第4章毒作用机制

1.4 毒物产生毒性的可能途径
化学毒物 吸收、分布、代谢、排泄 ② 与靶分子相互作用 性 细胞功能失调、损伤 ③ 细胞修复功能失调 毒 ①
第二节化学毒物对生物膜的损害作用
本节内容 2.1 对生物膜组成成分的影响 2.2 对生物膜上酶活性的影响 2.3 对生物膜生物物理性质的影响

2.1 对生物膜组成成分的影响
（2）外源化合物的作用
外源性化合物可通过各种不同途径产生自由基。 其中最主要途径是通过氧化还原反应，通过单 电子还原而产生自由基。 可发生该反应的外源性化合物包括： 醌类：丝裂霉素、阿霉素、博莱霉素等； 硝基化合物：苯的硝基化合物（如硝基苯）和 硝基杂环化合物（如呋喃妥因）； 双吡啶化合物：百草枯、杀草快。 此外，有些化学毒物可干扰线粒体的细胞内呼 吸功能而产生氧自由基，如：甲基汞、氰化物、3硝基丙酸。

3.2 细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性

细胞钙稳态紊乱是某些化学毒物中毒的机制之
一。
如硝基酚、醌、过氧化物、醛类、二噁英、卤 化烷烃和烯烃、镉、铅、汞等均能干扰细胞稳态， 而引起细胞功能和结构损伤。 各种毒物进入机体后，引起细胞内钙过荷时， 可激活磷脂酶而促进膜磷脂水解；激活非溶酶体蛋 白酶而促进细胞膜骨架蛋白水解；激活核酸内切酶 而促进DNA断裂和染色质溶解，从而导致细胞损伤 甚至死亡。
以碳为中心的自由基如三氯甲基自由基； 以硫为中心的自由基如烷硫自由基； 以氮为中心的自由基如苯基二肼自由基； 金属离子（具有接受和供给电子的能力）如：
Cu+/Cu2+、Fe2+/Fe3+、Ti(Ⅲ)/Ti(Ⅳ)。这些金 属离子具有接受和供给电子的能力，从而成为 自由基反应的重要催化剂。

氧化磷酸化作用：
当电子流过呼吸链时，质 子通过膜被泵出
Pi+ADP ATP
线粒体 外膜
高[
H+ ]
H+
e－
线粒体 内膜 ATP酶复合体
低[ H+ ]
＋＋＋＋ ＋ －－－－ －
膜间腔
线粒体基质
线粒体
2.3.2 对膜流动性的影响




膜的流动性包括：膜脂质分子的旋转、伸缩和振荡、侧 向扩散和翻转运动，膜蛋白分子的侧向扩散和旋转运动，膜 整体结构的运动。 膜流动性的生理意义包括：物质运输、细胞融合、细胞 识别、细胞表面受体功能的调节等。 膜流动性的改变包括量变（程度变化）和质变（如相变 和分相）。 化学毒物可通过改变膜的流动性而影响其功能。如： DDT、对硫磷、重金属可使膜的流动性降低； 乙醇、溴氰菊酯、二氧化硅可使膜的流动性增高。 膜流动性可以通过荧光偏振、核磁共振、激光拉曼光谱、 激光漂白荧光恢复法和电镜冷冻蚀刻技术等生物物理实验技 术来研究。

第三节
3.1
化学毒物对细胞钙稳态的影响
本节内容
细胞内钙稳态 3.2 细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性 3.3 钙稳态失调的机制
3.1 细胞内钙稳态
细胞内钙由结合钙（结构钙，储备钙）和游离 钙（离子钙，功能钙）组成。 正常胞内游离钙的浓度在细胞兴奋时上升至 10-5mol/L、静息时下降至10-7－10-8mol/L。 细胞内钙稳态：是指[Ca2+]i稳态状的变化过 程。 细胞内钙浓度的调节主要由线粒体和内质网等 钙库、其次由细胞质中的缓冲系统（蛋白质、核苷 酸、酸性磷脂等）来调节。 当内钙调节失灵（钙稳态紊乱）时，即可引起 细胞功能损伤及坏死。
维持细胞膜的稳定性对机体内的生物转 运、信息传递及内环境稳定是非常重要的。 化学毒物可引起膜成分的改变。 如：四氯化碳可引起细胞膜磷脂和胆固 醇含量下降；二氧化硅可与人红细胞膜的蛋 白结合，使其蛋白的α-螺旋（二级结构）破 坏。

2.2 对生物膜上酶活性的影响
化学毒物可影响膜上某些酶的活性而影响细胞 的功能。如： 有机磷类化合物抑制突触小体和红细胞膜上的 胆碱酯酶； 对硫磷还可抑制突触小体和红细胞膜上的Ca2+ATPase和Ca2+,Mg2+- ATPase； 苯并芘可抑制红细胞膜Ca2+-ATPase和Na+,K+ATPase； Pb2+、Cd2+可与Ca2+-ATPase上的巯基结合，而 抑制其活性。

细胞钙稳态（calcium homeostasis）
[Ca
2+]o=1000μM
离子通 道蛋白
Ca2+，Mg2+-ATP酶
肌肉收缩蛋白 CaM酶 蛋白激酶
Ca2+
腺苷酸环化酶
[Ca 2+]i=0.1μM
磷酸酯酶
细胞
“细胞钙稳态”的维持
[Ca 2+]=1000μM
钙泵
钙通道
内质网 线粒体
[Ca
2+]=0.1μM
氧自由基
含氧的非自由基衍生物
4.1 自由基的来源与类型
4.1.1
来源 （1）正常生理代谢过程 线粒体是活性氧的重要来源。活性氧族 自由基都是其正常有氧代谢的副产物。生理 条件下该自由基可被锰超氧化物歧化酶分解。

细胞内的酶催化的氧化还原反应也是产 生自由基的来源。其中主要是黄嘌呤氧化酶， 其直接将分子氧还原成过氧化物和过氧化氢 或羟自由基。过氧化物酶具有很强的形成过 氧化氢能力。过氧化氢可被过氧化氢酶水解 产生氧自由基。
1.1 基本概念
毒物毒性的强度主要取决于终毒物在其 作用部位的浓度和持续时间。 终毒物是最终产生毒性作用的物质。 终毒物可以与内源性靶分子相互作用,使 整体结构和/或功能改变,从而导致毒性作用。 终毒物可以是母体化合物或其代谢产物， 也可以是内源性分子。

1.2 毒作用机制研究内容
毒作用机制内容包括：毒物如何进入机 体？怎样与靶分子相互作用？怎样表现其有 害作用及机体对损害作用的反应？等。 化学毒物不可逆地影响机体的功能和结 构,主要取决于其接触途径和程度。 对有害作用的定性和定量研究是评价特 定化学毒物潜在危害的基础，对了解毒性机 制也较有价值。
4.2 机体对氧化损伤的防御系统
正常生理条件下，自由基在体内持续不 断地产生，但同时被机体内的抗氧化系统清 除，从而不致出现损伤。 机体内的抗氧化系统包括： 非酶抗氧化系统和酶类抗氧化系统。

（1）非酶抗氧化系统



在生物体系中广泛分布着许多小分子，它们能通过非酶 促反应而清除氧自由基。 谷胱甘肽能与过氧化氢或有机过氧化物作用，可保护细 胞免受过氧化物损害，是重要的自由基捕获剂； 维生素C能还原氧自由基； 维生素E是细胞膜上主要的脂溶性抗氧化剂，通过阻断 过氧自由基链反应，防止膜上的多不饱和脂肪酸的氧化； β-胡萝卜素是自然界中已知最有效的单线态氧清除剂； 尿酸、牛磺酸、次牛磺酸具有防止自由基损伤作用； 金属硫蛋白对羟自由基有很强的灭活作用。
膜的流动性
旋转运动 侧向运动 旋转运动
翻 转 运 动
侧向运动 分子的摆动
相变：即膜从液晶相变成凝胶相。 分相：即膜脂双层中一部分表现为流动态（液晶态），另 一部分表现为固态（结晶态）。
膜脂的相变
相变温度
脂 质
Tc
凝固态
液晶态
2.来自百度文库.3 对膜表面电荷的影响
膜表面的糖脂和糖蛋白形成膜表面极性 基团，组成表面电荷。 膜表面电荷的性质和密度影响膜表面的 结构和功能。 化学毒物可通过改变膜的表面电荷而影 响其结构和功能。

4.1.2 自由基的类型
（1）氧中心自由基 该类自由基持续不断地在机体中产生。 它们包括氧自由基、羟自由基、过氧化 氢、单线态氧、次氯酸等，也包括过氧化物、 氢过氧化物及内源性脂质和外来化合物的环 氧代谢物。 这些物质都含有化学性质活泼的氧功能 基团。

（2）其他自由基
除氧中心自由基外，其它有包括：

2.3 对生物膜生物物理性质的影响
生物膜的生物物理性质主要表现在生物 膜的通透性、流动性、膜电荷和膜电位等几 个方面。 2.3.1 对膜通透性的影响 膜的通透性指膜两侧物质交换的能力。 膜的通透性具有选择性，是膜两侧物质 转运的基础。

化学毒物可改变膜的通透性而影响膜两 侧物质的正常转运，从而影响膜的功能。如： 重金属可与膜蛋白结合而改变其结构和 功能； 缬氨霉素可使膜对K+的通透性增加而造 成细胞损伤； DDT可使神经细胞膜通透性改变而使神经 兴奋性增高。 但是通透性的改变与细胞毒性大小并非 绝对相关，因为通透性的改变不是细胞损伤 的唯一原因。

3.3.3 激活水解酶
细胞内Ca2+浓度升高可激活降解蛋白质、 磷脂和核酸的水解酶。 许多完整的膜蛋白是Ca2+激活的中性蛋 白酶或需钙蛋白酶的靶位点。需钙蛋白酶介 导的肌动蛋白结合蛋白的水解也可引起膜大 疱。 钙激活的蛋白酶经蛋白水解可将黄嘌呤 脱氢酶转变成次黄嘌呤氧化酶，其副产物氧 自由基和过氧化氢可引起细胞损伤。
Ca2+
Ca2+
蛋白质、核苷酸、酸性磷脂
细胞
钙作为第二信使在细胞功能调节中起重要作用， 如神经传导、肌肉收缩、细胞分泌、细胞增殖与分 化、细胞形态的变化及细胞衰老等。 Ca2+作用途径有： ①通过钙结合蛋白（如钙调蛋白）介导； ②通过环磷酸腺苷（cAMP）介导； ③通过蛋白激酶C（PKC）和磷脂酶C（PLC）介 导； ④通过离子（Ca2+、Na+ 和Cl－）通道介导。

1.3 毒作用机制的意义
掌握毒物作用机制不仅具有理论意义， 且有实际意义,包括：阐明描述性毒性资料； 估计毒物所致有害作用的可能性；建立预防 或解毒措施；设计危害较小的药物和工业品； 开发对靶生物具有高选择性毒性的农药等。 毒作用机制的阐明有赖于基础生理和生 化过程包括神经传导到DNA修复的深入了解。

自由基的种类很多，主要有
A、以氧为中心的自由基；
B、以碳为中心的自由基； C、以氢为中心的自由基； D、以硫为中心的自由基； E、以氮为中心的自由基；
F、过渡金属离子：

其中，目前研究最深入的是氧自由基。
常见的自由基

超氧阴离子自由基
羟自由基 碳酸盐阴离子自由基 二氧化氮自由基 一氧化氮自由基 三氯甲基自由基

3.3 钙稳态失调的机制
细胞内钙稳态的失调 细胞Ca2+信号的改变在各种病理及毒理学过程 中起重要的作用。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，或称为细胞内 钙稳态的失调。 Ca2+这种失调或紊乱，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的 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。这就是 所谓中毒机制中钙稳态失调学说。
第四章 毒作用机制
本章内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
概述 毒物对生物膜的损害作用 毒物对细胞钙稳态的影响 体内生物大分子氧化损伤 毒物与细胞大分子的共价结合
第一节 概述
1.1
基本概念 1.2 毒作用机制研究内容 1.3 毒作用机制的意义 1.4 毒物产生毒性的可能途径

3.3.2 对微管功能的影响
胞浆内钙无控制地升高引起细胞损伤也涉 及到微管的解聚,进而损伤细胞的正常形态。 细胞通过骨架蛋白的微丝粘附于质膜中的 肌动蛋白以维持细胞的正常形态。 胞浆内钙的增加使肌动蛋白丝同α-辅肌 动蛋白和胞衬蛋白分离，促使质膜大疱（细胞 膜表面的突出物）的形成而易于破裂。
3.3.1 对能量代谢的影响
胞浆内高浓度Ca2+通过单转运器使线粒体Ca2+摄 取增加： 线粒体膜势能降低而抑制ATP合成酶，结果ATP 的合成减少，使细胞膜、内质网上的Ca2+ -ATPase 及细胞膜上的Na+,K+- ATPase 的能量供应减少，细 胞内钙泵出减少而使细胞内钙进一步升高； 同时线粒体的细胞内呼吸（电子传递）加速， 使氧自由基生成增加，膜脂质过氧化。 Ca2+也可激活磷脂酶，加速细胞膜脂质的水解。

第四节

体内生物大分子氧化损伤
自由基指含一个或多个未配对电子的任 何分子或离子。其共同点是具有顺磁性、化 学反应性极强、作用半径小、半衰期极短。 生物体内自由基有两类： 一类是正常参与线粒体电子转运过程的 自由基； 另一类是自由的非结合状态的并能与各 种组织成分相互作用的自由基。
自由基的种类