环境毒理学4-5课件

1、2.3 外源化学物的生物转化 2.3.1 基本概念和一般机理 主要代谢器官：肝脏 肝外代谢：肺、肾、肠道、脑、皮肤、睾丸、卵巢、肾上腺以及胎盘等其它组织器官。 外源化学物在生物机体中发生的系列化学变化过程称为生物转化（biotransformation）或代谢转化，代谢转化所形成的衍生物或分解产物称为代谢物（metabolite）。生物转化氧化还原水解结合第一相反应第二相反应 外源化学物排出体外引入极性基团，增加分子极性与内源亲水物质结合，增加亲水性 生物转化过程的两个阶段与反应类型第一相反应（phase I reaction） ：特点：外源化学物的理化性质发生变化。 一方面：分子中出现各种极

2、性基团，使分子极性增强，水溶性增强，易于排出体外； 另方面：原有生物活性/毒性有一定程度的降低/完全丧失。第二相反应（phase II reaction） ： 特点：外源化学物理化性质和生物活性进一步变化。 大多数：极性增强，易于排泄； 少数：毒性反而增强，甚至参与体内的脂肪合成过程，对机体造成损害。酶促反应： 外源化学物的生物转化过程皆为酶促反应。 酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，又称生物催化剂。绝大多数酶都是蛋白质 。酶分为： 单纯蛋白酶：组成为单一蛋白质 结合蛋白酶： 全酶=酶蛋白+辅助成分 辅助成分：辅酶、金属离子2.3.2 反应类型 2.3.2.1 氧化反应醛脱氢酶催化反

3、应醇脱氢酶催化反应胺氧化酶催化反应氧化反应MFOs氧化的反应非MFOs氧化的反应脂肪族羟化反应芳香族羟化反应环氧化反应S-氧化反应O-脱烷基反应S-脱烷基反应N-羟化反应金属脱烷基反应氧化脱卤反应N-脱烷基反应脱硫反应1.MFOs催化的氧化反应 微粒体混合功能氧化酶系MFOs(microsomal mixed function oxidase system)： 主要存在于肝细胞内质网中，其特异性很低，进入体内的各种环境化学物几乎都要经过这一氧化反应而转化为氧化产物。氧化酶系组成：微粒体细胞色素P-450依赖性单加氧酶微粒体细胞色素b5依赖性单加氧酶、还原型辅酶细胞色素P-450还原酶、还原型辅

4、酶I细胞色素b5还原酶黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）单加氧酶 环氧化物水化酶1）脂肪族羟化反应 脂肪族化合物侧链（R）末端倒数第一个或第二个碳原子发生氧化，形成羟基。2）芳香族羟化反应 芳香环上的H被氧化形成-OH。 3）环氧化反应 外源化学物（脂肪族烃类、芳香族烃类、烯烃类）的两个碳原子与氧原子形成桥式结构，即形成环氧化物。 5）氧化性脱氨反应 伯胺类、仲胺类化学物在邻近氮原子的碳原子上进行氧化，脱去氨基，分别形成醛类和丙酮类化合物。 6）氧化性脱卤反应 卤代烃类化学物可先转化为不稳定的中间代谢产物，即卤代醇类化合物，再脱去卤族元素。 DDT DDE DDA8）脱硫反应 有机磷化合物可发生这一

5、类反应，使P=S基变为P=O基，如对硫磷转化为对氧磷，毒性增大。9）S-氧化反应 硫醚类化合物代谢产物为亚砜、亚砜继续代谢为砜类。 伯醇类氧化形成醛类; 仲醇类氧化形成酮类。 2.非MFOs催化的氧化反应 1) 醇脱氢酶催化的反应2）醛脱氢酶催化的反应 在辅酶I参与下，可催化醛类氧化生成相应酸类。 3）胺氧化酶催化的反应 有单胺氧化酶、二胺氧化酶，将胺类氧化成醛类，并释放出NH3 机体内发生还原反应的条件： 还原性化学物/代谢物在组织细胞中积聚形成局部的还原性环境； 外源化学物在生物转化过程中，可接受电子，以至于被还原； 氧化还原反应中，可逆反应即为还原反应的方向。2.3.2.2 还原反应还原

6、反应含卤素基团还原反应羰基还原反应含氮基团还原反应含硫基团还原反应无机化合物还原2）含氮基团还原反应硝基还原反应硝基苯 亚硝基苯 苯羟胺 苯胺偶氮还原反应 R-N=N-R R-NH2+RNH2 脂溶性偶氮化合物：易被肠道吸收，主要在肝微粒体和肠道中还原； 非脂溶性偶氮化合物：不易吸收，主要在肠道中被肠道菌丛还原。3）含硫基团还原反应 二硫化物、亚砜化合物等可在体内被还原。三硫磷亚砜 三硫磷 在水解酶的催化下，外源化学物与水发生化学反应而引起其分解的反应。 水解酶 ：血浆、肝、肾、肠、肌肉和神经组织水解反应酯类水解反应酰胺类水解反应水解脱卤反应环氧化物的水化反应2.3.2.3 水解反应 酯类在酯

7、酶的催化下发生水解反应生成相应的羧酸和醇类。 RCOOR+H2ORCOOH+ROH 这是许多有机磷杀虫剂在体内的主要代谢方式。1) 脂类水解反应 在酰胺酶作用下，酰胺类水解为羧酸和胺。 R-CO-NH-R +H2O R-COOH+RNH2 2) 酰胺类水解反应 DDT水解脱卤 DDE (毒性降低、可继续转化) 人体吸收的DDT，60%经此途径转化。3) 水解脱卤反应4) 环氧化物的水化反应 芳烃类和脂肪族烃类化合物在MFOs催化下生成环氧化物，环氧化物在环氧化物水化酶的作用下再继续发生水化反应，生成二氢二醇化合物。 结合反应= 外源物+内源化学物的中间代谢产物+代谢能量（由ATP提供）+相应的

8、转移酶/辅酶。发生部位：主要发生在肝脏，其次是肾脏。 再次是肺、肠道、脾、脑组织等。2.3.2.4 结合反应（conjugation reaction） 结合反应葡萄糖醛酸结合甲基结合氨基酸结合乙酰基结合谷胱甘肽结合硫酸结合 根据与外源化学物结合的结合剂不同，可将结合反应分为以下几种类型：发生结合反应的功能基团结合反应功能基团葡萄糖醛酸结合反应-OH, -COOH, -NH2, -SH, -CH硫酸结合反应Aromatic-OH, aromatic-NH2, alcohols谷胱甘肽结合反应Epoxides, organic halides乙酰基结合反应-NH2, -SO2NH2, hydra

9、zines氨基酸结合反应Aromatic-NH2, -COOH甲基结合反应Aromatic-OH, -NH2, -NH, -SH1）葡萄糖醛酸结合反应（Glucuronic conjugation reaction）外源物：醇类、酚类、羧酸类、硫醇类、胺类。第一阶段：结合剂的生成：UDPGA第二阶段：外源物+UDPGA葡萄糖醛酸基（-C6H9O6）转移到外源物上。意义：在结合反应占有最重要地位。几乎所有哺乳动物、大多数脊椎动物体内都可发生此类反应。 O-葡萄糖醛酸结合 N-葡萄糖醛酸结合S-葡萄糖醛酸结合外源物：醇类、酚类、胺类。反应： 内源性硫酸经ATP活化后PAPS，PAPS+外源物在磺基

10、转移酶作用下，把SO3H转移到外源物上，生成硫酸脂类物质。 主要在肝、肾、胃和肠中进行。2）硫酸结合反应 （Sulfate conjugation reaction） 硫酸结合反应重要性不如葡萄糖醛酸结合反应，因为内源性硫酸主要来自含硫氨基酸的代谢产物，来源受限，所以硫酸结合反应在生物转化过程中占的比例相对较少。 通常，硫酸结合后，亲水性大大加强,毒性降低。但也存在毒性增加的情况。苯胺 N-苯基氨基磺酸酯3）谷胱甘肽结合反应 （Glutathione conjugation reaction）外源物：环氧化物卤代芳香烃、不饱和脂肪烃类、有毒金属。反应：外源物+GSH 在谷胱甘肽-S-转移酶作用

11、下生成硫醚氨酸。毒理学意义：解毒。谷胱甘肽GSH的结构： 谷胱甘肽是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸结合而形成的三肽，半胱氨酸上的SH为其活性基团，故谷胱甘肽常简写为GSH。GSH的生理功能： 谷胱甘肽有还原型（GSH）和氧化型（G-S-S-G）两种形式，在生理条件下，以还原型占绝大多数。谷胱甘肽还原酶催化两型之间的互变。1）解毒作用：谷胱甘肽能与某些药物如扑热息痛，毒素如重金属等结合，参与生物转化作用，从而使机体内的有害毒物转化为无害物质，排出体外。2）抗氧化作用：谷胱甘肽能消除体内自由基，抗衰老，增强免疫力、延缓衰老。 还原型谷胱甘肽易被某些物质氧化，它在体内能够保护蛋白质和酶等分子中的SH不被

12、氧化，从而让蛋白质和酶发挥其生理功能。 维生素C也是体内的一种重要抗氧化剂，它能维持SH处于还原状态而保持酶的活性，可使氧化型谷胱甘肽转变为还原型谷胱甘肽，使机体代谢产生的过氧化氢还原。因此，运用谷胱甘肽时，与维生素C并用，能提高其功效。环氧化物的解毒：环氧溴化苯：强肝脏毒物 短时间内大量外源化学物进入机体，形成的活性中间代谢物与GSH结合，将使GSH耗竭，影响其解毒作用。4）乙酰基结合反应外源物：芳香胺、芳香族氨基酸、羟氨基苯甲酸、氨磺酰类。反应：乙酰基由乙酰辅酶A（CH3CO-SCoA）提供（乙酰辅酶A是糖、脂肪、蛋白质的代谢产物），在乙酰基转移酶的作用下，把CH3CO-转移到外源物。5）

13、氨基酸结合反应 带COOH的外源化合物与氨基酸肽式结合，用于此反应的氨基酸主要以甘氨酸为主。6）甲基结合反应 外源物：酚类、硫醇类、胺类、含氮杂环化合物、重金属等。反应：内源性甲基供体（来自SAM）在甲基转移酶作用下，转移给外源物。甲基嵌入位置：-O, -N,-S2.3.3 生物转化的特点1）生物转化的多样性：外源化学物经过多种形式的生物转化，形成各种不同的代谢产物和结合物。如：西维因、氧化乐果的代谢能通过脱烷基、氧化、去硫和水解等反应，生成十种或更多的代谢产物。2）生物转化的连续性：绝大多数外源物在体内的代谢不是单一的反应，常常是多个反应连续进行，表现出代谢转化的连续性。如：乙醇乙醛乙酸。3

14、）代谢转化的两重性：代谢转化的解毒与致毒作用。2.3.4 生物转化的物种差异和个体差异 1）物种差异： 不同物种体内代谢酶的种类存在很大差异 例如，大鼠、小鼠和狗的体内具有N-羟化酶和磺基转移酶，故它们可将AAF羟化并与硫酸结合生成具有强烈致癌作用的硫酸酯；而豚鼠体内缺乏N-羟化酶，因此不能将AAF转化为硫酸酯，也就无致癌作用或致癌作用很弱。 不同物种体内相同代谢酶的活性存在很大差异 例如，苯胺在小鼠体内的清除半减期为35 min，狗为167 min； 安替比林在大鼠体内的清除半减期为140 min，在人体内为600 min。 2）个体差异： 参与代谢的酶类在不同个体中的活力不同 例如，芳烃羟化酶（AHH）可使芳香烃类化合物羟化，并产生致癌活性。 在吸烟量相同的情况下，AHH活力较高的人，患肝癌的危险度比AHH活力低的人高36倍；AHH活力中等的人，患肝癌的危险度比活力低者高16倍。 3）性别差异： 主要是由性激素决定的 大多数情况下，雄性动物在代谢转化能力和代谢酶活力上均高于雌性，所以一般外源化学物对雄性毒性作用较低，对雌性较高。但也有少数化学物的情况与此相反。 一般来说，经代谢转