食品毒理学教案食品毒理学教案

目录 第一章 绪 论 第一节 食品毒理学概述 第二节食品毒理学和食品安全性 第二章 食品中外源化学物的来源、转运与转化 第1节 食品中外源化学物的来源 第2节 生物转运和生物转化 第3节 吸收 第4节 分 布 第5节 外源化学物的生物转化 第6节 排 泄 第三章 食品中外源化学物的毒性损伤和影响因素 第一节 食品中外源化学物引起的毒性损伤 第二节 表示毒性损伤的指标 第三节 毒性损伤（细胞损害）的机制 第四节 影响外源化合物毒效应的因素 第1章 绪 论 “民以食为天”，饮食是人类社会生存发展的第一需要。“病从口入”，饮食不卫生，不安全，又是百病之源。食品的安全性，是一个听起来生疏却与人们日常生活关系密切的概念。人们上街购买鱼、肉、禽、蛋等鲜活产品，总要查看一下是否有腐坏、异味或病虫污染。在食品店的柜台上，印有“不含添加剂”、“纯天然”、“绿色食品”等标志的食品，格外吸引购物者的注意。在菜市场，细心的采购者会留心蔬菜的产地，是否有用污水浇灌或被滥用过农药的危险。这些都反映了人们已经把食品的安全性作为购买食品的重要原则和取舍 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。我国食物中毒每年 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 例数约为2~4万，但专家估计这个数字不到实际发生数的 1／10 。由于农药、兽药污染造成的急性食物中毒事件近年有所上升。城乡食品的数量与种类日益丰富，如何提高食品的质量与安全性的问题日益突出。消费者在初步解决了温饱之后，要求吃得更好，吃得安全放心，这是社会发展进步的大势所趋。 第1节 食品毒理学概述 食品是有益人体健康并能满足食欲的物品。人必须每天摄入食物赖以生存，维持健康和繁殖后代。食品质量关系着人们身体健康甚至生命安全。食品应具备的基本条件是：卫生安全、无毒无害；含有人体所需要的营养素和有益成分；感官性状良好、可被人体接受。但是食品除了含有人体必需的营养物外，也可能含有身体非必需的甚至有害生物或化学物质，后者总称为外源化学物 (xenobiotics) 。外源化学物是在人类生活的外界环境中存在，可能与机体接触并进入机体，在体内呈现一定的生物学作用的一些化学物质，又称为 "外源生物活性物质" 。它既包括在食品生产、加工中人类使用的物质，也包括食物本身生长中存在的物质。蔬菜上的农药残留是有害无益的，但有些外源化学物对健康有利，如大蒜中的大蒜素。所以，不应把外源化学物统统认为是对健康有害的。与外源化学物相对的概念是内源化学物，是指机体内原已存在的和代谢过程中所形成的产物或中间产物。某种物质通过物理损伤以外的机制引起细胞或组织损伤时称为有毒 (toxic) 。传统上把摄入较小剂量即能损害身体健康的物质称为有毒物质或毒物 (toxicants) ；它具有的对细胞和／或组织产生损伤的能力称为毒性（toxicity）。有毒物质在一定条件下产生的临床状态称为中毒 (intoxication, poisoning) 。当前，地球上污染无处不在，工业化学物种类日益增多，它们进入空气、土壤、水、植物、动物和人体中，我们的食物链不断受污染；食品市场是国际的，因此，食品的安全性是世界各国政府共同关心的问题。 食品毒理学（food toxicology）研究食品中外源化学物的性质，来源与形成，它们的不良作用与可能的有益作用及其机制，并确定这些物质的安全限量和评定食品的安全性的科学。食品毒理学的作用就是从毒理学的角度，研究食品中可能含有的外源化学物质对食用者的毒作用机理，检验和评价食品（包括食品添加剂）的安全性或安全范围，从而达到确保人类的健康目的。 本学科的研究对象外源化学物包括有一定毒性的化学物如农药，包括毒性很小通常不称之为“毒物”的化学物如食用色素，也包括潜在有益作用的化学物如大蒜氨酸（alin）。 对食品中外源化学物来说，毒性大小在很大程度上取决于摄入的剂量。然而毒性是很复杂的生物学现象，取决于多种因素。某种物质在正常食用方式与用量情况下，长期食用不产生毒性，可认为是安全 (safe) 。但是安全是有条件的、相对的。食品中的外源化学物也可能在一定条件下呈有益作用或不良作用。 毒理学的一个基本原则和首要目的就是要对毒性进行定量。欧洲中世纪的科学家 Paracelsus（1493～1541）曾说过：“所有的物质都是毒物，没有一种不是毒物的。正确的剂量才使得毒物与药物得以区分”（The dose makes the Poison）。一般来说，毒物和非毒物之间没有严格的界限。同一种化学物质，由于使用剂量、对象和方法的不同，则可能是毒物，也可能是非毒物。例如，亚硝酸盐（nitrate）对正常人是毒性物质，但对氰化物中毒者则是有效的解毒剂。另外，人体对硒（Se）的每日安全摄入量为50～200μg ，如低于50μg 则会导致心肌炎，克山病等疾病，并诱发免疫功能低下和老年性白内障的发生；如摄入量在 200～1000μg之间则会导致中毒，如每日摄入量超过 1mg则可导致死亡。毒性物质按其来源可分为天然、合成和半合成三类，按其用途及分布范围可分为工业、环境、食品有毒成分、农用、医用、军事、放射性、生物性和化妆品中分布的有害化学物，按其毒性强弱又可分为剧毒、高毒、中毒、低毒、微毒等。毒性物质主要通过化学损伤使生物体受其损害。所谓化学损害是指通过改变生物体内的生物化学过程甚至导致器质性病变的损伤。如有机磷酯化合物类农药主要通过抑制胆碱酯酶的活性，使生物体乙酰胆碱超常累积，因而导致生物体的极度兴奋而死亡。 学科内容 食品毒理学的基本概念和食品外源化学物与机体相互作用的一般规律；食品外源化学物毒理学安全性评价程序和危险度评价的概念和内容；食品中各主要外源化学物（天然物、衍生物、污染物、添加剂）在机体的代谢过程和对机体毒性危害及其机理。 学科任务 研究食品中学物的分布、形态、及其进入人体的途径与代谢规律，阐明影响中毒发生和发展的各种条件；研究化学物在食物中的安全限量，评定食品的安全性，制定相关卫生标准；研究食品中化学物的急性和慢性毒性，特别应阐明致突变、致畸、致癌和致敏等特殊毒性，提出早期诊断的方法及健康监护措施。 学科性质、地位 毒理学(toxicology) 是从生物医学角度研究化学物质对生物机体的损害作用及其机制的科学，但近年来，随着客观的需要，毒理学的研究范围已扩大到各种有害因素如放射性、微波等物理因素以及生物因素等对机体损害作用及其机制，不只限于化学物质。卫生毒理学(health toxicology) 属于预防医学的范畴，是毒理学的一个分支学科，包括环境毒理学、工业毒理学、食品毒理学、农药毒理学、放射毒理学等。食品毒理学属于预防医学的范畴，是卫生毒理学的一个分支学科，是毒理学的基础知识和研究方法在食品科学中的应用，是现代食品卫生学的一个重要组成部分。食品毒理学是一门综合性边缘学科，需要分析化学、现代生物学、生物化学、病理学、遗传学、免疫学及流行病学的知识与技能，应用实验研究、临床研究和现场调查等研究方法，从各方面深入研究和认识各种毒作用的本质，其研究成果为确定食品外源化学物合理的安全接触界限和制定有效的防治方法、预防化学物对人类的危害提供理论依据。食品毒理学与环境毒理学、工业毒理学有非常密切的内在联系，它们同属预防医学领域，基本概念和方法基本相似，研究对象不同。食物中的化学物质主要经胃肠道与人体接触，接触剂量较低，接触时间较长，接触人群易感性具有较大差异。 食品毒理学研究方法 一切学科的发展，都与新概念的形成与新方法的发展有密切关系。60年代以来，毒理学获得较大发展，主要原因之一是引入了相邻学科大量新的概念与新的方法。从方法学来说，毒理学的研究方法可分为两大类。一是微观方法。随着生物化学、细胞病理学、细胞生物学、分子生物学等边缘学科的迅速发展，这些学科的研究方法应用到毒理学领域上来，使人们能够从细胞水平甚至分子水平观察到观察到多方面毒作用现象，其中包括一些极微小的毒作用表现。另一大类方法是宏观方法，亦即研究人的整体以至于人的群体与毒物相互作用的关系。要判定某个毒物对人危害程度，它是否属于某种损害现象的原因，单凭人体以外实验所得结果，是不能作出认定的，只能认为有此可能。只有具体在人类本身直接获得证实，才能获得肯定的评价。而直接观察毒物对人的作用，除少数毒物作用可用“志愿者”之外，目前主要使用流行病学方法。 毒理学研究的最终目的是研究外源化学物对人体的损害作用(毒作用)及其机制，但在人体的研究实际上难以实现，毒理学主要是借助于动物模型模拟引起人体中毒的各种条件，观察实验动物的毒性反应，再外推到人。由于动物，特别是哺乳动物和人体在解剖、生理和生化代谢过程方面有很多相似之处，这就是动物实验的结果可以外推到人的基础。 毒理学实验可采用整体动物、游离的动物脏器、组织、细胞进行。根据采用的方法不同，可分为体内试验(in vivo test)和体外试验(in vitro test)。毒理学还利用限定人体试验和流行病学调查直接研究外源化学物对人体和人群健康的影响(表1-1)。 表1-1 食品毒理学研究方法的比较 研究方法 流行病学研究 受控的临床研究 毒理学体内试验 毒理学体外试验 优点 真实的暴露条件， 在各化学物之间发生相互作用， 测定在人群的作用， 表示全部的人敏感性， 规定的限定暴露条件， 在人群中测定反应， 对某组人群(如哮喘)的研究是有力的， 能测定效应的强度， 易于控制暴露条件， 能测定多种效应， 能评价宿主特征的作用(如：性别、年龄、遗传特征等和其他调控因素饮食等)， 能评价机制 影响因素少，易于控制， 可进行某些深入的研究(如：机制，代谢)， 人力物力花费较少 缺点 耗资、耗时多， (多为回顾性)，无健康保护， 难以确定暴露，有混杂暴露问题 ， 可检测的危险性增加必需达到2倍以上， 测定指标较粗(发病率，死亡率)， 耗资多， 较低浓度和较短时间暴露， 限于较少量的人群(一般＜50) 限于暂时、微小、可逆的效应 一般不适于研究最敏感的人群 动物暴露与人暴露相关的不确定性 受控的饲养条件与人的实际情况不一致 暴露的浓度和时间的模式显著地不同于人群的暴露 不能全面反映毒作用不能作为毒性评价和危险性评价的最后依据 难以观察慢性毒作用 1．体内试验 也称为整体动物试验。可严格控制接触条件，测定多种类型的毒作用。实验对象采用哺乳动物，例如大鼠、小鼠、豚鼠、家兔、仓鼠(hamster)、狗和猴等。在特殊需要情况下，也采用鱼类或其他水生生物、鸟类、昆虫等。检测外源化学物的一般毒性，多在整体动物进行，例如急性毒性试验，亚急性毒性试验、亚慢性毒性试验和慢性毒性试验等。哺乳动物体内试验是毒理学的基本研究方法，其结果原则上可外推到人；但体内试验影响因素较多，难以进行代谢和机制研究。 2. 体外试验 利用游离器官、培养的细胞或细胞器进行研究，多用于外源化学物对机体急性毒作用的初步筛检、作用机制和代谢转化过程的深入观察研究。体外试验系统缺乏整体毒物动力学过程，并且难以研究外源化学物的慢性毒作用。 (1)游离器官：利用器官灌流技术将特定的液体通过血管流经某一离体的脏器(肝脏、肾脏、肺、脑等)，借此可使离体脏器在一定时问内保持生活状态，与受试化学物接触，观察在该脏器出现有害作用，以及受试化学物在该脏器中的代谢情况。 (2)细胞：利用从动物或人的脏器新分离的细胞(原代细胞，Primary cell)或经传代培养的细胞如细胞株(cell strain)及细胞系(cell line)。 (3)细胞器(organelle)：将细胞制作匀浆，进一步离心分离成为不同的细胞器或组分，例如线粒体、微粒体、核等，用于实验。 体内试验和体外试验各有其优点和局限性，应主要根据实验研究的目的要求，采用最适当的方法，并且互相验证。 3. 人体观察 通过中毒事故的处理或治疗，可以直接获得关于人体的毒理学资料，这是临床毒理学的主要研究内容。有时可 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 一些不损害人体健康的受控的实验，但仅限于低浓度、短时间的接触，并且毒作用应有可逆性。 4. 流行病学研究 对于在环境中已存在的外源化学物，可以用流行病学方法，将动物实验的结果进一步在人群调查中验证，可从对人群的直接观察中，取得动物实验所不能获得的资料，优点是接触条件真实，观察对象包括全部个体，可获得制订和修订卫生标准的资料，以及制定预防措施的依据。利用流行病学方法不仅可以研究已知环境因素(外源化学物)对人群健康的影响(从因到果)，而且还可对已知疾病的环境病因进行探索(从果到因)。但流行病学研究干扰因素多，测定的毒效应还不够深入，有关的生物学标志还有待于发展。 最后，我们还必须将体内和体外实验的结果外推到人，并与人体观察和流行病学研究的结果综合起来，以对所研究的外源化学物进行危险度评价。 食品安全性毒理学评价 是指从毒理学角度对食品进行安全性评价。其法律依据是《中华人民共和国食品卫生法》第九条第二项：禁止生产经营含有毒、有害物质或者被有害物质污染，可能对人体健康有害的食品。从这项规定中可见并非任何含有害物质的食品都不能生产或销售，而是当它们在性质和数量上有可能对人体健康产生损害时不得生产或销售。 食品毒理学发展历史 可以追溯到我们的祖先为了获得丰富的食物而去尝试多种物质的时候。通过观察哪一种物质即能果腹又不至于产生疾病或引起死亡，我们的祖先发展了使人类得以生存繁衍的饮食习惯。早在史前时代，人们就学习制作可供食用的食品。在人类文明的早期，不同地区的民族都以长期的生活经验为基础，在不同程度上形成了一些有关饮食卫生和安全的禁忌。在中国，2500年前的孔子就曾对他的学生讲授过著名的“五不食”原则：“鱼馁而肉败，不食。色恶，不食。臭恶，不食。失饪，不食。不时，不食”。这是文献中有关饮食安全的最早记述。但是，由于人类对客观世界认识的局限性，所选择摄取的食物并非均为人体所需要，其中有一部分不仅是人体所不需要的，而且也是有害的。 随着社会经济的迅速发展和全球生态环境的剧烈变化，这些变化通过食物链对食品质量和安全性（Food Safety）的影响明显增大。人类食物中毒性物质的种类、数量及其对人类健康的长远影响都远较以往严重，从而使人类面临更为严峻的生活和生存挑战。进入20世纪以后，食品工业应用各类添加剂日新月异，农药兽药在农牧业生产中的重要性日益上升，工矿、交通、城镇“三废”对环境及食品的污染不断加重，农产品和加工食品中含有害有毒化学物质问题越来越突出。另一方面，化学检测手段及其精度不断提高，农产品及其加工产品在地区之间流通规模日增，国际食品贸易数量越来越大。这一切对食品安全性问题提出了新的要求，以适应生活水平提高、市场发展和社会进步的新形势。人们关注的焦点与热点，逐渐从食品不卫生、传播流行病、掺杂制伪等，转向某些化学品对食品的污染及对消费者健康的潜在威胁方面来。本世纪对食品安全性影响最为突出的事件，当推有机合成农药的发明、大量生产和使用。例如曾被广泛应用的高效杀虫剂滴滴涕，其发现、工业合成及普遍使用，始于30年代末40年代初，至60年代已达鼎盛时期，世界年产总量可达10万吨。滴滴涕对于消灭传播疟疾、班疹伤寒等严重传染性疾病的媒介昆虫（蚊、虱）以及防治多种顽固性农业害虫方面，都显示了极好的效果，成为当时人类防病、治虫的强有力武器。其发明者瑞士科学家Paul Muller 因此巨大贡献而获1948年诺贝尔奖。滴滴涕的成功刺激了农药研究与生产的加速发展，加上现代农业技术对农药的大量需求，包括六六六在内的一大批有机氯农药此后陆续推出，在50到60年代获得广泛应用。然而时隔不久，滴滴涕及其他一系列有机氯农药被发现难以生物降解而在食物链和环境中积累起来，在人类的食物和人体中长期残留，危及整个生态系统和人类的健康。进入70和80年代后，有机氯农药在世界多数国家先后被停止生产和使用，代之以有机磷类、氨基甲酸酯类、拟除虫菊酯类等残留期较短、用量较小也易于降解的多种新农药类型。但滥用农药在毒化了环境与生态系统的同时，导致了害虫抗药性的出现与增强，这又迫使人们提高农药用量，或更换农药种类。出现了虫、药、食品、人之间的恶性循环。尽管农药种类和使用方法不断更新改进，用药水平和残留水平也在下降，但农产品和加工食品中种类繁多的农药残留，至今仍然是最普遍、最受关注的食品安全性课题。 对食品安全新问题的社会反应和政府对策，最早见于发达国家。如美国在1906年食品与药物法的基础上，于1938年由国会通过了新的联邦食品、药物和化妆品法，1947年通过了联邦杀虫剂、杀菌剂、杀鼠剂法，两法以后又陆续作过多次修正，至今仍为美国保障食品安全的主要联邦法律。世界卫生组织和粮农组织自60年代组织制定了《食品法典》，并数次修订，规定了各种食物添加剂、农药及某些污染物在食品中允许的残留限量，供各国参考并借以协调国际食品贸易中出现的食品安全性标准问题。至此，尽管还存在大量的有关添加剂、农药等化学品的认证与再认证工作，以及食品中残留物限量的科学制定工作有待解决，控制这些化学品合理使用以保障丰足而安全的食品生产与供应，其策略与途径已初步形成，食品安全管理开始走上有序的轨道。 在我国，近代食品安全性的研究与管理起步较晚，它随卫生工作的发展而发展，近半个世纪以来食品卫生与安全状况也有了很大的改善。解放后虽然我国食品卫生工作有较大的发展，但各生产企业和监督机构管理还是处于较低的水平。随着我国的改革开放不断地深入，食品工业得到迅速的发展。六十年代食品工业产值为国民经济总产值的31～32位，1986年升为8～9位，到1990年达到第3位，1996年为第1位，至今持续保持。食品产量、品种增加和质量的改进使大量化学物质进入食用范围，直接应用于食品的化学物质(如食品添加剂)以及间接与食品接触的化学物质(如农药及污染物)日益增多。五十年代中央卫生研究院营养学系与卫生部药品生物鉴定检定所已开始食品毒理学研究，并于六十年代对木薯毒性、农残毒性、粮食薰蒸剂及白酒中甲醇毒性等进行了食品安全性毒理学评价从而制定了相应的标准。至七十年代，一些国家已提出安全性评价系统。当时我国尚无系统的食品卫生标准和安全性评价法规，致使食品的卫生质量监督管理工作产生了相当的困难，而在国际食品贸易中，食品质量发生问题时，常因无章可循，给国家带来政治经济上的重大损失。据此，为制定食品卫生标准以及为新产品上市前的安全性评价提供科学依据，制定一个统一的《食品安全性毒理学评价程序和方法》(下称“程序”)，以保证食品安全是十分重要的。我国食品添加剂标准化技术委员会于1980年年会首次提出制定毒性评价问题。卫生部(81)卫防字第11号文件将制定“食品安全性毒理学评价程序和方法”列入《1981～1985年全国食品卫生标准科研规划》。从此“程序”得到政府立项，投入经费、组织人才、集中设备优势，开展广泛而深入的研究，促使食品毒理学的成长与发展。一些食源性传染病得到了有效的控制，农产品和加工食品中的有害化学残留也开始纳入法制管理的轨道。我国于1982年制定了《中华人民共和国食品卫生法》（试行），经过13年的试行阶段1995年由全国人大常务委员会通过，成为具有法律效力的食品卫生法规。在工农业生产和市场经济加速发展、人民生活水平提高和对外开放条件下，食品安全状况面临着更高水平的挑战。国家相继制定和强化了以《食品卫生法》为主体的有关食品安全性的一系列法律法规，初步形成了以卫生管理部门、工商管理部门和技术监督部门为主体的管理体制。但是，我国在进入21世纪和面向全球经济一体化的时代，食品的安全性问题形势依然严峻，还要从认识、管理、法规、体制，以及研究、监测等方面作更多的工作，才能适应客观形势发展的需要。 20世纪末时，特别是进入世纪之交的90年代以来，人类社会发展的多个方面通过人类食物链对食品安全性的影响，进一步显露出来。而人类对全球生态环境变化及其与自身生存发展关系的认识深化，则激发了人们的生态环境意识。这就使食品安全性再次作为人类面临的重大生活或生存问题，从多个侧面被提上社会的议程。这一期间，新的致病微生物引起食物中毒，畜牧业中滥用兽药、抗生素、激素类物质的副作用，食品的核素污染，以及最近发生的英国疯牛病事件等等，都是有代表性的。首先，近年来食源性疾病的爆发性流行仍在世界不同国家不断发生，但病的种类有所变化。其中，肉蛋奶类动物制成品或半制成品带菌致病事件有上升趋势，主要是经动物及其制品传染给人的“人兽共患病”。最为常见的沙门氏菌病是经由灭菌不充分的鸡蛋、牛奶及其制品如冰淇淋、奶酪等传播的。现代低温、冷冻条件则有利于一些嗜冷性致病菌发育繁殖，如利斯特氏菌、耶尔森氏菌等对妇幼群体危害更严重的疾病，呈增多势头。大规模的生产、加工、制作、销售在卫生管理不善的条件下则增加了许多交叉感染的机会。最近，一种被称作肠道出血性大肠杆菌O-157﹕H7（EHEC）感染的新的食源性疾病，在欧、美、日本、香港等地先后导致多起群体染病的爆发性病案，引起广泛的震动。新的食源性疾病的出现与发展，是在食品生产、加工、保存以及品种、消费方式发生变化条件下食品安全性新态势的反映。其次，在由癌症及其他与饮食营养有关的慢性病上升、化学药物对人类特别是妇幼群体危害日益明显、以及动物性食品在饮食结构中重要性增大的条件下，兽药使用不当、饲料中过量添加抗生素及生长促进素对食品安全性的影响，逐渐突出起来，一些研究趋向于认为，最近动物性食品中的某些致病菌如沙门氏菌和大肠杆菌O-157，可能是在滥用抗生素条件下抗性提高了的新的致病菌系。现在把抗生素作为饲料添加剂虽有显著的增产防病作用，但除了抗生素本身在使用不当时可产生有害副作用外，也导致了这些抗生素对人的医用效果逐渐丧失。尽管世界卫生组织呼吁减少用于农业的抗生素种类和数量，但由于兽药产品对现代畜牧业的重要支撑作用及其给畜牧业和医药工业带来的丰厚经济效益，要把兽医用药纳入有节制的合理使用轨道远非易事。由于人工合成激素（如乙烯雌酚等）被发现对人有严重的副作用（包括后代致癌），欧洲除已建立较严格的有关各种兽药的使用限制外，还禁止用激素处理的肉类进口。另外，自英国科学家发现疯牛病可使人感染导致致命疾病后，欧洲特别是英国的养牛业和牛肉市场陷入严重的危机。此病据信是由于患该病牛羊的屠宰下脚料内脏又被再加工用于牛饲料而使病源进入人类食物链的。最后需要提及的，是在人类进入核时代以后食品安全性中的核安全问题。近年来世界范围的核试验、核事故已构成对食品安全性的新威胁。1986年发生于前苏联境内切尔诺贝利的核事故，是人类迄今已知的最严重核事故，使几乎整个欧洲都受到核沉降的影响，牛羊等草食动物首当其冲。欧洲许多国家当时生产的牛奶、肉类、肝脏中都发现有超量的131I、137Cs、110Ag等放射性核素而被大量弃置。日本在牛奶中测出有超出常量4~5倍的131I。远在南美的巴西也因从德国进口的奶制食品发现137Cs含量超标10倍，不得不将70t进口品弃置处理。在这种情况下，已经多年研究被认定较为安全的食品辐照技术，受核辐射对人体危害的深远心理影响，在商业上的应用长期受限，有待研究的问题和立法方面也都进展缓慢。 工业的快速发展和社会都市化程度的提高，使大气、土壤和饮用水中的工业、农业及生活污染物逐渐加剧，使得高度稳定的化学物质进入外环境，并通过食物链的生物学富集效应蓄积在食品中，构成对有机体甚至下一代的严重威胁。人类的各种食品，包括供食用的处于生长状态的各种植物和动物，以及食品加工、储运及包装等各个环节都有可能受到有毒物质的污染。据统计，我国目前每年发生的食物中毒事件有20～40万例，我国80%的传染病为肠道传染病，一些有关伤寒、痢疾、霍乱等疾病的地方性爆发性流行，大多与食品和饮水被微生物污染有关，近年来，农药、兽药污染造成的急性食物中毒事件的上升也较快，出售掺杂掺假、过期变质和有毒有害食品坑害消费者的事例也屡禁不止，已成公害。随着我国社会经济的快速发展，如何提高食品安全性的问题日益突出。 食品毒理学原是毒理学和食品卫生学的一个组成部分，世界卫生组织（WHO）、世界粮农组织（FAO）和美国食品药物管理局（FDA）是现代食品毒理学的先驱。20世纪70年代，这些组织提出应以食品安全性评估为重点，将食品毒理学从食品营养和卫生学科中单独分离出来，并成立了有关食品卫生方面的机构。我国于七八十年代在全国各个省市建立了食品检验和食品卫生检测网。1994和1995年我国又分别正式颁布和实施了《食品安全性毒理学评价程序和方法》标准和《食品卫生法》。这些法规标准、及食品监督机构为我国食品质量和安全性提供了法律和行政上的保障。 食品毒理学发展现状 随着对食品营养素，特别是非营养性外源化学物及其对人体功能和健康影响的深入研究，对食品的认识正在发生根本性变化： 1. 食品中除了营养素外还有对人体健康有益的外源化学物。如姜含有的姜黄素在体内有抗诱变抗致癌作用。大蒜素能拮抗某些促癌剂对细胞间隙通讯的抑制和氧自由基的损害。 2. 食物中有害物质在体内的损害作用还受食物中其他成分影响，最终结果可以是消除／减弱或加强其损害作用。 3. 外源化学物对营养素吸收与代谢有影响，同时身体营养状态可以影响外源化学物的毒效应。例如饮浓茶干扰食物中铁和钙的吸收；核黄素缺乏的大鼠体内苯并芘与DNA结合增加，补充核黄素时降低。 4．一种化合物透过肠粘膜屏障并达到粘膜固有层的细胞间隙内（由此进入血液毛细管或淋巴管内）才算吸收了。食品中营养素和外源化学物在肠道内吸收、代谢、降解还受肠道微生态影响。 5．食品在加工烹调过程中可能产生有害外源物，有的毒作用剂量很小（ng级）。例如西式煎牛排和煎炸鱼块时产生多种致突变、致癌杂环胺类。韩国西南的酸白菜中的大量硝酸盐在胃内可被亚硝基化，可能与当地居民原发性胃癌高发有关（占癌的1／3~1／4）。由此提出了对传统食品的危险性评价与管理问题。 6．食品含有的成分超过20万种之多，一杯茶有几百种成分，还要加上添加剂、污染物、衍生物，我们食入的食品是非常复杂的混合物（还可能有微生物、寄生虫……）。在这个意义上人类对食品了解得还很不够。 7．对某个特定物质来说，天然存在的与人工合成的毒性是相等的；它们应该有统一的纯度标准；化学分析不能区别某个物质的来源是两者中的某一个。因此，FAO／WHO早在1973年就明确提出：天然物质也要制定ADI和规定用量。 第2节 食品毒理学和食品安全性 食品毒理学是食品安全性的基础。食品毒理学的作用就是从毒理学的角度，研究食品中可能含有的外源化学物质对食用者的毒作用机理，检验和评价食品（包括食品添加剂）的安全性或安全范围，从而确保人类的健康。现代食品毒理学着重于通过化学和生物学领域的知识找寻毒性反应的详细机理，并研究特定物质产生的特定的化学或生物学反应机制，为食品安全性评估和监控提供详细和确凿的理论依据。 一种化学物质对机体健康引起有害作用的能力，称为该物质的毒性(toxicity)。毒性较高的物质，只要相对较小的剂量，即可对机体造成一定的损害；而毒性较低的物质，需要较大的剂量，才呈现毒性。但是一个物质的“有毒”与“无毒”，毒性的大小也是相对的，关键是此种物质与机体接触的量(接触、暴露和染毒有相同的含义)。在一定意义上，只要到达一定的剂量，任何物质对机体都具有毒性。危险度(risk)在文献中也称为危险性或风险度，系指一种物质在具体的接触条件下，对机体造成损害可能性的定量估计。危险度的定义是，在特定的接触条件下终生接触某环境因素引起个体或群体产生有害效应(损伤、疾病或死亡)的预期频率。危险度可分为归因危险度和相对危险度。归因危险度是指人群接触某因素而发生有害效应的可能频率。如归因危险度为0.01表示100个接触者中有1人可能发生有毒效应，归因危险度为10-6表示100万个接触者中可能有1人发生有害效应。相对危险度是指接触组与对照组的危险度的比值。如相对危险度为2.5表示接触组发生有害效应的危险度是对照组(非接触组)的2.5倍。对接触外源化学物的危险度进行估计，即危险度评价(risk asseament )是毒理学的重要内容。 危害性(hazard)定性表示外源化学物对人群健康引起的有害作用。安全性是指无危险或危险度可为社会接受(即危险度可忽略)，即笼统地指在通常条件下接触化学物对人体和人群不会引起对健康有害作用。在毒理学中，安全性评价是利用规定的毒理学程序和方法评价化学物对机体产生有害效应(损伤、疾病或死亡)，并外推在通常条件下接触化学物对人体和人群的健康是否安全。由于安全性难以确切定义和定量，因此近年来危险度评价得到了迅速的发展。 食品安全性与毒性及其相应的风险概念也是分不开的。安全性常被解释为无风险性和无损伤性。众所周知，没有一种物质是绝对安全的，因为任何物质的安全性数据都是相对的。即使进行了大量的实验，证明某一种物质是安全的，但从统计学上讲，总有机会碰到下一个实验证明该物质不安全。此外，评价一种食品成分是否安全，并不仅仅决定于其内在的固有毒性，而要看其是否造成实际的伤害。事实上，随着分析技术的进步，已发现在越来越多的食品，特别是天然品中含有多种微量的有毒成分，但这些有毒成分并不一定造成危害。 1984年，世界卫生组织（WHO）在题为《食品安全在卫生和发展中的作用》的文件中，曾把“食品安全”认为是“食品卫生”的同义语，将其定义为：“生产、加工、储存、分配和制作食品过程中确保食品安全可靠，有益于健康并且适合人消费的种种必要条件和措施”。1996年，WHO在其发表的《加强国家级食品安全性 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 指南》中则把食品安全性与食品卫生作为两个概念加以区别。其中，食品安全性被解释为“对食品按其原定用途进行制作和食用时不会使消费者受害的一种担保”，食品卫生则指“为确保食品安全性和适用性在食物链的所有阶段必须采取的一切条件和措施”。目前，食品安全性是指：“在规定的使用方式和用量的条件下长期食用，对食用者不产生不良反应的实际把握”。不良反应既包括一般毒性和特异性毒性，也包括由于偶然摄入所导致的急性毒性和长期微量摄入所导致的慢性毒性，例如致癌和致畸性等，这些都需要更明确地加以说明。 关于食品的安全性或安全食品，至今尚缺乏一个明确的、统一的定义。综合现有的认识与理解，对什么是食品安全性的回答应该是：食品中不应含有可能损害或威胁人体健康的有毒、有害物质或因素，从而导致消费者急性或慢性毒害或感染疾病，或产生危及消费者及其后代健康的隐患。不过，在这一表述中可能包含着不同的理解或解释。如哪些物质成分应划作有毒、有害类？许多物质或成分的毒性是与剂量多少有关的，所谓“不应”或“不能”含有某种有毒有害物质，是指不得检出或检出剂量不得超过某个阈限值之外？现代超微量分析方法发展很快，许多化学成分的检出精度不断提高，不少曾被认为是“无污染”食品或“清洁”食品远非那么纯净，而许多被宣布为有毒有害的化学物质实际上在环境中和食品中都被发现以极微数量广泛存在，这个安全性怎么界定？从对人体健康的影响来看，除明显致病的以外，所谓慢性毒害、慢性病、健康隐患、对后代的后效等，也都需要更明确的解释。 影响食品安全性的因素很多，包括微生物、寄生虫、生物毒素、农药残留、重金属离子、食品添加剂、包装材料释出物和放射性核素等。另外，食品中营养素不足或数量不够，也容易使食用者发生诸如营养不良、生长迟缓等代谢性疾病，这也属于食品中的不安全因素。 食品安全性的现代问题 人类社会的发展和科学技术的进步，正在使人类的食物生产与消费活动经历巨大的变化。与人类历史上任何时期相比，一方面是现代饮食水平与健康水平普遍提高，反映了食品的安全性状况有较大的甚至是质的改善，另一方面则是人类食物链环节增多和食物结构复杂化，这又增添了新的饮食风险和不确定因素。社会的发展提出了在达到温饱以后如何解决吃得好、吃得安全的要求。食品安全性问题正是在这种背景下被提出，而且涉及的内容与方面也越来越广，并因国家、地区和人群的不同而有不同的侧重。以下是英国C.E.Fisher(1993)对当代发达和较发达社会或国家提出的一张饮食风险清单可以代表一般： （1）营养过剩或营养失衡； （2）酗酒； （3）微生物污染； （4）自然产生的食品毒素； （5）环境污染物（包括核污染）； （6）农药及其他用化学品残留物； （7）兽用药物残留； （8）包装材料污染； （9）食品添加剂和饲料添加剂； （10）新开发食品及新工艺产品（如生物技术食品、辐照处理食品等）； （11）其他化学物质引起的饮食风险（如工业事故污染食品）。 此外，假冒伪劣食品（劣质、掺杂毒物异物等）在食品安全性问题中也占有重要地位。 以上可归纳为现代食品安全性的六大类问题，即：营养失控、微生物致病、自然毒素、环境污染物、人为加入食物链的有害化学物质、其他不确定的饮食风险。其中，营养失控或营养素不平衡就其涉及人群之多和范围之普遍而言，在当代食品安全性问题中已处于较发达社会之首位。在食品相对丰裕的条件下，因饮食结构失调使高血压、冠心病、肥胖症、糖尿病、癌症等慢性病显著增多。这说明食品供应充足不等于食品安全性改善。高能量、高脂肪、高蛋白、高糖、高盐和低膳食纤维，以及某些矿物质和必要维生素摄入，都可能给人的健康带来慢性损害。而有些矿物质和维生素用量过多（例如硒、维生素A等）也可能引起严重后果。微生物因素导致食品腐败变质、微生物毒素及传染病流行，是多年危害人类的顽症。人类历史上一些猖獗一时的瘟疫，在医药卫生及生活条件改善的情况下，已受到一定程度的控制。但现实证明人类在与病原微生物较量中的每一次胜利，都远非一劳永逸。原因是社会经济及文化发展的不平衡、食品生产与消费方式的改变、以及病原微生物适应性与抗性在与人类的共同进化中不断提高。如果说前述营养不平衡问题在很大程度上是由个人行为决定的，那么，微生物污染致病则始终是行政和社会控制的首要重点。 自然产生的食品毒素是指食品本身成分中含有的天然有毒有害物质，如一些动植物中含有生物碱、氢氰糖苷等，其中有一些是致癌物或可转变为致癌物。天然的食品毒素，实际上广泛存在于动植物体内，所谓“纯天然”食品不一定是安全的。 衍生毒物可由食品的任何内在成分与外源成分（如污染物与添加剂）相互作用形成，或这些物质与外界物质（如氧）相互作用形成。由热、光、酶或其他物质引起食物化学降解也会产生有毒物质。衍生毒物可分为热解有机毒物、非热解毒物、油脂氧化物以及污染物反应产生的毒物等。 在人为特定条件下食品中产生的某些有毒物质，如粮食、油料等在从收获到储存过程中产生的黄曲霉毒素，食品烹任过程中产生的多环芳烃类，都是毒性极强的致癌物。 环境污染物在食品成分中的存在，有其自然背景和人类活动影响两方面的原因。其中，无机环境污染物在一定程度上受食品产地的地质地理条件所左右，但是更为普遍的污染源则主要是工业、采矿、能源、交通、城市排污及农业生产等带来的，通过环境及食物链而危及人类饮食健康。无机污染物中的汞、镉、铅等重金属及一些放射性物质，有机污染物中的苯、邻苯二甲酸酯、磷酸烷基酯、多氯联苯等工业化合物及多氯二噁英、多氯氧芴、多环芳烃等工业副产物，都具有在环境和食物链中富集、难分解、毒性强等特点，对食品安全性威胁极大。在人类环境持续恶化的情况下，食品成分中的环境污染物可能有增无减，必须采取更有效的对策加强治理。 人为加入食物链的化学物质，包括农牧业生产及食品加工过程中为保障生产、提高质量及安全性所使用的多种化合物，既有人工合成的，也有自然生成的，其应用数量、残留量及稳定性均极不相同。农药、兽药、饲料添加剂及食品添加剂等，近年成为当今食品安全性方面的关心焦点，原因有多方面。其中，科技发展加深了对某些化学残留物性质及规律性的认识，以及消费者风险意识、对食品质量及安全性要求的提高，是决定性的因素。我国在工农业生产迅速发展过程中这类化学物质引起的食品安全性问题，呈潜性上升趋势。从世界范围看，科技界、企业界和管理部门为降低这类物质所致的食品风险，投入了巨大的人力物力与财力。美国近年提出要对现行各种农药残留限量作重新审定，改变以“良好生产措施”为确定限量标准依据的做法，代之以对人体健康影响为依据的方法，以提高安全性保险系数，并要求对儿童和婴儿这一敏感群体在制定残留限量方面给以特别的保护。此外，为加强致癌化合物的控制，一批农药可能被禁用。这一切都反映了在科技与社会进步过程中对这一大类化学物质加强管理、减少饮食风险的总趋势。 由于科技进步、管理水平及社会发展的不平衡性，食品安全性的问题内涵及轻重缓急在不同国家不同地区不完全相同，公众对食品安全性的认同意识也有不同程度的差距。但是从民族健康与繁荣、社会进步与持续发展的角度来看，充分、全面地理解食品安全性问题的意义与趋势，则是一个普遍的、至关重要的课题。 食品安全性控制与人类食物链 人类食物生产规模的扩大，加工、消费方式的日新月异，储藏、运输等环节的增多，以及食品各类、来源的多样化，使原始人类赖以生存的自然食物链，逐渐演化为今天的自然链和人工链组成的复杂食物链网。这当然一方面满足了人口增长、消费水平提高的要求，另一方面，也使人类饮食风险增多，确保食品的安全性成为现代人类日益重要的社会问题。食品安全性的隐患，可能产生于人类食物链的不同环节。首先，人类农牧业生产的生态环境，包括水、土、大气的质量是否良好，生物学环境是否健康无害，都会影响到食品的质量和安全性。农业措施不当引起生态环境退化或生态循环失调，可能使产量、品质下降，加剧农作物及养殖动物的病虫害，进而危及人类的食品安全。其次，在整个生产、流通和消费过程中，都存在着因管理不善使病原菌、寄生虫滋生及有毒有害化学物质进入人类食物链的机会。现代人类食物链通常可分为自然链和加工链两部分，从自然链部分来看，种植业生产中有机肥的搜集、堆制、施用如忽视严格的卫生管理，可能将多种侵害人类的病原菌、寄生虫引入农田环境、养殖场和养殖水体，进而进入人类食物链。滥用化学合成农药或将其他有害物质通过施肥、灌水或随意倾倒等途径带入农田，可使许多合成的、难于生物代谢的有毒化学成分在食物链中富集起来，构成人类食物中重要的危害因子。由于忽视动物保健及对有害成分混入饲料的控制，可能导致真菌毒素、人畜共患病原菌、有害化学杂质等大量进入动物产品，为消费者带来致病风险。而滥用兽药、抗生素、生长刺激素等化学制剂或生物制品，可因畜产品中微量残留在消费者体内长期超量积累，产生不良副作用，尤其对儿童可能造成严重后果。从人类食物链的加工链部分来看，现代市场经济条件下，蔬菜、水果、肉、蛋、奶、鱼等应时鲜活产品及其他易腐坏食品，在其储藏、加工、运输、销售的多个环节中如何确保不受危害因子侵袭而影响其安全性，这是经营者和管理者始终要认真对待的问题，不能有丝毫疏忽。食品加工、包装中滥用人工添加剂、防腐剂、包装材料等，也是现代食品生产中新的不安全因素。在食品送达消费者餐桌的最后加工制作完成之前，清洗不充分、病原菌污染、使用调味品、高温煎炸烤等，仍会使一些新老危害因子一再出现，形成新的饮食风险。由以上可见，食品安全性中的危害因子，可能产生于人类食物链的不同环节上，其中某些有害物质或成分特别是人工合成的化学品，可因生物富集作用而使处在食物链顶端的人类受到高浓度毒物之害。认识处在人类食物链不同环节的可能危害因子及其可能引发的饮食风险，应用食品毒理学的理论和方法，掌握其发生发展的规律，是有效控制食品安全性问题的基础。 食品安全性已成为当今影响广泛而深远的社会性问题。加强对食品安全性的管理控制，既是社会进步的需要，也是民族健康的保证。历史的经验和国内外的发展形势都说明，确保食品的安全性必须建立起完善的社会管理体系，这应包括以下几个主要方面：就食品安全性进行完整的立法；对食品生产和供应系统所用的各类化学品，建立严格的管理机制；对食源性疾病风险实行环境全过程控制；采用绿色的或可持续的生产技术，生产对人与环境无害的安全食品；建立健全市场食品安全性的检验 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 ，加强执法，保障人民健康。 （王 枫 史永亮） 第2章 食品中外源化学物的来源、转运与转化 第1节 食品中外源化学物的来源 食品中外源化学物根据其来源分为四大类：①天然物；②衍生物；③污染物；④添加剂。衍生物是食物在贮放和加工烹调过程中产生的。污染物和添加物都属于外来的。 一、天然物 （一）植物性有害物质 植物性食品中的有害物质是植物生长过程代谢物，美国Ames教授认为它们与人类肿瘤关系更密切（与合成化合物比较而言）。 植物的有害代谢物大体上可以分为：①功能团，如植物酚类；②生理作用物质，如胆碱酯酶抑制剂或活化剂；③产生毒素的，如生氰甙；④致癌物，如苏铁素；⑤抗营养物，如黄豆中的外源凝集素（lectins）。 上述可知植物性有害物质分布广泛，有的研究较深入，但有的还不那么清楚。有的知道如何加工烹调去毒后可以安全食用，有的还不知道。当前时兴吃野菜，不少野菜还未经过系统毒理学试验和安全性评价；另外，野菜也受环境污染。在开发保健食品时，利用中草药也要谨慎，因为保健食品的对象往往是处于健康边缘或亚健康态的人。现行毒理学试验规定未必能检查出某些活性物质的特殊毒效应：如对免疫功能、内分泌、精神行为、对营养素的作用等。新食品和食品新资源的开发需要现代科学水平的安全性研究。 （二）动物性有害物质 人类食入的动物性食品从毒理学角度可以分为三类：①本身无毒的；②有的时候有毒的（条件性有毒）；③本身有毒的，如河豚鱼。应该特别重视第二类，即有的时候有毒，使人捉摸不定。 二、衍生毒物（derived toxicants） 衍生毒物是食品在制造、加工（包括烹调）或贮放过程中化学反应或酶反应形成的（或潜在）有毒物质。有时用同义词有毒反应物（toxic reactive product）。 有毒物质可由食品的任何内在成分与外源成分（如污染物与添加剂）相互作用形成，或这些物质与外界物质（如氧）相互作用形成。由热、光、酶或其他物质引起食物化学降解也会产生有毒物质。衍生毒物可分为热解有机毒物、非热解毒物、油脂氧化物以及污染物反应产生的毒物等。 三、污染物——生物学污染物和化学污染物 食品可从多方面受污染—空气、水、土壤及其他的植物。长江每年接纳200亿吨废水，流域内每年施用20万吨农药，这些污染物后来都回到该流域所生产的食品原料中。1986年白俄罗斯切尔诺贝利核电站事故，造成大半个欧洲环境和食品受污染。 土壤和水中的天然有毒无机物被植物、禽畜和水生动物吸收、积累，有的达到可引起人中毒的水平，如硝酸盐、汞、砷以及硒。 受污染的饲料喂禽畜后，可使其肉、蛋、奶含有污染物，这些都属于间接污染。 生长中的农作物或收获后贮放的农产品受微生物侵袭，在适宜条件下可产生致病内毒素或外毒素。例如粮食中的黄曲霉毒素，广泛存在于蔬菜和水果（尤以腐烂的）中的交替霉菌毒素（Alternaria toxin）。 现代农业生产中广泛使用的农药、生长刺激素等饲料添加剂和抗生素均会使食品含有残留。 食品贮存和包装用的容器和包装材料中含有的化学物质（如塑料增塑剂和印刷油墨中的苯）能迁移到食物上。食品加工、烹调用的炊具、器皿、用具都有可能受材料中的化学物质污染。瓷器碗碟上的彩釉含的铅能游离到盛装的食物中。 食品生产工艺过程污染物，运输、住宅、家庭生活、娱乐活动、教育、医疗以及科研使用的有害化学物质都有可能直接或间接污染食品，产生健康危害。 总的说来，多数情况下，污染量不大，引起急性中毒的机会较小，引起慢性危害则不能马上发生效应，不易觉察。预防措施是加强检测与监督，特别是涉及食品原料的工农业生产。 四、添加剂 食品添加剂最初是为防腐和改善食品品质（色、香、味、口感）而加入食品的，后来扩大到食品加工工艺过程本身需要而加入的物质。 现代的食品添加剂随着食品门类的增加和工艺的发展，其种类也不断增多，已达数千个：有天然成分的，也有人工合成的。它们都是外源化学物质，因此需要对它们进行安全性毒理学评价。添加剂对营养素的影响，添加剂的联合作用，添加剂与化学污染物的相互作用都很重要，但是资料很少。 食品管理部门和食品企业需要（通过互联网）追踪这些添加剂的国内外信息，以便及时采取相应对策，避免损失，特别是出口食品。 第二节 生物转运和生物转化 一、外源化学物的体内动态过程 外源化学物和机体之间的相互作用从机体接触外源化学物开始，经过吸收(absorption)→分布(distribution)→生物转化即代谢(metabolism)→排泄(excretion)过程，即是机体对化学物进行一系列处置(disposition)的过程。外源化学物在体内的动态变化过程(图2-1)，统称为毒物动力学(毒动学，toxicokinetics)，主要发生变化的参数有质、量两方面。毒物动力学常被写成ADME过程，就是使用了英语中吸收、分布、代谢和排泄四个词的字头。而毒物动力学中外源化学物的吸收、分布和排泄的过程称为生物转运(biotransportation)，即为外源化学物在体内量改变的过程。外源化学物经酶催化后化学结构发生改变的代谢过程也称为生物转化(biotransformation)，即为外源化学物在体内质改变的过程。 毒动学和毒效学是在毒物与机体相互作用过程中发生的两个侧面，毒动学是研究机体对化学物的作用，毒效学(toxicodynamics)是研究化学物对机体的作用。毒动学是影响毒效的重要因素。通常，毒效的发生和强弱取决于毒物本身或活性代谢产物在靶部位的浓度和持续时间。 另一方面，毒动学又受到化学物本身的理化性质、机体因素和环境因素的综合影响，最终决定了毒性的表现。了解毒物动力学规律对于掌握化学物的毒性是极其重要的。在学习食品毒理学时，不要将毒动学和毒作用分割开来，要将两者作为一个整体来认识和理解。 图2-1 外源化学物在体内的动态变化过程 二、生物膜和生物转运 外源化学物的吸收、分布和排泄过程是通过由生物膜构成的屏障的过程。生物膜(biomembrane)是包围着每个细胞的细胞膜(cell membrane，也称质膜)和细胞器膜的总称。 生物膜主要由脂质和蛋白组成，生物膜表面也含有少量的糖。生物膜的基本结构是连续的脂质双分子层排列，流动镶嵌模式就是对生物膜结构的一般概括。膜蛋白可以是结构蛋白、受体、酶、载体和离子通道等。生物膜主要有三个功能：一是隔离功能，包绕和分隔内环境；二是进行很多重要生化反应和生命现象的场所；三是内外环境物质交换的屏障。当然，生物膜也可能是外源化学物毒作用的靶，如二氧化硅颗粒可以改变细胞膜蛋白的空间构象和脂质的流动性等。膜毒理学研究外源化学物对生物膜的毒作用及其机制。 化学物通过生物膜的转运方式主要有被动转运[包括单纯扩散(simple diffusion)、易化扩散(facilitated diffusion)和滤过(filtration)]，主动转运(active transport)和膜动转运(cytosis)三大类。被动转运是顺浓度梯度进行，不消耗能量的；易化扩散和主动转运由载体介导，可饱和；而主动转运和膜动转运消耗能量，并可逆浓度梯度进行。主要影响转运的因素有外源化学物本身结构、分子量大小、脂／水分配系数大小、带电性、与内源性物质的相似性等等。膜动转运分为胞吞(endocytosis)和胞吐(exocytosis)，胞吞对外源颗粒物称为吞噬(phagocytosis)，对液滴称为胞饮(pinocytosis)。 外源化学物主要经单纯扩散的方式经生物膜转运。影响单纯扩散的主要因素有生物膜的浓度梯度、厚度和面积、脂／水分配系数、解离度等。一般情况下，脂／水分配系数大的化学物和非解离的化学物容易以单纯扩散方式通过生物膜。脂／水分配系数(1ipid／water partition coefficien)是表示化学物脂溶性的一个参数(亲脂性／亲水性的比值)，指化学物在含有脂和水的体系中，在分配达到平衡时在脂相和水相的浓度比值。 第三节 吸 收 外源化学物从接触部位通过生物膜屏障进入血液循环的过程称为吸收。主要的吸收部位是消化道、呼吸道和皮肤。药物治疗还有注射方式，包括皮下注射、肌肉注射和静脉注射等。在毒理学实验中还有腹腔注射等染毒方式。吸收部位的组织可能对外源化学物有不同的屏障作用，也可能是外源化学物直接作用的靶。外源化学物在吸收部位的组织内代谢活化也可能是局部毒效应的机制之一。 一、经消化道吸收 1. 经消化道吸收的特点和影响因素 消化道是外源化学物的主要吸收部位，从口腔到直肠的各个部位都可吸收外源化学物。小肠是消化道中最长的部分(人类约2～3米)，小肠粘膜的皱壁很多，在皱壁有指状突起的绒毛结构，在显微镜下绒毛上还有许多微绒毛。这些结构使小肠粘膜总面积比小肠作为单纯管道的内面积增加了约600倍，这也是经消化道吸收主要在小肠内进行的原因。 进入消化道内的脂溶性的非解离型的有机化学物分子以单纯扩散方式通过消化道粘膜上皮层到达粘膜的血液中。单纯扩散被认为是最基本最重要的吸收方式。单纯扩散主要取决于胃肠道腔内pH、外源化学物的pKa和脂溶性。弱电解质物质在不同pH的溶液中的解离程度可以根据Henderson-Hasselbalch公式进行推算。外源化学物经膜孔(直径为0.4nm)滤过主要是较小(分子量小于200)的水溶性分子。某些金属类可以经特异的转运载体机制吸收，如铬和锰可以通过铁转运机制吸收，铅可以利用钙转运机制吸收等。甲基汞(methyl mercury，MM)在肠道主要和半胱氨酸(CySH)形成结合体(CySMM)通过氨基酸的转运载体吸收。此外，一些颗粒物质如偶氮染料和聚苯乙烯乳胶可通过吞噬或胞饮作用进入小肠上皮细胞。 除了外源化学物本身的理化性质外，外源化学物的经消化道吸收主要受胃肠液的pH值(胃液和胆汁分泌)、胃肠蠕动(滞留时间)、胃肠道内食物的量和质、肠内菌丛的影响等。 2. 首过效应 由于消化道血液循环的特点，除口腔和直肠外，从胃和肠吸收到局部血管的物质都要汇入肝门静脉到达肝脏之后再进入体循环。由于肝脏具有代谢外源化学物的功能，未被代谢的原型和代谢产物离开肝脏随体循环分布到全身。这种未到体循环就被肝脏代谢和排泄的现象称为首过效应(first-pass effect)。首过效应阶段的存在就好象第一道关口，一般会使进入体循环中的化学物原型的量低于入肝之前，但增加了部分代谢产物，另一部分代谢产物不进入体循环而排入胆汁。如果肝脏是非靶器官，并且经首过效应的化学物活性下降，则首过效应具有积极的保护作用。其他接触部位(如肺、口腔和皮肤)的吸收，由于解剖学的原因就不经过肝的首过效应而进入体循环。肝脏的首过效应和肠道吸收处发生的外源化学物代谢现象都是进入体循环前的代谢和排泄。现在，将在吸收部位发生代谢后再进入体循环的现象都理解为首过效应。 3. 肠内菌丛的影响 据认为，肠内菌丛具有相当强的代谢酶活性。例如菌丛代谢酶可使芳香族硝基化学物转化成致癌性芳香胺、使苏铁苷(cycasin，甲基氧化偶氮甲醇的葡萄糖醛苷)分解转化成致癌物甲基氧化偶氮甲醇。而且，肠内微生物特别影响着外源化学物的再吸收。例如从胆汁排入小肠内的葡萄糖醛酸结合型外源化学物代谢产物，由于脂／水分配系数低，在小肠上段基本不被吸收，但被微生物解离后就被再吸收入血液。 二、经呼吸道吸收 存在于空气中的外源化学物经呼吸道吸收是重要的途径。从呼吸道上端到下端的管径不断缩小，起到过滤作用而防止大颗粒气溶胶到呼吸道最末端的肺泡。气态物质水溶性影响其吸收部位，易溶于水的气体如二氧化硫、氯气等在上呼吸道吸收，水溶液性较差的气体如二氧化氮、光气等则可深入肺泡，并主要通过肺泡吸收。气态物质到达肺泡后，主要经简单扩散透过呼吸膜而进入血液，其吸收速度受多种因素影响，主要是肺泡和血液中物质的浓度(分压)差和血／气分配系数。血／气分配系数(blood／gas partition coefficient)是气体在呼吸膜两侧的分压达到动态平衡时，在血液内的浓度与在肺泡空气中的浓度之比。此系数愈大，气体愈易被吸收入血液。例如乙醇的血／气分配系数为1300，乙醚为15，二硫化碳为5，乙烯为0.4，说明乙醇远比乙醚、二硫化碳和乙烯易被吸收。肺通气量和肺血流量大小也是影响吸收的因素。结晶二氧化硅和石棉等气溶胶颗粒物，由于呼吸道的过滤作用的阻挡，一般只有直径＜2μm才能到达肺泡。阻留在呼吸道表面粘液上颗粒物，经纤毛运动使其逆向移动，最后由痰咳出或咽入胃肠道。呼吸纤毛运动的速度，随不同部位而异，一般达1mm～1cm／min，在1h内可清除粘膜上的沉积物达90％以上。肺泡内的巨噬细胞可吞噬颗粒物，一部分随粘液排出，一部分随巨噬细胞进入淋巴系统。 三、经皮肤吸收 皮肤是对外源化学物的天然屏障，吸收比较困难，但是对于像四氯化碳和一些杀虫剂等高脂溶性物质可以吸收，吸收量可以引起全身中毒。此外，一些多环芳烃和重金属也可经皮肤吸收。外源化学物要经过皮肤的多层上皮细胞和结缔组织才能到达体液循环系统。一般说来，外源化学物从皮肤的吸收量与其脂溶性成正比，与分子量成反比。皮肤的构造和通透性随体表部位有所不同，人体不同部位皮肤对毒物的通透性不同，阴囊＞腹部＞额部＞手掌＞足底。不同物种动物皮肤通透性不同，大鼠及兔的皮肤较猫的皮肤更易通透，而豚鼠、猪和猴子的皮肤通透性则与人相似。 在角质层受损时通透性就会提高。影响经皮肤吸收的因素还有接触面积和皮肤的血流量。在高温高湿的气象条件下，皮肤的血流量增加会提高吸收速率。在酸、碱和皮肤刺激物对皮肤产生损伤后通透性也会明显提高。 四、注射 作为特殊吸收途径，皮下注射、肌肉注射和静脉注射等是临床常用的给药方式。静脉注射使药物直接进入体循环。皮下注射和肌肉注射要经过局部的吸收过程。在毒理学实验中对啮齿类动物还有腹腔内注射染毒。在自然环境中和注射方式类似的情况如毒蛇咬伤，毒蛇毒素经伤口吸收。 五、吸收途径的毒理意义 不同的吸收途径会影响化学物进入血中的速度和浓度以及毒效应。由于肺泡呼吸膜比皮肤和消化道粘膜薄，所以吸收效率最高。消化道粘膜的吸收效率大于皮肤。在日本和欧洲等地曾发生的SMON事件，就是由服药途径变动而引起的一起大范围药物中毒事件。碘氯羟喹(chinoform)是在1900年人工合成的一种抗菌药，最初只是外用来防治皮肤伤口化脓。1929年后使用范围扩大到口服治疗阿米巴痢疾。在1955年开始又作为治疗非细菌性腹泻的药物广泛口服使用。在1954年左右开始，在使用的国家陆续发现服用碘氯羟喹的病人出现腹部症状、四肢麻木、感觉迟钝、无力和视觉障碍的特异性神经症状。1965年医学界将其命名为亚急性脊髓视神经炎(subacute myelo-optico-neuropathy，SMON)。1970年确认了口服碘氯羟喹是引起此病的原因，同年9月此药在日本停止出售。到1976年为止，在日本确诊的碘氯羟喹中毒患者总计有11127人。 第四节 分 布 分布指外源化学物吸收进入血液或淋巴液后，随体循环分散到全身组织器官的过程。血液循环中的外源化学物按浓度梯度从血液向组织液分布。分布情况受组织局部的血流量、游离型化学物的浓度梯度、从毛细血管向实质细胞的转运速度、外源化学物与组织的结合点和亲合程度的影响。外源化学物在血液中的浓度依赖于接触量、消除速度和表观分布容积(Vd，指假定体内达到动态平衡时外源化学物在血液中的浓度计算应占有的体液容积)等。表观分布容积越大，血浓度越低，组织分布越广泛。 一、血流量和速度 到达血液循环的外源化学物随动脉运到各组织，向各组织流入的动脉血的流量和动脉中的浓度就成为向组织转运的决定因素。肾脏、肝脏和脑的单位血流量大于皮肤、肌肉和脂肪组织，由此外源化学物向后面这些组织的分布就较迟缓。 二、毛细血管的构造和血-器官屏障 不同器官内的毛细血管构造有所不同，其管壁内皮的排列可分为连续型、有孔型和不连续型三类。各种毛细血管构造上的差别使其通透性不同，血-器官屏障就是以特异化的毛细血管壁为主的一种限制化学物分布的结构，以保护体内重要器官。 1. 血脑屏障(blood-brain barrier，BBB) 形成BBB的重要性在于保障血液和脑之间正常的物质交换和阻挡非脑营养物质进入脑组织。BBB是由毛细血管内皮细胞和星状胶质细胞组成的。BBB的内皮细胞与别处的不同，无孔，并且细胞接合非常牢固。内皮细胞胞质中的单胺氧化酶等代谢酶活性较高，也担负着酶屏障的机能。在BBB上存在的载体P-糖蛋白能将一些外源化学物主动转运出大脑，也成为BBB的功能性组成部分。外源化学物经BBB的转运主要是以单纯扩散的方式，所以外源化学物的脂溶性和带电性以及分子量是影响转运的主要因素。小分子物质容易通过BBB。甲基汞以CySMM通过BBB的氨基酸转送载体进入脑内，是造成中枢神经系统中毒的重要原因。在新生儿阶段BBB还没有完成形成，所以新生儿的脑组织容易受到外源化学物的影响。 2. 胎盘屏障(placental barrier) 由胎盘形成的屏障调控妊娠母体和胎儿之间的物质交流，是保护胎儿免受外源化学损害的重要关口。非离子型、脂溶性高和分子量小的物质容易通过胎盘屏障。虽有“胎盘屏障”的概念，但至今还没有肯定胎盘在防止毒物从母体进入胚胎的特殊作用。进入母体的毒物可经胎盘转运引起胎儿危害，如药物反应停引起的海豹畸形胎儿事件和由环境甲基汞污染引起的胎儿性水俣病。另外，经胎盘屏障有些致癌物如多环芳烃类和雌激素等也可能引起胎儿远期危害如出生后致癌等问题。 3. 其他屏障 血-睾丸屏障和血-眼屏障分别在雄性生殖毒理学和眼毒理学中有重要意义。 三、血浆蛋白结合 外源化学物在血中存在的形式有血浆白蛋白结合型和未结合的游离型，两者之间处在平衡状态。一般只有游离的外源化学物可依单纯扩散方式通过生物膜到达靶部位。但是在肝脏和肾脏由于存在主动转运系统，所以结合型外源化学物也可分布进入这些器官。外源化学物和血浆白蛋白之间的结合能力与外源化学物的物理化学性质有关，如安替比林不和白蛋白结合，而保泰松几乎全部和白蛋白结合。白蛋白结合型可以认为是暂时性贮存外源化学物的一种保护机制，使游离型外源化学物浓度降低。但与白蛋白的结合是可逆的结合，由各种原因可再次游离，就会提高其在血液中的浓度。老年人的血浆白蛋白的量会有所减少，也会影响游离型外源化学物的血中浓度。多种化学物与白蛋白结合的竞争就会使它们游离型的浓度改变。 因此，在临床上同时使用两种以上药物时要慎重。例如，血栓病人服用抗凝血药华法令，同时又需要服用解热消炎药时，如果服用的是安替比林，由于安替比林不和白蛋白结合，不会影响血液中游离型华法令的浓度。但如服用与白蛋白结合力强的保泰松，就会使血液中游离型华法令浓度增加，引起出血。 四、贮存 进入机体内的外源化学物常出现在特定器官蓄积的现象。靶器官常有蓄积现象，但靶器官以外的蓄积现象也不少见，统称为贮存库(storage depot)。外源化学物在贮存库和血液的游离型之间存在着平衡，当体内的一部分被排除后，就会从贮存库再游离出来进入血液循环，使生物学半衰期延长。贮存库有脂肪组织、骨、血浆蛋白、肝脏和肾脏等。 1. 脂肪组织 脂溶性高的外源化学物，如多氯联苯类(PCB)和有机氯农药如滴滴涕(DDT)和林丹(HCH)等，又由于不易被机体代谢，所以进入体内后容易储存在脂肪组织。由于普通人的脂肪约占体重的20％，胖人可高达50％，所以对脂溶性外源化学物是非常大的储存库。当机体大量接触这些化学物时会引起急性的中枢神经系统损伤，此时向脂肪组织的蓄积有一定的缓和作用。但是，DDT、HCH和PCB等在禁止使用多年以后，依然可在体内脂肪中检测出微量存在，说明它们一旦进入体内，再从体内消除就需要很长的时间。这些化学物从脂肪组织向血液中释放的再分布情况不容忽视。 2. 骨、铅、氟、锶和镉等可在骨蓄积 氟蓄积量大时可能妨碍骨组织对钙等元素的摄取，造成骨的明显损害(氟骨症)。但是，铅在体内90％以上蓄积于骨，骨不是铅的靶器官。 3. 肝脏和肾脏 虽然肝脏和肾脏可消除外源化学物，但也有一定的蓄积作用。如肝脏存在配体蛋白类(ligandin)物质谷胱甘肽-S-转移酶、与有机化学物亲和性较高的Y蛋白(Y-Protein)还有可与重金属结合的金属硫蛋白(metallothionein)等。肾脏中也含有较高浓度的金属硫蛋白。镉重金属与金属硫蛋白结合，在肝脏或肾脏中的含量较高，体内的生物半衰期可达十几年以上。 4. 其他 具有特殊重要性的器官如大脑、内分泌器官和生殖器官在反复接触外源化学 物后，有时也会发生化学物原型或代谢产物在这些器官的蓄积现象。 第5节 外源化学物的生物转化 外源化学物在机体内经酶催化发生的化学结构变化称为生物转化，也狭义地称为外源化学物代谢(xenobiotic metabolism)，生物转化的产物称为代谢产物(metabolites)。主要担负生物转化的器官是肝脏。其他器官如肾脏、小肠、肺脏和皮肤等的生物转化能力明显低于肝脏。 外源化学物代谢酶系担负催化外源化学物生物转化，这些酶位于细胞器如内质网膜上(微粒体)或胞液中。这些酶中许多是参与正常机体物质合成和代谢的，可能是随着生物的进化而逐渐分化为催化外源化学物代谢的酶。代谢酶的多态性是非常突出的特点，表现在同功酶的种类繁多。 亲脂性外源化学物如果不转化成水溶性代谢产物，就不易从体内排出，在体内蓄积并可达到引起毒效应的浓度，如多氯联苯类化学物就是典型的例子。总体上，生物转化的意义是使外源化学物的水溶性增加，不易通过生物膜进入细胞，容易排泄到尿和胆汁中。这也是将生物转化视为外源化学物消除过程之一的理由。 由于外源化学物的毒性取决于它本身的化学结构，在经过了生物转化之后，化学结构发生了变化，改变它和靶生物大分子之间的反应活性，自然会影响外源化学物毒性。大部分外源化学物的代谢产物，毒性降低，易于排出体外，此为解毒反应，称为代谢解毒(metabolic detoxication)。但是有的外源化学物会生成反应活性高于原型的代谢物，这样的代谢物与细胞内的DNA、RNA、蛋白质和脂质反应，就会造成细胞毒性、致癌、致突变和致畸等影响。经生物转化其毒性被增强的现象称为代谢活化(metabolic activation，metabolic toxication)。生物转化反应的结局具有代谢灭活和代谢活化的正(有利)负(有害)两面性，掌握其正负两面性，特别是负面作用对了解中毒机制是十分重要的。 代谢解毒：化学物(毒性)———→中间产物(低毒性或无毒性)———→产物(无毒性) 代谢活化：化学物(无毒性)——→活性中间产物(毒性)——————→产物(无毒性) 一、Ⅰ相反应和Ⅱ相反应 外源化学物生物转化的模式按反应的先后顺序分为I相反应和Ⅱ相反应。 Ⅰ相反应(phase I biotransformation)指经过氧化、还原和水解等反应使外源化学物暴露或产生极性基团，如-OH、-NH2、-SH、-COOH等，水溶性增高并成为适合于Ⅱ相反应的底物。I相反应的主要代谢酶及催化反应类型见表2-1。 Ⅱ相反应(phase Ⅱ biotransformation )指具有一定极性的外源化学物与内源性辅因子(结合基团)进行化学结合的反应(conjugation) (表2-2)。内源性辅因子需要经生物合成来提供。除乙酰基和甲基结合反应外，其他Ⅱ相反应都使外源化学物的水溶性显著增加，促进其排泄。葡糖醛酸结合、硫酸结合、乙酰化作用、甲基化作用涉及活化的(“高能”的)辅因子，而与谷胱甘肽(GSH)结合和与氨基酸结合则是与活化的外源化学物反应。大多数Ⅱ相生物转化酶存在于脑浆，但UDP-葡糖醛酸转移酶是微粒体酶。一般可以将内源性辅因子作为体内的防御性因子，但有例外。有些具有极性基团的外源化学物可以不经过I相反应而直接参与Ⅱ相反应。结合作用主要类型及结合酶定位小结见表2-2。 二、终毒物和代谢活化 伴随代谢所发生的外源化学物的活性变化是毒理学研究中最关键的问题之一。生物转化过程不仅影响到外源化学物的体内动力学，而且也影响着外源化学物的活性。终毒物(ultimate toxicant)是指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。终毒物是外源化学物引起毒作用的关键。终毒物大致有三种情况，一是外源化学物本身就是终毒物，如强酸，强碱，尼古丁，氨基糖苷类，环氧乙烷，异氰酸甲酯，重金属离子， 氰化氢，一氧化碳和蛇毒等。二是外源化学物本身相对无毒性，经体内的代谢活化后，毒性增强，转为终毒物。三是外源化学物经某种代谢过程激发了内源性毒物的产生，如氧自由基爆发，脂质过氧化物大量蓄积等。 表2-1 生物转化I相反应简表 续表 表2-2 结合作用的主要类型及结台酶定位 结合酶 底物功能基团 结合基团的来源 酶定位 UDP-葡糖醛酸基转移酶 OH，COOH，NH2，SH，C-C 尿苷二磷酸葡萄糖醛酸(UDP GA) 微粒体 磺基转移酶 NH2，OH 3’-磷酸腺苷-5’-磷酰硫酸(PAPS) 胞液 乙酰基转移酶 NH2，SO2NH2，OH 乙酰辅酶A(乙酰CoA) 线粒体、胞液 甲基转移酶 OH，NH2，SH S—腺苷蛋氨酸 胞液 酰基转移酶 COOH 甘氨酸 线粒体、微粒体 谷胱甘肽-S-转移酶 环氧化物、有机卤化物、有机硝基化学物、不饱和化合物 谷胱甘肽 胞液、微粒体 外源化学物经代谢活化后，生成终毒物，有以下几种类型：①亲电子剂；②自由基；③亲核剂；④氧化还原反应物。 1. 亲电子剂的形成 亲电子剂是含有一个缺电子原子的分子。该缺电子原子中的部分或全部阳电荷使其很容易通过共享电子对的方式与亲核剂中富含电子的原子反应。 许多化学物在代谢活化时形成非离子亲电子剂。亲电子剂经常是在外源化合物被细胞色素P450或其他酶氧化成酮类、环氧化物及芳烃氧化物、α，β-不饱和酮及醛类、醌类或醌亚胺类以及酰基卤等过程中形成的。如苯并(a)芘[benzo(a)pyrene，BaP]是一种多环芳烃致癌物(图2-2)。多环芳烃类致癌物的化学结构特点是含有一个由菲结构形成的湾区(也称凹区)。首先，经I相酶P-450催化发生芳香环上的环氧化，形成多种环氧苯并(a)芘，其中7，8-环氧苯并(a)芘在环氧化物水解酶的作用下水解成7，8-二羟-BaP，再经P-450催化发生环氧化反应，形成致癌物亲电子剂7，8-二羟基-9，10-环氧BaP。7，8-二羟基-9，10-环氧BaP有4种立体异构体，由于空间障碍等原因，(+)anti-7,8-二羟基-9，10-环氧BaP化学反应活性最高。此亲电子性强的终致癌物和DNA的亲核基团直接发生不可逆的共价结合，这是引起靶细胞基因突变的分子基础。卤代烯烃在谷胱甘肽S-转移酶、γ-谷氨酰基转移酶、二肽酶以及半胱氨酸结合物β-裂解酶等催化的连续反应过程后可形成硫碳酰卤化物和硫酮类亲电子剂。 图2-2 苯并(a)芘（BaP）的代谢活化和解毒 化学键异裂可以产生阳离子亲电子剂。例如芳香胺致癌物2-乙酰氨基芴(2-AAF，2-acetylaminofluorene)在形成终致癌物之前也经历了两次活化(图2-3)，即首先发生N-羟化的I相反应形成中间产物N-羟基胺，再经Ⅱ相反应，即硫酸、乙酰基或葡萄糖醛酸结合。这些结合产物在酸性pH尿中可水解或由小肠菌丛的β-葡糖苷酸酶催化水解，生成N-羟基芳香胺，后者可自发性生成亲电子性芳基氮钅翁 离子，攻击DNA，引起膀胱癌和结肠癌。致癌物甲基取代的芳香烃类化合物(如7，12-二甲基苯并(a)蒽)，经羟化可形成苄基醇，后者可以经磺基转移酶等催化，所形成的酯类衍生物中的C-O键异裂后可形成硫酸氢根阴离子和亲电子剂苯碳钅翁 离子。由无机化合物形成亲电子剂的例子如：金属汞氧化成Hg2+，CrO42-还原成Cr3+以及As043-还原成AsO32-／As3+。 图2-3 2-乙酰氨基芴的代谢活化 2. 自由基形成 自由基是原子外轨道含有一个或多个不成对电子的分子或分子片段。自由基可由分子(或分子片段)接受或失去一个电子形成，或者通过共价键的均裂形成。 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。这些自由基可将多余的电子转移给氧分子，使其形成超氧阴离子自由基(O )后，重新形成原型化合物(图2-6)，这些原型化合物又可接受一个新的电子。通过这种氧化还原循环，作为电子受体的化学物可以生成许多O 。另外，含有剩余电子的外源化合物基团可还原铁蛋白并释放铁离子，产生游离的、有毒性的Fe2+。 与以上这些化合物相反，亲核外源化学物如酚类、氢酮类、氨基酚类、胺类、肼类、吩噻嗪类以及硫醇类由过氧化物酶催化失去一个电子而形成自由基。有些化合物如醌由NAD(P)H-醌氧化还原酶催化二电子还原成氢醌，此酶是黄素蛋白，又称为DT-黄递酶。醌可由碳基还原酶催化。醌的二电子还原是无毒性的。但醌经NADPH-P-450还原酶催化一电子还原，生成半醌自由基。半醌自由基易于自氧化，伴有氧化应激，生成具有细胞毒性的超氧阴离子、过氢氧自由基、过氧化氢、羟基自由基(图2-4)。氧化应激是某些含醌或可转变为醌的外源化学物毒作用的重要机制。苯并(a)芘以及7，12-二甲基苯并蒽等具有低电离电位的多环芳烃类，可经过氧化物酶或细胞色素P450催化单电子氧化，形成阳离子自由基，可能是这些致癌物的终毒物。和过氧化物酶类似，氧合血红蛋白(Hb-Fe2+-O2)可催化氨基苯酚类氧化成半醌自由基及醌亚胺，这是另一种代谢活化，因为这些产物反过来可使血红蛋白(Hb-Fe2+)氧化成不能携带氧的高铁血红蛋白(Hb-Fe3+)。 图2-4 甲萘醌二电子还原成氢醌和一电子还原成半醌时生成活性氧自由基 自由基的形成也可因为分子得到电子引起的还原性键均裂。如四氯化碳就是从P450或线粒体电子传递链中获得一个电子，经还原脱卤作用形成三氯化碳自由基(C13C·)。Cl3C·与O2反应可形成活性更高的氯甲过氧自由基(Cl3COO·) (图2-5)。Cl3C·和Cl3COO·可以攻击蛋白质如P-450，抑制其活性，也可引起脂质过氧化，破坏生物膜的结构和功能，最终导致细胞死亡。过氧化氢(HOOH)均裂可形成毒性很强的羟自由基(OH·)。由过渡金属离子，如Fe2+、Cu2+、Cr5+、Ni2+或Mn2+催化的fenton反应，是HOOH及其前体O 以及过渡金属的一个主要活化机制。此外，次氮基三乙酸、博莱霉素等可与过渡金属整合的化合物的毒性也是由Fenton化学反应引起的，因为整合作用可以提高某些过渡金属离子对Fenton反应的催化效力。吸入性矿物颗粒如石棉、二氧化硅等的肺毒性至少部分是由颗粒表面的铁离子催化形成HO·导致的。过氧化氢是多种酶反应的直接或间接副产物，这些反应可由单胺氧化酶、黄嘌吟氧化酶以及乙酰辅酶A氧化酶催化。氧化还原型或活化的巨噬细胞和粒细胞发生呼吸爆发时由NAD(P)H氧化酶可生成O ，O 进行自发歧化反应或由超氧化物岐化酶催化时，可产生大量HOOH。 图2-5 四氯化碳的代谢活化 图2-6 超氧阴离子自由基(O2- )和羟基自由基 （HO·）的生成，氧自由基经抗氧化酶催化解毒 3. 亲核剂的形成 在毒物活化中，亲核剂的生成是一个较为少见的机制。如氰化物的生成有几种途径，由肠道中苦杏仁苷经细菌β-葡糖苷酶催化生成，由丙烯腈经环氧化及随后的谷胱甘肽结合生成，还可由经硫醇催化的硝普钠的分解产生。一氧化碳是二卤代甲烷经过氧化脱卤作用形成的毒性代谢产物。在肝脏中经羟化产生的某些亲核代谢物，如氨苯砜羟胺和5-羟基普茶马奎，可通过共氧化作用导致高铁血红蛋白生成。 4. 氧化还原反应物的生成 与上述已经讨论过的机制不同，氧化还原反应物的形成有其特殊的机制。例如，能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。 总之，多数具有反应活性的代谢产物是缺电子的分子或分子碎片，如亲电子剂、中性自 由基和阳离子自由基。虽然一些亲核剂具有反应活性(如HCN，CO)，但多数亲核剂是转变成亲电子剂，才被活化。与此相似，含一个多余电子的自由基引起的损伤，是由形成HOOH，并均裂成为中性HO·引起的。 还有一些较少见的活化机制。有些外源化合物的活化可改变机体生物学过程的微环境或结构，产生有害作用。例如：由l，2-亚乙基二醇形成的草酸可导致酸中毒及低钙血症，并因草酸钙的沉淀而使肾小管受损。有时，外来化学物需经过生物转化改变其结构及反应活性，以便更有效地与相应的受体或酶相互作用。例如：有机磷农药对硫磷通过生物转化形成对氧磷，对氧磷是一种更强的胆碱酯酶抑制剂。又如，一些外源化学物也可以是内源性代谢途径酶的底物，常伴有毒性效应，如丙基戊酸、氟代乙酸和半乳糖胺。杀鼠剂氟代乙酸通过三羧酸循环形成氟代柠檬酸，作为拟底物抑制顺乌头酸酶活性，称为“致死性合成”。 三、代谢解毒 消除终毒物或预防其生成的生物转化过程称为解毒。对某些化学物来说，解毒代谢可与活化代谢竞争。解毒可通过多种途径进行，依赖于毒物的化学性质。 (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。 (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甘肽结合。该结合反应可以是自发的，也可由谷胱甘肽S-转移酶催化。Ag+、Cd2+、Hg2+和CH3Hg+等金属离子易与谷胱甘肽结合而解毒。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。其他的解毒方式还有，由DL-黄递酶催化氢醌的双电子还原反应；醇脱氢酶催化α，β-不饱和醛还原成醇，或醛脱氢酶催化α，β-不饱和醛氧化成酸；金属硫蛋白与有巯基反应活性的金属离子形成复合物；具有氧化-还原活性的亚铁离子可为铁蛋白(ferritin)结合解毒。 (3) 自由基的解毒 氧化还原循环产生的最终毒物是HO·。没有酶能消除HO·，但一些较为稳定的自由基，如过氧化自由基，很容易从谷胱甘肽、α-生育酚(维生素E)或抗坏血酸(维生素C)获得一个氢原子而成为非自由基。这些抗氧化剂对HO·不起作用，主要原因是HO·的半衰期非常短(10-9s)，使HO·很难到达抗氧化剂部位并与其反应。因此，对抗HO·毒性最有效的途径是防止HO·的生成，主要途径是将O 转化成HOOH以及HOOH转化成水的反应偶联起来。第一个反应是由位于脑浆(Cu，Zn-SOD)和线粒体(Mn-SOD)的超氧化物歧化酶(SODs)催化。第二个反应可由位于胞浆的含硒酶(GSH过氧化物酶)催化，或者由过氧化物酶体中的过氧化氢酶催化。由过氧化物酶催化生成的自由基可从谷胱甘肽获得电子而被消除。氧化型谷胱甘肽再由依赖NADPH的谷胱甘肽还原酶还原。因此，谷胱甘肽在亲电子剂以及自由基的解毒过程中起着非常重要的作用。 (4) 亲核剂的解毒 亲核剂一般通过亲核性功能基团的结合反应进行解毒。如羟基化合物与硫酸或葡糖醛酸结合，硫醇类与葡糖醛酸结合，胺类和肼类化合物被乙酰化。这些结合反应可防止过氧化物酶催化亲核剂生成自由基，也可防止酚类、氨基酚类、儿茶酚类以及氢酮类化合物经生物转化形成亲电性醌类及醌亚胺类化合物。消除硫醇类、胺类及肼类化合物的另一机制是含黄素单加氧酶催化的氧化反应。乙醇等醇类化合物可通过醇脱氢酶或醛脱氢酶催化的反应氧化成羧酸而被解毒。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。 (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。在蛇毒中发现的几种毒素(如a，β-环蛇毒素，永良部海蛇毒素(erabutoxin)，磷酯酶)中含有分子内二硫键，这些二硫键是其保持活性必不可少的。硫氧化还原蛋白(thioredoxin)可使上述几种蛋白失活。硫氧化还原蛋白是一种可还原必需二硫键的内源性二巯基蛋白。 前面讨论了外源化学物的代谢活化和代谢解毒过程，外源化学物的多样性决定了其代谢方式的多样性。化学毒物经过代谢转化，大部分是毒性减低，但代谢转化对有的化学毒物却为代谢活化。对机体来说，代谢减毒是消除过程的一部分，使毒物的量减少；而代谢活化则使无毒或低毒的化学毒物转变成高毒性的活性代谢物，可直接与生物大分子反应，引起毒作用。因此，毒理学更重视代谢活化的研究。限于篇幅不能列举所有的代谢途径，但有必要提出一些要点： (1) 外源化学物的代谢可能涉及连续的步骤。Ⅰ相反应之后可接着进行一种或几种Ⅱ相反应。而且，外源化学物可能经历几种Ⅰ相反应，也可以发生循环的代谢方式或可逆的代谢方式，在进一步的代谢转化中，可能将解毒产物转变成毒性产物。 (2) 很多外源化学物可有多种可能的代谢途径，产生多种生物学活性不同的代谢产物。在这些途径之间、代谢解毒和代谢活化之间的平衡和竞争对于外源化学物的毒性有重要的意义。活性中间代谢产物不稳定，所以在其产生部位附近的生物大分子就成了活性中间代谢产物毒作用的靶。由于肝细胞是体内主要的代谢器官，所以肝脏成为许多外源化学物的靶器官。外源化学物被代谢活化速度与代谢解毒速度之间的平衡就左右着受损害的组织部位和强度。 (3) 外源化学物的代谢可能是解毒，也可能是活化。代谢活化可涉及几个不同的生物转化酶，可涉及I相反应或Ⅱ相反应，并可需要几个组织的配合或转运到特定部位再进行代谢，甚至包含肠道菌群的生物转化。如肠道菌群催化的硝基还原对某些硝基芳香化学物的毒性起重要的作用。 (4) 某些外来化学物的代谢过程中自身并不转变成活性代谢产物，但伴有氧化应激，生成具有细胞毒性的超氧阴离子、过氢氧自由基、过氧化氢、羟自由基，如醌的一电子还原等。氧化应激是某些外来化学物毒作用的重要机制。 (5) 机体对外来化学物的代谢能力是有限度的。并且，其代谢反应的速率也可以改变，这可能由于涉及辅因子(如NADPH)和辅底物(如GSH，PAPS，O2)的供应、在特定组织中酶的浓度、与其他底物(可能为内源性底物)的竞争等。当外源化学物的一种代谢途径的饱和及代谢速率的改变可影响代谢产物在组织中的浓度及化学物原型和代谢产物的半衰期，也可引起中间代谢产物的蓄积，并影响其毒性作用。例如，对乙酰氨基酚(acetaminophen，扑热息痛)的过氧化物酶依赖性共氧化反应和经P-450催化脱氢的活化代谢产物的解毒是依赖GST催化的GSH结合反应。当对乙酰氨基酚活化代谢产物的生成量过大时，可引起谷胱甘肽的耗竭，导致明显毒性反应。对乙酰氨基酚与肝蛋白共价结合与谷胱甘肽的耗竭关系如图2-7。 四、重要代谢酶的特征：举例 1. P-450 P-450是细胞色素P-450的简称(也简称为CYP)，是位于微粒体膜(滑面内质网)上的一组酶。它的名字来源于与CO结合后在450nm处有吸收峰。P-450在动物界的分布非常广泛，种类非常多。曾将肝微粒体诱导型P-450分为苯巴比妥(PB)型和3-甲基胆蒽(3-MC)型(又称P-448)。现在知道P-450是一个蛋白质超家族，其每一种对底物专一性都有特征性谱，其中某些是P-450结构型的，其它的是诱导型的。很多P-450的cDNA和基因结构已经阐明。从对150多种以上的P-450进行的DNA水平和蛋白质一级结构的比较上分析，从细菌到哺乳动物存在一定的同源性。根据Nelson等(1995)，P-450基因族有27个，并进一步分为亚族。在哺乳动物存在10个族，除了6个族和甾体合成有关外，4个族与外源化学物代谢有关(表2-3)。人肝脏主要含15种以上不同的生物转化外源化学物和／或内源性底物的P-450(CYPlA2，2A6，2B6，2C8，2C9，2C18，2C19，2D6，2E1，3A4，3A5，3A7，4A9，和4A11)。涉及外源化学物生物转化的人肝主要P-450的底物、抑制剂和诱导剂举例见表2-3。 表2-3 人肝主要P-450底物、抑制剂和诱导剂举例 P-450 底 物 抑制剂 诱导剂 CYPlA2 乙酰苯胺，咖啡因 a 荼黄酮 焦牛肉，吸烟 CYP2A6 香豆素，丁二烯 二乙二硫氨甲酯 苯巴比妥(PB) CYP2B6 环磷酰胺 邻甲基苯海拉明 未知 CYP2C8 酰胺咪嗪 槲皮素 未知 CYP2C9 双氯高灭酸，苯妥英 苯磺唑酮 利福平 CYP2Cl9 安定，环已烯巴比妥 反苯环丙胺 利福平 CYP2D6 异喹呱 氟西汀，洛贝林，奎尼丁 未知 CYP2E1 乙醇，亚硝胺 氨基三唑，二甲亚砜 乙醇，异烟肼 CYP3A4 尼非地平，二氢吡啶 乙炔雌二醇 地塞米松，PB，利福平 注：人肝不表达CYPlAl P-450是分子量在5000左右，含铁卟啉环的血红素蛋白。P-450和其他血红素蛋白结构之间的差别是在第5个配位上为酶氨基酸链上的半胱氨酸的硫基(S-)。P-450作为I相反应中的主角在完成催化功能时，本身也需要活化。它需要其他辅助因子，NADPH-细胞色素P-450-还原酶和细胞色素b5向其各提供一个电子，合计两个电子。 由于P-450催化反应是向外源化学物上加入一个单氧原子，所以也被称为微粒体单加氧酶(monooxygenase)，也称微粒体混合功能氧化酶(mixed function oxidase)。P-450催化的氧化反应的化学方程简式如下： RH + NADPH + O2+H+＝R-OH + NAP + H2O 此反应的特点是利用NADH将氧分子还原活化后，使底物(RH)氧化。反应的过程大致如 简图2-8，可分为六步：①静止状态的氧化型P-450中的铁为3价，和底物结合后，铁的自旋状态发生改变，极易还原；②第一个电子加入，由NADPH-细胞色素P-450还原酶转递来自NADPH中的电子，使铁变为2价；③加入分子氧形成氧化型的三重络合物，氧被还原；④第二个电子由细胞色素b5供给；⑤伴随质子的导入，生成一分子水，O-O键的解离产生了极强的活性氧；⑥底物和活性氧结合生成羟化的产物ROH，P-450返回静止状态。在此一连串的 反应中P-450进行了一次循环。但在关键的步骤中如O-O键如何开裂等还没有完全阐明(图2-8)。P-450的催化机制还有些附加反应，如果催化循环在不同的步骤中断(解偶联)，则可分别产生一电子还原、生成超氧阴离子、生成过氧化氢和过氧化物旁路。 P-450的诱导和抑制现象是影响外源化学物毒性表现的重要因素，也是多种外源化学物相互作用的机制之一。 2. 谷胱甘肽-S-转移酶(glutathione-S-transferase，GST) 谷胱甘肽(glutathione，GSH)是体内广泛存在的含巯基(-SH)物质，细胞内的浓度为0.5～10mmol/L。由于-SH基具有亲核性，能与外源化学物的亲电子性中心进行反应，称为谷胱甘肽结合(glutathione conjugation)。谷胱甘肽-S-转移酶(glutathione -S-transferase，GST)催化GSH与含有亲电子C、N、S、O的外源化学物反应，生成结合物。此结合物比原化学物分子量大(分子量约增加307)，GSH结合物具有极性和水溶性，可经胆汁排泄，并可经体循环转运至肾。在肾内GSH结合物经一系列酶催化反应转变为硫醚氨酸(mercapturic acid)衍生物，由尿排泄。 GST的底物的共同点为：有一定疏水性，含有亲电子原子，并可与GSH发生非酶反应。与含亲电子性C，N，S和O原子外源化学物的结合反应如图2-9。GST与亲电子性C的反应有3种：①取代反应，从饱和碳原子或杂原子取代裂解的基团，如卤素、硫酸酯、磺酸酯、磷酸酪和硝基；②开环反应，如环氧化物和4元内酯；③加合至活化的双键。 图2-9 谷胱甘肽-S-转移酶(GST)催化的反应 GST主要分布在肝脏、肾脏等器官，GST 在细胞内含量很高，可高达细胞总蛋白的10％，主要存在于胞液中，少数种类结合在微粒体和线粒体膜上，GST是可诱导酶。脊椎动物GST种类分为α、μ、π、θ和MIC(微粒体)等五群，有的群中还含有几种酶。GST的主要功能是催化GSH和外源化学物结合反应。GST催化的GSH结合反应是亲电子剂解毒的一般机制，并在自由基解毒中也起重要作用。但也有少数外源化学物经GSH结合而活化，如二氯甲烷、二溴乙烷等。另外，GST也作为致癌物、激素和血红素等的结合性蛋白(ligandin)，起暂时的贮存作用。GST的其他生理功能还有待阐明。 五、影响生物转化的因素 代谢是化学物毒作用的决定因素。很多因素可影响外源化学物生物转化，包括机体的遗传生理因素和环境因素两大类。代谢酶的研究是药物遗传学(Pharmacogenetics)中非常活跃的领域。 遗传生理因素有动物的物种、性别、年龄等，常体现在代谢酶的种类、数量和活性的差异上，代谢酶的多态性也是影响毒性反应个体差异的重要因素。各种环境因素主要通过影响代谢酶和辅酶的合成过程以及催化过程来干扰外源化学物的生物转化，如代谢酶的诱导和抑制。另外，其他影响因素还有营养状态、疾病等。 1. 代谢酶多态性 外源化学物代谢酶的遗传差异是不同个体间和种族间对外源化学物 的毒性和肿瘤易感性差异的原因之一。生物转化的I相酶和Ⅱ相酶均存在多态性，已成为毒 理学研究的热点。 人类CYPlAl基因位于15号染色体15q22～24，CYPlAl基因含7个外显子，全长6311碱基对，而mRNA长2592碱基对，编码含512个氨基酸的蛋白(分子量58151)，基因结构见图2-10。CYPlAl存在着3种多态性，其等位基因遗传型与3’端限制性内切酶MspI位点的存在或缺失有关。基因型A为占优势的纯合体，其3’端MSPI位点缺失，限制性片段长度多态性(RFLP)特点为2.7、2.3和0.8kb；基因型C是少见的纯合体等位基因，其MSpi位点胸腺嘧啶核苷被胞嘧啶核苷取代，RFLP特点为2.7、1.9和0.8kb；基因型B是基因型A和C的杂合体，RFLP特点为2.7、2.3、1.9和0.8kb。CYPlAl基因组在两处可发生突变：m1，即第7外显子下游1.194kb位置的胸腺嘧啶核苷被胞嘧啶核苷取代；m2，即第7外显子4.889kb位置腺嘌呤核苷被鸟嘌呤核苷取代，由此导致靠近血色素结合区异亮氨酸被缬氨酸取代。 图2-10 人CYPlAl的基因结构 注：黑块为外显子，外显子之间是内含子。调节产物结合部位包括BTE(基本转录单元)和 XREW(外源化学物质反应单元)，ATG和TAG是编码区开始和终止标志，GT和AG是 内含子的边界，儿AANTAA是polyA尾的信号。MspI为正文所述的多态部位。 CYPlAl基因非编码区MsPI限制性内切酶酶切位点多态和第7外显子点突变引起的异亮氨酸(Ile)-缬氨酸(Val)多态与肺癌易感性有关，有关的报告很多。例如，日本正常人群中CYPlAl基因型A所占的比例为44％、B为45％、C为11％，而肺癌患者基因型C的比例为22％，高于正常对照组2倍；基因型C肺癌易感性的相对危险度比基因型A和B大7.31倍。国内，皮静波等报告，Val／Val型患肺癌的危险度是非Val／Val型的2.2倍。胡毅玲等报告，MspIC型患肺癌的危险度是其他基因型的2.43～2.91倍，MspIC型可能是非吸烟者肺癌易感性的遗传标志。 谷胱甘肽S转移酶(GST)的基因型多态性也与肿瘤易感性差异有关。dErrico等(1996)根据已发表的11篇报道进行统计学分析，发现GSTMI基因完全缺失与肺癌危险度相关的比数比为1.6。而且，CYPlAl和GST基因的协同作用可增加肺癌的危险度。Kihara报告日本人CYPlAl(m2／m2)和GSTM1(+)基因型患肺癌的危险度是3.2，而CYPIAl(m2／m2)和GSTM1(-)患肺癌的危险度高达21.9。目前，与肿瘤的易感性有关的基因多态性研究结果见表2-4。 很早就知道在降压药胍喹啶的4位羟化反应存在着个体差异。从尿中的代谢产物分析发现有些人此羟化反应能力低，称为弱代谢者。后来发现，弱代谢者位于第22条染色体上的P-4502D6基因发生了突变或丢失，使其产生缺乏正常功能的酶。 2. 外源化学物代谢酶的诱导 诱导(induction)指有些外源化学物可使某些代谢过程催化酶系的酶蛋白的合成量增加，伴有活力增强。能引起酶诱导的物质称为诱导剂(inducer)。虽然酶诱导是机体应激反应的一个侧面，但其机制还不十分清楚。 表2-4 肿瘤的遗传易感性研究结果 基因多态性 底 物 暴露因素 相对危险度 肿瘤类型 (易感表型) OR CYPlAl(高诱导性) 多环芳烃(PAHs) 吸 烟 7.3 肺 癌 CYPlA2(高诱导性) 芳香胺，PAHs、黄曲霉毒素、 吸 烟 ＞2 直肠癌 亚硝胺 CYP2D6(高活性型) 亚硝胺 吸烟，石棉 2.8～18 肺 癌 N—乙酰转移酶 芳香胺 芳香胺 2 膀胱癌 (慢乙酰化型) 2 直肠癌GST—μ(缺失) PAHs 吸 烟 1.7～3 肺 癌 黄曲霉毒素 1.7～6 膀胱癌 P-450系的诱导剂有5类，即：①巴比妥类，如苯巴比妥(phenobarbitl，PB)诱导2B 1／2、2C、3A1／2；②多环芳烃类，如3-甲基胆蒽(3-methylcholarene、3MC)、TCDD、(2，3，7，8-四氯二苯二口 恶 烷，二口 恶 英)等，诱导1A 1／2；③醇／酮，如乙醇、异烟肼，诱导2E1；④甾类，如孕烯醇酮16α-腈、地塞米松，诱导3A 1／2；⑤氯贝特(安妥明)类过氧化物酶体诱导剂，诱导4A 1／2。此外，多氯联苯(PCB，如Arochlor 1254)兼有PB和3MC样诱导作用。 有关酶诱导机制目前尚未完全清楚，不同诱导剂的诱导机制不同。PB类化学物诱导的伴有内质网的增生和酶蛋白合成的增加，同时也可能刺激mRNA的合成并降低酶的分解速度。而3MC类则不能使内质网增生、也不能降低酶的分解速度。P-450诱导一般都是增加转录水平活性。如外源化学物(TCDD)和3MC在对P-450 CYPIAl／1A2的诱导过程中，这些化学物首先和存在于脑浆中从受体结合形成复合体，复合体转运到细胞核内作用于P-450lAl基因上游的转录活化因子，增强CYPlAl／1A2基因的转录。PB诱导CYP2B1／2B2也是在转录水平上进行。除P-450系外，其他一些生物转化酶也可被诱导，见表2-5。 表2-5 P-450系以外的其他生物转化酶的诱导剂 生物转化酶 诱导剂 葡糖醛酸基转移酶 PB，3MC，TCDD，PCB NADPH-P-450还原酶 PB，PCB，异黄樟素 环氧化物水化酶 PB，3MC，PCB，异黄樟素 谷胱甘肽转移酶 PB，3MC，TCDD 细胞色素b5 2—乙酰氨基芴，二丁基羟基甲苯(BHT) 肉碱乙酰转移酶 氯贝特 过氧化氢酶 氯贝特，邻苯二甲酸盐 诱导剂对外源化学物代谢和毒作用的影响可有以下几种： (1) 如果化学物仅经一个途径代谢，诱导可增加其代谢速率。如该化学物经此途径代谢解毒，诱导可降低毒性。例如，用苯巴比妥(PB)诱导肝P-450系，可以促进甲苯的代谢解毒。相反，如该化学物经此途径代谢活化，酶诱导则可以促进和加强该化学物的毒作用。例如，3MC诱导能促进BaP的致癌作用。 (2) 如果化学物经几个途径代谢，而仅有一个途径被诱导，诱导可改变这些代谢途径间的平衡，增强或降低毒性。 (3) 如被诱导的同工酶不涉及某化学物的代谢，则诱导不影响该化学物的代谢。 (4) 诱导还可能改变酶促反应的立体化学特异性。 3. 外源化学物代谢酶的抑制 许多化学物对代谢酶产生抑制作用。抑制作用可以分为几种类型。 (1) 抑制物与酶的活性中心发生可逆或不可逆性结合。如α，β-二乙基氨基苯丙基乙酯(SKF-525A)和胡椒基丁醚与P-450的结合而抑制其活性。对氧磷能抑制羧酸酪酶，以致马拉硫磷水解速度减慢，加强马拉硫磷的生物学作用，表现为对昆虫杀虫效果增强，对人畜毒性增高。一氧化碳可与P-450结合，引起变构作用，阻碍其与氧结合。 (2) 两种不同的化学物在同一个酶的活性中心发生竞争性抑制。如1，2-亚乙基二醇和甲醇中毒，此两种化学物经醇脱氢酶催化代谢而导致毒性，临床上给予乙醇治疗，因乙醇与此酶有更大的亲和力，故可降低1，2-亚乙基二醇和甲醇的代谢和毒性。 (3) 减少酶的合成，如氯化钴抑制涉及血红素合成的δ-氨基酮戊酸合成酶，并增加血红素氧化酶活性，故可抑制P-450系统活性。 (4) 破坏酶。如，四氯化碳、氯乙烯、肼等的代谢产物可与P-450共价结合，破坏其结构和功能。 (5) 缺乏辅因子，马来酸二乙酯可耗尽GSH，抑制其他化学物经GSH结合代谢。 第六节 排 泄 排泄指外源化学物被排出机体外的过程。外源化学物的排泄途径主要有从肾脏排到尿和肝脏经胆汁排到粪便中的途径，其他还有肺脏(呼气)、皮肤(汗、皮脂)、乳汁、唾液和泪液等。机体的排泄能力是影响毒性表现的重要因素之一，因为排泄是决定体内外源化学物浓度变化速度的因素之一。外源化学物在体内的量减少到二分之一时所需的时间称为生物半衰期(biological half time，tl/2)。实际上，tl/2多用于表示化学物血浓度的半衰期，是衡量外源化学物在体内消除速度的尺度。值得提出的是肾脏、肝脏、肺、乳房、皮肤等都有各自的代谢和排泄特点，排泄器官也可能是外源化学物的靶器官。 一、肾脏排泄 肾脏是水溶性化学物或其代谢产物的主要排泄器官。肾脏排泄机制主要有三种，即肾小球过滤、肾小管分泌和肾小管再吸收。随血液循环到达肾脏的外源化学物在肾小球过滤，或者被近曲小管主动分泌到肾小管中，再运到远曲小管。如果在远曲小管没有被再吸收，就可经尿排泄。尿排泄是以上三种过程的总和，可用下式简单表示。 尿排泄：肾小球过滤+肾小管分泌－肾小管再吸收 1. 肾小球过滤 肾小球的毛细血管壁不同于一般细胞膜，具有7～8nm大小的微孔。血液成分中分子量在50 000以下的物质都可以过滤。大分子物质如血浆白蛋白(分子量约56 000)基本上不能通过。从分子量上推论一般外源化学物是可以过滤的，但与血浆蛋白结合以及生理体液酸碱度时的荷电状态可影响滤过率。由于与血浆蛋白结合后很难过滤，所以外源化学物的血浆蛋白结合率变动会引起肾脏排泄的变动。带负电荷的外源化学物不易滤过，而带正电荷的物质容易过滤到原尿中。 2. 肾小管分泌 肾小管具有主动转运功能，包括有机阴离子和有机阳离子的两套系统，可以逆浓度梯度将外源化学物从近曲小管的毛细血管中主动转运到小管液中，称为肾小管分泌。经有机阴离子主动转运载体分泌的有对氨基马尿酸、青霉素和水杨酸等。经有机阳离子主动转运载体分泌的有四乙胺和N-甲基烟酰胺。近曲小管的刷状缘膜上的P-糖蛋白也被认为是外源化学物的主动分泌机制之一。如主动转运载体被抑制，会使相应化学物的血中浓度上升。 3. 肾小管再吸收 经肾小球过滤后的滤液中含有许多机体必需物质，肾小管重新吸收这些物质送回到血液中。例如，葡萄糖几乎完全再吸收，钠离子等也大部分再吸收。而原尿中外源化学物的浓度增加，脂溶性的外源化学物也会以被动扩散等方式再吸收。这种再吸收的机制和胃肠道的吸收机制相似，受外源化学物的脂溶性和尿的pH值的影响。一般，外源化学物在生物转化后成为极性更大的高水溶性代谢产物，再吸收比较困难。 影响外源化学物的肾脏排泄因素除了外源化学物及代谢产物的脂溶性、解离常数外，还包括肾脏的血流量、血浆蛋白结合程度、尿量和尿的pH值等。 二、肝胆排泄 肝脏除了作为外源化学物代谢的主要器官外，也是外源化学物排泄的器官之一。进入肝脏实质细胞的外源化学物以及代谢后的结合产物，会被主动地转运到胆汁中，随胆汁排入十二指肠。对外源化学物向胆汁中排泄的机制还不十分清楚。肝胆排泄是具有一定分子量、水溶性强和一定程度的脂溶性外源化学物的主要途径。一般葡萄糖醛酸、谷胱甘肽和甘氨酸结合的分子量较大的外源化学物容易经肝胆排泄。大鼠肝胆排泄的化学物分子量在300以上，人类为500以上。而分子量较小的外源化学物主要由肾脏排泄。中等分子量的物质在两种器官都有排泄。肝脏的代谢和排泄可阻挡经胃肠道吸收的化学物进入全身循环的作用(首过效应)。从其他吸收途径进入血液循环的外源化学物也要分布到肝脏被代谢和排泄。 经肝胆排泄到肠腔内的葡萄糖醛酸等结合物由于水溶性高，不易被肠道重吸收，会从粪中最终排出。但是在下段肠道中，经粘膜和肠内菌丛的水解酶如葡糖苷酶的作用下，结合物会被分解，外源化学物再次游离，被肠道吸收经肝门静脉重新进入肝脏。这种现象被称为肠肝循环(enterohepatic circulation)。肠肝循环的存在会使外源化学物在血液中持续的时间延长，同时也经历更多的代谢变化。如甲基汞的GSH结合体可在胆道被γ-谷氨酰转肽酶分解成为CySMM，在肠道再吸收。 由肠内菌丛的水解酶将由Ⅱ相反应后的结合物水解的反应也称为Ⅲ相反应。一般，这是第Ⅱ相反应的逆反应，使外源化学物再次游离成非极性物质。当然，菌丛也会催化其他的生物转化反应，如大鼠肝致癌物2，6-二硝基甲苯的代谢和肠肝循环见图2-11。二硝基甲苯的生物转化从肝开始，经P-450氧化后与葡萄糖醛酸结合成葡糖苷排入胆汁，由肠道菌群进行生物转化，一个或两个硝基被硝基还原酶还原成胺，葡糖苷为β-葡糖苷酶水解。水解后的代谢物被重吸收转运至肝，新生成的氨基由P-450催化N-羟化，并可乙酰化或与硫酸结合。这些结合物可裂解生成高度反应性的氮钅 翁 离子，攻击DNA，引起突变和肝肿瘤。 三、肺排泄 经呼吸道吸入的，在体内不能被代谢的气态外源化学物和经其他途径吸收的挥发性外源化学物(如四氯化碳)都会经肺排到肺泡腔内随呼气排泄。肺排泄的机制主要是单纯扩散方式，肺排泄的速度取决于肺泡壁两侧的气体分压差的大小，血／气分配系数小的外源化学物经肺排出速度快。血液中溶解度低的乙醚和氯乙烯经肺排泄较快，而溶解度高的氯仿排泄较慢。 粘附到气管、支气管和细支气管壁的气溶胶颗粒可随粘膜上的纤毛运动向上排出，此为呼吸系统的一种防御功能。但是，如粘液被吞咽，又会从消化道再吸收。 四、乳汁排泄 外源化学物主要以单纯扩散的方式“排泄”到乳汁中。由于乳汁富含脂肪并通常偏酸性(pH 6.5～7.0)，所以脂溶性物质及弱碱性化学物容易在乳汁中浓集。已知有数十种以上的外源化学物可随乳汁排泄。通过哺乳可能使乳儿接触外源化学物及其代谢产物，特别是毒性极大的二口 恶 英类物质向乳汁中的排泄在毒理学上有重要意义。通过牛奶等乳制品也会使人接触污染在乳汁中的外源化学物。 图2-11 二硝基甲苯经肝和肠道菌群代谢活化 五、其他排泄途径 外源化学物向汗液和唾液的排泄量较少。随汗液分泌排泄时可能引起皮肤的炎症。随唾液排泄时，会被吞咽到消化道重吸收。虽然汗液、唾液和毛发不是主要的排泄途径，但是可以利用这些途径对外源化学物和代谢产物进行检测，而且是无创性采样。例如，唾液中的外源化学物可以反映血浆中游离型外源化学物的浓度。唾液也偏酸性(pH 6.5～6.9)，所以弱碱性外源化学物如尼古丁和咖啡因在唾液可浓集。头发是处在不断向体外生长的皮肤附属器官之一。由于头发的特殊组成使其能够和一些外源化学物(如重金属、砷等)结合。利用头发生长速度较恒定的特点，可以推测机体过去接触外源化学物的时间和剂量，是最常用于检测的 生物材料之一。 机体对外源化学物的处置过程为毒动学，毒动学和毒效学反映外源化学物与机体的相互作用。毒动学是影响毒效应的重要因素，在外源化学物与机体相互作用的整个过程都有机体的抗损伤现象。如外源化学物在吸收过程中有生物膜的屏障和首过效应的抵抗、在分布到靶器官的过程中有血浆蛋白的暂时结合和血-器官屏障；机体有代谢解毒过程等。但是，在生物转化过程中的代谢活化，在排泄过程中有肠肝循环的再吸收等对机体不利因素。外源化学物的体内动力学过程是决定外源化学物靶器官的重要因素，在很大程度上调控着终毒物的体内浓度和靶器官内浓度。除外源化学物自身的理化特性外，机体对外源化学物的处置能力和细胞组织的修复及代偿能力综合地影响着毒效应的程度和严重性。 （史永亮 王 枫） 第3章 食品中外源化学物的毒性 损伤和影响因素 第1节 食品中外源化学物引起的毒性损伤 一、损害作用与非损害作用 外源化学物在机体内可引起一定的生物学效应，其中包括损害作用和非损害作用。损害作用是外源化学物毒性的具体表现。有害作用也称为健康效应(health effect)，即引起功能紊乱、损伤、疾病或死亡的生物学效应。损害作用、有害作用和毒作用具有相同的含义。 外源化学物对机体的损害作用(adverse effect)，具有下列特点： 1. 机体的正常形态学、生理学、生长发育过程受到影响，寿命可能缩短。 2. 机体功能容量降低。 3. 机体对外加应激的代偿能力降低。 4. 机体对其他某些环境因素不利影响的易感性增高。 决定一种效应是否是有害作用需要专家的判断。在试验中观察到的效应，是否是有害效应，这依赖于该效应的性质。例如，有机磷酸酯农药引起的血浆胆碱酯酶抑制不应认为是毒性效应，虽然是一种效应，可作为接触标志物。肝重量的可逆性增加可能是适应性反应，而不是毒效应，但需要进行辅助的研究。 外源化学物对机体的非损害作用(non-adverse effect)与损害作用相反，一般认为非损害作用不引起机体机能形态、生长发育和寿命的改变，不引起机体功能容量的降低，也不引起机体对额外应激状态代偿能力的损伤。非损害作用中，机体发生的一切生物学变化应在机体代偿能力范围之内，当机体停止接触该种外源化学物后，机体维持体内稳态的能力不应有所降低，机体对其他外界不利因素影响的易感性也不应增高。 应该指出，损害作用与非损害作用都属于外源化学物在机体内引起的生物学作用。而在生物学作用中，量的变化往往引起质的变化，所以非损害作用与损害作用具有一定的相对意义。正如在健康和疾病状态之间没有一个绝对的分界，存在亚健康状态和亚疾病状态一样，有时也难以判断外源化学物在机体内引起的生物学作用是非损害作用还是损害作用。随着生命科学的进展，将不断出现新的概念和方法，有可能过去认为是非损害作用的生物学作用，会重新判断为损害作用。因此，应充分地认识到对损害作用与非损害作用判断的相对性和发展性。 二、毒效应谱 机体接触外源化学物后，取决于外源化学物的性质和剂量，可引起多种变化，称为毒效应谱(spectrum of toxic effects)，可以表现为：①机体对外源化学物的负荷增加；②意义不明的生理和生化改变；③亚临床改变；④临床中毒；⑤甚至死亡。机体负荷是指在体内化学物和／或其代谢物的量及分布。亚临床改变、临床中毒、死亡属于损害作用(毒效应)，毒效应谱还包括致癌、致突变和致畸胎作用。 适应(adaptation)是机体对一种通常能引起有害作用的化学物显示不易感性或易感性降低。抗性(resistance)和耐受(tolerance)相关，但含义不同。抗性用于一个群体对于应激原化学物反应的遗传机构改变，以至与未暴露的群体相比有更多的个体对该化学物不易感性。因此抗性产生必需有化学物的选择及随后的繁殖遗传。耐受对个体是指获得对某种化学物毒作用的抗性，通常是早先暴露的结果。耐受也可用于在暴露前即有高频率的抗性基因的群体。 耐受是由于实验前对某化学物或结构类似化学物的暴露导致对该化学物毒作用反应性降低的状态。引起耐受的主要机制可能是由于到达毒作用靶部位的毒物量降低(处置性耐受)或某组织对该化学物的反应性降低。处置性耐受的例子如四氯化碳预处理可使肝损伤的活性代谢物(CCl3·)生成减少，而引起对其本身的耐受。而镉可诱导金属硫蛋白生成，镉与金属硫蛋白结合而导致毒性降低。 三、毒性作用分类 外源化学物对机体的毒性作用可按以下几方面进行分类： 1. 速发或迟发性作用 某些外源化学物在一次接触后的短时间内所引起的即刻毒性作用称为速发性毒作用(immediate toxic effect)。如氰化钾和硫化氢等引起的急性中毒。一般说来，接触毒物后迅速中毒，说明其吸收、分布快，作用直接；反之则说明吸收缓慢或在作用前需经代谢转化。中毒后迅速恢复，说明毒物能很快被排出或被解毒；反之则说明解毒或排泄效率低，或已产生病理或生化方面的损害以致难以恢复。在一次或多次接触某种外源化学物后，经一定时间间隔才出现的毒性作用称为迟发性毒化合物。又如致癌性外源化学物，人类一般要在初次接触后10～20年才能出现肿瘤。 2. 局部或全身作用 局部毒性作用(local toxic effect)是指某些外源化学物在机体接触部位直接造成的损害作用。如接触具有腐蚀性的酸碱所造成的皮肤损伤，吸入刺激性气体引起的呼吸道损伤等。全身毒性作用(systemic toxic effect)是指外源化学物被机体吸收并分布至靶器官或全身后所产生的损害作用，例如一氧化碳引起机体的全身性缺氧。除一些活性很高的物质外，大多数化学物产生全身毒作用，有些物质两种作用兼而有之。例如四乙基铅可作用于皮肤的吸收部位，然后分布至全身对中枢神经系统和其他器官产生毒作用。 3. 可逆或不可逆作用 外源化学物的可逆作用(reversible effect)是指停止接触后可逐渐消失的毒性作用。一般情况下，机体接触外源化学物的浓度愈低，时间愈短，造成的损伤愈轻，则脱离接触后其毒性作用消失得就愈快。不可逆作用(irreversible effect)是指在停止接触外源化学物后其毒性作用继续存在，甚至对机体造成的损害作用可进一步发展。例如，外源化学物引起的肝硬化、肿瘤等就是不可逆的。化学物的毒性作用是否可逆，在很大程度上还取决于所受损伤组织的修复和再生能力。例如肝脏具有较高的再生能力，因此大多数肝损伤是可逆的，反之，中枢神经系统的损伤，多数是不可逆的。 4. 过敏反应(hypersensitivity) 也称之为变态反应(allergic reaction)，是机体对外源化学物产生的一种病理性免疫反应。引起这种过敏性反应的外源化学物称为过敏原，过敏原可以是完全抗原，也可以是半抗原。许多外源化学物作为一种半抗原，当其进入机体后，首先与内源性蛋白质结合形成抗原，然后再进一步激发抗体的产生。当再次与该外源化学物接触后，即可引发抗原抗体反应，产生典型的变态反应症状。变态反应是一种有害反应，没有典型的S型剂量-反应关系曲线，但对特定的个体来说，变态反应与剂量有关。例如一个经花粉致敏的人，其过敏反应强度与空气中花粉的浓度有关。 5. 特异体质反应(idiosyncratic reacion) 通常是指机体对外源化学物的一种遗传性异常反应。例如，病人接受一个标准治疗剂量肌肉松弛剂琥珀酰胆碱(succinylcholine)，一般情况下引起的肌肉松弛时间较短，因为它能迅速被血清胆碱酯酶(cholinesterase)分解。但有些病人由于这种酶的缺乏，可出现较长时间的肌肉松弛甚至呼吸暂停。又如，体内缺乏NADH高铁血红蛋白还原酶(NADH reductase)的人，对亚硝酸盐及其他能引起高铁血红蛋白症的外源化学物异常敏感。 一种外源化学物的毒效应可能涉及上述几种分类。例如，强酸可引起皮肤的局部毒作用，并且是立即作用，但早期是可逆的。氯乙烯在较低剂量的长期接触可引起肝血管肉瘤，但在一次高剂量接触可引起麻醉和肝毒性。青霉素对某些个体引起的变态反应是间接作用，有时是立即的全身毒作用，此作用可能是可逆的。 四、靶器官 化学物进入机体后，对体内各器官的毒作用并不一样，往往有选择毒性（selective toxicity），外源化学物可以直接发挥毒作用的器官就称为该物质的靶器官(target organ)。如脑是甲基汞的靶器官，肾脏是镉的靶器官。毒作用的强弱，主要取决于该物质在靶器官中的浓度。但靶器官不一定是该物质浓度最高的场所。例如铅浓集在骨中但其毒性则由于铅对造血系统、神经系统等其他组织的作用所致。同样DDT在脂肪中的浓度最高，但并不对脂肪组织产生毒作用。在全身毒作用中常见的靶器官有神经系统，血液和造血系统、肝、肾、肺等。 毒物直接发挥毒作用的器官称为靶器官，出现毒性效应的器官称为效应器官。效应器官可以是靶器官，或不是靶器官。例如马钱子碱中毒可引起抽搐和惊厥，靶器官是中枢神经系统，效应器官是肌肉。 某个特定的器官成为毒物的靶器官可能有多种原因：①该器官的血液供应；②存在特殊的酶或生化途径；③器官的功能和在体内的解剖位置；④对特异性损伤的易感性；⑤对损伤的修复能力；⑥具有特殊的摄入系统; ⑦代谢毒物的能力和活化／解毒系统平衡；⑧毒物与特殊的生物大分子结合等。 机体对外源化学物的处置是影响毒性效应的重要因素。这是因为，在靶器官内的外源化学物或其活性代谢物的浓度及持续时间，决定了机体的毒性效应的性质及其强度。影响吸收、分布、代谢和排泄的各种因素和外源化学物物理化学性质均可影响在靶器官中外源化学物的量。对特定靶器官的毒性，直接取决于外源化学物与生物大分子如受体、酶、蛋白、核酸、膜脂质的作用，激活并启动了生物放大系统，靶器官和／或效应器官在生物放大系统的支配下，发生功能或形态变化，产生具体的局部毒性效应；受到机体整合、适应和代偿等因素的影响产生整体毒效应。 五、生物学标志 预防医学要求对外源化学物的有害作用进行早期预防、早期诊断和早期治疗，为了达到这样的目的，毒理学近年来发展了生物学标志的概念。 生物学标志(biomarker)是指外源化学物通过生物学屏障并进入组织或体液后，对该外源 化学物或其生物学后果的测定指标，可分为接触标志，效应标志和易感性标志(图3-1)。 接触生物学标志(biomarker of exposure)是测定组织、体液或排泄物中吸收的外源化学物、其代谢物或与内源性物质的反应产物，作为吸收剂量或靶剂量的指标，提供关于暴露于外源化学物的信息。接触生物学标志包括反映内剂量和生物效应剂量两类标志物(如化学物原型、代谢物、血红蛋白加合物、DNA加合物等)，用以反映机体生物材料中外源性化学物 或其代谢物或外源性化学物与某些靶细胞或靶分子相互作用产物的含量。这些接触生物学标志如与外剂量相关或与毒作用效应相关，可评价接触水平或建立生物阈限值。 图3-1 从暴露到健康效应的模式图和与生物学标志的关系 效应生物学标志(biomarker of effect)指机体中可测出的生化、生理、行为或其他改变的指标，包括反映早期生物效应(early biological effect)、结构和／或功能改变(altered structure／functon)及疾病(disease)三类标志物，提示与不同靶剂量的外源化学物或其代谢物有关联的对健康有害效应的信息。 易感性生物学标志(biomarker of susceptibility)，是关于个体对外源化学物的生物易感性的指标，即反映机体先天具有或后天获得的对接触外源性物质产生反应能力的指标。如外源化学物在接触者体内代谢酶及靶分子的基因多态性，属遗传易感性标志物。环境因素作为应激原时，机体的神经、内分泌和免疫系统的反应及适应性，亦可反映机体的易感性。易感性生物学标志可用以筛检易感人群，保护高危人群。 通过动物体内试验和体外试验研究生物学标志并推广到人体和人群研究，生物学标志可能成为评价外源化学物对人体健康状况影响的有力工具。接触标志用于人群可定量确定个体的暴露水平；效应标志可将人体暴露与环境引起的疾病提供联系，可用于确定剂量—反应关系和有助于在高剂量暴露下获得的动物实验资料外推人群低剂量暴露的危险度；易感性标志可鉴定易感个体和易感人群，应在危险度评价和危险度管理中予以充分的考虑。 第2节 表示毒性损伤的指标 一、剂量－反应关系 (一) 效应和反应 效应(effect)是量反应，指接触一定剂量外来化学物后所引起的一个生物、器官或组织的生物学改变。此种变化的程度用计量单位来表示，例如毫克、单位等。例如某种有机磷化合物可使血液中胆碱酯酶的活力降低，四氯化碳能引起血清中谷丙转氨酶的活力增高，苯可使血液中白细胞计数减少等，均为各种外来化学物在机体引起的效应。 反应(response)是质反应，指接触某一化学物的群体(population)中出现某种效应的个体在群体中所占比率，一般以百分率或比值表示，如死亡率、肿瘤发生率等。其观察结果只能以“有”或“无”、“异常”或“正常”等计数资料来表示。 （二）剂量效应关系和剂量反应关系 剂量-效应关系(dose-effect relationship)或剂量-反应关系(dose-response relationship)是毒理学的重要概念，即随着外源化学物的剂量增加，对机体的毒效应的程度增加，或出现某种效应的个体在群体中所占比例增加。如果某种外源化学物与机体出现的某种损害作用存在因果关系，则一定存在明确的剂量-效应或剂量-反应关系。 剂量-效应和剂量-反应关系都可用曲线表示，即以表示效应强度的计量单位或表示反应的百分率或比值为纵坐标，以剂量为横坐标，绘制散点图，可得出一曲线。不同外源化学物在不同具体条件下，所引起的效应类型不同，剂量-效应关系曲线一般可呈现上升或下降的不同类型的曲线，呈抛物线型、直线型或S-形曲线等多种形状。如苯可使血液中白细胞计数减少，即为下降的曲线。而有机磷化合物可使血液中胆碱酯酶和羧酸酯酶的活力降低，如将纵坐标换算成抑制百分率，则剂量-效应关系曲线分别为直线型(胆碱酯酶)和抛物线型(羧酸酯酶)，见图3-2。 图3-2 在饲料中敌杀磷染毒七天的剂量-效应关系 以剂量为横坐标，以效应为纵坐标，量效曲线为先陡后平的曲线(抛物线型)。如把剂量转换成对数剂量，将效应转换成最大效应的百分率，则量效曲线为S形曲线，常采用半数有效量(median effect dose，ED50)来计算化学物(或药物)的强度(Potency)。 在一般情况下，剂量-反应关系曲线的基本类型是S-形曲线。剂量-反应曲线反映了人体或实验动物对外源化学物毒作用易感性的分布。如果人体或实验动物对外源化学物易感性完全相同，则在某一个剂量(TD，即中毒剂量)全部个体都发生相同的毒作用(图3-3中1A)，剂量-反应曲线应该成为图3-3中1B的形状。 S-形曲线反映个体对外源化学物毒作用易感性的不一致性(图3-3中2A)，少数个体对此外源化学物特别易感或特别不易感，整个群体对此外源化学物的易感性成正态分布。S-形剂量-反应曲线的特点是在低剂量范围内，随着剂量增加，反应增加较为缓慢，然后剂量增加时，反应也随之急速增加，但当剂量继续增加时，反应强度增加又趋向缓慢。曲线开始平缓，继之陡峭，然后又趋平缓，成为S –形(图3-3中2B)。曲线的中间部分，即反应率50％左右，斜率最大，剂量略有变动，反应即有较大增减。根据所用指标不同可分别称为半数有效剂量ED50，半数中毒剂量TD50和半数致死量LD50。实际上更为常见的剂量-反应曲线是非对称S-状曲线。非对称S-形曲线两端不对称，一端较长，另一端较短(图3-3中3A)。非对称S-形曲线反映个体对此外源化学物的毒作用易感性成偏态分布(图3-3中3B)。 剂量-效应关系或剂量-反应关系的研究是毒理学试验的重要目的。在一个实验群体中剂量-反应关系的研究的基本概念是有害效应的发生率和严重度是与剂量有关的。固定剂量的染毒随染毒期限增加引起效应的发生率增加时，也可见到时间-反应关系。 图3-3 实验动物个体对外源化学物的易感性分布和剂量-反应关系的模式图 个体易感性：A. 完全相同；B. 成正态分布；C. 成偏态分布 二、毒性参数和安全限值 可以利用两种方法来描述或比较外源化学物的毒性，一种是比较相同剂量外源化学物引起的毒作用强度，另一种是比较引起相同的毒作用的外源化学物剂量，后一种方法更易于定量，这就规定了下列毒性参数和安全限值的各种概念。 在实验动物体内试验得到的毒性参数可分为两类。一类为毒性上限参数，是在急性毒性试验中以死亡为终点的各项毒性参数。另一类为毒性下限参数，即有害作用阈剂量及最大未观察到有害作用剂量，可以从急性、亚急性、亚慢性和慢性毒性试验中得到。毒性参数的测定是毒理学试验剂量-效应关系和剂量-反应关系研究的重要内容。 1. 致死剂量或浓度 指在急性毒性试验中外源化学物引起受试实验动物死亡的剂量或浓度，通常按照引起动物不同死亡率所需的剂量来表示。 (1) 绝对致死量或浓度(LDl00或LCl00)：指引起一组受试实验动物全部死亡的最低剂量或浓度。由于一个群体中，不同个体之间对外源化学物的耐受性存在差异，个别个体耐受性过高，并因此造成100％死亡的剂量显著增加。所以表示一种外源化学物的毒性高低或对不同外源化学物的毒性进行比较时，一般不用绝对致死量(LDl00)，而采用半数致死量(LD50)。LD50较少受个体耐受程度差异的影响，较为准确。 (2) 半数致死剂量或浓度(LD50或LC50)指引起一组受试实验动物半数死亡的剂量或浓度。它是一个经过统计学处理计算得到的数值，常用以表示急性毒性的大小。LD50数值越小，表示外源化学物的毒性越强，反之LD50数值越大，则毒性越低。与LD50概念相似的毒性参数，还有半数致死浓度(LC50)，即能使一组实验动物在经呼吸道接触外源化学物一定时间(一般固定为2或4小时)后，死亡50％所需的浓度(mg/m3)。环境毒理学中，还有半数耐受限量(median tolerance limit，MTL)用于表示一种环境污染物对某种水生生物的急性毒性，即一群水生生物(例如鱼类)中50％个体在一定时间(48h)内可以耐受(不死亡)的某种环境污染物在水中的浓度(mg/L)，一般用MTL48表示。 (3) 最小致死剂量或浓度(MLD，LD0l或MLC，LC0l)指一组受试实验动物中，仅引起个别动物死亡的最小剂量或浓度。 (4) 最大耐受剂量或浓度(MTD，LD0或MTC，LC0)指一组受试实验动物中，不引起动物死亡的最大剂量或浓度。 2. 观察到的有害作用的最低剂量(lowest observed adverse effect level，LOAEL) 在规定的暴露条件下，通过实验和观察，一种物质引起机体(人或实验动物)形态、功能、生长、发育或寿命可检测到的有害改变的最低剂量或浓度，此种有害改变与同一物种、品系的正常(对照)机体是可以区别的。LOAEL是通过实验和观察得到的，应具有统计学意义和生物学意义。 3. 未观察到的有害作用剂量(no observed adverse effect level，NOAEL) 在规定的暴露条件下，通过实验和观察，一种物质不引起机体(人或实验动物)形态、功能、生长、发育或寿命可检测到的有害改变的最高剂量或浓度。机体(人或实验动物)在形态、功能、生长、发育或寿命改变可能检测到，但被判断为非损害作用。 4. 未观察到的作用剂量(no observed effect 1evel，NOEL) 在规定的暴露条件下，通过实验和观察，与同一物种、品系的正常(对照)机体比较，一种物质不引起机体(人或实验动物)形态、功能、生长、发育或寿命可检测到的改变的最高剂量或浓度。在具体的实验研究中，比NOAEL高一档的实验剂量就是LOAEL。应用不同物种品系的实验动物、接触时间、染毒方法和指标观察有害效应，可得出不同的LOAEL和NOAEL。 急性、亚急性、亚慢性和慢性毒性试验都可分别得到各自的LOAEL或NOAEL。因此，在讨论LOAEL或NOAEL时应说明具体条件，并注意该LOAEL有害作用的严重程度。LOAEL或NOAEL是评价外源化学物毒性作用与制订安全限值的重要依据，具有重要的理论和实践意义。 5. 阈值 为一种物质使机体(人或实验动物)刚开始发生效应的剂量或浓度，即稍低于阈值时效应不发生，而达到或稍高于阈值时效应将发生。一种化学物对每种效应都可有一个阈值，因此一种化学物可有多个阈值。对某种效应，对不同的个体可有不同的阈值。同一个体对某种效应的阈值也可随时间而改变。就目前科学发展程度，对于某些化学物和某些毒效应还不能证实存在阈剂量(如遗传毒性致癌物和性细胞致突变物)。阈剂量应该在实验测定的NOEL和LOEL之间。在利用NOEL或LOEL时应说明测定的是什么效应，什么群体和什么染毒途径。当所关心的效应被认为是有害效应时，就称为NOAEL或LOAEL。阈剂量并不是实验中所能确定的，在进行危险性评价时通常用NOAEL或NOEL作为阈值的近似值。 6. 安全限值 动物试验外推到人通常有三种基本的方法：利用不确定系数(安全系数)；利用药物动力学外推(广泛用于药品安全性评价并考虑到受体敏感性的差别)；利用数学模型。毒理学家对于“最好”的模型及模型的生物学意义尚无统一的意见。 安全限值是指为保护人群健康，对生活和生产环境和各种介质(空气、水、食物、土壤等)中与人群身体健康有关的各种因素(物理、化学和生物)所规定的浓度和接触时间的限制性量值，在低于此种浓度和接触时间内，根据现有的知识，不会观察到任何直接和/或间接的有害作用。也就是说，在低于此种浓度和接触时间内，对个体或群体健康的危险度是可忽略的。安全限值可以是每日容许摄入量(ADI)、可耐受摄入量(TI)、参考剂量(RfD)、参考浓度(RfC)和最高容许浓度(MAC)等。 (1) 每日容许摄入量(acceptable daily intake，ADI)是以体重表达的每日容许摄入量，以 此量终生摄入无可测量的健康危险性(标准人为60kg)。 (2) 可耐受摄入量(tolerable intake，TI)是由IPCS(国际化学品安全规划署)提出的，是指没有可估计的有害健康的危险性对一种物质终生摄入的容许量。取决于摄入途径，TI可以用不同的单位来表达，如吸入可表示为空气中浓度(如μg/m3或mg／m3)。 (3) 参考剂量和参考浓度是美国环境保护局(EPA)对非致癌物质进行危险性评价提出的概念。参考剂量(reference dose，RfD)和参考浓度(reference concentration，RfC)，是指一种日平均剂量和估计值。人群(包括敏感亚群)终身暴露于该水平时，预期在一生中发生非致癌(或非致突变)性有害效应的危险度很低，在实际上是不可检出的。 (4) 最高容许浓度(maximal allowable concenrtation，MAC) 系指某一外源化学物可以在环境中存在而不致对人体造成任何损害作用的浓度。我国在制订MAC时遵循“在保证健康的前提下，做到经济合理，技术可行”的原则，因此与上述几种以保护健康为基础的安全限值有区别。MAC的概念对生活环境和生产环境都适用，但人类在生活与生产活动中的具体接触情况存在较大差异，同一外源化学物在生活环境中与生产环境中的MAC也不相同。 7．不确定系数和安全系数 安全系数(safety factor，SF)是根据所得的最大无有害作用剂量(NOAEL)提出安全限值时，为解决由动物实验资料外推至人的不确定因素及人群毒性资料本身所包含的不确定因素而设置的转换系数。安全系数一般采用100，据认为安全系数100是为物种间差异(10)和个体间差异(10)两个安全系数的乘积(图3-4)。 图3-4 100倍不确定系数（安全系数）的构成（Renwiclk,1993） 　 不确定系数(UF)：为求得可耐受摄入量(TI)说明关键研究(pivotal study)的适宜性(可信性)，物种间外推，在人个体间变异，全部资料的适宜性(充分性)和毒性的性质的各个因子的乘积。将临界效应(critica1 effect)的NOAEL或LOAEL除以不确定系数即求得安全限值。此术语比安全系数更为适当，因为此术语避免被误解为绝对安全，并且UF的大小与不确定性大小成比例，而不是与安全性成比例。UF的选择应根据可利用的科学证据。 将动物资料外推到人100倍的不确定系数(安全系数)是作为起点，并可因毒效应的性质和所用毒理学资料的质量而改变。 (1) 如果具有关于人体资料，则10倍物种间变异可能不是必需的。但是在安全性评价时人体研究的参数较少，并且罕有关于致癌性、生殖和慢性毒性的资料。因此，即使在人体测定的参数是与在实验动物测定的最敏感的有害作用相同(如红细胞胆碱酯酶抑制)，对其他参数的潜在毒作用的不确定性仍然存在。因此SF极少低到10倍。 (2) 在动物实验(和在人体实验)确定NOAEL的资料的质量可影响SF的选择。 (3) 如缺失重要的资料，则增加SF。 (4) 最初的毒性反应的类型和重要性可改变SF，因此对可逆的毒效应SF降低。 (5) 实验动物数量不足可能增加SF。 (6) 剂量-反应关系的形状可影响SF的确定。 (7) 代谢饱和导致毒性，双相代谢谱和比较代谢的资料都可影响SF。 (8) 在实验动物和人毒作用机理的比较研究可影响SF的选择。 在制定MAC时，由于所需保护的人群多少不同(环境卫生和食品卫生标准要保护全部人口，而劳动卫生标准只需要保护职业人群)，人群接触时限不同(环境卫生和食品卫生的标准人群要终生接触，而劳动卫生的标准人群只在成年后至退休前接触)，所以采用宽严不同的安全系数是必要的。 制定安全限值的前提是必须从动物实验或人群调查得到LOAEL或NOAEL。目前，一般认为，外源化学物的一般毒性(器官毒性)和致畸作用的剂量-反应关系是有阈值的(非零阈值)，而遗传毒性致癌物和性细胞致突变物的剂量-反应关系是否存在阈值尚没有定论，通常认为是无阈值(零阈值)。根据定义，一个有阈值的外源化学物在剂量低于实验确定的阈值时，没有危险度。对无阈值的外源化学物在零以上的任何剂量，都有某种程度的危险度。这样，对于致癌物和致突变物就不能利用安全限值的概念，只能引入实际安全剂量(virtual safety dose，VSD)的概念。化学致癌物的VSD，是指低于此剂量能以99％可信限的水平使超额癌症发生率低于10-6，即100万人中癌症超额发生低于1人。致癌物的VSD可以用多种数学模型或用不确定系数来估算。 在致癌试验中，一般发现为S型剂量-反应曲线，并可检测到表观的LOAEL和NOAEL(图3-5)。关于致癌作用有无阈值的问题，曾对遗传毒性致癌物2-乙酰氨基芴(2AAF)进行大规模剂量-反应研究—“百万小鼠(megamouse)”试验(Staffa等，1980)，此试验利用雌BALB/c St Cifl C3H／N ctr小鼠，此品系小鼠本底肿瘤发生率较低，寿命较长，共用24192只小鼠分到各组(在饲料中2AAF为0、30、35、60、75、100和150ppm，喂饲15个月)。动物于试验的第9、12、14、15、16、17、18、24和33月处死。结果发现2AAF诱发肝细胞癌的剂量-反应曲线接近线性，潜伏期约18个月，不能确定阈浓度(图3-6)。此试验提示利用动物致癌试验，精确研究低水平肿瘤发生率的剂量-反应关系是不可能的。此试验的计划用了18个月，生产小鼠和分组9个月，实验和分析用了4年，共花费约700万美元。此后，一般都认为遗传毒性致癌物是没有可检测的阈值，没有必要进行更大规模的致癌试验。而该研究发现膀胱癌呈现S型剂量-反应曲线，说明同一种致癌物，对不同靶器官致癌作用可有不同的剂量-反应关系。美国FDA(1995)提出“法规阈值”(threshold of regulation)，即规定食品中的成分产生可忽视危险性的阈值为0.5ppb(ppb为10亿分之一)。此规定是基于对477种物质致癌强度的分析，并假定致癌性是最敏感的毒性终点。 图3-5 致癌试验的剂量-反应关系 图3-6 2AAF“百万小鼠(megamouse)”试验结果 定安全限值或VSD是卫生毒理学的一项重大任务。对某一种外源化学物来说，上述各种毒性参数和安全限值的剂量大小顺序见图3-7。 图3-7 各种毒性参数和安全限值的剂量轴 第三节 毒性损伤（细胞损害）的机制 人体由75万亿个细胞组成，包括200种不同性质的细胞，共约4万个基因。人的大脑有140亿个细胞，各种细胞有其独特的功能。随着对基因研究的深入，对细胞功能和运作将有更多了解，这对外源化学物毒性损伤机制的了解亦将有很大的帮助。所以食品毒理学者应密切注意分子水平和基因水平的研究、结果和方法。对外源化学物毒作用机制的研究，正从整体、器官、细胞及分子水平各层次都取得了巨大的进展。 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。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。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。 一、细胞运作对物质的需求与限制 作为生命基本单位的细胞，包括一系列细致的程序性的化学反应，这些反应以严格的程序和精确的时间与速度发生，并且与其他代谢通路相互联系。这需要某些协调、整合和控制。细胞主要产生能量和合成细胞本身或另一些细胞成分所需的特殊化合物。因此，不同化学反应通路之间是相互依赖的。不同细胞、组织、器官之间也是相互联系和相互依赖的。生物体是在其种种功能平衡中有序、协调以及和谐的系统，好像交响乐团在演奏音乐那样。 细胞的运作是由多种特异的酶介导的，它们呈区域化分布，主宰着细胞活动的协调和控制。物质的进出靠膜上通路。膜系统控制细胞或它的细胞器中物质的进与出，由此调节细胞的内外环境。细胞的运作是定性，定量和定时的。亦即需要特定类型的化合物，以特定的量在特定的时间到位。在一定限度内任何偏差都会产生细胞运作的失调。当一个器官或组织中功能细胞总数中有较大比例发生失调，就会出现可检测出的功能异常。细胞功能失调是否表现出肉眼可见组织结构的损伤，取决于这些组织或器官的贮备能力。 （一）细胞运作对物质性质的需求 细胞运作需要特异的酶，而酶的催化作用具有专一型，它们只利用（作用于）特定的化合物或结构相似的化学物。细胞本身合成的化合物要能及时被获得。这样就保证细胞内精确的生化通路得以顺利运行。但是仍然有一些必需的化合物，人体细胞不能合成或量不够，需要从体外获得。这些物质统称为营养素（nutrients）。必需的营养素中有的被贮存在体内（如脂肪可供热）以备应急之需。 （二）细胞运作对物质数量的需求 蛋白质和核酸是由大量更小的单位组成，因此细胞不断把它们排出去，否则会干扰正常细胞功能。由于反抑制机制，某些化合物过多时会抑制调节某个代谢通路的酶。过多的化合物可能会加速某些反应或代谢通路，甚至超出细胞的耐受能力。总之，细胞运作中一些必需化合物的需求在数量方面要求适度，不过少也不过多。 （三）细胞运作的时间限度 细胞运作的各种过程遵守动力学规律。在某些特殊细胞中能量产生过程的时限很狭窄。例如大脑细胞缺氧数秒钟就可能产生严重后果。通常按细胞接触毒物后的时间顺序分为三个阶段： 1. 初级作用(primary events) 指毒物接触后最早出现的直接损害。许多毒物需经代谢转化为其活性代谢物，然后启动一个或更多的初级作用，例如醋氨酚和溴苯引起的肝损害。而在另外一种情况下，有些毒物则无需代谢活化，原母体化学物或一种稳定的代谢物本身即可启动初级作用。例如氰化物的细胞毒性是关键酶抑制的结果，而一氧化碳则剥夺细胞对氧的需要。主要的初级作用有： 脂质过氧化(lipid peroxidation) 大分子的共价结合(covalent binding to macromolecules) 巯基状态的改变(changes in thiol status) 酶抑制(enzyme inhibition) 缺血(ischemia) 有时，几种初级作用可同时出现相互关联，有时则仅出现一种初级损害。 2. 次级作用(secondary events) 指继发于初级作用后出现的细胞改变。当一个细胞遭到损害时，可以检测到许多生化或结构方面的改变，其中有些变化是相互关联的。这些改变是损害的后果而不是原因，是由于细胞失去控制或代偿引起的。主要的次级作用包括： 膜结构和通透性的改变(changes in membrane structure and permeability) 细胞骨架的改变(changes in the cytoskeleton) 线粒体损害(mitochondrial damage) ATP及其他辅因子耗竭(depletion of ATP and other cofactors) Ca2＋浓度的改变(changes in Ca2＋ concentration) DNA损害与聚ADP-核糖基化(DNA damage and poly ADP-ribosylation) 溶酶体不稳定(sosomal destabilization) 细胞凋亡刺激(stimulation of apoptosis) 内质网损害(damage to the endoplasmic reticulum) 上述这些改变有时也可以是初级作用，但在大多数情况下，它们往往是继发于初级作用或另一次次级作用。 3. 三级作用(tertiary events) 指毒物接触后最终可观察到的表现，这些表现可同时发生或依次发生。主要的三级作用有： 脂肪变性(steatosis／fattychange) 水样变性(hydropic degeneration) 大疱形成(blebbing) 细胞凋亡(apoptosis) 坏死(necrosis) 上述改变除了最后两种改变外都是可逆的。当细胞停止毒物接触或使用相应的拮抗剂 后，这些损害是可以恢复的。。 （四）细胞活动与组织活动的协调 各种细胞与组织由于相互依赖它们的功能应该同步与协调。例如血红蛋白的合成必须与血液其他成分合成同步以满足身体所有细胞对营养物质的需求。所有器官系统也要与外环境协调与和谐。虽然，应该有某种细胞外物质控制细胞内活动并调节各器官系统对外环境的反应。这种控制是通过神经系统与分泌系统来实现的。这两个系统自身也是协调的。 二、外源化学物对细胞功能的干扰 因为细胞的组成是反应性化学物，显然许多外源化学物能够与之反应并可能干扰它的功能。这些能干扰细胞活动的外源物称为“内在毒物”（intrinsic toxicants）。那些细胞本身含有或常常出现而在过量时有毒的化合物称为“相对毒物”（relative toxicants）。许多“相对毒物”实际上是细胞正常活动需要的，还有些则是代谢终产物。 身体具有保护机制来对付那些无用的化学物的干扰，但是并不完整。一旦保护机制失灵，毒效应便出现。最终表现为功能紊乱，必然在分子水平引起损伤。尽管许多化合物毒性的生化机制还不清楚，它们毒性的基础离不开下述一种或多种类型。 （一）缺乏必需的营养物质：人体自身不能合成的一些营养素需从食物中获得，被吸收的营养素还必须分布到所需要的细胞中。除了由膳食来源的营养素缺乏造成的细胞中营养素缺乏（原发性缺乏），还有由体内营养素分布和代谢障碍而造成的缺乏（继发性缺乏）。 （二）代谢酶受抑制：有机磷农药抑制胆碱酯酶、酯酶和神经传导必需的酶。抗抑郁药通过对单胺氧化酶的抑制增加多种食物中加压胺的生物学活性。 （三）干扰神经传导：蛤房毒素强烈地阻断神经突轴的钠离子流，所以引起严重中毒甚至死亡。滴滴涕（DDT）开放Na＋泵而部分地阻断K＋泵。多种神经递质易受食物中有毒物质作用，如单氨类、儿茶胺、正肾上腺毒性损伤引起的生化效应素、多巴胺、5-羟色胺。 （四）干扰DNA和RNA的合成与功能：有毒物质能与DNA和RNA直接作用而影响其合成与功能。如亚硝胺将嘌呤和嘧啶碱基烷化而干扰DNA复制与RNA转录，从而影响蛋白质合成。有毒物质嵌入DNA双链能阻止其复制。岛青霉菌的藤黄醌茜素（luteoskyrin）能与DNA结合，阻断RNA多聚酶在RNA转录中作用，该毒素是致癌性肝毒素。食品物质中能干扰细胞DNA或RNA而诱发突变的例子很多。 （五）细胞膜损伤和细胞内Ca2＋稳态失调：作为信息的外源化学物，大多数情况下都通过细胞信息转导系统作用于细胞效应器而引起效应。该系统包括受体、第二信使、基因以及基因产物。Ca2＋是第二信使之一。 外来化学物引起细胞膜成分改变，如引起膜磷酯和膜蛋白结构改变，或引起细胞膜生物物理性状改变，而影响其通透性和膜镶嵌蛋白、酶以及受体的活性。例如农药对硫磷引起膜效应的浓度低于引起抑制胆碱酯酶的浓度，它还能引起脑神经细胞突触小体酯流动性降低。乙醇使肝细胞酯质流动性增高。不同化学物使膜改变的机制也不同，需要逐一研究。 外源化学物与膜上酶发生作用。例如对硫磷抑制神经突触小体膜和红细胞膜上Ca2＋-ATP酶和Ca2＋，Mg2+ATP酶。Pb2＋和Cd2＋能与Ca2＋-ATP酶上的巯基结合，抑制其活性。 细胞内外的Ca2＋起第二信使作用。转导信号使细胞内钙由低浓度变高，然后又恢复稳定。细胞内钙浓度变化伴有钙调素（CaM）的活化，激活分解cAMP的磷酸二酯酶（PDE）和激活Ca2＋，Mg2＋-ATP在低浓度时与Ca2＋排出细胞或进入线粒体，激活肌凝蛋白氢链激酶等。重金属离子Ca2＋，Cd2＋，Hg2＋在低浓度时与Ca2＋竞争而与CaM结合，产生与Ca2＋相似作用，呈现毒效应（小剂量、多次接触时）。 （六）细胞膜脂质过氧化：身体在正常代谢过程中不断生产过氧化脂质自由基。它能改变膜脂质流动性，使蛋白质和酶类活性发生变化。更重要的是脂质过氧化物，如果未被灭活，就会攻击DNA上腺嘌呤和鸟嘌呤的C-8，嘧啶的C-5与C-6的双键，导致DNA上碱基置换和脱嘌呤等，发生突变。 （七）与大分子共价结合：外源化学物或其活性代谢物与重要的生物学大分子共价结合后会改变核酸、蛋白质、酶、膜脂质等的化学结构和功能，从而引起病理学改变。例如黄曲霉毒素与DNA共价结合；有机磷与胆碱酯酶的酯解部分共价结合使酶不可逆地受抑制。外源化学物与DNA共价结合还有可能致癌。如烷化剂和N-亚硝基化合物。 外源化学物经活性代谢，攻击DNA亲核中心，以碱基共价结合形成加合物，有可能使DNA在复制过程中发生基因突变，引发致癌或致畸。 （八）光毒反应(phototoxic reaction)：皮肤细胞中某些外源性和内源性物质在足够剂量光照下，转变为与细胞成分强烈反应的物质，造成细胞广泛地损伤或死亡。与食物有关的光毒物质有卟啉、核黄素、糖香豆素、金丝桃素等和某些药物如氯丙嗪和磺胺类。香料、香水以及灰菜也会引起光毒性皮炎，卟啉病人（遗传性）吃了含大量卟啉的蔬菜、水果后，晒太阳即发生毒性反应。光化学反应可以在皮肤中形成强致癌物（如胆固醇a-氧化物），所以过多晒太阳有潜在危险性。 第四节 影响外源化合物毒效应的因素 化学物对机体的毒效应受多种因素影响，这些因素可分为外来因素和内在因素。外来因素如化学物结构、剂量、接触的频数、接触途径、其他化合物的存在以及各种环境因素。内在因素如胃肠道状态、肠道微生物群、肝的代谢能力以及潜伏期（对致癌）。 一、外来因素 （一）剂量（dose）其概念较为广泛，可包括以下几种： 接触剂量(exposure dose) 又称外剂量(extemal dose)是指外源化学物与机体(如人、指示生物、生态系统)的接触剂量，可以是单次接触或某浓度下一定时间的持续接触。 吸收剂量(absorbed dose) 又称内剂量(intemal dose)，是指外源化学物穿过一种或多种生物屏障，吸收进入体内的剂量。 到达剂量(delivered dose) 又称靶剂量(target dose)或生物有效剂量(biologically effective dose)，是指吸收后到达靶器官(如组织、细胞)的外源化学物和／或其代谢产物的剂量。 化学物对机体的损害作用的性质和强度，直接取决于其在靶器官中的剂量，但测定此剂量比较复杂。一般而言，接触或摄入的剂量愈大，靶器官内的剂量也愈大。因此，常以接触剂量来衡量，接触剂量以单位体重接触外源化学物的量(如mg/kg体重)或环境中浓度(mg/m3空气或mg/L水)来表示。任何有害物质的效应首先取决于剂量。大多数化学物在体内的生物学效应随剂量增加而转化。根据效应的转化可以把化学物分为两类型： Ⅰ型： 无效应（无害）→毒效应→致死效应 剂量增加 Ⅱ型： 无效应→有益效应→毒效应→致死效应 （营养、保健、治疗） 剂量增加 Ⅱ型中比较复杂，有益效应包括：①营养的；②保健功能；③治疗疾病。这里面对有些物质是有效的，包括营养素，药品抗生素，食品中的外源化学物，如茶中咖啡因和茶多酚；在同一食品中可能同时含有Ⅰ型（如农药残留）和Ⅱ型的外源化学物（如咖啡因）。 食品毒理学的重要任务之一是要确定某种物质与效应之间的关系（因果的和数量的）。就某个外源化学物而言，产生某种（可观察到的）特定效应的剂量又取决于受作用的特定对象（人、实验动物）。效应有阈值，超过此就可能观察到有益或有害效应。许多化学物的阈值超过1万个分子／细胞。效应还随群体、个体的不同而异（如年龄、性别、种族），还受多种其他因素影响。随着接触（摄入）剂量的增加群体中表现有一种或多种不良反应的个体数目也增加，直到全部对象都出现程度不同的严重毒效应。最后达到一定剂量时先是部分个体然后全体死亡，这称为绝对致死剂量LD100。 致死剂量（lethal dose）：在受试群体中导致50％死亡的剂量称为半数致死剂量即LD50。它常用以比较不同化学物或食品的急性毒性的大小（仅指急性毒性）。 未观察到效应剂量（no observed effect level, NOEL）：毒性试验以受试物不同剂量为纵坐标，相应的某种毒效应（死亡或检测指标）为横坐标，可绘出剂量效应曲线（见图3-8、3-9、3-10），NOEL代表最大无效应剂量。在亚慢性和慢性毒性试验中，获得无效应剂量是最主要目的，NOEL与LD50是食品安全性毒理学评价中最重要的两个指标。前者代表食品或化学物的长期迟发毒性，后者代表急性毒性。需要指出，化学物的LD50与NOEL之间没有必然的联系，例如有的致癌化学物的急性毒性可以很小。 图3-8 A 3个化学物有相同的LD50 图3-9 B 3个化学物有不同的LD50但相同的 的剂量反应曲线 NOEL的剂量反应曲线 图3-10 C 3个化学物有不同的LD50，NOEL的剂量反应曲线 很大的困难在于把动物毒理学试验结果，例如NOEL外推到人。实验动物与人虽有共性，但又有差别，不同性质的化学物质的差别可能又不一样，动物试验结果具有不肯定性（uncertainty）。但是对一个新的受试物往往又只能靠动物试验结果来外推。对NOEL的认识不要绝对化，当然从管理角度又要认为它是“正确的”。例如，致癌试验中首先每剂量组的动物数大大影响获得的NOEL，如果其他条件相同，每组动物数量越多，得出的黄曲霉毒素致癌的NOEL就越小，可以达到几倍之差。这样以少数动物（如每组100只）结果外推到广大人群，存在相当的误差。 以化学致癌物为例，不可能做到食品中绝对没有，但有可能限制到一定量。美国FDA提出了社会可接受剂量（socially acceptable dose，SAD）概念，因为人的肿瘤发病率以十万人为基数来表示，后来采用从动物致癌试验结果估算对人的致癌剂量，然后利用数学模型算出十万人中发生肿瘤的概率（危险度），称为可接受危险度（acceptable risk）。在计算3-甲基胆蒽的SAD时，提出了接触水平是1分子3-甲基胆蒽对16个人体细胞，而对肝细胞来说是175∶10。Dinman与Hutchinson（1964）认为在1个细胞内某种化学物分子数不超过1万不会引起生物学效应，或者说许多化学物的阈值超过1万个分子。当然作用于特定靶器官细胞时不需要那么大的比值（与全身细胞数之比）。人体细胞总数约140万亿个，肝细胞数约5000亿个。 （二）化学物性质 呈现毒性的前提是外源化学物被吸收。化学物在胃肠道中吸收取决于它的分子量、在水或脂质介质中的溶解度以及荷电性或极性。不能吸收的有毒物质能通过损伤肠粘膜使营养素不能被吸收，或使体内水分漏入肠腔。不能吸收的有毒物质能改变血液与肠腔液间的渗透压平衡，这也是毒性。肠道细菌可以将不能吸收的物质转化为有毒或无毒。不能吸收的物质与营养素物理结合或化学结合而使营养素不能吸收。所以不能吸收的物质不等于没有毒性。这点在食品毒理学试验中也有意义，很大剂量的某些受试物（其中含有不能吸收物质如纤维）实际上影响着动物对饲料营养素的吸收。 决定一个化学物毒性的最重要性质是它的化学反应性。高反应性的物质能与身体中的酶、核酸、激素、基因、神经细胞、细胞膜以及其他靶分子或位点作用，并干扰它们的功能。发生代谢转化或结合的物质能大大地改变它的毒性，使之减毒或增毒。 此外，凡是在化学结构上与重要代谢物或营养素相似的物质几乎都有毒性。 （三）化合物化学结构与毒性 任何化合物的化学结构决定它的化学反应性、生物学活性、胃肠吸收率、进入组织与细胞、生物学转化以及排泄。化学结构还影响它对肠道细菌的代谢。 例一：乙烷衍生物乙醇 乙醇作为乙烷的衍生物，其毒性大于乙烷，主要是由于在体内代谢为乙醛后反应性增加，其大鼠经口急性毒性增加7倍，LD50从13变为1.93g/kg.bw。 乙醛与蛋白质的氨基通过对羧基加成形成亚胺（imines） 该反应可以导致酶的抑制，如对乙醛脱氨酶（AD）和单胺氧化酶（MAO）。对MAO的抑制可以部分地解释饮酒后血中神经胺(neuroamines)含量增加，对酒的成瘾性可能与体内产生精神活动的类吗啡生物碱有关。乙醇代谢为乙醛越快的人，饮酒越容易醉。 例二：乙烷衍生物氮丙啶 氮丙啶（ethyleneimine）代表一类有高度应变环的化合物。它们的毒性很高，因为有高反应性和烷化作用。高反应性来自它的高应变的三元环结构。在体内它获得一个质子而转化为乙烷-亚胺离子。该新电子物能攻击强亲核中心，如核酸鸟嘌呤的N-7： 该鸟嘌呤部位特别容易受多种烷化剂攻击。 氮丙啶的致癌性随着其在氮上的氢被烷基、酰基或某些芳香基取代而增加。另外还有些高应变环状化合物也是高反应性，因而是高毒性的。最简单结构的代表是环氧乙烷（其中R为H）。 环氧乙烷是刺激性有毒气体，应用于消毒医疗保健用品和食品器皿。式中的R的取代基团为芳香胺衍生物、苯基、脂肪酸的缩水甘油酯、醛、甲基或其他环氧系统时，化合物具有致癌性。这些取代化合物原来的简单环氧化物有更大脂溶性。它们的环很容易被打开，最初的反应是氧的加质子作用，随之形成碳离子中间物，然后在第二个碳上发生亲核攻击，从而损伤核酸。 例三：生物碱类 不少食物含生物碱，它们在结构上都有一个特征氮原子。许多含有带N杂环的生物碱都是毒性高的。但杂环并非高毒性的先决条件。 重要的是许多生物碱的生物学活性是因为其结构类似动物和人组织内源化合物（往往是生理学重要的物质）。例如蕈毒碱（muscurine）的神经毒性是因为它的结构类似乙酰胆碱－重要的神经递质。 蕈毒碱有毒性是因为它模拟乙酯胆碱的功能并且被酶降解速度比乙酰胆碱慢。 多种具有中枢神经效应的其他生物碱是因为其结构类似神经递质。如二甲-4-羟色胺磷酸（psilocybin）结构类似5-羟色胺。苯异丙胺即安非他明（amphetamine）墨斯卡灵(mescaline)都是神经毒物，其结构类似正肾上腺素和肾上腺素。苯异丙胺是目前常见的毒品“摇头丸”的主要成分。该两毒物在体内受酶（单胺氧化酶等）代谢降解很少，大部分以原形排泄。多次服安非他明的人脑中多巴胺能细胞部分发生病理改变甚至死亡。 对化合物的结构与毒性特别是致癌性的估计与预测，近年来借助计算机有了一定成就，但是准确性与符合率还有待提高。 （四）接触频数 接触期限和接触频率同样也影响外源化学物对机体毒作用的性质和程度。毒理学一般将动物实验按染毒期限分成四个范畴：急性、亚急性、亚慢性和慢性毒性试验。急性毒性试验定义为24小时内一次或多次染毒，亚急性毒性试验是指在1个月或短于1个月的重复染毒，亚慢性毒性试验是指在1个月至3个月的重复染毒，慢性毒性试验是指在3个月以上的重复染毒。亚急性、亚慢性和慢性毒性试验可统称为重复染毒试验。重复染毒引起毒作用的关键因素是接触频率，而不是接触期限。 身体与化学物接触频数与剂量有关。对慢性毒性来说，有些毒物如化学致癌物一次接触也可能引起肿瘤。但有些致癌物，多次小剂量长期接触后毒性更易出现，如致癌亚硝胺类。 多次接触使毒性损伤连续，有可能出现累积效应。多次接触实质上产生相对大的总剂量。对食品物质来说，通常是多次长期以及终生接触。所以，对食品物质的安全性评价着重考虑多次、长期以及终生接触。 （五）接触途径（route of exposure）一个化学物的毒性随接触途径而有差异。 表3-2 接触途径与化学物急性毒性（以LD50表示）关系 毒 物 动 物 指 标 p.o. s.c. i.v. KCN 大 鼠 MLD 10～15 17 2.5 咖啡因 大 鼠 LD50 233±14 － 104.8±1.87 亚硝酸钠 狗 MLD 330 50～ － 乙 醇 小 鼠 LD50 9488 1973 注意：毒性试验时配制受试物所用的溶剂或悬乳剂会影响获得的数据。 由表3-2可见，这些化学物急性经口接触比其他途径都低。有一些例外是某些化学物在胃肠道中被消化酶或其他组织酶或细菌转化或活化而毒性增高，例如苏铁素。 经口染毒时，因化学毒物在胃肠道吸收后经由门静脉系统到达肝脏被代谢（称为首过效应，first pass effect），代谢产物的毒性直接影响特定化学毒物对机体的损害能力。 （六）膳食因素 膳食中的长链脂肪酸与有毒金属形成金属皂从而降低其吸收程度。抗坏血酸可防止胃肠中的亚硝化反应。膳食中脂肪促进或延缓脂溶性化合物的吸收。脂肪使胃排空减慢，因而使摄入的毒物的吸收也慢。与营养素或其他化学物共用主动运输系统的毒物可能被取代，如钙取代铅。 （七）其他外来因素 光线、温度、气压等都影响化学物的毒性。光线的影响如光毒作用。 二、内在因素 毒性反应发生在分子水平上，生化学和生理学差异造成不同个体对毒物效应的差别。个人的遗传、年龄、性别、免疫能力、营养、代谢能力以及生理状态对毒效应有很大影响。“对某人是食品而对另外一个人可能是毒品”（Lueretius，公元前）。 （一）肠道吸收与屏障 肠道有三个功能：即吸收营养物质，屏障有害物质以及代谢营养物质和外源化学物。对经口进入的外源化学物，胃肠道是对毒性损伤的第一防线。 肠道细菌在调节许多化合物毒性中也起重要作用，可以是正面或负面影响。对人类来说，摄食是接触环境化学物最主要途径。已经分化出“肠道毒理学”（intestinal toxicology）这一分支学科。 肠道是食物中外源化学物被吸收的第一屏障。小肠中大分子的吸收是通过肠粘膜细胞由受体介导的吞饮(endocytosis)和非受体介导的胞饮（pinocytosis）来实现的。小肠壁中的淋巴样集结内的M细胞也把肠腔内的抗原转运到淋巴样集结内，后者受抗原刺激而产生lgA前体细胞。所以新生儿很容易吸收饮食中的有毒大分子和病原菌与病毒。吸收少量大分子（是个体发育的残余）对健康无妨。但如果吸收大量抗原或有毒物质就会出现问题；例如胃和胰腺不正常的成人，对大分子消化差，造成大量大分子进入小肠细胞内，然后吸收到体内；又如肠粘膜受损（如射性损伤）促使大分子被动地通过，免疫缺陷时抗体产生少，也使大分子吸收增加。某些疾病如过敏性胃肠炎，肠道炎症，病毒与细菌性肠炎，肠道寄生虫病，放射性肠炎都可能促进大分子的吸收与运输。 研究不同性质和大小的颗粒物（如超微粒子）以及大分子透过小肠上皮的吸收对提高食品营养素和保健食品功能成分的生物利用度有实际意义。 （二）毒物与血浆蛋白和组织结合 血浆蛋白和某些组织能有效地与毒物结合。这种结合会改变有效剂量而影响宿主的毒性效应，毒物与血浆蛋白有不同的亲和力，如果亲和力小的化学物被亲和力大的取代就会增加有效剂量也就是增加毒性。例如农药代谢物DDE和某些药物能取代与血浆结合的胆红素，游离的胆红素能扩散到大脑组织中，使新生儿发生核黄疸（kernicterus），对大脑严重损伤。 脂肪组织、骨、肾以及肝都是毒物结合的特殊组织。 脂溶性毒物及其代谢物能大量贮存在脂肪组织，毒物在体内某些组织的贮存暂时地降低了毒作用，特别是急性毒作用。然而，后来当毒物从新释出到血流中时毒性再出现。重金属铅就是例子。 肝也同样地大量与外源化学物结合，使血流中的浓度迅速降低，一种称为ligandin的肝蛋白质能与许多有机化合物结合，肝还能与有毒重金属如铅结合。肝的这种作用还与这些化合物的生物学转化中的重要作用一致。这种亲和力部分地解释为何肝容易受损伤。 肾也容易与某些类型外源化学物结合，如镉形成金属硫蛋白，可以作为对身体毒效应的特异性判断指标之一。 （三）排除过程 被吸收的有毒化合物主要排出途径是经尿和胆汁。 1. 经尿排除 已吸收化合物的排出机制是被动肾小球滤过、小管滤过以及主动小管运输。大部分有毒物和其他化合物由肾小球过滤和主动小管运输来排除。根据尿pH的不同肾小管内的化合物可能通过被动扩散而被再吸收，因此要看毒物是酸性或碱性，尿pH可以加速或延缓它经尿排除。所以，碱性尿有利酸性化合物排除，反之亦然。 一种化合物的存在肾中可能延缓另一种化合物的排除，如果他们利用同一运输系统；还可能发生一种化合物取代另一化合物的排除。 肾功能不全的人和新生儿（泌尿功能未充分发育），体内有毒化合物不能很快排泄时它的毒效应就增加。 2. 经胆汁排除 血中许多有毒化合物是由肝经胆汁排除。 显然，肝胆功能不良的人很可能对某些化合物毒性反应较严重。患病毒性肝炎的人是否比健康人对某些有毒化合物更敏感有待研究。慢性酒精中毒的人可能也有同样问题。 最后，肝胆系统发育未成熟的新生儿需要特别保护，使他（她）们避免摄入某些主要经胆汁排泄的外源化学物。 3. 其他排泄途径：经呼出气、汗液、唾液以及乳汁参与排泄有害化学物质，但比起上述经尿和经胆汁排泄来说重要性相对小些。但对饮奶的婴幼儿来说，乳汁还是重要的，牛奶甚至人奶可能含有药物、农药以及环境污染物，曾经在美国引起集体性（非细菌性）食物中毒。目前我国还少有对乳类的这方面的系统检测与研究。 （四）肠道微生态 虽然胎儿肠道无菌，但生下来很快就有微生物群（microflora）。应该把正常肠道微生物看成人体组成的部分并加深对它们的认识。肠道微生物群是消化食物所必需，另一方面对食物中一些物质的毒性又有重要影响。表3-3是健康成人肠道微生物的分布、数量和优势菌属，它们主要是类杆菌属(Bacteriodes)和双歧菌属（Bifidobacterium），都是无芽胞形成厌氧菌。 表3-3 肠道的微生物群 微生物种类 每克湿样品的活菌数 胃 十二指肠-空肠 回肠 结肠 直肠-粪便 链球菌Streptococci 0～105 0～105 103～104 － 102～106 乳酸杆菌Lactobacilli 0～144 0～102 103～106 104～109 102～109 类杆菌Bacteriodes 0～144 0～105 105～107 106～1070 109～1011 双歧菌Bifidobacteria 0～133 0～144 105～107 104～108 109～1011 肠球菌Enterobacteria 0 0 103～104 106～108 104～108 梭状芽胞杆菌Clastridia 0 0 0 － 0～105 韦水氏球菌Veillonellae 0 0 0～103 0～104 0～106 葡萄球菌Staphylococci 0 0 0 － － 酵母菌Yeast 0 0 0 － 0～104 在没有食物或pH＜3时，胃通常是无菌的。吃食物后，从口腔带进的细菌每ml内容物菌数达105。在小肠内菌数随食物而增加，近端可达105，回肠远端可增至107。该处有需氧菌也有厌氧菌。到了大肠和直肠细菌更多，菌种也增加数倍，甚至多达1011／g内容物。粪的大部分是由细菌组成。 胃肠道细菌群受多种因素影响，胃酸度是其中之一。胃酸缺乏的人胃内细菌数可达106／ml，胆汁刺激细菌生长，吃西式膳食的人粪中胆盐及其衍生物量较多，其中类杆菌数也较多。中国人膳食正在转变，是否部分人肠道中细菌群也在逐渐发生变化，值得研究。肠蠕动也影响肠道菌数量。患“肠道刺激综合症”（irritable bowel syndrome）的人对营养素特别是钴、脂肪酸、维生素D3以及糖吸收差，易产生营养不良。 肠道细菌对食物的发酵作用使肠内环境变酸，促进某些类型的反应，如亚硝胺形成，具有毒理学意义。 肠道细菌对食品非营养组分的代谢作用也有重要毒理学意义：回肠远端的细菌具有高度代谢能力。在小肠上段未吸收的化合物在下段可能被其中的微生物降解为毒性更小（或更大）的产物，通常转化为更易吸收的衍生物。肠道细菌的代谢类型很多，多数属于降解型。这些反应在食品安全性毒理学评价中有重要意义。 （五）年龄与代谢能力 一般说来，新生儿和幼儿对许多有毒化学物较敏感如前述。胎儿和新生儿对化学致癌物更敏感，有许多动物实验资料证明。Druckery等对乙基亚硝脲（ENU）新生大鼠单剂量致癌试验表明迟 10天后给药造成患癌动物致死的半数致死时间（LT50）相差100天，这充分说明年龄与感受性的关系，即年龄越小致癌物致癌剂量越小。 羟化酶在大鼠胎儿发育末期才发育成熟，所以二甲基亚硝胺和二乙基亚硝胺（强致癌剂）仅在孕期末（D21～22）给予才经胎盘致癌。就肿瘤发病率而言，八十年代以来，儿童肿瘤呈上升趋势。这提示胎儿期和新生儿期接触致癌物，食品可能是重要来源之一。 胎儿和新生儿对外源有毒物质较敏感的分子学与细胞学基础是他们的组织细胞处于快速增殖状态，此时的药物代谢酶水平尚低。例如葡萄糖醛酸结合酶和环氧水化酶缺乏使解毒能力较差。 根据人类肿瘤发病率与年龄的相关研究，肿瘤潜伏期为20－30年（对中年）和20－50年（对老年），所以防癌应早防，重点应针对新生儿和儿童，因为这时期很小量（与成人比较）致癌物也有可能致癌。 （六）性别 有些化合物男性较敏感，有些则女性较敏感。根据动物试验资料，急、慢性毒性的性别判别可达到5－6倍之大。 （史永亮 王 枫 叶 琳 季爱玲） � EMBED PBrush \* MERGEFORMAT ��� 图2-7 谷胱甘肽在对乙酰氨基酚与 肝蛋白共价结合的保护作用 图2-8 细胞色素P-450代谢循环示意图 1 _1234567903.unknown _1234567899.unknown _1234567900.unknown _1234567898.unknown _1234567895.unknown _1234567896.unknown