食品中亲电物质的最新研究进展

李 磊，周昇昇

食品中亲电物质的最新研究进展

李 磊1，周昇昇2

(1.河南商业高等专科学校食品系，河南 郑州 450044；2.河南省疾病预防控制中心， 公共卫生研究所，河南 郑州 450016)

食品中的亲电物质是高效低毒的核转录因子NF-E2相关因子2(Nrf2)诱导剂，通过Keap1/Nrf2/ARE通路激活Ⅱ相酶和抗氧化酶的转录。Ⅱ相酶和抗氧化蛋白可发挥慢速、长效的抗氧化和解毒作用。目前已经发现食品中有9类亲电物质，它们具有相似的结构特征。研究和开发食品中的亲电物质，将成为功能性食品新的研究领域。

食品中的亲电物质；基因营养学；功能性食品；Ⅱ相酶

饮食是维持生命的基本要素，食物中的成分在满足人类正常营养需求的同时也日积月累引起一些疾病，如肥胖、高血压、心血管疾病、癌症等，造成了巨大的医疗负担，因此了解食物中的成分以及对身体的影响成为食品科学和医学等学科共同研究的课题。从一开始的成分热量分析，到由生化技术了解各种食物的成分及影响，到了20世纪后期，由于分子生物学的蓬勃发展，发展出了营养基因组学及基因营养学两门新学说。营养基因组学是藉由分子生物学来分析探讨各种营养成分是如何影响基因的表现、蛋白质的合成及细胞系统的功能。而基因营养学则是找出单核苷酸多型性是如何造成营养利用代谢上的个体差异[1]。比如发现十字花科植物中的异硫氰酸盐预防癌症成为基因营养学研究的一个方向[2]。

除了外源化合物(xenobiotics)、脂质过氧化物，食品中的亲电物质近期受到了广泛关注。食品中的亲电物质可以以共价键形式结合于高分子化合物如蛋白质、核酸，使得暴露在其中的细胞会潜在发生一系列特有的和广泛的生物学反应，如主要是通过氧化还原调节通路Keap1/Nrf2/ARE而诱导Ⅱ相酶和抗氧化蛋白的表达，而Ⅱ相酶和抗氧化蛋白可以消除或灭活氧化应激与致癌性亲电物质，从而达到预防和治疗疾病的目的[3]。

1 亲电物质的定义

有机化学中亲电物质是指在反应中接受亲核试剂的一对电子的试剂[4]，包括以下几类: 1)阳离子如H+和NO+；2)可以极化的中性分子如HCl、卤代烷、酰化卤、羰基化合物、Cl2、Br2；3)氧化剂如有机酸；4)最外层少于8个电子的分子如烯烃和一些路易斯酸(Lewis acid)如BH3。下式是有机化学中路易斯酸和路易斯碱的反应式。

式中:E+为路易斯酸，Nu－为路易斯碱。

2 体内亲电物质的发现和反应机理

体内的亲电物质主要包括外源化合物产生的亲电物质(包括致癌物质衍生物、药物代谢产生的亲电物质和环境有毒污染物)和内生长的亲电物质(如由氧化应激产生的脂质过氧化物等亲电物质)。

2.1 体内亲电物质的发现

亲电物质的发现最早是在60年前，当时发现大鼠中亲电致癌物质对二甲氨基偶氮苯是以共价键的形式结合到肝脏组织的蛋白质上。20世纪60年代早期，DNA致癌物(致癌物质与核苷酸RNA、DNA结合)的发现，导致很长一段时间内DNA损伤-突变-致癌理论成为主导，直到血色素结合物成为癌症出现的生物标志性物质，亲电物质以共价键结合蛋白质而导致蛋白质变性才被人们又一次所关注。动物体内细胞毒素的过氧化反应生成一系列有毒性的共轭醛类化合物，如4-羟基-2-壬烯醛和4-氧-2-壬烯醛就属于亲电物质。动物体外酶代谢某些药物如对乙酰氨基酚会产生以共价键的形式结合在蛋白质上的亲电代谢物。在植物体内中，酶反应产生的亲电物质包括茉莉素前体OPDA(oxophytodienoic acid)和2-(E)-乙烯醛，非酶反应脂质氧化物产生的亲电物质包括丙二醛、4-羟基-2-壬烯醛、环戊烯酮在高等植物中普遍存在。

2.2 体内亲电物质的反应机理

体内的亲电物质(包括外源化合物产生的和内生长的亲电物质)和氧化剂(氧化应激产生的活性氧簇(reactive oxygen specie，ROS))是癌症、动脉硬化、神经恶化、衰老的主要原因，而生物体本身具有敏感的保护机制抵消来自于亲电试剂和氧化剂的破坏作用[5]。

外源化合物(如药物和致癌物质)需要经历连续的3步代谢反应(图1)，而且每一步都需要特定的蛋白质酶催化[6]。通过与肝细胞蛋白半胱氨酸残基的巯基、赖氨酸残基的氨基等共价结合，破坏生物膜完整性及膜上受体和酶活性，改变膜的结构与抗原特异性，造成肝细胞的损伤，或者含有亲电子基、自由基等活性亲电物质可以与DNA结核形成结合物，引起癌基因和抑癌基因改变。第2步，Ⅱ相酶主要由谷胱甘肽转移酶(GSTs)、葡萄糖醛酸转移酶(UGTs)、超氧化物歧化酶2(SOD2)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NA DPH)、苯醌氧化还原酶1 (NQO1)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、血红素氧合酶(HO-1)、γ-谷氨酸合成酶重链(γ-GCSh)等组成，可以竞争性得抑制外源化合物的活性，催化Ⅰ相酶反应产物和亲水化合物(葡萄糖醛酸、谷胱甘肽)结合，这样可以增加反应化合物的水溶性，利于通过泌尿系统排出体外，从而保护机体免受毒性物质(如致癌物、药物代谢活化产物等)及一些活性物质(如ROS)的侵害。第3步，通过Ⅲ相酶的排出转运机制，Ⅱ相酶产生无生物活性的代谢物排出体外。对于外源化合物的代谢反应，Ⅰ相酶的活性作用和Ⅲ相酶的解毒作用的平衡是最关键的决定性因素。单独提高Ⅱ相酶对氧化剂和亲电试剂的解毒功能可以提高抗癌效果[7]。

从基因营养学角度，外源化合物是由转录因子芳香烃受体(aryl hydrocarbon receptor，AhR)激活，与外源性物质反应元件(xenobiotic responsive element，XRE)结合，主要调节Ⅰ相代谢酶表达，AhR受体通路已在细胞氧化应激状态下的CYP450还原酶的诱导机制中得到了证实。

内生长的亲电试剂和外源化合物产生的亲电试剂导致的毒性、生理和病理现象的机理是一样的。内生长的亲电物质与蛋白质共价键结合形成的结合物可以导致药物或其他化合物的毒性，导致蛋白质不可逆转的变性，很可能是细胞发生炎症的原因。比如致癌物质和有毒药物可以与蛋白质进行简单结合，氧化应激、糖化、酶反应产生的亲电物质可以导致蛋白质性质发生改变，而ROS和活性氮族(RNS)可以导致蛋白质发生氧化。这些变化包括蛋白质的磷酸化、酰基化、甲基化、泛素化和类泛素化等。体内大部分组织存在的一种主要的环氧化酶(COX)前列腺素D2，容易发生脱水反应产生亲电的前列腺素类物质，如15-脱氧-△12,14-前列腺素J2 (15-deoxy-△12,14-prostaglandin J2，15d-PGJ2)，这种亲电物质容易和亲核试剂如GSH和半胱氨酸以共价键发生迈克尔(Michael)反应(图2)。迈克尔反应是指α,β-不饱和醛酮、羧酸、酯、硝基化合物等与有活泼亚甲基化合物的共轭加成反应，迈克尔反应产物醛-蛋白质结合物成为氧化应激出现和反应程度的标志物是脂质过氧化反应的最重要发现。

图1 外源化合物的连续3步反应机理Fig.1 Three-step metabolic reactions of xenobiotics

第1步，Ⅰ相酶主要由细胞色素P450(CYP450)酶组成，主要作用是催化使疏水有机分子中引入官能团的反应，大多数情况下反应产物没有活性，但是一些反应产物为含有亲电子基、自由基的活性亲电物质，这些亲电物质能攻击细胞不饱和脂肪酸，产生以丙二醛(MDA)为代表的脂质过氧化产物。脂质过氧化产物可以

图2 迈克尔(Michael)反应机理Fig.2 Mechanism of Michael reaction

3 食品中的亲电物质

经流行病学调查蔬菜的高摄入量可以有效地降低癌症发生[8]、预防慢性疾病，部分原因是由于蔬菜中含有Ⅱ相酶基因诱导剂，这些诱导剂就是食品中的亲电物质。

Talalay等[9]发现给小鼠注射丁基羟基茴香醚(BHA)可以减少致突变物苯并芘的形成，同时可以增加许多组织中Ⅱ相酶的解毒生物活性。

3.1 食品中的亲电物质是高效低毒的Nrf2诱导剂

核转录因子NF-E2相关因子2(Nrf2)在肝脏、肾脏、心脏、肠胃、肌肉组织、大脑中普遍存在，是细胞调节抗氧化应激反应的重要转录因子，是细胞抗氧化还原的中枢调节者[10]。生理状态下Nrf2和Kelch样ECH联合蛋白1(Kelch-like ECH-associated protein1，Keap1)结合使活性处于相对抑制状态。Nrf2与Keap1解离可在以下两种情况下发生:一是当外界氧化应激因子或亲电物质(如15d-PGJ2)刺激后，Keap1中的巯基改变(修饰)，构象发生变化；二是通过蛋白激酶C(PKC)途径使Nrf2磷酸化。Nrf2被激活与Keap1解离进入胞质，Nrf2与Maf蛋白形成异二聚体(heterodimer)，然后该异二聚体主要与抗氧化反应元件(antioxidant response element，ARE)或类似亲电子反应元件(electrophile response element，EpRE)结合，诱导编码抗氧化蛋白和Ⅱ相解毒酶的表达，在细胞的防御保护中发挥重要作用(图3)。Nrf2缺失或激活障碍，可加重氧化应激源的细胞毒性，导致细胞功能障碍、凋亡甚至死亡。Keap1/Nrf2/ARE通路在抗氧化[11-16]、抗肿瘤[17-19]、抗应激、调节GSH合成、抗凋亡、抗炎症反应、神经保护、糖尿病等方面发挥着广泛的细胞保护功能[20-21]。

图3 Keap1/Nrf2/ARE通路示意图Fig.3 Schematic diagram of Keap1/Nrf2/ARE signaling pathway

由于氧化应激产生的ROS和外源化合物也能够诱导Nrf2，但是这两种物质本身对身体有害，而食品中的亲电物质则是高效低毒的Nrf2诱导剂。

3.2 食品中的亲电物质是间接的抗氧化剂

机体有两类抗氧化防御体系，包括酶类反应系统和非酶类系统，酶类反应系统包括SOD、GSH-Px、CAT和转化活性物质的Ⅱ相酶；非酶类系统主要为小分子物质，如巯基化合物、VC及VE等小分子物质。酶类反应系统可发挥慢速、长效的抗氧化和解毒作用，非酶类系统则可起到短效而迅速的抗氧化和解毒作用，两者联合作用可有效清除氧自由基、稳定细胞环境和预防组织器官受到氧化损害[22-23]。

自由基清除剂作为直接的抗氧化剂起到抗氧化作用，而食品中的亲电物质作为间接的抗氧化剂，原因如下:

1)Ⅱ相酶除了常见的结合酶(如GSTs和UTGs)，还有一些抗氧化酶的蛋白质(HO-1、过氧化氢酶等)，以及一些可以影响氧化状态的非酶类保护蛋白(如铁蛋白和硫氧还蛋白)。2)许多细胞保护蛋白具有多种功能，比如所有的GSTs可以催化外源性和内源性亲电物质的解毒反应，同时一些GSTs具有GSH过氧化氢酶作用清除氢过氧化物。3)一些细胞保护蛋白可以催化产生直接抗氧化酶物质的反应，比如HO-1可以催化生成一氧化碳和胆绿素/胆红素。4)Ⅱ相酶促进一些抗氧化酶的更新，如GSH还原酶。5)细胞保护蛋白的基因编码都是通过ARE/ Nrf2/Keap1通路诱导。

3.3 目前已发现的食品中的亲电物质

目前食品中发现许多Nrf2诱导剂，如异硫氰酸酯(盐)特别是主要化合物莱菔硫烷[24]、姜黄素[25]、依布硒(Ebselen)[26]、二烯丙基硫化物、酚类化合物、类胡萝卜素、奥替普拉(oltipraz)[27]。

图4 含有迈克尔反应受体中心的亲电物质Fig.4 Electrophiles with acceptor center in Michael reaction

利用NQO1和GSTs作为Nrf2诱导剂测定实验可以确定食品中的亲电物质[28-29]，如发现有9种物质NQO1具有很好的诱导作用，这9种物质分别为氧化多酚、苯二胺、醌类；迈克尔反应受体(图4)；氢过氧化物；邻二硫醇醚；三价砷；1,2-二硫-3-硫酮；二价重金属；类胡萝卜素、共轭多烯；异硫氰酸盐(ITCs)。

下列物质对GSTs具有很好的诱导作用:如羟基壬烯醛(HNE)、15d-PGJ2、依布硒(ebselen)、叔丁基对苯二酚、香茅柠檬醛、热带生姜中的花姜酮、一种可食花的橙酮相关化合物、ITCs和其他一些物质(图5)。

4 结 语

机体内氧化还原水平失衡是众多疾病的病理生理基础，调节体内氧化水平是改善病理生理变化的策略之一。不同于以往的外源性抗氧化剂，由食品中的亲电物质诱导的Nrf2-ARE抗氧化系统由于是调控多种抗氧化酶转录表达的关键内源性通路，对于此通路的调控为实现有效、适度抗氧化治疗提供了新方法。食品中含有亚甲基的亲电物质不仅能够调节氧化应激，而且也能够对还原应激(reductive stress)有一定的调节作用[30-31]。因此食品中的亲电物质可以成为调节机体氧化还原平衡的功能性食品研究新领域。

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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

图5 GSTs诱导物的化学结构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，讲师，硕士，研究方向为食品营养与安全。E-mail:hongyi66@163.com