第六章外源化学物的毒作用机制

食品毒理学FoodToxicology程祥第六章外源化学物的毒作用机制二.增毒及诱导终毒物形成的机制一.一般毒作用机制三.终毒物与靶分子结合的机制四.诱发细胞功能障碍一般毒作用机制毒作用机制的研究内容：①毒物如何进入机体？②怎样与靶分子相互作用？③怎样表现其有害作用？④机体对损害作用的反应等。毒作用机制的研究是评价化学毒物潜在危害的基础。一、直接损伤毒作用是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。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对机体损害作用的反应。某些外源性物质，如强碱、强酸、尼古丁、重金属离子、氧化乙烯、一氧化碳等，它们能直接发回毒作用，叫做直接毒物。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。二、化学物与受体的相互作用1.化学物质对生物膜的损害细胞表面及各种细胞器的表面都覆盖着特殊的膜状结构，称为生物膜。如质膜、细胞膜、核膜、内质网膜及线粒体膜等。化学毒物在机体内的生物转运和生物转化过程均与生物膜有关，而生物膜的正常结构对维持细胞正常生理功能和信息传递又至关重要。生物膜的化学组成膜脂（磷脂、少量的糖脂和胆固醇）蛋白质糖、金属离子、水二、化学物与受体的相互作用（1）.对膜通透性的影响生物膜的通透性指生物膜与周围环境极性物质交换能力。膜通透性有选择性，不同物质在膜上有不同的通透率。①生物膜是有高度选择性的通透屏障，并造成某些物质的细胞内外浓度差；②可保持细胞内pH和离子组成的相对稳定，并可以进行摄取和浓缩营养物，排除废物，产生神经、肌肉兴奋所必需的离子强度等重要生理功能。二、化学物与受体的相互作用可利用生物膜的选择通透性，研究化学毒物对生物膜的影响，以通透性作为细胞毒性作用的观察指标。例如，细胞内重要离子，如K+浓度可作为评价通透性及膜完整性的指标。用胞内某些酶如乳酸脱氢酶、酸性磷酸酶的漏出，作为膜通透性损伤的指标。膜的选择通透性与细胞的功能有密切的联系。许多可以改变细胞膜或细胞器膜通透性的物质往往具有一定的毒性。农药DDT，可作用于神经轴索膜，改变Na+、K+通透性；二、化学物与受体的相互作用在离体的神经纤维上，可观察到DDT使其动作电位持续时间延长和重复；在整体动物，则可观察到动物兴奋性增高、震颤和痉挛。因此，DDT中毒的症状与神经细胞膜离子通透性改变有关。影响膜通透性的其他因素：①脂／水分配系数是膜通透性的决定因素。②通过调节膜上原有通透途径而改变通透性。如汞、铅等重金属可抑制肾脏有机酸转运系统。③通过在原来膜上建造新的通透途径而改变通透性。二、化学物与受体的相互作用（2）.对膜流动性的影响“流动性”是生物膜的基本特征之一。其定义为膜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。膜流动性具有重要的生理意义，例如，物质运输、细胞融合、细胞识别，细胞表面受体功能调节等均与膜流动性有关。细胞可以通过代谢等方式调节控制膜流动性，使其保持相对稳定的水平。二、化学物与受体的相互作用侧向运动分子的摆动旋转运动翻转运动侧向运动旋转运动二、化学物与受体的相互作用相变温度Tc脂质凝固态液晶态二、化学物与受体的相互作用现已发现不少化学毒物可以影响膜脂流动性。溴氰菊酯对膜流动性影响研究发现：溴氰菊酯可使人工膜的脂质流动性升高。而用突触体膜，其易与脂质双层分子极性头部和膜蛋白分子极性基团相互作用，增加脂质双层极性基团活动程度，可能削弱了膜脂和膜蛋白相互作用，而导致膜脂流动性降低。人工膜与生物膜流动性表现有一定差异，所以体外研究结果的外推应十分慎重。有机化合物、无机化合物或重金属对膜流动性均可产生影响，虽然影响剂量各有不同，有些至今尚不清楚，但是均可通过对膜脂流动性的影响分析其对膜的毒性作用。二、化学物与受体的相互作用（3）.对膜表面电荷的影响膜表面糖脂、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。SiO2在膜表面形成硅醇基，与膜上含胆碱基的磷脂结合，正电荷减少。同时，可明显降低细胞膜水化度。表现为细胞电泳速度明显加快，zeta电位增加。这就可解释SiO2致膜脂流动性增加，以及膜通透性增加的原因。二价金属离子在细胞周围浓度变化可以影响膜表面电荷密度，使zeta电位减少，细胞电泳迁移率逐渐减慢。还可表现为膜脂流动性的变化。二、化学物与受体的相互作用2.化学物质对生物膜的组成成分的影响(1).对膜蛋白质的影响膜蛋白依其在膜结构的位置可分为两类：一是在膜外侧，其功能是作为特别的受体位点或作为细胞的标志。例如，人类白细胞上组织相容性抗原(HLA)，B淋巴细胞表而的免疫球蛋白受体。二是在胞内，它又可分为细胞色素b5和跨膜大分子，如Na+，K+-ATPase。膜蛋白按其功能又可分为：受体蛋白、载体蛋白和酶蛋白。目前已测出质膜上有30多种酶。二、化学物与受体的相互作用各种化学毒物作用的膜结合酶并不相同，且作用机制也不尽相同。①农药DDT作用细胞膜上的Na+，K+-ATPase，是通过与膜脂结合，使膜流动性增高，故影响Na+，K+-ATPase，表现为神经细胞膜Na+，K+离子通透性改变。②有机磷化合物对红细胞膜乙酰胆碱酯酶(AchE)的抑制作用，是直接作用于酶，通过有机磷分子中活化的磷原子与乙酰胆碱催化活性中心丝氨酸分子的-OH发生不可逆的结合，从而抑制AchE的催化活性。③对膜结构破坏，使膜结合酶改变，如Cd2+对肾脏损伤，表现为丙氨酸氨肽酶活力下降，而碱性磷酸酶和γ-谷氨酰转移酶活性明显上升，Hg也有类似的作用，但膜结合酶改变不一样。化学毒物对膜结合酶作用，有的表现为活力下降；有的表现为活力增强；不能单独以活力改变来判断其作用。二、化学物与受体的相互作用(2).对膜脂质的影响膜脂质由磷脂与胆固醇及其他脂类组成。磷脂等组成双层的脂质。其极性一端位于膜的内外两个表面，非极性的一端位于膜的内部，构成与外界隔离及特定的内环境。胆固醇与磷脂相结合，调节磷脂分子脂肪链的流动性。由于不同的细胞及细胞器的功能不同，其所含磷脂种类与比例也不尽相同。化学毒物对膜脂质影响的可能机制有：①膜脂质组成改变，主要因为影响脂质代谢合成的过程。例如，四氯化碳可对肝细胞膜作用，使磷脂总量减少60％，但胆固醇含量没有变化。农药对硫磷，可影响大肠杆菌，主要使磷脂总含量增加，即菌膜的磷脂和膜蛋白的比值发生变化。二、化学物与受体的相互作用②膜脂质与化学毒物结合，改变膜结构的性质。例如，二氧化硅(SiO2)与巨噬细胞一起培养，可见巨噬细胞负电性增加，经清洗变化不大。说明二氧化硅与膜固有结构的某基团发生结合。③膜脂质过氧化，指由自由基作用于膜脂质，引起膜脂质中多不饱和脂肪酸的过氧化反应，即多不饱和脂肪酸的氧化破坏。(3).对膜糖的影响膜糖不是单独存在，往往与脂质和蛋白质组成蛋白质组成糖脂和糖蛋白，蛋白质组成糖脂和糖蛋白，分布于质膜的外表面。外来刺激如激素、生物因子或其他细胞等，通过跨膜蛋白传入细胞，引起细胞的应答反应，即细胞的识别过程。自由基概述概念：一般指含有一个或多个未配对电子的离子、原子或分子。性质：①具有顺磁性；②化学反应性极强；③生物半减期极短。类型：①活性氧族（reactiveoxygenspecies,ROS）：A.氧自由基：O2-·、•OH；LO•、LOO•；B.含氧的非自由基衍生物：单线态氧（1O2）、氢过氧化物、次氯酸、过氧化物、内源性脂质和外源化合物的环氧代谢产物。自由基概述②其他自由基：碳中心自由基（•CCl3），硫中心自由基（烷硫自由基R-S•），氮中心自由基（苯基二肼自由基C6H5N=N•）；此外，过渡金属离子Cu+/Cu2+、Fe2+/Fe3+、Ti3+/Ti4+可作为自由基反应的催化剂，在自由基的损伤作用中起重要作用。自由基概述自由基来源：①外源化学物代谢产生；②细胞正常生理过程产生。机体抗氧化系统：①非酶类抗氧化系统GSH、Vc、VE、VA、尿酸、牛磺酸和次牛磺酸等；②酶类抗氧化系统超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化酶、谷胱甘肽还原酶等。对脂质过氧化作用及其损害脂质过氧化损伤：在O2存在下，自由基或其活性衍生物引发脂质过氧化及其链式反应。生物膜是生物体内最易发生脂质过氧化的场所。因为它具备脂质过氧化的两个必要条件：氧气和多不饱和脂肪酸（PUFA，polyunsaturatedfattyacid）。对脂质过氧化作用及其损害膜脂质的结构：X=-OH·················磷脂酸X=-OCH2CH2N+(CH3)3·····磷脂酰胆碱X=-OCH2CH2NH3+········磷脂酰乙醇胺X=-OCH2CHCOO－·······磷脂酰丝氨酸H3N+R1、R2：脂酰基的烃基，R1多为饱和烃基，R2常为不饱和烃基。H2CO–C-R1R2-C-OCHH2CO–P-X甘油磷脂通式OOHOO脂质过氧化反应过程膜脂质（LH）脂质自由基（L•）O2抽氢作用脂质过氧自由基（LOO•）氢过氧化物（LOOH）脂质氧自由基（LO•）Fe3+Fe2+Fenton反应环过氧化物自由基环内过氧化物自由基丙二醛（MDA）+短链的酮、羧酸或烃类HO•H2O分子内双键加成过氧化作用LHL•LH+L·链启动链扩展脂质（花生四烯酸）过氧化的总过程LHLOOH链终止LOOLO2，水解或热裂＋其他产物环化作用环内过氧自由基对脂质过氧化作用及其损害①脂质过氧化中间产物L·、LOO·、LO·可作为引发剂通过抽氢使蛋白质变成自由基，后者可以引起链式反应，导致蛋白质聚合，使蛋白质的运动和功能受到限制。-CO-NH-C-CO-NH-＋-CO-NH-C-C-NH--CO-NH-C-C-NH--CO-NH-C-CO-NH-R1•R2R1R2自由基蛋白A蛋白BHOOH•交联物对脂质过氧化作用及其损害②终产物丙二醛（MDA）可与蛋白质分子中的NH2作用导致多肽链的链内交联或链间交联。此外，醛类产物也能与蛋白质中Cys的-SH反应，使蛋白质失去活性。丙二醛与蛋白质分子的交联链内交联：CH2C-HC-HOO＋H2NH2NPCH-NHCH=NPCH链间交联：CH2C-HC-HOO＋2P–NH2CH–NH–P1CH=N–P2CH丙二醛蛋白质交联产物对脂质过氧化作用及其损害脂质的过氧化损伤小结：直接结果是使膜PUFA减少，膜脂流动性降低和膜骨架损伤；过氧化中间产物和终产物引起的膜蛋白共价交联与聚合，影响膜蛋白的构象及其运动性，必然导致膜功能的异常。蛋白质的氧化损伤对蛋白质的氧化损伤，主要是自由基对氨基酸的作用。例如，所有氨基酸残基均可被∙OH损伤，其中以含硫氨基酸和芳香氨基酸最为敏感。1.含硫氨基酸的损伤•OH可使甲硫氨酸氧化为甲硫氨酸亚砜；使半胱氨酸（Cys）氧化成Cy-S-S-Cy、Cy-SOH及Cy-SO2H。蛋白质的氧化损伤-NH3+CH3SCH2CH-COO－CH2甲硫氨酸CH3SCH2CH--NH–R2R1-C=OCH2含甲硫氨酸的蛋白质•OHO含甲硫氨酸亚砜的蛋白质CH3SCH2CH--NH–R2CH2R1-C=O聚合蛋白质的氧化损伤2.芳香族与杂环氨基酸残基的损伤如色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸与组氨酸。经活性氧作用：①Trp的氧化产物为2-、4-、5-、6-或7-羟基色氨酸，甲酰基犬尿氨酸，3-羟基犬尿氨酸或硝基色氨酸。②Tyr转变为3-、4-二羟基苯丙氨酸，二酪氨酸交联产物或3-硝基酪氨酸。③Phe转变为2-、3-或4-羧基苯丙氨酸，2-、3-二羟基苯丙氨酸。④His转变为2-氧组氨酸。蛋白质的氧化损伤3.脂肪族氨基酸残基的损伤如，Asp、Glu、Pro、Lys、Arg、Leu、Val与Thr。可能的损伤机制：在α-C原子上除去