第3章+生物轉化.ppt

1、第三章 化學毒物的生物轉化,第一節(jié) 生物轉化概述,生物轉化（biotransformation）：外源化學物在機體內經(jīng)多種酶催化的代謝轉化。 代謝過程主要在肝臟進行，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 生物轉化的特點：,化學毒物的水溶性增加。,重要,2 生物轉化的毒理學意義,（1）生物轉化是外源化學物進入機體后，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，有些毒性減弱。因此，生物轉化對于判定其對機體的影響有重要作用。 （2）通過對生物轉化作用的研究，可以探求外源化合物活性基團、活性分子的重要規(guī)律，為防治其對機體損傷有重要意義。,（3）通過對外源化

2、學物在機體的生物轉化過程的研究，有利于探求其損傷機制，作用的靶器官、靶組織、靶細胞乃至靶分子。 （4）外源化合物經(jīng)過生物轉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材料。,3 生物轉化的結果：,代謝解毒：外源化學物經(jīng)生物學化使其毒性降低，易于排出體外的過程生物轉化的結果 代謝活化：外源化學物經(jīng)生物轉化使其毒性增強，甚至可產(chǎn)生致畸、致癌效應的過程,4 生物轉化酶的基本特征：,廣泛的底物特異性 某些酶具有多態(tài)性 具有立體選擇性 有結構酶和誘導酶之分,5 毒物代謝酶的分布：,肝臟：不同組織對外源化學物生物轉化能力的顯著區(qū)別

3、對于解釋化學物損傷的組織特異性具有重要的毒理學意義。 內質網(wǎng)（微粒體）或脂質的可溶部分（胞漿）。,6 生物轉化反應分為兩種類型,第一階段：亦稱I相反應，包括氧化、還原和水解等反應。通過反應使毒物的分子暴露或增加功能基團，如羥基、巰基、羧基、氨基等。通常僅導致水溶性少量的增加。 第二階段：亦稱II相反應，結合反應。大多數(shù)II相反應可導致外源化學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,相反應（phase biotransformation） 指經(jīng)過氧化、還原和水解等反應使外源化學物暴露或產(chǎn)生極性基團，如-OH、-NH2、-SH、-COOH等，水溶性增高并成為適合于相反應的底物

4、。,1 氧化作用,1.1 細胞色素P-450酶系 在催化酶類中, 最主要的是細胞色素P-450酶系(也簡稱為CYP)，亦稱為細胞色素P-450混合功能氧化酶，或細胞色素P-450依賴性單加氧酶。細胞色素P-450是一種含亞鐵的卟啉蛋白，即血紅素蛋白。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。,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，其中某些是結構型的，其他是誘導型的。 這些蛋白根據(jù)結構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進行的DNA水平和蛋白質一級結構的比較上分析，從細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外，4個族與外源化學物代謝有關。 人肝臟主要含15種以上不同的生物轉化外源化學物和或內源性底物的P-450(CYPlA2，2A6，2B6，2C8，2C9，2C18，2C19，2D6，2E1，3A4，3A5，3A7，4A

6、9，和4A11)。,P-450催化的氧化反應的化學方程簡式,RH + NADPH + O2+H+R-OH + NAP + H2O,P-450催化的反應類型：,（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,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，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，這些人因為缺少了一種酶，影響了酒精在體內的及時分解，從而易造成醉酒。不善飲酒、酒量在合理標準以下的人，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,酯酶分解酯類結構 酰胺酶酰胺鍵水解 糖苷酶糖苷水解,第三節(jié) 相反應,毒物原有的功能基因或由1相反應引入（暴露）的功能基因與內源性輔因子反應。 絕大多數(shù)

9、外源化學物在第一相反應中無論發(fā)生氧化、還原或水解反應，最后必須進行結合反應排出體外。 結合反應首先通過提供極性基團的結合劑或提供能量ATP而被活化，然后由不同種類的轉移酶進行催化， 將具有極性功能基團的結合劑轉移到外源化學物或將外源化學物轉移到結合劑形成結合產(chǎn)物。結合物一般將隨同尿液或膽汁由體內排泄。,1 葡萄糖醛酸化,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-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。結合物具有高度水溶性，易從尿和

10、膽汁排泄。,重要,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O-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。,2 硫酸化,系外源化學物與硫酸根結合反應，外源化學物經(jīng)第一相生物轉化后，分子結構中形成羥基，可與內源性硫酸結合，有些外源化學物如本身已含有羥基、氨基或羰基以及環(huán)氧基即可直接進入第二相反應，發(fā)生硫酸結合，,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)外源化學物的結合反應中，硫酸結合往往與葡萄糖醛酸結合反應同時存在，如機體接觸的外源物較少，則首先進行硫酸結合，隨

11、著劑量增多， 硫酸結合減少，而與葡萄糖醛酸的結合增多。內源性硫酸的供體是3-磷酸腺苷-5-磷酰硫酸(PAPA)，系由內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物與PAPS結合反應由磺基轉移酶催化。,3 乙?；?系外源化學物與乙?；Y合的反應，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, 反應由乙酰轉移酶催化。該酶又可分為N-乙酰轉移酶（前面已論述）和N，O-乙酰轉移酶。乙酰結合反應具有多態(tài)性，在不同物種，乙酰轉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、肼乙酰結合反應的情況，將人類機體分成快速乙酰化和緩慢乙?；停瑱C體乙酰結合反應速度的個體差異與機體對某些外源化學物的易感性有關，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物與一種-氨基酸結合的反應，多發(fā)生在芳香羧酸，例如芳基乙酸。參與結合反應的氨基酸主要有甘氨酸、谷氨酰胺以及?；撬?，較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。外源化學物的羧基與氨基酸的氨基結合，形成肽或酰胺。此反應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），催化外源化學物羧基活化；N-?；D移酶，催化將?；赏庠?/p>

13、化學物輔酶A衍生物轉移給氨基酸上氨基。,5 谷胱甘肽化,是外源化學物在一系列酶催化下與還原型谷胱甘肽結合形成硫醚氨酸的反應。應具備以下條件：一定程度的疏水性，含有一個親電子碳原子，可與谷胱甘肽進行一定程度的非酶促反應。這樣的化學物主要有鹵化物，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。催化谷胱甘肽結合反應的酶類主要有谷胱甘肽S-轉移酶。另外，值得注意的是有些外源化學物與谷胱甘肽形成的結合物可與生物大分子結合，誘發(fā)突變以及癌變，例如氯甲烷和二溴乙烷。,6 甲基化,在甲基轉移酶催化下，將內源性來源的甲基結合于外源化學物分

14、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，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。,7 磷酸化,系在ATP和Mg2+ 存在下，由磷酸轉移酶催化ATP的磷酸基轉移到相應的外源化學物的反應。在結合反應中不太普遍，常見于1-萘酚和對硝基酚的反應。,8 硫氰酸鹽化,硫氰酸形成是機體內氰化物代謝解毒的過程，在這一反應中

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。硫氰酸鹽的毒性遠遠低于氰化物。嚴格來說，硫氰酸鹽形成反應并不是典型的結合反應，因為反應中沒有結合劑，且反應產(chǎn)物的極性也不是很強，但它也具有代謝解毒的作用。,第四節(jié) 毒物代謝酶的誘導和激活、抑制和阻遏,代謝是化學物毒作用的決定因素。很多因素可影響外源化學物生物轉化，包括機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物的生物

16、轉化，如代謝酶的誘導和抑制。,1 外源化學物代謝酶的誘導,誘導(induction)指有些外源化學物可使某些毒物代謝酶系的合成量增加，伴有活力增強。能引起酶誘導的物質稱為誘導劑(inducer)。,P-450系的誘導劑有5類：,巴比妥類，如苯巴比妥(PB)誘導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1A1/2； 醇酮，如乙醇、異煙阱，誘導2E1； 甾類，如孕烯醇酮16-腈、地塞米松，誘導3A1/2； 氯貝特(安妥明)類過氧化物酶體誘導劑，誘導4A1/2。此外,多氯聯(lián)苯(PCB)兼有PB和3MC樣誘導作用。,2 外源化學物代謝酶的抑制,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，加強馬拉硫磷的生物學作用，表現(xiàn)為對昆蟲殺蟲效果增強，對人畜毒性增高。一氧化碳可與P-450結合，引起變構作用，阻礙其與氧結合。,(2)兩種不同的化學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，此兩種化學物經(jīng)醇脫氫酶催化代謝而導致毒性，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-