毒作用机制及影响因素-4课时.ppt

,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,*,第四章 毒作用机制,第一节 概 述,毒作用机制的研究内容,：毒物如何进入机体？怎样与靶分子相互作用？怎样表现其有害作用？机体对损害作用的反应等。,毒作用机制的研究是评价化学毒物潜在危害的基础。,终毒物：,终毒物：,是可与内源性靶分子（如受体蛋白、酶、微纤维蛋白、,DNA,及脂质等）相互作用，使机体整体性结构或功能改变，从而导致毒性损害的物质。,终毒物形式：,母体化合物、母体化学物的代谢产物或者是毒物生物转化期间产生的活性氧，也可能是内源性分子。,第二节 毒物对,生物膜,的损害作用,一、生物膜概述,（一）生物膜的化学组成,生物膜,膜脂（,磷脂、少量的糖脂和胆固醇,）,蛋白质,糖、金属离子、水,脂质双层是所有生物膜的结构基础，而膜蛋白几乎负责生物膜的所有功能。,（二）生物膜的结构特点,1,膜的运动性,侧向运动,分子的摆动,旋转运动,翻转运动,侧向运动,旋转运动,2 膜脂的相变与流动性,相变温度,Tc,脂质,凝固态,液晶态,（三）生物膜的“,流动镶嵌学说,”,细胞膜上的蛋白质与膜脂分子之间存在相互作用，也处于运动之中；部分膜脂分子对于维持膜蛋白的构象和发挥功能有直接的影响。,（三）生物膜的“,流动镶嵌学说,”,膜的脂质、膜蛋白和膜糖在脂双层两侧的分布是不对称的，膜上的糖基总是暴露在细胞膜的外表面上。这种不对称性表明了膜功能的复杂性。,二、毒物对生物膜的损害作用,（一）对生物膜,组成成分,的影响,化学毒物可引起细胞膜成分,含量、结构和性质,的改变。,CCl,4,可引起大鼠肝细胞膜,磷脂和胆固醇,含量的,下降,；,SiO,2,可与人红细胞膜上的蛋白结合，使其结构中的,-,螺旋减少,；,有机磷农药可抑制突触小体及红细胞膜上,乙酰胆碱酯酶的活性。,氧化磷酸化作用：,当电子流过呼吸链时，质子通过膜被泵出,高,H,+,低,H,+,线粒体外膜,线粒体内膜,膜间腔,线粒体基质,H,+,Pi+ADP,ATP,线粒体,e,ATP,酶复合体,（二）对膜,生物物理性质,的影响,2.,对膜流动性的影响,流动性是生物膜的基本特征之一。现已发现不少化学毒物可以影响膜的流动性。,例如，重金属离子，如,Pb,2+,可引起膜流动性下降；,SiO,2,可引起巨噬细胞的膜脂流动性升高等。,第二节 毒物对,细胞钙稳态,的影响,一、,Ca,2+,的第二信使作用与细胞钙稳态,神经,神经递质,体液,激素,质膜受体,胞内中间物质介导,第一信使,第二信使,生理效应,细胞钙稳态（,ca,lcium homeostasis,）,Ca,2+,CaM,酶,Ca,2+,，,Mg,2+,-ATP,酶,肌肉收缩蛋白,腺苷酸环化酶,磷酸酯酶,蛋白激酶,离子通道蛋白,Ca,2+,=1000,M,Ca,2+,=0.1,M,细胞,“,细胞钙稳态”的,维持,Ca,2+,=1000,M,Ca,2+,=0.1,M,钙泵,Ca,2+,Ca,2+,钙通道,蛋白质、核苷酸、酸性磷脂,内质网,线粒体,细胞,二、毒物对细胞钙稳态的影响及其危害,现已发现多种化学毒物可引起细胞,内,Ca,2+,浓度,不可控制地升高，,从而导致细胞损伤或死亡。,细胞钙稳态紊乱的主要危害：,可,抑制,线粒体内,ATP,的合成,和使,氧自由基,的生成增加。,可引起,微管的解聚,，进而损伤细胞的正常形态。,可激活一系列,水解酶,，导致体内蛋白质、磷脂和核酸等的水解。,细胞骨架结构：,细胞骨架,细胞核骨架,细胞膜骨架,细胞质骨架,细胞外基质,微丝、,微管,、中间纤维,引自：丁明孝，等,分子细胞生物学,引自：丁明孝，等,分子细胞生物学,钙稳态紊乱的危害,水解损伤：,许多膜蛋白是,Ca,2+,激活的中性蛋白酶或钙蛋白酶的靶分子。,钙蛋白酶介导的肌动蛋白结合蛋白的水解可引起,质膜大疱,形成；,Ca,2+,对,磷脂酶,的激活引起膜的破坏；,Ca,2+,-Mg,2+,依赖的,核酸内切酶,的激活引起染色质的断裂；,Ca,2+,浓度升高可封闭,拓扑异构酶,，使已断裂的,DNA,无法重新连接。,一、自由基概述,类型：,活性氧族（,r,eactive,o,xygen,s,pecies,ROS,）：,A,氧自由基：,O,2,-,、,OH,；,LO,、,LOO,；,B,含氧的非自由基衍生物,：单线态氧（,1,O,2,）、氢过氧化物、次氯酸、过氧化物、内源性脂质和外源化合物的环氧代谢产物。,一、自由基概述,其他自由基：,碳,中心自由基（,CCl,3,），,硫,中心自由基（烷硫自由基,R-S,），,氮,中心自由基（苯基二肼自由基,C,6,H,5,N=N,）；,此外，过渡金属离子,Cu,+,/Cu,2+,、,Fe,2+,/Fe,3+,、,Ti,3+,/Ti,4+,可作为自由基反应的,催化剂,，在自由基的损伤作用中起重要作用。,二、氧化应激（,Oxidative stress,）,氧化应激：,机体,促氧化,与,抗氧化,之间的平衡失调，而倾向于前者，所导致的细胞损伤。,“,目前多数观点认为外源因素诱导的,细胞氧化应激,及随后启动信号通路在细胞损伤中发挥重要作用，同时认为氧化应激可同时激活多种信号转导途径和核转录因子，它们之间相互串话，形成了一个复杂而精细的调控网络，共同决定氧化损伤最终引起何种生物学效应”。,曹佳，郑玉新，周宗灿，等,.,毒理学研究进展和热点,，中国科学基金，,2011,年，第,03,期,（一）对,脂质,的过氧化损伤,脂质过氧化损伤：,在,O,2,存在下，自由基或其活性衍生物引发脂质过氧化及其链式反应。,生物膜是生物体内最易发生脂质过氧化的场所。因为它具备脂质过氧化的两个,必要条件,：氧气和,PUFA,（,p,oly,u,nsaturated,f,atty,a,cid,）。,膜脂质的结构：,X=-OH,磷脂酸,X=-OCH,2,CH,2,N,+,(CH,3,),3,磷脂酰胆碱,X=-OCH,2,CH,2,NH,3,+,磷脂酰乙醇胺,X=-OCH,2,CHCOO,磷脂酰丝氨酸,H,3,N,+,R,1,、,R,2,：脂酰基的烃基，,R,1,多为饱和烃基，,R,2,常为不饱和烃基。,H,2,CO C-R,1,R,2,-,C-OCH,H,2,CO P-,X,甘油磷脂通式,O,OH,O,O,脂质过氧化反应过程：,膜脂质（,LH,）,脂质自由基（,L,）,O,2,抽氢作用,脂质过氧自由基（,LOO,）,氢过氧化物,（,LOOH,）,脂质氧自由基,（,LO,）,Fe,3+,Fe,2+,Fenton,反应,环过氧化物自由基,环,内,过氧化物自由基,丙二醛（,MDA,）,+,短链的酮、羧酸或烃类,HO,H,2,O,分子内双键加成,过氧化作用,LH,L,单电子氧化还原：,凡是能发生,单电子氧化还原,的金属离子（属于过渡金属）都可与,H,2,O,2,反应，使其发生裂解，产生自由基，例如,Fenton,反应：,Fe,2+,+H,2,O,2,Fe,3+,+,OH,+OH,除,Fe,2+,外，可氧化为较高价态的过渡金属还有铜、钴、钛等离子。,LH,+L,链启动,链扩展,脂质,（花生四烯酸）,过氧化的总过程,LH,LOOH,链终止,LOOL,O,2,，水解或热裂,其他产物,环化作用,环内过氧自由基,脂质过氧化的其他损害：,脂质过氧化,中间产物,L,、,LOO,、,LO,可作为引发剂通过,抽氢,使蛋白质变成自由基，后者可以引起,链式,反应，导致蛋白质聚合，使蛋白质的运动和功能受到限制。,-CO-NH-C-CO-NH-,-CO-NH-C-C-NH-,-CO-NH-C-,C,-NH-,-CO-NH-,C,-CO-NH-,R,1,R,2,R,1,R,2,自由基,蛋白,A,蛋白,B,H,O,O,H,交联物,脂质过氧化的其他损害：,终产物,丙二醛（,MDA,）可与蛋白质分子中的,NH,2,作用导致多肽链的链内交联或链间交联。,此外，醛类产物也能与蛋白质中,Cys,的,-,SH,反应，使蛋白质失去活性。,丙二醛与蛋白质分子的交联：,链,内,交联：,CH,2,C-H,C-H,O,O,H,2,N,H,2,N,P,CH-NH,CH=N,P,CH,链,间,交联：,CH,2,C-H,C-H,O,O,2 P NH,2,CH NH P,1,CH=N P,2,CH,丙二醛,蛋白质,交联产物,脂质的过氧化损伤,小结：,直接结果,是使膜,PUFA,减少，膜脂流动性降低和膜骨架损伤；,过氧化中间产物和终产物引起的膜蛋白共价交联与聚合，影响膜蛋白的构象及其运动性，必然导致膜功能的异常。,（二）对,蛋白质,的氧化损伤,对蛋白质的氧化损伤，主要是自由基对氨基酸的作用。,例如，所有氨基酸残基均可被,OH,损伤，其中以含硫氨基酸和芳香氨基酸最为敏感。,（二）对,蛋白质,的氧化损伤,1.,含硫,氨基酸的损伤,OH,可使甲硫氨酸氧化为甲硫氨酸,亚砜,；使半胱氨酸（,Cys,）氧化成,Cy,-S-S-,Cy,、,Cy-SOH,及,Cy-SO,2,H,。,-NH,3,+,CH,3,S,CH,2,C,H-,COO,CH,2,甲硫氨酸,CH,3,S,CH,2,C,H-,-NH,R,2,R,1,-C=O,CH,2,含甲硫氨酸的蛋白质,OH,O,含甲硫氨酸,亚砜,的蛋白质,CH,3,S,CH,2,C,H-,-NH R,2,CH,2,R,1,-C=O,聚合,（二）对,蛋白质,的氧化损伤,2.,芳香族与杂环,氨基酸残基的损伤,如色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸与组氨酸。,经,活性氧,作用：,Trp,的氧化产物为,2-,、,4-,、,5-,、,6-,或,7-,羟基色氨酸，甲酰基犬尿氨酸，,3-,羟基犬尿氨酸或硝基色氨酸。,Tyr,转变为,3-,、,4-,二羟基苯丙氨酸，二酪氨酸交联产物或,3-,硝基酪氨酸。,Phe,转变为,2-,、,3-,或,4-,羧基苯丙氨酸，,2-,、,3-,二羟基苯丙氨酸。,His,转变为,2-,氧组氨酸。,（二）对,蛋白质,的氧化损伤,3.,脂肪族,氨基酸残基的损伤,如，,Asp,、,Glu,、,Pro,、,Lys,、,Arg,、,Leu,、,Val,与,Thr,。,可能的,损伤机制,：在,-C,原子上除去一个氢原子，形成,C,中心自由基；其上再加,O,2,，生成过氧基衍生物；后者分解成,NH,3,和,-,酮酸，或是,NH,3,、,CO,2,与醛类或羧酸，从而破坏相应氨基酸的结构。,（二）对,蛋白质,的氧化损伤,4.,肽的折断,-NH CH CONH,C,H CONH CH-C,R,3,R,1,R,2,-NH CH CONH,C,CONH CH-C,R,3,R,1,R,2,OH,H,2,O,O,2,过氧化物,肽的折断,（二）对,蛋白质,的氧化损伤,5.,蛋白质,-,蛋白质的交联,蛋白质之间的交联将形成分子量更大的“分子”，进而限制蛋白质的运动性及其功能。,（三）对,DNA,的氧化损伤,1,碱基的损伤,C,C,NH,N,CH,HC,N,N,NH,2,C,腺嘌呤,C,C,NH,N,CH,H,2,N-C,HN,N,O,C,鸟嘌呤,1.,对,碱基,的损伤,C,C,HC,N,N,H,C,嘧啶,C,C,NH,N,C,-OH,H,2,N-C,HN,N,O,C,8-,羟基,鸟嘌呤,2.,对,脱氧核糖,的损伤,脱氧核糖中的每一个,C,原子和,-OH,上的,氢,都能与,OH,反应；在,C,位置上,抽氢、加氧,，而破坏戊糖的结构。,3.,对,DNA,链,的损伤,H,C,C,H,HOH,2,C,C,C,O,H,OH,H,OH,H,脱氧,核糖,3.,对,DNA,链,的损伤,DNA,链断裂的后果：,可能会造成部分碱基的缺失；,修复的,DNA,可能存在碱基的错误掺入和错误编码；,也可能引起,原癌基因,的活化或,抑癌基因,的失活等，从而导致细胞的突变或癌变。,（四）对,多糖,的氧化损伤,ROS,中活性很强的自由基如,OH,可无选择地攻击糖类，,抽提氢,，使其变为,碳中心自由基,，后者,与,O,2,结合,成为过氧化物，然后裂解。,第四节 化学毒物与生物大分子的,共价结合,一、概述,概念：,共价结合是指化学毒物或其活性代谢,产物与机体内一些重要的,生物大分子,如核 酸、蛋白质等发生,共价,结合，从而改变这些生物大分子结构或功能的过程。,一、概述,方式：,一般为,亲电子剂,与大分子的亲核基团作用，同过,共价键,形成稳定的复合物,加合物，使外源化学物或其代谢产物进入大分子内而成为其中的组成成分，一般用生化或化学手段处理不能使其解离。,特点：,永久性、不可逆地改变,内源性物质,的结构。,二、与蛋白质的共价结合,蛋白质分子中可与外源化学物,共价结合,的功能基团：,氨基和羧基；,Ser,和,Thr,的羟基；,Cys,的巯基；,Arg,的胍基；,His,的咪唑基；,Tyr,的酚羟基；,Trp,的吲哚基。,1.与白蛋白的共价结合,白蛋白是血液和组织间质中的主要蛋白质，也是血液中重要的运输载体。,血清,白蛋白,由肝细胞合成，而肝脏正是外源化学物活化代谢的主要场所，因而白蛋白更易受到由肝细胞活化形成的,亲电子剂,的攻击。,2.与血红蛋白的共价结合,外源化学物进入血液后，先与红细胞,膜,结合，继而进入细胞与血红蛋白,共价,结合。,血红蛋白中参与结合的基团主要有氨基、巯基和芳香胺基团。,应用：,血红蛋白加合物,可用于人群接触外源化学物的监测，具有样品容易获得，寿命长的优点，方便检测。,3.,与,组织细胞,蛋白质的共价结合,与,膜蛋白,或,胞浆蛋白,共价结合，将影响到细胞的正常代谢或信号传递过程；,而与,核蛋白,的共价结合将对细胞生长、增殖和分化等的调控产生影响。,核蛋白,（,nuclear protein,）是指在细胞质内合成，然后运输到核内起作用的一类蛋白质。,三、与核酸的共价结合,毒物类型：,亲电性,代谢产物为主，亲核性代谢产物和自由基也可。,结合部位：,碱基、核糖或脱氧核糖、磷酸均可，但以,碱基损伤的毒理学意义最大,。,结合后果：,细胞突变、癌变及其他一些细胞损伤。,应用：,一般，,DNA,加合物,一旦形成，致癌过程即已启动。因此，,DNA,加合物是一类重要的,生物标志物,，可用于化学物致癌的早期检测。,四、共价结合的毒理学意义：,加合物是一类重要的生物标志物，可用于反映机体对毒物的接触、损伤程度；,有助于毒性损伤的早期诊断和防治；,可用于解释某些化学毒物的中毒作用机制。,第五章 影响毒性作用的因素,第一节 毒物因素,一、化学结构,1.,同系物的碳原子数,脂肪烃类的毒性主要为麻醉作用。一般随碳原子数增多，毒性增强；但达到,9,个碳原子以后，碳原子数增多，毒性作用反而减弱。,2.,饱和度,碳原子数相同时，不饱和键增加，毒性增强。,一、化学结构,3.,构型,碳原子数相同，一般，毒性：直链,支链，成环,开环。,多取代基,：,分子对称的,不对称的；如，带两个取代基的苯环化合物的毒性：对位,邻位,间位。,立体构型,：,一般，受体或酶只能与一种旋光异构体结合而产生生物效应，故同一化学物的不同旋光异构体的毒性不同。一般,L,型有生物活性，,D,型则反之。,同分异构体的毒性差异：,有机氯农药,六六六,，有,7,种同分异构体，常用的有,、,、,和,等。,、,-,六六六,急性,毒性强；,-,六六六,慢性,毒性大；,、,-,六六六对中枢神经系统有很强的,兴奋,作用；,、,-,六六六则对中枢神经系统有,抑制,作用。,一、化学结构,4.,烃基取代,非烃类物质中引入烃基，脂溶性增高，易于透过生物膜，毒性将增强。,此外，烃基也能增加毒物的,空间位阻,，而影响其毒性。如，乙酰胆碱在体内易被水解，作用时间较短；但乙酰,甲基,胆碱水解缓慢，作用也较持久。,一、化学结构,5.,卤素取代,卤素具有强吸电子能力，结构中引入卤素，化学物极性将增强，更易与酶结合，使毒性增高。,例如，肝毒性：,CCl,4,CHCl,3,CH,2,Cl,2,CH,3,ClCH,4,。,一、化学结构,6.,羟基,芳香族化合物,引入羟基，极性增强，毒性增加。如，苯苯酚。多羟基芳香族化合物毒性更高。,脂肪烃,引入羟基后，麻醉作用增强，并可损伤肝脏。,一、化学结构,7.,巯基,-SH,的极性弱于,-OH,，因此硫醇的脂溶性较高，更易渗入组织；可干扰蛋白质中半胱氨酸和,胱氨酸,之间的氧化还原作用的平衡。,故,-SH,引入化合物其毒性增强。,一、化学结构,8.,酸基与酯基,酸基（如,-COOH,、,-SO,3,H,）引入分子，电离度和水溶性增高，脂溶性降低，难以吸收，毒性降低。,酸基,酯化,后，脂溶性将增高，毒性增大。,9.,氨基,胺具有碱性，易与核酸、蛋白质的酸性基团反应。,-NH,2,引入，毒性将增强。,二、物理性质,1.,溶解性,脂溶性高的化学物易通过脂质双分子层，易在脂肪组织中蓄积，易侵犯神经系统。但是，脂溶性,极高,的化学物不利于经体液转运。,水溶性高的化合物不易通过生物膜而吸收，较易随尿排出体外。,二、物理性质,2.,挥发性,常温下挥发性大的,液态,化学物易形成较大的蒸气压，易于经呼吸道吸入。,拌饲染毒时应注意，挥发性的化学物加入饲料后可因挥发而减少接触剂量。,二、物理性质,3.,分散度,物质颗粒越小，分散度越大。,经口摄入的固态化学物质，其分散度可影响经消化道的吸收率，进而影响其毒性。,三、化学物的稳定性和不纯物,毒物在使用情况下的,“不稳定性”,可影响其毒性。,当待评价化学物不是纯品时，须注意其,杂质,的性质。,四、毒物进入机体的途径,1.,接触途径,同一种化学物经不同途径进入机体时，其毒性表现可能有所不同。不仅是毒性表现的,快慢,不同，而且,性质,上也可能有所区别。,四、毒物进入机体的途径,2.,溶剂和助溶剂,溶剂：,水（蒸馏水）、生理盐水、植物油（玉米油、葵花籽油、橄榄油）、二甲基亚砜（,DMSO,）。,助溶剂：,吐温,-80,。,要求：,无毒、与受试物无反应、制成的溶液稳定。,四、毒物进入机体的途径,3.,毒物的浓度与容积,一般，毒物剂量相同，,浓,溶液较,稀,溶液毒作用强。,动物实验时，,一次灌胃,容积一般为体重的,1%2%,，不应超过,2%,；,静脉注射,在鼠类不能超过,0.5mL,，较大动物不能超过,2mL,。,第二节 机体因素,1.,代谢酶的多态性,2.,种属和个体差异,“沙利度胺”,对大、小鼠以,4000,mg/kg,剂量染毒，几乎无致畸作用。而,0.51.0,mg/kg,的剂量即对人有致畸作用，对兔、猴、狒狒也只有某些品系才能引起畸胎。,第二节 机体因素,3.,受体的变异性,例如，骨骼肌的,钙释放通道受体,变异，将导致机体对麻醉剂（卤烷类及琥珀胆碱）产生异常反应。,第二节 机体因素,4.,性别差异,一般，,成年,雌性动物比雄性动物对化学毒物更敏感。,如，雄激素能促进细胞色素,P-450,和,UDPGT,的活性；而孕激素则抑制肝微粒体酶的氧化作用和葡萄糖醛酸的结合作用。,第二节 机体因素,5.,年龄,新生和幼龄,动物的一些组织器官和酶系的功能发育不全，因此对毒物的敏感性与成年动物不同。,老龄,动物的酶的活性下降，对化学物的代谢功能逐渐衰退，对毒物的敏感性与幼龄动物相似。,第二节 机体因素,6.,营养条件,蛋白质缺乏,体内酶蛋白含量减少、活性降低，血浆白蛋白含量减少，而影响化学物的毒性。,脂肪酸缺乏,可降低微粒体酶的水平和活性。,维生素和矿物质缺乏,也将影响外源化学物的代谢。,第二节 机体因素,7.,疾病的影响,肝,功能受损时，肝中的代谢酶类含量会下降。,肾,功能不良时，水溶性代谢物的排泄速度减慢，导致化学毒物在体内潴留。,严重的,心脏病,可减弱肝和肾的血液循环，影响它们的功能，使化学毒物的毒性增强。,第三节 环境因素,气温,;,生物节律（昼夜和季节节律）,;,动物笼养形式,;,毒物的联合作用（相加作用，协同作用，拮抗作用，独立作用）。,