毒理学 毒性机制

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确定毒作用靶分子的标准：
1.终毒物与靶标反应，并对其功能产生不 良影响 2.终毒物在靶部位达到有效浓度
3.终毒物在某种机制上，以所观察的毒性 相关的方式改变靶标
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二、反应类型（types of reactions)
1.非共价结合（nonconvalent binding)：通过 非极性交互作用或氢键与离子键的形成。 如毒物与膜受体、细胞内受体、离子通道 及其某些酶等靶分子的交互作用
最活泼的代谢物是缺电子的分子或分子 片段，如亲电子物或中性物，或阳性物
多数亲核物需转化成亲电子物后才能反 应 带一个多余电子的自由基在HOOH的断 裂，形成中性. OH而产生毒性作用
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五、解毒（detoxication)
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
反应性极高
半减期极短(µs) 作用半径短
氧化应激 (Oxidative Stress)
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自由基形成 自由基超过了机 机体抗氧 化功能 过多 自由基 适量 发挥重要生理功能 体清除能力 自由基 过多
机体损害作用
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(一）自由基的类型 （types of free radicals)
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,很常见
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增毒（toxication)或代谢活化（metabolic activation)：外源化学物经生物转化使其毒 性增强，甚至可产生致畸、致癌效应的过 程 增毒过程主要是使外源化学物转变为
亲电物（electrophiles) 自由基（free radicals) 亲核物（nucleophiles) 氧化还原性反应物（redox-active reductants）
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 一氧化碳经由氧化取卤反应而形成的毒性代 谢产物
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四、氧化还原活性还原剂的形成 (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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二、自由基的来源 （sources of free radicals)
1.生物系统产生的自由基
胞浆中的小分子：自氧化促使氧还原，产生
氧自由基
胞浆蛋白质：xanthine oxidase、dopamine-
β-hydroxylase、D-amino acid oxidase、and fatty acyl CoA oxidase 均可产生ROS
不活泼的、高度亲水的有机酸排出体外
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2.亲核物的解毒 （detoxication of nucleophiles)
一般通过在亲核功能基团上的结合反应来
解毒
如羟化的化合物通过硫酸化作用、葡萄糖
醛酸化作用来结合
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3.亲电物的解毒 （detoxication of electrophiles)
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设计和生产较为安全的化学物以及合理治疗 化学中毒和临床疾病(Thalidomide可干扰某 些血管生成基因的表达，已被用于治疗某些 传染病、炎症性疾病、癌症等，但孕妇禁用) 进一步加深对生理学、药理学、细胞生物学、 生物化学等基础学科的了解（河豚毒素 Tetrodotoxin以及DDT等） 现代分子生物学、基因组学等理论和技术的 应用（个体易感性-基因多态性,家族遗传背 景,表观遗传学等)

分子水平：DNA、RNA或蛋白质
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产生毒性可能的途径
化学毒物
吸收、分布、代谢、排泄 与靶分子相互作用 细胞功能失调、损伤 毒 性
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细胞修复功能失调
毒性机制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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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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
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
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研究中毒机制步骤

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
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三、毒物对靶分子的影响
（effects of toxicants on target molecules)
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终毒物与内源性分子反应，引起靶分子的 功能失调和结构破坏
1.靶分子功能失调：
有些毒物能模拟内源配体而激活蛋白质的
靶分子
化学物抑制靶分子功能则更常见
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阻断神经递质的传递 阻断离子的转运抑制线粒体电子传送链的
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.
5.蛋白质毒素解毒 （detoxication of protein toxins) 细胞外和细胞内的蛋白酶参 与有毒多肽的失活
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六、解毒过程失效 （when detoxication fails)
1.毒物可能使解毒过程失效，终毒物蓄积 2.偶尔可见某种具有反应活性的毒物使解 毒酶失活 3.某些结合反应可被逆转 4.有时解毒过程产生潜在的有害副产物
功能
抑制酶活性
毒物作用于蛋白质结构的关键部位，如巯
基基团
毒物干扰DNA的模板功能
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2.靶分子结构的破坏：
毒物除了形成DNA加合物外，还可通过交联 和分子断裂而改变内源分子的主体结构
脂质过氧化分解作用 蛋白质降解作用 DNA断裂作用
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3.新抗原形成：某些个体的变异蛋白可能会 促发免疫反应 4.化学物引起的生物学微环境改变与毒性：
包括：

单线态氧: 较高的反应性 ( 1∆gO2/1ΣgO2) 超氧阴离子自由基(O2.）:强还原剂 羟基自由基（.OH):活性极强,可与任何生物分子 反应;但半衰期短,作用半径小
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过氧化氢（H2O2):弱氧化剂和弱还原剂
臭氧（O3):
氮氧化物（NOX) 次氯酸（HOCl)
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第一节 外源化学物的增毒与终毒物的形成
终毒物：是指与内源靶分子（如受体、酶、 DNA等）反应或严重地改变生物学（微） 环境，启动结构和（或）功能改变而表现 出毒性的物质(表4-1) 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
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表4-1 终毒物的来源及其类型
类型 直接终毒物 举例 Pb, 河豚毒素, TCDD, CO, HCN
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一、亲电物的形成
（formation of eletraophiles)
亲电物（electrophiles)：是一类缺少电子而
使整个分子部分或全部带正电的物质(表4-2)
亲电物可与含电子的亲核物共享电子反应
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、醌和酰卤化 物等物质
特点：

互补结合
通常是可逆的
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2.共价结合（convalent binding)
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
亲电毒物与亲核物如生物大分子：蛋白质 和核酸的反应
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亲电原子对亲核原子具有选择性，这主要取 决于其负载与半径的比例 软（次）亲电物较易与软（次）亲核物反应
毒性机制
（Mechanisms of Toxicity)
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【内容】
外源化学物增毒现象，终毒物类型（亲 电物、自由基、亲核物），解毒途径，解 毒过程失效的原因
终毒物与靶分子的反应：类型，毒物对 靶分子的影响
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毒物引起的细胞调节功能障碍：基因 表达调节障碍、细胞瞬息活动调节障碍 毒物引起的细胞维持功能改变：细胞 内部维持自身功能的损害、细胞外部维 持功能的损害
阳性亲电物常由化学键断裂而形成
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二、自由基形成 （formation of free radicals）
自由基（free
radicals)：是指独立游 离存在的带有不成对电子的分子、原子 或离子
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
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特点：
具有顺磁性
化学性质十分活泼
证实与人类直接相关的实验动物中所观察 到的损害作用（Cancer、Birth defects、 Organophosphate insecticide inhibition of acetylcholinesterase ）
验证可能与人类无关的发生于实验动物中 的有害效应（Artificial sweetener saccharin to cause bladder cancer in rats）
一般亲电性毒物的解毒是通过与巯基亲核物 谷胱苷肽共轭结合而解毒 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
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4.自由基解毒 （detoxication of free radicals)
没有任何一种酶能排 . HO 除 唯一有效的抗HO 方 法是防止其产生，可 通过两个反应即将O2. 先转化成HOOH，再 将HOOH转化成水
+
（1）能改变生物水相中H 离子浓度的化学物
（2）使细胞膜脂质相发生物理化学改变以及破 坏细 胞功能所必需的穿膜溶质梯度的溶剂及去 垢剂
（3）通过占据位臵或空间引起危害的其他外源 化学物
复能力或修复本身障碍时，即产生毒性效应
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机制毒理学 (Mechanistic toxicology)
主要研究化学物对生物体产生毒性作 用的细胞、生化和分子机制，为建立敏 感、特异的预测试验，安全性评价与管 理、安全性化学物（或药物）的设计与 生产以及疾病的诊断和治疗提供科学依 据。
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机制毒理学研究成果在应用毒理学 （Applied Toxicology）领域的主要用途
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第二节 终毒物与靶分子的反应 （reaction of the ultimate toxicant with the target molecule)
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终毒物与靶分子的交互作用触发毒性效应需 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
在某些情况下，解毒可能与中毒竞争同一
化学物
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根据毒物化学性质，解毒途径可分为
1.无功能基团毒物的解毒（detoxication of toxicants with no function groups)
无功能基团化学物（苯和甲苯）+ 功能基团（羟基 和羧基） CyP450 含功能基团产物+内源性酸如葡萄糖醛酸、硫酸或氨 基酸 转移酶
硬（强）亲电物较易与硬（强）亲核物反应
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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 3.去氢反应（hydrogen abstraction)：自由基 可迅速从内源化合物去除氢原子 4.电子转移（electron transfer)： 5.酶促反应（enzymatic reaction)：
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膜酶活性：lipoxygenase、cycloxygenase 吞噬细胞的吞噬过程及呼吸爆发
（respiratory burst)
过氧化酶体 线粒体电子传递过程能生成ROS 微粒体电子传递系统
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三、亲核物的形成 （formation of nucleophiles)
是毒物活化作用较少见的一种机制
代谢物作为终毒物
砷酸盐亚砷酸盐, 己烷己二酮
Bap, Aflatoxinepoxides
活性氧(氮)作为终毒物
过氧化氢, 阿霉素, Fe++, Paraquat 羟自由基(HO.)/过氧亚硝基(ONOO-)
内源化合物作为终毒物
黄胺类药物清蛋白结合的胆红素胆红素
CCl3OO.不饱和脂肪酸自由基 HO.蛋白质蛋白羟基
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一、靶分子的属性 （attributes of target molecules)
理论上所有内源性化合物都是毒物潜在的靶标 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标的反应都是有害的
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内源性分子作为一个靶分子必须具有合适 的反应性和（或）空间构型，以容许终毒 物发生共价或非共价反应。 为了发生这些反应，靶分子必须接触足够 高浓度的终毒物。