食品毒理学 第六章 毒性机制学习课件

第六章毒性机制

22/24/2025

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、损伤细胞修复功能失调毒性①②③32/24/2025毒性机制第一节一般毒作用机制第二节外源化学物的增毒与终毒物的形成第三节终毒物与靶分子的反应第四节细胞功能障碍与毒性毒作用：指化学物质进入机体经过生物转运和生物转化，化学物质本身或其代谢产物与生物大分子或者靶部位相互作用，产生不良或有害的生物学效应，超过机体自身的解毒、修复功能。42/24/2025第一节一般毒作用机制化学物质对机体的损害作用——主要取决于化学物质与机体的接触途径、与靶分子的相互作用和机体对损害作用的反应。中毒表现：直接与靶分子反应；

对生物学环境产生有害的影响；

使得分子、细胞器、细胞或器官等功能失调，从而导致毒效应。52/24/2025一、直接损伤

直接毒物

某些毒物质与机体接触或者进入机体后，直接与机体的重要部位接触，产生毒性作用。62/24/2025二、化学物与受体的相互作用1.化学物质对生物膜的损害：（1）化学物质对生物膜通透性的影响：

膜蛋白质（2）化学物质对生物膜流动性的影响：（3）化学物质对生物膜上蛋白质的影响：72/24/2025二、化学物与受体的相互作用2.化学物质对生物大分子的氧化损伤：（1）脂质过氧化作用及其损害：（2）蛋白质的氧化损害：（3）DNA的氧化损害：

82/24/202592/24/2025(1)脂质过氧化损害：

☆脂质过氧化(lipidperoxidation)：指主要由自由基引起的多不饱和脂肪酸的氧化作用，对生物膜具有强烈的破坏作用。

102/24/2025脂质过氧化

A.自由基的形成与脂质过氧化的关系

①启动阶段：脂质过氧化是由一些脂链侧链甲叉碳上除去一个氢的化合物所启动。OH·是最重要的脂质过氧化的诱导物。②发展阶段：已形成的自由基将作为启动子而产生新的自由基，使反应发展下去。在发展阶段中，形成的自由基总数保持不变，一种自由基团可经多种反应转变成另一种形式的自由基团。去氢后的碳原子形成中心自由基(L·)。与脂质过氧化反应关系最重要的是脂质过氧化自由基和脂质过氧化物的形成。③终止阶段：只有二个自由基相互作用，才能使自由基反应链终止，消除自由基。112/24/2025B．脂质过氧化的后果：

①细胞器和细胞膜结构的改变和功能障碍。②脂质过氧化物的分解产物具有细胞毒性，其中特别有害的是一些不饱和醛类。③对DNA影响：一是脂质过氧化自由基和烷基自由基可引起DNA碱基，特别是鸟嘌呤碱基的氧化；一是脂质过氧化物的分解产物，丙二醛可以共价结合方式导致DNA链断裂和交联。④对低密度脂蛋白(LDL)的作用。122/24/2025（2）蛋白质的氧化损伤A．机制：

①对脂肪族氨基酸氧化损伤，形成C-中心自由基②芳香族氨基酸常形成羟基衍生物，即在苯环或在酪氨酸处交联成二聚体③由过渡金属介导出现氧化损伤，主要通过Fenton反应。脂质过氧化的自由基中间产物作用，如烷氧自由基(LO·)和过氧自由基(LOO·)，可与过氧化脂质紧密联系的蛋白质反应。132/24/2025（3）蛋白质的氧化损伤

B．后果

氧化的后果是凝集与交联，或是蛋白质的降解与断裂，这主要取决于蛋白质成分的特征及自由基的种类。对蛋白质影响表现在二个方面：直接作用 间接作用

142/24/2025（3）核酸的氧化损伤：

自由基对DNA氧化损伤的机理是可以使DNA的碱基和脱氧核糖发生化学变化，引起碱基改变、破坏或脱落和DNA核酸链中的单链和双链断裂。

正常机体内存在DNA的修复机制，但随着年龄的增长，这种修复能力下降导致DNA的错误累积，最终细胞衰老死亡。152/24/2025（3）核酸的氧化损伤：

A．碱基损伤

活性氧攻击DNA的靶位点是腺嘌呤与鸟嘌呤的C8，嘧啶的C5与C6双键。其可能的机制为：①氧自由基直接作用于双键部位，使之获得一个加合基而改变其结构。②·OH使脱氧核苷脱嘌呤，即自由基可使DNA链上出现无嘌呤或无嘧啶部位。③·OH可以自动从胸嘧啶的甲基中除去H原子。162/24/2025（3）核酸的氧化损伤：B．DNA链断裂：

①·OH对DNA的攻击，主要针对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链的断裂。②自由基对胸腺嘧啶碱基作用，造成的损害经修复酶切除，可产生类似的单链断裂。③氧化应激可启动细胞内的一系列代谢过程，激活核酸酶，导致DNA链的断裂。172/24/2025（3）核酸的氧化损伤：DNA链断裂在基因突变的形成过程中有重要意义。DNA链断裂后，有下列途径产生突变：①DNA链断裂造成部分碱基的缺失；②DNA链断裂后，正常的细胞将启动修复过程，多种酶可以辨别DNA内异常，并通过切割、再合成、重合等途径使之修复。如酶也受自由基破坏或功能难以达到修复的要求，可能造成被修复的DNA碱基的错误掺入和错误编码；③可能引起癌基因的活化，或抑癌基因的失活。三、与生物大分子的结合非共价结合与共价结合1.与蛋白质共价结合2.与核酸分子共价结合3.与谷胱甘肽结合182/24/2025192/24/2025毒效应的强度主要取决于终毒物在其作用位点的浓度及持续时间。第二节外源化学物的增毒与终毒物的形成202/24/2025＆终毒物（ultimatetoxicant）外源化学物可直接与内源性靶分子反应并造成机体损害时的化学形态。（1）原化学物（2）代谢物（3）活性氧、活性氮（4）内源性分子间接毒物

是指需要经过代谢转化才能发挥毒性作用的物质，经活化可改变机体的生理、生化特性，从而改变机体的微环境结构，对机体造成不良影响。概念212/24/2025外源化学物在体内生物转化为终毒物的过程称为增毒。最为多见的情况是增毒使外源化学物转变为：亲电子剂、自由基、亲核物、氧化还原性反应物。概念222/24/2025亲电子剂的形成亲电子剂是带有正电荷而缺乏电子的分子，它可与负电子的亲核物质共享电子对而发生反应。这使它能通过与亲核物中的富电子原子共享电子对而发生反应。

（1）非离子亲电子剂（2）阳离子亲电子剂（3）无机物

232/24/2025苯并(a)芘[benzo(a)pyrene，BaP]P-4507,8-环氧苯并(a)芘7,8-二羟-BaP7,8-二羟基-9,10-环氧BaP环氧化物水解酶(终致癌物)242/24/2025自由基形成自由基（freeradicals）是在原子的外轨道上含有一个或多个不成对电子的分子或基团。自由基主要是由于化合物的共价键发生均裂而产生。其共同特点是：具有顺磁性、其化学性质十分活泼、反应性极高，因而半减期极短，一般仅能以μs计，作用半径短。252/24/2025自由基的来源与类型262/24/2025自由基形成氧中心自由基，活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)这个术语实际上是一个集合名词，不仅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、单线态氧和次氯酸，甚至还包括过氧化物、氢过氧化物和内源性脂质及外来化合物的环氧代谢物，因为它们都含有化学性质活泼的含氧功能基团。

272/24/2025自由基在生物体内来源有二：一是细胞正常生理过程产生；二是化学毒物在体内代谢过程产生。许多外来化合物可通过各种不同途径产生自由基，但其中最主要的途径是通过氧化还原反应（redoxcycling）。它通过加入一个单电子使化学物还原为不稳定的中间产物，随后这个电子转移给分子氧而形成超氧阴离子自由基(O2-·)，而中间产物则再生为原化学物。自由基形成282/24/2025亲核物的形成亲核物的形成是毒物活化作用较少见的一种机制。例如：苦杏仁苷经肠道β-糖苷酶催化形成氰化物；丙烯氰环氧化和随后谷胱甘肽结合形成的氰化物；以及硝普钠经巯基诱导降解后形成氰化物，等。

292/24/2025活性氧化还原反应物的形成

引起高铁血红蛋白的亚硝酸盐，既可在小肠中由硝酸盐经细菌还原生成，也可由亚硝酸酯或硝酸酯与谷胱甘肽反应而生成。还原性化合物如抗坏血酸等以及NADPH依赖性黄素酶等还原酶可使Cr6+还原为Cr5+。Cr5+反过来又可催化HO·生成。

302/24/2025解毒（1）无功能基团毒物的解毒：一般情况下，苯和甲苯等不含功能基团化学物的解毒分两相。首先，通常由细胞色素P-450将羧基和羟基等功能基团引入分子中。随后，通过转移酶将内源性酸如葡糖醛酸、硫酸或氨基酸结合到这些功能基团上。除了某些例外，多数化合物的最终产物无反应活性，是易于排泄的高度亲水的有机酸。312/24/2025（2）亲电子剂的解毒：

亲电性毒物较为普遍的解毒方式是与亲核剂谷胱苷肽结合。亲电子剂较为特殊的解毒机制是环氧化物和芳烃环氧化物被环氧化物水化酶催化分别生成二醇类及二氢二醇类化合物。

解毒322/24/2025（3）

亲核剂的解毒：

亲核物一般通过在亲核功能基团上的结合反应来解毒。硫氰酸酶催化的氰化物生成硫氰酸是较特殊的亲核剂解毒机制。解毒332/24/2025（4）

自由基的解毒：机体虽有多种途径产生自由基，但并不是自由基产生即对机体有损害作用。自由基产生只有超过抗氧化能力或机体抗氧化能力降低时，才会造成损害作用。这是因为机体有相应的防御系统，包括非酶性和酶性抗氧化系统。

解毒342/24/2025（4）

自由基的解毒：酶性抗氧化系统

aSOD：歧化O2-·，生成H2O2和O2。

b过氧化氢酶（CAT）：将H2O2转化为水。

cGSH-Px（GPO）：催化谷胱苷肽对过氧化物的还原反应，使过氧化物转化为水或相应的醇类。

d谷胱苷肽还原酶（GR）：产生还原型的GSH。

e心肌黄酶(DTdiaphorase）。

解毒352/24/2025（4）

自由基的解毒：非酶性抗氧化系统

在生物体系中广泛分布着许多小分子，它们能通过非酶促反应而清除氧自由基。例如，维生素C、维生素E、GSH、尿酸、牛磺酸和次牛磺酸等。

谷胱苷肽(GSH)参与GSH-Px的作用，使过氧化物还原为H2O和氧化型谷胱苷肽(GSSG)。

维生素E它必须与膜结合才能发挥抗氧化作用。解毒362/24/2025（5）蛋白毒素的解毒：

胞内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)某些结合反应可被逆转：

(4)解毒过程有时产生潜在有害副产物：解毒过程失效382/24/2025实际上所有的内源化合物都是毒物潜在的靶标，然而毒理学上相关的靶标是大分子，如核酸（特别是DNA）和蛋白质。在小分子中，膜脂质最为常见。某些辅因子如辅酶A和吡哆醛。第三节终毒物与靶分子的反应392/24/2025

内源性分子作为一个靶分子必须具有合适的反应性和（或）空间构型，以容许终毒物发生共价或非共价反应。为了发生这些反应，靶分子必须接触足够高浓度的终毒物，因此，处于反应活性化学物邻近或接近它们形成部位的内源性分子常常是靶分子。

活性代谢物的第一个靶分子常常是催化这些代谢物形成的酶或邻近的细胞内结构；在密切靠近其形成部位没有合适内源性分子时，活性代谢物可扩散直至遇到这样的反应物。402/24/2025一、反应的类型：共价结合（convalentbinding）:非共价结合（nonconvalentbinding）:酶促反应：电子转移：去氢反应：

412/24/2025一、反应的类型：共价结合（convalentbinding）:

☆指化学毒物或其具有活性的代谢产物与机体的一些重要大分子发生共价结合，从而改变核酸、蛋白质、酶、膜脂质等生物大分子的化学结构与其生物学功能。

永久性地不可逆地

加合物(adducts)指活性化学物与细胞大分子之间通过共价键形成的稳定复合物。常见于亲电毒物

422/24/2025一、反应的类型：非共价结合（nonconvalentbinding）:

通过非极性交互作用或氢键与离子键的形成，具有代表性的是毒物与膜受体、细胞内受体、离子通道以及某些酶等靶分子的交互作用。

432/24/2025一、反应的类型：酶促反应少数毒素通过酶促反应作用于特定靶蛋白。

电子转移：化学物将血红蛋白分子中的Fe2+氧化生成Fe3+，引起高铁血红蛋白血症。去氢反应：自由基迅速引起内源化学物去氢，生成新的内源自由基。

442/24/2025一毒物引起的细胞调节功能障碍：（一）基因表达调节障碍：

1转录调节障碍：外源化学物可与基因的启动子区域、转录因子或前起始复合物的其他元件交互作用，然而，转录因子激活作用的改变似乎是最常见的方式。第四节细胞功能障碍与毒性452/24/2025

2、信号转导调节障碍：细胞外信号分子，如生长因子、细胞因子、激素和神经递质能利用细胞表面受体和细胞内信号转导网络激活TFs。这些TFs控制着影响细胞周期进展、决定细胞结局的基因的转录活性，如c-Fos

和c-Jun蛋白等。

化学物可通过多种途径引起信号转导的异常，最常见的是通过改变蛋白磷酸化，偶尔也通过干扰G蛋白（Ras）的GTPase活性、破坏正常的蛋白质-蛋白质交互作用、建立异常的交互作用、改变信号蛋白的合成与降解。

462/24/2025一毒物引起的细胞调节功能障碍：（二）细胞瞬息活动的调节障碍：

特定细胞正常运行的控制是通过作用与膜受体的信号分子来实施的，这些受体通过调节Ca2+进入胞浆或刺激细胞内第二信使的酶促形成而传递信号。Ca2+或其他第二信使最终改变功能蛋白质的磷酸化，改变其活性，随后几乎立即引起细胞功能的变化。毒物可通过中断信号连接过程中的任何一个步骤而影响细胞的瞬息活动。

472/24/2025一毒物引起的细胞调节功能障碍：（二）细胞瞬息活动的调节障碍：

（1）可兴奋细胞：受邻近神经元合成和释放递质或介质的控制（2）其他类型细胞：482/24/2025ATP耗竭：作为生物合成的化学物质和能量的主要来源在细胞维持中起核心作用。

细胞内Ca2+稳态失调：大量实验表明，细胞内钙的持续增高是引发各种组织和细胞的毒性机制，可称之为“细胞死亡的最终共同途径”。ROS与RNS过度生成：原发性代谢紊乱二、毒物引起的细胞维持功能改变（一）细胞内部维持的损害

492/24/2025细胞内钙稳态

☆正常情况下细胞内的钙浓度较低（10-8～10-7mol/L)，细胞外浓度较高（10-3mol/L)，内外浓度相差103～104倍。在细胞静息状态下细胞内游离的Ca2+仅为10-7mol/L，而细胞外液Ca2+则达10-3mol/L。当细胞处于兴奋状态，第一信使传递信息，则细胞内游离Ca2+

迅速增多可达10-5mol/L，此后再降低至10-7mol/L，完成信息传递循环。Ca2+

浓度的这种稳态状的变化过程称为细胞钙稳态。502/24/2025细胞内钙稳态的失调

细胞Ca2+信号的改变在各