1 主题：适应、损伤与修复 学科：毒理学 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 吸收、分布、代谢、排泄 与靶分子相互作用 细胞功能失调、损伤 细胞修复功能失调 毒性 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 毒物转运 - 从接触部位到靶部位 Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

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（吸收、进入循环前消除） 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 毒物从血液循环到达靶部位 1. 促进因素 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 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 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 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 ④ 可逆性细胞内结合：黑色素 2. 阻碍机制 2. 阻碍机制 ① 血浆蛋白结合 ① 血浆蛋白结合 ② 专一化屏障 ② 专一化屏障 ③ 贮存部位分布：铅、 DDT 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 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 ⑤ 从细胞内排除： mdr 表达的 P 蛋白 3. 排泄与重吸收 3. 排泄与重吸收 Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

5 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 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 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 终毒物 分类 亲电子剂（ electrophiles ） 自由基（ free radicals ） 亲核剂（ nucleophiles ） 氧化还原产物（ redox-active reductants ） Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

6 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 – 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 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 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 3 ）阳离子亲电物：有机物异裂作用，无机物氧化或还原 Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

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 的分子或分子片段 – 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（ ROS ）： 超氧阴离子 (O 2 · - ) 和羟自由基 (·OH) – 活性氮（ RNS ）： 过氧亚硝基（ ONOO· ） Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

9 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 ½ NADPH+H + ½ NADP + P450 还原酶 PQ ++ DR NF PQ DR NF -·-· +·+· -·-· O2O2 O2O2 -·-· Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

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 - · NO 2 · CO 3 +·+· ONOOCO 2 - O2O2 -·-· FENTON 反应 Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

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

12 解毒作用 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 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 Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系 蛋白毒素的降解：蛇毒、蓖麻毒素？

13 第二阶段 终毒物与靶分子的反应 Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

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

15 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 – 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 TCDD ：与芳烃受体结合 TCDD ：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 C 结合 佛波酯：与蛋白激酶 C 结合 杀鼠灵：与维生素 K 2 、 3- 环氧化物还原酶结合 杀鼠灵：与维生素 K 2 、 3- 环氧化物还原酶结合 – 键能相对较低，通常是可逆的 Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

16 共价结合 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 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 / 半径比 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 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 HO 、 NO 2 和 Cl 3 C 如 HO 、 NO 2 和 Cl 3 C 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，持久改变内源分子 ··· Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

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 ） 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） （巯基氧化物的前身） 自由基能使游离氨基酸的 CH 2 基团去氢，形成羰基化合物 自由基能使游离氨基酸的 CH 2 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） （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 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） （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 自由基使脂肪酸去氢产生脂质自由基 （启动脂质过氧化） （启动脂质过氧化） ··· · Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

18 电子转移 电子转移 – 化学物将血红蛋白分子中的 Fe 2+ 氧化成 Fe 3+ 亚硝酸盐氧化血红蛋白 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） （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 蓖麻毒素诱发核糖体水解断裂，阻断蛋白质合成 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 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 霍乱毒素活化 G 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 Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

19 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配体，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 C 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 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 DDT 和除虫菊酯抑制钠通道的关闭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 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 Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

20 – 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、 Ca 2+ 泵和转录因子 AP-1 等 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、 Ca 2+ 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 毒物与 DNA 共价结合 毒物插入双螺旋 DNA 链的碱基间 毒物插入双螺旋 DNA 链的碱基间 Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

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 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 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 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 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 · ） 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 自由基、电离辐射等 —— 单链 / 双链断裂 新抗原的形成 新抗原的形成 – 半抗原 / 完全抗原 Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

22 第三阶段细胞调节和维持功能的改变 Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

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

24 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 – 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 芳烃受体（ AhR ） ——TCDD 、 PCB 、 PAH 雌激素受体（ ER ） ——DDT 、玉米赤霉烯酮 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 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 过氧化物酶体增殖剂激活受体（ PPAR ） ——DEHP 孕烷 X 受体（ PXR ） ——PCBs 、氯丹 孕烷 X 受体（ PXR ） ——PCBs 、氯丹 … … … … Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

25 信号转导调节障碍 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 改变蛋白磷酸化 干扰 G 蛋白 GTP 酶活性 干扰 G 蛋白 GTP 酶活性 破坏蛋白 - 蛋白交互作用 破坏蛋白 - 蛋白交互作用 建立异常蛋白 - 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 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 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睾丸萎缩 雌激素：通过促性腺激素分泌的反馈抑制而引起睾丸萎缩 Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

26 ATP 耗竭 细胞内部维持的损害 持续性的 Ca 2+ 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 Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

27 第四阶段：修复障碍 Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

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

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

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

31 肝细胞坏死 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 Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

32 矽肺 纤维化 细胞外基质增生没 有终止 细胞外基质增生没 有终止 主要介质 主要介质 TGF-  TGF-  Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

33 黄曲霉毒素诱发的 大鼠肝癌 ( 左 ) 和前胃乳头状瘤 ( 右 ) 致癌作用 DNA 修复失效DNA 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 Department of Toxicology and Nutrition 毒理学与营养学系

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