砷对细胞及细胞膜损伤的研究概况?468?4~,Ju120,2007,Vol26,No。4砷对细胞及细胞膜损伤的研究概况邱敬芝(综述)张晨王生玲(审校)【关键词】砷;细胞;细胞膜;DNA损伤砷是自然界中广泛存在的一种物理元素。是月球200多种矿物质中的主要成份之一…。居住于特定地理环境下的村民通过常年摄取饮水,空气或(和)食物中偏高的砷而导致以皮肤损害为主的四肢性慢性中毒。常年摄取无机砷(500i。ug/d)还可导致心血管系统,神经系统和肾脏功能的改变,也与糖尿病,皮肤癌,膀胱癌,肿瘤及前列腺瘤的发生有关。但到目前为止,砷毒性作用的准确机制尚不非常清楚。近些年来,砷及其毒性作用机制导致全球相关学者的极大关注并进行了广泛的研究。作者就目前砷对细胞及细胞膜损害的可能机制综述如下。砷与细胞膜的脂类二溴化脂类二溴化(,LP)是指机体通过酶促反应和非酶促反应形成的氧自由基功击生物膜磷脂中多不饱和脂肪酸(acid。PUFA)而引发的一系列氧化过程。丙二醛(MDA)是自由基引起的脂类二溴化作用的最终分解产物。
可间接反映机体的LP水平。在正常情况下,机体形成的自由基被体内的酶系统迅速消除。进而使自由基对机体的残害作用降至最低水平。细胞膜因含有不饱和脂肪酸而极易遭到损伤。在细胞膜脂类中,磷脂占70%以上。可提供磷,肌醇,胆碱及脂肪酸等营养物质。以保证生物膜上细胞色素C化酶,Na,K+-ArP酶等的活性。近来的研究显示,砷的毒性作用是通过活性氧簇(ROS)引起的氧化应激反应介导的【4j。ROS包括二溴化氢(H202)和其他被称为氧自由基的物理物质(二溴化物,臭氧和羟自由基)L63。一系列的基金项目:山西哈萨克自治区自然科学基金()作者单位:山西医科学院公共卫生大学药理学教研室(邱敬芝,张晨):内蒙自治区癌症预防治制中心地方病科(王生玲)作者简介:邱敬芝(1968一)。女。山东省兰考县人,硕士,主管技师,主要从事病理专业自由基产物可导致生物膜磷脂不饱和脂肪酸发生二溴化反应。使膜磷脂组成发生改变,即不饱和脂肪酸比列增加细胞膜损伤,饱和脂肪酸比列降低,进而使生物膜强度降低,膜内聚性和流动性增加,造成生物膜损伤,进而导致细胞功能损坏。过量的砷离子可直接功击氧,干扰氧的代谢。破坏自由基平衡。
使体内自由基堆积,因而功击膜系统造成脂类二溴化反应。而Pi研究觉得。慢性砷中毒所引起的组织脏器功能损害源于机体抗氧化系统功能障碍。导致ROS形成过多和/或消除不足以致堆积。超氧阴离子自由基()是多种自由基的派生源。当生成过多和(或)消除不足时,及其衍生物就可以直接损伤细胞而造成LP。因而,研究砷对的影响,可间接反映砷与LP关系。对和NB4细胞及大鼠子宫细胞的研究发觉。砷所造成的细胞自噬及亚砷络合物所形成的遗传毒性均有可能是H202和介导的l8】。而H202则是由含较低含量亚砷络合物的内皮细胞所形成的。在由砷造成的上皮细胞瘤病人的皮肤中可测出由R0S诱导的DNA核苷酸修饰的主要产物(8--2')]。植物实验显示。小鼠饮水中添加亚砷络合物(5mg/L)18周后细胞膜损伤,其动脉环中可测出,且尿中含H20:量显著下降,说明慢性砷中毒时ROS形成降低是脂类二溴化物(LPO)水平增高的主要诱因之一。另外,体外实验也证明亚砷酸钠可显著推动肾脏硫辛丙酯酯化酶形成。以上研究结果发觉,砷对的影响表现出某种不确定性。这些不确定性可能是因为实验对象,染毒方法以及砷化物的物理结构和溶化度等众多诱因的影响而导致综上所述,砷与LP的关系可归结为两个方面:砷可直接参与的生成;砷可通过抑制或代偿性提升个别抗氧化剂的水平,因而引起机体抗氧化防御系统平衡失调,从而间接导致LP。
人类慢综述?性疾患或环境疾患中90%以上是由U促发的。许多细胞实验,植物实验和人群流行病学研究均已否认U】o在砷中毒发病机理中重要作用。但因为LPO缺少专情性和特异性。因而。LP在砷中毒的发病机制中的准确作用尚不完全清楚,如砷除抑制抗氧化酶类外是怎样导致自由基增高的?砷在体内的代谢产物是否可作为自由基直接损伤细胞?那些都值得进一步阐述。砷与抗氧化剂机体内部存在着包括酶和非酶途径在内的。广泛而有效的抗氧化系统。其作用是控制ROS过量形成[11】。清除自由基对细胞的损害。2。1抗氧化系统中的酶类2。1。1超氧化物歧化酶(SOD):李富君等发觉。以亚砷酸钠功击大鼠24h其血清及肾脏组织中S0D活力随染毒剂量降低而显着增加,但低剂量组肝,肾组织中SOD活力显著降低。而高剂量组的SOD活力则显著减少。有关砷接触人群体内SOD活性的变化也有报导。同时发觉,地方性砷中毒病人血清SOD活力显着高于对照组。而血浆及尿中MDA平则显着降低。且尿中MDA水平与尿砷呈正相关。但Pi等的研究数据却显示,慢性砷中毒时血清SOD活性并没有发生显著的改变。血浆LPO水平与血清SOD活性无相关性。提示地方性砷中毒病人U】o水平的降低和SOD活性并无关联。
由此可见,各项有机砷对SOD性影响的研究并未得出完全一致的推论。许多问题尚有待于今后进一步研究否认。2。1。2芦丁二溴化物酶(GSH—Px):是一种具有抗氧化作用的含硒甲基酶,是机体重要的抗氧化物质。研究表明,砷可抑制GSH—Px的活性。其机制主要是砷可与该酶中的吡啶结合,造成分子构型发生改变;另一方面。砷也干扰Fe",Cu2+Zn等主要辅基的代谢。植物实验方病学刊物2007月20日第26塑in』』12Q,2:显示。砷可显著抑制GSH—Px活力,且具有显著的剂量一效应关系[12J。孙贵范等通过对心肌细胞的研究发觉,随染砷剂量的降低。细胞中的GSH—Px活性渐渐减少。而MDA水平则显着增高。砷在体内可代谢为有机砷自由基,因而直接与含羟基的GSH—Px结合,使前者活性增加。由此可见,砷对GSH—Px活性的影响主要表现为抑制作用。2。2非酶类2。2。1砷与抗氧化作用:Pi等[7J的人体研究进一步显示。砷可减少慢性砷中毒细胞中抗氧化剂水平。因而加速靶组织结构和功能的损害进程,从而引起相应病症的发生。三氧化二砷(As20)的这些作用在使用了一种GSH合成酶选择性抑制剂——BSO后得到提高。
而在使用了推动GSH合成的抗氧化剂——NAC后得到抑制。细胞内GSH缺位可引起线粒体形态和功能上的改变_14]。As20,的细胞毒性可受GSH水平调节。GSH降低。非常是线粒体内的GSH起线粒体膜电位改变_15】。而李富君等[16J钠功击大鼠24h后。发觉大鼠血中GSH随染毒剂量降低而渐渐降低:亚慢性染周后。可见高剂量组显着降低。超剂量组则显着增加。提示血中GSH的高低与染毒剂量大小及时间长短有关。而在小鼠实验中。未见GSH显着降低。上述结果显示。砷对GSH的影响可因染毒剂量,时间,动物种属及受试物的不同而有所不同。因而。更准确的机制及其规律性则有待进一步澄清。2。2。2维生素E(VitE)与抗氧化作用:VitE为一种天然的抗氧化剂。是机体内具有广泛生理功能的重要脂胺类维生素,主要存在于细胞膜和脂蛋白中。VitE的抗氧化作用机制与6基有关,它能通过消除氰基,为单糖的自由基提供一个氢原子。并使之与游离电子发生作用。因而阻断脂类氧化的逐级放大反应,起到抗氧化作用。但也有研究发觉。偏低剂量的VitE摄取会起到促氧化剂的作用,造成抗氧化能力下滑。在体外实验中。
铅使VitE缺少的小鼠细胞膜延性降低。并小于体内含VitE量充足的小鼠,在使用铅对预先以VitE进行保护的小鼠进行功击时。与只服食铅的对照组比较,肝组织中I降低。肝,肾组织中巯基化氢酶(CAT),SOD,GSH—Px性提高。表明VitE可发挥抗氧化作用,去除自由基。并能通过改变抗氧化酶的活性而在某种程度上减少铅诱导的氧化应激。植物实验表明,在低VitE,低硒状态下,自由基消除系统的各类酶的活性增长,自由基代谢衰弱,并功击其靶器官——膜系统。使心肌细胞膜及线粒体膜完整性遭到破坏。同时,也可激活呼吸链的旁路反应,进一步推动,H:,HO一等ROS的生成。综上所述。VitE有稳定膜结构及抑制细胞膜脂类二溴化并作为链反应中止剂来中止类脂类的脂质二溴化,保护生物膜免受过氧化损伤。砷对I)NA的作用3。1砷与DNA损伤:人类细胞研究结果显示。砷可导致细胞DNA氧化性损伤l1-223。DNA损伤后通常表现为单链断裂,双链破裂,DNA交联和核苷酸氧化性损伤。DAN双链破裂通常不易修补。直接引起细胞死亡;单链破裂是显微镜下看到的微核分子病理基础。
但多数单链破裂很快被修补:核苷酸在遭遇氧化性损伤后可产生前突变体,修补较慢,因此可导致基因突变。这是多数细胞恶变的分子病理基础:交联包括DAN链交联和DNA一蛋白质交联。同一条DNA条DNA链上的核苷酸间可以共价键结合。DNA与蛋白质之间也会以共价键相连,组蛋白,染色质中的非组蛋白,调控蛋白以及与复制和转录有关的酶就会与DNA以共价键联接。这种交联是细胞在显微镜下看见的染色体畸变的分子基础,可影响细胞的功能和DNA复制。另外。砷还是诱变剂。可形成染色单体畸变,并且单基因位点不形成突变。这种研究结果说明。DNA损伤是反映砷中毒的个特别敏感的分子生物标志物。细胞DNA的氧化性损伤最常见的表现是环状核苷酸衍生物。可存在于靶组织中,可进入汗液从尿中排出。吡啶的氧化性损伤同样存在,损伤后产生顺式胸腺吡啶二醇基因。这些氧化性损伤是由氨基化砷二溴化物造成的,而不是由超氧阴离子或二溴化氢弓I3。2砷与DNA修补:究砷的羟基化代谢对基因损伤的作用时发觉,当人类肺脏上皮型细胞(L一132)细胞曝露于砷及其化合物时,只有曝露于二苯基砷酸(DMAA)时。
才观察到L一132细胞的DNA修补合成。但当存在S一甲硫谷氨酸(SAM)时,曝露于单烷基砷酸(MMAA)也可观察到L一132细胞的DNA修补合成。其结果表明砷化合物在体内参与烷基化代谢后再引起DNA伤修补。研究表明,砷是通过抑制参与DNA修补的蛋白酶类来实现其抑制做用的。人类细胞DNA修补系统中涉及多种具有特殊功能的修补蛋白酶,这种修复蛋白酶类属锌依赖蛋白,均富含锌脂蛋白功能区,是与DNA结合的特异区域。砷可辨识并与锌脂蛋白功能区结合产生加合物,或因为I造成羟基与二硫化氢之间的置换。进而抑制这种讯号传导和修补蛋白酶类的活性。砷烷基化后对细胞的影响随着砷中毒机制研究的不断深入。砷的烷基化方式及其毒性作用越来越成为国外外学者关注的重点。原先觉得甲基化过程是活血过程。近些年来却有不少人持反对观点。据推断砷的烷基化可能在推动恶性脑瘤的产生方面发挥重要作用。但是无机砷弓l起毒性作用的机制是很复杂的。由于它的新陈代谢过程起码形成了5种起毒性作用的代谢产物。3砷(As)是分级转换的。如下所示:As033一+CH3—'CHsO一+2e