第四章 毒性机制

中毒是有毒化学物与机体交互作用，导致机体的功能或结构产生不良改变的结果。除与机体自身有关外，主要取决于化学物暴露的程度与途径。

中毒表现多种多样，毒性机制不一。 与靶分子反应，引起细胞功能失调； 对生物学环境(微环境)产生有害的影响，引起分子、细胞器、细胞或器官等不同水平的功能失调，导致毒效应。

第一节 外源化学物的增毒与终毒物的形成

终毒物 与内源靶分子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。 如外源化学物具有直接毒性作用，终毒物即为机体所暴露的原化学物。

增毒 如毒物的毒性主要是由其代谢物引起，毒物生物转化为有害产物的过程称为增毒（toxication）或代谢活化（metabolic activation）。

增毒作用机理 使生物学微环境发生了不利于机体的变化； 化学结构发生了不利于机体的变化； 通过生物转化而获得更有效地与特定受体或酶相互作用的结构特征和反应性。

增毒使外源化学物转变为 亲电物（electrophiles）； 自由基（free radicals）； 亲核物（nucleophiles）； 氧化还原性反应物（redox-active reductants）

促进终毒物在其靶部位蓄积的因素 毒物的吸收； 作用部位的分布 重吸收； 增毒(代谢活化) 减少终毒物在其靶部位蓄积的因素 毒物进入大循环前的排除； 从作用部位分布到其他部位； 排泄与解毒，

一、亲电物的形成 亲电物 含有一个缺电子原子的分子，它能通过与亲核物中的富电子原子共享电子对而发生反应。

亲电物的形成机理 插入一个氧原子，从其附着的原子中抽取一个电子，使其具有亲电性。 通过氧的去电子作用而被极化，使得双键碳之一发生电子缺失 ； 键异裂形成阳离子亲电物

由无机化学物形成亲电毒物的实例 金属汞氧化为Hg2+； CrO42-还原为CrO33+； AsO43-还原为AsO32-/As3+

二、自由基形成 自由基（free radicals） 独立游离存在的带有不成对电子的分子、原子或离子。自由基主要是由于化合物的共价键发生均裂而产生。

自由基的特点 具有顺磁性； 性质活泼、反应性极高； 半减期极短； 作用半径短。

自由基在肿瘤、辐射损伤、老化和某些疾病发生发展中的作用得到了进一步的证实。自由基在体内虽然不断产生，但也不断为机体的防御体系所清除。

当环境中的物理因素或外源化学物质直接或间接诱导产生的大量自由基超过了机体的清除能力，或内源性自由基产生和清除失去平衡，就会使机体处于氧化应激（oxidative stress），进而造成机体的损害。

(一)自由基的类型 最主要的是活性氧（reactive oxygen species，ROS） 氧中心自由基：O2-·和·OH； 氧的非自由基衍生物：H2O2、单线态氧Δg和次氯酸（HOCl），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。

分子氧的反应性很低。氧的活性可以通过使其两个外层电子中的一个电子改变自旋方向或依次单价还原为自由基而增加。

1．单线态氧 单线态氧具有较高的反应性。 Δ单线态氧(1ΔgO2) 寿命很长，但不含不配对电子，不属于自由基。 Σ单线态氧(1ΣgO2) 具有很高的反应性。半减期很短，形成后立即衰变为Δ单线态氧状态。

2．超氧阴离子自由基(O2-·) 双原子氧经单电子还原而形成，其化学特性主要取决于溶液环境。 水溶液中，弱氧化剂，能氧化某些分子（维生素C和巯基）； 强还原剂，能还原几种含铁复合物，（细胞色素C和Fe2+-EDTA）。

O2-·是两种增毒途径的启动物质 形成过氧化氢，然后形成羟基自由基(·OH)； 产生过氧亚硝基[peroxynitrte（ONOO-)]，最终形成二氧化氮(·NO2)和碳酸盐阴离子自由基(CO3-·)。

在水溶液中O2-·通过歧化反应产生H2O2和O2 O2-·+ O2-·+2H+-----H2O2+O2 O2-·的质子化所形成的氢过氧自由基HO2·与O2-·本身相比，是更强有力的氧化剂和还原剂。O2-·的还原性比氧化性更强些，不能单纯将活性氧看作氧化剂 。

3．过氧化氢(H2O2) 产生O2-·的系统都可产生H2O2。许多酶通过直接转移2个电子给氧而产生H2O2。 是一种弱氧化剂和弱还原剂，在缺乏过渡金属离子时是相对稳定的。 能迅速与水混合，在机体迅速通过细胞膜扩散并被处理为水分子。

机体对抗H2O2的防御体系 过氧化氢酶（catalase）； 谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase）； 其他过氧化物酶。

4．羟基自由基(·OH) ·OH是分子氧三电子还原的产物，是一种化学活性极强的自由基，能与任何生物分子起反应。·OH的半减期不到1μs，作用直径很短（3nm）。

·OH主要来源于金属催化的Haber-Weiss反应或称Fenton型Haber-Weiss反应。Fe3+-络合物能加快反应速度。 Fe3++ O2-· O2+Fe2+ (1) Fe2++H2O2 Fe3++OH-+·OH (2) O2-·+H2O2 O2+OH-+·OH (3)

5．臭氧 臭氧是一种有毒的氧化污染物。在污染的城市空气中存在臭氧，同时也由科学仪器和某些光复印机中使用的强光源产生。臭氧可损害肺，能迅速氧化蛋白质、DNA和脂质。

6．氮的氧化物 NO和NO2含奇数电子，属自由基。 NO可能与O2-·反应产生活性中间产物过氧亚硝基（ONOO-），损害许多生物分子，并能在酸性pH下降解，释放出少量羟基自由基。

ONOO-与CO2反应产生亚硝基过氧碳酸盐（ONOOCO-），它可自发地均裂为二氧化氮（·NO2）和碳酸阴离子自由基（CO3-·）。 ONOO-及其以后的自由基形成代表着O2-·与NO的增毒机制。

7．次氯酸 次氯酸（HOCl），强氧化剂，由活化的中性粒细胞形成。吞噬细胞胞浆中的含血红素的酶（髓过氧化物酶）催化H2O2和氯离子形成HOCl。 H2O2+Cl-+H+ HOCl+H2O

HOCl可通过依赖或不依赖铁的反应而形成羟基自由基。 HOCl +O2-· ·OH +Cl· +O2 HOCl+Fe2+ ·OH+Cl·+Fe3+

（二）自由基的来源 1．生物系统产生的自由基 (1)胞浆中的小分子 细胞浆中的儿茶酚胺类、黄素类、四氢蝶呤类、醌类和巯基类等可溶性小分子的自氧化过程可促使O2的还原而产生氧自由基。

(2)胞浆蛋白质 胞浆酶，可通过酶促循环而直接还原分子氧自由基、H2O2，可能还有羟基自由基； 氧化酶，如多巴胺-β-羟化酶(dopamine-β-hydroxylase)、D-氨基酸氧化酶(D-amino acid oxidase)、尿酸氧化酶(urate oxidase)和脂肪酰CoA氧化酶(fatty acyl CoA oxidase)也能生成ROS。

(3)膜酶活性 脂肪氧合酶（hpoxygenase）和环加氧酶(cyclooxygenase)催化产生氧自由基； 环加氧酶的增毒产物可与氧反应产生高活性的活性氧。

(4)吞噬细胞的吞噬过程及“呼吸暴发” (respiratory burst) 当吞噬细胞被活化并准备吞噬时，会出现氧耗的增高。还原型烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶催化氧分子还原为超氧自由基。

(5)过氧化酶体 刺激过氧化酶体生物合成的化学物能诱导H2O2的过量生成。 过氧化酶体含有高浓度的氧化酶，如乙醇酸氧化酶（glycollate oxidase）或D-氨基酸氧化酶（D-amino acid oxidase），能催化分子氧二价还原形成H2O2。

(6)线粒体电子传递过程能生成ROS 线粒体在整体或离体都产生ROS，主要是O2-· 涉及 NADH-辅酶Q(复合物Ι)； 琥珀酸-辅酶Q(复合物Ⅱ)； 辅酶QH2-细胞色素C还原酶(复合物Ⅲ)； 非血红素铁-硫蛋白

(7)微粒体电子传递系统 混合功能氧化酶家族在氧化底物时需要由NADPH供给电子以产生部分还原的氧中间体，在电子传递过程中可发生渗漏，导致周围组织结构的损害。 损害或外源化学物存在时，可大大提高这一来源的ROS。细胞色素还原酶参与细胞色素P450和b5的氧化还原反应，当它们催化某些外源化学物还原然后发生自氧化时，也能产生O2-·和H2O2。

2．外源化学物的氧化还原代谢 许多外源化学物可通过各种不同通过氧化还原循环(redox cycling)途径形成自由基 。（图4-3）。

O2 O2-· PQ2+ DR NF PQ+· DR-· NF-·

(1) 醌类 某些带有活性基团或杂环的对-苯醌类、取代蒽醌类和其他复杂的醌类的毒性已在临床用作为抗癌药物。如丝裂霉素、链黑霉素、阿霉素、博莱霉素、道诺霉素和黑孢霉素等均能产生ROS。

(2) 硝基化合物 苯的硝基化合物以及硝基杂环化合物包括呋喃妥因、呋喃西啉、氯霉素、米索硝唑（misonidazole）和甲硝唑（metronidozole）等均能被黄素蛋白、NADPH-细胞色素P-450还原酶或其他细胞内还原酶还原活化，引起血液毒性和肝毒性。

(3) 双吡啶化合物 百草枯（paraquat）和杀草快（diquat）引起肺损害。 (4) 卤代烷烃 CCl4、卤烷(CF3CHClBr)引起肝损害

三、亲核物的形成 亲核物的形成是毒物活化作用较少见的一种机制。 丙烯腈环氧化后和谷胱甘肽结合形成氰化物； 硝普钠(sodium mitroprusside)经巯基诱导降解后形成氰化物； CO是二卤甲烷经过氧化脱卤的有毒代谢产物； 硒化氢是由亚硒酸盐与谷胱甘肽或其他巯基反应形成的。

四、氧化还原活性还原剂的形成 硝酸盐通过肠道细菌还原、亚硝酸酯或硝酸酯与谷胱甘肽反应而形成亚硝酸盐； 氨苯砜(dapsone)羟胺和5-羟伯氨喹啉通过协同氧化作用而引起高铁血红蛋白的形成； 还原剂如维生素C以及还原酶如NADPH依赖的黄素酶使Cr6+还原为Cr5+。

氧化还原循环形成的外源性自由基以及O2-·和·NO能还原结合于铁蛋白的Fe3+，随后以Fe2+形式将其释放，由此形成的Cr5+和Fe2+催化·HO形成。

大多数反应性代谢物是缺电子的分子或分子片段，如亲电物和中性或阳离子自由基。虽然某些亲核物是具有反应性的，但许多亲核物是通过转变为亲电物或自由基而活化。同样，具有多余电子的自由基在HOOH形成及其后发生均裂的过程中产生中性·OH而导致损害。

五、解毒 排除终毒物或阻止其形成的生物转化过程称为解毒。 在某些情况下，解毒可与增毒过程竞争某一化学物。 解毒的途径取决于毒物的化学特征。

1．无功能基团毒物的解毒 以两相方式解毒。最常见的是通过细胞色素P-450酶将功能基团引入到分子中，随后发生结合反应，形成失活的、高度亲水的、易于排泄的有机酸。

2．亲核物的解毒 通过在亲核功能基团上的结合反应解毒。 羟化的化合物：硫酸、葡萄糖醛酸结合、偶尔通过甲基化作用； 巯基化合物：甲基化或葡萄糖醛酸化； 胺类和肼类：乙酰基化，防止由过氧化物酶催化的亲核物转变为自由基； 酚、氨基酚、儿茶酚和氢醌：生物转化为亲电性的醌和醌亚胺。

排除巯基化合物和肼类的另一个途径是通过含黄素酶的单加氧酶类的氧化作用。 醇类经醇及醛脱氢酶氧化为羧酸而解毒； 氰化物经硫氰酸酶生物转化而形成硫氰酸

3．亲电物的解毒 与谷胱甘肽（巯基亲核物）结合，可自发地发生，也可由谷胱甘肽-S-转移酶催化。 金属离子与谷胱甘肽反应并通过谷胱甘肽来解毒。

亲电化学物解毒的特殊机制 环氧化物水化酶催化的环氧化物与芳烃氧化物分别生物转化为二醇类和二氢二醇类； 羧基酯酶催化的有机磷酸酯杀虫剂的水解。 醌经黄递酶(DT)双电子还原为氢醌； α、β-不饱和醛由醇脱氢酶还原为醇、或由醛脱氢酶氧化为酸； 具有巯基反应活性的金属离子由金属硫蛋白形成复合物； 氧化还原活性的二价铁由铁蛋白形成复合物。

4．自由基的解毒 O2-·的排除 通过胞浆（Cu、Zn-SOD）和线粒体（Mn-SOD）中的SOD来实施。 将O2-·转变为HOOH，被胞浆中含硒半胱氨酸的谷胱甘肽过氧化物酶（GPO）或过氧化物酶体系中的过氧化氢酶（CAT）还原为水。

·OH的排除 ·OH的半衰期极短(10-9s)，没有任何酶能排除·OH。排除其前体H2O2是惟一有效的手段。

谷胱甘肽排除自由基时，其自身被氧化，但可被谷胱甘肽还原酶所逆转。

5．蛋白质毒素的解毒 胞外和胞内的蛋白酶参与有毒多肽的失活作用。 α-和β-银环蛇毒素、半环扁尾蛇毒素和磷酯酶含有其活性所需的分子内二硫键。可被还原必需二硫键的内源性双巯基蛋白——硫氧还蛋白(thioredoxin)所失活。

六、解毒过程失效 1．毒物可能使解毒过程失效 解毒酶耗竭 共底物（cosubstractes）的消耗或细胞抗氧化剂，如谷胱甘肽、维生素C和α-维生素E的耗竭，导致解毒失效，终毒物的蓄积。

2．具有反应活性的毒物使解毒酶失活 ONOO-使Mn-SOD失效。 3. 某些结合反应可被逆转 α-萘胺在肝被N-羟化并进行葡萄糖醛酸结合，以葡糖苷酸式排泄到尿中。而在膀胱中，葡糖苷酸被水解，释放的芳基羟胺经质子化过程和脱水过程转变为具有反应性的亲电子芳基硝铺离子。

4．解毒过程产生潜在的有害副产物 在自由基解毒过程中产生如谷胱甘肽自由基和谷胱甘肽二硫化物（图4-5）。能与蛋白巯基形成混合二硫化物，而谷胱甘肽硫基自由基（GS·）在与硫醇盐（GS-）反应后形成谷胱甘肽二硫化物自由基阴离子（GSSG-·），它能使O2还原为O2-·

第二节 终毒物与靶分子的反应

终毒物与靶分子的交互作用触发毒性效应需考虑以下几个方面： ① 靶分子的属性； ② 终毒物与靶分子之间反应的类型； ③ 毒物对靶分子的效应； ④ 生物学微环境改变所引起的毒性。

一、靶分子的属性 所有的内源化合物都是毒物潜在的靶标，最相关的靶标是大分子。在小分子中，膜脂质最为常见。此外，辅因子如辅酶A和吡哆醛也被涉及。

成为靶标的条件 内源性分子作为一个靶分子必须具有合适的反应性和（或）空间构型，以容许终毒物发生共价或非共价反应。 靶分子必须接触足够高浓度的终毒物。处于反应活性化学物邻近或接近它们形成部位的内源性分子常常是靶分子。

活性代谢物的第一个靶分子常常是催化这些代谢物形成的酶或邻近的细胞内结构， 在密切靠近其形成部位未能找到合适内源性分子的活性代谢物时，可发生扩散直至它们遇到这样的反应物。

负责甲状腺激素合成的酶——甲状腺过氧化物酶将某些亲核的外源化学物[如甲巯咪唑（methimazole）、氨基三唑（amitrole）和间苯二酚（resorcinol）]转变为活性自由基代谢物，这些自由基代谢物又使甲状腺过氧化物酶失活，这是这些化学物抗甲状腺作用以及诱发甲状腺肿瘤的基础。

四氯化碳由细胞色素P-450活化后破坏细胞色素P-450酶本身及其邻近的微粒体膜。几种线粒体酶是肾毒性半胱氨酸结合物如二氯乙烯半胱氨酸的合适靶分子，因为这种结合物在相同的细胞器由线粒体半胱氨酸结合物-裂合酶转变为亲电物。

不出现不良后果的蛋白质共价结合甚至可能代表某种形式的解毒作用（通过占有毒理学相关的靶分子），如：有机磷杀虫剂血浆胆碱酯酶是一种保护机制，因为减少了靶分子乙酰胆碱酯酶共价结合的磷酰化。

如何确证引起毒性的靶分子 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的浓度； 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、反应的类型 与靶分子非共价结合； 与靶分子共价结合； 靶分子去氢反应； 靶分子电子转移； 酶促反应。

1．非共价结合 非共价结合 （nonconvalent binding） 通过非极性交互作用或氢键与离子键的形成，具有代表性的是毒物与膜受体、细胞内受体、离子通道以及某些酶等靶分子的交互作用。

外源化学物原子的空间排列使它们与内源性分子的互补部位结合，因而表现出毒性效应。非共价结合通常是可逆的，因为键能相对较低。

2．共价结合 （convalescent binding） 共价结合不可逆且持久地改变内源分子。共价加合物的形成常见于亲电毒物。这些毒物与生物大分子中的亲核原子反应，亲电原子对亲核原子表现出某些选择性，取决于它们的电荷/半径比。

软亲电物较易与软亲核物反应，而硬亲电子较易与硬亲核物反应（表4-4） 。 银和汞类，软亲电物，优先与软亲核物反应； 锂、钙和钡类，硬亲电物，优先与硬亲核物反应； 铬、锌和铅，与亲核物的反应普遍性

中性自由基如·OH、·NO2和Cl3C·也能共价结合于生物分子。 羟基自由基加入到DNA碱基导致许多产物的形成，包括8-羟嘌呤、5-羟甲基嘧啶以及胸腺嘧啶和胞嘧啶的乙二醇。

亲核毒物倾向于与亲电内源化合物反应，但这样的反应不常发生，因为在生物分子中亲电物十分罕见。 胺类和肼类与一种脱羧酶的共底物吡哆醛(pyridoxal)的共价反应； 一氧化碳、氰化物、硫化氢和叠氮化物与各种血红素蛋白中的铁形成配位共价键。其他亲核物以电子转移反应的方式与血红蛋白反应。

3．去氢反应 内源化合物去除氢，将其转变为自由基； 巯基化合物去除氢形成硫基自由基(R-S·)； 氨基酸残基的CH2基除去氢，转变为羰基化合物，与DNA或其他蛋白质的交联。 脱氧核糖去除氢，产生C4‘-自由基； 脂肪酸去除氢，产生脂质自由基； 酪氨酸残基的硝基化可能涉及去氢反应，酪氨酰（tyrosyl）自由基与NO2共价结合。

4. 电子转移 化学物能将血红蛋白中的Fe2+氧化为Fe3+，形成高铁血红蛋白血症。亚硝酸盐能氧化血红蛋白，而N-羟基芳胺、酚类化合物和肼类与氧合血红蛋白共氧化，形成高铁血红蛋白与过氧化氢。

5．酶促反应 少数毒素通过酶促反应（enzymatic reaction）作用于特定靶蛋白上。 蓖麻蛋白(ricin)诱发核糖体的水解断裂，阻断蛋白质的合成； 几种细菌毒素催化ADP-核糖从AND+转移到特定蛋白质；

三、毒物对靶分子的影响 1．靶分子功能失调 毒物活化靶蛋白分子，模拟内源性配体。 吗啡激活鸦片受体； 氯苯丁酯(clofibrate)为一种过氧化物酶体增殖物激活性受体的激动剂； 佛波酯和铅离子刺激蛋白激酶C。

化学物抑制靶分子的功能 阿托品、箭毒（curare）和番木鳖碱（strychine）附着于配体结合部位或通过干扰离子通道而阻断神经递质受体。 河豚毒素（tetrotodoxin）和蛤蚌毒素（saxitoxin）抑制神经元膜上电压激活的钠通道开放； DDT和除虫菊酯（pyrethroid）杀虫剂抑制它们的关闭；

某些毒物阻断离子转运蛋白； 毒物抑制线粒体电子转移复合物； 多毒物抑制酶活性； 损害细胞骨架蛋白的组装的拆装过程。

化学物与DNA共价结合引起复制期间核苷酸错配。黄曲霉毒素诱发的ras原癌基因及p53肿瘤抑制基因突变的出现。

2．靶分子的破坏 毒物通过交联和断裂而使内源分子的初级结构改变。 2，5-己二酮、二硫化碳、丙烯醛、4-羟壬醛（4-hydroxynonensl）和氮芥烷化剂能交联细胞骨架蛋白、DNA，或使DNA与蛋白质交联。

靶分子对化学物攻击后的自发性降解敏感 Cl3COO·和·OH自由基可通过从脂肪酸去除氢而启动脂质的过氧化降解，所形成的脂质自由基（L·）紧接着通过氧固化作用转变为脂质过氧自由基（LOO·）

毒物引起酶辅基破坏 细胞色素P-450将烯丙基异丙基乙酰胺转变为具有反应活性的代谢物，它使酶的血红素部位发生烷基化，导致变化了的血红素丢失及卟啉症的发生。

毒物可引起DNA断裂 羟基自由基通过从DNA的核糖提取H、产生C-4’由基、随后发生O2-·加成、Griegee重排和磷酸二酯链的断裂而引起单链断裂。多种羟自由基攻击长度较短的DNA引起双链断裂，受影响细胞常表现为致死效应。

3．新抗原形成 外源化学物或其代谢物的共价结合可激发免疫应答。 某些化学物可能具有足够高的反应性而自发地结合于蛋白质。另外一些化学物可通过自氧化为醌类或通过酶促生物转化而获得反应性。

细胞色素P-450将氟烷转化为三氟乙酰氯（trifluoacetyl chloride），作为半抗原与肝各种微粒体和细胞表面蛋白质结合，诱导抗体产生。

4．化学物引起生物学微环境改变与毒性 ① 能改变生物水相中的H+离子浓度的化学物，在线粒体基质中使酚的质子分离，使推动ATP合成的质子梯度消失； ② 使细胞膜脂质相发生物理化学改变以及破坏细胞功能所必需的穿膜溶质梯度的溶剂及去垢剂； ③通过占据位置或空间引起危害的其他外源化学物。

第三节 细胞功能障碍与毒性

多细胞机体的每个细胞都执行着特定的程序。 决定细胞的命运（分裂、分化或凋亡）。 控制分化细胞的瞬息活动[ongoing （momentsry) activity]，决定细胞分泌物质的数量、是否收缩或舒张、转运和代谢营养物质的速率等。

一、毒物引起的细胞调节功能障碍 细胞受信号分子调节，它激活与信号转导网络所联系的细胞受体，而信号转导网络将信号传递给基因的调节区域和（或）功能蛋白。

受体激活的结局 ① 改变基因的表达，增加或减少特定蛋白的功能； ② 通过磷酸化使特定蛋白发生化学修饰，从而激活或抑制蛋白质。

（一）基因表达调节障碍 基因表达调节障碍可发生于直接负责转录的元件上、细胞内信号转导途径的成员以及细胞外信号分子的合成、贮存或释放过程中。

1．转录调节障碍 外源化学物可与基因的启动子区域、转录因子或前起始复合物的其他元件交互作用。转录因子激活作用的改变是最常见的方式。 部分天然化合物通过结合与激活而影响基因的表达(表4-5)。

有两种类型的TF：配体激活的TF和信号激活的TF。 外源化学物可模拟天然配体。 祛脂酸类（fibric acid）降血脂药和邻苯二甲酸酯替代多不饱和脂肪酸作为过氧化物酶体增殖物激活性受体（PPAR）的配体。

雌激素在表达雌激素受体的细胞可促进有丝分裂。长期暴露时，由雌激素诱导的增殖引起肿瘤形成。 外源雌激素，如DDT、多氯联苯、双酚A和莠去津（atrazine）促使乳腺癌发生率增加； 玉米赤霉烯酮（zearalenone）污染饲料引起猪阴道下垂（雌激素受体介导）。

作用于配体激活的TFs的化合物也能使各种不同基因过度表达而改变细胞分化的类型。 PPAR-配体祛脂酸衍生物刺激编码过氧化物酶体酶的基因，在啮齿动物肝诱导过氧化物酶体增生。

2．信号转导调节障碍 细胞外信号分子，如生长因子、细胞因子、激素和神经递质能利用细胞表面受体和细胞内信号转导网络激活TFs。这些TFs控制着影响细胞周期进展、决定细胞结局的基因的转录活性。

c-Fos和c-Jun蛋白，以二聚体的形式（AP-1）结合到十四烷酰佛波醇乙酸酯[tetrade-conoyl phorbol acetate(TPA)]应答元件(TRE)，如细胞周期蛋白D基因启动子中的TRE。 c-Myc与Max蛋白二聚化并结合于其同源的核苷酸序列时，能激活细胞周期蛋白D和E基因，接着细胞周期蛋白通过活化细胞周期蛋白依赖的蛋白激酶而加速细胞分裂周期。

化学物可通过多种途径引起信号转导的异常，最常见的是通过改变蛋白磷酸化，偶尔也通过干扰C蛋白(如Ras)的GTPase活性、破坏正常的蛋白质-蛋白质交互作用、建立异常的交互作用、改变信号蛋白的合成与降解。这样的干扰最终可影响细胞周期的进展。

(1)具有增殖效应的化学物对信号转导的影响 促使信号转导蛋白磷酸化的外源化学物常会促进有丝分裂和肿瘤形成，佛波酯和串珠镰孢霉素（fumonisin）模拟二酰基甘油（DAG）而激活PKC；

Pb2+模拟另一种PKC的生理性激活剂Ca2+，它对PKCα的效应具有浓度依赖性：在pmol(10-12)浓度，Pb2+仅占据PKC的高亲和力部位，表现出刺激作用，而在μmol(10-6)浓度时，低亲和力的部位被占据，则表现出抑制作用。

TCDD诱导的豚鼠肝细胞周期蛋白和细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶过度表达，其原因可能是TCDD和AHR与MAPK的结合。 蛋白质磷酸化不仅随激酶磷酸化的增加而增加，而且也可能通过磷酸酶的脱磷酸作用而产生。磷酸酶的抑制似乎是各种化学物、氧化应激和紫外(UV)辐射促有丝分裂作用的基本机制。

(2)化学物改变的抗增生效应信号的转导 细胞损伤后增加了的细胞信号的衰减可能危及损伤细胞的取代。 正常有丝分裂信号的下调使细胞走向凋亡。PKC的抑制剂星形孢菌素和IkB降解的抑制剂胶霉毒素是强有力的凋亡诱导物。TGF-和糖皮质激素增加IkB合成，随后减少NF-κB激活和c-MYC表达，这些机制可能是TGF-和糖皮质激素的致凋亡作用的原因。

（二）细胞瞬息活动的调节障碍 特定细胞正常运行的控制是通过作用于膜受体的信号分子来实施的，这些受体通过调节Ca2+进入胞浆或刺激细胞内第二信息的酶促形成而传递信号。Ca2+或其他第二信息最终改变功能蛋白质的磷酸化，改变其活性，随后几乎立即引起细胞功能的变化。毒物可通过中断信号连接过程中的任何一个步骤而影响细胞的瞬息活动。

1．电可兴奋细胞的调节障碍 外源化学物影响可兴奋细胞如神经元、骨骼肌、心肌和平滑肌细胞的细胞活动，这些细胞的功能如神经递质的释放、肌肉的收缩受邻近神经元合成和释放的递质或介质的控制，干扰这些机制的化学物见表4-6。

化学物引起的瞬息细胞活动的障碍可能是由于4方面的改变： ① 神经递质浓度； ② 受体功能； ③ 细胞内信号转导； ④ 信号终止过程。

有机磷或氨基甲酸酯农药可抑制胆碱酯酶的释放阻碍乙酰胆碱的水解，导致胆碱能受体的强大刺激和出现胆碱能危象。 可卡因和三环抗抑郁药引起的去甲肾上腺素在神经元再摄取的抑制是血管平滑肌α-肾上腺能受体过度兴奋的原因，导致可卡因严重滥用者鼻粘膜溃疡和心肌梗死；

(2)毒物-神经递质受体交互作用 某些化学物直接与神经递质受体交互作用，这些化学物包括： ① 与受体上的配体结合部位相联系的激动剂以及模拟天然配体的激动剂； ② 占据配体结合部位但不能激活受体的拮抗剂； ③ 激活剂； ④ 抑制剂。

(3)毒物-信号转导蛋白交互作用 许多化学物通过作用于信号转导过程而改变神经元和(或)肌肉的活动。 电压门控的Na+通道转换和放大由配体门控的阳离子通道生成的兴奋性信号，受植物和动物毒素以及合成化学物激活，导致兴奋过度。 阻断电压门控的Na+通道的毒物(如河豚毒素和蛤蚌毒素)可引起麻痹。

(4)毒物-信号终止蛋白的交互作用 Na+、K+泵的失效也被认为是缺氧、低血糖和氰化物中毒引起的神经元损害的原因。鉴于神经元中生成的70%ATP用于驱动Na+、K+泵，ATP合成的中断引起细胞去极化并停留在去极化状态。去极化引起的神经递质释放被认为是由谷氨酸的神经毒性作用引起的缺氧性癫痫发作和神经元损害进一步放大的重要原因。

2．其他类型细胞活动的调节障碍 虽然很多信号转导机制也在非可兴奋细胞中运作，但这些过程的失调通常没有显著后果。

乙酰胆碱受体调控 有机磷杀虫剂中毒后唾液分泌、流泪和支气管过度分泌就是由于这些受体的刺激； 受体的阻断可导致阿托品中毒时的高热。枯否细胞(居留于肝脏的巨噬细胞)分泌可损伤邻近细胞的炎症介质。

二、毒物引起的细胞维持功能改变 破坏细胞自刎功能的毒物，特别是损害线粒体能量产生功能和控制基因组功能的蛋白质合成的毒物均可危及生存并可引起中毒性细胞死亡。

1．危害细胞存活的原发性代谢紊乱 (1)ATP耗竭 ATP通过磷酸化和腺苷化作用活化内源化合物，掺入到辅因子及核酸中去。它对肌肉收缩和细胞骨架的聚合作用、为细胞运动、细胞分裂、囊泡转运提供能量和维持细胞形态都是必不可少的。

干扰线粒体ATP合成的化学物 A类物质干扰氢向电子传递链传递； B类化学物如鱼藤酮和氰化物抑制电子沿电子传递链转移到分子氧； C类毒物干扰氧传递到终末电子转运蛋白——细胞色素氧化酶； D类化学物抑制ATP合酶的活性； E类引起线粒体DNA损伤和损害关键线粒体蛋白转录的化学物。

氧化磷酸化的损伤对细胞是有害的，因为ADP未能重新磷酸化导致ADP及其破坏产物的堆积以及ATP的耗竭。因此，由于腺苷二磷酸盐和三磷酸盐(以Mg盐形式存在)的水解以及磷酸和Mg2+的释放，暴露于KCN和碘乙酸的肝细胞胞浆H+和Mg2+迅速升高。丙酮酸转变为乳酸增加也可能引起酸中毒。

(2)细胞内Ca2+的持续升高 细胞外和胞浆Ca2+浓度差是通过质膜对Ca2+的不渗透和Ca2+从胞浆清除的转运机制来维持，Ca2+从胞浆穿过质膜被主动泵出，并隔离在内质网和线粒体内。

1）细胞内Ca2+持续升高对细胞能量平衡产生不良的影响 胞浆Ca2+水平升高引起线粒体Ca2+单转运蛋白(uniporter)摄取Ca2+增加。这种单转运蛋白像ATP合酶一样，利用线粒体内膜的负电位(Δψm)作为驱动力。

Ca2+也可能通过对内膜造成氧化损伤而损害ATP合成； 胞浆Ca2+的持续升高不仅损害ATP合成，而且也由于Ca2+-ATPase用于排除多余的Ca2+而增加ATP的消耗。

2)胞浆Ca2+不可控制的升高引起细胞的微丝的解离 遍布细胞的肌动蛋白(actin)微丝网络借助于其纤丝附着于质膜的肌动蛋白结合蛋白来维持细胞的形态。胞浆Ca2+的增高引起肌动蛋白纤丝与α-辅肌动蛋白(α-actinin)和胞影蛋白(fodrin)解离，导致质膜大疱形成，使质膜易于破裂。

3)高Ca2+水平可激活降解蛋白质、磷脂和核酸的水解酶 整合性膜蛋白质是Ca2+激活的中性蛋白酶或钙蛋白酶(ealpains)的靶分子； Ca2+对磷脂酶的激活引起膜的破坏； Ca2+- Mg2+-依赖的核酸内切酶的激活引起染色质的断裂； Ca2+水平的升高封闭拓扑异构酶Ⅱ，使已断裂的DNA无法重新联结。

(3)ROS与RNS的过度产生 ROS和RNS的过度产生可继发于细胞内高钙 1) Ca2+活化柠檬酸循环中的脱氢酶加速氢从柠檬酸循环中产出，然后，电子沿电子传递链流动，这一过程与ATP合酶活性的抑制共同增加由线粒体电子传递链形成的O2-·。

2) Ca2+激活的蛋白酶通过蛋白质水解过程使黄嘌呤脱氢酶转变为黄嘌呤氧化酶，其副产品是O2-·和HOOH。 3) Ca2+激活神经元和内皮细胞组成型表达的NO合酶(NOS)。而且，ONOO-能通过使高敏感性的Mn-SOD失效而增加其自身的形成。

2．原发性代谢紊乱之间的相互影响导致的细胞紊乱 (1) 细胞ATP储存的耗竭剥夺了内质网质膜Ca2+泵的燃料，引起胞浆Ca2+的升高。 (2) 细胞内高钙促进ROS和RNS的形成，而ROS与RNS使巯基依赖的Ca2+泵发生氧化性失活，反过来又加剧了高钙。

(3) ROS与RNS也能消耗ATP储备，NO是一种可逆的细胞色素氧化酶的抑制剂。 (4) ONOO-能诱发DNA单链断裂，导致聚(ADP-核糖)聚合酶(PARP)激活。

3．线粒体损伤在细胞死亡(坏死与凋亡)中的作用 线粒体Ca2+摄取、Δψm下降、ROS和RNS生成、ATP耗竭和原发性代谢紊乱可引起线粒体内膜渗透性突然升高。线粒体渗透转变(mitochondrial permeability transition，MPT)是由一种跨越线粒体内外膜间的蛋白质孔(“巨通道”)开放而引起的。

这种孔洞对小于1500Da的溶质是可通透的。因此，它的开放使质子自由地内流进基质间隙，引起的Δψm迅速和完全消散、ATP合成的中断以及水的渗透内流，导致线粒体膨胀，已蓄积于基质间隙的Ca2+通过孔流出，涌进胞质。

糖酵解也因需ATP的糖酵解酶ATP供应不足而被危及。假如毒物引起的代谢紊乱十分广泛以至于大部分或全部的线粒体都发生MPT，引起细胞ATP耗竭时，细胞降解过程(如大分子和膜的氧化性和水解性降解以及细胞内溶质和容积稳态的崩解)将不可避免地发生，引起细胞结构和功能维持的完全丧失、细胞溶解或坏死。

凋亡 坏死的细胞出现肿胀与溶解，而凋亡的细胞则出现皱缩，其核和胞质物质浓缩，然后破坏，形成被吞噬的膜结合的碎片(凋亡小体)。

大多数化学物诱发的细胞死亡涉及线粒体，导致的线粒体功能失调（如Ca2+的蓄积，Δψm的消散、ROS/RNS的过量产生），最终触发坏死或凋亡(图4-9)。 MPT是这两个过程的关键事件。另一个相关事件是细胞色素C（CytC）从线粒体进入胞质。

NB4 A B C E F D histogramic related nuclear DNA contents nM NSC606985 24 48 24 48 hours Growth inhibition % viability % 20 40 60 80 100 nM NSC606985 NSC-606985 Control 24 hours 48 hours C E 0 2 4 6 8 12 24 hours F D PI 0 hours 12 hours 24 hours 48 hours Annexin V histogramic related nuclear DNA contents

CytC释放的意义 ① CytC处于线粒体电子传递链上倒数第二个环节，它的丢失将阻断ATP合成。增加的O2-·形成，促使细胞走向死亡； ② CytC代表一种指引细胞向凋亡途径发展过程中的一种信号或启动环节。

当CytC与ATP一起结合于一种连接物蛋白(Apsf-1)时，CytC能诱发Apaf-1结合的休眠状态的天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶原-9(procaspase-9)，发生蛋白水解断裂而成为活性的天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶-9(caspase-9)。

caspase催化的特定蛋白的水解，直接或间接地解释了凋亡细胞的形态学和生化改变 PARP酶蛋白的水解失活阻止了无效的DNA修复和ATP的浪费； DNA断裂因子的水解活化诱导核DNA的断裂； 结构蛋白的修剪有助于细胞的解组装； 粘着斑激酶的失效使得细胞与细胞外间质分离； 固醇调节元件结合蛋白的水解激活可导致固醇的蓄积和质膜中磷脂酰丝氨酸的外在化，使吞噬细胞识别凋亡细胞。

MPT和CytC释放受Bcl-2家族的蛋白质控制 促进（如Bax、Bad、Bid） 直接作用于线粒体膜 ； 抑制（如Bcl-2、Bcl-XL）通过与死亡激动剂二聚作用，因而使之中性化。

4．ATP的利用度决定细胞死亡的形式 细胞耗竭ATP时出现坏死，但当提供ATP生成的基质而使ATP耗竭得以缓解时，则发生凋亡(图4-10)。

毒物导致细胞死亡的结局往往是未知的，假如这些过程突然发生，则可能以坏死的形式出现，而假如这些过程拖延较久，则以凋亡形式出现。

（二）细胞外部维持功能的损害 毒物也能干扰那些给其他细胞组织或整个机体专门提供支持的细胞。 肝细胞产生并释放许多蛋白质和营养素进入循环中，从循环中清除胆固醇和胆红素，将它们分别转化为胆汁酸和胆红素葡萄糖醛酸酯，这些过程的中断可能对机体、肝或对两者均是有害的。

《没胡子的自画像》，凡高，1998年，7150万美元 谢 谢 ！