第三节 细胞调节功能障碍
细胞执行特定着特定的程序
- 决定细胞命运：增殖、分化、凋亡或自噬
- 控制细胞瞬息活动：分泌活性物质、转运和代谢营养物质
- 毒物引起细胞功能障碍
细胞功能障碍程序：
细胞应激、细胞调节功能障碍、细胞稳态失调、细胞死亡
一、细胞应激
细胞应激：指细胞处于不利环境和遇到有害刺激时所产生的防御或适应性反应。
A. 根据引起细胞应激的原因不同以及细胞应激反应的差异：
- 热应激（HEAT STRESS);
- 氧化应激（OXIDATIVE STRESS);
- 缺氧应激（HYPOXIC STRESS);
- 内质网应激（ENDOPHASMIC RETICULUM STRESS);
- 遗传毒性应激（GENOTOXIC STRESS)
B. 细胞应激过程
- 高度有序，
- 应激源诱发的细胞内信号转导激活相关的转录因子和促进应激基因的快速表达，
- 合成多种特异性和非特异性的且对细胞具有保护作用的应激蛋白质，从而对细胞产生特异性和非特异性保护作用，同时细胞内正常基因表达受抑制；
- 若细胞损伤严重而导致损伤无法修复，则启动细胞凋亡或自噬过程，加速细胞死亡。
C. 应激原：
能导致细胞应激的物理、化学和生物因素。
DNA损伤性应激原介导的细胞应激称为 基因毒性应激。
DNA损伤性应激原：紫外线、离子射线、活性氧、化学致畸剂、化学致癌剂、化学致突变剂
非DNA损伤性应激原介导的细胞应激为 非基因毒性应激
(如热应激、缺氧应激、氧化应激和内质网应激）。
非DNA损伤性应激原：创伤、感染、营养剥夺、渗透压改变、缺氧和热应激。
① 热应激
热应激的特征反应：是诱导细胞表达热休克蛋白（HEATSHOCK PROTEIN,HSP)。HSP有称应激蛋白。
结构性HSP:
为细胞的结构蛋白，正常时即存在于细胞内，帮助新生的蛋白质进行正确的折叠、移位、降解，称为分子伴侣（Molecular chaperone)。
诱导性HSP:
由各种应激原诱导生成，参与受损蛋白质的修复或移除，保护细胞免受严重损伤，加速修复；提高细胞对应激原的耐受性。
② 氧化应激
主要应激原主要为自由基、活性氧 (REACTIVEOXYGEN SPECIES,ROS)和活性氮（REACTIVENITROGENSPECIES,RNS)
自由基包括
超氧阴离子（.O2-)、羟自由基（.OH)、过氧自由基(ROO.)、氯离子自由基（CL.)和一氧化氮分子自由基（NO.);
ROS
一类由氧形成、并在分子组成上含有氧且化学性质比较活波的物质包括超氧阴离子（.O2-)、羟自由基（.OH)、过氧自由基（ROO.)等；
RNS
NO及其体内继发性产物的总称，包括一氧化氮（NO)、二氧化氮（NO2)和过氧化亚硝酸盐（.ONOO-)等。
ROS和RNS的生理功能：机体通过抗氧化防御系统，清除自由基，防止氧化应激
1. ROS、RNS,机体防御，吞噬细胞杀伤病原体
2. 免疫细胞杀伤肿瘤细胞，与ROS有关
3. ROS、RNS,参与解毒
4. ROS参与细胞信号转导和基因表达调控，细胞增殖、分化
5. 影响Ca2+稳态、蛋白质磷酸化、转录因子激活等多通路发挥调节作用
自由基、ROS和RNS过多，破坏氧化/还原平衡，发生氧化应激
细胞调节功能、细胞维持功能障碍，甚至凋亡和自噬。
ROS引起凋亡的机制
1.线粒体机制：作用于线粒体，导致位于线粒体的促凋亡蛋白Bcl-2家族成员激活，启动凋亡程序
2.过量ROS通过激活内质网激活信号通路，启动凋亡程序
③ 缺氧应激
细胞和组织为适应低氧压力而诱导系列涉及血管生成、铁代谢和糖代谢相关基因的表达，以维持细胞的增殖和存活，此过程称缺氧应激。
- 低氧是重要缺氧应激原。金属暴露、脂多糖、IL-1、胰岛素等引起缺氧应激。Ca2+、NO和CO在低氧信号传导中起重要作用。
- 介导缺氧应激反应的关键因子为缺氧诱导因子1(HIF-1),由两种亚基HIF-1a和HIF-1B。HIF-1β稳定表达，HIF-1a在正常情况下检测不到，但缺氧状态下，降解受抑制，与HIF-1B形成有活性的HIF-1,转移到细胞核调节多基因转录。
④ 内质网应激
内质网：蛋白质和脂质合成、加工、折叠和运输。加工和包装特异性的分子伴侣为糖调节蛋白78(glucose regulatedprotein 78,GRP78);
- 细胞内质网受损或需要加工和包装的蛋白质合成增加时，即引起内质网应激和非折叠蛋白反应（the unfolded proteinresponse,URP),由三个主要内质网跨膜蛋白介导，即IRE1、PERK和ATF6信号通路；
- 内质网应激是一种保护机制，降低胞内未折叠蛋白浓度，阻碍聚集。
以下情况，出现内质网应激；
1.内质网特异性分子伴侣减少或缺失
2.内质网Ca2+耗竭
3.氧化应激或缺氧应激
4.基因突变影响到基因产物蛋白质分子折叠
5.二硫键形成减少
⑤ 遗传毒性应激
遗传毒性应激：人体细胞启动自身防御网络系统以应对遗传物质DNA免受外源遗传毒性损伤的过程；
应激原：遗传毒性致癌剂和致突变物、紫外线和放射性核素、化疗药物、某些代谢产物（如自由基和活性氧）;
丝裂原活性蛋白激酶
(MAPKs)途径是细胞遗传应激反应中主要信号转导途径之一。保证细胞正常生长和DNA复制保真度。
毒理学意义
细胞应激：细胞能量代谢、蛋白质合成和加工、细胞内环境建立和维持、细胞遗传物质损伤的识别和修复、细胞增殖、细胞周期调控、细胞存活和凋亡等；
(1)是机体面对有害因素刺激的防御性反应，利于内环境稳定；
(2)过程引起信号转导迅速改变，某些重要信号分子或信号通路改变可能损害细胞正常功能。
二、细胞调节功能障碍
细胞受信号分子所调节，受体激活最终可导致：
(1)改变基因表达，增加或减少特定蛋白的功能。
(2)通过磷酸化使特定蛋白发生化学修饰（磷酸化、甲基化、乙酰化和硝化）,从而激活或抑制蛋白质。
控制细胞命运的程序主要影响基因表达；
而调节控制细胞瞬息活动的程序主要影响功能蛋白的活性。
1. 基因表达调节障碍
外源化学物
顺式作用元件
信号转导通路分子
细胞外信号分子
① 基因转录调节障碍
转录因子：能结合在某基因上游特异核苷酸序列上的蛋白质，能调控其基因的转录；
顺式作用元件：位于基因旁侧，可调控影响基因表达的核酸序列。包括启动子、增强子等。
应答元件：位于基因上游能被转录因子识别和结合，从而调控基因专一性表达的DNA序列。如热激应答元件、金属应答元件等。
- 示意图
毒物影响转录因子（TFS)活性是毒物调节基因表达最主要方式。
两种类型TFS：即配体激活的TFS,和信号激活的TFS
天然配体：激素（如类固醇、甲状腺激素）和维生素(视黄醇和维生素D),通过结合与激活转录因子而影响基因的表达
化学物：模拟天然配体而调节下游基因表达。
② 信号转导调节障碍
细胞信号转导的机制：
信号转导是通过细胞外的信号分子如生长因子、细胞因子、激素和神经递质等利用细胞表面受体和细胞内的信号转导网络来完成的。
毒物引起细胞信号转导异常的途径
- 改变蛋白质的磷酸化；
- 干扰G蛋白（如Ras蛋白）的GTP酶活性；
- 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。
③ 细胞外信号转导产生的调节障碍
2. 细胞瞬息活动的调节障碍
① 电可兴奋细胞的调节障碍
- 示意图
② 其他细胞活动的调节障碍
信号转导机制也在非可兴奋细胞中起作用，但这些细胞信号转导过程的失调通常不产生严重的后果。
大鼠肝细胞表达a1-肾上腺素能受体，受体激活引起葡萄糖水解和谷胱甘肽输出增加，可能对细胞有一定毒理学意义。
3. 细胞稳态失调
细胞稳态（CELLULAR HOMEOSTASIS):
指在神经、内分泌和免疫系统共同调节下，细胞内各种成分和生理功能保持相对稳定的状态。
- 细胞稳态是细胞存活和正常代谢所必须的。生物膜的完整性是维持细胞稳态的关键。
细胞稳态失调：
机体生理性衰老状态下，细胞稳态调节系统出现异常，导致细胞内物质转运障碍和代谢功能丧失，甚至诱发细胞死亡。
(一）细胞稳态失调的机制
外源性化合物通过启动三种关键性生化代谢紊乱引起细胞稳态失调
① ATP耗竭
② 细胞内Ca2+持续升高
- 毒物促进CA2+向细胞质内流或抑制细胞质之内CA2+外流，而引起胞浆CA2+水平升高。
- 毒物可诱导CA2+从线粒体或内质网漏出而增加胞浆CA2+,也可通过抑制CA2+转运蛋白或耗竭其驱动力而较少CA2+外流
③ ROS和RNS过度产生
(二）细胞稳态失调各要素的相互关系
ATP储存耗竭 ----胞浆CA2+升高。
细胞内高CA2+ ----ROS和RNS,
ROS与RNS----疏基依赖的CA+泵发生氧化性失活加剧了高钙。
ROS与RNS也能消耗ATP储备；
过氧亚硝酸盐阴离子ONOO-能诱发DNA单链断裂，导致聚（ADP-核糖）合酶（PARP)激活，消耗ATP。
(三）细胞稳态失调的后果
致死前时相（PRELETHAL PHASE):可发生凋亡(APOPTOSIS)、胀亡（ONCOSIS)和自噬(AUTOPHAGY)改变。
坏死时相
坏死是指细胞死亡时发生的一系列变化
包括：肿胀性坏死、凋亡性坏死和自噬性坏死。
1.坏死：
线粒体通透性转换孔的高通透状态即所谓的线粒体通透性转变
(MITOCHONDRIAL PERMEABILITY TRANSITION, MPT).
MPT是由于一种跨越线粒体内外膜间的蛋白质孔（“巨通道”）开放而引起，其开放使质子自由地内流进入基质间隙，引起 迅速和完全消散、ATP合成中断及水渗透内流，导致线粒体膨胀，已蓄积于基质间隙的CA2+通过孔流出，涌进胞质。
2. 凋亡：
决定细胞凋亡的线粒体事件：MPT和CYTC释放
细胞色素C(CYTC)从线粒体进入胞浆，可导致：
①线粒体ATP合成受阻，增加O2·形成，导致细胞死亡；
②激活胱天蛋白酶（CASPASES),启动细胞凋亡。
毒物在低暴露水平或高水平暴露后的早期阶段倾向于诱发凋亡；而在高暴露水平后期则引起坏死；ATP利用度是决定细胞死亡形式的关键；
发生MPT的线粒体数量影响到细胞ATP耗竭的严重性和细胞结局
存活：线粒体自体吞噬
凋亡：天冬氨酸特异性
半胱氨酸蛋白酶激活
坏死：ATP耗竭
受损细胞命运的“决定方案”
MPT=线粒体通透性转变，RO(N)S=活性氧或活性氮
有些毒物通过其他机制引起细胞死亡
(1)直接损伤细胞膜
(2)损伤溶酶体膜
(3)破坏细胞骨架
(4)引起微丝和其他细胞蛋白超磷酸化
(5)抑制细胞蛋白质合成
3.细胞程序性坏死：
细胞坏死也是可调控的程序性细胞坏死，称为细胞程序性坏死（PROGRAMMED NECROSIS)或坏死性凋亡(NECROPTOSIS)。
细胞膜破裂、细胞器肿胀、细胞质形成透明样结构等坏死样形态特征。
缺血再灌注损伤、物理和化学因素诱导的机体损伤、机体感染、神经退行性病变等伴有程序性死亡发生。
化学药物和细胞因子（如TNF-、FASL、TRAIL)均可诱导
受体相互作用蛋白1和3(RIPK1和RIPK3)是程序性坏死的关键信号分子；
RIPK1/RIPK3形成的坏死复合体成为细胞程序性死亡起始阶段的调控核心。
执行阶段：
涉及因素包括细胞内ROS水平升高、CA2+浓度升高、能量耗竭和组织蛋白酶激活。
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