毒理-生物转化

1第5节外源化学物的生物转化一、生物转化(biotransformation)生物转化的概念：指外源化合物在机体内经多种酶促反应或者非酶促反应而形成代谢物的过程。生物转化是机体对外源性化学物处置的重要环节，是机体维持稳态的重要机制。2

3.生物转化的意义引起外源性化合物水溶性的增加，加速排泄。改变外源性化学物的毒效学性质。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。（极性增大）代谢活化(metabolicactivation)：经生物转化其毒性被增强的现象。生成亲电子剂（苯并芘）、自由基（CCl4，醌）、亲核剂、氧化还原剂。生物转化酶系分类：

①专一性酶：如乙酰胆碱酯酶(AchE)、单胺氧化酶，分别转化Ach和单胺类药物。②非专一性酶：如肝微粒体混合功能氧化酶，专一性低能促进多种化合物和生理代谢物的生物转化，个体差异大，活性可受化合物的影响生物转化酶系基本特征：

①广泛的底物特异性②某些酶具有多态性

③具有立体选择性④有结构酶和诱导酶之分二、生物转化反应的类型外源化合物机体Ⅰ相反应（phaseⅠreaction）Ⅱ相反应（phaseⅡreaction）氧化反应（oxidation）还原反应（reduction）水解反应(hydrolysis）与谷胱甘肽结合与葡萄糖醛酸结合与硫酸结合5二、生物转化反应的类型I相反应的类型：氧化反应还原反应水解反应Ⅱ相反应的类型结合反应氧化作用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7氧化反应催化氧化反应的酶系主要有:

细胞色素P-450酶系；

微粒体含FAD单加氧酶；醇脱氢酶和醛脱氢酶；胺氧化酶。

其中①和②主要存在于微粒体中，是微粒体系；③和④主要存在于线粒体和胞浆中，是非微粒体系8细胞色素P-450酶系细胞色素P-450酶系：即微粒体混合功能氧化酶系(MFO).微粒体(microsome)：并非单独的细胞器，是内质网在细胞匀浆过程中形成的碎片，此种碎片存在于细胞匀浆经超速离心去除线粒体后的上清液部分(postmitochondralsupernatantfraction)。细胞色素P-450催化反应的种类、底物的数量都高居各酶系首位。9P450的分布P450是血红素蛋白的一种酶类。因细胞色素P450含有的血红素铁在还原态时与CO结合形成的复合体的最大吸收波长在450nm而命名。

P450在机体内的分布：在机体内广泛存在，最主要的器官是肝脏，其次如皮肤、肺等也存在。在毒物能够进入机体的所有的门户部位都有P450分布。

P450在细胞内的分布：主要位于内质网上，滑面内质网比粗面内质网更加丰富。线粒体以及核膜中也存在P450。。10P450的分类1、分类原则：相同氨基酸序列大于等于40%归于1个家族，大于等于55%归于1个亚家族。2、命名原则：（1）细胞色素P450(cytochromeP450)缩写为CYP。斜体表示基因，大写CYP表示小鼠、果蝇外其它物种的基因；Cyp：表示小鼠、果蝇的基因。（2）接着1个数字，表示家族；（3）接着1个字母，表示亚家族；（4）最后1个数字，表示基因。如：CYP12A1，表示P45012家族A亚家族1号基因；

CYP1A2，表示P4501家族A亚家族2号基因；

CYP17，表示P45017家族基因（无亚族）。

（5）基因表达产物（蛋白）的命名与相应的基因相同，但需将全部斜体字改为正体字，全部小写字母改为大写字母。适合于所有物种。如CYP12A1，CYP2E1。11P450催化氧化的总反应为：底物（RH）+O2+NADPH+H+

产物+H2O+NADPH+电子来源：NADPH（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）。12P450的催化机制，共有7步：氧化型细胞色素P450(Ｆe3+)与底物(RH)结合形成复合物；上述复合物在NADPH-细胞色素P450还原酶作用下，由NADPH提供1个电子使其转变为还原型细胞色素P450（Ｆe2+)复合物；上述复合物和1个分子氧结合形成含氧复合物；含氧复合物(Ｆe2+O2)再加上1个H+和由NADPH-细胞色素P-450还原酶提供的第2个电子，转变成Ｆe2+OOH复合物；第2个H+加入,Ｆe2+OOH复合物裂解，形成水和(ＦeO)3+复合物；(ＦeO)3+复合物将氧原子转移到底物，生成产物(ROH)；释放产物(ROH)，此时P450(Ｆe2+)变成P450(Ｆe3+)。13细胞色素P450酶系催化机制14P450酶系催化的反应（1）脂肪族与芳香族的氧化反应。丁烷、戊烷和己烷等直链烷烃的氧化，其羟化产物为相应的醇类，如正已烷。芳香族化学物芳香环的碳上加氧，形成酚类。例如萘可形成萘酚。15（2）双键的环氧化反应（epoxidationofdoubleband）在微粒体混合功能氧化酶催化下，一个氧原子在外源化学物的两个相邻碳原子之间构成一桥式结构，形成环氧化物(epoxide)。环氧化是许多外源性化学物代谢活化的重要步骤，如氯乙烯，黄曲霉素B1和苯并(a)芘的活化。黄曲霉毒素B1（aflatoxinAFB1）肝脏代谢脱甲基、羟化、环氧化反应羟化代谢产物与谷胱甘肽、葡萄糖醛酸、硫酸结合由尿和胆汁排出环氧化反应产物终致癌物黄曲霉毒素B1，2，3-环氧化物可与DNA脱氧鸟嘌呤第7位N结合形成加合物17苯并（a）芘[benzo(a)pyrene，BP]

B(a)P首先由P-450酶系催化生成B(a)P-7,8环氧化物，进一步在环氧化物水化酶的作用下生成二氢二醇衍生物，7，8-二氢二醇可由细胞色素P450的作用进一步作用形成7,8-二氢二醇-9,I0-环氧化物。

7,8-二氢二醇-9,I0-环氧化物为终致癌物，可以与核酸中的鸟嘌呤和腺嘌呤结合，产生DNA损伤而引起突变致癌。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-BaP

7,8-二羟基-9,10-环氧BaP

P-450环氧化物水解酶(终致癌物)（3）N-羟化反应（N-hydroxylation）

N-羟化反应是外源化学物的氨基（H2N-）发生羟化，毒性往往增高。如苯胺(aniline,C6H5NH2)经羟化后形成苯基羟胺(phenylhydroxylamine)。苯基羟胺的毒性较苯胺本身为高，可使血红蛋白氧化成为高铁血红蛋白。20具有重要毒理学意义的是有些芳香胺类本身并不致癌，经N-羟化后具有致癌作用。如：2-乙酰氨基芴(2-acetylaminofluorene,AAF),其N-羟化后形成近致癌物N-羟基-2-乙酰氨基芴，并可继续转化为终致癌物。21（4）杂原子（S-，N-和I-）氧化如含有硫醚键（-C-S-C-）的有机磷化学毒物，在MFO的催化下进行S-氧化反应，转化成亚砜(sulphoxide)或砜(sulphone)，这些氧化产物毒性可增高5~10倍。如氯丙嗪在体内通过此反应而毒性增强。

（5）氧化脱氨和氧化脱硫N-亚硝胺（nitrosamines）二甲基亚硝胺（dimethynitrosamine

DMA）代谢脱甲基、脱亚硝基反应脱亚硝基代谢P450催化下生成醛和胺脱甲基代谢终致癌物甲基碳宾离子可使核酸和蛋白质的亲核部位甲基化（6）脱烷基反应（dealkylation）N-脱烷基反应：反应中将由N-原子上脱去1个或2个烷基。河南林州等地食管癌高发与当地人喜食烟熏肉和腌制菜有关24O-脱烷基反应（O-dealkylation）：毒虫畏（chlorfenvinphos）等有机磷杀虫剂可在O-脱烷基反应中分别脱去1个乙基和1个甲基。S-脱烷基反应（S-dealkylation）：可发生在硫醚类（thioether，R-S-R）化合物。如麻醉药甲硫巴比妥钠（methitural）在反应中由S原子上脱去甲基，形成含硫基的代谢产物和甲醛。25微粒体含黄素单加氧酶在肝、肺、肾的微粒体中，还有一种能催化氧化反应的酶，以FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)为辅酶，称微粒体FAD单加氧酶，或称为黄素单加氧酶(flavin-containingmonooxygenase,FMO)。其功能与反应机理与细胞色素P-450单加氧酶相似，反应过程亦需要NADPH和O2，但借助辅酶FAD进行电子传递。很多由FMO催化的反应，也可为P-450催化。26与P-450不同之处在于：它不能在碳位上催化氧化反应，但可以在N位上加氧。FMO种类较少，目前发现只有5种，而P450有400多种。FMO在种属间表达不同，与P450相互补。即P450活性强的，则FMO活性就弱，反之亦然。27醇脱氢酶和醛脱氢酶催化某些外源化学物氧化反应的酶类除前述几种外，在细胞胞浆、线粒体中还有一些主要催化具有醇、醛和酮基团外源性化学物的氧化反应。主要包括醇脱氢酶、醛脱氢酶、钼水解酶、单胺氧化酶等，属于非微粒体氧化酶。特点：底物专一性，需要NAD+和NADP+为辅酶28（1）醇脱氢酶醇脱氢酶（AlcoholDehydrogenase，ADH）可催化醇类氧化成醛或酮。反应过程中需要辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ。上述反应为可逆反应，当达到平衡时，易于出现逆向反应。ADH是一种含锌酶，位于胞浆，分布于肝脏、肾脏、肺脏及胃粘膜。

齐二药亮菌甲素注射液中毒事件：30（2）醛脱氢酶（ALDH）醛脱氢酶（Aldehyde

Dehydrogenase，ALDH）：以辅酶Ⅰ为辅酶催化醛类的氧化反应，并形成相应的酸类。肝细胞的胞液和线粒体中都含有醛脱氢酶。因摄入乙醇经醇脱氢酶催化而形成的乙醛将继续氧化，主要由线粒体中的乙醛脱氢酶催化。31ALDH在人群中具有多态性，黄种人大约有45-53%的人Glu487变成Lys487，因点突变而缺乏ALDH活性，因此他们在饮酒后易产生红晕综合征、醉酒以及酒精中毒。其原因就是乙醛迅速堆积，造成局部血管因释放儿茶酚胺而扩张。乙醇对机体的毒性主要来自乙醛。32胺氧化酶单胺氧化酶（MAO）：存在于肝、肾、肠和神经组织的线粒体中；二胺氧化酶：存在于肝、肾、肠和神经组织的胞液中。1、硝基还原反应

硝基基团特别是芳香族硝基化学物，如硝基苯，在还原过程中先生成亚硝基化合物，最后还原为相应的胺类。

硝基苯---亚硝基苯----苯胺。二、还原反应2、偶氮还原反应

偶氮（R-N=N-R‘）类化合物可还原成两分子胺。

脂溶性的偶氮化合物：主要在肝微粒体以及肠道中还原；

水溶性的偶氮化合物：主要在肠道菌丛还原；343、羰基还原

醛类和酮类的还原反应，可分别生成伯醇和仲醇。如乙醇经醇脱H酶催化生成乙醛，反应可逆。35三、水解反应外源性化学物的水解反应主要由酯酶、酰胺酶、肽酶和环氧水化酶催化。1、酯酶、酰胺酶

酯类物质被酯酶水解生成醇和酸；

酰胺类物质被酰胺酶水解生成酸和胺。2、肽酶

血液和组织中含有多种肽酶可水解肽类。3、环氧水化酶

如苯并芘代谢过程中的环氧化物水化过程。P6236四、结合反应结合反应(conjugationreaction)是外源化学物经过第一相反应，已经具有羟基、羧基、氨基等极性基团之后，与另外一些具有极性基团的内源化学物进一步结合的反应。绝大多数外源化合物在第一相反应中，无论已发生氧化、还原和水解反应，最后必须进行结合反应，再排出体外，因此结合反应也称为第二相反应。主要的结合反应根据与外源化学物结合的结合剂不同，可分为:葡萄糖醛酸结合;硫酸结合;氨基酸结合;乙酰基结合;甲基结合;谷胱甘肽结合.381．葡萄糖醛酸结合（glucuronidation）与葡萄糖醛酸结合是Ⅱ相反应中最普遍进行的一种，对化学物的代谢具有重要作用。反应在肝细胞的微粒体中进行。葡萄醛酸供体是来自胞液的尿苷二磷酸葡萄糖醛酸（UDPGA）。外源性底物包括羟基、羧基、胺基和巯基化学物。催化酶为UDP-葡萄糖醛酸基转移酶。产物是β-葡萄糖醛酸苷，具有高度水溶性的，易于从尿和胆汁排出。402．硫酸结合硫酸反应的供体是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。外源化学物的硫酸结合物主要由尿排出，少部分从胆汁排出。该酶主要存在于肝、肾、肠、肺等组织的细胞液中，底物是含有-OH、-NH2、-SH的毒物。由于PAPS前体-游离半胱氨酸数量有限，因此PAPS的生理浓度低(75μmol/l，仅为UDPGA的1/5)直接影响了PAPS的结合容量。与UDPGA相比，其结合力强但结合容量低。413．乙酰基结合

乙酰基由乙酰辅酶A提供。由乙酰转移酶催化，将乙酰基转移到含伯胺、羟氨或巯基的毒物上。4．甲基化反应甲基化反应不是化学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。甲基化可分为N-，O-，S-甲基化。结合产物虽然可能比母体化学毒物水溶性降低，但一般都使外源性化学物解毒。425．氨基酸结合两类毒物可与AA结合：羧酸和芳香羟胺。

A、羧酸与AA结合是解毒反应：如苯甲酸在乙酰辅酶A的参与下，与甘AA(氨基)结合生成马尿酸；

B、芳香羟胺与AA结合是活化反应：如芳香羟胺与AA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。436．谷胱甘肽结合谷胱甘肽S-转移酶（GST）能催化GSH与含有亲电子C、N、S、O的化学毒物反应，生成结合物。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变为硫醚氨酸（mercapturicacid）衍生物，由尿排泄。GST底物的共同点：有一定的疏水性，含有亲电子原子，并可与GSH发生非酶促反应。44GST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，在微粒体中含量很低，GST是可诱导酶。GST催化的与GSH结合反应是亲电子剂解毒的一般机制，并在自由基解毒也起重要作用。四、影响生物转化的因素：遗传生理因素：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。环境因素：主要通过影响代谢酶和辅酶的合成过程