環(huán)境毒理學(xué)4-5課件

1、2.3 外源化學(xué)物的生物轉(zhuǎn)化 2.3.1 基本概念和一般機(jī)理 主要代謝器官：肝臟 肝外代謝：肺、腎、腸道、腦、皮膚、睪丸、卵巢、腎上腺以及胎盤等其它組織器官。 外源化學(xué)物在生物機(jī)體中發(fā)生的系列化學(xué)變化過程稱為生物轉(zhuǎn)化（biotransformation）或代謝轉(zhuǎn)化，代謝轉(zhuǎn)化所形成的衍生物或分解產(chǎn)物稱為代謝物（metabolite）。生物轉(zhuǎn)化氧化還原水解結(jié)合第一相反應(yīng)第二相反應(yīng) 外源化學(xué)物排出體外引入極性基團(tuán)，增加分子極性與內(nèi)源親水物質(zhì)結(jié)合，增加親水性 生物轉(zhuǎn)化過程的兩個階段與反應(yīng)類型第一相反應(yīng)（phase I reaction） ：特點(diǎn)：外源化學(xué)物的理化性質(zhì)發(fā)生變化。 一方面：分子中出現(xiàn)各種極

2、性基團(tuán)，使分子極性增強(qiáng)，水溶性增強(qiáng)，易于排出體外； 另方面：原有生物活性/毒性有一定程度的降低/完全喪失。第二相反應(yīng)（phase II reaction） ： 特點(diǎn)：外源化學(xué)物理化性質(zhì)和生物活性進(jìn)一步變化。 大多數(shù)：極性增強(qiáng)，易于排泄； 少數(shù)：毒性反而增強(qiáng)，甚至參與體內(nèi)的脂肪合成過程，對機(jī)體造成損害。酶促反應(yīng)： 外源化學(xué)物的生物轉(zhuǎn)化過程皆為酶促反應(yīng)。 酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的一類具有催化功能的生物分子，又稱生物催化劑。絕大多數(shù)酶都是蛋白質(zhì) 。酶分為： 單純蛋白酶：組成為單一蛋白質(zhì) 結(jié)合蛋白酶： 全酶=酶蛋白+輔助成分 輔助成分：輔酶、金屬離子2.3.2 反應(yīng)類型 2.3.2.1 氧化反應(yīng)醛脫氫酶催化反

3、應(yīng)醇脫氫酶催化反應(yīng)胺氧化酶催化反應(yīng)氧化反應(yīng)MFOs氧化的反應(yīng)非MFOs氧化的反應(yīng)脂肪族羥化反應(yīng)芳香族羥化反應(yīng)環(huán)氧化反應(yīng)S-氧化反應(yīng)O-脫烷基反應(yīng)S-脫烷基反應(yīng)N-羥化反應(yīng)金屬脫烷基反應(yīng)氧化脫鹵反應(yīng)N-脫烷基反應(yīng)脫硫反應(yīng)1.MFOs催化的氧化反應(yīng) 微粒體混合功能氧化酶系MFOs(microsomal mixed function oxidase system)： 主要存在于肝細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，其特異性很低，進(jìn)入體內(nèi)的各種環(huán)境化學(xué)物幾乎都要經(jīng)過這一氧化反應(yīng)而轉(zhuǎn)化為氧化產(chǎn)物。氧化酶系組成：微粒體細(xì)胞色素P-450依賴性單加氧酶微粒體細(xì)胞色素b5依賴性單加氧酶、還原型輔酶細(xì)胞色素P-450還原酶、還原型輔

4、酶I細(xì)胞色素b5還原酶黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）單加氧酶 環(huán)氧化物水化酶1）脂肪族羥化反應(yīng) 脂肪族化合物側(cè)鏈（R）末端倒數(shù)第一個或第二個碳原子發(fā)生氧化，形成羥基。2）芳香族羥化反應(yīng) 芳香環(huán)上的H被氧化形成-OH。 3）環(huán)氧化反應(yīng) 外源化學(xué)物（脂肪族烴類、芳香族烴類、烯烴類）的兩個碳原子與氧原子形成橋式結(jié)構(gòu)，即形成環(huán)氧化物。 5）氧化性脫氨反應(yīng) 伯胺類、仲胺類化學(xué)物在鄰近氮原子的碳原子上進(jìn)行氧化，脫去氨基，分別形成醛類和丙酮類化合物。 6）氧化性脫鹵反應(yīng) 鹵代烴類化學(xué)物可先轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的中間代謝產(chǎn)物，即鹵代醇類化合物，再脫去鹵族元素。 DDT DDE DDA8）脫硫反應(yīng) 有機(jī)磷化合物可發(fā)生這一

5、類反應(yīng)，使P=S基變?yōu)镻=O基，如對硫磷轉(zhuǎn)化為對氧磷，毒性增大。9）S-氧化反應(yīng) 硫醚類化合物代謝產(chǎn)物為亞砜、亞砜繼續(xù)代謝為砜類。 伯醇類氧化形成醛類; 仲醇類氧化形成酮類。 2.非MFOs催化的氧化反應(yīng) 1) 醇脫氫酶催化的反應(yīng)2）醛脫氫酶催化的反應(yīng) 在輔酶I參與下，可催化醛類氧化生成相應(yīng)酸類。 3）胺氧化酶催化的反應(yīng) 有單胺氧化酶、二胺氧化酶，將胺類氧化成醛類，并釋放出NH3 機(jī)體內(nèi)發(fā)生還原反應(yīng)的條件： 還原性化學(xué)物/代謝物在組織細(xì)胞中積聚形成局部的還原性環(huán)境； 外源化學(xué)物在生物轉(zhuǎn)化過程中，可接受電子，以至于被還原； 氧化還原反應(yīng)中，可逆反應(yīng)即為還原反應(yīng)的方向。2.3.2.2 還原反應(yīng)還原

6、反應(yīng)含鹵素基團(tuán)還原反應(yīng)羰基還原反應(yīng)含氮基團(tuán)還原反應(yīng)含硫基團(tuán)還原反應(yīng)無機(jī)化合物還原2）含氮基團(tuán)還原反應(yīng)硝基還原反應(yīng)硝基苯 亞硝基苯 苯羥胺 苯胺偶氮還原反應(yīng) R-N=N-R R-NH2+RNH2 脂溶性偶氮化合物：易被腸道吸收，主要在肝微粒體和腸道中還原； 非脂溶性偶氮化合物：不易吸收，主要在腸道中被腸道菌叢還原。3）含硫基團(tuán)還原反應(yīng) 二硫化物、亞砜化合物等可在體內(nèi)被還原。三硫磷亞砜 三硫磷 在水解酶的催化下，外源化學(xué)物與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起其分解的反應(yīng)。 水解酶 ：血漿、肝、腎、腸、肌肉和神經(jīng)組織水解反應(yīng)酯類水解反應(yīng)酰胺類水解反應(yīng)水解脫鹵反應(yīng)環(huán)氧化物的水化反應(yīng)2.3.2.3 水解反應(yīng) 酯類在酯

7、酶的催化下發(fā)生水解反應(yīng)生成相應(yīng)的羧酸和醇類。 RCOOR+H2ORCOOH+ROH 這是許多有機(jī)磷殺蟲劑在體內(nèi)的主要代謝方式。1) 脂類水解反應(yīng) 在酰胺酶作用下，酰胺類水解為羧酸和胺。 R-CO-NH-R +H2O R-COOH+RNH2 2) 酰胺類水解反應(yīng) DDT水解脫鹵 DDE (毒性降低、可繼續(xù)轉(zhuǎn)化) 人體吸收的DDT，60%經(jīng)此途徑轉(zhuǎn)化。3) 水解脫鹵反應(yīng)4) 環(huán)氧化物的水化反應(yīng) 芳烴類和脂肪族烴類化合物在MFOs催化下生成環(huán)氧化物，環(huán)氧化物在環(huán)氧化物水化酶的作用下再繼續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)，生成二氫二醇化合物。 結(jié)合反應(yīng)= 外源物+內(nèi)源化學(xué)物的中間代謝產(chǎn)物+代謝能量（由ATP提供）+相應(yīng)的

8、轉(zhuǎn)移酶/輔酶。發(fā)生部位：主要發(fā)生在肝臟，其次是腎臟。 再次是肺、腸道、脾、腦組織等。2.3.2.4 結(jié)合反應(yīng)（conjugation reaction） 結(jié)合反應(yīng)葡萄糖醛酸結(jié)合甲基結(jié)合氨基酸結(jié)合乙?；Y(jié)合谷胱甘肽結(jié)合硫酸結(jié)合 根據(jù)與外源化學(xué)物結(jié)合的結(jié)合劑不同，可將結(jié)合反應(yīng)分為以下幾種類型：發(fā)生結(jié)合反應(yīng)的功能基團(tuán)結(jié)合反應(yīng)功能基團(tuán)葡萄糖醛酸結(jié)合反應(yīng)-OH, -COOH, -NH2, -SH, -CH硫酸結(jié)合反應(yīng)Aromatic-OH, aromatic-NH2, alcohols谷胱甘肽結(jié)合反應(yīng)Epoxides, organic halides乙?；Y(jié)合反應(yīng)-NH2, -SO2NH2, hydra

9、zines氨基酸結(jié)合反應(yīng)Aromatic-NH2, -COOH甲基結(jié)合反應(yīng)Aromatic-OH, -NH2, -NH, -SH1）葡萄糖醛酸結(jié)合反應(yīng)（Glucuronic conjugation reaction）外源物：醇類、酚類、羧酸類、硫醇類、胺類。第一階段：結(jié)合劑的生成：UDPGA第二階段：外源物+UDPGA葡萄糖醛酸基（-C6H9O6）轉(zhuǎn)移到外源物上。意義：在結(jié)合反應(yīng)占有最重要地位。幾乎所有哺乳動物、大多數(shù)脊椎動物體內(nèi)都可發(fā)生此類反應(yīng)。 O-葡萄糖醛酸結(jié)合 N-葡萄糖醛酸結(jié)合S-葡萄糖醛酸結(jié)合外源物：醇類、酚類、胺類。反應(yīng)： 內(nèi)源性硫酸經(jīng)ATP活化后PAPS，PAPS+外源物在磺基

10、轉(zhuǎn)移酶作用下，把SO3H轉(zhuǎn)移到外源物上，生成硫酸脂類物質(zhì)。 主要在肝、腎、胃和腸中進(jìn)行。2）硫酸結(jié)合反應(yīng) （Sulfate conjugation reaction） 硫酸結(jié)合反應(yīng)重要性不如葡萄糖醛酸結(jié)合反應(yīng)，因?yàn)閮?nèi)源性硫酸主要來自含硫氨基酸的代謝產(chǎn)物，來源受限，所以硫酸結(jié)合反應(yīng)在生物轉(zhuǎn)化過程中占的比例相對較少。 通常，硫酸結(jié)合后，親水性大大加強(qiáng),毒性降低。但也存在毒性增加的情況。苯胺 N-苯基氨基磺酸酯3）谷胱甘肽結(jié)合反應(yīng) （Glutathione conjugation reaction）外源物：環(huán)氧化物鹵代芳香烴、不飽和脂肪烴類、有毒金屬。反應(yīng)：外源物+GSH 在谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶作用

11、下生成硫醚氨酸。毒理學(xué)意義：解毒。谷胱甘肽GSH的結(jié)構(gòu)： 谷胱甘肽是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸結(jié)合而形成的三肽，半胱氨酸上的SH為其活性基團(tuán)，故谷胱甘肽常簡寫為GSH。GSH的生理功能： 谷胱甘肽有還原型（GSH）和氧化型（G-S-S-G）兩種形式，在生理?xiàng)l件下，以還原型占絕大多數(shù)。谷胱甘肽還原酶催化兩型之間的互變。1）解毒作用：谷胱甘肽能與某些藥物如撲熱息痛，毒素如重金屬等結(jié)合，參與生物轉(zhuǎn)化作用，從而使機(jī)體內(nèi)的有害毒物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，排出體外。2）抗氧化作用：谷胱甘肽能消除體內(nèi)自由基，抗衰老，增強(qiáng)免疫力、延緩衰老。 還原型谷胱甘肽易被某些物質(zhì)氧化，它在體內(nèi)能夠保護(hù)蛋白質(zhì)和酶等分子中的SH不被

12、氧化，從而讓蛋白質(zhì)和酶發(fā)揮其生理功能。 維生素C也是體內(nèi)的一種重要抗氧化劑，它能維持SH處于還原狀態(tài)而保持酶的活性，可使氧化型谷胱甘肽轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原型谷胱甘肽，使機(jī)體代謝產(chǎn)生的過氧化氫還原。因此，運(yùn)用谷胱甘肽時，與維生素C并用，能提高其功效。環(huán)氧化物的解毒：環(huán)氧溴化苯：強(qiáng)肝臟毒物 短時間內(nèi)大量外源化學(xué)物進(jìn)入機(jī)體，形成的活性中間代謝物與GSH結(jié)合，將使GSH耗竭，影響其解毒作用。4）乙酰基結(jié)合反應(yīng)外源物：芳香胺、芳香族氨基酸、羥氨基苯甲酸、氨磺酰類。反應(yīng)：乙?；梢阴］o酶A（CH3CO-SCoA）提供（乙酰輔酶A是糖、脂肪、蛋白質(zhì)的代謝產(chǎn)物），在乙?；D(zhuǎn)移酶的作用下，把CH3CO-轉(zhuǎn)移到外源物。5）

13、氨基酸結(jié)合反應(yīng) 帶COOH的外源化合物與氨基酸肽式結(jié)合，用于此反應(yīng)的氨基酸主要以甘氨酸為主。6）甲基結(jié)合反應(yīng) 外源物：酚類、硫醇類、胺類、含氮雜環(huán)化合物、重金屬等。反應(yīng)：內(nèi)源性甲基供體（來自SAM）在甲基轉(zhuǎn)移酶作用下，轉(zhuǎn)移給外源物。甲基嵌入位置：-O, -N,-S2.3.3 生物轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)1）生物轉(zhuǎn)化的多樣性：外源化學(xué)物經(jīng)過多種形式的生物轉(zhuǎn)化，形成各種不同的代謝產(chǎn)物和結(jié)合物。如：西維因、氧化樂果的代謝能通過脫烷基、氧化、去硫和水解等反應(yīng)，生成十種或更多的代謝產(chǎn)物。2）生物轉(zhuǎn)化的連續(xù)性：絕大多數(shù)外源物在體內(nèi)的代謝不是單一的反應(yīng)，常常是多個反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，表現(xiàn)出代謝轉(zhuǎn)化的連續(xù)性。如：乙醇乙醛乙酸。3

14、）代謝轉(zhuǎn)化的兩重性：代謝轉(zhuǎn)化的解毒與致毒作用。2.3.4 生物轉(zhuǎn)化的物種差異和個體差異 1）物種差異： 不同物種體內(nèi)代謝酶的種類存在很大差異 例如，大鼠、小鼠和狗的體內(nèi)具有N-羥化酶和磺基轉(zhuǎn)移酶，故它們可將AAF羥化并與硫酸結(jié)合生成具有強(qiáng)烈致癌作用的硫酸酯；而豚鼠體內(nèi)缺乏N-羥化酶，因此不能將AAF轉(zhuǎn)化為硫酸酯，也就無致癌作用或致癌作用很弱。 不同物種體內(nèi)相同代謝酶的活性存在很大差異 例如，苯胺在小鼠體內(nèi)的清除半減期為35 min，狗為167 min； 安替比林在大鼠體內(nèi)的清除半減期為140 min，在人體內(nèi)為600 min。 2）個體差異： 參與代謝的酶類在不同個體中的活力不同 例如，芳烴羥化酶（AHH）可使芳香烴類化合物羥化，并產(chǎn)生致癌活性。 在吸煙量相同的情況下，AHH活力較高的人，患肝癌的危險(xiǎn)度比AHH活力低的人高36倍；AHH活力中等的人，患肝癌的危險(xiǎn)度比活力低者高16倍。 3）性別差異： 主要是由性激素決定的 大多數(shù)情況下，雄性動物在代謝轉(zhuǎn)化能力和代謝酶活力上均高于雌性，所以一般外源化學(xué)物對雄性毒性作用較低，對雌性較高。但也有少數(shù)化學(xué)物的情況與此相反。 一般來說，經(jīng)代謝轉(zhuǎn)