毒理学基础：第三章 外源物在体内的转运与转化

1、第三章 外源物在体内的转运与转化Biotransportation and Biotransformation of Xenobiotics,【目的要求】,明了毒物在体内的来踪去路 掌握生物转化反应及意义 熟悉在体内的分布与贮存 了解毒物动力学,基本概念 Basic Concepts,【内容】,基本概念 生物转运与转化概况 吸收、分布与贮存、排泄 代谢转化反应及意义,处置 (disposition),处置 ADME 吸收 (Absorption) 分布 (Distribution) 代谢 (Metabolism) 代谢变化生物转化 排泄 (Elimination) 生物转运吸收、分布与排泄,生

2、物转运 (biotransportation),从接触部位吸收 转运进入组织、细胞或循环系统 再转运至靶组织与脏器 最终由排泄器官离开机体过程 有/无化学结构改变 依本身的理化特性 吸收-排泄,生物转化 (biotransformation),是指毒物的代谢变化过程 即外源化学物在代谢器官由一系列酶介入，发生化学结构的改变的过程 仅是酶? pH 受体 重金属与蛋白结合 ?,毒物对机体的毒性作用一般取决于,毒物的(?) 固有毒性 剂量 毒物或其活性代谢物在靶器管内的浓度和(?) 持续时间 i.e.可否逆转、急性或慢性，等 与ADME相关 什么是最关键的？ 本身的理化特性,研究处置 (ADME)

3、具有重要意义,了解毒物在体内的行为过程 毒物动力学(toxicokenetics) 毒效应动力学(toxicodynamics) 为中毒机理研究提供线索 为急救和治疗措施提供参考 提供接触生物学标志和中毒诊断指标,第一节外源化学物的生物转运 Section 1 Biotransportation of Xenobiotics,【内容】,生物转运 生物膜 吸收 分布 排泄,一、生物膜,是细胞的膜质结构的总称 细胞膜、细胞器膜、细胞核膜 结构特性 脂质 镶嵌蛋白 多孔(4 nm 70 nm) 运输特性 选择转运,毒物过膜的转运方式,简单扩散 (simple diffusion) i.e. 水溶性、

4、脂溶性物质 模孔滤过 (membrane filtration) i.e. 一些金属离子 主动运输 (active transportation) 易化扩散 (facilitated diffusion) 膜动转运 (cytosis transportation) 哪种最有毒理学意义？,被动转运 (passive transport),简单扩散 滤过 特殊转运 (special transport),简单扩散 (simple diffusion),定义 由膜浓度较高的一侧向浓度低的一侧扩散 两侧浓度达到动态平衡时，扩散即终止 生物膜两侧浓度差也叫浓度梯度 特点 顺浓度梯度，不需要消耗能量 毒物

5、与生物膜不发生化学反应 简单的物理过程生物膜不具有主动性 毒理学意义 外源化学物大部分是通过简单扩散进行生物转运,影响简单扩散的因素,浓度梯度（差） 毒物在脂、水中达到溶解平衡时 脂相中浓度/水相中浓度 =脂水分配系数 (lipid-water partition coefficient) 越大越易扩散 电离或离解状态和体液的pH值 生物膜两侧体液的蛋白质浓度和蛋白质结合毒物的亲合力,滤过 (filtration),定义与特点 毒物透过生物膜上亲水性孔道的过程 依靠生物膜两侧的渗透压梯度和液体静压的作用 影响因素 化学物分子量的大小 4nm孔道通过200 的分子 70nm孔道通过60000分子

6、 一些溶于水而不溶于脂质的物质，可通过滤过完成生物转运过程,特殊转运 (special transportation),毒物先同体内某些物质（载体）呈物理性结合后，再透过生物膜的过程 i.e. 膜受体,主动转运 (active transport),定义 毒物透过生物膜由低浓度处向高浓度处移动的过程 所需条件，或者说特点 常逆浓度梯度转运，消耗一定的代谢能量 需要载体参加 转运体 当化合物浓度达到一定程度时，转运即达到极限 为什么？ 载体有一定的容量 有一定的选择性 竞争抑制：一种以上毒物结构相似用同一转运系统时,多药耐受蛋白 (multi-drug-resistant protein, MD

7、R) 多耐受药物蛋白 (multi-resistant drug protein, MRP) 有机阳离子转运体 (organic-cation transporter, OCT) Na+, K+ pumps 有机阴离子转运多肽 (organic-anion transporting polypeptide, OATP) 有机阴离子转运体 (organic-anion transporter, OAT)，等,转运体 (transporter) 及其家族,富集 蓄积毒性,主动转运的毒理学意义,利用载体由高浓度向低浓度处移动的过程 不易溶于脂质的毒物 也可称为促进扩散 由于利用载体，具有一定主动性或

8、选择性，但又不能逆浓度梯度 不消耗代谢能量 由于不需逆浓度递度由低浓度处向高浓度处移动 !,易化扩散 (facilitated diffusion),膜动转运 (cytosis transportation),胞饮和吞噬 液体或固体毒物被伸出的生物膜包围 被包围的液滴或颗粒并入细胞内达到转运的目的 前者称为胞饮，后者称为吞噬，总称为胞吞作用 胞吐作用 颗粒物由细胞内运出细胞的过程 膜动转运需要消耗能量,生物膜对化学物转运的影响 阻留 屏障 可选择转运 化学物对生物膜的影响 结构 功能,二、吸收,是指毒物经过各种途径透过机体的生物膜进入血液（和体液）的过程 主要途径 胃肠道 呼吸道 皮肤 其它,

9、胃肠道吸收,主要吸收途径之一 毒物的吸收可在胃肠道任何部位 但主要在小肠 吸收方式 主要是通过简单扩散 还可以通过滤过、胞饮或吞噬和主动转运系统,影响胃肠道吸收的因素,毒物的分子结构及理化性质 胃肠道的酸碱度 胃肠道的蠕动情况 胃肠道中的某些物质及菌丛 肝脏的首过作用 (first pass effect) 是指经胃肠道吸收的毒物首先进人肝脏，并在肝脏中进行代谢转化,经呼吸道吸收,主要通过简单扩散 不经肝脏的生物转化，直接进入体循环而分布全身 肺泡结构和生理特点 气体、蒸气与气溶胶经肺吸收的影响因素不同 一般情况下 那些种类的毒物会通过呼吸吸收？ 气态、气溶胶 粉尘,影响气态毒物经肺吸收的因素

10、（1）,气态毒物的浓度 即毒物在吸入空气中的分压（或称张力） 气态毒物在血液中的溶解度 血/气分配系数 (blood-gas partition coefficient) 是指气体在血液中的分压和在肺泡中的分压达到饱和时，气体在血液中的浓度与在肺泡中的浓度之比值 该系数越大，即溶解度越高，该气体越易被吸收,影响气态毒物经肺吸收的因素（2）,肺泡的通气量和血流量 肺泡通气量与血流量的比值 通气/血流比值 脂/水分配系数 气体在呼吸道内的吸收速度与其溶解度有关 通常吸收速度与溶解度成正比,气溶胶颗粒在呼吸道部位积聚的机制,惯性冲击 (inertial impact): 530m 重力沉降 (sed

11、imentation): 15m 弥散 (diffusion): 0.5m 静电沉淀 (electrostatic precipitation) 带电粒子 一般来说，在毒理学上有意义的颗粒直径为0.110 m,经皮肤吸收,由于皮肤的结构而分阶段 穿透阶段 毒物透过皮肤表皮，即角质层的过程 吸收阶段 由角质层进入乳头层和真皮，并被吸收入血液 吸收方式 简单扩散,影响经皮肤吸收的主要因素,理化性质 i.e. 脂/水分配系数接近于1，易被吸收进入血液 皮肤血流速度和出汗状况 皮肤完整性 如皮肤破损破坏表皮角质层屏障作用，毒物可以直接进入吸收相 人体不同部位表皮的、角质层厚度不同，所以外源化学物的穿透

12、速度有别 速度在此有何毒理学意义？,其它途径,经眼吸收 毒性作用特点 局部作用先于全身作用 经注射 静脉 腹腔 皮下 肌内,三、分布,分布的概念 影响分布的因素 分布的毒理学意义 特殊屏障,外源化学物的分布,分布 是指毒物被吸收进入血液或其它体液后，随血液或淋巴液流动分散到全身各组织细胞的过程 分布的特点 毒物在体内呈不均匀分布,影响分布的主要因素,影响外源化学物分布的最关键因素 器官或组织的血流量 对毒物的亲和力 毒物的理化特性决定其 与血浆蛋白结合 与其他组织成分结合 代谢与否 在组织中的蓄（富）集 脂肪组织和骨骼中贮存沉积 体内各种屏障对其吸收的影响,毒物在组织中分布的毒理学意义,导致蓄

13、积作用 (accumulation) 现象 有哪几种含义？ 物质蓄积 功能蓄积 贮存库 (storage depot) 指进入体液的毒物在某些器官组织蓄积而浓度较高而不对这些器官组织有明显的毒作用 体内的主要储存库 血浆蛋白、肝、肾、脂肪组织、骨骼组织,毒物在体内的蓄积具有双重意义,对急性中毒的动物或人具有保护作用 因可减少在靶器官中的化学毒物的量 成为一种可能的游离型毒物来源 具有潜在的危害 i.e. 多氯化芳香烃：dioxin, dioxin-like PCBs,特殊屏障(1),血脑屏障 (blood-brain barrier) 是指由毛细血管内皮细胞和聚集包围毛细血管的星形胶质细胞的软

14、脑膜组成的一种特殊功能结构。重要性？ 保障血液和脑组织之间的正常代谢物质的交换，阻止非需要物质的进入，从而维持脑的正常功能 胎盘屏障 (blood-placental barrier) 位于母体血液循环系统和胚胎之间的细胞结构。重要性？ 至今还没有肯定胎盘在防止毒物从母体进入胚胎的特殊作用，如致畸物引起胚胎畸形，有些致癌物在胚胎中致癌 大部分毒物透过胎盘的机理是简单扩散，而胚胎发育所必需的营养物质则通过主动转运而进入胚胎,特殊屏障(2),血睾屏障(blood-testis barrier) 血胸腺屏障(blood-thymus barrier) 血房水屏障(blood-aqueous barr

15、ier),四、排泄,排泄的概念 主要排泄途径 各种排泄途径的特点,排泄,是机体向外转运毒物及(?) 代谢产物的过程 生物半减期 (biological half time) 常用t1/2表示 是指外源化学物减少一半的时间，即浓度或数量减少一半的时间,排泄途径 (Elimination Routes),与正常生理代谢相象，主要是 经肾脏随尿液排出 经肝脏随同胆汁从粪便排出 经呼吸道随同呼出气体排出 汗液,是主要排泄机理 肾小球 滤过 简单扩散 肾小管 主动转运 其中简单扩散和主动转运更为重要,经肾脏随尿液排泄,毒物由肝实质细胞进入胆汁而排泄 毒物从胆汁进入小肠后，有两条可能去路 直接排出体外 肠

16、肝循环 肠肝循环(enterohepatic circulation) 部分毒物在生物转化过程中形成结合物而排出到胆汁中 肠内的肠菌群以及葡萄糖苷酸酶，可将部分结合物水解而使毒物又重新被吸收 毒理学意义 排泄减慢、生物半减期延长、毒作用持续时间延长,经肝脏随同胆汁排泄,经肺随呼出气排泄,其排泄速度与血/气分配系数成反比 血气分配系数越大，排泄越慢 与吸收速度成反比,其它排泄途径,随各种分泌物，如汗、唾液、泪水和乳汁等排出 乳汁排泄具有特殊毒理学意义 为什么？,生物转运的毒理学意义,吸收与毒性 进入体内毒物的量 吸收途径 吸收部位随各种分泌物，如汗、唾液、泪水和乳 汁等排泄具有特殊毒理学意义 分

17、布与毒性 器官组织中毒物的量、富集点可能就是靶器官 蓄积作用对急性中毒有保护作用，但又是慢性中毒的一个重要条件 排泄与毒性,第二节 毒物的生物转化 Section 2 Bio-transformation of Toxicants,【内容】,生物转化及相关概念 生物转化的两个阶段 生物转化的反应种类 生物转化的影响因素,生物转化和毒物代谢,生物转化 (biotransformation) 又称代谢转化 是指外源化学物在体内经过一系列化学变化并形成其衍生物以及分解产物的过程 主要毒物代谢器官 肝脏 但其它器官或组织也有一定代谢能力 如肾脏、小肠、肺和皮肤等,生物转化的后果 Consequence

18、s of Metabolism and Biotransformation,代谢解毒 (metabolic detoxification) 毒物经生物学化反应使其毒性降低，易于排出体外 代谢活化 (metabolic activation) 毒物经生物转化使其毒性增强，甚至具致突变/癌性 代谢转化具有解毒和活化的正负两面性 与剂量、毒物理化特性一样，是毒理学的又一个重要观念,生物转化反应的两大类型,第一阶段：亦称I相 (phase I) 反应 常暴露或引入一个功能基团 包括氧化、还原和水解等反应 第二阶段：亦称II相(phase II)反应 也称结合反应(conjugation) 与内源物结合

19、 大多数II相反应可导致 毒物的水溶性显著增加而加速排泄 结果是？ 降低毒性,I相反应 (phase I reaction)类型,氧化反应 还原反应 水解反应（作用）,氧化反应 (oxidation),酶促氧化 I相反应的主要方式，由 微粒体混合功能氧化酶 非微粒体混合功能氧化酶 前列腺素生物合成过程中共氧化反应 微粒体混合功能氧化酶 (microsomal mixed function oxidase, MFO) 存在于细胞的内质网 (endoplasmic reticulum) 又称微粒体单加氧酶系或细胞色素P-450 (CYP450) 酶系,氧化酶的种类与组成,含有铁卟啉结构的血红素蛋白

20、类 cyt P-450、cyt b5，均具有传递电子功能 黄素蛋白类 NADPH-CYP450还原酶和NADH-cyt b5还原酶，主要是传递电子并供电子 磷脂类 对膜上各蛋白酶起固定作用，促进底物的羟化反应或增强毒物与cyp450的结合 促进上述两类酶相互作用,CYP450催化的反应类型,脂肪族或芳香族碳的羟基化 (hydroxylation) 双键的环氧化作用，形成epoxide 杂原子 (S-、N-、I-) 氧化和N羟基化 杂原子 (O-、S-、N-和Si-) 脱烷基作用 氧化基团的转运 酯的裂解 (ester lyses) 脱氢作用 (dehydrogenation),CYP450催化

21、反应的过程,还原反应 (reductive reaction),体内也还原酶催化毒物的还原 这在肠道细胞内尤其是活跃 在哺乳动物其它组织还原反应不活跃 还原反应类型 硝基和偶氮还原 羰基还原反应 二硫化物、硫氧化物和N-氧化物还原 醌还原 脱卤还原,水解作用 (hydrolysis),许多毒物，例如酯类、酰胺类和含有酯式键的磷酸盐取代物极易水解 血浆、肝、肾、肠粘膜、肌肉和神组织中有许多水解酶，微粒体中也存在 水解酶类型 酯酶和酰胺酶 肽酶 环氧水化酶 人体主要通过水解反应代谢许多有机磷杀虫剂,II相反应 (phase II reaction),结合反应(conjugation) 特别是外源性

22、有机化合物及其含有羟基、氨基、羰基以及环氧基的代谢物最易发生,结合反应的后果,使毒物分子上某些功能基团失去活性而丧失全部或部分毒性 使其极性增强，脂溶性降低，加速排泄 在结合反应中需要有辅酶与转移酶并消耗能量,结合反应类型,葡萄糖醛酸结合 (glucuronidation) 是最常见的结合反应 硫酸结合 (sulfate conjugation) 乙酰化作用 (acetylation) 氨基酸结合 (amino acid conjugation) 甲基化作用 (methylation) 谷胱甘肽结合 (GSH),影响生物转化的因素,遗传因素 生理因素 毒物因素 对代谢酶的作用 浓度,影响生物转化的因素遗传因素,物种差异和个体差异 种属差异 代谢酶的多态性 外源化学物代谢酶的遗传差异是不同个体间和种族间对毒性和肿瘤易感性差异的原因之一 基因多态性 生物转化的I相酶和II相等酶均存在多态性 单核苷酸残基多态性 (single nucleotide polymorphism, SNPs) 毒理学研究的热点之一,年龄 性别 营养 健康状况,影响生物转化的因素生理因素,影响生物转化的因