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1、第一节第一节 概概 述述n n终毒物（ultimate toxicant）是指与内源靶分子（如受体、酶、DNA、微丝蛋白、脂质）相互作用或严重地改变生物学（微）环境，使整体性结构和（或）功能改变而表现出毒性作用的物质。n n终毒物可为机体所暴露的原化学物（母体化合物）；或其代谢产物；内源性分子；等。化学毒物产生毒性的可能途径 化学毒物化学毒物化学毒物化学毒物吸收、分布、代谢、排泄吸收、分布、代谢、排泄吸收、分布、代谢、排泄吸收、分布、代谢、排泄与靶分子相互作用与靶分子相互作用与靶分子相互作用与靶分子相互作用细胞功能失调、损伤细胞功能失调、损伤细胞功能失调、损伤细胞功能失调、损伤细胞修复功能失调
2、细胞修复功能失调细胞修复功能失调细胞修复功能失调毒毒毒毒 性性性性毒物引起的细胞调节功能障碍：1 1 基因表达调节障碍：基因表达调节障碍：转录调节障碍转录调节障碍 信号转导调节障碍信号转导调节障碍 细胞外信号分子，如生长因子、细胞因子、激素和神经递质细胞外信号分子，如生长因子、细胞因子、激素和神经递质 改变蛋白磷酸化改变蛋白磷酸化2 2 细胞瞬息活动的调节障碍：细胞内钙稳态的失调细胞瞬息活动的调节障碍：细胞内钙稳态的失调第二节第二节 化学毒物化学毒物对生物膜的损害作用对生物膜的损害作用膜毒理学膜毒理学生生物物膜膜组成组成脂质脂质糖糖蛋白质：结构蛋白、受体、酶、载体、蛋白质：结构蛋白、受体、酶、
3、载体、离子通道等离子通道等结构结构：液态镶嵌模型：液态镶嵌模型功能功能隔离功能隔离功能生化反应和生命活动的场所生化反应和生命活动的场所内外环境物质交换的屏障内外环境物质交换的屏障n n毒物对生物膜组成成分的影响蛋白质：结构蛋白、受体、酶、载体、蛋白质：结构蛋白、受体、酶、载体、离子通道等离子通道等脂质脂质糖糖n n毒物对生物膜生物物理性质的影响 细胞膜的通透性：膜蛋白 细胞膜的流动性 细胞膜表面电荷：糖脂、糖蛋白质质量量第三节第三节 化学毒物化学毒物对细胞钙稳态的影响对细胞钙稳态的影响细胞内钙稳态细胞内钙稳态 细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性 钙稳态失调的机制钙稳态失调的机
4、制 一、细胞内钙稳态一、细胞内钙稳态 在在细胞静息状态细胞静息状态下下细胞内游离的细胞内游离的CaCa2+2+仅为仅为1010-7-7mol/Lmol/L，而细胞外液，而细胞外液CaCa2+2+则则达达1010-3-3mol/Lmol/L。当细胞处于当细胞处于兴奋状态兴奋状态，第一信使转递信息，则细胞内，第一信使转递信息，则细胞内游离游离CaCa2+2+迅速增多可达迅速增多可达1010-5-5mol/Lmol/L，此后再降低至，此后再降低至1010-7-7 mol/Lmol/L，完成信息转递循环。，完成信息转递循环。CaCa2+2+是体内第二信使是体内第二信使。上述上述CaCa2+2+浓度的变
5、化过程呈稳态状，称为浓度的变化过程呈稳态状，称为 细胞内钙稳态细胞内钙稳态。在细胞内的钙有两种类型，游离的钙离子和与蛋白质结合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。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。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激动剂刺激引起细胞CaCa2+2+动员，可调节细胞的多种生物功动员，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、分化和增殖。能，包括肌肉收缩、神经转导、细胞分泌、分化和增殖。CaCa2+2
6、+在细胞功能的调节中起了一种信使作用，负责将激动剂在细胞功能的调节中起了一种信使作用，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。的刺激信号传给细胞内各种酶反应系统或功能性蛋白。CaCa2+2+第二信使作用第二信使作用的实现机制的实现机制vvCa2+与钙结合蛋白:如钙调蛋白(CaM)。vvCa2+与cAMP：vvCa2+与蛋白激酶C(PKC)、磷脂酶C(PLC)：vvCa2+与离子通道 二、细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性二、细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性 v重金属离子重金属离子 v农药农药 v四氯化碳四氯化碳 重金属离子重金属离子 主要有铅和镉。主要有铅和镉。铅：铅：与与CaCa2+
7、2+及及CaMCaM结合，激活结合，激活Ca-CaMCa-CaM依赖酶系。依赖酶系。高高浓浓度度时时与与细细胞胞内内巯巯基基激激活活，可可抑抑制制CaCaCaMCaM依依赖酶系，并呈剂量依赖的双相效应。赖酶系，并呈剂量依赖的双相效应。镉镉 可使可使CaMCaM含量减少。含量减少。农药农药 n n拟除虫菊酯为神经毒化合物n n可使神经细胞内游离钙浓度增高，可能与其抑制Ca2+，Mg2+-ATPase、CaM和磷酸二酯酶(PEE)有关。n n当然，拟除虫菊酯对钙稳态的影响有复杂的机制，当然，拟除虫菊酯对钙稳态的影响有复杂的机制，且与其具体化学结构有关。且与其具体化学结构有关。四氯化碳四氯化碳 可抑
8、制肝细胞微粒体Ca2+-ATPase，表现为肝内质网酶活性改变及钙的蓄积。其机制可能是CCl4可在肝脏氧化产生自由基，后者攻击Ca2+-ATPase上的巯基，使酶活性下降；Ca2+浓度增加，可激活某些酶，如磷酸化酶a。三、钙稳态失调的机制三、钙稳态失调的机制 细胞内钙稳态的失调细胞内钙稳态的失调 细胞细胞CaCa2+2+信号的改变在各种病理及毒理学过程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中起重要的作用。在细胞受损时可导致CaCa2+2+内流增内流增加，或加，或CaCa2+2+从细胞内贮存部位释放增加，或抑制细从细胞内贮存部位释放增加，或抑制细胞膜向外排出胞膜向外排
9、出CaCa2+2+，表现为细胞内，表现为细胞内CaCa2+2+浓度不可控浓度不可控制的持续增加，即打破细胞内钙稳态，或称为制的持续增加，即打破细胞内钙稳态，或称为细胞细胞内钙稳态的失调内钙稳态的失调。n nCa2+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。n n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：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
10、胞骨架 损害线粒体 与细胞凋亡有关 第四节第四节 机体内生物大分子机体内生物大分子氧化损伤氧化损伤一、自由基的来源与类型一、自由基的来源与类型n n自由基自由基（free radicalsfree radicals）是独立游离存在的带有一）是独立游离存在的带有一个或多个不成对电子的分子、原子或离子。个或多个不成对电子的分子、原子或离子。n n自由基主要是由于化合物的共价键发生均裂而产生。自由基主要是由于化合物的共价键发生均裂而产生。n n其共同特点是：具有顺磁性、其化学性质十分活泼、其共同特点是：具有顺磁性、其化学性质十分活泼、反应性极高，因而半减期极短，一般仅能以反应性极高，因而半减期极短，
11、一般仅能以ss计，计，作用半径短。作用半径短。n n最主要的是氧中心自由基，这类自由基持续不断地在最主要的是氧中心自由基，这类自由基持续不断地在机体内产生。机体内产生。n n活性氧活性氧(reactive oxygen species,ROS)(reactive oxygen species,ROS)n n实际上是一个集合名词，不仅包括氧中心自由基如实际上是一个集合名词，不仅包括氧中心自由基如O O2 2-，OHOH，而且也包括某些氧的非自由基衍生物，而且也包括某些氧的非自由基衍生物，如如H H2 2O O2 2、单线态氧和次氯酸，甚至还包括过氧化物、单线态氧和次氯酸，甚至还包括过氧化物、氢过
12、氧化物和内源性脂质及外来化合物的环氧代谢氢过氧化物和内源性脂质及外来化合物的环氧代谢物，因为它们都含有化学性质活泼的含氧功能基团。物，因为它们都含有化学性质活泼的含氧功能基团。自由基在生物体内的来源n n细胞正常生理过程产生（线粒体；过氧化物酶体；等）（线粒体；过氧化物酶体；等）n n化学毒物在体内代谢过程产生。许多外来化合物可通过各种不同途径产生自由基，但其中许多外来化合物可通过各种不同途径产生自由基，但其中最主要的途径是通过氧化还原反应（最主要的途径是通过氧化还原反应（redox cyclingredox cycling）。）。（一）（一）非酶性抗氧化系统非酶性抗氧化系统 在在生生物物体体
13、系系中中广广泛泛分分布布着着许许多多小小分分子子，如如，维维生生素素C C、维维生生素素E E、GSHGSH、尿尿酸酸、牛牛磺磺酸酸和和次次牛牛磺磺酸酸等等，它们能通过非酶促反应而清除氧自由基。它们能通过非酶促反应而清除氧自由基。二、机体对氧化损伤的防御系统二、机体对氧化损伤的防御系统 谷胱甘肽(GSH)参参与与GSHGSHPxPx的的作作用用，使使过过氧氧化化物物还还原原为为H H2 2O O和和氧氧化化型谷胱甘肽型谷胱甘肽(GSSG)(GSSG)。有有些些有有毒毒化化学学物物可可耗耗竭竭肝肝脏脏GSHGSH而而继继发发脂脂质质过过氧氧化化，如丙烯腈、苯乙烯等。如丙烯腈、苯乙烯等。维生素E
14、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。（二）（二）酶性抗氧化系统酶性抗氧化系统 a a 超超氧氧化化物物歧歧化化酶酶SODSOD：是是一一类类含含有有不不同同辅辅基基的的金金属属结结合合酶酶家家族族，如如CuZn-SODCuZn-SOD、Fe-SODFe-SOD与与Mn-SODMn-SOD。它它们们在在细细胞胞内内定定位位变变化化很很大大，CuZn-SODCuZn-SOD存存在在多多种种脏脏器器内内如如肝肝脏脏、红红细细胞胞，
15、而而Mn-SODMn-SOD主主要要在在线线粒粒体体。它它的的唯唯一生理功能是歧化超氧阴离子一生理功能是歧化超氧阴离子(O(O2 2-)，生成，生成H H2 2O O2 2和和O O2 2。b b 过过氧氧化化氢氢酶酶（CATCAT）：位位于于肝肝细细胞胞和和红红细细胞胞内内过过氧化小体中，其主要功能是将氧化小体中，其主要功能是将H H2 2O O2 2转化为水。转化为水。c c 谷谷胱胱甘甘肽肽过过氧氧化化物物酶酶GSH-PxGSH-Px（GPOGPO）：在在机机体体内内广广泛泛存存在在，能能特特异异地地催催化化谷谷胱胱苷苷肽肽对对过过氧氧化化物物的的还还原原反反应应，使使过过氧氧化化物物转
16、转化化为为水水或或相相应应的的醇醇类类。可可阻阻断断脂脂质过氧化的链锁反应。质过氧化的链锁反应。d d 谷谷胱胱苷苷肽肽还还原原酶酶（GRGR）：其其分分布布同同GSH-PxGSH-Px，主主要要功功能能是是产产生生还还原原型型的的谷谷胱胱苷苷肽肽(GSH)(GSH)，以以保保证证机机体体解解毒毒功能的执行。功能的执行。e e 心肌黄酶心肌黄酶(DT diaphorase):(DT diaphorase):葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸脱氢酶。磷酸脱氢酶。谷胱甘肽的抗氧化作用谷胱甘肽的抗氧化作用 GSH GSSG H2O2 H2OGSH-Px还原型谷胱甘肽 氧化型谷胱甘肽 谷胱甘肽过氧化物酶三、自
17、由基对生物大分子三、自由基对生物大分子的损害作用的损害作用n n氧化应激（Oxidative Stress）：氧自由基所致细胞毒性作用；氧自由基所致细胞毒性作用；抗氧化失衡状态抗氧化失衡状态(一一)脂质过氧化作用及其损害脂质过氧化作用及其损害 脂质过氧化(lipid peroxidation)：指主要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。脂质过氧化的过程：脂质过氧化的过程：启动阶段：脂质过氧化是由一些脂链侧链甲叉碳上除去一启动阶段：脂质过氧化是由一些脂链侧链甲叉碳上除去一个氢的化合物所启动。个氢的化合物所启动。OHOH是最重要的脂质过氧化的诱是最重要的脂质过氧化的诱
18、导物。导物。发展阶段：已形成的自由基将作为启动子而产生新的自由发展阶段：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的自由基团。去氢后的碳原子形成中心自由基(L(L)。与脂。与脂质过氧化反应关系最重要的是脂质过氧化自由基和脂质过质过氧化反应关系最重要的是脂质过氧化自由基和脂质过氧化物的形成。氧化物的形成。终止阶段：只有二个自由基相互作用，才能使自由基反应终止阶段
19、：只有二个自由基相互作用，才能使自由基反应链终止，消除自由基。链终止，消除自由基。脂质过氧化的后果：细胞器和细胞膜结构的改变和功能障碍细胞器和细胞膜结构的改变和功能障碍。脂质过氧化物的分解产物具有细胞毒性，其中特别有害的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是一些不饱和醛类。对对DNADNA影响：影响：脂质过氧化自由基和烷基自由基可引起脂质过氧化自由基和烷基自由基可引起DNADNA碱基，特别是碱基，特别是鸟嘌呤碱基的氧化；鸟嘌呤碱基的氧化；脂质过氧化物的分解产物，丙二醛可以共价结合方式导致脂质过氧化物的分解产物，丙二醛可以共价结合方式导致DNADNA链断裂和交联。链
20、断裂和交联。对低密度脂蛋白对低密度脂蛋白(LDL)(LDL)的作用。的作用。（二）蛋白质的氧化损伤1 1机制：机制：(1)(1)对对脂脂肪肪族族氨氨基基酸酸氧氧化化损损伤伤最最常常见见的的途途径径为为：在在-位位置置上上将将一一个个氢氢原原子子除除去去，形形成成C C中中心心自自由由基基，再再加加氧氧其其上上，生生成成过过氧氧基基衍衍生生物物。后后者者分分解解成成NHNH3 3及及-酮酮酸酸，或或生生成成NHNH3 3、COCO2 2与与醛醛类类或或羧羧酸酸，破破坏脂肪族氨基酸的结构。坏脂肪族氨基酸的结构。(2)(2)芳芳香香氨氨基基酸酸很很少少出出现现-除除氢氢，而而多多出出现现羟羟基基衍衍
21、生生物物。后后者者可可将将苯苯环环打打开开或或在在酪酪氨氨酸酸处处交交联联成成二二聚体。聚体。(3)由过渡金属介导出现氧化损伤，主要通过Fenton反应（过过氧氧化化氢氢与与二二价价铁铁离离子子混混合合溶溶液液具具有有强强氧氧化化性性），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。2 2后果后果 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。对蛋白质影响表现在二个方面：直接作用直接作用 间
22、接作用间接作用 （三）核酸的氧化损伤：（三）核酸的氧化损伤：1碱基损伤 活活性性氧氧攻攻击击DNADNA的的靶靶位位点点是是腺腺嘌嘌呤呤与与鸟鸟嘌嘌呤呤的的C C8 8，嘧嘧啶啶的的C C5 5与与C C6 6双键。双键。其可能的机制为：其可能的机制为：氧氧自自由由基基直直接接作作用用于于双双键键部部位位，使使之之获获得得一一个个加加合合物物而而改改变变其结构。其结构。OHOH使使脱脱氧氧核核苷苷脱脱嘌嘌呤呤，即即自自由由基基可可使使DNADNA链链上上出出现现无无嘌嘌呤或无嘧啶部位。呤或无嘧啶部位。OHOH可以自动从胸嘧啶的甲基中除去可以自动从胸嘧啶的甲基中除去HH原子。原子。8-OHdG
23、8-OHdG 8-OHdG 8-OHdG是重要的毒理学生物标记物。是重要的毒理学生物标记物。是重要的毒理学生物标记物。是重要的毒理学生物标记物。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。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，
24、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；可能引起癌基因的活化，或抑癌基因的失活。第五节第五节 化学毒物化学毒物与细胞大分子的共价结合与细胞大分子的共价结合终毒物与靶分子反应的类型：终毒物与靶分子反应的类型：n非共价结合（nonconvalent binding）p共价结合（convalent binding）p去氢反应 p电子转移 非共价结合（非共价结合（nonconvalent bindingnonconvalent binding）通过非极性交互作用或氢键与离子键的形成；具有代表性的是毒物与膜受体、细胞内受体、离子通道以及某些酶等靶分子的交互作用。可逆。可逆。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，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。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。n n与蛋白质的共价结合n n与核酸分子的共价结合