化学毒物生物转化

1、关于化学毒物的生物转化第1页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 化学毒物通过不同途径被吸收进入体内后，将发生一系列化学变化并形成一些分解产物或衍生物，此种过程称为生物转化(biotransformation）或代谢转化。第2页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 BiotransformationLess effective drug,Less toxicMore effective drugMore water soluble,More toxic compoundMore water soluble,Less toxic第3页，共68页，2022年

2、，5月20日，14点51分，星期四 化学毒物的生物转化过程分两相反应，第一相反应(Phasereaction)主要包括氧化(oxydation)、还原(reduction)和水解(hydrolysis)；第二相反应(phasereaction)主要为结合反应(conjugation)，结合反应指化学毒物经第一相反应形成的中间代谢产物与某些内源化学物的中间代谢产物相互结合的反应过程。第4页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 肝脏是机体内最重要的代谢器官，化学毒物的生物转化过程主要在肝脏进行。其它组织器官，例如肺、肾、肠道、脑、皮肤等也具有一定的生物转化能力，虽然其代谢能力及

3、代谢容量可能相对低于肝脏，但有些化学毒物可在这些组织中发生不同程度的代谢转化过程，有些还具有特殊的意义。未经肝脏的生物转化作用而直接分布至全身，对机体的损害作用相对较强。第5页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四Two Phases to etoxification/Metabolism ToxinPrimaryMetabolitePhase 1SecondaryMetabolitePhase 2Non PolarPolarFat SolubleWater Soluble第6页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四第一节 相反应一、氧化作用1.细胞色素P-

4、450酶系 微粒体细胞色素P-450酶系又称为微粒体混合功能氧化酶(microsomal mixed function oxidase,MFO)，或单加氧酶(monooxygenase)。此酶系由三部分组成，即血红素蛋白类(细胞色素P-450和细胞色素b5)、黄素蛋白类(NADPH-细胞色素P-450还原酶和NADH-细胞色素第7页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 b5还原酶)和磷脂类。以细胞色素P-450最为重要。 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420 nm处出现强吸收光谱，但在还原条件下与CO结合后，最

5、强吸收光带在450 nm处，因此而得名。细胞色素P-450酶系的主要功能是催化体内许多内源和外源化学物在生物转化过程中的氧化反应。 第8页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 The disruption is usually carried out in an isotonic medium (this medium may be a salt solution but is often 0.24 M sucrose). After homogenization the components can be separated. The fragments of the e

6、ndoplasmic reticulum tend to fuse to form vesicles.第9页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四第10页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四第11页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四The morphological constituents of a typical microsome fraction of liver as revealed by the electron microscope.第12页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 细胞色素P-450酶

7、系由两类酶组成，一类为血红蛋白类，其中包括细胞色素P-450 和细胞色素b5,它们均含有铁卟啉环结构，具有传递电子的功能。另一类是黄素蛋白类，包括还原型辅酶-细胞色素P-450还原酶（NADPH-cytochrome P-450 reductase）以及还原型辅酶-细胞色素b5还原酶（NADH-cytochrome b5 reductase)，这类酶的第13页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 功能主要是电子传递作用并提供电子。细胞色素P-450氧化功能在不同组织器官中也存在一定的差异。肝脏中细胞色素P-450氧化酶主要催化许多外源化学毒物的氧化反应，也参与少数内源化学物

8、的代谢过程，例如类固醇等；具有重要毒理学意义的外源化学毒物和多环芳烃类的氧化反应主要由肺、皮肤和小肠粘膜中细胞色素P-450氧化酶催化。第14页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 目前已确定，P-450是一个蛋白质超家族，每一种对底物专一性有特征性谱，某些是P-450结构型的，其他的是诱导型的。很多P-450的cDNA和基因结构已经明确，这些蛋白质根据结构的相似性组成家族和亚族。P-450的酶氨基酸序列相似性40%是属于同一家族，如59%则属于同一亚族。第15页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 P-450的命名是用斜体词根CYP代表。除小鼠之外所有

9、物种的细胞色素P-450的基因和cDNA(小鼠用Cyp)，词根后的阿拉伯数字代表基因族，大写英文字母代表基因亚族，字母后的阿拉伯数字代表基因亚族中的一个基因。如CYP1A1表示P-450的1基因族A亚族第1基因。所有物种P-450的mRNA和酶都用大写字母表示。第16页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 人肝脏主要含15种以上不同的生物转化化学毒物和/或内源性底物的P-450(CYP1A2，2A6，2B6，2C8，2C9，2C18，2C19，2136，2E1，3A4，3A5，3A7，4A9，和4A11)。涉及化学毒物生物转化的人肝主要P-450的底物、抑制剂和诱导剂见表。

10、 P-450的催化机制共有7步。 P-450催化的总反应为：底物(RH)+O2+NADPH+H+ 产物(ROH) + H2O+NADP+第17页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四ion cycleFeIIIFeIII (RH)FeII (RH)FeII (O2)(RH)FeII (O2. )(RH)FeIV (O. )(RH)e-e-2 H+H2OROHRHFeIII (O2.)(RH)O2Reaction cycle第18页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四第19页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 P-450催化地反应类型：

11、 脂肪族和芳香族的羟化(hydroxylation of aliphatic or aromatic carbon) 脂肪族在体内的羟化是末端的或倒数第二位碳原子被氧化成羟基。例如，有机磷农药八甲磷(schradane，OMPA)末位甲基羟化生成N-羟基八甲磷，后者在体内毒性增高，抑制胆碱酯酶的能力较八甲磷强10倍。 双键的环氧反应(epoxidation of a double bond)第20页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 微粒体混合功能氧化酶催化下，一个氧原子在外源化学物的两个相邻碳原子之间构成一桥式结构，形成环氧化物。有些环氧化物可以致癌，例如氯乙烯的环氧化

12、产物环氧氯乙烯即为致癌物。有些外源化学物的环氧化物性质极为稳定，可长期在环境和机体脂肪组织中存留，例如有机氯杀虫剂艾氏剂的环氧化物锹氏剂已造成严重的生态问题。还有些化学物的环氧化物性质极不稳定，将继续发生羟化，形成二氢二醇化合物。环氧化反应可分为脂肪族环氧化反应和芳香族环氧化反应。后者的环氧化产物不稳定，将继续发生羟化。 第21页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 脱氢(dehydrogenation) P-450也对催化很多化学毒物的脱氢反应。 其他第22页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四OHRCH2CH3RCH2CH2OHR2CCR2R2CCR

13、2OORXCH3RXHH3CO+HydroxylationsEpoxidationHeteroatom (O, N, S) dealkylationCYTOCHROME P450 Oxidations 第23页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四Cytochrome P450 mediated dehydrogenation第24页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 2.黄素单加氧酶 肝、肾、肺等组织微粒体含有一种或多种黄素单加氧酶(microsomal flavin-containing monoxygenase, FMO)可氧化多种化学毒物的亲核性

14、氮、硫和磷杂原子。FMO以黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)为辅酶，需要NADPH和O2。 与P-450酶系的不同之处是，FMO不能在碳位上催化氧化反应。 3.醇、醛、酮氧化-还原系统和胺氧化 肝细胞液中含有醇脱氢酶、醛脱氢酶及醛氧化酶、第25页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四不在碳位上加氧第26页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 黄嘌呤氧化酶等。这些酶能使各种醇类化学氧化。例如，乙醇经胞液中的醇脱氢酶及醛脱氢酶催化，在NAD+受氢的条件下，脱氢氧化，最后生成CO2。 4.过氧化物酶依赖性的供氧化反应 在前列腺素生物合成过程中，花生四烯酸首先由环加氧酶

15、催化，形成前列腺素G2(PGG2)，PGG2又经氢过氧化物酶催化进一步被氧化成为前列腺素H2(PGH2)。这两种酶合称为前列腺H合成酶(prostaglandin H synthase, PHS)，此酶位于微粒体。第27页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四第28页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 二、还原作用 含有硝基、偶氮基化学毒物以及醛、酮、亚砜和多卤代烃类化学毒物易被催化还原，在哺乳动物组织中这类反应活性较低，但在肠道菌群内还原酶的活性较高。 1.硝基和偶氮还原 由肠道菌群和两种肝脏酶P-450及NAD(P)H-醌氧化还原酶催化，后一种酶存在

16、于胞浆中。第29页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 肠道菌群催化的硝基还原对某些硝基芳香化学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谢活化。二硝基甲苯经肝P-450氧化后与葡萄糖醛酸结合成葡糖苷排入胆汁，由肠道菌群进行生物转化，一个或两个硝基被硝基还原酶还原成胺，葡糖苷为 -葡糖苷酶水解。水解后的代谢物被重吸收转运至肝，新生成的氨基由P-450催化N-羟化，并可乙酰化或与硫酸结合。这些结合物可裂解生成高度反应性的氮宾离子，氮宾离子可攻击DNA，引起突变和肝癌。第30页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四第31页，共68页，2022年，

17、5月20日，14点51分，星期四Molecular Recognition in Toxicology: Induction of Cytochrome P450Toxin ReceptorOutsideInsideDNA第32页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 2.羰基还原 醛、酮还原由醇脱氢酶和一组羰基还原酶催化羰基还原酶是NADPH依赖性酶，存在于血液、肝、肾、脑及其它组织的胞浆中。 3.含硫基团还原 含硫基团还原反应在体内较少。二硫化物还原并裂解成巯基化学毒物。肝和肾胞浆中硫氧化还原依赖性酶催化亚砜还原。在氧张力降低并存在NADH或NADPH时，N-氧化物可由线

18、粒体和/或微粒体酶催化还原。第33页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 4.醌还原 醌由NAD(P)H-醌氧化还原酶催化还原成氢醌，此酶是黄素蛋白，又称为DT-黄递酶，催化醌二电子还原。醌二电子还原还可由羰基还原酶催化。醌的二电子还原是无毒性的。但醌经NADPH-P-450还原酶催化电子还原，生成半醌自由基。半醌自由基可经自氧化，伴有氧化应激，生成具有细胞毒性的超氧阴离子、过氢氧自由基、过氧化氢、羟基自由基。氧化应激是某些含醌或可转变为醌的化学毒物毒作用的重要机制。第34页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四第35页，共68页，2022年，5月20日，

19、14点51分，星期四 5.脱卤反应 有三种机制涉及脱卤素反应，即还原脱卤反应、氧化脱卤反应和脱氢卤反应。还原脱卤反应和氧化脱卤反应由P-450催化，脱氢卤反应由P-450和GSHS-转移酶催化。这些反应在一些卤代烷烃的生物转化和代谢活化中起重要的作用。如肝脏毒物四氯化碳经还原脱卤反应代谢活化，一电子还原生成三氯甲烷自由基(CCl3)，后者启动脂质过氧化作用并产生各种其它代谢产物。第36页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 三、水解作用 脂类、酰胺类和磷酸酯在体内可被广泛存在的水解酶所水解。血浆、肝、肾、肠粘膜、肌肉和神经组织中均含有水解酶，水解酶中以酯酶(esterase

20、)最为广泛，另一种为酰胺酶(amidase)。 酯类化学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。 根据与有机磷酸酯的关系，酯酶可分为3类。A类(芳香酯酶)，可水解有机磷酸酯；B类(羧基酯酶)可为有机磷酸酯抑制，如有机磷酸酯和氨基甲酸酯农药抑制胆碱酯酶，引起毒性效应；C类(乙酰酯酶)，与有机磷酸酯无相互作用。第37页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四第二节 相反应 相反应(phase biotransformation)又称为结合作用(conjugation)。 相反应中，外源化学物原有的或由I相反应引入或暴露的功能基团，与内源性辅因子之间发生的生物合成

21、反应。除了甲基化和乙酰化结合反应外，其它相反应显著增加化学毒物的水溶性，促进其排泄。葡萄糖醛酸结合、硫酸结合、乙酰化作用和甲基化作用涉及活化的(“高能”的)辅因子，而与谷胱甘肽(GSH)结合和与氨基酸结合则是与活化的化学毒物反应。第38页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四第39页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四第40页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 一、葡萄糖醛酸结合 葡萄糖醛酸结合(glucuronidation)是相反应中最普遍进行的一种，对化学毒物的代谢(解毒和活化)具有重要的作用。 葡萄糖醛酸结合反应在结合反应中占

22、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。第41页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 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-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。葡萄糖醛酸结合反应一 第42页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四葡萄糖醛酸结合反应二 二、硫酸结合 硫酸

23、结合(sulfate conjugation)反应的供体是3-磷酸腺苷-5-磷酰硫酸(PAPS)在磺基转移酶(sulbtransferase)作用下，生成硫酸酯。第43页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 三、乙酰化作用 乙酰化作用(acetylation)涉及酶催化或非酶催化的从乙酰辅酶A将乙酰基转移到含伯胺、羟基或巯基的化学毒物。这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酰化作用是这些化学毒物的主要生物转化途径。 人类的乙酰化也有多态性，根据对异烟肼乙酰结合反应的速度，将人类分为快乙酰化型和慢乙酰化型。 硫酸结合反应 第44页，共68

24、页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 四、氨基酸结合 与氨基酸结合(amino acid conjugation)有两类化学毒物，即羧酸和芳香羟胺。羧酸必须首先经酰基辅酶A合成酶催化，需要ATP和乙酰辅酶A，活化生成酰基辅酶A硫酯，再由N-乙酰转移酶催化与氨基酸如甘氨酸、谷氨酸、牛磺酸的氨基反应，形成酰胺键。例如苯甲酸与甘氨酸结合生成马尿酸。羧酸的氨基酸结合是解毒反第45页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 应。芳香羟胺则由氨酰-tRNA合成酶催化并需要ATP，与氨基酸的羧基反应，生成N-酯，后者可形成亲电子的氮宾离子和碳宾离子，因此是活化反应。 第46页，共

25、68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四第47页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 五、甲基化作用 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(methylation)，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第48页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 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

26、类、硫醇类和各种胺类，还有吡啶、喹啉等含氮杂环化合物。第49页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四甲基结合反应 第50页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 六、谷胱甘肽结合 谷胱甘肽S-转移酶(glutathione S-transferase，GST)催化还原性GSH(亲核剂)与含有亲电子C、N、S、O的化学毒物反应，生成结合物。GST的底物的共同点为：有一定疏水性，含有亲电子原子，并可与GSH发生非酶反应。GSH结合物具有极性和水溶性，可经胆汁排泄，并可经体循环转运至肾。在肾内GSH结合物经一系列酶催化反应转变为硫醚氨酸(mercapturic a

27、cid)衍第51页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 生物，由尿排泄。GST在细胞内含量很高，可高达细胞总蛋白的10，主要存在于胞液中，在微粒体内含量较低，GST是可诱导酶。 GST催化的GSH结合反应是亲电子剂解毒的一般机制，并在自由基解毒中也起重要作用。然而，如果上述亲电性物质在体内的量过大，则可引起谷胱甘肽的耗竭，导致明显毒性反应，如乙酰氨基酚与肝蛋白共价结合同谷胱甘肽的耗竭关系见图。 结合作用的主要类型及结合酶定位见表。第52页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四第53页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四第54页，共68页

28、，2022年，5月20日，14点51分，星期四第三节 代谢活化 化学毒物经过代谢转化，大部分是毒性减低，但有的化学毒物却可使毒性增强，甚至产生致癌、致突变、致畸作用，又称为代谢活化。对机体来说，代谢减毒是消除过程的一部分，使毒物的量减少；而代谢活化则使无毒或低毒的化学毒物转变成高毒性的活性代谢物，可直接与生物大分子反应，引起毒作用。因此，毒理学更重视代谢活化的研究。第55页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 经代谢活化生成的活性代谢产物可以分为4类：生成亲电子剂，最为常见，如苯并(a)芘和2-乙酰氨基芴的代谢活化；生成自由基；如百草枯、硝化呋喃托英经催化还原，四氯化碳还原

29、脱卤，醌经一电子还原，生成自由基等；生成亲核剂，少见，如苦杏仁苷经肠菌群酶催化生成氰化物，二卤甲烷经氧化脱卤生成一氧化碳；生成氧化还原剂，少见，如硝酸盐经肠菌群酶催化生成亚硝酸盐，还原酶催化Cr()生成Cr(V)，Cr(V)再催化生成H0 。第56页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 苯并(a)芘B(a)P是一种重要的环境致癌物，已在体内鉴定了包括各种结合产物在内共50多种代谢产物，其中3-羟BaP是主要的解毒产物。BaP首先由P-450酶系催化生成4,5-,7,8-,9,10-三种主要的环氧化物。这些环氧化物经环氧化物水化酶(EH)的催化加水生成二氢二醇衍生物。7,8-

30、和9,10-二氢二醇可由P-450酶系进一步生成邻二氢二醇环氧化物，即7,8-二氢二醇-9,10-环氧化物和9,10-2氢二醇7,8-环氧化物。前者第57页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四第58页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 有4种异构体，其中7,8-二氢二醇-9,10-环氧化物(+)-为终致癌物。通过Ames试验、致皮肤瘤活性试验和DNA加合物检测，多证明7,8-二氢二醇-9,10-环氧化物(+)-为终致癌物。 相反应可引起代谢活化，如致癌物2-乙酰氨基芴(2-acetylaminonuorene，2-AAF)和2-氨基芴，可以在N-乙酰转

31、移酶和脱乙酰酶催化下互相转化，并均可经P-450和黄素加单氧酶催化形成N-羟基芳酰胺和N-羟基芳胺。这两种化学毒物是近致癌物，与硫酸结合、乙酰化第59页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四 和葡糖苷酸结合，结合物在酸性pH尿中可水解或由小肠菌丛的-葡糖苷酸酶催化水解，生成N-羟基芳香胺后者可自发性生成芳基氮宾离子(亲电子剂)，攻击DNA，引起膀胱癌和结肠癌。第60页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四第61页，共68页，2022年，5月20日，14点51分，星期四第四节 毒物代谢酶的诱导和抑制 化学毒物在体内的生物转化过程，受很多素的影响，如物种、性别、遗传、年龄、营养、疾病等。 一、毒物代谢酶的诱导 有些