外源化学物的生物转化

外源化学物的生物转化第一节生物转化概述第二节Ⅰ相反应第三节Ⅱ相反应第四节影响生物转化的因素生物转化是指外源化学物在机体内经一系列化学变化并形成其衍生物以及分解产物的过程。或称代谢转化。所形成的衍生物即代谢物。生物转化是机体对外源化学物处置的重要的环节，是机体维持稳态的主要机制。第一节生物转化概述外源化学物生物转化酶所催化的反应一般分为两大类，称为第一阶段反应（I相反应）和第二阶段反应（Ⅱ相反应）。第一阶段反应包括氧化反应、还原反应和水解反应，这些反应涉及暴露或引入一个功能基团，如-OH、-NH、-SH或-COOH，通常仅导致水溶性的少量增加。第二阶段反应包括葡萄糖醛酸化、硫酸化、乙酰化、甲基化，与谷胱甘肽结合以及与氨基酸结合。Ⅰ相反应和Ⅱ相反应引入极性基团，增加分子极性与内源亲水物质结合，增加亲水性外源化学物生物转化的结果是改变其毒效学性质；其二，便于机体排出体外。大多数情况是生物转化终止了药物的药效作用或降低了外源化学物的毒性，但对有的毒物却可使毒性增强，甚至产生致癌、致突变和致畸效应，又称为代谢活化（metabolicactivation）或生物活化。一、生物转化的毒理学意义 对硫磷对氧磷毒性更强磺胺类药物水溶性下降经代谢活化生成的活性代谢产物分类：①生成亲电子剂；有机磷化合物，碘代乙酸和环氧化物等②生成自由基；CH3·，Cl·，H·③生成亲核剂；HO—、RO—、Cl—、Br—、CN—、R3N—、H2O、ROH④生成氧化还原剂。毒物代谢酶对底物的专一性相对较差，一类或一种酶可代谢几种外源化学物，而且还可代谢内源性化学物等。外源化学物可刺激（诱导）很多生物转化酶类合成。某些生物转化酶具有多态性，其结构（即氨基酸序列）和活性不同。有些手性外源化学物的生物转化具有立体选择性。二、毒物代谢酶的基本特性在脊椎动物，肝脏是含外源化学物生物转化酶最丰富组织，次之为皮肤、肺脏、鼻粘膜、眼及胃肠道。此外，其他组织如肾脏、肾上腺、胰、脾、心、大脑、睾丸、卵巢、胎盘、血浆、血细胞、血小板、淋巴细胞及大动脉等均有生物转化酶。肠道菌群在某些外源化学物生物转化中起着重要的作用。三、毒物代谢酶的分布生物转化的主要器官和细胞 转化能力 器官 细胞 强 肝脏肺脏 实质细胞(肝细胞)clara细胞、Ⅱ型上皮细胞 中等 肾脏小肠皮肤 近曲小管细胞黏膜内层细胞上皮细胞 弱 睾丸 输精管与支持细胞生物转化的Ⅰ相反应主要包括氧化反应、还原反应和水解反应，各类反应及相应酶的亚细胞分布见 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 第二节Ⅰ相反应一、氧化反应1、微粒体混合功能氧化酶（MFO）催化的反应又称为细胞色素P-450酶系 单 名单名单延期单出门单老板名单 加氧酶 MFOS催化的氧化反应 微粒体混合功能氧化酶MFOS(microsomalmixedfunctionoxidasesystem) 主要存在于肝细胞内质网中 特异性低 可催化几乎所有环境化学物的氧化反应P-450催化氧化的总反应特点是需要一个氧分子。在这个过程当中还需要NADPH提供电子。P-450能直接激活氧分子，其中一个氧原子加入底物分子中，另一氧原子被还原为水，又称为混合功能氧化酶。*NADPH是一种辅酶，叫还原型辅酶Ⅱ，学名烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,曾经被称为三磷酸吡啶核苷酸，英文triphosphopyridinenucleotide，使用缩写TPN，亦写作[H]，亦叫作还原氢。在很多生物体内的化学反应中起递氢体的作用，具有重要的意义。它是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）中与腺嘌呤相连的核糖环系2'-位的磷酸化衍生物，参与多种合成代谢反应，如脂类、脂肪酸和核苷酸的合成。这些反应中需要NADPH作为还原剂、氢负供体，NADPH是NADP+的还原形式。细胞色素P450 *cytochrome[英汉化学名词]细胞色素细胞色素P-450酶系参与的氧化反应（l）脂肪族羟化（2）芳香族的羟化；（3）双键的环氧化作用；（4）N-脱烷基反应（5）O-、S-脱烷基反应（6）N-羟基化反应（7）烷基金属脱烷基反应（8）脱硫反应 脂肪族化合物侧链（R）通常在末端倒数第一个或第二个碳原子发生氧化，形成羟基。RCH3RCH2OHOPOONCH3CH3NCH3CH3PNCH3CH3NCH3CH3O[o]POONCH3CH3NCH3CH3PNCH2OHCH3NCH3CH3O八甲磷N-羟甲基八甲磷毒性增加10倍（1）脂肪族羟化大多数芳香族毒物被羟化为酚类。例如苯可被氧化成苯酚，苯胺可氧化为对氨基酚、邻氨基酚或羟基苯胺。（2）芳香族的羟化（3）N-羟化反应（一）氧化反应芳香胺、伯胺、仲胺类化合物等外源化合物氨基（-NH2）上的一个氢与氧结合的反应。苯胺是重要的化工原料，对血液和神经的毒性强烈；N-羟氨基苯是高铁血红蛋白形成剂致癌物质β（4）环氧化外来化合物的2个碳原子与氧原子之间形成桥式结构黄曲霉毒素B1（AFB1）和氯乙烯等含双键的芳香族和烯烃类毒物氧化时，常常形成环氧化中间产物，环氧化物不稳定可重排而成酚类。如苯环上有卤素取代，或是多环芳烃进行环氧化时，则能形成较稳定的环氧化物。其毒性高于母体毒物。 脂肪族烯烃： 双键上引入一个氧原子而形成1，2-环氧化合物反应有毒物质，长期吸入、接触--肝癌急性毒作用皮肤刺激作用芳香环氧化反应环氧化产物不稳定，羟化。多环芳烃的生物转化过程（5）杂原子脱烷基反应N-，O-，S-脱烷基反应氮、氧和硫原子上连接有烷基的毒物，可以发生脱烷基反应。胺类化合物氨基N上的烷基被氧化脱去一个烷基，形成醛类或酮类。这些反应过程是先使烷基氧化为经烷基毒物，后者又分解产生醛或酮。如：二甲基亚硝胺通过P-450的催化作用，进行N-脱烷基反应，进一步产生有亲电子剂CH3+（碳宾离子），可使DNA发生烷化作用，致癌和致突变。N-脱烷基反应O-，S-的脱烷基反应对硝基茴香醚O-脱烷基反应S-脱烷基(主要见于一些醚类化学物)R-S-CH3[R-S-CH2OH]RSH+HCHO甲硫醇嘌呤6-巯基硫代嘌呤卤代烃类化合物可先转化为不稳定的中间代谢产物，即卤代醇类化合物，再脱去卤族元素。 农药1,1,1-三氯-2,2双乙烷(DDT)，可经氧化脱卤反应形成1,1-二氯-2,2-双乙烷(DDE)和2,2-双乙酸(DDA)。 DDE——脂肪中蓄积，DDA——尿排出，毒性远小于DDT。（6）氧化基团转移R-CH2XR-CHOHRCHO+HXDDTDDEDDA氧化脱卤素反应氧化脱硫反应在许多有机磷化合物经常发生。（7）S-氧化反应硫醚类在氧化过程中生成亚砜与砜类；2、非微粒体混合功能氧化酶催化的氧化反应肝组织胞液、血浆和线粒体中，有一些专一性不太强的酶，可催化某些外来化合物的氧化与还原。例如醇脱氢酶、醛脱氢酶、过氧化氢酶、黄嘌呤氧化酶等。肝细胞胞液中含有单胺氧化酶和双胺氧化酶，可催化胺类氧化，形成醛类和氨。主要催化有醇、醛、酮功能基团的外源化学物(1)醇脱氢酶：存在于胞液中RCH2OH+NAD(P)+RCHO+NAD(P)H2+(2)醛脱氢酶：存在于肝细胞线粒体和胞液中：RCHO+NAD(P)+RCOOH+NAD(P)H2+(3)胺氧化酶：主要存在于线粒体单胺氧化酶（monoamineoxidase):RCH2NH2+[O]RCHO+NH3+H2O二胺氧化酶：催化二胺类氧化形成醛。3、前列腺素的合成中共氧化反应例如，肾脏髓质、血小板、血管内皮细胞、胃肠道、脑、肺及尿膀胱上皮细胞含有前列腺素H合成酶（PHS），乳腺上皮细胞的乳过氧化物酶，以及白细胞的髓过氧化物酶。PHS具有两个催化活性：一为环加氧酶，可将花生四烯的转变成环状内氢过氧化物PGG2，该过程涉及2个氧分子加到花生四烯酸的每个分子上；另一是过氧化物酶，将氢过氧化物转变成相应的醇PGH2，它通过外源化学物的氧化来完成。二、还原反应硝基和偶氮基，羰基，以及二硫化物、亚砜化合物(－NO2,－N＝N－,–CO,等)偶氮还原和硝基还原是经肠道菌群和两种肝脏酶，如细胞色素P-450和NADPH醌氧化还原酶（一种胞浆黄素酶，也称为DT-黄递酶）催化。还原反应发生条件①存在局部性还原环境②某些酶可在有氧条件下催化还原反应③氧化还原反应中的可逆反应催化还原反应的酶类主要存在于肝、肾和肺的微粒体和胞液中。肠道处于厌氧环境，肠道菌丛还原酶催化的还原反应。1.硝基还原反应NADPH和NADH是供氢体。2.偶氮还原反应R-N=N-R’R-NH2+R’NH2脂溶性偶氮化合物：易被肠道吸收，主要在肝微粒体和肠道中还原；非脂溶性偶氮化合物：不易吸收，主要在肠道中被肠道菌丛还原。醛类和酮类可分别还原成伯醇和仲醇。3.醛和酮的还原5.含卤素基团还原反应与碳原子结合的卤素被氢原子取代。例：在NADPH-CytP450催化下：CCl4+NADPHCCl3˙+HClCCl3˙破坏肝细胞膜脂质结构6．亚砜的还原反应二硫化物、亚砜化合物等可在体内被还原。三、水解反应有许多毒物，如酯类、酰胺类和含有酯式键的磷酸盐取代物极易水解，水解后毒性大为降低。水解反应不需要消耗代谢能量。在血浆、肝、肾、肠粘膜、肌肉和神组织中有许多水解酶，微粒体中也存在。酯酶、酰胺酶是广泛存在的水解酶，酯酶和酰胺酶可分别水解酯类和胺类。水解反应酯类水解反应酰胺类水解反应水解脱卤反应环氧化物的水化反应酯类毒物被酯酶催化水解生成醇和酸，酰胺被酰胺酶催化水解成酸和胺，硫酯被分解为羧酸和硫醇。1、酯类水解反应 在酯酶的催化下生成相应的羧酸和醇类 RCOOR’+H2ORCOOH+R’OH 是许多有机磷杀虫剂在哺乳动物体内的主要代谢方式O2NOPOC2H5OC2H5SO2NOHH2O对硫磷二乙基硫代磷酸磷酸酯酶2、酰胺类水解反应 通式：R-CO-NH2或R-CO-NH-R’。 酰胺酶能特异性地作用于酰胺键，使酰胺类化合物发生水解。 R-CO-NH-R’+H2OR-COOH+R’NH23、水解脱卤反应： DDT水解脱卤DDE(毒性降低，可继续转化为易排泄物) (Cl-C6H4)2>CH-CCl3+H2O(Cl-C6H4)2>C=CCl2+HCl 人体吸收的DDT，60%可经此途径转化4、环氧化物的水化反应水化反应：含双键或三键化合物在酶催化下与水分子结合。H2C=CH2+H2OCH3CH2OH芳烃类和脂肪族烃类环氧化物二氢二醇化合物[O]水化反应酶第三节Ⅱ相反应又称为结合作用。是进入机体的外来化合物在代谢过程当中与某些其他内源性化合物或基团发生的生物合成反应。特别是外来有机化合物及其含有羟基、氨基、羰基以及环氧基的代谢产物最易发生。外来化合物及其代谢物与体内某些内源性化合物或基团结合所形成的产物称为结合物。第二阶段反应中，毒物原有的功能基团或由第一阶段反应引入（暴露）的功能基团与内源性辅因子反应。参加结合反应的必须为内源性化合物，直接由体外输入的物质不能进行。除了甲基化和乙酰化结合反应外，其他第二阶段反应显著增加毒物的水溶性，促进其排泄。第二阶段反应可引起代谢活化：如致癌物2-乙酰氨基芴（2-AAF）和2-氨基芴，可以在N-乙酰转移酶和脱乙酰酶催化互相转化，并均可经P450和黄素加单氧酶催化形成N-羟基芳酰胺和N-羟基芳胺。这两种毒物是近致癌物，与硫酸结合、乙酰化和葡糖醛酸结合，结合物在酸性pH尿可水解或由小肠菌丛的P-葡糖苷酸酶催化水解，生成N-羟基芳香胺，后者可自发性生成芳基氮宾离子（亲电子剂），攻击DNA，引起膀胱癌和结肠癌。发生结合反应的功能基团的类型Aromatic，芳香的Epoxide,环氧化物；organichalide,有机卤化物；hydrazine，肼,联氨 结合反应 功能基团 葡萄糖醛酸 -OH,-COOH,-NH2,-SH 硫酸 Aromatic-OH,aromatic-NH2,alcohols 谷胱甘肽 Epoxides,organichalides 乙酰基 -NH2,-SO2NH2,hydrazines 氨基酸 Aromatic-NH2,-COOH 甲基 Aromatic-OH,-NH2,-NH,-SH葡萄糖醛酸结合是第二阶段反应中最普遍进行的一种，由UDP（尿苷二磷酸）-葡萄糖醛酸基转移酶催化对毒物的代谢（解毒和活化）具有重要的作用。葡萄糖醛酸结合作用主要是在肝微粒体中进行，此外肾、肠黏膜和皮肤中也可发生。一、葡萄糖醛酸结合 葡萄糖醛酸基的直接供体尿苷二磷酸葡萄糖醛酸(UDPGA) 催化酶： 葡萄糖醛酸基转移酶（UDP-glucuronyltransferases,UGT）葡萄糖醛酸结合反应 外来化合物及其代谢物中的醇类、酚类或胺类化合物可与硫酸结合，形成硫酸酯。内源性硫酸的来源是含硫氨基酸的代谢产物，但必须先经过ATP的活化，成为3’-磷酸腺苷-5’-磷酰硫酸（PAPS），再在磺基转移酶的作用下与酚类、醇类或胺类结合为硫酸酯。苯酚与硫酸结合较为常见。二、硫酸结合 硫酸供体 3´－磷酸腺苷5´－磷酸硫酸(PAPS) 催化酶 硫酸转移酶(sulfatetransferase)雌酮雌酮硫酸酯谷胱甘肽S-转移酶（GST）催化还原性GSH（亲核剂）与含有亲电子C、N、S、O的毒物反应，生成结合物。底物的共同点为：有一定疏水性，含有亲电子原子，并可与GSH发生非酶反应。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转变为硫醚氨酸衍生物，由尿排泄。三、谷胱甘肽结合乙酰化作用（acetylation）涉及酶催化或非酶催化的从乙酰辅酶A将乙酰基转移到含伯胺、羟基或巯基的毒物。四、乙酰化作用异烟肼乙酰辅酶A乙酰异烟肼辅酶A羧酸必须首先经酰基辅酶A合成酶催化，需要ATP和乙酰辅酶A，活化生成酞基辅酶A硫酯，再由N-乙酰转移酶催化与氨基酸如甘氨酸、谷氨酸、牛磺酸的氨基反应，形成酰胺键。五、甘氨酸结合内源性底物的甲基化如组胺、氨基酸、蛋白、糖和多胺对细胞的正常调节有重要的意义，仅当毒物符合这些酶的底物要求，甲基化作用才有重要性，甲基化反应不是毒物结合的主要方式。六、甲基化作用尼克酰胺N-甲基尼克酰胺SAMS-腺苷蛋氨酸在一般情况下，外来化合物的生物转化过程并不只限于一种反应，不同反应可先后进行。例如，先进行氧化、还原、水解反应，再进行结合反应。也可能在某种组织器官中发生一种反应，再在另一组织器官进行另一种反应。代谢是化学物毒作用的决定因素。很多因素可影响外源化学物生物转化，包括机体的遗传生理因素和环境因素两大类。第四节影响生物转化的因素遗传生理因素有动物的物种、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。各种环境因素主要通过影响代谢酶和辅酶的合成过程以及催化过程来干扰外源化学物的生物转化，如代谢酶的诱导和抑制。另外，其他影响因素还有营养状态、疾病等。一、毒物本身的影响二、种属和个体差异的影响三、年龄及性别的影响四、营养状况的影响1.毒物对代谢酶的抑制作用参与生物转化的酶系统一般并不具有较高的底物专一性，几种不同的化合物都可作为同一酶系的底物。因此，当一种外来化合物在机体内出现或数量增多时，可影响某种酶对另一种外来化合物的催化作用，即两种化合物出现竞争性抑制。一、毒物本身的影响2.毒物对代谢酶的诱导作用有些外来化合物可使某些代谢过程催化酶系活力增强或酶的含量增加，此种现象称为酶的诱导。凡具有诱导效应的化合物称为诱导物。诱导的结果可促进其他外来化合物的生物转化过程，使其增强或加速。在微粒体混合功能氧化酶诱导过程中，还观察到滑面内质网增生、酶活力增强以及对其他化合物代谢转化的促进等均与诱导有关。3.毒物的代谢饱和状态毒物的剂量或浓度可影响毒物的代谢状况，机体在单位时间内代谢毒物的容量有一定限度，当毒物达到一定浓度时，代谢酶催化能力达到饱和——代谢饱和，此时，毒物正常的代谢途径可能被改变。毒物的代谢途径，可因剂量的不同产生差异溴苯：正常：MFO作用下环氧溴苯70%与GSH结合解毒代谢饱和：GSH(谷胱甘肽)消耗环氧溴苯积累肝细胞损害主要在于体内酶的种类和活力1、物种差异代谢酶活力不同——影响半衰期。代谢酶种类不同——影响生物转化途径。例如苯胺在小鼠体内的生物半减期为35min，狗为167min。安替比林在大鼠体内的生物半减期为140min，人为600min。2、个体差异：酶活力不同。二、种属和个体差异1、年龄：年龄的增长伴随着代谢酶活动的变化。初生到成年到老年呈钟形变化。2、性别：性激素决定两性转化的差异。一般而言雄性大于雌性。3、激素：除性别影响之外，性激素可使妊娠期间肝微粒体单加氧酶、甲基转移酶等活性下降，有些酶在妊娠后期下降。此外，甲状腺素、胰岛素、肾上腺皮质激素等都可影响酶活性。4、昼夜节律：生理节律、光、季节。与内分泌功能的昼夜节律有关。三、年龄及性别的影响四、营养状况的影响生物体的营养状况也可引起体内代谢水平和酶活性的变化从而改变毒物在体内吸收、转化和排泄速度，影响动物对毒物的毒性反应。膳食中如缺乏维生素A、维生素C、维生素B1、磷脂等，一般也可以使得化合物毒性改变。因维生素A可影响内质网的结构，使混合功能酶活性受损。维生素C可参与细胞色素P-450的功能过程；维生素B2是黄酶素的辅基；磷脂是生物膜的重要组成部分。实验动物缺乏营养主要通过对有机体代谢活力的影响来表现。改变某些矿物质的摄入也明显影响代谢情况。*NADPH是一种辅酶，叫还原型辅酶Ⅱ，学名烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,曾经被称为三磷酸吡啶核苷酸，英文triphosphopyridinenucleotide，使用缩写TPN，亦写作[H]，亦叫作还原氢。在很多生物体内的化学反应中起递氢体的作用，具有重要的意义。它是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）中与腺嘌呤相连的核糖环系2'-位的磷酸化衍生物，参与多种合成代谢反应，如脂类、脂肪酸和核苷酸的合成。这些反应中需要NADPH作为还原剂、氢负供体，NADPH是NADP+的还原形式。*cytochrome[英汉化学名词]细胞色素