第四讲 毒作用机制
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第四章 毒作用机制讲诉
交联产物
脂质的过氧化损伤小结：
① 直接结果是使膜PUFA减少，膜脂流动性 降低和膜骨架损伤；
② 过氧化中间产物和终产物引起的膜蛋白共 价交联与聚合，影响膜蛋白的构象及其运 动性，必然导致膜功能的异常。
（二）对蛋白质的氧化损伤
对蛋白质的氧化损伤，主要是自由基对氨 基酸的作用。
例如，所有氨基酸残基均可被∙ OH损伤， 其中以含硫氨基酸和芳香氨基酸最为敏感。
化学毒物可引起细胞膜成分含量、结构和性质的 改变。
①CCl4可引起大鼠肝细胞膜磷脂和胆固醇含量的 下降；
②SiO2可与人红细胞膜上的蛋白结合，使其结构 中的α-螺旋减少；
③有机磷农药可抑制突触小体及红细胞膜上乙酰 胆碱酯酶的活性。
（二）对膜生物物理性质的影响
膜生物物理性质：通透性、流动性、膜电荷和膜 电位等。 1. 对膜通透性的影响 许多化学毒物可通过与膜蛋白或膜脂相互作用， 改变膜的通透性来发挥毒作用。 ①DDT可作用于神经轴索膜，改变Na+和K+的通 透性，从而产生一系列的神经中毒症状。 ②缬氨霉素可使线粒体膜对K+的通透性增大，使 氧化磷酸化解偶联，从而造成细胞损伤。
离子通 道蛋白
Ca2+，Mg2+-ATP酶
蛋白激酶
[Ca 2+]=0.1μM
CaM酶
Ca2+
肌肉收缩蛋白 腺苷酸环化酶
磷酸酯酶
细胞
“细胞钙稳态”的维持
[Ca 2+]=1000μM
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ钙泵
钙通道
线粒体
Ca2+
[Ca 2+]=0.1μM
Ca2+
蛋白质、核苷酸、酸性磷脂
脂质的过氧化损伤小结：
① 直接结果是使膜PUFA减少，膜脂流动性 降低和膜骨架损伤；
② 过氧化中间产物和终产物引起的膜蛋白共 价交联与聚合，影响膜蛋白的构象及其运 动性，必然导致膜功能的异常。
（二）对蛋白质的氧化损伤
对蛋白质的氧化损伤，主要是自由基对氨 基酸的作用。
例如，所有氨基酸残基均可被∙ OH损伤， 其中以含硫氨基酸和芳香氨基酸最为敏感。
化学毒物可引起细胞膜成分含量、结构和性质的 改变。
①CCl4可引起大鼠肝细胞膜磷脂和胆固醇含量的 下降；
②SiO2可与人红细胞膜上的蛋白结合，使其结构 中的α-螺旋减少；
③有机磷农药可抑制突触小体及红细胞膜上乙酰 胆碱酯酶的活性。
（二）对膜生物物理性质的影响
膜生物物理性质：通透性、流动性、膜电荷和膜 电位等。 1. 对膜通透性的影响 许多化学毒物可通过与膜蛋白或膜脂相互作用， 改变膜的通透性来发挥毒作用。 ①DDT可作用于神经轴索膜，改变Na+和K+的通 透性，从而产生一系列的神经中毒症状。 ②缬氨霉素可使线粒体膜对K+的通透性增大，使 氧化磷酸化解偶联，从而造成细胞损伤。
离子通 道蛋白
Ca2+，Mg2+-ATP酶
蛋白激酶
[Ca 2+]=0.1μM
CaM酶
Ca2+
肌肉收缩蛋白 腺苷酸环化酶
磷酸酯酶
细胞
“细胞钙稳态”的维持
[Ca 2+]=1000μM
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ钙泵
钙通道
线粒体
Ca2+
[Ca 2+]=0.1μM
Ca2+
蛋白质、核苷酸、酸性磷脂
第4章 毒性作用机制
在细胞内的钙有两种类型，游离的钙离子和与蛋 白质结合的钙。与钙结合的蛋白有两种类型，一 是结合在细胞膜或细胞器膜内的蛋白质上，二是 结合在可溶性蛋白质上。激动剂刺激引起细胞 Ca2+ 动员，可调节细胞的多种生物功能，包括肌 肉收缩、神经转导、细胞分泌、细胞分化和增殖。 信使作用，负 Ca2+在细胞功能的调节中起了一种信使作用 信使作用 责将激动剂的刺激信号传给细胞内各种酶反应系 统或功能性蛋白。
2.1 亲电子剂（electrophiles）
是指含有一个缺电子原子的分子。 带部分或全部正电荷，容易与亲核物中的 富含电子的原子共享电子对而发生反应。 形成方式：
插入的氧原子从外源化学物附着的原子中获得 一个电子，使其具有亲电性。如乙醛 共轭双键通过氧的去电子作用被极化。如醌
2.2 亲核物 (nucleophiles)
2.2.1 与蛋白质的共价结合
化学毒物与蛋白质的共价结合是不可逆的， 影响了蛋白质的结构和功能。如黄曲霉毒 素B1能与白蛋白结合后、使白蛋白丧失了 作为载体的功能。
2.2.2 与核酸分子的共价结合
化学毒物及其代谢产物与核酸分子的共价结合， 是研究化学毒物致癌作用的热点。有研究表明， 一旦细胞内DNA加合物形成，致癌过程即已启动， 随后进入促进和发展阶段。化学毒物与核酸共价 结合形成加合物有两种方式，一种是直接加合， 如烷化剂。另一种是需经代谢活化，生成具有活 性的代谢物才能结合，如多环芳烃类、黄曲霉素 类，大多数的化学物质以这种方式结合。
2.2 共价结合（convalent binding）:
指化学毒物或其具有活性的代谢产物与机 体的一些重要大分子发生共价结合，形成 加合物，从而改变核酸、蛋白质、酶、膜 脂质等生物大分子的化学结构与其生物学 功能。共价结合是不可逆 不可逆的。 不可逆 加合物(adducts)指活性化学物与细胞大分 子之间通过共价键形成的稳定复合物 稳定复合物。 稳定复合物
第4章 毒作用机制(150915)
11
二、 从血液循环进入靶部位
※ （二）妨碍毒物分布到靶部位的机制
1. 血浆蛋白结合：与高分子血浆蛋白或脂蛋白结合，影响 扩散。
2. 专一化屏障：血脑屏障、血睾屏障、胎盘屏障阻止亲水 性化合物 3. 贮存部位分布：铅取代羟磷灰石中的钙离子沉积在骨骼、 氯代烃蓄积脂肪细胞 4. 与细胞内结合蛋白结合：金属硫蛋白与镉结合 5. 从细胞内排出：mdr编码的P蛋白将化合物泵回细胞间隙
很容易与谷脱甘肽反应而解毒
30
（二）解毒
4. 自由基的解毒 没有任何一种可以解除HO〃，预防HO〃毒作用的 最有效办法是阻止其产生。
超氧化物歧化酶（SOD），谷胱甘肽氧化酶（GPO）和过氧化氢酶 （CAT）对超氧阴离子自由基（O2〃-）的解毒作用
31
（二）解毒 5. 蛋白质毒素的解毒 硫氧环蛋白，蛇毒 6. 解毒过程失效 解毒能力耗竭（解毒酶、共底物、抗氧化剂）；
3
阐明毒作用机制的意义：
（1）解释描述性资料、评估特定外源化学物引起有害效
应的概率、制定预防策略、设计危害程度小的药物和工业 化学物，以及开发靶生物具有良好选择性的杀虫剂等提供 依据； （2）有利于对机体生理和生化过程及人类某些疾病重要 疾病病理过程的进一步认识。
4
毒物在体内的可能毒性过程
生的防御或适应性反应。 根据引起细胞应激的原因不同以及细胞应激反应的差异： • 热应激（heat stress）； • 氧化应激（oxidative stress）;
• 缺氧应激（hypoxic stress）；
• 内质网应激（endophasmic reticulum stress）; • 遗传毒性应激（genotoxic stress）
毒作用机制毒作用影响因素PPT课件
• 脂质过氧化损害
• 蛋白质的氧化损害
• 核酸的氧化损伤
自由基可称“万恶之源，百病元凶”
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1）9
生物体在正常情况下，体内自由基产生与清除处 于动态平衡中，因此不会对机体造成损伤。
.
37
气湿：
高气湿，尤其是伴随高气温的高气湿环境，可使 经皮肤接触吸收的化学物吸收速度加快。因为高气 湿环境汗液蒸发困难，皮肤角质层的水合作用加强， 脂水分配系数较低的化学物也易吸收。此外化学物 也易于粘着皮肤表面，延长接触时间。
.
38
气压：
高气压与低气压环境条件不同，可以引起外源 化学物的毒性改变，例如在低气压(如高原)条 件，士的宁的毒性降低，但氨基丙苯毒性增强。
.
8
影响酶的活性
与酶活性中心的金属离子结合 与酶激活剂（金属离子）的作用
氟中毒，F-可与Mg2+形成氟化物，使Mg2+失去激活磷酸葡萄糖变 位酶的作用（肝脏合成糖原）
与辅酶结合：
铅中毒是辅酶ⅠⅡ合成减少，抑制脱氢酶活性
与酶的底物发生竞争性抑制： 与底物结构相似 抑制酶的活性： 直接与酶结合
.
28
二、机体因素
.
29
1 种属、品系和个体
不同种类动物对毒物的反应 同种动物对毒物的解毒能力也存在着品种的差异 个体差异
.
30
❖种族（ETHNICITY ）
INTRINSIC
Genes
EXTRINSIC
Social Cultural Environment
毒理学基础 第四章 毒物作用机制[精]
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溴苯 3，4-环氧化物
溴苯
p450
肝脏坏死
BP-7，8-二醇
-9，10-环氧化物
苯并（a）芘
p450
致癌作用
(5)亚砜
硫代乙酰胺 S 氧化物
硫代乙酰胺
FMO
肝脏坏死
(6)亚硝基化合物
(6)亚硝基－磺胺甲基异噁唑 膦酸酯 对氧磷
(7)酰卤化物 光气 三氟乙酰基氯化物
(8)硫羰乙酰卤化物 2，3，4，4－四氯硫丁基 －3－烯醇酸氯化物
1．单线态氧
△单线态氧（△gO2） ∑单线态氧(∑g+O2) 2．超氧阴离子自由基
3．过氧化氢(H2O2) 4．羟基自由基(OH)
5．臭氧(O3) 6．氮的氧化物[NO 、NO2、过氧亚硝基(ONOO)] 7．次氯酸(HOCl)
（二）自由基的来源 1．生物系统产生的自由基
1）胞浆中的小分子 2）胞浆蛋白质 3）膜酶活性反应 4）吞噬细胞的吞噬过程及“呼吸爆发”(respiratory
活化靶蛋白分子，模拟内源性配体 抑制靶分子的功能 （酶、受体、通道、复合物） 对NDA靶：
干扰DNA的模板功能，化学物与DNA共价结合引起 复制期间核苷酸错配。 2．靶分子的破坏
3．新抗原形成 4．毒物引起生物学微环境改变
改变生物水相中氢离子浓度 使细胞膜脂质发生物理化学或生物物理变化 占据空间位置
HAPP＝杂环芳香胺热裂解产物；
HCBD＝六氯丁二烯；
p450＝细胞色素p450；
ST＝磺基转移酶；
s.r.＝自发重排
二、自由基形成 自由基（free radicals）
是独立游离存在的带有不成对电子的分子、原子或离子。 是由于化合物的共价健发生均裂而产生。
第4章 毒作用机制
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Ca 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。 中毒机制：钙稳态失调学说。
钙的浓度变化，可通过下列途径造成细胞损伤：
正常的激素和生长因子刺激的Ca 正常的激素和生长因子刺激的Ca2+信号受损 钙依赖性降解酶的活化，包括蛋白酶、磷脂 酶和核酸内切酶。 损伤细胞骨架 损害线粒体 与细胞凋亡有关
♣
♣
三、钙稳态失调的机制
细胞内钙稳态的失调
细胞Ca 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Ca 中起重要的作用。在细胞受损时可导致Ca2+内流增 加，或Ca 加，或Ca2+从细胞内贮存部位释放增加，或抑制细 胞膜向外排出Ca ，表现为细胞内Ca 胞膜向外排出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 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。 内钙稳态的失调。
c 谷胱甘肽过氧化物酶GSH-Px（GPO）：在机体内广泛 谷胱甘肽过氧化物酶GSH-Px（GPO） 存在， 存在 ， 能特异地催化谷胱苷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 使过氧化物转化为水或相应的醇类。 质过氧化的链锁反应。 质过氧化的链锁反应。 d 谷胱苷肽还原酶 （ GR） ：其分布同 GSH-Px，主要功 谷胱苷肽还原酶（ GR ） ：其分布同GSH-Px ， 能是产生还原型的谷胱苷肽(GSH)， 能是产生还原型的谷胱苷肽(GSH)，以保证机体解毒 功能的执行。 功能的执行。 e 心肌黄酶(DT diaphorase):葡萄糖-6-磷酸脱氢酶。 心肌黄酶(DT diaphorase):葡萄糖-
第4章+毒性作用机制ppt课件
n 2、进入靶部位的终毒物与内源靶分子发生交互作用
（反应） ；
n 3、毒物引起机体分子、细胞和组织水平功能和结构 的紊乱；
n 4、机体启动不同水平的修复机制应对毒作用，当机 体修复功能低下或毒物引起的功能和结构紊乱超过 机体修复能力时，机体即出现组织坏死、癌症和纤 维化等毒性损害。 （无法修复）
物
n 碱基损伤
活性氧攻击DNA 的靶位点是腺嘌呤与鸟嘌呤的 C8 ，嘧啶的C5与C6双键。
n DNA链断裂：
n DNA链断裂在基因突变的形成过程中有重要意义。 DNA链断裂后，有下列途径产生突变：
①DNA链断裂造成部分碱基的缺失；
②DNA链断裂后，正常的细胞将启动修复过程，多种 酶可以辨别DNA 内异常，并通过切割、再合成、重合 等途径使之修复。如酶也受自由基破坏或功能难以达 到修复的要求，可能造成被修复的DNA碱基的错误掺 入和错误编码；
n 是指含有一个缺电子原子的分子。 n 带部分或全部正电荷，容易与亲核物中的
富含电子的原子共享电子对而发生反应。 形成方式：
插入的氧原子从外源化学物附着的原子中获得 一个电子，使其具有亲电性。如乙醛
共轭双键通过氧的去电子作用被极化。如醌
2.2 亲核物 (nucleophiles)
n 并不多见。具有一个原子或几个原子有多 余电子。
心肌黄酶(DT diaphorase):葡萄糖-6-磷酸脱氢酶。
（2 ）非酶性抗氧化系统
n 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。例如， 维生素C、 维生素E、GSH、尿酸、牛磺酸和次牛磺酸等。
n 谷胱苷肽(GSH)参与GSH—Px 的作用，使过氧化 物还原为H2O和氧化型谷胱苷肽(GSSG) 。有些有 毒化学物可耗竭肝脏GSH而继发脂质过氧化，如 丙烯腈、苯乙烯等。
（反应） ；
n 3、毒物引起机体分子、细胞和组织水平功能和结构 的紊乱；
n 4、机体启动不同水平的修复机制应对毒作用，当机 体修复功能低下或毒物引起的功能和结构紊乱超过 机体修复能力时，机体即出现组织坏死、癌症和纤 维化等毒性损害。 （无法修复）
物
n 碱基损伤
活性氧攻击DNA 的靶位点是腺嘌呤与鸟嘌呤的 C8 ，嘧啶的C5与C6双键。
n DNA链断裂：
n DNA链断裂在基因突变的形成过程中有重要意义。 DNA链断裂后，有下列途径产生突变：
①DNA链断裂造成部分碱基的缺失；
②DNA链断裂后，正常的细胞将启动修复过程，多种 酶可以辨别DNA 内异常，并通过切割、再合成、重合 等途径使之修复。如酶也受自由基破坏或功能难以达 到修复的要求，可能造成被修复的DNA碱基的错误掺 入和错误编码；
n 是指含有一个缺电子原子的分子。 n 带部分或全部正电荷，容易与亲核物中的
富含电子的原子共享电子对而发生反应。 形成方式：
插入的氧原子从外源化学物附着的原子中获得 一个电子，使其具有亲电性。如乙醛
共轭双键通过氧的去电子作用被极化。如醌
2.2 亲核物 (nucleophiles)
n 并不多见。具有一个原子或几个原子有多 余电子。
心肌黄酶(DT diaphorase):葡萄糖-6-磷酸脱氢酶。
（2 ）非酶性抗氧化系统
n 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。例如， 维生素C、 维生素E、GSH、尿酸、牛磺酸和次牛磺酸等。
n 谷胱苷肽(GSH)参与GSH—Px 的作用，使过氧化 物还原为H2O和氧化型谷胱苷肽(GSSG) 。有些有 毒化学物可耗竭肝脏GSH而继发脂质过氧化，如 丙烯腈、苯乙烯等。
最新4第四章 毒作用机制PPT课件PPT课件
– 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Ag 2+ 、Cd 2+ 、Hg 2+ 和CH 3 Hg离子很
容易与谷胱甘肽反应而解毒。
16.01.2021
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22
解毒
• 4.自由基解毒 (detoxication of free radicals)
– 自由基和活性氧解毒依赖于机体的抗氧化系统： 酶性和非酶性。
• 四、活性氧化还原反应物的形成 (formation of redox-active reactants)
硝酸盐 肠道细菌还原
亚硝酸酯或硝酸酯 谷胱甘肽
亚硝酸盐
高铁血红蛋白
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17
解毒
• 解毒（detoxication)：是指通过生物转化 而将终毒物排除，或者阻止毒性产物形成 的过程
– 外源化合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，而形成亲电子剂。α,β-不饱和 酮及醛类、醌类或醌亚胺类等亲电子剂通过此机制形 成。
– 阳性亲电子剂常由化学键断裂而形成。 – 涉及的酶类：细胞色素P-450或其他酶。
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10
亲电子剂形成
苯并(a)芘[benzo (a) pyrene，BaP]
12
自由基
增毒
适量 过多
发挥重要 生理功能
机体损害作用
16.01.2021
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13
增毒
• 自由基的类型 (types of free radicals)
16.01.2021
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增毒
• 活性氧（reactive oxygen species, ROS)：一 类化学性质活泼的含氧功能基团的物质。主要包 括：
容易与谷胱甘肽反应而解毒。
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解毒
• 4.自由基解毒 (detoxication of free radicals)
– 自由基和活性氧解毒依赖于机体的抗氧化系统： 酶性和非酶性。
• 四、活性氧化还原反应物的形成 (formation of redox-active reactants)
硝酸盐 肠道细菌还原
亚硝酸酯或硝酸酯 谷胱甘肽
亚硝酸盐
高铁血红蛋白
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解毒
• 解毒（detoxication)：是指通过生物转化 而将终毒物排除，或者阻止毒性产物形成 的过程
– 外源化合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，而形成亲电子剂。α,β-不饱和 酮及醛类、醌类或醌亚胺类等亲电子剂通过此机制形 成。
– 阳性亲电子剂常由化学键断裂而形成。 – 涉及的酶类：细胞色素P-450或其他酶。
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亲电子剂形成
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自由基
增毒
适量 过多
发挥重要 生理功能
机体损害作用
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增毒
• 自由基的类型 (types of free radicals)
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增毒
• 活性氧（reactive oxygen species, ROS)：一 类化学性质活泼的含氧功能基团的物质。主要包 括：
第四章 毒作用机制
第二节 化学毒物对生物膜的损害作用
一、化学毒物对生物膜的组成成分的影响
可引起细胞膜磷脂和胆固醇减少，或影响细 胞膜上某些酶的活力。
红细胞膜
二、化学毒物对膜生物物理性质的影响
1、对膜通透性的影响： 生物膜的通透性指生物膜与周围环境极性 物质的交换能力。 铅、汞等可与膜上的巯基、羰基等作用， 改变膜蛋白的结构和稳定性，并改变其通透性。
二、机体对氧化损伤的防御系统：
1、非酶类抗氧化系统：谷胱甘肽、维生素E、β胡萝卜素等可通过非酶促反应清除氧自由基。 2、酶类抗氧化系统：如SOD等
三、自由基对生物大分子 的损伤作用： 1、脂质过氧化作用及其损 害： 自由基攻击细胞膜上的 不饱和脂肪酸而造成脂 质过氧化 2、对蛋白质的氧化损伤： 自由基可对氨基酸氧化， 造成蛋白质凝集与交联 或降解与断裂。 3、对DNA的氧化损伤：造 成碱基损伤、 DNA断裂
第五节 化学毒物与细胞大分子的共价结合
一、与蛋白质共价结合： 与白蛋白、血红蛋白、组织细胞蛋白质共价结 合。 二、与核酸分子共价结合：形成DNA加合物，致 癌过程即已启动。
白蛋白结构 (单体)
1、外来化学物对生物膜主要有哪方面影响？ 2、机体内自由基的来源？自由基对生物大分子 的损伤作用表现在哪些方面？
第四章 毒作用机制
第一节 概 述
一、基本概念：
毒性强度：取决于终毒物在其作用部位 的浓度和持续时间。 终毒物?
溶菌酶 DNA结构
Hale Waihona Puke 、化学毒物产生毒性的可能途径1、最直接的途径：化学毒物在机体重要部位出 现，而不与靶分子作用。 2、较为复杂的途径：毒物抵达靶部位，与靶分 子相互作用。 3、最为复杂的途径：组织坏死、癌的形成。
2、对膜流动性的影响 物质运输、细胞融合、细胞识别、表面受 体功能调节等均与膜的流动性有关，通过代谢 等可使膜保持相对稳定性。 某些毒物可增加，也有些可降低膜的流动 性。
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◎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
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
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
◎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）：含有一个缺电子原子的分子 ★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
◎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
◎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）
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
◎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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
◎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
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
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
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
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
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
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
◎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）：含有一个缺电子原子的分子 ★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
◎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
◎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）
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
◎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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
◎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
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
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
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