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第1页：第四章 毒性机制

第四章 毒性机制

21 June 2022

第2页：第四章内容提要

• 第一节 外源化学物的增毒与终毒物的形成
• 第二节 终毒物与靶分子的反应
• 第三节 细胞功能障碍与毒性

第3页：终毒物与增毒的概念

终毒物 ultimate toxicant

与内源靶分子（如受体、酶、DNA、微丝蛋白、脂质）反应或严重改变生物学（微）环境、启动结构和（或）功能而表现出毒性的物质。

增毒 toxication（代谢活化 metabolic activation）

生物转化为有害产物的过程；增毒常使外源化学物转变为亲电子剂、自由基、亲核物或氧化还原性反应物。

毒效应的强度主要取决于终毒物在其作用位点的浓度及持续时间。

第4页：化学毒物产生毒性的可能途径

化学毒物产生毒性的可能途径：

1. 化学毒物吸收、分布、代谢、排泄
2. 与靶分子相互作用
3. 细胞功能失调、损伤与细胞修复功能失调 → 毒性

第5页：亲电子剂的形成

亲电子剂

含有一个缺电子原子（带部分或全部正电荷）的分子，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；化学物在代谢活化时形成非离子亲电子剂。

亲电子剂常在外源化合物被细胞色素 P-450 或其他酶氧化成酮类、环氧化物及芳烃氧化物、α,β-不饱和酮及醛类、醌类或醌亚胺类以及酰基卤等过程中形成。

第6页：苯并(a)芘的代谢活化

苯并(a)芘［benzo(a)pyrene，BaP］经 P-450 生成 7,8-环氧苯并(a)芘 → 经环氧化物水解酶生成 7,8-二羟-BaP → 再生成 7,8-二羟基-9,10-环氧 BaP（终致癌物）。

第7页：自由基与活性氧

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，主要由化合物共价键均裂产生；具有顺磁性、化学性质活泼、反应性极高，半减期极短（一般以 μs 计），作用半径短。

活性氧 ROS

集合名词，不仅包括氧中心自由基如 O₂^-·和·OH，也包括氧的非自由基衍生物如 H₂O₂、单线态氧和次氯酸，还包括过氧化物、氢过氧化物及内源性脂质和外来化合物的环氧代谢物。

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第9页：自由基的来源与氧化还原循环

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。最主要的途径是氧化还原反应（redox cycling）：通过加入一个单电子使化学物还原为不稳定的中间产物，随后该电子转移给分子氧形成超氧阴离子自由基（O₂^-·），中间产物再生为原化学物。

• 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。

第10页：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。例如：

• 苦杏仁经肠道 β-糖苷酶催化形成氰化物。
• 丙烯腈环氧化和随后谷胱甘肽结合形成氰化物。
• 硝普钠经巯基诱导降解后形成氰化物。

第11页：氧化还原活性还原剂的形成

• 引起高铁血红蛋白的亚硝酸盐，既可在小肠中由硝酸盐经细菌还原生成，也可由亚硝酸酯或硝酸酯与谷胱甘肽反应而生成。
• 还原性化合物如抗坏血酸等以及 NADPH 依赖性黄素酶等还原酶可使 Cr⁶⁺ 还原为 Cr⁵⁺；Cr⁵⁺ 反过来又可催化 HO·生成。

第12页：无功能基团毒物的解毒

苯和甲苯等不含功能基团化学物的解毒一般分两相：

1. 通常由细胞色素 P-450 将羧基和羟基等功能基团引入分子中。
2. 通过转移酶将内源性酸如葡糖醛酸、硫酸或氨基酸结合到这些功能基团上。

除某些例外，多数化合物的最终产物无反应活性，是易于排泄的高度亲水的有机酸。

第13页：亲电子剂的解毒

• 亲电性毒物普遍的解毒方式是与亲核剂谷胱甘肽结合，可自发进行或由谷胱甘肽-S-转移酶催化；Ag⁺、Cd²⁺、Hg²⁺ 和 CH₃Hg⁺ 等金属离子易与谷胱甘肽结合而解毒。
• 环氧化物和芳烃环氧化物被环氧化物水化酶催化分别生成二醇类及二氢二醇类化合物。
• DL-黄递酶催化氢醌的双电子还原；醇脱氢酶催化 α,β-不饱和醛还原成醇，或醛脱氢酶催化其氧化成酸。
• 金属硫蛋白与有巯基反应活性的金属离子形成复合物；具氧化还原活性的亚铁离子可为铁蛋白结合解毒。

第14页：亲核剂的解毒

亲核剂一般通过亲核性功能基团的结合反应进行解毒：

• 羟基化合物与硫酸或葡糖醛酸结合，硫醇类与葡糖醛酸结合，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、儿茶酚类及氢醌类化合物经生物转化形成亲电性醌类及醌亚胺类。
• 含黄素单加氧酶催化的氧化可消除硫醇类、胺类及肼类化合物。
• 乙醇等醇类可经醇脱氢酶或醛脱氢酶氧化成羧酸而解毒；硫氰酸酶催化氰化物生成硫氰酸是较特殊的机制。

第15页：自由基的解毒：酶性抗氧化系统

自由基的解毒——酶性抗氧化系统：

SOD

含不同辅基的金属结合酶家族，如 CuZn-SOD、Fe-SOD 与 Mn-SOD；CuZn-SOD 存在于肝脏、红细胞等多种脏器，Mn-SOD 主要在线粒体；唯一生理功能是歧化超氧阴离子生成 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，主要功能是将 H₂O₂ 转化为水。

GSH-Px（GPO）

在体内广泛存在，特异催化谷胱甘肽对过氧化物的还原反应，可阻断脂质过氧化的链锁反应。

谷胱甘肽还原酶 GR

分布同 GSH-Px，主要功能是产生还原型谷胱甘肽（GSH）。

心肌黄酶（DT diaphorase）、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶

参与抗氧化防御。

第16页：自由基的解毒：非酶性抗氧化系统

自由基的解毒——非酶性抗氧化系统：体内广泛分布许多能通过非酶促反应清除氧自由基的小分子。

• 维生素C、维生素E、GSH、尿酸、牛磺酸和次牛磺酸等。
• GSH 参与 GSH-Px 的作用，使过氧化物还原为 H₂O 和氧化型谷胱甘肽（GSSG）；丙烯腈、苯乙烯等有毒化学物可耗竭肝脏 GSH 而继发脂质过氧化。
• 维生素E 必须与膜结合才能发挥抗氧化作用：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，属「链断裂」抗氧化剂。

第17页：蛋白毒素的解毒

胞内或胞外的蛋白酶可能在毒性多肽的解毒中起作用。蛇毒中几种毒素（如 α,β-环蛇毒素、永良部海蛇毒素、磷酯酶）含有分子内二硫键，这些二硫键是保持活性必不可少的。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，可使上述毒素失活。

第18页：终毒物的靶分子

实际上所有的内源化合物都是毒物潜在的靶标，然而毒理学上相关的靶标是大分子，如核酸（特别是 DNA）和蛋白质；在小分子中膜脂质最为常见。

• 内源性分子作为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。
• 处于反应活性化学物邻近或接近其形成部位的内源性分子常常是靶分子；如甲状腺过氧化物酶将某些亲核外源化学物转变为活性自由基代谢物，后者又使该酶失活，构成抗甲状腺作用及诱发甲状腺肿瘤的基础。

第19页：终毒物与靶分子的反应类型

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，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。

共价结合 convalent binding

化学毒物或其活性代谢产物与机体重要大分子发生共价结合，改变核酸、蛋白质、酶、膜脂质等生物大分子的化学结构与生物学功能。

加合物 adducts

活性化学物与细胞大分子之间通过共价键形成的稳定复合物。

其他反应类型还包括去氢反应与电子转移。

第20页：脂质过氧化损害

脂质过氧化 lipid peroxidation

主要由自由基引起的多不饱和脂肪酸的氧化作用，对生物膜具有强烈破坏作用。

自由基的形成与脂质过氧化的关系：①启动阶段（原文后续阶段未完整提取）。

第21页：脂质过氧化的后果

脂质过氧化的后果：

1. 细胞器和细胞膜结构的改变和功能障碍。
2. 脂质过氧化物的分解产物具有细胞毒性，其中特别有害的是一些不饱和醛类。
3. 对 DNA 影响：脂质过氧化自由基和烷基自由基可引起 DNA 碱基（特别是鸟嘌呤）氧化；分解产物丙二醛可以共价结合方式导致 DNA 链断裂和交联。
4. 对低密度脂蛋白（LDL）的作用。

第22页：蛋白质的氧化损伤机制

蛋白质氧化损伤的机制：

1. 脂肪族氨基酸：在 α-位置上除去一个氢原子形成 C-中心自由基，再加氧生成过氧基衍生物，后者分解成 NH₃ 及 α-酮酸，或生成 NH₃、CO₂ 与醛类或羧酸，破坏氨基酸结构。
2. 芳香氨基酸：很少出现 α-除氢，多出现羟基衍生物，可将苯环打开或在酪氨酸处交联成二聚体。

第23页：蛋白质氧化损伤的其他机制

蛋白质氧化损伤的其他机制：

1. 由过渡金属介导出现氧化损伤，主要通过 Fenton 反应，其损伤特点为部位特异性，只有某个或几个金属结合部位的氨基酸受影响。
2. 脂质过氧化的自由基中间产物，如烷氧自由基（LO·）和过氧自由基（LOO·），可与过氧化脂质紧密联系的蛋白质反应。

第24页：蛋白质氧化损伤的后果

氧化的后果是凝集与交联，或是蛋白质的降解与断裂，主要取决于蛋白质成分的特征及自由基的种类。对蛋白质的影响表现为直接作用与间接作用两个方面。

第25页：核酸的碱基损伤

核酸的氧化损伤——碱基损伤：活性氧攻击 DNA 的靶位点是腺嘌呤与鸟嘌呤的 C8、嘧啶的 C5 与 C6 双键。可能机制为：

1. 氧自由基直接作用于双键部位，使之获得一个加合基而改变其结构。
2. ·OH 使脱氧核苷脱嘌呤，即自由基可使 DNA 链上出现无嘌呤或无嘧啶部位。
3. ·OH 可自动从胸嘧啶的甲基中除去 H 原子。

第26页：DNA链断裂的机制

核酸的氧化损伤——DNA 链断裂：

1. ·OH 对 DNA 的攻击主要针对核糖部分，可能位置在核糖的 3' 和 4' 碳位上，造成 DNA 链断裂。
2. 自由基对胸腺嘧啶碱基作用造成的损害经修复酶切除，可产生类似的单链断裂。
3. 氧化应激可启动细胞内一系列代谢过程，激活核酸酶，导致 DNA 链的断裂。

第27页：DNA链断裂与基因突变

DNA 链断裂在基因突变的形成过程中有重要意义，可经下列途径产生突变：

1. DNA 链断裂造成部分碱基的缺失。
2. 断裂后细胞启动修复过程，如修复酶也受自由基破坏或功能难以达到修复要求，可能造成被修复的 DNA 碱基的错误掺入和错误编码。
3. 可能引起癌基因的活化，或抑癌基因的失活。

第28页：基因表达的转录调节障碍

毒物引起的细胞调节功能障碍——（一）基因表达调节障碍：1 转录调节障碍。

遗传信息从 DNA 转录给 mRNA 主要受转录因子（TFs）与基因的调节或启动区域间的相互作用控制：激活的转录因子与启动区域核苷酸序列结合，促进前起始复合物形成，促使毗邻基因转录。外源化学物可与启动子区域、转录因子或前起始复合物的其他元件交互作用，其中转录因子激活作用的改变似乎是最常见的方式。

第29页：信号转导调节障碍

2、信号转导调节障碍：细胞外信号分子（生长因子、细胞因子、激素和神经递质）利用细胞表面受体和细胞内信号转导网络激活 TFs，后者控制影响细胞周期进展、决定细胞结局的基因转录活性，如 c-Fos 和 c-Jun 蛋白等。

• 最常见的是通过改变蛋白磷酸化。
• 偶尔通过干扰 G 蛋白（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。

第30页：细胞瞬息活动的调节障碍

（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及其活性，几乎立即引起细胞功能变化。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。

第31页：ATP耗竭与细胞维持功能障碍

二、毒物引起的细胞维持功能改变：

ATP 耗竭

ATP 作为生物合成的化学物质和能量的主要来源，在细胞维持中起核心作用，对肌肉收缩和细胞骨架聚合、细胞运动、细胞分裂、囊泡转运和维持细胞形态必不可少。化学能通过 ATP 水解为 ADP 或 AMP 释放，ADP 在线粒体中由 ATP 合酶重新磷酸化；化学物可阻碍这些过程，干扰线粒体 ATP 合成。

细胞内 Ca²⁺ 稳态失调

毒物引起细胞维持功能改变的另一重要环节。

第32页：细胞内钙稳态的三个问题

• 细胞内钙稳态
• 细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性
• 钙稳态失调的机制

第33页：细胞内钙稳态

细胞静息状态下细胞内游离 Ca²⁺ 仅为 10^-7 mol/L，细胞外液 Ca²⁺ 则达 10^-3 mol/L；细胞兴奋时第一信使转递信息，细胞内游离 Ca²⁺ 迅速增多可达 10^-5 mol/L，此后再降至 10^-7 mol/L，完成信息转递循环。Ca²⁺ 被认为是体内第二信使，上述浓度变化过程呈稳态状，称为细胞内钙稳态。

第34页：细胞内钙的存在形式与功能

细胞内钙有两种类型：游离的钙离子和与蛋白质结合的钙。与钙结合的蛋白有两种类型，一是结合在细胞膜或细胞器膜内的蛋白质上，二是结合在可溶性蛋白质上。激动剂刺激引起细胞 Ca²⁺ 动员，可调节肌肉收缩、神经转导、细胞分泌、细胞分化和增殖等多种生物功能。

第35页：Ca2+ 信使作用的实现

Ca²⁺ 信使作用的实现：

• Ca²⁺ 与钙结合蛋白，如钙调蛋白（CaM）
• Ca²⁺ 与 cAMP
• Ca²⁺ 与蛋白激酶C（PKC）、磷脂酶C（PLC）
• Ca²⁺ 与离子通道

第36页：钙稳态紊乱的毒性因素

细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性：

• 重金属离子
• 农药
• 四氯化碳

第37页：重金属离子与钙稳态

重金属离子主要有铅和镉：

• 铅一方面与 Ca²⁺ 及 CaM 结合，激活 Ca-CaM 依赖酶系；另一方面高浓度时与细胞内巯基作用，可抑制 Ca-CaM 依赖酶系，呈剂量依赖的双相效应。
• 镉可使 CaM 含量减少，表现为免疫系统、雄性生殖系统以及心肌等改变，有的可用钙调素拮抗剂预防或减轻损伤。

第38页：农药与钙稳态

拟除虫菊酯为神经毒化合物，可使神经细胞内游离钙浓度增高，可能与其抑制 Ca²⁺,Mg²⁺-ATPase、CaM 和磷酸二酯酶（PDE）有关；其对钙稳态的影响机制复杂，且与具体化学结构有关。

说明：原文酶名写作 PEE，按通用写法标注为磷酸二酯酶（PDE）。

第39页：四氯化碳与钙稳态

四氯化碳可抑制肝细胞微粒体 Ca²⁺-ATPase，表现为肝内质网酶活性改变及钙的蓄积。机制可能是 CCl₄ 在肝脏氧化产生自由基，后者攻击 Ca²⁺-ATPase 上的巯基使酶活性下降；另外 Ca²⁺ 浓度增加可激活某些酶，如磷酸化酶 a。

第40页：细胞内钙稳态失调

在细胞受损时可导致 Ca²⁺ 内流增加，或 Ca²⁺ 从细胞内贮存部位释放增加，或抑制细胞膜向外逐出 Ca²⁺，表现为细胞内 Ca²⁺ 浓度不可控制的持续增加，即打破细胞内钙稳态，称为细胞内钙稳态的失调。

第41页：钙稳态失调学说

钙稳态失调学说：Ca²⁺ 的失调或紊乱将完全破坏正常生命活动所必需的、由激素和生长因子刺激而产生的短暂 Ca²⁺ 瞬变，危及细胞器的功能和细胞骨架结构，最终激活不可逆的细胞成分的分解代谢过程。

第42页：钙致细胞损伤的途径

钙的浓度变化可通过下列途径造成细胞损伤：

• 正常的激素和生长因子刺激的 Ca²⁺ 信号的受损。
• 钙依赖性降解酶的活化，包括蛋白酶、磷脂酶和核酸内切酶。
• 损伤细胞骨架。
• 损害线粒体。
• 与细胞凋亡有关。