外源化學物在體內(nèi)的生物轉運與轉化第二章課件

1、第三章外源化學物在體內(nèi)的生物轉運與轉化1生物轉運：吸收、分布和排泄的過程（ biotransprotation ）；生物轉化：化學物代謝變化的過程（biotransformation）；消除：化學物的代謝和排泄合（elimination ）。2 闡明毒作用機制，對化學物處置的物種差異，預測人類暴露化學物后的處置及毒性作用； 闡明聯(lián)合毒作用的機制，外源化學物可在ADME過程中交互作用，改變其在靶器官中的濃度； 可通過改變外源化學物ADME過程，以預防和治療外源化學物中毒 ADME過程研究的重要意義3第一節(jié)生物膜和生物轉運4 外源化學物的吸收、分布和排泄過程是通過由生物膜構成的屏障結構的過程 生物

2、膜（biomembrane）是細胞膜（cell membrane，也稱質膜）和細胞器膜的總稱 56 生物膜主要由脂質和蛋白組成，表面也含有少量的糖。生物膜的基本結構是連續(xù)排列的脂質雙分子層，膜蛋白可以是結構蛋白、受體、酶、載體和離子通道等7 隔離功能，包繞和分隔內(nèi)環(huán)境； 重要生化反應和生命現(xiàn)象的場所； 內(nèi)外環(huán)境物質交換的屏障生物膜的主要功能生物膜也是一些毒物的毒作用靶8化學物通過生物膜的轉運方式 被動轉運 主動轉運 (active transport)； 膜動轉運 (cytosis) 胞吞 (endocytosis)：吞噬、胞飲； 胞吐 (exocytosis) 簡單擴散（simple dif

3、fusion）； 易化擴散（facilitated diffusion）； 濾過（filtration）91. 單純擴散（simple diffusion）對象：脂溶性的非極性分子(CO2和O2等)特點：順濃度梯度10 膜兩側存在濃度梯度； 外源化學物有脂溶性； 外源化學物是非解離狀態(tài)。簡單擴散方式的條件 簡單擴散方式不消耗能量，不需載體，不受飽和限速與競爭性抑制的影響112. 經(jīng)載體易化擴散（facilitated diffusion） 概念：在載體蛋白的幫助下，水溶性的小分子物質順濃度梯度的擴散 對象：水溶性的小分子如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等12經(jīng)載體易化擴散的溶質濃度與溶質跨膜擴散速率的

4、關系曲線 特點：順濃度梯度移動，飽和現(xiàn)象，結構特異性, 競爭性抑制13經(jīng)通道(channel)的易化擴散1415 Na+ 葡萄糖 Na+ 氨基酸 緊密連接 K+ K+ 鈉泵 鈉泵 Na+ Na+ 載體 載體 葡萄糖 氨基酸16胞吞（endocytosis）17胞 吐18 需有載體參加； 外源化學物可逆濃度梯度轉運； 消耗能量，代謝抑制劑可阻止轉運過程； 載體對轉運的外源化學物有特異選擇性； 轉運量有一定極限，載體可達飽和狀態(tài)； 兩種外源化學物間可出現(xiàn)競爭性抑制 主動轉運的特點目前已鑒定的主動轉運系統(tǒng)有8種19大分子物質跨膜轉運示意圖 20 外源化學物本身結構； 分子量大?。?脂-水分配系數(shù)；

5、帶電性； 內(nèi)源性物質的相似性影響轉運的主要因素21 當一種物質在脂相和水相的分配達到平衡時，其在脂相和水相中溶解度的比值脂-水分配系數(shù)（lipid-water partition coefficient）22第二節(jié) 吸 收23 外源化學物從接觸部位（機體的外表面或內(nèi)表面的生物膜）轉運至血循環(huán)的過程吸收（absorption）24 呼吸道； 消化道； 皮膚； 腹腔、肌肉、皮下、靜脈注射；25（first-pass effect）首過效應 減少經(jīng)體循環(huán)到達靶器官組織的外源化學物數(shù)量； 減輕毒性效應； 與吸收部位的損傷有關 26 毒物的吸收可發(fā)生于整個胃腸道，主要是在小腸。腸絨毛可增加200-300

6、m2的小腸吸收面積一、經(jīng)胃腸道吸收 被動擴散； 膜孔過濾； 載體中介； 吞噬或胞飲27 外源化學物經(jīng)胃腸道被動擴散主要取決于外源化學物的脂溶性和pKa、胃腸道腔內(nèi)pH28 有機酸在胃內(nèi)（pH2）主要呈非解離狀態(tài)，脂溶性大，主要在胃和十二指腸內(nèi)吸收，而有機堿在胃內(nèi)呈解離狀態(tài)難以吸收，主要在小腸吸收。分子量較小的水溶性外源化學物可經(jīng)膜孔濾過。通過膜孔的水流可能攜帶小分子外源化學物通過膜。 29 某些外源化學物可以通過相同的特殊轉運系統(tǒng)吸收。氟尿嘧啶通過嘧啶轉運系統(tǒng)吸收，鉈、鈷和錳通過鐵轉運系統(tǒng)吸收，鉛通過鈣轉運體吸收。某些二肽和寡肽轉運體在含有-內(nèi)酰胺結構的藥物的主動吸收中發(fā)揮重要的作用。30 胃

7、腸道至少有一個主動轉運系統(tǒng)可減少外源化學物的吸收，多藥耐受轉運體(mdr)定位于腸細胞，當mdr的底物進入腸細胞時，可被排回到腸腔，不易從胃腸道吸收。 一些顆粒物質和液滴可通過吞噬或胞飲作用進入小腸上皮細胞。31 某些外源化學物受胃腸道中的消化酶或菌群的作用后，可形成新的外源化學物而影響其吸收或改變其毒性。小腸內(nèi)的菌群還能還原芳香硝基成芳香胺32 胃腸道的內(nèi)容物減少、胃排空時間和腸蠕動減緩均有助于增加外源化學物的吸收 33 呼吸道各部分結構不同，對外源化學物的吸收情況也不同； 以肺泡吸收為主，速度快； 鼻腔粘膜通透性高，吸收部分毒物二、經(jīng)呼吸道吸收34 氣態(tài)物質水溶性影響其吸收部位，易溶于水的

8、氣體在上呼吸道吸收，水溶液性較差的氣體則可深入肺泡，并主要通過肺泡吸收35 氣態(tài)物質到達肺泡后，主要經(jīng)簡單擴散透過呼吸膜而進入血液，影響吸收速度的主要因素是肺泡和血液中物質的濃度(分壓)差、溶解度、肺通氣量和血流量36 當外源化學物在呼吸膜兩側的分壓達到動態(tài)平衡時，血液內(nèi)的濃度與在肺泡空氣中的濃度之比血-氣分配系數(shù)（blood-gas partition coefficient）37 血氣分配系數(shù)低的氣態(tài)化學物經(jīng)肺吸收速率主要取決于經(jīng)肺血流量，在血液和氣相之間達到平衡時間約為8-21min 血氣分配系數(shù)高的氣態(tài)化學物經(jīng)肺吸收速率主要取決于呼吸頻率和深度，在血液和氣相之間達到平衡的時間至少為1h

9、 38 影響氣溶膠吸收的重要因素是氣溶膠中顆粒的大小和化學物質的水溶性。氣溶膠的沉積部位主要取決于顆粒物大小 5m，沉積在鼻咽部； 1-5m，主要沉積在肺的氣管支氣管區(qū)域； 1m及以內(nèi)，可達肺泡39 顆粒物：上呼吸道炎癥、肺炎、肺肉芽腫、肺癌、肺塵埃沉著病、過敏性肺部疾患； 可溶性有毒顆粒物：吸收入血引起中毒； 影響因素：生理學的差異、暴露條件40三期矽肺41 化學物質主要通過表皮吸收。化學物質經(jīng)皮吸收必須通過多層細胞才能進入真皮小血管和毛細淋巴管?；瘜W物質經(jīng)皮吸收的限速屏障是表皮的角質層42 外源化學物擴散通過角質層經(jīng)皮吸收第一階段 極性物質似乎是通過含水的角質層蛋白細絲的外表面擴散； 非極

10、性分子則溶解于蛋白細絲間脂質基質并擴散。擴散速度與其脂溶性成正比，與其分子量成反比三、經(jīng)皮膚吸收43 毒物擴散通過表皮較深層(顆粒層、棘層和生發(fā)層)及真皮，然后通過真皮內(nèi)靜脈和毛細淋巴管進入體循環(huán)經(jīng)皮吸收第二個階段 擴散的速度取決于血流、細胞間液體運動，以及與真皮成分的相互作用 44 脂水分配系數(shù)； 分子量； 表皮損傷； 皮膚潮濕； 溶劑（DMSO）影響因素45 對毒物的通透性不同，陰囊 腹部 額部 手掌 足底。不同物種動物皮膚通透性不同?；瘜W物質經(jīng)皮膚附屬物吸收和穿透角質層都有高度的物種依賴性 皮膚血流量和有助于吸收的皮膚生物轉化也有物種差異 46 靜脈注射：外源化學物直接進入血液，分布到全

11、身； 腹腔注射：豐富的血流供應和相對廣大的表面積，外源化學物的吸收迅速； 皮下或肌肉注射：吸收較慢，可直接進入體循環(huán)四、其他途徑吸收47第三節(jié) 分 布48 吸收進入血液和體液后，隨血流和淋巴液分散到全身各組織的過程一、化學物分布的毒理學意義分布（distribution） 器官或組織的血流量和親和力； 初始分布階段主要取決于器官或組織的灌注速率；再分布（redistribution）49 某些毒物不易通過細胞膜而使其分布受限，僅存在于血液中； 有些毒物可迅速通過細胞膜而分布在全身； 有些毒物因為蛋白結合、主動轉運或高度脂溶性而在機體的某些部位蓄積 50 毒物蓄積部位可被認為是貯存庫（stora

12、ge depot）。貯存庫中的毒物總是與血漿中的游離型保持動態(tài)平衡。有蓄積性的化學物可有很長的生物半減期 二、毒物在組織中的貯存51 血漿中各種蛋白均有結合其他化學物質的功能。不同的外源化學物與血漿蛋白質結合的量不同，清蛋白的結合量最高。結合型外源化學物由于分子量增大，不能跨膜轉運，暫無生物效應，不被代謝排泄，可延緩消除過程和延長外源化學物的毒作用 （一）血漿蛋白質作為貯存庫52 外源化學物與血漿蛋白結合可降低血游離型外源化學物濃度，增加胃腸道或腎小管與血液的濃度梯度，增加從胃腸道或腎小管向血液的擴散。 外源化學物與血漿蛋白結合是可逆的，與血漿中游離型外源化學物形成動態(tài)平衡。游離型外源化學物轉

13、運到靶部位產(chǎn)生毒作用，其濃度與毒作用強度相關。 53 鉛塵 肺部彌散或吞噬作用 血液與紅細胞結合 血漿 (90%) (磷酸氫鉛 或血漿蛋白鉛) 肝、腎、 脾等器官沉積 骨骼、毛 發(fā)等蓄積 （磷酸鉛）（9095%） 體內(nèi)酸堿平衡失調鉛在體內(nèi)的分布54 在肝和腎等組織以主動轉運方式使血漿外源化學物游離型濃度迅速降低，外源化學物可迅速從血漿蛋白解離。不同的外源化學物與血漿蛋白的結合是有競爭性的，結合力更強的外源化學物可取代已被結合的外源化學物，使之成為游離態(tài)而顯示毒性。55 與血漿蛋白結合的差異也可導致外源化學物分布的物種差異，主要的是清蛋白濃度、結合親和力和(或)與內(nèi)源性物質的競爭結合的物種差異。

14、 56 肝和腎具有與許多外源化學物結合的能力。這些組織細胞中含有一些特殊的結合蛋白（二）肝和腎作為貯存庫配體蛋白(ligandin)金屬硫蛋白(metallothionein)57 脂溶性有機物易于分布和蓄積在體脂內(nèi)。外源化學物在脂肪中的貯存可降低其在靶器官中的濃度。對肥胖者的毒性要比消瘦者低。但當脂肪迅速動用時，可使血中濃度突然增高而引起中毒。（三）脂肪組織作為貯存庫58 由于骨骼組織中某些成分與某些外源化學物有特殊親和力，這些物質在骨骼中的濃度很高。（四）骨骼組織作為貯存庫 外源化學物在骨中的沉積和貯存是否有損害作用，取決于外源化學物的性質。59 屏障是阻止或減少外源化學物由血液進入某種組

15、織器官的一種生理保護機制。主要的屏障有血-腦脊液屏障和胎盤屏障等，但是這些屏障都不能有效地阻止親脂性物質的轉運。三、特殊的屏障60 血-腦脊液屏障（blood-brain barrier）并非是對毒物進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的完全屏障，僅表現(xiàn)為較身體其他多數(shù)部位的通透性小。 （一）血-腦脊液屏障61中樞神經(jīng)系統(tǒng)的血管內(nèi)皮細胞結合緊密，細胞間沒有或僅有很小的孔隙。 腦毛細血管內(nèi)皮細胞含有一種ATP依賴的轉運體即多藥耐受蛋白(mdr蛋白)，它可將某些化學物質轉運回血液。 中樞神經(jīng)系統(tǒng)的毛細血管很大程度上被膠質細胞(星狀細胞)包圍。 中樞神經(jīng)系統(tǒng)組織間液的蛋白質濃度較機體其他部位要低。 62 胎盤的作用尚未

16、確定。致畸物、致癌物可經(jīng)過胎盤致畸或致癌。大多數(shù)脂溶性外源化學物經(jīng)被動擴散通過胎盤，脂溶性越高，達到母體-胚胎平衡越迅速。胚胎中不同組織的毒物濃度則取決于胚胎組織濃集該毒物的能力。 （二）胎盤屏障(placental barrier)63 胎盤的細胞層數(shù)隨動物物種不同和不同妊娠階段而各異。胎盤層數(shù)和其通透性關系不確定，但目前不認為它是決定化學物質分布到胎體的最重要的因素64 單純擴散：大部分毒物； 主動轉運：與內(nèi)源性嘌呤和嘧啶結構類似的抗代謝物； 生物轉化：防止某些有毒物質到達胎體。外援化學物通過胎盤的機制 胎體不同組織中毒物的濃度取決于胎體組織富集毒物的能力。65 血-眼屏障； 血-睪丸屏障

17、（三）其他屏障66 某些細胞具有特殊的膜主動轉運機制，主動攝取毒物或排出毒物，使這些細胞成為靶細胞或使細胞避免毒物的損傷四、特殊的膜轉運機制67第四節(jié) 排 泄68 排泄（excretion）是外源化學物及其代謝產(chǎn)物向機體外轉運的過程。毒物主要經(jīng)腎臟（尿）、經(jīng)糞便和經(jīng)肺（呼氣）排出。還可隨各種分泌物，如汗、唾液、淚水和乳汁等排出 69 腎臟是排泄外來外源化學物最重要的器官，涉及腎小球的被動濾過、腎小管的重吸收和主動分泌。一、經(jīng)腎臟(尿)排泄70（一）腎小球濾過 腎小球的毛細管有較大的膜孔(約7-10nm)并有濾過壓，分子量體液容量，說明組織攝取量大、毒物與組織蛋白結合或對藥物有特殊親和力，藥物貯

18、存于某些特定組織中。 93 表示體內(nèi)消除毒物的快慢，可以單位時間內(nèi)體內(nèi)毒物被消除的百分率表示，其單位為h-1。Ke值大，說明消除速率快。如Ke為0.25 h-1，表示每小時可消除25%。 4消除速率常數(shù)(elimination constant，Ke)94 整體動物清除率(clearance，CL)是指在單位時間內(nèi)，從體內(nèi)清除表觀分布容積的部分，即每單位時間多少升血中毒物量被清除，其單位為L/h或U(hkg)。5清除率95 當毒物流經(jīng)某一消除器官時，每單位時間被消除的毒物量稱為消除速度(rate of elimination, RE)，其單位為g/h。被消除的毒物的百分數(shù)稱為消除率(elimi

19、nation ratio, ER)，用%表示。 96 生物利用度(bioavailability，F(xiàn))又稱生物有效度，是指毒物被機體吸收利用的程度。經(jīng)口生物利用度指經(jīng)口染毒的AUC與該毒物靜注后的AUC的比值，以經(jīng)口吸收百分率表示。F=(AUCpo /AUCiv) 1006生物利用度97(absorption constant，Ka)、峰濃度(peak concentration，Cm)、峰時間(peak time, Tm)均表示毒物吸收程度和特點。 7吸收速率常數(shù)98 房室的劃分取決于毒物在體內(nèi)轉運速率。當毒物在體內(nèi)轉運速率高，體內(nèi)分布迅速達到平衡時，可將機體看成單一房室模型。 8房室概念9

20、9 如果毒物在體內(nèi)不同器官被認為是中央室，血流量少而穿透率慢的器官，不能立即與血液中毒物達到平衡，被認為是周邊室，可把機體設想為二室或多室模型。大多數(shù)毒物在體內(nèi)的轉運和分布符合二室模型，但經(jīng)過一段時間體內(nèi)毒物分布達到平衡后，其消除率恒定時，此時兩室可視為一室。 100101第六節(jié)毒物的代謝轉化102一、生物轉化和毒物代謝酶 外源化學物在機體內(nèi)經(jīng)多種酶催化的代謝轉化，是機體維持穩(wěn)態(tài)的主要機制 生物轉化（biotransformation ）103 I相反應包括水解、還原和氧化反應，導致水溶性少量的增加。 相反應包括葡萄糖醛酸化、硫酸化、乙?；?、甲基化，與谷胱甘肽結合以及與氨基酸結合。 可導致外源

21、化學物的水溶性顯著增加，加速其排泄。 改變外源化學物的毒效學性質。（一）生物轉化的意義104圖3-8 相反應和相反應105代謝活化生成親電子劑；生成自由基；生成親核劑；生成氧化還原劑。 生物轉化可使毒物的毒性增強，甚至產(chǎn)生致癌、致突變和致畸效應（metabolic activation）106 生物轉化酶類在體內(nèi)持續(xù)地少量表達，稱為結構酶；外源化學物可刺激(誘導)很多生物轉化酶類合成，稱為誘導酶。 某些生物轉化酶具有多態(tài)性，其結構和活性不同。不同個體的生物轉化酶多態(tài)性，造成外源化學物生物轉化速度的個體差異?；瘜W物生物轉化酶中氨基酸改變對催化活力的影響通常存在底物依賴性。107 有些手性外源化學

22、物的生物轉化具有立體選擇性，即一種對映體(或立體異構體)的生物轉化速率要快于另一對映體。 有些手性外源化學物具有抑制生物轉化酶的能力，也具有立體選擇性。108 肝臟是含外源化學物生物轉化酶最豐富組織，次之為皮膚、肺臟、鼻粘膜、眼及胃腸道等 （三）毒物代謝酶的分布109 外源化學物生物轉化酶主要位于內(nèi)質網(wǎng)(微粒體)或脂質的可溶部分(胞漿)，在線粒體、細胞核及溶酶體則較少分布。內(nèi)質網(wǎng)富含生物轉化酶是因為經(jīng)尿液或膽汁排泄的外源化學物多為脂溶性，在內(nèi)質網(wǎng)脂質雙層中易于溶解進行生物轉化110表3-1 生物轉化的主要器官和細胞轉化能力器 官細 胞強肝臟實質細胞(肝細胞)肺臟Clara細胞、型上皮細胞中等

23、腎臟近曲小管細胞小腸 粘膜內(nèi)層細胞皮膚 上皮細胞弱 睪丸輸精管與支持細胞111 氧化反應； 還原反應； 水解反應二、I相反應（phase I biotransformation）112 微粒體細胞色素P-450酶系又稱為微粒體混合功能氧化酶(microsomal mixed function oxidase，MFO)，或單加氧酶(monooxygenase)。血紅素蛋白類(細胞色素P-450和細胞色素b 5)、黃素蛋白類(NADPH-細胞色素P-450還原酶和NADH-細胞色素b5還原酶)和磷脂類。（一）氧化作用1細胞色素P-450酶系113表3-3 人肝主要P-450底物、抑制劑和誘導劑舉例

24、P-450底 物 抑 制 劑CYPlA2乙酰苯胺，咖啡因萘黃酮焦牛肉，吸煙CYP2A6香豆素，丁二烯二乙二硫氨甲酯苯巴比妥(PB)CYP2B6環(huán)磷酰胺鄰甲基苯海拉明未知CYP2C8酰胺咪嗪槲皮素未知CYP2C9雙氯高滅酸，苯妥英苯磺唑酮利福平CYP2C19安定，環(huán)己烯巴比妥反苯環(huán)丙胺利福平CYP2D6異喹呱氟西汀，洛貝林，奎尼丁未知CYF2E1乙醇，亞硝胺氨基三唑，二甲亞砜乙醇，異煙肼CYF3A4尼非地平，二氫吡啶乙炔雌二醇地塞米松，PB，利福平114細胞色素P-450催化的氧化反應：(1)脂肪族或芳香族碳的羥基化；(2)雙鍵的環(huán)氧化作用；(3)雜原子(S-、N-、I-)的氧化和N-羥基化(4

25、)雜原子(O-、S-、N-和Si-)脫烷基作用；(5)氧化基團的轉運；(6)酯的裂解；(7)脫氫作用。115 肝、腎、肺等組織微粒體含一種或幾種含黃素單加氧酶(microsomal flavin-containing monoxygenase，F(xiàn)MO)可氧化多種毒物的親核性氮、硫和磷雜原子。此酶以黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)為輔酶，需要NADPH和O2。由FMO催化的很多反應也可為P-450催化。2微粒體含黃素單加氧酶116 催化親電子的胺氧化生成N-氧化物； 催化伯胺氧化生成羥胺和肟； 氧化含硫的外源化學物和磷化氫分別生成S-和P-氧化物； 催化肼類化合物、碘化物、硒化物和含硼化合物。FMO

26、的功能1173醇、醛、酮氧化-還原系統(tǒng)和胺氧化（1）醇脫氫酶（ADH）（2）乙醛脫氫酶（ALDH）（3）二氫二醇脫氫酶（4）鉬水解酶（molybdozymes）（5）單胺氧化酶、二胺氧化酶118 過氧化物酶催化的外源化學物生物轉化，包括氫過氧化物的還原和其他底物氧化生成脂質氫過氧化物，這一過程稱為共氧化。幾種不同的過氧化物酶可催化外源化學物的生物轉化，它們見于各種組織和細胞內(nèi)。4過氧化物酶依賴性的共氧化反應119 (二)還原作用1硝基和偶氮還原2羰基還原作用4醌還原3二硫化物、硫氧化物和N-氧化物還原5脫鹵反應120 主要由酯酶和酰胺酶、肽酶、環(huán)氧水化酶催化2肽酶3. 環(huán)氧水化酶1酯酶和酰胺酶

27、(三)水解作用（hydrolysis）121 又稱為結合作用（conjugation） 與內(nèi)源性輔因子反應：原有的功能基團或由相反應引入（暴露）的功能基團三、相反應（phase biotransformation）122 除了甲基化和乙?；Y合反應外，其他相反應顯著增加毒物的水溶性，促進其排泄。葡糖醛酸結合、硫酸結合、乙?；饔谩⒓谆饔蒙婕盎罨模ā案吣堋钡模┹o因子，而與谷胱甘肽（GSH）結合和與氨基酸結合則是與活化的毒物反應。123 是相反應中最普遍進行的一種，由UDP-葡糖醛酸基轉移酶（UDP-glucuronyl transferase，UDPGT）催化，對毒物的代謝（解毒和活化）具

28、有重要的作用(一)葡糖醛酸結合（glucuronidation）124 硫酸結合反應的供體是3-磷酸腺苷-5-磷酰硫酸(PAPS)，在磺基轉移酶(sulfo-transferase)作用下，生成硫酸酯：(二)硫酸結合ROH+PAPS ROSO3H+PAP（sulfate conjugation）125 同一種毒物與硫酸和葡糖醛酸結合的相對量取決于染毒劑量。在低劑量時主要的代謝產(chǎn)物為硫酸結合物，劑量增加則與葡糖醛酸結合的比例增加 外源外學物的硫酸結合物主要經(jīng)尿排泄，少部分從膽汁排泄。毒物與硫酸結合后尿中有機硫酸酯與無機硫酸鹽比值明顯增加，可以用作一些毒物的接觸指標126（三）乙?；饔?酶催化或非酶催化的從乙酰輔酶A將乙?；D移到含伯胺、羥基或巰基的毒物。 肝是N-乙?；饔玫闹饕鞴?。芳香伯胺和肼的伯胺基