毒理学-毒性机制.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,【,内容,】,外源化学物增毒现象，终毒物类型（亲 电物、自由基、亲核物），解毒途径，解毒过程失效的原因,终毒物与靶分子的反应：类型，毒物对 靶分子的影响,2,毒物引起的细胞调节功能障碍：基因表达调节障碍、细胞瞬息活动调节障碍,毒物引起的细胞维持功能改变：细胞内部维持自身功能的损害、细胞外部维持功能的损害,3,研究毒性机制应明确以下几点,1.,毒性效应是由毒物引起正常细胞发生生理和生化改变的结果,2.,毒性效应的程度除毒物本身外，还与剂量及靶部位有关,3.,靶组织和靶器官具有代偿能力，可超常发挥解毒功能,4.,毒效应包括一般毒性效应和特殊毒性效应,6,毒性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，即产生毒性效应,7,机制毒理学,(Mechanistic toxicology),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。,8,证实与人类直接相关的实验动物中所观察到的损害作用（,Cancer,、,Birth defects,、,Organophosphate insecticide inhibition of acetylcholinesterase,）,验证可能与人类无关的发生于实验动物中的有害效应（,Artificial sweetener saccharin to cause bladder cancer in rats,）,机制毒理学研究成果在应用毒理学（,Applied Toxicology,）领域的主要用途,9,设计和生产较为安全的化学物以及合理治疗化学中毒和临床疾病,(Thalidomide,可干扰某些血管生成基因的表达，已被用于治疗某些传染病、炎症性疾病、癌症等，但孕妇禁用,),进一步加深对生理学、药理学、细胞生物学、生物化学等基础学科的了解（河豚毒素,Tetrodotoxin,以及,DDT,等）,现代分子生物学、基因组学等理论和技术的应用（个体易感性,-,基因多态性,家族遗传背景,表观遗传学等,),10,第一节 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,(,表,4-1),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,11,类型,举例,直接终毒物,Pb,河豚毒素,TCDD,CO,HCN,代谢物作为终毒物,砷酸盐,亚,砷酸盐,己烷,己二酮,Bap,Aflatoxin,epoxides,活性氧,(,氮,),作为终毒物,过氧化氢,阿霉素,Fe+,Paraquat,羟自由基,(HO,.,)/,过氧亚硝基,(ONOO,-,),内源化合物作为终毒物,黄胺类药物,清蛋白结合的胆红素胆红素,CCl3OO.,不饱和脂肪酸自由基,HO.,蛋白质蛋白羟基,表,4-1,终毒物的来源及其类型,12,增毒（,toxication),或代谢活化（,metabolic activation),：,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（,free radicals),亲核物（,nucleophiles),氧化还原性反应物（,redox-active reductants,）,13,一、,亲电物的形成（,formation of eletraophiles),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,(,表,4-2),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,14,二、自由基形成（,formation of free radicals,）,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,自由基（,free radicals),：,是指独立游离存在的带有不成对电子的分子、原子或离子,15,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,(,s),作用半径短,氧化应激,(Oxidative Stress),16,自由基,过多,适量,机体损害作用,发挥重要生理功能,自由基超过了机体清除能力,自由基形成,机体抗氧,化功能,自由基,过多,17,活性氧（,reactive oxygen species,ROS),：,一类化学性质活泼的含氧功能基团的物质,很常见,包括：,单线态氧,:,较高的反应性,(,1,gO,2,/,1,gO,2,),超氧阴离子自由基,(O,2,.,）,:,强还原剂,羟基自由基（,.,OH):,活性极强,可与任何生物分子 反应,;,但半衰期短,作用半径小,(,一）自由基的类型,（,types of free radicals),18,过氧化氢（,H,2,O,2,):,弱氧化剂和弱还原剂,臭氧（,O,3,):,氮氧化物（,NO,X,),次氯酸（,HOCl),19,二、自由基的来源,（,sources of free radicals),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：,xanthine oxidase,、,dopamine-hydroxylase,、,D-amino acid oxidase,、,and fatty acyl CoA oxidase,均可产生,ROS,20,膜酶活性：,lipoxygenase,、,cycloxygenase,吞噬细胞的吞噬过程及呼吸爆发（,respiratory burst),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,21,三、亲核物的形成（,formation of nucleophiles),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,22,四、氧化还原活性还原剂的形成,(formation of redox-active reactants),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,23,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,24,五、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,25,1.,无功能基团毒物的解毒（,detoxication of toxicants with no function groups),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,根据毒物化学性质，解毒途径可分为,26,2.,亲核物的解毒,（,detoxication of nucleophiles),一般通过在亲核功能基团上的结合反应来解毒,如羟化的化合物通过硫酸化作用、葡萄糖醛酸化作用来结合,27,3.,亲电物的解毒,（,detoxication of electrophiles),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,Ag,2+,、,Cd,2+,、,Hg,2+,和,CH,3,Hg,离子很容易与谷胱甘肽反应而解毒,28,4.,自由基解毒,（,detoxication of free radicals),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，可通过两个反应即将,O,2,-.,先转化成,HOOH,，再将,HOOH,转化成水,29,5.,蛋白质毒素解毒（,detoxication of protein toxins),细胞外和细胞内的蛋白酶参与有毒多肽的失活,30,六、解毒过程失效（,when detoxication fails),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,31,第二节 终毒物与靶分子的反应,（,reaction of the ultimate toxicant with the target molecule),32,终毒物与靶分子的交互作用触发毒性效应需考虑：,靶分子的属性；,终毒物与靶分子之间反应的类别；,毒物对靶分子的效应；,生物学微环境的改变所引起的毒性,33,34,一、靶分子的属性,（,attributes of target molecules),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,35,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。,为了发生这些反应，靶分子必须接触足够高浓度的终毒物。,36,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,37,二、反应类型（,types of reactions),1.,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。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,38,2.,共价结合（,convalent binding),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,39,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,软（次）亲电物较易与软（次）亲核物反应,硬（强）亲电物较易与硬（强）亲核物反应,40,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,32,3.,去氢反应（,hydrogen abstraction),：,自由基可迅速从内源化合物去除氢原子,4.,电子转移（,electron transfer),：,5.,酶促反应（,enzymatic reaction),：,41,三、毒物对靶分子的影响,（,effects of toxicants on target molecules),42,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,43,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,抑制酶活性,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,44,2.,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,45,3.,新抗原形成：,某些个体的变异蛋白可能会促发免疫反应,4.,化学物引起的生物学微环境改变与毒性：,（,1,）能改变生物水相中,H,+,离子浓度的化学物,（,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,46,第三节 细胞功能障碍与毒性,（,cellular dysfunction and toxicities),47,机体协调细胞的各种活动，是通过每个细胞执行其各自的指令或程序而达到的,长期程序决定细胞的归宿，即细胞是否进入分裂、分化或死亡,短期程序控制各种已分化细胞的活动，决定细胞是否分泌各种物质、转移或代谢营养物质等,多种调节网络,功能系统,48,一、毒物引起的细胞调节功能障碍,（,toxicant-induced cellular dysregulation),细胞的活动是由信号分子来调节和控制的。信号分子激活细胞受体，通过信号传达的网络将信号传送至基因的调节部位或功能蛋白,49,受体激活可导致,改变基因的表达，增加或减少特定蛋白的功能,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,控制细胞归宿的程序主要影响基因表达,调节细胞活动的程序则主要影响蛋白质功能,50,（一）基因表达调节障碍,可发生在与转录直接有关的部位、也可以是在信号传导的网络部位，或者在其信号分子的合成、储存和释放的过程中,51,1.,转录调节障碍：,遗传信息从,DNA,转录到,mRNA,的过程主要是由转录因子与基因的调控及启动部位相互作用而控制的,外源化学物可作用于转录因子、基因启动部位或其他启动复合体部位,配体激活,信号激活,52,2.,信号转导调节障碍：,许多细胞外的信号分子，如细胞激动素、激素和生长因子等最终激活转录因子（,TF),常见的激动转录因子及启动基因转录的机制是磷酸化反应,转录因子的磷酸化由蛋白激酶和磷酸酯合成酶所调控,凡是影响信号传递至转录因子，包括蛋白质磷酸化或去磷酸化的反应，都会改变由转录因子调节的基因表达,53,（二）细胞瞬息活动的调节障碍：,信号分子作用于膜受体，受体通过构象改变调节,Ca,2+,进入细胞质，或者激活细胞内第二信使而将信号传至细胞核，从而控制细胞活动,Ca,2+,或其他第二信使促使功能蛋白质的磷酸化，以改变它们的活性和细胞功能,毒物可通过破坏信号的传递过程而损害细胞的活动,54,1.,电可兴奋细胞的调节障碍,(1),细胞,:,神经元,骨骼肌,心肌和平滑肌细胞,(2),原因,1),神经递质水平的改变,:,干扰神经递质的合成,储存,释放或从受体附近清除,如有机磷和氨基甲酸酯类农药,2),毒物,-,受体递质受体相互作用,:,激动,/,拮抗剂,激活,/,抑制剂,3),毒物,-,信号转导蛋白交互作用,:,电压依赖性钠通道,4),毒物,-,信号终止蛋白的交互作用,:,2.,其他类型细胞活动的调节障碍,:,肾上腺素能受体,55,二、毒物引起的细胞维持功能改变,（,toxic alteration of cellular maintenance),41,多细胞生物体的细胞必须维持自身结构和功能的完整性，并支持其他细胞,如果化学物破坏这些功能，则产生毒效应,56,（一）细胞内部维持自身功能的损害,（,impairment of internal cellular maintenance),所有细胞都必须合成内源性分子并组装成大分子复合体，膜结构和各种细胞器以维持细胞内环境，制造能量以维持细胞生存,这些过程都可能危及细胞的存活，如,ATP,合成损伤就是一个典型的例子,57,1.,危害细胞存活的原发性代谢紊乱,(1)ATP,耗竭,:(,图,4-7,表,4-7),(2),细胞内,Ca+,的持续升高,:,原因,:,外钙内流,抑制钙外流,内钙释放,结果,:,1),能量耗竭,:,2),微丝功能障碍,微丝解离,3),水解酶活化,降解蛋白质,/,磷脂,/,核酸,(3)ROS/RNS,的过度生成,1)Ca+,活化柠檬酸循环中的脱氢酶,2)Ca+,激活的蛋白酶通过蛋白质水解使黄嘌呤脱氢酶变为氧化酶,产生,3),激活,NO,合成酶,58,2.,原发性代谢紊乱之间的相互影响导致的细胞紊乱,3.,线粒体损伤在细胞死亡,(,坏死与凋亡,),中的作用,4.ATP,的利用度决定细胞死亡的形式,59,（二）细胞外部维持功能的损害,（,impairment of external cellular maintenance),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,如毒物作用于肝就是这一类型的损害,60,61,Thanks!,