毒理学第三章化学毒物在体内的生物转运和生物转化

第三章

化学毒物在体内的生物转运和生物转化外源化学物的体内动态（ADME）

生物转运（biotransportation）

化学毒物穿越生物膜的过程，且其本身的结构和性质不发生变化吸收分布排泄生物转化（biotransformation）

又称代谢转化，化学毒物在细胞内发生一系列化学结构和理化性质改变而转化为新的衍生物的过程。（p40）

又称代谢转化，化学毒物在体内经历酶促反应或非酶促反应而形成代谢产物的过程。（p50)

研究外源化学物的数量在ADME过程中随时间变化的动态规律。通过建立数学模型，计算求出各项动力学参数，以定量描述机体对于外源化学物进行处置的特征。毒物动力学（Toxicokinetics

）内容概要第三节毒物动力学第二节化学毒物在体内的生物转化第一节化学毒物在体内的生物转运第一节外源化学物在体内的生物转运一、生物膜与生物转运二、吸收三、分布四、排泄一、生物膜与生物转运（一）生物膜的结构特点组成特点功能隔离功能生化反应和生命活动的场所内外环境物质交换的屏障磷脂双分子层

——脂质镶嵌蛋白

——受体、酶、载体、离子通道等膜孔

——生物膜上水通道——流动镶嵌模型生物转运主动转运(activetransport)被动转运(passivetransport)吞噬作用（phagocytosis)和胞饮作用(pinocytosis)简单扩散(simplediffusion)易化扩散(facilitateddiffusion)滤过(filtration)（二）外源化学物通过生物膜的方式特殊转运(specialtransport)

脂溶扩散，化学物由生物膜浓度较高的一侧向浓度较低的一侧扩散，当两侧浓度达到动态平衡时，扩散即终止。1.被动转运(1)简单扩散

1)定义大部分化学物，

脂溶性、小的不带电分子1.被动转运

能通过的脂溶性、小的不带电分子(非极性气体分子如O2、CO2、N2、小的不带电极性分子如尿素、乙醇）不能通过的大的不带电的极性分子（如葡萄糖）和带电分子。(1)简单扩散

2)对象小且不带电3）简单扩散的特点顺浓度梯度，不需要消耗能量不需要载体不受饱和限速与竞争性抑制的影响

4）影响简单扩散的因素浓度梯度；脂溶性；化学物的解离状态R为扩散速率，K为特定外源化学物的扩散常数，A为生物膜的面积，c1－c2为生物膜两侧的浓度梯度，对扩散速率的影响最为重要。d为生物膜的厚度。

扩散速率可用Fick定律表示

R＝K×A（c1－c2）/d浓度梯度影响简单扩散

当一种物质在脂相和水相之间的分配达到平衡时，其在脂相和水相中溶解度的比值。脂水分配系数=脂相中溶解度/水相中溶解度

脂溶性影响简单扩散

解离态物质极性大，脂溶性差，不易通过脂相扩散；而非解离态物质情况与之相反。弱有机酸在酸性环境中、弱有机碱在碱性环境中多处于非解离态，易透过生物膜。R-COOHR-COO-+H+R-OHR++OH-解离状态影响简单扩散

在pKa和pH值已知时，可根据Henderson-Hasselbalch公式计算解离态和非解离态比例

弱有机酸和弱有机碱解离态和非解离态比例取决于解离常数pKa（该物质50%解离时的pH值）和体液pH值。有机酸：pKa－pH＝log（非解离态HA）/（解离态A－）有机碱：pKa－pH＝log（解离态BH＋）/（非解离态B）

解离的影响因素外源化学物通过生物膜上亲水性孔道(2)滤过

水及一些溶于水而不溶于脂质的物质水、尿素、乙醇等亲水性孔道----水通道蛋白（Aquaporin,AQP）1)定义2)对象

水通道蛋白4对胶质递质D-丝氨酸传递及其功能的调节，国家自然科学基金:南京医科大学,胡刚,38万,2009年,批准号：30973517

2003年诺贝尔化学奖授予美国彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农，表彰发现细胞膜水通道以及对离子通道结构和机理研究。表彰在细胞膜通道方面做出开创性贡献

关于水通道主要是化学物质分子量大小。分子量小，直径小于膜孔、极性大、不带电荷的小分子物质，如水、乙醇、尿素、气体分子等，可以通过孔径为4Å的通道。分子量小于白蛋白（＜60000），可通过40Å的通道。3）影响滤过的因素2.特殊转运

外源化学物借助于载体或特殊转运系统而发生的跨膜运动。主动转运(activetransport)吞噬作用（phagocytosis)和胞饮作用(pinocytosis)易化扩散(facilitateddiffusion)（1）主动转运

外源化学物在载体的参与下,逆浓度梯度通过生物膜的转运过程。脂溶性低的化学物1)定义2)对象

带电离子、脂溶性低的化学物主动转运对于化学物质在各器官的不均匀分布，以及毒物的排泄有特别重要的意义。3）主动转运的特点①特异选择性对结构有特异选择性，具备某种结构特征；②饱和性载体有一定容量，底物达到一定浓度后，转运系统饱和，存在转运极限；③竞争性抑制使用同一转运系统化学物竞争性抑制；④逆浓度梯度，需要消耗能量代谢抑制剂可以阻断转运过程。表细胞膜对外源化学物主动转运系统名称缩写功能ATP-结合盒（ABC）转运蛋白多药耐受蛋白（P-糖蛋白）mdr减少胃肠道吸收，血-脑屏障，胆汁分泌，胎盘屏障多耐受药物蛋白mrp尿排泄，胆汁排泄乳腺癌耐受蛋白Bcrp将化学毒物代谢后的硫酸结合物排出细胞以溶质为主转运蛋白（SLC）有机阴离子转运多肽oatp肝摄取有机阴离子转运蛋白oat肾摄取肽类转运蛋白pept胃肠道吸收Kir6.1/K-ATP通道：帕金森病神经保护的新靶标，国家自然科学基金:南京医科大学,胡刚,240万,2010,批准号：81030060

不易溶于脂质的化学物，利用载体由高浓度向低浓度处移动的过程（2）易化扩散水溶性分子葡萄糖进入红细胞2）对象

水溶性小分子如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等1）定义不消耗代谢能量由于利用载体，存在对底物的特异选择性、饱和性和竞争性抑制

3）特点吞噬作用(phagocytosis)固态颗粒物质与细胞膜接触后，改变了膜的表面张力，使其外包或内陷，将异物包裹进入细胞（3）其他转运——膜动转运胞饮作用(pinocytosis)液态微滴或大分子物质也可经此方式转运进入细胞。

化学毒物从机体的接触部位透过生物膜进入血液的过程。主要途径胃肠道呼吸道皮肤

其他特殊的染毒途径，如腹腔注射、静脉注射、皮下注射和肌肉注射等

二、吸收(absorption)

吸收部位胃肠道的任何部位，但主要在小肠（一）胃肠道吸收

吸收方式

主要通过简单扩散，还可以通过主动转运、滤过、胞饮或吞噬

吸收对象

进入食物链的化学毒物，口服的药物和毒物。HE染色40倍HE染色400倍

如苯甲酸，易在胃内和十二指肠吸收

胃液为酸性，pH值约为2左右，弱酸性物质呈非解离态，脂溶性高

弱碱性物质呈解离态，难在胃内吸收

弱酸性物质吸收小肠绒毛

如苯胺，在碱性环境中以非解离态存在，易在小肠吸收，而弱酸性情况正好相反。但事实是弱有机酸也可在小肠吸收。原因：小肠表面积大（绒毛和微绒毛使表面积增加约600倍），血流将吸收物质由小肠固有层移除，保持一定浓度梯度。

弱碱性物质吸收

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化学毒物结构或性质与营养素相似，借助其转运系统吸收。主动转运吸收

铅------钙5-氟尿嘧啶（5-fluorouracil）------嘧啶钴、锰------铁影响胃肠道吸收的因素

（1）胃肠道酸碱度弱有机酸在胃吸收。弱有机碱在肠道吸收。影响因素（2）消化道内容物数量和性质、蠕动和排空速度、肠道菌丛等。

芳香硝基化合物还原成芳香胺（致癌）

化学毒物进入体循环之前即消除的现象，使经体循环到达靶器官的化学毒物数量减少，影响毒效应性质和强度。首过消除（firstpasselimination）（二）经呼吸道吸收吸收对象气态物质（气体、蒸汽）气溶胶（烟、雾、粉尘）主要的吸收器官

——肺吸收的方式——简单扩散。

（1）肺泡数量多、表面积大、肺泡气与血液之间距离短、肺内血液灌注量大，经肺吸收十分迅速，仅次于静脉注射。（2）不经过肝脏的生物转化，直接进入体循环而分布全身

经肺吸收的特点

（1）脂（水）溶性和浓度影响其吸收部位

水溶性（盐酸、氨）在上呼吸道吸收;但浓度过大，可能深入下呼吸道和肺泡造成肺化学性灼伤、局灶或广泛性肺水肿。脂溶性较好（二氧化氮、氯仿）不易引起上呼吸道刺激症状，也不易被吸收。进入呼吸道深处，由肺泡吸收入血。

1.气体和蒸汽吸收

（2）肺泡和血液中物质浓度（分压）差。浓度（分压）差越大，吸收速率越快。

（3）血/气分配系数（blood/gaspartitioncoefficient）随吸收进行，血浓度增加，达到动态平衡，分压差为零，吸收不再进行。呼吸道两侧的分压达到动态平衡时，气态物质在血液中的浓度（mg/L）与在肺泡气中的浓度（mg/L）之比。血／气分配系数越大，血液中溶解度越高，越易被吸收。乙烯的血/气分配系数为0.14，二硫化碳为5，苯为6.85，乙醚和氯仿为15，乙醇为l300，甲醇为l700。

气体和蒸汽吸收通气限制呼吸频率和深度影响物质到达肺泡气浓度。血/气分配系数大的，肺通气量越大越有利于吸收。（4）肺通气量和血流量

灌注限制肺血流量决定物质吸收后被移走的速度。血/气分配系数小的，血流量越大越有利于吸收。≥5μm

惯性冲击沉积于鼻咽部直径大小影响沉积部位2～5μm

靠重力沉降于气管、支气管≤1μm

肺泡吸收入血，或巨嗜细胞吞噬移行至细支气管末端，粘液纤毛系统清除，或在淋巴系统长期存留。2.烟和粉尘吸收化学毒物表皮毛囊、汗腺、皮脂腺血液（三）经皮肤吸收多层细胞化学毒物经皮吸收分为两个阶段穿透阶段化学毒物通过角质层过程，方式—简单扩散吸收阶段由角质层进入真皮，并吸收入血

（1）化学物溶解性

既有脂溶性，又有水溶性，脂/水分配系数接近于1，易被吸收。仅有水溶性或脂溶性吸收困难

（2）皮肤条件

1）角质层厚度：阴囊>手臂、后背、腿部、腹部>手掌、脚掌

2）表皮损伤促进吸收

3）皮肤潮湿，促进吸收

4）充血和炎症经皮吸收主要影响因素

2.腹腔注射

腹腔血液丰富、表面积大，受试物吸收快，吸收后经门静脉到达肝脏，再进入体循环。（四）其它途径1.静脉注射

受试物直接入血，不存在吸收，导致最迅速、明显毒效应。

3.皮下、肌肉注射

易受局部血液量和毒物剂型影响，吸收速度相对较慢，但可直接进入体循环。概念

化学毒物吸收后，随血液或淋巴液分散到全身组织细胞的过程。

特点三、分布(distribution)

化学毒物在体内分布不均匀，到达各组织器官速度也不相同。铅、氟在骨质，苯在骨髓及类脂质影响分布的主要因素（1）

组织器官血流量

初期，影响因素是组织器官血流量。血液灌注高如心、肝、肾、肾上腺、甲状腺、肺、小肠等分布多，血液灌注量低如皮肤、结缔组织、脂肪、静止骨胳肌等分布少。

（2）化学毒物与不同组织亲和力

受化学物经膜扩散速率及器官亲和力影响，发生再分布。（一）化学毒物在组织中的贮存

化学毒物吸收速度超过代谢与排泄速度，以相对较高的浓度富集于某些组织器官的现象称为蓄积(accumulation)，包括物质蓄积和功能蓄积。毒物蓄积部位是贮存库（storagedepot）。毒物与血浆游离型保持动态平衡。

蓄积部位就是靶器官，如百草枯蓄积于肺，肺组织充血、水肿、发炎、坏死及纤维化。

蓄积部位只是化学物单纯的存积地点

如DDT在脂肪含量最高，但靶器官是神经系统等组织。

化学毒物在贮存库蓄积，减少靶器官中毒物的量，毒效应强度降低。对急性中毒有保护作用

贮存库是不断释放毒物的源头，使毒物在机体作用时间延长，并引起毒性反应。贮存库是慢性毒性作用发生物质基础化学毒物在体内的贮存具有两重意义体内的主要贮存库1.血浆蛋白；2.肝、肾；3.脂肪组织；4.骨骼

血浆蛋白能结合化学毒物，清（白）蛋白结合量最高。

游离型是发挥毒作用形式；结合型由于分子量增大，不能跨膜转运，无生物效应，可缓解毒效应；延长消除时间，增加在体内的时间。1.血浆蛋白作为贮存库血浆蛋白作为贮存库的特点结合型游离型（1）化学毒物与血浆蛋白结合是暂的、可逆的结合型与游离型维持动态平衡，当后者血浆浓度降低，结合型与血浆蛋白分离为游离型。（2）血浆蛋白结合能力具有饱和性血浆蛋白数量有限，结合能力饱和时，继续接触毒物，血浆中游离型浓度大增，毒效应增强。

（3）化学毒物与血浆蛋白结合，会发生竞争结合力更强毒物使结合力较弱毒物成为游离型。DDE置换胆红素，使其游离，黄疸。

例1肝细胞中一种有机阴离子转运多肽能与有机酸结合，使这些物质进入肝脏。

2.肝和肾作为贮存库

肝和肾具有与许多化学毒物结合能力。

与肝代谢、肾排泄有关

例2肝、肾中还有一种巯基含量很高的可诱导的金属硫蛋白(metallothionein)，能与镉、汞、锌、铅等金属结合。

脂溶性的易分布和蓄积在体脂内，

如有机氯农药（DDT、六六六）等。肥胖者体脂占体重50％，消瘦者占20％。肥胖者对毒物的耐受力强。

但当脂肪迅速动用时，可使血中游离型毒物浓度突然增高而引起中毒。3.脂肪组织作为贮存库DDT、HCH等禁止使用多年后（1983），依然可在脂肪中检出

4.骨骼组织作为贮存库

骨骼组织某些成分与化学毒物有特殊亲和力，因此骨骼浓度很高，骨骼是某些化学毒物主要贮存库。如氟离子可替代骨质中－OH，使骨氟含量增加;而铅和锶则替代了骨质中的钙而贮存在骨中。(二)特殊屏障受动物种属、年龄、生理状态等因素影响

有些器官或组织生物膜具有特殊结构和功能，可阻止或延缓某些化学毒物进入，为屏障

血脑屏障胎盘屏障星形(神经)胶质细胞基底膜毛细血管内皮细胞紧密连接点1.血脑屏障（bloodbrainbarrier，BBB）（1）组成血管内皮细胞（含紧密连接）完整的基底膜神经胶质膜（星形胶质细胞胞突末端扩大形成脚板）毛细血管中血液与脑组织间的结构（2）血脑屏障使物质不能转运入脑的原因1）毛细血管内皮细胞间结合紧密，可有效阻止极性物质通过。

2）毛细血管内皮细胞有转运蛋白，可将阳离子、阴离子等物质转运回血液。

3）毛细血管大部分被星形胶质细胞所包围，维持屏障的完整性，并分泌某些化学因子来调节毛细血管内皮细胞的渗透性。

新生动物血—脑脊液屏障还没发育完全，是吗啡、铅等化学物质对新生儿毒性较成人大的原因之一。

增加脂溶性可以加快毒物进入中枢神经系统的速度，而解离则会降低速度。甲基汞——水俣病影响血脑屏障的因素由分隔母体和胎儿血液循环的一层或几层细胞构成。2.胎盘屏障（placentalbarrier）

胎盘屏障作用较弱，药物、农药、重金属、有机溶剂等多种化学毒物都可经胎盘转运至胎儿体内。

化学毒物通过胎盘屏障主要方式是简单扩散，

胚胎发育所必需营养物质，则通过主动转运而进入胚胎。内源性嘌呤和嘧啶载体可将与其结构类似的抗代谢物从母体转运至胎儿，而某些转运蛋白则可排除某些毒物使胎儿免受伤害。胎盘屏障特点

化学毒物经由不同途径排出机体的过程。是生物转运的最后一个环节。四、排泄（excretion）

最重要的途径是经肾脏随尿液排泄，其次是随粪便排泄，经肺排出的主要是气态物质。此外，还可随脑脊液、乳汁、汗液、唾液等分泌物以及毛发和指甲排泄。

肾脏是排泄化学毒物最重要的器官，主要机理有肾小球滤过

肾小管分泌(主动转运)

（一）经肾脏排泄1.肾小球滤过

肾脏血液供应丰富，约为心搏出量25%，其中约80%通过肾小球滤过。肾小球毛细血管有较大的膜孔（70nm），分子量小于白蛋白（60000）物质，只要未与血浆蛋白结合，都可在肾小球滤过。★随尿液排出体外——

水溶性高的毒物

滤入肾小管腔的毒物有两条去路★经肾小管重吸收——

脂/水分配系数高毒物，简单扩散；主动转运

尿PH高有利于酸性毒物排出（一般为6-6.5）。尿PH低有利于碱性毒物排出；在苯巴比妥中毒时，可服用碳酸氢钠使尿呈碱性而促进排泄。2.肾小管分泌

肾小管上皮细胞可以逆浓度梯度将化学毒物从近曲小管毛细血管中主动转运到小管液中

两套主动转运系统有机阴离子转运蛋白；有机阳离子转运蛋白。均位于肾小管近曲小管，可转运蛋白质结合物。存在化学物质通过同一转运系统时的竞争。

肾脏排泄主要的机理是（E）。

A．肾小球简单扩散

B．肾小球主动转运

C．肾小球滤过

D．肾小管主动转运

E．以上都是1.混入食物中的毒物经胃肠道摄入、未被吸收毒物与没被消化吸收食物混合，随粪便排泄

2.随胆汁排出的毒物

3.肠道排泄的毒物

4.肠壁和菌群

（二）粪便排泄

胆汁排泄是经尿排泄补充途径，小分子经肾排泄，较大分子经胆汁排泄。

胆汁是很多结合产物（如谷胱甘肽和葡萄糖醛酸结合物）的主要排泄途径。经胆汁排泄的分子量存在物种差异。2.随胆汁排出的毒物

——胃肠道排泄的主要机制

葡萄糖醛酸结合物和硫酸结合物可为肠道菌群水解，脂溶性增强后被肠道重吸收，返回肝脏，形成肠肝循环（enterohepaticirculation），化学毒物肠道排泄速度减慢，生物半减期延长，毒作用时间延长。

肝脏实质细胞化学毒物及代谢后结合产物，主动地转运到胆汁，随胆汁排入十二指肠。

一部分可随粪便排出；

甲基汞主要通过胆汁从肠道排出，由于肠肝循环，生物半减期达70天。甲基汞中毒者口服巯基树脂，与甲基汞结合以阻止其重吸收，促进从肠道排出。例如HgCH3肝脏

肠道门静脉

胆管（1）被动扩散；（2）在小肠粘膜经生物转化后排入肠腔；（3）小肠细胞快速脱落（4）大肠存在有机酸和有机碱主动排泌系统。

3.肠道排泄的毒物化学物质直接从血液转运到小肠内。

肠内排泄是较缓慢过程，仅对于那些生物转化速度低和（或）肾或胆汁清除少的化合物，肠内排泄才成为主要排泄途径。4.肠壁和菌群

肠道菌群可以摄取外源化学物并对其进行生物转化，粪便中的许多化学物质是细菌的代谢产物。(三)经肺排泄

在血液中溶解度低的乙烯被快速排泄，其排出速度受灌注限制而溶解度高的氟烃类麻醉剂则排泄速度缓慢。其排出速度受通气限制。（1）体温下以气态存在的物质（2）挥发性液体如乙醇1.可经肺排泄的物质2.排出方式

简单扩散，排出速度与吸收速度呈反比。对于呈气体状态或易挥发的化学毒物的排泄，下列哪一项描述是正确的DA．通过主动转运的方式经肺泡壁排出气体B．排出的速度与吸收的速度成正比C．血液中溶解度低可减缓其排除速度D．肺通气量加大可加速其排除速度

主动转运脂溶性等各种化学毒物都可随脑脊液通过蛛网膜离开中枢神经系统。

1.脑脊液简单扩散化学毒物DDT、多氯联苯TCDD等随脂肪从血液进入乳腺，经乳汁由母体转运给婴儿

2.乳汁简单扩散非解离态、脂溶性毒物。汗液排泄毒物可引起皮炎，唾液排泄毒物被咽下经胃肠道吸收。3.汗液唾液砷、汞、铅、锰等富集毛发和指甲，脱落时，毒物排出。毛发和指甲重金属含量可作为生物监测指标。4.毛发指甲

(四)其他排泄途径化学毒物在体内的动态变化过程

第二节外源化学物在体内的生物转化一、生物转化的意义二、生物转化酶三、生物转化反应类型

生物转化（biotransformation）：又称代谢转化，化学毒物在体内经历酶促反应或非酶促反应而形成代谢产物的过程一、生物转化的意义（两重性）定义意义生物转化毒物

生物转化是机体对化学毒物处置重要环节，是机体维持稳态主要机制。多数化学毒物经生物转化后毒性降低，毒效应减弱，水溶性增加，易于排泄一些化学物经过生物转化后，毒性明显增强，甚至产生致突变、致癌和致畸作用(一)代谢解毒与代谢活化1.代谢解毒（metabolicdetoxication）

化学毒物经过生物转化后成为低毒或无毒的代谢物（metabolite）的过程多数外源化学物代谢后毒性降低，毒效应减弱

生物转化=?代谢解毒2.代谢活化（metabolicactivation）或生物活化（bioactivation）

一些化学毒经过生物转化后，毒性非但没有减弱，反而明显增强，甚至产生致突变、致癌和致畸作用。

活性中间产物（reactiveintermediate）代谢活化产物多数不稳定，仅在短时间内存在，故称为活性中间产物对氧磷对硫磷致癌作用代谢物氯乙烯、苯并(a)芘缺电子，通过共享电子对与富含电子生物大分子反应。苯并(a)芘代谢产物7,8-二氢二醇-9,10-环氧化物

①亲电子剂共价键均裂形成含奇数电子原子、分子或离子。四氯化碳、醌等均可经代谢形成自由基②自由基少见，苦杏仁苷经肠道菌群酶作用生成氰化物，二卤代甲烷经氧化脱卤形成CO等③亲核剂少见，抗坏血酸可将Cr6＋还原为Cr5＋，后者又可催化生成HO·。

④氧化还原物活性中间产物分类(二)化学毒物溶解度的变化大部分水溶性显著增加，易于排泄

Ⅱ相反应结合反应，葡萄糖醛酸、硫酸、乙酸、甲基化，谷胱甘肽结合、氨基酸结合。Ⅰ相反应氧化、还原和水解反应二、生物转化酶(一)生物转化酶的基本特性1.生物转化酶通常具有广泛底物特异性

一类或一种酶可代谢几种毒物，还可代谢内源性化学物。2.生物转化酶包括结构酶和诱导酶。结构酶在体内持续表达；诱导酶被外源化学物刺激（诱导）合成。

3.某些生物转化酶具有多态性酶结构（氨基酸）存在个体差异，致代谢活性不同。生物转化酶多态性，造成同一毒物在不同个体出现代谢速率差异。

4.某些手性化学毒物生物转化具有立体选择性某些化学毒物具有手性中心，即存在立体异构体。一种立体异构体转化速率可能快于另一立体异构体。(二)生物转化酶的命名(三)生物转化酶的分布

肝脏含生物转化酶最多，主要位于内质网（微粒体）和胞液，在线粒体、细胞核和溶酶体中分布较少。

胃肠道、皮肤、肺等毒物接触部位也有生物转化酶。其他肾脏、肾上腺、胰、脾、心脏、脑、睾丸、卵巢、胎盘、血浆、血细胞、血小板、淋巴细胞等也能代谢。肠道菌群对某些毒物代谢起重要作用。氧化反应

脂肪族羟化、芳香族羟化、环氧化、杂原子氧化和N-羟化、杂原子脱烷基等Ⅰ相反应还原反应

硝基和偶氮、羰基、含硫基团、醌、脱卤还原水解反应

酯酶、酰胺酶、环氧化物水化酶三、生物转化反应类型（一）Ⅰ相反应

1.氧化反应(oxidation)

化学毒物代谢第一步。部位微粒体为主，也发生在微粒体外。微粒体（microsome）是组织经细胞匀浆和差速离心后，内质网形成的囊泡和碎片，而非独立细胞器。

1.氧化反应(oxidation)

（1）细胞色素P-450酶系cytochromeP450enzymesystem，CYP

（2）黄素加单氧酶flavin-containingmonooxygenase,FMO

（3）微粒体外的氧化反应催化酶1.氧化反应(oxidation)

（1）细胞色素P-450酶系(cytochromeP450enzymesystem，CYP450)

细胞色素P450含有的血红素铁在还原态时与CO结合形成的复合体在光谱450nm处有最大的吸收峰而得名，又称为混合功能氧化酶（mixedfunctionoxidase,MFO）或单加氧酶(monoxygenase)。1）概念

血红蛋白类黄素蛋白类

磷脂♣细胞色素P450

最重要，活性中心♣细胞色素b5♣

NADPH（辅酶II）-细胞色素P450还原酶♣

NADH（辅酶I）-细胞色素b5还原酶固定蛋白成分（1）细胞色素P-450酶系

2）组成部分<40%不同家族>55%同一亚家族40~55%同一家族不同亚族氨基酸序列同源性CYPs是超家族，根据重组DNA技术测定的氨基酸序列，进行分类和命名。3）命名CYP1D61:家族D:亚家族6:某基因CYP2A13在代谢活化AFB1及其致细胞恶性转化中的作用，2008，国家自然科学基金，王守林黄曲霉毒素B1CYP3A在BDE-47的生物转化及其所致精子发生障碍中的作用及其机制研究，2011，国家自然科学基金，王守林（BDE-47，四溴联苯醚）

人类有18个家族和43个亚家族。与化学毒物代谢有关CYP450主要涉及3个家族，即CYP1、2和3。细胞色素P450酶种类

4）催化的基本反应是单加氧反应

反应中，O2起了“混合”作用，一氧原子掺入到底物(RH)中，另一氧原子与NADPH提供的质子结合还原为水。

RH+O2+NADPH+H+

→

ROH+H2O+NADP+底物产物①处于氧化态的CYP450与底物结合形成复合物；

②Fe3＋接受NADPHCYP450还原酶从NADPH转运来的1个电子，还原为Fe2＋；

③1个O2与还原型CYP450结合，与底物形成三元复合物；

④复合物接受第2个电子和1个H＋,成为Fe2＋OOH复合物；

⑤第2个H＋加入使该复合物裂解为水和(FeO)3＋复合物；

⑥(FeO)3＋复合物将O转移到底物,形成氧化ROH产物；

⑦释放ROH产物，CYP450从还原态恢复为氧化态，又可与底物结合，开始新一轮的循环。具体过程5）细胞色素P450酶系催化的主要反应类型

①

脂肪族羟化——形成醇R—CH2—CH3＋[O]→R—CH2—CH2OH5）细胞色素P-450酶系催化的主要反应类型②芳香族羟化——形成酚C6H6＋[O]→C6H5OH

③环氧化（双键）——形成环氧化物苯在体内的代谢④

杂原子（S-、N-、I-）氧化和N-羟化

R—S—R’＋[O]→R—SO—R’＋[O]→R—SO2—R’

硫醚键亚砜砜二甲基亚砜（DMSO）细胞冻存保护剂N氧化N-羟化

N-羟化反应常见的化合物是（

）

A．苯

B．苯胺及2-乙酰氨基芴

C．黄曲霉毒素B1

D．苯酚

E．羟甲基八甲磷

【答案】B2-乙酰氨基芴芴（二苯并五环）黄曲霉毒素B1N-羟化反应是苯环外的N原子⑤杂原子（O-、S-、N-）脱烷基R-（NH·O·S）-CH3＋[O]→

R-（NH2·OH·SH）＋HCHO

烷基被氧化，发生裂解重排，形成醛或酮CYP450催化的氧化脱氨、氧化脱硫、氧化脱卤素作用,O取代其他的原子或基团

P=SP=O

⑥氧化基团转移

酯裂解，与细胞色素P450催化循环中(FeO)3＋复合物的氧合并为1个残基，生成1分子醛。

R1COOCH2R2＋[O]→R1COOH＋R2CHO

酸醛CYP450可催化许多化学毒物脱氢反应。如乙酰氨基酚脱氢后形成N-乙酰苯醌亚胺，有肝毒性，其他如地高辛、烟碱、丙戊酸等均可发生脱氢反应。⑦酯裂解⑧脱氢(2)黄素加单氧酶(flavin-containingmonooxygenase,FMO)

主要存在于肝、肺、肾等组织的微粒体，以黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）为辅酶，催化反应时需要NADPH和O2。也称为FAD氧化酶。①FMO的辅酶FAD接受NADPH提供的H＋而被还原成FADH2，但氧化态的NADP＋仍然结合在酶分子上，并不脱落；

1②FADH2与氧结合形成稳定的过氧化物FADHOOH（即4a-羟基过氧化黄素）③与底物结合将其氧化，FADHOOH转变为FADHOH（4a-羟基黄素）

④FADHOH恢复为氧化态FAD，释放出NADP＋，准备进入下一个催化循环234具体过程①醇脱氢酶（ADH）

一种含锌酶，位于胞浆，分布于肝脏（含量最高）、肾脏、肺脏及胃粘膜。参与乙醇和维生素A的代谢，将乙醇氧化成乙醛。(3)微粒体外的氧化反应

②醛脱氢酶(ALDH)

以NAD+为辅助因子将乙醛氧化成乙酸。有遗传多态性,日本、中国、韩国和越南人45%～53%点突变(Glu487→Lys487赖氨酸)缺乏ALDH2活性或活性降低。乙醛堆积，局部血管因儿茶酚胺而扩张。C2H5OHC2H5OC2H4O2

③钼水解酶包括醛氧化酶和黄嘌呤氧化酶

醛氧化酶主要在肝脏，氧化许多取代基团如吡咯、吡啶、嘧啶、喋啶和碘离子等，还能将芳香醛（如苯甲醛）氧化为羧酸，对脂肪醛无催化作用。甲萘醌是醛氧化酶的强抑制剂。

黄嘌呤氧化酶(XO)

胞液酶，全身各组织均有很高活性。主要作用促进如6-巯基嘌呤和2,6-二硫代嘌呤等嘌呤衍生物排泄,限制这些抗癌药治疗作用。还参与某些抗肿瘤、抗病毒药物的活化。与醛氧化酶相似，XO也可催化芳香醛氧化。④单胺氧化酶和二胺氧化酶

单胺氧化酶(MAO)，在肝、肾、肠和神经等组织的线粒体中二胺氧化酶(DAO)在肝、肾、小肠和胎盘的细胞胞液中。催化伯胺、仲胺、叔胺的氧化脱氨反应。其中，伯胺氧化脱氨生成仲胺和醛，仲胺氧化脱氨生成氨和醛。肠道腐败作用胺类（组胺、尸胺、酪胺）RCH2NH2+O2+H2ORCHO+NH3+H2O2⑤过氧化物酶依赖的共氧化反应

过氧化物酶催化的反应包括氢过氧化物还原和其他底物氧化为脂质氢过氧化物，故称为共氧化(co-oxidation)。下列反应不由MFO催化的是（）

A、N-脱烷基反应

B、N-羟化反应

C、环氧化反应

D、氧化脱氨基反应

E、醇脱氢反应属于非微粒体混合功能氧化酶的A.细胞色素P-450氧化酶B.FAD氧化酶C.辅酶II-细胞色素P-450还原酶D.黄嘌呤氧化酶E.NADH-细胞色素b5还原酶2.还原反应(reduction)

肠道菌群催化，但细胞色素P450、醛氧化酶和NADPH醌氧化还原酶也可催化。R—N=N—R′

催化酶主要是细胞色素P450、黄素蛋白酶，肠道菌群还原酶活性较高。(1)偶氮还原和硝基还原

羰基还原酶是NADPH依赖酶，分布于血液及肝、肾、脑等胞液伯醇仲醇

羰基（C=O)。是醛，酮，羧酸，羧酸衍生物等官能团的组成部分（2）羰基还原作用(3)醌还原

分子有不饱和环二酮结构（醌式结构）氢醌催化酶是辅酶II（NADPH)-细胞色素P-450还原酶

醌经何作用可形成半醌自由基，发生自氧化(A)A．NADPH-细胞色素P-450还原酶

B．NADPH-细胞色素P-450氧化酶C．FDA氧化酶D．黄嘌呤氧化酶E．醛脱氢酶

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脱卤反应。(4)脱卤反应

e-+CC14—→·CCl3+Cl-得电子的反应3.水解反应(hydrolysis)

水与另一化合物反应，该化合物分解为两部分，氢原子加到一部分，羟基加到另一部分，得两种或两种以上新化合物水解酶包括酯酶、酰胺酶、肽酶和环氧化物水化酶，广泛存在于血浆、肝、肾、肠和神经组织。

水解含羧酸酯（普鲁卡因）、酰胺（普鲁卡因酰胺）、硫酯（螺甾内酯）及磷酸酯（对氧磷）等功能基团的化学物。酯类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；硫酯被分解为羧酸和硫醇。（1）酯酶和酰胺酶

有机磷农药在人体内发生的主要为水解反应，在昆虫体内发生的主要为氧化反应。

许多有机磷杀虫剂在体内的主要代谢方式（C）A．氧化反应B．还原反应C．水解反应D．结合反应E．氧化和结合(2)肽酶肽--由2到100个氨基酸组成的分子

肽酶可水解相邻氨基酸之间酰胺键，故功能上属于酰胺酶。存在于血液和各种组织中,水解各种肽类。如氨基肽酶和羧基肽酶分别在肽链的N-末端和C-末端水解氨基酸，而内肽酶则在肽链内的特定部位裂解肽类。(3)环氧化物水化酶(epoxidehydrolase,EH)

广泛存在于全身组织中，可催化环氧化物水解生成具有反式构型的邻位二醇。（二）Ⅱ相反应（又称为结合作用）

Ⅱ相反应(phaseⅡbiotransformation)即结合作用conjugation

化学物原有或Ⅰ相反应引入或暴露羟基、氨基、羧基、巯基、羰基和环氧基等基团与内源性辅因子发生生物合成反应。结合反应葡萄糖醛酸结合乙酰化作用甲基化反应谷胱甘肽结合硫酸结合氨基酸结合

最主要结合反应。凡含－OH、－COOH、－NH2、－SH等基团化学物或Ⅰ相反应代谢产物都可发生该反应。1.葡糖醛酸结合UDPGTUDPGA＋ROH—————→R—O—GA＋UDP供体：尿苷二磷酸葡萄糖醛酸(uridinediphosphateglucuronicacid,UDPGA)

糖代谢产生尿苷二磷酸葡萄糖氧化。葡糖醛酸结合催化酶：UDP-葡萄糖醛酸基转移酶（uridinediphosphateglucuronyltransferase,UDPGT），属于微粒体酶

举例：+UDPGA苯酚+UDP苯β葡糖醛酸苷2.硫酸结合

SULTPAPS＋ROH—————→R-O-SO3H＋PAP供体：3’-磷酸腺苷-5’-磷酰硫酸（3’-phosphoadenosine-5’-phosphosulfate,PAPS），来源于游离半胱氨酸硫酸结合催化酶：磺基转移酶(sulfotransferase，SULT)。分布于肝、肾、肠、肺、血小板和脑等细胞液。

3.谷胱甘肽结合(glutathioneconjugation)

供体：谷胱甘肽（glutathione,GSH）来源：一种广泛存在于生物组织中三肽谷胱甘肽结合催化酶：谷胱甘肽S-转移酶（glutathioneS-transferase,GST）。肝脏含量最高，占肝细胞液蛋白总量10%左右。

4.甲基化反应(methylation)

主要涉及内源性底物如组胺、氨基酸、蛋白质、糖和多胺等甲基化，不是外源化学物结合主要方式。

供体：S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosinylmethionine,SAM）甲基化反应催化酶：甲基转移酶（methyltransferase），体内分布广泛，主要定位微粒体和胞液

5.乙酰化作用(acetylation)

是含有芳香胺或肼基团的外源化学物代谢的主要途径，反应产物分别是芳香酰胺和酰肼，水溶性比母体毒物低。供体：乙酰辅酶A(乙基）乙酰化作用催化酶：N-乙酰转移酶(N-acetyltransferase,NAT)，细胞液6.氨基酸结合(aminoacidconjugation)

是羧酸和芳香羟胺的主要代谢途径。

供体：氨基酸，需要ATP和乙酰辅酶A

氨基酸结合催化酶：酰基-CoA合成酶，N-酰基转移酶(N-acyltransferase)

有关Ⅱ相反应不正确的说法是（D）A．就是结合反应B．多数化学毒物及其代谢产物经Ⅱ相反应后极性增高、水溶性增强C．主要在肝脏进行D．大多数参与Ⅱ相反应的酶类存在于内质网与核膜上E．葡糖糖醛酸结合是最常见的结合反应谷胱甘肽和葡萄糖结合物排出的主要排泄途径是（B）A．与未吸收的食物混合B．胆汁排泄C．肠内排泄D．肠壁和菌群E．随汗液排出四、影响化学毒物生物转化的因素包括遗传因素和环境因素两类（一）毒物代谢酶的遗传多态性（二）毒物代谢酶的诱导和阻遏（三）毒物代谢酶的抑制与激活（一）毒物代谢酶的遗传多态性

群体出现DNA序列某位点变异,如频率大于1%，叫遗传（基因）多态性(geneticpolymorphism)，低于1％为突变。遗传多态性及影响

毒物代谢酶多态性，很大程度上决定了不同个体对毒物所致毒效应易感性差异。

人CYP1A1是芳烃羟化酶，在肝外组织表达，肺的活性最强，可催化多种芳香烃成为致癌物。15号染色体，7个外显子，6个内含子

目前认为CYP1A1存在Msp1多态和第7外显子多态。毒物代谢酶的遗传多态性

Msp1位于CYP1A13’端非编码区，限制性内切酶作用位点。根据该位点存在与缺失，分A、B、C3种基因型。

CYP1A1酶Msp1的遗传多态性与肺癌

CYP1A1的Msp1多态增加肺癌易感性。日本肺癌患者，基因型C比例比对照组高2倍；基因型C个体患肺癌相对危险度比A和B者高7.31倍。

第7外显子血红素结合区，A→C突变，原编码的异亮氨酸(Ile)转变为缬氨酸(Val)，也可有三种基因型，Ile/Ile,Ile/Val，Val/Val。CYP1A1第7外显子多态性与肺癌易感性的关系

CYP1A1的第7外显子多态可增加个体对于肺癌的易感性。我国Val/Val型患肺癌相对危险度为其他基因型2.43~2.91倍。(二)毒物代谢酶的诱导和阻遏

许多化学毒物可引起某些代谢酶的含量增加并伴有活力增强，这种现象称为酶的诱导（enzymeinduction）。

具有诱导效应毒物为诱导剂(inducer)，分为单功能和双功能。单功能诱导还原、水解和结合反应酶类，不能诱导CYP450。双功能诱导还原、水解和结合反应酶类，又能诱导CYP450。1.酶的诱导酶诱导的毒理学意义经生物转化毒性降低化学物，诱导剂作用下，毒作用减弱。酶诱导意义经生物转化毒性升高化学物，诱导剂作用下，毒作用增强。①多环芳烃类：以三甲基胆蒽(3-MC)为代表，可诱导CYP1A1/2、EH和GST；②巴比妥类：以苯巴比妥（PB）为代表，可诱导CYP2B1/2、2C、3A1/2、NADPH-细胞色素P-450还原酶、EH、UDPGT和GST；③贝特等可诱导CYP4A和UDPGT。④β-萘黄酮等可诱导NQO1、mEH、UDPGT和GST。⑤乙醇、异烟肼可诱导CYP2E1；毒物代谢酶的主要诱导剂

对某些代谢酶诱导同时可阻遏另一些代谢酶合成，比较少见。如过氧化物酶体增生剂在诱导CYP4A1、UDPGT、sEH等酶合成的同时，显著降低了几种GST和CYP同工酶的表达水平。2.毒物代谢酶的阻遏（enzymerepression）(三)毒物代谢酶的抑制与激活

甲醇和乙醇都由醇脱氢酶代谢。甲醇中毒，给予乙醇治疗。1.毒物代谢酶的抑制（inhibition）(1)竞争性抑制

两种或两种以上化学毒物为同一种酶代谢，一种毒物占据酶活性中心，其它毒物代谢受阻，发生竞争性抑制，不影响酶活性及含量。

酶的抑制(2)非竞争性抑制1)与酶活性中心发生可逆或不可逆性结合2)破坏酶3)减少酶的合成4)变构作用5)缺乏辅因子1)与酶活性中心发生可逆或不可逆性结合

苯硫磷抑制羧酸酯酶活性使马拉硫磷水解速度减慢，增强其毒性。

2)破坏酶

四氯化碳、氯乙烯、肼等代谢产物与细胞色素P450共价结合，破坏其结构和功能。3)减少酶的合成

铅抑制δ-氨基酮戊酸脱水酶（ALAD）和血红素合成酶活性，血红素合成受阻，抑制细胞色素P450合成。

4)变构作用

CO与细胞色素P450结合引起变构，阻碍酶与氧结合而抑制其代谢过程。(2)非竞争性抑制

5)缺乏辅因子马来酸乙二酯可耗竭GSH，使GST因缺乏辅因子而无法催化亲电子剂结合反应。许多毒物对代谢酶产生抑制作用，CO可与细胞色素P450结合，阻碍其与氧的结合，这种抑制作用可以归结为（B）A．与酶的活性中心结合B．引起酶的变构C．减少酶的合成D．破坏酶的结构E．竞争性抑制酶的活性中心

化学毒物直接作用于酶蛋白，使其活性增加，但不涉及酶蛋白的诱导合成，较少见。如异喹啉和克霉唑在体外可使mEH水解苯乙烯氧化物的活性增加5倍;二乙基酮可明显提高UDPGT代谢2-氨基酚的活性。2.毒物代谢酶的激活（activation）动力学模型经典毒物动力学模型Classicaltoxicokinetics生理毒物动力学模型Physiologicaltoxicokinetics第三章生物转运和生物转化第三节

毒物动力学（P64)速率类型（typeofrate）房室模型（compartmentmodel）一、经典毒物动力学模型Classicaltoxicokinetics(一)基本概念1.速率类型

按转运或转化的速率不同分为一级速率过程（firstorderrateprocess）和零级速率过程（zeroorderrateprocess）。

（1）一级速率过程指毒物在体内某一瞬间的变化速率与其瞬时含量的一次方呈正比。特点为：毒物的生物半减期恒定；单位时间内消除毒物的量与体存量呈正比；其半对数时－量曲线为一条直线。大多数毒物的体内过程符合一级速率。

dc/dt=－KeC(2)零级速率过程指毒物在体内某一瞬间的变化速率与其瞬时含量的零次方呈正比。特点为：单位时间内消除毒物的量恒定，相当于机体的最大消除能力，而与体存量无关；其半对数时－量曲线为一条曲线。部分需要载体转运或限速酶代谢的毒物的体内过程符合零级速率。

dc/dt=－KeC02.房室模型

假设整个机体像一个彼此相连的房室系统，毒物进入体内可分布于房室中，凡是转运和转化速率相似者，均可视为同一房室。

房室是理论的机体容积

多房室模型（multi-compartmentmodel）化学物入血后，在体内不同部位的转运和转化速率不同，在达到平衡前需要有一个分布过程。一房室模型（one-compartmentmodel）毒物入血后能迅速而均匀地分布于全身并呈现出一致的消除过程中央室（centralcompartment）血液以及供血丰富、血流通畅的组织脏器，如肾、心、肝、肺等组成

周边室（peripheralcompartment）供血量少、血流缓慢或毒物不易进入的组织脏器，如脂肪、皮肤、骨骼、静止状态时的肌肉等。

房室模型又分为开放式和封闭式两种。如毒物仅在各房室间转运，而不从机体排泄或代谢转化的，称为封闭式模型；反之，称为开放式模型。绝大多数化学物符合开放式模型

时量曲线表示血浆毒物浓度随时间变化的动态过程

在染毒后不同时间采血样，测定血毒物浓度，以血毒物浓度为纵座标，时间为横座标作图.

通过曲线可定量地分析毒物在体内动态变化。(二)房室模型和时－量曲线1.一房室模型及其时－量曲线

理论上,符合一房室模型的毒物瞬间即可均匀分布到全身，在血液与组织间达到平衡。一房室模型的微分方程为：dc/dt=－KeC经转换后的指数方程为：C=C0e-ketC-----时间为t时的毒物血浆浓度，C0-----时间t=0时的初始血浆浓度，ke-----一级消除速率常数，用时间的倒数表示（如h－1）图3-12一次染毒一房室模型时-量曲线实线表示静脉注射染毒的时－量曲线；虚线表示静脉外染毒时吸收过程对时－量曲线的影响。时量曲线为直线图3－13一次静脉注射染毒二房室模型时-量曲线2.二房室模型及其时－量曲线

二房室模型由中央室和周边室组成。毒物首先进入中央室，再向周边室分布，