食品毒理学 第四章 毒性作用机理

毒物对靶分子的影响
( effects of toxicants on target molecules)
靶分子的属性
（attributes of targets molecules)
• 理论上所有内源性化学物都是毒物潜在的 靶标。 • 主要有：
– 机体大分子：核酸（DNA）、蛋白质 – 脂膜质 – 其他成分
• 顺磁性 • 化学性质十分活泼 • 反应性极高，半衰期极短
• 自由基过多：机体损害作用 • 自由基适量：发挥重要的生理功能
自由基的类型
• 人体内以氧形成的自由基最为重要，包括 – 超氧阴离子（O2-· ）、 – 羟自由基（OH ·）、 – 过氧化氢分子（H2O2） – 氢过氧基（ HO2-·） – 烷氧基（RO ·） – 烷过氧基（ROO ·）、 – 氢过氧化物（ROOH） – 单线态氧（1 O2） • 统称为活性氧（active oxygen species）
H2O2的消除
• H2O2较稳定，反应性低，在体内浓度也比较低， （大鼠肝脏中为10-9M），对机体几乎无毒性； H2O2可与铁离子生成反应性非常高的· OH： H2O2+Fe2++H+→·OH+Fe3++H2O • H2O2的消除依赖于两种酶， 1.过氧化氢酶，催化H2O2歧化反应： 2H2O2→2H2O+O2 2.谷胱甘肽过氧化物酶。 在GSH参与下使H2O2分解，GSH则变成氧化型谷 胱甘肽。 这两种酶可消除体内H2O2及过氧化物，防止血红蛋 白及肝细胞膜部分被氧化破坏的可能。
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（3）氢氧自由基（· OH）
• 体内· OH从O2直接生成的反应尚不清楚， 机体可由O2-生成系与H2O2生成系共同形 成· OH自由基。水经放射线照射后的一级 反应产物是· OH，由于· OH氧化能力很强， 因此对机体毒性很大。 H2O2+Fe2++H+→OH+Fe3++H2O H2O2+O2-+H+→·OH+H2O+O2· OH在水中寿命很短，一般不易以自旋共振（ESR）方法检出
并不是所有的毒物与靶标的反应都是有害的
• 终毒物与内源性分子反应，引起靶分子的 功能失调和结构破坏 • 1 靶分子功能失调 • 2 靶分子结构破坏 • 3 新抗原形成 • 4 化学物引起的生物学微环境改变与毒性
1 靶分子功能失调
• 化学物抑制靶分子的功能
– 阻断神经递质的传递 – 阻断离子的转运，抑制线粒体电子传送的功能
• 存在于体内的非氧自由基有氢自由（H · ）和有机自 由基（R · ）。
机体内活性氧自由基的产生途径
物理因 素 化学因 素 1. X-射线→水射解→ +O2 光离→ R · +O2 2. 光 光激发
+O2 H · OH · O2-· + →
R+ O2-·
O2-·
1.无机的 M++O2→M2++ O2-·
• 终毒物：指与内源性靶分子（如受体、酶、 DNA等）反应或严重地改变生物学（微） 环境、启动结构和（或）功能改变 而表现 出毒性的物质
终毒物在其作用位点的浓度及持 续时间决定了毒性的效应的强度
增毒
• 增毒（Toxication)或代谢活化（metabolic activation )：外源性化合物经生物转化使其毒性 增强，甚至可产生致畸、致癌效应的过程 • 增毒过程主要是使外源性化学物转变为：
– – – – 亲电物（electrophiles) 自由基(free radicals) 亲核物(nucleophiles) 氧化还原性反应物（redox-active reductions)
一、亲电物的形成（formation of eletrophiles)
• 亲电物：是一类缺少电子而使整个分子部 分或全部带正电的物质 • 亲电物可与含电子的亲核物共享电子 • 常常是外源性化合物经Cpy450或其他酶氧 化成酮、环氧化物、不饱和酮和醛、醌和 酰卤化物 • 阳性亲电子物常常由化学键断裂而形成
• 毒物作用于蛋白质的关键部位 • 毒物干扰DNA模板功能
2 靶分子结构破坏
• 除形成DNA加合物外，还可通过交联和分 子断裂而改变内源分子的主体结构 • 脂质过氧化分解作用 • 蛋白质降解作用 • DNA断裂作用
– 2. 影响酶的活性
2. 影响酶的活性
• • • • • (1) 与酶活性中心的金属离子结合 (2) 与酶的激活剂结合 (3) 与酶的辅酶结合 (4) 与酶的底物发生竞争性抑制 (5) 抑制酶的活性
三、损害机体的生理功能
• 毒物对机体的生理功能的损害是多方面 的 • 可对消化功能、血液系统、免疫系统、 肝脏、肾脏、心血管系统、呼吸系统、 神经系统、生殖系统、内分泌系统发生 毒作用
自由基的连锁反应
• 自由基有很大的自由能和很强的氧化反应能力， 很容易与其他分子或自由基反应形成新的自由基。 • O2-· + +H HOO ·
• 2 O2-· +→ H2O2+O2 +2H
• H2O2+ O2-· →OH-+O2+OH ·
• OH · +RH→R · H2O +
• R · 2→ROO · +O • ROO · +RH→ROOH+R ·
生物体内自由基的生成
• 机体在代谢中不断产生的自由基，种类繁多， 其中以活性氧最多。 活性氧的生成 • 1．活性氧种类： • O2可呈现两种状态： 1.单线态（singlet state）又称为激发态， 以1O2 表示； 2.三线态（triplet state），又称为基态，以 3O 表示，3O 可吸收能量变为激发态； 2 2 3O +hυ→1O 2 2
由于 1O2在水中寿命短，要检测出1O2有一定困难， 最直接的证明是经1O2→3O2+hυ的化学发光观察， 1O 单分子发光波长为1269微米及760微米。 2
（4）单线态分子氧（1O2）：
过氧化脂类 • 人体内主要有亚油酸、亚麻酸及花生四 烯酸，多以磷脂形式存在于质膜等生物 膜中。 • 这些不饱和脂肪酸可受1O2氧化，也可 经· OH氧化生成过氧化脂质，生物膜上脂 类既可在O2-作用下生成过氧化脂质 （LO· LOO· 、 、LOOH），也可经放射 线照射生成脂类自由基（L· ）
• 化学物质经吸收进入血液分布全身后，引 起化学反应，导致机体生理生化功能紊乱
– 1. 影响组织对氧的利用
• 引起机体缺氧，使组织的代谢机能发生障碍 • 亚硝酸盐可使血红蛋白（Hb）氧化成为高铁血红 蛋白（MHb），失去携氧能力，导致机体缺氧。 • 氰化物（CN-）可抑制组织内的生物氧化过程， 阻止组织对氧的利用，导致机体缺氧。
研究毒性机制应明确：
• 毒性效应是由毒物引起正常细胞发生生理 和生化改变的结果 • 毒性效应的程度除毒物本身外，还与剂量 与靶部位有关。 • 靶器官和靶组织具有代偿能力，可超常发 挥解毒功能 • 毒效应包括一般毒性效应和特殊毒性效应
研究中毒机制的步骤
• • • • 整体动物有无毒性 找出靶器官、靶组织 进一步找出受损的细胞、亚细胞 分子水平：DNA、RNA或蛋白质
• 证实与人类直接相关的实验动物中所观察 到的损害作用（CANCER \Birth defects) • 验证可能与人类无关的发生于实验动物中 的有害效应(Organophosphate insecticide inhibition of acetyl cholinesterase、 Artificial sweetener saccharin to cause bladder cancer in rats)
• 胞浆中的小分子：自氧化促使氧还原，产 生氧自由基 • 吞噬细胞的吞噬过程及呼吸爆发 • 线粒体电子传递过程 • 过氧化酶体系
• 人体细胞内所含的黄嘌呤氧化酶、髓过氧 化物酶和NADPH氧化酶在酶促反应时， 会诱导产生大量的自由基。 次黄嘌呤+H2O2+2O2 黄嘌呤+2O-2·+2H+ 黄嘌呤+H2O2+2O2 尿酸+2O-2·+2H+
机制毒理学研究成果在应用毒理学 （Applied Toxicology)领域的主要用途
• 设计和生产较为安全的化学物以及合理治 疗化学中毒和临床疾病 • 进一步加深对生理学、药理学、细胞生物 学、生物化学等基础学科的了解
第一节
外源性化学物的增毒 与终毒物的形成
终毒物（ultimate toxicant)
过氧化氢（H2O2）的生成
• 过氧化氢（H2O2）：H2O2可由O2-的歧化反 应生成，在D-氨基酸氧化酶、L-氨基酸氧化 酶、葡萄糖氧化酶及亚硫酸盐氧化酶等作 用下，把O2作为电子受体，经两个电子还 原生成H2O2，在线粒体中也能直接生成 H2O2。 • H2O经放射线照射，一次生成· OH，再生成 H2O2。
第四章 毒物作用的机理
( Mechanisms of Toxicity)
研究内容
• • • • 毒物如何进入机体 怎样与靶分子相互作用 怎样表现出其有毒害作用 机体对损害作用的反应
目的要求
• • • • • 掌握外源性化合物增毒现象 熟悉外源性化合物主要毒性机制 终毒物的种类与形成 终毒物与靶分子的反应 细胞功能障碍与毒性
活性氧
• 氧是一个重要的电子受体，因所得电子 数不同，氧可产生多种还原产物：O2、· OH及H2O2，他们的E01均比O2高，具 有强的氧化能力。 • O2+e→O2• O2+2e+2H+→H2O2 • O2+3e+3H+→·OH+H2O • O2-的消除主要经超氧化物歧化酶（SOD） 催化生成O2和H2O2：
• 1O2是一个强的亲电子性的氧化剂，可用化学 方法生成，也可由H2O2经氧化生成，即H2O2 由次氯酸氧化生成1O2： NaClO+H2O2→1O2+NaCl+H2O2 • 1O2可与芳香族碳氢化合物进行一系列的反应。 • 1O2可将能量转移给其他物质而变成3O2， 在此过程中，物质（A）作为1O2的淬灭剂，接 受能量变为激发态（A*），然后以热的形式放 出能量回到基态A。水也可作为1O2的淬灭剂。
机制毒理学 （Mechanistic toxicology) • 主要研究化学物对生物体产生毒性作 用的细胞、生化和分子机制，为建立 敏感、特异的预测试验，安全性评价 与管理，安全性化学物（或药物）的 设计与生产以及疾病的诊断和治疗提 供科学依据
机制毒理学研究成果在应用毒理学 （Applied Toxicology)领域的主要用途
亲核物的形成
• 是毒物活化作用较少见的一种机制 • 硒化氢是由亚硒酸盐与谷胱甘肽或其他巯 基反应形成的一种强亲核物 • CO经由氧化取卤反应而形成的毒性代谢产 物
第二节
一般毒性作用
毒作用的一般作用机制
• 一、局部刺激和腐蚀作用 • 二、扰乱正常代谢 • 三、损害机体的生理功能
二、扰乱正常代谢
内容
• 外源性化学物增毒现象，终毒物类型
– 亲电子物 – 自由基 – 亲核物
• 解毒途径，解毒过程失效的原因 • 终毒物与靶分子的反应：类型，毒物对靶 分子的影响
• 毒物引起的细胞调节功能障碍：基因表达 调节障碍、细胞瞬息活动调节障碍 • 毒物引起的细胞维持功能改变：细胞内部 维持自身功能的损害、细胞外部维持功能 的损害
化学毒物产生毒性的可能途径
化学毒物
吸收、分布、代谢、排泄
与靶分子相互作用
细胞功能失调、损伤
毒 性
毒性机制涉及多个层次和步骤
毒物被转运到一个或多个靶部位
毒物或代谢产物与内源性靶分子相互作用 细胞结构与功能紊乱
启动细胞或分子水平修复
毒物引起的靶分子结构改变或功能紊乱超过修 复能力或修复障碍时，即产生毒性效应
2.有机的 RH+ O2 → R · +
+O2 O2-·+H+→R+O2-·
生化因 素
1.非催化的（正铁血红蛋白Fe2+）+ O2→（正铁血红蛋 白Fe3+）+O2-· 2.催化的 膜上的酶：线粒体、微粒体、质膜 可溶性酶：胞内（黄嘌呤氧化酶、髓过氧化氢 酶） 胞外（血浆铜蓝蛋白酶）
生物系统产生的自由基
自由基形成 （formation of free radicals)
• 自由基：指独立游离存在的带有不成对电 子的分子、原子或离子. • 主要由化合物的共价键的耗能均裂而产生， 也可以通过俘获电子而产生 均裂 CH3:H -→CH3+•+H+•
CCl4+e• ---→ CCl3•+Cl电子俘获
自由基的特点