《食品毒理學》課件第5章毒 性 機 制

1、第五章 毒 性 機 制11 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 體內生物大分子氧化損傷 5 毒物與細胞大分子的共價結合21 概述1.1 基本概念1.2 毒作用機制的內容1.3 毒作用機制的意義1.4 毒物產(chǎn)生毒性的可能途徑31.1 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。終毒物可以與內源性靶分子相互作用,使整體結構和/或功能改變,從而導致毒性作用。終毒物可以是母體化合物或其代謝產(chǎn)物，也可以是內源性分子。終毒物（ultimate toxicant）是指與內源靶分子（如受體、酶、DNA、微絲蛋白、脂質

2、）反應或嚴重地改變生物學（微）環(huán)境、啟動結構和（或）功能而表現(xiàn)出毒性的物質。 41.2 毒作用機制的內容毒作用機制內容包括：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51.3 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；建立預防或解毒措施；設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。6 1.4化學毒物產(chǎn)生毒性的可能途徑 化學毒物吸收、分布、代謝、排泄與靶分子相互作用細胞功能失

3、調、損傷細胞修復功能失調毒 性72 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的影響82.1 對生物膜組成成分的影響維持細胞膜的穩(wěn)定性對機體內的生物轉運、信息傳遞及內環(huán)境穩(wěn)定是非常重要的?；瘜W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合，使其蛋白的-螺旋（二級結構）破壞。92.2 對生物膜上酶活性的影響化學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+

4、,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合，而抑制其活性。102.3 對生物膜生物物理性質的影響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112.3.1 對膜通透性的影響生物膜的通透性指生物膜與周圍環(huán)境物質交換的能力。膜的通透性具有選擇性，不同的物質在膜上有不同的通透率，是物質逆濃差轉運的基礎。122.3.2 對膜流動性的影響膜的流動性包括：膜脂質分子的旋轉、伸縮和振蕩、側向擴散和翻轉運動，膜蛋白分子的側向擴散和旋轉運動，膜整體結構的運動。膜流動性的生理

5、意義包括：物質運輸、細胞融合、細胞識別，細胞表面受體功能的調節(jié)等。膜流動性的改變包括量變（程度變化）和質變（如相變和分相）。化學毒物可通過改變膜的流動性而影響其功能。131970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。 14許多生物物理實驗技術可用于研究膜流動性如熒光偏振、核磁共振，激光拉曼光譜、激光漂白熒光恢復法和電鏡冷凍蝕刻技術均可研究不同條件下膜結構的變化。電鏡冷凍蝕刻技術152.3.3 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。膜表面電荷的性質和密度影響膜表面的結構和功能?；瘜W毒

6、物可通過改變膜的表面電荷而影響其結構和功能。163 毒物對細胞鈣穩(wěn)態(tài)的影響3.1 細胞內鈣穩(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)失調的機制17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?。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。183.1 細胞內鈣穩(wěn)態(tài)細胞內鈣濃度的調節(jié)主要由線粒體和內質網(wǎng)等鈣庫、其次由細胞質中的緩沖系統(tǒng)（蛋白質、核苷酸、酸性磷脂等）來調節(jié)。當內鈣調節(jié)失靈（鈣穩(wěn)態(tài)紊亂）時，即可引起細胞功能損傷及壞死。19

7、3.1 細胞內鈣穩(wěn)態(tài)2鈣作為第二信使在細胞功能調節(jié)中起重要作用，如神經(jīng)傳導、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：通過鈣結合蛋白如鈣調蛋白介導；通過環(huán)磷酸腺苷介導；通過蛋白激酶C和磷脂酶C介導；通過鈣通道介導。指細胞感受胞外環(huán)境信號和胞間信號后產(chǎn)生的胞內信號分子，從而將細胞外信息轉換為細胞內信息。 203.2 細胞鈣穩(wěn)態(tài)的紊亂與細胞毒性細胞鈣穩(wěn)態(tài)紊亂是指細胞內鈣濃度不可控制地增高，從而產(chǎn)生一系列反應，導致細胞損傷或死亡，是某些化學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

8、結構損傷。21各種毒物進入機體后，引起細胞內鈣過荷時，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.激活核酸內切酶而促進DNA斷裂和染色質溶解。22膜磷脂水解23細胞膜骨架蛋白水解24DNA斷裂和染色質溶解。253.3 鈣穩(wěn)態(tài)失調的機制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263.3.1 對能量代謝的影響胞漿內高濃度Ca2+通過單轉運器使線粒體Ca2+攝取增加：1.線粒體膜勢能降低而抑制ATP合成酶，結果ATP的合成減少，使細胞膜、內質網(wǎng)上的Ca2+ -ATPase及細胞膜上的Na+,K+- ATPase 的能量供應減

9、少，細胞內鈣泵出減少而使細胞內鈣進一步升高；2.同時線粒體的細胞內呼吸（電子傳遞）加速，使氧自由基生成增加，膜脂質過氧化。3.Ca2+也可激磷脂酶，加速細胞膜脂質的水解。273.3.2 對微管功能的影響胞漿內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膜中的肌動蛋白以維持細胞的正常形態(tài)。胞漿內鈣的增加使肌動蛋白絲同-輔動蛋白和胞襯蛋白分離，促使質膜大皰（細胞膜表面的突出物）的形成而易于破裂。283.3.3 激活水解酶細胞內Ca2+濃度升高可激活降解蛋白質、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。需鈣蛋白酶介導的肌動蛋白

10、結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。294 體內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、化學反應性極強、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304.1 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31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

11、化酶分解。細胞內的氧化酶催化的氧化還原反應也是產(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 尿酸 + H2O2 黃嘌呤 + H2O + 2O2 尿酸 + 2O2-（超氧陰離子） + 2H+（氫離子） 32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，通過單電子還原而產(chǎn)生自由基?？砂l(fā)生該反應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：

12、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，有些化學毒物可干擾線粒體的細胞內呼吸功能而產(chǎn)生氧自由基，如：甲基汞、氰化物、3-硝基丙酸。33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（OH-）、過氧化氫(H2O2)、單線態(tài)氧(O.-)、次氯酸（ClO-）等，也包括過氧化物、氫過氧化物及內源性脂質和外來化合物的環(huán)氧代謝物（都含有化學性質活潑的氧功能基團）。34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（

13、具有接受和供給電子的能力）自由基如：Cu+/Cu2+、Fe2+/Fe3+、Ti()/Ti()。354.2 機體對氧化損傷的防御系統(tǒng)正常生理條件下，自由基在體內持續(xù)不斷地產(chǎn)生，但同時被機體內的抗氧化系統(tǒng)清除，從而不致出現(xiàn)損傷。機體內的抗氧化系統(tǒng)包括：非酶抗氧化系統(tǒng)和酶類抗氧化系統(tǒng)。36非酶抗氧化系統(tǒng)谷胱甘肽(GSH)、維生素C、維生素E、尿酸、牛磺酸、次?；撬岬?。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，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

14、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。37酶類抗氧化系統(tǒng)在生物進化過程中，需氧生物體內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；384.3 自由基對生物大分子的損害作用當體內自由基的產(chǎn)生超過機體抗氧化防御能力時，即可產(chǎn)生自

15、由基損傷，從而引發(fā)疾病或中毒。自由基對體內生物大分子的損害由氧自由基產(chǎn)生的細胞毒性效應稱為氧化應激.作用包括：4.3.1 脂質過氧化損傷4.3.2 蛋白質的氧化損傷4.3.3 DNA的氧化損傷394.3.1 脂質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形成脂質過氧自由基（LO2.)；LO2.既能從鄰近的脂肪酸抽取氫，使脂質過氧化擴展下去；也可從供氫體抽取氫導致脂質氫過氧化物（LOOH）的形成。 LOOH 通過Fe(II)催化的Fenton反應形成脂質過氧自由基（LO.)。 最終斷裂形成小分子的碳氫化合物，

16、如乙烷和活性醛類（4-羥壬醛和丙二醛）。鏈式連鎖反應404.3.2 蛋白質的氧化損傷自由基對蛋白質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。結果是蛋白質的凝集與交聯(lián)或降解與斷裂。414.3.3 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。DNA損傷可引起細胞凋亡。也可因損傷丟失部分堿基或修復時摻入錯誤的堿基而引起細胞突變和癌變?；钚匝蹩梢餌NA堿基損傷、DNA-蛋白質交聯(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。425

17、 毒物與細胞大分子的共價結合共價結合指毒物或其活性代謝產(chǎn)物與機體內重要的大分子物質（蛋白質、核酸、膜脂質）以共價鍵結合成穩(wěn)定的復合物-加合物。共價結合的特點是永久性地不可逆地改變了內源性分子的結構。從而損傷內源性大分子的功能。由于外源性化合物或其代謝物構成了新生加合物的一部分，可以此作為毒物接觸程度的標志物，也有助于中毒的診斷和防治。5.1 與蛋白質的共價結合5.2 與核酸的共價結合435.1 與蛋白質的共價結合外源毒物可與蛋白質分子中氨基酸的氨基、羥基、巰基、胍基、咪唑基、吲哚基發(fā)生共價結合，從而影響蛋白質的結構和功能。5.1.1 與白蛋白的共價結合5.1.2 與血紅蛋白的共價結合5.1.3

18、 與組織細胞蛋白質的共價結合445.1.1 與白蛋白的共價結合白蛋白是血液和組織間質中的主要蛋白質,也是脂肪酸、內源性化合物及外源化合物的主要載體，容易與終致癌物質結合形成共價加合物。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毒物的量成正比關系。455.1.2 與血紅蛋白的共價結合外源性化合物進入血液后，先與紅細胞膜結合繼而進入紅細胞內與血紅蛋白發(fā)生共價結合。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合物常作為外源毒物接觸人群的生物監(jiān)測。465.1.3 與組織細胞蛋白

19、質的共價結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、質膜、核內蛋白質結合而形成加合物。如：肝毒性物溴苯可直接消耗具有重要解毒作用的內源性物質谷胱甘肽，其活性代謝物環(huán)氧溴苯可與蛋白質發(fā)生共價結合，活性代謝物產(chǎn)物二氫二醇可引發(fā)自由基反應。有些毒物進入機體后，首先與細胞漿蛋白或核蛋白共價結合，影響細胞的正常代謝過程或信號傳遞系統(tǒng)。同時，與核蛋白共價結合也必將對細胞生長、繁殖和分化等的調控產(chǎn)生重要影響。475.2 與核酸的共價結合5.2.1 毒物與核酸共價結合的意義5.2.2 毒物與核酸共價結合的方式5.2.3 毒物與核酸共價結合的分子機制5.2.4 核酸加合物的類型485.2.1 毒物與核酸共價結合的意義毒物與核酸共價結合成不同類型加合物后，引起不同的生物效應，