第二节 外源化学物毒作用的分子机理

2003年是DNA双螺旋模型发现50周年， 科学界举行了隆重的纪念活动。
早凋的“科学玫瑰” －－富兰克林（ R.E.Frankli
她在1953年率先采 用X射线衍射技术拍摄到 ＤＮＡ晶体照片，推算 出DNA分子呈螺旋结构 的结论，提供了决定性 的实验依据。
但“科学玫瑰”没等到 分享荣耀，在研究成果被 承认之前就已凋谢。 (英，R.E.Franklin, 1920－1958）
脱氧核苷酸
DNA平面结构
DNA立体结构
2、DNA的立体结构特点
1.由2条链按反向平行方 式盘绕成双螺旋结构；
2.外侧：
磷酸、脱氧核糖 交 替连接—— 构成基 本骨架；
3.内侧: 碱基；2条链上的 碱基通过氢键形成
碱基对
碱基互补配对原则

A与T配对； G与C配对
DNA 碱 基 互 补 配 对 情 况 图 解
遗传


基因突变 染色体结构改变 染色体数目改变
1.基因突变
mutated type wild type
碱基置换（base substitution）
错误配对的碱基在下一次DNA复制时 按正常规律配对，于是原来的碱基 对被错误碱基对所置换。
突变的后果



同义突变（ synonymous mutation）:指没 有改变基因产物氨基酸序列的改变 错义突变（ missense mutation）:指碱基序 列的改变引起了产物氨基酸序列的改变 无义突变（nonsense mutation）:指某个碱 基的改变使代表某个氨基酸的密码子变为 蛋白质合成的终止密码子，导致多肽链在 成熟之前终止合成的改变
Tyrosine (Tyr) 酪氨酸 Serine (Ser)丝氨酸
染色体畸变类型
在下一次细胞分裂时断片因无着丝 点，故不能进入分裂的核中而滞留 在细胞质中，称为“微核”
染色体畸变类型
后果： 稳定的畸变(如倒位、易位)：染色体重排，可在机体或细胞群传递
不稳定畸变（无着丝粒断片、环状染色体）：因丧失重要遗传物质 或有丝分裂障碍致细胞死亡。
不同基因的外显子和内含子的数量及其长度是不等的。
发生过程长， 频率低
自发突变：物种进化 突变 新品种培育、选择、改良 诱发突变
棉花的短果枝，水稻的矮秆、家鸽羽毛的灰红 色，以及人的色盲、糖尿病、白化病等遗传病， 都是突变性状。
人类健康危害
发生过程短，频率高； 可为人类利用，也可 能对人有害
遗传毒理学（genetic toxicology）
第二节 外源化学物毒作用的分子机制
一、细胞膜损伤与钙稳态失调
1.细胞膜损伤 物质转运、信息传递、内环境稳定。 如：DDT、酒精、锌、汞、镉、铝等。 2、钙稳态失调 钙为细胞的第二信使，Ca离子在细胞膜上和 磷酸酯酶的作用，
3、DNA损伤与基因 突变
1953年，美国科学家沃森
（J．D.Watson，1928—）和英国科学家 克里克（F.Crick，1916—2004），共同 提出了DNA分子的双螺旋结构模型。
A C G
H
U X
NA
G · C
发生碱基转换
例5：形成二聚体 • 辐射的诱变作用
紫外线（ultraviolet light，UV）：能使DNA产生两种 光生成物－－环丁烷嘧啶光二聚体和6-4光生成物。 胸腺嘧啶二聚体通常发生在同一DNA链上两个相临 的胸腺嘧啶之间，也可发生在不同单链之间，这种 二聚体是很稳定的。 阻碍单链分开，影响复制
ApoE
13.2
ApoCI
ApoCII, ……
13.33
13.43
等位基因




一对同源染色体统一基因座上的一对基因称 为一对等位基因（allele）。 二倍体细胞每一个基因是成对存在的，每一 对基因分别来自双亲的染色体的同一位置上， 这个位置称为基因座（locus）。 等位基因之间有相互作用：如完全显性，不 完全显性等。如：ABO血型 非等位基因之间也存在相互作用。
（妊娠最初3个月自然流产中有60%有染色体畸变 ）

非致死性突变（显性与隐性遗传）
遗传病发病率 增加、新病种
增加基因库的 遗传负荷
2.体细胞突变
肿瘤
其它：
衰老
心脑血管疾病 ……
癌基因的活 化与抑癌基 因失活
机体对致突变作用的影响
DNA损伤的修复 遗传因素

一、 DNA损伤的修复
1. 损 伤 耐 受 机 制 ： 指 DNA 遗 传 可 绕 过 那 些 阻 止 DNA 复制的DNA损伤。
复制 在胸腺嘧啶对应处随意渗入碱基， 引起突变。
例6：DNA加合物形成
• 黄曲霉素B1(aflatoxin B1,AFB1)
在鸟嘌呤N-7位置上形成一个加成复合物进而产生无嘌 呤位点。它要求SOS系统参与，SOS越过这些无嘌呤位点并 在其对应处选择性插入腺嘌呤。
AC G TA TG CAT AC G TA TG CAT ＋
－A－A－C－C－G－G－A－T－
－T－T－G－C－C－C－T－A－
A－T之间形成2个氢键
C－G之间形成3个氢键
RNA复制
复制
转录
翻译
DNA
逆转录
RNA
蛋白质
基因就是指DNA中能编码蛋白质和功能 RNA的特定核苷酸序列。
13.3 13.2 13.13
LDL-R, ……
13.11
12
12 13.11
• 是指一物种中分散在不同个体基因组中的单个碱 基的不同，包括置换、缺失 、插入 • 较普遍和较重要的是单个碱基置换，即单核苷酸 多态性，单碱基变异的频率在1‰～2‰
• 绝大多数位于非编码区
基因多态性分类
2、小卫星 DNA重复序列(minisatellite repeats)
• 由15～65bp的基本单位串联组成的重复序列， 总长度一般不超过20kb，表现出重复次数在人 群中的高度变异 • 这种数目变异的串联重复决定了小卫星DNA 长 度的多态
AFB1
AC TA TG CAT
复制
复制
AC TA TG AAT
AC TTA TG AAT
例7：DNA-蛋白质交联物（DPC)的形成

稳定的共价结合物 对DNA构象与功能产生严重影响 许多外源化学物均可引起DPC的形成（烷化 剂、醛类、重金属等）
突变后果
1.生殖Βιβλιοθήκη Baidu胞突变

致死性突变（显性与隐性致死）


研究化学性和放射性物质的致突变作用以 及人类接触致突变物可能引起的健康效应。 主要研究致突变作用机理 寻找敏感检测系统发现和探究致突变物 提出评价致突变物健康危害的方法

突变是致突变作用的后果 致突变物（mutagen）：能引起突变的物质，又称诱变剂
遗传毒物（genotoxic agent）：因致突变物能引起遗传物质 损伤，又称其为遗传毒物
表 21-2 点突变的类型(以 Tyr 的密码子为例) 无义突变 DNA TAC→TAA , TAG ↓ ↓ ↓ ↓ RNA UAC UAA UAG ↓ ↓ ↓ ↓ aa Tyr Och Amb 同义突变 TAC → TAT ↓ ↓ UAC UAU ↓ ↓ Tyr Tyr 错义突变 TAC→ TCC ↓ ↓ UAC UCC ↓ ↓ Tyr Ser
富兰克林拍摄的DNA的X射线衍射图
X衍射技术是用X光透过 物质的结晶体，使其在 照片底片上衍射出晶体 图案的技术。这个方法 可以用来推测晶体的分 子排列。
DNA的X射线衍射图
DNA分子的双螺旋结构模型
DNA平面结构
DNA立体结构
DNA平面结构
基本单位：
脱氧核苷酸
DNA的化学组成
元素组成： H O N P C
复制
TACGA C ATCGGGTATT ATGCT G TAGCCCATAA
插入一个碱基对
移码突变
例3：碱基类似物取代

5-溴脱氧尿嘧啶（T） 2-氨基嘌呤（G）
例4：碱基的化学结构改变或破坏
• 亚硝酸(nitrous acid,HNO2)：具有氧化脱氨作用。 HNO2 HNO2 HNO2 C · G A · T NA U · A H · C T · A
基本单位：
磷酸 脱氧核糖 含氮碱基
脱氧核苷酸
P
脱氧核糖 含氮碱基
脱氧核苷酸

组成脱氧核苷酸的碱基：
腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G） 胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）
因此，脱氧核苷酸也有4种
A
腺膘呤脱氧核苷酸 G 鸟瞟呤脱氧核苷酸
C
胞嘧啶脱氧核苷酸 T 胸腺嘧啶脱氧核苷酸
很多个脱氧核苷酸聚合成为脱氧核苷酸（DNA)链
复等位基因


在某一种生物的群体中，每一个基因座上 可以有两个以上的等位基因，这就是复等 位基因（multiple allele）。 例如人类的血型就是由IA,IB,i 3个复等位基 因决定的，这几个基因各自编码特定的红 细胞表面抗原。
外显子和内含子 — 基因的结构是断裂的（split gene）
2. 修复机制：
直接修复
O6甲基鸟嘌呤修复
光修复 核苷酸切除修复 碱基切除修复 切除修复 错配碱基修复 复制后修复 呼救性修复
DNA修复
遗传物质
解毒
终致突变物质＋DNA
突 变
二、遗传因素对致突变作用的影响

个体间遗传差异

个体易感性差异的决定因素是遗传因素，表现为基
因多态性(genetic polymorphism)
AP位点
烷化作用主要发生在碱基的N1、N3、N7位置上。最容易发生 在G的N7位置上，形成7-烷基鸟嘌呤。
例2：平面大分子嵌入DNA链
平面插入剂 1、9-氨基吖啶、ICR-191等。 2、非共价结合（或非共价与共价兼有） 3、移码突变
染料分 子嵌入
TACGA ATCGGGTATT ATGCT TAGCCCATAA
这是20世纪继爱因斯坦发现相对论之后的 又一划时代发现，它标志着生物学的研究进入 分子的层次。因为这项“生物科学中最具有革 命性的发现”，两位科学家获得了1962年度诺 贝尔生理学或医学奖。
在生命的旋梯上
沃森和克里克
DNA分子双螺旋结构模型的发现，是 生物学史上的一座里程碑，它为DNA复制 提供了构型上的解释，使人们对DNA作为 基因的物质基础不再怀疑，并且奠定了分 子遗传学的基础。DNA双螺旋模型在科学 上的影响是深远的。
• 基因多态性：如果一个基因座位最常见的等位基因频率 不超过99％，这个基因即具有多态性 • 也就是从“功能”上来说，群体中有大于1％的个体存在 不同的等位基因形式，且其基因产物的结构和活性常不
同
基因多态性分类
1、单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNPs)

直接致突变物（direct-acting mutagen）:具 有很高的化学活性，其原型就可引起生物 体突变的物质 间接致突变物（indirect-acting mutagen）: 本身不能引起突变，必须在体内经过代谢 活化才具有致突变性的物质

突变的类型
机理 以DNA为靶的损伤： 基因突变 染色体畸变 不以DNA为靶的损伤 染色体数目改变
例1：碱基错配--烷化剂
1、烷化剂是目前应用最广泛而有效的诱变剂。 2、最常用的有甲基磺酸乙酯(EMS)、甲基磺酸甲酯(MMS)、 亚硝酸胍等。 3、机制：带有一个或多个活泼的烷基，这些烷基能够移到 其他电子密度较高的分子中去，使碱基许多位置上增加 烷基，多方面改变氢键的结合能力。
（烷化作用可使DNA的碱基容易受到水解而从DNA上裂解下来， 造成碱基的缺失，从而引起碱基的转换与颠换及移码突变。）
Down（唐氏）综合征患者
化学毒物致突变作用的机 制及后果
1. 突变的DNA变化
碱 基 损 伤
碱基错配
平面大分子嵌入DNA链 碱基类似物取代 碱基的化学结构改变或破坏 二聚体形成
DNA链受损
DNA加合物形成
DNA蛋白交联物形成
2. 3.
突变细胞分裂过程改变 其它：损伤DNA合成和修复有关的酶系统



原核生物的基因结构大多数是连续的，即基因编 码蛋白质的序列是不中断的。而真核生物基因的 编码序列是不连贯的，即在两个编码序列之间有 一段不编码蛋白质的非编码序列。 编码序列称为外显子（exon），非编码序列称为 内含子（intron）。 外显子是出现在mRNA分子中的基因序列；内含 子则是不出现在mRNA分子中的基因序列。
Down 综合征-为21-三体syndrome
发病率：1/800，1.25‰，以10亿人口计， 1.25‰x10亿=125万。 体征：智力发育不全，发育迟缓，面容呆滞，眼 距宽。眼裂小，外眼角上斜，鼻根扁平，张口伸 舌，流涎水缺乏抽象的思维能力，只会发单音 节。 常伴有四肢、五官、内脏、皮肤等方面的异 常。 50%患者伴有先天性心脏病，是死亡的主要 原因。白血病的发病率高于常人20倍。