——DEHP

      孕烷X受体(PXR)——PCBs、氯丹

      … …


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  • 信号转导调节障碍

    • c-Fos, c-Jun, c-Myc, Ras等

    • 多种途径:

      • 改变蛋白磷酸化

      • 干扰G蛋白GTP酶活性

      • 破坏蛋白-蛋白交互作用

      • 建立异常蛋白-蛋白交互作用

      • 改变信号蛋白合成与降解等

  • 细胞外信号产生的调节障碍

    • 外周腺体激素负反馈调控脑垂体激素的产生

      • 苯巴比妥:可促进甲状腺激素代谢,通过反馈调控增加垂体分泌

        (甲状腺肿或甲状腺肿瘤)

      • 雌激素:通过促性腺激素分泌的反馈抑制而引起睾丸萎缩


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细胞内部维持的损害

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ATP耗竭

持续性的Ca2+升高

ROS和RNS过量产生

毒物通常通过以上三种关键性生化紊乱引起细胞致死性损伤:

凋亡、胀亡、自噬、坏死


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第四阶段:修复障碍


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修 复

分子修复

细胞修复

组织修复

凋亡

增殖

分裂

蛋白

脂肪

DNA

ECM

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损伤修复机制


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修复障碍引起的毒性

  • 炎症

  • 坏死

  • 纤维化

  • 致癌作用


Larry w moreland 2001

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类风湿关节炎中不同细胞因子作用示意图(引自Larry w Moreland,2001)

炎症

  • 炎性细胞因子

  • ROS和RNS


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坏死

分子修复失效

损伤细胞清除失效

邻近细胞分裂替代

受损细胞机制失效

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肝细胞坏死


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纤维化

细胞外基质增生没有终止

主要介质

TGF-

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矽肺


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致癌作用

DNA修复失效

细胞凋亡失效

终止细胞增生失效

非遗传毒性致癌物

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黄曲霉毒素诱发的大鼠肝癌(左)和前胃乳头状瘤(右)


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THANKS!


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