環(huán)境化學物的生物轉運與生物轉化課件

環(huán)境化學物的生物轉運與生物轉化第一節(jié)生物轉運

一、生物膜的結構與功能二、環(huán)境化學物通過生物膜的方式三、吸收四、分佈與貯存五、化學物的排泄返回本章目錄生物膜和生物轉運外源化學物的體內動態(tài)外源化學物[接觸]皮膚肺消化道糞[接觸][排泄]肝〖吸收〗[再吸收]膽汁[代謝]血液迴圈白蛋白結合型游離型[吸收]靶器官(損害)器官組織(貯存)[分佈]腎肺分泌腺尿呼氣乳汁、汗[排泄]圖3-1外源化學物在體內的動態(tài)過程

一、生物膜的結構與功能生物膜質膜：包圍在細胞外的膜細胞核和各種細胞器外面包圍的膜

生物膜的功能：保持細胞和細胞器內部理化性質的穩(wěn)定。選擇性地允許或不允許某些物質透過，以便吸收和排出一些物質。傳遞資訊。生物膜上的酶類（如混合功能氧化酶類等）還對化學物質的生物轉化過程起催化作用。二、環(huán)境化學物通過生物膜的方式

（一）被動轉運

1．簡單擴散

定義：生物膜兩側的化學物分子從濃度高的一側向濃度低的一側（即順濃度梯度）擴散。sssssssssssssssssss

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胞外胞膜胞內影響簡單擴散的主要因素如下：（1）生物膜兩側化學物的濃度梯度（2）脂/水分配系數（3）化學物質的解離度和體液的pH2．濾過

濾過是環(huán)境化學物透過生物膜上的親水性孔道的過程。 生物膜上有一些親水性孔道或間隙，它們是由嵌入脂質雙分子層中的蛋白質結構中某些親水性氨基酸構成。如在膜的兩側存在著流體靜壓或滲透壓差時，水就能攜帶小分子溶質經親水性膜孔順壓差而透過生物膜。凡分子直徑小於膜孔的化學物，均可隨水流透過生物膜。

（二）特殊轉運

對於某些非脂溶性的、相對分子品質較大的環(huán)境化學物，不能通過上述方式轉運，需通過生物膜上的特殊轉運系統(tǒng)轉運。主動轉運易化擴散吞噬和胞飲特殊轉運系統(tǒng)1．主動轉運

定義：化學物伴隨能量的消耗由低濃度處向高濃度處轉運以透過生物膜的過程稱主動轉運。

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胞外胞膜胞內主動轉運的主要特點是：①需有載體（或稱運轉系統(tǒng)）參加。②化學物可逆濃度梯度而轉運，故需消耗一定的代謝能量，因此代謝抑制劑可阻止此轉運過程。③載體對轉運的化學物有一定選擇性，化學物必須具有一定適配的基本結構才能被轉運。2.易化擴散

定義：不易溶於脂質的化學物，利用載體由高濃度處向低濃度處移動的過程，稱為易化擴散，又稱幫助擴散或載體擴散。

特點：不消耗代謝能量。具有一定的主動性和選擇性，但因只能從高濃度處向低濃度處轉運，故又屬於擴散性質。ssssssssssssssssss

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胞外胞膜胞內3.吞噬和胞飲吞噬作用：一些固態(tài)顆粒物質與細胞膜上某種蛋白質有特殊親和力，當其與細胞膜接觸後，可改變這部分膜的表面張力，引起外包或內凹，將異物包圍進入細胞，這種轉運方式稱為吞噬作用。

胞飲作用：液滴異物也可通過此種方式進入細胞，稱為吞飲或胞飲作用。吞噬和胞飲作用可合稱為入胞作用，或膜動轉運。復習：外源化學物通過生物膜的方式？三、吸收

定義：環(huán)境化學物經各種途徑透過機體的生物膜而進入血液的過程稱為吸收。Theprocessbywhichtoxicantscrossbodymembranesandenterthebloodstreamiscalledabsorption消化道皮膚呼吸道環(huán)境化學物注射毒理學試驗①消化道中的多種酶類和菌叢，可使某些化學物形成新的化學物而改變其毒性。②胃腸道內容物的種類和數量、排空時間及蠕動狀態(tài)。③環(huán)境化學物的溶解度和分散度。1.消化道對環(huán)境化學物的吸收過程，受很多因素的影響：2.肺泡對氣態(tài)物質的吸收主要通過簡單擴散

的方式，其吸收速度受多種因素的影響：（1）分壓差和血/氣分配係數。（2）溶解度和相對分子品質。（3）肺的通氣量和血流量，特別是與兩者的比值有關。

3.表皮吸收的主要方式是簡單擴散，影響因素很多：（1）透過角質層的速度與化學物相對分子品質的大小、脂/水分配系數及角質層的厚度有關。（2）不同種屬的動物表皮通透性不同，可能與其角質層的厚度不同有關。（3）高溫促進皮膚血液和間質液流動，使化學物較易被皮膚吸收。（4）角質層損傷因數。

四、分佈與貯存

（一）分佈 定義：環(huán)境化學物被吸收進入血液和體液後，隨血液和淋巴的流動分散到全身各組織的過程稱為分佈。 同一種環(huán)境化學物在體內各組織器官的分佈是不均勻的，不同的化學物在體內的分佈也不一樣?；瘜W物在體內組織器官起始分佈取決於血流量，而最終的分佈取決於親和力。

對外源化學物轉運有阻礙作用的體內屏障主要有：

1.血腦屏障血腦屏障對外源化學物質的滲透性較小，對毒物進入中樞神經系統(tǒng)有阻止作用，使許多物質在血液中濃度相當高時仍不能進入大腦。

2.胎盤屏障

胎盤具有阻止一些外源化學物由母體透過胎盤進入胚胎、保護胎兒正常生長發(fā)育的作用。（二）化學物的貯存

進入血液的環(huán)境化學物大部分與血漿蛋白或體內各組織成分結合，積聚在特定部位。有的化學物對其積聚的部位可直接發(fā)揮毒作用，該部位稱為靶部位，即靶組織或靶器官。有的部位化學物含量雖高，但未顯示毒作用，稱為該化學物的貯存庫。

化學物的貯存庫主要有以下幾種：1.血漿蛋白

進入血液中的環(huán)境化學物可與血液中的蛋白質，特別是清蛋白發(fā)生結合，與蛋白質結合的化學物不易透過細胞膜進入靶器官產生毒作用，對化學物的排泄、轉化及再分佈也有影響。

2．肝和腎

肝和腎組織成分可與許多化學物結合，肝和腎的細胞中含有特殊的結合蛋白，能將與血漿蛋白結合的環(huán)境化學物奪過來。3．脂肪組織許多環(huán)境有機化學物是脂溶性的，易於吸收並貯存在體脂內而不呈現生物學活性。

4．骨骼組織

骨骼組織中某些成分與環(huán)境化學物有特殊親和力，使骨骼成為這些物質貯存沉積的場所，如氟化物、鉛、鍶等能與骨基質結合而貯存其中。

排泄是環(huán)境化學物及其代謝產物由體內向體外轉運的過程。排泄的主要途徑是經腎隨尿液排出和經肝隨膽汁通過腸道隨糞排出。此外，化學物也可隨各種分泌液如汗液、乳汁、唾液、淚液及胃腸道的分泌物等排出；揮發(fā)性物質還可經呼吸道排出。五、化學物的排泄（一）經腎隨尿排泄排泄機制腎小球的被動濾過腎小管的重吸收主動轉運（排泌）（二）經肝隨膽汁排泄

隨膽汁進入小腸的環(huán)境化學物有兩種去路： 一部分隨糞排出。 一部分進入腸肝迴圈。有些脂溶性的、易被吸收的環(huán)境化學物或其代謝產物，可在小腸中重新被吸收，再經門靜脈系統(tǒng)返回肝臟，再隨同膽汁排泄，即進行腸肝迴圈。1.一些氣體和揮發(fā)性物質如CO、醇類等可通過簡單擴散的方式經肺排出。2.有些化學物可通過簡單擴散進入乳汁，而極性強的化學物較難隨乳汁排出。3.有些毒物如重金屬可通過指甲和毛髮排出。4.經口攝入而未被胃腸道吸收的環(huán)境化學物可隨糞便排泄。（三）其他排泄途徑返回本章目錄復習：生物轉運的毒理學意義1吸收與毒性吸收進入體內的量;吸收途徑;吸收的部位2分佈與毒性器官組織中毒物的量毒物的不均勻分佈,濃集點可能就是靶器官蓄積作用對急性是一個保護作用,但是慢性毒性的一個重要器官

3排泄與毒性

毒物動力學是運用數學方法，定量地研究外來化學物吸收、分佈、排泄和代謝轉化隨時間動態(tài)變化的規(guī)律和過程。

第二節(jié)毒物動力學線性動力學模型非線性動力學模型生理性毒理動力學模型

毒物動力學模型返回本章目錄一、基本概念

(一)室 室又稱房室，其含義是假設機體是由一個或多個室組成。在室內，外來化學物的濃度隨時間而變化。線上性動力學模型中，室不代表解剖學的部位，而是理論假設的機體容積。(二)一級速率過程

一級速率過程指化學物在體內隨時間變化的速率與其濃度成正比，線性動力學模型符合一級速率過程。其公式為：

dC/dt=－keC(2-1)

式中:dC/dt

代表化學物濃度隨時間變化率;

ke

代表速率常數。

C代表體內化合物濃度。

(三)主要參數

1．生物半衰期指化學物在體內減少一半時所需要的時間。

t?=0.693/ke(2-2)2．血濃度-時間曲線下麵積（AUC）

AUC=Co/ke

(2-3)

反映對毒物的吸收量。

3．表觀分佈容積（Vd）指外來化學物在體內達到動態(tài)平衡時體內毒物的總量D與血中毒物濃度C的比值。Vd=D/Co；或Vd=Do/Co(2-4)4．消除速率常數（

ke）表示單位時間內毒物從體內消除的量與體內的量之比。

ke=(dD/dt)/D(2-5)

5．清除率（CL）指單位時間內從體內清除的表觀容積，即單位時間血液中毒物的清除量。

CL=D/AUC

或

CL=Vd·ke(2-6)

二、一室模型

一室模型或稱單室模型，是將機體視為單一的室,指外來化學物進入機體後，能迅速均勻地分佈於整個機體之中。其模型圖示如下：

一室模型中化學物從機體的清除速率（dC/dt）為一級速率過程，可按式（2-1）公式表達,積分得：（2-7）式（2-7）自然對數化得：（2-8）以式（2-8）InC與時間t作圖成直線，外延到縱軸的截距為Co，直線斜率即為ke。

大多數外來化學物進入機體後，從血漿（包括體液）到組織臟器間有一個逐步分佈與逐步達到平衡的過程，並非迅速和均勻地分佈到全身。對化學物這種動力學過程可應用多室模型來表達，而其中以二室模型為多。二室模型是以“Ⅰ室”表示血漿（或包括體液），而以“Ⅱ室”表示組織臟器，“Ⅰ室”也可稱為中心室（中央室），“Ⅱ室”也稱為周邊室。

三、二室模型其模型圖示如下：k12代表化學物從Ⅰ室向Ⅱ室分佈常數，k21代表化學物從Ⅱ室向Ⅰ室反分佈常數，k10代表化學物自Ⅰ室清除的速率常數。化學物靜脈注射時不存在吸收過程，其吸收速率常數ka可不計。Ⅰ室中化學物隨時間變化的方程式可表示如下：dC1/dt=k21C2－(k12＋k10)C1(2-9)

式(2-9)中,dC1/dt代表Ⅰ室化學物濃度隨時間變化率，C1代表Ⅰ室化學物濃度，C2代表Ⅱ室化學物濃度。（一）靜注二室模型當時間t趨於零時，則Ⅰ室的化學物濃度（C1）為:(C1)t→0=D/V1(2-10)式(2-10)中,D代表靜脈注射化學物劑量，V1代表Ⅰ室容積。Ⅱ室中化學物濃度隨時間變化率（dC2/dt）的方程式為：dC2/dt=k12C1－k21C2(2-11)當時間t趨於零時，則：(C1)t→0=0(2-12)

當外來化學物經口、呼吸道等進入機體時，先分佈在接觸部位，再逐漸被吸收入血液中，用二室模型表示時就要考慮吸收過程，其吸收速率常數為模型圖示的ka。因此，

非靜脈注射的中心室化學物濃度隨時間變化的方程式如下：

dC1/dt=kaCa＋k21C2－(k12＋k10)C1(2-25)

式(2-25)中Ca代表吸收部位（吸收室）化學物濃度。（二）非靜脈注射二室模型返回本章目錄關於房室模型，究竟選取幾個房室比較好好沒有定論。通常的做法是先取一個，如果達不到滿意的結果就再多取一個，甚至可以採用非線性結構，直到滿意為止。

Biotransformation

環(huán)境化學物在體內經過一系列生物化學變化並形成其衍生物的過程稱為生物轉化或代謝轉化，所形成的衍生物又稱代謝物。

第三節(jié)生物轉化返回本章目錄生物轉化的兩重性代謝解毒（metabolicdetoxication)和代謝活化

(activation)

一般情況下外源化學物經生物轉化後其極性及水溶性增加而易排出，毒性降低甚至消失。因此，過去常將生物轉化過程稱為生物解毒或生物失活過程。但並非全部如此，有些外源化學物的代謝產物的毒性反而增高，還有一些的水溶性降低。生物轉化氧化還原水解結合第一相反應第二相反應

外源化學物排出體外一、生物轉化的反應類型I相反應涉及暴露或引入一個功能集團（一）氧化反應醛脫氫酶醇脫氫酶胺氧化酶氧化反應微粒體混合功能氧化酶非微粒體混合功能氧化酶脂肪族羥化芳香族羥化環(huán)氧化反應S-氧化反應O-脫烷基反應S-脫烷基反應N-羥化反應金屬脫烷基反應氧化脫鹵反應N-脫烷基反應脫硫反應RH+NADPH+H++O2ROH+H2O+NADP+

底物還原型輔酶Ⅱ氧化產物MFOS1．微粒體混合功能氧化酶系（MFOS）

催化的氧化反應特點：1存在於肝細胞內質網中，滑面內質網中的MFOS活性大於粗面內質網2反應特點需要一個氧分子的參與3活性高，特異性差RCH3RCH2OH[O]（1）脂肪族羥化是脂肪族化合物側鏈（R）末端倒數第一個或第二個碳原子發(fā)生氧化，形成羥基。有機磷殺蟲劑八甲磷羥甲基八甲磷毒性升高;巴比妥也發(fā)生這樣的反應[O](2）芳香族羥化芳香環(huán)上的氫被氧化形成-OH。

C6H5R

RC6H4OH毒性增強苯鏈接

苯主要用途

用作溶劑及合成苯的衍生物、香料、染料、塑膠、醫(yī)藥、炸藥、橡膠

苯蒸汽可發(fā)生急性苯中毒，出現興奮或酒醉感，伴有黏膜刺激癥狀。輕則頭暈、頭痛、噁心、嘔吐、步態(tài)不穩(wěn)；重則昏迷、抽搐及迴圈衰竭直至死亡；短期內吸入較高濃度苯後可發(fā)生亞急性苯中毒，出現頭昏、頭痛、乏力、失眠、月經紊亂等癥狀，並可發(fā)生再生障礙性貧血、急性白血病，表現為迅速發(fā)展的貧血、出血、感染等。苯中毒對身體的危害歸結為3種：致癌、致殘、致畸胎。

多環(huán)芳烴累化合物在生物體內不穩(wěn)定，可繼續(xù)分解，但是其在體內可以生物大分子尤其是核酸發(fā)生共價結合，誘發(fā)畸變和癌變。（3）環(huán)氧化反應其他反應自己看2.非微粒體酶催化的氧化反應

這類酶主要催化具有醇、醛、酮功能基團的外源化學物的氧化反應，主要包括醇脫氫酶、醛脫氫酶及胺氧化酶類。此類酶主要在肝細胞線粒體和胞液中存在，肺、腎也有出現。

乙醇代謝對機體的影響

醇類醛類（1）醇脫氫酶1需要輔酶I的（NAD）或者輔酶II（NADP）2酒精對人體的毒性主要來源於乙醛乙醇進入體內由醇脫氫酶轉化為乙醛，再由線粒體乙醛脫氫酶催化形成乙酸。然後：（2）醛脫氫酶RCHORCOOHNAD醛類酸類

也發(fā)生在肝中需要輔酶I參與鏈接：乙醛對機體的影響①乙醛具有使內源性兒茶酚胺釋放的刺激交感神經樣作用，這可能是引起乙醇性心肌病的一個原因；②乙醛可能是四乙秋蘭姆化二硫（戒酒硫，disulfiram）引起的中毒作用的原因；③乙醛與兒茶酚胺縮合成四氫異喹啉，這一物質與嗎啡生物鹼的前身物質結構非常相似的，是酒癮發(fā)病的原因；④乙醛使5-羥色胺代謝發(fā)生障礙，結果產生具有幻覺作用的四氫-β-哢啉，可引起酒後的種種精神障礙；⑤乙醛是乙醇引起的戒斷癥狀發(fā)病的一個原因；⑥乙醛對肝和腦的輔酶A活性具有相同抑制作用；⑦乙醛是造成慢性飲酒者維生素B6缺乏癥的重要成因；⑧乙醛能抑制腦內Na+、K+-ATP酶。L-抗壞血酸、L-半胱氨酸等可防止乙醛對ATP酶的抑制作用（3）胺氧化酶

①單胺氧化酶（MAO）RCH2NH2+H2O[O]RCHO+NH3+H2O②二胺氧化酶（DAO）所以，乙醇對人體主要的毒性？1引起NADH/NAD+比值的上升2乙醛對機體的影響⒊乙醇對血糖、氨基酸代謝、水電解質平衡、維生素D代謝及藥物代謝的影響4、乙醇性脂肪肝5、乙醇性肝炎6、胎兒性乙醇綜合征酒精中毒

3.前列腺素生物合成過程中的共氧化作用

在機體內花生四烯酸經氧化作用形成前列腺素。在此氧化過程中，某些外源化學物可同時被氧化，即共氧化作用。花生四烯酸為多不飽和脂肪酸，在脂肪酸環(huán)加氧酶催化下氧化形成前列腺素G2（PGG2）；PGG2經過氧化物酶催化氧化形成PGH2。在第二步氧化反應中一些外源化學物可被過氧化物酶同時氧化，即發(fā)生共氧化反應。（二）還原反應

還原反應可在下述條件下發(fā)生：

①某些還原性化學物或代謝物在一定的組織細胞內積聚形成局部還原環(huán)境，使還原反應能夠進行。

②在外源化學物的生物轉化過程中，即使在細胞色素P450單加氧酶系催化的氧化反應中，也有電子的轉移，有些外源化學物存在接受電子的可能性，以致被還原。

③氧化還原反應中的可逆反應即還原方向的反應。還原反應含鹵素基團還原反應羰基還原反應含氮基團還原反應含硫基團還原反應無機化合物還原

醛類和酮類可分別還原成伯醇和仲醇。

RCHORCH2OH醛伯醇酮

仲醇乙醇乙醛

醇脫氫酶1.羰基還原反應2．含氮基團還原反應（1）硝基還原反應硝基苯亞硝基苯苯羥胺苯胺（2）偶氮還原反應（3）N–氧化物還原3．含硫基團還原反應

二硫化物、亞碸化合物等可在體內被還原。殺蟲劑三硫磷可被氧化形成三硫磷亞碸，在一定條件下可被還原成三硫磷。

三硫磷亞碸三硫磷4．含鹵素基團還原反應NADPH細胞色素P450還原酶CCl4+NADPH[CCl3]

+NADP+HCl

四氯化碳能影響內質網、線粒體和溶酶體等細胞器。使蛋白質合成被抑制，甘油三酯與蛋白質結合成脂蛋白的過程受阻，使肝內脂肪積聚，造成脂肪變性。四氯化碳被細胞色素P450分解，形成自由基團（CCl3），作用於脂肪酸的雙鍵，產生過氧化作用，破壞肝細胞膜、線粒體和溶酶體，導致肝細胞壞死。低蛋白飲食抑制藥酶活力，使四氯化碳分解減少，可減低其毒性反之，苯巴比妥和DDT誘導藥酶，促進四氯化碳分解，從而增加其對肝臟的毒性。鏈接氟烷（溴氯三氟乙烷）在肝內通過還原反應可轉化為氯二氟乙烯（CDF）、氯三氟乙烯（CTF）和無機氟化合物。在低氧條件下，可誘導此還原轉化過程的酶系，使其代謝增快。CDF和CTF均為含自由基或負碳離子（碳自由基）的中間代謝物，能與大分子結合並使膜脂質過氧化，造成肝壞死。動物實驗證明，在低氧條件下（14%O2），給大鼠吸入氟烷可造成與在人類相似的肝壞死。如在高氧條件下（100%）吸入氟烷，則肝臟無損害。因此，在用氟烷麻醉時，缺氧病人易發(fā)生肝壞死。5．無機化合物還原

典型的例子如五價砷化合物可在體內還原為毒性作用更強的三價砷化合物。

水解反應是在水解酶的催化下，化學物與水發(fā)生化學反應而引起化學物分解的反應。（三）水解反應水解反應酯類水解反應醯胺類水解反應水解脫鹵反應環(huán)氧化物的水化反應1．酯類水解反應酯酶

水解反應是許多有機磷殺蟲劑在體內的主要代謝方式，例如，敵敵畏、對硫磷（或對氧磷）及馬拉硫磷等水解後毒性降低和消失。

酯類在酯酶的催化下發(fā)生水解反應生成相應的酸和醇2．醯胺類水解反應

醯胺是羧酸中羧基的OH被胺基置換而形成的產物，通式為RNH2，其中胺基中的H也可被R′或R″所取代。醯胺酶類催化此類反應。醯胺酶

殺蟲劑樂果可通過此類水解反應降解和解毒。3．水解脫鹵反應DDT在生物轉化過程中形成滴滴伊（DDE）是典型的水解脫鹵反應。DDT–脫氯化氫酶可催化DDT和DDD轉化為DDE。在此催化過程中需要穀胱甘肽的存在，以維持該酶的結構。人體吸收的DDT約60%可經此反應轉化為DDE。DDE的毒性遠較DDT為低，且DDE可繼續(xù)轉化為易於排泄的代謝物。4．環(huán)氧化物的水化反應

含有不飽和的雙鍵或三鍵化合物在相應的酶和催化劑作用下，與水分子化合的反應稱為水化反應，又稱水合反應。最簡單的水化反應是乙烯與水結合形成乙醇的反應。

H2C＝CH2+H2OCH3CH2OH

芳烴類和脂肪族烴類化合物經氧化作用形成的環(huán)氧化物，在環(huán)氧化物水化酶的催化下通過水化反應可形成相應的二氫二醇化合物。

結合反應是進入體內的外源化學物在代謝過程中與某些其他內源性化學物或基團發(fā)生的生物合成反應，形成的產物稱結合物。外源化學物可直接發(fā)生結合反應，也可經第一相反應後再發(fā)生結合反應（第二相反應）。大多數外源化學物及其代謝產物均需經過結合反應，再排出體外。（四）結合反應結合反應葡糖醛酸結合甲基結合氨基酸結合乙醯結合穀胱甘肽結合硫酸結合

根據與外源化學物結合的結合劑不同，可將結合反應分為以下幾種類型：苯基-β-葡糖醛酸苷尿苷二磷酸

1.葡糖醛酸結合葡糖醛酸基轉移酶2．硫酸結合

內源性硫酸來自含硫氨基酸的代謝產物，但必須先經三磷酸腺苷（ATP）活化，成為3

–磷酸腺苷–5–磷酸硫酸（PAPS），再在磺基轉移酶的催化下與醇類、酚類或胺類結合為硫酸酯。