食品毒理学·食品中外源化学物的毒作用机制

第四章第四章 食品中外源化学物食品中外源化学物的毒作用机制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第一节第一节 概述概述终毒物：指一种具有特别化学性质的物质，它可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。3 化学物质产生毒性的可能途径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。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。4 第二节第二节 食品中外源化学物对生物膜的损害作用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；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。5 一、外源化学物对生物膜组成成分的影响一、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-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。6 二、外源化学物对生物膜物理性质的影响二、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。7 （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。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。8 （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。9 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10一、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0.11.0mol/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。11Ca2+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。12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”。13钙稳态的作用钙稳态的作用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。14二、细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性二、细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性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。15三、细胞钙稳态失调与细胞凋亡三、细胞钙稳态失调与细胞凋亡（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。16四、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。目前，钙浓度变化研究成为中毒机制研究的热点之一。17第四节第四节 自由基与生物大分子的氧化损伤自由基与生物大分子的氧化损伤一、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主要内容主要内容自由基：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。一、自由基的概念、来源与类型一、自由基的概念、来源与类型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：射线具有高能粒子作用，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。自由基的来源自由基的来源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。自由基的来源自由基的来源自由基种类很多，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。自由基的类型自由基的类型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。二、机体对氧化损伤的防御系统二、机体对氧化损伤的防御系统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。酶类抗氧化系统：多种酶构成体内抗氧化的第一道防线，如超氧多种酶构成体内抗氧化的第一道防线，如超氧化物歧化酶（化物歧化酶（SODSOD）、过氧化氢酶（）、过氧化氢酶（CATCAT）等。）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：如脂溶性抗氧化剂：如V VE E、类胡萝卜素。、类胡萝卜素。水溶性小分子抗氧化剂：水溶性小分子抗氧化剂：VcVc、谷胱甘肽（、谷胱甘肽（GSHGSH）；）；蛋白性抗氧化剂：铜蓝蛋白、清蛋白、金属硫蛋白等；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；微量元素：硒、铜、锌、锰等；低相对分子质量化合物：尿酸盐；低相对分子质量化合物：尿酸盐；内源性褪黑激素（内源性褪黑激素（MTMT）；）；植物化学物质：植物纤维、多糖、酚类物质等。植物化学物质：植物纤维、多糖、酚类物质等。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。2.二级抗氧化防御系统二级抗氧化防御系统（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14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。三、自由基对生物大分子的损害作用三、自由基对生物大分子的损害作用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、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，从而导致进入生物大分子而成为其组成部分，从而导致DNADNA损伤、蛋白质损伤、蛋白质正常功能丧失，甚至细胞的损伤或死亡。正常功能丧失，甚至细胞的损伤或死亡。第五节第五节 食品中外源化学物与细胞大分食品中外源化学物与细胞大分子的共价结合子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、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，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。以及酪氨酸的酚基和色氨酸分子的吲哚基。一、与蛋白质的共价结合一、与蛋白质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共价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共价加合物。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剂量反应关系。慢性接触黄曲霉毒素B1B1时，其白蛋白加合物呈现时，其白蛋白加合物呈现蓄积现象。蓄积现象。1、与白蛋白的共价结合、与白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。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。例如：环氧乙烷可与血红蛋白中的组氨酸、缬氨酸共价结合。研究表明：吸烟者的研究表明：吸烟者的4-4-氨基联苯血红蛋白加合物水平显著高于不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。吸烟者。可用于监测人群化学物接触的情况。2、与血红蛋白的共价结合、与血红蛋白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。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例如：溴苯双一种重要的肝脏毒物，进入体内后经细胞色素P450P450作用形成溴苯作用形成溴苯-3-3，4-4-环氧化物，继而重排成环氧化物，继而重排成4-4-溴酚，或经环氧化溴酚，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，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。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合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合量及量及DNADNA的合成量显著增加。的合成量显著增加。3、与组织细胞蛋白质的共价结合、与组织细胞蛋白质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。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，改变蛋白质用包括细胞毒性、致突变作用和活化癌基因，改变蛋白质-DNA-DNA 相相互作用和肿瘤的启动等。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如熏制、烘烤和煎炸等食品中所含的多环芳烃在体内与DNADNA、RNARNA或或蛋白质分子结合，最终形成致癌物。蛋白质分子结合，最终形成致癌物。二、与核酸分子的共价结合二、与核酸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LOREM IPSUM DOLOR表观遗传变异的概念指基因表达发生改变但不涉及DNA序列的变化，能够在代与代之间传递。表观遗传变异包括基因沉默、DNA甲基化、组蛋白乙酰化等，周围的环境也很重要。一、DNA甲基化指在甲基转移酶的催化下，DNA的CG两个核苷酸的胞嘧啶被选择性地添加甲基，形成5甲基胞嘧啶。DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。二、组蛋白乙酰化组蛋白乙酰化多发生在核心组蛋白N-端碱性氨基酸集中区的特定赖氨酸残基，将乙酰辅酶A的乙酰基转移到赖氨酸的sNH3+。在细胞核内，组蛋白乙酰化与组蛋白去乙酰化过程处于动态平衡，精确地调控基因的转录和表达。三、非编码RNA指不翻译产生蛋白质的RNA。其中包括rRNA，tRNA，snRNA，snoRNA 和microRNA 等多种已知功能的 RNA，还包括未知功能的RNA。这些RNA的共同特点是都能从基因组上转录而来，但是不翻译成蛋白，在RNA 水平上就能行使各自的生物学功能了。四、染色质重塑DNA 复制、转录、修复、重组在染色质水平发生，这些过程中，染色质重塑可导致核小体位置和结构的变化，引起染色质变化。第七节第七节 食品中生物毒素的食品中生物毒素的中毒机制中毒机制主要内容一、细菌毒素二、真菌毒素三、毒覃毒素四、植物性毒素五、动物性毒素六、重金属毒素一、细菌毒素细菌毒素的类型：外毒素、内毒素。外毒素：是由G+菌及少数G-菌在生长代谢过程中的合成代谢产物并释放到菌体外，化学成分为蛋白质，有损害易感细胞正常生理功能的毒性作用。外毒素的毒性很大，并具有高度特异性，如肉毒梭菌毒素，其毒性比氰化钾大1万倍。一、细菌毒素内毒素：即革兰氏阴性菌细胞壁的脂多糖，其毒性成分为类脂A。如：赤痢杆菌、霍乱弧菌及绿脓杆菌等的毒素。二、真菌毒素是真菌产生的次生代谢产物，主要包括黄曲霉毒素、镰刀菌毒素等。黄变米，即失去原有的颜色而表面呈黄色的大米，主要由黄绿青霉、岛青霉、橘青霉等霉菌的侵染造成。黄绿青霉可产生神经毒素，急性中毒表现为神经麻痹、呼吸麻痹、抽搐，慢性中毒表现为溶血性贫血。岛青毒产生的黄天精和环氯素引起肝内出血、肝坏死和肝癌。橘青霉产生的橘青霉素毒害肾脏。三、毒覃毒素俗称毒蘑菇。临床表现取决于病因和就诊时间。早期可能只有恶心、呕吐、腹痛和脱水等非特异性表现，容易误诊。随后可出现黄疸、凝血功能障碍、酸中毒或碱中毒、低血糖和昏迷等。具体类型：自学。四、植物性毒素植物毒素指一类天然产生的（如由植物、微生物或是通过自然发生的化学反应而产生的）物质，通常对植物生长有抑制作用或对植物有毒，并且往往对人、动物也有毒害作用。包括非蛋白质氨基酸、肽类、蛋白质、生物碱及甙类等；具有很大生物活性，估计世界上有毒植物约有二千种左右，某些植物毒素，如蓖麻毒素、相思子毒素和蒴莲根毒素，具有剧毒，如乌头碱对人的致死量为35mg，鱼藤酮为3.620g。生大豆：含有毒成分，豆浆未煮熟时就食用，也可引起食物中毒。四季豆：豆中的皂素会强烈刺激消化道，而且豆中含有凝血素，具有凝血作用。此外四季豆中还含有亚硝酸盐和胰蛋白酶，可刺激人体的肠胃，使人食物中毒，出现胃肠炎症状。蚕豆：含巢菜碱苷，食用后可引起急性溶血性贫血(蚕豆黄病)。木薯：有毒物质为亚麻仁苦苷，能引起中毒。青菜中的荠菜、灰菜等野菜：含大量亚硝酸盐。马铃薯：茄碱(马铃薯毒素、龙葵苷)。黄花菜：即金针菜，含秋水仙碱。十字花科类蔬菜：油菜、芥菜、萝卜等，这类蔬菜大多含有芥子油苷。在烹制此类蔬菜时，可用沸水先焯一下再食用。五、动物性毒素动物毒素大多是有毒动物毒腺制造的并以毒液形式注入其他动物体内的蛋白类化合物，如蛇毒、蜂毒、蝎毒、蜘蛛毒、蜈蚣毒、蚁毒、河豚毒、章鱼毒、沙蚕毒等以及由海洋动物产生的扇贝毒素、石房蛤毒素、海兔毒素等。毒液中还会有多种酶。根据毒素的生物效应，动物毒素可分为神经毒素、细胞毒素、心脏毒素、出血毒素、溶血毒素、肌肉毒素或坏死毒素等。六、重金属毒素指相对原子质量大于65的重金属元素或其化合物引起的中毒，如汞中毒、铅中毒等。重金属能够使蛋白质的结构发生不可逆的改变，从而影响组织细胞功能，进而影响人体健康；例如体内的酶不能够催化化学反应，细胞膜表面的载体不能运入营养物质、排出代谢废物，所以体内细胞就无法获得营养，排除废物，无法产生能量，细胞结构崩溃和功能丧失。第八节 食品中其他物质的中毒机制一、丙烯酰胺一、丙烯酰胺二、氯丙醇二、氯丙醇三、亚硝胺三、亚硝胺四、二恶英四、二恶英五、多环芳烃五、多环芳烃六、盐酸克伦特罗六、盐酸克伦特罗一、丙烯酰胺淀粉类食品在高温（120）烹调下容易产生丙烯酰胺。研究表明，人体可通过消化道、呼吸道、皮肤黏膜等多种途径接触丙烯酰胺，饮水是其中的一条重要接触途径。进入机体后，易造成细胞内代谢紊乱，使细胞携带氧的能力下降，并导致中枢神经和周围神经损害，严重的造成瘫痪、痴呆。动物试验研究发现，丙烯酰胺可致大鼠多种器官肿瘤，包括乳腺、甲状腺、睾丸、肾上腺、中枢神经、口腔、子宫、脑下垂体等。二、氯丙醇来源：酸水解植物带白(HVP)产生；焦糖色素的不合理使用和生产；食品生产用水被氯丙醇污染；食品包装材料含有氯丙醇；其他加工方式使食品中产生氯丙醇。毒性具体表现在一下几点：急、慢性毒性作用；遗传毒性、生殖毒性、神经毒性、致癌性。三、亚硝胺亚硝胺是强致癌物，食物、化妆品、啤酒、香烟中都含有亚硝胺。在熏腊食品中，含有大量的亚硝胺类物质，某些消化系统肿瘤，如食管癌的发病率与膳食中摄入的亚硝胺数量相关。措施：严格控制亚硝酸盐的使用量；少吃或不吃隔夜剩饭菜；少吃或不吃咸鱼、咸蛋、咸菜。多食用抑制亚硝胺形成的食物，如大蒜、茶、富含维生素C的蔬菜水果。其他内容自学。自学。