砷對(duì)細(xì)胞及細(xì)胞膜損傷的研究概況?468?4~,Ju120,2007,Vol26,No。4砷對(duì)細(xì)胞及細(xì)胞膜損傷的研究概況邱敬芝(綜述)張晨王生玲(審校)【關(guān)鍵詞】砷;細(xì)胞;細(xì)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(zhì)中的主要成份之一…。居住于特定地理環(huán)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(dǎo)致以皮膚損害為主的四肢性慢性中毒。常年攝取無機(jī)砷(500i。ug/d)還可導(dǎo)致心血管系統(tǒng),神經(jīng)系統(tǒng)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(fā)生有關(guān)。但到目前為止,砷毒性作用的準(zhǔn)確機(jī)制尚不非常清楚。近些年來,砷及其毒性作用機(jī)制導(dǎo)致全球相關(guān)學(xué)者的極大關(guān)注并進(jìn)行了廣泛的研究。作者就目前砷對(duì)細(xì)胞及細(xì)胞膜損害的可能機(jī)制綜述如下。砷與細(xì)胞膜的脂類二溴化脂類二溴化(,LP)是指機(jī)體通過酶促反應(yīng)和非酶促反應(yīng)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(fā)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(chǎn)物。
可間接反映機(jī)體的LP水平。在正常情況下,機(jī)體形成的自由基被體內(nèi)的酶系統(tǒng)迅速消除。進(jìn)而使自由基對(duì)機(jī)體的殘害作用降至最低水平。細(xì)胞膜因含有不飽和脂肪酸而極易遭到損傷。在細(xì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。以保證生物膜上細(xì)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(yīng)激反應(yīng)介導(dǎo)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(zhì)(二溴化物,臭氧和羥自由基)L63。一系列的基金項(xiàng)目:山西哈薩克自治區(qū)自然科學(xué)基金()作者單位:山西醫(yī)科學(xué)院公共衛(wèi)生大學(xué)藥理學(xué)教研室(邱敬芝,張晨):內(nèi)蒙自治區(qū)癌癥預(yù)防治制中心地方病科(王生玲)作者簡(jiǎn)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(yè)自由基產(chǎn)物可導(dǎo)致生物膜磷脂不飽和脂肪酸發(fā)生二溴化反應(yīng)。使膜磷脂組成發(fā)生改變,即不飽和脂肪酸比列增加細(xì)胞膜損傷,飽和脂肪酸比列降低,進(jìn)而使生物膜強(qiáng)度降低,膜內(nèi)聚性和流動(dòng)性增加,造成生物膜損傷,進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)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(nèi)自由基堆積,因而功擊膜系統(tǒng)造成脂類二溴化反應(yīng)。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(jī)體抗氧化系統(tǒng)功能障礙。導(dǎo)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(dāng)生成過多和(或)消除不足時(shí),及其衍生物就可以直接損傷細(xì)胞而造成LP。因而,研究砷對(duì)的影響,可間接反映砷與LP關(guān)系。對(duì)和NB4細(xì)胞及大鼠子宮細(xì)胞的研究發(fā)覺。砷所造成的細(xì)胞自噬及亞砷絡(luò)合物所形成的遺傳毒性均有可能是H202和介導(dǎo)的l8】。而H202則是由含較低含量亞砷絡(luò)合物的內(nèi)皮細(xì)胞所形成的。在由砷造成的上皮細(xì)胞瘤病人的皮膚中可測(cè)出由R0S誘導(dǎo)的DNA核苷酸修飾的主要產(chǎn)物(8--2')]。植物實(shí)驗(yàn)顯示。小鼠飲水中添加亞砷絡(luò)合物(5mg/L)18周后細(xì)胞膜損傷,其動(dòng)脈環(huán)中可測(cè)出,且尿中含H20:量顯著下降,說明慢性砷中毒時(shí)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(shí)驗(yàn)也證明亞砷酸鈉可顯著推動(dòng)腎臟硫辛丙酯酯化酶形成。以上研究結(jié)果發(fā)覺,砷對(duì)的影響表現(xiàn)出某種不確定性。這些不確定性可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)對(duì)象,染毒方法以及砷化物的物理結(jié)構(gòu)和溶化度等眾多誘因的影響而導(dǎo)致綜上所述,砷與LP的關(guān)系可歸結(jié)為兩個(gè)方面:砷可直接參與的生成;砷可通過抑制或代償性提升個(gè)別抗氧化劑的水平,因而引起機(jī)體抗氧化防御系統(tǒng)平衡失調(diào),從而間接導(dǎo)致LP。
人類慢綜述?性疾患或環(huán)境疾患中90%以上是由U促發(fā)的。許多細(xì)胞實(shí)驗(yàn),植物實(shí)驗(yàn)和人群流行病學(xué)研究均已否認(rèn)U】o在砷中毒發(fā)病機(jī)理中重要作用。但因?yàn)長(zhǎng)PO缺少專情性和特異性。因而。LP在砷中毒的發(fā)病機(jī)制中的準(zhǔn)確作用尚不完全清楚,如砷除抑制抗氧化酶類外是怎樣導(dǎo)致自由基增高的?砷在體內(nèi)的代謝產(chǎn)物是否可作為自由基直接損傷細(xì)胞?那些都值得進(jìn)一步闡述。砷與抗氧化劑機(jī)體內(nèi)部存在著包括酶和非酶途徑在內(nèi)的。廣泛而有效的抗氧化系統(tǒng)。其作用是控制ROS過量形成[11】。清除自由基對(duì)細(xì)胞的損害。2。1抗氧化系統(tǒng)中的酶類2。1。1超氧化物歧化酶(SOD):李富君等發(fā)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(guān)砷接觸人群體內(nèi)SOD活性的變化也有報(bào)導(dǎo)。同時(shí)發(fā)覺,地方性砷中毒病人血清SOD活力顯著高于對(duì)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(guān)。但Pi等的研究數(shù)據(jù)卻顯示,慢性砷中毒時(shí)血清SOD活性并沒有發(fā)生顯著的改變。血漿LPO水平與血清SOD活性無相關(guān)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(guān)聯(lián)。
由此可見,各項(xiàng)有機(jī)砷對(duì)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(jìn)一步研究否認(rèn)。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(jī)體重要的抗氧化物質(zhì)。研究表明,砷可抑制GSH—Px的活性。其機(jī)制主要是砷可與該酶中的吡啶結(jié)合,造成分子構(gòu)型發(fā)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(shí)驗(yàn)方病學(xué)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(yīng)關(guān)系[12J。孫貴范等通過對(duì)心肌細(xì)胞的研究發(fā)覺,隨染砷劑量的降低。細(xì)胞中的GSH—Px活性漸漸減少。而MDA水平則顯著增高。砷在體內(nèi)可代謝為有機(jī)砷自由基,因而直接與含羥基的GSH—Px結(jié)合,使前者活性增加。由此可見,砷對(duì)GSH—Px活性的影響主要表現(xiàn)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(jìn)一步顯示。砷可減少慢性砷中毒細(xì)胞中抗氧化劑水平。因而加速靶組織結(jié)構(gòu)和功能的損害進(jìn)程,從而引起相應(yīng)病癥的發(fā)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(dòng)GSH合成的抗氧化劑——NAC后得到抑制。細(xì)胞內(nèi)GSH缺位可引起線粒體形態(tài)和功能上的改變_14]。As20,的細(xì)胞毒性可受GSH水平調(diào)節(jié)。GSH降低。非常是線粒體內(nèi)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(fā)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(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。而在小鼠實(shí)驗(yàn)中。未見GSH顯著降低。上述結(jié)果顯示。砷對(duì)GSH的影響可因染毒劑量,時(shí)間,動(dòng)物種屬及受試物的不同而有所不同。因而。更準(zhǔn)確的機(jī)制及其規(guī)律性則有待進(jìn)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(jī)體內(nèi)具有廣泛生理功能的重要脂胺類維生素,主要存在于細(xì)胞膜和脂蛋白中。VitE的抗氧化作用機(jī)制與6基有關(guān),它能通過消除氰基,為單糖的自由基提供一個(gè)氫原子。并使之與游離電子發(fā)生作用。因而阻斷脂類氧化的逐級(jí)放大反應(yīng),起到抗氧化作用。但也有研究發(fā)覺。偏低劑量的VitE攝取會(huì)起到促氧化劑的作用,造成抗氧化能力下滑。在體外實(shí)驗(yàn)中。
鉛使VitE缺少的小鼠細(xì)胞膜延性降低。并小于體內(nèi)含VitE量充足的小鼠,在使用鉛對(duì)預(yù)先以VitE進(jìn)行保護(hù)的小鼠進(jìn)行功擊時(shí)。與只服食鉛的對(duì)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(fā)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(dǎo)的氧化應(yīng)激。植物實(shí)驗(yàn)表明,在低VitE,低硒狀態(tài)下,自由基消除系統(tǒng)的各類酶的活性增長(zhǎng),自由基代謝衰弱,并功擊其靶器官——膜系統(tǒng)。使心肌細(xì)胞膜及線粒體膜完整性遭到破壞。同時(shí),也可激活呼吸鏈的旁路反應(yīng),進(jìn)一步推動(dòng),H:,HO一等ROS的生成。綜上所述。VitE有穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)及抑制細(xì)胞膜脂類二溴化并作為鏈反應(yīng)中止劑來中止類脂類的脂質(zhì)二溴化,保護(hù)生物膜免受過氧化損傷。砷對(duì)I)NA的作用3。1砷與DNA損傷:人類細(xì)胞研究結(jié)果顯示。砷可導(dǎo)致細(xì)胞DNA氧化性損傷l1-223。DNA損傷后通常表現(xiàn)為單鏈斷裂,雙鏈破裂,DNA交聯(lián)和核苷酸氧化性損傷。DAN雙鏈破裂通常不易修補(bǔ)。直接引起細(xì)胞死亡;單鏈破裂是顯微鏡下看到的微核分子病理基礎(chǔ)。
但多數(shù)單鏈破裂很快被修補(bǔ):核苷酸在遭遇氧化性損傷后可產(chǎn)生前突變體,修補(bǔ)較慢,因此可導(dǎo)致基因突變。這是多數(shù)細(xì)胞惡變的分子病理基礎(chǔ):交聯(lián)包括DAN鏈交聯(lián)和DNA一蛋白質(zhì)交聯(lián)。同一條DNA條DNA鏈上的核苷酸間可以共價(jià)鍵結(jié)合。DNA與蛋白質(zhì)之間也會(huì)以共價(jià)鍵相連,組蛋白,染色質(zhì)中的非組蛋白,調(diào)控蛋白以及與復(fù)制和轉(zhuǎn)錄有關(guān)的酶就會(huì)與DNA以共價(jià)鍵聯(lián)接。這種交聯(lián)是細(xì)胞在顯微鏡下看見的染色體畸變的分子基礎(chǔ),可影響細(xì)胞的功能和DNA復(fù)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(diǎn)不形成突變。這種研究結(jié)果說明。DNA損傷是反映砷中毒的個(gè)特別敏感的分子生物標(biāo)志物。細(xì)胞DNA的氧化性損傷最常見的表現(xiàn)是環(huán)狀核苷酸衍生物。可存在于靶組織中,可進(jìn)入汗液從尿中排出。吡啶的氧化性損傷同樣存在,損傷后產(chǎn)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(bǔ):究砷的羥基化代謝對(duì)基因損傷的作用時(shí)發(fā)覺,當(dāng)人類肺臟上皮型細(xì)胞(L一132)細(xì)胞曝露于砷及其化合物時(shí),只有曝露于二苯基砷酸(DMAA)時(shí)。
才觀察到L一132細(xì)胞的DNA修補(bǔ)合成。但當(dāng)存在S一甲硫谷氨酸(SAM)時(shí),曝露于單烷基砷酸(MMAA)也可觀察到L一132細(xì)胞的DNA修補(bǔ)合成。其結(jié)果表明砷化合物在體內(nèi)參與烷基化代謝后再引起DNA傷修補(bǔ)。研究表明,砷是通過抑制參與DNA修補(bǔ)的蛋白酶類來實(shí)現(xiàn)其抑制做用的。人類細(xì)胞DNA修補(bǔ)系統(tǒng)中涉及多種具有特殊功能的修補(bǔ)蛋白酶,這種修復(fù)蛋白酶類屬鋅依賴蛋白,均富含鋅脂蛋白功能區(qū),是與DNA結(jié)合的特異區(qū)域。砷可辨識(shí)并與鋅脂蛋白功能區(qū)結(jié)合產(chǎn)生加合物,或因?yàn)镮造成羥基與二硫化氫之間的置換。進(jìn)而抑制這種訊號(hào)傳導(dǎo)和修補(bǔ)蛋白酶類的活性。砷烷基化后對(duì)細(xì)胞的影響隨著砷中毒機(jī)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(guó)外外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。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(duì)觀點(diǎn)。據(jù)推斷砷的烷基化可能在推動(dòng)惡性腦瘤的產(chǎn)生方面發(fā)揮重要作用。但是無機(jī)砷弓l起毒性作用的機(jī)制是很復(fù)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(chǎn)物。3砷(As)是分級(jí)轉(zhuǎn)換的。如下所示:As033一+CH3—'CHsO一+2e