外源化學物的毒理機制1要評價化學毒物對機體是否具有毒性或毒性的大小就必須對化學毒物的毒性作用進行定性和定量的研究。毒作用機制研究內容包括：毒物如何進入機體（接觸途徑）怎樣與靶分子相互作用怎樣表現其有害作用機體對損害作用的反應第一節概述

2化學物質的毒理機制就是經研究毒物吸收以后在機體內引起的代謝功能和組織結構的變化規律。主要涉及的毒作用機制有：涉及干擾正常受體-配體的相互作用干擾生物膜功能干擾細胞能量生成與生物大分子共價結合氧自由基過量生成細胞內鈣穩態失調細胞因子和細胞信號轉導途徑紊亂、選擇性細胞致死細胞程序性死亡（凋亡）癌基因等腫瘤相關基因突變等等3一、終毒物(ultermatetoxicant)

終毒物是指一種特別化學性質的物質，它可與內源性靶分子(如受體、酶、DNA、微纖維蛋白及脂質等)相互作用，使整體性結構和／或功能改變，從而導致毒性作用。

毒性作用的強度是由終毒物在其作用位點的濃度及持續時間決定的。

4終毒物的類型及其來源：母體化合物：鉛、河豚毒素、CO母體化合物的代謝物：砷→砷酸鹽在毒物生物轉化期間產生的活性氧

如，過氧化氫、殺草快

內源性化合物5當污染物達到某一濃度，并足以引發一系列有害生物效應的部位，稱之為污染物毒作用的靶位點。終毒物在靶位點達到某種濃度，并與靶位點結合，導致靶位點分子結構和功能的改變，是產生有害生物學效應的基礎。6靶位點的位置和結構污染物及其代謝產物與生物體接觸的部位許多污染物對皮膚粘膜和呼吸系統的損傷作用，多發生在與生物體直接接觸的部位；生物轉運和生物轉化過程所發生的部位百草枯在肺部代謝活化，誘發活性氧自由基，造成肺部損傷7靶位點的功能肝臟(代謝轉化的重要部位)——混合功能氧化酶的代謝活化作用，可以使外源化合物的毒性大大增加，造成肝細胞的損傷。CCl4、氯仿、氯乙烯等—肝細胞代謝活化—脂肪變性、壞死、突變和腫瘤細胞形成和發展腎臟(排泄污染物及其代謝產物的重要臟器)——對體內生物活性物質也具有高度的重吸收功能，許多污染物因而也可選擇性地貯存或作用于腎臟組織。

有機氟—代謝為氟離子—腎臟損傷8靶位點的功能靶位點的生理學功能不同，對污染物及其代謝產物的敏感性或耐受性也不同。不同部位酶不同—對污染物代謝轉化能力不同機體各部位對穩定性較強的中間代謝產物的進一步代謝滅活所需酶也存在分布上的差異，當缺乏代謝滅活所需要的酶時，這一部位就會出現損傷現象。甲醇—代謝轉化為甲醛和甲酸—人的眼組織缺乏代謝降解中間代謝產物的酶—眼成為靶位點

9受體學說受體存在于細胞膜上對特定生物活性物質具有識別能力并可選擇性地與其結合的大分子蛋白質。生物活性物質能引起生物效應的各種物質內源性活性物質神經遞質、激素、抗體等外源性活性物質食物、藥物和毒物10受體學說配體對受體具有選擇性結合能力的生物活性物質。反應體受體與配體結合后進而引發機體中某一特定結構產生初始生物效應，這種受體-配體結構稱為反應體。反應體離子或分子傳輸酶的滅活或激活神經遞質或激素釋放生物效應生物膜配體受體識別換能放大11作用機制（引發生物效應的過程）受體在識別相應配體(毒物)并與之結合后需要細胞內第二信使將獲得的信息增強、分化、整合并傳遞給效應機制才能發揮其特定的生物學效應。細胞表面受體接受細胞外信號后轉換而來的細胞內信號稱為第二信使；將細胞外的信號稱為第一信使

細胞內的第二信使環磷腺苷(cAMP)、鈣離子12作用機制（引發生物效應的過程）腺苷環化酶（C-AMPase）：毒物C-AMPase活化催化ATPC-AMP（環腺苷酸，第二信使）催化蛋白質磷酸化膜透性等改變有關的生物效應13作用機制Ca2+與鈣調蛋白復合物的形成：正常細胞保持嚴格的鈣穩態：胞外10-3mol/L，胞內10-7~10-6mol/L。M+Acceptor

激活磷脂酶磷脂酸肌醇水解

Ca2+增加（10-7~10-5mol/L）鈣調蛋白復合物系列酶非生理性激活：環核苷磷酯酶；腦腺苷酶；蛋白激酶、磷酸化激酶等在不同的組織產生不同的生物效應(肌肉收縮、腺體分泌、K+外流等，甚至細胞或組織壞死)。14二、化學毒物產生毒性的可能途徑

化學毒物吸收、分布、代謝、排泄與靶分子相互作用細胞功能失調、損傷細胞修復功能失調毒性作用①最直接的途徑

②較為復雜途徑③最為復雜的途徑15復雜的毒性機制可涉及多個層次和步驟：

毒物被轉運到一個或多個靶部位↓毒物或代謝產物與內源性靶分子相互作用↓細胞結構的損傷和功能的失調↓啟動組織水平、細胞水平或分子水平的修復機制↓毒物引起的靶分予結構改變和/或功能紊亂超過修復能力或修復本身障礙時，即產生毒性效應16人細胞正面應對：

天生我才必有用(正確的態度)啟動正常的DNA損傷蠡測機制(functionaldamagesurveillance)不著急,分析一下該如何應對(正確策略)主動停滯細胞周期的進行(cellcyclearrest)找到正確的方案解決問題(成啦！)啟動無錯誤損傷修復機制(error-freerepair)自我安慰:家不是還沒丟嗎?(忍耐方案)啟動損傷耐受機制(Damagetolerance)負面應對：

我有麻煩嗎？我咋看不見？(態度有問題)損傷檢測系統失靈(deficientdamagesignalingandcheckpoint)我還有更好的選擇嗎？誰知道我沒有好好干？(選錯道路嘍！)啟動易錯的損傷修復機制(error-pronerepair)誰知道我的數據造假？(開始失控要危害社會啦)細胞周期調節失控(cancer,defectivecheckpoint)我受不了了!大家都別理我!(開始自閉)永久退出細胞周期(senescence)徹底絕望：活著受罪有什么意思？(自殺也不是沒有可能)細胞主動凋亡(apoptosis)171、局部刺激和腐蝕作用：硫化氫、氯氣、瀝青2、擾亂正常代謝影響組織對氧的利用影響酶的活性3、損害機體的生理功能對消化功能、血液系統、免疫系統、肝臟、腎臟、心血管系統、呼吸系統、神經系統、生殖系統、內分泌系統的毒性作用第二節化學物質的一般毒性作用機制

18第三節化學物質毒作用的分子機制

一、化學物質對生物膜的損害作用

對生物膜的組成成分的影響對膜脂質的影響（改變膜脂質的組成、改變膜結構的性質、引起膜脂質的過氧化）對膜蛋白質的影響

對膜糖的影響對生物膜物理性質的影響對膜通透性的影響如,重金屬、DDT對膜流動性的影響如,DDT、對硫磷、乙醇、鉛對膜表面電荷的影響19

細胞內鈣穩態離子鈣和結合鈣細胞內鈣離子濃度低于細胞外鈣離子濃度鈣離子稱為體內第二信使2+Ca

2+Ca

-310mol/L膜外膜內

-710mol/L蛋白質結合鈣二、化學物質對細胞鈣穩態的影響細胞內游離鈣水平的提高是許多細胞死亡之前或死亡時的常見現象。體內鈣穩態失調鎘離子→細胞內鈣離子濃度升高20“女兒國”的故事在我國南方的深山老林里，就仍保持著女性至上的人際關系的村落，一個猶如神話傳說般的“女兒國”。這個神奇的村落位于海撥1500多米我國的湖南炎陵、資興和桂東縣交界的群山之間。村落四面環山，山上竹修林茂，兩泓溪流繞村而過，頗有人間仙境的感覺。村里的村民多為瑤族，大都以狩獵、采磨菇、賣竹筍為生。村子不大，也就60多人，但是90％以上都是女的，為了延續后代，她們只得從外村招婿上門續繼香火。21據當地的老人講，近100年來，這個村里幾乎只生女孩不生男孩，盡管這些外來女婿不斷改變這里的血緣關系，但“女兒國”的面貌仍然沒有改變。有人推測，

“女兒國”形成的原因可能與當地的水質有關。專家調查發現在這個村子的上游有一個廢棄的鋅礦，在礦床中含有鎘，男人們喝了鎘污染的水后，含有男性基因的精子就受到了損傷，育齡男子在喝了這個含有鉻的水之后，就會破壞精子中的男性基因。所以，就導致了只生女孩不生男孩的局面，所以就很容易生女孩兒。后來，國家有關部門首先清除了這個廢棄的鋅礦，然后又對這里的水進行了凈化處理，生女不生男的狀況才有所改變。

22三、引起機體內生物大分子氧化損傷

1、自由基(freeradicals)的來源與類型增毒的過程主要是使外源化學物轉變為：

親電物、自由基、親核物、氧化還原性反應物等自由基：是指獨立游離存在的帶有不成對電子的分子、原子或離子。特點：化學性質十分活潑；反應性極高；具有順磁性；半減期極短；作用半徑短23自由基的類型（1）以氧為中心的自由基活性氧(ROS)：一類化學性質活潑的含氧功能基團的物質。包括：單線態（1O2）、超氧陰離子自由基(O-2·)、羥基自由基(·OH)、過氧化氫(H2O2)、臭氧(O3)、氮氧化物(NOX)、次氯酸(HOCl)（2）其他自由基以氫為中心以碳為中心（如三氯甲基自由基CCl3）以硫為中心（如烷硫自由基R-S）以氮為中心（苯基二肼自由基C6H5N=N·）過渡金屬離子（如Cu+/Cu2+,Fe2+/Fe3+）

24自由基在生物體內來源主要有兩個：

一是生物體正常生理過程產生的內源性自由基由線粒體呼吸鏈電子泄露產生由經過氧化物酶體的多功能氧化酶（MFO）等催化底物羥化產生機體血紅蛋白、肌紅蛋白中還可通過非酶促反應產生自由基二是外來化學物質在體內代謝而產生的主要通過氧化還原反應產生252、自由基對生物大分子的損害作用自由基形成增加機體抗氧化功能下降超過了機體清除能力自由基過多自由基過多適量機體損害作用發揮重要生理功能自由基可稱“萬惡之源，百病元兇”。如免疫和信號轉導過程26

過多的自由基可能產生的不良后果27防止自由基過量可多食用：維生素C、E、B、胡蘿卜素，以及各種蔬菜水果來等。28自由基對機體的損傷主要有使脂質過氧化而破壞生物膜，導致膜的通透性和流動性改變而引起細胞損傷和死亡；與蛋白質氨基酸殘基或巰基反應，導致蛋白質功能或酶活性喪失，引起蛋白質分子聚合和交聯；破壞核酸的結構、攻擊嘌呤與嘧啶基，導致變異的出現與蓄積。2、自由基對生物大分子的損害作用29自由基與脂質過氧化細胞的90%以上為膜性結構，細胞膜上含有大量多不飽和脂肪酸(PUFA)，是最易受到活性氧攻擊的生物大分子，使其發生脂質過氧化作用。脂質過氧化作用主要是指在PUFA中發生的一種自由基鏈式反應，它主要是由活性氧引發產生。30自由基與脂質過氧化PUFA在活性氧的作用下，可在不飽和雙鍵上不斷發生過氧化作用。PUFA中鄰近雙鍵的α-甲烯碳與其上的丙烯氫間的碳氫鍵的鍵能較小，易發生均裂；需要較少的能量即可從PUFA的α-甲烯碳上奪走氫，完成自由基的啟動反應，生成活性極強的脂質自由基(L·)，然后L·與基態氧反應生成脂質過氧化自由基(LOO·)；LOO·再與另一個PUFA分子反應，生成又一個LOO·和一個脂氫過氧化物(LOOH)。脂質過氧化作用一旦被引發，就可以較持續的進行，不斷地產生LOOH。LOO·也可形成環氧化物，當環氧化物斷裂后，產生許多種醛類和烴類的普通分子，使連鎖反應終止。31自由基與脂質過氧化脂氫過氧化物的分解產物——醛式產物對細胞及其成分具有毒性效應。丙二醛對蛋白質和核酸等生物大分子產生一定的毒作用32自由基與脂質過氧化脂質過氧化引起生物膜整體流動性、通透性、不對稱性和完整性破壞，膜蛋白交聯直至溶酶體破裂水解酶釋出，到整個細胞瓦解。33蛋白質是構成生物體的重要組成部分，是由多種氨基酸組合成的肽鏈生物大分子；在人體的固有物質中，蛋白質約占總量的45%。對蛋白質分子的攻擊直接作用脂質過氧化中間產物的作用34對蛋白質分子的攻擊直接作用自由基可通過作用于蛋白質分子(酶)的氨基酸殘基與巰基而使其發生交聯和斷裂，改變蛋白質(酶)的結構和功能。35對蛋白質分子的攻擊脂質過氧化中間產物的作用各種PUFA過氧化產物和磷脂混合物可使微粒體膜破壞，并在內質網發生病變，再逐步擴大和擴散到其他細胞器和質膜；最終可致細胞發生壞死。36對蛋白質分子的攻擊脂質過氧化中間產物的作用甲醛、乙醛等短鏈醛類對蛋白質的影響較大可以與蛋白質的游離氨基作用，引起蛋白質分子內和分子間交聯；與蛋白質或核酸交聯后則形成惰性的脂褐素。脂質過氧化產物使蛋白質或酶的結構斷解脂質過氧化產物也可直接影響酶的結構與活性37對核酸的損傷核酸，尤其是脫氧核糖核酸(DNA),是生物體中的重要成分，它帶有生物信息編碼，能夠控制多種生物功能，如蛋白質的合成和遺傳性狀等。自由基引起的核酸氧化性損傷包括DNA主鏈的斷裂，單股DNA鏈的斷裂、交聯堿基降解和氫鍵的斷裂等；所有核酸成分都有可能受到自由基攻擊，造成可逆或不可逆損傷。這些改變都將使細胞發生深刻的功能性變化或遺傳性變化，甚至造成細胞的癌變和死亡。383、機體對氧化損傷的防御系統酶促防御系統

超氧化歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）谷胱甘肽還原酶(GR)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-PX)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)

非酶促防御系統天然的自由基清除劑：谷胱甘肽、維生素C、維生素E、類胡蘿卜素(CAR)、尿酸、牛磺酸、次牛磺酸等。

人工合成的自由基清除劑：苯甲酸鈉、二苯胺、沒食子酸丙酯等39四、與細胞大分子的共價結合共價結合指化學毒物或其具有活性的代謝產物與生物機體內的一些重要大分子如核酸、蛋白質、酶、膜脂質等發生共價結合，從而改變這些生物大分子的化學結構與生物學功能。加合物：親電子毒物與細胞內的親核部位或基團相互作用，通過共價鍵形成穩定的復合物。與蛋白質的共價結合

與核酸分子的共價結合

40共價結合學說在生物體內，污染物或其代謝產物可以與生物大分子發生共價結合，從而改變生物大分子的結構與功能，引起一些列的有害生物效應。該學說認為，機體重要的生物大分子，如DNA、RNA、酶和其他多種生物活性物質，都可與污染物或其代謝產物發生不可逆的共價結合。41與蛋白質(酶)的共價結合與核酸的共價結合與脂質的共價結合42各種污染物或其代謝產物通常可與結構蛋白質或酶的活性中心的配位體巰基、羥基、胍基、氨基等部位發生共價結合，最終抑制這些蛋白質的功能。與結構蛋白結合蛋白質的一個重要生理功能是構建生物體，這類蛋白質被稱為結構蛋白。細胞膜、線粒體、內質網等都是由蛋白質和脂類組成的，具有各種重要的生物學功能(除了結構作用外)，易受到污染物的毒作用。醌類、醛類，羥胺化合物和環氧化物等污染物，可與脂蛋白、糖蛋白發生共價結合，引起細胞膜通透性改變和細胞內營養物質合成障礙，最終導致細胞或組織壞死。43與結構蛋白結合污染物或其代謝產物還可與胞漿蛋白發生共價結合，使胞漿蛋白變性——可作用于細胞核內的DNA、RNA等遺傳物質，引起畸變、癌變和突變。某些具有抗原或半抗原作用的污染物與機體組織蛋白（如載體、抗體、補體等）可形成共價結合，所形成的復合物可以引起特殊的變態反應。44與酶結合單純蛋白酶結合蛋白酶酶蛋白輔因子(金屬離子、金屬有機化合物、小分子有機化合物)輔酶(非蛋白質部分與酶蛋白以非共價鍵相連)輔基(非蛋白質部分與酶蛋白以共價鍵相連)

污染物或其代謝產物可與酶的活性中心、輔酶、輔基或底物發生共價結合，導致酶活性的抑制，從而引起一些列的有害生物效應。45與酶結合與酶的活性中心共價結合有機磷農藥與乙酰膽堿酯酶競爭性地共價結合——乙酰膽堿酯酶的磷酰化—膽堿酯酶活性受抑制(不能起分解乙酰膽堿的作用)—組織中乙酰膽堿過量蓄積—使膽堿能神經過度興奮—中樞神經系統癥狀等神經遞質乙酰膽堿的主要職能是從神經細胞攜帶信號到肌肉細胞。46與酶結合與酶的活性中心共價結合與細胞色素氧化酶中的Fe和許多金屬輔酶中的Cu、Zn等元素結合：CO、CN-、疊氮化物、亞硝酸鹽、硫化物等，阻斷電子傳遞過程，引起細胞窒息。含有-SH基酶在巰基部位結合多種重金屬(Cd,Hg,Pb,As等)，導致酶活性抑制。47與酶結合致死性合成許多與酶的底物結構類似的污染物或其代謝產物，在酶的催化作用下參與生物合成或其他代謝途徑，形成無功能的中間代謝產物，擾亂正常的代謝過程。48與核酸的共價結合核酸是生物信息遺傳的物質基礎，可分為RNA,DNA兩類。污染物不僅可與這些核酸物質發生共價結合，還可與核酸的氫鍵進行氫鍵結合，或者嵌入堿基對之間，造成遺傳信息的錯誤表達。與脂質的共價結合能直接與脂質共價結合的化合物不多，部分有機鹵化物。49一些事實不能解釋。毒作用程度與共價結合能力不符合某些污染物或其代謝產物在靶器官內的共價結合量反而低于非靶器官有大量污染物以非共價鍵的形式作用于生物大分子，導致各種有害生物效應。常常發現污染物與生物大分子共價結合的部位并未產生毒作用。50五、研究毒性損傷機制的意義了解化學物是否有可能對機體產生有害毒作用建立預防或解毒措施設計危害較小的藥物和工業品開發對靶生物具有強烈選擇毒性的農藥。51六、研究中毒機制步驟：整體動物有無毒性↓找出靶器官、靶組織↓找出受損的細胞、亞細胞↓分子水平：DNA、RNA或蛋白質52第四節外源化學物毒性損傷的影響因素

毒物因素環境因素機體因素聯合作用53一、毒物因素

1、毒物的化學結構

化學結構化學性質物理性質生物學活性毒性541、毒物的化學結構（1）同系物的碳原子數：碳原子數增加毒性增強

烷烴化合物的毒性：丙烷<丁烷<戊烷<己烷<庚烷醇的毒性：乙醇<丙醇<丁醇<戊醇（2）分子飽和度：不飽和鍵增多，其毒性增加

乙烷<乙烯<乙炔丙（丁）烯醛對結膜的刺激作用大于丙（丁）醛

（3）構型

對位>鄰位>間位；對稱>非對稱

直鏈化合物毒性大于異構體成環化合物毒性大于不成環化合物55（4）取代基的性質烴基

苯環中的氫被甲基取代后毒性增加苯<甲苯<二甲苯

鹵素取代

烷烴類化學物的氫若被鹵族元素所取代后，毒性增強氯化甲烷對肝臟的毒性依次為：CCl4>CHCl3>CH2Cl2>CH3Cl>CH4

羥基

芳香族化合物中引入羥基，毒性增加

苯的毒性<苯酚

酸基

分子中引入羧基(－COOH)和磺酸基(－SO3H)后，毒性降低

苯甲酸的毒性<苯氨基

伯胺(RNH2)>仲胺(RNHR’)>叔胺(RNR’R”)

562、毒物的理化性質

一般脂溶性高的物質毒性較大

吸收率：氯化高汞2％<醋酸汞50％<苯基汞50％～80％<甲基汞90％以上

毒物在水中的溶解度越大，毒性越大砒霜(As2O3)>雄黃(As2S3)；鉛化物：一氧化鉛>金屬鉛>硫酸鉛>碳酸鉛氣態化物的溶解度還可影響毒性作用的部位

HF、NH3對上呼吸道損害；NO2等可深入肺泡引起肺水腫（1）溶解度（脂/水分配系數）

57（2）電離度

非離子型毒性>離子型（3）揮發度和蒸氣壓

有些有機溶劑的絕對毒性相當，但由于它們各自的揮發度不同，所以實際毒性相差較大。

LC50：苯＝苯乙烯；毒性：苯>苯乙烯58（4）分散度

影響進入呼吸道的深度影響化學物的溶解度影響化學物的活性（5）外源化學物的純度

如，除草劑中含有TCDD導致一定的致畸性“橙戰劑”的悲劇59二、機體因素

（一）種屬與個體差異1、代謝酶的差異如，苯可以引起兔白細胞減少，而對狗則引起白細胞升高;

β-萘胺能引起狗和人的膀胱癌，而對大鼠、兔、和豚鼠沒有此作用2、生物轉化能力的差異3、生物結合能力的差異4、排泄能力的差異60（二）遺傳因素

遺傳因素不同決定了個體間存在酶的多態性差異，導致代謝的多態性，而代謝的多態性是導致機體致癌易感性和某些疾病的內在因素。

遺傳因素是導致種屬、品系和個體間毒物易感性差異的根本原因。（三）年齡和性別研究發現：新生動物對毒性的反應比青年或成年動物敏感，敏感性平均高3倍。在一般情況下，成年雌性動物比雄性動物對化學物毒性敏感，但也有例外。如馬拉硫磷和甲基對硫磷對雄性大鼠毒性敏感性高于雌鼠。（四）營養、健康狀況（五）生活方式61大量調查研究已證實了吸煙是引起肺癌發病的主要原因，香煙煙霧中含有多環芳烴化合物等多種致癌物或促癌物。肺癌發病及死亡與吸煙量、開始吸煙年齡和卷煙中多環芳烴化合物等有害成分的多少密切有關。吸煙量大，開始吸煙年齡小，卷煙中有害成分含量高，則肺癌的患病人數和死亡人數均高。研究還發現，在吸煙量相同的情況下，患肺癌的危險度存在著明顯的個體差異。香煙煙霧中的多環芳烴類化合物在芳烴羥化酶(AHH）作用下可使芳香烴化合物羥化，并產生致癌活性，其活力在個體之間存在明顯的差異。在吸煙量相同的情況下，AHH活力較高的人，患肺癌的危險度比活力低的人高36倍，中等活力的人患肺癌的危險度比活力低的人高16倍。62（一）化學物質與機體接觸方式

1、接觸途徑2、接觸劑量3、接觸頻率、速度4、溶劑

常用的溶劑有水、生理鹽水、植物油、二甲基亞砜等如，DDT的油溶液對大鼠的LD50為150mg/kg,

DDT的水混懸液對大鼠的LD50為500mg/kg。三、環境因素

63(二)氣溫、氣濕和氣壓

機體皮膚毛細血管擴張、血循環加快、呼吸加速??高溫毒性增強

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