第三章化学毒物的生物转化

1第1页，共50页，2023年，2月20日，星期一第三章化学毒物的生物转化生物转化（biotransformation):又称代谢转化，是指外源性化合物在体内经过一系列化学变化并形成其衍生物以及分解产物的过程第2页，共50页，2023年，2月20日，星期一

不经转化排出体外（极少数）毒物经转化后毒性降低（绝大多数）转化后毒性显现（多数化学致癌物）生物转化的场所：全身各组织器官。主要有肝、肾、肺、消化道和胎盘。肝脏是最主要的生物转化器官。

总体上，生物转化的意义是使外源化学物的水溶性增加，不易通过生物膜进入细胞，容易排泄到尿和胆汁中。第3页，共50页，2023年，2月20日，星期一生物转化的结果代谢解毒：化学物(毒性)———→中间产物(低毒性或无毒性)———→产物(无毒性)代谢活化：化学物(无毒性)——→活性中间产物(毒性)——————→产物(无毒性)第4页，共50页，2023年，2月20日，星期一生物转化外源化学物生物转化的模式按反应的先后顺序分为I相反应和Ⅱ相反应。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。Ⅱ相反应：结合作用第5页，共50页，2023年，2月20日，星期一生物转化酶

细胞色素P-450酶系

环氧化物水化酶(epoxidehydrase，EH)N-乙酰转移酶（Nacetyltransferase,NAT）谷胱甘肽S-转移酶

谷胱甘肽过氧化物酶

过氧化氢酶超氧化物歧化酶

第6页，共50页，2023年，2月20日，星期一I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第三章毒物的代谢转化第7页，共50页，2023年，2月20日，星期一一、氧化作用微粒体混合功能酶氧化非微粒体混合功能酶氧化前列腺生物合成过程中共氧化反应第8页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.微粒体混合功能酶氧化（micrososmalmixedfunctionoxidaes,MFO)

该酶系主要包括细胞色素P-450及NADPH-细胞色素P-450还原酶等。又称谓立体单加氧酶系或细胞色素P450酶系。细胞色素P-450的专一性不强，凡有一定脂溶性的外来物质都能通过不同类型反应被其氧化，形成多种代谢物。主要的氧化反应有羟化、脱烷基、氧化、脱硫、脱氨、环氧化等反应方式。第9页，共50页，2023年，2月20日，星期一P-450P-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。它的名字来源于与CO结合后在450nm处有吸收峰。P-450在动物界的分布非常广泛，种类非常多。P-450是一个蛋白质超家族，其每一种对底物专一性都有特征性谱，第10页，共50页，2023年，2月20日，星期一基本组成血红蛋白类：cytP450、cytb5均含有铁卟啉的结构具有传递电子的功能黄素蛋白类：NADPH-cytP-450还原酶和NADH-cytb5还原酶，主要是传递电子并提供电子磷脂类：促进上述两类酶的相互作用，具体功能是对膜上各蛋白酶起固定作用。促进底物的羟基化反应或增强外源性化学物与cytP450的结合作用第11页，共50页，2023年，2月20日，星期一P-450的命名P-450是分子量在5000左右，含铁卟啉环的血红素蛋白。P-450基因族有27个，并进一步分为亚族CYP2A6

CYP除小鼠外所有物种的细胞色素P450的基因和cDNA小鼠用Cyp2:阿拉伯数字代表基因族代表基因亚族代表基因亚族中的一个基因第12页，共50页，2023年，2月20日，星期一人肝主要P-450底物、抑制剂和诱导剂举例

注：人肝不表达CYPlAl第13页，共50页，2023年，2月20日，星期一P-450催化反应是向外源化学物上加入一个单氧原子，所以也被称为微粒体单加氧酶(monooxygenase)，也称微粒体混合功能氧化酶(mixedfunctionoxidase)。P-450催化的氧化反应的化学方程简式如下：RH+NADPH+O2+H+＝R-OH+NADP++H2O第14页，共50页，2023年，2月20日，星期一

①静止状态的氧化型P-450中的铁为3+，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。在此一连串的反应中P-450进行了一次循环。第15页，共50页，2023年，2月20日，星期一氧化作用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、酮氧化和胺类氧化第16页，共50页，2023年，2月20日，星期一P-450催化氧化脂肪族或芳香族碳的羟基化双键的环氧化作用杂原子（S-、N-、I-)氧化和N-羟基化杂原子（O-、S-、N-、Si-)脱烷基作用氧化基团的转运酯的裂解脱氢作用第17页，共50页，2023年，2月20日，星期一Ⅰ相反应第18页，共50页，2023年，2月20日，星期一苯并(a)芘（BaP）的代谢活化和解毒苯并(a)芘[benzo(a)pyrene，BaP]在体内有50多种代谢产物，经I相酶P-450催化发生芳香环上的环氧化，形成多种环氧苯并(a)芘，第19页，共50页，2023年，2月20日，星期一第20页，共50页，2023年，2月20日，星期一2.非微粒体酶系氧化反应体系

化学物质的非微粒体氧化反应，是靠线粒体、胞浆及血浆中的非特异性酶所催化的。在血浆和细胞中，主要是脱氢反应，胞浆中含有的醇脱氢酶、醛脱氢酶，可使醇类催化脱氢成醛，醛类催化下一步脱氢成酸。第21页，共50页，2023年，2月20日，星期一

氧化脱氨：在肝、肾、肠和胎盘组织中的线粒体中的单胺氧化酶把几种天然存在的胺和许多外来化学物质氧化脱氨，氧化成芳香基或烷基醛，再通过其他的酶进一步氧化成相应的羧酸。

R—CH2NH2R·CHO+NH3R·COOH[O]MAO醛脱氢酶第22页，共50页，2023年，2月20日，星期一N-乙酰转移酶N-乙酰转移酶主要存在于肝细胞及肺、脾以及胃粘膜等，催化许多化合物的乙酰化反应，例如伯胺、磺胺类和肼类及酰肼等，乙酰基由乙酰辅酶A提供。如抗结核药物对氨基水杨酸在体内可乙酰化并以乙酰结合物的形式排出体外。磺胺类药物在生物转化过程中，可进行乙酰结合。第23页，共50页，2023年，2月20日，星期一谷胱甘肽S-转移酶谷胱甘肽S-转移酶是谷胱甘肽结合反应的关键酶，催化谷胱甘肽结合反应的起始步骤，主要存在于胞液中。根据作用底物不同，至少可分为下列5种：谷胱甘肽S-烷基转移酶：催化烷基卤化物和硝基烷类化合物的谷胱甘肽结合反应。主要存在于肝脏和肾脏。谷胱甘肽S-芳基转移酶：主要催化含有卤基或硝基的芳烃类或其它环状化合物的谷胱甘肽结合反应，如溴苯和有机磷杀虫剂等。该酶主要存在于肝脏胞液。谷胱甘肽S-芳烷基转移酶：催化芳烷基的谷胱甘肽结合反应，例如，苄基氯等芳烷卤化物等。主要存在于肝脏和肾脏。谷胱甘肽S-环氧化物转移酶：催化芳烃类和卤化苯类等化合物的环氧化物衍生物与谷胱甘肽结合，主要存在于肝肾胞液。谷胱甘肽S-烯烃转移酶：催化含有α，β-不饱合羰基的不饱合烯烃类化合物与谷胱甘肽的结合反应，主要存在于肝肾胞液。

第24页，共50页，2023年，2月20日，星期一谷胱甘肽过氧化物酶

超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶属于金属酶，随金属的差异，该酶可分为Cu,Zn-SOD,Mn-SOD和Fe-SOD三种。因起存在部位的不同，有不同活性作用。其中Cu,Zn-SOD在结构上与其他两种SOD差别较大，而Mn-SOD与Fe-SOD之间差别较小。Fe-SOD主要存在于原核生物中。过氧化氢酶过氧化氢酶存在于红细胞及某些组织内的过氧化体中，它的主要作用就是催化H2O2分解为H2O与O2，使得H2O2不致于与O2在铁螯合物作用下反应生成非常有害的-OH。第25页，共50页，2023年，2月20日，星期一还原作用毒物在体内可被还原酶催化还原，在哺乳动物反应不活跃，但在肠道细胞内是活跃的第26页，共50页，2023年，2月20日，星期一二、还原反应还原作用主要是在肝微粒体及胞浆中进行。芳香族硝基化合物和偶氮化合物可分别被硝基化合物还原酶和偶氮还原酶还原成胺类偶氮还原酶使偶氮化合物还原成苯肼衍生物及苯胺衍生物H2OH2O2H2H2H硝基苯苯胺偶氮苯苯胺苯肼2H2H第27页，共50页，2023年，2月20日，星期一

+HCl如，在抗DDT的家蝇体内，经DDT-脱氯化氢酶和谷胱甘肽的参与下变为无毒的DDE。脱卤作用：某些卤化杀虫剂、麻醉剂和其他含卤化合物在动物体内脱卤转化。DDTDDE第28页，共50页，2023年，2月20日，星期一二硝基甲苯经肝和肠道菌群代谢活化

第29页，共50页，2023年，2月20日，星期一三、水解绝大多数化合物的水解均需要酶的参加。化学物质的水解只限于酯类和酰胺类化合物的水解。哺乳动物体内广泛存在酯酶，可将酯类水解成酸类和醇类。酯类的种类很多，分布很广，但不同的组织或不同内的种属所含酯酶相差很大。第30页，共50页，2023年，2月20日，星期一水解作用水解反应是许多有机磷杀虫剂在体内的主要代谢方式第31页，共50页，2023年，2月20日，星期一四、结合Ⅱ相反应(phaseⅡbiotransformation)指具有一定极性的外源化学物与内源性辅因子(结合基团)进行化学结合的反应(conjugation)结合反应是进入机体的毒物在代谢过程中与体内某些内源性化合物或基团发生的生物合成反应。在结合的过程中，需要有辅酶和转移酶的参与，并消耗能量。含有羟基、氨基、羰基以及环氧基的代谢物容易发生与毒物的结合反应有烷基化、酯化、酰化等。第32页，共50页，2023年，2月20日，星期一结合作用的毒理学意义结合是体内解毒的重要方式。经过结合的产物，改变毒物的某些基团的作用，甚至丧失毒性使毒物的极性增强，脂溶性降低，酸性增加，pK值降低，便于从尿液或胆汁排出体外。第33页，共50页，2023年，2月20日，星期一结合反应的类型1.葡萄糖醛酸结合2.硫酸结合3.乙酰基结合（乙酰化作用）4.甘氨酰基结合（氨基酸结合）5.甲基化结合6.谷胱甘肽结合第34页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.葡萄糖醛酸结合人和哺乳动物中最常见的解毒方式葡萄糖醛酸的来源：体内糖类的正常代谢产物。毒物类型：含有羟基、氨基和羧基等基团的外来化合物。结合场所：肝脏。肾脏、胃肠道粘膜和皮肤中也可进行。+UTP+焦磷酸UDPUDPG+2NAD++H2OUDPG脱氢酶+2NADH+2H+α-D葡萄糖1-磷酸UDP-α-D葡萄糖UDPG-α-D葡萄糖醛酸（UDPGA）第35页，共50页，2023年，2月20日，星期一2.硫酸酯结合

（农药、色素和抗氧化剂等的结合解毒的方式）硫酸来源：含硫氨基酸的代谢产物。毒物类型：醇类、酚类及胺类化合物。结合场所：肝、肾、胃和肠道中进行。APS+ATPAPS—激酶+ADP3`-磷酸腺苷-5`磷酰硫酸（PAPS）+焦磷酸ATP+SO4=磺酰酶5`-磷酸硫酸腺苷（APS）第36页，共50页，2023年，2月20日，星期一

多数情况下，毒物与硫酸结合后毒性减弱消失，如酚类与硫酸后毒性就减弱。2-乙酰胺基芴2-乙酰胺基芴的N-羟基衍生物例外。如2-乙酰胺基芴（AFF），在体内经N-羟化反应形成N-羟基，2-乙酰胺基芴，再与硫酸结合成硫酸酯，则产生致癌性。第37页，共50页，2023年，2月20日，星期一3.谷胱甘肽结合毒物类型：卤代芳香烃、卤代硝基苯、环氧化合物及少数的芳香烃。解毒物：还原型谷胱甘肽。毒物：多环芳烃、有机氯农药（666），通过与谷胱甘肽结合生成巯基尿酸衍生物而解毒。第38页，共50页，2023年，2月20日，星期一

萘环氧化物S-（1，2-二氢-2-羟基-1=萘基）谷胱甘肽活化的谷胱甘肽S-（1，2-二氢-2-羟基-1=萘基）半胱氨酸甘氨酸N-乙酰-S-（1，2-二氢-2-羟基-1=萘基）半胱氨酸S-（1，2-二氢-2-羟基-1=萘基）半胱氨酸1-萘基巯基尿酸巯基尿酸的生成第39页，共50页，2023年，2月20日，星期一4.酰化反应辅酶A（CoA）通过它的游离巯基与活化形式的羧酸反应，生成乙酰基CoA的衍生物，然后把酰基转移到合适的受体，经尿液排出体外。++苯甲酰-CoA甘氨酸马尿酸第40页，共50页，2023年，2月20日，星期一5.甲基化——消除内源性和外源性胺类活性的方式。

体内出现的腐胺或组胺等生物胺类具有一定的毒性。与甲基结合后，毒性则减低或消除。甲基化过程中的甲基由甲硫氨酸等供给。N-甲基转移酶去甲肾上腺素肾上腺素第41页，共50页，2023年，2月20日，星期一

它们不能作为底物。因为只有脂溶性底物才能进入微粒体系统。

外源性巯基化合物可被微粒体酶系统甲基化。HS—CH2CH2OHCH3—S—CH2CH2OH巯基乙醇S-甲巯基乙醇第42页，共50页，2023年，2月20日，星期一

表结合反应的主要类型结合反应结合基团的直接供体酶类酶定位底物类型葡萄糖醛酸结合尿苷二磷酸葡萄糖醛酸（UDPGA）葡萄糖醛酸基转移酶微粒体酚、醇、羧酸、胺、羟胺、磺胺、巯基化合物等硫酸结合3′-磷酸腺苷-5′-磷酸硫酸（PAPS）硫酸转移酶胞液醇、酚、芳香胺类乙酰基结合乙酰辅酶A乙酰基转移酶胞液芳香胺、胺类、氯基酸甘氨酰基结合甘氨酸（Gly）酰基转移酶线粒体酰基CoA（如苯甲酰CoA）甲基结合S-腺苷蛋氨酸（SAM）甲基转移酶胞液生物胺、吡啶喹啉、异吡唑等谷胱甘肽结合谷胱甘肽（GSH）谷胱甘肽-S-转移酶胞液卤化有机物、环氧化物、溴酚酜、胰岛素等水化H2O环氧水化酶微粒体不稳定的环氧化物（如环氧萘）第43页，共50页，2023年，2月20日，星期一

表生物转化反应的一般类型生物转化的方式第44页，共50页，2023年，2月20日，星期一五、影响毒物生物转化的因素机体的遗传生理因素和环境因素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化学物的生物转化，如代谢酶的诱导和抑制。另外，其他影响因素还有营养状态、疾病等。第45页，共50页，2023年，2月20日，星期一

1.毒物对代谢酶的影响抑制作用：一种毒物使代谢另一种毒物的代谢酶的活力降低，使之生物转化过程减慢，以致延缓毒物的从体内消除或解毒，致使该毒素的毒性增强。如农药对硫磷的代谢产物对氧磷，能抑制羧酸酯酶（催化马拉硫磷发生水解反应），从而使马拉硫磷的水解速度减慢，对机体的毒性相应增强。第46页，共50页，2023年，2月20日，星期一诱导作用：指一种毒物能使代谢酶的活力增强或数量增多，因而能促进代谢酶对另一种毒物的生物转化过程。

比如：六六六可使大鼠肝微粒体的联苯-α-羟化酶的活力提高，以致能促进多环胺类代谢产物氨酚（致癌物）的形成。苯巴比妥、苯并（α）芘、有