铅对全身各系统和器官均有毒性作用。其基本病理过程涉及神经系统、造血系统、泌尿系统、心血管系统、生殖系统、骨骼系统、内分泌系统、免疫系统、酶系统等多个方面。儿童、妊娠妇女和老年人是最易感的基本人群。
    铅在体内可与含硫、氮、氧基团（作为电子供应者）的物质相结合。至少以下基团可与铅在体内形成较稳定的复合物：—OH，—H₂PO₃，—SH与—NH₂。铅与—NH₂及简单的氨基酸有高度亲和力；铅与—SH的生化关系具有重要的毒理学意义。现已证明，铅可与细胞膜、线粒体及线粒体膜上的蛋白质相结合，此种结合主要发生在蛋白质的—SH基位置上。受铅干扰最甚的代谢环节是抑制呼吸色素（如血红素和细胞色素）的生成。通过抑制线粒体的氧化磷酸化而影响能量的产生；抑制细胞膜上的Na⁺—K⁺—ATP酶；影响细胞的运输功能。
一、神经系统
    人的认知能力和心理行为建立在大脑复杂网络架构基础之上，突触是神经细胞之间进行联结和信息传递的特殊结构，突触的建立和突触的可塑性直接决定着学习和记忆的能力。中国科技大学的阮迪云教授研究证实铅可影响突触形成并使突触的可塑性明显下降。
    阮迪云等在大鼠海马的研究最早表明，铅可使突触在增强和减弱两个方向的调节能力都降低，从而使突触可塑性范围变窄。他们发现，铅处理后大鼠大脑海马回突触可塑性范围从129%减小到44%。在对海马神经细胞铅暴露的培养过程中发现，铅抑制海马回神经细胞信息输出突起的发生而增加信息接受突起的数目，同时使突起的形态变大变扁平。
    铅影响学习记忆的神经机制非常复杂，至今尚不完全清楚，但有几点是肯定的：大脑的海马回是学习记忆的关键部位，突触的数量和可塑性、化学信使、受体、通道、酶、金属离子和NO·等代谢活动是学习记忆的基础，而铅能减低突触的数量和可塑性，影响受体和酶的特性，影响通道和递质的变化，影响第二信使和NO·的代谢等。
    例如，在活动状态下，铅可使某些神经递质的贮存、合成、释放和重吸收减少。铅可使NMDA0激活的受体通道开放的次数减少，且恢复得很慢，从而导致通道电流减少，这种作用是不可逆的。铅阻滞电压依赖性钙离子通道，可使神经电传导受阻；铅可取代钙离子，扰乱其对蛋白激酶的正常激活，而导致神经细胞反应敏感性下降；铅较钙更容易与钙调素结合，通过抑制蛋白磷酸化过程，扰乱其在学习记忆中的正常功能；铅还可使神经细胞内钙离子超载，这是神经细胞损伤死亡的重要原因。
    学习与记忆尚受基因调控，铅还可以影响基因表达过程。在DNA修复过程中，铅可以发挥聚合、结扎等干扰作用，从而抑制DNA的修复作用。
    铅影响血红素代谢可引起体内氨基酮戊酸（ALA）增多，ALA通过血脑屏障进入脑组织，由于ALA与r-氨基丁酸（GABA）化学结构相似，ALA与GABA竞争突触后膜上的GABA受体，产生竞争性抑制作用，影响GABA的功能，引起神经行为学改变。由于血红素是合成细胞色素的辅基，铅干扰血红素合成，可导致脑内细胞色素C浓度降低，影响氧化磷酸化过程，干扰神经细胞的代谢。
    铅对中枢和外围神经系统中的多个特定神经结构有直接的毒性作用。在中枢神经系统中，大脑皮层、海马回和小脑是铅毒性作用的主要靶组织；而在周围神经系统中，运动神经轴突则是铅的主要靶组织。高水平铅暴露下，脑组织可产生细胞水肿、出血、失去细胞内容物等病理变化。神经纤维会有脱髓鞘病变，皮层和海马回结构萎缩、钙化等。血脑屏障也非常容易受到铅毒性作用的损害，导致通透性增加，引起脑水肿。
    此外，脑血流图分析表明，铅作业工人植物神经功能紊乱、血管弹性减退、颈内动脉供血不足或痉挛等异常率显著高于对照组，波幅均值显著低于对照组，而低平波、双侧波幅不对称检出率由明显高于对照组。王泓波系统地研究了安徽某机场航空汽油作业工人的植物神经功能，发现油料作业工人的神经衰弱综合征检出率也显著高于非接触者。
二、造血系统
    铅对血液系统的作用主要表现在两个方面，一是抑制血红蛋白的合成，二是缩短循环中的红细胞寿命，这些影响，最终导致贫血。
    卟啉是血红蛋白合成过程的中间物，血红蛋白合成过程中，受到一系列转巯基酶的作用。在血红蛋白合成过程中，铅至少在4个环节上影响其合成。（图2－1）
    首先是铅抑制δ－氨基－γ－酮戊酸脱氢酶（ALAD）。ALAD是血红素合成过程中最灵敏的酶，它的被抑制使血浆和体液中的底物ALA（δ－氨基－γ－酮戊酸）过剩，最终造成尿中ALA排泄增加。
    其次是铅影响δ－氨基－γ－酮戊酸合成酶（ALAS），虽然铅对ALAS的作用是抑制还是激活尚有争议，但ALAS是限速酶和主要调节酶，血红素合成降低导致其后的ALAS活性增加，净结果是增加血和尿中的ALA浓度。
    第三是铅抑制血红素合成酶（或称是铁络合酶）。
    第四是铅影响珠蛋白的合成，而珠蛋白的合成后，和血红素结合才能形成血红蛋白。
    由于血红蛋白合成障碍，导致骨髓内幼红细胞代偿性增生，血液中点彩、网织、碱粒红细胞增多。
    （2）溶血  铅中毒贫血不仅是由于血红蛋白合成减少，也由于红细胞寿命缩短。铅可抑制红细胞膜Na+/K+—ATP酶的活性，使红细胞内K+逸出，致细胞膜崩溃而溶血。另外，铅与红细胞表面的磷酸盐结合成不溶性的磷酸铅，使红细胞机械脆性增加，亦为溶血的原因。急性铅中毒时溶血作用较明显，慢性铅中毒时以影响卟啉代谢为主，溶血作用并不重要。
三、消化系统
    铅可抑制肠壁碱性磷酸酶和ATP酶的活性，使平滑肌痉挛，引起腹绞痛。亦有人认为铅致太阳神经丛病变而引起肠壁平滑肌痉挛，或使小动脉壁平滑肌收缩引起肠道缺血所致。铅绞痛发作时，由于小动脉痉挛，常伴有面色苍白（铅容）、暂时性血压升高、眼底动脉痉挛与肾小球滤过率减低。
四、泌尿系统
    铅可影响肾小管上皮细胞线粒体的功能，抑制ATP酶等的活性，引起肾小管功能障碍甚至损伤。铅对肾脏的毒性作用分为急性铅肾病和慢性铅肾病两类。
     急性铅肾病是由于近曲肾小管功能异常，临床上可出现范可尼综合征，其特征为糖尿、氨基酸尿和高尿磷。同时还易出现维生素D₃合成障碍和肾素代谢异常（易引发肾性高血压）。
    慢性肾功能衰竭常常与痛风相联系。有有人报道，住院的痛风病人中约有一半有肾脏疾病，在美国新泽西州和亚拉巴马州的烈酒铅中毒、德国工业来源的铅中毒以及美国昆士兰儿童的油漆铅中毒事件中，已证明痛风和慢性肾功能衰竭同时存在是慢性铅中毒的有用标记物。慢性铅肾病还与肾脏恶性肿瘤有一定联系。
五、心血管系统
    1 铅与心脏损害
    长期以来，人们认为心脏不是铅的靶器官，但近年来报道显示，当血铅上升0.6mg/L时，无论小孩或成人都可造成暂时性或永久性心血管损害和功能紊乱。临床研究表明，心血管病死亡率与动脉中铅过量密切相关，心血管病患者血铅和24h尿铅水平明显高于非心血管病患者。
    急性和慢性铅中毒的心脏损害表现为心肌炎、心电图异常，如左束支传导阻滞、节律紊乱、房室传导异常、异位房性节律，病理表现为心肌炎性及退行性变。此外，铅对心脏自主神经功能也有不同程度的影响。
    2 铅与脂质代谢
    血脂及脂蛋白水平与心血管疾病的关系已得到广泛的证实，动物实验显示铅能致心肌脂肪退行性变及小动脉尤其是肾、脑和心冠状动脉硬化。铅能使脂质过氧化增加，使SOD和·NO下降。对铅作业的工人研究发现，与正常人相比，铅能增加总胆固醇，且两者之间有剂量反应关系。血铅与高密度脂蛋白（HDL）之间亦有相关性，研究显示HDL随血铅浓度上升而增加。由此可知，铅对脂质代谢及脂质过氧化物的形成有一定影响。
    3 铅与血压升高和高血压
    铅接触及长期环境铅暴露，可引起血压升高或高血压。其中急性铅中毒（大剂量、快速进入体内）引起暂时性高血压；长期慢性铅暴露如接触含铅油漆、陶瓷，饮酒、水、空气、食物铅污染等可引起智力下降、高血压、肾脏损害及精神症状。
    肥胖是心血管疾病的危险因素，慢性铅暴露可引起肥胖，而且儿童期铅暴露所致肥胖可持续至成人期。
六、生殖系统
    铅不仅对生殖过程的各个环节产生直接毒害作用，而且还影响性激素的合成及下丘脑-垂体-性腺轴的调节功能。
    （一）男性生殖功能 
    铅对男性生殖功能的影响主要表现在损害或干扰精子的正常产生过程、性功能减退、不育龄、子代发育异常或先天性疾患等方面。铅的男性生殖毒作用机制是多方面的，其中包括：（1）直接损害生殖细胞，导致精子异常；（2）引起睾丸和附睾的组织病理学改变，妨碍生精功能；（3）作用于丘脑-重体-性腺轴，使用反馈功能发生障碍，引起内分泌失调；（4）铅作为一种诱变剂，致男性生殖细胞染色体畸变，并引起遗传效应。
    （二）女性生殖功能
    铅对女性生殖功能的影响涉及到性腺发育、性行为、月经、受精、着床、胚胎发育、分娩、哺乳和婴幼儿出生后发育等一系列过程。随着铅作业环境的改善和卫生水平的提高，不育、死产和新生儿死亡已属少见，但铅作业女工月经周期紊乱和流产的现象仍然存在。
七、骨骼系统
    骨骼是铅毒性的重要靶器官系统。已经发现，铅中毒对骨骼可产生许多有害的影响。由于骨在铅的毒理动力学中具有重要作用，以及骨是铅毒作用的靶组织，铅被认为是骨质疏松的潜在危险因子。在妊娠和授乳期骨铅可被动员出来，这使相当量的铅从骨中转移到血中。蓄积在骨骼中的铅可以成为胎儿铅暴露的另外来源，即内源性铅暴露。
八、内分泌系统
    体内铅负荷增高可对某些激素的产生及其代谢产生影响。
    （一）甲状腺激素
    铅致甲状腺功能下降的机制可能是铅损伤了甲状腺腺泡，使其分泌功能受损，也可能是铅抑制了摄碘硫基酶的活性，使甲状腺摄碘能力下降。
    （二）腺垂体激素
    腺垂体是体内最重要的内分泌腺，它分泌生长激素（GH）、促甲状腺素（TSH）、促卵泡素（FSH）、黄体生成素（LH）等激素。低水平铅接触可使这些激素水平发生异常。Huseman曾研究发现血铅水平为41-72ug/dl患儿生长激素分泌反应明显低于正常人群，胰岛素样生长因子I也与血铅水平呈负相关。驱铅治疗后血铅水平下降到33.0ug/dl以下，生长速度从5.8cm/年上升到11.0cm/年。
    （三）1，25-二羟维生素D₃
    铅对维生素D₃有着重要影响，Rosen观察到，在12～120ug/dl范围内，儿童血铅水平与1，25-二羟维生素D₃循环水平呈强烈负相关。铅对该激素代谢的影响可能在30ug/dl水平以下就已存在，因为此时铅中毒儿童的血浆1，25-二羟维生素D₃水平已降低到接近代谢性骨病、尿毒症和甲状旁腺功能低下患者的水平。在采用驱铅治疗后，血浆1，25-二羟维生素D₃水平可回到正常。
九、免疫系统
    （一）细胞免疫
    研究发现，铅抑制小鼠迟发型超敏反应，使机体对某些慢性感染的易感性增高；铅能明显降低IL-2活力，使其对辅助性T细胞、抑制性T细胞、细胞毒性T细胞和NK细胞的免疫调控力大大下降。这是铅免疫毒性的重要机制之一。同样，铅作业工人即使无任何临床毒性表现，其淋巴细胞亚组OKT₃、OKT₄、T₄/T₈值都比对照组显著降低，铅中毒组最为明显。
    （二）体液免疫
    长期接触低剂量铅可使血清免疫球蛋白的含量明显降低，而且与尿中δ-ALA呈显著负相关。动物实验表明：铅可使小鼠脾淋巴细胞的数量明显减少，抗体合成减少；使免疫细胞记忆功能明显减弱，甚至消失；能使淋巴细胞表面受体减少。将小鼠暴露在高铅环境中一个月，小鼠对脑膜炎球菌的敏感性增加两倍，对细菌内毒素的敏感性增加1000倍。
    （三）红细胞免疫
    血液中的铅90%以上存在红细胞中，铅可使红细胞K⁺外漏、，N⁺-K⁺-ATP酶受抑和脂质过氧化，从而 导致红细胞血液流变学发生变化。高国望的研究表明，铅中毒患者红细胞膜上的C_3b受体遭到破坏，红细胞受体RBC-C_3b花环率和红细胞免疫复合物RBC-IC花环率比正常人显著降低，治疗后显著升高，但仍低于正常人，说明铅中毒患者红细胞免疫功能降低是原发性的。
    （四）巨噬细胞功能
    研究认为，铅主要抑制巨噬细胞提呈抗原的能力。
十、酶系统
    众所周知，铅可抑制体内血红素合成过程中的许多酶，如ALAD、ALAS、血红素合成酶等。铅可取代钙离子或干扰细胞质膜上的ATP酶和腺嘌呤环化酶，导致线粒体能量代谢下降。铅还可干扰第二信使物质磷酸化过程，改变神经递质方式和调节机制。