-生物转运转化

公共卫生与热带医学学院

毒理学系谢晓利1外源化学物在体内的

生物转运与生物转化2第二节外源化学物在体内的生物转化一、生物转化的意义生物转化，又称为代谢转化，指外源化学物经历酶促反应或非酶促反应而形成代谢产物的过程。可以影响外源化学物毒效应的强度和性质，是维持机体稳态的主要机制。（一）代谢解毒与代谢活化

多数外源性化学物代谢后毒性降低或消失—代谢解毒（metabolicdetoxication），传统上对生物转化的理解即为代谢解毒。而一些毒物，如氯乙烯和B(a)P，其原型并不具有毒性，正是代谢过程使其成为具有遗传毒性和致癌性的活性，这种现象称为代谢活化（metabolicactivation）。活性中间产物：多数代谢活化的产物不稳定，仅在短时间内存在。亲电子剂，自由基，亲核剂和氧化还原反应物。4例如：苯并芘的生物活化5（二）外源性化学物溶解度的变化Ⅰ相反应，包括氧化、还原和水解反应，催化底物暴露一些基团，如-OH、–COOH、–NH2,增加外源性化学物的水溶性；Ⅱ相反应，包括葡萄糖醛酸化、硫酸化、乙酰化、甲基化、与谷胱甘肽结合与氨基酸结合。除甲基化和乙酰化反应以外，总是增加外源性化学物的水溶性。二、生物转化酶6（一）基本特性结构（及功能）在不同个体间的差别：多态性对底物不同程度的特异性，表现出立体选择性（二）分布：肝脏及肝外组织在肝脏等大多数组织，生物转化酶主要位于内质网（微粒体），如CYP450s、葡萄糖醛酸基转移酶，和细胞质中，如硫酸转移酶；高脂溶性的代谢酶多位于生物膜；高水溶性的代谢酶多位于胞质。7生物转化的主要器官和细胞转化能力器官细胞强肝脏实质细胞(肝细胞)肺脏Clara细胞、Ⅱ型上皮细胞中等肾脏近曲小管细胞小肠粘膜内层细胞皮肤上皮细胞弱睾丸输精管与支持细胞8三、生物转化反应类型（一）Ⅰ相反应：氧化、还原和水解91.氧化反应(oxidation)：以在微粒体（microsomes)内为主。细胞色素P450酶系；黄素加单氧酶；微粒体外的氧化反应酶。由于该酶中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命名。又被称为混合功能氧化酶(mixedfunctionoxidase，MFO)，或加单氧酶(monooxygenase)。（1）细胞色素P450酶系11分布：CYP酶系广泛分布于各种组织，但以肝细胞内质网（微粒体）含量最多，且滑面内质网多于粗面内质网。构成：血红素蛋白类(细胞色素P450和细胞色素b5)、黄素蛋白类(NADPH-细胞色素P450还原酶)和磷脂。12分类：根据其氨基酸序列的相似度进行相同氨基酸序列低于40%的属于不同家族；相同氨基酸序列40%-55%的属同一基因家族的不同亚族；相同氨基酸序列高于55%的属同一亚族成员。命名：斜体CYP代表除小鼠和果蝇之外所有物种的细胞色素P450基因；其后的阿拉伯数字代表基因族；再后的大写英文字母代表亚族；字母后的阿拉伯数字代表基因亚族中的一个基团。如CYP1A1为细胞色素P450第一基因族A亚族第一基因。细胞色素P450酶系催化的基本反应是单加氧反应。催化的总反应式：RH＋O2＋NADPH＋H＋——ROH＋H2O＋NADP＋1415细胞色素P-450催化的氧化反应：脂肪族的碳或芳香族的氢的羟基化；双键的环氧化作用；杂原子(S-、N-、I-)的氧化和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；脱氢作用。1617（2）黄素加单氧酶（flavin-containingmonooxygenase,FMO）分布：主要存在于肝、肾、肺等组织微粒体。

功能：可氧化多种毒物的亲核性氮、硫和磷杂原子。此酶以黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)为辅酶，需要NADPH和O2。由FMO催化的很多反应也可为P-450催化。1819（3）微粒体外的氧化反应醇脱氢酶（ADH),存在于细胞质，肝细胞中含量最高。醛脱氢酶（ALDH）,可转化乙醛为乙酸（减毒作用)。亚洲人（包括中国人中大约一半的人因点突变而缺乏此酶活性（Glu487Lys487：红晕综合症）。钼水解酶（包括醛氧化酶和黄嘌呤氧化酶）。20单胺氧化酶（MAO）和二胺氧化酶（DAO）；MAO存在于线粒体（肝、肾、小肠和神经等组织）。催化伯胺、仲胺、叔胺的氧化脱氨反应。MAO的缺失导致Norrie病（失明、失聪、智力迟钝为特征）。过氧化物酶依赖性的共氧化反应；过氧化物酶催化的反应，包括氢过氧化物的还原和其他底物氧化生成脂质氢过氧化物，这一过程称为共氧化（co-oxidation）。包括PHS合成酶、乳过氧化物酶和髓过氧化物酶等。催化致癌物黄曲霉毒素B1和BaP的环氧化反应。2）羰基还原作用（醛或酮醇）；21

2.还原反应（reduction）1）硝基和偶氮还原（肠道菌群）；3）醌还原（醌氢醌或半醌）；4）脱卤反应（还原脱卤、氧化脱卤和脱卤化氢）。细胞色素P450GST2223

CCl4CYPs+e-·CCl3+Cl-攻击生物膜启动脂质过氧化损伤脱卤反应：24酯酶和酰胺酶：水解具有羧酸酯、酰胺、硫酯、磷酸酯和酸酐等功能基团的化学毒物；肽酶（peptidase)：水解各种多肽；环氧化物水化酶(epoxidehydrolase)

产物是具有反式构型的邻位二醇，一般为减毒作用。3.水解反应（hydrolysis）25（二）Ⅱ相反应又称结合作用，是外源化学物原有的或经一相反应后引入或者暴露出来的基团与内源性辅因子之间发生的生物合成反应；需要酶的参与，并且需要消耗能量；主要在肝脏进行，其次为肾脏。也可以在肺，肠、脾、脑等组织器官发生；主要的反应有：葡萄糖醛酸结合，硫酸结合，谷胱甘肽结合，甲基化反应，乙酰化反应和氨基酸结合。葡萄糖醛酸结合(glucuronidation)体内最主要的结合反应类型。在-OH、-COOH、-NH2、-SH等功能团上以糖酐键连接葡萄糖醛酸基。尿苷二磷酸葡萄糖醛酸是葡萄糖醛酸的供体。使代谢物极性增加，水溶性增加，易于从尿中排出。27传统上认为硫基转移促进Ⅰ相代谢产物的排泄，现在发现有时结合了硫酸基后因其带电荷而不能扩散出细胞—贮留细胞。只有在细胞对结合产物存在主动转运方式时才促进排泄，例如葡萄糖醛酸基胆红素。近十年发现硫酸基转移酶有时使外源性化学物毒性增强—活化为具有细胞毒性和致突变性的代谢物。如人SULT2A1活化1-pyrenemethanol(1-芘甲醇)为致突变物。人SULT1A1活化2-nitropropane（2-硝基丙烷）为致突变物。2.硫酸结合（sulfation)

硫转移酶（SULT）催化，PAPS（3‘-磷酸腺苷-5’-磷酰硫酸）是携带硫酸基的辅酶。28

3.谷胱甘肽结合由谷胱甘肽S-转移酶催化；存在于肝细胞和其他许多类细胞的胞液；底物特点：具有一定疏水性，含有亲电原子，可与GSH发生非酶促反应；一般认为是亲电子剂解毒的一种机制，它还能清除活性氧类（activeoxygenspecies)，有抗脂质过氧化作用。294.甲基化反应主要作为内源性物质的代谢方式；甲基供体为S-腺苷甲硫氨酸；甲基转移酶催化；底物含O,N,S等杂原子；存于微粒体和胞液；底物包括苯酚，儿茶酚，脂肪胺和芳香胺等；产物水溶性减弱，不易排出，但毒性减低。305.乙酰化作用是含芳香胺和肼结构的外源性化学物的主要代谢途径。反应产物是芳香酰胺和酰肼。催化酶是N-乙酰基转移酶，主要在肝细胞胞液。乙酰辅酶A是乙酰基供体。产物水溶性减低，作用利弊取决于解毒与活化的相对速度，但多为灭活过程。316.氨基酸结合（aminoacidconjugation）

该途径是羧酸和芳香羟胺的主要代谢途径；甘氨酸、谷氨酸、牛磺酸结合，形成酰胺反应需要能量，和乙酰辅酶A的参与32四、影响外源化学物生物转化的因素遗传因素:涉及到动物的物种、性别、年龄、生理和营养状态等。表现为毒物代谢酶的种类、分布、数量和活性的差别。其中代谢酶的遗传多态性是不同个体对毒物的敏感性存在差异的重要原因。环境因素：通过干扰代谢酶的合成与催化过程影响毒物的生物转化。最主要的表现形式：代谢酶的诱导和抑制。（一）毒物代谢酶的遗传多态性(Geneticpolymorphism)33指在群体中出现了频率大于1%的多种等位基因形式。毒物代谢酶的多态性在很大程度上决定了个体对于毒物所致毒效应的易感性。

人的CYP1A1的多态性是芳烃羟化酶，在肺组织表达最高，可催化多种芳香烃为致癌物。存在Msp1多态和第7外显子多态。34基因型A：Msp1位点缺失，为优势纯合子。基因型C：T被C取代，其携带者肺癌发病高7倍（日本报道）。基因型B：基因型A和C的杂合子。Msp1,位于CYP1A13’端非编码区域，为限制性内切酶的作用位点。35第7外显子多态：第7外显子血红素结合区的突变：AG，Ile（异亮氨酸）转变为Val（缬氨酸）。基因型：Ile/Ile、Ile/Val、Val/Val。Val/Val型患肺癌的危险度为其他基因型的2.4-2.9倍（我国报道）。CYP1A1的遗传多态性还与膀胱癌、乳腺癌及结肠癌的易感性有关。谷胱甘肽S-转移酶的基因多态性具体形态包括：基因缺损、碱基置换和基因多重拷贝等。GSTT1缺失：星形细胞瘤、脑膜瘤和脊髓发育不良；GSTM1缺失：对吸烟所致的肺癌、膀胱癌和头颈部肿瘤的易感性增加；GSTP1-1过表达：对卵巢癌、非小细胞肺癌、乳腺癌以及结直肠的抗药性相关。3637（二）毒物代谢酶的诱导和阻遏诱导（induction），外源性化学物引起某些代谢酶的合成增加并伴有活力增强的现象。酶的诱导发生在肝脏最明显，也可以发生于肾脏、肠、肺等其他组织。诱导剂（inducer），具有诱导效应的化学毒物：

单功能诱导剂：诱导还原、水解和结合反应的酶；

双功能诱导剂：诱导结合反应相关酶和多种CYP超家族成员。

诱导剂的作用机制：1、作为配体与位于细胞质的外源化学物感受器结合，使其构象发生改变，转化为活化形式；2、结合物与配体蛋白形成异源二聚体并进入细胞核；3、该二聚体与位于5‘端的启动子反应元件结合，并募集其他转录因子和RNA聚合酶形成转录复合物；4.启动代谢酶的基因转录。39如巴比妥类：苯巴比妥可诱导CYP2B1/2、2C、3A1/2、NADH-细胞色素P450还原酶等；多环芳烃类:3-MC诱导CYP1A1/2、EH和GST；

醇/酮类：乙醇、异烟肼：诱导CYP2E1；

过氧化物酶体诱导剂。毒物代谢酶的阻遏（enzymerepression):指对某些代谢酶诱导的同时可阻遏另一些代谢酶的合成。40（三）毒物代谢酶的抑制与激活竞争性抑制：毒物代谢酶的底物特异性较弱，活性有限