砷對細胞及細胞膜損傷的研究概況?468?4~,Ju120,2007,Vol26,No。4砷對細胞及細胞膜損傷的研究概況邱敬芝(綜述)張晨王生玲(審校)【關鍵詞】砷;細胞;細胞膜;DNA損傷砷是自然界中廣泛存在的一種物理元素。是月球200多種礦物質中的主要成份之一…。居住于特定地理環境下的村民通過常年攝取飲水,空氣或(和)食物中偏高的砷而導致以皮膚損害為主的四肢性慢性中毒。常年攝取無機砷(500i。ug/d)還可導致心血管系統,神經系統和腎臟功能的改變,也與糖尿病,皮膚癌,膀胱癌,腫瘤及前列腺瘤的發生有關。但到目前為止,砷毒性作用的準確機制尚不非常清楚。近些年來,砷及其毒性作用機制導致全球相關學者的極大關注并進行了廣泛的研究。作者就目前砷對細胞及細胞膜損害的可能機制綜述如下。砷與細胞膜的脂類二溴化脂類二溴化(,LP)是指機體通過酶促反應和非酶促反應形成的氧自由基功擊生物膜磷脂中多不飽和脂肪酸(acid。PUFA)而引發的一系列氧化過程。丙二醛(MDA)是自由基引起的脂類二溴化作用的最終分解產物。
可間接反映機體的LP水平。在正常情況下,機體形成的自由基被體內的酶系統迅速消除。進而使自由基對機體的殘害作用降至最低水平。細胞膜因含有不飽和脂肪酸而極易遭到損傷。在細胞膜脂類中,磷脂占70%以上。可提供磷,肌醇,膽堿及脂肪酸等營養物質。以保證生物膜上細胞色素C化酶,Na,K+-ArP酶等的活性。近來的研究顯示,砷的毒性作用是通過活性氧簇(ROS)引起的氧化應激反應介導的【4j。ROS包括二溴化氫(H202)和其他被稱為氧自由基的物理物質(二溴化物,臭氧和羥自由基)L63。一系列的基金項目:山西哈薩克自治區自然科學基金()作者單位:山西醫科學院公共衛生大學藥理學教研室(邱敬芝,張晨):內蒙自治區癌癥預防治制中心地方病科(王生玲)作者簡介:邱敬芝(1968一)。女。山東省蘭考縣人,碩士,主管技師,主要從事病理專業自由基產物可導致生物膜磷脂不飽和脂肪酸發生二溴化反應。使膜磷脂組成發生改變,即不飽和脂肪酸比列增加細胞膜損傷,飽和脂肪酸比列降低,進而使生物膜強度降低,膜內聚性和流動性增加,造成生物膜損傷,進而導致細胞功能損壞。過量的砷離子可直接功擊氧,干擾氧的代謝。破壞自由基平衡。
使體內自由基堆積,因而功擊膜系統造成脂類二溴化反應。而Pi研究覺得。慢性砷中毒所引起的組織臟器功能損害源于機體抗氧化系統功能障礙。導致ROS形成過多和/或消除不足以致堆積。超氧陰離子自由基()是多種自由基的派生源。當生成過多和(或)消除不足時,及其衍生物就可以直接損傷細胞而造成LP。因而,研究砷對的影響,可間接反映砷與LP關系。對和NB4細胞及大鼠子宮細胞的研究發覺。砷所造成的細胞自噬及亞砷絡合物所形成的遺傳毒性均有可能是H202和介導的l8】。而H202則是由含較低含量亞砷絡合物的內皮細胞所形成的。在由砷造成的上皮細胞瘤病人的皮膚中可測出由R0S誘導的DNA核苷酸修飾的主要產物(8--2')]。植物實驗顯示。小鼠飲水中添加亞砷絡合物(5mg/L)18周后細胞膜損傷,其動脈環中可測出,且尿中含H20:量顯著下降,說明慢性砷中毒時ROS形成降低是脂類二溴化物(LPO)水平增高的主要誘因之一。另外,體外實驗也證明亞砷酸鈉可顯著推動腎臟硫辛丙酯酯化酶形成。以上研究結果發覺,砷對的影響表現出某種不確定性。這些不確定性可能是因為實驗對象,染毒方法以及砷化物的物理結構和溶化度等眾多誘因的影響而導致綜上所述,砷與LP的關系可歸結為兩個方面:砷可直接參與的生成;砷可通過抑制或代償性提升個別抗氧化劑的水平,因而引起機體抗氧化防御系統平衡失調,從而間接導致LP。
人類慢綜述?性疾患或環境疾患中90%以上是由U促發的。許多細胞實驗,植物實驗和人群流行病學研究均已否認U】o在砷中毒發病機理中重要作用。但因為LPO缺少專情性和特異性。因而。LP在砷中毒的發病機制中的準確作用尚不完全清楚,如砷除抑制抗氧化酶類外是怎樣導致自由基增高的?砷在體內的代謝產物是否可作為自由基直接損傷細胞?那些都值得進一步闡述。砷與抗氧化劑機體內部存在著包括酶和非酶途徑在內的。廣泛而有效的抗氧化系統。其作用是控制ROS過量形成[11】。清除自由基對細胞的損害。2。1抗氧化系統中的酶類2。1。1超氧化物歧化酶(SOD):李富君等發覺。以亞砷酸鈉功擊大鼠24h其血清及腎臟組織中S0D活力隨染毒劑量降低而顯著增加,但低劑量組肝,腎組織中SOD活力顯著降低。而高劑量組的SOD活力則顯著減少。有關砷接觸人群體內SOD活性的變化也有報導。同時發覺,地方性砷中毒病人血清SOD活力顯著高于對照組。而血漿及尿中MDA平則顯著降低。且尿中MDA水平與尿砷呈正相關。但Pi等的研究數據卻顯示,慢性砷中毒時血清SOD活性并沒有發生顯著的改變。血漿LPO水平與血清SOD活性無相關性。提示地方性砷中毒病人U】o水平的降低和SOD活性并無關聯。
由此可見,各項有機砷對SOD性影響的研究并未得出完全一致的推論。許多問題尚有待于今后進一步研究否認。2。1。2蘆丁二溴化物酶(GSH—Px):是一種具有抗氧化作用的含硒甲基酶,是機體重要的抗氧化物質。研究表明,砷可抑制GSH—Px的活性。其機制主要是砷可與該酶中的吡啶結合,造成分子構型發生改變;另一方面。砷也干擾Fe",Cu2+Zn等主要輔基的代謝。植物實驗方病學刊物2007月20日第26塑in』』12Q,2:顯示。砷可顯著抑制GSH—Px活力,且具有顯著的劑量一效應關系[12J。孫貴范等通過對心肌細胞的研究發覺,隨染砷劑量的降低。細胞中的GSH—Px活性漸漸減少。而MDA水平則顯著增高。砷在體內可代謝為有機砷自由基,因而直接與含羥基的GSH—Px結合,使前者活性增加。由此可見,砷對GSH—Px活性的影響主要表現為抑制作用。2。2非酶類2。2。1砷與抗氧化作用:Pi等[7J的人體研究進一步顯示。砷可減少慢性砷中毒細胞中抗氧化劑水平。因而加速靶組織結構和功能的損害進程,從而引起相應病癥的發生。三氧化二砷(As20)的這些作用在使用了一種GSH合成酶選擇性抑制劑——BSO后得到提高。
而在使用了推動GSH合成的抗氧化劑——NAC后得到抑制。細胞內GSH缺位可引起線粒體形態和功能上的改變_14]。As20,的細胞毒性可受GSH水平調節。GSH降低。非常是線粒體內的GSH起線粒體膜電位改變_15】。而李富君等[16J鈉功擊大鼠24h后。發覺大鼠血中GSH隨染毒劑量降低而漸漸降低:亞慢性染周后。可見高劑量組顯著降低。超劑量組則顯著增加。提示血中GSH的高低與染毒劑量大小及時間長短有關。而在小鼠實驗中。未見GSH顯著降低。上述結果顯示。砷對GSH的影響可因染毒劑量,時間,動物種屬及受試物的不同而有所不同。因而。更準確的機制及其規律性則有待進一步澄清。2。2。2維生素E(VitE)與抗氧化作用:VitE為一種天然的抗氧化劑。是機體內具有廣泛生理功能的重要脂胺類維生素,主要存在于細胞膜和脂蛋白中。VitE的抗氧化作用機制與6基有關,它能通過消除氰基,為單糖的自由基提供一個氫原子。并使之與游離電子發生作用。因而阻斷脂類氧化的逐級放大反應,起到抗氧化作用。但也有研究發覺。偏低劑量的VitE攝取會起到促氧化劑的作用,造成抗氧化能力下滑。在體外實驗中。
鉛使VitE缺少的小鼠細胞膜延性降低。并小于體內含VitE量充足的小鼠,在使用鉛對預先以VitE進行保護的小鼠進行功擊時。與只服食鉛的對照組比較,肝組織中I降低。肝,腎組織中巰基化氫酶(CAT),SOD,GSH—Px性提高。表明VitE可發揮抗氧化作用,去除自由基。并能通過改變抗氧化酶的活性而在某種程度上減少鉛誘導的氧化應激。植物實驗表明,在低VitE,低硒狀態下,自由基消除系統的各類酶的活性增長,自由基代謝衰弱,并功擊其靶器官——膜系統。使心肌細胞膜及線粒體膜完整性遭到破壞。同時,也可激活呼吸鏈的旁路反應,進一步推動,H:,HO一等ROS的生成。綜上所述。VitE有穩定膜結構及抑制細胞膜脂類二溴化并作為鏈反應中止劑來中止類脂類的脂質二溴化,保護生物膜免受過氧化損傷。砷對I)NA的作用3。1砷與DNA損傷:人類細胞研究結果顯示。砷可導致細胞DNA氧化性損傷l1-223。DNA損傷后通常表現為單鏈斷裂,雙鏈破裂,DNA交聯和核苷酸氧化性損傷。DAN雙鏈破裂通常不易修補。直接引起細胞死亡;單鏈破裂是顯微鏡下看到的微核分子病理基礎。
但多數單鏈破裂很快被修補:核苷酸在遭遇氧化性損傷后可產生前突變體,修補較慢,因此可導致基因突變。這是多數細胞惡變的分子病理基礎:交聯包括DAN鏈交聯和DNA一蛋白質交聯。同一條DNA條DNA鏈上的核苷酸間可以共價鍵結合。DNA與蛋白質之間也會以共價鍵相連,組蛋白,染色質中的非組蛋白,調控蛋白以及與復制和轉錄有關的酶就會與DNA以共價鍵聯接。這種交聯是細胞在顯微鏡下看見的染色體畸變的分子基礎,可影響細胞的功能和DNA復制。另外。砷還是誘變劑。可形成染色單體畸變,并且單基因位點不形成突變。這種研究結果說明。DNA損傷是反映砷中毒的個特別敏感的分子生物標志物。細胞DNA的氧化性損傷最常見的表現是環狀核苷酸衍生物。可存在于靶組織中,可進入汗液從尿中排出。吡啶的氧化性損傷同樣存在,損傷后產生順式胸腺吡啶二醇基因。這些氧化性損傷是由氨基化砷二溴化物造成的,而不是由超氧陰離子或二溴化氫弓I3。2砷與DNA修補:究砷的羥基化代謝對基因損傷的作用時發覺,當人類肺臟上皮型細胞(L一132)細胞曝露于砷及其化合物時,只有曝露于二苯基砷酸(DMAA)時。
才觀察到L一132細胞的DNA修補合成。但當存在S一甲硫谷氨酸(SAM)時,曝露于單烷基砷酸(MMAA)也可觀察到L一132細胞的DNA修補合成。其結果表明砷化合物在體內參與烷基化代謝后再引起DNA傷修補。研究表明,砷是通過抑制參與DNA修補的蛋白酶類來實現其抑制做用的。人類細胞DNA修補系統中涉及多種具有特殊功能的修補蛋白酶,這種修復蛋白酶類屬鋅依賴蛋白,均富含鋅脂蛋白功能區,是與DNA結合的特異區域。砷可辨識并與鋅脂蛋白功能區結合產生加合物,或因為I造成羥基與二硫化氫之間的置換。進而抑制這種訊號傳導和修補蛋白酶類的活性。砷烷基化后對細胞的影響隨著砷中毒機制研究的不斷深入。砷的烷基化方式及其毒性作用越來越成為國外外學者關注的重點。原先覺得甲基化過程是活血過程。近些年來卻有不少人持反對觀點。據推斷砷的烷基化可能在推動惡性腦瘤的產生方面發揮重要作用。但是無機砷弓l起毒性作用的機制是很復雜的。由于它的新陳代謝過程起碼形成了5種起毒性作用的代謝產物。3砷(As)是分級轉換的。如下所示:As033一+CH3—'CHsO一+2e