食品毒理學(xué) 第六章 毒性機制學(xué)習(xí)課件

第六章毒性機制

22/24/2025

化學(xué)毒物產(chǎn)生毒性的可能途徑化學(xué)毒物吸收、分布、代謝、排泄與靶分子相互作用細(xì)胞功能失調(diào)、損傷細(xì)胞修復(fù)功能失調(diào)毒性①②③32/24/2025毒性機制第一節(jié)一般毒作用機制第二節(jié)外源化學(xué)物的增毒與終毒物的形成第三節(jié)終毒物與靶分子的反應(yīng)第四節(jié)細(xì)胞功能障礙與毒性毒作用：指化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入機體經(jīng)過生物轉(zhuǎn)運和生物轉(zhuǎn)化，化學(xué)物質(zhì)本身或其代謝產(chǎn)物與生物大分子或者靶部位相互作用，產(chǎn)生不良或有害的生物學(xué)效應(yīng)，超過機體自身的解毒、修復(fù)功能。42/24/2025第一節(jié)一般毒作用機制化學(xué)物質(zhì)對機體的損害作用——主要取決于化學(xué)物質(zhì)與機體的接觸途徑、與靶分子的相互作用和機體對損害作用的反應(yīng)。中毒表現(xiàn)：直接與靶分子反應(yīng)；

對生物學(xué)環(huán)境產(chǎn)生有害的影響；

使得分子、細(xì)胞器、細(xì)胞或器官等功能失調(diào)，從而導(dǎo)致毒效應(yīng)。52/24/2025一、直接損傷

直接毒物

某些毒物質(zhì)與機體接觸或者進(jìn)入機體后，直接與機體的重要部位接觸，產(chǎn)生毒性作用。62/24/2025二、化學(xué)物與受體的相互作用1.化學(xué)物質(zhì)對生物膜的損害：（1）化學(xué)物質(zhì)對生物膜通透性的影響：

膜蛋白質(zhì)（2）化學(xué)物質(zhì)對生物膜流動性的影響：（3）化學(xué)物質(zhì)對生物膜上蛋白質(zhì)的影響：72/24/2025二、化學(xué)物與受體的相互作用2.化學(xué)物質(zhì)對生物大分子的氧化損傷：（1）脂質(zhì)過氧化作用及其損害：（2）蛋白質(zhì)的氧化損害：（3）DNA的氧化損害：

82/24/202592/24/2025(1)脂質(zhì)過氧化損害：

☆脂質(zhì)過氧化(lipidperoxidation)：指主要由自由基引起的多不飽和脂肪酸的氧化作用，對生物膜具有強烈的破壞作用。

102/24/2025脂質(zhì)過氧化

A.自由基的形成與脂質(zhì)過氧化的關(guān)系

①啟動階段：脂質(zhì)過氧化是由一些脂鏈側(cè)鏈甲叉碳上除去一個氫的化合物所啟動。OH·是最重要的脂質(zhì)過氧化的誘導(dǎo)物。②發(fā)展階段：已形成的自由基將作為啟動子而產(chǎn)生新的自由基，使反應(yīng)發(fā)展下去。在發(fā)展階段中，形成的自由基總數(shù)保持不變，一種自由基團可經(jīng)多種反應(yīng)轉(zhuǎn)變成另一種形式的自由基團。去氫后的碳原子形成中心自由基(L·)。與脂質(zhì)過氧化反應(yīng)關(guān)系最重要的是脂質(zhì)過氧化自由基和脂質(zhì)過氧化物的形成。③終止階段：只有二個自由基相互作用，才能使自由基反應(yīng)鏈終止，消除自由基。112/24/2025B．脂質(zhì)過氧化的后果：

①細(xì)胞器和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的改變和功能障礙。②脂質(zhì)過氧化物的分解產(chǎn)物具有細(xì)胞毒性，其中特別有害的是一些不飽和醛類。③對DNA影響：一是脂質(zhì)過氧化自由基和烷基自由基可引起DNA堿基，特別是鳥嘌呤堿基的氧化；一是脂質(zhì)過氧化物的分解產(chǎn)物，丙二醛可以共價結(jié)合方式導(dǎo)致DNA鏈斷裂和交聯(lián)。④對低密度脂蛋白(LDL)的作用。122/24/2025（2）蛋白質(zhì)的氧化損傷A．機制：

①對脂肪族氨基酸氧化損傷，形成C-中心自由基②芳香族氨基酸常形成羥基衍生物，即在苯環(huán)或在酪氨酸處交聯(lián)成二聚體③由過渡金屬介導(dǎo)出現(xiàn)氧化損傷，主要通過Fenton反應(yīng)。脂質(zhì)過氧化的自由基中間產(chǎn)物作用，如烷氧自由基(LO·)和過氧自由基(LOO·)，可與過氧化脂質(zhì)緊密聯(lián)系的蛋白質(zhì)反應(yīng)。132/24/2025（3）蛋白質(zhì)的氧化損傷

B．后果

氧化的后果是凝集與交聯(lián)，或是蛋白質(zhì)的降解與斷裂，這主要取決于蛋白質(zhì)成分的特征及自由基的種類。對蛋白質(zhì)影響表現(xiàn)在二個方面：直接作用 間接作用

142/24/2025（3）核酸的氧化損傷：

自由基對DNA氧化損傷的機理是可以使DNA的堿基和脫氧核糖發(fā)生化學(xué)變化，引起堿基改變、破壞或脫落和DNA核酸鏈中的單鏈和雙鏈斷裂。

正常機體內(nèi)存在DNA的修復(fù)機制，但隨著年齡的增長，這種修復(fù)能力下降導(dǎo)致DNA的錯誤累積，最終細(xì)胞衰老死亡。152/24/2025（3）核酸的氧化損傷：

A．堿基損傷

活性氧攻擊DNA的靶位點是腺嘌呤與鳥嘌呤的C8，嘧啶的C5與C6雙鍵。其可能的機制為：①氧自由基直接作用于雙鍵部位，使之獲得一個加合基而改變其結(jié)構(gòu)。②·OH使脫氧核苷脫嘌呤，即自由基可使DNA鏈上出現(xiàn)無嘌呤或無嘧啶部位。③·OH可以自動從胸嘧啶的甲基中除去H原子。162/24/2025（3）核酸的氧化損傷：B．DNA鏈斷裂：

①·OH對DNA的攻擊，主要針對DNA分子中的核糖部分，可能的位置在DNA分子中核糖的3’和4’碳位上，造成DNA鏈的斷裂。②自由基對胸腺嘧啶堿基作用，造成的損害經(jīng)修復(fù)酶切除，可產(chǎn)生類似的單鏈斷裂。③氧化應(yīng)激可啟動細(xì)胞內(nèi)的一系列代謝過程，激活核酸酶，導(dǎo)致DNA鏈的斷裂。172/24/2025（3）核酸的氧化損傷：DNA鏈斷裂在基因突變的形成過程中有重要意義。DNA鏈斷裂后，有下列途徑產(chǎn)生突變：①DNA鏈斷裂造成部分堿基的缺失；②DNA鏈斷裂后，正常的細(xì)胞將啟動修復(fù)過程，多種酶可以辨別DNA內(nèi)異常，并通過切割、再合成、重合等途徑使之修復(fù)。如酶也受自由基破壞或功能難以達(dá)到修復(fù)的要求，可能造成被修復(fù)的DNA堿基的錯誤摻入和錯誤編碼；③可能引起癌基因的活化，或抑癌基因的失活。三、與生物大分子的結(jié)合非共價結(jié)合與共價結(jié)合1.與蛋白質(zhì)共價結(jié)合2.與核酸分子共價結(jié)合3.與谷胱甘肽結(jié)合182/24/2025192/24/2025毒效應(yīng)的強度主要取決于終毒物在其作用位點的濃度及持續(xù)時間。第二節(jié)外源化學(xué)物的增毒與終毒物的形成202/24/2025＆終毒物（ultimatetoxicant）外源化學(xué)物可直接與內(nèi)源性靶分子反應(yīng)并造成機體損害時的化學(xué)形態(tài)。（1）原化學(xué)物（2）代謝物（3）活性氧、活性氮（4）內(nèi)源性分子間接毒物

是指需要經(jīng)過代謝轉(zhuǎn)化才能發(fā)揮毒性作用的物質(zhì)，經(jīng)活化可改變機體的生理、生化特性，從而改變機體的微環(huán)境結(jié)構(gòu)，對機體造成不良影響。概念212/24/2025外源化學(xué)物在體內(nèi)生物轉(zhuǎn)化為終毒物的過程稱為增毒。最為多見的情況是增毒使外源化學(xué)物轉(zhuǎn)變?yōu)椋河H電子劑、自由基、親核物、氧化還原性反應(yīng)物。概念222/24/2025親電子劑的形成親電子劑是帶有正電荷而缺乏電子的分子，它可與負(fù)電子的親核物質(zhì)共享電子對而發(fā)生反應(yīng)。這使它能通過與親核物中的富電子原子共享電子對而發(fā)生反應(yīng)。

（1）非離子親電子劑（2）陽離子親電子劑（3）無機物

232/24/2025苯并(a)芘[benzo(a)pyrene，BaP]P-4507,8-環(huán)氧苯并(a)芘7,8-二羥-BaP7,8-二羥基-9,10-環(huán)氧BaP環(huán)氧化物水解酶(終致癌物)242/24/2025自由基形成自由基（freeradicals）是在原子的外軌道上含有一個或多個不成對電子的分子或基團。自由基主要是由于化合物的共價鍵發(fā)生均裂而產(chǎn)生。其共同特點是：具有順磁性、其化學(xué)性質(zhì)十分活潑、反應(yīng)性極高，因而半減期極短，一般僅能以μs計，作用半徑短。252/24/2025自由基的來源與類型262/24/2025自由基形成氧中心自由基，活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)這個術(shù)語實際上是一個集合名詞，不僅包括氧中心自由基如O2-?，和·OH，而且也包括某些氧的非自由基衍生物，如H2O2、單線態(tài)氧和次氯酸，甚至還包括過氧化物、氫過氧化物和內(nèi)源性脂質(zhì)及外來化合物的環(huán)氧代謝物，因為它們都含有化學(xué)性質(zhì)活潑的含氧功能基團。

272/24/2025自由基在生物體內(nèi)來源有二：一是細(xì)胞正常生理過程產(chǎn)生；二是化學(xué)毒物在體內(nèi)代謝過程產(chǎn)生。許多外來化合物可通過各種不同途徑產(chǎn)生自由基，但其中最主要的途徑是通過氧化還原反應(yīng)（redoxcycling）。它通過加入一個單電子使化學(xué)物還原為不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，隨后這個電子轉(zhuǎn)移給分子氧而形成超氧陰離子自由基(O2-·)，而中間產(chǎn)物則再生為原化學(xué)物。自由基形成282/24/2025親核物的形成親核物的形成是毒物活化作用較少見的一種機制。例如：苦杏仁苷經(jīng)腸道β-糖苷酶催化形成氰化物；丙烯氰環(huán)氧化和隨后谷胱甘肽結(jié)合形成的氰化物；以及硝普鈉經(jīng)巰基誘導(dǎo)降解后形成氰化物，等。

292/24/2025活性氧化還原反應(yīng)物的形成

引起高鐵血紅蛋白的亞硝酸鹽，既可在小腸中由硝酸鹽經(jīng)細(xì)菌還原生成，也可由亞硝酸酯或硝酸酯與谷胱甘肽反應(yīng)而生成。還原性化合物如抗壞血酸等以及NADPH依賴性黃素酶等還原酶可使Cr6+還原為Cr5+。Cr5+反過來又可催化HO·生成。

302/24/2025解毒（1）無功能基團毒物的解毒：一般情況下，苯和甲苯等不含功能基團化學(xué)物的解毒分兩相。首先，通常由細(xì)胞色素P-450將羧基和羥基等功能基團引入分子中。隨后，通過轉(zhuǎn)移酶將內(nèi)源性酸如葡糖醛酸、硫酸或氨基酸結(jié)合到這些功能基團上。除了某些例外，多數(shù)化合物的最終產(chǎn)物無反應(yīng)活性，是易于排泄的高度親水的有機酸。312/24/2025（2）親電子劑的解毒：

親電性毒物較為普遍的解毒方式是與親核劑谷胱苷肽結(jié)合。親電子劑較為特殊的解毒機制是環(huán)氧化物和芳烴環(huán)氧化物被環(huán)氧化物水化酶催化分別生成二醇類及二氫二醇類化合物。

解毒322/24/2025（3）

親核劑的解毒：

親核物一般通過在親核功能基團上的結(jié)合反應(yīng)來解毒。硫氰酸酶催化的氰化物生成硫氰酸是較特殊的親核劑解毒機制。解毒332/24/2025（4）

自由基的解毒：機體雖有多種途徑產(chǎn)生自由基，但并不是自由基產(chǎn)生即對機體有損害作用。自由基產(chǎn)生只有超過抗氧化能力或機體抗氧化能力降低時，才會造成損害作用。這是因為機體有相應(yīng)的防御系統(tǒng)，包括非酶性和酶性抗氧化系統(tǒng)。

解毒342/24/2025（4）

自由基的解毒：酶性抗氧化系統(tǒng)

aSOD：歧化O2-·，生成H2O2和O2。

b過氧化氫酶（CAT）：將H2O2轉(zhuǎn)化為水。

cGSH-Px（GPO）：催化谷胱苷肽對過氧化物的還原反應(yīng)，使過氧化物轉(zhuǎn)化為水或相應(yīng)的醇類。

d谷胱苷肽還原酶（GR）：產(chǎn)生還原型的GSH。

e心肌黃酶(DTdiaphorase）。

解毒352/24/2025（4）

自由基的解毒：非酶性抗氧化系統(tǒng)

在生物體系中廣泛分布著許多小分子，它們能通過非酶促反應(yīng)而清除氧自由基。例如，維生素C、維生素E、GSH、尿酸、牛磺酸和次?；撬岬取?/p>

谷胱苷肽(GSH)參與GSH-Px的作用，使過氧化物還原為H2O和氧化型谷胱苷肽(GSSG)。

維生素E它必須與膜結(jié)合才能發(fā)揮抗氧化作用。解毒362/24/2025（5）蛋白毒素的解毒：

胞內(nèi)或胞外的蛋白酶可能在毒性多肽的解毒中起作用。解毒372/24/2025(1)解毒能力耗竭：谷胱甘肽

(2)解毒酶失活：ONOO-使Mn-SOD失效

(3)某些結(jié)合反應(yīng)可被逆轉(zhuǎn)：

(4)解毒過程有時產(chǎn)生潛在有害副產(chǎn)物：解毒過程失效382/24/2025實際上所有的內(nèi)源化合物都是毒物潛在的靶標(biāo)，然而毒理學(xué)上相關(guān)的靶標(biāo)是大分子，如核酸（特別是DNA）和蛋白質(zhì)。在小分子中，膜脂質(zhì)最為常見。某些輔因子如輔酶A和吡哆醛。第三節(jié)終毒物與靶分子的反應(yīng)392/24/2025

內(nèi)源性分子作為一個靶分子必須具有合適的反應(yīng)性和（或）空間構(gòu)型，以容許終毒物發(fā)生共價或非共價反應(yīng)。為了發(fā)生這些反應(yīng)，靶分子必須接觸足夠高濃度的終毒物，因此，處于反應(yīng)活性化學(xué)物鄰近或接近它們形成部位的內(nèi)源性分子常常是靶分子。

活性代謝物的第一個靶分子常常是催化這些代謝物形成的酶或鄰近的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)；在密切靠近其形成部位沒有合適內(nèi)源性分子時，活性代謝物可擴散直至遇到這樣的反應(yīng)物。402/24/2025一、反應(yīng)的類型：共價結(jié)合（convalentbinding）:非共價結(jié)合（nonconvalentbinding）:酶促反應(yīng)：電子轉(zhuǎn)移：去氫反應(yīng)：

412/24/2025一、反應(yīng)的類型：共價結(jié)合（convalentbinding）:

☆指化學(xué)毒物或其具有活性的代謝產(chǎn)物與機體的一些重要大分子發(fā)生共價結(jié)合，從而改變核酸、蛋白質(zhì)、酶、膜脂質(zhì)等生物大分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)與其生物學(xué)功能。

永久性地不可逆地

加合物(adducts)指活性化學(xué)物與細(xì)胞大分子之間通過共價鍵形成的穩(wěn)定復(fù)合物。常見于親電毒物

422/24/2025一、反應(yīng)的類型：非共價結(jié)合（nonconvalentbinding）:

通過非極性交互作用或氫鍵與離子鍵的形成，具有代表性的是毒物與膜受體、細(xì)胞內(nèi)受體、離子通道以及某些酶等靶分子的交互作用。

432/24/2025一、反應(yīng)的類型：酶促反應(yīng)少數(shù)毒素通過酶促反應(yīng)作用于特定靶蛋白。

電子轉(zhuǎn)移：化學(xué)物將血紅蛋白分子中的Fe2+氧化生成Fe3+，引起高鐵血紅蛋白血癥。去氫反應(yīng)：自由基迅速引起內(nèi)源化學(xué)物去氫，生成新的內(nèi)源自由基。

442/24/2025一毒物引起的細(xì)胞調(diào)節(jié)功能障礙：（一）基因表達(dá)調(diào)節(jié)障礙：

1轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)障礙：外源化學(xué)物可與基因的啟動子區(qū)域、轉(zhuǎn)錄因子或前起始復(fù)合物的其他元件交互作用，然而，轉(zhuǎn)錄因子激活作用的改變似乎是最常見的方式。第四節(jié)細(xì)胞功能障礙與毒性452/24/2025

2、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)障礙：細(xì)胞外信號分子，如生長因子、細(xì)胞因子、激素和神經(jīng)遞質(zhì)能利用細(xì)胞表面受體和細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)激活TFs。這些TFs控制著影響細(xì)胞周期進(jìn)展、決定細(xì)胞結(jié)局的基因的轉(zhuǎn)錄活性，如c-Fos

和c-Jun蛋白等。

化學(xué)物可通過多種途徑引起信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的異常，最常見的是通過改變蛋白磷酸化，偶爾也通過干擾G蛋白（Ras）的GTPase活性、破壞正常的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)交互作用、建立異常的交互作用、改變信號蛋白的合成與降解。

462/24/2025一毒物引起的細(xì)胞調(diào)節(jié)功能障礙：（二）細(xì)胞瞬息活動的調(diào)節(jié)障礙：

特定細(xì)胞正常運行的控制是通過作用與膜受體的信號分子來實施的，這些受體通過調(diào)節(jié)Ca2+進(jìn)入胞漿或刺激細(xì)胞內(nèi)第二信使的酶促形成而傳遞信號。Ca2+或其他第二信使最終改變功能蛋白質(zhì)的磷酸化，改變其活性，隨后幾乎立即引起細(xì)胞功能的變化。毒物可通過中斷信號連接過程中的任何一個步驟而影響細(xì)胞的瞬息活動。

472/24/2025一毒物引起的細(xì)胞調(diào)節(jié)功能障礙：（二）細(xì)胞瞬息活動的調(diào)節(jié)障礙：

（1）可興奮細(xì)胞：受鄰近神經(jīng)元合成和釋放遞質(zhì)或介質(zhì)的控制（2）其他類型細(xì)胞：482/24/2025ATP耗竭：作為生物合成的化學(xué)物質(zhì)和能量的主要來源在細(xì)胞維持中起核心作用。

細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)失調(diào)：大量實驗表明，細(xì)胞內(nèi)鈣的持續(xù)增高是引發(fā)各種組織和細(xì)胞的毒性機制，可稱之為“細(xì)胞死亡的最終共同途徑”。ROS與RNS過度生成：原發(fā)性代謝紊亂二、毒物引起的細(xì)胞維持功能改變（一）細(xì)胞內(nèi)部維持的損害

492/24/2025細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)

☆正常情況下細(xì)胞內(nèi)的鈣濃度較低（10-8～10-7mol/L)，細(xì)胞外濃度較高（10-3mol/L)，內(nèi)外濃度相差103～104倍。在細(xì)胞靜息狀態(tài)下細(xì)胞內(nèi)游離的Ca2+僅為10-7mol/L，而細(xì)胞外液Ca2+則達(dá)10-3mol/L。當(dāng)細(xì)胞處于興奮狀態(tài)，第一信使傳遞信息，則細(xì)胞內(nèi)游離Ca2+

迅速增多可達(dá)10-5mol/L，此后再降低至10-7mol/L，完成信息傳遞循環(huán)。Ca2+

濃度的這種穩(wěn)態(tài)狀的變化過程稱為細(xì)胞鈣穩(wěn)態(tài)。502/24/2025細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)的失調(diào)

細(xì)胞Ca2+信號的改變在各