毒作用机制

细胞在受到外界有害刺激的情况下，首先会发生细胞应激，如果损伤进一步加重，则引起细胞调节功能障碍，最终发展为细胞稳态失调，甚至出现细胞死亡。

毒作用机制

• 第一节 毒物的ADEM过程和靶器官
  • 毒物发挥其对机体毒作用经历四个过程： 1.吸收进入机体的毒物通过多种屏障转运至一个或多个靶器官 2.终毒物与内源靶分子发生交互作用 3.引起机体分子、细胞与组织水平功能和结构紊乱 4.机体启动不同水平的修复机制应对毒物对机体对作用
  • 终毒物：直接与内源靶分子反应或引起机体生物学微环境改变、导致机体结构和功能紊乱、表现毒物毒性作用的化学物。可以是毒物原型、代谢产物，也可以是毒物体内生物转化过程生成的活性氧（ROS）、活性氮（RNS）或其他内源性分子
  • 一、毒物在体内转运和转化
    • （一）毒物的吸收和进入体循环前的消除
      • 毒物吸收率：与其在吸收表面的浓度有关，主要取决于暴露速率及化学物的溶解度，毒物吸收率也与暴露部分的面积、发生吸收过程的上皮特征、上下皮微循环和毒物理化特性有关
      • 毒物消除：毒物从暴露部位转运到体循环的过程中，部分毒物在肠和肝药物（毒物）代谢酶作用下迅速代谢，只有小部分毒物可越过屏障进入体循环，此过程成为毒物消除
    • （二）从血液循环进入靶部位
      • 促进毒物分布到靶部位的机制
        • 毛细血管内皮的多孔性：如肝窦周围毛细血管孔道可通过与蛋白质结合的毒物
        • 专一化的膜转运：专一化离子通道和膜转运蛋白可转运毒物进入细胞内靶部位
        • 细胞器内蓄：具有可质子化的胺基和亲脂特征的两性化学物蓄积在溶酶体和线粒体
        • 可逆性细胞内结合：如黑色素可结合有机和无机阳离子及多环芳烃化学物
      • 妨碍毒物分布到靶部位的机制
        • 血浆蛋白结合：毒物与血浆蛋白结合影响其通过扩散透过毛细血管
        • 专一化屏障：如血脑屏障阻止亲水性化学物进入脑组织
        • 贮存部位的分布：毒物蓄积在某些组织但不发生毒性效应
        • 与细胞内结合蛋白结合
        • 从细胞内排出
      • 排泄与重吸收
        • 排泄：毒物及其代谢产物从血液中消除并返回外环境的过程。 途径与速度主要取决于毒物的理化特性。 主要排泄器官是肾和肝。
        • 重吸收：转运到肾小管的毒物可穿越肾小管细胞扩散回小管周毛细血管， 生理性氧阴离子载体介导某些有毒金属氧阴离子在肾脏吸收。 经胆汁和胃肠排泄的毒物可通过穿越小肠黏膜扩散而重吸收。
  • 二、增毒与解毒作用
    • 增毒作用
      • 定义：毒物在体内经生物转化为终毒物的过程
      • 终毒物
        • 定义：直接与内源靶分子反应或引起机体生物学微环境改变、导致结构和功能紊乱并表现毒物毒性的物质。
        • 分类：亲电子剂（毒物通过氧的去电子作用而被极化形成亲电子剂） 自由基（外层轨道中含有一个或多个不成对电子的分子或分子片段，如羟自由基、超氧阴离子自由基） 亲核物（氰化物属亲核物） 活性氧化还原反应物
    • 解毒作用
      • 解毒：消除终毒物或组织终毒物生成的生物转化过程
      • 解毒途径： 1）无功能基团毒物的解毒：分为两相反应。Ⅰ相反应包括氧化反应、还原反应和水解反应；Ⅱ相反应为结合反应。 2）亲核物的解毒：亲核物通过与亲核功能基团的结合反应进行解毒。 3）亲电子剂的解毒 ：亲电子剂通常与谷胱甘肽发生结合而解毒。 4）自由基的解毒： 体内氧自由基的清除主要依赖于超氧化物歧化（SOD）。谷胱甘肽。 5）蛋白质毒素的解毒 ：胞内和胞外蛋白酶参与了有毒多肽的解毒作用。 6）解毒过程失效 ：原因可能有毒物接触剂量超过机体解毒能力、解毒酶失活、 结合反应被逆转、解毒过程产生潜在有害副产物等。
• 第二节 靶分子的反应
  • 毒性：由终毒物与靶分子反应所介导的一系列继发生化事件，导致靶分子本身、细胞器、细胞、组织和器官甚至整个机体的结构损伤和功能异常
  • 靶分子条件：终毒物与靶标反应并对其功能产生不良影响；终毒物在靶部位达到有效浓度；终毒物以某种机制改变靶分子
  • 一、终毒物与靶分子反应类型
    • 非共价结合：某些毒物以非极性交互作用或氢键、离子键等非共价结合方式与膜受体细胞内受体、离子通道和某些酶等靶分子结合 ，化学物原子的空间排列使其与内源性分子的互补部位结合表现出毒效应。键能相对较低，可逆性
    • 共价结合：不可逆，持久改变内源性分子。亲电子剂通常与生物大分子（如蛋白质和核酸）中亲核原子反应；中性自由基也能与生物靶分子发生共价结合；亲核毒物倾向于与亲电内源性分子反应
    • 去氢反应：自由基迅速引起内源性分子去氢并生成新的内源性自由基
    • 电子转移：化学物将血红蛋白分子中的二价铁氧化成三价铁，引起高铁血红蛋白血症
    • 酶促反应：少数毒素通过酶促反应作用于特定靶蛋白；几种细菌毒素催化ADP-核糖从NAD＋转移到特定蛋白质
    • 大多数终毒物借助其化学反应性作用于内源性分子
  • 二、终毒物对靶分子的有害影响
    • 靶分子功能失调：模拟内源性配体并活化靶分子；抑制靶分子功能；作用于一些蛋白质结构的关键基因；干扰DNA的模板与功能
    • 靶分子的结构破坏：毒物通过与内源性分子形成加合物、发生交联和断裂而改变内源性分子的一级结构；某些靶分子在毒物作用下发生自发性降解；毒物通过几种方式引起引起DNA链断裂
    • 新抗原形成：外源化学物及其代谢产物与生物大分子共价结合在少数个体可作为新抗原激发免疫应答
• 第三节 细胞调节功能障碍
  • 细胞在受到外界有害刺激的情况下，首先会发生细胞应激，如果损伤进一步加重，则引起细胞调节功能障碍，最终发展为细胞稳态失调，甚至出现细胞死亡
  • 一、细胞应激（cellular stress）
    • 定义：细胞应激指细胞处于不利环境和遇到有害刺激时所产生的适应性反应。应激原诱发的细胞内信号转导激活相关的转录因子和促进应激基因的快速表达，合成多种特异性和非特异性的、对细胞具有保护作用的应激蛋白质，从而对细胞产生特异性和非特异性的保护作用，同时细胞内一些正常基因表达受到抑制；若细胞损伤严重而导致无法修复，则启动细胞自噬、凋亡或程序性细胞坏死的过程，加速细胞死亡
    • 应激原：能导致细胞应激的物理、化学、生物因素。包括DNA损伤性应激原（紫外线、离子射线、活性氧、化学致畸剂、化学致癌剂和化学致突变剂—遗传毒性应激）和非DNA损伤性应激原（创伤、感染、营养剥夺、渗透压改变、缺氧和热应激—非基因毒性应激）
    • （一）热应激
      • 反应特征：诱导细胞表达生成热休克蛋白（HSP）-应激蛋白
      • HSP作用：1.作为分子伴侣（molecular chaperone），参与新合成蛋白的正确折叠和运输。 2. 识别并结合于变性蛋白质暴露的疏水区域，防止其凝聚，协助蛋白酶系统对其进行降解或帮助其重新形成天然构象。 3.HSP增强机体对多种应激原的耐受能力。
    • （二）氧化应激
      • 应激原：自由基、活性氧、活性氮
        • ROS：由氧形成、分子组成上含有氧且化学性质比氧活泼的物质总称，包括 O2－•、HO•和H2O2
        • RNS：NO及体内继发性产物的总称
      • 机体产生的少量自由基、ROS或RNS在发挥其生理作用的同时被机体抗氧化系统迅速清除而不至于引起细胞氧化性损伤。 机体因暴露毒物产生过量自由基、ROS或RNS，或清除能力减弱，导致过量和氧化/还原失平衡，组织和细胞发生氧化应激。持续的氧化应激可能导致细胞功能障碍，甚至引起细胞凋亡、自噬和程序性细胞坏死。
      • ROS诱导细胞凋亡的机制
        • 线粒体机制：直接作用于线粒体，导致位于线粒体Bcl-2家族促凋亡成员（Bax和Bim）激活，启动细胞凋亡程序。
        • 过量ROS通过激活内质网应激信号通路，启动细胞凋亡程序
    • （三）缺氧应激：细胞和组织为适应低氧压力而诱导血管生成、铁代谢和糖代谢相关基因表达，以维持细胞增殖和存活，这一过程称为缺氧应激。
    • （四）内质网应激
      • 内质网应激和UPR：当细胞内质网受损或需要加工和包装的蛋白质合成增加即引起内质网应激和IRE1、PERK和ATF6介导的未折叠蛋白反应（UPR）。内质网应激是一种保护性应激反应，降低胞内未折叠蛋白浓度，阻碍凝集。
      • 诱发因素： 1）内质网特异性分子伴侣（GRP78）减少或缺乏 2）内质网Ca2+耗竭 3）氧化应激或缺氧应激 4）基因突变导致基因产物蛋白质分子折叠障碍 5）二硫键形成减少
    • （五）遗传毒性应激：人体细胞启动自身防御网络系统以应对DNA免受外源遗传毒物损伤的过程称为遗传毒性应激。丝裂原活化蛋白激酶（MAPKs）途径是细胞遗传毒性应激主要信号转导途径
  • 二、细胞调节功能障碍
    • 基因表达调节障碍：基因转录调节障碍、信号转导调节障碍、细胞外信号产生的调节障碍
    • 细胞瞬息活动调节障碍：（Ca2+或其他第二信使）电可兴奋细胞的调节障碍、其他细胞活动的调节障碍
  • 三、细胞稳态失调（deregulation of cellular homeostasis）
    • 细胞稳态：指在神经、内分泌和免疫系统共同调节下，细胞内各种成分和生理功能保持相对稳定状态
    • 细胞稳态失调：生理性衰老状态下，细胞稳态调节系统出现异常，导致细胞内物质转运障碍和代谢功能丧失，甚至诱发细胞死亡的现象
    • （一）细胞稳态失调的机制
      • ATP耗竭：ATP是体内生物合成的重要原料和能量的主要来源，在细胞维持过程中起核心作用，毒物通过干扰线粒体ATP合成方式破坏细胞内环境稳态
      • 细胞内Ca2+持续升高：毒物促进Ca2+向细胞质内流或抑制Ca2+细胞质外流而引起胞浆Ca2+水平升高。毒物也可诱导Ca2+从线粒体或内质网漏出而增加胞浆Ca2+，也可通过抑制Ca2+转运蛋白或耗竭其驱动力而减少Ca2+外流。Ca2+持续升高导致：①能量储备耗竭；②微丝功能障碍；③水解酶活化；④ROS和RNS生成；⑤钙调蛋白激活
      • ROS与RNS过度产生：一些毒物（重金属）可直接生成ROS与RNS，细胞内高钙也可引起ROS和RNS过度产生
    • （二）细胞稳态失调各要素的相互关系 （1）细胞内ATP耗竭使内质网质膜Ca2+泵失去能量，导致胞浆Ca2+升高。随着Ca2+内流进线粒体，△Ψm下降，ATP合酶发生障碍。 （2）细胞内高钙促进ROS和RNS形成，而ROS与RNS使巯基依赖的Ca2+泵发生氧化性失活，反过来又加剧了细胞内高钙。 （3）ROS与RNS消耗ATP储备。 （4）ONOO－能诱发DNA单链断裂，导致多聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）激活，消耗ATP。
    • （三）细胞稳态失调的后果
      • 坏死（necrosis）：代谢紊乱（Ca2+摄取↑，△Ψm↓，ROS/RNS↑）→MPT（内膜通透性↑，跨膜蛋白质孔开放，溶质通透↑，质子内流/△Ψm消失，ATP不合成/消耗）→坏死（ATP耗竭，细胞肿胀/溶解，细胞水解/崩解，结构/功能丧失）或溶解
      • 凋亡（apoptosis）
        • 定义：活体内单个细胞的死亡，与基因调节有关。程序性细胞死亡（PCD），是由于细胞增殖与/或细胞死亡调控功能所致
        • 代谢紊乱（Ca2+摄取↑，△Ψm↓，ROS/RNS↑）→MPT（基因家族调控，CytC释放，凋亡因子程序性激活，特异蛋白水解）→凋亡（细胞皱缩、核/胞质固缩，“芽生”破坏、膜PS外翻、吞噬）
      • 细胞程序性坏死（坏死性凋亡）
        • 定义：是一种细胞凋亡受到抑制时的表现出促细胞死亡作用的程序性坏死，主要通过死亡配体与相应受体之间的结合所介导，具有诱导因子、起始因子和执行因子三部分，从而构成完整的信号转导通路。是可调控的过程，RIP1/RIP3坏死复合体是调控核心，Nec-1是选择性抑制剂
        • 特征与坏死一致：染色体凝集，细胞器以及细胞的膨胀；细胞核、线粒体、溶酶体和细胞膜的破裂；细胞浆中Ca2+↑，细胞内ROS↑，乳酸脱氢酶释放（质膜破损）
    • （四）细胞稳态失调的毒理学意义：干扰细胞正常生理功能，甚至导致细胞死亡；与多种人类重要疾病的发病过程密切相关。阐明毒物诱发细胞稳态失调发生的分子机制对最终阐明毒物毒作用机制有重要意义。
• 第四节 修复障碍
  • 一、损伤修复机制
    • （一）分子修复：蛋白质修复、脂质修复、DNA修复
    • （二）细胞修复：机体多数组织可通过存活细胞分裂增殖替代受损死亡细胞，外周神经轴索受损主要依靠巨噬细胞和施万细胞（Schwann cell）参与其修复过程，但中枢神经元损害是不可逆的
    • （三）组织修复：细胞增殖（细胞周期调控→细胞分裂→细胞和细胞外间质再生）、细胞外基质替代、细胞凋亡（启动组织修复；阻止坏死；清除突变细胞）
  • 二、修复障碍及其引起的毒作用
    • （一）修复障碍： （1）修复机制保真度并非绝对，某些损伤的修复可能被遗漏。 （2）损伤程度超过机体修复能力时，修复失效。 （3）修复所必需酶或辅因子被消耗时，修复能力耗竭。 （4）某些毒性损害不能被有效修复。当修复机制破坏或耗尽，即产生对机体的损害。 （5）修复过程也可能引起毒性
    • （二）修复障碍引起的毒性
      • 1、炎症 1）细胞与介质：启动炎症反应主要依赖巨噬细胞分泌的炎性细胞因子。 2）活性氧和活性氮：聚集于损伤部位的巨噬细胞和粒细胞产生并释放大量自由基[NAD(P)H氧化酶、一氧化氮合酶、髓过氧化物酶]和水解酶，损害邻近正常组织。
      • 2、坏死 1）受损分子修复失效。 2）凋亡对受损细胞清除失效。 3）邻近细胞分裂替代受损细胞的机制失效。
      • 3、纤维化：纤维化是一种以异常成分在细胞外间质过度沉积为特征的病理损害，是受 损组织修复不良的特殊表现。
      • 4、致癌作用 1）DNA修复失效 2）细胞凋亡失效 3）终止细胞增生失效 4）非遗传毒性致癌物
• 第五节 毒物毒作用的表观遗传机制