南农食品安全导论第六章食品毒理学与食品安全.ppt

1,第六章 食品毒理学与食品安全,2,第一节 毒理学概述,3,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”。 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。 毒理学研究外源化学物对机体的有害作用，而不是有益作用(如营养作用、治疗作用等)。,1 、基本概念,4,毒理学(toxicology) 是研究外源化学物对生物体损害作用的学科（传统定义）。 以毒物为工具，在实验医学和治疗学的基础上，发展为研究化学、物理和生物因素对机体的损害作用、生物学机制（biologic mechanisms） 、危险度评价（risk assessment）和危险度管理（risk management）的综合学科（现代定义）。,1 、基本概念,5,（1）描述毒理学 （Descriptive toxicology）,直接研究的是毒性鉴定，以期为安 全性评价和危险度管理提供信息；还 可为化学物的毒作用机制研究提供重 要线索,2.毒理学主要三大研究领域,6,（2）机制毒理学 （Mechanistic toxicology）,阐明化学物是如何产生毒作用的，为建 立敏感的预测试验，安全性评价，设计 和生产安全性的化学物及化学性疾病的 诊断和治疗提供依据,7,机制毒理学研究资料的用途,证实与人类直接相关的实验动物中所观 察到的损害（如癌症、出生缺陷等） 验证与人类可能无关的发生于实验动物 中的有害效应 (糖精钠) 设计和生产较为安全的化学物以及合理 治疗化学中毒和临床疾病 (反应停) 进一步加深对相关基础学科的了解(河豚毒素),8,（3）管理毒理学(Regulatory toxicology),根据描述和机制毒理学的研究资料进 行科学决策，协助政府部门制定相关法 规条例和管理措施并付诸实施，以确保 化学物、药品和食品等进入市场足够安 全，达到保护人民群众身心健康的目的,9,其他研究领域,法医毒理学（forensic toxicology) 临床毒理学(clinical toxicology) 环境毒理学（environmental toxicology) 职业毒理学(occupational toxicology),10,第二节 毒理学的研究方法,11,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，这就是利用动物实验的结果可以外推到人的基础。,12,13,第一节 毒物、毒性和毒作用,14,1.毒物及其分类,在一定条件下，以较小剂量进入机体就能干扰正常的生化过程或生理功能，引起暂时或永久的病理改变，甚至危及生命的化学物质成为毒物（poison）。,15,1.毒物及其分类,按毒物用途和分布范围分为： 工业化学品：如生产原料、辅料、中间体等； 食品添加剂：如食用色素、香精、防腐剂等； 日常化学品：化妆品、洗涤用品等； 农用化学品：如化肥、杀虫剂等； 医用化学品：如药物、消杀剂等； 环境污染物：如废水、废气、废渣中的各种学物质等； 生物毒素：如动物毒素、植物毒素等； 军事毒物：如芥子气等战争毒素； 放射性物质：如放射性核素、天然放射性元素等。,16,2.毒性及其分级,化学物质能够造成机体损害的能力，称为毒性(toxicity)。毒性是物质内在的、不变的性质，取决于物质的化学结构。,影响毒性的因素： 剂量； 接触途径（经静脉、经口、经皮等）； 接触期限、接触速率和接触频率；,17,接触期限 急性毒性试验 24小时内一次或多次染毒 亚急性毒性试验 在1个月或短于1个月的重复染毒 亚慢性毒性试验 在1个月至3个月的重复染毒 慢性毒性试验 在3个月以上的重复染毒,2.毒性及其分级,18,选择毒性（selective toxicity）：指一种化学物质只对某种生物产生损害作用，而对其他种类生物无害；或只对机体内某一组织器官发挥毒性，而对其他组织器官不具毒作用。,2.毒性及其分级,19,化学物质出现选择毒性的原因可能在于：,物种和细胞学差异 不同生物或组织器官对化学物质生物转化过程的差异 不同组织器官对化学物质亲和力的差异 不同组织器官对化学物质所致损害的修复能力的差异,早在1908年就被合成 仅作为合成偶氮染料的中间体 体内外均有抑菌活性,例、磺胺类兽药,作用机制竞争性拮抗,-由于结构极为相似 分子大小 电荷分布,H,二氢叶酸,L-谷氨酸,二氢叶酸合成酶,二氢叶酸还原酶,四氢叶酸,二氢叶酸合成酶,二氢喋啶焦磷酸酯,磺胺类药物作用部位,作用机制,二氢喋啶对氨基苯甲酸,23,3.毒作用及其分类,化学物质的毒作用（toxic effect）又称为毒效应,是化学物质对机体所致的不良或有害的生物学改变，故又可称为不良效应、损伤作用或损害作用，是其本身或代谢产物在作用部位达到一定数量并停留一定时间，与组织大分子成分互相作用的结果。,24,3.毒作用及其分类,毒性和毒效应的区别: 毒性是化学物固有的生物学性质，无法改变，而毒效应是化学物毒性在某些条件下引起机体健康有害作用的表现，改变条件就可能影响毒效应。,25,3.毒作用及其分类,速发或迟发性作用： 速发性毒作用(immediate effect) 是指 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。 迟发性毒作用(delayed effect)是指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。,26,3.毒作用及其分类,局部与全身作用： 局部毒性作用(local 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。 全身毒性作用(systemic 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。,27,3.毒作用及其分类,可逆与不可逆作用： 可逆作用(reversible effect)是指停止接触外源化学物后可逐渐消失的毒性作用。 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。,28,3.毒作用及其分类,超（过）敏性反应： 超（过）敏反应(hypersensitivity)也称变态反应(a11ergic reaction)，是机体对外源化学物产生的一种病理性免疫反应。 特异体质反应： 特异体质反应(idiosyncratic reaction) 通常是指机体对外源化学物的一种遗传性异常反应。,29,4.损害作用与非损害作用,外源化学物对机体的损害作用（adverse effect)是指影响机体行为的生物学改变，功能紊乱或病理损害，或者降低对外界环境应激的反应能力。,30,4.损害作用与非损害作用,损害作用(adverse effect)的特点： 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。 机体功能容量降低。 机体对外加应激的代偿能力降低。 机体对其他某些环境因素不利影响的易感性增高。,31,4.损害作用与非损害作用,非损害作用(non-adverse effect)的特点： 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； 不引起机体对额外应激状态代偿能力的损伤。 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。,32,4.损害作用与非损害作用,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。 非损害作用与损害作用具有相对性和发展性。,33,毒效应谱(spectrum of toxic effects)： 指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，可以表现为： 机体对外源化学物的负荷增加 意义不明的生理和生化改变 亚临床改变 临床中毒 甚至死亡,5.毒效应谱,34,靶器官 (target organ)： 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。 许多化学物质有特定的靶器官，另有一些则作用于同一个或同几个靶器官。 在同一靶器官产生相同毒效应的化学物质，其作用机制可能不同。 某个特定的器官成为毒物的靶器官可能有多种原因。,6.靶器官,35,生物学标志(biomarker，biological marker) 指针对通过生物学屏障进入组织或体液后，对该外源化学物或其生物学后果的测定指标。 可分为接触生物学标志、效应生物学标志和易感性生物学标志三类。,7.生物学标志,36,接触生物学标志(biomarker of exposure) 是对各种组织、体液或排泄物中存在的化学物质及其代谢产物，或它们与内源性物质作用的反应产物的测定值，可提供有关化学物质暴露的信息。 体内剂量标志可以反映机体中特定化学物质及其代谢物的含量，即内剂量或靶剂量。 生物效应剂量标志可以反映化学物质及其代谢产物与某些组织细胞或靶分子相互作用所形成的反应产物含量。,7.生物学标志,37,效应生物学标志(biomarker of effect) 指机体中可测出的生化、生理、行为等方面的异常或病理组织学方面的改变，可反映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。 包括反映早期生物效应(early biological effect)、结构和或功能改变(altered structurefunction)、及疾病(disease)三类标志物。,7.生物学标志,38,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。 易感性生物学标志可用以筛检易感人群，保护高危人群。,7.生物学标志,39,保护了高危人群 就保护了整个人群,高危险人群:易受环境因素损害的那部分易感人群称为高危险人群（high risk group),在同一污染环境中，高危险人群比正常人出现健康危害早而且程度也严重。 构成这种易感性的生物学基础： 年龄，性别，遗传因素，营养及膳食情况，疾病状况，其它,40,7.生物学标志,接触标志,效应标志,暴露,吸收剂量,靶剂量,生物学效应,健康效应,易感性标志,图2-2 从暴露到健康效应的模式图和与生物学标志的关系,41,第二节 剂量、剂量量反应关系和剂量质反应关系,42,1、可指机体接触化学物质的量或在试验中给予机体受试物的量（外剂量）， 2、可指化学物质被吸收入血的量（内剂量）或到达靶器官并与其相互作用的量（靶剂量、生物有效剂量）。,1.剂量（dose）：,43,反应（response） 指化学物质与机体接触后引起的生物学改变。 量反应 质反应,2.量反应与质反应,44,2.量反应与质反应,量反应(graded response) 通常与表示化学物质在个体中引起的毒效应强度的变化。属于计量资料，有强度和性质的差别，可以某种测量数值表示。这类效应称为量反应。 质反应 (quantal response) 用于表示化学物质在群体中引起的某种毒效应的发生比例。属于计数资料，没有强度的差别，不能以具体的数值表示。,45,3.剂量-量反应关系和 剂量-质反应关系,剂量量反应关系（graded dose-response relationship） 表示化学物质的剂量与个体中发生的量反应强度之间的关系。 剂量质反应关系（quantal dose-response relationship） 表示化学物质的剂量与某一群体中质反应发生率之间的关系。,46,3.剂量-量反应关系和 剂量-质反应关系,剂量量反应关系和剂量质反应关系统称为剂量反应关系。 剂量反应关系的存在被视为受试物与机体损伤之间存在因果关系的证据。,47,剂量反应关系可以用曲线表示，即以表示量反应强度的计量单位或表示质反应的百分率为纵坐标、以剂量为横坐标绘制散点图，可得到一条曲线。,4.剂量-反应曲线,48,4.剂量-反应曲线,对称S形曲线 S形曲线 非对称S形曲线 直线 抛物线,49,(1) S形曲线 是典型剂量反应曲线，多见于剂量质反应关系中：,对称S形曲线：当群体中的全部个体对某一化学物质的敏感性差异呈正态分布时，剂量与反应率之间的关系表现为对称S形曲线。,50,非对称S形曲线：与对称S形曲线比较，该曲线在靠近横坐标左侧的一端曲线由平缓转为陡峭的距离较短，而靠近右侧的一端曲线则伸展较长。它表示随着剂量增加，反应率的变化呈偏态分布。,51,常用引起50反应率的剂量来表示化学物质的毒性大小。 如半数致死剂量、半数中毒剂量、半数效应剂量等。,52,(2)直线 化学物质剂量的变化与反应的改变成正比。 (3)抛物线 为一条先陡峭后平缓的曲线，类似于数学中的对数曲线，又称为对数曲线型。这种曲线只需将剂量换算为对数即可转变为一条直线。可见于剂量量反应关系中。,53,54,第三节 外源化学物在体内的生物转运和生物转化,55,一、ADME过程,吸收(Absorption) 分布(Distribution) 代谢(Metabolism) 排泄(Excretion),生物转运- 吸收、分布与排泄 生物转化代谢变化 消除代谢、排泄,56,（）化学毒物的固有毒性和接触量 （）化学毒物或其活性代谢物在靶器管内的浓度和持续时间,二、影响化学毒物对机体的毒性作用因素,57,三、研究ADME过程的意义,了解毒物在体内的过程 为中毒机理研究提供线索 为急救和治疗措施提供参考 提供接触生物学标志和中毒诊断指标,58,吸收（absorption）：外源化学物从机体的接触部位透过生物膜屏障进入血液的过程。 主要途径： 呼吸道 胃肠道 皮 肤,59,肝脏的首过消除（first pass elimination）：经胃肠道吸收的外源化学物通过门静脉系统首先到达肝脏，进行生物转化后，再进入体循环。,60,一、外源化学物分布的毒理学意义,分布（distribution）: 是指外源化学物吸收后，随血液或淋巴液分散到全身组织细胞的过程 分布的影响因素： 1、器官或组织的血流量； 2、对外源化学物的亲和力。,61,二、毒物在组织中的蓄积,蓄积（accumulation）：外源化学物以相对较高的浓度富集于某些组织器官的现象,毒物蓄积的部位称为贮存库。 (1) 物质蓄积 (2) 功能蓄积 体内的主要储存库: (1)血浆蛋白储存库； (2)肝、肾贮存库； (3)脂肪组织贮存库 (4)骨骼组织贮存库,62,化学毒物在体内的贮存具有双重意义,对急性中毒具有保护作用，可减少在靶器 官中的化学毒物的量 可能成为一种游离型化学毒物的来源，具 有潜在的危害,63,排泄途径,尿液,粪便,肺脏,汗腺,乳汁,排泄（excretion): 是外源化学物经由不同途径排出机体的过程,64,肠肝循环(enterohepatic circulation) 是指部分外源化学物在生物转化过程中形成结合物，并以结合物的形式排出在胆汁中；肠内存在的肠菌群以及葡萄糖苷酸酶，可将部分结合物水解，则使外源化学物又重新被吸收的过程 毒理学意义：排泄速度减慢、延长生物半减期、毒作用持续时间延长,65,66,生物转化（biotransformation）：又称代谢转化，是指外源化学物在体内经历酶促反应或非酶促反应而形成代谢产物的过程 生物转化的意义：水溶性增加、毒性降低,1、基本概念,一 、生物转化的意义,67,代谢解毒（metabolic detoxication)： 外源化学物经生物学化使其毒性降低， 易于排出体外的过程 代谢(生物）活化（metabolic activation）： 外源化学物经生物转化使其毒性增强，甚至可产生致畸、致癌效应的过程,1、基本概念,68,代谢活化产物：,1、生成亲电子剂；（最常见） 2、生成自由基； 3、生成亲核剂；（少见） 4、生成氧化还原剂。（少见）,69,相反应(phase biotransformation)指经过氧化、还原和水解等反应使外源化学物暴露或获得一些极性基团，如-OH、-NH2、-SH、-COOH等，水溶性增高并成为适合于相反应的底物。,(一) 相反应：,一、 生物转化反应类型,70,（1）细胞色素P450酶系,微粒体细胞色素P450酶系又称为微粒体混合功能氧化酶（MFO）。,血红蛋白类（细胞色素 P450和细胞色素 b5） 黄素蛋白（NADPH细胞色素450还原酶和 NADH细胞色素b5还原酶） 磷脂（磷脂酰胆碱）,71,细胞色素P-450氧化酶位于内质网，内质网的碎片称为微粒体。在氧化反应中，O2起了“混合”作用，即一个氧原子还原为水，另一个氧原子进入底物中。因此，这些酶称微粒体混合功能氧化酶（MFO）。,72,73,苯并(a)芘（BaP）的代谢活化和解毒,74,氧化脱硫,氧化脱卤反应,毒性增大3倍,75,(二）相反应（结合反应)：,结合反应(conjugation)：外源化合物原有的或经I相反应后引入或暴露出来的羟基、氨基、羧基、巯基、羰基和环氧基等集团与内源性辅因子之间发生的生物合成反应。,76,对象：含有OH、-COOH、-NH2、-SH的外源化学物或I相代谢产物 催化酶：葡萄糖醛酸基转移酶 (UDP-glucuronyl transferases, UGT),1. 葡萄糖醛酸结合反应,77,1. 葡萄糖醛酸结合反应,* 葡萄糖醛酸基的直接供体 尿苷二磷酸葡萄糖醛酸 (UDPGA),糖代谢,78,UGPGA+ROH UGPGT R-O-GA+UDP,酶：尿苷二磷酸(UDP)葡萄糖醛酸基转移酶 底物：含有OH,-COOH,-NH2,-SH的毒物,79,形成O-葡萄糖醛酸化物,形成N-葡萄糖醛酸化物,形成S-葡萄糖醛酸化物,80,2. 硫酸结合反应,PAPS： 3-磷酸腺苷-5-磷酰硫酸 酶：硫转移酶（sulfotransferase, SULT) 底物：含有OH,-NH2,-SH的毒物 底物剂量低时，主要与硫酸结合，剂量高时，与葡萄糖醛酸结合。,81,通常，硫酸结合后，亲水性大大加强,毒性降低。 但也存在毒性增加的情况。,例：在硫转移酶的催化下与醇类、酚类或胺类结合为硫酸酯。,苯胺 N-苯基氨基磺酸酯,苯酚 硫酸苯酯,82,3.谷胱甘肽（GSH）结合,酶：谷胱甘肽S-转移酶 亲电子剂解毒和消除自由基 GSH可与含有亲电子C、N、S、O的毒物反应，酶反应与非酶反应均可发生,83,例：环氧化物的解毒：,环氧溴化苯： 强肝脏毒物,84,酶：甲基转移酶，由S-腺苷甲硫氨酸提供甲基 甲基供体：S-腺苷甲硫氨酸 底物：苯酚、儿茶酚、脂肪胺、芳香胺、N-杂环、重金属和含巯基化合物等 甲基嵌入位置：-O, -N,-S,4、甲基化作用,85,5、乙酰化作用(acetylation),底物：含伯胺、羟基、巯基的毒物，将乙酰辅酶A的乙酰基转移到底物上 酶： N-乙酰转移酶（N-acetyltransferase,NAT） 芳香伯胺和肼的伯氨基乙酰化是主要转化途径 可以解毒（乙酰化），也可增毒（N-羟化）,N-乙酰转移酶,86,羧酸：解毒反应 芳香羟胺：活化反应（氮宾离子，碳宾离子）,N-乙酰转移酶,6、氨基酸结合,第四节 毒 性 机 制 （Mechanisms of Toxicity),研究中毒机制步骤,整体动物有无毒性 找出靶器官、靶组织 进一步找出受损的细胞、亚细胞 分子水平：DNA、RNA或蛋白质,产生毒性可能的途径,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,第一节 毒物的ADME过程 与靶器官,终毒物：是指与生物靶分子（如受体、酶、DNA等）反应或严重地改变生物学（微）环境，启动结构和（或）功能改变（其结果表现为毒性）的化学物 终毒物在其作用位点的浓度及持续时间决定了毒效应的强度,概述,毒物的吸收 毒物进入体循环前的消除,一、从接触部位进入血液循环,1.毛细血管内皮的多孔性 2.专一化的膜转运 3.细胞器内的蓄积 4.可逆性细胞内结合,（一）促进毒物分布到靶部位的机制,二、从血液循环进入靶部位,1.血浆蛋白结合 2.专一化屏障 3.贮存部位的部分 4.与细胞内结合蛋白结合 5.从细胞内排出,（二）防碍毒物分布到靶部位的机制,（三）排泄与重吸收,排泄（excretion):是指外源化学物及其代谢产物从血液中消除并返回外界环境的过程。,三、增毒与解毒,亲电子剂（electrophiles) 自由基(free radicals) 亲核物(nuclephiles) 氧化还原性反应物(redox-active reductants),（一）终毒物的形成,亲电子剂是指含有一个缺电子原子（带部分或全部正电荷）的分子，与亲核物中的富电子原子共享电子对发生反应。,1、亲电子剂,通过插入一个氧原子而产生，氧原子从其附着的原子中抽取一个电子，使其具有亲电性。 共轭双键的形成，使得双键碳之一发生电子缺失。 键异裂形成阳离子亲电物。,亲电子剂的形成,自由基（free radicals）是在其外层轨道中含有一个或多个不成对电子的分子或分子片段。,2、自由基,接受一个电子,丢失一个电子,共价键均裂,分子或原子 带电荷的离子 原子团,特征：最外层电子不成对,从氧衍生出来的自由基及其产物称为活性氧。,例：氧还原成水的过程,百草枯（PQ2+) 阿霉素（DR) 呋喃妥英（NF),亲核物的形成是毒物活化作用较少见的一种机制。 硒化氢(H2Se)是由亚硒酸盐与谷胱甘肽或其它巯基反应形成的一种强亲核物 一氧化碳是二氯甲烷经过氧化脱卤反应而形成的毒性代谢产物,3.亲核物,生氰糖苷,D-葡萄糖,醛或酮,-氰醇,-氰醇,生氰糖苷产生氰氢酸的过程,4.活性氧化还原反应物,肠道细菌还原,硝酸盐,亚硝酸酯或硝酸酯 谷胱甘肽,亚硝酸盐,高铁血红蛋白,消除终毒物或阻止终毒物生成的生物转化过程称为解毒。 解毒可以与增毒过程竞争某一化学物。 解毒的途径，取决于有毒物质的化学特征。,（二）解毒作用,无功能基团化学物（苯和甲苯）+功能基团（羟基和羧基） CyP450 含功能基团产物+内源性酸如葡萄糖醛酸、硫酸或氨基酸 转移酶 不活泼的、高度亲水的有机酸排出体外,1.无功能基团毒物的解毒：,2亲核物的解毒,亲核物通过亲核功能基团的结合反应进行解毒。 硫酸化 葡萄糖醛酸 甲基化 乙酰化,氰离子在人体内的解毒,3亲电物的解毒,可自发发生； 也可由谷胱甘肽S转移酶催化。 特殊解毒机制 其它解毒机制,4.自由基解毒,没有任何一种酶能排 除HO . 唯一有效的抗HO . 方 法是防止其产生，可 通过两个反应即将O2 -. 先转化成HOOH，再 将HOOH转化成水。,4.自由基解毒,抗氧化酶 a 超氧化物歧化酶（SOD）：是一类含有不同辅基的金属结合酶家族，如Cu，Zn-SOD主要在胞浆，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 谷胱甘肽过氧化物酶（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