环境毒理学(董国日)04-2毒作用分子机理.ppt

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1、环境污染物的毒作用及其影响因素,第一节 环境污染物的毒作用基本概念毒作用类型 第二节 毒作用的分子机制第三节 影响毒作用的因素,2023/9/13,1,毒性作用的机制,污染物的毒作用机理污染物与生物靶分子相互作用而产生有害生物效应的生物化学和生物物理学过程。靶位点学说受体学说共价结合学说自由基作用学说,2023/9/13,2,靶位点学说,当污染物达到某一浓度，并足以引发一系列有害生物效应的部位，称之为污染物毒作用的靶位点。终毒物在靶位点达到某种浓度，并与靶位点结合，导致靶位点分子结构和功能的改变，是产生有害生物学效应的基础。,2023/9/13,3,靶位点学说,1 靶位点的位置和结构污染物及其

2、代谢产物与生物体接触的部位许多污染物对皮肤粘膜和呼吸系统的损伤作用，多发生在与生物体直接接触的部位；生物转运和生物转化过程所发生的部位百草枯在肺部代谢活化，诱发活性氧自由基，造成肺部损伤,2023/9/13,4,靶位点学说,2 靶位点的功能肝脏(代谢转化的重要部位)混合功能氧化酶的代谢活化作用，可以使外源化合物的毒性大大增加，造成肝细胞的损伤。CCl4、氯仿、氯乙烯等肝细胞代谢活化脂肪变性、坏死、突变和肿瘤细胞形成和发展肾脏(排泄污染物及其代谢产物的重要脏器)对体内生物活性物质也具有高度的重吸收功能，许多污染物因而也可选择性地贮存或作用于肾脏组织。有机氟代谢为氟离子肾脏损伤,2023/9/13

3、,5,靶位点学说,2 靶位点的功能靶位点的生理学功能不同，对污染物及其代谢产物的敏感性或耐受性也不同。不同部位酶不同对污染物代谢转化能力不同(环氧化物水化酶）机体各部位对稳定性较强的中间代谢产物的进一步代谢灭活所需酶也存在分布上的差异，当缺乏代谢灭活所需要的酶时，这一部位就会出现损伤现象。甲醇代谢转化为甲醛和甲酸人的眼组织缺乏代谢降解中间代谢产物（甲醛和甲酸）的酶眼成为靶位点,2023/9/13,6,受体学说,受体存在于细胞膜上对特定生物活性物质具有识别能力并可选择性地与其结合的大分子蛋白质。生物活性物质能引起生物效应的各种物质内源性活性物质神经递质、激素、抗体等外源性活性物质食物、药物和毒物

4、,2023/9/13,7,受体学说,配体对受体具有选择性结合能力的生物活性物质。反应体受体与配体结合后进而引发机体中某一特定结构产生初始生物效应，这种受体-配体结构称为反应体。,2023/9/13,8,受体学说,作用机制（引发生物效应的过程）受体在识别相应配体(毒物)并与之结合后需要细胞内第二信使将获得的信息增强、分化、整合并传递给效应机制才能发挥其特定的生物学效应。细胞表面受体接受细胞外信号后转换而来的细胞内信号称为第二信使；将细胞外的信号称为第一信使 细胞内的第二信使环磷腺苷(cAMP)、钙离子,2023/9/13,9,作用机制（引发生物效应的过程）腺苷环化酶（C-AMPase）：毒物C-

5、AMPase活化催化ATP C-AMP（环腺苷酸，第二信使）催化蛋白质磷酸化膜透性等改变有关的生物效应,2023/9/13,10,受体学说,作用机制Ca2+与钙调蛋白复合物的形成：正常细胞保持严格的钙稳态：胞外10-3 mol/L，胞内10-7 10-6 mol/L。M+Acceptor 激活磷脂酶磷脂酸肌醇水解 Ca2+增加（10-7 10-5 mol/L）钙调蛋白复合物系列酶非生理性激活：环核苷磷酯酶；脑腺苷酶；蛋白激酶、磷酸化激酶等在不同的组织产生不同的生物效应(肌肉收缩、腺体分泌、K+外流等，甚至细胞或组织坏死)。,2023/9/13,11,2023/9/13,12,作用机制Ca2+与

6、钙调蛋白复合物的形成：正常细胞保持严格的钙稳态：胞外10-3 mol/L，胞内10-7 10-6 mol/L。M+Acceptor 激活磷脂酶磷脂酸肌醇水解 Ca2+增加（10-7 10-5 mol/L）钙调蛋白复合物系列酶非生理性激活：环核苷磷酯酶；脑腺苷酶；蛋白激酶、磷酸化激酶等在不同的组织产生不同的生物效应(肌肉收缩、腺体分泌、K+外流等，甚至细胞或组织坏死)。,共价结合学说,在生物体内，污染物或其代谢产物可以与生物大分子发生共价结合，从而改变生物大分子的结构与功能，引起一些列的有害生物效应。该学说认为，机体重要的生物大分子，如DNA、RNA、酶和其他多种生物活性物质，都可与污染物或其代

7、谢产物发生不可逆的共价结合。,2023/9/13,13,共价结合学说,与蛋白质(酶)的共价结合与核酸的共价结合与脂质的共价结合,2023/9/13,14,共价结合学说,各种污染物或其代谢产物通常可与结构蛋白质或酶的活性中心的配位体巯基、羟基、胍基、氨基等部位发生共价结合，最终抑制这些蛋白质的功能。1 与结构蛋白结合蛋白质的一个重要生理功能是构建生物体，这类蛋白质被称为结构蛋白。细胞膜、线粒体、内质网等都是由蛋白质和脂类组成的，具有各种重要的生物学功能(除了结构作用外)，易受到污染物的毒作用。醌类、醛类，羟胺化合物和环氧化物等污染物，可与脂蛋白、糖蛋白发生共价结合，引起细胞膜通透性改变和细胞内营

8、养物质合成障碍，最终导致细胞或组织坏死。,2023/9/13,15,共价结合学说,1 与结构蛋白结合污染物或其代谢产物还可与胞浆蛋白发生共价结合，使胞浆蛋白变性可作用于细胞核内的DNA、RNA等遗传物质，引起畸变、癌变和突变。某些具有抗原或半抗原作用的污染物与机体组织蛋白（如载体、抗体、补体等）可形成共价结合，所形成的复合物可以引起特殊的变态反应。,2023/9/13,16,共价结合学说,2 与酶结合单纯蛋白酶结合蛋白酶酶蛋白辅因子(金属离子、金属有机化合物、小分子有机化合物)辅酶(非蛋白质部分与酶蛋白以非共价键相连)辅基(非蛋白质部分与酶蛋白以共价键相连)污染物或其代谢产物可与酶的活性中心、

9、辅酶、辅基或底物发生共价结合，导致酶活性的抑制，从而引起一些列的有害生物效应。,2023/9/13,17,共价结合学说,2 与酶结合与酶的活性中心共价结合有机磷农药与乙酰胆碱酯酶竞争性地共价结合乙酰胆碱酯酶的磷酰化胆碱酯酶活性受抑制(不能起分解乙酰胆碱的作用)组织中乙酰胆碱过量蓄积使胆碱能神经过度兴奋中枢神经系统症状等神经递质乙酰胆碱的主要职能是从神经细胞携带信号到肌肉细胞。,2023/9/13,18,共价结合学说,与酶结合与酶的活性中心共价结合与细胞色素氧化酶中的Fe和许多金属辅酶中的Cu、Zn等元素结合：CO、CN-、叠氮化物、亚硝酸盐、硫化物等，阻断电子传递过程，引起细胞窒息。含有-SH

10、基酶在巯基部位结合多种重金属(Cd,Hg,Pb,As等)，导致酶活性抑制。,2023/9/13,19,共价结合学说,与酶结合与辅基共价结合砷类化合物、有机锡化合物可与丙酮酸脱氢酶的辅酶硫辛酸结合，使丙酮酸形成乙酰辅酶A进入TCA环中断。,2023/9/13,20,机体获取能量的主要方式糖、脂肪和蛋白质在体内氧化的共同代谢途径,共价结合学说,与酶结合致死性合成许多与酶的底物结构类似的污染物或其代谢产物，在酶的催化作用下参与生物合成或其他代谢途径，形成无功能的中间代谢产物，扰乱正常的代谢过程。,2023/9/13,21,共价结合学说,3 与核酸的共价结合核酸是生物信息遗传的物质基础，可分为RNA,

11、DNA两类。污染物不仅可与这些核酸物质发生共价结合，还可与核酸的氢键进行氢键结合，或者嵌入碱基对之间，造成遗传信息的错误表达。4 与脂质的共价结合能直接与脂质共价结合的化合物不多，部分有机卤化物。,2023/9/13,22,共价结合学说,一些事实不能解释。毒作用程度与共价结合能力不符合某些污染物或其代谢产物在靶器官内的共价结合量反而低于非靶器官有大量污染物以非共价键的形式作用于生物大分子，导致各种有害生物效应。常常发现污染物与生物大分子共价结合的部位并未产生毒作用。,2023/9/13,23,自由基作用学说,自由基的产生和特点自由基(自由激进分子)是具有不成对电子的原子或分子产生主要是由于共价

12、键耗能均裂形成CH3:HCH3+H 也可通过俘获电子形成CCl4+eCCl3+Cl-,2023/9/13,24,自由基作用学说,自由基的产生方法主要有3种 光照法具有一定能量的光辐照某些化合物时，使化学键断裂，生成自由基。热均裂法很多过氧化物和偶氮化合物受热时均裂，生成自由基。氧化还原法通过电子转移生成自由基。,2023/9/13,25,自由基作用学说,自由基特点特点 大多数自由基都很活泼，反应性极强，容易反应生成稳定分子氧化(在所有分子成键过程中，电子都是倾向配对的，自由基中的未成对电子也有配对的倾向)多数自由基反应性很强，寿命很短，如羟基自由基的寿命只有10-6秒；但也有少数自由基反应性不

13、强，寿命较长，并相当稳定，如多环芳烃自由基和醌类自由基等。,2023/9/13,26,自由基作用学说,自由基的产生和特点连锁反应通过自由基生成和不断再生而使反应像链锁一样持续进行的反应。包含三个阶段引发阶段：反应物分子在一定条件作用下断裂产生自由基增长阶段：自由基与反应物分子起反应，生成新自由基和产物，但自由基总数不变终止阶段：反应进行到一定阶段后，反应体系中的反应物浓度逐渐较少，自由基本身互相结合的机会逐渐增多，终止阶段逐渐到来。,2023/9/13,27,2023/9/13,28,自由基作用学说,生物体存在的自由基防卫系统超氧化物岐化酶SOD过氧化氢酶CAT谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px

14、)还原型谷胱甘肽GSH尿酸自然界中存在的自由基消除剂维生素A、E、C、胡萝卜素，食品中的丁化羟基甲苯、没食子丙酸或乙氧基喹等等,2023/9/13,29,自由基作用学说,生命体内的自由基是与生俱来的，生命本身具有平衡自由基或者说清除多余自由基的能力。人类文明活动还在不断破坏着生态环境，制造着更多的自由基化学制剂的大量使用、汽车尾气和工业生产废气的增加、还有核爆炸。骤然增加的自由基，早已超过了人以及生命所能正常保持平衡的标准。,2023/9/13,30,自由基作用学说,自由基的产生和特点外源性自由基的形成环境中污染物：燃烧热解、光解、氧化-还原反应等过程进入生物体内的污染物：生物转化过程硝基胺基

15、化合物、芳香族化合物，喹啉、CCl4等。,2023/9/13,31,自由基作用学说,自由基的种类羟基自由基超氧化阴离子自由基氢过氧自由基单线态氧过氧化氢这些活性氧产物均有氧分子衍生而来，称为活性氧中间体(reactive oxygen intermediates ROIs)，也称氧自由基(oxygen free radical,OFR)。,2023/9/13,32,2023/9/13,33,自由基作用学说,自由基对机体的损伤主要有使脂质过氧化而破坏生物膜，导致膜的通透性和流动性改变而引起细胞损伤和死亡；与蛋白质氨基酸残基或巯基反应，导致蛋白质功能或酶活性丧失，引起蛋白质分子聚合和交联；破坏核酸

16、的结构、攻击嘌呤与嘧啶基，导致变异的出现与蓄积。,2023/9/13,34,自由基作用学说,自由基与脂质过氧化细胞的90%以上为膜性结构，细胞膜上含有大量多不饱和脂肪酸(PUFA)，是最易受到活性氧攻击的生物大分子，使其发生脂质过氧化作用。脂质过氧化作用主要是指在PUFA中发生的一种自由基链式反应，它主要是由活性氧引发产生。,2023/9/13,35,自由基作用学说,自由基与脂质过氧化PUFA在活性氧的作用下，可在不饱和双键上不断发生过氧化作用。PUFA中邻近双键的-甲烯碳与其上的丙烯氢间的碳氢键的键能较小，易发生均裂；需要较少的能量即可从PUFA的-甲烯碳上夺走氢，完成自由基的启动反应，生成

17、活性极强的脂质自由基(L)，然后L与基态氧反应生成脂质过氧化自由基(LOO)；LOO再与另一个PUFA分子反应，生成又一个LOO和一个脂氢过氧化物(LOOH)。脂质过氧化作用一旦被引发，就可以较持续的进行，不断地产生LOOH。LOO也可形成环氧化物，当环氧化物断裂后，产生许多种醛类和烃类的普通分子，使连锁反应终止。,2023/9/13,36,自由基作用学说,自由基与脂质过氧化脂氢过氧化物的分解产物醛式产物对细胞及其成分具有毒性效应。丙二醛对蛋白质和核酸等生物大分子产生一定的毒作用,2023/9/13,37,自由基作用学说,自由基与脂质过氧化脂质过氧化引起生物膜整体流动性、通透性、不对称性和完整

18、性破坏，膜蛋白交联直至溶酶体破裂水解酶释出，到整个细胞瓦解。,2023/9/13,38,自由基作用学说,蛋白质是构成生物体的重要组成部分，是由多种氨基酸组合成的肽链生物大分子；在人体的固有物质中，蛋白质约占总量的45%。对蛋白质分子的攻击直接作用脂质过氧化中间产物的作用,2023/9/13,40,自由基作用学说,对蛋白质分子的攻击直接作用自由基可通过作用于蛋白质分子(酶)的氨基酸残基与巯基而使其发生交联和断裂，改变蛋白质(酶)的结构和功能。,2023/9/13,41,自由基作用学说,对蛋白质分子的攻击脂质过氧化中间产物的作用各种PUFA过氧化产物和磷脂混合物可使微粒体膜破坏，并在内质网发生病变

19、，再逐步扩大和扩散到其他细胞器和质膜；最终可致细胞发生坏死。,2023/9/13,42,自由基作用学说,对蛋白质分子的攻击脂质过氧化中间产物的作用甲醛、乙醛等短链醛类对蛋白质的影响较大可以与蛋白质的游离氨基作用，引起蛋白质分子内和分子间交联；与蛋白质或核酸交联后则形成惰性的脂褐(he)素。脂质过氧化产物使蛋白质或酶的结构断解脂质过氧化产物也可直接影响酶的结构与活性,2023/9/13,43,自由基作用学说,对核酸的损伤核酸，尤其是脱氧核糖核酸(DNA),是生物体中的重要成分，它带有生物信息编码，能够控制多种生物功能，如蛋白质的合成和遗传性状等。自由基引起的核酸氧化性损伤包括DNA主链的断裂，单

20、股DNA链的断裂、交联碱基降解和氢键的断裂等；所有核酸成分都有可能受到自由基攻击，造成可逆或不可逆损伤。这些改变都将使细胞发生深刻的功能性变化或遗传性变化，甚至造成细胞的癌变和死亡。,2023/9/13,44,自由基作用学说,污染物对机体中自由基防卫系统的影响自由基防卫系统酶分子：超氧化物岐化酶SOD、过氧化氢酶CAT、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)非酶分子：维生素C、E、还原型谷胱甘肽GSH、尿酸、组氨酸、半胱氨酸等污染物重金属有机毒物有害气体和粉尘,2023/9/13,45,自由基作用学说,重金属对机体中自由基防卫系统的影响Pb2+对红细胞中的CuZn-SOD活性有明显的抑制作用Cd2

21、+可致心肌细胞CuZn-SOD、GSH-Px活性抑制，可能与心肌细胞脂质过程化发生有关Cd2+通过抑制SOD活性，使机体自由基水平升高，诱发细胞膜的脂质过氧化，导致细胞损伤和有关系统紊乱Ni2+可引起多种细胞脂质过氧化，机理可与其对机体中的自由基清除系统SOD、CAT、GSH-Px等抑制作用有关许多重金属可与细胞内的GSH相互作用,2023/9/13,46,自由基作用学说,重金属对机体中自由基防卫系统的影响通过与GSH反应，将GSH氧化成GSSG，并形成还原性金属2HCrO4-+6GSH+8H+3GSSG+2Cr3+8H2O金属与GSH形成稳定的复合体，干扰GSH和GSSG之间的正常转化，从而

22、影响细胞维持较高水平的GSHPb2+、Cd2+、Hg2+、Ni2+等金属离子与GSH相互作用，在GSH的巯基、氨基酸残基、羟基、谷氨酸中心或甘氨酸羟基等处形成金属-谷胱甘肽复合物。,2023/9/13,47,自由基作用学说,有机物对机体中自由基防卫系统的影响乙醇肝脏代谢产生OH、乙醛攻击乙醇乙醇自由基肝细胞内的GSH氧化GSSG细胞氧化性损伤许多有机毒物(多氯联苯、氯仿、丙烯腈、硝基苯等)代谢自由基消耗自由基清除系统细胞氧化性损伤农药百草枯细胞微粒体NADPH-细胞色素P450还原酶超氧阴离子自由基和百草枯自由基产生毒作用,2023/9/13,48,自由基作用学说,有害气体和粉尘对机体中自由基

23、防卫系统的影响有害气体如O3、NOX、SO2、光气(COCl2)、香烟烟雾(CO、尼古丁、醛类、联苯胺、亚硝胺、3，4-苯并芘)、汽车尾气(固体悬浮微粒、CO、CO2、NOX、碳氢化合物、铅及硫氧化合物等)、煤烟等所产生的肺毒作用是由于形成高活性的自由基所造成的氧化型肺损伤。O3可通过OH而引起细胞膜的脂质过氧化；NO2本身就是一种自由基；,2023/9/13,49,自由基作用学说,SiO2粉尘危害粉尘极细，比表面积达到100 m2/g以上可以悬浮在空气中，如果人长期吸入含有SiO2的粉尘，就会患硅肺病(旧称为矽肺）。硅肺是一种职业病；长期在SiO2粉尘含量较高的地方，如采矿、翻砂、喷砂、制陶

24、瓷、制耐火材料等场所工作的人易患此病。,2023/9/13,50,自由基作用学说,有害气体和粉尘对机体中自由基防卫系统的影响SiO2毒作用机理在体外遇水可生成OH、Si-O；在体内被肺巨噬细胞吞噬后可引起巨噬细胞内H2O2、O2-及OH含量的增高；产生的自由基可与SOD等细胞内自由防卫系统作用，影响其活性，一定程度后可导致肺泡细胞膜脂质过氧化和细胞死亡。,2023/9/13,51,自由基作用学说,有害气体和粉尘对机体中自由基防卫系统的影响石棉 石棉纤维在体内被肺巨噬细胞吞噬后可引起H2O2、O2-等释放的增加，从而损伤肺组织细胞。,2023/9/13,52,石棉,本部分重点,靶位点自由基的连锁反应三个阶段引发阶段、增长阶段、终止阶段生物体存在的自由基防卫系统超氧化物岐化酶SOD过氧化氢酶CAT谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px),2023/9/13,53,