05第五章毒作用的机制

• 自由基的作用
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
毒物活化的机制
自由基（free redicals）的形成
• 自由基的类型
自由基类型
以氢为中心
以碳为中心 以硫为中心 以氮为中心
实例
H源自(一个质子，一个电子)
三氯甲基自由基(﹒CCl3) 烷硫自由基(R-S﹒) 苯基二肼自由基(C6H5N=N﹒) 超氧阴离子(O2-﹒) 无 机 羟基自由基(﹒OH)
评价
从含碳化合物抽取H原子常启动自由基链式反应，例如﹒OH能通过 从膜脂肪酸侧链抽出H而启动脂质过氧化LH+﹒OH→L﹒+H2O 通过H抽取反应形成的膜脂质的中的碳中心自由基(L﹒) ，为CCl4 毒性的主要动因 巯基化合物氧化时产生的活性自由基（由过渡金属促发） 参与苯肼的红细胞毒性 氧化应激的主要动因：﹒OH十分活跃， O2-﹒较弱 由L﹒与O2反应产生(LO2﹒)，或由金属依赖的脂质过氧化产物破 坏产生LO﹒和LO2﹒，任何碳中心自由基通常迅速与O2反应产生过 氧自由基，如﹒CCl3+O2 → CCl3O2 ﹒(三氯甲基过氧自由基) 接受和供给电子的能力使它们成为自由基反应的重要催化剂
• 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形成高铁血红蛋 白的亚硝酸盐
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
化学修饰与终毒物
终毒物（ultimate toxicant）
• 定义 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）功能而表现出毒性的物质。 • 终毒物可以是化学物原型或代谢物 • 定义 基于毒物、药物原有的基本化学结构，仅其 中某些官能团发生改变。 • 后果
第五章 毒作用的机制
天津医科大学 公共卫生学院
基本概念
毒作用（toxic effect）
化学物及代谢物在作用部位与组织大分子互相 作用产生的有害作用的过程与结果。 特点
• 功能障碍 • 应激能力下降 • 稳态能力降低 • 对有害因素敏感性增高
首剂效应（first dose response）
烯烃 醛、酮 碳鎓离子 氮鎓离子 硫离子 金属离子
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
毒物活化的机制
自由基（free redicals）的形成
• 自由基：最外层电子轨道上独立存在的带有不成对 电子的分子、原子或离子。 • 自由基共同特点
顺磁性 化学性质活泼 反应性极高 半衰期极短（μs） 作用半径短 生理状态 - 有生理功能，不造成损伤 病理状态 - 大量存在 - 氧化应激，造成损伤
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
终毒物与靶分子反应
电子转移
• 外源性化合物影响机体的电子传递功能，在电子传 递过程中产生自由基，主要影响线粒体呼吸链的电 子传递 • 线粒体内膜上的呼吸链有NADH呼吸链和FADH2 呼吸链。 • 电子传递链有5类电子传递复合体：NAD+、黄素 蛋白、铁硫蛋白、辅酶Q、细胞色素
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
终毒物与靶分子反应
毒物对靶分子的影响
• 新抗原形成
自发结合愈蛋白质 硝基氯苯 青霉素 镍 通过自氧化为醌类或通过酶促生物转化而获得反应性
• 化学物引起生物学微环境改变与毒性
改变生物水相中氢离子浓度 酸 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 溶剂或去污剂 占据位置或空间引起危害 乙二醇 磺胺
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
终毒物与靶分子反应
去氢反应
• 定义 自由基迅速从内源性化合物去除氢原子，将它们转变为自由基 • 机制 某些中性自由基由于具有不配对电子的特点，可与内源性化合 物结合，夺取氢原子发生脱氢反应。如Cl·+CH4→HCl+· 3 CH • 去氢反应实例
自由基与DNA分子通过脱氢反应生成自由基，引起DNA断裂 巯基化合物脱氢形成巯自由基，是其他巯基氧化产物的前身 脂肪酸脱氢产生脂质自由基能启动脂质过氧化作用 单糖易产生自由基，通过氧化脱氢反应可产生多种α-羰醛类产物。 - α-羰醛类产物能与DNA、RNA发生交联，能抗有丝分裂、抗癌； 与蛋白质发生交联使酶失活，使细胞膜变形性下降，导致细胞衰老 和死亡 - 糖尿病性白内障和毛细血管病也与单糖的自动脱氢氧化有关
终毒物与靶分子反应
共价结合
• 毒物或其具有活性的代谢产物与机体的一些重要的 大分子发生共价结合，从而改变核酸、蛋白质、酶、 膜脂质等分子的化学结构与其生物学功能。共价结 合也称不可逆结合 • 共价结合多见于亲电子毒物、非离子、自由基正离 子等 • 共价结合具有选择性，由电荷半径/半径比决定
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
终毒物与靶分子反应
终毒物与靶分子之间的反应类型
• 非共价结合（noncovalent binding） • 共价结合（covalent binding） • 去氢反应 • 电子转移 • 催化反应
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
终毒物与靶分子反应
非共价结合
以氧为中心
烷氧自由基(LO﹒) 有 机 烷过氧自由基(LO ﹒) 2
过渡金属离子
Cu+/ Cu2+ ，Fe2+/Fe3+， Ti3+/Ti 4+
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
毒物活化的机制
自由基（free redicals）的形成
• 活性氧简介
单线态氧 超氧阴离子自由基 过氧化氢 羟基自由基 臭氧 氮的氧化物 次氯酸
蓖麻毒素催化核糖体发生水解断裂
• 化合物与靶蛋白作用后，使蛋白形成具有酶活性的 分子
醌类化合物接受巯基氧化后的电子，可以促进脂质或核酸 发生过氧化反应 蛇毒含有破坏生物大分子的水解酶，可以降解机体正常组 织细胞中的蛋白质，产生严重的毒性反应 木瓜含有木瓜蛋白酶，处理不当食用发生中毒 梭曼与乙酰胆碱酯酶结合后，生成梭曼磷酰化乙酰胆碱酯 酶促进具有重活化酶老化，其实质是毒剂残基上烷氧基团 的去烷基反应。梭曼磷酰化酶不能被重活化是老化反应快 的原因。
• 有些化合物能将血红蛋白中的二价铁通过影响电子 传递生产三价铁，形成高铁血红蛋白血症，影响携 氧供能
亚硝酸盐能氧化血红蛋白 N-羟基芳胺、酚类化合物和肼类与氧合血红蛋白共氧化， 形成高铁血红蛋白与过氧化氢
终毒物与靶分子反应
催化反应
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
• 化合物本身有催化作用
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
毒物活化的机制
自由基（free redicals）的形成
• 氧自由基的来源 生物系统产生的氧自由基
胞浆中的小分子 儿茶酚胺类 黄素类 胞浆蛋白质 黄嘌呤氧化酶 膜酶活性 脂肪氧合酶 环加氧酶 吞噬细胞的吞噬过程及呼吸爆发 过氧化酶体线粒体电子传递过程 微粒体电子传递系统
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
毒物活化的机制
毒物活化定义 外源性化学物经机体的生物转 运和转化过程，一些化学物的结构和性质改变， 形成亲电物、亲核物，或产生自由基等，因而 生物学作用也会随之改变，产生活化作用 机制
• 亲电物的形成 • 自由基的形成 • 亲核物的形成 • 高活性还原剂的形成
毒性降低，保留对生物体有益的活性 毒性增强，对机体产生毒作用
化学结构修饰
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
终毒物与靶分子反应
毒作用是由终毒物与靶分子的反应所介导的一 系列继发生化过程，导致在不同生物学组织结 构水平（如靶分子本身、细胞器、细胞、组织 和器官、甚至整个机体）上的功能失常与损伤
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
终毒物与靶分子反应
毒物对靶分子的影响
• 靶分子的破坏
通过交联和断裂，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、氮芥 烷化剂能交联细胞骨架蛋白、DNA或使DNA与蛋白 质交联 自发性降解敏感 - 酶辅基破坏 - DNA断裂
毒理学上的靶分子
确认毒物靶分子的条件
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
终毒物与靶分子反应
毒物对靶分子的影响
• 靶分子功能失调
模拟内源性配体 - 吗啡激动阿片受体 活化靶蛋白分子 - 阿片激活膜受体产生镇痛作用 抑制靶分子的功能 - 阿托品抑制胆碱能M受体 影响蛋白质的活性 - 蛋白酪氨酸硝化改变蛋白质功能，干扰酪氨酸激酶和 磷酸酶参与的反应 干扰DNA的模板功能 - 黄曲霉素8,9-氧化物结合于鸟嘌呤，干扰碱基配对
第一次接触很小剂量的毒物就引起强烈毒效应 的现象。
基本概念
首过效应（first-pass effect）
化学物未到体循环就在吸收部位或肝脏发生代 谢和排泄的现象。 首过效应的后果
• 解毒 • 毒性增强
基本概念
外源性化学物产生毒性的途径
化学物与靶分子反应，引起细胞功能失调 化学物对生物学环境（微环境）产生影响 复杂的化学物毒性反应途径
终毒物与靶分子反应
共价结合
• 加合物
定义 活性化学物与细胞大分子之间通过共价键形成稳定 复合物 共价加合物的形成常见于亲电毒物如非离子和阳离子亲电 物以及氧自由基 中性自由基· OH 、· 2 、Cl3C· NO 等也可以共价结合的形 式与生物大分子反应 两个相同元素的自由基之间的化合反应，一般为共价结合 2H·→H2
• 靶分子属性 • 终毒物与靶分子之间的反应类型 • 毒物对靶分子的效应 • 生物学微环境的改变
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
终毒物与靶分子反应
靶分子属性
• 与终毒物有合适的反应性和亲和性 • 与终毒物有相互接近的条件和结构 • 在体内是否有重要的功能 • 膜脂质、核酸（特别是DNA）、蛋白质 • 终毒物与靶标反应并对其功能产生不良影响 • 终毒物在靶部位达到有效的浓度 • 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
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
终毒物与靶分子反应
电子转移
• 外源性化合物阻断电子传递，抑制磷酸化的进行， 发生供能障碍，造成生物体内窒息死亡
杀虫剂鱼藤酮阻断电子由NADH向CoQ的传递 抗霉素A阻断电子从Cytb到Cytc1的传递 叠氮化物、CO、氰化物阻断电子由Cytaa3到氧的传递
外源化学物的氧化还原代谢 有多种途径但最重要的是氧化还原循环
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
毒物活化的机制
亲核物（ nucleophile ）的形成
• 亲核亲核物
能参与亲核反应的化合物 本身不具有获取电子的倾向 但有提供电子的能力
• 亲核物的形成是毒物活化较少见的一种机制
高活性还原剂的形成
研究毒作用机制需要明确的几个 问题
毒作用机制研究的层次
靶器官 靶组织 细胞 亚细胞 DNA RNA
蛋白质
复杂的毒性机制可涉及毒物或其多种代谢 产物在多层次、多靶位与内源性靶分子相 互作用。
研究毒作用机制的意义
对评价特定化学物的潜在危险性具有重要 的价值 为相关药物研发及临床治疗的研究提供理 论依据 有助于基础学科的发展 分子毒理学可以从分子水平防治有害因素 的影响
• 化学物转运至靶部位 • 化学物与内源性靶分子相互作用 • 引起细胞功能和/或结构紊乱 • 启动分子、细胞和/或组织水平的修复机制 • 当化学物引起的紊乱超过修复能力或修复功能低下 时，就会出现毒性
研究毒作用机制需要明确的几个 问题
毒作用是由毒物引起正常细胞发生生理和 生化改变的结果 毒作用的强度取决于终毒物在其作用位点 的浓度及持续时间 靶组织和靶器官具有代偿能力，可超常发 挥解毒功能 毒作用包括一般毒理作用和特殊毒理作用 研究
第一节 毒物的活化与终毒物的 作用
毒物活化的机制
亲电物（electrophile）的形成
• 亲电物
能参与亲电反应的化合物 是含有一个缺电子原子（带部分或全部正电荷）的分子 能与亲核物中的富电子原子共享电子对而发生反应
• 共轭双键的形成 • 非离子亲电物的形成 • Hale Waihona Puke Baidu离子亲电物的形成
• 可能是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 • 神经性毒剂的亲电子能力比乙酰胆碱强，对乙酰胆 碱酯酶有更大的亲和力和抑制力，因而竞争性的抑 制了胆碱能神经系统的作用 R
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第一节 毒物的活化与终毒物的 作用