毒理學(xué)基礎(chǔ)：第三章 外源物在體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)與轉(zhuǎn)化

1、第三章 外源物在體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)與轉(zhuǎn)化Biotransportation and Biotransformation of Xenobiotics,【目的要求】,明了毒物在體內(nèi)的來(lái)蹤去路 掌握生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)及意義 熟悉在體內(nèi)的分布與貯存 了解毒物動(dòng)力學(xué),基本概念 Basic Concepts,【內(nèi)容】,基本概念 生物轉(zhuǎn)運(yùn)與轉(zhuǎn)化概況 吸收、分布與貯存、排泄 代謝轉(zhuǎn)化反應(yīng)及意義,處置 (disposition),處置 ADME 吸收 (Absorption) 分布 (Distribution) 代謝 (Metabolism) 代謝變化生物轉(zhuǎn)化 排泄 (Elimination) 生物轉(zhuǎn)運(yùn)吸收、分布與排泄,生

2、物轉(zhuǎn)運(yùn) (biotransportation),從接觸部位吸收 轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入組織、細(xì)胞或循環(huán)系統(tǒng) 再轉(zhuǎn)運(yùn)至靶組織與臟器 最終由排泄器官離開機(jī)體過(guò)程 有/無(wú)化學(xué)結(jié)構(gòu)改變 依本身的理化特性 吸收-排泄,生物轉(zhuǎn)化 (biotransformation),是指毒物的代謝變化過(guò)程 即外源化學(xué)物在代謝器官由一系列酶介入，發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變的過(guò)程 僅是酶? pH 受體 重金屬與蛋白結(jié)合 ?,毒物對(duì)機(jī)體的毒性作用一般取決于,毒物的(?) 固有毒性 劑量 毒物或其活性代謝物在靶器管內(nèi)的濃度和(?) 持續(xù)時(shí)間 i.e.可否逆轉(zhuǎn)、急性或慢性，等 與ADME相關(guān) 什么是最關(guān)鍵的？ 本身的理化特性,研究處置 (ADME)

3、具有重要意義,了解毒物在體內(nèi)的行為過(guò)程 毒物動(dòng)力學(xué)(toxicokenetics) 毒效應(yīng)動(dòng)力學(xué)(toxicodynamics) 為中毒機(jī)理研究提供線索 為急救和治療措施提供參考 提供接觸生物學(xué)標(biāo)志和中毒診斷指標(biāo),第一節(jié)外源化學(xué)物的生物轉(zhuǎn)運(yùn) Section 1 Biotransportation of Xenobiotics,【內(nèi)容】,生物轉(zhuǎn)運(yùn) 生物膜 吸收 分布 排泄,一、生物膜,是細(xì)胞的膜質(zhì)結(jié)構(gòu)的總稱 細(xì)胞膜、細(xì)胞器膜、細(xì)胞核膜 結(jié)構(gòu)特性 脂質(zhì) 鑲嵌蛋白 多孔(4 nm 70 nm) 運(yùn)輸特性 選擇轉(zhuǎn)運(yùn),毒物過(guò)膜的轉(zhuǎn)運(yùn)方式,簡(jiǎn)單擴(kuò)散 (simple diffusion) i.e. 水溶性、

4、脂溶性物質(zhì) ?？诪V過(guò) (membrane filtration) i.e. 一些金屬離子 主動(dòng)運(yùn)輸 (active transportation) 易化擴(kuò)散 (facilitated diffusion) 膜動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn) (cytosis transportation) 哪種最有毒理學(xué)意義？,被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn) (passive transport),簡(jiǎn)單擴(kuò)散 濾過(guò) 特殊轉(zhuǎn)運(yùn) (special transport),簡(jiǎn)單擴(kuò)散 (simple diffusion),定義 由膜濃度較高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)擴(kuò)散 兩側(cè)濃度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散即終止 生物膜兩側(cè)濃度差也叫濃度梯度 特點(diǎn) 順濃度梯度，不需要消耗能量 毒物

5、與生物膜不發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 簡(jiǎn)單的物理過(guò)程生物膜不具有主動(dòng)性 毒理學(xué)意義 外源化學(xué)物大部分是通過(guò)簡(jiǎn)單擴(kuò)散進(jìn)行生物轉(zhuǎn)運(yùn),影響簡(jiǎn)單擴(kuò)散的因素,濃度梯度（差） 毒物在脂、水中達(dá)到溶解平衡時(shí) 脂相中濃度/水相中濃度 =脂水分配系數(shù) (lipid-water partition coefficient) 越大越易擴(kuò)散 電離或離解狀態(tài)和體液的pH值 生物膜兩側(cè)體液的蛋白質(zhì)濃度和蛋白質(zhì)結(jié)合毒物的親合力,濾過(guò) (filtration),定義與特點(diǎn) 毒物透過(guò)生物膜上親水性孔道的過(guò)程 依靠生物膜兩側(cè)的滲透壓梯度和液體靜壓的作用 影響因素 化學(xué)物分子量的大小 4nm孔道通過(guò)200 的分子 70nm孔道通過(guò)60000分子

6、 一些溶于水而不溶于脂質(zhì)的物質(zhì)，可通過(guò)濾過(guò)完成生物轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程,特殊轉(zhuǎn)運(yùn) (special transportation),毒物先同體內(nèi)某些物質(zhì)（載體）呈物理性結(jié)合后，再透過(guò)生物膜的過(guò)程 i.e. 膜受體,主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn) (active transport),定義 毒物透過(guò)生物膜由低濃度處向高濃度處移動(dòng)的過(guò)程 所需條件，或者說(shuō)特點(diǎn) 常逆濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)，消耗一定的代謝能量 需要載體參加 轉(zhuǎn)運(yùn)體 當(dāng)化合物濃度達(dá)到一定程度時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)即達(dá)到極限 為什么？ 載體有一定的容量 有一定的選擇性 競(jìng)爭(zhēng)抑制：一種以上毒物結(jié)構(gòu)相似用同一轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)時(shí),多藥耐受蛋白 (multi-drug-resistant protein, MD

7、R) 多耐受藥物蛋白 (multi-resistant drug protein, MRP) 有機(jī)陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)體 (organic-cation transporter, OCT) Na+, K+ pumps 有機(jī)陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)多肽 (organic-anion transporting polypeptide, OATP) 有機(jī)陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)體 (organic-anion transporter, OAT)，等,轉(zhuǎn)運(yùn)體 (transporter) 及其家族,富集 蓄積毒性,主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的毒理學(xué)意義,利用載體由高濃度向低濃度處移動(dòng)的過(guò)程 不易溶于脂質(zhì)的毒物 也可稱為促進(jìn)擴(kuò)散 由于利用載體，具有一定主動(dòng)性或

8、選擇性，但又不能逆濃度梯度 不消耗代謝能量 由于不需逆濃度遞度由低濃度處向高濃度處移動(dòng) !,易化擴(kuò)散 (facilitated diffusion),膜動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn) (cytosis transportation),胞飲和吞噬 液體或固體毒物被伸出的生物膜包圍 被包圍的液滴或顆粒并入細(xì)胞內(nèi)達(dá)到轉(zhuǎn)運(yùn)的目的 前者稱為胞飲，后者稱為吞噬，總稱為胞吞作用 胞吐作用 顆粒物由細(xì)胞內(nèi)運(yùn)出細(xì)胞的過(guò)程 膜動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)需要消耗能量,生物膜對(duì)化學(xué)物轉(zhuǎn)運(yùn)的影響 阻留 屏障 可選擇轉(zhuǎn)運(yùn) 化學(xué)物對(duì)生物膜的影響 結(jié)構(gòu) 功能,二、吸收,是指毒物經(jīng)過(guò)各種途徑透過(guò)機(jī)體的生物膜進(jìn)入血液（和體液）的過(guò)程 主要途徑 胃腸道 呼吸道 皮膚 其它,

9、胃腸道吸收,主要吸收途徑之一 毒物的吸收可在胃腸道任何部位 但主要在小腸 吸收方式 主要是通過(guò)簡(jiǎn)單擴(kuò)散 還可以通過(guò)濾過(guò)、胞飲或吞噬和主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng),影響胃腸道吸收的因素,毒物的分子結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì) 胃腸道的酸堿度 胃腸道的蠕動(dòng)情況 胃腸道中的某些物質(zhì)及菌叢 肝臟的首過(guò)作用 (first pass effect) 是指經(jīng)胃腸道吸收的毒物首先進(jìn)人肝臟，并在肝臟中進(jìn)行代謝轉(zhuǎn)化,經(jīng)呼吸道吸收,主要通過(guò)簡(jiǎn)單擴(kuò)散 不經(jīng)肝臟的生物轉(zhuǎn)化，直接進(jìn)入體循環(huán)而分布全身 肺泡結(jié)構(gòu)和生理特點(diǎn) 氣體、蒸氣與氣溶膠經(jīng)肺吸收的影響因素不同 一般情況下 那些種類的毒物會(huì)通過(guò)呼吸吸收？ 氣態(tài)、氣溶膠 粉塵,影響氣態(tài)毒物經(jīng)肺吸收的因素

10、（1）,氣態(tài)毒物的濃度 即毒物在吸入空氣中的分壓（或稱張力） 氣態(tài)毒物在血液中的溶解度 血/氣分配系數(shù) (blood-gas partition coefficient) 是指氣體在血液中的分壓和在肺泡中的分壓達(dá)到飽和時(shí)，氣體在血液中的濃度與在肺泡中的濃度之比值 該系數(shù)越大，即溶解度越高，該氣體越易被吸收,影響氣態(tài)毒物經(jīng)肺吸收的因素（2）,肺泡的通氣量和血流量 肺泡通氣量與血流量的比值 通氣/血流比值 脂/水分配系數(shù) 氣體在呼吸道內(nèi)的吸收速度與其溶解度有關(guān) 通常吸收速度與溶解度成正比,氣溶膠顆粒在呼吸道部位積聚的機(jī)制,慣性沖擊 (inertial impact): 530m 重力沉降 (sed

11、imentation): 15m 彌散 (diffusion): 0.5m 靜電沉淀 (electrostatic precipitation) 帶電粒子 一般來(lái)說(shuō)，在毒理學(xué)上有意義的顆粒直徑為0.110 m,經(jīng)皮膚吸收,由于皮膚的結(jié)構(gòu)而分階段 穿透階段 毒物透過(guò)皮膚表皮，即角質(zhì)層的過(guò)程 吸收階段 由角質(zhì)層進(jìn)入乳頭層和真皮，并被吸收入血液 吸收方式 簡(jiǎn)單擴(kuò)散,影響經(jīng)皮膚吸收的主要因素,理化性質(zhì) i.e. 脂/水分配系數(shù)接近于1，易被吸收進(jìn)入血液 皮膚血流速度和出汗?fàn)顩r 皮膚完整性 如皮膚破損破壞表皮角質(zhì)層屏障作用，毒物可以直接進(jìn)入吸收相 人體不同部位表皮的、角質(zhì)層厚度不同，所以外源化學(xué)物的穿透

12、速度有別 速度在此有何毒理學(xué)意義？,其它途徑,經(jīng)眼吸收 毒性作用特點(diǎn) 局部作用先于全身作用 經(jīng)注射 靜脈 腹腔 皮下 肌內(nèi),三、分布,分布的概念 影響分布的因素 分布的毒理學(xué)意義 特殊屏障,外源化學(xué)物的分布,分布 是指毒物被吸收進(jìn)入血液或其它體液后，隨血液或淋巴液流動(dòng)分散到全身各組織細(xì)胞的過(guò)程 分布的特點(diǎn) 毒物在體內(nèi)呈不均勻分布,影響分布的主要因素,影響外源化學(xué)物分布的最關(guān)鍵因素 器官或組織的血流量 對(duì)毒物的親和力 毒物的理化特性決定其 與血漿蛋白結(jié)合 與其他組織成分結(jié)合 代謝與否 在組織中的蓄（富）集 脂肪組織和骨骼中貯存沉積 體內(nèi)各種屏障對(duì)其吸收的影響,毒物在組織中分布的毒理學(xué)意義,導(dǎo)致蓄

13、積作用 (accumulation) 現(xiàn)象 有哪幾種含義？ 物質(zhì)蓄積 功能蓄積 貯存庫(kù) (storage depot) 指進(jìn)入體液的毒物在某些器官組織蓄積而濃度較高而不對(duì)這些器官組織有明顯的毒作用 體內(nèi)的主要儲(chǔ)存庫(kù) 血漿蛋白、肝、腎、脂肪組織、骨骼組織,毒物在體內(nèi)的蓄積具有雙重意義,對(duì)急性中毒的動(dòng)物或人具有保護(hù)作用 因可減少在靶器官中的化學(xué)毒物的量 成為一種可能的游離型毒物來(lái)源 具有潛在的危害 i.e. 多氯化芳香烴：dioxin, dioxin-like PCBs,特殊屏障(1),血腦屏障 (blood-brain barrier) 是指由毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞和聚集包圍毛細(xì)血管的星形膠質(zhì)細(xì)胞的軟

14、腦膜組成的一種特殊功能結(jié)構(gòu)。重要性？ 保障血液和腦組織之間的正常代謝物質(zhì)的交換，阻止非需要物質(zhì)的進(jìn)入，從而維持腦的正常功能 胎盤屏障 (blood-placental barrier) 位于母體血液循環(huán)系統(tǒng)和胚胎之間的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。重要性？ 至今還沒有肯定胎盤在防止毒物從母體進(jìn)入胚胎的特殊作用，如致畸物引起胚胎畸形，有些致癌物在胚胎中致癌 大部分毒物透過(guò)胎盤的機(jī)理是簡(jiǎn)單擴(kuò)散，而胚胎發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)則通過(guò)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)而進(jìn)入胚胎,特殊屏障(2),血睪屏障(blood-testis barrier) 血胸腺屏障(blood-thymus barrier) 血房水屏障(blood-aqueous barr

15、ier),四、排泄,排泄的概念 主要排泄途徑 各種排泄途徑的特點(diǎn),排泄,是機(jī)體向外轉(zhuǎn)運(yùn)毒物及(?) 代謝產(chǎn)物的過(guò)程 生物半減期 (biological half time) 常用t1/2表示 是指外源化學(xué)物減少一半的時(shí)間，即濃度或數(shù)量減少一半的時(shí)間,排泄途徑 (Elimination Routes),與正常生理代謝相象，主要是 經(jīng)腎臟隨尿液排出 經(jīng)肝臟隨同膽汁從糞便排出 經(jīng)呼吸道隨同呼出氣體排出 汗液,是主要排泄機(jī)理 腎小球 濾過(guò) 簡(jiǎn)單擴(kuò)散 腎小管 主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn) 其中簡(jiǎn)單擴(kuò)散和主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)更為重要,經(jīng)腎臟隨尿液排泄,毒物由肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞進(jìn)入膽汁而排泄 毒物從膽汁進(jìn)入小腸后，有兩條可能去路 直接排出體外 腸

16、肝循環(huán) 腸肝循環(huán)(enterohepatic circulation) 部分毒物在生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中形成結(jié)合物而排出到膽汁中 腸內(nèi)的腸菌群以及葡萄糖苷酸酶，可將部分結(jié)合物水解而使毒物又重新被吸收 毒理學(xué)意義 排泄減慢、生物半減期延長(zhǎng)、毒作用持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng),經(jīng)肝臟隨同膽汁排泄,經(jīng)肺隨呼出氣排泄,其排泄速度與血/氣分配系數(shù)成反比 血?dú)夥峙湎禂?shù)越大，排泄越慢 與吸收速度成反比,其它排泄途徑,隨各種分泌物，如汗、唾液、淚水和乳汁等排出 乳汁排泄具有特殊毒理學(xué)意義 為什么？,生物轉(zhuǎn)運(yùn)的毒理學(xué)意義,吸收與毒性 進(jìn)入體內(nèi)毒物的量 吸收途徑 吸收部位隨各種分泌物，如汗、唾液、淚水和乳 汁等排泄具有特殊毒理學(xué)意義 分

17、布與毒性 器官組織中毒物的量、富集點(diǎn)可能就是靶器官 蓄積作用對(duì)急性中毒有保護(hù)作用，但又是慢性中毒的一個(gè)重要條件 排泄與毒性,第二節(jié) 毒物的生物轉(zhuǎn)化 Section 2 Bio-transformation of Toxicants,【內(nèi)容】,生物轉(zhuǎn)化及相關(guān)概念 生物轉(zhuǎn)化的兩個(gè)階段 生物轉(zhuǎn)化的反應(yīng)種類 生物轉(zhuǎn)化的影響因素,生物轉(zhuǎn)化和毒物代謝,生物轉(zhuǎn)化 (biotransformation) 又稱代謝轉(zhuǎn)化 是指外源化學(xué)物在體內(nèi)經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)變化并形成其衍生物以及分解產(chǎn)物的過(guò)程 主要毒物代謝器官 肝臟 但其它器官或組織也有一定代謝能力 如腎臟、小腸、肺和皮膚等,生物轉(zhuǎn)化的后果 Consequence

18、s of Metabolism and Biotransformation,代謝解毒 (metabolic detoxification) 毒物經(jīng)生物學(xué)化反應(yīng)使其毒性降低，易于排出體外 代謝活化 (metabolic activation) 毒物經(jīng)生物轉(zhuǎn)化使其毒性增強(qiáng)，甚至具致突變/癌性 代謝轉(zhuǎn)化具有解毒和活化的正負(fù)兩面性 與劑量、毒物理化特性一樣，是毒理學(xué)的又一個(gè)重要觀念,生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的兩大類型,第一階段：亦稱I相 (phase I) 反應(yīng) 常暴露或引入一個(gè)功能基團(tuán) 包括氧化、還原和水解等反應(yīng) 第二階段：亦稱II相(phase II)反應(yīng) 也稱結(jié)合反應(yīng)(conjugation) 與內(nèi)源物結(jié)合

19、 大多數(shù)II相反應(yīng)可導(dǎo)致 毒物的水溶性顯著增加而加速排泄 結(jié)果是？ 降低毒性,I相反應(yīng) (phase I reaction)類型,氧化反應(yīng) 還原反應(yīng) 水解反應(yīng)（作用）,氧化反應(yīng) (oxidation),酶促氧化 I相反應(yīng)的主要方式，由 微粒體混合功能氧化酶 非微粒體混合功能氧化酶 前列腺素生物合成過(guò)程中共氧化反應(yīng) 微粒體混合功能氧化酶 (microsomal mixed function oxidase, MFO) 存在于細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng) (endoplasmic reticulum) 又稱微粒體單加氧酶系或細(xì)胞色素P-450 (CYP450) 酶系,氧化酶的種類與組成,含有鐵卟啉結(jié)構(gòu)的血紅素蛋白

20、類 cyt P-450、cyt b5，均具有傳遞電子功能 黃素蛋白類 NADPH-CYP450還原酶和NADH-cyt b5還原酶，主要是傳遞電子并供電子 磷脂類 對(duì)膜上各蛋白酶起固定作用，促進(jìn)底物的羥化反應(yīng)或增強(qiáng)毒物與cyp450的結(jié)合 促進(jìn)上述兩類酶相互作用,CYP450催化的反應(yīng)類型,脂肪族或芳香族碳的羥基化 (hydroxylation) 雙鍵的環(huán)氧化作用，形成epoxide 雜原子 (S-、N-、I-) 氧化和N羥基化 雜原子 (O-、S-、N-和Si-) 脫烷基作用 氧化基團(tuán)的轉(zhuǎn)運(yùn) 酯的裂解 (ester lyses) 脫氫作用 (dehydrogenation),CYP450催化

21、反應(yīng)的過(guò)程,還原反應(yīng) (reductive reaction),體內(nèi)也還原酶催化毒物的還原 這在腸道細(xì)胞內(nèi)尤其是活躍 在哺乳動(dòng)物其它組織還原反應(yīng)不活躍 還原反應(yīng)類型 硝基和偶氮還原 羰基還原反應(yīng) 二硫化物、硫氧化物和N-氧化物還原 醌還原 脫鹵還原,水解作用 (hydrolysis),許多毒物，例如酯類、酰胺類和含有酯式鍵的磷酸鹽取代物極易水解 血漿、肝、腎、腸粘膜、肌肉和神組織中有許多水解酶，微粒體中也存在 水解酶類型 酯酶和酰胺酶 肽酶 環(huán)氧水化酶 人體主要通過(guò)水解反應(yīng)代謝許多有機(jī)磷殺蟲劑,II相反應(yīng) (phase II reaction),結(jié)合反應(yīng)(conjugation) 特別是外源性

22、有機(jī)化合物及其含有羥基、氨基、羰基以及環(huán)氧基的代謝物最易發(fā)生,結(jié)合反應(yīng)的后果,使毒物分子上某些功能基團(tuán)失去活性而喪失全部或部分毒性 使其極性增強(qiáng)，脂溶性降低，加速排泄 在結(jié)合反應(yīng)中需要有輔酶與轉(zhuǎn)移酶并消耗能量,結(jié)合反應(yīng)類型,葡萄糖醛酸結(jié)合 (glucuronidation) 是最常見的結(jié)合反應(yīng) 硫酸結(jié)合 (sulfate conjugation) 乙?；饔?(acetylation) 氨基酸結(jié)合 (amino acid conjugation) 甲基化作用 (methylation) 谷胱甘肽結(jié)合 (GSH),影響生物轉(zhuǎn)化的因素,遺傳因素 生理因素 毒物因素 對(duì)代謝酶的作用 濃度,影響生物轉(zhuǎn)化的因素遺傳因素,物種差異和個(gè)體差異 種屬差異 代謝酶的多態(tài)性 外源化學(xué)物代謝酶的遺傳差異是不同個(gè)體間和種族間對(duì)毒性和腫瘤易感性差異的原因之一 基因多態(tài)性 生物轉(zhuǎn)化的I相酶和II相等酶均存在多態(tài)性 單核苷酸殘基多態(tài)性 (single nucleotide polymorphism, SNPs) 毒理學(xué)研究的熱點(diǎn)之一,年齡 性別 營(yíng)養(yǎng) 健康狀況,影響生物轉(zhuǎn)化的因素生理因素,影響生物轉(zhuǎn)化的因