主题：适应、损伤与修复学科：毒理学

1

主题：适应、损伤与修复学科：毒理学

毒作用机制毒作用机制

2

化学物暴露到产生毒效应可能存在的阶段

外源化学物外源化学物

吸收、分布、代谢、排泄吸收、分布、代谢、排泄

与靶分子相互作用与靶分子相互作用

细胞功能失调、损伤细胞功能失调、损伤

细胞修复功能失调细胞修复功能失调

Step 1

Step 3

Step 4

Step 2

毒

效

应

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

A D M E

3

第一阶段第一阶段

毒物转运毒物转运 -- 从接触部位到靶部位从接触部位到靶部位


4

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（毒物从接触部位进入血液循环（吸收、进入循环前消除）吸收、进入循环前消除）• 毒物从血液循环到达靶部位毒物从血液循环到达靶部位 1. 1. 促进因素促进因素 ① ① 毛细血管内皮多孔性：肝窦、肾小管周围毛细血管毛细血管内皮多孔性：肝窦、肾小管周围毛细血管 ② ② 专一化的膜转运：铊、百草枯专一化的膜转运：铊、百草枯 ③ ③ 细胞器内蓄积：溶酶体、线粒体细胞器内蓄积：溶酶体、线粒体 ④ ④ 可逆性细胞内结合：黑色素可逆性细胞内结合：黑色素 2. 2. 阻碍机制阻碍机制 ① ① 血浆蛋白血浆蛋白结合结合 ② ② 专一化专一化屏障屏障 ③ ③ 贮存部位贮存部位分布：铅、分布：铅、 DDTDDT ④ ④ 与细胞内结合蛋白结合：与细胞内结合蛋白结合：金属硫蛋白金属硫蛋白 ⑤ ⑤ 从细胞内排除：从细胞内排除： mdrmdr 表达的表达的 PP 蛋白蛋白 3. 3. 排泄排泄与与重吸收重吸收


5

增毒作用—终毒物增毒作用—终毒物• 终毒物终毒物（（ ultimate toxicantultimate toxicant ）） : : 是指直接与生物靶分子反应是指直接与生物靶分子反应

或改变生物学微环境、导致结构和或改变生物学微环境、导致结构和 // 或功能紊乱的化学物或功能紊乱的化学物• 增毒作用增毒作用（（ toxicatyiontoxicatyion ）） : : 外源化学物在体内经生物转化为外源化学物在体内经生物转化为

终毒物的过程终毒物的过程

终毒物分类

亲电子剂（亲电子剂（ electrophileselectrophiles ））

自由基（自由基（ free radicalsfree radicals ））

亲核剂（亲核剂（ nucleophilesnucleophiles ））

氧化还原产物（氧化还原产物（ redox-active reductantsredox-active reductants ））


6

终毒物的来源终毒物的来源


7

• 亲电子剂亲电子剂– 指含有一个缺电子原子的分子指含有一个缺电子原子的分子– 带部分或全部正电荷带部分或全部正电荷– 与多种化学物的增毒作用有关与多种化学物的增毒作用有关– 形成方式：形成方式： 11 ）插入一个氧原子，氧原子从其附着的原子中获得一个电子）插入一个氧原子，氧原子从其附着的原子中获得一个电子 22 ）氧的去极化作用，使双键碳之一发生电子缺失）氧的去极化作用，使双键碳之一发生电子缺失 33 ）阳离子亲电物：有机物异裂作用，无机物氧化或还原）阳离子亲电物：有机物异裂作用，无机物氧化或还原


8

• 自由基自由基– 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的分子或分子片段

– 形成方式：形成方式：• 接受一个电子接受一个电子• 丢失一个电子：亲核化学物丢失一个电子：亲核化学物• 共价键均裂共价键均裂

– 活性氧（活性氧（ ROSROS ）：）：超氧阴离子超氧阴离子 (O(O22··--)) 和羟自由基和羟自由基 (·OH)(·OH)

– 活性氮（活性氮（ RNSRNS ）：）：过氧亚硝基（过氧亚硝基（ ONOO·ONOO· ））


9

百草枯（百草枯（ PQPQ++++ ）、多柔比星（）、多柔比星（ DRDR ）和呋喃妥英（）和呋喃妥英（ NFNF ））接受一个电子产生的超氧阴离子自由基接受一个电子产生的超氧阴离子自由基

½ NADPH+H+

½ NADP+

P450还原酶

PQ++

DR NF

PQDR NF

-·

+·

-·O2

O2

-·


10

超氧阴离子自由基通过两种均裂途径形成最终增毒形式

ONOO- HOOH

[HOOH]-

HO HO -·NO2· CO3

+·

ONOOCO2-

O2

-·

FENTON 反应


11

• 亲核物亲核物– 具有未共用电子对的中性分子和负离子具有未共用电子对的中性分子和负离子 – 形成方式：形成方式：

• 主要是氧化反应主要是氧化反应– 典型的亲核物：典型的亲核物：

氰化物：苦杏仁、丙烯晴、硝普钠等可形成氰化物：苦杏仁、丙烯晴、硝普钠等可形成 COCO ：二卤甲烷氧化脱卤形成：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是较少见的一种增毒方式


12

解毒作用解毒作用

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

无功能基团毒物的解毒无功能基团毒物的解毒：： I I 相和相和 IIII 相反应相反应亲核剂的解毒：亲核功能基团的结合反应亲核剂的解毒：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亲电子剂的解毒：与谷胱甘肽的结合反应自由基的解毒：自由基的解毒： SODSOD 、、 GSH-PxGSH-Px


蛋白毒素的降解：蛇毒、蛋白毒素的降解：蛇毒、蓖麻毒素？蓖麻毒素？

13

第二阶段第二阶段终毒物与靶分子的反应终毒物与靶分子的反应


14

Department of Toxicology and Nutrition毒理学与营养学系靶分子的属性

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

3

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

2

靶分子终毒物终毒物

15

反应类型反应类型• 非共价结合非共价结合

– 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：典型举例：

番木鳖碱：与脊髓运动神经元甘氨酸受体结合番木鳖碱：与脊髓运动神经元甘氨酸受体结合 TCDDTCDD ：与芳烃受体结合：与芳烃受体结合蛤蚌毒素：与钠通道结合蛤蚌毒素：与钠通道结合佛波酯：与蛋白激酶佛波酯：与蛋白激酶 CC 结合结合杀鼠灵：与维生素杀鼠灵：与维生素 KK22 、、 3-3- 环氧化物还原酶结环氧化物还原酶结合合

– 键能相对较低，通常是键能相对较低，通常是可逆的可逆的


16

• 共价结合共价结合– 举例：举例：

• 亲电子剂（非离子、阳离子亲电子剂等）与靶分子的结合亲电子剂（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亲电子剂与亲核原子的反应性取决于其电荷 //半径半径比比

• 阳离子自由基与靶分子的结合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中性自由基与靶分子的结合

如如 HOHO 、、 NONO22 和和 ClCl33CC

• 亲核毒物与亲电内源性分子的反应亲核毒物与亲电内源性分子的反应– 不可逆不可逆，持久改变内源分子，持久改变内源分子

· · ·


17

• 去氢反应去氢反应– 自由基引起内源化学物去氢，生成新的自由基引起内源化学物去氢，生成新的内源性自由基内源性自由基– 举例：举例：

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

（巯基氧化物的前身）（巯基氧化物的前身）

• 自由基能使游离氨基酸的自由基能使游离氨基酸的 CHCH22 基团去氢，形成基团去氢，形成羰基化合物羰基化合物（进一步与胺类反应，形成与（进一步与胺类反应，形成与 DNADNA 或蛋白质交或蛋白质交联）联）

• 自由基使脱氧核糖去氢并产生自由基使脱氧核糖去氢并产生 C-4’C-4’ 自由基自由基（引起（引起 DNADNA断裂的第一步）断裂的第一步）• 自由基使脂肪酸去氢产生自由基使脂肪酸去氢产生脂质自由基脂质自由基（启动脂质过氧化）（启动脂质过氧化）

· · ·

·


18

• 电子转移电子转移– 化学物将血红蛋白分子中的化学物将血红蛋白分子中的 FeFe2+2+ 氧化成氧化成 FeFe3+3+

• 亚硝酸盐氧化血红蛋白亚硝酸盐氧化血红蛋白• N-N- 羟基芳胺、酚类化合物和肼类与氧合血红蛋白共氧化羟基芳胺、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）（高铁血红蛋白血症）• 酶促反应酶促反应

– 少数毒素通过酶促反应作用于特定靶蛋白少数毒素通过酶促反应作用于特定靶蛋白• 蓖麻毒素蓖麻毒素诱发核糖体水解断裂，阻断蛋白质合成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• 霍乱毒素活化霍乱毒素活化 GG 蛋白蛋白• 蛇毒含有破坏生物分子的水解酶蛇毒含有破坏生物分子的水解酶


19

毒物对靶分子的影响毒物对靶分子的影响

• 靶分子的功能失调靶分子的功能失调– 某些毒物模拟内源性某些毒物模拟内源性配体配体，活化靶蛋白分子，活化靶蛋白分子

• 吗啡激活鸦片受体吗啡激活鸦片受体• 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佛波酯和铅离子激活蛋白激酶 CC

– 多数情况下，化学物抑制靶分子的功能多数情况下，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• DDTDDT 和除虫菊酯抑制钠通道的关闭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（如细胞松弛素松弛素）结合后损害细胞骨架蛋白的组装和拆装过程）结合后损害细胞骨架蛋白的组装和拆装过程


20

– 当毒物与当毒物与蛋白质蛋白质交互作用而改变结构时，蛋白质的功交互作用而改变结构时，蛋白质的功能即发生损害能即发生损害• 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、氧化修饰，活性改变，如酶蛋白酪氨酸磷酸酶、 CaCa2+2+泵和转录因子泵和转录因子 AP-1AP-1 等等

– 毒物可干扰毒物可干扰 DNADNA 的模板功能的模板功能• 毒物与毒物与 DNADNA 共价结合共价结合• 毒物插入双螺旋毒物插入双螺旋 DNADNA链的碱基间链的碱基间


21

• 靶分子的结构破坏靶分子的结构破坏– 毒物通过与内源性分子形成毒物通过与内源性分子形成加合物加合物，发生交联或断裂，发生交联或断裂

• 双功能亲电子剂：二硫化碳、丙烯醛、氮芥等双功能亲电子剂：二硫化碳、丙烯醛、氮芥等与蛋白和与蛋白和 DNADNA 分子发生交联、引起分子发生交联、引起 DNADNA 和蛋白质之间的交联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）羟自由基转换大分子为活性亲电子剂（蛋白羰基） / / 自由基自由基与另一大分子的亲核部位与另一大分子的亲核部位 / / 大分子自由基反应大分子自由基反应

– 毒物引发的靶分子毒物引发的靶分子自发性降解自发性降解• 自由基——脂质过氧化（自由基——脂质过氧化（ LL·· ））

– DNADNA断裂断裂• 自由基、电离辐射等——单链自由基、电离辐射等——单链 / / 双链断裂双链断裂

• 新抗原的形成新抗原的形成– 半抗原半抗原 / / 完全抗原完全抗原


22

第三阶段第三阶段细胞调节和维持功能的改变细胞调节和维持功能的改变


23

靶分子作为效应的决定因素

效应

靶分子的作用

细胞调节

细胞维持

基因表达的调节障碍

瞬间细胞功能的调节障碍

损害内部的维持

损害外部的维持

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

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

损害• ATP合成• 钙离子调节• 蛋白合成• 微管功能• 膜功能

损害整合系统功能如止血功能损害→出血


24

基因表达调节障碍基因表达调节障碍• 基因转录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（影响转录因子（ TFTF ）的活性）的活性是毒物调节基因表达最主是毒物调节基因表达最主要方式。已知两类：配体激活的要方式。已知两类：配体激活的 TFTF 和信号激活的和信号激活的 TFTF

芳烃受体（芳烃受体（ AhRAhR ）——）—— TCDDTCDD 、、 PCBPCB 、、 PAHPAH

雌激素受体（雌激素受体（ ERER ）——）—— DDTDDT 、玉米赤霉烯酮、玉米赤霉烯酮糖皮质激素受体（糖皮质激素受体（ GRGR ）——地塞米松）——地塞米松过氧化物酶体增殖剂激活受体（过氧化物酶体增殖剂激活受体（ PPARPPAR ）——）—— DD

EHPEHP

孕烷孕烷 XX 受体（受体（ PXRPXR ）——）—— PCBsPCBs 、氯丹、氯丹 … … … …


25

• 信号转导调节障碍信号转导调节障碍– c-Fos, c-Jun, c-Myc, Rasc-Fos, c-Jun, c-Myc, Ras 等等– 多种途径：多种途径：

• 改变蛋白磷酸化改变蛋白磷酸化• 干扰干扰 GG 蛋白蛋白 GTPGTP酶活性酶活性• 破坏蛋白破坏蛋白 -- 蛋白交互作用蛋白交互作用• 建立异常蛋白建立异常蛋白 -- 蛋白交互作用蛋白交互作用• 改变信号蛋白合成与降解等改变信号蛋白合成与降解等

• 细胞外信号产生的调节障碍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）（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雌激素：通过促性腺激素分泌的反馈抑制而引起睾丸萎缩睾丸萎缩


26

ATP耗竭

细胞内部维持的损害

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引起细胞致死性损伤 ::

凋亡、胀亡、自噬、坏死凋亡、胀亡、自噬、坏死


27

第四阶段：修复障碍第四阶段：修复障碍


28

ECM

修复

分子修复细胞修复组织修复

蛋白脂肪 DNA 凋亡增殖分裂

损伤修复机制损伤修复机制


29

修复障碍引起的毒性修复障碍引起的毒性

• 炎症炎症• 坏死坏死• 纤维化纤维化• 致癌作用致癌作用


30

炎症• 炎性细胞因子• ROS 和 RNS

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


31

肝细胞坏死

坏死坏死• 分子修复失效分子修复失效• 损伤细胞清除失效损伤细胞清除失效• 邻近细胞分裂替代邻近细胞分裂替代• 受损细胞机制失效受损细胞机制失效


32

矽肺

纤维化纤维化• 细胞外基质增生没细胞外基质增生没

有终止有终止• 主要介质主要介质 TGF-TGF-


33

黄曲霉毒素诱发的黄曲霉毒素诱发的大鼠肝癌大鼠肝癌 ((左左 )) 和前胃乳头状瘤和前胃乳头状瘤 ((右右 ))

致癌作用致癌作用• DNADNA 修复失效修复失效• 细胞凋亡失效细胞凋亡失效• 终止细胞增生失效终止细胞增生失效• 非遗传毒性致癌物非遗传毒性致癌物


主题：适应、损伤与修复 学科：毒理学

Documents

主题：适应、损伤与修复学科：毒理学