-生物轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)化

公共衛(wèi)生與熱帶醫(yī)學(xué)學(xué)院

毒理學(xué)系謝曉利1外源化學(xué)物在體內(nèi)的

生物轉(zhuǎn)運(yùn)與生物轉(zhuǎn)化2第二節(jié)外源化學(xué)物在體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化一、生物轉(zhuǎn)化的意義生物轉(zhuǎn)化，又稱為代謝轉(zhuǎn)化，指外源化學(xué)物經(jīng)歷酶促反應(yīng)或非酶促反應(yīng)而形成代謝產(chǎn)物的過程?？梢杂绊懲庠椿瘜W(xué)物毒效應(yīng)的強(qiáng)度和性質(zhì)，是維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)的主要機(jī)制。（一）代謝解毒與代謝活化

多數(shù)外源性化學(xué)物代謝后毒性降低或消失—代謝解毒（metabolicdetoxication），傳統(tǒng)上對(duì)生物轉(zhuǎn)化的理解即為代謝解毒。而一些毒物，如氯乙烯和B(a)P，其原型并不具有毒性，正是代謝過程使其成為具有遺傳毒性和致癌性的活性，這種現(xiàn)象稱為代謝活化（metabolicactivation）?；钚灾虚g產(chǎn)物：多數(shù)代謝活化的產(chǎn)物不穩(wěn)定，僅在短時(shí)間內(nèi)存在。親電子劑，自由基，親核劑和氧化還原反應(yīng)物。4例如：苯并芘的生物活化5（二）外源性化學(xué)物溶解度的變化Ⅰ相反應(yīng)，包括氧化、還原和水解反應(yīng)，催化底物暴露一些基團(tuán)，如-OH、–COOH、–NH2,增加外源性化學(xué)物的水溶性；Ⅱ相反應(yīng)，包括葡萄糖醛酸化、硫酸化、乙酰化、甲基化、與谷胱甘肽結(jié)合與氨基酸結(jié)合。除甲基化和乙?；磻?yīng)以外，總是增加外源性化學(xué)物的水溶性。二、生物轉(zhuǎn)化酶6（一）基本特性結(jié)構(gòu)（及功能）在不同個(gè)體間的差別：多態(tài)性對(duì)底物不同程度的特異性，表現(xiàn)出立體選擇性（二）分布：肝臟及肝外組織在肝臟等大多數(shù)組織，生物轉(zhuǎn)化酶主要位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（微粒體），如CYP450s、葡萄糖醛酸基轉(zhuǎn)移酶，和細(xì)胞質(zhì)中，如硫酸轉(zhuǎn)移酶；高脂溶性的代謝酶多位于生物膜；高水溶性的代謝酶多位于胞質(zhì)。7生物轉(zhuǎn)化的主要器官和細(xì)胞轉(zhuǎn)化能力器官細(xì)胞強(qiáng)肝臟實(shí)質(zhì)細(xì)胞(肝細(xì)胞)肺臟Clara細(xì)胞、Ⅱ型上皮細(xì)胞中等腎臟近曲小管細(xì)胞小腸粘膜內(nèi)層細(xì)胞皮膚上皮細(xì)胞弱睪丸輸精管與支持細(xì)胞8三、生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)類型（一）Ⅰ相反應(yīng)：氧化、還原和水解91.氧化反應(yīng)(oxidation)：以在微粒體（microsomes)內(nèi)為主。細(xì)胞色素P450酶系；黃素加單氧酶；微粒體外的氧化反應(yīng)酶。由于該酶中含有的血紅素鐵在還原態(tài)時(shí)與CO結(jié)合形成的復(fù)合體在光譜450nm處有最大的吸收峰而命名。又被稱為混合功能氧化酶(mixedfunctionoxidase，MFO)，或加單氧酶(monooxygenase)。（1）細(xì)胞色素P450酶系11分布：CYP酶系廣泛分布于各種組織，但以肝細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（微粒體）含量最多，且滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)多于粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。構(gòu)成：血紅素蛋白類(細(xì)胞色素P450和細(xì)胞色素b5)、黃素蛋白類(NADPH-細(xì)胞色素P450還原酶)和磷脂。12分類：根據(jù)其氨基酸序列的相似度進(jìn)行相同氨基酸序列低于40%的屬于不同家族；相同氨基酸序列40%-55%的屬同一基因家族的不同亞族；相同氨基酸序列高于55%的屬同一亞族成員。命名：斜體CYP代表除小鼠和果蠅之外所有物種的細(xì)胞色素P450基因；其后的阿拉伯?dāng)?shù)字代表基因族；再后的大寫英文字母代表亞族；字母后的阿拉伯?dāng)?shù)字代表基因亞族中的一個(gè)基團(tuán)。如CYP1A1為細(xì)胞色素P450第一基因族A亞族第一基因。細(xì)胞色素P450酶系催化的基本反應(yīng)是單加氧反應(yīng)。催化的總反應(yīng)式：RH＋O2＋NADPH＋H＋——ROH＋H2O＋NADP＋1415細(xì)胞色素P-450催化的氧化反應(yīng)：脂肪族的碳或芳香族的氫的羥基化；雙鍵的環(huán)氧化作用；雜原子(S-、N-、I-)的氧化和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；脫氫作用。1617（2）黃素加單氧酶（flavin-containingmonooxygenase,FMO）分布：主要存在于肝、腎、肺等組織微粒體。

功能：可氧化多種毒物的親核性氮、硫和磷雜原子。此酶以黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)為輔酶，需要NADPH和O2。由FMO催化的很多反應(yīng)也可為P-450催化。1819（3）微粒體外的氧化反應(yīng)醇脫氫酶（ADH),存在于細(xì)胞質(zhì)，肝細(xì)胞中含量最高。醛脫氫酶（ALDH）,可轉(zhuǎn)化乙醛為乙酸（減毒作用)。亞洲人（包括中國人中大約一半的人因點(diǎn)突變而缺乏此酶活性（Glu487Lys487：紅暈綜合癥）。鉬水解酶（包括醛氧化酶和黃嘌呤氧化酶）。20單胺氧化酶（MAO）和二胺氧化酶（DAO）；MAO存在于線粒體（肝、腎、小腸和神經(jīng)等組織）。催化伯胺、仲胺、叔胺的氧化脫氨反應(yīng)。MAO的缺失導(dǎo)致Norrie?。ㄊ?、失聰、智力遲鈍為特征）。過氧化物酶依賴性的共氧化反應(yīng)；過氧化物酶催化的反應(yīng)，包括氫過氧化物的還原和其他底物氧化生成脂質(zhì)氫過氧化物，這一過程稱為共氧化（co-oxidation）。包括PHS合成酶、乳過氧化物酶和髓過氧化物酶等。催化致癌物黃曲霉毒素B1和BaP的環(huán)氧化反應(yīng)。2）羰基還原作用（醛或酮醇）；21

2.還原反應(yīng)（reduction）1）硝基和偶氮還原（腸道菌群）；3）醌還原（醌氫醌或半醌）；4）脫鹵反應(yīng)（還原脫鹵、氧化脫鹵和脫鹵化氫）。細(xì)胞色素P450GST2223

CCl4CYPs+e-·CCl3+Cl-攻擊生物膜啟動(dòng)脂質(zhì)過氧化損傷脫鹵反應(yīng)：24酯酶和酰胺酶：水解具有羧酸酯、酰胺、硫酯、磷酸酯和酸酐等功能基團(tuán)的化學(xué)毒物；肽酶（peptidase)：水解各種多肽；環(huán)氧化物水化酶(epoxidehydrolase)

產(chǎn)物是具有反式構(gòu)型的鄰位二醇，一般為減毒作用。3.水解反應(yīng)（hydrolysis）25（二）Ⅱ相反應(yīng)又稱結(jié)合作用，是外源化學(xué)物原有的或經(jīng)一相反應(yīng)后引入或者暴露出來的基團(tuán)與內(nèi)源性輔因子之間發(fā)生的生物合成反應(yīng)；需要酶的參與，并且需要消耗能量；主要在肝臟進(jìn)行，其次為腎臟。也可以在肺，腸、脾、腦等組織器官發(fā)生；主要的反應(yīng)有：葡萄糖醛酸結(jié)合，硫酸結(jié)合，谷胱甘肽結(jié)合，甲基化反應(yīng)，乙酰化反應(yīng)和氨基酸結(jié)合。葡萄糖醛酸結(jié)合(glucuronidation)體內(nèi)最主要的結(jié)合反應(yīng)類型。在-OH、-COOH、-NH2、-SH等功能團(tuán)上以糖酐鍵連接葡萄糖醛酸基。尿苷二磷酸葡萄糖醛酸是葡萄糖醛酸的供體。使代謝物極性增加，水溶性增加，易于從尿中排出。27傳統(tǒng)上認(rèn)為硫基轉(zhuǎn)移促進(jìn)Ⅰ相代謝產(chǎn)物的排泄，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)有時(shí)結(jié)合了硫酸基后因其帶電荷而不能擴(kuò)散出細(xì)胞—貯留細(xì)胞。只有在細(xì)胞對(duì)結(jié)合產(chǎn)物存在主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)方式時(shí)才促進(jìn)排泄，例如葡萄糖醛酸基膽紅素。近十年發(fā)現(xiàn)硫酸基轉(zhuǎn)移酶有時(shí)使外源性化學(xué)物毒性增強(qiáng)—活化為具有細(xì)胞毒性和致突變性的代謝物。如人SULT2A1活化1-pyrenemethanol(1-芘甲醇)為致突變物。人SULT1A1活化2-nitropropane（2-硝基丙烷）為致突變物。2.硫酸結(jié)合（sulfation)

硫轉(zhuǎn)移酶（SULT）催化，PAPS（3‘-磷酸腺苷-5’-磷酰硫酸）是攜帶硫酸基的輔酶。28

3.谷胱甘肽結(jié)合由谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶催化；存在于肝細(xì)胞和其他許多類細(xì)胞的胞液；底物特點(diǎn)：具有一定疏水性，含有親電原子，可與GSH發(fā)生非酶促反應(yīng)；一般認(rèn)為是親電子劑解毒的一種機(jī)制，它還能清除活性氧類（activeoxygenspecies)，有抗脂質(zhì)過氧化作用。294.甲基化反應(yīng)主要作為內(nèi)源性物質(zhì)的代謝方式；甲基供體為S-腺苷甲硫氨酸；甲基轉(zhuǎn)移酶催化；底物含O,N,S等雜原子；存于微粒體和胞液；底物包括苯酚，兒茶酚，脂肪胺和芳香胺等；產(chǎn)物水溶性減弱，不易排出，但毒性減低。305.乙?；饔檬呛枷惆泛碗陆Y(jié)構(gòu)的外源性化學(xué)物的主要代謝途徑。反應(yīng)產(chǎn)物是芳香酰胺和酰肼。催化酶是N-乙酰基轉(zhuǎn)移酶，主要在肝細(xì)胞胞液。乙酰輔酶A是乙酰基供體。產(chǎn)物水溶性減低，作用利弊取決于解毒與活化的相對(duì)速度，但多為滅活過程。316.氨基酸結(jié)合（aminoacidconjugation）

該途徑是羧酸和芳香羥胺的主要代謝途徑；甘氨酸、谷氨酸、?；撬峤Y(jié)合，形成酰胺反應(yīng)需要能量，和乙酰輔酶A的參與32四、影響外源化學(xué)物生物轉(zhuǎn)化的因素遺傳因素:涉及到動(dòng)物的物種、性別、年齡、生理和營養(yǎng)狀態(tài)等。表現(xiàn)為毒物代謝酶的種類、分布、數(shù)量和活性的差別。其中代謝酶的遺傳多態(tài)性是不同個(gè)體對(duì)毒物的敏感性存在差異的重要原因。環(huán)境因素：通過干擾代謝酶的合成與催化過程影響毒物的生物轉(zhuǎn)化。最主要的表現(xiàn)形式：代謝酶的誘導(dǎo)和抑制。（一）毒物代謝酶的遺傳多態(tài)性(Geneticpolymorphism)33指在群體中出現(xiàn)了頻率大于1%的多種等位基因形式。毒物代謝酶的多態(tài)性在很大程度上決定了個(gè)體對(duì)于毒物所致毒效應(yīng)的易感性。

人的CYP1A1的多態(tài)性是芳烴羥化酶，在肺組織表達(dá)最高，可催化多種芳香烴為致癌物。存在Msp1多態(tài)和第7外顯子多態(tài)。34基因型A：Msp1位點(diǎn)缺失，為優(yōu)勢純合子?；蛐虲：T被C取代，其攜帶者肺癌發(fā)病高7倍（日本報(bào)道）?；蛐虰：基因型A和C的雜合子。Msp1,位于CYP1A13’端非編碼區(qū)域，為限制性內(nèi)切酶的作用位點(diǎn)。35第7外顯子多態(tài)：第7外顯子血紅素結(jié)合區(qū)的突變：AG，Ile（異亮氨酸）轉(zhuǎn)變?yōu)閂al（纈氨酸）?；蛐停篒le/Ile、Ile/Val、Val/Val。Val/Val型患肺癌的危險(xiǎn)度為其他基因型的2.4-2.9倍（我國報(bào)道）。CYP1A1的遺傳多態(tài)性還與膀胱癌、乳腺癌及結(jié)腸癌的易感性有關(guān)。谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶的基因多態(tài)性具體形態(tài)包括：基因缺損、堿基置換和基因多重拷貝等。GSTT1缺失：星形細(xì)胞瘤、腦膜瘤和脊髓發(fā)育不良；GSTM1缺失：對(duì)吸煙所致的肺癌、膀胱癌和頭頸部腫瘤的易感性增加；GSTP1-1過表達(dá)：對(duì)卵巢癌、非小細(xì)胞肺癌、乳腺癌以及結(jié)直腸的抗藥性相關(guān)。3637（二）毒物代謝酶的誘導(dǎo)和阻遏誘導(dǎo)（induction），外源性化學(xué)物引起某些代謝酶的合成增加并伴有活力增強(qiáng)的現(xiàn)象。酶的誘導(dǎo)發(fā)生在肝臟最明顯，也可以發(fā)生于腎臟、腸、肺等其他組織。誘導(dǎo)劑（inducer），具有誘導(dǎo)效應(yīng)的化學(xué)毒物：

單功能誘導(dǎo)劑：誘導(dǎo)還原、水解和結(jié)合反應(yīng)的酶；

雙功能誘導(dǎo)劑：誘導(dǎo)結(jié)合反應(yīng)相關(guān)酶和多種CYP超家族成員。

誘導(dǎo)劑的作用機(jī)制：1、作為配體與位于細(xì)胞質(zhì)的外源化學(xué)物感受器結(jié)合，使其構(gòu)象發(fā)生改變，轉(zhuǎn)化為活化形式；2、結(jié)合物與配體蛋白形成異源二聚體并進(jìn)入細(xì)胞核；3、該二聚體與位于5‘端的啟動(dòng)子反應(yīng)元件結(jié)合，并募集其他轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物；4.啟動(dòng)代謝酶的基因轉(zhuǎn)錄。39如巴比妥類：苯巴比妥可誘導(dǎo)CYP2B1/2、2C、3A1/2、NADH-細(xì)胞色素P450還原酶等；多環(huán)芳烴類:3-MC誘導(dǎo)CYP1A1/2、EH和GST；

醇/酮類：乙醇、異煙肼：誘導(dǎo)CYP2E1；

過氧化物酶體誘導(dǎo)劑。毒物代謝酶的阻遏（enzymerepression):指對(duì)某些代謝酶誘導(dǎo)的同時(shí)可阻遏另一些代謝酶的合成。40（三）毒物代謝酶的抑制與激活競爭性抑制：毒物代謝酶的底物特異性較弱，活性有限