化學毒物的生物轉化

關于化學毒物的生物轉化

化學毒物通過不同途徑被吸收進入體內后，將發(fā)生一系列化學變化并形成一些分解產(chǎn)物或衍生物，此種過程稱為生物轉化(biotransformation）或代謝轉化。第2頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

BiotransformationLesseffectivedrug,LesstoxicMoreeffectivedrugMorewatersoluble,MoretoxiccompoundMorewatersoluble,Lesstoxic第3頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

化學毒物的生物轉化過程分兩相反應，第一相反應(PhaseⅠreaction)主要包括氧化(oxydation)、還原(reduction)和水解(hydrolysis)；第二相反應(phaseⅡreaction)主要為結合反應(conjugation)，結合反應指化學毒物經(jīng)第一相反應形成的中間代謝產(chǎn)物與某些內源化學物的中間代謝產(chǎn)物相互結合的反應過程。第4頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

肝臟是機體內最重要的代謝器官，化學毒物的生物轉化過程主要在肝臟進行。其它組織器官，例如肺、腎、腸道、腦、皮膚等也具有一定的生物轉化能力，雖然其代謝能力及代謝容量可能相對低于肝臟，但有些化學毒物可在這些組織中發(fā)生不同程度的代謝轉化過程，有些還具有特殊的意義。未經(jīng)肝臟的生物轉化作用而直接分布至全身，對機體的損害作用相對較強。第5頁,共68頁，2024年2月25日，星期天TwoPhasestoetoxification/MetabolismToxinPrimaryMetabolitePhase1SecondaryMetabolitePhase2NonPolarPolarFatSolubleWaterSoluble第6頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)Ⅰ相反應一、氧化作用1.細胞色素P-450酶系

微粒體細胞色素P-450酶系又稱為微粒體混合功能氧化酶(microsomalmixedfunctionoxidase,MFO)，或單加氧酶(monooxygenase)。此酶系由三部分組成，即血紅素蛋白類(細胞色素P-450和細胞色素b5)、黃素蛋白類(NADPH-細胞色素P-450還原酶和NADH-細胞色素第7頁,共68頁，2024年2月25日，星期天b5還原酶)和磷脂類。以細胞色素P-450最為重要。

細胞色素蛋白及其它血紅素蛋白在可見光范圍內各自呈現(xiàn)典型的吸收光譜。例如細胞色素P-450本身在420nm處出現(xiàn)強吸收光譜，但在還原條件下與CO結合后，最強吸收光帶在450nm處，因此而得名。細胞色素P-450酶系的主要功能是催化體內許多內源和外源化學物在生物轉化過程中的氧化反應。第8頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

Thedisruptionisusuallycarriedoutinanisotonicmedium(thismediummaybeasaltsolutionbutisoften0.24Msucrose).Afterhomogenizationthecomponentscanbeseparated.Thefragmentsoftheendoplasmicreticulumtendtofusetoformvesicles.第9頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第10頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第11頁,共68頁，2024年2月25日，星期天Themorphologicalconstituentsofatypicalmicrosomefractionofliverasrevealedbytheelectronmicroscope.第12頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

細胞色素P-450酶系由兩類酶組成，一類為血紅蛋白類，其中包括細胞色素P-450和細胞色素b5,它們均含有鐵卟啉環(huán)結構，具有傳遞電子的功能。另一類是黃素蛋白類，包括還原型輔酶Ⅱ-細胞色素P-450還原酶（NADPH-cytochromeP-450reductase）以及還原型輔酶Ⅰ-細胞色素b5還原酶（NADH-cytochromeb5reductase)，這類酶的第13頁,共68頁，2024年2月25日，星期天功能主要是電子傳遞作用并提供電子。細胞色素P-450氧化功能在不同組織器官中也存在一定的差異。肝臟中細胞色素P-450氧化酶主要催化許多外源化學毒物的氧化反應，也參與少數(shù)內源化學物的代謝過程，例如類固醇等；具有重要毒理學意義的外源化學毒物和多環(huán)芳烴類的氧化反應主要由肺、皮膚和小腸粘膜中細胞色素P-450氧化酶催化。第14頁,共68頁，2024年2月25日，星期天目前已確定，P-450是一個蛋白質超家族，每一種對底物專一性有特征性譜，某些是P-450結構型的，其他的是誘導型的。很多P-450的cDNA和基因結構已經(jīng)明確，這些蛋白質根據(jù)結構的相似性組成家族和亞族。P-450的酶氨基酸序列相似性＞40%是屬于同一家族，如＞59%則屬于同一亞族。第15頁,共68頁，2024年2月25日，星期天P-450的命名是用斜體詞根CYP代表。除小鼠之外所有物種的細胞色素P-450的基因和cDNA(小鼠用Cyp)，詞根后的阿拉伯數(shù)字代表基因族，大寫英文字母代表基因亞族，字母后的阿拉伯數(shù)字代表基因亞族中的一個基因。如CYP1A1表示P-450的1基因族A亞族第1基因。所有物種P-450的mRNA和酶都用大寫字母表示。第16頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

人肝臟主要含15種以上不同的生物轉化化學毒物和/或內源性底物的P-450(CYP1A2，2A6，2B6，2C8，2C9，2C18，2C19，2136，2E1，3A4，3A5，3A7，4A9，和4A11)。涉及化學毒物生物轉化的人肝主要P-450的底物、抑制劑和誘導劑見表。P-450的催化機制共有7步。

P-450催化的總反應為：底物(RH)+O2+NADPH+H+

產(chǎn)物(ROH)+H2O+NADP+第17頁,共68頁，2024年2月25日，星期天ioncycleFeIIIFeIII(RH)FeII(RH)FeII(O2)(RH)FeII(O2.

)(RH)FeIV

(O.

)(RH)e-e-2H+H2OROHRHFeIII(O2.)(RH)O2Reactioncycle第18頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第19頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

P-450催化地反應類型：

⑴脂肪族和芳香族的羥化(hydroxylationofaliphaticoraromaticcarbon)

脂肪族在體內的羥化是末端的或倒數(shù)第二位碳原子被氧化成羥基。例如，有機磷農(nóng)藥八甲磷(schradane，OMPA)末位甲基羥化生成N-羥基八甲磷，后者在體內毒性增高，抑制膽堿酯酶的能力較八甲磷強10倍。

⑵雙鍵的環(huán)氧反應(epoxidationofadoublebond)第20頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

微粒體混合功能氧化酶催化下，一個氧原子在外源化學物的兩個相鄰碳原子之間構成一橋式結構，形成環(huán)氧化物。有些環(huán)氧化物可以致癌，例如氯乙烯的環(huán)氧化產(chǎn)物環(huán)氧氯乙烯即為致癌物。有些外源化學物的環(huán)氧化物性質極為穩(wěn)定，可長期在環(huán)境和機體脂肪組織中存留，例如有機氯殺蟲劑艾氏劑的環(huán)氧化物鍬氏劑已造成嚴重的生態(tài)問題。還有些化學物的環(huán)氧化物性質極不穩(wěn)定，將繼續(xù)發(fā)生羥化，形成二氫二醇化合物。環(huán)氧化反應可分為脂肪族環(huán)氧化反應和芳香族環(huán)氧化反應。后者的環(huán)氧化產(chǎn)物不穩(wěn)定，將繼續(xù)發(fā)生羥化。第21頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

⑶脫氫(dehydrogenation)P-450也對催化很多化學毒物的脫氫反應。

⑷其他第22頁,共68頁，2024年2月25日，星期天OHRCH2CH3RCH2CH2OHR2CCR2R2CCR2OORXCH3RXHH3CO+HydroxylationsEpoxidationHeteroatom(O,N,S)dealkylationCYTOCHROMEP450Oxidations

第23頁,共68頁，2024年2月25日，星期天CytochromeP450–mediateddehydrogenation第24頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

2.黃素單加氧酶肝、腎、肺等組織微粒體含有一種或多種黃素單加氧酶(microsomalflavin-containingmonoxygenase,FMO)可氧化多種化學毒物的親核性氮、硫和磷雜原子。FMO以黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)為輔酶，需要NADPH和O2。

與P-450酶系的不同之處是，F(xiàn)MO不能在碳位上催化氧化反應。3.醇、醛、酮氧化-還原系統(tǒng)和胺氧化肝細胞液中含有醇脫氫酶、醛脫氫酶及醛氧化酶、第25頁,共68頁，2024年2月25日，星期天不在碳位上加氧第26頁,共68頁，2024年2月25日，星期天黃嘌呤氧化酶等。這些酶能使各種醇類化學氧化。例如，乙醇經(jīng)胞液中的醇脫氫酶及醛脫氫酶催化，在NAD+受氫的條件下，脫氫氧化，最后生成CO2。4.過氧化物酶依賴性的供氧化反應在前列腺素生物合成過程中，花生四烯酸首先由環(huán)加氧酶催化，形成前列腺素G2(PGG2)，PGG2又經(jīng)氫過氧化物酶催化進一步被氧化成為前列腺素H2(PGH2)。這兩種酶合稱為前列腺H合成酶(prostaglandinHsynthase,PHS)，此酶位于微粒體。第27頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第28頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

二、還原作用含有硝基、偶氮基化學毒物以及醛、酮、亞砜和多鹵代烴類化學毒物易被催化還原，在哺乳動物組織中這類反應活性較低，但在腸道菌群內還原酶的活性較高。1.硝基和偶氮還原由腸道菌群和兩種肝臟酶P-450及NAD(P)H-醌氧化還原酶催化，后一種酶存在于胞漿中。第29頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

腸道菌群催化的硝基還原對某些硝基芳香化學毒物的毒性其重要的作用。如雄性大鼠肝致癌物二硝基甲苯的代謝活化。二硝基甲苯經(jīng)肝P-450氧化后與葡萄糖醛酸結合成葡糖苷排入膽汁，由腸道菌群進行生物轉化，一個或兩個硝基被硝基還原酶還原成胺，葡糖苷為β-葡糖苷酶水解。水解后的代謝物被重吸收轉運至肝，新生成的氨基由P-450催化N-羥化，并可乙?；蚺c硫酸結合。這些結合物可裂解生成高度反應性的氮賓離子，氮賓離子可攻擊DNA，引起突變和肝癌。第30頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第31頁,共68頁，2024年2月25日，星期天MolecularRecognitioninToxicology:InductionofCytochromeP450ToxinReceptorOutsideInsideDNA第32頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

2.羰基還原醛、酮還原由醇脫氫酶和一組羰基還原酶催化羰基還原酶是NADPH依賴性酶，存在于血液、肝、腎、腦及其它組織的胞漿中。3.含硫基團還原含硫基團還原反應在體內較少。二硫化物還原并裂解成巰基化學毒物。肝和腎胞漿中硫氧化還原依賴性酶催化亞砜還原。在氧張力降低并存在NADH或NADPH時，N-氧化物可由線粒體和/或微粒體酶催化還原。第33頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

4.醌還原醌由NAD(P)H-醌氧化還原酶催化還原成氫醌，此酶是黃素蛋白，又稱為DT-黃遞酶，催化醌二電子還原。醌二電子還原還可由羰基還原酶催化。醌的二電子還原是無毒性的。但醌經(jīng)NADPH-P-450還原酶催化─電子還原，生成半醌自由基。半醌自由基可經(jīng)自氧化，伴有氧化應激，生成具有細胞毒性的超氧陰離子、過氫氧自由基、過氧化氫、羥基自由基。氧化應激是某些含醌或可轉變?yōu)轷幕瘜W毒物毒作用的重要機制。第34頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第35頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

5.脫鹵反應有三種機制涉及脫鹵素反應，即還原脫鹵反應、氧化脫鹵反應和脫氫鹵反應。還原脫鹵反應和氧化脫鹵反應由P-450催化，脫氫鹵反應由P-450和GSHS-轉移酶催化。這些反應在一些鹵代烷烴的生物轉化和代謝活化中起重要的作用。如肝臟毒物四氯化碳經(jīng)還原脫鹵反應代謝活化，一電子還原生成三氯甲烷自由基(·CCl3)，后者啟動脂質過氧化作用并產(chǎn)生各種其它代謝產(chǎn)物。第36頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

三、水解作用脂類、酰胺類和磷酸酯在體內可被廣泛存在的水解酶所水解。血漿、肝、腎、腸粘膜、肌肉和神經(jīng)組織中均含有水解酶，水解酶中以酯酶(esterase)最為廣泛，另一種為酰胺酶(amidase)。酯類化學毒物被酯酶催化水解生成醇和酸，酰胺被酰胺酶催化水解成酸和胺。根據(jù)與有機磷酸酯的關系，酯酶可分為3類。A類(芳香酯酶)，可水解有機磷酸酯；B類(羧基酯酶)可為有機磷酸酯抑制，如有機磷酸酯和氨基甲酸酯農(nóng)藥抑制膽堿酯酶，引起毒性效應；C類(乙酰酯酶)，與有機磷酸酯無相互作用。第37頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)Ⅱ相反應

Ⅱ相反應(phaseⅡbiotransformation)又稱為結合作用(conjugation)。

Ⅱ相反應中，外源化學物原有的或由I相反應引入或暴露的功能基團，與內源性輔因子之間發(fā)生的生物合成反應。除了甲基化和乙?；Y合反應外，其它Ⅱ相反應顯著增加化學毒物的水溶性，促進其排泄。葡萄糖醛酸結合、硫酸結合、乙酰化作用和甲基化作用涉及活化的(“高能”的)輔因子，而與谷胱甘肽(GSH)結合和與氨基酸結合則是與活化的化學毒物反應。第38頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第39頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第40頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

一、葡萄糖醛酸結合葡萄糖醛酸結合(glucuronidation)是Ⅱ相反應中最普遍進行的一種，對化學毒物的代謝(解毒和活化)具有重要的作用。葡萄糖醛酸結合反應在結合反應中占有重要的地位，在許多外源化學物都可進行，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α-葡萄糖醛酸(UDPGA)，然后經(jīng)各種轉移酶催化，將葡萄糖醛酸基轉移到外源化學物分子。第41頁,共68頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)進行結合反應的外源化學物結構及結合方式或部位不同，可分為α-葡萄糖醛酸結合(醇類，酚類，羧酸胺類)、N-葡萄糖醛酸結合(氨基甲酯類，芳香胺類，磺胺類)和S-葡萄糖醛酸結合，統(tǒng)稱葡萄糖醛酸化。葡萄糖醛酸結合反應一

第42頁,共68頁，2024年2月25日，星期天葡萄糖醛酸結合反應二

二、硫酸結合硫酸結合(sulfateconjugation)反應的供體是3’-磷酸腺苷-5’-磷酰硫酸(PAPS)在磺基轉移酶(sulbtransferase)作用下，生成硫酸酯。第43頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

三、乙?；饔靡阴；饔?acetylation)涉及酶催化或非酶催化的從乙酰輔酶A將乙酰基轉移到含伯胺、羥基或巰基的化學毒物。這些酶分布在很多器官，但肝是N-乙酰化作用的主要器官。芳香伯胺和肼的伯胺基乙?；饔檬沁@些化學毒物的主要生物轉化途徑。人類的乙?；灿卸鄳B(tài)性，根據(jù)對異煙肼乙酰結合反應的速度，將人類分為快乙?；秃吐阴；汀?/p>

硫酸結合反應

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四、氨基酸結合與氨基酸結合(aminoacidconjugation)有兩類化學毒物，即羧酸和芳香羥胺。羧酸必須首先經(jīng)?；o酶A合成酶催化，需要ATP和乙酰輔酶A，活化生成?；o酶A硫酯，再由N-乙酰轉移酶催化與氨基酸如甘氨酸、谷氨酸、?；撬岬陌被磻?，形成酰胺鍵。例如苯甲酸與甘氨酸結合生成馬尿酸。羧酸的氨基酸結合是解毒反第45頁,共68頁，2024年2月25日，星期天應。芳香羥胺則由氨酰-tRNA合成酶催化并需要ATP，與氨基酸的羧基反應，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。

第46頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第47頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

五、甲基化作用在甲基轉移酶催化下，將內源性來源的甲基結合于外源化學物分子結構內的反應。有許多內源性和外源化學物可以進行甲基結合反應(methylation)，與其它結合反應相比，甲基結合后，外源化學物的功能基團未被第48頁,共68頁，2024年2月25日，星期天遮蓋，水溶性沒有明顯的增強，有的反而下降；生物學作用并未減弱，有的反而增強，甲基化反應有解毒作用。內源性甲基供體是S-腺苷甲硫氨酸(SAM)。能進行甲基結合反應的外源化學物主要有含羥基、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。第49頁,共68頁，2024年2月25日，星期天甲基結合反應

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六、谷胱甘肽結合谷胱甘肽S-轉移酶(glutathioneS-transferase，GST)催化還原性GSH(親核劑)與含有親電子C、N、S、O的化學毒物反應，生成結合物。GST的底物的共同點為：有一定疏水性，含有親電子原子，并可與GSH發(fā)生非酶反應。GSH結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)轉運至腎。在腎內GSH結合物經(jīng)一系列酶催化反應轉變?yōu)榱蛎寻彼?mercapturicacid)衍第51頁,共68頁，2024年2月25日，星期天生物，由尿排泄。GST在細胞內含量很高，可高達細胞總蛋白的10％，主要存在于胞液中，在微粒體內含量較低，GST是可誘導酶。

GST催化的GSH結合反應是親電子劑解毒的一般機制，并在自由基解毒中也起重要作用。然而，如果上述親電性物質在體內的量過大，則可引起谷胱甘肽的耗竭，導致明顯毒性反應，如乙酰氨基酚與肝蛋白共價結合同谷胱甘肽的耗竭關系見圖。結合作用的主要類型及結合酶定位見表。第52頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第53頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第54頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)代謝活化

化學毒物經(jīng)過代謝轉化，大部分是毒性減低，但有的化學毒物卻可使毒性增強，甚至產(chǎn)生致癌、致突變、致畸作用，又稱為代謝活化。對機體來說，代謝減毒是消除過程的一部分，使毒物的量減少；而代謝活化則使無毒或低毒的化學毒物轉變成高毒性的活性代謝物，可直接與生物大分子反應，引起毒作用。因此，毒理學更重視代謝活化的研究。第55頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

經(jīng)代謝活化生成的活性代謝產(chǎn)物可以分為4類：①生成親電子劑，最為常見，如苯并(a)芘和2-乙酰氨基芴的代謝活化；②生成自由基；如百草枯、硝化呋喃托英經(jīng)催化還原，四氯化碳還原脫鹵，醌經(jīng)一電子還原，生成自由基等；③生成親核劑，少見，如苦杏仁苷經(jīng)腸菌群酶催化生成氰化物，二鹵甲烷經(jīng)氧化脫鹵生成一氧化碳；④生成氧化還原劑，少見，如硝酸鹽經(jīng)腸菌群酶催化生成亞硝酸鹽，還原酶催化Cr(Ⅵ)生成Cr(V)，Cr(V)再催化生成H0·

。第56頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

苯并(a)芘[B(a)P]是一種重要的環(huán)境致癌物，已在體內鑒定了包括各種結合產(chǎn)物在內共50多種代謝產(chǎn)物，其中3-羥BaP是主要的解毒產(chǎn)物。BaP首先由P-450酶系催化生成4,5-,7,8-,9,10-三種主要的環(huán)氧化物。這些環(huán)氧化物經(jīng)環(huán)氧化物水化酶(EH)的催化加水生成二氫二醇衍生物。7,8-和9,10-二氫二醇可由P-450酶系進一步生成鄰二氫二醇環(huán)氧化物，即7,8-二氫二醇-9,10-環(huán)氧化物和9,10-2氫二醇7,8-環(huán)氧化物。前者第57頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第58頁,共68頁，2024年2月25日，星期天有4種異構體，其中7,8-二氫二醇-9,10-環(huán)氧化物(+)-Ⅱ為終致癌物。通過Ames試驗、致皮膚瘤活性試驗和DNA加合物檢測，多證明7,8-二氫二醇-9,10-環(huán)氧化物(+)-Ⅱ為終致癌物。Ⅱ相反應可引起代謝活化，如致癌物2-乙酰氨基芴(2-acetylaminonuorene，2-AAF)和2-氨基芴，可以在N-乙酰轉移酶和脫乙酰酶催化下互相轉化，并均可經(jīng)P-450和黃素加單氧酶催化形成N-羥基芳酰胺和N-羥基芳胺。這兩種化學毒物是近致癌物，與硫酸結合、乙酰化第59頁,共68頁，2024年2月25日，星期天和葡糖苷酸結合，結合物在酸性pH尿中可水解或由小腸菌叢的β-葡糖苷酸酶催化水解，生成N-羥基芳香胺后者可自發(fā)性生成芳基氮賓離子(親電子劑)，攻擊DNA，引起膀胱癌和結腸癌。第60頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第61頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)毒物代謝酶的誘導和抑制

化學毒物在體內的生物轉化過程，受很多素的影響，如物種、性別、遺傳、年齡、營養(yǎng)、疾病