第四讲 毒作用机制

毒物对靶分子的影响
◎终毒物与内源性分子反应，引起靶分子的 ★功能失调 ★结构破坏
靶分子功能失调
◎模拟内源性配体而激活蛋白质的靶分子（冰毒激活鸦片受体， 苯丙胺类兴奋剂具有强烈的中枢兴奋作用）
◎毒物与蛋白质交互作用而改变其结构时，蛋白质的功能即发生 损害，如巯基基团
自由基的生物学特性
◎自由基在体内可不断产生，但也不断被机体的防御体系（自由基清除体系） 所清除。在生理条件下，处于平衡状态的自由基浓度很低，不仅不会对机体 造成损伤，而且还具有重要的生理功能
◎当环境中的物理因素或外源化学物直接或间接诱导产生的大量自由基超过 了机体的清除能力，或内源性自由基产生和清除失去平衡，就会使机体处于 氧化应激（oxidative stress），进而造成机体的损害
解毒的途径
◎无功能基团毒物的解毒 ◎亲核物的解毒 ◎亲电物的解毒
◎自由基解毒 ◎蛋白质毒素解毒 ◎解毒过程失效
无功能基团毒物的解毒
I相反应
无功能基团化学物（苯和甲苯）+功能基团（羟基和羧基） CYP450
II相反应
含功能基团产物＋内源性酸（葡萄糖醛酸、硫酸或氨基酸） 转移酶
不活泼的、高度亲水的有机酸排出体外
谷胱甘肽
亚硝酸盐
高铁血红蛋白
解毒
解毒 detoxication
通过生物转化而将终毒物排除，或阻止毒性产物形成 的过程
解毒
◎某些情况下，解毒可能与中毒竞争同一化学物 ◎毒物一般有多种代谢途径，不同的代谢途径机制可能不同，其结局也不同，
有的是解毒，而有的是增毒 ◎解毒的途径有几种，取决于有毒物质的化学特征
亲电子代谢物的形成
◎插入氧原子：插入的氧原子从其附着的原子中获得一个电子，使其具有亲电 性，例如：环氧化物、醛、酮等
◎形成共轭双键：外源化学生物通过氧的去电子作用而被极化，使得其双键碳 之一发生电子缺失，继而形成亲电子剂，例如：醌和醌亚胺
◎阳离子型亲电物通过键异裂形成：共价键分裂时，共用的电子对变为仅属于 其中一个原子或原子团，这种断裂方式称为异裂
反应类型
◎非共价结合 ◎共价结合 ◎去氢反应 ◎电子转移 ◎酶促反应
非共价结合
◎非共价结合：某些毒物以非极性交互作用或氢键与离子键等非共价结 合方式与膜受体、细胞内受体、离子通道和某些酶等靶分子结合。
◎特点： ★结构上互补结合 ★键能较低，通常是可逆的
共价结合
◎共价结合：两个原子（或原子团）反应时，在双方各一原子之间形成由一 对或多对共用电子组成的键，其中每一共用电子对由结合在一起的两个原 子各自贡献出一个电子所组成。
◎此类反应可自发产生或由谷胱甘肽-S-转移酶协同进行 ◎金属离子，如Ag2+、Cd2+、Hg2+和CH3Hg离子很容易与谷胱甘
肽反应而解毒
自由基解毒
◎自由基解毒依赖于机体的抗氧化系统：酶性和非酶性 ◎脂质过氧化作用：细胞膜和器膜的脂质中含有许多的不饱和脂肪
酸（保持细胞膜的相对流动性），易受自由基的攻击，经一系列 的连锁反应，其最终结局是脂质崩解产生脂质醇类、醛类或更小 的片段（如丙二醛）
2、体内消除自由基的酶系统包括 A．超氧化歧化酶（SOD） B．谷胱甘肽过氧化物酶（GHS-Px） C．过氧化氢酶（CAT） D．以上都是
PART TWO
与靶分子的反应
靶分子 反应的类型 毒物对靶分子的影响
毒性效应的考虑因素
◎毒性是终毒物与靶分子反应所介导的一系列继发性事件。 终毒物与版分子的交互作用触发毒性效应要考虑： ★靶分子的属性 ★终毒物与靶分子之间反应的类别 ★毒物对靶分子的效应 ★生物学微环境的改变所引起的毒性
自由基解毒
◎非酶性抗氧化系统：生物体系中广泛分布着许多小分子，它们能通过非酶 促反应而清除自由基。例如：维生素C、维生素E、GSH、硒、维生素A等
★谷胱甘肽（GSH） ：参与GSH-Px的作用，使过氧化物还原为水和氧化型 谷胱甘肽（GSSG） ★维生素E：它必须与膜结合才能发挥抗氧化作用。首先与氧自由基反应， 生成生育酚自由基，再由抗坏血酸-GSH氧化还原偶联反应而还原。它属于 “链断裂”抗氧化剂，主要通过提供不稳定的氧给过氧自由基和烷基自由基， 从而防止脂质过氧化
要去寻找另一个电子，使自己变成稳定的元素
自由基
◎自由基通过接受或失去一个电子，或由化合物的共价键发生均裂而形成 ◎共价键断裂时，共用电子均等地分配给成键的两个原子，这种断键方式称
为均裂
A : B→A· ＋ · B
◎均裂后的两个部分各带一个未成对电子，很活泼，即自由基
自由基的物理化学特性
◎具有顺磁性 ◎化学性质十分活泼 ◎反应性极高，半减期极短
亲核物
◎形成亲核物是毒物增毒作用较为少见的机制
★硒化氢是由亚硒酸盐与谷胱甘肽或其他巯基反应形成的一种强亲核物 ★一氧化碳是二卤甲烷经氧化取卤反应而形成的毒性代谢产物 ★苦杏仁经肠道细菌β-糖苷酶催化形成氰化物
活性氧化还原反应物
◎一种特殊的产生氧化还原活性还原剂的机制
硝酸盐
肠道细菌还原
亚硝酸酯或硝酸酯
◎亲电子剂（electrophiles） ◎自由基（free radicals） ◎亲核物（nucleophiles） ◎氧化还原性反应物（redox-active reductants）
亲电子剂
◎亲电子剂（electrophiles）：含有一个缺电子பைடு நூலகம்子的分子 ★亲电子剂带有部分或全部正电荷 ★容易与亲核物中的富含电子原子共享电子对而发生反应 ★常常是外源化学物经CYP450或其他酶氧化成酮、环氧化物、不饱和酮和醛、 醌和酰氯化物等物质
亲核物的解毒
◎一般通过在亲核功能基团上的结合反应来解毒，亲核功能基团与内源性基 团的结合可防止由过氧化物酶催化的亲核物转变为自由基 ★羟化的化合物通过硫酸化作用、葡萄糖醛酸化作用来结合 ★乙醇可经醇脱氢酶催化氧化为羧酸而解毒 ★氰化物经硫氰酸酶生成硫氰酸而解毒
亲电物的解毒
◎一般亲电性毒物的解毒是通过与巯基亲核物谷胱甘肽共轭结合而 解毒
◎氧化还原反应：无机化合物和金属离子形成亲电子毒物的主要形式
自由基
◎自由基（free radical）：在其外层轨道中含有一个或多个不成对电子的分子 或分子片段
◎自由基可通过人体的细胞（组织）在氧化反应过程中产生
在这个由原子组成的世界中，有一个特别的法则，只要有两个以上 的原子组合在一起，它的外围电子就一定要配对，如果不配对，就
终毒物的来源
◎外源化学物的原型：强酸强碱、重金属离子、CO ◎外源化学物的代谢产物：亲电物和亲核物 ◎外源化学物在体内代谢过程中生成的活性氧或活性氮 ◎内源化学物：氧化还原反应物
增毒
增毒 toxication
外源化学物在体内经生物转化使其毒性增强，甚至产生致 癌、致畸、致突变效应的过程
增毒过程主要是使外源化学物转变为
靶分子的属性
◎理论上所有内源性化合物都是毒物潜在的靶分子，主要有： ★机体大分子：如核酸特别是DNA和蛋白质 ★膜脂质 ★其他成分
◎并不是所有的毒物与靶分子的反应都是有害的。与哪种蛋白结合 具有毒理学意义常常是不确定的
作为靶分子的必需条件
◎合适的反应性：足够高浓度的终产物 ◎合适的空间构型（易接近性）：容许终毒物发生结合反应
◎解毒酶失活：某种具有反应活性的毒物使解毒酶失活 ◎某些结合反应可被逆转 ◎解毒过程有时产生潜在的有害副产物
思考题
1、自由基具有下列特性 A．奇数电子，低化学活度，生物半减期极短，有顺磁性 B．奇数电子，高化学活度，生物半减期极短，有顺磁性 C．奇数电子，低化学活度，生物半减期极长，有顺磁性 D．奇数电子，高化学活度，生物半减期极长，有顺磁性
◎特点： ★最常见的共价结合反应是亲电子剂与内源性亲核物（如生物大分子：蛋白 质和核酸）的反应
★共价结合一般是不可逆的，能永久性改变内源性分子结构，故共价结合具 有重要的毒理学意义
共价结合
◎在毒理学中，共价结合作用是指外源化学物或其代谢产物与机体的重 要大分子进行共价结合，改变生物大分子的化学结构与生物学功能， 从而引起一些列病理、生理变化 ★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 自由基阳离子 ★羟自由基与DNA碱基结合形成许多产物，如8-羟基鸟嘌呤、5-羟甲 基嘧啶等，均引起DNA损伤
毒物发挥毒作用的过程
化学毒物 吸收并转运到靶器官
与靶分子相互作用 细胞功能失调、损伤 细胞修复功能障碍
当毒物引起的紊乱 超过机体的修复能 力或修复功能低下 时，机体即出现组 织坏死、癌症和纤 维化等毒性损害
研究毒作用机制的步骤
寻找原因
◎整体动物有无毒性
◎找出靶器官、靶组织
◎进一步找出受损的细胞、亚细胞
自由基解毒
◎酶性抗氧化系统： ★谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px） ：在机体内广泛存在，能特异性催化谷 胱甘肽对过氧化物的还原反应，使过氧化物转化为水或相应的醇类。可阻断 脂质过氧化的连锁反应 ★谷胱甘肽还原酶（GR）：分布与GSH-Px相同，主要功能是产生还原型谷 胱甘肽，以保护机体解毒功能的执行
终毒物
终毒物 Ultimate toxicant
直接与生物靶分子（如受体、酶、DNA、微丝蛋白、脂质） 反应或引起机体生物学微环境的改变、导致机体结构和功能紊
乱并表现出毒性的物质
终毒物
◎终毒物在其作用位点的浓度及持续时间决定了毒效应的强 度
◎生物学微环境变化：当三聚氰胺单独存在时属于低毒物质， 当聚氰胺与尿酸同时存在，会产生沉淀，造成肾结石、肾衰 等病变
自由基的危害
◎自由基可与体内生物大分子作用，生成过氧化物而对细胞产生损害，影响 细胞的功能
◎自由基对细胞的损害主要表现为对细胞膜、线粒体、溶酶体的膜损害，因 为膜上的磷脂含有不饱和脂肪酸多，对自由基最敏感。自由基与不饱和脂肪 酸作用形成过氧化物，使膜的通透性和脆性增加，导致细胞丧失功能
◎自由基还导致酶变性
◎分子水平：DNA、RNA或蛋白
结果解释
目录
毒物的ADME过程与靶器官
靶分子的反应
细胞调节功能障碍
修复障碍
PART ONE
毒物的ADME过程与靶器官
毒物的转运过程 解毒 增毒
前情回顾
◎外源化学物在体内处置的ADME过程包括：吸收、分布、代谢、排泄 ◎外源化学物进入机体的途径主要有：经胃肠道、经呼吸道、经皮肤 ◎靶器官：外源化学物直接发挥毒作用的器官 ◎毒效应的强度主要取决于毒物在靶器官的浓度和持续时间 ◎外源化学物排出体外的主要途径：经肾脏、经粪便、经肺
蛋白质毒素解毒
◎细胞外和细胞内的蛋白酶参与有毒多肽的失活 ◎在蛇毒中发现的几种毒素，如α -和β-银环蛇毒素，蛇毒活性依
赖于蛇毒毒素分子中的二硫键，这些蛋白质可被一种还原必需二 硫键的内源性二巯基蛋白-硫氧还蛋白所失活
解毒过程失效
◎解毒能力耗竭：毒物接触剂量过量，引起解毒酶耗竭，最终可能使解毒过 程失效，终毒物蓄积
其他反应类型
◎去氢反应：自由基可迅速从内源化学物去除氢离子，将这些化学物转 变为自由基，即R-SH→R-S·。
◎电子转移：化学物能将血红蛋白中的Fe2+氧化为Fe3+，形成高铁血红 蛋白血症，如亚硝酸盐能氧化血红蛋白
◎酶促反应：少数一些毒素通过酶促反应作用于特点靶蛋白上，如霍乱 毒素活化G蛋白，蛇毒通过水解酶破坏生物分子
自由基解毒
◎超氧阴离子自由基：可通过两个反应——即将O2—·先转化成
HOOH（SOD），再将HOOH转化成水（过氧化氢酶） ◎羟自由基：没有任何一种酶能排除HO·，唯一有效的抗HO·方法
是防止其产生
自由基解毒
◎酶性抗氧化系统：
★超氧化物歧化酶（SOD）：一类含有不同辅基的金属结合酶家族，如Cu、 Zn-SOD、Fe-SOD、Mn-SOD。它们在细胞内定位变化很大， Cu、ZnSOD存在于多种脏器，如肝脏、红细胞，而Mn-SOD主要在线粒体。其唯一 生理功能是歧化O2—·，生成H2O2和O2 ★过氧化氢酶（CAT）：位于肝细胞和红细胞内过氧化物酶体中，其主要功 能是将H2O2转化为水
第四讲 毒作用机制
Question？？？
◎毒物如何进入机体？ ◎毒物怎样与靶分子相互作用？ ◎毒物怎样表现其有害作用？ ◎机体是如何应对这种损害作用的？
毒作用机制的研究意义
◎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的农药/杀虫剂 ◎进一步认识机体基本生理和生化过程以及人类某些重要疾病的病理过程