毒理-生物轉(zhuǎn)化

1第5節(jié)外源化學(xué)物的生物轉(zhuǎn)化一、生物轉(zhuǎn)化(biotransformation)生物轉(zhuǎn)化的概念：指外源化合物在機體內(nèi)經(jīng)多種酶促反應(yīng)或者非酶促反應(yīng)而形成代謝物的過程。生物轉(zhuǎn)化是機體對外源性化學(xué)物處置的重要環(huán)節(jié)，是機體維持穩(wěn)態(tài)的重要機制。2

3.生物轉(zhuǎn)化的意義引起外源性化合物水溶性的增加，加速排泄。改變外源性化學(xué)物的毒效學(xué)性質(zhì)。代謝解毒(metabolicdetoxication)：經(jīng)生物轉(zhuǎn)化大部分外源化學(xué)物的代謝產(chǎn)物，毒性降低，易于排出體外。（極性增大）代謝活化(metabolicactivation)：經(jīng)生物轉(zhuǎn)化其毒性被增強的現(xiàn)象。生成親電子劑（苯并芘）、自由基（CCl4，醌）、親核劑、氧化還原劑。生物轉(zhuǎn)化酶系分類：

①專一性酶：如乙酰膽堿酯酶(AchE)、單胺氧化酶，分別轉(zhuǎn)化Ach和單胺類藥物。②非專一性酶：如肝微粒體混合功能氧化酶，專一性低能促進(jìn)多種化合物和生理代謝物的生物轉(zhuǎn)化，個體差異大，活性可受化合物的影響生物轉(zhuǎn)化酶系基本特征：

①廣泛的底物特異性②某些酶具有多態(tài)性

③具有立體選擇性④有結(jié)構(gòu)酶和誘導(dǎo)酶之分二、生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的類型外源化合物機體Ⅰ相反應(yīng)（phaseⅠreaction）Ⅱ相反應(yīng)（phaseⅡreaction）氧化反應(yīng)（oxidation）還原反應(yīng)（reduction）水解反應(yīng)(hydrolysis）與谷胱甘肽結(jié)合與葡萄糖醛酸結(jié)合與硫酸結(jié)合5二、生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的類型I相反應(yīng)的類型：氧化反應(yīng)還原反應(yīng)水解反應(yīng)Ⅱ相反應(yīng)的類型結(jié)合反應(yīng)氧化作用P-450催化氧化脂肪族和芳香族羥化:八甲磷雙鍵的環(huán)氧化：雜原子(S-,N-,I-)氧化和N-羥化雜原子(O-,S-,N-)脫烷基氧化基團轉(zhuǎn)移

(氧化脫氨、脫硫、脫鹵素)酯裂解(羧酸酯、磷酸酯)脫氫微粒體含黃素加單氧酶醇、醛、酮氧化和胺類氧化7氧化反應(yīng)催化氧化反應(yīng)的酶系主要有:

細(xì)胞色素P-450酶系；

微粒體含F(xiàn)AD單加氧酶；醇脫氫酶和醛脫氫酶；胺氧化酶。

其中①和②主要存在于微粒體中，是微粒體系；③和④主要存在于線粒體和胞漿中，是非微粒體系8細(xì)胞色素P-450酶系細(xì)胞色素P-450酶系：即微粒體混合功能氧化酶系(MFO).微粒體(microsome)：并非單獨的細(xì)胞器，是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在細(xì)胞勻漿過程中形成的碎片，此種碎片存在于細(xì)胞勻漿經(jīng)超速離心去除線粒體后的上清液部分(postmitochondralsupernatantfraction)。細(xì)胞色素P-450催化反應(yīng)的種類、底物的數(shù)量都高居各酶系首位。9P450的分布P450是血紅素蛋白的一種酶類。因細(xì)胞色素P450含有的血紅素鐵在還原態(tài)時與CO結(jié)合形成的復(fù)合體的最大吸收波長在450nm而命名。

P450在機體內(nèi)的分布：在機體內(nèi)廣泛存在，最主要的器官是肝臟，其次如皮膚、肺等也存在。在毒物能夠進(jìn)入機體的所有的門戶部位都有P450分布。

P450在細(xì)胞內(nèi)的分布：主要位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)比粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)更加豐富。線粒體以及核膜中也存在P450。。10P450的分類1、分類原則：相同氨基酸序列大于等于40%歸于1個家族，大于等于55%歸于1個亞家族。2、命名原則：（1）細(xì)胞色素P450(cytochromeP450)縮寫為CYP。斜體表示基因，大寫CYP表示小鼠、果蠅外其它物種的基因；Cyp：表示小鼠、果蠅的基因。（2）接著1個數(shù)字，表示家族；（3）接著1個字母，表示亞家族；（4）最后1個數(shù)字，表示基因。如：CYP12A1，表示P45012家族A亞家族1號基因；

CYP1A2，表示P4501家族A亞家族2號基因；

CYP17，表示P45017家族基因（無亞族）。

（5）基因表達(dá)產(chǎn)物（蛋白）的命名與相應(yīng)的基因相同，但需將全部斜體字改為正體字，全部小寫字母改為大寫字母。適合于所有物種。如CYP12A1，CYP2E1。11P450催化氧化的總反應(yīng)為：底物（RH）+O2+NADPH+H+

產(chǎn)物+H2O+NADPH+電子來源：NADPH（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）。12P450的催化機制，共有7步：氧化型細(xì)胞色素P450(Ｆe3+)與底物(RH)結(jié)合形成復(fù)合物；上述復(fù)合物在NADPH-細(xì)胞色素P450還原酶作用下，由NADPH提供1個電子使其轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原型細(xì)胞色素P450（Ｆe2+)復(fù)合物；上述復(fù)合物和1個分子氧結(jié)合形成含氧復(fù)合物；含氧復(fù)合物(Ｆe2+O2)再加上1個H+和由NADPH-細(xì)胞色素P-450還原酶提供的第2個電子，轉(zhuǎn)變成Ｆe2+OOH復(fù)合物；第2個H+加入,Ｆe2+OOH復(fù)合物裂解，形成水和(ＦeO)3+復(fù)合物；(ＦeO)3+復(fù)合物將氧原子轉(zhuǎn)移到底物，生成產(chǎn)物(ROH)；釋放產(chǎn)物(ROH)，此時P450(Ｆe2+)變成P450(Ｆe3+)。13細(xì)胞色素P450酶系催化機制14P450酶系催化的反應(yīng)（1）脂肪族與芳香族的氧化反應(yīng)。丁烷、戊烷和己烷等直鏈烷烴的氧化，其羥化產(chǎn)物為相應(yīng)的醇類，如正已烷。芳香族化學(xué)物芳香環(huán)的碳上加氧，形成酚類。例如萘可形成萘酚。15（2）雙鍵的環(huán)氧化反應(yīng)（epoxidationofdoubleband）在微粒體混合功能氧化酶催化下，一個氧原子在外源化學(xué)物的兩個相鄰碳原子之間構(gòu)成一橋式結(jié)構(gòu)，形成環(huán)氧化物(epoxide)。環(huán)氧化是許多外源性化學(xué)物代謝活化的重要步驟，如氯乙烯，黃曲霉素B1和苯并(a)芘的活化。黃曲霉毒素B1（aflatoxinAFB1）肝臟代謝脫甲基、羥化、環(huán)氧化反應(yīng)羥化代謝產(chǎn)物與谷胱甘肽、葡萄糖醛酸、硫酸結(jié)合由尿和膽汁排出環(huán)氧化反應(yīng)產(chǎn)物終致癌物黃曲霉毒素B1，2，3-環(huán)氧化物可與DNA脫氧鳥嘌呤第7位N結(jié)合形成加合物17苯并（a）芘[benzo(a)pyrene，BP]

B(a)P首先由P-450酶系催化生成B(a)P-7,8環(huán)氧化物，進(jìn)一步在環(huán)氧化物水化酶的作用下生成二氫二醇衍生物，7，8-二氫二醇可由細(xì)胞色素P450的作用進(jìn)一步作用形成7,8-二氫二醇-9,I0-環(huán)氧化物。

7,8-二氫二醇-9,I0-環(huán)氧化物為終致癌物，可以與核酸中的鳥嘌呤和腺嘌呤結(jié)合，產(chǎn)生DNA損傷而引起突變致癌。親電子劑的形成苯并(a)芘[benzo(a)pyrene，BaP]7,8-環(huán)氧苯并(a)芘7,8-二羥-BaP

7,8-二羥基-9,10-環(huán)氧BaP

P-450環(huán)氧化物水解酶(終致癌物)（3）N-羥化反應(yīng)（N-hydroxylation）

N-羥化反應(yīng)是外源化學(xué)物的氨基（H2N-）發(fā)生羥化，毒性往往增高。如苯胺(aniline,C6H5NH2)經(jīng)羥化后形成苯基羥胺(phenylhydroxylamine)。苯基羥胺的毒性較苯胺本身為高，可使血紅蛋白氧化成為高鐵血紅蛋白。20具有重要毒理學(xué)意義的是有些芳香胺類本身并不致癌，經(jīng)N-羥化后具有致癌作用。如：2-乙酰氨基芴(2-acetylaminofluorene,AAF),其N-羥化后形成近致癌物N-羥基-2-乙酰氨基芴，并可繼續(xù)轉(zhuǎn)化為終致癌物。21（4）雜原子（S-，N-和I-）氧化如含有硫醚鍵（-C-S-C-）的有機磷化學(xué)毒物，在MFO的催化下進(jìn)行S-氧化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成亞砜(sulphoxide)或砜(sulphone)，這些氧化產(chǎn)物毒性可增高5~10倍。如氯丙嗪在體內(nèi)通過此反應(yīng)而毒性增強。

（5）氧化脫氨和氧化脫硫N-亞硝胺（nitrosamines）二甲基亞硝胺（dimethynitrosamine

DMA）代謝脫甲基、脫亞硝基反應(yīng)脫亞硝基代謝P450催化下生成醛和胺脫甲基代謝終致癌物甲基碳賓離子可使核酸和蛋白質(zhì)的親核部位甲基化（6）脫烷基反應(yīng)（dealkylation）N-脫烷基反應(yīng)：反應(yīng)中將由N-原子上脫去1個或2個烷基。河南林州等地食管癌高發(fā)與當(dāng)?shù)厝讼彩碂熝夂碗缰撇擞嘘P(guān)24O-脫烷基反應(yīng)（O-dealkylation）：毒蟲畏（chlorfenvinphos）等有機磷殺蟲劑可在O-脫烷基反應(yīng)中分別脫去1個乙基和1個甲基。S-脫烷基反應(yīng)（S-dealkylation）：可發(fā)生在硫醚類（thioether，R-S-R）化合物。如麻醉藥甲硫巴比妥鈉（methitural）在反應(yīng)中由S原子上脫去甲基，形成含硫基的代謝產(chǎn)物和甲醛。25微粒體含黃素單加氧酶在肝、肺、腎的微粒體中，還有一種能催化氧化反應(yīng)的酶，以FAD(黃素腺嘌呤二核苷酸)為輔酶，稱微粒體FAD單加氧酶，或稱為黃素單加氧酶(flavin-containingmonooxygenase,FMO)。其功能與反應(yīng)機理與細(xì)胞色素P-450單加氧酶相似，反應(yīng)過程亦需要NADPH和O2，但借助輔酶FAD進(jìn)行電子傳遞。很多由FMO催化的反應(yīng)，也可為P-450催化。26與P-450不同之處在于：它不能在碳位上催化氧化反應(yīng)，但可以在N位上加氧。FMO種類較少，目前發(fā)現(xiàn)只有5種，而P450有400多種。FMO在種屬間表達(dá)不同，與P450相互補。即P450活性強的，則FMO活性就弱，反之亦然。27醇脫氫酶和醛脫氫酶催化某些外源化學(xué)物氧化反應(yīng)的酶類除前述幾種外，在細(xì)胞胞漿、線粒體中還有一些主要催化具有醇、醛和酮基團外源性化學(xué)物的氧化反應(yīng)。主要包括醇脫氫酶、醛脫氫酶、鉬水解酶、單胺氧化酶等，屬于非微粒體氧化酶。特點：底物專一性，需要NAD+和NADP+為輔酶28（1）醇脫氫酶醇脫氫酶（AlcoholDehydrogenase，ADH）可催化醇類氧化成醛或酮。反應(yīng)過程中需要輔酶Ⅰ和輔酶Ⅱ。上述反應(yīng)為可逆反應(yīng)，當(dāng)達(dá)到平衡時，易于出現(xiàn)逆向反應(yīng)。ADH是一種含鋅酶，位于胞漿，分布于肝臟、腎臟、肺臟及胃粘膜。

齊二藥亮菌甲素注射液中毒事件：30（2）醛脫氫酶（ALDH）醛脫氫酶（Aldehyde

Dehydrogenase，ALDH）：以輔酶Ⅰ為輔酶催化醛類的氧化反應(yīng)，并形成相應(yīng)的酸類。肝細(xì)胞的胞液和線粒體中都含有醛脫氫酶。因攝入乙醇經(jīng)醇脫氫酶催化而形成的乙醛將繼續(xù)氧化，主要由線粒體中的乙醛脫氫酶催化。31ALDH在人群中具有多態(tài)性，黃種人大約有45-53%的人Glu487變成Lys487，因點突變而缺乏ALDH活性，因此他們在飲酒后易產(chǎn)生紅暈綜合征、醉酒以及酒精中毒。其原因就是乙醛迅速堆積，造成局部血管因釋放兒茶酚胺而擴張。乙醇對機體的毒性主要來自乙醛。32胺氧化酶單胺氧化酶（MAO）：存在于肝、腎、腸和神經(jīng)組織的線粒體中；二胺氧化酶：存在于肝、腎、腸和神經(jīng)組織的胞液中。1、硝基還原反應(yīng)

硝基基團特別是芳香族硝基化學(xué)物，如硝基苯，在還原過程中先生成亞硝基化合物，最后還原為相應(yīng)的胺類。

硝基苯---亞硝基苯----苯胺。二、還原反應(yīng)2、偶氮還原反應(yīng)

偶氮（R-N=N-R‘）類化合物可還原成兩分子胺。

脂溶性的偶氮化合物：主要在肝微粒體以及腸道中還原；

水溶性的偶氮化合物：主要在腸道菌叢還原；343、羰基還原

醛類和酮類的還原反應(yīng)，可分別生成伯醇和仲醇。如乙醇經(jīng)醇脫H酶催化生成乙醛，反應(yīng)可逆。35三、水解反應(yīng)外源性化學(xué)物的水解反應(yīng)主要由酯酶、酰胺酶、肽酶和環(huán)氧水化酶催化。1、酯酶、酰胺酶

酯類物質(zhì)被酯酶水解生成醇和酸；

酰胺類物質(zhì)被酰胺酶水解生成酸和胺。2、肽酶

血液和組織中含有多種肽酶可水解肽類。3、環(huán)氧水化酶

如苯并芘代謝過程中的環(huán)氧化物水化過程。P6236四、結(jié)合反應(yīng)結(jié)合反應(yīng)(conjugationreaction)是外源化學(xué)物經(jīng)過第一相反應(yīng)，已經(jīng)具有羥基、羧基、氨基等極性基團之后，與另外一些具有極性基團的內(nèi)源化學(xué)物進(jìn)一步結(jié)合的反應(yīng)。絕大多數(shù)外源化合物在第一相反應(yīng)中，無論已發(fā)生氧化、還原和水解反應(yīng)，最后必須進(jìn)行結(jié)合反應(yīng)，再排出體外，因此結(jié)合反應(yīng)也稱為第二相反應(yīng)。主要的結(jié)合反應(yīng)根據(jù)與外源化學(xué)物結(jié)合的結(jié)合劑不同，可分為:葡萄糖醛酸結(jié)合;硫酸結(jié)合;氨基酸結(jié)合;乙?；Y(jié)合;甲基結(jié)合;谷胱甘肽結(jié)合.381．葡萄糖醛酸結(jié)合（glucuronidation）與葡萄糖醛酸結(jié)合是Ⅱ相反應(yīng)中最普遍進(jìn)行的一種，對化學(xué)物的代謝具有重要作用。反應(yīng)在肝細(xì)胞的微粒體中進(jìn)行。葡萄醛酸供體是來自胞液的尿苷二磷酸葡萄糖醛酸（UDPGA）。外源性底物包括羥基、羧基、胺基和巰基化學(xué)物。催化酶為UDP-葡萄糖醛酸基轉(zhuǎn)移酶。產(chǎn)物是β-葡萄糖醛酸苷，具有高度水溶性的，易于從尿和膽汁排出。402．硫酸結(jié)合硫酸反應(yīng)的供體是3’-磷酸腺苷-5’-磷酰硫酸（PAPS）在磺基轉(zhuǎn)移酶(sulfotransferase)作用下生成硫酸酯。外源化學(xué)物的硫酸結(jié)合物主要由尿排出，少部分從膽汁排出。該酶主要存在于肝、腎、腸、肺等組織的細(xì)胞液中，底物是含有-OH、-NH2、-SH的毒物。由于PAPS前體-游離半胱氨酸數(shù)量有限，因此PAPS的生理濃度低(75μmol/l，僅為UDPGA的1/5)直接影響了PAPS的結(jié)合容量。與UDPGA相比，其結(jié)合力強但結(jié)合容量低。413．乙酰基結(jié)合

乙?；梢阴］o酶A提供。由乙酰轉(zhuǎn)移酶催化，將乙酰基轉(zhuǎn)移到含伯胺、羥氨或巰基的毒物上。4．甲基化反應(yīng)甲基化反應(yīng)不是化學(xué)毒物結(jié)合的主要方式。甲基化反應(yīng)由S-腺嘌呤蛋氨酸（SAM）供給甲基。甲基化可分為N-，O-，S-甲基化。結(jié)合產(chǎn)物雖然可能比母體化學(xué)毒物水溶性降低，但一般都使外源性化學(xué)物解毒。425．氨基酸結(jié)合兩類毒物可與AA結(jié)合：羧酸和芳香羥胺。

A、羧酸與AA結(jié)合是解毒反應(yīng)：如苯甲酸在乙酰輔酶A的參與下，與甘AA(氨基)結(jié)合生成馬尿酸；

B、芳香羥胺與AA結(jié)合是活化反應(yīng)：如芳香羥胺與AA的羧基反應(yīng)，生成N-酯，后者可形成親電子的氮賓離子和碳賓離子，因此是活化反應(yīng)。436．谷胱甘肽結(jié)合谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（GST）能催化GSH與含有親電子C、N、S、O的化學(xué)毒物反應(yīng)，生成結(jié)合物。GSH結(jié)合物具有極性和水溶性，可經(jīng)膽汁排泄，并可經(jīng)體循環(huán)轉(zhuǎn)運至腎。在腎內(nèi)GSH結(jié)合物經(jīng)一系列酶催化反應(yīng)變?yōu)榱蛎寻彼幔╩ercapturicacid）衍生物，由尿排泄。GST底物的共同點：有一定的疏水性，含有親電子原子，并可與GSH發(fā)生非酶促反應(yīng)。44GST在細(xì)胞內(nèi)含量很高，可高達(dá)細(xì)胞總蛋白的10%，主要存在于胞液中，在微粒體中含量很低，GST是可誘導(dǎo)酶。GST催化的與GSH結(jié)合反應(yīng)是親電子劑解毒的一般機制，并在自由基解毒也起重要作用。四、影響生物轉(zhuǎn)化的因素：遺傳生理因素：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。環(huán)境因素：主要通過影響代謝酶和輔酶的合成過程