食品毒理学·食品中外源化学物的毒作用机制

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• （二）微管功能障碍
• 胞浆钙离子浓度升高可引起微管的解聚。质膜变得易于破裂。
• （三）激活水解酶 • Ca2+可激活降解蛋白质、磷脂和核酸的水解酶，引起膜大疱。
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四、细胞钙稳态失调的机制
• 正常情况下，质膜离子钙转位酶和细胞内钙池系统共同操作控制 细胞内钙稳态。当细胞损害时，该操作控制会紊乱，导致Ca2+内 流增加。
合量及DNA的合成量显著增加。
二、与核酸分子的共价结合
• 化学毒物与核酸的共价结合有两种形式： 化学毒物直接与核酸共价结合，如烷基化，该反应很少见； 化学毒物的活性代谢物与核酸共价结合，该反应较多，如多环芳烃。 • 核酸分子中的碱基、核糖、或脱氧核糖、磷酸都会受到化学毒物或 其代谢产物的攻击，其中以碱基损伤的毒理学意义最大。其损害作 用包括细胞毒性、致突变作用和活化癌基因，改变蛋白质 -DNA 相 互作用和肿瘤的启动等。 • 如熏制、烘烤和煎炸等食品中所含的多环芳烃在体内与DNA、RNA或 蛋白质分子结合，最终形成致癌物。
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（三）对生物膜表面电荷的影响
• 膜表面的糖脂、糖蛋白形成膜表面极性基团，组成表面电荷。可 通过测定膜表面电荷来了解化学毒物与膜作用的途径和方式。
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第三节 食品中外源化学物对细胞钙稳态的影响
• 一、细胞内钙稳态及其作用
• 二、细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性 • 三、细胞钙稳态失调与细胞凋亡 • 四、细胞钙稳态失调的机制
• 研究表明：吸烟者的4-氨基联苯血红蛋白加合物水平显著高于
不吸烟者。可用于监测人群化学物接触的情况。
3、与组织细胞蛋白质的共价结合
• 外源化学物或其代谢产物可与胞浆、质膜、核内的大那卜镇发 生共价结合。
• 例如：溴苯双一种重要的肝脏毒物，进入体内后经细胞色素
P450作用形成溴苯-3，4-环氧化物，继而重排成4-溴酚，或经 环氧化物水化酶催化生成二氢二醇，环氧溴苯可与蛋白质等共 价结合，可导致肝细胞内具有解毒作用的谷胱甘肽耗竭。 • 在四氯化乙烯诱发小鼠胃癌的过程中，可见到蛋白质的共价结
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二、外源化学物对生物膜物理性质的影响
• （一）对生物膜通透性的影响
• 生物膜是物质运输的重要通道。
• 生物膜通透性的改变主要是膜蛋白质的改变，如Pb、Hg、Cd可 与膜蛋白上的巯基、羰基、磷酸基、咪唑基、氨基等发生作用， 改变其结构和性质，从而影响通透性。
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（二）对生物膜流动性的影响
• 流动性是生物膜的主要特征，可进行能量转换、信息传递等。
三、自由基对生物大分子的损害作用
（一）自由基对脂质的作用 脂膜的多不饱和脂肪酸含有双键，易受自由基攻击，发生脂 质过氧化反应，或使脂质过氧化反应的最大速率升高。从而 导致脂膜损伤，同时产生的脂质过氧化物具有氧化活性，使 膜继续受损。
三、自由基对生物大分子的损害作用
（二）自由基对蛋白质的作用 蛋白质是自由基的主要目标分子，可直接对蛋白质产生氧化损 害，也可间接经应激副产物引起。如·OH、·O-。 自由基能引起蛋白质1～4级结构发生变化，导致蛋白质变性或 酶活性丧失。蛋白质的氧化损害引起下游广泛的功能改变，如
第一节 概述
• 终毒物：指一种具有特别化学性质的物质，它Байду номын сангаас以与内源性靶分 子相互作用，使整体性结构和功能改变，从而导致毒性作用。 • 终毒物的浓度和作用时间决定了毒性的强弱。
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化学物质产生毒性的可能途径
• 化学物质进入机体后，可与机体发生多种途径的相互作用。见图 4.1. • 最直接的途径：化学物质直接与机体的重要部位接触而发生毒性 作用，如过量的糖进入肾小管。
第四章 食品中外源化学物 的毒作用机制
主要内容
• • • • • • • • 第一节 概述 第二节 食品中外源化学物对生物膜的损害作用 第三节 食品中外源化学物对细胞钙稳态的影响 第四节 自由基与生物大分子的氧化损伤 第五节 食品中外源化学物与细胞大分子的共价结合 第六节 食品中外源化学物致细胞表观遗传变异 第七节 食品中生物毒素的中毒机制 第八节 食品中其他物质的中毒机制
一、与蛋白质的共价结合
• 蛋白质分子中有许多功能基团可与外源化学物相互作用，除氨 基酸分子中的氨基和羟基外，还包括丝氨酸和苏氨酸特有的羟
基、半胱氨酸分子的巯基、精氨酸分子的胍基、组氨酸分子的
咪唑基，以及酪氨酸的酚基和色氨酸分子的吲哚基。
1、与白蛋白的共价结合
• 白蛋白是血液和组织间质中的主要蛋白质，也是脂肪酸、内源 性化合物及外源化合物的主要载体，容易与终致癌物结合形成
二、机体对氧化损伤的防御系统
• 人体抗氧化防御系统：包括预防性、阻断性和修复性水 平层次。 • 预防性的防御功能：指直接清除游离型自由基，防止其 产生自由基反应； • 阻断性防御功能：指中和还原，阻断活性氧的生成链式 反应； • 修复性防御功能：指对受损的蛋白质和DNA进行修复。
• 从抗氧化的组织结构、构成特点和作用机制看，人体抗 氧化防御系统形成了初级抗氧化防御系统和二级抗氧化 防御系统。 • 1.初级抗氧化防御系统：主要针对游离型的各种自由基 和由自由基介导的各种活性氧进行清除或对其进行中和 还原，防止其对机体细胞产生毒性反应。 • 类型：酶类、非酶类抗氧化系统。
• 较为复杂的途径：经过机体的吸收、分布、代谢后与靶分子作用。 如河豚素抑制神经元功能。 • 最复杂途径：首先在靶器官分布，然后终毒物与靶分子作用，引 起机体组织水平、细胞水平、分子水平的修复机制。
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第二节 食品中外源化学物对生物膜的损害作用
• 生物膜的三个主要功能：
• 1、隔离功能：包绕和分隔内环境；
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一、细胞内钙稳态及其作用
• 钙稳态：在正常生理状态下，细胞膜内外存在极大的钙离子电化 学梯度，细胞内游离钙离子浓度为0.1～1.0μmol/L，细胞外游离 钙离子浓度则达到1.5mmol/L，胞浆内某些细胞器，主要是内质 网和线粒体，其内Ca2+浓度也为10-3mol/L。
• 这样胞质内Ca2+和胞外以及胞内某些细胞器之间形成了一万倍的 浓度梯度。正常时细胞通过一系列转运机制可保持这种巨大的浓 度梯度，以维持细胞内低钙状态，称之为钙稳态。
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• Ca2+在细胞功能的调节中起一种信使作用，负责将激动剂的刺激 信号传给细胞内的各种酶反应系统或功能性蛋白。主要途径有：
• 1）Ca2+通过钙结合蛋白进行传递信息；
• 2）Ca2+与cAMP以协同或拮抗方式相互影响；
• 3）Ca2+与蛋白激酶C（PKC）、磷脂酶C（PLC）作用；
• 4）Ca2+可调节离子通道。
2.二级抗氧化防御系统
• 也称“抗氧化修复系统”，主要对因氧化而受损的蛋白质和 DNA进行修复。 • 但是，蛋白质的修复作用是有限的，主要靠特殊的蛋白质和水解 酶对氧化修饰蛋白进行分解代谢；对受损的DNA修复是比较理 想的；对氧化的脂质不能修复，只能将其代谢成无毒性产物。 • 另外，该系统还包含机体的解毒系统、膜修复和再生系统。
自由基的来源
• 2.机体周围自由基前身物的转变 • 环境中存在各种自由基或其前体。 • 如较稳定的氮氧化合物NO、NO2自由基，汽车尾气中的 碳化氢；大气中的臭氧可转变为过氧化物自由基；茶叶 中空气中放置时间过长，自由基含量升高，一些药物、 激素和类固醇摄取后，在体内代谢过程中产生自由基。 • 3.生物体内活性氧的生成 • 机体代谢过程中不断产生各种自由基，以活性氧最多。
• 生物膜等流动性表现在膜脂分子的不断运动。这与膜脂的脂肪酸 碳链长短及饱和度有关，正常条件下，膜脂双分子层呈现规律性 排列，即液晶态。 • 当温度低于某种限度时，液晶态转化为晶态，膜脂成凝胶状态， 粘度增大，流动性降低，膜功能逐渐丧失。 • 如DDT、对硫磷可引起红细胞膜脂流动性降低，乙醇可引起肝细 胞线粒体膜脂流动性增高。
自由基的类型
• • • • 自由基种类很多，瞬间产生，但对人体重要的有5种： 1.超氧化物自由基(· O2) ：数量最多； 2．过氧化氢：产生破坏性极大的羟基自由基(· OH) ； 3.羟基自由基(· OH) ：最活跃，造成体内脂质过氧化而破坏细 胞，也与糖类、氨基酸、核酸等反应，导致细胞死亡或突变； • 4．单腺态氧：体内的氧受紫外线照射产生大量不稳定的单腺 态氧，和氯反应，造成脂质氧化； • 5．过氧化脂质：导致细胞膜失去功能、病变或死亡。
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钙稳态的作用
• 毒物可在不同水平上干扰细胞信号的传递，导致细胞内Ca2+ 对 激素及生长因子的正常反应的丧失。另外，钙信号系统的异常活 化也是毒物引起细胞死亡的一个重要机制。 • 当前，细胞内钙稳态失调是细胞损害与机制研究方面最为热门的 话题，大量证据表明，细胞钙的持续增高可能活化各种不同组织 和细胞的毒性机理，因而曾被称为“细胞死亡的最终共同途径”。
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二、细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性
• 毒物通过干扰钙稳态产生毒性作用。
• 某些金属毒物如铅、铜、汞、镍等均可影响细胞内钙稳态。
• 原因：这些金属与Ca2+具有类似的原子半径，可在质膜、线粒体 或内质网膜的Ca2+转运部位上与Ca2+发生竞争，部分或全部取代 Ca2+，进而导致细胞内钙稳态失调。
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• 酶类抗氧化系统：多种酶构成体内抗氧化的第一道防线，如超氧 化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）等。 • 非酶类抗氧化防御系统：形成体内第二道防线 脂溶性抗氧化剂：如VE、类胡萝卜素。 水溶性小分子抗氧化剂：Vc、谷胱甘肽（GSH）； 蛋白性抗氧化剂：铜蓝蛋白、清蛋白、金属硫蛋白等； 微量元素：硒、铜、锌、锰等； 低相对分子质量化合物：尿酸盐； 内源性褪黑激素（MT）； 植物化学物质：植物纤维、多糖、酚类物质等。
自由基的来源
• 1.放射性照射 • 放射性可直接或间接对生物体发生作用 • （1）直接作用：α射线具有高能粒子作用，ᵞ射线具有电 磁波作用，使生物体组织成分的分子激励或离子化，最 终生成自由基。 • （2）间接作用：放射性使生物体中的水分解，产生自由 基H· 和· OH，二者可产生多种效应，如破坏机体组织细 胞。
共价加合物。
• 研究表明：动物的暴露量与所形成的白蛋白加合物之间呈明显
的剂量反应关系。慢性接触黄曲霉毒素B1时，其白蛋白加合物
呈现蓄积现象。
2、与血红蛋白的共价结合
• 外源化学物进入血液后，与血红蛋白发生共价结合，血红蛋白 氨基酸中的氨基、巯基和芳香胺基，易与外源化学物共价结合。
• 例如：环氧乙烷可与血红蛋白中的组氨酸、缬氨酸共价结合。
三、细胞钙稳态失调与细胞凋亡
• 细胞钙稳态失调引起细胞损害的机制较为复杂。
• （一）对能量代谢的影响
• 胞浆高浓度离子钙通过单转运器使线粒体离子钙摄取增加，抑制 ATP的合成；同时，线粒体呼吸（电子传递）加速，伴有氧自由 基生产增加，使线粒体内膜脂质过氧化，产生损伤、可能的水解 性损害；因脂质过氧化损伤而引起能量储备耗竭。
• 2、进行很多重要生化反应和生命现象的场所； • 3、内外环境物质交换的屏障。
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一、外源化学物对生物膜组成成分的影响
• 1、某些化学物可引起膜成分的改变，如CCl4可引起大鼠肝细胞 膜磷脂和胆固醇含量下降；SiO2可与人红细胞膜的蛋白结合，使 红细胞膜蛋白α-螺旋减少。 • 2、化学物可影响膜上某些酶的活力。如有机磷可与突触小体及 红细胞膜上的乙酰胆碱酶共价结合；对硫磷可抑制突触小体和红 细胞膜Ca2+-ATPase。
酶活性的抑制、被细胞吸收的增加或降低、免疫原性的改变等。
第五节 食品中外源化学物与细胞大分 子的共价结合
• 当外源化学物的活性代谢产物与细胞内重要生物大分子，如核 酸、蛋白质、脂质等共价结合，发生烷基化或芳基化，使外源 化学物进入生物大分子而成为其组成部分，从而导致DNA损伤、 蛋白质正常功能丧失，甚至细胞的损伤或死亡。
• 目前，钙浓度变化研究成为中毒机制研究的热点之一。
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第四节 自由基与生物大分子的氧化损伤
主要内容
• 一、自由基的概念、来源与类型 • 二、机体对氧化损伤的防御系统 • 三、自由基对生物大分子的损害作用
一、自由基的概念、来源与类型
• 自由基：又称游离基，是具有非偶电子的基团或原子。 因外界条件影响而使共价键断裂形成。 • 特点：具有顺磁性、化学反应性极强、作用半径小、生 物半衰期极短。