毒理学第四章

毒理学第四章，整理了毒物作用经历的四个过程、毒物的ADME过程和靶器官、靶分子的反应、细胞调节功能障碍、修复障碍的内容，一起来看吧！

毒理学第四章

• 毒物作用经历的四个过程
  • 1.吸收进入机体的毒物通过生物膜屏障转运至一个或多个靶部位；
  • 2.终毒物与靶部位的内源性分子发生交互作用；
  • 3.毒物引起的机体分子、细胞与组织水平功能和结构紊乱；
  • 4.机体启动修复机制应对毒物对机体的损害作用，当机体修复功能低下或毒物引起的功能低下，或毒物引起的功能和结构紊乱超过机体修复能力时，机体即出现组织坏死、癌症和纤维化等等毒性损害
• 第一节毒物的ADME过程和靶器官
  • 一,毒物在体内的转运和转化
    • 毒物的吸收和进入体循环前的消除
      • 吸收速率由高至低依次为：静脉注射、吸入、肌肉注射、腹腔注射、皮下注射、经口、皮内注射。
    • 从血液循环进入靶部位
      • 影响毒物分布的主要因素有：毒物脂溶性、分子大小与形状电离度和组织血流。
  • 二,增毒与解毒作用
    • 终毒物(ultimatetoxicant)：
      • 是指直接与内源靶分子反应或引起机体生物学微环境的改变，导致机体结构和功能紊乱并表现出毒物毒性的物质。
      • 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
      • 生物学微环境变化：由乙二醇形成的草酸可引起酸中毒和低血钙，并可因草酸钙沉淀而导致肾小管阻塞（三聚氰胺）。
      • 来源：原外源化学物（强酸碱、重金属离子、HCN、CO）外源化学物的代谢物（亲电物和亲核物）白由基（活性氧或活性氮）内源化学物（氧化还原反应物）
    • 增毒作用
      • 外源化学物经生物转化为终毒物的过程，表现为毒性增强，甚至产生致畸、致癌效应。
      • 亲电子剂(eletrophiles)
        • 亲电子剂：含有一个缺电子原子的分子
        • 亲电物可与含电子的亲核物共享电子对而发生反应
        • 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、醌和酷卤化物等物质
        • 代谢物形成
          • 插入氧原子：插入的氧原子从其附着的原子中获得一个电子，使其具有亲电性(环氧化物）
          • 形成共钷双键：外源化学物通过氧的去电子作用而被极化，使得其双键碳之一发生电子缺失，继而形成亲电子剂
          • 阳离子型亲电物通过键异裂形成：共价键分裂时，共用的电电子对变为仅属于其中一个原子或原子团。这种断裂方式称为异裂。异裂生成阴离子和正离子
      • 自由基
        • 自由基：是指独立游离存在的带有不成对电子的分子、原子或离子。
        • 白由基通过按受或失去一个电子，或由化合物的共价键发生均裂而形成。
        • 共价键断裂时，共用电子均等地分配给成键的两个原子，这种断键方式称为均裂，A:B一A • +•B。均裂后的两个部分各带有一个未成对电子，很活泼，即自由基。
        • 特点：
          • 具有顺磁性
          • 化学性质十分活泼
          • 反应性极高，半衰期极短
      • 亲核物
        • 形成亲核物是毒物增毒作用较为少见的机制，氰化物属于亲核物
      • 活性氧化还原物
        • 一种特殊的产生氧化还原活性还原剂的机制
    • 解毒作用
      • 解毒(detoxication）：消除终毒物或阻止终毒物生 成的生物转化过程。
      • 无功能集团毒物的解毒
      • 亲核物的解毒
        • 一般通过在亲核功能基团上的结合反应来解毒。亲核功能基因与内源性基因的结合可防止由过氧化物酶催化的亲核物转变为自由基。
      • 亲电子的解毒
        • 一般亲电性毒物的解毒是通过与巯基亲核物谷胱甘肽共轭结合而解毒。
        • 此类反应可自发产生或由谷胱甘肽-S-转移酶协同进行。
        • 金属离子如Ag、Cd、Hg和CH3Hg离子很容易与谷胱甘肽反应而解毒。
      • 自由基的解毒
        • 通过超氧化物歧化酶，谷胱甘肽过氧化物酶或过氧化物酶体中的过氧化氢酶来实施
      • 蛋白质毒素的解毒
        • 主要是二硫键断裂
      • 解毒过程无效
        • 毒物接触机体剂量超过机体解毒能力： 毒物使解毒酶失活： 某些结合反应可被逆转； 解毒过程有时产生潜在有害副产物
• 靶分子的反应
  • 靶分子的属性
    • 理论上所有内源性化合物都是毒物潜在的靶标主要有： 机体大分子（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分子的反应都是有害的。与哪种蛋 白结合具有毒理学意义常常是不确定的
    • 需要具有合适的反应性和空间构型，以容许毒物发生共价或非共价反应。靶分子必须接触足够高浓度的终毒物。活化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结构。
  • 确定毒作用靶分子的标准
    • 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、反应类型
    • 非共价结合(nonconvalentbinding)：某些毒物以非极性交互作用或氢键与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
      • 特点：结构上互补结合/键能较低，通常是可逆
    • 共价结合(convalentbinding)一般是不可逆的，能永久性改变内源性分子结构，故共价结合具有重要的毒理学意义。
    • 去氢反应(hydrogenabstraction)：自由基可迅速从内源化合物去除氢原子，生产新的内源自由基
    • 电子转移(electrontransfer)：化学物将血红 蛋白分子中的Fe2+氧化生成Fes+，引起高铁血红蛋白血症。
    • 酶促反应(enzymaticreaction)： (1）少数毒素通过酶促反应作用于特定靶蛋白。 （2）几种细菌毒素催化ADP-核糖从NAD＋转移到特定蛋白质。
  • 二、中毒物对靶分子的有害影响
    • 靶分子功能失调
      • 模拟内源配体而激活蛋白质的靶分子（冰毒激活鸦片受体，苯丙胺类兴奋剂具有强烈的中枢兴奋作用。吗啡能激活鸦片受体，氯贝丁酯为过氧化酶体增殖物激活剂受体激动剂，佛波酯和铅离子）
      • 化学物抑制靶分子功能则更常见(河豚毒素抑制钠通道 开放，破坏动作电位的生成）
      • 阻断神经递质的传递（肉毒素能阻断神经肌肉接头处的神经递质乙酰胆碱的释放，引起迟缓性瘫痪。破伤风毒素能阻断脊髓抑制性神经元产生的氨基酸类神经递质释放，导致肌肉强直，进一步发展为致死性僵硬和痉挛性抽搐）
      • 抑制线粒体电子传送（CN-对细胞呼吸链有很强的亲和力可与细胞色素氧化酶的三价铁结合，抑制该酶的活性从而阻断细胞对氧的利用，形成“内呼吸”障碍，导 致呼吸衰竭和心血管功能衰竭）。
      • 抑制酶活性（毒物作用于蛋白质结构的关键部位，如巯基基团）
    • 靶分子的结构破坏
      • 毒物除了形成DNA加合物外，还可通过交联和分子断裂而改变内源分子的一级结构。
      • 脂质过氧化分解作用 蛋白质降解作用 DNA断裂作用
    • 新抗原生成
      • 某些个体的变异蛋白可能会促发免疫反应（青霉素等 药物）
• 第三节细胞调节功能障碍
  • 细胞应激
    • 热应激
      • 热应激的特征性反应是诱导细胞表达生成热休克蛋白 (heatshockprotein)
      • HSP参与新合成蛋白质的折叠和运输；还可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和重新形成天然构象。HSP可增强机体对多种应激原的耐受能力。
    • 缺氧应激
      • 定义：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。
      • 应激原：低氧、重金属、砷、细菌脂多糖、IL-1、胰岛素等，低氧是最重要缺氧应激原。
      • 缺氧应激反应：缺氧诱导因子1(HIF-1）是缺氧应激反应的关键分子，由HIF-1a和HIF-1B亚基组成，胞浆HIF-1B亚基稳定。HIF-1a在正常情况下检测不到，缺氧状态下，HIF-1a亚基降解受到抑制，与HIF-1B形成活性型HIF-1，转移到细胞核内调节多种基因的转录。HIF-1下游靶基因包括：
        • 1）红细胞生成和铁代谢相关基因 2）血管生成相关基因 3）血管收缩相关基因 4）基质代谢相关基 5）糖代谢相关基因 6）细胞增殖和存活相关基因
    • 氧化应激
      • 应激原：
        • 自由基
        • 活性氧
        • 活性氮
      • ROS和RNS的生理作用
        • 1）ROS和RNS在吞噬细胞杀灭、清除病原微生物过程起重要作用。
        • 2）ROS与体内多种免疫细胞具有杀伤肿瘤细胞的作用有关。
        • 3）ROS和RNS直接或间接参与体内解毒作用。
        • 4）ROS参与细胞信号转导和基因表达的调控作用。
        • 5）ROS通过影响细胞内Ca2+稳态、蛋白质磷酸化和转录因子激活等细胞信号转导过程中多个靶点发挥调节作用。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。
      • 氧化应激的发生：机体产生过量自由基、ROS或RNS，破坏氧化/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诱导细胞调亡的机制
        • 线粒体机制：ROS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，启动细胞调亡程序。
        • 过量ROS通过激活内质网应激信号通路，启动细胞凋亡程序。
    • 内质网应激
      • 内质网：细胞内蛋白质和脂质合成、加工、折叠和运输的场所，糖调节蛋白78(glucoseregulatedprotein78,GRP78）是最常见的特异性分子伴侣。
      • 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，降低胞内末折叠蛋白浓度，阻碍凝集。
      • 内质网应激的诱发因素
        • 内质网特异性分子伴侣（grp78)减少或缺乏
        • 内质网Ca+耗竭
        • 氧化应激或缺氧应激
        • 基因突变导致基因产物蛋白质分子折叠障碍
        • 二硫键形成减少
    • 遗传毒性应激
      • 定义：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。
      • 应激原：遗传毒性致癌剂和致突变物、紫外线和放射性核素、大多数化疗药物、某些代谢产物（如自由基和活性氧）。
      • 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。
  • 细胞调节功能障碍
    • 细胞的活动是由信号分子来调节和控制的；信号分子激活细胞受体，通过信号传达的网络将信号传送至基因的调节部位或功能蛋白。
    • 基因表达调节障碍
      • 可发生在与转录直接有关的部位、也可以是在信号传导的网络部位，或者在其信号分子的合成、储存和释放的过程中。
      • 1.基因转录调节障碍
        • 影响转录因子（TFs）活性是毒物调节基因表达最主要的方式。两种类型的转录因子，即配体激活的转录因子和信号激活的转录因子。
        • 某些激素和维生素是天然配体，通过激活转录因子调控下游靶基因表达。有些毒物能模拟内源性配体继而调节其下游基因表达。
        • 某些雌激素与ER结合，促进乳腺和肝脏细胞过度增殖甚至诱发肿瘤发生
      • 2信号转导调节障碍
        • 毒物引起信号转导障碍的分子生物学基础配体诱导相应受体自身磷酸化，磷酸化受体进一步与适配体结合，通过连结物大蛋白激活Ras、启动丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路，引起系列蛋白激酶磷酸化（丝氨酸、苏氦酸、酪氦酸），最终使信号传递至转录因子。
        • 毒物引起信号转导障碍的途径有： ①改变蛋白磷酸化； ②干扰G蛋白GTP酶活性； ③破坏正常蛋白-蛋白交互作用； ④建立异常蛋白-蛋白交互作用； ⑤改变信号蛋白合成与降解等途径引起细胞信号转导异常
      • 3.细胞外信号产生的调节障碍
    • 细胞瞬息活动的调节障碍
      • 信号分子作用于膜受体，受体通过构象改变调节Ca2+进入细胞质，或者激活细胞内第二信使而信号传至细胞核，从而控制细胞活动；
      • Ca2+或其他第二信使，促使功能蛋白质的磷酸化，以改变它们的活性和细胞功能；
      • 毒物可通过破坏信号的传递过程而损害细胞的活动（神经毒物可影响神经和肌肉活动河豚毒素阻断运动神经元电压门控的Na+通道，引起骨骼肌麻痹）
  • 细胞稳态失调
    • 细胞稳态(cellular homeostasis）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的状态。（生物膜的完整性是维持细胞稳态的关键）
    • 细胞稳态失调：机体生理性衰老状态下，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。
    • 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。
      • ATP的功能：
        • ATP通过参与磷酸化和腺苷化作用活化内源性化合物；
        • ATP为细胞骨-架聚合、细胞运动、细胞分裂和囊泡转运提供能量，对维持细胞必不可少；
        • Na+/K-ATP酶、Ca2+-ATP酶、H+-ATP酶维持细胞各种功能所必须
      • 毒物干扰线粒体ATP合成方式
        • 干扰H向电子传递链传递； 抑制电子沿电子传递链转移到分子氧； 干扰氧传递到终末电子转运蛋白-细胞色素氧化酶； 抑制ATP合酶活性 引起线粒体DNA损伤，损害由线粒体基因组编码的特定蛋白合成
    • 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+升高的后果：
        • 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
      • 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。Ca2+升高的活化脱氢酶与ATP合成酶活性抑制共同增加由线粒体电子传递链形成O2 -•;Ca2+是黄嘌呤脱氢酶转变为黄嘌呤氧化酶，其副产品为O2 -•和HOOH;神经元和内皮细胞形成Ca2+激活的NOS，NOS产生N0 •与O2 -,这两种自由基反应生成毒性更强ONOO-
    • 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， 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)0N00一能诱发DNA单链断裂，导致多聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）激活，消耗ATP。
    • 细胞稳态失调的后果
      • 坏死
        • MPT是跨越线粒体内外膜间的蛋白质孔（巨通道）开放所致。MPT使质子自由内流进入基质间隙，引起 迅速和完全消失、ATP合成中断及水渗透内流，导致线粒体膨胀，已蓄积于基质间隙的Ca2+通过孔流出，涌进胞质。最终引起细胞结构和功能完全丧失、细胞溶解或坏死。
      • 凋亡
        • 大多数化学物诱发细胞凋亡涉及MPT和细胞色素c(Cvt c)从线粒体释放进入胞浆。
      • 细胞程序性死亡
        • 部分毒物所致细胞坏死是一种可调控的程序性细胞死亡，称为细胞程序性坏死(programmednecrosis)或坏死性调亡(necroptosis)。
• 第四节 修复障碍
  • 损伤修复机制
    • 分子修复
      • 蛋白值修复：被氧化的蛋白疏基可通过酶促还原而逆转。
      • 脂质修复：过氧化脂质修复过程涉及系列还原剂及谷胱甘肽过氧化物酶和过氧化物还原酶，过氧化脂质修复过程需要NADPH参与。
      • DNA修复：多种修复机制（直接修复、切除修复和重组修复）保证细胞遗传物质相对稳定。
    • 细胞修复
      • 在大多数组织，损伤的细胞死亡，而以幸存细胞的分裂来取代丧失的细胞。神经细胞是个例外，因为成熟的神经元无繁殖能力。在轴索损伤的周围神经元，可通过修复使靶细胞重新受神经支配。
    • 组织修复
      • 细胞凋亡：受损细胞的主动清除
        • 受损细胞的调亡作为一种修复过程对由持续更新细胞（骨髓皮肤）或条件分裂细胞（肝和肾实质细胞）构成的组织具有重要作用。凋亡可阻拦导致坏死的过程，可通过清除具有潜在致突变作用的DNA损伤细胞而阻拦肿瘤形成过程
      • 细胞增殖：组织的再生
        • 通过有丝分裂替代丧失的细胞：损伤早期细胞内信 号开通，表现为蛋白激酶和转录因子激活，许多基因表达增加。随后是其产物能调节细胞分裂周期的基因表达基因表达重新进入程序以保证DNA合成和有丝分裂优先于特定的细胞活动
      • 细胞外基质的替代
    • 修复失效
      • 修复机制的保真度
      • 损害超过修复能力时
      • 修复引起毒性
  • 修复障碍引起的毒性
    • 炎症
      • 炎症的标志是微循环改变和炎性细胞（巨噬细胞和粒细胞）聚集。
    • 坏死
    • 纤维化
    • 致癌作用
• 毒物毒作用的表观遗传机制
  • 表观遗传学（epigenetics)：指DNA序列不发生变化，但基因表达却发生可遗传改变，这种改变发育和细胞增殖过程中能稳传递
    • 特点：DNA序列没有发改变的情况下，基因表达调控发生以变，并最终导致表型的变化
  • DNA甲基化
    • DNA甲基化生物学特征
      • 酶：DNA甲基转移酶（DNMT）
      • 作用：使半甲基化的DNA双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的月包嘧上定甲基化，参与DNA复制双链中新合成链的甲基化
      • 酶：去甲基化酶（哺乳动物基因组甲基化过程）
      • DNA甲基化与基因沉默相关联 非甲基化与基因活化相关联 玉基化与一沉默基因的重新激活相关联
    • DNA甲基化异常与外源化学物毒性作用
      • 重金属
        • 汞，锰、镉，铝，砷和镍等
        • 高剂量砷暴露→全基因组低甲基化
        • 低剂量砷暴露→全基因组高甲基化
        • 短期镉暴露→非争抑制DNA甲基转移酶→基因组DNA甲基化水平降低
        • 慢性镉暴露→激活 DRMT3B酶表达→基因组整体高甲基化
      • 多环其烃
        • 导致全基因组甲基化异常，不仅参与基毒性效应，而且可作为损伤程度评质的标志物
        • 多环芳烃具有遗传毒性，可诱发染色体损伤，DNA断裂和基因突变
      • 环境内分泌干扰物
        • 毒性效应：导致生殖和发育功能异常，部分引起恶性肿瘤
        • 全基因组甲基化异常改变，特异性基因甲基化或去甲基化
      • 其它环境化学物
        • 叶酸不足会出现基因组 DNA低甲基化
        • 反式脂肪酸引起大脑发育中 DNA的在甲基化
  • 组蛋白修饰
    • 生物学特征
      • 组蛋白修饰：在相关酶的作用下发生甲基化，乙酰化，磷酸化和泛酸化
      • 组蛋白修饰对基因表达的调控
        • 影响核小体中组蛋白与DNA双链亲合性，使核小体变成开放式的疏松结构，促进基因转录
        • 影响其他转录因子与结构基因启动子的亲和性而发挥基因调控作用。
    • 组蛋白修饰导常与外源学物毒性
      • 外源化学物能够通过影响组蛋白修饰参与基因的表达调控以及毒物的毒性效应和疾病的发生
      • 多种有机污染物和职业有害物引起的表观遗传学改变涉及组蛋白修饰
  • 染色质重塑
    • 生物学特征
      • 染色质重塑(chromatin remodeling)：当基因活化和转录时，染色质发生一系列重要变化，即染色质去凝集，核小体变成开放式疏松结构，使转录因子更易接近并与核小体DNA造合，从而对基因转录进行调控
    • 由染色质重塑复合物（ SWI-SNF家族，ISWI家族，Mi2家族介导）
      • 共价化学修饰，发生在组蛋白末端，包括乙酰化，甲基化，泛素化，磷酸化
      • 依赖ATP的物理修饰，通过水解释放能量使组蛋日和DNA的构象发生局部改变．
  • 非编码RNA
    • 种类与生物学特征
      • 非编码RNA(不编码蛋白质)
        • 看家非编码RNA
        • 调控非编码R NA（微小非编码RNA，长链非编码RNA，环状RNA，短干扰RNA，PIWI蛋白相互作用RNA
        • miRNa,IncRNA,circRNA
      • 编码RNA