【教学课件】第四章毒性机制(mechanismsoftoxicity).ppt

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1、第 四 章 毒性机制（mechanisms of toxicity）,研究毒性机制应明确以下几点：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毒性效应的程度除毒物本身外，还与剂量及靶部位有关靶组织和靶器官具有代偿能力，可超常发挥解毒功能毒效应包括一般毒性效应和特殊毒性效应研究,研究中毒机制步骤：找出靶器官、靶组织进一步找出受损的细胞、亚细胞分子水平：DNA、RNA或蛋白质复杂的毒性机制可涉及多个层次和步骤，毒物被转运到一个或多个靶部位，毒物或代谢产物与内源性靶分子相互作用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，即产生毒性效应机制毒理学（Mechanistic t

2、oxicology）,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。,机制毒理学研究成果在应用毒理学（Applied Toxicoloyg）领域的主要用途：证实与人类直接相关的实验动物中所观察到的损害作用（e.g.,cancer,Birth defects）验证可能与人类无关的发生于实验动物中的有害效应（e.g.,Organophosphate insecticide inhibition of acetylcholinesterase;Artificial sweet

3、ener saccharin to cause bladder cancer in rats）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（e.g.,Thalidomide）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（e.g.,Tetrodotoxin）,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增毒（toxication）或代谢活化（metabolic activation）：外源化学物

4、经生物转化命名其毒性增强，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（electrphiles）自由基（free radicals）亲核物（nucleophiles）氧化还原性反应物（redox-active reductants）,亲电物的形成（formation of electraophiles）亲电物（electrophiles）：是一类缺少电子而使整个分子部位或全部带正电的物质亲电物可与含电子的亲核物共享电子对而产生中毒反应，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阳性亲电物常由化学键断裂而形成,自由基形

5、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下电子，或由化合物的共价键发生均裂而形成特点：具有顺磁性化学性质十分活泼反应性极高，半减期极短，作用半径短,（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。单线态氧、超氧阴离子自由基（O2.）、羟基自由基（.OH）、过氧化氢（H2O2）、臭氧（O3）氮氧化物（NOX）、次氯酸（HClO）,(二)自由基的来源（

6、sources of free radicals）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：黄嘌呤氧化酶xanthine oxidase、dopamine-hydroxylase、D-amino acid oxidase、and fatty cayl CoA oxidase 均可产生ROS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,亲核物的形成（formation of nucleophiles）是毒物活化作用较少见

7、的一种机制.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 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HOOH的断裂，形成中性-OH而产生毒性作用,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 在某些情况下，解毒可能与中毒竞争同一化学物根据毒

8、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）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。,无功能基团化学物（苯和甲苯）+功能基团（羟基和羧基）含功能基团产物+内源性酸如葡萄糖醛酸、硫酸或氨基酸不活泼的、高度亲水的有机酸排出体外,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

9、化作用、葡萄糖醛酸化作用。3、亲电物的解毒（detoxication of electrophiles）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-硫转移酶协同进行，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。,4、自由基解毒（detoxication of free radicals）没有任何一种酶能排除HO唯一有效的抗HO的方法是防止其产生，可通过两个反应即将O2-先转化成HOOH，再将HOOH转化成水。5、蛋白质毒素解毒（detoxication of protein toxins）：细胞外和细胞内的

10、蛋白酶参与有毒多肽的失活。,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,第二节 终毒物与靶分子的反应（reaction of ultimate toxicant with the target molecule）,一、靶分子的属性（attributes of target olecules）理论上所有内源性化合物都是毒物潜在的靶标。从典型意义上讲，毒性是由终毒物与靶分子的反应所介导的一系列继发生化过程，导致在不同生物学组织结构水

11、平（如靶分子本身、细胞器、细胞、组织和器官，甚至整个机体）上的功能失常损伤。终毒物与靶分子的交互作用触发毒性效应需考虑以下几个方面：靶分子的属性；终毒物与靶分子之间反应的类型；毒物对靶分子的效应。最后还必须考虑到，一些并非直接由终毒物与靶分子反应所启动，而是由于生物学微环境（关键的内源分子、细胞器、细胞和器官在这样的微环境中运行）改变所引起的毒性。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。,一、靶分子的属性,实际上所有的内源化合物都是毒物潜在的靶标，然而，最为流行的毒理学上相关的靶标是大分子，如核酸（特别是DNA）和蛋白质。在小分

12、子中，膜脂质最为常见，辅因子如辅酶A和吡哆醛也被涉及。,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，因此，处于反应活性化学物邻近或接近它们形成部位的内源性分子常常是靶分子。活性代谢物的第一个靶分子常常是催化这些代谢物形成的酶或邻近的细胞内结构，例如，负责甲状腺激素合成的酶甲状腺过氧化物酶将某些亲核的外源化学物如甲巯咪唑（methimazole）、氨基三唑（amitrole）和间苯二酚（resorcinol）转变为活性自由基代谢物，这些自由基代谢物又使甲状腺过氧化物酶失活，这是这些化学物抗甲状

13、腺作用以及诱发甲状腺肿瘤的基础。,四氯化碳由细胞色素P-450活化后破坏细胞色素P-450酶本身及其邻近的微粒体膜。几种线粒体酶（包括琥珀酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶和细胞色素C氧化酶）是肾毒性半胱氨酸结合物如二氯乙烯半胱氨酸的合适靶分子，因为这种结合物在相同的细胞器由线粒体半胱氨酸结合物-裂合酶转变为亲电物。在密切靠近其形成部位未能找到合适内源性分子的活性代谢物时，可发生扩散直至它们遇到这样的反应物。例如，硬亲电物如N-甲基-4-氨基偶氮苯的芳基硝鎓离子代谢物易于与核酸中的亲核原子反应，因而也就易于与核中的靶DNA反应，即使亲电物是在胞浆中产生。,并非化学物的所有靶分子都发生有害效应，虽然CO通过

14、与亚铁血红蛋白结合而引起毒性，但它也可与细胞色素P-450的铁结合而极少出现或不出现后果。毒物与各种各样的细胞内蛋白不确定的。乙酰氨基酚引起的某些肝线粒体蛋白的芳基化与这种药物印发的肝损害可能具有因果相关，因为乙酰氨基酚的非肝毒性异构体不容易与这些蛋白只共价结合。相反，由乙酰氨基酚引起的许多胞浆蛋白的芳基化可能是不重要的，因为这种药物的非肝毒性异构体也芳基化这些蛋白质，不出现不良后果的蛋白质共价结合甚至可能代表某种形式的解毒作用（通过占有毒理学相关的靶分子），如：有机磷杀虫剂血浆胆碱酯酶是一种保护机制，因为减少了靶分子乙酰胆碱脂酶共价结合的磷酰化。因此：为了最终确认引起毒性的靶分子，就必须证实

15、：终毒物与靶标反应并对其产生不良影响；终毒物在靶部位达到有效的浓度；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。,二、反应的类型,终毒物可能以非共价或共价的形式与靶分子结合，也可能通过去氢反应、电子转移或酶促反应而改变靶分子。1.非共价结合 非共价结合（nonconvalent binding）可能是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。例如，番木鳖碱（strychnine）结合于脊髓运动神经元上甘氨酸受体，TCDD结合于芳 受体，哈蚌酶素（Saxitoxin）结合钠通道，佛波脂结合于蛋白激酶C以及杀鼠灵（

16、warfarin）结合于维生素K2，3-环氧化物还原酶。这种作用力也促使吖啶黄（acridine yellow）和阿霉素（doxorubicin）插入双螺旋DNA。由于这些化学原子的空间排列使它们与内源性分子的互补部位结合，或多或少有点像钥匙与锁的关系，因而这些化学物表现出毒性效应。非共价结合通常是可逆的，因为这种结合的键能相对较低。,2.共价结合 共价结合（convalent binding）实际上是不可逆的，由于这种集合持久地改变内源分子，因此具有重要的毒理学意义。共价加合物的形成常见于亲电物，如非离子和阳离子亲电物以及自由基阳离子。这些毒物与生物大分子如蛋白质和核酸中的亲核酸中的亲核原子

17、反映，亲电原子对亲核原子表现出某些选择性，取决于它们的电荷/半径比。一般而言，软亲电物较易与软亲核物（两者均具有较低的电荷/半径比）反应，而硬亲电子较易与硬亲核物（两者均具有较高的电荷/半径比）反应。表4-4列出了一些实例。如银和汞这样的金属离子被归类为软亲电物，它们优先与软亲核物反应；而锂、钙和钡这样的硬亲电物优先与硬亲核物反应；在这两个极端之间的金属如烙、锌和铅显示出与亲核物的普遍反应性。亲电物的反应性决定了哪种内源性亲核物能与之反应并成为起靶分子。,中性自由基如OH、NO2和Cl3C也能共价结合于生物分子。Cl3C加入到脂质的双键碳或脂质自由基产生含有氯甲基脂肪酸的脂质。羟基自由基加入到

18、DNA碱基导致许多产物的形成，包括8-嘌呤、5-羟甲基嘧啶以及胸腺嘧啶和胞嘧啶的乙二醇。原则上亲核物倾向于亲电内源化合物反映，但这样的反应不常发生，因为在生物分子中亲电物十分罕见。其实例包括胺类和肼类与一种脱！酶的共底物醛吡哆醛（pyridoxal）的共价反应；一氧化碳、氰化物、硫化氢和叠氮化物与各种血红素蛋白中的铁形成配位共价键。其他亲核物以电子转移反应的方式与血红蛋白反映。,3.去氢反应 自由基可迅速从内源化合物去除氢原子，将这些化合物转变为自由基。从巯基化合物（R-SH）去除氢形成硫基自由基（R-S），这种自由基是其他巯基氧化产物如次磺酸（R-SOH）和二硫化物（R-S-S-R）的前身。

19、自由基能从游离氨基酸或蛋白质氨基酸残基的CH2基除去氢，转变为！基化合物与胺类反映，形成与DNA或其他蛋白质的交联。从DNA分子中的脱氧核糖去除氢产生C-4-自由基。这是DNA断裂的最初步骤。从脂肪酸去除氢产生脂质自由基并启动脂质过氧化。蛋白质中酪胺酸残基的硝基化可能涉及去氢反应，随后发生形成的酪氨酰（tyrosyl）自由基与NO2之间的共价结合。,4.电子转移 化学物能将血红蛋白中的Fe2+氧化为Fe3+形成高铁血红蛋白症。亚硝酸盐能氧化血红蛋白，而N-羟基芳胺（如氨苯砜羟胺）、酚类化合物（如5-羟伯氨喹）和肼类（如苯肼）与氧合血红蛋白共氧化，形成高铁血红蛋白与过氧化氢。5.酶促反应 少数一

20、些酶素通过酶促反应（enzymatic reaction）作用于特定靶蛋白上。例如，蓖麻蛋白（ricin）诱发核糖体的水解断裂，阻断蛋白质的合成。几种细菌毒素催化ADO-核糖从AND+转移到特定蛋白质。例如白喉素阻断蛋白质合成过程中延伸因子（elongation factor）的功能，霍乱毒素通过这样一种机制活化一种G蛋白，毒蛇喊有破坏生物分子的水解酶。,总之，大多数终毒物借助于它们化学反应性作用在内源分子上，具有一种类型以上反应性的那些毒物可以通过不同机制与不同的靶分子反应。例如，醌类可以作为电子受体启动巯基氧化或导致脂质过氧化的自由基反应但它们也可以作为软亲电物共价结合于蛋白巯基。铅离子当

21、与血红素合成过程中的主要靶酶-ALAD的关键巯基形成配位共价键时，是作为软亲电物；然而，当它结合于蛋白激酶C或阻碍断钙通道、在这些靶部位替代天然配体Ca2+时，它的表现又像一种硬亲电物或一种离子。,三、毒物对靶分子的影响,终毒物与内源性分子反映可引起功能与结构失常，对蛋白质而盐，这种反应可使蛋白质变成免疫系统的外源蛋白。1.靶分子功能失调 某些毒物活化靶蛋白分子，模拟内源性配体，例如：吗啡激活鸦片受体；氯苯丁脂（clofibrate）为一种过氧化物酶体增殖物激活性受提的激动剂；佛波酯和铅离子刺激蛋白激酶C。,但在更多情况下，化学物通常抑制靶分子的功能。有些外源化学物如阿托品、箭毒（curare

22、）和番木鳖碱（strychine）通过附着于配体结合部位或通过干扰离子通道的功能而阻断神经递质受体。例如：河豚毒素（tetrotodoxin）蛤蚌毒素（saxitoxin）抑制神经元膜上电压激活的钠通道开放；而DDT和除虫菊酯（pyrethroid）杀虫剂抑制它们的关闭；某些毒素阻断离子运转蛋白；另外一些毒物抑制线粒体电子转移复合物；许多毒物抑制酶活性；结合于微管蛋白如长春花碱、秋水仙素、紫杉醇、三价！或肌动蛋白入细胞松弛素、次毒！环肽的化学物损害这些细胞骨架蛋白的组装（聚合）的拆装（解聚）过程。,当蛋白质与毒物交互作用而改变其构型结构时，蛋白质的功能即受损害，许多蛋白质具有催化活性和聚合为大

23、分子复合物所必须的关键部分，特别是巯基。对其巯基的共价和（或）氧化修饰敏感的蛋白质包括酶类，如蛋白酪氨酸磷酸酶、甘油醛3-磷酸脱氢酶和丙酮酸脱氢酶，Ca2+泵和转录因子AP-1等。这些蛋白质和许多其他的蛋白质的活性受巯基反应化学物所损害，触发异常的信号转导和（或）损害细胞能量和代谢稳态，蛋白酪氨酸硝化也可改变蛋白质功能或干扰酪氨酸激酶和磷酸酶参与的信号途径。,毒物可干扰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。例如，黄曲霉毒素8，9-氧化物共价结合合于鸟嘌呤的N-7位使得带有加合物的鸟嘌呤与腺嘌呤配对而不是与胞嘧啶配对，导致不正确密码的形成及不正确的氨基酸插入蛋白质。在黄

24、曲霉素诱发的ras原癌基因及p53肿瘤抑制基因突变时会出现这种情况。8-羟基鸟嘌呤和8-羟基腺嘌呤是由OH引起的致突变碱基，能引起本身的错配以及与邻近的嘧啶错配。化学物如阿霉素（doxorubcin）插入在双螺旋DNA中的重叠碱基间，迫使邻近的碱基对分开，通过移动读码框架引起DNA的模板功能的叫大的错误。,2.靶分子的破坏 除了加合物形成以外，毒物还可通过交联和断裂而使内源分子的初级结构改变。双功能的亲电物如2，5-己二酮、二硫化碳、丙烯醛、4-羟壬醛（4-hydroxynonedal）和氮芥烷化剂能交联细胞骨架蛋白、DNA，或使DNA与蛋白质交联。羟基自由基通过使上述大分子转变为活性亲电物（

25、如蛋白！基）或自由基也引起交联。羟基自由基通过使上述大分子转变为活性亲电物（如蛋白！基）或自由基也引起交联，前者可于另一个大分子的亲核部位反应，而后者则可彼此发生反映。交联使被连接的分子发生结构与功能的抑制。,某些靶分子对化学物攻击后的自发性降解敏感，自由基如Cl3COO和OH可通过从脂肪酸去除氢而启动脂质的过氧化降解，所形成的脂质自由基（L）紧接着通过氧固化作用转变为脂质过氧自由基（LOO）；并通过去氢反映形成脂质氢过氧化物（LOOH），通过Fe2+催化的Fenton反映形成脂质烷氧自由基（LO），随后的断裂引起！（如乙烷）以及活性醛（如4-羟壬醛和丙二醛）的形成（图4-6）。因此，脂质过氧

26、化不仅破坏细胞膜脂质，而且还容易与膜蛋白质反应，或与更远的分子如DNA反应。,除毒素和辐射引起的水解降解之外，毒物引起的蛋白质降解尚未完全证实。然而，却存在着酶辅基破坏的实例。例如，细胞色素P-450将稀丙基异丙基乙酰胺转变为具有反映活性的代谢物，它使酶的血红素部位发生烷基化，导致变化了的血红素丢失及卟啉症的发生。ONOO-在乌头酸酶的4Fe-4S2+结构簇攻击乌头酸，这一结构簇上的一个Fe原子是十分易变的（因为它与一个无机硫复合，而不是像其他结构簇一样复合于酶结合的半胱氨酸）。由于ONOO-的氧化作用，易变的Fe丢失。从而使酶失活，！及乌头酸酶参与催化功能的柠檬酸循环。,毒物可引起几种形式的

27、DNA断裂。例如，DNA碱基受OH攻击可形成咪唑环开放的嘌呤或环收缩的嘧啶，这将阻断DNA复制。,某些靶分子对化学物攻击后的自发性降解敏感，自由基如Cl3COO和OH可通过从脂肪酸去除氢而启动脂质的过氧化降解，所形成的脂质量自由基（L）紧接着通过氧固化作用转变为脂质过氧自由基（LOO）；并通过去氢反应形成脂质氢过氧化物（LOOH），通过Fe2+催化的Fenton反应形成脂质烷氧自由基（LO），随后的短列引起！（如乙烷）以及活性醛（如4-羟壬醛和丙二醛）的形成（图4-6）。因此，脂质过氧化不仅破坏细胞膜脂质，而且还容易与膜蛋白质反应，或与更远的分子如DNA反应。,除毒素和辐射引起的水解降解之外，

28、毒物引起的蛋白质降解尚未完成证实。然而，却存在着酶辅基破坏的实例。例如，细胞色素P-450将稀丙基乙酰胺转变为具有反活性的代谢物，它使酶辅基破坏的实例。例如，细胞色素P-450将烯丙基异丙基乙酰胺转变为具有反应活性的代谢物，它使酶的血红素部位发生烷基化，导致变化了的血红素丢失及卟啉症的发生。ONOO-在乌头酸酶的4Fe-4S 2+结构簇攻击乌头酸，这一结构簇上的一个Fe原子是十分易变的（因为它与一个无机硫得合，而不是像其他结构簇一样得合于酶结合的半胱氨酸）。由于ONOO-的氧化作用，易变的Fe丢失。从而使酶失活，罹及乌头酸酶参与催化功能的柠檬酸循环。,毒物可引起几种形式的DNA断裂。例如，DN

29、A碱基受OH攻击可形成咪唑环开放的嘌呤或环收缩的嘧啶，这将阻断DNA复制。在鸟嘌呤N-7位置上大块加合物的形成使N-糖苷链不稳定，诱发脱嘌噙作用，脱嘌呤作用导致具有致突变作用的无嘌呤部位的形成。很具代表性的是，羟基自由基通过从DNA的核糖提到H、产生C-4自由基、随后发生O2-加成、Griegee重排和磷酸二酯链的断裂而引起单链断裂。多种羟自由基攻击长度较短的DNA（这种情况发生在电离辐射后）引起双链的断裂，这对于受影响细胞常表现为致死效应。,3、新抗原形成 虽然外源化学物或其代谢物的共价结合对于免疫系统功能的影响通常是不重要的，但在某些个体，这些发生变化了的蛋白质常激发免疫应答。某些化学物（

30、如硝基氯苯、青霉素、镍）可能具有足够高的反应性而自发地结合于蛋白质。另外一些化学物可通过自氧化为醌类（如漆酚为毒长春藤中的变应原）或通过酶促生物转化而获得反应性。例如，细胞色素P-450将氟烷生物转化为三氟乙酰氯（trifluoacetyl chloride）,转化为半搞原与肝各种微粒体和细胞表面蛋白质结合，诱导抗体产生。,免疫反应被认为是第三病人中所见到的肝炎样综合征的原因。药物引起的狼疮和粒性白细胞缺乏是由药物-蛋白质加合物触发的免疫反应所介导的。导致这类反应的化学物通常都是亲核物，如芳香胺氨基比林（Aminopyrin）、氧氮平（clozapine）和异烟肼（isoniazid）和巯基化

31、合物如丙基硫氧嘧啶（propylthiouraeil）、甲巯咪唑（methimazole）和（S）-1-(3-巯基本点-甲基-1-1氧代丙基)-L-脯氨酸（captopril）。这些物质能被激活的料细胞释放的髓过氧化物酶或该种细胞产生的ROS/RNS（HO，ONOO-，HOCL）所氧化，形成与这些细胞表面蛋白结合的活性代谢物，使它们成为抗原。遗憾的是，某些带有加合物的蛋白质能模拟正常蛋白质，因此也能受抗体攻击。,4、化学物引起的生物学微环境改变与毒性 某些外源化学物不是通过或不完全通过与特定内源性靶分子交互作用而引起毒性，而是通过改变物物学微环境而导致毒性，包括：能改变生物水相中的H+离子浓度

32、的化学物，如酸和能生物转化为酸的物质（如甲醇和乙二醇）以及疏质子解偶联剂（如2，4-二硝基酚和五氯酚），它们在线粒体基质中使酚的质子分离，因而使推动ATP全盛的质子梯度消失；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；仅通过占据位置或空间引起危害的期货外源化学物，如某些化学物（如乙二醇）在肾小管中形成不溶于水的沉淀物；磺胺类化合物通过占据清蛋白的胆红素结合位点而引起新生儿胆红素酶性（核黄疸）；CO2取代肺泡腔的氧引起窒息。,第三节 细胞功能障碍与毒性,多细胞机体的每个细胞都执行着特定的程度，某些程序决定细胞的命运分裂、分化（即表达专一化功能的蛋白）或凋亡。

33、另一些程序控制分化了的细胞的瞬息活动ongoing（momentsry）activity，决定细胞分泌物质的数量、是否收缩或舒张、转运和代谢营养物质的速率等。细胞具有能被外部信号分子激活或灭活的信号网络来调节这些细胞程序。为了执行这些程序，细胞装备有合成、代谢、运动、转运和产生能量的体系以及结构元件，组装为大分子复物、细胞膜和细胞器，以维持自身的完整性（内部功能）和支持其他细胞（外部功能）。毒物与靶分子的反应可导致细胞功能损害。,一、毒物引起的细胞调节功能障碍,细胞受信号分子所调节，它激活与传导网络所联系的细胞受体，而信号转导师网络将信号传递给基因的调节区域和（或）功能蛋白。受体激活最终可导致

34、：改变基因的表达，增加或减少特定蛋白的功能；通过磷酸化使特定蛋白发生化学修饰，从而激活动的那些程序主要影响功能蛋白的活性；然而，由于信号网络的分去和交互联系，一个信号常常触发两类应答。,（一）基因表达调节障碍基因表达调节障碍可发生于直接负责转录的元件上、细胞内信号转导途径的成员以及细胞外信号分子的合成、贮存或释放过程中。1、转录调节障碍 遗传住处从DNA转录纪念品mRNA主要受转录因子（TFs）与基因的调节或启动区域间的相互作用所控制。通过与这一区域的核苷酸序列相结合，激活的转录因子促进前起始复合物（preinitiation complex）的形成，促使相毗邻的基因的转录。外源化学物可与基因

35、的启动子区域、转录因子或前起始复合物的其他元件交互作用，然而转录因子激活作用的改变似乎是最常见的方式。从功能角度看，已知有两种类型的TF：配体激活的TF和信号激活的TF。,许多天然化合物，如激素（如类醇、甲状腺激素）和维生素（视黄醇和维生素D）通过结合与激活而影响基因的表达（表-45）。外源化学物可模拟天然配体。例如：祛酸类（fibric acid）降血脂药和邻苯二甲酸酯替代多不饱和脂肪酸作为氧化物酶体增殖物激活性受体（PPAR）的配体。而Cd夫代Zn金属应答元件结合的转录因子（MTF-1）的内源性配体。天然或外源化学物配体在以极端剂量摄入或在个体发生的关键期摄入时，可通过配体激活的TFs而引

36、起毒性。糖皮质醇可引起淋巴细胞的凋亡，虽然在治疗淋巴恶性肿瘤时希望出现这种现象，但在许多其他情况下并不希望得到这种反应。,TCDSD一种芳烃受体（AHR）的配体通过引起胸腺细胞的凋亡而导致胸腺萎缩。雌激素在表达雌激素受体的细胞（如睢雌性生殖器官、乳腺和肝脏中所见到的细胞）可促有些分裂。在雌激素长期暴露时，由雌激素诱导的增殖似乎是这些器官肿瘤形成的原因。据推断，环境外源雌激素如DDT、多氯联苯、双酚A和莠去津（atrazine）促使乳腺癌发生率增加。一种真菌雌激素饲料污染物玉米赤霉烯酮（zearalenone）引起猪阴道下垂，这是雌激素受体介导的增殖性损害的一个实例。过氧化物酶体增生物的促有丝分

37、裂作用及肝肿瘤促进作用也是受体介导的，因为在PPAR缺失的小鼠未能观察到这种现象。人类与啮齿动物不的同，PPAR以低水平表达，同时常以无功能的形式存在，因而不会表现出肝细胞及过氧化物酶体的增生。作用于配体激活的TFs的化学物，如糖皮质醇、TCDD和维生素诱发胎儿畸形，这可看作不合适的基因表达。候选的靶基因是早期决定身体轮廓的同源框基因（homeoboxgene）。,作用于配体激活的TFs的化合物也能使各种不同基因过度表达而改变细胞分化的类型。例如，PPAR-配体祛脂酸衍生物刺激编码过氧化物酶体酶的基因，在啮齿动物肝诱导过氧化物酶体增生。TCDD、苯巴比妥和孕甾烯醇酮16-腈（PCN）分别活化A

38、RH、组成型雄淄烷受体（CAR）和孕烷X受体（PXR）（表4-5），它们对细胞色素P-450起诱导作用。其他外源化学物代谢酶的基因也受这些化学物所激活，例如，TCDD增加细胞色素P-450IAI、UDP-葡萄粮醛基转移酶-1和几种小鼠及大鼠谷胱甘肽-S-转移酶亚单位的表达，因为这些酶的基因的启动子区域含有一个二哑英（外源化学物）应答元件，这一元件被与核转位蛋白ARNT复合的TCDD激活的Ah受体所识别。在AHR缺失的小鼠，TCDD既不诱导这些酶，也不具有表4-5所列的有害作用。,2、信号转导调节障碍 细胞外信号分子，如生长因子、细胞因子、激素和神经递质能利用细胞表面受体和细胞内信号转导网络激活

39、TFs。这些TFs控制着影响细胞周期进展、决定细胞结局的基因的转录活性。在这些TFs中，有c-Fos和c-Jun蛋白，它们以二聚体的形式（称之为AP-1）结合到十四烷酰佛波醇乙酸酯tetradeconoy phorbol acetate(TPA)应答元件（TRE），如细胞周期蛋白D基因启动子中的TRE。另一个是c-Myc蛋白，当它与Max蛋白二聚化并结合于其同源的核苷酸序列时，能激活细胞周期蛋白D和E基因，接着细胞周期蛋白通过活化细胞周期蛋白依赖的蛋白激酶而加速细胞分裂周期。因此，促有丝分裂的信号分子诱导细胞增生；相反，TGF-诱导细胞周期蛋白依赖的蛋白激酶抑制蛋白（如P27）的表达，这种蛋白

40、价导着抗有丝分裂作用。,从细胞表面受体到TFs，信号通过连续的蛋白质-蛋白质交互作用和蛋白质磷酸化而分段传递。暴露于所有细胞表面的生长因子受体实际上是起磷酸化，接着，这些受体能结合于连接物蛋白（adapter protein），并通过这些连接物蛋白激酶的磷酸化，接着，这些受体能结合于连接物蛋白激酶（MAPK）级联反应，涉及一系列蛋白激酶的磷酸化，最终到达TFs。因此，从受体经激酶再到转录因子的许多信号元件的活性受特定丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸羟基磷酸化的影响。这些信号转导蛋白一般通过蛋白激酶催化的磷酸化来激活，同时通过蛋白磷酸酶执行的脱磷酸化反应使之失活。,化学物可通过多种途径引起信号转导异常，最

41、常见的是通过改变蛋白磷酸化，偶尔也通过干扰G蛋白（Ras）的GTPase活性、破坏正常的蛋白质-蛋白质交互作用、建立异常的交互作用、改变信号蛋白的合成与降解。这样的干扰最终可影响细胞周期的进展。,（1）具有增殖效应的化学物对信号转导的影响：促使信号转导蛋白磷酸化的外源化学物常会促进有丝分裂和肿瘤形成，佛波酯和串珠镰孢霉素（fumonisin）模拟一种激活蛋白激酶（PKC）的生理激活剂二酰基甘油（DAG）而激活PKC；而Pb2+模拟另一种PKC的生理性激活剂Ca2+，它对PKC的效应具有浓度依赖性：在pmol(10-12)浓度，PB2+仅占据PKC的高亲和力部位，表现出刺激作用，而在mol（10

42、-6）浓度时，低亲和力的部位被占据，则表现出抑制作用。活化的PKC至少以两种方式促进有丝分裂信号形成：通过磷酸化MAPK途径的第一种蛋白激酶Raf；通过磷酸化某种蛋白磷酸酶，使转录因子在特定位点脱磷酸，因而使其能与DNA结合。蛋白激霉也可通过受外源化学物改变的蛋白质相互作用而激活。例如，有人观察到TCDD诱导的豚鼠肝细胞周期蛋白和细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶过度表达，其原因可能是TCDD和AHR与MAPK的结合。,蛋白质磷酸化不公随激酶磷酸化的增加而增加，而且也可能通过磷酸酶的脱磷酸作用而产生。磷酸酶 的抑制似乎是各种化学物、氧化应激和紫外（UV）辐射促有丝分裂作用的基本机制。蛋白酷氨酸磷酸酶和

43、双特异的磷酸酶（即从磷酸化的酷氨酸以及丝氨酸和苏氨酸残基除去磷酸的酶）含有一个具有催化活性的半胱氨酸，它们对氧化失活和SH反应化学物的共价反应是易感的。事实上，外源化学物如碘乙酰胺、有机金属化合物三丁基锡、亚砷酸盐和氧化剂（如HOOH）通过干扰蛋白酷酶（这种酶会使受体脱磷酸化因而抑制受体作用）而引起表皮生长因子的磷酸化；亚砷酸盐可能也使双特异性磷酸酶失活这种酶具有脱磷酸化作用并掏某些MAPK（JNK，P38）；而甲基甲磺酸（MMS）似乎抑制一种使蛋白酰氨酸激酶Src失活的蛋白磷酸酶；巯基氧化剂二酰胺（增加MAPKs的磷酸化）和酚类抗氧化剂（形成苯氧自由基并增加c-Fos 和c-Jun表达）也可

44、以通过使蛋白酷氨酸磷酸酶失能而发挥其作用。,蛋白磷酸酶2A（PP2A）是细胞内的主要可溶性丝氨酸/酷氨酸磷酸酶，可能至少部分承担着逆转生长因子诱导的MAPK刺激，来保持MAPK活性的程度及维持时间在控制范围内。PP2A也清除有丝分裂触发的蛋白激酶（p34CDC2）中的活性磷酸。几种开然毒互包括蓝绿藻毒素、微囊互-LG（microcystm-LG）和双鞭甲藻（dinoflagella）衍生的冈酸（okadaic acid）是PP2A的极强抑制剂，在长期低剂量暴露的实验动物，它们是肿瘤促进剂。,除了磷酸酶外，还存在着一些能使信号保持在受控下的抑制性结合蛋白，结合于NF-kB的IkB就是如此，这种结

45、合阻止NF-kB转移到核内并行使TF功能。在磷酸化时，IkB被降解，使得NF-kB变为游离的。释放出来的NF-kB能反式激活c-Myc基因，并以几种细胞因子（如TNF-，IL-1）和急性期蛋白质（如c-反应蛋白，1-酶性糖蛋白）为靶分子。因此，此种TF在炎症和急性期反应中起一种引导作用。IkB降解和NF-kB活化也能由氧化应激所诱导，过氧化物似科是性期反应中起一种引导作用。IkB降解和NF-kB活化也能由氧化应激所诱导，过氧化物似科是介导这种作用的活性氧，活化的NF-kB可能引起对氧化应激的增生和炎症反应。NF-kB也可通过维持c-Myc转录（这对于存活是必不可少的）和反式活化抗凋亡的IAP蛋

46、白的基因（抑制天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶）而防止细胞凋亡的发生。,（2）化学物改变的抗增生效应信号的转导：细胞损伤后增加了细胞信号的衰减可能危及损伤细胞的取代。有人观察到暴露于乙酰氨基酚的Hepa1-6细胞出现下述过程：Raf的抑制IkB降解减少NF-kB结合于DNA减少c-MYC mRNA表达减少。正常有丝分裂信号的下调使细胞偏离生存、走向凋亡。事实上，一种PKC的抑制剂星开孢菌素（stauroporin）和一种IkB降解的抑制剂胶霉素（gliotoxin）是强有力的凋亡诱导物。TCP-和粮皮质激素增加IkB合成，随后减少NF-kB激活和c-MYC表达，这些机制可能是TCP-和糖皮质激素的

47、致凋亡作用的原因。,（二）细胞瞬息活动的调节障碍,特定细胞正常运笔的控制是通过作用于膜受体的信号分子来实施的，这些受体通过调节Ca2+进入胞浆或刺激细胞内第二信息的酶促形成而传递信号。Ca2+或其他第二信息最终改变功能蛋白质的磷酸化，改变其活性，随后几乎立即引起细胞功能的变化。毒物可通过中断信号连接过程中的任何一个步骤而影响细胞的瞬息活动。,1.电可兴奋细胞的调节障碍 许多外源化学物影响可兴奋细胞如神经元、骨骼肌、心肌和平滑肌细胞的细胞活动，这些细胞的功能如神经递质的释放、肌肉的收缩受邻近神经元合成和释放的递质或介质的控制，干扰这些机制的化学物见表4-6。神经和肌肉活动调节的变化是许多药物作用

48、的基本机制，也是与药物过量使用、杀虫剂以及微生物、植物和动物毒素相关的毒效应的原因。神经元是信号转换细胞，化学物对神经元的影响不仅见于受毒物影响的神经元，而且也见于受原发靶细胞影响的下游细胞。因此，阻断运动神经元电压门控的Na+通道的河豚毒素可引起骨骼肌麻痹。相反，阻断中枢神经系统GABA受体的环二烯（cyclodiene）杀虫剂诱发神经兴奋和惊厥。化学物引起的瞬息细胞活动的障碍可能是由于4方面的改变：神经递质浓度；受体功能；细胞内内信号转导；信号终止过程。,（1）神经递质水平的改变：化学物可通过干扰神经递质的合成、贮存、释放或从受体附近清除而改变突触的神经递质水平。酰肼（hydrazides

49、）的致惊厥作用是由于它们能降低抑制性神经递质GABA的合成。利血平（resqrpine）通过抑制去甲肾上腺素、5-羟色氨和多巴胺在神经元中的贮存而耗竭这些递质，引起几种严重的不良效应。肉毒杆菌毒素（botulinun toxin）引起的骨骼肌麻痹是由于酰胆碱从运动神经元释放的抑制作用以及神经肌肉接头上乙酰胆碱受体缺乏刺激。,相反，有机磷或氨基甲酸酯农药或化学战争毒剂（如梭曼）可抑制胆碱的释放阻碍乙酰胆碱的水解，导致胆碱能受体的强大刺激和出现胆碱能危象。可卡因和三环抗抑郁药引起的去甲肾上腺素在神经元再摄取的抑制是血管平滑肌1-肾上腺能受体过度兴奋的原因，导致可卡因严重滥用者鼻粘膜溃疡和心肌梗死；

50、而1-肾上腺能受体过度刺激导致威胁生命的心律不整。类似的心脏疾患可由氨非他明的滥用引起，因为氨非他明提高去甲肾上腺素从肾上素能神经元的释放并完全抑制这种介质的重摄取。高血压危象可发生于三环抗抑郁药和单胺氧化酶抑制剂（阻断不同机制的去甲肾上腺素排除的药物）联合应用时。,（2）毒物-神经弟质受体交互作用：某些学物直接与神经递质受体交互作用，这些化学物包括：与受体上的配体结合部位相联系的激动剂以及模拟天然配体的激动剂；占据配体结合部位但不能激活受体的拮抗剂；激活剂；抑制剂。在不存在其他作用时，激动剂和激活剂模拟、而拮抗剂和抑制剂阻断内源性配体特有的生理应答。例如，毒蝇菌胺（muscimol），一种茹