4第四章毒作用机制讲解

青海大学医学院12020/5/28第四章毒作用机制青海大学医学院公共卫生系王树林青海大学医学院22020/5/28第四章毒作用机制第一节：毒物的ADME过程与靶器官第二节：靶分子反应（熟悉）第三节：细胞调节功能障碍（掌握）第四节：修复障碍（掌握）第五节：毒物毒作用的表观遗传机制（了解）青海大学医学院32020/5/28毒作用机制涉及多个层次和步骤毒物被转运到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毒物引起的靶分子结构改变或功能紊乱超过修复能力或修复本身障碍时，即产生毒作用效应青海大学医学院42020/5/28化学毒物产生毒作用的可能途径化学毒物吸收、分布、代谢、排泄与靶分子相互作用细胞功能失调、损伤毒性②③细胞修复功能失调①化学毒物青海大学医学院52020/5/28第一节毒物的ADME过程与靶器官毒物的ADME过程——毒作用发展的第一阶段终毒物增毒解毒青海大学医学院62020/5/28毒物的ADME过程——毒作用发展的第一阶段暴露位点转运与转化靶部位吸收分布到靶部位重吸收增毒作用解毒作用排泄进入大循环前清除由靶部位向外分布终毒物靶分子毒物青海大学医学院72020/5/28终毒物毒效应的强度主要取决于终毒物在其靶部位的浓度及持续时间。终毒物（ultimatetoxicant）是指直接与内源靶分子（如受体、酶、DNA、微丝蛋白、脂质）反应或引起机体生物学（微）环境改变、导致机体结构和（或）功能紊乱并表现出毒作用的物质。终毒物可为机体所暴露的原化学物（母化合物）；代谢产物。青海大学医学院82020/5/28增毒增毒(toxication)生物转化为有害产物的过程。也称代谢活化（metabolicactivation）。增毒过程主要是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)青海大学医学院92020/5/28增毒一、亲电子剂的形成（formationofeletraophiles)化学物在代谢活化时形成非离子亲电子剂。亲电子剂（electrophiles)：是含有一个缺电子原子（带部分或全部正电荷）的分子。该缺电子原子中的部分或全部阳电荷使其很容易通过共享电子对的方式与亲核剂中富含电子的原子反应。青海大学医学院102020/5/28增毒亲电子剂形成机制：外源化合物通过插入一个氧原子，该氧原子从其附着的原子中获得一个电子，使其具有亲电性。醛、酮、环氧化物、芳烃氧化物、亚砜类、亚硝基化合物、磷酸酯和酰基卤等亲电子剂通过此机制形成。外源化合物通过氧的去电子作用而被极化，使得其双键碳之一发生电子缺失，而形成亲电子剂。α,β-不饱和酮及醛类、醌类或醌亚胺类等亲电子剂通过此机制形成。阳性亲电子剂常由化学键断裂而形成。涉及的酶类：细胞色素P-450或其他酶。青海大学医学院112020/5/28亲电子剂形成苯并(a)芘[benzo(a)pyrene，BaP]P-4507,8-环氧苯并(a)芘7,8-二羟-BaP7,8-二羟基-9,10-环氧BaP环氧化物水解酶(终致癌物)青海大学医学院122020/5/28增毒二、自由基形成（formationoffreeradicals：自由基是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。自由基（freeradicals)：是指独立游离存在的带有不成对电子的分子、原子。氧化应激（OxidativeStress，OS），体内氧化与抗氧化作用失衡，倾向于氧化。氧化应激是由自由基在体内产生的一种负面作用，并被认为是导致衰老和疾病的一个重要因素。青海大学医学院132020/5/28增毒自由基适量过多发挥重要生理功能机体损害作用青海大学医学院142020/5/28增毒自由基的类型(typesoffreeradicals)青海大学医学院152020/5/28增毒活性氧（reactiveoxygenspecies,ROS)：一类化学性质活泼的含氧功能基团的物质。主要包括：氧中心自由基：超氧阴离子自由基(O2.）；羟基自由基（.OH)某些氧的非自由基衍生物：单线态氧；过氧化氢（H2O2)；次氯酸（HOCl)还包括过氧化物、氢过氧化物和内源性脂质及外源化学物的环氧代谢物。臭氧（O3)氮氧化物（NOX)青海大学医学院162020/5/28增毒三、亲核物的形成(formationofnucleophiles)：是毒物活化作用较少见的一种机制。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。青海大学医学院172020/5/28增毒四、活性氧化还原反应物的形成(formationofredox-activereactants)硝酸盐肠道细菌还原亚硝酸酯或硝酸酯谷胱甘肽亚硝酸盐高铁血红蛋白青海大学医学院182020/5/28解毒解毒（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。毒物一般有多种代谢途径，不同的代谢途径机制可能机制不同，其结局也不同，有的是解毒，而有的是增毒。青海大学医学院192020/5/28解毒1.无功能基团毒物的解毒2.亲核物的解毒3.亲电物的解毒4.自由基解毒5.蛋白质毒素解毒6.解毒过程失效青海大学医学院202020/5/28解毒1.无功能基团毒物的解毒(detoxicationoftoxicantswithnofunctiongroups):两相反应。无功能基团化学物(苯和甲苯)+功能基团(羟基和羧基)CyP450含功能基团产物+内源性酸(如葡萄糖醛酸、硫酸或氨基酸)转移酶不活泼的、高度亲水的有机酸排出体外青海大学医学院212020/5/28解毒2.亲核物的解毒(detoxicationofnucleophiles)一般通过在亲核功能基团上的结合反应来解毒。①羟基化合物与硫酸或葡糖醛酸结合；②硫醇类与葡糖醛酸结合；③胺类和肼类化合物被乙酰化。这些结合反应可防止过氧化物酶催化亲核剂生成自由基，也可防止酚类、氨基酚类、儿茶酚类以及氢醌类亲核物经生物转化形成醌类及醌亚胺类亲电子剂。青海大学医学院222020/5/28解毒3.亲电物的解毒(detoxicationofelectrophiles)一般亲电性毒物的解毒是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。金属离子如Ag2+、Cd2+、Hg2+和CH3Hg离子很容易与谷胱甘肽反应而解毒。青海大学医学院232020/5/28解毒4.自由基解毒(detoxicationoffreeradicals)自由基和活性氧解毒依赖于机体的抗氧化系统：酶性和非酶性。脂质过氧化作用：细胞膜和器膜的脂质中含有许多多不饱和脂肪酸（保持细胞膜的相对流动性），易受自由基的攻击，经一系列的连锁反应，其最终结局是脂质崩解产生脂质醇类、醛类或更小的片段（如丙二醛）。青海大学医学院242020/5/28解毒4.自由基解毒(detoxicationoffreeradicals)超氧阴离子自由基：可通过两个反应：即将O2-·先转化成HOOH（SOD)，再将HOOH转化成水(过氧化氢酶)。羟自由基：没有任何一种酶能排除HO·，唯一有效的抗HO·方法是防止其产生。青海大学医学院252020/5/28酶性抗氧化系统酶性抗氧化系统SOD：是一类含有不同辅基的金属结合酶家族，如CuZn-SOD、Fe-SOD与Mn-SOD。它们在细胞内定位变化很大，CuZnSOD存在多种脏器内如肝脏、红细胞，而Mn-SOD主要在线粒体。它的唯一生理功能是歧化超氧阴离子(O2-·)，生成H2O2和O2。过氧化氢酶（CAT）：位于肝细胞和红细胞内过氧化小体中，其主要功能是将H2O2转化为水。青海大学医学院262020/5/28酶性抗氧化系统酶性抗氧化系统GSH-Px（GPO）：在机体内广泛存在，能特异地催化谷胱苷肽对过氧化物的还原反应，使过氧化物转化为水或相应的醇类。可阻断脂质过氧化的链锁反应。谷胱苷肽还原酶（GR）：其分布同GSH-Px，主要功能是产生还原型的谷胱苷肽(GSH)，以保护机体解毒功能的执行。心肌黄酶(DTdiaphorase)：葡萄糖-6-磷酸脱氢酶。青海大学医学院272020/5/28非酶性抗氧化系统在生物体系中广泛分布着许多小分子，它们能通过非酶促反应而清除氧自由基。例如，维生素C、维生素E、GSH、硒、维生素A、尿酸、牛磺酸和次牛磺酸等。谷胱苷肽(GSH)参与GSH—Px的作用，使过氧化物还原为H2O和氧化型谷胱苷肽(GSSG)。有些有毒化学物可耗竭肝脏GSH而继发脂质过氧化，如丙烯腈、苯乙烯等。维生素E它必须与膜结合才能发挥抗氧化作用。首先与氧自由基反应，生成生育酚自由基，再由抗坏血酸—GSH氧化还原偶联反应而还原。它属于“链断裂”抗氧化剂，主要通过提供不稳定的氧给过氧自由基和烷基自由基，从而防止脂质过氧化。青海大学医学院282020/5/28解毒5.蛋白质毒素解毒（detoxicationofproteintoxins)：胞内或胞外的蛋白酶可能在毒作用多肽的解毒中起作用。青海大学医学院292020/5/28解毒6.解毒过程失效(whendetoxicationfails)解毒能力耗竭；解毒酶失活；某些结合反应可被逆转；解毒过程有时产生潜在的有害副产物。青海大学医学院302020/5/28第二节与靶分子的反应毒物与靶分子的反应——毒作用发展的第二阶段靶分子反应的类型毒物对靶分子的影响青海大学医学院312020/5/28毒物与靶分子的反应—毒作用发展的第二阶段反应类型：非共价共价；去氢电子转移酶促影响因素：反应性接触性关键反应毒性结果：功能紊乱结构破坏终毒物靶分子青海大学医学院322020/5/28靶分子潜在的靶分子主要有：机体大分子：如核酸（特别是DNA）和蛋白质膜脂质其他成分并不是所有的毒物与靶分子的反应都是有害的。青海大学医学院332020/5/28反应类型反应类型（typesofreactions)：非共价结合共价结合去氢反应电子转移酶促反应青海大学医学院342020/5/28反应类型—非共价结合1.非共价结合（noncovalentbinding)：某些毒物以非极性交互作用或氢键与离子键等非共价结合方式与靶分子结合。如毒物与膜受体、细胞内受体、离子通道及其某些酶等靶分子的交互作用特点：互补结合通常是可逆的青海大学医学院352020/5/28反应类型—共价结合2.共价结合(covalentbinding)：是指两个原子（或原子团）反应时，在双方各一原子之间形成由一对或多对共用电子组成的键，其中每一共用电子对由结合在一起的两个原子各自贡献出一个电子所组成。最常见的共价结合反应是亲电子剂与内源性亲核物（如生物大分子：蛋白质和核酸）的反应。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。青海大学医学院362020/5/28反应类型—共价结合在毒理学中，共价结合作用是指外来化学物或其代谢产物与机体的重要大分子进行共价结合，改变生物大分子的化学结构与生物学功能，从而引起一系列病理、生理变化。可能与外来化学物或其代谢物发生共价结合的生物大分子有：核酸蛋白质和酶脂质青海大学医学院372020/5/28反应类型3.去氢反应（hydrogenabstraction)：自由基可迅速从内源化合物去除氢原子，生成新的内源性自由基。4.电子转移（electrontransfer)：5.酶促反应（enzymaticreaction)：青海大学医学院382020/5/28毒物对靶分子的影响毒物对靶分子的影响(effectsoftoxicantsontargetmolecules)：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。青海大学医学院392020/5/28毒物对靶分子