第3章+生物轉(zhuǎn)化.ppt

1、第三章 化學(xué)毒物的生物轉(zhuǎn)化,第一節(jié) 生物轉(zhuǎn)化概述,生物轉(zhuǎn)化（biotransformation）：外源化學(xué)物在機(jī)體內(nèi)經(jīng)多種酶催化的代謝轉(zhuǎn)化。 代謝過程主要在肝臟進(jìn)行，但肝外組織也有一定代謝能力，如腎臟、小腸、肺臟和皮膚等。,1 生物轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)：,化學(xué)毒物的水溶性增加。,重要,2 生物轉(zhuǎn)化的毒理學(xué)意義,（1）生物轉(zhuǎn)化是外源化學(xué)物進(jìn)入機(jī)體后，其存在形式可能會發(fā)生各種變化，活性也會發(fā)生改變，其中有些毒性增強(qiáng)，有些毒性減弱。因此，生物轉(zhuǎn)化對于判定其對機(jī)體的影響有重要作用。 （2）通過對生物轉(zhuǎn)化作用的研究，可以探求外源化合物活性基團(tuán)、活性分子的重要規(guī)律，為防治其對機(jī)體損傷有重要意義。,（3）通過對外源化

2、學(xué)物在機(jī)體的生物轉(zhuǎn)化過程的研究，有利于探求其損傷機(jī)制，作用的靶器官、靶組織、靶細(xì)胞乃至靶分子。 （4）外源化合物經(jīng)過生物轉(zhuǎn)化會形成新的代謝間產(chǎn)物、終產(chǎn)物，存在于血液和組織中，或被排出體外，可為中毒診斷，程度判斷，治療效果評價提供有意義的生物學(xué)材料。,3 生物轉(zhuǎn)化的結(jié)果：,代謝解毒：外源化學(xué)物經(jīng)生物學(xué)化使其毒性降低，易于排出體外的過程生物轉(zhuǎn)化的結(jié)果 代謝活化：外源化學(xué)物經(jīng)生物轉(zhuǎn)化使其毒性增強(qiáng)，甚至可產(chǎn)生致畸、致癌效應(yīng)的過程,4 生物轉(zhuǎn)化酶的基本特征：,廣泛的底物特異性 某些酶具有多態(tài)性 具有立體選擇性 有結(jié)構(gòu)酶和誘導(dǎo)酶之分,5 毒物代謝酶的分布：,肝臟：不同組織對外源化學(xué)物生物轉(zhuǎn)化能力的顯著區(qū)別

3、對于解釋化學(xué)物損傷的組織特異性具有重要的毒理學(xué)意義。 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（微粒體）或脂質(zhì)的可溶部分（胞漿）。,6 生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)分為兩種類型,第一階段：亦稱I相反應(yīng)，包括氧化、還原和水解等反應(yīng)。通過反應(yīng)使毒物的分子暴露或增加功能基團(tuán)，如羥基、巰基、羧基、氨基等。通常僅導(dǎo)致水溶性少量的增加。 第二階段：亦稱II相反應(yīng)，結(jié)合反應(yīng)。大多數(shù)II相反應(yīng)可導(dǎo)致外源化學(xué)物的水溶性顯著增加，且加速排泄（隨尿排出）。,第二節(jié) 相反應(yīng),相反應(yīng)（phase biotransformation） 指經(jīng)過氧化、還原和水解等反應(yīng)使外源化學(xué)物暴露或產(chǎn)生極性基團(tuán)，如-OH、-NH2、-SH、-COOH等，水溶性增高并成為適合于相反應(yīng)的底物

4、。,1 氧化作用,1.1 細(xì)胞色素P-450酶系 在催化酶類中, 最主要的是細(xì)胞色素P-450酶系(也簡稱為CYP)，亦稱為細(xì)胞色素P-450混合功能氧化酶，或細(xì)胞色素P-450依賴性單加氧酶。細(xì)胞色素P-450是一種含亞鐵的卟啉蛋白，即血紅素蛋白。細(xì)胞色素蛋白及其它血紅素蛋白在可見光范圍內(nèi)各自呈現(xiàn)典型的吸收光譜。例如細(xì)胞色素P-450本身在420nm處出現(xiàn)強(qiáng)吸收光譜，但在還原條件下與CO結(jié)合后，最強(qiáng)吸收光帶在450nm處，因此而得名。,P-450酶系,是一個超蛋白家族，其每一種對底物專一性都有特征性譜，其中某些是結(jié)構(gòu)型的，其他是誘導(dǎo)型的。 這些蛋白根據(jù)結(jié)構(gòu)的相似性組成家族和亞族。 P-450

5、酶氨基酸序列相似性大于40%是屬于同一家族，如大于59%則屬于同一個亞族。 CYP1A1表示P-450的1基因族A亞族的第一個基因,P-450酶系,從對150多種以上的P-450進(jìn)行的DNA水平和蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的比較上分析，從細(xì)菌到哺乳動物存在一定的同源性。根據(jù)Nelson等(1995)，P-450基因族有27個，并進(jìn)一步分為亞族。在哺乳動物存在10個族，除了6個族和甾體合成有關(guān)外，4個族與外源化學(xué)物代謝有關(guān)。 人肝臟主要含15種以上不同的生物轉(zhuǎn)化外源化學(xué)物和或內(nèi)源性底物的P-450(CYPlA2，2A6，2B6，2C8，2C9，2C18，2C19，2D6，2E1，3A4，3A5，3A7，4A

6、9，和4A11)。,P-450催化的氧化反應(yīng)的化學(xué)方程簡式,RH + NADPH + O2+H+R-OH + NAP + H2O,P-450催化的反應(yīng)類型：,（1）脂肪族和芳香族的羥化，苯胺氧化成對氨基酚等。,O,八甲磷,N-羥甲基八甲磷,（2）雙鍵的環(huán)氧化：黃曲霉素B1和氯乙烯 （3）胺類化合物的N-羥化 （4）胺類化合物的N-氧化 （5）含磷化合物的P-氧化 （6）含硫化合物的S-氧化 （7）氧化性脫烷基反應(yīng),1.2 醇脫氫酶（ADH）,醇脫氫酶是一種含鋅酶，位于胞漿，主要分布于肝臟、腎臟、肺臟和胃粘膜。分為四類，I型ADH能催化乙醇的氧化，產(chǎn)物為乙醛，吡唑可抑制酶的活性。,重要,1.3

7、乙醛脫氫酶（ALDH）,乙醛脫氫酶以NAD+為輔助因子將乙醛氧化成羧酸。 乙醇在人體內(nèi)的代謝主要靠乙醇脫氫酶和乙醛脫氫酶。乙醇脫氫酶能把乙醇分子中的兩個氫原子脫掉，使乙醇分解變成乙醛。而乙醛脫氫酶則能把乙醛中的兩個氫原子脫掉，使乙醛被分解為二氧化碳和水。,重要,人體內(nèi)若是具備這兩種酶，就能較快地分解酒精，中樞神經(jīng)就較少受到酒精的作用，因而即使喝了一定量的酒也行若無事。在一般人體中，都存在乙醇脫氫酶，而且數(shù)量基本是相等的。但缺少乙醛脫氫酶的人就比較多，這種乙醛脫氫酶的缺少，使酒精不能被完全分解為水和二氧化碳，而是以乙醛繼續(xù)留在體內(nèi)，使人喝酒后產(chǎn)生惡心欲吐、昏迷不適等醉酒癥狀。因此，能飲酒的人，身

8、體內(nèi)的酶系統(tǒng)中這兩種酶都有，從而使酒精能較快地得到分解。所以盡管多飲了一些酒，也不易醉倒。但如果飲酒過量、過快，超過了兩種酶的分解能力，也會發(fā)生醉酒。,戒酒硫,據(jù)有關(guān)單位普查測定，我國漢民族中，約有44%的人屬乙醛脫氫酶缺陷型，這些人因?yàn)槿鄙倭艘环N酶，影響了酒精在體內(nèi)的及時分解，從而易造成醉酒。不善飲酒、酒量在合理標(biāo)準(zhǔn)以下的人，即屬于乙醛脫氫酶數(shù)量不足或完全缺乏的人。,2 還原作用,硝基和偶氮還原 羰基還原 二硫化物、硫氧化物還原,3 水解作用,酯酶分解酯類結(jié)構(gòu) 酰胺酶酰胺鍵水解 糖苷酶糖苷水解,第三節(jié) 相反應(yīng),毒物原有的功能基因或由1相反應(yīng)引入（暴露）的功能基因與內(nèi)源性輔因子反應(yīng)。 絕大多數(shù)

9、外源化學(xué)物在第一相反應(yīng)中無論發(fā)生氧化、還原或水解反應(yīng)，最后必須進(jìn)行結(jié)合反應(yīng)排出體外。 結(jié)合反應(yīng)首先通過提供極性基團(tuán)的結(jié)合劑或提供能量ATP而被活化，然后由不同種類的轉(zhuǎn)移酶進(jìn)行催化， 將具有極性功能基團(tuán)的結(jié)合劑轉(zhuǎn)移到外源化學(xué)物或?qū)⑼庠椿瘜W(xué)物轉(zhuǎn)移到結(jié)合劑形成結(jié)合產(chǎn)物。結(jié)合物一般將隨同尿液或膽汁由體內(nèi)排泄。,1 葡萄糖醛酸化,葡萄糖醛酸結(jié)合反應(yīng)在結(jié)合反應(yīng)中占有重要的地位，在許多外源化學(xué)物都可進(jìn)行，如醇類、酚類、羧酸類、硫醇類和胺類等。葡萄糖醛酸為葡萄糖的中間代謝產(chǎn)物，先活化成尿苷二磷酸-葡萄糖醛酸（UDPGA），然后經(jīng)各種轉(zhuǎn)移酶催化，將葡萄糖醛酸基轉(zhuǎn)移到外源化學(xué)物分子。結(jié)合物具有高度水溶性，易從尿和

10、膽汁排泄。,重要,根據(jù)進(jìn)行結(jié)合反應(yīng)的外源化學(xué)物結(jié)構(gòu)及結(jié)合方式或部位不同，可分為O-葡萄糖醛酸結(jié)合(醇類，酚類，羧酸胺類)、N-葡萄糖醛酸結(jié)合(氨基甲酯類，芳香胺類，磺胺類)和S-葡萄糖醛酸結(jié)合，統(tǒng)稱葡萄糖醛酸化。,2 硫酸化,系外源化學(xué)物與硫酸根結(jié)合反應(yīng)，外源化學(xué)物經(jīng)第一相生物轉(zhuǎn)化后，分子結(jié)構(gòu)中形成羥基，可與內(nèi)源性硫酸結(jié)合，有些外源化學(xué)物如本身已含有羥基、氨基或羰基以及環(huán)氧基即可直接進(jìn)入第二相反應(yīng)，發(fā)生硫酸結(jié)合，,例如醇類、芳香胺類和酚類。硫酸的來源主要是含硫氨基酸的代謝物。在大多數(shù)外源化學(xué)物的結(jié)合反應(yīng)中，硫酸結(jié)合往往與葡萄糖醛酸結(jié)合反應(yīng)同時存在，如機(jī)體接觸的外源物較少，則首先進(jìn)行硫酸結(jié)合，隨

11、著劑量增多， 硫酸結(jié)合減少，而與葡萄糖醛酸的結(jié)合增多。內(nèi)源性硫酸的供體是3-磷酸腺苷-5-磷酰硫酸(PAPA)，系由內(nèi)源性硫酸根和三磷酸腺苷為原料，經(jīng)ATP-硫酸化酶和5磷酰硫酸腺苷激酶催化而成?；瘜W(xué)物與PAPS結(jié)合反應(yīng)由磺基轉(zhuǎn)移酶催化。,3 乙?；?系外源化學(xué)物與乙?；Y(jié)合的反應(yīng)，多發(fā)生在芳香族伯胺類、磺胺類、肼類化合物的氨基（-NH2）或羥氨基。乙?；梢阴］o酶A提供, 反應(yīng)由乙酰轉(zhuǎn)移酶催化。該酶又可分為N-乙酰轉(zhuǎn)移酶（前面已論述）和N，O-乙酰轉(zhuǎn)移酶。乙酰結(jié)合反應(yīng)具有多態(tài)性，在不同物種，乙酰轉(zhuǎn)移酶存在一定的差異，對不同的底物有不同的活力，它們的底物專一性和最適PH等都不相同。一般根據(jù)異煙

12、肼乙酰結(jié)合反應(yīng)的情況，將人類機(jī)體分成快速乙?；途徛阴；?，機(jī)體乙酰結(jié)合反應(yīng)速度的個體差異與機(jī)體對某些外源化學(xué)物的易感性有關(guān)，特別表現(xiàn)在芳胺類的致癌作用，如緩慢型人群對聯(lián)苯胺誘發(fā)膀胱癌的作用為易感。,4 氨基酸化,是帶有羧酸基的外源化學(xué)物與一種-氨基酸結(jié)合的反應(yīng)，多發(fā)生在芳香羧酸，例如芳基乙酸。參與結(jié)合反應(yīng)的氨基酸主要有甘氨酸、谷氨酰胺以及?；撬幔^少見的還有天冬酰胺、精氨酸、絲氨酸以及N-甘氨酰甘氨酸等。外源化學(xué)物的羧基與氨基酸的氨基結(jié)合，形成肽或酰胺。此反應(yīng)需要兩種酶的催化作用：ATP依賴性酶：輔酶A連接酶（又稱?；o酶A合成酶），催化外源化學(xué)物羧基活化；N-酰基轉(zhuǎn)移酶，催化將酰基由外源

13、化學(xué)物輔酶A衍生物轉(zhuǎn)移給氨基酸上氨基。,5 谷胱甘肽化,是外源化學(xué)物在一系列酶催化下與還原型谷胱甘肽結(jié)合形成硫醚氨酸的反應(yīng)。應(yīng)具備以下條件：一定程度的疏水性，含有一個親電子碳原子，可與谷胱甘肽進(jìn)行一定程度的非酶促反應(yīng)。這樣的化學(xué)物主要有鹵化物，例如烷基鹵化物、硝基鹵化物、芳基鹵化物，各種酯類化合物如磷酸酯類殺蟲劑，苯、萘、苯胺等芳烴類及芳胺類化合物和環(huán)氧化物等。催化谷胱甘肽結(jié)合反應(yīng)的酶類主要有谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶。另外，值得注意的是有些外源化學(xué)物與谷胱甘肽形成的結(jié)合物可與生物大分子結(jié)合，誘發(fā)突變以及癌變，例如氯甲烷和二溴乙烷。,6 甲基化,在甲基轉(zhuǎn)移酶催化下，將內(nèi)源性來源的甲基結(jié)合于外源化學(xué)物分

14、子結(jié)構(gòu)內(nèi)的反應(yīng)。有許多內(nèi)源性和外源化學(xué)物可以進(jìn)行甲基結(jié)合反應(yīng)，與其它結(jié)合反應(yīng)相比，甲基結(jié)合后，外源化學(xué)物的功能基團(tuán)未被遮蓋，水溶性沒有明顯的增強(qiáng)，有的反而下降；生物學(xué)作用并未減弱，有的反而增強(qiáng)，甲基化反應(yīng)有解毒作用。內(nèi)源性甲基供體是S-腺苷甲硫氨酸(SAM)。能進(jìn)行甲基結(jié)合反應(yīng)的外源化學(xué)物主要有含羥基、巰基或氨基的酚類、硫醇類和各種胺類，還有吡啶、喹啉等含氮雜環(huán)化合物。,7 磷酸化,系在ATP和Mg2+ 存在下，由磷酸轉(zhuǎn)移酶催化ATP的磷酸基轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的外源化學(xué)物的反應(yīng)。在結(jié)合反應(yīng)中不太普遍，常見于1-萘酚和對硝基酚的反應(yīng)。,8 硫氰酸鹽化,硫氰酸形成是機(jī)體內(nèi)氰化物代謝解毒的過程，在這一反應(yīng)中

15、，由硫代硫酸鹽提供一個硫原子給氰化物，在硫氰酸生成酶催化作用下, 并形成硫氰酸鹽。硫氰酸鹽的毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氰化物。嚴(yán)格來說，硫氰酸鹽形成反應(yīng)并不是典型的結(jié)合反應(yīng)，因?yàn)榉磻?yīng)中沒有結(jié)合劑，且反應(yīng)產(chǎn)物的極性也不是很強(qiáng)，但它也具有代謝解毒的作用。,第四節(jié) 毒物代謝酶的誘導(dǎo)和激活、抑制和阻遏,代謝是化學(xué)物毒作用的決定因素。很多因素可影響外源化學(xué)物生物轉(zhuǎn)化，包括機(jī)體的遺傳生理因素和環(huán)境因素兩大類。 遺傳生理因素有動物的物種、性別、年齡等，常體現(xiàn)在代謝酶的種類、數(shù)量和活性的差異上，代謝酶的多態(tài)性也是影響毒性反應(yīng)個體差異的重要因素。各種環(huán)境因素主要通過影響代謝酶和輔酶的合成過程以及催化過程來干擾外源化學(xué)物的生物

16、轉(zhuǎn)化，如代謝酶的誘導(dǎo)和抑制。,1 外源化學(xué)物代謝酶的誘導(dǎo),誘導(dǎo)(induction)指有些外源化學(xué)物可使某些毒物代謝酶系的合成量增加，伴有活力增強(qiáng)。能引起酶誘導(dǎo)的物質(zhì)稱為誘導(dǎo)劑(inducer)。,P-450系的誘導(dǎo)劑有5類：,巴比妥類，如苯巴比妥(PB)誘導(dǎo)2B1/2、2C、3A1/2； 多環(huán)芳烴類，如3-甲基膽蒽(3MC)、TCDD(2,3,7,8-四氯二苯二惡烷，二惡英)等，誘導(dǎo)1A1/2； 醇酮，如乙醇、異煙阱，誘導(dǎo)2E1； 甾類，如孕烯醇酮16-腈、地塞米松，誘導(dǎo)3A1/2； 氯貝特(安妥明)類過氧化物酶體誘導(dǎo)劑，誘導(dǎo)4A1/2。此外,多氯聯(lián)苯(PCB)兼有PB和3MC樣誘導(dǎo)作用。,2 外源化學(xué)物代謝酶的抑制,抑制作用可以分為幾種類型。 (1)抑制物與酶的活性中心發(fā)生可逆或不可逆性結(jié)合。如，-二乙基氨基苯丙基乙酯(SKF-525A)和胡椒基丁醚與P-450的結(jié)合而抑制其活性。對氧磷能抑制羧酸酪酶，以致馬拉硫磷水解速度減慢，加強(qiáng)馬拉硫磷的生物學(xué)作用，表現(xiàn)為對昆蟲殺蟲效果增強(qiáng)，對人畜毒性增高。一氧化碳可與P-450結(jié)合，引起變構(gòu)作用，阻礙其與氧結(jié)合。,(2)兩種不同的化學(xué)物在同一個酶的活性中心發(fā)生競爭性抑制。如1，2-亞乙基二醇和甲醇中毒，此兩種化學(xué)物經(jīng)醇脫氫酶催化代謝而導(dǎo)致毒性，臨床上給予乙醇治療，因乙醇與此酶有更大的親和力，故可降低1，2-