第五章 化学物质的毒理机制

氧分子依次单电子还原流程图
机体虽有多种途径产生自由基，但并不
是产生自由基就会对机体有损害作用。
自由基产生只有超过抗氧化能力或机体
抗氧化能力降低时，才会造成损害作用。
这是因为机体有相应的防御机制。
自由基
不成对电子 破坏
靶
自由基
抗氧化剂
Baidu Nhomakorabea
完整
被減化
被氧化
抗氧化物机制:
生物体消除自由基或其他ROIs的防卫系统：
含有氧原子的自由基
Ex: · 2- & · O OH
经化学反应而产生自由基的含氧衍生物 Ex: H2O2 & HOCl Fe2+ + H2O2 → Fe3+ +· + OHOH HOCl +· 2- → O2 + Cl- +· O OH
活性氧系统
1.‧O2- 超氧阴离子自由基 (superoxide） 2. H2O2 过氧化氢 (hydrogen peroxide) (非自由基) 3.‧OH 羟基自由基 (hydroxyl radical) 4. 1O2 单线态氧 (Singlet oxygen)
膜通透性的改变
二、化学毒物对细胞钙稳态的影响
1.细胞内钙稳态
离子钙又分为细胞内Ca2+和细胞外Ca2+。
在细胞静息状态下细胞内游离的Ca2+仅为10-7mol/L，而
细胞外液Ca2+则达10-3mol/L。当细胞处于兴奋状态，第
一信使转递信息，则细胞内游离Ca2+迅速增多可达105mol/L，此后再降低至10-7mol/L，完成信息转递循环。
起了一种信使作用，负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。
钙离子在细胞中有重要的生理意义。 在毒理学中，发现细胞损伤和死亡与胞 内钙浓度增高有关。 细胞内钙浓度不可控制地增高，从而产 生一系列反应，导致细胞损伤或死亡。
2.钙稳态失调的机制
细胞内Ca2+浓度不可控制地持续升高，即使 细胞内的钙稳态失调，这种紊乱或失调将破 坏正常生命活动所必需的细胞内外Ca2+的瞬 变，破坏各种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。
方式导致DNA链断裂和交联。
④对低密度脂蛋白(LDL)的作用。
自由基对生物膜的损伤
脂质过氧化反应及其脂质自由基的生成 （LOOH、LOO· 、LO· ）
（2）蛋白质的氧化损伤
① 对脂肪族氨基酸氧化损伤最常见的途径为：
在α-位置上将一个氢原子除去，形成C-中心 自由基，再加氧其上，生成过氧基衍生物。 后者分解成NH3及α-酮酸，或生成NH3、CO2 与醛类或羧酸，破坏脂肪族氨基酸的结构。

许多环境因素作用于细胞膜，引起细胞膜结构和功 能的改变。 膜成分的改变 膜脂流动性的改变 膜上酶的活性
四氯化碳导致大鼠肝细胞膜 磷脂和胆固醇含量下降
DDT、对硫磷引起红细胞膜 脂流动性降低；乙醇引起肝 细胞线粒体膜脂流动性增高 有机磷化合物与红细胞膜上 的乙酰胆碱酯酶共价结合
主要是膜蛋白的改变，如重 金属与膜蛋白上的巯基、羰 基、氨基、磷酸基等的作用
② 芳香氨基酸很少出现α-除氢，而多出现羟
基衍生物。后者可将苯环打开或在酪氨酸处 交联成二聚体。
③由过渡金属介导出现氧化损伤，主要通 过Fenton反应。其损伤特点为部位特异性。 因为，在蛋白质结构内只有某个或几个金 属结合部位的氨基酸受到影响。 ④脂质过氧化的自由基中间产物作用，如 烷氧自由基(LO· )和过氧自由基(LOO· )，可 与过氧化脂质紧密联系的蛋白质反应。
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Ca2+信号的受 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、自由基与氧化损伤
1.自由基的产生和特点 2.活性氧系统 3.自由基与脂质过氧化 4.污染物对机体自由基防卫系统的影响
②DNA链断裂：
· OH对DNA的攻击，主要针对DNA分子中的 核糖部分，可能的位置在DNA分子中核糖的3’ 和4’碳位上，造成DNA链的断裂。 自由基对胸腺嘧啶碱基作用，造成的损害经 修复酶切除，可产生类似的单链断裂。 氧化应激可启动细胞内的一系列代谢过程， 激活核酸酶，导致DNA链的断裂。
然生成的中间产物，具有极强的
氧化能力，是生物氧毒害的重要
因素之一。
H 2O2 2GSH 2GSSG 2H 2O
PX ROO 2GSH GSH GSSG ROH H 2O
GSH PX
谷胱甘肽过氧化物酶
主要存在于真核细胞的胞浆中，线粒
体中也含有GSH-Px可催化H2O2和有机氢

1. 共价键异裂
A B A + B
形成阳离子和阴离子
2. 共价键均裂
A
B
A + B 形成两个自由基
共价键均裂，使均裂的两部分各带一个未成对独电子 (自由电子)，这些带有未成对独电子的部分称为自由基。
O2+e→O2-· 超氧阴离子自由基
O2+2e+2H+ →H2O2
O2+3e +3H+ → H2O+OH.羟自由基
O2+4e+4H+ → 2H2O
自由基可以带正电荷，也可以带负电荷，
也可以不带任何电荷而成中性。
自由基的特性：
顺磁性， 生物化学反应活性高，半衰期极短，一般仅能 以µ s计。 →抢夺其他自由基或非自由基的电子 对人体造成的影响:
坏的方面:
‧OH使脂质过氧化产生‧ROO
RH +· OH→ · R+H2O
③终止阶段：只有两个自由基相互作用，才能使自
由基反应链终止，消除自由基。
脂质过氧化的后果：
①细胞器和细胞膜结构的改变和功能障碍。
②脂质过氧化物的分解产物具有细胞毒性，其中特别有害
的是一些不饱和醛类。
③对DNA影响： 一是脂质过氧化自由基和烷基自由基可引起DNA碱基， 特别是鸟嘌呤碱基的氧化； 一是脂质过氧化物的分解产物，丙二醛可以共价结合
1.自由基的产生和特点
自由基是具有不成对电子的原子、分子或离 子。主要因为化合物的共价键的耗能均裂而 产生，也可以通过俘获电子而产生。
均裂
CH3︰H
电子俘获
CH3· +H·
CCl3· +Cl
CCl4+e
一个共价键化合物A-B,当它受到热、辐射及超 声波等能量的作用时，共价键可能要断裂，断 裂方式有两种。
②发展阶段：已形成的自由基将作为启动子而产生
新的自由基，使反应发展下去。在发展阶段中，形
成的自由基总数保持不变，一种自由基团可经多种 反应转变成另一种形式的自由基团。去氢后的碳原 子形成中心自由基(L· )。与脂质过氧化反应关系最 重要的是脂质过氧化自由基（ LOO· ）和脂质过氧
化物的形成（ LOOH ）。
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 细胞结构与功能紊乱 启动细胞或分子水平修复 毒物引起的靶分子结构改变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
第二节 化学物质毒作用的分子机制
一、细胞膜损伤
Schematic of typical animal cell. Organelles: (1) nucleolus (2) nucleus (3) ribosome (4) vesicle,(5) rough endoplasmic reticulum (ER), (6) Golgi apparatus, (7) Microtubule, (8) smooth ER, (9) mitochondria, (10) vacuole, (11) cytoplasm, (12) lysosome, (13) centrioles
第五章
化学物质的毒理机制
第一节 概 述 第二节 化学毒物毒作用的分子机制
第三节 化学物质的结构与毒性的关系
中毒是有毒化学物与机体交互作用，导 致机体的功能或结构产生不良改变的结 果，这些改变除与机体本身的属性有关 外，主要取决于化学物暴露的程度与途 径。
研究毒性机制应明确以下几点
1.毒性效应是由毒物引起正常细胞发生生理和 生化改变的结果
过氧化物还原，此过程需以GSH为辅基。 此酶含有四个具有催化活性的硒原子。
外生性机制:
抗氧化物如Vitamin A、E、C、胡萝卜素 食品添加剂中的丁基羟基甲苯（BHT）、没食子 丙酸或乙氧基喹啉（ethoxyquin）等抗氧化剂 药品中的许多带有N、S的 杂环化合物如吩噻嗪 基团、去甲乌药碱等
中药中的五味子、芦丁、甘草等
(nitric
4. ‧ROO 脂质过氧化自由基
自由基形成↑
自由基超过了机 体的清除能力 机体抗氧化功能↓
自由基过多
过多 自由基 适量
机体损害作用 发挥重要生理功能
自 由 基 — 百 病 之 源
2.活性氧系统（reactive oxygen species，ROS）
是指由氧化还原反应产生，并在其分 子上含有氧的一类化学性质非常活泼物质 的总称。
的活泼，通常无法分离得到。不过在许
多反应中，自由基和自由原子以中间体
的形式存在，尽管浓度很低，存留时间
很短 。
习惯上以“· ”表示不成对电子。
常见的自由基:
1. ‧O2- 超氧化阴离子自由基 (superoxide） 2. ‧OH 羟基自由基 (hydroxyl radical)
3. ‧NO 一氧化氮 oxide )
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：
DNA链断裂造成部分碱基的缺失；
DNA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
2.毒性效应的程度除毒物本身外，还与剂量及 靶部位有关 3.靶组织和靶器官具有代偿能力，可超常发挥 解毒功能 4.毒效应包括一般毒性效应和特殊毒性效应
产生毒性可能的途径
化学毒物 1 吸收、分布、代谢、排泄
2 与靶分子相互作用 3 细胞功能失调损伤
毒 性
4 细胞修复功能失调
毒性机制涉及多个层次和步骤
内生性机制: 超氧化物歧化酶(superoxide 简称SOD 过氧化氢酶(catalase) dismutase)
谷胱甘肽过氧化酶(glutathione peroxidase)
还原性谷胱甘肽（GSH）、尿酸等
超氧化物歧化酶催化的反应
2· 2-+2H+→H2O2+O2 O
· 2-是生物体多种生理反应中自 O
认为Ca2+是体内第二信使。上述Ca2+浓度的变化过程呈
稳态状，称为细胞内钙稳态。
一、细胞内钙稳态
正常情况下，细胞内钙稳态是由质膜Ca2+转位 酶和细胞内钙池系统共同操纵控制的。
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。Ca2+在细胞功能的调节中
入和错误编码；
可能引起癌基因的活化，或抑癌基因的失活。
4.污染物对机体自由基防卫系统的影响
一些污染物可损害有些自由基防卫系统，从而使自
由基积累，氧化损伤作用加强。
（1）重金属
Pb2+、Cd2+、Ni2+ 以下两类： ①通过与GSH反应，将GSH氧化为GSHG，并形成 还原性金属，如Cr6+。
3.自由基对生物大分子的损害作用
(1) 对多不饱和脂肪酸（PUFA）的攻击 (2)对蛋白质分子的攻击 (3)对核酸和其他大分子的影响
（1）脂质过氧化损害：
由自由基引起的多不饱和脂肪酸的氧化 作用对生物膜具有强烈的破坏作用。 自由基的形成与脂质过氧化的关系
①启动阶段：由一些脂链侧链α亚甲基碳上夺 去一个氢的化合物所启动。OH· 是最重要的 脂质过氧化的诱导物。
后果
氧化的后果是凝集与交联，或是蛋白质的 降解与断裂，这主要取决于蛋白质成分的 特征及自由基的种类。
（3）核酸的氧化损伤： ①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。其可能的机制 为： 氧自由基直接作用于双键部位，使之获得一 个加合基而改变其结构。 · OH使脱氧核苷脱嘌呤，即自由基可使DNA 链上出现无嘌呤或无嘧啶部位。 · OH可以自动从胸嘧啶的甲基中除去H原子。
· O2 → · R+ ROO
好的方面: ‧O2-杀死入侵病菌，信号传导等作用
NADPH + 2O2 → NADP+ + H+ + 2 . O2−
有连锁反应，一般可分为引发(initiation)、
增殖(propagation)及终止(termination)三
个阶段。
有未成对电子，自由基和自由原子非常