第六节细胞功能丧失导致毒性_药物毒理学-QQ阅读男生科幻网

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第六节　细胞功能丧失导致毒性

药物及其代谢产物与靶分子反应可能导致细胞功能损伤。多细胞生物体的每一个细胞都执行既定的程序，这些程序对于细胞功能非常重要。某些程序决定细胞是分裂、分化还是凋亡，其他程序控制分化细胞正在进行的活动。为了调控这些细胞程序，细胞拥有信号转导的网络，它可通过外来信号分子激活或抑制该网络。

毒物与靶分子反应后，如果靶分子与细胞调节(信号转导)有关，会导致基因表达和(或)暂时的细胞功能失调;如果靶分子是维持细胞内部稳定的重要分子，细胞功能就会由此丧失。

一、有毒物质介导的细胞功能失调

信号分子激活特定的细胞受体，链接到信号转导网络，再将信号传递至基因调控区和(或)功能蛋白，从而调节细胞。受体的激活最终可能导致特定蛋白质的基因表达和(或)化学修饰的改变，这一过程主要靠磷酸化作用实现。控制细胞命运的程序主要影响基因表达，而那些调节正在进行的活动的程序则主要影响功能蛋白的活动;但是一种信号常可引起两种甚至多种反应，因为信号网络存在分支和交叉连接。

(一)基因表达失调

基因表达失调可能发生在与转录直接相关的元件上，也可能在细胞内信号转导途径的组成部分以及合成、储存或释放细胞外信号分子这一环节发生。

1.转录失调

遗传信息由DNA转录至mRNA大多是由转录因子( transcription factor，TF)与基因调节或启动区的相互作用而控制的。药物及其代谢产物可能与基因的启动区、TF或者转录启动复合物的其他成分发生作用。转录失调最常见的形式是TF活化作用的改变。

许多天然化合物如激素和维生素是通过结合TF并将其激活来影响基因表达的。天然的或外源性的配体在达到极高剂量或个体发育的关键时期可能引起相关毒性。其他作用于TF的化合物也可通过过度表达多种基因而改变细胞分化的形式。

2.信号转导失调

细胞外信号分子如生长因子、白细胞介素、激素和神经递质可以通过作用于细胞表面受体和细胞内信号转导网络最终激活TF。一些重要的信号激活TF后控制着基因的转录活性，而这些基因影响细胞周期的发展，因而也决定细胞的命运。举例来说，c-Myc蛋白需与Max蛋白及其同源核苷酸序列结合，转化激活细胞周期蛋白D和E基因。激活的细胞周期蛋白再通过激活细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶来加速细胞分裂。有丝分裂源性信号分子介导细胞增生。

信号从细胞表面的受体到TF这一过程由连续的蛋白-蛋白相互作用和蛋白磷酸化反应传递，即一种信号分子磷酸化另一种蛋白，如有丝分裂原激活的激酶( mitogen-activated kinase，MAPK)，它使一种蛋白磷酸化后再激活另一种蛋白。例如，配体作用于细胞表面的生长因子受体产生自身磷酸化，这些磷酸化的受体与能激活Ras的调节蛋白结合。激活后的Ras启动MAPK级联反应，包括一系列蛋白激酶的磷酸化，最终激活TF。

这些信号转导物质大多数情况下(并不是全部)都是由蛋白激酶催化的磷酸化而激活，且由蛋白磷脂酶产生的去磷酸化而灭活。药物及其代谢产物可能引起信号转导的偏离，主要是因为蛋白磷酸化的改变而引起，偶尔也会通过改变信号蛋白的合成或降解，或者通过扰乱正常蛋白-蛋白相互作用或建立异常的蛋白-蛋白相互作用，从而干扰G蛋白的GTP酶的活性。

( 1)化学物质可改变信号转导而引起增生效应:

促进信号传感器磷酸化的外源性物质常常可促进有丝分裂与肿瘤的形成。如烟曲霉毒素B能激活蛋白激酶C( protein kinase C，PKC)，并模拟PKC的一种生理激活剂——二酰甘油( diacylglycerol，DAG)的作用。另一种PKC的生理激活剂——Ca ²⁺可被Pb ²⁺模拟。激活的PKC通过启动级联反应激活其他激酶并允许特定转录因子与DNA结合而促进线粒体的信号转导。蛋白激酶也可被外源性物质所改变的交互作用蛋白激活。

由磷脂酶引起的去磷酸化减少也可引起蛋白磷酸化的偏离。不同化学物质产生的促有丝分裂效应、氧化应激作用与磷脂酶受抑制有关。细胞中的可溶性蛋白磷脂酶2A( protein phosphatase 2A，PP2A)可能是负责逆转生长因子介导的MAPK的刺激，从而控制MAPK的活动过程。PP2A也可把已激活的磷脂酶从有丝分裂触发的蛋白激酶中转移出来。

除磷脂酶外，其他抑制性结合蛋白也可以控制信号转导过程。一种是IκB，它与核因子-κB ( nuclear factor kappa B，NF-κB)结合，阻止NF-κB进入细胞核发挥TFs的作用。在磷酸化作用下，IκB被降解，NF-κB释放。NF-κB在增生和信号增殖中起重要作用，同样它在炎症和急性反应中也很重要。IκB的降解和NF-κB的激活也可由氧化应激引起。

( 2)信号转导的化学改变引起抗增生效应:

细胞受损后若降低增生信号可能影响受损细胞的更替，降低增生信号后的作用路径为: Raf的抑制→IκB降解减少→NF-κB与DNA的结合减少→c-Myc mRNA表达的减少。正常促有丝分裂信号的下调是细胞走向凋亡的一个步骤。

3.细胞外信号产生失调

腺垂体分泌的激素通过作用于细胞表面受体在外周内分泌腺发挥促有丝分裂的效应。垂体激素的产生受周围腺体产生的激素的负反馈控制。环路受干扰可逆地影响垂体激素的分泌，接着影响外周内分泌腺。垂体激素分泌的减少会引起细胞凋亡，进而累及周围的靶腺体。

(二)细胞活动失调

有毒物质可通过中断信号耦联的任一步骤来可逆地影响特定细胞中进行性细胞活动。

1.电兴奋细胞活动失调

许多外源性物质影响电兴奋细胞的活动，如神经元、骨骼肌细胞、心肌细胞和平滑肌细胞等。神经递质的释放和肌肉的收缩都是通过附近神经合成和释放的递质和调节剂控制的。

化学物质对进行性细胞活动的干扰可能是由于以下一些情况的改变:①神经递质的浓度;②受体功能;③细胞间信号转导;④信号终止过程。

( 1)神经递质水平的改变:

化学物质可能通过干扰神经递质的合成、储存、释放或从附近受体的清除而改变神经递质的突触水平。

( 2)毒物-神经递质的相互作用:

一些化学物质可直接与神经递质的受体相互作用，包括:①与受体的配体结合位点有关且能模拟天然配体的激动剂;②占据受体的配体结合位点但不能激活受体的拮抗剂;③活化剂;④与受体上的位点(不直接参与和配体结合)结合的抑制剂。激动剂和活化剂可模拟而拮抗剂和抑制剂则阻断具内源性配体特性的生理反应。

( 3)毒物-信号传感器的相互作用:

许多化学物质通过作用于信号转导过程而改变神经和肌肉的活动。电压门控式Na ⁺通道能传递和放大由配体门控式阳离子通道产生的兴奋信号，这一过程可被一些毒物激活或抑制。

( 4)毒物-信号终止子的相互作用:

离子流产生的细胞信号可通过通道离子的清除或通过转运体终止。离子清除受抑制则可延长兴奋效应。

2.其他细胞活动失调

许多信号机制作用于非兴奋性细胞，如外分泌腺细胞、库普弗细胞和胰腺β细胞，对这些过程的扰乱很少同时出现。

二、有毒物质介导的细胞内部及外部环境损伤

(一)细胞内部环境损伤

所有细胞为了生存必须合成内源性分子，组装成大分子复合物、细胞膜和细胞器，维持细胞内环境，并为细胞活动提供能量。可以干扰这些功能的有毒物质都将危害细胞的生存。化学物质引起细胞死亡时，有3种关键的生化反应失调发生: ATP减少、细胞内Ca ²⁺浓度持续升高、ROS和RNS过度产生。

1. ATP减少

ATP在细胞生命维持中起着核心作用，ATP既是生物合成的化学物质，也是主要的供能物质。ATP参与大量的生化反应，且可像核酸一样合并于辅助因子中。肌肉收缩和细胞骨架的聚合作用、细胞分裂、细胞的转运和细胞形态学的维持都需要ATP提供能量。ATP驱动的离子转运体是多种细胞功能维持的必要条件。

ATP水解为ADP或AMP可释放化学能。ADP在线粒体内经ATP合成酶催化下重新磷酸化，同时将氢氧化成水，这一过程称为氧化磷酸化。氧化磷酸化过程需要许多步才能完成，每一步均可被有毒物质干扰。主要干扰作用有:①干扰氢到电子传递链的传输;②抑制电子沿电子传递链传递到氧;③干扰氧传输到终端电子转运体、细胞色素氧化酶;④抑制ATP合成酶(氧化磷酸化的关键酶)的活性。抑制ATP的途径有:①直接抑制ATP合成酶;②干扰ADP的转运;③干扰无机磷的转运;④使ATP合成酶失去控制质子进入细胞质的能力。化学物质使ATP减少后最终可导致线粒体DNA损伤，由线粒体基因编码的特殊蛋白质合成也同样受到损伤。

2.细胞内Ca²⁺持续升高

细胞内Ca ²⁺水平是通过以下途径调节和维持:①质膜对Ca ²⁺的不渗透性;②从细胞质中将Ca ²⁺转运。细胞质中的Ca ²⁺转运可透过质膜被主动泵出，也可进入内质网和线粒体。

有毒物质可通过促进Ca ²⁺内流和抑制Ca ²⁺从细胞质中主动泵出使细胞质中Ca ²⁺浓度升高。配体和电压门控Ca ²⁺通道的开放或质膜的损伤都可引起Ca ²⁺顺浓度梯度从细胞外液流入细胞质。毒物也可以使线粒体和内质网中的Ca ²⁺漏出到细胞质，从而增加细胞质中的Ca ²⁺。它们还可以通过抑制Ca ²⁺转运体或减少推动力来减少Ca ²⁺外流。

细胞内Ca ²⁺持续升高会导致:①通过抑制氧化磷酸化所需的ATP酶而减少能量储备;②使微丝丧失功能;③激活水解酶;④产生ROS和RNA。

( 1)能量储备减少:

细胞质内高浓度Ca ²⁺可通过Ca ²⁺单向转运体(类似ATP合成酶)增加线粒体Ca ²⁺的摄取，从而使线粒体膜电位消失，ATP的合成受到抑制。而且，氧化线粒体NADH的物质可激活一种转运体，使Ca ²⁺从嵴间隙中释出。由线粒体造成的持续Ca ²⁺摄取与输出(“Ca ²⁺循环”)进一步损害了氧化磷酸化过程。

( 2)微丝功能丧失:

细胞质内Ca ²⁺上升的失控可通过使微丝分解而引起细胞损伤。细胞质内Ca ²⁺上升后引起肌动蛋白微丝从α-肌动蛋白、骨架蛋白及促进微丝固定于浆膜上的蛋白中分离出来，使膜趋向于破裂。

( 3)水解酶激活:

高水平的Ca ²⁺可能激活水解酶，从而使蛋白质、磷脂和核苷酸降解。许多完整的膜蛋白是Ca ²⁺激活的中性蛋白水解酶或钙激活蛋白酶的靶点。依靠Ca ²⁺的磷脂酶非选择性激活引起膜直接分解。Ca ²⁺，Mg ²⁺依赖性核酸内切酶的激活将会使染色质降解为片段。

( 4) ROS和RNS的过度产生:

一定数量的外源性物质可直接产生ROS和RNS，如氧化还原反应和金属的转运。ROS和RNS的过度产生继发于细胞内的钙离子浓度过高，因为Ca ²⁺活化三羧酸循环中的脱氢酶，使得电子传递链活性增加，继而增加超氧阴离子和HOOH的形成，同时激活氧化氮的合成而产生ONOO ^－，从而有助于ROS和(或) RNS的产生。

3.导致细胞损害途径之间的相互作用

主要表现在以下方面:

( 1)细胞内ATP储存的减少使细胞质和细胞膜上的Ca ²⁺泵的供能丧失，引起细胞质中Ca ²⁺浓度升高，线粒体膜电位Δψm减小，从而阻碍ATP合成酶的作用。

( 2)细胞内高钙促进ROS和RNS的形成，通过氧化使Ca ²⁺泵失活，从而加重高钙状态。

( 3) ROS和RNS也可以使ATP的储备丧失，如·NO是细胞色素氧化酶的可逆抑制剂。NO ⁺(亚硝鎓离子，是·NO的一种产物)可灭活3-磷酸甘油醛脱氢酶和影响糖酵解，ONOO ^－能不可逆地灭活电子传递链中一些化合物，从而抑制细胞内ATP的合成。

( 4) ONOO ^－导致DNA单链断开，从而激活poly( ADP-核糖)多聚酶［poly( ADP-ribose) polymerase，PARP］。活化的PARP将部分ADP-核糖从NAD ⁺转移至核蛋白和PARP本身，而NAD ⁺的消耗会损害ATP的合成，所以ONOO ^－引起的DNA损伤也会导致细胞能量的缺乏。

4.线粒体渗透性转变( mitochondrial permeability transition，MPT)导致细胞坏死

线粒体Ca ²⁺的摄入、线粒体膜电位的降低、ROS和RNS的产生、ATP的耗尽和由此引起的主要代谢紊乱(例如无机磷、游离脂肪酸和溶血磷脂的堆积)，这些都是导致线粒体内膜渗透性急剧增加的原因。MPT被认为是由一种跨线粒体膜的蛋白质核心开放，进而允许1500Da的溶质渗透造成的。蛋白质核心开放造成质子可自由渗入线粒体基质内，使膜电位迅速和完全消失，ATP的合成终止，水渗透性内流使线粒体肿胀，线粒体基质内积存的Ca ²⁺也可从这一孔道中外流，造成细胞质内Ca ²⁺浓度剧烈升高，这时的线粒体不仅无法合成ATP而且还要消耗ATP，因为线粒体内膜除极使得ATP合成酶逆向转变为ATP酶，水解ATP。因缺乏ATP，糖酵解无法进行，因为糖酵解过程中己糖激酶和果糖磷酸激酶也需消耗ATP。如果引起代谢紊乱的有毒物质作用强烈，使得绝大多数线粒体都发生MPT，那么细胞将出现非常危险的生物供能危机，并最终引起细胞溶解即细胞坏死。

5. MPT导致细胞凋亡

对细胞的能量代谢、Ca ²⁺水平和氧化还原状态有不良影响的化学物质不仅可引起细胞坏死，还可以导致细胞凋亡。坏死的细胞肿胀溶解，而凋亡细胞则萎缩，其核和细胞质物质浓缩，然后分解成有膜包被的碎片(凋亡小体)，随后被其他细胞吞噬。细胞凋亡过程是有序的过程，包括最终的细胞分解也是类似于级联反应的逐级激活的分解代谢过程。

大多数情况下化学物质引起细胞死亡的过程中都牵涉到线粒体，其中MPT是关键步骤。另一种引起细胞死亡的关键机制即细胞色素C( cytochrome c，cyt C)由线粒体释放进入细胞质也起重要作用。细胞色素C是一种血红素蛋白，一般存在于线粒体内外膜之间并黏附于线粒体内膜。

cyt C是线粒体内电子传递链的重要一环，它的缺失将会阻碍ATP的合成，增加超氧阴离子的形成。同时cyt C反映了一种信号或者作为导致细胞走向凋亡的反应链的开始环节。在ATP存在条件下，cyt C与一种调节蛋白结合，诱导半胱天冬酶或半胱氨酸蛋白水解酶的蛋白质裂解过程，这个过程可将细胞质中的蛋白裂解为碎片，而半胱天冬酶就是细胞凋亡的开始。一些半胱天冬酶(如2、8、9)可激活前半胱天冬酶，半胱天冬酶携带激活信号给效应器半胱天冬酶(如3、6、7)，它再作用于特定的细胞内蛋白，导致细胞凋亡。

MPT和cyt C的释放是细胞凋亡时具有决定性作用的过程，此过程均由Bcl-2族蛋白控制。Bcl-2族蛋白包括促进这一过程的蛋白( Bax、Bad、Bid)和抑制这一过程的蛋白( Bcl-2、Bcl-XL)，这些相互拮抗蛋白的相对数量起着控制细胞生存与死亡的关键作用。前凋亡Bax 和Bid蛋白也与在线粒体外启动细胞死亡过程有关联，通过细胞核内的DNA损伤和刺激细胞表面的特定受体——Fas受体可促使线粒体进入凋亡过程。DNA损伤诱导p53蛋白的稳定和活化，从而增加Bax蛋白的表达。DNA损伤有致突变和致癌的潜力，因此DNA损伤后的细胞凋亡是一种机体的重要保护机制。刺激Fas受体可直接激活半胱天冬酶，也可通过半胱天冬酶介导的另一个Bcl-2家族成员的激活促使线粒体进入死亡程序。

因此，凋亡可以通过多条途径实现，如线粒体损伤途径、DNA损伤途径和受体(如Fas配体或肿瘤坏死因子与各自的受体)活化途径等，启动哪条途径取决于最初的受累状态以及细胞的类型和状态，但这些途径都包括半胱天冬酶(凋亡酶)的激活。

6. ATP的可利用率决定细胞死亡的形式

许多外源性物质都可以引起细胞凋亡和坏死，毒性物质在低水平暴露和高水平早期暴露后有引起凋亡的趋势，高水平暴露的晚期将引起细胞坏死，ATP的可利用率是决定细胞死亡方式的关键。当只有少部分的线粒体发生MPT，它们或它们所携带的前凋亡信号(如cyt C)会被溶酶体的自身吞噬所清除，当很多线粒体发生MPT时，无法全部自身吞噬，cyt C从线粒体中释放，于是启动半胱天冬酶活化和凋亡过程。当几乎所有线粒体都发生MPT时，ATP严重不足，这时细胞溶解即细胞坏死就开始了。

(二)细胞外部环境损伤

有毒物质也可能损伤对其他细胞、组织或整个器官提供支持的细胞。具有肝毒性的化合物就具有这种特性。肝细胞能制造许多蛋白和营养物质并释放到血液中，它们能将血液中的胆固醇和胆红素转化为胆红素葡萄糖苷酸及胆汁酸，并排入胆汁中，这些过程出现障碍就会对机体和(或)肝脏出现损害。例如，香豆素类使肝脏凝血因子合成功能抑制后对肝脏无损害，但可能会因为出血导致死亡。禁食后，降糖氨酸能抑制肝脏糖异生，使大脑供糖受限，这也可能是致命的。同样，受到能诱导肝一氧化氮合酶的病毒感染后再服用水杨酸盐(能促进MPT)不但能引起肝细胞损伤，而且导致严重的代谢紊乱，并累及其他器官，出现临床诊断为Reye’s综合征的症状。