毒理学 第三章 外源化学物在体内的生物转运与生物转化

第三章外源化学物在体内的

生物转运与生物转化前言毒物的如何进入机体内的？在体内发生了什么？如何排出体外？1机体对外源性化学物生物转运和生物转化的途径2

第三章外源化学物在体内的生物转运和转化

前言外源化学物与机体接触后，经吸收、分布、代谢和排泄，然后在体内消失或离开机体。吸收（absorption）:外源化学物由与机体接触部位进入血液的过程。分布（distribution）:吸收入血的化学物经血流分散到全身组织细胞中的过程。代谢（metabolism）:在组织细胞中，外源化学物经各种酶系的催化，发生化学结构与性质的变化，称为代谢。也称代谢转化（metabolictransformation）或生物转化（biotransformation）.排泄（excretion)化学物经由不同途径排除体外的过程。3

代谢+排泄==清除（elimination）吸收、分布、排泄属物理学或生物物理学过程，统称为生物转运（biotranspotation）。代谢转化属由酶催化的化学过程或生物化学过程，称为生物转化（biotransformation）。将吸收、分布、代谢和排泄总称为生理处置或处置（physiologicaldispositionordisposition）;也称外源化学物的体内过程（toxicantprocessinginvivo.)也称ADME过程(Absorption；Distribution；Metabolism;Excretion)4DispositionBiotransportationabsorptiondistribution

excretionBiotranformation(metabolismmetabolictransformation)EliminationSummary5

§研究外源化学物ADEM过程的意义

阐明外源化学物毒作用机制探明化学物种属差异存在的原因预测人类暴露化学物后的处置及在毒性中的作用有助于阐明化学物的联合作用机制通过改变外源化学物的ADME过程来预防和治疗化学中毒6

第一节化学物在体内的生物转运

一、生物膜与生物转运（biomembrane)

（一）结构细胞膜（质膜）（cellmembrane)

细胞器膜:核膜、内质网膜、线粒体膜、溶酶体膜等

组成结构

＊脂质双分子层

＊膜蛋白（结构pro、受体、酶、载体、离子通道）

＊糖（少量）功能：

＊隔离功能

＊进行生化反应和生命现象的场所

＊内外环境物质交换的屏障

7(二)外源化学物通过生物膜的方式

1.被动转运（passivetransport）

＊简单扩散（simplediffusion)

＊滤过（filtration)2.特殊转运（specialtransport)

＊主动转运（activetransport)

＊易化扩散（facilitateddiffusion)

＊膜动转运（cytosis）

81.被动转运（passivetransport）（1）简单扩散（simplediffusion）

条件:♫浓度梯度(concentrationgradient)

♫脂质中的溶解度（solubilityinlipid）

♫脂/水分配系数（lipid/waterpartitioncoefficient)

♫解离或离子状态（dissociationorionization）9（2）滤过（filtration）毒物通过细胞膜上的小孔（约0.4um）跨

膜转运。H2O、乙醇、尿素，顺浓度梯度。10第一节化学物在体内的生物转运

2.特殊转运

（1）主动转运（activetransport）

§定义：逆浓度梯度

§特点：

①载体参加；②逆浓度梯度；③耗能；④载体有对毒物的特异、选择性；⑤运转量有极限（饱和）。11§已知的主动转运系统(两类）

☞ATP结合盒转运蛋白（ATP-bindingcassettetransporters,ABCtransporters)①多药耐药蛋白

（multidrugresistance,Mdr)

P-糖蛋白家族(phosphoglycoprotein,P-gp)②多耐受药物蛋白(multiresistantdrugprotein,Mrp)③乳腺癌耐受蛋白（breastcancerresistanceprotein,Bcrp)

12

☞溶质载体（solutecarriers,SLC)①有机阴离子转运多肽(organic-aniontransportingpeptide,Oarp

②有机阴离子转运蛋白(organic-aniontransporter,Oat)③肽类转运蛋白（peptidetranspoters,Pept)13(

2)易化扩散（facilitateddiffusion)膜上蛋白载体与毒物结合，构象发生变化，形成适合毒物透过的通道进入细胞，顺浓

度梯度,不耗能。SLC家族的有机阳离子转运蛋白

（organiccationtransporter)14

3.膜动转运（cytosis）①吞噬作用(phagocytosis)

固态颗粒入细胞内；②胞饮作用(pinocytosis)

液态颗粒入胞内；③胞吐作用(exocytosis)

细胞内到细胞外。15二、吸收

1.定义毒物从接触部位（一般为机体的外表面如皮肤或内表面如消化道粘膜、肺泡的生物膜）转运至血循环的过程。

2.毒理中常见的吸收部位：呼吸道、消化道、皮肤实验研究也用特殊途径：如腹腔、iv、im、皮下注射

16

3.吸收过程的首过消除（first-passelimination）定义：毒物从吸收部位转运到体循环的过程中就开始被消除的现象。常发生部位：胃肠道粘膜、肝、肺毒理学意义：可减少经体循环到达靶器官或组织的量，减轻毒效应。例子：乙醇：胃粘膜，醇脱氢酶氧化吗啡：小肠粘膜、肝内与葡萄糖醛酸结合17

（一）经胃肠道吸收部位：整个胃肠道，主要小肠吸收的机制：被动扩散、膜孔过滤、载体中介、膜动影响因素：♪毒物脂溶性、pKa;胃肠道pH

♪肠道菌群♪食物♪胃肠蠕动

18（二）经呼吸道吸收

特点：①肺泡吸收为主，快、仅次于静脉

②鼻粘膜有高度通透性，亦重要影响因素：

♪毒物的水溶性：高，上呼吸道；低，肺泡。

♪肺泡与血液中毒物浓度（分压）

♪血/气分配系数。

♪肺通气量，血流量。

♪颗粒物粒子大小

>5-30㎛，鼻咽区（惯性碰撞）

1-5㎛，气管、支气管、小支气管（沉积）

<1㎛肺泡（扩散）19（三）经皮吸收部位：表皮及附属器官（毛囊、汗腺、皮脂腺）。过程：穿透相：过角质层吸收相：进表皮较深层（颗粒层、棘层、生发层）→真皮（真皮内静脉、毛细淋巴管）入血影响因素：脂/水分配系数种属皮肤不同部位

皮肤完整性温湿度20（四）其它途径吸收腹腔皮下（内）肌肉静脉21定义：毒物经过吸收入血或体液后，随血液和淋巴液分散到全身各组织器官的过程。影响因素：

＊器官组织血流量

＊器官组织对毒物的亲和力

＊各种屏障的作用

＊某些细胞具有特殊膜转运机制三、分布（Distribution)22（一）毒物在组织器官中的贮存蓄积(accumulation)

外源化学物以相对较高的浓度富集于某些组织器官的现象称为蓄积

贮存库（storagedepot)

毒物在体内的蓄积部位。贮存库的意义：

＊急性中毒的保护作用

＊血中游离毒物来源，潜在危害常见贮存库：

＊血浆蛋白质

＊肝、肾

＊脂肪组织

＊骨骼组织23（二）体内特殊屏障1.屏障（barrier)定义有些器官或组织的生物膜具有特殊的形态学结构和生理学功能，可以阻止或延缓某些外源化学物进入,称为屏障.

2.体内常见屏障：

(1)血脑屏障（blood-brainbarrier)

解剖生理基础：

►

NS的血管内皮细胞紧密结合，细胞间无或小逢

►脑毛细血管内皮细胞的多药耐受蛋白（mdr)运毒物回血

►

NS毛细血管被星形胶质细胞包围

►

NS组织间液的蛋白质浓度较机体其它部位低24(2)胎盘屏障（placentalbarrier)

解剖生理基础：

►母体与胚胎组织成分的差别（如脂肪）

►母体与胎体之间的多层细胞，因动物种属而异人三层（血绒膜胎盘）兔妊娠初期6层（上皮绒膜胎盘），末期1层大鼠一层（血内皮胎盘）►胎盘的主动转运系统多药耐受蛋白（mdr)25四、排泄

§排泄（excretion）是化学毒物及其代谢产物向体外转运的过程。是生物转运的最后一个环节。§主要途径

＊经肾脏（尿液）排泄

＊经肝、胆汁（粪便）排泄

▪肠肝循环（enterohepaticcirculation)

＊经肺（呼气）排泄

＊其它途径：脑脊液、乳汁、汗液、唾液毛发、指甲26第二节外源化学物在体内的生物转化一、生物转化及意义☞生物转化（biotransformation)

外源化学物在体内经酶促反应或非酶促反应形成代谢

产物的过程。也称为代谢转化。☞生物转化的意义

＊利于排泄

＊代谢解毒（metabolicdetoxication)

＊代谢活化(metabolicactivation)

生物活化（bioactivation)

27

§§代谢物（metabolite)

§活性中间产物（reactiveintermediate)

＊亲电子剂

＊自由基

＊亲核剂（少见）

＊氧化还原剂（少见）28B(a)P7,8-二羟二醇-9，10-环氧化物B(a)P体内代谢活化过程苯并芘的代谢活化29

二、生物转化酶☞生物转化酶（毒物代谢酶）

结构酶：在体内持续地少量表达的酶。

诱导酶：受外来化学物刺激（诱导）合成的酶。☞毒物代谢酶特性：

广泛的底物特异性

多态性

立体选择性30☞毒物代谢酶的分布

组织分布

＊肝：种类最多，活性最强；

＊小肠：次之

＊皮肤、肺、鼻粘膜、眼也具有＊其他：如肾、脾、心、脑、生殖器官、胎盘、血

也有一定的代谢能力

细胞内分布：内质网（微粒体）、胞质主要分布胞核、线粒体、溶酶体分布较少。

高脂溶性物质的代谢酶多位于生物膜；高水溶性物质的代谢酶多位于细胞质31第二节外源化学物在体内的生物转化

三、生物转化类型☞Ⅰ相反应

氧化(Oxidation)

还原(Reduction)

水解(Hydrolysis)使毒物分子暴露或增加功能基团，水溶性↑，成为Ⅱ相反应的底物。

☞Ⅱ相反应

结合(Conjugation)

I相反应产物与内源性辅助因子（功能基团）结合生成易从机体内排泄的结合产物。

32

☞Ⅰ相反应

氧化反应

参与的酶

反应的类型及33

参与的酶及反应1.细胞色素P-450酶系（细胞内定位、成分组成、命名、反应机制、催化反应的类型）

2.微粒体黄素单加氧酶（FMO）

3.微粒体外的氧化反应

醇脱氢酶（LDH）、醛脱氢酶（ALDH)鉬羟化酶、单胺氧化酶（MAO）、过氧化物酶依赖的共氧化反应Flavin-containingMonoxygenase34

还原反应：

还原酶：细胞色素P450、黄素蛋白酶、

肠道菌群的还原酶

还原反应类型：

偶氮还原和硝基还原

羰基还原

醌还原（脂质过氧化、自由基、多柔比星、百草枯、6-羟基多巴胺)

脱卤反应(CCl4)35

水解反应

水解酶；

酯酶

酰胺酶

肽酶

还氧化物水化酶36☞Ⅱ相反应

结合反应（conjugation)1.葡萄糖醛酸结合

2.乙酰化

3.硫酸结合

4.氨基结合

5.甲基化

6.谷胱甘肽结合各种转移酶！37四、影响化学物毒物生物转化的因素☞

物代谢酶的遗传多态性(geneticpolymorphism)

定义：

遗传多态性系指在群体中出现了频率大于1%的多种等位基因形式。

实例：＊人的CYP1A1（芳烃羟化酶）＊谷胱甘肽S-转移酶（GST）＊N-乙酰转移酶(NAT)38☞毒物代谢酶的诱导和阻遏

酶的诱导（enzymeinduction）许多外源化学物可引起某些代谢酶含量增加并伴有活力增强，这种现象称为～。

诱导剂(inducer)

凡具有诱导效应的化学物称为～。

▪双功能诱导剂：可诱导结合反应有关酶类和CYP超家族。

▪单功能诱导剂：能诱导催化还原、水解、结合反应的酶类，但不能诱导细胞色素P450.39

毒物代谢酶的主要诱导剂

＊巴比妥类以PB为代表，可诱导CYP2B1/2、2C、3A1/2、NADPH-细胞色素P-450还原酶、EH、UDPGT和GST；＊多环芳烃类以3-MC为代表可诱，导CYP1A1/2、EH和ST；＊醇/酮类如乙醇、异烟肼可诱导CYP2E1；＊甾类如孕烯醇酮16α-腈、地塞米松可诱导CYP3A1/2；＊氯贝特（安妥明）类过氧化物酶体诱导剂：可诱导CYP4A1/2和NAT。＊多氯联苯（PCB，如Aroclor1254）兼有PB和3-MC样诱导作用40

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。

例子：过氧化物酶体增生剂在诱导CYP4A1、UDPGT、sEH等酶合成的同时，显著降低了几种GST和CYP同工酶的表达水平。

41第二节外源化学物在体内的生物转化☞毒物代谢酶的抑制与激活

酶抑制

＊竞争性抑制因为毒物代谢酶的底物特异性相对较低，活性有限，如同时有两种或两种以上的外源化学物为一种酶代谢，可发生竞争性抑制。这种抑制并不影响酶的活性及含量，而是一种毒物占据了酶的活性中心，导致其它毒物的代谢受阻。

42＊非竞争性抑制

(1)与酶活性中心发生可逆或不可逆性结合

(2)破坏酶结构和功能。

(3)减少酶的合成

(4)变构作用

(5)缺乏辅因子43

毒物代谢酶的激活（activation）指外源化学物直接作用于酶蛋白，使其活性增加，但不涉及酶蛋白的诱导合成。

44P52-53生物转化反应（酶）及其亚细胞定位SummaryaboutMetabolicEnzyme45

第三节毒物动力学♫毒物动力学（toxicokinetics)

从速率论的观点出发，用数学模型分析和研究毒物在体内的吸收、分布、代谢和排泄的过程及其动力学（动态变化）的规律。♫毒物动力学研究目的

求出动力学参数，以阐明不同染毒频度、剂量、途径下化学毒物的吸收、分布及消除特征，为完善毒理学试验设计提供依据；

根据化学毒物时-量曲线变化规律及毒理学效应的性质与强度之间的关系，明确靶器官，解释毒作用机制；

应用于人的危险度评价。46一、经典毒物动力学的基本理论

☞速率理论（ratetheory）

☺一级速率过程(firstorderrateprocess)

☻零级速率过程(zeroorderrateprocess)☞房室模型理论(compartmentmodeltheory)

一室模型(one–compartmentmodel)

多室模型(multi-compartmentmodel)47

☞速率论

毒物在机体内随时间进程而发生的浓度（量）的变化，由于化学结构、理化性质及在体内不同部位的生物环境和脏器不同，其速率过程有两种：

☺一级速率过程进入到体内毒物的量，尚未超出机体对它的运转能力，因此毒物在体内随时间的变化速率与毒物的浓度成正比。公式为：

dc/dt=-KeC；C=C0e-ketdc/dt

为毒物浓度随时间的变化率；

Ke

为一级消除速率常数;C为时间t时毒物的血浆浓度；C0为t=0时毒物的初始血浆浓度。

48也可表达为：

毒物在体内某一瞬间的变化速率与其瞬时含量的一次方成正比。

dc/dt=-KeC1

多数毒物在体内过程符合一级速率过程。49进入体内的毒物的量未超过机体对它的运转能力。如以毒物在血浆中的浓度或体存量对应时间作图，用普通坐标表示为曲线；如将纵坐标改为对数单位，则为直线，表明毒物量等比衰减。

♪毒物的生物半减期恒定；不因毒物本身数量、染毒途径或方式而发生变化。

♪单位时间内从体内消除的毒物量与体存量呈正比；

♪半对数时-量曲线为直线；

♪多次染毒或增加毒物剂量，能相应增加其血浆浓度，但不能缩短达到稳定状态的时间，也不能按比例延长毒物消除时间。(5thEd)

♫一级速率过程的特点：50☞零级速率过程

当毒物的量超过机体的运转能力，则它们的运转速度与其本身的数量无关。即运转速度与毒物数量的零次方成正比。此时毒物的转运速度恒等于机体对它们的最大运转能力。公式：dc/dt=-Ke

说明毒物在体内随时间变化速率过程与毒物浓度无关.dc/dt=-KeC051以毒物血浆浓度或体存量对应时间作图，普通坐标表示为直线，表示单位时间内毒物衰减数量相等(最大消除能力），与原有数量无关。♪恒量衰减，相当于机体最大消除能力，与体存量无关。。

♪毒物半减期不恒定，而与其数量成正比。数量多t1/2长，当毒物数量降低至机体最大消除能力以下时，则转变为一级速率过程衰减。

♪多次重复染毒或加大毒物剂量，血浆毒物浓度的增加与剂量增加不成正比，随剂量增加血毒物浓度超比例增加、超比例升高其稳定浓度并延长消除时间，致使毒物在体内负荷剧增，毒效应显著增强。♫零级速率的特点52☞房室模型

房室模型（compartmentmodel)

动力学上根据转运转化性质及特点，把机体组织、器官或体液分为若干部分，每个部分叫做房室，用以描述毒物在体内的分布状态，并因此推倒出代谢动力学的有关参数和数学方程。

说明：房室不是具备解剖学位置或生理学功能的概念。是指在动力学上相互之间难以区分、转运转化性能相近的组织、器官和体液。凡是转运、转化相似者均可以视为一个房室。

53♫一房室模型(one-compartmentmodel)

毒物转运速率高，入血后迅速而均匀地分布全身并呈现出一致的消除过程、可将整个机体视为一个房室.♫多房室模型(multi-compartmentmodel)

毒物入血后，在体内不同部位的转运和转化速率不同，在达到平衡时要有一个分布过程，可视为多房室模型。

54♪多房室模型的组成：

由一个中央室和若干个周边室相互连接而成。

中央室多由血液及供血丰富、血流通畅的组织、

脏器组成，如细胞外液、心、肝、肾、腺体等。

周边室则由供血量少、血流缓慢或化学物不易通

过的脏器如静止状态的肌肉、脂肪、骨、皮肤。55第三节毒物动力学♪封闭式模型如化学物进入机体后仅在各房室间转运、而从不从机体排泄或代谢转化的，称为封闭式模型♪开放式模型如毒物以各种途径、不可逆地从机体排泄或经历代谢过程的，称为开放式模型，大多数毒物符合开放式模型。

56☞时量曲线(concentration－timecurve)

用以表示血浆毒物浓度随时间变化的动态过程。

在染毒后不同时间采血样，测定血毒物浓度，以血毒物浓度为纵坐标，时间为横坐标作图即为毒物浓度时间曲线简称时量曲线，通过曲线可定量地分析毒物在体内动态变化。

毒物在体内的吸收、分布、代谢及排泄过程是同时进行的。时量曲线实际上是吸收率、分布速率和消除速率的代数值。57

♫非静注染毒的时量曲线

可分为三个期：

潜伏期

持续期

残留期58♫一房室开放模型时量曲线：当毒物吸收人血循环后，立即均匀分布到全身体液和各组织器官中，迅速达到动态平衡，称为一室开放模型。

♪特点：①毒物在任何时间的消除速率与毒物该时间在体内的量成正比；②血浆浓度的对数值对时间作图得一直线；③毒物半减期(t1/2）恒定，不因染毒剂量高低而变化；④血浆和其它组织的毒物浓度以单位时间某恒定分值（消除速率常数，Ke）减少，即恒比衰减。59

图3－12一次染毒一房室模型时-量曲线实线表示静脉注射染毒的时－量曲线；虚线表示静脉外染毒时吸收过程对时－量曲线的影响。60♫二房室开放模型时量曲线特点

♪iv入机体内，且符合一级速率过程的化合物，时量曲线在半对数坐标上表现为二项指数衰减曲线。

前段下降迅速，反应毒物从中央室向周边室分布过程（同时有消除），称为分布相、快相；

后段曲线下降趋缓，反应毒物消除过程，称为消除相或慢相；

♪非iv，分布相可部分或全部被上升趋势的吸收相遮盖，此时与一房室曲线类似。61

☞

毒物动力学基本参数♫消除半减期（t1/2）指体内血毒物浓度下降一半所需的时间。它是表示毒物消除速度的参数，t1/2短，说明毒物消除迅速，不易蓄积中毒。如属于一级速率过程，t1/2为恒定值，衡量机体消除毒物的能力。一房室模型：t1/2=0.693/Ke

二方式模型：分布相：t1/2α＝0.693/α

消除相：t1/2β＝