毒作用机制
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物活性或毒性不但没有减弱，反而
增强者称为增毒（toxication）或 代谢活化（metabolic
activation）。 • 最为多见的情况是增毒使外源化学
物如氧和氧化氮（NO）转变为：亲 电子、自由基、亲核物、氧化还原 性反应物。
亲电子剂的形成
• 亲电子剂是含有一个缺电子原子（带部分 或全部正电荷）的分子。该缺电子原子中 的部分或全部阳电荷使其很容易通过共享 电子对的方式与亲核剂中富含电子的原子 反应。
① 化学毒物
吸收、分布、代谢、排泄
②
毒
与靶分子相互作用
性Baidu Nhomakorabea细胞功能失调、损伤
③ 细胞修复功能失调
目前有关化学物毒作用机制研究较 深入的包括：
①、自由基与氧化损伤；
②、细胞钙稳态紊乱；
③、外源性化合物对生物大分子的 共价结合。
第一节 外源化学物的增毒与终毒物的形成 第二节 自由基与氧化损伤； 第三节 细胞钙稳态紊乱； 第四节 外源性化合物对生物大分子的共
2.细胞钙的转运
Ca2+通过四条途径进入细胞内：
①、由于质膜内外的电位差使Ca2+自 胞外流向胞内；
②、通过质膜上的Ca2+受体进入细胞 内；
③、通过细胞膜的钙漏流进入细胞； ④、通过细胞内钠离子与细胞外钙离 子交换而进入。
胞内Ca2+流出路径：
主要依靠细胞质膜、内质网和线粒体 膜上的三个钙泵系统。
(1O2) (LOO.)
过氧化氢
H2O2
②、碳自由基 ③、氮、磷自由基
④、脂自由基
5.自由基的来源：
在正常情况下，细胞每天可 产生1011个活性氧分子，细胞通常 处于氧化和抗氧化平衡状态而维持 其正常功能。然而，当自由基过度 产生，机体的氧化与抗氧化防御体 系作用失去平衡，细胞的功能将受 到影响，细胞的损害作用就可能出 现。
• 化学物在代谢活化时形成非离子亲电 子剂。亲电子剂经常是在外源化合物 被细胞色素P-450或其他酶氧化成酮 类、环氧化物及芳烃氧化物、α,β不饱和酮及醛类、醌类或醌亚胺类以 及酰基卤等过程中形成的。
第二节 自由基与氧化损伤
1.自由基的定义： 自由基(free radical)是任何能独 立存在的含有一个或多个未配对 电子的原子、分子或原子团。
膜脂质过氧化过程可分为启动、发 展和终止三个阶段。
2）对蛋白质的氧化损害 蛋白质是自由基损害的靶分子。
许多蛋白质是酶蛋白，氧化损 伤可导致酶活性的诱导或抑制。
3）对DNA的氧化损伤
环境污染物、化学致癌物均能诱 发自由基攻击DNA，表现为DNA单链断 裂、双链断裂、交联等碱基损伤，出 现无嘌呤位点、5-羟甲基尿嘧啶、8羟基脱氧鸟嘌呤(8-OH-dG)。
2.共价结合
共价结合由于永久性地改变了内 源性分子结构，实际上是不可逆的。 亲电子毒物与细胞内的亲核部位或 基团相互作用，常形成共价加合物。 使外源化合物或其代谢产物进入生 物大分子内而成为其中的组成部分， 一般生化处理或化学处理不能使其 解离。
1）与蛋白质共价结合 ①、与白蛋白共价结合 ②、与血红蛋白共价结合 ③、与组织细胞蛋白质共价结合
第四章 毒作用机制
公共卫生学院卫生学教研室
探讨毒物作用应明确以下几点：
①、毒性效应是由于正常细胞生理或 生化改变的结果；
②、毒性效应的程度除毒物本身外， 决定于靶部位性质；
③、靶组织和靶器官具有代偿能力， 可超常发挥解毒功能；
④、毒物的毒性效应可表现为体细胞 非致死性遗传学改变。
化学毒物产生毒性的可能途径
④、吞噬细胞的吞噬过程及“呼吸暴 发” 这一途径是生物体中O2ˉ·的主要 来源之一。
⑤、过氧化酶体：刺激过氧化酶体生物 合成的化学物能诱导H2O2的过量生成。
⑥、线粒体电子传递过程能生成 ROS，线粒体在整体或离体都产 生ROS，主要是O2ˉ·。
⑦、微粒体电子传递系统：细胞色 素还原酶参与细胞色素P450和b5 的氧化还原反应，当它们催化某些 外源化学物还原然后发生自氧化时， 也能产生O2ˉ·和H2O2。
目前认为，活性氧自由基引起DNA氧 化损伤的途径有二：
①、羟自由基(OH·)引起的DNA损伤。
②、核酸酶的激活导致DNA损伤。
4）活性氧与细胞凋亡
活性氧诱导细胞凋亡的机制尚未完 全阐明。
据认为，与调节凋亡有关的基因表 达有关。按照该类基因的表达产物 对凋亡过程的影响，可分为凋亡促 进基因和凋亡抑制基因。
第四节 对生物大分子的 共价结合
外源化合物与生物大分子相互作 用主要有两种方式：
①.非共价结合； ②.共价结合。
1.非共价结合
非共价结合由于其键能相对较 低通常是可逆的。这种类型的结 合可能是由于氢键和离子键的形 成所致。非共价健结合通常涉及 到毒物与膜受体、胞内受体、离 子通道及某些酶的相互作用。
第三节 细 胞 钙 稳 态 紊 乱
1.细胞内钙稳态
细胞Ca2+可分为细胞内Ca2+和细胞 外 Ca2+ ， 细 胞 外 Ca2+ 浓 度 约 为 103mol／L，细胞内Ca2+浓度为10-7mol ／L，仅为细胞外的1／10000。当细 胞处于兴奋状态时，细胞内游离的 Ca2+迅速增加(可达10-5mol／L)，随 后再降至10-7mol／L，完成信息传递 循环。Ca2+浓度的这一变化过程通常 呈稳定状态，故称为细胞内钙稳态
2)与核酸分子共价结合
致癌物与核酸碱基的共价结 合，绝大多数是其在代谢活化后进 行的，仅有极少数母体致癌物如直 接烷化剂可直接与核酸进行共价结 合。致癌物的活性代谢产物多为亲 电子物，其反应中心带有正电荷， 易与核酸分子的富电子位点作用， 形成加合物。
亲电子代谢产物主要攻击鸟嘌呤N7、 C8、O6，腺嘌呤的N1、N2，胞嘧啶 和鸟嘌呤的氨基；
①、是高亲和力低容量的Ca2+泵 (Ca2+—ATP酶)。该酶转运Ca2+、水解 ATP都要有Mg 2+参与，故又称之为 Ca2+—Mg2+—ATP酶。
②、是Na+— Ca2+交换器。与Ca2+泵 的区别是亲和力低而交换容量大。
③、内质网／肌浆网也有类似质膜 钙泵的转运系统，将胞内溶质Ca2+ 逆浓度梯度泵入内质网。
未配对电子是指单独在一个轨道 里的电子。
2.自由基的共同特点： ①、具有顺磁性 ②、化学反应性极强 ③、作用半径小 ④、生物半减期极短
3.自由基种类：
①、氧自由基：(体内95%以上为氧
自由基)
超氧阴离子 (O2-. ) 羟自由基 (·OH.)
烷氧基
(RO.)
烷过氧基 (ROO.)
单线态氧 脂过氧基
价结合。
第一节 外源化学的增毒与终毒物的形成
1.概念：
终毒物（ultimate toxicant） 是指与内源靶分子（如受体、酶、
DNA、微丝蛋白、脂质）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。
终毒物可为机体所暴露的原化学 物；也可以是其代谢物。
2.代谢活化： • 外来化合物经生物转化过程使其生
亲核代谢产物主要攻击胞嘧啶、尿 嘧啶和胸腺嘧啶的C6。此外，胸腺 嘧啶的N3、O2、O6也易受到攻击。
不同类型的DNA加合物可引起不 同的生物学效应。包括细胞毒性、 诱变作用、活化癌基因，乃至引 发细胞癌变。
6.生物系统产生自由基的主要途径：
①、胞浆中的小分子的自氧化过程可 促使O2的还原而产生氧自由基。 ②、胞浆蛋白质：某些胞浆酶如黄嘌 呤氧化酶(xanthine oxidase)可通过 酶促循环而直接还原分子氧自由基及 H2O2，可能还有羟基自由基。
③、膜酶活性：在白三烯、凝血噁烷和 前列腺素合成过程中，脂肪氧合酶和环 加氧酶催化的反应能产生氧自由基。
外源化学物的氧化还原代谢可产 生自由基：
许多外源化学物可通过各种不同 途径形成自由基，但其中最主要的途 径是通过氧化还原循环 (redoxcycling)。
O2ˉ·的形成不是这些外源物质 毒作用过程的最终阶段，因为 O2ˉ·能产生反应性更强的羟基自由 基。
7.体内自由基的清除体系： 1）酶促清除体系： ①超氧化物歧化酶(SOD)
④、线粒体钙转运系统是靠Ca2+的 单一运送器进行的，它是一种膜蛋 白，转运Ca2+的能量来自线粒体呼 吸代谢形成的膜电位。
3.钙稳态失调引起细胞损害的机理 细胞钙稳态失调引起细胞损害的机 制较为复杂。细胞内Ca2+持续性升高 对机体的损害是由于它可能引起：
①、能量贮备耗竭；
②、微管功能障碍；
③、水解酶的激活。
②谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)
③过氧化氢酶（CAT） ④谷胱甘肽还原酶(GR) ⑤其他酶或蛋白质
2）非酶类化学清除剂： ①谷胱甘肽 ②维生素E、维生素C、β-胡萝卜素 ③其他：泛醌、尿酸、牛磺酸、次牛 磺酸、硒、锌等。
8.自由基导致氧化损伤
1）脂质过氧化作用及其损害
脂质过氧化(lipid peroxidation)是指 多不饱脂肪酸的氧化破坏作用。自由基 易攻击生物膜上的不饱和脂肪酸而造成 脂质过氧化，进而对生物膜产生强烈的 破坏作用。
凋亡促进基因有c-myc、p53等。
c-myc癌基因不仅能促进肿瘤细胞的 增殖和恶性转化，抑制细胞的分化， 而且还参与细胞的凋亡过程，在某些 因素引起细胞增殖停滞时， c-myc 基因的持续表达可促进细胞凋亡，且 细胞凋亡的程度与细胞内myc蛋白的 活性及其表 达水平有关。
凋亡抑制基因bcl-2有调节活 性氧的作用，增加细胞内bcl-2合成 可阻断活性氧相关的细胞凋亡，但 其机制尚不清楚。bcl-2具有抗氧化 作用，并可通过抑制活性氧形成而 抑制细胞凋亡。
增强者称为增毒（toxication）或 代谢活化（metabolic
activation）。 • 最为多见的情况是增毒使外源化学
物如氧和氧化氮（NO）转变为：亲 电子、自由基、亲核物、氧化还原 性反应物。
亲电子剂的形成
• 亲电子剂是含有一个缺电子原子（带部分 或全部正电荷）的分子。该缺电子原子中 的部分或全部阳电荷使其很容易通过共享 电子对的方式与亲核剂中富含电子的原子 反应。
① 化学毒物
吸收、分布、代谢、排泄
②
毒
与靶分子相互作用
性Baidu Nhomakorabea细胞功能失调、损伤
③ 细胞修复功能失调
目前有关化学物毒作用机制研究较 深入的包括：
①、自由基与氧化损伤；
②、细胞钙稳态紊乱；
③、外源性化合物对生物大分子的 共价结合。
第一节 外源化学物的增毒与终毒物的形成 第二节 自由基与氧化损伤； 第三节 细胞钙稳态紊乱； 第四节 外源性化合物对生物大分子的共
2.细胞钙的转运
Ca2+通过四条途径进入细胞内：
①、由于质膜内外的电位差使Ca2+自 胞外流向胞内；
②、通过质膜上的Ca2+受体进入细胞 内；
③、通过细胞膜的钙漏流进入细胞； ④、通过细胞内钠离子与细胞外钙离 子交换而进入。
胞内Ca2+流出路径：
主要依靠细胞质膜、内质网和线粒体 膜上的三个钙泵系统。
(1O2) (LOO.)
过氧化氢
H2O2
②、碳自由基 ③、氮、磷自由基
④、脂自由基
5.自由基的来源：
在正常情况下，细胞每天可 产生1011个活性氧分子，细胞通常 处于氧化和抗氧化平衡状态而维持 其正常功能。然而，当自由基过度 产生，机体的氧化与抗氧化防御体 系作用失去平衡，细胞的功能将受 到影响，细胞的损害作用就可能出 现。
• 化学物在代谢活化时形成非离子亲电 子剂。亲电子剂经常是在外源化合物 被细胞色素P-450或其他酶氧化成酮 类、环氧化物及芳烃氧化物、α,β不饱和酮及醛类、醌类或醌亚胺类以 及酰基卤等过程中形成的。
第二节 自由基与氧化损伤
1.自由基的定义： 自由基(free radical)是任何能独 立存在的含有一个或多个未配对 电子的原子、分子或原子团。
膜脂质过氧化过程可分为启动、发 展和终止三个阶段。
2）对蛋白质的氧化损害 蛋白质是自由基损害的靶分子。
许多蛋白质是酶蛋白，氧化损 伤可导致酶活性的诱导或抑制。
3）对DNA的氧化损伤
环境污染物、化学致癌物均能诱 发自由基攻击DNA，表现为DNA单链断 裂、双链断裂、交联等碱基损伤，出 现无嘌呤位点、5-羟甲基尿嘧啶、8羟基脱氧鸟嘌呤(8-OH-dG)。
2.共价结合
共价结合由于永久性地改变了内 源性分子结构，实际上是不可逆的。 亲电子毒物与细胞内的亲核部位或 基团相互作用，常形成共价加合物。 使外源化合物或其代谢产物进入生 物大分子内而成为其中的组成部分， 一般生化处理或化学处理不能使其 解离。
1）与蛋白质共价结合 ①、与白蛋白共价结合 ②、与血红蛋白共价结合 ③、与组织细胞蛋白质共价结合
第四章 毒作用机制
公共卫生学院卫生学教研室
探讨毒物作用应明确以下几点：
①、毒性效应是由于正常细胞生理或 生化改变的结果；
②、毒性效应的程度除毒物本身外， 决定于靶部位性质；
③、靶组织和靶器官具有代偿能力， 可超常发挥解毒功能；
④、毒物的毒性效应可表现为体细胞 非致死性遗传学改变。
化学毒物产生毒性的可能途径
④、吞噬细胞的吞噬过程及“呼吸暴 发” 这一途径是生物体中O2ˉ·的主要 来源之一。
⑤、过氧化酶体：刺激过氧化酶体生物 合成的化学物能诱导H2O2的过量生成。
⑥、线粒体电子传递过程能生成 ROS，线粒体在整体或离体都产 生ROS，主要是O2ˉ·。
⑦、微粒体电子传递系统：细胞色 素还原酶参与细胞色素P450和b5 的氧化还原反应，当它们催化某些 外源化学物还原然后发生自氧化时， 也能产生O2ˉ·和H2O2。
目前认为，活性氧自由基引起DNA氧 化损伤的途径有二：
①、羟自由基(OH·)引起的DNA损伤。
②、核酸酶的激活导致DNA损伤。
4）活性氧与细胞凋亡
活性氧诱导细胞凋亡的机制尚未完 全阐明。
据认为，与调节凋亡有关的基因表 达有关。按照该类基因的表达产物 对凋亡过程的影响，可分为凋亡促 进基因和凋亡抑制基因。
第四节 对生物大分子的 共价结合
外源化合物与生物大分子相互作 用主要有两种方式：
①.非共价结合； ②.共价结合。
1.非共价结合
非共价结合由于其键能相对较 低通常是可逆的。这种类型的结 合可能是由于氢键和离子键的形 成所致。非共价健结合通常涉及 到毒物与膜受体、胞内受体、离 子通道及某些酶的相互作用。
第三节 细 胞 钙 稳 态 紊 乱
1.细胞内钙稳态
细胞Ca2+可分为细胞内Ca2+和细胞 外 Ca2+ ， 细 胞 外 Ca2+ 浓 度 约 为 103mol／L，细胞内Ca2+浓度为10-7mol ／L，仅为细胞外的1／10000。当细 胞处于兴奋状态时，细胞内游离的 Ca2+迅速增加(可达10-5mol／L)，随 后再降至10-7mol／L，完成信息传递 循环。Ca2+浓度的这一变化过程通常 呈稳定状态，故称为细胞内钙稳态
2)与核酸分子共价结合
致癌物与核酸碱基的共价结 合，绝大多数是其在代谢活化后进 行的，仅有极少数母体致癌物如直 接烷化剂可直接与核酸进行共价结 合。致癌物的活性代谢产物多为亲 电子物，其反应中心带有正电荷， 易与核酸分子的富电子位点作用， 形成加合物。
亲电子代谢产物主要攻击鸟嘌呤N7、 C8、O6，腺嘌呤的N1、N2，胞嘧啶 和鸟嘌呤的氨基；
①、是高亲和力低容量的Ca2+泵 (Ca2+—ATP酶)。该酶转运Ca2+、水解 ATP都要有Mg 2+参与，故又称之为 Ca2+—Mg2+—ATP酶。
②、是Na+— Ca2+交换器。与Ca2+泵 的区别是亲和力低而交换容量大。
③、内质网／肌浆网也有类似质膜 钙泵的转运系统，将胞内溶质Ca2+ 逆浓度梯度泵入内质网。
未配对电子是指单独在一个轨道 里的电子。
2.自由基的共同特点： ①、具有顺磁性 ②、化学反应性极强 ③、作用半径小 ④、生物半减期极短
3.自由基种类：
①、氧自由基：(体内95%以上为氧
自由基)
超氧阴离子 (O2-. ) 羟自由基 (·OH.)
烷氧基
(RO.)
烷过氧基 (ROO.)
单线态氧 脂过氧基
价结合。
第一节 外源化学的增毒与终毒物的形成
1.概念：
终毒物（ultimate toxicant） 是指与内源靶分子（如受体、酶、
DNA、微丝蛋白、脂质）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。
终毒物可为机体所暴露的原化学 物；也可以是其代谢物。
2.代谢活化： • 外来化合物经生物转化过程使其生
亲核代谢产物主要攻击胞嘧啶、尿 嘧啶和胸腺嘧啶的C6。此外，胸腺 嘧啶的N3、O2、O6也易受到攻击。
不同类型的DNA加合物可引起不 同的生物学效应。包括细胞毒性、 诱变作用、活化癌基因，乃至引 发细胞癌变。
6.生物系统产生自由基的主要途径：
①、胞浆中的小分子的自氧化过程可 促使O2的还原而产生氧自由基。 ②、胞浆蛋白质：某些胞浆酶如黄嘌 呤氧化酶(xanthine oxidase)可通过 酶促循环而直接还原分子氧自由基及 H2O2，可能还有羟基自由基。
③、膜酶活性：在白三烯、凝血噁烷和 前列腺素合成过程中，脂肪氧合酶和环 加氧酶催化的反应能产生氧自由基。
外源化学物的氧化还原代谢可产 生自由基：
许多外源化学物可通过各种不同 途径形成自由基，但其中最主要的途 径是通过氧化还原循环 (redoxcycling)。
O2ˉ·的形成不是这些外源物质 毒作用过程的最终阶段，因为 O2ˉ·能产生反应性更强的羟基自由 基。
7.体内自由基的清除体系： 1）酶促清除体系： ①超氧化物歧化酶(SOD)
④、线粒体钙转运系统是靠Ca2+的 单一运送器进行的，它是一种膜蛋 白，转运Ca2+的能量来自线粒体呼 吸代谢形成的膜电位。
3.钙稳态失调引起细胞损害的机理 细胞钙稳态失调引起细胞损害的机 制较为复杂。细胞内Ca2+持续性升高 对机体的损害是由于它可能引起：
①、能量贮备耗竭；
②、微管功能障碍；
③、水解酶的激活。
②谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)
③过氧化氢酶（CAT） ④谷胱甘肽还原酶(GR) ⑤其他酶或蛋白质
2）非酶类化学清除剂： ①谷胱甘肽 ②维生素E、维生素C、β-胡萝卜素 ③其他：泛醌、尿酸、牛磺酸、次牛 磺酸、硒、锌等。
8.自由基导致氧化损伤
1）脂质过氧化作用及其损害
脂质过氧化(lipid peroxidation)是指 多不饱脂肪酸的氧化破坏作用。自由基 易攻击生物膜上的不饱和脂肪酸而造成 脂质过氧化，进而对生物膜产生强烈的 破坏作用。
凋亡促进基因有c-myc、p53等。
c-myc癌基因不仅能促进肿瘤细胞的 增殖和恶性转化，抑制细胞的分化， 而且还参与细胞的凋亡过程，在某些 因素引起细胞增殖停滞时， c-myc 基因的持续表达可促进细胞凋亡，且 细胞凋亡的程度与细胞内myc蛋白的 活性及其表 达水平有关。
凋亡抑制基因bcl-2有调节活 性氧的作用，增加细胞内bcl-2合成 可阻断活性氧相关的细胞凋亡，但 其机制尚不清楚。bcl-2具有抗氧化 作用，并可通过抑制活性氧形成而 抑制细胞凋亡。