食品中親電物質的最新研究進展

李 磊，周昇昇

食品中親電物質的最新研究進展

李 磊1，周昇昇2

(1.河南商業高等專科學校食品系，河南 鄭州 450044；2.河南省疾病預防控制中心， 公共衛生研究所，河南 鄭州 450016)

食品中的親電物質是高效低毒的核轉錄因子NF-E2相關因子2(Nrf2)誘導劑，通過Keap1/Nrf2/ARE通路激活Ⅱ相酶和抗氧化酶的轉錄。Ⅱ相酶和抗氧化蛋白可發揮慢速、長效的抗氧化和解毒作用。目前已經發現食品中有9類親電物質，它們具有相似的結構特征。研究和開發食品中的親電物質，將成為功能性食品新的研究領域。

食品中的親電物質；基因營養學；功能性食品；Ⅱ相酶

飲食是維持生命的基本要素，食物中的成分在滿足人類正常營養需求的同時也日積月累引起一些疾病，如肥胖、高血壓、心血管疾病、癌癥等，造成了巨大的醫療負擔，因此了解食物中的成分以及對身體的影響成為食品科學和醫學等學科共同研究的課題。從一開始的成分熱量分析，到由生化技術了解各種食物的成分及影響，到了20世紀后期，由于分子生物學的蓬勃發展，發展出了營養基因組學及基因營養學兩門新學說。營養基因組學是藉由分子生物學來分析探討各種營養成分是如何影響基因的表現、蛋白質的合成及細胞系統的功能。而基因營養學則是找出單核苷酸多型性是如何造成營養利用代謝上的個體差異[1]。比如發現十字花科植物中的異硫氰酸鹽預防癌癥成為基因營養學研究的一個方向[2]。

除了外源化合物(xenobiotics)、脂質過氧化物，食品中的親電物質近期受到了廣泛關注。食品中的親電物質可以以共價鍵形式結合于高分子化合物如蛋白質、核酸，使得暴露在其中的細胞會潛在發生一系列特有的和廣泛的生物學反應，如主要是通過氧化還原調節通路Keap1/Nrf2/ARE而誘導Ⅱ相酶和抗氧化蛋白的表達，而Ⅱ相酶和抗氧化蛋白可以消除或滅活氧化應激與致癌性親電物質，從而達到預防和治療疾病的目的[3]。

1 親電物質的定義

有機化學中親電物質是指在反應中接受親核試劑的一對電子的試劑[4]，包括以下幾類: 1)陽離子如H+和NO+；2)可以極化的中性分子如HCl、鹵代烷、酰化鹵、羰基化合物、Cl2、Br2；3)氧化劑如有機酸；4)最外層少于8個電子的分子如烯烴和一些路易斯酸(Lewis acid)如BH3。下式是有機化學中路易斯酸和路易斯堿的反應式。

式中:E+為路易斯酸，Nu－為路易斯堿。

2 體內親電物質的發現和反應機理

體內的親電物質主要包括外源化合物產生的親電物質(包括致癌物質衍生物、藥物代謝產生的親電物質和環境有毒污染物)和內生長的親電物質(如由氧化應激產生的脂質過氧化物等親電物質)。

2.1 體內親電物質的發現

親電物質的發現最早是在60年前，當時發現大鼠中親電致癌物質對二甲氨基偶氮苯是以共價鍵的形式結合到肝臟組織的蛋白質上。20世紀60年代早期，DNA致癌物(致癌物質與核苷酸RNA、DNA結合)的發現，導致很長一段時間內DNA損傷-突變-致癌理論成為主導，直到血色素結合物成為癌癥出現的生物標志性物質，親電物質以共價鍵結合蛋白質而導致蛋白質變性才被人們又一次所關注。動物體內細胞毒素的過氧化反應生成一系列有毒性的共軛醛類化合物，如4-羥基-2-壬烯醛和4-氧-2-壬烯醛就屬于親電物質。動物體外酶代謝某些藥物如對乙酰氨基酚會產生以共價鍵的形式結合在蛋白質上的親電代謝物。在植物體內中，酶反應產生的親電物質包括茉莉素前體OPDA(oxophytodienoic acid)和2-(E)-乙烯醛，非酶反應脂質氧化物產生的親電物質包括丙二醛、4-羥基-2-壬烯醛、環戊烯酮在高等植物中普遍存在。

2.2 體內親電物質的反應機理

體內的親電物質(包括外源化合物產生的和內生長的親電物質)和氧化劑(氧化應激產生的活性氧簇(reactive oxygen specie，ROS))是癌癥、動脈硬化、神經惡化、衰老的主要原因，而生物體本身具有敏感的保護機制抵消來自于親電試劑和氧化劑的破壞作用[5]。

外源化合物(如藥物和致癌物質)需要經歷連續的3步代謝反應(圖1)，而且每一步都需要特定的蛋白質酶催化[6]。通過與肝細胞蛋白半胱氨酸殘基的巰基、賴氨酸殘基的氨基等共價結合，破壞生物膜完整性及膜上受體和酶活性，改變膜的結構與抗原特異性，造成肝細胞的損傷，或者含有親電子基、自由基等活性親電物質可以與DNA結核形成結合物，引起癌基因和抑癌基因改變。第2步，Ⅱ相酶主要由谷胱甘肽轉移酶(GSTs)、葡萄糖醛酸轉移酶(UGTs)、超氧化物歧化酶2(SOD2)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NA DPH)、苯醌氧化還原酶1 (NQO1)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)、血紅素氧合酶(HO-1)、γ-谷氨酸合成酶重鏈(γ-GCSh)等組成，可以競爭性得抑制外源化合物的活性，催化Ⅰ相酶反應產物和親水化合物(葡萄糖醛酸、谷胱甘肽)結合，這樣可以增加反應化合物的水溶性，利于通過泌尿系統排出體外，從而保護機體免受毒性物質(如致癌物、藥物代謝活化產物等)及一些活性物質(如ROS)的侵害。第3步，通過Ⅲ相酶的排出轉運機制，Ⅱ相酶產生無生物活性的代謝物排出體外。對于外源化合物的代謝反應，Ⅰ相酶的活性作用和Ⅲ相酶的解毒作用的平衡是最關鍵的決定性因素。單獨提高Ⅱ相酶對氧化劑和親電試劑的解毒功能可以提高抗癌效果[7]。

從基因營養學角度，外源化合物是由轉錄因子芳香烴受體(aryl hydrocarbon receptor，AhR)激活，與外源性物質反應元件(xenobiotic responsive element，XRE)結合，主要調節Ⅰ相代謝酶表達，AhR受體通路已在細胞氧化應激狀態下的CYP450還原酶的誘導機制中得到了證實。

內生長的親電試劑和外源化合物產生的親電試劑導致的毒性、生理和病理現象的機理是一樣的。內生長的親電物質與蛋白質共價鍵結合形成的結合物可以導致藥物或其他化合物的毒性，導致蛋白質不可逆轉的變性，很可能是細胞發生炎癥的原因。比如致癌物質和有毒藥物可以與蛋白質進行簡單結合，氧化應激、糖化、酶反應產生的親電物質可以導致蛋白質性質發生改變，而ROS和活性氮族(RNS)可以導致蛋白質發生氧化。這些變化包括蛋白質的磷酸化、酰基化、甲基化、泛素化和類泛素化等。體內大部分組織存在的一種主要的環氧化酶(COX)前列腺素D2，容易發生脫水反應產生親電的前列腺素類物質，如15-脫氧-△12,14-前列腺素J2 (15-deoxy-△12,14-prostaglandin J2，15d-PGJ2)，這種親電物質容易和親核試劑如GSH和半胱氨酸以共價鍵發生邁克爾(Michael)反應(圖2)。邁克爾反應是指α,β-不飽和醛酮、羧酸、酯、硝基化合物等與有活潑亞甲基化合物的共軛加成反應，邁克爾反應產物醛-蛋白質結合物成為氧化應激出現和反應程度的標志物是脂質過氧化反應的最重要發現。

圖1 外源化合物的連續3步反應機理Fig.1 Three-step metabolic reactions of xenobiotics

第1步，Ⅰ相酶主要由細胞色素P450(CYP450)酶組成，主要作用是催化使疏水有機分子中引入官能團的反應，大多數情況下反應產物沒有活性，但是一些反應產物為含有親電子基、自由基的活性親電物質，這些親電物質能攻擊細胞不飽和脂肪酸，產生以丙二醛(MDA)為代表的脂質過氧化產物。脂質過氧化產物可以

圖2 邁克爾(Michael)反應機理Fig.2 Mechanism of Michael reaction

3 食品中的親電物質

經流行病學調查蔬菜的高攝入量可以有效地降低癌癥發生[8]、預防慢性疾病，部分原因是由于蔬菜中含有Ⅱ相酶基因誘導劑，這些誘導劑就是食品中的親電物質。

Talalay等[9]發現給小鼠注射丁基羥基茴香醚(BHA)可以減少致突變物苯并芘的形成，同時可以增加許多組織中Ⅱ相酶的解毒生物活性。

3.1 食品中的親電物質是高效低毒的Nrf2誘導劑

核轉錄因子NF-E2相關因子2(Nrf2)在肝臟、腎臟、心臟、腸胃、肌肉組織、大腦中普遍存在，是細胞調節抗氧化應激反應的重要轉錄因子，是細胞抗氧化還原的中樞調節者[10]。生理狀態下Nrf2和Kelch樣ECH聯合蛋白1(Kelch-like ECH-associated protein1，Keap1)結合使活性處于相對抑制狀態。Nrf2與Keap1解離可在以下兩種情況下發生:一是當外界氧化應激因子或親電物質(如15d-PGJ2)刺激后，Keap1中的巰基改變(修飾)，構象發生變化；二是通過蛋白激酶C(PKC)途徑使Nrf2磷酸化。Nrf2被激活與Keap1解離進入胞質，Nrf2與Maf蛋白形成異二聚體(heterodimer)，然后該異二聚體主要與抗氧化反應元件(antioxidant response element，ARE)或類似親電子反應元件(electrophile response element，EpRE)結合，誘導編碼抗氧化蛋白和Ⅱ相解毒酶的表達，在細胞的防御保護中發揮重要作用(圖3)。Nrf2缺失或激活障礙，可加重氧化應激源的細胞毒性，導致細胞功能障礙、凋亡甚至死亡。Keap1/Nrf2/ARE通路在抗氧化[11-16]、抗腫瘤[17-19]、抗應激、調節GSH合成、抗凋亡、抗炎癥反應、神經保護、糖尿病等方面發揮著廣泛的細胞保護功能[20-21]。

圖3 Keap1/Nrf2/ARE通路示意圖Fig.3 Schematic diagram of Keap1/Nrf2/ARE signaling pathway

由于氧化應激產生的ROS和外源化合物也能夠誘導Nrf2，但是這兩種物質本身對身體有害，而食品中的親電物質則是高效低毒的Nrf2誘導劑。

3.2 食品中的親電物質是間接的抗氧化劑

機體有兩類抗氧化防御體系，包括酶類反應系統和非酶類系統，酶類反應系統包括SOD、GSH-Px、CAT和轉化活性物質的Ⅱ相酶；非酶類系統主要為小分子物質，如巰基化合物、VC及VE等小分子物質。酶類反應系統可發揮慢速、長效的抗氧化和解毒作用，非酶類系統則可起到短效而迅速的抗氧化和解毒作用，兩者聯合作用可有效清除氧自由基、穩定細胞環境和預防組織器官受到氧化損害[22-23]。

自由基清除劑作為直接的抗氧化劑起到抗氧化作用，而食品中的親電物質作為間接的抗氧化劑，原因如下:

1)Ⅱ相酶除了常見的結合酶(如GSTs和UTGs)，還有一些抗氧化酶的蛋白質(HO-1、過氧化氫酶等)，以及一些可以影響氧化狀態的非酶類保護蛋白(如鐵蛋白和硫氧還蛋白)。2)許多細胞保護蛋白具有多種功能，比如所有的GSTs可以催化外源性和內源性親電物質的解毒反應，同時一些GSTs具有GSH過氧化氫酶作用清除氫過氧化物。3)一些細胞保護蛋白可以催化產生直接抗氧化酶物質的反應，比如HO-1可以催化生成一氧化碳和膽綠素/膽紅素。4)Ⅱ相酶促進一些抗氧化酶的更新，如GSH還原酶。5)細胞保護蛋白的基因編碼都是通過ARE/ Nrf2/Keap1通路誘導。

3.3 目前已發現的食品中的親電物質

目前食品中發現許多Nrf2誘導劑，如異硫氰酸酯(鹽)特別是主要化合物萊菔硫烷[24]、姜黃素[25]、依布硒(Ebselen)[26]、二烯丙基硫化物、酚類化合物、類胡蘿卜素、奧替普拉(oltipraz)[27]。

圖4 含有邁克爾反應受體中心的親電物質Fig.4 Electrophiles with acceptor center in Michael reaction

利用NQO1和GSTs作為Nrf2誘導劑測定實驗可以確定食品中的親電物質[28-29]，如發現有9種物質NQO1具有很好的誘導作用，這9種物質分別為氧化多酚、苯二胺、醌類；邁克爾反應受體(圖4)；氫過氧化物；鄰二硫醇醚；三價砷；1,2-二硫-3-硫酮；二價重金屬；類胡蘿卜素、共軛多烯；異硫氰酸鹽(ITCs)。

下列物質對GSTs具有很好的誘導作用:如羥基壬烯醛(HNE)、15d-PGJ2、依布硒(ebselen)、叔丁基對苯二酚、香茅檸檬醛、熱帶生姜中的花姜酮、一種可食花的橙酮相關化合物、ITCs和其他一些物質(圖5)。

4 結 語

機體內氧化還原水平失衡是眾多疾病的病理生理基礎，調節體內氧化水平是改善病理生理變化的策略之一。不同于以往的外源性抗氧化劑，由食品中的親電物質誘導的Nrf2-ARE抗氧化系統由于是調控多種抗氧化酶轉錄表達的關鍵內源性通路，對于此通路的調控為實現有效、適度抗氧化治療提供了新方法。食品中含有亞甲基的親電物質不僅能夠調節氧化應激，而且也能夠對還原應激(reductive stress)有一定的調節作用[30-31]。因此食品中的親電物質可以成為調節機體氧化還原平衡的功能性食品研究新領域。

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Research Progress in Electrophiles in Foods

LI Lei1，ZHOU Sheng-sheng2
(1. Department of Food, Henan Business College, Zhengzhou 450044, China；2. Institute of Public Health, Henan Center for Disease Control and Prevention, Zhengzhou 450016, China)

Electrophiles in foods are efficient and low toxic inducer of the nuclear transcription factor NF-E2 related factor 2 (Nrf2), which activates the expression of phase Ⅱ detoxification enzymes and antioxidant enzymes through Keap1/Nrf2/ARE signaling pathway. The phase Ⅱ detoxification enzymes and antioxidant proteins play a slow, but long-lasting antioxidant and detoxification role in the body. So far, nine types of electrophiles have been identified in foods. They have similar structure. For their healthy property, it is believed that study of electrophiles in foods will be a new and hot research area of functional food. Key words:electrophiles in foods；nutrigenetics；functional food；phaseⅡenzymes

圖5 GSTs誘導物的化學結構Fig.5 Chemical structure of glutathione s-transferase (GST) inducers

TS206.4

A

1002-6630(2012)15-0331-04

2011-06-26

李磊(1980—)，男，講師，碩士，研究方向為食品營養與安全。E-mail:hongyi66@163.com