外源化学物的毒理机制

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复杂的毒性机制可涉及多个层次和步骤：
毒物被转运到一个或多个靶部位 ↓
毒物或代谢产物与内源性靶分子相互作用 ↓
细胞结构的损伤和功能的失调 ↓
启动组织水平、细胞水平或分子水平的修复机制 ↓
毒物引起的靶分予结构改变和/或功能紊乱超过修 复能力或修复本身障碍时，即产生毒性效应
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人
细胞
正面应对：
天生我才必有用(正确的态度)
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‹#›
三、引起机体内生物大分子氧化损伤
1、自由基(free radicals)的来源与类型
➢ 增毒的过程主要是使外源化学物转变为：
亲电物、自由基、亲核物、氧化还原性反应物等
➢ 自由基：是指独立游离存在的带有不成对电子的 分子、原子或离子。
• 特点：化学性质十分活泼； 反 应性极高；具有顺磁性；半减 期极短；作用半径短
分子水平：DNA、RNA或蛋白质
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第四节 外源化学物毒性损伤的影响因素
毒物因素
环境因素
机体因素
联合作用
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一、毒物因素
1、毒物的化学结构 化学结构
化学性质
物理性质
生物学活性
毒
性
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1、毒物的化学结构
（1）同系物的碳原子数：碳原子数增加毒性增强
烷烃化合物的毒性：丙烷<丁烷<戊烷<己烷<庚烷 醇的毒性：乙醇<丙醇<丁醇<戊醇
– 人工合成的自由基清除剂：苯甲酸钠、二苯胺、没食 子酸丙酯等
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四、与细胞大分子的共价结合
共价结合指化学毒物或其具有活性的代谢产物与生物机 体内的一些重要大分子如核酸、蛋白质、酶、膜脂质等发 生共价结合，从而改变这些生物大分子的化学结构与生物 学功能。加合物：亲电子毒物与细胞内的亲核部位或基团 相互作用，通过共价键形成稳定的复合物。
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2、自由基对生物大分子的损害作用
自由基形成 增加
机体抗氧化 功能下降
超过了 机体清除能力
自由基过多
自由基
过多 适量
机体损害作用
发挥重要生理功能
如免疫和信号转导过程
自由基可称“万恶之源，百病元凶”。
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过 多 的 自 由 基 可 能 产 生 的 不 良 后 果
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防止自由基过量可多食用： 维生素C、E、B、胡萝卜素， 以及各种蔬菜水果来等。
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（二）遗传因素
遗传因素不同决定了个体间存在酶的多态性差异， 导致代谢的多态性，而代谢的多态性是导致机体致 癌易感性和某些疾病的内在因素。
遗传因素是导致种属、品系和个体间毒物易感 性差异的根本原因。
（三）年龄和性别
研究发现：新生动物对毒性的反应比青年或成年动物敏感， 敏感性平均高3倍。
在一般情况下，成年雌性动物比雄性动物对化学物毒性敏感， 但也有例外。如马拉硫磷和甲基对硫磷对雄性大鼠毒性敏感性 高于雌鼠。
➢ 与蛋白质的共价结合 ➢ 与核酸分子的共价结合
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五、研究毒性损伤机制的意义 ➢ 了解化学物是否有可能对机体产生有害毒作用 ➢ 建立预防或解毒措施 ➢ 设计危害较小的药物和工业品 ➢ 开发对靶生物具有强烈选择毒性的农药。
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六、研究中毒机制步骤： 整体动物有无毒性 ↓ 找出靶器官、靶组织 ↓
找出受损的细胞、亚细胞 ↓
（5）外源化学物的纯度
如，除草剂中含有 TCDD导致一定的致畸性
“橙战 剂”
的悲剧
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二、机体因素
（一）种属与个体差异
1、代谢酶的差异
如，苯可以引起兔白细胞减少，而对狗则引起白细胞升高; β-萘胺能引起狗和人的膀胱癌，而对大鼠、兔、和豚鼠没有 此作用
2、生物转化能力的差异 3、生物结合能力的差异 4、排泄能力的差异
影响组织对氧的利用 影响酶的活性
3、损害机体的生理功能
对消化功能、血液系统、免疫系统、肝脏、肾脏、 心血管系统、呼吸系统、神经系统、生殖系统、内 分泌系统的毒性作用
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第三节 化学物质毒作用的分子机制
补 一、化学物质对生物膜的损害作用
➢ 对生物膜的组成成分的影响
o 对膜脂质的影响（改变膜脂质的组成 、改变膜结构的
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三、环境因素
（一）化学物质与机体接触方式 1、接触途径 2、接触剂量 3、接触频率、速度 4、溶剂
常用的溶剂有水、生理盐水、植物油、二甲基亚砜等 如，DDT的油溶液对大鼠的LD50为150mg/kg,
启动正常的DNA损伤蠡测机制 (functional damage surveillance)
不着急,分析一下该如何应对(正确策略) 主动停滞细胞周期的进行(cell cycle arrest)
找到正确的方案解决问题(成啦！)
启动无错误损伤修复机制(error-free repair)
自我安慰:家不是还没丢吗?(忍耐方案) 启动损伤耐受机制(Damage tolerance)
➢ 母体化合物：铅、河豚毒素、CO ➢ 母体化合物的代谢物：砷→砷酸盐 ➢ 在毒物生物转化期间产生的活性氧
如，过氧化氢、杀草快ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
➢ 内源性化合物
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二、化学毒物产生毒性的可能途径
化学毒物
①最直接的途径
吸收、分布、代谢、排泄
毒
与靶分子相互作用
②较为复杂途径 性
细胞功能失调、损伤
作
细胞修复功能失调
③最为复杂的途径 用
负面应对：
我有麻烦吗？我咋看不见？ (态度有问题)
损伤检测系统失灵 (deficient damage signaling and checkpoint)
我还有更好的选择吗？谁知道我没有 启动易错的损伤修复机制
好好干？(选错道路喽！)
(error-prone repair)
谁知道我的数据造假？ (开始失控要危害社会啦)
学习要求:
➢ 掌握化学物产生毒性的可能途径 ➢ 了解化学物的一般毒性机制 ➢ 熟练掌握化学物毒作用的分子机制 ➢ 了解常见的影响毒作用的因素
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补
第一节 概述
要评价化学毒物对机体是否具有毒性或毒性 的大小就必须对化学毒物的毒性作用进行定 性和定量的研究。
毒作用机制研究内容包括： ➢ 毒物如何进入机体（接触途径） ➢ 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
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2、自由基对生物大分子的损害作用
• 脂质过氧化作用及其损害
脂质过氧化(1ipid peroxidation)是指多不饱和 脂肪酸的氧化破坏，由于生物膜具有脂质双分 子层结构，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。
• 对蛋白质的氧化损伤
具有放
– 造成蛋白质凝集、交联、降解、断裂等。 大效应
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2、毒物的理化性质
（1）溶解度（脂/水分配系数）
❖ 一般脂溶性高的物质毒性较大
吸收率：氯化高汞2％<醋酸汞50％ <苯基汞50％～ 80％ <甲基汞90％以上
❖ 毒物在水中的溶解度越大，毒性越大
砒霜(As2O3)>雄黄(As2S3) ； 铅化物：一氧化铅>金属铅>硫酸铅>碳酸铅
❖ 气态化物的溶解度还可影响毒性作用的部位
• 研究还发现，在吸烟量相同的情况下，患肺癌的危险度存在着明显的个体差 异。香烟烟雾中的多环芳烃类化合物在芳烃羟化酶(AHH）作用下可使芳香烃 化合物羟化，并产生致癌活性，其活力在个体之间存在明显的差异。在吸烟 量相同的情况下，AHH活力较高的人，患肺癌的危险度比活力低的人高36倍， 中等活力的人患肺癌的危险度比活力低的人高16倍。
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➢ 自由基的类型
（1）以氧为中心的自由基
活性氧(ROS)：一类化学性质活泼的含氧功能基团的物质。 包括：单线态（1O2）、超氧阴离子自由基(O-2·)、羟基自
由基(·OH)、过氧化氢(H2O2)、臭氧(O3)、氮氧化物(NOX)、 次氯酸(HOCl)
（2）其他自由基
• 以氢为中心 • 以碳为中心（如三氯甲基自由基CCl3） • 以硫为中心（如烷硫自由基R-S） • 以氮为中心（苯基二肼自由基C6H5N=N·） • 过渡金属离子（如Cu+/Cu2+,Fe2+/Fe3+）
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一、终毒物(ultermate toxicant)
➢ 终毒物是指一种特别化学性质的物质，它可 与内源性靶分子(如受体、酶、DNA、微纤维 蛋白及脂质等)相互作用，使整体性结构和／ 或功能改变，从而导致毒性作用。
➢ 毒性作用的强度是由终毒物在其作用位点的 浓度及持续时间决定的。
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终毒物的类型及其来源：
性质、引起膜脂质的过氧化）
o 对膜蛋白质的影响 o 对膜糖的影响 ➢ 对生物膜物理性质的影响
o 对膜通透性的影响 如,重金属、DDT o 对膜流动性的影响 如,DDT、对硫磷、乙醇、
铅
o 对膜表面电荷的影响
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二、化学物质对细胞钙稳态的影响
➢ 细胞内钙稳态
• 离子钙和结合钙
• 细胞内钙离子浓度低于细胞外钙离子浓度
细胞周期调节失控 (cancer, defective checkpoint)
我受不了了!大家都别理我!(开始自闭) 永久退出细胞周期 (senescence)
彻底绝望：活着受罪有什么意思？ 细胞主动凋亡 (apoptosis)
(自杀也不是没有可能)
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第二节 化学物质的一般毒性作用机制
1、局部刺激和腐蚀作用：硫化氢、氯气、沥青 2、扰乱正常代谢
• 钙离子称为体内第二信使
膜内
蛋白质结合钙
➢ 细胞内游离钙水平的提高是
Ca 2+
-7
许多细胞死亡之前或死亡时
10 mol/L
的常见现象。
➢ 体内钙稳态失调
• 镉离子→细胞内钙离子浓度升高
膜外
Ca2+
-3
10 mol/L
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“女儿国”的故事
o 在我国南方的深山老林里，就仍保持着女性至 上的人际关系的村落，一个犹如神话传说般的 “女儿国”。这个神奇的村落位于海拨1500 多米我国的湖南炎陵、资兴和桂东县交界的群 山之间。村落四面环山，山上竹修林茂，两泓 溪流绕村而过，颇有人间仙境的感觉。村里的 村民多为瑶族，大都以狩猎、采磨菇、卖竹笋 为生。村子不大，也就60多人，但是90％以 上都是女的，为了延续后代，她们只得从外村 招婿上门续继香火。
毒性增强
氯化甲烷对肝脏的毒性依次为：
CCl4>CHCl3>CH2Cl2>CH3Cl>CH4
➢ 羟基 芳香族化合物中引入羟基，毒性增加
苯的毒性<苯酚
➢ 酸基 分子中引入羧基(－COOH)和磺酸基(－SO3H)后，
毒性降低
苯甲酸的毒性<苯
➢ 氨基
伯胺(RNH2)>仲胺(RNHR’)>叔胺(RNR’R”)
（2）分子饱和度：不饱和键增多，其毒性增加
乙烷<乙烯<乙炔 丙（丁）烯醛对结膜的刺激作用大于丙（丁）醛
（3）构型
对位>邻位>间位；对称>非对称 直链化合物毒性大于异构体
成环化合物毒性大于不成环化合物
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（4）取代基的性质
➢ 烃基 苯环中的氢被甲基取代后毒性增加
苯<甲苯<二甲苯
➢ 卤素取代 烷烃类化学物的氢若被卤族元素所取代后，
（四）营养、健康状况
（五）生活方式
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• 大量调查研究已证实了吸烟是引起肺癌发病的主要原因，香烟烟雾中含有多 环芳烃化合物等多种致癌物或促癌物。肺癌发病及死亡与吸烟量、开始吸烟 年龄和卷烟中多环芳烃化合物等有害成分的多少密切有关。吸烟量大，开始 吸烟年龄小，卷烟中有害成分含量高，则肺癌的患病人数和死亡人数均高。
HF、NH3对上呼吸道损害；NO2等可深入肺泡引起 肺水肿
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（2）电离度 非离子型毒性 >离子型 （3）挥发度和蒸气压
有些有机溶剂的绝对毒性相当，但由于它们各自的挥 发度不同，所以实际毒性相差较大。
LC50 ：苯＝苯乙烯； 毒性：苯>苯乙烯
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（4）分散度
o 影响进入呼吸道的深度 o 影响化学物的溶解度 o 影响化学物的活性
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➢ 自由基在生物体内来源主要有两个： 一是生物体正常生理过程产生的内源性 自由基
• 由线粒体呼吸链电子泄露产生 • 由经过氧化物酶体的多功能氧化酶（MFO）等催化底
物羟化产生 • 机体血红蛋白、肌红蛋白中还可通过非酶促反应产生自
由基
二是外来化学物质在体内代谢而产生的
• 主要通过氧化还原反应产生
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化学物质的毒理机制就是经研究毒物吸收以后在机 体内引起的代谢功能和组织结构的变化规律。
主要涉及的毒作用机制有：
• 涉及干扰正常受体-配体的相互作用 • 干扰生物膜功能 • 干扰细胞能量生成 • 与生物大分子共价结合 • 氧自由基过量生成 • 细胞内钙稳态失调 • 细胞因子和细胞信号转导途径紊乱、选择性细胞致死 • 细胞程序性死亡（凋亡） • 癌基因等肿瘤相关基因突变等等
• 对DNA的氧化损伤
– 导致体细胞突变。
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3、机体对氧化损伤的防御系统
➢酶促防御系统
超氧化歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD） 谷胱甘肽还原酶(GR)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)、 过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)
➢非酶促防御系统
– 天然的自由基清除剂：谷胱甘肽、维生素C、维生素E、 类胡萝卜素(CAR)、尿酸、牛磺酸、次牛磺酸等。