第五章 毒作用影响因素

1、第五章 毒作用机制食品安全教研室n 外源化学物进入机体后，在靶部位与关键性的生物大分子作用，引起各种结构和功能异常，当超过机体的解毒功能、 修复功能和适应能力时，就出现毒作用。n 毒作用机制是复杂的，主要涉及干扰正常受体-配体的相互作用、干扰生物膜功能、干扰细胞能量生成、与生物大分子共价结合、氧自由基过量生成、细胞内钙稳态失调、细胞因子和细胞信号转导途径紊乱、选择性细胞致死毒性、细胞程序性死亡(凋亡)、癌基因等肿瘤相关基因突变等等。n 毒作用机制的阐明有助于我们对外源化学物有害作用的早期预防、早期诊断和早期治疗提供线索和依据。对外源化学物毒作用机制的研究还方兴未艾，正在深入发展。第一节 概述n

2、 一、基本概念n 1、毒物毒物可以是固体，液体和气体。它们与机体接触或进入机体后，可与机体相互作用，产生损害作用。理论上，毒性的强度主要取决于终毒物在其作用部位的浓度和持续时间。n 2、毒性和毒性作用n 3、终毒物（ultimate toxicant）是指与内源靶分子（如受体、酶、DNA、微丝蛋白、脂质）反应或严重地改变生物学（微）环境、启动结构和（或）功能而表现出毒性的物质。终毒物可为机体所暴露的原化学物（母化合物）； 而另外一些毒物的毒性主要是由于其代谢物引起，生物转化为有害产物的过程称为增毒（toxication）或代谢活化（metabolic activation）。最为多见的情况是增

3、毒使外源化学物如氧和氧化氮（NO）转变为：亲电子、自由基、亲核物、氧化还 原性反应物。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。二、化学毒物产生毒性的可能途径化学毒物吸收、分布、代谢、排泄毒与靶分子相互作用细胞功能失调、损伤性细胞修复功能失调第二节 化学物质的毒性作用n 一、化学毒物对生物膜的损害作用n 生物膜？n 1、化学毒物对生物膜的组成成分的影响n （1）某些环境化学物可引起膜成分的改变n （2）影响膜上某些酶的活力n 2、化学毒物对膜生物物理性质的影响n （1）对膜通透性的影响n 膜的通透性：生物膜与周围环境极性物质的交换能力。n （2）对膜流动性的影响n 膜流动性：膜

4、成分的许多不同类型的运动，包括：脂 质分子的旋转，沿长轴的伸缩和振荡，侧向扩散运动 及翻转运动；蛋白质分子侧向扩散和旋转运动，还应 包括膜整体结构的流动性。n （3）对膜表面电荷的影响n 膜表面糖脂、糖蛋白形成膜表面极性基团，组成表面 电荷。细胞膜表面电荷的性质和密度可以反映细胞表 面的结构和功能。因此，可通过测定细胞膜表面电荷 来了解化学毒物与膜作用的途径和方式。二、化学毒物对细胞钙稳态的影响n 1、细胞内钙稳态n 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，第一信使转递信息，则细胞内游离Ca2+迅速增多可达10-

5、5mol/L，此后再降低至10-7mol/L，完成信息转递循环。认为Ca2+是体内第二信使。上述Ca2+浓度的变化过程呈稳态状，称为细胞内钙稳态。n 在细胞内的钙有两种类型，游离的钙 离子和与蛋白质结合的钙。与钙结合 的蛋白有两种类型，一是结合在细胞 膜或细胞器膜内的蛋白质上，二是结 合在可溶性蛋白质上。激动剂刺激引 起细胞Ca2+动员，可调节细胞的多种 生物功能，包括肌肉收缩、神经转导、细胞分泌、细胞分化和增殖。Ca2+在 细胞功能的调节中起了一种信使作用， 负责将激动剂的刺激信号传给细胞内 各种酶反应系统或功能性蛋白。2、细胞钙稳态的紊乱与细胞毒性v 重金属离子v 农药v 四氯化碳重金属离

6、子 主要有铅和镉。 铅一方面与Ca2+及CaM结合，激活Ca-CaM依赖酶系。另一方面高浓度时与细胞内巯基激活，可抑制Ca-CaM依赖酶系，并呈剂量依赖的双相效应。可见铅的中毒机制中Ca2+有重要意义。 镉可使CaM含量减少。表现为免疫系统、雄性生殖系统以及心肌等改变，有的可用钙调素拮抗剂来预防或减轻损伤作用。农药n 拟除虫菊酯为神经毒化合物，有研究发现它可使神经细胞内游离钙浓度增高，可能与其抑制Ca2+，Mg2+-ATPase、CaM和磷酸二酯酶(PEE)有关。当然，拟除虫菊酯对钙稳态的影响有复杂的机制，且与其具体化学结构有关。四氯化碳 它可抑制肝细胞微粒体Ca2+ - ATPase，表现为

7、肝内质网酶活性改变及钙的蓄积。其机制可能是CCl4可在肝脏氧化产生自由基，后者攻击Ca2+ -ATPase上的巯基，使酶活性下降；另外，Ca2+浓度增加，可激活某些酶，如磷酸化酶a。3、钙稳态失调的机制 细胞内钙稳态的失调细胞Ca2+信号的改变在各种病理及毒理学过程中起重要的作用。在细胞受损时可导致Ca2+内流增加，或Ca2+从细胞内贮存部位释放增加，或抑制细胞膜向外逐出Ca2+，表现为细胞内Ca2+浓度不可控制的持续增加， 即打破细胞内钙稳态，或称为细胞内钙稳态的失调。n 钙稳态失调学说Ca2+这种失调或紊乱，将完全破坏正常生命活动所必需的由激素和生长因子刺激而产生的短暂的Ca2+瞬变，危及

8、细胞器的功能和细胞骨架结构，最终激活不可逆的细胞成分的分解代谢过程。这就是所谓中毒机制中钙稳态失调学说。n 钙的浓度变化，可通过下列途径造成细胞损伤： 正常的激素和生长因子刺激的Ca2+信号的受损。 钙依赖性降解酶的活化，包括蛋白酶、磷脂酶和核酸内切酶。 损伤细胞骨架 损害线粒体 与细胞凋亡有关三、机体内生物大分子氧化损伤n 1、自由基的来源与类型n 自由基（free radicals）是独立游离存在的带有不成对电子的分子、原子或离子。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s计，作用半径短。n

9、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。n 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（redox cycling）。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。如： 百草枯(PQ+)、阿霉素(DR)和硝化呋喃托英(NF)可从还原酶接受一个电子形成自由基。表 4-2与生物体系有关的自由基类型例自由基类型子评价以氢为中心总睾）（一个质子一个从 含碳化合物抽出 H原子常启动自由基的链式反应。例如， HO, 能通过从膜脂质

10、的脂肪酸侧链 抽出 H 而启动脂质过氧化一L-H+ OH-L +H20以碳为中心以硫为中心以氮为中心三氯甲基自由基1acU （由 H 抽出形成膜脂质中的碳中心自由基 L )烧硫自由基 R一S三基二 阱 自 由 基C社KN=NCCLi 毒性的主要原因琉基化合物氧化时产生的活性 自由J 渡金属促进）参与苯阱的红细胞毒性（由过以为中心过渡金属离子无机：超氧阴离子”).) 泾基自由基 ( OH)有机： 烧氧自由基 ( LO.）过 氧自由基（L0i )Cu+ / CU1+ ，. F8+ IF 一”Ti（ 皿）八i (N)式化应激的主要动因; -OH十分活跃，Q 了 较弱。由 L与Q 反应产生 LO 和肛

11、 ) ；任何碳中心自由 基通常迅速与 Q 反应产生 过氧自由基。如CCl.3, +O,- (li CCL3反接受和供给电子的能力使它们成为自由应的重要催化剂注； IQ本身是自由 基； 双原子氧分子有2 个不配对电 子所以氧经电子还原 切 （一个不配对电子）n 在与生物体有关的自由基中，最主要的是氧中 心自由基，这类自由基持续不断地在机体内产生。活性氧(reactive oxygen species,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

12、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。n 2、自由基对生物大分子的损害作用(1)脂质过氧化作用及其损害：脂质过氧化(lipid peroxidation) ：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。A. 自由基的形成与脂质过氧化的关系启动阶段：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。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

13、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。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。B. 脂质过氧化的后果：细胞器和细胞膜结构的改变和功能障碍。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。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。对低密度脂蛋白(LDL)的作用。（2） 对蛋白质的氧化损伤A机制：(a) 对脂肪族氨基酸氧化损伤最常见的途径为：在-位置上将一个氢原子除去，形成C中心自由基，再加氧其上，生成过氧基衍生物

14、。后者分解成NH3及-酮酸， 或生成NH3、CO2与醛类或羧酸，破坏脂肪族氨基酸的结构。(b) 芳香氨基酸很少出现-除氢，而多出现羟基衍生物。后者可将苯环打开或在酪氨酸处交联成二聚体。(c) 由过渡金属介导出现氧化损伤，主要通过Fenton反应。其损伤特点为部位特异性。因为，在蛋白质结构内只有某个或几个金属结合部位的氨基酸受到影响。(d)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。n B后果n 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。n 对蛋白质影响表现在二个方面：n 直

15、接作用n 间接作用（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：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。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。OH可以自动从胸嘧啶的甲基中除去H原子。n BDNA链断裂：n 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。n 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。n 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。

16、n 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：n DNA链断裂造成部分碱基的缺失；n DNA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；n 可能引起癌基因的活化，或抑癌基因的失活。学毒物与细胞大分子的共价结合n （1）与蛋白质的共价结合n 与白蛋白的共价结合n 与血红蛋白的共价结合n 与组织细胞蛋白的共价结合n （2）与核酸分子的共价结合五、机体的防御系统1、酶性抗氧化系统a SOD：是一类含有不同辅基

17、的金属结合酶，如CuZn-SOD、Fe-SOD与Mn-SOD。它们在细胞内定位变化很大，CuZnSOD存在多种脏器内如肝脏、红细胞，而Mn-SOD主要在线粒体。它的唯一生理功能是歧化超氧阴离子(O2-)， 生成H2O2和O2。b 过氧化氢酶（CAT）：位于肝细胞和红细胞内过氧化小体中，其主要功能是将H2O2转化为水。c GSH-Px（GPO）：在机体内广泛存在，能特异地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。可阻断脂质过氧化的链锁反应。d 谷胱苷肽还原酶（GR）：其分布同GSH-Px，主 要功能是产生还原型的谷胱苷肽(GSH)，以保护机体解毒功能的执行。e 心肌黄酶

18、(DT diaphorase):葡萄糖-6-磷酸脱氢酶。2、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GSHPx的作用，使过氧化物还原为H2O和氧化型谷胱苷肽(GSSG)。有些化学物可耗竭肝脏GSH而继发脂质过氧化，如丙烯腈、苯乙烯等。维生素E 它必须与膜结合才能发挥抗氧化作用。首先与氧自由基反应，生成生育酚自由基， 再由抗坏血酸GSH氧化还原偶联反应而还原。它属于“链断裂”抗氧化剂，主要通过提供不稳 定的氧给过氧自由基和烷基自由基，从而防止脂 质过氧化。第三节 影响

19、毒性作用的因素毒性作用是毒物与生物(人或动物)机体相互作用的结果。毒性作用出现的性质和强度主要受四个方面的影响：化学物因素毒物与机体所处的环境条件机体因素化学物的联合作用一、化学物因素化学结构理化特性纯 度 接触途径接触频率与期限1、化学结构化合物的化学结构化合物的理化性质化合物的化学活性化合物的生物活性n 取代基的影响n 异构体和立体构型n 同系物的碳原子数和结构的影响n 分子饱和度n 与营养物和内源性物质的相似性（1）、取代基的影响H例1OHHHHHH麻醉麻作用醉抑制作造血用机能HNH2例2HH具有形成高铁血红蛋白作用HHH例3烷烃类的氢若为卤族元素取代时其毒性增强，对肝的毒作用增加； 且

20、取代愈多， 毒性愈大，CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 邻位间位，分子对称的不对称的。（3） 、同系物的碳原子数和结构的影响：烷、醇、酮等碳氢化合物，碳原子愈多毒性愈大(甲醇与甲醛除外)。但碳原子数超过一定限度时(一般为79个碳原子)，毒性反而下降(如戊烷毒性作用己烷 庚烷，但辛烷毒性迅速减低) 。（4） 、分子饱和度碳原子数相同时，不饱和键增加其毒性增加，如乙烷的毒性乙烯的毒性腹腔注射肌肉注射经口经皮。,.L. ,.U.A机体途径对导物 作，用的影响进人机符旮卡 趴小鼠异烟阱小鼠DFP( 兔体途itLL i比值L 如比位u比值l.压!I静脉注射45l15)oa 34切权腔内 注射功5lJ

21、20.91a( 2.9l汛ll.6肌内注射邸 jH 1401皮下汗射80018l的1仆，9r;852俨 5l1.001 .91 24l1, 0l . 51,6,经l, ,叩I l1420194可OO._9. OOll.?- 26.5汹开3, 5尸C 尸- l j旰为二异丙袒氝骨酘揖U)团单 位为，匈洛加5、接触频率与期限n 接触频率和期限分为4种：急性，亚急性， 亚慢性和慢性。n 接触频率和期限与毒性密切相关。毒性反应取决于靶部位的毒物浓度，而靶部位的毒物浓度又取决于接触频率、期限和该毒物在体内的清除速率。n 清除速率与接触频率的关系。二、机体因素 种属、品系以及个体差异 遗传因素 年龄和性别

22、 营养与健康状况 代谢酶的抑制和诱导 代谢饱和状态 动物笼养形式1、种属、品系以及个体差异：解剖、生理的差异：不同物种、种属、品系的动物的解剖、生理、遗传学 和代谢过程均有差异。例如，肝脏分叶，狗为7叶，兔5叶，狗为78条，兔44条，大鼠42条，小鼠40条，人46条。各种动物的脉率随体重增加而降低。此外，以人心脏每分钟输出量占总血量的比值为1，则小鼠为20，所以化学物从血浆中清除的半衰期小鼠较人短，相同剂量的化学物对人体的作用时间比小鼠长。这可以部分解释人比小鼠对毒物更敏感。代谢的差异：包括量和质的差异，是影响化学物毒性的主要因素。量的差异意味着占优势的代谢途径不同，可导致毒性反应的不同。如小

23、鼠每克肝脏的细胞色素氧化酶活性为141活性单位，大鼠为84，兔为22。苯胺在猪、狗体内转化为毒性较强的邻氨基苯酚，而在兔体内则生成毒性较低的对氨基苯酚；萘胺在人体内经N羟化可诱发膀胱癌， 而豚鼠肝脏内不能将其N-羟化，因而不诱发肿瘤。代谢酶还存在质的差异。如猫，缺乏催化酚葡萄糖醛酸结合的同功酶，因而猫对苯酚的毒性反应比其他能通过葡萄糖醛酸结合解毒的动物敏感。修复酶的多态性 代谢酶的多态性：Q 相酶1. 氧化代谢酶(细胞色素P-450)2. 酯酶3. 环氧水化酶(epoxide hydrolase，EH)Q 相酶1. 谷胱苷肽转移酶(GST)2. 其它相酶： 硫转移酶(ST)、甲基转移酶(MT)

24、、乙酰基转移酶(NAT)修复功能的个体差异：机体所有大分子在其损伤后都会出现相应的修复系统，其作用为将受损伤部位除去，再将空出部分按原样合成一个新的部分予以填补，使原有的结构和功能得以恢复。这些过程是由于不同功能的酶参与的。各种修复酶亦可能出现多态性，使修复功能出现明显个体差异。种属间蛋白质的差异蛋白质对于各种外源化学物包括毒物的辨认、结合有高度的特异性与敏感性，结果会影响到外源化学物的生物活性。高等生物体内还有一类重要蛋白质就是受体蛋白，它是毒作用的靶分子，不同毒物作用于不同的受体上。受体本身可产生变异，它在细胞表面上分布的数量在不同个体、不同的生理状态下均可有差异。对这些变化对于毒作用敏感

25、性所产生的影响，目前的认识仍然处于起步阶段，但它的重要性已逐渐显露出来。2、遗传因素： 遗传因素决定了参与机体构成和具有一定功能的核酸、蛋白质、酶、生化产物以及它们所调节的核酸转录、翻译、代谢、过敏、组织相容性等差异，在很大程度上影响了外源和内源行毒物的活化、转化与降解、排泄的过程，以及体内 产物的掩蔽、拮抗和损伤修复，因此，在维持机体健康或引起病理生理变化上起重要的作用。 最主要的是遗传因素决定的酶的多态性会导致代谢的多态性，而代谢的多态性是导致机体致癌易感性和某些疾病的内在因素。3、宿主其它因素对于毒作用敏感性影响 (一)健康状况 (二)年龄毒作用幼年成年老年代谢后毒性减弱代谢后毒性增强

26、酶活性年龄(三)性别(四)生活方式(五)营养条件（六）动物笼养形式n 动物笼的形式、每笼装的动物数、垫笼的草和其它因素也能影响某些化学物质的毒性。三、环境因素气象条件季节或昼夜节律1、气象条件（一）温度：58种化合物在不同环境温度(8、26和36)下对于大鼠LD50的影响:n 55种化合物在36高温环境下毒性最大， 26环境下毒性 最小；引起代谢增高的毒物如五氯酚，2,4-二硝基酚在8 毒性最低;引起体温下降的毒物如氯丙嗪在8时毒性最高。（二）气湿：高气湿可造成冬季易散热，夏季不易散热，增加机体体温调节的负荷。高气湿伴高温可因汗液蒸发减少，使皮肤角质层的水合作用增加，进一步增加经皮吸收的化学物的吸收速度，并因化学物易粘附于皮肤表面而延长接触时间。（三）气压：2、季节或昼夜节律表不同种属的昼夜、季节节律种属试剂给药时间毒作用表现小鼠2:00 Pm睡眠时间最长2:00 Am睡眠时间最短人水杨酸8:00 Am排出速度慢，体内停留时间长8:00 Pm排出速度快，体内停留时间短大鼠钠春季睡眠时间最长秋季睡眠时间最短学物的联合作用（joint action）o 两种以上化