CHAPTER 5 第五章
毒性作用机制

第一节 化学物毒性机制

一、概述

食品毒理学毒性机制研究的目的是描述食品化学物如何引起生物组织损害，这是现代食品毒理学研究的核心问题，也是国内外学者研究的热点问题之一，因为它不但具有很高的理论意义，而且也有重要的使用价值，为中毒防治提供科学根据。食品毒理学机制研究应该从不同层次进行，如脏器、细胞、亚细胞、分子水平等，方能更全面的了解食品毒物中毒机制。从分子水平研究中毒机制，可从两方面入手：①确定食品毒物作用的生物大分子靶点，也要回答何种生物大分子是该食品毒物的靶点；②确定食品毒物的活性代谢物，绝大多数有机毒物的毒性主要是由于其代谢物引起，因而分离和鉴定活性代谢物是研究中毒机制的重要一步。

随着生物学和生物医学科学研究的快速发展，对于食品毒物毒性机制的理解也越来越丰富并快速发展，使其成为现代毒理学科学的一个动态研究分支。为了理解食品毒物引起毒性作用的分子基础，现代食品毒理学也应用全新的组学技术研究其毒性机制。

食品毒物的毒性是影响毒物作用的主要因素，不同食品毒物对机体的毒性作用不同。食品毒物可能是食入的外源化学物，也可以是经生物转化或与内源性分子反应后产生的代谢物或活性氧（reactive oxygen species，ROS）或活性氮（reactive nitrogen species，RNS）类物质。外源化学物可能通过转化为下列活性功能基团而介导毒性作用：①亲电基团：含有一个缺电子的原子，带正电荷的分子，易通过共享电子对的方式与亲核基团中富含电子的原子发生原子反应，另一种情况是共轭双键形成，通过氧的去电子作用而被极化，使得双键碳之一发生电子缺失；②自由基形成：自由基单独、游离存在，拥有高活性的不成对电子的分子、原子或离子，自由基主要是由化学物的共价键发生均裂而产生；如超氧阴离子和羟基自由基；③亲核基团：亲核基团是带负电荷的分子，易与亲电基团反应；④具氧化反应活性的作用物形成，它提供和接受电子的分子。最具活性的代谢物是亲电子体和分子碎片，如亲电基团和中性或阳离子自由基。

亲电基团能通过与亲核物中的富电子原子共享电子对而发生反应。许多化学物引起的毒性与亲电基团有关，这样的反应产物常常通过插入一个氧原子而产生，该氧原子从其附带的原子中抽取一个电子，使其具有亲电性。例如苦杏仁经肠道β－糖甘酶催化形成氰化物，苦杏仁中丙烯氰环氧化物经环氧化后，与谷胱甘肽结合形成氰化物；以及硝普钠经与巯基反应而降解后形成氰化物等。当醛、酮、环氧化物、芳烃氧化物、亚砜类、亚硝基化合物、磷酸盐和酰基卤类形成时，情况均是如此。另一种情况为共轭双键形成，它通过氧的去电子作用而被极化，使双键碳之一发生电子缺失，成为亲电子体，这种情况发生于α，β－不饱和醛和酮以及醌亚胺形成时，这些亲电代谢物是由细胞色素P450催化代谢形成。阳离子亲电物通过键的断裂作用而形成。金属汞氧化为二价汞离子，使无机汞形成亲电毒物。

二、化学物的直接作用或代谢依赖性

（一）概述

为了全面理解化学物的毒性，需要清楚地知道引起毒性的化学物的形式，即是母体化学物引起毒性还是母体化学物在生物体内经酶促转化形成的毒性代谢物的毒性。母体化学物在生物体内直接产生毒性作用，通常结合于细胞或组织的特定蛋白质，触发一系列毒性反应，导致细胞死亡或其他毒性后果的一系列毒性事件，代谢在毒性作用中起很小作用或不起作用，母体化学物分子直接介导细胞功能障碍。例如，食入带有河豚毒素的河豚鱼，直接毒物河豚毒素被摄入后，到达运动神经元钠通道靶点，并与该靶点相互作用，导致钠通道阻断，继而触发分子、细胞或组织修复，当毒物引起的干预效应超过机体修复能力或修复功能失常，就可以产生毒性作用。

（二）受体和药物反应

可以借助现代药理学的受体理论，帮助理解许多毒物的毒性直接作用机制，根据这个理论，在细胞膜内药物和它们的受体存在明显的相互作用，触发受体结构的改变，活化下游信息传导通路，改变细胞功能，最终触发生理学反应。

（三）受体和毒性反应

受体理论可以为化学物引起的毒性症状提供一种解释，毒物可能结合于细胞膜的蛋白质受体，产生亚细胞反应，导致组织功能障碍。例如：①辣椒素：来源于辣椒，毒性效应是引起眼、皮肤、肺脏刺激反应，可能作用的受体是疼痛刺激感受器TRPV1香草受体；②己烯雌酚：为合成雌激素，在鸡蛋和肉类食品中残留，毒性效应是生殖组织产生肿瘤，作用受体为雌激素受体；③氢氰酸：毒效应为呼吸衰竭，可能的靶点是细胞色素C氧化酶；④微囊藻毒素：来源于蓝藻细菌，毒性效应为肺脏损害，可能靶点是蛋白质磷酸激酶1和2A；⑤塞夫汀A：来源于黄夹竹桃，毒性效应是心脏刺激，靶点是Na⁺－K⁺－ATP酶；⑥番木鳖碱：来源于伊格那提豆，毒性作用为刺激中枢神经系统，作用的受体为甘氨酸受体。

三、代谢物引起毒性的决定性因素

（一）概述

化学物经生物活化产生反应性代谢物，直接攻击DNA或蛋白质，产生特定损害。这种反应性代谢物已经引起毒性机制研究的毒理学家的高度关注，因为它们表现出与细胞分子反应的多样性。通常，这种代谢物产生的毒性类型依赖于以下几种关键因素。

（二）代谢物稳定性

代谢物稳定性是指在生物内环境存在的时间长短，常用代谢物的半衰期来表示。代谢物的半衰期在预测活性代谢物产生的损害中起重要作用，如高度不稳定性代谢物，其代谢物的半衰期为微秒到毫秒，而高度稳定性代谢物的半衰期为数分钟到数小时。通常情况下，在外源化学物被P450代谢期间，反应性代谢物影响组织损害的定位。在P450催化反应期间，形成稳定的代谢物，随后迅速向周围扩散，离开酶所在的部位，最终通过细胞排出。对于反应性代谢物，其生物活性代谢物的情况相当不同，可能出现至少三种结果：①一些经P450酶促反应产生的代谢物具有超短的半衰期（如微秒范围），这些超不稳定代谢物可以攻击P450酶，通过攻击亚铁血红素或破坏它代谢外源化学物分子的能力，而灭活P450酶；②在肝细胞内，化学物经P450酶代谢后，形成非常稳定的代谢物，与细胞核的DNA形成加合物并引起损害；③化学物在细胞内代谢成不稳定性代谢物，对相邻细胞核的DNA产生损害。

（三）大分子选择性

反应性代谢物不是随意攻击所有细胞组分，而是经常与DNA分子反应。对于一个反应性代谢物，更倾向于将大分子作为靶点，与DNA反应，长期结果可以引起癌症和其他类型的遗传疾病；在怀孕期间，损害DNA的代谢物，可以引起胚胎畸形或增加儿童癌症的风险，如白血病，一旦已知反应性代谢物损害DNA，也表明倾向于与细胞蛋白质反应，与器官功能障碍或过敏毒性反应有关。一旦已知特定外源化学物形成一种蛋白质损害代谢物，该探索性研究是确定敏感靶器官损害，可以精确定位蛋白质靶点。如果一个代谢物的损害涉及细胞死亡调节、细胞增殖或炎症反应，为母体外源化学物的毒理学研究提供有价值的数据。

（四）带电特性

许多反应性代谢物是亲电子体，与电子供体反应（亲核），倾向于填充它们电子骨架缺少的电子种类。蛋白质是常见的靶点，因为在细胞内环境普遍存在氨基酸侧链上富含电子的原子；DNA也含有许多亲核杂原子，如在嘌呤和嘧啶内有氮和氧，以及在磷酸糖骨架上有氧原子。根据“HSAB理论”（硬－软、酸－碱），外源化学物经代谢形成的代谢物，与细胞大分子反应表现出“硬”或“软”亲电子物；硬亲电子代谢物携带正电荷，在代谢结构内具有不容易被离域的原子电荷；另一方面，软亲电子物，携带部分电荷，通过代谢物电子被离域。

根据“HSAB理论”，亲核物也是“硬”也是“软”亲电子体，依赖于原子内电子的分布；在细胞内硬亲核物，包括DNA和RNA的嘧啶上的氧或氮原子，以及细胞蛋白质内赖氨酸、组氨酸、精氨酸上的氮原子，在蛋白质和巯基组中半胱氨酸侧链的巯基组，三肽谷胱甘肽是软亲核物。知道一个反应性代谢物的电子特征，对于理解毒性机制具有帮助，根据毒性的“HSAB理论”，软亲电子物与软亲核物反应，硬亲电子物与硬亲核物反应，这可以帮助解释为什么不同代谢物倾向于与蛋白质反应还是与DNA反应；作为一般原则，软亲电子物主要损害蛋白质和与器官损害有关，如肝脏毒性或肾脏毒性；而硬亲电子物倾向于损害DNA并引起癌症。