毒性机制

毒性机制MechanismsofToxicity毒物作用过程涉及多个步骤：接触吸收转运靶部位分子结构变化，功能紊乱修复修复失调毒性效应。毒物的转运研究中毒机制步骤整体动物有无毒性找出靶器官、靶组织进一步找出受损的细胞、亚细胞分子水平：DNA、RNA或蛋白质苯并(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)一、毒物对靶位点（分子）的作用1、靶位点学说：毒物产生毒性作用的位点，称为靶位点。靶位点：接触污染物的部位；污染物转化、累积部位。2、共价结合学说毒物与靶分子的反应方式：①共价结合：不可逆反应，结构的永久性改变②非共价结合：可逆毒物与生物反应活性中心共价结合：⑴与核酸结合☆核酸：RNA,DNA☆结合方式：共价结合、氢键结合、嵌入碱基对，导致遗传信息的错误表达。☆亲电子结构：自由基，环氧化物亲核结构：羰离子、硝离子等。☆它们可攻击核酸碱基的不同位点．(2)与蛋白质和酶结合：与酶的活性中心结合。(3)脂质：能直接与脂质共价结合的化合物不多．部分有机卤化物．3.自由基作用学说自由基：含有未配对电子的原子或分子。可通过共价键均裂或电子浮获产生。CH3:HCH3•+H•CCl4+eCCl3•+Cl-★具有极高的反应活性。可攻击核酸、蛋白质、脂质等生物大分子，导致结构和功能的异常，出现癌变、畸变、细胞死亡等。(1)生物体内自由基的产生可产生自由基的污染物：硝基、氨基化合物，芳香族化合物，喹啉、CCl4等。催化酶：MFOS酶系统中的NADPH-CytP450还原酶，或NADH-CytB3还原酶MFOS诱导剂：增强MFOS酶系统活性，使另一些污染物的自由基产生量及损伤作用大大增加。活性氧系统：氧自由基：羟基自由基（OH•）、超氧化阴离子自由基（O2-•）氢过氧自由基（HO２-•）、单线态氧（1O2）过氧化氢（H2O2）等．可导致细胞膜破坏，心脏毒性，神经毒性，氧化胁迫，癌症等．（２）自由基的危害A自由基对核酸的攻击导致：DNA主链断裂、单股DNA链断裂，碱基降解、氢键断裂。靶位点：腺嘌呤、鸟嘌呤的C8位，嘧啶的C5＝C6双键等．当DNA损伤不能修复时，即产生突变．B自由基对蛋白质的攻击酶：分子交联或断解。膜蛋白：干扰细胞内离子稳态。特别是钙稳态。C自由基对脂质的攻击对不饱和脂肪酸的攻击，导致脂质过氧化，损害细胞膜的结构和功能．（3）体内防御系统：SOD歧化酶，过氧化氢酶（CAT），谷光苷肽过氧化酶(GSH-Px),GSH,VA,VE,Vc、胡萝卜素等。例如：SOD歧化酶催化：O2-•+SOD-Cu2+O2+SOD-Cu+O2-•+SOD-Cu2++2H+H2O2+SOD-Cu+（4）污染物对自由基防卫系统的影响A重金属B有机毒物C有害气体和粉尘的自由基作用４、受体学说受体：存在于细胞膜上对特定生物活性物质具有识别能力并可选择性地与其结合的大分子蛋白质。生物活性物质：能引起生物效应的各种物质。包括污染物。配体：对受体具有选择性结合能力的生物活性物质。（三）毒物引起的细胞功能障碍机制毒理学（Mechanistictoxicology）主要研究化学物对生物体产生毒性作用的细胞、生化和分子机制，为建立敏感、特异的预测试验，安全性评价与管理、安全性化学物（或药物）的设计与生产以及疾病的诊断和治疗提供科学依据。外源化学物的增毒与终毒物的形成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。终毒物在其作用位点的浓度及持续时间决定了毒效应的强度。增毒（toxication)或代谢活化（metabolicactivation)：外源化学物经生物转化使其毒性增强，甚至可产生致畸、致癌效应的过程。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）一、亲电物的形成（formationofeletraophiles)亲电物（electrophiles)：是一类缺少电子而使整个分子部分或全部带正电的物质。亲电物可与含电子的亲核物共享电子反应常常是外源化学物经Cyp450或其他酶氧化成酮、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二、自由基形成（formationoffreeradicals）自由基（freeradicals)：是指独立游离存在的带有不成对电子的分子、原子或离子；自由基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❖化学性质十分活泼❖反应性极高，半减期极短自由基的来源与类型自由基在生物体内来源有二：一是细胞正常生理过程产生；二是化学毒物在体内代谢过程产生。许多外来化合物可通过各种不同途径产生自由基，但其中最主要的途径是通过氧化还原反应（redoxcycling）。它通过加入一个单电子使化学物还原为不稳定的中间产物，随后这个电子转移给分子氧而形成超氧阴离子自由基(O2-·)，而中间产物则再生为原化学物。如：百草枯(PQ++)、阿霉素(DR)和硝化呋喃托英(NF)可从还原酶接受一个电子形成自由基。(一）自由基的类型（typesoffreeradicals)活性氧（reactiveoxygenspecies,ROS)：一类化学性质活泼的含氧功能基团的物质。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)（二）自由基的来源（sourcesoffreeradicals)1.生物系统产生的自由基❖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：xanthineoxidase、dopamine-β-hydroxylase、D-aminoacidoxidase、andfattyacylCoAoxidase均可产生ROS❖膜酶活性：lipoxygenase、cycloxygenase❖吞噬细胞的吞噬过程及呼吸爆发（respiratoryburst)❖过氧化酶体❖线粒体电子传递过程能生成ROS❖微粒体电子传递系统三、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四、氧化还原活性还原剂的形成(formationofredox-activereactants)➢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而产生毒性作用五、解毒（detoxication)❖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根据毒物化学性质，解毒途径可分为：4.自由基的解毒：酶性抗氧化系统aSOD：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。b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。cGSH-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。d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。e心肌黄酶(DTdiaphorase):葡萄糖-6-磷酸脱氢酶。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、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。5.蛋白质毒素解毒（detoxicationofproteintoxins)胞内或胞外的蛋白酶可能在毒性多肽的解毒中起作用。在蛇毒中发现的几种毒素(如α,β-环蛇毒素，永良部海蛇毒素，磷酯酶)中含有分子内二硫键，这些二硫键是其保持活性必不可少的。硫氧化还原蛋白可使上述几种蛋白失活。硫氧化还原蛋白是一种可还原必需二硫键的内源性二巯基蛋白。六、解毒过程失效（whendetoxicationfails)1.毒物可能使解毒过程失效，终毒物蓄积2.偶尔可见某种具有反应活性的毒物使解毒酶失活3.某些结合反应可被逆转4.有时解毒过程产生潜在的有害副产物终毒物与靶分子的反应（reactionoftheultimatetoxicantwiththetargetmolecule)一、靶分子的属性(attributesoftargetmolecules)理论上所有内源性化合物都是毒物潜在的靶标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标的反应都是有害的确定毒作用靶分子的标准：1.终毒物与靶标反应，并对其功能产生不良影响2.终毒物在靶部位达到有效浓度3.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二、反应类型（typesofreactions)1.非共价结合（noncovalentbinding)：通过非极性交互作用或氢键与离子键的形成。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2.共价结合（covalentbinding)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❖亲电毒物与亲核物如生物大分子：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➢次亲电物较易与次亲核物反应➢强亲电物较易与强亲核物反应羟自由基与DNA碱基结合形成许多产物，如8-羟基鸟嘌呤、5-羟甲基嘧啶等，均引起DNA损伤3.去氢反应（hydrogenabstraction)：自由基可迅速从内源化合物去除氢原子4.电子转移（electrontransfer)：5.酶促反应（enzymaticreaction)：三、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1.靶分子功能失调：❖有些毒物能模拟内源配体而激活蛋白质的靶分子❖化学物抑制靶分子功能则更常见❖阻断神经递质的传递❖阻断离子的转运抑制线粒体电子传送链的功能➢毒物作用于蛋白质结构的关键部位，如巯基基团➢毒物干扰DNA的模板功能2.靶分子结构的破坏：毒物除了形成DNA加合物外，还可通过交联和分子断裂而改变内源分子的主体结构❖脂质过氧化分解作用❖蛋白质降解作用❖DNA断裂作用脂质过氧化损害：脂质过氧化(lipidperoxidation)：指主要由自由基引起的多不饱和脂肪酸的氧化作用对生物膜具有强烈的破坏作用。1.自由基的形成与脂质过氧化的关系①启动阶段：脂质过氧化是由一些脂链侧链亚甲基碳上除去一个氢的化合物所启动。OH·是最重要的脂质过氧化的诱导物。②发展阶段：已形成的自由基将作为启动子而产生新的自由基