外源化学物在体内的生物转运和生物转化

外源化学物在体内的生物转运和生物转化第1页/共127页第三章食品中外源化学物的来源、转运与转化第2页/共127页3内容概要

第一节食品中外源化学物的来源

第二节生物膜和生物转运

第三节吸收

第四节分布

第五节排泄

第六节毒物的代谢转化第3页/共127页4第一节食品中外源化学物的来源食品中外源化学物根据其来源分为四大类：①天然物；②衍生物；衍生物是食物在贮放和加工烹调过程中产生的。③污染物；④添加剂。污染物和添加物都属于外来的化学物。第4页/共127页5一、天然毒物（一）植物性有害物质植物的有害代谢物大体上可以分为：①功能团，如植物酚类；②生理作用物质，如胆碱酯酶抑制剂或活化剂；③产生毒素的物质，如生氰甙；④致癌物，如苏铁素；⑤抗营养物，如黄豆中的外源凝集素（lectins）。第5页/共127页6（二）动物性食品有害物质人类食入的动物性食品从毒理学角度可以分为三类：①本身无毒的；②有的时候有毒的（条件性有毒）；③本身有毒的，如河豚鱼。第6页/共127页7二、衍生毒物（derivedtoxicants）

衍生毒物是食品在制造、加工（包括烹调）或贮放过程中化学反应或酶反应形成的（或潜在）有毒物质。有时用同义词有毒反应物（toxicreactiveproduct）。有毒物质可由食品的任何内在成分与外源成分（如污染物与添加剂）相互作用形成，或这些物质与外界物质（如氧）相互作用形成。由热、光、酶或其他物质引起食物化学降解也会产生有毒物质。衍生毒物可分为热解有机毒物、非热解毒物、油脂氧化物以及污染物反应产生的毒物等。第7页/共127页8三、污染物——生物学污染物和化学污染物食品可从多方面受污染—空气、水、土壤及其他的植物。多数情况下，污染量不大，引起急性中毒的机会较小，引起慢性危害则不能马上发生效应，不易觉察。土壤和水中的天然有毒无机物被植物、禽畜和水生动物吸收、积累，有的达到可引起人中毒的水平，如硝酸盐、汞、砷以及硒。受污染的饲料喂禽畜后，可使其肉、蛋、奶含有污染物，这些都属于间接污染。生长中的农作物或收获后贮放的农产品受微生物侵袭，在适宜条件下可产生致病内毒素或外毒素。现代农业生产中广泛使用的农药、生长刺激素等饲料添加剂和抗生素均会使食品含有残留。第8页/共127页9食品贮存和包装用的容器和包装材料中含有的化学物质（如塑料增塑剂和印刷油墨中的苯）能迁移到食物上。食品加工、烹调用的炊具、器皿、用具都有可能受材料中的化学物质污染。瓷器碗碟上的彩釉含的铅能游离到盛装的食物中。食品生产工艺过程污染物，运输、住宅、家庭生活、娱乐活动、教育、医疗以及科研使用的有害化学物质都有可能直接或间接污染食品，产生健康危害。第9页/共127页10四、添加剂食品添加剂最初是为防腐和改善食品品质（色、香、味、口感）而加入食品的，后来扩大到食品加工工艺过程本身需要而加入的物质。现代的食品添加剂随着食品门类的增加和工艺的发展，其种类也不断增多，已达数千个：有天然成分的，也有人工合成的。它们都是外源化学物质，因此需要对它们进行安全性毒理学评价。另外，添加剂对营养素的影响，添加剂的联合作用，添加剂与化学污染物的相互作用都很重要。第10页/共127页11第二节生物膜和生物转运一、外源化学物的体内动态外源化学物[接触]皮肤肺消化道粪[接触][排泄]肝〖吸收〗[再吸收]胆汁[代谢]血液循环白蛋白结合型游离型[吸收]靶器官(损害)器官组织(贮存)[分布]肾肺分泌腺尿呼气乳汁、汗[排泄]图3-1外源化学物在体内的动态过程第11页/共127页12Absorption↓Distribution↓Metabolism↓Excretion外源化学物的体内动态第12页/共127页13在靶器官内的化学毒物或其活性代谢物的浓度及持续时间，决定了机体的毒性效应的性质及其强度。吸收、分布、代谢和排泄过程影响在靶器官中化学毒物的浓度和持续时间。化学毒物的代谢和排泄合称为消除。经过代谢过程，毒物的毒性可能增强。化学毒物对机体的毒性作用取决于两个因素：1）化学毒物的固有毒性和接触量；2）化学毒物或其活性代谢物到达作用部位的效率。第13页/共127页14Toxicokinetics(毒物动力学)Toxicodynamics(毒物效应动力学)Biotransportation(生物转运)Biotransformation(生物转化)研究内容第14页/共127页15在机体对化学毒物的处置过程中，化学毒物在体内的浓度随时间变化的规律，可用数学方程或动力学参数来描述。毒物动力学的研究对象是机体对化学毒物的作用和靶器官中化学毒物或其活性代谢物的量。毒物效应动力学的研究对象是涉及在靶器官内化学毒物或其活性代谢物与大分子（靶分子）的作用，引起的局部的或整体的毒性效应。第15页/共127页16毒物动力学毒物动力学是源于药物动力学的。以速率论的观点出发，用数学模型分析和研究化学毒物在体内吸收、分布代谢和排泄的过程及其动力学的规律。目的：1）设计毒理学研究；2）剂量与毒性关系；3）进行对人的危险性评价。第16页/共127页17生物膜组成脂质糖蛋白质：结构蛋白、受体、酶、载体、离子通道等结构：液态镶嵌模型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二、生物膜和生物转运第17页/共127页18生物膜的结构第18页/共127页19生物转运主动转运(activetransport)被动转运膜动转运(cytosis)简单扩散(simplediffusion)易化扩散(facilitateddiffusion)滤过(filtration)胞吞(endocytosis),胞饮(pinocytosis)胞吐(exocytosis)第19页/共127页20（一）简单扩散外源化学物主要经单纯扩散的方式经生物膜转运。简单扩散可使化学毒物的浓度在血浆和细胞外液之间达到平衡，但不能使化学毒物的浓度在细胞外液和细胞内液之间达到平衡。简单扩散方式条件

1）膜两侧存在浓度差异；2）化学毒物必须有脂溶性；3）化学毒物必须非电离状态。第20页/共127页21第21页/共127页22影响单纯扩散的主要因素有生物膜的浓度梯度、厚度和面积、脂／水分配系数、解离度等。一般情况下，脂／水分配系数大的化学物和非解离的化学物容易以简单扩散方式通过生物膜。脂／水分配系数(lipid／waterpartitioncoefficien)是表示化学物脂溶性的一个参数(亲脂性／亲水性的比值)，指化学物在含有脂和水的体系中，在分配达到平衡时在脂相和水相的浓度比值。第22页/共127页23（二）易化扩散又称为载体扩散。水溶性小分子或离子在特殊的膜蛋白帮助下，由细胞膜高浓度的一侧向低浓度的一侧扩散的过程。可能机制：膜上蛋白质载体特异地与某种化学毒物结合后，其分子内部发生构型变化而形成适合该物质透过的通道而进入细胞。只能按顺浓度方向转运，不需能量。第23页/共127页24第24页/共127页25

需有载体参加；外源化学物可逆浓度梯度转运；消耗能量，代谢抑制剂可阻止转运过程；载体对转运的外源化学物有特异选择性；转运量有一定极限，载体可达饱和状态；两种外源化学物间可出现竞争性抑制（三）主动转运目前已鉴定的主动转运系统有8种第25页/共127页26大分子物质跨膜转运示意图第26页/共127页27

外源化学物本身结构；分子量大小；脂-水分配系数；带电性；内源性物质的相似性影响转运的主要因素第27页/共127页28

吸收（abosorption）:外源化学物从接触部位，通常是机体的外表面或内表面的生物膜转运通过生物膜屏障进入血循环的过程。主要的吸收部位是消化道、呼吸道和皮肤。药物治疗还有注射方式，包括皮下注射、肌肉注射和静脉注射等。

第三节吸收第28页/共127页29一、经胃肠道吸收吸收的特点和影响因素：消化道是外源化学物的主要吸收部位，从口腔到直肠的各个部位都可吸收外源化学物。消化道吸收主要在小肠内进行。小肠的结构特点，外源化学物本身的理化性质、胃肠液的pH值、胃肠道内食物的量和质、肠内菌丛的影响外源化学物的性质可能在胃肠道消化过程中改变成新的物质从而影响其吸收或改变其毒性。第29页/共127页30第30页/共127页31肝脏的血液循环肝脏血液供应非常丰富,肝脏的血容量相当于人体总量的14%。成人肝每分钟血流量有1500-2000ml。肝的血管分入肝血管和出肝血管两组。入肝血管包括肝固有动脉的门静脉。属双重血管供应，出肝血管是肝静脉系。肝动脉是肝的营养血管，肝血供的1/4来自肝动脉进入肝脏后分为各级分支到小叶间动脉，将直接来自心脏的动脉血输入肝脏，主要供给氧气。门静脉是肝的功能血管肝血供的3/4来自于门静脉，门静脉进入肝脏后分为各级分支到小叶间静脉，把来自消化道含有营养的血液送至肝脏“加工”。第31页/共127页32首过效应（first-passeffect）由于消化道血液循环的特点，除口腔和直肠外，从胃和肠吸收到局部血管的物质都要汇入肝门静脉到达肝脏之后再进入体循环。由于肝脏具有代谢外源化学物的功能，未被代谢的原型和代谢产物离开肝脏随体循环分布到全身。这种未到体循环就被肝脏代谢和排泄的现象称为首过效应(first-passeffect)。现在，将在吸收部位发生代谢后再进入体循环的现象都理解为首过效应。第32页/共127页33空气中的外源化学物主要从呼吸道侵入机体。并以肺泡吸收为主，其吸收速度仅次于静脉注射。空气中的物质以气体和气溶胶两种形式存在。影响吸收的因素：1）气态物质水溶性影响其吸收部位。2）气态物质在肺泡和血液中的浓度（分压）差。血／气分配系数是气体在呼吸膜两侧的分压达到动态平衡时，在血液内的浓度与在肺泡空气中的浓度之比。3）肺通气量和肺血流量大小也是影响吸收的因素。4）气溶胶中颗粒的大小和化学物质的水溶性也影响气溶胶的吸收。二、经呼吸道吸收第33页/共127页34颗粒物可引起上呼吸道炎症、肺炎、肺肉芽肿、肺癌、肺尘埃沉着病及过敏性肺部疾患。可溶性有毒颗粒物很快被吸收入血引起中毒，不溶性颗粒物则可引起肺尘埃沉着病。毒物经肺吸收的物种差异是由于生理学的差异和暴露条件的不同造成。第34页/共127页35三、经皮肤吸收毒物经皮吸收须通过表皮或附属物。表皮的角质层是化学物质经皮吸收的限速屏障。不同部位皮肤对毒物的通透性不同：阴囊>腹部>额部>手掌>足底第35页/共127页36第一阶段是外源化学物扩散通过角质层。极性物质通过含水的角质层蛋白细丝的外表面扩散，非极性分子则溶解于蛋白细丝间基质并扩散。第二阶段由扩散通过表皮较深层（颗粒层、棘层和生发层）及真皮，再通过真皮内静脉和毛细淋巴管进入体循环。第36页/共127页37四、其它吸收途径皮下注射肌肉注射静脉注射腹腔注射等。在自然环境中和注射方式类似的情况如毒蛇咬伤，毒蛇毒素经伤口吸收。第37页/共127页38

分布(distribution)指外源化学物吸收进入血流或淋巴液后，随体循环分散到全身组织器官的过程。不同的外源化学物在体内各器官组织的分布不均匀。影响因素：组织或器官的血流量、外源化学物的亲合力。

redistribution:

如

铅，有机磷农药第四节分布第38页/共127页39一、毒物在组织中的贮存贮存库：进入血液的外源化学物在某些器官组织蓄积的浓度较高，如果外源化学物对这些器官组织未显示明显的毒作用，称为贮存库。贮存库的作用：1）保护；2）转化的潜在危害。体内的主要贮存库有：血浆蛋白、肝和肾、脂肪以及骨骼。第39页/共127页401、血浆蛋白

能与血浆蛋白结合的化学毒物，其毒作用可被延缓。这种结合可降低血中游离型化学毒物的浓度，因此增加了有毒物质血管外对血管内的浓度梯度，增加了扩散速度。这种结合是可逆的。游离型毒物浓度与毒作用强度相关。不同化学毒物与血浆蛋白的结合是有竞争的。第40页/共127页41

铅尘肺部弥散或吞噬作用血液

与红细胞结合血浆

(90%)(磷酸氢铅或血浆蛋白铅)

肝、肾、脾等器官沉积

骨骼、毛发等蓄积（磷酸铅）（90～95%）

体内酸碱平衡失调铅在体内的分布第41页/共127页422.肝和肾

具有许多化学毒物结合的能力；含有一些特殊的结合蛋白。还有一种可诱导蛋白（金属硫蛋白）能与镉、汞、锌及铅结合。肝、肾是一种外来化学毒物的贮存场所，也是体内有毒物质转化和排泄的重要器官。第42页/共127页433、脂肪及骨骼有机物易于分布和蓄积在体脂内。在脂肪中贮存可降低其靶器官中的浓度。骨骼中某些成分与某些化学毒物有特殊亲和力。在骨中的沉积和贮存是否有损害作用，取决于化学毒物的性质。第43页/共127页44屏障：是阻止或减少化学毒物由血液进入某种组织器官的一种生理保护机制。主要有血脑屏障(blood-brainbarrier)和胎盘屏障(placentalbarrier)，另外还有血-睾丸屏障和血-眼屏障。屏障不能有效地阻止亲脂性物质的转运。

二、机体的屏障作用第44页/共127页451.血脑屏障(blood-brainbarrier，BBB)形成BBB的重要性在于保障血液和脑之间正常的物质交换和阻挡非脑营养物质进入脑组织。BBB是由毛细血管内皮细胞和星状胶质细胞组成的。第45页/共127页462.胎盘屏障(placentalbarrier)由胎盘形成的屏障调控妊娠母体和胎儿之间的物质交流，是保护胎儿免受外源化学损害的重要关口。正常妊娠期间母血与子血分开，互不干扰，同时又进行选择性的物质交换。屏障的组成包括绒毛芯的微血管的内皮细胞、基膜、结缔组织及上皮基膜和绒毛上皮，就血窦绒毛型胎盘而言都属于子体组织。其他类型胎盘则包括母体组织，如子宫内膜上皮、基膜、结缔组织和内皮等。非离子型、脂溶性高和分子量小的物质容易通过胎盘屏障。虽有“胎盘屏障”的概念，但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。第46页/共127页47胎盘屏障第47页/共127页48

排泄（excretion）是外源化学物及其代谢产物向机体外转运的过程，是生物转运的最后一个环节。肾脏排泄：肾小球过滤肾小管重吸收肾小管分泌粪便排泄：与未吸收的食物混合胆汁排泄肠肝循环 肺排泄其他：乳汁排泄

第五节排泄第48页/共127页49一、经肾脏排泄主要的排泄器官，效率极高。机理：1）肾小球滤过；肾小球的毛细管有较大的膜孔（7-10nm）并有滤过压。分子量小于60000的外源化学物分子都能通过肾小球到达肾小管。2）肾小球简单扩散；3）肾小球主动转运。以简单扩散和主动转运为主要。第49页/共127页50二、经肝和胆排泄进入胃肠道的化学毒物最主要的机制是经过胆汁排泄。几种转运系统：有机酸类主动转运；有机碱类主动转运；中性有机化学毒物的主动转运；金属主动转运。胆汁排泄是尿排泄的补充，小分子经肾管排泄，大分子经胆汁排泄。一种途径受阻可导致另一途径排泄增加。第50页/共127页51化学毒物及其代谢物主要由胆汁进入肠道；也可通过其它途径进入胃肠道。一部分随粪便排出，一部分由于肠液或细菌的酶催化，增加其脂溶性而被肠道重吸收，重新返回肝脏，形成肠肝循环。肠肝循环使化学毒物从肠道排泄的速度减慢，生物半减期延长，毒作用持续时间延长。第51页/共127页52三、经肺和其它途径排泄在体温下以气态存在的物质，主要以肺排泄。经乳汁排泄。汗腺和毛发排泄。第52页/共127页53一、生物转化和解毒二、Ⅰ相反应三、Ⅱ相反应四、影响生物转化的因素第六节化学毒物的生物转化第53页/共127页54一、生物转化和解毒生物转化(biotransformation)：机体通过化学反应，使外源化学物的极性增加，有利于随胆汁或尿液排出体外的转变过程称为生物转化。生理意义：主要是使外源化学物的极性（水溶性）增高，易于从胆汁或尿液中排除体外使一些外源化学物的生物学活性降低或消除（灭活作用，如激素）使有毒物质的毒性减低或消除（解毒作用）生物转化作用≠解毒作用第54页/共127页55代谢产物(metabolites)：生物转化的产物。主要担负生物转化的器官是肝脏。其他器官如肾脏、小肠、肺脏和皮肤等的生物转化能力明显低于肝脏。代谢解毒(metabolicdetoxication)：经生物转化大部分外源化学物的代谢产物，毒性降低，易于排出体外，此为解毒反应。代谢活化(metabolicactivation)：外源化学物经生物转化其毒性被增强的现象。如生成亲电子剂、自由基、亲核剂、氧化还原剂。第55页/共127页56（二）肝脏解毒肝脏解毒主要有四种方式：（1）化学方法：如氧化、还原、分解、结合和脱氧作用。（2）分泌作用：一些重金属如汞，以及来自肠道的细菌，可随胆汁分泌排出。（3）蓄积作用；（4）吞噬作用。肝脏是人体的主要解毒器官，它可保护机体免受损害，使毒物成为无毒的或溶解度大的物质，随胆汁或尿排出休外。第56页/共127页57（三）生物转化反应的主要类型第一相反应：氧化反应(oxidation)还原反应(reduction)水解反应(hydrolysis)第二相反应：结合反应(conjugation)第57页/共127页58Ⅰ相反应和Ⅱ相反应葡萄糖醛酸转移酶第58页/共127页59生物转化通过这两相反应改变其毒效性质。代谢活化：经生物转化后毒性增强，甚至产生致癌、致突变和致畸效应，称为代谢活化。化学物(无毒性)——→活性中间产物(毒性)————→产物(无毒性)代谢解毒：化学物(毒性)———→中间产物(低毒性或无毒性)———→产物(无毒性)第59页/共127页60代谢活化经代谢活化生成的活性代谢产物分四类：

1）生成亲电子剂；

2）生成自由基；3）生成亲核剂；4）生成氧化还原剂。第60页/共127页61某些致癌物质的生物转化⑴芳香烃类：如苯并芘。⑵芳香胺类：如2-乙酰氨基芴。⑶芳香族偶氮化合物：如4-二甲基氨基偶氮苯（奶油黄，DAB）。⑷杂环化合物：如1-氧-4-硝基喹啉（4－NQO）。⑸脂肪族化合物：如芥子气。⑹有机卤化物及无机化合物：如666及羰基镍、砷化物等。⑺N-亚硝基化合物：如二乙基亚硝胺等。第61页/共127页62第62页/共127页63第63页/共127页642-乙酰氨基芴的代谢活化2-乙酰氨基芴(2-AAF，2-acetylaminofluorene)在形成终致癌物之前也经历了两次活化(图2-3)，即首先发生N-羟化的I相反应形成中间产物N-羟基胺，再经Ⅱ相反应，即硫酸、乙酰基或葡萄糖醛酸结合。这些结合产物在酸性pH尿中可水解或由小肠菌丛的β-葡糖苷酸酶催化水解，生成N-羟基芳香胺，后者可自发性生成亲电子性芳基氮钅翁离子，攻击DNA，引起膀胱癌和结肠癌。第64页/共127页65甲萘醌二电子还原成氢醌和一电子还原成半醌时生成活性氧自由基第65页/共127页66四氯化碳的代谢活化

第66页/共127页67二、Ⅰ相反应定义Ⅰ相反应(phaseⅠbiotransformation)指经过氧化、还原和水解等反应使外源化学物暴露或产生极性基团，如-OH、-NH2、-SH、-COOH等，水溶性增高并成为适合于Ⅱ相反应的底物。第67页/共127页68I相反应的类型氧化作用还原作用水解作用硝基和偶氮还原羰基还原含硫基团还原醌还原脱卤还原酯酶酰胺酶环氧化物水化酶I相反应的类型第68页/共127页69氧化作用P-450催化氧化脂肪族和芳香族羟化:八甲磷双键的环氧化：杂原子(S-,N-,I-)氧化和N-羟化杂原子(O-,S-,N-)脱烷基氧化基团转移

(氧化脱氨、脱硫、脱卤素)酯裂解(羧酸酯、磷酸酯)脱氢微粒体含黄素加单氧酶醇、醛、酮氧化和胺类氧化（一）氧化作用第69页/共127页701.细胞色素P-450酶系P-450是细胞色素P-450的简称(也简称为CYP)，是位于微粒体膜(滑面内质网)上的一组酶，又称为微粒体混合功能氧化酶(microsomalmixedfunctionoxidase，MFO)或单加氧酶(monooxygenase)

。细胞色素P-450酶系的构成由血红素蛋白类（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B5还原酶）和磷脂类三部分组分。P-450酶系是一个蛋白质超级家族，其每一种对专一性有特征性谱，包括有结构型的和诱导型两类。人肝至少含有15种以上的P-450。P-450酶氨基酸序列相似性＞40%是属于同一家族，＞59%则属于同一亚族。第70页/共127页71表3-3人肝主要P-450底物、抑制剂和诱导剂举例P-450底物抑制剂诱导剂CYPlA2乙酰苯胺，咖啡因α萘黄酮焦牛肉，吸烟CYP2A6香豆素，丁二烯二乙二硫氨甲酯苯巴比妥(PB)CYP2B6环磷酰胺邻甲基苯海拉明未知CYP2C8酰胺咪嗪槲皮素未知CYP2C9双氯高灭酸，苯妥英苯磺唑酮利福平CYP2C19安定，环己烯巴比妥反苯环丙胺利福平CYP2D6异喹呱氟西汀，洛贝林，奎尼丁未知CYF2E1乙醇，亚硝胺氨基三唑，二甲亚砜乙醇，异烟肼CYF3A4尼非地平，二氢吡啶乙炔雌二醇地塞米松，PB，利福平第71页/共127页72P-450酶系的功能1）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。

2）细胞色素P-450也能催化还原反应和异构化反应。催化的还原反应有：偶氮还原、硝基还原和还原脱卤。异构化反应有：PGH2转变为血栓素和前列腺环素。

3）在合成类固醇激素时，它还催化C-C键断裂以及被置换的环己烷的芳香化。第72页/共127页73P-450催化的几类氧化反应1）脂肪族或芳香族碳的羟基化；2）双键的环氧化作用；3）杂原子（S-、N-、I-）的氧化和N-羟基化；4）杂原子（O-、S-、N-和Si-）脱烷基作用；5）氧化基团的转运；6）酯的裂解；7）脱氢作用。第73页/共127页74亲电子剂的形成苯并(a)芘[benzo(a)pyrene，BaP]7,8-环氧苯并(a)芘7,8-二羟-BaP7,8-二羟基-9,10-环氧BaPP-450环氧化物水解酶(终致癌物)第74页/共127页75苯并(a)芘（BaP）的代谢活化和解毒第75页/共127页76①静止状态的氧化型P-450中的铁为3价，和底物结合后，铁的自旋状态发生改变，极易还原②第一个电子加入，由NADPH-细胞色素P-450还原酶转递来自NADPH中的电子，使铁变为2价③加入分子氧形成氧化型的三重络合物，氧被还原；④第二个电子由细胞色素b5供给⑤伴随质子的导入，生成一分子水，O-O键的解离产生了极强的活性氧；⑥底物和活性氧结合生成羟化的产物ROH，P-450返回静止状态。第76页/共127页772.微粒体含黄素单加氧酶（FMO）分布于肝、肾、肺等组织微粒体，一种或多种。以黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）为辅酶，需要NADPH和O2。黄素单加氧酶催化的很多反应也可为P-450催化。催化氧化亲核性氮、硫和磷杂原子，不能在碳位上催化氧化反应。第77页/共127页78FMO催化的反应类型1）催化亲核的胺氧化生成N-氧化物，催化伯胺氧化生成羟胺和肟。2）催化氧化含硫的外源化学物生成S-氧化物。3）催化氧化含磷的外源化学物生成P-氧化物。4）其它如肼类化合物、碘化物、硒化物和含硼化合物也是FMO的底物。第78页/共127页79与P-450酶系的不同之处是此酶不能在碳位上催化氧化反应。FMO可催化亲电子的胺氧化生成N-氧化物，催化伯胺氧化生成羟胺和肟。如苯异丙胺、苄达明、氯丙嗪、氯氮平、胍乙啶、丙咪嗪、甲苯丙胺、奥氮平及三苯氧胺等含氮药物，可经FMO进行N-氧化，但大多数情况经细胞色素P-450进行N-氧化。FMO还可氧化含硫的外源化学物(如硫醇、硫醚、硫酮、硫代氨去甲酸盐、甲氰咪呱和舒林酸硫化物)和磷化氢分别生成S-和P-氧化物。肼类化合物、碘化物、硒化物和含硼化合物也是FMO的底物。第79页/共127页803．醇、醛、酮氧化-还原系统和胺氧化(1)醇脱氢酶：醇脱氢酶(ADH)是一种含锌酶，位于胞浆，分布于肝脏(含量最高)、肾脏、肺脏及胃粘膜。人ADH是由两个40kDa亚单位组成二聚体蛋白质，其亚单位有6个不同的基因位点(ADHl-ADH6)编码，它们是a、p、r、π和γ以及第6个亚单位8与或者μ。ADH依不同的分子分为四类：它们是同工酶，催化乙醇及其他短链脂肪醇的氧化过程，吡唑可抑制酶活性。第80页/共127页81(2)乙醛脱氢酶乙醛脱氢酶(ALDH)以NAD+为辅助因子将乙醛氧化成羧酸。几种ALDH酶类涉及醛类化合物的氧化过程，亦具有酯酶的活性。在人体，有12种ALDH基因被鉴定，即ALDHl-10，SSDH和MMSDH。已在人体证实了ALDH的遗传多态性，在日本人、中国人、韩国人和越南人中约有45％-53％的人因为点突变(Glu487Ly8487)而缺乏ALDH2的活性。许多亚洲人在饮酒后易产生红晕综合征，其原因是乙醛的迅速堆积，造成局部血管因释放儿茶酚胺而扩张。第81页/共127页82戒酒硫戒酒硫又称双硫醒，酒畏等。戒酒硫进入人体后，通过阻断2个重要的酶系统而发生作用。其主要的作用发生在肝脏内，它可抑制醛脱氢酶的活性，使乙醛→乙酸的反应受阻，体内乙醛蓄积，血中乙醛浓度升高5～10倍，从而引起一系列症状与体征，称为乙醇-戒酒硫反应。一般于饮酒后15～20min出现，持续约0.5～1h。此表现在大多数人身上呈自限性，无需处理。戒酒硫的另一作用实际上是通过其代谢产物二乙基二硫基氨基甲酸酯阻断多巴胺β-羟化酶而产生，使脑中多巴胺浓度增高。第82页/共127页83(3)二氢二醇脱氢酶：除几种羟化类固醇脱氢酶和醛糖还原酶外，醛-酮还原酶(AKR)超家族还包括几种二氢二醇脱氢酶。

(4)钼水解酶(molybdozymes)：醛氧化酶和黄素脱氢酶／黄素氧化酶(XD／XO)为含钼酶，钼酶的最适底物不是细胞色素P-450的底物。醛氧化酶能氧化许多取代基团如吡咯、吡啶、嘧啶、嘌呤、蝶啶及碘离子。由醛氧化酶催化的外源化学物还原反应需要无氧条件或者有还原性底物，如N-甲基尼古丁胺、2-羟基嘧啶或者苯甲醛的存在。第83页/共127页84(5)单胺氧化酶、二胺氧化酶：在肝、肾、肠、神经等组织的线粒体中有单胺氧化酶，胞液中有二胺氧化酶，这些酶能使各种胺类氧化脱氨生成醛和氨。单胺氧化酶有两种形式，称为MAO-A和MAO-B。MAO-A主要氧化5-羟色胺，去甲肾上腺素和萘心胺的脱烷基代谢物。Clorgyline可抑制MAO-A的活性。而MAO-B主要氧化β-苯乙胺和苄胺，可受1-司来吉兰的抑制。MAO-B敲除小鼠在给予MPTP后，未发现黑质纹状体多巴胺神经元的选择性损害，证实此观点。MAO-B是可影响帕金森病易感性的遗传因素之一。第84页/共127页854．过氧化物酶依赖性的共氧化反应过氧化物酶催化的外源化学物生物转化。它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。几种不同的过氧化物酶可催化外源化学物的生物转化，它们见于各种组织和细胞内。例如氨基比林的N-脱甲基反应、对乙酰氨基酚的脱氢反应、苯并(a)芘羟化反应和7，8-二氢二醇苯并(a)芘的环氧化、黄曲霉毒素B1的8，9-环氧化反应等都可通过共氧化作用而完成。第85页/共127页86(二)还原作用在哺乳动物组织中还原反应活性较低，但在肠道菌群内还原酶的活性较高。

1．硝基和偶氮还原偶氮还原和硝基还原是经肠道菌群和两种肝脏酶，如细胞色素P-450和NADPH醌氧化还原酶催化。在某些情况下，醛氧化酶也参与偶氮还原反应和硝基还原反应。其反应需要NAD(P)H，可被氧抑制。胃肠道下段的无氧条件很适合偶氮还原和硝基还原反应，所以这些反应主要由肠道菌群催化的。而在低氧分压时，细胞色素P-450也能催化外源化学物的还原反应。第86页/共127页87例如：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β-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，引起肝细胞突变和肝癌。因而，2，6-二硝苯甲苯与DNA反应并引起突变，在大多数评价化学物遗传毒性的短期试验中是观察不到的。因为这些体外的遗传毒性试验缺乏肠道菌群的生物转化或者Ⅱ相(结合)酶的作用。第87页/共127页88第88页/共127页89第89页/共127页90苏丹红I在体内可以被还原代谢为初级产物苯胺(aniline)和1-氨基-2-萘酚(1-amino-2-naphthol)。苏丹红II在体内代谢可产生二甲基苯胺(2,4-xylidine)和1-氨基-2萘酚。苏丹红III在体内代谢可产生4-氨基偶氮苯(4-aminoazobenzene)、1-氨基-2萘酚、苯胺、对苯二胺(p-phenylenediamine)和1-4氨基-苯基偶氮-2萘酚[1-(4-aminophenyl)azo]-2-naphthol]。苏丹红IV在体内代谢可产生邻-氨基偶氮甲苯(ortho-aminoazotoluene)、4-氨基-2-甲苯基偶氮-2-萘酚[1-(4-amino-2-methylphenyl)azo]-2-naphthol]、2,5-二氨基甲苯(2,5-diaminotoluene)、1-氨基-2萘酚和邻-甲苯胺(ortho-toluidine)。第90页/共127页912．羰基还原作用某些醛类还原成伯醇和酮类还原成仲醇的过程是经醇脱氢酶和羰基还原酶催化。羰基还原酶是单聚体，依赖NADPH的酶，分布于血液和肝脏、肾脏、大脑及其他神经细胞的胞浆中。经羰基还原酶还原的外源化学物有氟哌啶醇(抗精神病药物)、己酮可可碱、乙酰苯磺环乙脉、柔红霉素、依他尼酸、华法林、甲萘醌以及4-硝基苯乙酮等。前列腺素可能是羰基还原酶的生理性底物。肝脏的羰基还原酶活性主要在胞浆，而在微粒体则有不同的羰基还原酶。胞浆和微粒体羰基还原酶的区别在于它们立体选择由酮还原成仲醇的程度不同。第91页/共127页923．二硫化物、硫氧化物和N-氧化物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毒物，如戒酒硫由肝、肾细胞胞浆中硫氧化还原依赖性酶催化还原。在肝、肾细胞胞浆中硫氧还蛋白依赖性酶类可还原硫氧化物(如亚砜)，硫氧化物又可通过P-450或FMO而形成的，通过这些相反作用的酶系统的再循环可能延长某些外源化学物的生物半减期。

N-氧化物本身毒性不高，由细胞色素P-450和NADPH细胞色素P-450还原酶催化经单电子还原迅速活化生成氧化性氮氧的自由基，转变成细胞毒性或与DNA结合的毒物。第92页/共127页934．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，催化醌双电子还原。醌双电子还原还可由羰基还原酶催化。醌的双电子还原是无毒性的。但醌经NADPH-P-450还原酶催化单电子还原，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(图3-13)。氧化应激是某些含醌或可转变为醌的毒物毒作用的重要机制，如多柔比星和柔红霉素的心脏毒性、百草枯和硝基呋喃妥因的肺毒性、6-羟基多巴胺的神经毒性。第93页/共127页94第94页/共127页955．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脱卤反应。还原脱卤反应和氧化脱卤反应由P-450催化，脱氢脱卤反应由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，单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他代谢物。第95页/共127页96(三)水解作用外源化学物的水解作用(hydrolysis)主要由酯酶和酰胺酶、肽酶、环氧水化酶催化。定位：微粒体、胞液第96页/共127页971．酯酶和酰胺酶哺乳动物含有许多种水解酶，包括各种酯酶(esterase)和酰胺酶(amidabe)，可水解含有羧酸酯(普鲁卡因)、酰胺(普鲁卡因酰胺)、硫酯(螺甾内酯)、磷酸酯(对氧磷)及酸酐等功能基团的外源化学物。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。第97页/共127页982．肽酶在血液和组织中有许多肽酶(peptidase)可水解肽类。例如，氨基肽酶和羧基肽酶，分别在N-末端和C-末端水解氨基酸，而内肽酶则在肽内部特定部位裂解肽类，如胰蛋白酶水解肽类C-末端的精氨酸残基或者赖氨酸残基。肽酶可裂解邻近氨基酸之间的酰胺键，因此其功能是酰胺酶。第98页/共127页993．环氧水化酶环氧水化酶(epoxidehydrodase，EH)催化由环氧化物与水的反式加成物，其水合产物是具有反式构型的邻位二醇。环氧水化酶是肝脏微粒体中可诱导的酶类之一，几种细胞色素P-450诱导剂均可诱导环氧水化酶的活性。在哺乳动物，环氧水化酶有五种形式：微粒体环氧水化酶(mEH)、可溶性环氧水化酶(sHE)、胆固醇环氧水化酶、LTA4水解酶及hepoxilin水解酶，后三种酶似乎仅仅水解内源性氧环化酶。mEH与sEH在氨基酸序列上完全不同，故在免疫化学方面，亦是完全不同的蛋白质。虽然两种酶可以水解广谱化合物，但它们有自己的底物特异性。第99页/共127页100Ⅱ相反应(phaseⅡbiotransformation)又称为结合作用(conjugation)。Ⅱ相反应中，毒物原有的功能基因或由I相反应引入(暴露)的功能基因与内源性辅因子反应。除了甲基化和乙酰化结合反应外，其他Ⅱ相反应显著增加毒物的水溶性，促进其排泄。葡糖醛酸结合、硫酸结合、乙酰化作用、甲基化作用涉及活结合则是与活化的毒物反应。三、Ⅱ相反应第100页/共127页101结合反应的类型：葡糖醛酸结合硫酸结合乙酰化作用甲基化作用谷胱甘肽(GSH)结合氨基酸结合结合酶：UDP-葡糖醛酸转移酶磺酸转移酶乙酰基转移酶甲基转移酶谷胱甘肽-S-转移酶酰基转移酶第101页/共127页102(一)葡糖醛酸结合葡糖醛酸结合(glucuronidation)是Ⅱ相反应中最普遍进行的一种，由UDP-葡糖醛酸基转移酶(UDP-glucurony]transferase，UDPGT)催化对毒物的代谢(解毒和活化)具有重要的作用。葡糖醛酸结合反应中葡萄糖醛酸供体是来自胞液的尿苷二磷酸葡萄糖醛酸(ufidinediphos-ophateglucuricacid，UDPGA)。外源性底物包括羟基、羧基、胺基和巯基毒物。UDPGT催化的结合反应中，UDPGA的葡糖醛酸部分C-1碳原子被活化受到底物中O、N、S或C原子的亲核攻击，形成有β构型的糖苷酸结合物,并释出UDP。葡糖苷酸结合物是高度水溶性，易于从尿和胆汁排泄。第102页/共127页103胆红素、类固醇激素、吗啡、苯巴比妥类药物的解毒。临床上，用葡萄糖醛酸类制剂(如肝泰乐)治疗肝病，其原理即增强肝脏的生物转化功能。第103页/共127页104(二)硫酸结合硫酸结合(sulfateconjugation)反应的供体是3’-磷酸腺苷-5’-磷酰硫酸(PAPS)在磺基转移酶(sulfotransferase)作用下，生成硫酸酯：此反应从PAPS转移-SO3-(不是-S04-)至毒物。结合反应涉及亲核性氧或氮原子攻击PAPS分子中的亲电性硫原子，磷硫脂链断裂。磺基转移酶不被典型的诱导剂巴比妥（PB）和3-甲基胆蒽（3-MC）所诱导。第104页/共127页105由于PAPS的前体自由半胱氨酸浓度有限，细胞PAPS浓度(～75μmol/L)显著低于UDPGA(～350μmol/L)和GSH(～0mmol/L)。硫酸结合与葡糖醛酸结合的底物功能基团相似，对于酚类，硫酸结合亲和力高、代谢容量低，而葡糖醛酸结合亲和力低、代谢容量高。因此同一种毒物与硫酸和葡糖醛酸结合的相对量取决于染毒剂量。在低剂量时主要的代谢产物为硫酸结合物，剂量增加则与葡糖醛酸结合的比例增加。外源外学物的硫酸结合物主要经尿排泄，少部分从胆汁排泄。毒物与硫酸结合后尿中有机硫酸酯与无机硫酸盐比值明显增加，可以用作一些毒物的接触指标。第105页/共127页106

硫酸转移酶类固醇、酚或芳香族胺类硫酸酯

第106页/共127页107(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，将人群分为快乙酰化型和慢乙酰化型。第107页/共127页108乙酰基供体：乙酰CoA

乙酰基转移酶芳香族胺类化合物乙酰化衍生物第108页/共127页109(四)氨基酸结合与氨基酸结合(aminoacidconjugation)有两类毒物，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109页/共127页110(五)甲基化作用内源性底物的甲基化如组胺、氨基酸、蛋白、糖和多胺对细胞的正常调节有重要的意义，仅当毒物符合这些酶的底物要求，甲基化作用(methylation)才有重要性，甲基化反应不是毒物结合的主要方式。甲基化反应由S-腺嘌呤蛋氨酸(SAM)供给甲基。甲基化反应可分为N-，O-，S-甲基化。这种结合形成的产物虽然可能比母体毒物水溶性降低，但一般都能使毒物解毒。第110页/共127页111甲基供体：S-腺苷蛋氨酸(SAM)肝细胞液及微粒体中具有多种转甲基酶，含有羟基、巯基或氨基的化合物可进行甲基化反应。第111页/共127页112(六)谷胱甘肽结合谷胱甘肽S-转移酶(gutathioneS-transferase，GST)催化还原性GSH(亲核剂)与含有亲电子C、N、S、0的毒物反应，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(mercapturicacid)衍生物，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。第112页/共127页113谷胱甘肽解毒作用谷胱甘肽是属于含有巯基的、小分子肽类物质，具有两种重要的抗氧化作用和整合解毒作用。谷胱甘肽是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸结合而成的三肽，半胱氨酸上的巯基为其活性基团（故谷胱甘肽常简写为G-SH），易与碘乙酸、芥子气（一种毒气）、铅、汞、砷等重金属盐络合，而具有了整合解毒作用。谷胱甘肽（尤其是肝细胞内的谷胱甘肽）具有非常重要的生理作用就是整合解毒作用，能与某些药物（如扑热息痛）、毒素（如自由基、重金属）等结合，参与生物转化作用，从而把机体内有害的毒物转化为无害的物质，排泄出体外。第113页/共127页114GST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，如对乙酰氨基酚与肝蛋白其价结合与谷胱甘肽的耗竭关系如图3-15。第114页/共127页115第115页/共127页116第一相反应氧化、还原和水解反应疏水基团亲水基团第二相反应+结合反应强极性物质结合解毒剂（葡萄糖醛酸、硫酸、谷胱甘肽、乙酰基、甘氨酸、甲基）（GA的供体：UDPGA

)第116页/共127页117代谢是化学物毒作用的决定因素。很多因素可影响外源化学物生物转化，包括机体的遗传生理因素和环境因素两大类。遗传生理因素有动物的物种、性别、年龄等，常体现在代谢酶的种类、数量和活性的差异上，代谢酶的多态性也是影响毒性反应个体差异的重要因素。各种环境因素主要通过影响代谢酶和辅酶的合成过程以及催化过程来干扰外源