第四章 毒 性 机 制
卫生毒理学教研室
2004.5
2 17 October 2011
第四章 毒性机制
第一节 外源化学物的增毒与终毒物的形成
第二节 终毒物与靶分子的反应
第三节 细胞功能障碍与毒性
3 17 October 2011
第一节 外源化学的增毒与终毒物的形成
概念,
?终毒物 （ ultimate toxicant）是指与内源靶分子（如受体、酶、
DNA、微丝蛋白、脂质）反应或严重地改变生物学（微）环境、
启动结构和（或）功能而表现出毒性的物质。
? 终毒物可为机体所暴露的 原化学物 （母化合物）；而另外一些毒
物的毒性主要是由于 其代谢物 引起，生物转化为有害产物的过程
称为 增毒（ toxication）或代谢活化 （ metabolic activation）。
? 最为多见的情况是增毒使外源化学物如氧和氧化氮（ NO）转变为：
亲电子、自由基、亲核物、氧化还原性反应物。
? 毒效应的强度主要取决于终毒物在其作用位点的浓度及持续
时间。
4 17 October 2011
化学毒物产生毒性的可能途径
化学毒物
吸收、分布、代谢、排泄
与靶分子相互作用
细胞功能失调、损伤
细胞修复功能失调
毒
性
①
②
③
5 17 October 2011
亲电子剂的形成
? 亲电子剂 是含有一个缺电子原子（带部分或全部正电荷）
的分子。该缺电子原子中的部分或全部阳电荷使其很容易
通过共享电子对的方式与亲核剂中富含电子的原子反应。
? 化学物在代谢活化时形成非离子亲电子剂。亲电子剂经常
是在外源化合物被细胞色素 P-450或其他酶氧化成酮类、环
氧化物及芳烃氧化物,α,β-不饱和酮及醛类、醌类或醌亚胺
类以及酰基卤等过程中形成的。
6 17 October 2011
苯并 (a)芘 [benzo (a) pyrene,BaP]
P-450
7,8-环氧苯并 (a)芘
7,8-二羟 -BaP
7,8-二羟基 -9,10-环氧 BaP
环氧化物水解
酶
(终致癌物 )
7 17 October 2011
自由基形成
? 自由基 （ free radicals） 是独立游离存在的带有不成对电
子的分子、原子或离子 。自由基主要是由于化合物的共价
键发生均裂而产生。其共同特点是：具有顺磁性、其化学
性质十分活泼、反应性极高，因而半减期极短，一般仅能
以 μ s计，作用半径短。
? 在与生物体有关的自由基中，最主要的是氧中心自由基，
这类自由基持续不断地在机体内产生。 活性氧 (reactive
oxygen species,ROS)这个术语实际上是一个集合名词，不
仅包括氧中心自由基如 O2-??，和 ·OH，而且也包括某些氧的
非自由基衍生物，如 H2O2、单线态氧和次氯酸，甚至还包
括过氧化物、氢过氧化物和内源性脂质及外来化合物的环
氧代谢物，因为它们都含有化学性质活泼的含氧功能基团。
8 17 October 2011
自由基的来源与类型
9 17 October 2011
? 自由基在生物体内来源有二, 一是细胞正常生理过程产生；二
是化学毒物在体内代谢过程产生。
? 许多外来化合物 可通过各种不同途径产生自由基,但其中最主
要的途径是通过 氧化还原反应（ redox cycling） 。它通过加
入一个单电子使化学物还原为不稳定的中间产物，随后这个电
子转移给分子氧而形成超氧阴离子自由基 (O2-·)，而中间产物
则再生为原化学物。如：百草枯 (PQ++)、阿霉素 (DR)和硝化呋
喃托英 (NF)可从还原酶接受一个电子形成自由基。
自由基形成
10 17 October 2011
亲核物的形成
?亲核物的形成是毒物活化作用较少见的一种机制 。
例如：苦杏仁经肠道 β －糖苷酶催化形成氰化物；
丙烯氰环氧化和随后谷胱甘肽结合形成的氰化物；
以及硝普钠经巯基诱导降解后形成氰化物, 等 。
11 17 October 2011
氧化还原活性还原剂的形成
?除了上述那些机制外，还存在着一种特殊的产生氧
化还原活性还原剂的机制。 引起高铁血红蛋白的亚
硝酸盐，既可在小肠中由硝酸盐经细菌还原生成，
也可由亚硝酸酯或硝酸酯与谷胱甘肽反应而生成。
还原性化合物如抗坏血酸等以及 NADPH依赖性黄素
酶等还原酶可使 Cr6+还原为 Cr5+。 Cr5+反过来又可催
化 HO·生成。
12 17 October 2011
解 毒
（ 1） 无功能基团毒物的解毒,
一般情况下，苯和甲苯等不含功能基团化学物的解毒分两
相。首先，通常由细胞色素 P— 450将羧基和羟基等功能基团引
入分子中。随后，通过转移酶将内源性酸如葡糖醛酸、硫酸或
氨基酸结合到这些功能基团上。除了某些例外，多数化合物的
最终产物无反应活性，是易于排泄的高度亲水的有机酸。
13 17 October 2011
（ 2） 亲电子剂的解毒,
亲电性毒物较为普遍的解毒方式是与亲核剂谷胱苷肽结合。该结合
反应可以是自发的，也可由谷胱甘肽 -S-转移酶催化。 Ag+,Cd2+、
Hg2+和 CH3Hg+等金属离子易与谷胱甘肽结合而解毒。亲电子剂较为特
殊的解毒机制是环氧化物和芳烃环氧化物被环氧化物水化酶催化分别
生成二醇类及二氢二醇类化合物。
其他的解毒方式还有，由 DL-黄递酶催化氢醌的双电子还原反应；醇
脱氢酶催化 α,β-不饱和醛还原成醇，或醛脱氢酶催化 α,β-不饱和醛氧化
成酸 ;金属硫蛋白与有巯基反应活性的金属离子形成复合物；具有氧化 -
还原活性的亚铁离子可为铁蛋白结合解毒。
解 毒
14 17 October 2011
（ 3） 亲核剂的解毒,
亲核剂一般通过亲核性功能基团的结合反应进行解毒。如羟基
化合物与硫酸或葡糖醛酸结合，硫醇类与葡糖醛酸结合，胺类和肼
类化合物被乙酰化。这些结合反应可防止过氧化物酶催化亲核剂生
成自由基，也可防止酚类、氨基酚类、儿茶酚类以及氢醌类化合物
经生物转化形成亲电性醌类及醌亚胺类化合物。消除硫醇类、胺类
及肼类化合物的另一机制是含黄素单加氧酶催化的氧化反应。乙醇
等醇类化合物可通过醇脱氢酶或醛脱氢酶催化的反应氧化成羧酸而
被解毒。硫氰酸酶催化的氰化物生成硫氰酸是较特殊的亲核剂解毒
机制。
解 毒
15 17 October 2011
（ 4） 自由基的解毒,
酶性抗氧化系统
a SOD：是一类含有不同辅基的金属结合酶家族, 如 CuZn-SOD,Fe-SOD
与 Mn-SOD。 它们在细胞内定位变化很大, CuZnSOD存在多种脏器内如肝脏,
红细胞, 而 Mn-SOD主要在线粒体 。 它的唯一生理功能是歧化超氧阴离子
(O2-·),生成 H2O2和 O2。
b 过氧化氢酶 （ CAT）,位于肝细胞和红细胞内过氧化小体中, 其主要
功能是将 H2O2转化为水 。
c GSH-Px（ GPO）,在机体内广泛存在, 能特异地催化谷胱苷肽对过氧
化物的还原反应, 使过氧化物转化为水或相应的醇类 。 可阻断脂质过氧
化的链锁反应 。
d 谷胱苷肽还原酶 （ GR）,其分布同 GSH-Px,主要功能是产生还原型
的谷胱苷肽 (GSH),以保护机体解毒功能的执行 。
e 心肌黄酶 (DT diaphorase):葡萄糖 -6-磷酸脱氢酶。
解 毒
16 17 October 2011
（ 4） 自由基的解毒,
非酶性抗氧化系统
在生物体系中广泛分布着许多小分子, 它们能通过非酶促反应而
清除氧自由基 。 例如, 维生素 C,维生素 E,GSH,尿酸, 牛磺酸和
次牛磺酸等 。
谷胱苷肽 (GSH)参与 GSH— Px的作用, 使过氧化物还原为 H2O和氧化
型谷胱苷肽 (GSSG)。 有些有毒化学物可耗竭肝脏 GSH而继发脂质过
氧化, 如丙烯腈, 苯乙烯等 。
维生素 E 它必须与膜结合才能发挥抗氧化作用。首先与氧自
由基反应，生成生育酚自由基，再由抗坏血酸 — GSH氧化还原偶联
反应而还原。它属于, 链断裂, 抗氧化剂，主要通过提供不稳定
的氧给过氧自由基和烷基自由基，从而防止脂质过氧化。
解 毒
17 17 October 2011
（ 5） 蛋白毒素的解毒,
胞内或胞外的蛋白酶可能在毒性多肽的解毒中起作用。在蛇
毒中发现的几种毒素 (如 α,β-环蛇毒素，永良部海蛇毒素，磷酯
酶 )中含有分子内二硫键，这些二硫键是其保持活性必不可少的
。硫氧化还原蛋白可使上述几种蛋白失活。硫氧化还原蛋白是
一种可还原必需二硫键的内源性二巯基蛋白。
解 毒
18 17 October 2011
第二节 终毒物与靶分子的反应
? 实际上所有的内源化合物都是毒物潜在的靶标，然而毒理学上
相关的靶标是 大分子,如 核酸（特别是 DNA）和蛋白质 。在小
分子中，膜脂质最为常见。
? 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性化学物转变为活性自由基
代谢物，这些自由基代谢物又使甲状腺过氧化物酶失活，这使
这些化学物抗甲状腺作用以及诱发甲状腺肿瘤的基础。
19 17 October 2011
一、反应的类型,
? 非共价结合（ nonconvalent binding）,
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。
? 共价结合（ convalent binding）,
指化学毒物或其具有活性的代谢产物与机体的一些重要大分子发
生共价结合，从而改变核酸、蛋白质、酶、膜脂质等生物大分子
的化学结构与其生物学功能。 加合物 (adducts)指活性化学物与细
胞大分子之间通过共价键形成的稳定复合物。
? 去氢反应,
? 电子转移,
20 17 October 2011
毒物对靶分子的影响
(一 )脂质过氧化损害,
脂质过氧化 (lipid peroxidation),指主要由自由基引起的多不饱和
脂肪酸的氧化作用对生物膜具有强烈的破坏作用。
1.自由基的形成与脂质过氧化的关系
① 启动阶段,脂质过氧化是由一些脂链侧链甲叉碳上除去一个氢的
化合物所启动。 OH〃 是最重要的脂质过氧化的诱导物。
② 发展阶段, 已形成的自由基将作为启动子而产生新的自由基，使
反应发展下去。在发展阶段中，形成的自由基总数保持不变，一
种自由基团可经多种反应转变成另一种形式的自由基团。去氢后
的碳原子形成中心自由基 (L〃) 。与脂质过氧化反应关系最重要的
是脂质过氧化自由基和脂质过氧化物的形成。
③ 终止阶段, 只有二个自由基相互作用，才能使自由基反应链终止，
消除自由基。
21 17 October 2011
2．脂质过氧化的后果,
① 细胞器和细胞膜结构的改变和功能障碍 。
② 脂质过氧化物的分解产物具有细胞毒性，其中特别有害
的是一些不饱和醛类 。
③对 DNA影响,
一是脂质过氧化自由基和烷基自由基可引起 DNA碱基，
特别是鸟嘌呤碱基的氧化；
一是脂质过氧化物的分解产物，丙二醛可以共价结合
方式导致 DNA链断裂和交联。
④对低密度脂蛋白 (LDL)的作用。
22 17 October 2011
（ 二 ） 蛋白质的氧化损伤
1,机制,
(1)对脂肪族氨基酸氧化损伤最常见的途径为：在 α-位臵
上将一个氢原子除去, 形成 C— 中心自由基, 再加氧其上,
生成过氧基衍生物 。 后者分解成 NH3及 α-酮酸, 或生成
NH3,CO2与醛类或羧酸, 破坏脂肪族氨基酸的结构 。
(2)芳香氨基酸很少出现 α-除氢, 而多出现羟基衍生物 。
后者可将苯环打开或在酪氨酸处交联成二聚体 。
毒物对靶分子的影响
23 17 October 2011
（ 二 ） 蛋白质的氧化损伤
1,机制,
(3)由过渡金属介导出现氧化损伤, 主要通过 Fenton反应 。
其损伤特点为部位特异性 。 因为, 在蛋白质结构内只
有某个或几个金属结合部位的氨基酸受到影响 。
(4)脂质过氧化的自由基中间产物作用, 如烷氧自由基
(LO·)和过氧自由基 (LOO·),可与过氧化脂质紧密联系
的蛋白质反应 。
24 17 October 2011
（ 二 ） 蛋白质的氧化损伤
2．后果
氧化的后果是凝集与交联, 或是蛋白质的降解
与断裂, 这主要取决于蛋白质成分的特征及自由
基的种类 。
对蛋白质影响表现在二个方面,
直接作用
间接作用
25 17 October 2011
（ 三 ） 核酸的氧化损伤,
1,碱基损伤
活性氧攻击 DNA的靶位点是腺嘌呤与鸟嘌呤的 C8，
嘧啶的 C5与 C6双键 。 其可能的机制为,
① 氧自由基直接作用于双键部位, 使之获得一个加合
基而改变其结构 。
② ·OH使脱氧核苷脱嘌呤, 即自由基可使 DNA链上出
现无嘌呤或无嘧啶部位 。
③ ·OH可以自动从胸嘧啶的甲基中除去 H原子 。
毒物对靶分子的影响
26 17 October 2011
（ 三 ） 核酸的氧化损伤,
2,DNA链断裂,
① ·OH对 DNA的攻击, 主要针对 DNA分子中的核糖部
分, 可能的位臵在 DNA分子中核糖的 3’和 4’碳位上,
造成 DNA链的断裂 。
② 自由基对胸腺嘧啶碱基作用, 造成的损害经修复酶
切除, 可产生类似的单链断裂 。
③ 氧化应激可启动细胞内的一系列代谢过程, 激活核
酸酶, 导致 DNA链的断裂 。
27 17 October 2011
（ 三 ） 核酸的氧化损伤,
DNA链断裂在基因突变的形成过程中有重要意义 。 DNA链断
裂后, 有下列途径产生突变,
① DNA链断裂造成部分碱基的缺失；
② DNA链断裂后, 正常的细胞将启动修复过程, 多种酶可以
辨别 DNA内异常, 并通过切割, 再合成, 重合等途径使之修
复 。 如酶也受自由基破坏或功能难以达到修复的要求, 可能
造成被修复的 DNA碱基的错误掺入和错误编码；
③ 可能引起癌基因的活化, 或抑癌基因的失活 。
28 17 October 2011
第三节 细胞功能障碍与毒性
一 毒物引起的细胞调节功能障碍,
（一）基因表达调节障碍,
1 转录调节障碍,
遗传信息从 DNA转录给 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的形成，促使相
毗邻的基因的转录。外源化学物可与基因的启动子区域、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。
29 17 October 2011
一 毒物引起的细胞调节功能障碍,
（一）基因表达调节障碍,
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 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，如
c-Fos 和 c-Jun蛋白等。
化学物可通过多种途径引起信号转导的异常，最常见的是通过
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。
30 17 October 2011
一 毒物引起的细胞调节功能障碍,
（二）细胞瞬息活动的调节障碍,
特定细胞正常运行的控制是通过作用与膜受体的
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。
31 17 October 2011
二、毒物引起的细胞维持功能改变,
?ATP耗竭,
ATP作为生物合成的化学物质和能量的主要来源在
细胞维持中起核心作用。它对肌肉收缩和细胞骨架的聚
合作用、细胞运动、细胞分裂、囊泡转运提供能量和维
持细胞形态都是必不可少的。
化学能通过 ATP水解为 ADP或 AMP的形式来释放。
ADP在线粒体中由 ATP合酶重新磷酸化。化学物可阻碍
这些过程，干扰线粒体 ATP合成。
?细胞内 Ca2+稳态失调,
32 17 October 2011
?细胞内钙稳态
?细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性
?钙稳态失调的机制
33 17 October 2011
细胞内钙稳态
在细胞静息状态下细胞内游离的 Ca2+仅为 10-
7mol/L，而细胞外液 Ca2+则达 10-3mol/L。当细胞
处于兴奋状态，第一信使转递信息，则细胞内游离
Ca2+迅速增多可达 10-5mol/L，此后再降低至 10-
7mol/L，完成信息转递循环。认为 Ca2+是体内第二
信使 。上述 Ca2+浓度的变化过程呈稳态状，称为 细
胞内钙稳态 。
34 17 October 2011
细胞内钙稳态
在细胞内的钙有两种类型，游离的钙离子和与蛋白
质结合的钙。与钙结合的蛋白有两种类型，一是结合在
细胞膜或细胞器膜内的蛋白质上，二是结合在可溶性蛋
白质上。激动剂刺激引起细胞 Ca2+动员，可调节细胞的
多种生物功能，包括肌肉收缩、神经转导、细胞分泌、
细胞分化和增殖。 Ca2+在细胞功能的调节中起了一种信
使作用，负责将激动剂的刺激信号传给细胞内各种酶反
应系统或功能性蛋白。
35 17 October 2011
Ca2+信使作用实现
?Ca2+与钙结合蛋白,如钙调蛋白 (CaM)。
?Ca2+与 cAMP,
?Ca2+与蛋白激酶 C(PKC),磷脂酶 C(PLC),
?Ca2+与离子通道,
36 17 October 2011
细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性
?重金属离子
?农药
?四氯化碳
37 17 October 2011
重金属离子
? 主要有铅和镉 。
? 铅一方面与 Ca2+及 CaM结合, 激活 Ca-CaM依赖酶系 。 另一
方面高浓度时与细胞内巯基激活, 可抑制 Ca-— CaM依赖
酶系, 并呈剂量依赖的双相效应 。 可见铅的中毒机制中
Ca2+有重要意义 。
? 镉可使 CaM含量减少 。 表现为免疫系统, 雄性生殖系统
以及心肌等改变, 有的可用钙调素拮抗剂来预防或减轻
损伤作用 。
38 17 October 2011
农药
? 拟除虫菊酯为神经毒化合物，有研究发现它可使神
经细胞内游离钙浓度增高，可能与其抑制 Ca2+,Mg2+-
ATPase,CaM和磷酸二酯酶 (PEE)有关。当然，拟除
虫菊酪对钙稳态的影响有复杂的机制，且与其具体
化学结构有关。
39 17 October 2011
四氯化碳
? 它可抑制肝细胞微粒体 Ca2+ - ATPase，表现为肝
内质网酶活性改变及钙的蓄积。其机制可能是
CCl4可在肝脏氧化产生自由基，后者攻击 Ca2+ -
ATPase上的巯基，使酶活性下降；另外,Ca2+浓度
增加，可激活某些酶，如磷酸化酶 a。
40 17 October 2011
钙稳态失调的机制
? 细胞内钙稳态的失调
细胞 Ca2+信号的改变在各种病理及毒理学过程
中起重要的作用。在细胞受损时可导致 Ca2+内流增
加，或 Ca2+从细胞内贮存部位释放增加，或抑制细
胞膜向外逐出 Ca2+，表现为细胞内 Ca2+浓度不可控
制的持续增加，即打破细胞内钙稳态，或称为 细
胞内钙稳态的失调 。
41 17 October 2011
钙稳态失调的机制
?钙稳态失调学说
Ca2+这种失调或紊乱，将完全破坏正常生命活
动所必需的由激素和生长因子刺激而产生的短暂
的 Ca2+瞬变，危及细胞器的功能和细胞骨架结构，
最终激活不可逆的细胞成分的分解代谢过程。这
就是所谓中毒机制中钙稳态失调学说。
42 17 October 2011
钙稳态失调的机制
?钙的浓度变化，可通过下列途径造成细胞损伤,
? 正常的激素和生长因子刺激的 Ca2+信号的受损。
? 钙依赖性降解酶的活化，包括蛋白酶、磷脂酶和核
酸内切酶。
? 损伤细胞骨架
? 损害线粒体
? 与细胞凋亡有关
卫生毒理学教研室
2004.5
2 17 October 2011
第四章 毒性机制
第一节 外源化学物的增毒与终毒物的形成
第二节 终毒物与靶分子的反应
第三节 细胞功能障碍与毒性
3 17 October 2011
第一节 外源化学的增毒与终毒物的形成
概念,
?终毒物 （ ultimate toxicant）是指与内源靶分子（如受体、酶、
DNA、微丝蛋白、脂质）反应或严重地改变生物学（微）环境、
启动结构和（或）功能而表现出毒性的物质。
? 终毒物可为机体所暴露的 原化学物 （母化合物）；而另外一些毒
物的毒性主要是由于 其代谢物 引起，生物转化为有害产物的过程
称为 增毒（ toxication）或代谢活化 （ metabolic activation）。
? 最为多见的情况是增毒使外源化学物如氧和氧化氮（ NO）转变为：
亲电子、自由基、亲核物、氧化还原性反应物。
? 毒效应的强度主要取决于终毒物在其作用位点的浓度及持续
时间。
4 17 October 2011
化学毒物产生毒性的可能途径
化学毒物
吸收、分布、代谢、排泄
与靶分子相互作用
细胞功能失调、损伤
细胞修复功能失调
毒
性
①
②
③
5 17 October 2011
亲电子剂的形成
? 亲电子剂 是含有一个缺电子原子（带部分或全部正电荷）
的分子。该缺电子原子中的部分或全部阳电荷使其很容易
通过共享电子对的方式与亲核剂中富含电子的原子反应。
? 化学物在代谢活化时形成非离子亲电子剂。亲电子剂经常
是在外源化合物被细胞色素 P-450或其他酶氧化成酮类、环
氧化物及芳烃氧化物,α,β-不饱和酮及醛类、醌类或醌亚胺
类以及酰基卤等过程中形成的。
6 17 October 2011
苯并 (a)芘 [benzo (a) pyrene,BaP]
P-450
7,8-环氧苯并 (a)芘
7,8-二羟 -BaP
7,8-二羟基 -9,10-环氧 BaP
环氧化物水解
酶
(终致癌物 )
7 17 October 2011
自由基形成
? 自由基 （ free radicals） 是独立游离存在的带有不成对电
子的分子、原子或离子 。自由基主要是由于化合物的共价
键发生均裂而产生。其共同特点是：具有顺磁性、其化学
性质十分活泼、反应性极高，因而半减期极短，一般仅能
以 μ s计，作用半径短。
? 在与生物体有关的自由基中，最主要的是氧中心自由基，
这类自由基持续不断地在机体内产生。 活性氧 (reactive
oxygen species,ROS)这个术语实际上是一个集合名词，不
仅包括氧中心自由基如 O2-??，和 ·OH，而且也包括某些氧的
非自由基衍生物，如 H2O2、单线态氧和次氯酸，甚至还包
括过氧化物、氢过氧化物和内源性脂质及外来化合物的环
氧代谢物，因为它们都含有化学性质活泼的含氧功能基团。
8 17 October 2011
自由基的来源与类型
9 17 October 2011
? 自由基在生物体内来源有二, 一是细胞正常生理过程产生；二
是化学毒物在体内代谢过程产生。
? 许多外来化合物 可通过各种不同途径产生自由基,但其中最主
要的途径是通过 氧化还原反应（ redox cycling） 。它通过加
入一个单电子使化学物还原为不稳定的中间产物，随后这个电
子转移给分子氧而形成超氧阴离子自由基 (O2-·)，而中间产物
则再生为原化学物。如：百草枯 (PQ++)、阿霉素 (DR)和硝化呋
喃托英 (NF)可从还原酶接受一个电子形成自由基。
自由基形成
10 17 October 2011
亲核物的形成
?亲核物的形成是毒物活化作用较少见的一种机制 。
例如：苦杏仁经肠道 β －糖苷酶催化形成氰化物；
丙烯氰环氧化和随后谷胱甘肽结合形成的氰化物；
以及硝普钠经巯基诱导降解后形成氰化物, 等 。
11 17 October 2011
氧化还原活性还原剂的形成
?除了上述那些机制外，还存在着一种特殊的产生氧
化还原活性还原剂的机制。 引起高铁血红蛋白的亚
硝酸盐，既可在小肠中由硝酸盐经细菌还原生成，
也可由亚硝酸酯或硝酸酯与谷胱甘肽反应而生成。
还原性化合物如抗坏血酸等以及 NADPH依赖性黄素
酶等还原酶可使 Cr6+还原为 Cr5+。 Cr5+反过来又可催
化 HO·生成。
12 17 October 2011
解 毒
（ 1） 无功能基团毒物的解毒,
一般情况下，苯和甲苯等不含功能基团化学物的解毒分两
相。首先，通常由细胞色素 P— 450将羧基和羟基等功能基团引
入分子中。随后，通过转移酶将内源性酸如葡糖醛酸、硫酸或
氨基酸结合到这些功能基团上。除了某些例外，多数化合物的
最终产物无反应活性，是易于排泄的高度亲水的有机酸。
13 17 October 2011
（ 2） 亲电子剂的解毒,
亲电性毒物较为普遍的解毒方式是与亲核剂谷胱苷肽结合。该结合
反应可以是自发的，也可由谷胱甘肽 -S-转移酶催化。 Ag+,Cd2+、
Hg2+和 CH3Hg+等金属离子易与谷胱甘肽结合而解毒。亲电子剂较为特
殊的解毒机制是环氧化物和芳烃环氧化物被环氧化物水化酶催化分别
生成二醇类及二氢二醇类化合物。
其他的解毒方式还有，由 DL-黄递酶催化氢醌的双电子还原反应；醇
脱氢酶催化 α,β-不饱和醛还原成醇，或醛脱氢酶催化 α,β-不饱和醛氧化
成酸 ;金属硫蛋白与有巯基反应活性的金属离子形成复合物；具有氧化 -
还原活性的亚铁离子可为铁蛋白结合解毒。
解 毒
14 17 October 2011
（ 3） 亲核剂的解毒,
亲核剂一般通过亲核性功能基团的结合反应进行解毒。如羟基
化合物与硫酸或葡糖醛酸结合，硫醇类与葡糖醛酸结合，胺类和肼
类化合物被乙酰化。这些结合反应可防止过氧化物酶催化亲核剂生
成自由基，也可防止酚类、氨基酚类、儿茶酚类以及氢醌类化合物
经生物转化形成亲电性醌类及醌亚胺类化合物。消除硫醇类、胺类
及肼类化合物的另一机制是含黄素单加氧酶催化的氧化反应。乙醇
等醇类化合物可通过醇脱氢酶或醛脱氢酶催化的反应氧化成羧酸而
被解毒。硫氰酸酶催化的氰化物生成硫氰酸是较特殊的亲核剂解毒
机制。
解 毒
15 17 October 2011
（ 4） 自由基的解毒,
酶性抗氧化系统
a SOD：是一类含有不同辅基的金属结合酶家族, 如 CuZn-SOD,Fe-SOD
与 Mn-SOD。 它们在细胞内定位变化很大, CuZnSOD存在多种脏器内如肝脏,
红细胞, 而 Mn-SOD主要在线粒体 。 它的唯一生理功能是歧化超氧阴离子
(O2-·),生成 H2O2和 O2。
b 过氧化氢酶 （ CAT）,位于肝细胞和红细胞内过氧化小体中, 其主要
功能是将 H2O2转化为水 。
c GSH-Px（ GPO）,在机体内广泛存在, 能特异地催化谷胱苷肽对过氧
化物的还原反应, 使过氧化物转化为水或相应的醇类 。 可阻断脂质过氧
化的链锁反应 。
d 谷胱苷肽还原酶 （ GR）,其分布同 GSH-Px,主要功能是产生还原型
的谷胱苷肽 (GSH),以保护机体解毒功能的执行 。
e 心肌黄酶 (DT diaphorase):葡萄糖 -6-磷酸脱氢酶。
解 毒
16 17 October 2011
（ 4） 自由基的解毒,
非酶性抗氧化系统
在生物体系中广泛分布着许多小分子, 它们能通过非酶促反应而
清除氧自由基 。 例如, 维生素 C,维生素 E,GSH,尿酸, 牛磺酸和
次牛磺酸等 。
谷胱苷肽 (GSH)参与 GSH— Px的作用, 使过氧化物还原为 H2O和氧化
型谷胱苷肽 (GSSG)。 有些有毒化学物可耗竭肝脏 GSH而继发脂质过
氧化, 如丙烯腈, 苯乙烯等 。
维生素 E 它必须与膜结合才能发挥抗氧化作用。首先与氧自
由基反应，生成生育酚自由基，再由抗坏血酸 — GSH氧化还原偶联
反应而还原。它属于, 链断裂, 抗氧化剂，主要通过提供不稳定
的氧给过氧自由基和烷基自由基，从而防止脂质过氧化。
解 毒
17 17 October 2011
（ 5） 蛋白毒素的解毒,
胞内或胞外的蛋白酶可能在毒性多肽的解毒中起作用。在蛇
毒中发现的几种毒素 (如 α,β-环蛇毒素，永良部海蛇毒素，磷酯
酶 )中含有分子内二硫键，这些二硫键是其保持活性必不可少的
。硫氧化还原蛋白可使上述几种蛋白失活。硫氧化还原蛋白是
一种可还原必需二硫键的内源性二巯基蛋白。
解 毒
18 17 October 2011
第二节 终毒物与靶分子的反应
? 实际上所有的内源化合物都是毒物潜在的靶标，然而毒理学上
相关的靶标是 大分子,如 核酸（特别是 DNA）和蛋白质 。在小
分子中，膜脂质最为常见。
? 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性化学物转变为活性自由基
代谢物，这些自由基代谢物又使甲状腺过氧化物酶失活，这使
这些化学物抗甲状腺作用以及诱发甲状腺肿瘤的基础。
19 17 October 2011
一、反应的类型,
? 非共价结合（ nonconvalent binding）,
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。
? 共价结合（ convalent binding）,
指化学毒物或其具有活性的代谢产物与机体的一些重要大分子发
生共价结合，从而改变核酸、蛋白质、酶、膜脂质等生物大分子
的化学结构与其生物学功能。 加合物 (adducts)指活性化学物与细
胞大分子之间通过共价键形成的稳定复合物。
? 去氢反应,
? 电子转移,
20 17 October 2011
毒物对靶分子的影响
(一 )脂质过氧化损害,
脂质过氧化 (lipid peroxidation),指主要由自由基引起的多不饱和
脂肪酸的氧化作用对生物膜具有强烈的破坏作用。
1.自由基的形成与脂质过氧化的关系
① 启动阶段,脂质过氧化是由一些脂链侧链甲叉碳上除去一个氢的
化合物所启动。 OH〃 是最重要的脂质过氧化的诱导物。
② 发展阶段, 已形成的自由基将作为启动子而产生新的自由基，使
反应发展下去。在发展阶段中，形成的自由基总数保持不变，一
种自由基团可经多种反应转变成另一种形式的自由基团。去氢后
的碳原子形成中心自由基 (L〃) 。与脂质过氧化反应关系最重要的
是脂质过氧化自由基和脂质过氧化物的形成。
③ 终止阶段, 只有二个自由基相互作用，才能使自由基反应链终止，
消除自由基。
21 17 October 2011
2．脂质过氧化的后果,
① 细胞器和细胞膜结构的改变和功能障碍 。
② 脂质过氧化物的分解产物具有细胞毒性，其中特别有害
的是一些不饱和醛类 。
③对 DNA影响,
一是脂质过氧化自由基和烷基自由基可引起 DNA碱基，
特别是鸟嘌呤碱基的氧化；
一是脂质过氧化物的分解产物，丙二醛可以共价结合
方式导致 DNA链断裂和交联。
④对低密度脂蛋白 (LDL)的作用。
22 17 October 2011
（ 二 ） 蛋白质的氧化损伤
1,机制,
(1)对脂肪族氨基酸氧化损伤最常见的途径为：在 α-位臵
上将一个氢原子除去, 形成 C— 中心自由基, 再加氧其上,
生成过氧基衍生物 。 后者分解成 NH3及 α-酮酸, 或生成
NH3,CO2与醛类或羧酸, 破坏脂肪族氨基酸的结构 。
(2)芳香氨基酸很少出现 α-除氢, 而多出现羟基衍生物 。
后者可将苯环打开或在酪氨酸处交联成二聚体 。
毒物对靶分子的影响
23 17 October 2011
（ 二 ） 蛋白质的氧化损伤
1,机制,
(3)由过渡金属介导出现氧化损伤, 主要通过 Fenton反应 。
其损伤特点为部位特异性 。 因为, 在蛋白质结构内只
有某个或几个金属结合部位的氨基酸受到影响 。
(4)脂质过氧化的自由基中间产物作用, 如烷氧自由基
(LO·)和过氧自由基 (LOO·),可与过氧化脂质紧密联系
的蛋白质反应 。
24 17 October 2011
（ 二 ） 蛋白质的氧化损伤
2．后果
氧化的后果是凝集与交联, 或是蛋白质的降解
与断裂, 这主要取决于蛋白质成分的特征及自由
基的种类 。
对蛋白质影响表现在二个方面,
直接作用
间接作用
25 17 October 2011
（ 三 ） 核酸的氧化损伤,
1,碱基损伤
活性氧攻击 DNA的靶位点是腺嘌呤与鸟嘌呤的 C8，
嘧啶的 C5与 C6双键 。 其可能的机制为,
① 氧自由基直接作用于双键部位, 使之获得一个加合
基而改变其结构 。
② ·OH使脱氧核苷脱嘌呤, 即自由基可使 DNA链上出
现无嘌呤或无嘧啶部位 。
③ ·OH可以自动从胸嘧啶的甲基中除去 H原子 。
毒物对靶分子的影响
26 17 October 2011
（ 三 ） 核酸的氧化损伤,
2,DNA链断裂,
① ·OH对 DNA的攻击, 主要针对 DNA分子中的核糖部
分, 可能的位臵在 DNA分子中核糖的 3’和 4’碳位上,
造成 DNA链的断裂 。
② 自由基对胸腺嘧啶碱基作用, 造成的损害经修复酶
切除, 可产生类似的单链断裂 。
③ 氧化应激可启动细胞内的一系列代谢过程, 激活核
酸酶, 导致 DNA链的断裂 。
27 17 October 2011
（ 三 ） 核酸的氧化损伤,
DNA链断裂在基因突变的形成过程中有重要意义 。 DNA链断
裂后, 有下列途径产生突变,
① DNA链断裂造成部分碱基的缺失；
② DNA链断裂后, 正常的细胞将启动修复过程, 多种酶可以
辨别 DNA内异常, 并通过切割, 再合成, 重合等途径使之修
复 。 如酶也受自由基破坏或功能难以达到修复的要求, 可能
造成被修复的 DNA碱基的错误掺入和错误编码；
③ 可能引起癌基因的活化, 或抑癌基因的失活 。
28 17 October 2011
第三节 细胞功能障碍与毒性
一 毒物引起的细胞调节功能障碍,
（一）基因表达调节障碍,
1 转录调节障碍,
遗传信息从 DNA转录给 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的形成，促使相
毗邻的基因的转录。外源化学物可与基因的启动子区域、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。
29 17 October 2011
一 毒物引起的细胞调节功能障碍,
（一）基因表达调节障碍,
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 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，如
c-Fos 和 c-Jun蛋白等。
化学物可通过多种途径引起信号转导的异常，最常见的是通过
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。
30 17 October 2011
一 毒物引起的细胞调节功能障碍,
（二）细胞瞬息活动的调节障碍,
特定细胞正常运行的控制是通过作用与膜受体的
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。
31 17 October 2011
二、毒物引起的细胞维持功能改变,
?ATP耗竭,
ATP作为生物合成的化学物质和能量的主要来源在
细胞维持中起核心作用。它对肌肉收缩和细胞骨架的聚
合作用、细胞运动、细胞分裂、囊泡转运提供能量和维
持细胞形态都是必不可少的。
化学能通过 ATP水解为 ADP或 AMP的形式来释放。
ADP在线粒体中由 ATP合酶重新磷酸化。化学物可阻碍
这些过程，干扰线粒体 ATP合成。
?细胞内 Ca2+稳态失调,
32 17 October 2011
?细胞内钙稳态
?细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性
?钙稳态失调的机制
33 17 October 2011
细胞内钙稳态
在细胞静息状态下细胞内游离的 Ca2+仅为 10-
7mol/L，而细胞外液 Ca2+则达 10-3mol/L。当细胞
处于兴奋状态，第一信使转递信息，则细胞内游离
Ca2+迅速增多可达 10-5mol/L，此后再降低至 10-
7mol/L，完成信息转递循环。认为 Ca2+是体内第二
信使 。上述 Ca2+浓度的变化过程呈稳态状，称为 细
胞内钙稳态 。
34 17 October 2011
细胞内钙稳态
在细胞内的钙有两种类型，游离的钙离子和与蛋白
质结合的钙。与钙结合的蛋白有两种类型，一是结合在
细胞膜或细胞器膜内的蛋白质上，二是结合在可溶性蛋
白质上。激动剂刺激引起细胞 Ca2+动员，可调节细胞的
多种生物功能，包括肌肉收缩、神经转导、细胞分泌、
细胞分化和增殖。 Ca2+在细胞功能的调节中起了一种信
使作用，负责将激动剂的刺激信号传给细胞内各种酶反
应系统或功能性蛋白。
35 17 October 2011
Ca2+信使作用实现
?Ca2+与钙结合蛋白,如钙调蛋白 (CaM)。
?Ca2+与 cAMP,
?Ca2+与蛋白激酶 C(PKC),磷脂酶 C(PLC),
?Ca2+与离子通道,
36 17 October 2011
细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性
?重金属离子
?农药
?四氯化碳
37 17 October 2011
重金属离子
? 主要有铅和镉 。
? 铅一方面与 Ca2+及 CaM结合, 激活 Ca-CaM依赖酶系 。 另一
方面高浓度时与细胞内巯基激活, 可抑制 Ca-— CaM依赖
酶系, 并呈剂量依赖的双相效应 。 可见铅的中毒机制中
Ca2+有重要意义 。
? 镉可使 CaM含量减少 。 表现为免疫系统, 雄性生殖系统
以及心肌等改变, 有的可用钙调素拮抗剂来预防或减轻
损伤作用 。
38 17 October 2011
农药
? 拟除虫菊酯为神经毒化合物，有研究发现它可使神
经细胞内游离钙浓度增高，可能与其抑制 Ca2+,Mg2+-
ATPase,CaM和磷酸二酯酶 (PEE)有关。当然，拟除
虫菊酪对钙稳态的影响有复杂的机制，且与其具体
化学结构有关。
39 17 October 2011
四氯化碳
? 它可抑制肝细胞微粒体 Ca2+ - ATPase，表现为肝
内质网酶活性改变及钙的蓄积。其机制可能是
CCl4可在肝脏氧化产生自由基，后者攻击 Ca2+ -
ATPase上的巯基，使酶活性下降；另外,Ca2+浓度
增加，可激活某些酶，如磷酸化酶 a。
40 17 October 2011
钙稳态失调的机制
? 细胞内钙稳态的失调
细胞 Ca2+信号的改变在各种病理及毒理学过程
中起重要的作用。在细胞受损时可导致 Ca2+内流增
加，或 Ca2+从细胞内贮存部位释放增加，或抑制细
胞膜向外逐出 Ca2+，表现为细胞内 Ca2+浓度不可控
制的持续增加，即打破细胞内钙稳态，或称为 细
胞内钙稳态的失调 。
41 17 October 2011
钙稳态失调的机制
?钙稳态失调学说
Ca2+这种失调或紊乱，将完全破坏正常生命活
动所必需的由激素和生长因子刺激而产生的短暂
的 Ca2+瞬变，危及细胞器的功能和细胞骨架结构，
最终激活不可逆的细胞成分的分解代谢过程。这
就是所谓中毒机制中钙稳态失调学说。
42 17 October 2011
钙稳态失调的机制
?钙的浓度变化，可通过下列途径造成细胞损伤,
? 正常的激素和生长因子刺激的 Ca2+信号的受损。
? 钙依赖性降解酶的活化，包括蛋白酶、磷脂酶和核
酸内切酶。
? 损伤细胞骨架
? 损害线粒体
? 与细胞凋亡有关
