食品毒理學(xué)：第5章毒性機制

1、1,第五章 毒 性 機 制,2,1 概述 2 毒物對生物膜的損害作用 3 毒物對細胞鈣穩(wěn)態(tài)的影響 4 體內(nèi)生物大分子氧化損傷 5 毒物與細胞大分子的共價結(jié)合,3,1 概述,1.1 基本概念 1.2 毒作用機制的內(nèi)容 1.3 毒作用機制的意義 1.4 毒物產(chǎn)生毒性的可能途徑,4,1.1 基本概念,毒物毒性的強度主要取決于終毒物在其作用部位的濃度和持續(xù)時間。 終毒物特點： 終毒物是最終產(chǎn)生毒性作用的物質(zhì)。 終毒物可以與內(nèi)源性靶分子相互作用,使整體結(jié)構(gòu)和/或功能改變,從而導(dǎo)致毒性作用。 終毒物可以是母體化合物或其代謝產(chǎn)物，也可以是內(nèi)源性分子。,終毒物（ultimate toxicant）是指與內(nèi)源靶

2、分子（如受體、酶、DNA、微絲蛋白、脂質(zhì)）反應(yīng)或嚴(yán)重地改變生物學(xué)（微）環(huán)境、啟動結(jié)構(gòu)和（或）功能而表現(xiàn)出毒性的物質(zhì)。,5,1.2 毒作用機制的內(nèi)容,毒作用機制內(nèi)容包括：毒物如何進入機體，怎樣與靶分子相互作用，怎樣表現(xiàn)其有害作用及機體對損害作用的反應(yīng)等。,找出靶器官、靶組織,進一步找出受損的細胞、亞細胞,分子水平變化：DNA、RNA或蛋白質(zhì),6,1.3 毒作用機制的意義,掌握毒物作用機制不僅具有理論意義，且有實際意義,包括： 闡明描述性毒性資料； 估計毒物所致有害作用的可能性；建立預(yù)防或解毒措施； 設(shè)計危害較小的藥物和工業(yè)品； 開發(fā)對靶生物具有高選擇性毒性的農(nóng)藥等。,7,1.4化學(xué)毒物產(chǎn)生毒性的

3、可能途徑,化學(xué)毒物,吸收、分布、代謝、排泄,與靶分子相互作用,細胞功能失調(diào)、損傷,細胞修復(fù)功能失調(diào),毒 性,8,2 毒物對生物膜的損害作用,2.1 對生物膜組成成分的影響 2.2 對生物膜上酶活性的影響 2.3 對生物膜生物物理性質(zhì)的影響,9,2.1 對生物膜組成成分的影響,維持細胞膜的穩(wěn)定性對機體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)運、信息傳遞及內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定是非常重要的。 化學(xué)毒物可引起膜成分的改變。如：四氯化碳可引起細胞膜磷脂和膽固醇含量下降； 二氧化硅可與人紅細胞膜的蛋白結(jié)合，使其蛋白的-螺旋（二級結(jié)構(gòu)）破壞。,10,2.2 對生物膜上酶活性的影響,化學(xué)毒物可影響膜上某些酶的活性而影響細胞的功能。如： 有機磷類化合

4、物抑制突觸小體和紅細胞膜上的膽堿酯酶； 對硫磷還可抑制突觸小體和紅細胞膜上的Ca2+-ATPase和Ca2+,Mg2+- ATPase； 苯并芘可抑制紅細胞膜Ca2+-ATPase和Na+,K+- ATPase； Pb2+、Cd2+可與膜酶上的巰基結(jié)合，而抑制其活性。,11,2.3 對生物膜生物物理性質(zhì)的影響,2.3.1 對膜通透性的影響 2.3.2 對膜流動性的影響 2.3.3 對膜表面電荷的影響,12,2.3.1 對膜通透性的影響,生物膜的通透性指生物膜與周圍環(huán)境物質(zhì)交換的能力。 膜的通透性具有選擇性，不同的物質(zhì)在膜上有不同的通透率，是物質(zhì)逆濃差轉(zhuǎn)運的基礎(chǔ)。,13,2.3.2 對膜流動性的

5、影響,膜的流動性包括：膜脂質(zhì)分子的旋轉(zhuǎn)、伸縮和振蕩、側(cè)向擴散和翻轉(zhuǎn)運動，膜蛋白分子的側(cè)向擴散和旋轉(zhuǎn)運動，膜整體結(jié)構(gòu)的運動。 膜流動性的生理意義包括：物質(zhì)運輸、細胞融合、細胞識別，細胞表面受體功能的調(diào)節(jié)等。 膜流動性的改變包括量變（程度變化）和質(zhì)變（如相變和分相）。 化學(xué)毒物可通過改變膜的流動性而影響其功能。,14,1970年，L. David Frye 和Michael Edidin 進行了人、鼠細胞融合實驗，令人信服地證明膜蛋白的流動。,15,許多生物物理實驗技術(shù)可用于研究膜流動性如熒光偏振、核磁共振，激光拉曼光譜、激光漂白熒光恢復(fù)法和電鏡冷凍蝕刻技術(shù)均可研究不同條件下膜結(jié)構(gòu)的變化。,電鏡冷

6、凍蝕刻技術(shù),16,2.3.3 對膜表面電荷的影響,膜表面的糖脂和糖蛋白形成膜表面極性基團，組成表面電荷。 膜表面電荷的性質(zhì)和密度影響膜表面的結(jié)構(gòu)和功能。 化學(xué)毒物可通過改變膜的表面電荷而影響其結(jié)構(gòu)和功能。,17,3 毒物對細胞鈣穩(wěn)態(tài)的影響,3.1 細胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài) 3.2 細胞鈣穩(wěn)態(tài)的紊亂與細胞毒性 3.3 鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)的機制,18,生物膜離子通道（ion channels of biomembrane）,生物膜離子通道（ion channels of biomembrane）是各種無機離子跨膜被動運輸?shù)耐贰?被動運輸（順離子濃度梯度）離子通道 主動運輸（逆離子濃度梯度）離子泵。,19,3.1 細

7、胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài),細胞內(nèi)鈣濃度的調(diào)節(jié)主要由線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等鈣庫、其次由細胞質(zhì)中的緩沖系統(tǒng)（蛋白質(zhì)、核苷酸、酸性磷脂等）來調(diào)節(jié)。 當(dāng)內(nèi)鈣調(diào)節(jié)失靈（鈣穩(wěn)態(tài)紊亂）時，即可引起細胞功能損傷及壞死。,20,3.1 細胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)2,鈣作為第二信使在細胞功能調(diào)節(jié)中起重要作用，如神經(jīng)傳導(dǎo)、肌肉收縮、細胞分泌、細胞增殖與分化、細胞形態(tài)的變化及細胞衰老等。 Ca2+作用途徑有： 通過鈣結(jié)合蛋白如鈣調(diào)蛋白介導(dǎo)； 通過環(huán)磷酸腺苷介導(dǎo)； 通過蛋白激酶C和磷脂酶C介導(dǎo)； 通過鈣通道介導(dǎo)。,指細胞感受胞外環(huán)境信號和胞間信號后產(chǎn)生的胞內(nèi)信號分子，從而將細胞外信息轉(zhuǎn)換為細胞內(nèi)信息。,21,3.2 細胞鈣穩(wěn)態(tài)的紊亂與細胞毒性,細胞鈣穩(wěn)

8、態(tài)紊亂是指細胞內(nèi)鈣濃度不可控制地增高，從而產(chǎn)生一系列反應(yīng)，導(dǎo)致細胞損傷或死亡，是某些化學(xué)毒物中毒的機制之一。 如硝基酚、醌、過氧化物、醛類、二噁英、鹵化烷烴和烯烴、鎘、鉛、汞等均能干擾細胞穩(wěn)態(tài)，而引起細胞功能和結(jié)構(gòu)損傷。,22,各種毒物進入機體后，引起細胞內(nèi)鈣過荷時，可 1.激活磷脂酶而促進膜磷脂水解 2.激活非溶酶體蛋白酶而促進細胞膜骨架蛋白水解 3.激活核酸內(nèi)切酶而促進DNA斷裂和染色質(zhì)溶解。,23,膜磷脂水解,24,細胞膜骨架蛋白水解,25,DNA斷裂和染色質(zhì)溶解。,26,3.3 鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)的機制,3.3.1 對能量代謝的影響 3.3.2 對微管功能的影響 3.3.3 激活水解酶,27,

9、3.3.1 對能量代謝的影響,胞漿內(nèi)高濃度Ca2+通過單轉(zhuǎn)運器使線粒體Ca2+攝取增加： 1.線粒體膜勢能降低而抑制ATP合成酶，結(jié)果ATP的合成減少，使細胞膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的Ca2+ -ATPase及細胞膜上的Na+,K+- ATPase 的能量供應(yīng)減少，細胞內(nèi)鈣泵出減少而使細胞內(nèi)鈣進一步升高； 2.同時線粒體的細胞內(nèi)呼吸（電子傳遞）加速，使氧自由基生成增加，膜脂質(zhì)過氧化。 3.Ca2+也可激磷脂酶，加速細胞膜脂質(zhì)的水解。,28,3.3.2 對微管功能的影響,胞漿內(nèi)鈣無控制地升高引起細胞損傷也涉及到微管的解聚。 細胞通過骨架蛋白的微絲粘附于質(zhì)膜中的肌動蛋白以維持細胞的正常形態(tài)。 胞漿內(nèi)鈣的增加使

10、肌動蛋白絲同-輔動蛋白和胞襯蛋白分離，促使質(zhì)膜大皰（細胞膜表面的突出物）的形成而易于破裂。,29,3.3.3 激活水解酶,細胞內(nèi)Ca2+濃度升高可激活降解蛋白質(zhì)、磷脂和核酸的水解酶。 許多完整的膜蛋白是Ca2+激活的中性蛋白酶或需鈣蛋白酶的靶位點。需鈣蛋白酶介導(dǎo)的肌動蛋白結(jié)合蛋白的水解也可引起膜大皰。 鈣激活的蛋白酶經(jīng)蛋白水解可將黃嘌呤脫氫酶轉(zhuǎn)變成次黃嘌呤氧化酶，其副產(chǎn)物氧自由基和過氧化氫可引起細胞損傷。,30,4 體內(nèi)生物大分子氧化損傷,自由基指含一個或多個未配對電子的任何分子或離子。其共同點是具有順磁性、化學(xué)反應(yīng)性極強、作用半徑小、半衰期極短。 4.1 自由基的來源與類型 4.2 機體對氧

11、化損傷的防御系統(tǒng) 4.3 自由基對生物大分子的損害作用,31,4.1 自由基的來源與類型,4.1.1 來源 正常生理代謝過程 外源化合物的作用 4.1.2 類型 氧中心自由基 其他自由基,32,正常生理代謝過程,線粒體是活性氧的重要來源?；钚匝踝遄杂苫际瞧湔４x副產(chǎn)物。生理條件下該自由基可被錳超氧化物歧化酶分解。 細胞內(nèi)的氧化酶催化的氧化還原反應(yīng)也是產(chǎn)生自由基的來源。其中主要是黃嘌呤氧化酶，其直接將分子氧還原成過氧化物和過氧化氫或羥自由基。過氧化物酶具有很強的形成過氧化氫能力。過氧化氫可被過氧化氫酶水解。 次黃嘌呤 + H2O + O2 黃嘌呤 + H2O2 黃嘌呤 + H2O + O2

12、尿酸 + H2O2 黃嘌呤 + H2O + 2O2 尿酸 + 2O2-（超氧陰離子） + 2H+（氫離子）,33,外源化合物的作用,外源性化合物可通過各種不同途徑產(chǎn)生自由基。 其中最主要途徑是通過氧化還原反應(yīng)，通過單電子還原而產(chǎn)生自由基。可發(fā)生該反應(yīng)的外源性化合物包括：醌類：絲裂霉素、阿霉素、博萊霉素等；硝基化合物：苯的硝基化合物（如硝基苯）和硝基雜環(huán)化合物（如呋喃妥因）；雙吡啶化合物：百草枯、殺草快。 此外，有些化學(xué)毒物可干擾線粒體的細胞內(nèi)呼吸功能而產(chǎn)生氧自由基，如：甲基汞、氰化物、3-硝基丙酸。,34,氧中心自由基,該類自由基持續(xù)不斷地在機體中產(chǎn)生。 它們包括氧自由基（O2）、羥自由基（O

13、H-）、過氧化氫(H2O2)、單線態(tài)氧(O.-)、次氯酸（ClO-）等，也包括過氧化物、氫過氧化物及內(nèi)源性脂質(zhì)和外來化合物的環(huán)氧代謝物（都含有化學(xué)性質(zhì)活潑的氧功能基團）。,35,其他自由基,除氧中心自由基外，其它有包括： 以碳為中心的自由基如三氯甲基自由基； 以硫為中心的自由基如烷硫自由基； 以氮為中心的自由基如苯基二肼自由基； 金屬離子（具有接受和供給電子的能力）自由基如：Cu+/Cu2+、Fe2+/Fe3+、Ti()/Ti()。,36,4.2 機體對氧化損傷的防御系統(tǒng),正常生理條件下，自由基在體內(nèi)持續(xù)不斷地產(chǎn)生，但同時被機體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)清除，從而不致出現(xiàn)損傷。 機體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)包括：

14、非酶抗氧化系統(tǒng)和酶類抗氧化系統(tǒng)。,37,非酶抗氧化系統(tǒng),谷胱甘肽(GSH)、維生素C、維生素E、尿酸、?；撬?、次牛磺酸等。 谷胱甘肽能與過氧化氫或有機過氧化物作用，可保護細胞免受過氧化物損害，是重要的自由基捕獲劑； 維生素C能還原氧自由基； 維生素E是細胞膜上主要的脂溶性抗氧化劑，通過阻斷過氧自由基鏈反應(yīng)，防止膜上的多不飽和脂肪酸的氧化； -胡蘿卜素是自然界中已知最有效的單線態(tài)氧清除劑； 尿酸、?；撬帷⒋闻；撬峋哂蟹乐棺杂苫鶕p傷作用； 金屬硫蛋白對羥自由基有很強的滅活作用。,38,酶類抗氧化系統(tǒng),在生物進化過程中，需氧生物體內(nèi)存在清除自由基的酶系統(tǒng)。包括： 超氧化物歧化酶（SOD）：銅-鋅超氧

15、化物歧化酶（CuZnSOD）和錳超氧化物歧化酶（MnSOD）,它們催化超氧陰離子歧化為過氧化氫和氧氣； 過氧化氫酶(CAT)：將過氧化氫分解為水和氧氣； 谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px，含硒酶）：在GSH存在下，催化過氧化氫和有機氫過氧化物還原為水或醇和水，同時將GSH氧化為GSSG；,39,4.3 自由基對生物大分子的損害作用,當(dāng)體內(nèi)自由基的產(chǎn)生超過機體抗氧化防御能力時，即可產(chǎn)生自由基損傷，從而引發(fā)疾病或中毒。自由基對體內(nèi)生物大分子的損害由氧自由基產(chǎn)生的細胞毒性效應(yīng)稱為氧化應(yīng)激. 作用包括： 4.3.1 脂質(zhì)過氧化損傷 4.3.2 蛋白質(zhì)的氧化損傷 4.3.3 DNA的氧化損傷,40,4.

16、3.1 脂質(zhì)過氧化損傷,羥自由基攻擊多不飽和脂肪酸，從其碳鏈的亞甲基中抽取1個H，形成脂質(zhì)自由基（L.)，然后分子重排成共軛二烯； 共軛二烯與O2形成脂質(zhì)過氧自由基（LO2.)； LO2.既能從鄰近的脂肪酸抽取氫，使脂質(zhì)過氧化擴展下去；也可從供氫體抽取氫導(dǎo)致脂質(zhì)氫過氧化物（LOOH）的形成。 LOOH 通過Fe(II)催化的Fenton反應(yīng)形成脂質(zhì)過氧自由基（LO.)。 最終斷裂形成小分子的碳氫化合物，如乙烷和活性醛類（4-羥壬醛和丙二醛）。,鏈?zhǔn)竭B鎖反應(yīng),41,4.3.2 蛋白質(zhì)的氧化損傷,自由基對蛋白質(zhì)的氧化損傷實際是對其氨基酸的氧化作用，尤其是對芳香族和含硫氨基酸。 結(jié)果是蛋白質(zhì)的凝集與

17、交聯(lián)或降解與斷裂。,42,4.3.3 DNA的氧化損傷,自由基引起DNA的損傷是細胞突變或癌變的基礎(chǔ)。 DNA損傷可引起細胞凋亡。也可因損傷丟失部分堿基或修復(fù)時摻入錯誤的堿基而引起細胞突變和癌變。 活性氧可引起DNA堿基損傷、DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)物的形成和DNA斷裂等。 不同活性氧對DNA作用不同：羥自由基可作用于DNA的所有成分；單線態(tài)氧主要作用于DNA中的鳥嘌呤；氧自由基可使DNA斷裂；過氧化氫只參與DNA損傷過程。,43,5 毒物與細胞大分子的共價結(jié)合,共價結(jié)合指毒物或其活性代謝產(chǎn)物與機體內(nèi)重要的大分子物質(zhì)（蛋白質(zhì)、核酸、膜脂質(zhì)）以共價鍵結(jié)合成穩(wěn)定的復(fù)合物-加合物。 共價結(jié)合的特點是永久性

18、地不可逆地改變了內(nèi)源性分子的結(jié)構(gòu)。從而損傷內(nèi)源性大分子的功能。 由于外源性化合物或其代謝物構(gòu)成了新生加合物的一部分，可以此作為毒物接觸程度的標(biāo)志物，也有助于中毒的診斷和防治。 5.1 與蛋白質(zhì)的共價結(jié)合 5.2 與核酸的共價結(jié)合,44,5.1 與蛋白質(zhì)的共價結(jié)合,外源毒物可與蛋白質(zhì)分子中氨基酸的氨基、羥基、巰基、胍基、咪唑基、吲哚基發(fā)生共價結(jié)合，從而影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。 5.1.1 與白蛋白的共價結(jié)合 5.1.2 與血紅蛋白的共價結(jié)合 5.1.3 與組織細胞蛋白質(zhì)的共價結(jié)合,45,5.1.1 與白蛋白的共價結(jié)合,白蛋白是血液和組織間質(zhì)中的主要蛋白質(zhì),也是脂肪酸、內(nèi)源性化合物及外源化合物的主

19、要載體，容易與終致癌物質(zhì)結(jié)合形成共價加合物。 血清白蛋白直接由肝細胞合成，同時肝細胞是致癌物質(zhì)代謝活化的重要部位，因而白蛋白更易接觸到肝細胞活化的親電子性代謝產(chǎn)物。 白蛋白加合物形成的量與接觸相應(yīng)毒物的量成正比關(guān)系。,46,5.1.2 與血紅蛋白的共價結(jié)合,外源性化合物進入血液后，先與紅細胞膜結(jié)合繼而進入紅細胞內(nèi)與血紅蛋白發(fā)生共價結(jié)合。 因紅細胞壽命較長、血樣易采集又基本不影響健康，所以血紅蛋白共價結(jié)合物常作為外源毒物接觸人群的生物監(jiān)測。,47,5.1.3 與組織細胞蛋白質(zhì)的共價結(jié)合,進入人體的外源化合物直接或間接通過其活化代謝產(chǎn)物與胞漿、質(zhì)膜、核內(nèi)蛋白質(zhì)結(jié)合而形成加合物。如：肝毒性物溴苯可直接消耗具有重要解毒作用的內(nèi)源性物質(zhì)谷胱甘肽，其活性代謝物環(huán)氧溴苯可與蛋白質(zhì)發(fā)生共價結(jié)合，活性代謝物產(chǎn)物二氫二醇可引發(fā)自由基反應(yīng)。 有些毒物進入機體后，首先與細胞漿蛋白或核蛋白共價結(jié)合，影響細胞的正常代謝過程或信號傳遞系統(tǒng)。同時，與核蛋白共價結(jié)合也必將對細胞生長、繁殖和分化等的調(diào)控產(chǎn)生重要影響。,48,5.2 與核酸的共價結(jié)合,5.2.1 毒物與核酸共價結(jié)合的意義 5.2.2 毒物與核酸共價結(jié)合的方式 5.2.3 毒物與核酸共價結(jié)合的分子機制 5.2.4 核酸加合物的類型,49,5.2.1 毒物與核酸共價結(jié)合的意義,毒物與核酸共價結(jié)合成不同類型加合物后，引起不同的