第3章+生物转化.ppt

1、第三章 化学毒物的生物转化,第一节 生物转化概述,生物转化（biotransformation）：外源化学物在机体内经多种酶催化的代谢转化。 代谢过程主要在肝脏进行，但肝外组织也有一定代谢能力，如肾脏、小肠、肺脏和皮肤等。,1 生物转化的特点：,化学毒物的水溶性增加。,重要,2 生物转化的毒理学意义,（1）生物转化是外源化学物进入机体后，其存在形式可能会发生各种变化，活性也会发生改变，其中有些毒性增强，有些毒性减弱。因此，生物转化对于判定其对机体的影响有重要作用。 （2）通过对生物转化作用的研究，可以探求外源化合物活性基团、活性分子的重要规律，为防治其对机体损伤有重要意义。,（3）通过对外源化

2、学物在机体的生物转化过程的研究，有利于探求其损伤机制，作用的靶器官、靶组织、靶细胞乃至靶分子。 （4）外源化合物经过生物转化会形成新的代谢间产物、终产物，存在于血液和组织中，或被排出体外，可为中毒诊断，程度判断，治疗效果评价提供有意义的生物学材料。,3 生物转化的结果：,代谢解毒：外源化学物经生物学化使其毒性降低，易于排出体外的过程生物转化的结果 代谢活化：外源化学物经生物转化使其毒性增强，甚至可产生致畸、致癌效应的过程,4 生物转化酶的基本特征：,广泛的底物特异性 某些酶具有多态性 具有立体选择性 有结构酶和诱导酶之分,5 毒物代谢酶的分布：,肝脏：不同组织对外源化学物生物转化能力的显著区别

3、对于解释化学物损伤的组织特异性具有重要的毒理学意义。 内质网（微粒体）或脂质的可溶部分（胞浆）。,6 生物转化反应分为两种类型,第一阶段：亦称I相反应，包括氧化、还原和水解等反应。通过反应使毒物的分子暴露或增加功能基团，如羟基、巯基、羧基、氨基等。通常仅导致水溶性少量的增加。 第二阶段：亦称II相反应，结合反应。大多数II相反应可导致外源化学物的水溶性显著增加，且加速排泄（随尿排出）。,第二节 相反应,相反应（phase biotransformation） 指经过氧化、还原和水解等反应使外源化学物暴露或产生极性基团，如-OH、-NH2、-SH、-COOH等，水溶性增高并成为适合于相反应的底物

4、。,1 氧化作用,1.1 细胞色素P-450酶系 在催化酶类中, 最主要的是细胞色素P-450酶系(也简称为CYP)，亦称为细胞色素P-450混合功能氧化酶，或细胞色素P-450依赖性单加氧酶。细胞色素P-450是一种含亚铁的卟啉蛋白，即血红素蛋白。细胞色素蛋白及其它血红素蛋白在可见光范围内各自呈现典型的吸收光谱。例如细胞色素P-450本身在420nm处出现强吸收光谱，但在还原条件下与CO结合后，最强吸收光带在450nm处，因此而得名。,P-450酶系,是一个超蛋白家族，其每一种对底物专一性都有特征性谱，其中某些是结构型的，其他是诱导型的。 这些蛋白根据结构的相似性组成家族和亚族。 P-450

5、酶氨基酸序列相似性大于40%是属于同一家族，如大于59%则属于同一个亚族。 CYP1A1表示P-450的1基因族A亚族的第一个基因,P-450酶系,从对150多种以上的P-450进行的DNA水平和蛋白质一级结构的比较上分析，从细菌到哺乳动物存在一定的同源性。根据Nelson等(1995)，P-450基因族有27个，并进一步分为亚族。在哺乳动物存在10个族，除了6个族和甾体合成有关外，4个族与外源化学物代谢有关。 人肝脏主要含15种以上不同的生物转化外源化学物和或内源性底物的P-450(CYPlA2，2A6，2B6，2C8，2C9，2C18，2C19，2D6，2E1，3A4，3A5，3A7，4A

6、9，和4A11)。,P-450催化的氧化反应的化学方程简式,RH + NADPH + O2+H+R-OH + NAP + H2O,P-450催化的反应类型：,（1）脂肪族和芳香族的羟化，苯胺氧化成对氨基酚等。,O,八甲磷,N-羟甲基八甲磷,（2）双键的环氧化：黄曲霉素B1和氯乙烯 （3）胺类化合物的N-羟化 （4）胺类化合物的N-氧化 （5）含磷化合物的P-氧化 （6）含硫化合物的S-氧化 （7）氧化性脱烷基反应,1.2 醇脱氢酶（ADH）,醇脱氢酶是一种含锌酶，位于胞浆，主要分布于肝脏、肾脏、肺脏和胃粘膜。分为四类，I型ADH能催化乙醇的氧化，产物为乙醛，吡唑可抑制酶的活性。,重要,1.3

7、乙醛脱氢酶（ALDH）,乙醛脱氢酶以NAD+为辅助因子将乙醛氧化成羧酸。 乙醇在人体内的代谢主要靠乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶。乙醇脱氢酶能把乙醇分子中的两个氢原子脱掉，使乙醇分解变成乙醛。而乙醛脱氢酶则能把乙醛中的两个氢原子脱掉，使乙醛被分解为二氧化碳和水。,重要,人体内若是具备这两种酶，就能较快地分解酒精，中枢神经就较少受到酒精的作用，因而即使喝了一定量的酒也行若无事。在一般人体中，都存在乙醇脱氢酶，而且数量基本是相等的。但缺少乙醛脱氢酶的人就比较多，这种乙醛脱氢酶的缺少，使酒精不能被完全分解为水和二氧化碳，而是以乙醛继续留在体内，使人喝酒后产生恶心欲吐、昏迷不适等醉酒症状。因此，能饮酒的人，身

8、体内的酶系统中这两种酶都有，从而使酒精能较快地得到分解。所以尽管多饮了一些酒，也不易醉倒。但如果饮酒过量、过快，超过了两种酶的分解能力，也会发生醉酒。,戒酒硫,据有关单位普查测定，我国汉民族中，约有44%的人属乙醛脱氢酶缺陷型，这些人因为缺少了一种酶，影响了酒精在体内的及时分解，从而易造成醉酒。不善饮酒、酒量在合理标准以下的人，即属于乙醛脱氢酶数量不足或完全缺乏的人。,2 还原作用,硝基和偶氮还原 羰基还原 二硫化物、硫氧化物还原,3 水解作用,酯酶分解酯类结构 酰胺酶酰胺键水解 糖苷酶糖苷水解,第三节 相反应,毒物原有的功能基因或由1相反应引入（暴露）的功能基因与内源性辅因子反应。 绝大多数

9、外源化学物在第一相反应中无论发生氧化、还原或水解反应，最后必须进行结合反应排出体外。 结合反应首先通过提供极性基团的结合剂或提供能量ATP而被活化，然后由不同种类的转移酶进行催化， 将具有极性功能基团的结合剂转移到外源化学物或将外源化学物转移到结合剂形成结合产物。结合物一般将随同尿液或胆汁由体内排泄。,1 葡萄糖醛酸化,葡萄糖醛酸结合反应在结合反应中占有重要的地位，在许多外源化学物都可进行，如醇类、酚类、羧酸类、硫醇类和胺类等。葡萄糖醛酸为葡萄糖的中间代谢产物，先活化成尿苷二磷酸-葡萄糖醛酸（UDPGA），然后经各种转移酶催化，将葡萄糖醛酸基转移到外源化学物分子。结合物具有高度水溶性，易从尿和

10、胆汁排泄。,重要,根据进行结合反应的外源化学物结构及结合方式或部位不同，可分为O-葡萄糖醛酸结合(醇类，酚类，羧酸胺类)、N-葡萄糖醛酸结合(氨基甲酯类，芳香胺类，磺胺类)和S-葡萄糖醛酸结合，统称葡萄糖醛酸化。,2 硫酸化,系外源化学物与硫酸根结合反应，外源化学物经第一相生物转化后，分子结构中形成羟基，可与内源性硫酸结合，有些外源化学物如本身已含有羟基、氨基或羰基以及环氧基即可直接进入第二相反应，发生硫酸结合，,例如醇类、芳香胺类和酚类。硫酸的来源主要是含硫氨基酸的代谢物。在大多数外源化学物的结合反应中，硫酸结合往往与葡萄糖醛酸结合反应同时存在，如机体接触的外源物较少，则首先进行硫酸结合，随

11、着剂量增多， 硫酸结合减少，而与葡萄糖醛酸的结合增多。内源性硫酸的供体是3-磷酸腺苷-5-磷酰硫酸(PAPA)，系由内源性硫酸根和三磷酸腺苷为原料，经ATP-硫酸化酶和5磷酰硫酸腺苷激酶催化而成。化学物与PAPS结合反应由磺基转移酶催化。,3 乙酰化,系外源化学物与乙酰基结合的反应，多发生在芳香族伯胺类、磺胺类、肼类化合物的氨基（-NH2）或羟氨基。乙酰基由乙酰辅酶A提供, 反应由乙酰转移酶催化。该酶又可分为N-乙酰转移酶（前面已论述）和N，O-乙酰转移酶。乙酰结合反应具有多态性，在不同物种，乙酰转移酶存在一定的差异，对不同的底物有不同的活力，它们的底物专一性和最适PH等都不相同。一般根据异烟

12、肼乙酰结合反应的情况，将人类机体分成快速乙酰化和缓慢乙酰化型，机体乙酰结合反应速度的个体差异与机体对某些外源化学物的易感性有关，特别表现在芳胺类的致癌作用，如缓慢型人群对联苯胺诱发膀胱癌的作用为易感。,4 氨基酸化,是带有羧酸基的外源化学物与一种-氨基酸结合的反应，多发生在芳香羧酸，例如芳基乙酸。参与结合反应的氨基酸主要有甘氨酸、谷氨酰胺以及牛磺酸，较少见的还有天冬酰胺、精氨酸、丝氨酸以及N-甘氨酰甘氨酸等。外源化学物的羧基与氨基酸的氨基结合，形成肽或酰胺。此反应需要两种酶的催化作用：ATP依赖性酶：辅酶A连接酶（又称酰基辅酶A合成酶），催化外源化学物羧基活化；N-酰基转移酶，催化将酰基由外源

13、化学物辅酶A衍生物转移给氨基酸上氨基。,5 谷胱甘肽化,是外源化学物在一系列酶催化下与还原型谷胱甘肽结合形成硫醚氨酸的反应。应具备以下条件：一定程度的疏水性，含有一个亲电子碳原子，可与谷胱甘肽进行一定程度的非酶促反应。这样的化学物主要有卤化物，例如烷基卤化物、硝基卤化物、芳基卤化物，各种酯类化合物如磷酸酯类杀虫剂，苯、萘、苯胺等芳烃类及芳胺类化合物和环氧化物等。催化谷胱甘肽结合反应的酶类主要有谷胱甘肽S-转移酶。另外，值得注意的是有些外源化学物与谷胱甘肽形成的结合物可与生物大分子结合，诱发突变以及癌变，例如氯甲烷和二溴乙烷。,6 甲基化,在甲基转移酶催化下，将内源性来源的甲基结合于外源化学物分

14、子结构内的反应。有许多内源性和外源化学物可以进行甲基结合反应，与其它结合反应相比，甲基结合后，外源化学物的功能基团未被遮盖，水溶性没有明显的增强，有的反而下降；生物学作用并未减弱，有的反而增强，甲基化反应有解毒作用。内源性甲基供体是S-腺苷甲硫氨酸(SAM)。能进行甲基结合反应的外源化学物主要有含羟基、巯基或氨基的酚类、硫醇类和各种胺类，还有吡啶、喹啉等含氮杂环化合物。,7 磷酸化,系在ATP和Mg2+ 存在下，由磷酸转移酶催化ATP的磷酸基转移到相应的外源化学物的反应。在结合反应中不太普遍，常见于1-萘酚和对硝基酚的反应。,8 硫氰酸盐化,硫氰酸形成是机体内氰化物代谢解毒的过程，在这一反应中

15、，由硫代硫酸盐提供一个硫原子给氰化物，在硫氰酸生成酶催化作用下, 并形成硫氰酸盐。硫氰酸盐的毒性远远低于氰化物。严格来说，硫氰酸盐形成反应并不是典型的结合反应，因为反应中没有结合剂，且反应产物的极性也不是很强，但它也具有代谢解毒的作用。,第四节 毒物代谢酶的诱导和激活、抑制和阻遏,代谢是化学物毒作用的决定因素。很多因素可影响外源化学物生物转化，包括机体的遗传生理因素和环境因素两大类。 遗传生理因素有动物的物种、性别、年龄等，常体现在代谢酶的种类、数量和活性的差异上，代谢酶的多态性也是影响毒性反应个体差异的重要因素。各种环境因素主要通过影响代谢酶和辅酶的合成过程以及催化过程来干扰外源化学物的生物

16、转化，如代谢酶的诱导和抑制。,1 外源化学物代谢酶的诱导,诱导(induction)指有些外源化学物可使某些毒物代谢酶系的合成量增加，伴有活力增强。能引起酶诱导的物质称为诱导剂(inducer)。,P-450系的诱导剂有5类：,巴比妥类，如苯巴比妥(PB)诱导2B1/2、2C、3A1/2； 多环芳烃类，如3-甲基胆蒽(3MC)、TCDD(2,3,7,8-四氯二苯二恶烷，二恶英)等，诱导1A1/2； 醇酮，如乙醇、异烟阱，诱导2E1； 甾类，如孕烯醇酮16-腈、地塞米松，诱导3A1/2； 氯贝特(安妥明)类过氧化物酶体诱导剂，诱导4A1/2。此外,多氯联苯(PCB)兼有PB和3MC样诱导作用。,2 外源化学物代谢酶的抑制,抑制作用可以分为几种类型。 (1)抑制物与酶的活性中心发生可逆或不可逆性结合。如，-二乙基氨基苯丙基乙酯(SKF-525A)和胡椒基丁醚与P-450的结合而抑制其活性。对氧磷能抑制羧酸酪酶，以致马拉硫磷水解速度减慢，加强马拉硫磷的生物学作用，表现为对昆虫杀虫效果增强，对人畜毒性增高。一氧化碳可与P-450结合，引起变构作用，阻碍其与氧结合。,(2)两种不同的化学物在同一个酶的活性中心发生竞争性抑制。如1，2-亚乙基二醇和甲醇中毒，此两种化学物经醇脱氢酶催化代谢而导致毒性，临床上给予乙醇治疗，因乙醇与此酶有更大的亲和力，故可降低1，2-