第 四章 毒性机制 Mechanism of Toxicity

1. 第四章毒性机制Mechanism of Toxicity 袁占鹏，Ph.D 武汉大学公共卫生学院卫生毒理学系 电话：6875 9982；139 8612 0848 E-mail: zpyuan@whu.edu.cn

2. 【目的要求】 • 掌握毒物的增毒(toxication)现象 • 熟悉毒物主要毒性机制 • 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

3. 【内容】 • 外源化学物增毒现象，终毒物类型（亲电物、自由基、亲核物） • 解毒途径，解毒过程失效的原因 • 终毒物与靶分子的反应：类型、毒物对靶分子的影响 • 毒物引起的细胞调节功能障碍：基因表达调节障碍、细胞瞬息活动调节障碍 • 毒物引起的细胞维持功能改变：内、外

4. 研究毒性机制应明确以下四点 • 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 • 毒性效应的程度除毒物本身外，还与剂量及靶部位有关 • 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

5. 研究毒性机制的步骤

6. 毒性产生的可能途径

7. 毒性机制涉及多个层次和步骤 • 毒物被转运 • 一个或多个靶部位 • 毒物或代谢产物与内源性靶分子相互作用 • 细胞结构与功能紊乱 • 启动细胞或分子水平修复 • 产生毒性效应 • 毒物引起的损伤超过修复能力或修复本身障碍时 • 靶分子结构改变 • 功能紊乱

8. 机制毒理学 Mechanistic Tox. • 主要研究 • 毒物对机体毒性作用的细胞、生化和分子机制 • 目的是为 • 建立敏感、特异的预测试验 • 安全性评价与管理 • 更安全的化学物（或药物）的设计与生产 • 以及疾病的诊断和治疗 • 提供科学依

9. 机制毒理学研究的意义 • 主要应用—应用毒理学(Applied Toxicology) • 证实动物中所观察到的损害作用与人类的相关性 • cancer、birth defects • 验证在实验动物中有毒而可能与人类无关的毒物 • Organophosphate insecticide inhibition of acetylcholinesterase • Saccharin (糖精) cause bladder caner in rats • 设计和生产较为安全的化学物、合理治疗中毒和临床疾病 • Thalidomide (反应停) • 进一步加深对基础学科的了解 • 秋水仙素

10. 第一节 增毒与终毒物的形成 Section 1 Toxication and Formation of Ultimate Toxicant

11. 增毒与终毒物 • 增毒(toxication)，亦即代谢活化(metabolic activation) • 毒物经生物转化使其毒性增强 • Intoxication vs Toxication • 终毒物 • 是指与内源靶分子 • 如受体、酶、 DNA等反应 • 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

12. 增毒过程 • 主要是使外源化学物转变为 • 亲电物(electrophiles) • 自由基(free radicals) • 亲核物(nucleophiles) • 氧化还原的还原性反应物(redox-active reductants)

13. 一、亲电物的形成 • 亲电物 • 是一类含缺电子原子的分子(???) • 含不饱和共价键的原子、离子和分子 • 亲电物可与有富含电子的原子核的物物共享电子 • 亲电物的形成(formation of electrophiles) • 常常是毒物经Cyp450或其它酶促氧化成酮、环氧化物、不饱和酮和醛、醌和酰卤化物等物质 • 阳性亲电物常由化学键断裂而形成

14. 二、自由基的形成 • 自由基 • 游离存在，带有不成对电子的分子/原子/离子 • 自由基的形成 (formation of free radicals) • 通过接受或失去一个电子，或由化合物的共价键发生均裂而形成 • 特点 • 具有顺磁性堆(?) • D or L is important in biology/biological activity • 化学性质十分活泼 • 反应性极高，半减期极短，作用半径短

16. （一）自由基的类型 • 活性氧（reactive oxygen species, ROS) • 一类含氧功能基团的化学性质活泼的物质 • 包括 • 单线态氧 • 超氧阴离子自由基(O2.) • 羟基自由基(.OH) • 过氧化氢(H2O2) • 臭氧(O3) • 氮氧化物(NOx) • 次氯酸(HOCl)

17. （二）自由基的来源1 • 胞浆中的小分子 • 自氧化促使氧还原，产生氧自由基 • 胞浆蛋白质(酶)催化的反应 • dopamine- β-hydroxylase • D-amino acid oxidase • fatty acyl CoA oxidase • xanthine oxidase

18. 自由基的来源2 • 膜酶活性 • lipoxygenase • cycloxygenase • 细胞吞噬过程及呼吸爆发 (respiratory burst) • 过氧化酶体 • 线粒体电子传递过程 • 微粒体电子传递系统

19. 三、亲核物的形 • 是较少见的一种毒物活化机制 • 硒化氢是由亚硒酸盐与谷胱甘肽或其他巯基反应形成的一种强亲核物 • 一氧化碳经由氧化取卤反应而形成的毒性代谢产物

20. 四、氧化还原活性还原剂的形成

21. 增毒过程小结 • 最活泼的代谢物是缺电子的分子或分子片段，如亲电子物或中性物，或阳性物 • 多数亲核物需转化成亲电子物后才能反应 • 带一个多余电子的自由基在HOOH的断 裂，形成中性.OH而产生毒性作用

22. 五、解毒(detoxication) • 是指通过生物转化而将终毒物排除，或者阻止毒性产物形成的过程 • 在某些情况下，解毒可能与中毒竞争同一化学物

23. 解毒途径分类 • 根据毒物化学性质 • 无功能基团毒物的解毒 • 亲核物的解毒 • 亲电物的解毒 • 自由基解毒 • 蛋白质毒素解毒

24. 1.无功能基团毒物的解毒 • Detoxication of toxicants with no reactive groups • 无功能基团化学物（如：苯和甲苯） • 机体内的功能基团（羟基和羧基） • Cyt P450等 • 成为含功能基团产物 • 内源性酸如葡萄糖醛酸、硫酸或氨基酸 • 转移酶 • 高度亲水的、较不活泼的有机酸排出体外

25. 2.亲核物的解毒 • 一般通过在亲核功能基团上的结合反应来解毒 • 如羟基毒物 • 通过硫酸化作用 • 葡萄糖醛酸化作用 • 羧基花 • 成为高度亲水的、较不活泼的分子而排出体外

26. 3.亲电物的解毒 • 一般通过与巯基亲核物谷胱苷肽共轭结合而解毒 • 此类反应可自发产生 • 或由谷胱甘肽-S-转移酶协同进行 • 金属离子 • Ag2+ (silver) • Cd2+ (cadmium) • Hg2+ (mercury) • CH3Hg离子(methyl mercury, commonly called as organic mercury) • 与谷胱甘肽反应而解毒

27. 4.自由基解毒 • 没有任何一种酶能排除.OH • 唯一有效的抗.OH方法是防止其产生 • 可通过两个反应防止其产生 • 将O2-.先转化成HOOH，再将HOOH转化成水

28. 5.蛋白质毒素解毒 细胞内/外的蛋白酶参与有毒多肽的失活

29. 六、解毒过程失效 原因 后果 使解毒酶失活(偶尔可见) 中毒、终毒物蓄积 某些结合反应可被逆转 中毒、终毒物蓄积 有时解毒过程产生潜在的 中毒、终毒物蓄积 有害副产物

30. 第二节 终毒物与靶分子的反应 Section 2 reaction of the ultimate toxicant with the target molecule

32. 一、靶分子的属性(attribute) • 理论上所有内源性物都是毒物的潜在靶标 • 主要有 • 机体大分子 • 如核酸，特别是DNA • 蛋白质 • 膜脂质 • 其他成分 ❖并不是所有的毒物与靶标的反应都有害 ?

33. 确定毒作用靶分子的标准 • 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

34. 二、终毒物与靶标反应的类型 • 非共价结合(noncovalent binding) • 共价结合(covalent binding) • 去氢反应(hydrogen abstraction) • 电子转移(electron transfer) • 酶促反应(enzymatic reaction)

35. （一）非共价结合 • 通过非极性交互作用或形成氢键与离子键 • 如毒物与膜受体、细胞内受体、离子通道 • 某些酶等靶分子的交互作用 • 特点 • 互补结合 • 通常是可逆的

36. （二）共价结合 • 共价结合一般是不可逆的，能永久性改变内 源性分子结构，故共价结合具有重要的毒理 学意义 ❖亲电毒物与亲核生物大分子 • 如：蛋白质和核酸的反应 ❖亲电原子对亲核原子具有选择性，这主要取决于其负载与半径的比例 ➢软（次）亲电物较易与软（次）亲核物反应 ➢硬（强）亲电物较易与硬（强）亲核物反应

37. 三、毒物对靶分子的影响 • 是指终毒物与内源性分子反应，引起靶分子的功能失调和结构破坏 • 表现为 • 靶分子功能失调 • 靶分子结构的破坏 • 新抗原形成 • 化学物引起的生物学微环境改变而产生毒性

38. 1.靶分子功能失调 • 常见的是毒物抑制靶分子功能 • 也有毒物能模拟内源配体而激活蛋白质的靶分子 • AhR • 阻断神经递质的传递 • 阻断离子的转运而抑制线粒体电子传送链的功能 • 作用于蛋白质结构的关键部位是其活性基团 • 有干扰DNA的模板功能

39. 2.靶分子结构的破坏 • 形成DNA加合物(adduct) • 也可改变内源分子的主体结构 • 通过交联 • 导致分子断裂，等 • 脂质过氧化分解作用 • 蛋白质降解作用 • DNA断裂作用

40. 3.新抗原形成 • 变异的蛋白可能会促发免疫反应

41. 4.引起的生物学微环境改变的毒物 • 能改变生物水相中H+离子浓度的化学物 • 使细胞膜脂质相发生物理化学改变 • 通过占据位置或空间引起危害

42. 第三节 细胞功能障碍与毒性 Section 3 cellular dysfunction and toxicity

43. 细胞的正常生理功能 机体协调细胞的各种活动，是通过每个细胞执行其各自的指令或程序而实现的 • 长期程序决定细胞的归宿，即细胞是否进入分裂、分化或死亡 • 短期程序控制各种已分化细胞的活动，决定细胞是否分泌各种物质、转移或代谢营养物质等 • 由信号分子来调节和控制—激活其细胞受体，通过信号传达的网络将信号传送至基因的调节部位或功能蛋白 • 对每个信号分子来说多有多种调节网络功能系统

44. 受体激活激发的信号传导示意图

45. 一、毒物引起的细胞调节功能障碍 任何能够直接或间接干扰细胞正常信号传导和功能调节的毒物都能引起细胞调节功能障碍(cellular dysregulation) • 主要是通过受体激活

46. 受体激活可 • 改变特异靶基因的表达，使特定蛋白的功能 • 增加或减少 • 调节磷酸化/去磷酸化(phospharylation and dephospharylation)，使特定蛋白发生化学修饰，从而激活或抑制蛋白质 • p53 etc. ❖ 控制细胞归宿的程序主要影响基因表达 ❖ 调节细胞活动的程序主要影响蛋白质功能

47. 蛋白激酶—磷酸化 磷酸水解酶

48. （一）基因表达调节障碍 可发生在 • 与转录直接有关的部位 • 在信号传导的网络部位 • 或者在其信号分子的合成、储存和释放的过程中

49. 1.转录调节障碍 • 遗传信息从DNA转录到mRNA的过程 • 调控 • 主要是由转录因子与基因的及启动部位相互作用 • 毒物可作用于转录因子、基因启动 部位或其他启动复合体部位 ➢配体激活 ➢信号激活

50. 2.信号转导调节障碍 • 激活转录因子(Transcription Factor) • 细胞激动素(cytokine) • 激素(hormone)和生长因子(growth factor)等 • 常见的激动转录因子及启动基因转录的机制 是磷酸化反应 • 绝大多数影响信号传递至转录因子，包括蛋白质磷酸化或去磷酸化的反应，都会改变由转录因子调节的基因表达