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文档简介
第三章
环境化学物质在生物体内的运送和转化
同济大学朱志良教授《环境健康化学》课件
环境中化学物质通过不同方式和途径与机体接触并进入人体后,通常经历吸收、分
布、代谢和排泄四个过程。
吸收、分布和排泄一般都是反复通过生物膜的过程一一即生物转运(bio-transport)
在组织和细胞内发生结构和性质的变化产生代谢产物一一即代谢转化(生物转化
biotransfonnation)
要了解环境中化学物如何作用于人体并产生什么影响,必需研究环境化学物质在生
物体内的生物转运和生物转化过程。
第一节环境化学物质在生物体内的吸收
吸收(adsorption):环境化学物经过各种途径透过机体的生物膜而进入血液的过程
吸收的主要途径:消化道、呼吸道、皮肤
消化道吸收
消化道是人体吸收环境化学物的最主要途径,饮水和食物中的污染物主要通过消化
道进入体内。
消化道的任何部位都有吸收作用,但主要在小肠。
胃及小肠内的吸收主要通过简单扩散形式进行。
有机酸主要在胃内(pHl〜2)吸收,有机碱主要在小肠内(pH6.6〜7.6)吸收
小肠粘膜细胞上亲水性孔道直径0.4nm左右,可滤过吸收分子量为100〜200及以
下的小分子化合物。同时胃肠道上皮细胞还可以通过胞饮和吞噬作用吸收一些颗粒
物质。
♦影响消化道吸收的因素:
[1]消化道中存在的多种酶类可使外来化学物质发
生变化,从而改变其吸收性能和毒性。
例如:
小肠内的菌丛能将芳香硝基化合物还原成芳香
胺,导致肿瘤和癌症可能性大增。
[2]胃肠道内容物的种类和数量
【3】外来物的溶解度和分散度
二.呼吸道吸收
空气中的化学污染物主要通过呼吸道进入机体。
特点:吸收的化学物质不经过静脉血进入肝脏,未经肝脏代谢(生物转化),直接
进入体循环并分布全身。从鼻腔到肺泡,吸入越深,吸收越多。
肺是呼吸道中的主要的气体吸收器官,并且主要通过简单扩散进行。
肺泡:总量3亿多个,表面积50〜100m2,是皮肤表面的50倍左右
对CO、NO2、SO2、苯、四氯化碳等的吸收仅次于静脉注射。
♦影响肺泡吸收速度的因素:
[1]分压差和血气分配系数
血气分配系数:化学物质在血液中的浓度与在肺泡中的浓度比
乙醇:1300,乙醛:15;说明乙醇在血液中的吸收能力远大于乙醛
[2]化学物质的溶解度和分子量
非脂溶性物质:分子量越大,吸收越慢。
脂溶性物质:脂/水分配系数大,吸收快。
[3]肺的通气量和血流量
脂溶性高的气体:增加通气量,吸收增加如:氯仿脂/水分配系数15
脂溶性小的气体:只有增加血流量,才能增加吸收量,如:乙烯仅为0.14
[4]颗粒物的吸收主要受颗粒大小的影响
lmm~lcm沉积在上呼吸道表面(由于表面纤毛的逆向运动,最后由痰
咳出或咽入胃肠道)
♦5-10Mm阻留在气管和支气管
♦1〜5Hm到达呼吸道深部,部分进入肺泡
♦<Igm可在肺泡内扩散沉积
3皮肤吸收
通常皮肤对环境化学物质德通透性较弱,是将机体与外界环境隔离的良好屏障。
环境化学物质经皮肤吸收主要途径:
【1】表皮(为主);
[2]毛囊、汗腺及皮脂腺(仅占皮肤表面积德0.17%)
例如:四氯化碳可以通过皮肤吸收导致肝中毒;有机磷农药经皮肤吸收可以导致中
毒甚至死亡
♦皮肤的三层屏障表皮角质层(一般分子量大于300的不易通过无损伤德表皮角质
层)
连接角质层(能阻止水溶液、电解质等通过,但脂溶性物质可以通过)
基膜,位于表皮和真皮连接处(大多数物质通过表皮后可以自由经乳突毛细管进入
血液)
♦表皮吸收的主要方式:简单扩散
♦影响表皮吸收的主要因素:
【1】化学物质分子量、脂/水分配系数的大小,角质层厚度
分子量小、脂/水分布系数接近1的物质、较薄的角质层有利于吸收
[2]与物种有关,因为不同物种的表皮角质层厚度不一样,导致表皮通透性差异
[3]与温度有关:高温、高湿度、无风、延长接触时间有利于吸收
【4】经毛囊吸收的物质不经过表面屏障,化学物可以直接通过毛囊和皮脂腺进入真
皮。
(电解质和某些重金属如汞可以通过毛囊、汗腺和皮脂腺被吸收)
第二节环境化学物质在生物体内的分布和储存
—.分布
环境化学物质被吸收进入血液和体液后,随血液和淋巴的流动分散到全
身各个组织的过程----分布(distribution)
特点:
[1]同一物质在不同组织中有不同的分布;
[2]不同化学物在同一部位的含量也不同。
影响因素:该组织的血流量、对化学物质的亲和力、阻碍外源化学物质转运的体内
屏障等
♦分布状态与时间的关系:
【1】起始阶段,决定于组织中血液供应的丰富程度;
【2】后期,决定于化学物质与组织的亲和力,可以产生再分布
例1:铅,染毒2小时后,50%分布在肝脏中,1个月后,90%分布在骨骼中
例2:静脉染毒亲脂性化学物2,3,7,8—四氯二苯对二恶英(TCDD),5分钟后,
15%剂量分布在肺部,仅1%在脂肪组织中,24小时后,肺部仅存0.1%,脂肪组织
中达到20%o
体内屏障:体内特定部位组织还存在着阻碍外源性化学物质进入的体内屏障.
血脑屏障:对毒物进入中枢神经系统起到阻止作用(许多物质即使在血液中浓度很
高仍然不会进入大脑)
胎盘屏障:胎盘既具有母体和胎儿之间传递营养物质、氧气、二氧化碳和代谢产物
的作用,还有阻止外源性化学物质由母体进入胎盘的作用。
化学物质的存储
吸收进入血液的环境化学物质,仅少数以游离状态存在,大部分与血浆蛋白或体内
各种组分结合,积聚在特定部位
当化学物质对积聚部位直接产生毒性作用时,该部位称为一一靶组织/靶部位或靶器
官
当化学物质对积聚部位未产生毒性作用时,该部位称为一一存储库
♦主要的存储组织:
[1]血浆蛋白:血浆蛋白可以与许多化学物质结合(一般是可逆的共价结合),从
而使其不易透过细胞膜进入靶器官,避免中毒,也对排泄、转化及其再分布产生影
响。
不同化学物质与血浆蛋白的结合能力不同,可以产生竞争性结合和解离作用。
例如:DDT的代谢产物DDE可以竞争性置换已经与蛋白质结合的胆红素,从而使
其游离,出现黄疸。
【2】肝和肾:肝和肾是许多环境化学物质的储存场所,也是代谢转化和排泄的重要
器官。
例如:肝细胞中的配体蛋白,能与多种有机酸、有机阴离子、皮质类固醇及偶氮染
料致癌物等结合;肝、肾中的金属疏蛋白能与锌、镉结合;一次铅染毒后30分钟内,
肝中的铅浓度高于血浆中50倍。
【3】脂肪组织:许多环境有机化学物质易于吸收并存储于脂肪组织中,减少对靶器
官的毒性作用。
例如:各种有机氯农药(DDT、六六六、氯丹)、有机汞农药
因此,肥胖者对该类物质的中毒较消瘦者轻,但是当脂肪动用时可以导致毒性
物质的释放。
【4】骨骼组织:骨骼组织中的骨基质对氟化物、铅、勰等有特殊的亲和力,可以称
为它们的存储组织。
例如:F-例子可以取代羟基磷灰石晶格基质中的OH-;铅、锯可以取代骨骼
中的钙。一般体内90%的铅存储于骨骼中。
一般铅对骨格无毒;放射性锯可以引起骨肿瘤;氟增多可以引发氟骨症。
有毒物质在体内存储的毒理学意义:两重性
♦一方面对急性中毒有保护作用
♦另一方面是体内提供毒性物质的来源
第三节生物体对外源环境化学物质的排泄
排泄:是环境化学物质向机体外转运的过程。
排泄的主要途径:
【1】经肾随尿液排出(最主要,化学物质排泄量超过其它途径的总和);
[2]经肝随同胆汁(如DDT、铅等)通过肠道随粪便排出;
[3]随各种分泌液(汗液、乳汁、唾液、泪液、胃肠道呕吐液等)、随呼吸道(气
体物质如CO)排出
经肾随尿排泄
排泄机理有三种:
【1】肾小球被动过滤:几乎所有分子量小于60000的化合物,都能通过肾小球滤过
进入肾小管,进入肾小管的物质,一部分被肾小管重新吸收,其它随尿液排出。
【2】肾小管的重吸收:
小管的上皮细胞通过主动运输的方式可吸收:经肾小球滤入肾小管的滤液
中含有的氨基酸、葡萄糖、某些阴离子、有机酸类;
膜上的亲水孔道:可吸收水分、氟化物及尿素;
一部分外源性化学物质(尤其是脂溶性的未解离化合物)也可被重吸收一一产生对
肾脏的损害
【3】肾小管排泄:肾小管上皮细胞可将毒物及代谢产物以主动运输的方式排泄到肾
小管中而进入尿液。
♦这种排泄主要通过两种主动转运系统进行。
有机阴离子转运系统:例如对氨基马尿酸盐就是通过该系统排入尿液
有机阳离子转运系统:例如N—氨基烟酰胺、儿茶酚胺等在生理条件下呈阳离子
的有机碱的排出
二.经肝随胆汁排出
来自胃肠的血液所携带的外源化学物质,向通过门静脉进入肝脏,然后
流经肝脏再进入全身循环。
外源化学物质先经肝脏发生生物转化,再进入小肠,然后有两种途径:
[1]所形成的一部分代谢产物可被肝细胞直接排入胆汁,随粪便排出。
【2】部分脂溶性的、易被吸收的外源化学物和代谢产物在小肠中重新被吸收,再经
门静脉返回肝脏,再随同胆汁排泄。即进行肝肠循环
肝肠循环的毒理学意义:
[1]部分机体需要的有机物的重新利用(各种胆汁酸95%可被小肠重吸收);
[2]毒物的重吸收可使毒物在体内停留时间延长,毒性作用增加
环境化学物质从肝细胞排泄进入胆汁的过程,主要依靠主动运输。
其中至少有3〜4个系统分别负责转运排泄:
有机酸类及胆红素;有机碱类;中性有机物;金属
由于新生儿的肝、肾系统发育不完全,所以易于中毒
三.其它排泄途径
[1]经肺排泄:挥发性气体CO、N2O、醇类等(简单扩散方式,血液中溶解度
低的CO、N2O易于排出)
【2】经乳汁排出:有机氯杀虫剂、多氯联苯、乙酸、咖啡碱和某些重金属等均可随
乳汁排出,从而由母体传给婴儿。牛奶中也有类似情况。
[3]有些毒物如重金属可随指甲和毛发排出。
[4]经口服而未被胃肠道吸收的环境化学物可以随分布排泄。
第四节生物膜和跨膜运输
一.生物膜的物质运送和离子载体
生物体内物质运送方式:
随体液运送;2.通过生物膜(跨膜运送)
两者本质不同,共性是:
一般都需某种载体分子来运送物质
本章着重讨论跨膜运送。
二.生物膜及跨模运送的方式
生物膜的作用(功能):体内各隔室间的屏障,维持两侧浓度、电位差,控制物质运
送,能量传递,信息传递等。
生物无机化学着眼于研究:金属离子如何透过生物膜,运送载体是如何识别和携带
其通过膜的。
三.生物膜的结构
一般生物学中都以二维流体镶嵌模型来说明细胞膜及其他生物膜的结构
四.跨膜运送的几种方式:
一般分为三类:
1.主动运送:逆浓度梯度传输,需消耗能量
2.被动运送:借助于电位、浓度等梯度进行传输
3.吞噬和胞饮现象:通过溶酶体作用进行传输
(-)被动运送:分为简单扩散和促进运送两类
1.简单扩散:顺着离子浓度梯度,由较浓一侧传递向较稀一侧的运输
影响简单扩散的因素:
[1]膜两侧的浓度梯度越大,化学物质通过膜扩散的速度越快;
[2]脂/水分配系数越大,脂溶性越大,一般越容易通过生物膜
脂/水分配系数太大,也不易通过,例如磷脂。
脂/水分配系数太小,无法通过,例如葡萄糖、氨基酸、钾、钠离子等
纯粹靠简单扩散,金属离子是难以进入和通过生物膜的。
原因:亲水的金属离子通过生物膜时,要打开膜中的氢键,进入并穿过磷脂的疏水
层,要克服很高的能垒
2.促进运送:借助于离子载体或离子通道
离子载体:可通过多种形式传送金属离子例:
1.形成离子载体与水分子的配合物,一侧结合,一侧移放;
2.通过几个离子载体间的接力传递
本质:
都是通过载体作用把金属离子从亲水性变成亲脂性,从而在生物膜上打
开通过的途径。
离子通道:是由蛋白质镶在膜内形成的适于特定离子或水合离子通过的通道。
离子通道载体:是一些低能量的肽的聚合物,它们可在膜上打孔,自己以特定的构
象贯穿膜,形成布满水的通道,使阳离子通过,其过程可看作是离子与通道某些部
位结合和解离的连续过程,从而使膜有较高的导电性。
(二)主动传输:
维持生命现象所必需的逆浓度梯度而进行的传输方式,也借助于离子载体进行,且
要耗能。
例:人血浆(细胞外液)和骨骼肌细胞液间的离子传输。
为维持细胞内的高钾、低钠环境,必须有主动传输过程。
一般如:K+,Na+,Ca2+等生命元素在跨膜传递过程中,主动运送和被动运送
两种方式均被采用。
第五节离子跨膜运送的基本原理
一.离子载体的分类和特点:
♦分类
从载体作用方式分——活动载体和通道载体
从化学结构分——环状载体和链状载体
♦特点:
1)与金属离子结合时,以几个配位原子形成包围空腔,空腔
大小与对金属离子的选择性相对应。
2)与金属离子形成配合物时,空腔具有内亲水(配位离子与
金属离子结合)、外疏水(骨架能穿过类脂膜)的特征
二.离子载体的选择性顺序
离子载体的空腔刚柔相济,对金属离子结合能力大小有选择性顺序,最大
适应性决定配体对离子的最大选择性。
影响选择性的顺序因素:
1.孔穴大小与金属离子的半径匹配
2.电子给体与受体的匹配(较硬酸碱)
3.电子给体的静电特性
4.配位数的匹配
5.配位原子在配位环境中与金属离子的空间匹配
6.配体物质可变性与配位原子空间位置重组的可能性匹配
7.反馈n键形成时,金属离子的最高空电子分子轨道与配体最低空轨道的匹配
例:缴氨酶素作载体选择性顺序:K+>Cs+>Rb+>Na+>Li+
三.离子的主动运输过程
一次性主动运输:指能量来自三磷酸腺昔(ATP)
二次性主动运输:利用其他溶质的被动运送迫使该溶质逆浓度运送
一次性运送实例:动物细胞内外,K+,Na+的浓度差
胞内:高K+、低Na+环境由钠泵实现。
1957年在蟹神经的微粒体组分中发现了Na+—K+—ATP酶,认为它可能与
金属离子主动传输有关,后经研究证实。
钠泵的本质:Na+—K+—ATP酶对Na+和K+的主动运送
Na+-K+—ATP酶是分子量在250,000〜500,000的蛋白质,在膜中定向排列,ATP
与Na+从膜的内表面作用,K+则从膜的外表面作用,该酶催化反应如下:
E(酶)+ATPE-ATPNa+,Mg2+Na-Mg-E-P+ADP
Na-Mg-E〜P+K+-NaK-Mg-E-PK++Mg2++E+Pi(磷酸)
由ATP水解反应(ATP+H2OMg2+ADP+Pi)提供能量,供给Na+、K+的主
动传输,使钠泵运转。
每个ATP水解(以Mg2+配合物形式)相应有3个钠离子推出细胞外,2个钾离子
推进细胞内,并随之产生一个电荷梯度(正电荷由膜内到膜外)。在细胞内侧产生
10毫伏的负的膜电位。
释放能量>耗能
♦Na+-K+-ATP酶特点
Na+—K+—ATP酶位于细胞膜上
2.Na+,K+,Mg2+三者共存,才能催化ATP的水解
3.Na+,K+摩尔比10:1〜5:1间为最适激活浓度比
4.Na+是表现活性所必需,而K+可为NH4+,Te+代替,Mg2+可为Mn2+.Co2+代替
5.某些药物和化学物质(如疏基化合物,二价重金属离子有机溶剂等)有抑制作用。
我们可以把活动载体参与的运送看作是类似于酶促化学反应,因为同样都是降低能
垒,且载体和催化剂一样能反复周转使用。酶能选择性地和底物结合,载体则选择
性地与离子配位。
钠泵的作用:是用来微调细胞内外浓度电位
本来:内外K+、Na+浓度差在细胞膜两侧造成一定的电位差,当正常情况被动输
送时,Na+一细胞内及K+一细胞外的运送使膜电位改变,而钠泵的作用正在于
主动调整运送,该膜电位处于正常值,保证神经突触的作用。
第六节各类离子载体简介
一.环状离子载体
即大环多齿配体:与金属离子结合时,一方面既定的空腔决定了对Mn+的
选择性,另一方面与Mn+结合时发生构象的变化,可使得配合物稳定化。
结构共同特征:
1.未配位的分子有较大的柔性,而相应的配合物则具有较规则的配位构型。
例如:大四内酯,立方形;撷氨酶素,八面体;壬胞菌类,六角形。
都是些高对称性构型,给接近球形的阳离子提供了一个适宜于配位的环境。
2.大环配体通过扭曲作用把它的几个配位原子集中在配位层,而表现配合作用的选
择性和特定配合物的稳定性。
二.链状离子载体
只要能与Mn+配位,包在一个空腔之内,且是外亲脂内亲水的配合物即
可作为载体。
天然链状离子载体:是一些含四氢唉喃或四氢味喃环及一些醴、竣、羟
基等配位基团的抗菌素。
(已知的天然离子载体都是抗生素)
配位原理:在生理pH下,酸基已解离成一C00-,与金属配位时,另一分离的醇羟
基与一C00-形成氢键,分子首尾相连成环状。
三.合成离子载体
也可分为环状配体(冠醒和穴醒)和链状配体两类
1、冠醒和穴酸(冠状化合物)
是一类大环聚醒(Macrocyclicpolyether)
主要含二类即:
冠醒(crownether):大单环聚醵1967年Pederson发现;
穴叫(cryptan)含桥头氮原子的大二环聚醴
1969年Lehn首次报道
基本结构单元:乙基:CH2-CH2
杂原子:Y—0、S、N、P等
特点:
1)当空腔与金属离子大小匹配时,能形成稳定配合物
2)冠状化合物具有内亲水、外疏水的空腔结构,产生增溶性,适宜用作离子载体。
例:DB—18—冠一6空穴直径:2.6〜3.2A
Li+1.20,Na+1.90,K+2.66,Rb+2.96,Cs+3.34
选择性:K+>Rb+>Cs+>Na+
例:穴醵[2,2,2]与Ba2+形成的1:1配合物比EDTA配合物更稳定。
可以使硫酸钢在水中的溶解度提高104倍以上
冠状化合物的配位能力及特点:
1)可与M+、M2+、M3+尤其是IA、IIA离子配合。
2)以离子缔合方式与金属离子结合M++C+A--MC+A-
3)通过空腔大小选择性结合Mn+
例:二苯并一30一冠一10选择性:K+〜Rb+>Cs+>>Na+»Li+
二苯并一18一冠一6选择性:K+>Rb+>Cs+>Na+
4)利用冠酸分子的柔性可以采取扭曲环平面的方法使较大环适应小的Mn+离子,
也可以采取形成夹心配合物的方法使较小的环适应过大的离子。(这也是生物大分子
的特点)
5)与IA的M+离子形成配合物,稳定性随配位原子电负性降低而下降。
(0>NR>NH>S)天然离子载体大多数以氧为配位原子
夹心配合物
6)穴醒与IA配合物稳定性大于天然载体及冠醵,对HA离子亲合力较强。
穴叫一般以立体空穴去容纳配体
穴醒的特点:有两个可质子化的原子,通过质子化过程,可有三种不同的异构体在
溶液中建立平衡。
例:穴醴[2,2,2]与Rb+配合物为内一内型,
配位原子为:4个O,2个N,八面体配位结构。
2.杯芳烧
与金属配位时有离子交换、离子缔合等多种机理,作为离子载体有更好的可修
饰性,结构多变,可作为通道类载体开发,为分子开关作用提供可能。
3、链状合成载体:
例:1)开口冠醒;
2)乙二酸或二乙二醒两端连接取代酰胺等。
在包含金属离子时,形成环状结构,两端均具有配位原子团
四、通道载体
与活动离子载体的区别:相对固定在生物膜上,引导离子通过而不是携带离子通过。
一)形成通道的载体
1、两性霉素型:大环多羟基多烯内酯化合物(见下页图)
特点:
1)两亲物质,多元醇一边亲水,多烯结构亲酯
2)长度和性质上与磷酯非常接近
3)亲酯性多烯可以和生物膜中的胆固醇(本身与磷脂相结合)相互结合
2、肽类:如短杆菌素A
形成螺旋骨架,外层亲脂,内壁亲水(布满肽键的跋基氧)。
每个短杆菌长度只相当于一个磷脂分子,它可形成两聚物,通过氢键头尾
相连、或反向平行相连、头头、尾尾相连等。
二)离子通道的组装和运送过程
1、组装:
两性霉素
(1)6〜16个分子聚集成通道中的某个孔
(2)两个分子聚集体,尾尾通过C35羟基氢键相连,形成贯通膜内外的通道,亲
水基团伸出膜外。
(3)共施多烯部分与胆固醇结合,胆固醇与膜磷酯结合产生固定通道,多羟基部分
(亲水)伸向通道内腔。
短杆菌素A:
(1)在膜内亲酯环境中稳定在螺旋状态,形成二聚物。
(2)其中的疏水氨基酸碱基朝向磷脂,螺旋内则分布皴基。
(3)由于通道直径小,易于让M+通过,对一价离子表现
选择性。
2、运送过程
通过并不是固定、静止的刚性的洞,离子通过时必然存在着一系列变化,但尚不清
楚(即使是初步的描述也未清楚)。
其中一种解释是:只有在膜电位建立时通道才能发挥作用。即:没有膜电位时,通
道载体并没有定向排列,无法让离子通过,只有在膜电位作用下,才真起到作用。
因为通道分子是柔性的,它的构象变化或超分子组装方式的变化是启闭通道的开关。
前述活动载体(靠形成载体配合物在膜内输送)、离子通道(输送时未形成配合物,
速度较快)均指被动运送而言,实际上主动运送也依靠离子通道及载体。
注意:至今上述研究都是在对抗菌素研究基础上得出结论的,对人和哺乳动物只
是一个推测。但对主动运送而言已较清除确有载体通道促进了主动运送。
第七节环境化学物质在生物体内的转化
♦生物转化:(又称代谢转化)
指外源环境化学物质在生物体组织或器官中经过一系列生物化学变化并形
成衍生物的过程。
♦基本特点:外源化学物质通过生物转化其极性及水溶性增加而易于排出,毒性降
低或消失。
是生物解毒或生物失活过程;
是酶催化反应过程
肝脏是生物转化的主要场所,肝外代谢较少较弱:主要发生在肺、肾、胃肠道、胎
盘、血液、睾丸皮肤等
有例外:即有些外源化学物质通过代谢,其产物的水溶性下降,毒性反而上升。
例如:对硫磷、乐果等代谢后的对氧磷和氧乐果反而毒性上升;磺胺类化合物在生
物转化中与乙酰基结合后水溶性降低;甚至有非致癌化合物在代谢后产生致癌物的。
♦生物转化的两重性:解毒或增毒
产生两重性的原因:
[1]生物转化的复杂性:外源化学物的毒性不仅与其本身的理化性质有关,也与
体内代谢的方式有关;
【2】生物转化的多样性:一种物质可以有多种转化途径,发生多种反应,产生多种
代谢产物;
【3】生物转化的连续性:多个反应连续进行,多个器官连续作用。
一、生物转化的反应类型
外源化学物质在生物体内的转化
主要包括4种类型反应:
氧化、还原、水解、结合
其中氧化、还原、水解是第一阶段反应(又称第一相反应)使分子上出现极性基团,
增加水溶性;
结合是第二阶段反应(又称第二相反应),然后排出。
【一】氧化反应:分为
微粒体混合功能氧化酶催化反应
非微粒体混合功能氧化酶催化反应
微粒体混合功能氧化酶(microsomalmixedfunctionoxidasesystem,MFOS)催化的
氧化反应
MFOS主要存在于肝细胞的内质网中,在粗面和滑面内质网形成的微粒体中均含有
MFOS,其中滑面内质网形成的微粒体活性更强。
特点:
特异性很低,几乎所有进入体内的外源环境化学物都要经过这一反应转化成氧化产
物;
需要一个氧分子,其中一个氧原子被还原为水,另一个与第五结合使其氧化
(所以称为混合功能氧化酶或微粒体单加氧酶)
反应通式:
MFOS所催化的反应类型:
[1]脂肪族羟基化:脂肪族化合物侧链(R)末端倒数第一或第二个碳原子被氧化
羟基化
RCH3RCH2O
[2]芳香族羟基化:
芳香环上的碳氢键被氧化,形成羟基
C6H5RRC6H4OH
[3]环氧化反应(epoxidation)
外源化学物质的两个碳原子之间与氧原子形成桥式结构,即环氧化合物。
环氧化物多不稳定,可继续分解,但多环芳烧类化合物形成的环氧化物可与
生物大分子共价结合,诱发突变成癌变。
[4]N-脱烷基反应
胺类化合物氨基N上的烷基被氧化脱去,形成醛类或酮类
氨基甲酸酯类杀虫剂如西维因、致癌物偶氮色素奶油黄和二甲基亚硝胺皆
可发生此类反应。
[5]0-脱烷基和S-脱烷基反应
与N-脱烷基反应类似,脱去的是与0或S相连的烷基
[6]脱氨基反应
伯胺类化合物在临近N原子的C原子上发生氧化,脱去氨基,可以形成醛
类化合物。例如苯丙胺的氧化
[7]N—羟基化反应
外源化学物的氨基氢被羟基取代后形成羟胺
例如:苯胺经羟基化反应形成N-羟基苯胺,可使血红蛋白氧化成为高铁血红蛋白。
致癌物2-乙酰氨基笏(2—acetyl-amino-fluorineAFF)也可发生羟基化反应形成近
致癌物N—羟基一2一乙酰氨基笏。
【8】烷基金属脱烷基反应
四乙基铅可在MFOS催化下脱去一个烷基,形成毒性更高的三乙基铅,可以
进一步引起脑组织的5—羟色胺积聚。
【9】S一氧化反应
硫酸类化合物可经此反应代谢为亚碉和飒类化合物
有些有机磷化合物如杀虫剂氨基甲酸酯类(灭虫威)、内吸磷、甲拌磷等可进
行硫氧化反应。
[10]脱硫反应
有机磷化合物可以发生该反应,使P=S基变为P=O基,如对硫磷
(parathion)经脱磷反应可以转化为对氧磷(paraoxon)
[11]氧化脱卤反应(oxidativedehalogenation)
卤代烧类化合物可先形成不稳定的中间产物卤代醇类化合物,再脱去卤素。
如DDT经氧化脱卤形成DDE和DDAoDDE具有较高脂溶性,占DDT全部代
谢产物的60%,可在脂肪组织中大量蓄积,DDA主要经尿液排出。
DDT、DDE、DDA的LD50(大鼠、经口)分别为:113〜450,880〜1240,
600〜740mg/kg.
氯仿也可以经此反应脱去一个卤原子。
♦非微粒体酶催化的氧化反应
这类酶主要存在于肝细胞线粒体和胞液中,在肺和肾中也有出现。
这类酶主要催化:
具有醇、醛、酮功能基团的外源化学物,包括醇脱氢酶,醛脱氢酶,胺氧化酶等。
[1]醇脱氢酶(alcoholdehydrogenase)
可催化伯醇类氧化成醛类,催化仲醇类成酮。反应中同时需要辅酶I(NAD)
或辅酶II(NADP)
[2]醛脱氢酶
可以在NAD做辅酶时催化醛类成段酸
醛类氧化反应主要由肝细胞中的醛脱氢酶催化。
酒精类物质进入体内后,首先经醇脱氢酶催化成乙醛(呈现主要毒性),
再在醛脱氢酶作用下,氧化成酸。当体内醛脱氢酶活力下降时,可以产生乙醛积聚,
从而导致酒精中毒。
[3]胺氧化酶
主要存在于线粒体,可催化单胺和二胺类化合物成醛类。
♦单胺氧化酶可将伯胺、仲胺、叔胺等脂肪族胺氧化脱去氨基成醛类。
♦二胺氧化酶可将二胺类氧化为醛及酸,需要的辅酶主要是磷酸叱哆醛和铜,
它是一种可溶性酶,在肝脏中活力较强,在肾、肠、胎盘中也有。
♦前列腺素生物合成过程中的共氧化反应花生四烯酸经氧化可生成前列腺素G2
(PGG2),前列腺素再经过氧化物酶催化氧化成PGH2
第二步氧化中可以发生外源化学物质的共氧化反应。
例如:对乙酰氨基酚可以通过共氧化作用脱氢;芳香胺类在膀胱上的皮肤细胞内、
对乙酰氨基苯乙醛可在肾脏内发生共氧化反应,产生致癌物。
【二】还原反应
♦一般情况下,有机体细胞处于有氧状态,因此,在生物转化过程中,微粒体混合
功能氧化酶起主导作用,以其催化的氧化反应为主。
♦但当机体的某一部分处于低氧张力状态时,就可以在该局部发生外源化学物质的
还原反应:
[1]某些还原性化学物质或代谢产物在组织细胞内积聚产生还原环境;
【2】还原性的外来化学物质,本身可以接受电子发生还原反应,这也正是氧化反应
的逆过程
还原反应主要在还原酶作用下进行,也有非酶促反应。
还原酶主要存在于:肝、肾、肺的微粒体和胞液中,另外肠道菌丛中也有还原酶。
因为肠道属于厌氧环境,所以在肠道实际发生的还原反应超过其它各处的总和。
♦还原反应的分类
【1】覆基还原反应:可使醛、酮类化合物还原成醇类
[2]含氮基团的还原反应
可以将硝基还原成亚硝基再到氨基
可将偶氮化合物还原(有些偶氮色素还原后有致癌作用)
[3]含硫基团的还原反应
亚飒和碉类化合物可经此反应还原为硫醒类化合物
[4]含卤素基团的还原反应
与碳结合的卤素被氢原子取代,或形成自由基。
例如:四氯化碳在体内NADPH(还原辅酶II)—细胞色素P450作用下,
催化还原成三氯甲烷自由基,从而对肝细胞膜的脂质结构产生破坏作用,引起肝脂
肪变性和坏死。
【三】水解反应
在水解酶的催化作用下,许多外来化学物可以发生水解反应,从而引起化学物质的
转变。
水解酶广泛存在于:血浆、肝、肾、肠、肌肉和神经组织中
[1]酯类水解酶
酯类在酶的作用下水解成酸和醇
♦水解反应是许多有机磷杀虫剂在体内的主要代谢、解毒方式:例如,敌敌畏、
对硫磷、马拉硫磷等在水解后毒性会降低直至消失。拟虫菊酯类杀虫剂也是通过水
解反应降解而解毒。
昆虫体内某种水解酶活性高,则容易产生相应的抗药性。
[2]酰胺类水解反应
酰胺酶可以催化水解带有酰氨基的化合物,使酰氨基水解成斐基。
酰胺酶与酯水解酶有一定的相互活性,只是水解速度不同。
例如:
反应停等环状酰胺化合物(内酰胺化合物),可以水解开环,也可以发生非酶促反应,
形成产物邻苯二甲酰胺(具有致畸作用)
[3]水解脱卤反应
DDT在生物转化过程中形成DDE是典型的水解脱卤反应(也有氧化脱卤)
DDT毒性远高于DDE,某些昆虫(苍蝇和蚊子)体内具有较多DDT-脱氯
化氢酶,所以容易有耐药性。
【四】结合反应
结合反应:是外源性化学物质在代谢过程中与某些其它内源性化学物质或基团发生
生物合成反应的过程。
♦外源化学物质在经过第一阶段反应后,已经增加了羟基、竣基、氨基、环氧基等
极性基团,更易与具有极性基团的内源性化学物质结合,发生第二阶段反应。第二
阶段反应中需要辅酶参与,活化能由ATP提供。
♦第二阶段反应可进一步增加外源化学物质的极性和水溶性,原有的生物活性下降,
毒性降低,最终易于排出。
♦结合反应也有双重性
即通过结合反应毒性可下降也可增加。
例如:一些酸类和醇类的外源性物质,酸类可与甘油或胆固醇结合,醇类
可与脂肪酸结合,形成亲脂性较高的化合物,不易排出,增加毒性。
[1]葡萄糖醛酸结合
地位最重要!
几乎所有哺乳动物、大多数脊椎动物体内均可发生此类结合反应。许多外源化学物
如醇类、酚类、竣酸类和胺类等均可发生葡萄糖酸结合反应。
葡萄糖醛酸来源:糖类代谢产生尿昔二磷酸葡萄糖(UDPG),再进一步氧化成尿
普二磷酸葡萄糖醛酸(UDPGA)即葡萄糖醛酸的供体。
然后在葡萄糖醛酸转移酶的作用下,与外源物质及代谢产物的羟基、较基、氨基等
结合。(直接从体外输入的葡萄糖醛酸不能进行结合反应)
该类反应主要在肝细胞微粒体内进行,肾、肠粘膜和皮肤中也有发生。结合物可以
随胆汁进入肠道排出,也可在在肠菌群中酶的作用下发生水解,再被吸收,进入肝
肠循环。
[2]硫酸结合
内源性硫酸可与外源化学物及其代谢产物中的醇类、酚类或胺类化合物结合产
生硫酸酯。
内源性硫酸来源:含硫氨基酸的代谢产物。
内源性硫酸经三磷酸酰昔ATP活化,再在磺基转移酶的催化下,与醇类、酚
类、胺类等反应结合为硫酸酯。
[3]谷胱昔肽结合
谷胱昔肽(GSH):在谷胱昔肽一S—转移酶催化下,环氧化物、卤代芳香煌、
不饱和脂肪姓及有毒金属都能和结合而解毒,产生谷胱甘肽结合物。
许多致癌物和肝脏毒物在生物转化中可以形成对细胞具有较强毒性的环氧化
物,但与GSH结合后可以解毒,并排出体外。GSH在体内含量有限,所以排毒能
力有限。
例如:漠化苯经环氧化反应生成环氧滨化苯(是强肝脏毒物),可引起肝坏死。
[4]乙酰结合
乙酰辅酶:可以在N—乙酰转移酶的催化下,与芳香伯胺、朋、酰朋、磺胺类
和一些脂肪胺类化学物结合形成乙酰衍生物。
乙酰辅酶A是糖类、脂肪和蛋白质的代谢产物主要分布在肝及肠胃粘膜细胞中。
[5]氨基酸结合
含有斐基的外源性物质如有机酸等可以与氨基酸以肽键
结合,尤以甘氨酸多见。
例如:苯甲酸可以与甘氨酸结合成马尿酸排出体外;
氢氟酸可以与半胱胺酸结合而解毒,并随唾液和尿液排
出体外。
[6]甲基结合
各种酚类、硫醇类、胺类和杂环类化合物(如叱唳、喳啾等)在体内
可与甲基结合,发生甲基化反应,从而解毒。
♦体内甲基主要由s—腺苔蛋氨酸提供。
♦甲基化反应是体内生物胺失活的主要方式和解毒途径。
♦金属的甲基化普遍存在,尤其是微生物中的研究较多。
重金属甲基化常常会增加其毒性:例如甲基汞(II)毒性大于Hg2+,三
甲基碑毒性大于亚碑酸盐。
二、影响生物转化的因素
多种因素可以影响外源性化学物质在体内的转化过程,实质在于这些因素能对催化
生物转化过程的各种酶的功能和活性产生影响,从而影响转化的途径和速度,导致
其对机体的生物学作用和有机体对该化学物质的反应产生改变。
1.物种差异和个体差异
主要表现在
[1]代谢酶的种类不同;
[2]代谢酶的活力不同
例如:对于N—2一乙酰氨基笏(AAF),由于大鼠和狗体内存在N—羟基化酶和磺
基转移酶,可产生强烈致癌作用的硫酸酯。而豚鼠体内缺少N—羟基化酶所以对其
致癌作用很弱。
又如:苯胺在小鼠体内的半衰期为35分钟,在狗体内为167分钟。
在吸烟量相同情况下,芳烧羟化酶(AHH,可使芳香化合物羟基化,并产生致
癌物)活力高的人,患肝癌的危险度是平均的36倍。
2.饮食营养状况
【1】蛋白质营养:(两重性)
对经生物转化可以达到解毒作用的大多数外源化学物质,蛋白质营养较
差时,对机体的毒性增强。(如六六六、DDT、马拉硫磷、黄曲霉素等)
对本身没有毒性,生物转化后产生毒性的外源性物质,蛋白质缺少时,
由于催化酶的活力下降,代谢减慢,所以毒性下降。
对四氯化碳、二甲基亚硝胺等少数经生物转化后毒性增高的物质,低蛋
白营养反而能降低对肝脏的毒性核致死作用。
[2]维生素营养:
维生素缺乏,总的来说,使生物转化速度减慢。
如维生素A、E、C缺乏时,可引起细胞色素P450单加氧酶活力下降;但是,维生
素B1核黄素缺少时,某些羟化酶活力却可以加强。
【3】无机盐:
膳食中无机盐营养成分的缺乏,如钙、镁、铜、锌、铁等的缺乏,均可影响
细胞色素单加氧酶的活力。
健康状况也可以影响化学物的毒性作用,例如:肝病可以降低肝脏的解毒作用;
慢性支气管炎和肺气肿患者易引发刺激性气体中毒,后果严重,1952年的伦敦烟雾
事件中80%的死亡者患有心、肺疾病。
3.年龄、性别等生理因素差别
[1]年龄
生物转化功能在初
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