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1、1第1页，此课件共50页哦第三章 化学毒物的生物转化n生物转化（biotransformation):又称代谢转化，是指外源性化合物在体内经过一系列化学变化并形成其衍生物以及分解产物的过程第2页，此课件共50页哦 不经转化排出体外（极少数）n毒物 经转化后毒性降低（绝大多数）转化后毒性显现（多数化学致癌物）n生物转化的场所：全身各组织器官。主要有肝、肾、肺、消化道和胎盘。肝脏肝脏是最主要的生物转化器官。总体上，生物转化的意义是使外源化学物的水溶性增加，不易通过生物膜进入细胞，容易排泄到尿和胆汁中。第3页，此课件共50页哦生物转化的结果n代谢解毒：化学物(毒性)中间产物(低毒性或无毒性)产物(无
2、毒性)n代谢活化：化学物(无毒性)活性中间产物(毒性)产物(无毒性)第4页，此课件共50页哦生物转化n外源化学物生物转化的模式按反应的先后顺序分为I相反应和相反应。n相反应(phase I biotransformation)指经过氧化、还原和水解等反应，使外源化学物暴露或产生极性基团，如-OH、-NH2、-SH、-COOH等，水溶性增高并成为适合于相反应的底物。n相反应：结合作用第5页，此课件共50页哦生物转化酶生物转化酶 n细胞色素细胞色素P-450酶系酶系 n环氧化物水化酶环氧化物水化酶(epoxide hydrase，EH)nN-乙酰转移酶乙酰转移酶（Nacetyltransferas
3、e,NAT）n谷胱甘肽谷胱甘肽S-转移酶转移酶 n谷胱甘肽过氧化物酶谷胱甘肽过氧化物酶 n过氧化过氧化氢酶 n超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶 第6页，此课件共50页哦I相反应的类型相反应的类型氧化作用氧化作用还原作用还原作用水解作用水解作用硝基和偶氮还原硝基和偶氮还原羰基还原羰基还原含硫基团还原含硫基团还原醌还原醌还原脱卤还原脱卤还原酯酶酯酶酰胺酶酰胺酶环氧化物水化酶环氧化物水化酶第7页，此课件共50页哦一、氧化作用一、氧化作用n微粒体混合功能酶氧化微粒体混合功能酶氧化n非微粒体混合功能酶氧化非微粒体混合功能酶氧化n前列腺生物合成过程中共氧化反应前列腺生物合成过程中共氧化反应第8页，此课件共50
4、页哦1.微粒体混合功能酶氧化（微粒体混合功能酶氧化（micrososmalmixed function oxidaes,MFO)n该酶系主要包括细胞色素P-450及NADPH-细胞色素P-450还原酶等。又称谓立体单加氧酶系或细胞色素P450酶系。n细胞色素P-450的专一性不强，凡有一定脂溶性的外来物质都能通过不同类型反应被其氧化，形成多种代谢物。n主要的氧化反应有羟化、脱烷基、氧化、脱硫、脱氨、环氧化等反应方式。第9页，此课件共50页哦P-450nP-450是细胞色素P-450的简称(也简称为CYP)，是位于微粒体膜(滑面内质网)上的一组酶。它的名字来源于与CO结合后在450nm处有吸收峰
5、。P-450在动物界的分布非常广泛，种类非常多。nP-450是一个蛋白质超家族，其每一种对底物专一性都有特征性谱，第10页，此课件共50页哦基本组成n血红蛋白类：cytP450、cytb5均含有铁卟啉的结构具有传递电子的功能n黄素蛋白类：NADPH-cyt P-450还原酶和NADH-cyt b5还原酶，主要是传递电子并提供电子n磷脂类：促进上述两类酶的相互作用，具体功能是对膜上各蛋白酶起固定作用。促进底物的羟基化反应或增强外源性化学物与cytP 450 的结合作用第11页，此课件共50页哦P-450的命名nP-450是分子量在5000左右，含铁卟啉环的血红素蛋白。P-450基因族有27个，并
6、进一步分为亚族 CYP2A6 CYP除小鼠外所有物种的细胞色素P450的基因和cDNA小鼠用Cyp2:阿拉伯数字代表基因族代表基因亚族代表基因亚族中的一个基因第12页，此课件共50页哦人肝主要P-450底物、抑制剂和诱导剂举例 注：人肝不表达CYPlAl第13页，此课件共50页哦nP-450催化反应是向外源化学物上加入一个单氧原子，所以也被称为微粒体单加氧酶(monooxygenase)，也称微粒体混合功能氧化酶(mixed function oxidase)。nP-450催化的氧化反应的化学方程简式如下：nRH+NADPH+O2+H+R-OH+NADP+H2O第14页，此课件共50页哦 n静
7、止状态的氧化型P-450中的铁为3+，和底物结合后，铁的自旋状态发生改变，极易还原；n第一个电子加入，由NADPH-细胞色素P-450还原酶转递来自NADPH中的电子，使铁变为2价；n加入分子氧形成氧化型的三重络合物，氧被还原；n第二个电子由细胞色素b5供给；n伴随质子的导入，生成一分子水，O-O键的解离产生了极强的活性氧；n底物和活性氧结合生成羟化的产物ROH，P-450返回静止状态。n在此一连串的反应中P-450进行了一次循环。第15页，此课件共50页哦氧化作用氧化作用P-450催化氧化催化氧化脂肪族和芳香族羟化脂肪族和芳香族羟化:八甲磷八甲磷双键的环氧化：双键的环氧化：杂原子杂原子(S-
8、,N-,I-)氧化和氧化和N-羟化羟化杂原子杂原子(O-,S-,N-)脱烷基脱烷基氧化基团转移氧化基团转移 (氧化脱氨、脱硫、脱卤素氧化脱氨、脱硫、脱卤素)酯裂解酯裂解(羧酸酯、磷酸酯羧酸酯、磷酸酯)脱氢脱氢微粒体含黄素加单氧酶微粒体含黄素加单氧酶醇、醛、酮氧化和胺类氧化醇、醛、酮氧化和胺类氧化第16页，此课件共50页哦P-450催化氧化催化氧化n脂肪族或芳香族碳的羟基化n双键的环氧化作用n杂原子（S-、N-、I-)氧化和N-羟基化n杂原子（O-、S-、N-、Si-)脱烷基作用n氧化基团的转运n酯的裂解n脱氢作用第17页，此课件共50页哦相反应第18页，此课件共50页哦 苯并(a)芘（BaP）
9、的代谢活化和解毒n苯并(a)芘benzo(a)pyrene，BaP 在体内有50多种代谢产物，经I相酶P-450催化发生芳香环上的环氧化，形成多种环氧苯并(a)芘，第19页，此课件共50页哦第20页，此课件共50页哦2.非微粒体酶系氧化反应体系 n化学物质的非微粒体氧化反应，是靠线粒体、胞浆及血浆中的非特异性酶所催化的。n在血浆和细胞中，主要是脱氢反应，胞浆中含有的醇脱氢酶、醛脱氢酶，可使醇类催化脱氢成醛，醛类催化下一步脱氢成酸。第21页，此课件共50页哦 n氧化脱氨：在肝、肾、肠和胎盘组织中的线粒体中的单胺氧化酶把几种天然存在的胺和许多外来化学物质氧化脱氨，氧化成芳香基或烷基醛，再通过其他的
10、酶进一步氧化成相应的羧酸。RCH2NH2 RCHO+NH3 RCOOHOMAO醛脱氢酶第22页，此课件共50页哦N-乙酰转移酶乙酰转移酶nN-乙酰转移酶主要存在于肝细胞及肺、脾以及胃粘膜等，催化许多化合物的乙酰化反应，例如伯胺、磺胺类和肼类及酰肼等，乙酰基由乙酰辅酶A提供。如抗结核药物对氨基水杨酸在体内可乙酰化并以乙酰结合物的形式排出体外。磺胺类药物在生物转化过程中，可进行乙酰结合。第23页，此课件共50页哦谷胱甘肽谷胱甘肽S-转移酶转移酶n谷胱甘肽S-转移酶是谷胱甘肽结合反应的关键酶谷胱甘肽结合反应的关键酶，催化谷胱甘肽结合反应的起始步骤，主要存在于胞液中。n根据作用底物不同，至少可分为下列
11、5种：谷胱甘肽S-烷基转移酶：催化烷基卤化物和硝基烷类化合物的谷胱甘肽结合反应。主要存在于肝脏和肾脏。谷胱甘肽S-芳基转移酶：主要催化含有卤基或硝基的芳烃类或其它环状化合物的谷胱甘肽结合反应，如溴苯和有机磷杀虫剂等。该酶主要存在于肝脏胞液。谷胱甘肽S-芳烷基转移酶：催化芳烷基的谷胱甘肽结合反应，例如，苄基氯等芳烷卤化物等。主要存在于肝脏和肾脏。谷胱甘肽S-环氧化物转移酶：催化芳烃类和卤化苯类等化合物的环氧化物衍生物与谷胱甘肽结合，主要存在于肝肾胞液。谷胱甘肽S-烯烃转移酶：催化含有，-不饱合羰基的不饱合烯烃类化合物与谷胱甘肽的结合反应，主要存在于肝肾胞液。第24页，此课件共50页哦n谷胱甘肽过
12、氧化物酶谷胱甘肽过氧化物酶 n超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶 超氧化物歧化酶属于金属酶，随金属的差异，该酶可分为Cu,Zn-SOD,Mn-SOD和Fe-SOD三种。因起存在部位的不同，有不同活性作用。其中Cu,Zn-SOD在结构上与其他两种SOD差别较大，而Mn-SOD与Fe-SOD之间差别较小。Fe-SOD主要存在于原核生物中。n过氧化过氧化氢酶 过氧化氢酶存在于红细胞及某些组织内的过氧化体中，它的主要作用就是催化H2O2分解为H2O与O2，使得H2O2不致于与O2在铁螯合物作用下反应生成非常有害的-OH。第25页，此课件共50页哦还原作用n毒物在体内可被还原酶催化还原，在哺乳动物反应不活跃，
13、但在肠道细胞内是活跃的第26页，此课件共50页哦二、还原反应n还原作用主要是在肝微粒体及胞浆中进行。n芳香族硝基化合物和偶氮化合物可分别被硝基化合物还原酶和偶氮还原酶还原成胺类n偶氮还原酶使偶氮化合物还原成苯肼衍生物及苯胺衍生物NO2NONHOHNH2H2OH2O2H2H2H硝基苯苯胺NNNHNH2NH2偶氮苯苯胺苯肼2H2H第27页，此课件共50页哦 ClCHCCl3ClClCCCl2Cl+HCl如，在抗DDT的家蝇体内，经DDT-脱氯化氢酶和谷胱甘肽的参与下变为无毒的DDE。脱卤作用：脱卤作用：某些卤化杀虫剂、麻醉剂某些卤化杀虫剂、麻醉剂和其他含卤化合物在动物体和其他含卤化合物在动物体内脱
14、卤转化。内脱卤转化。DDTDDE第28页，此课件共50页哦二硝基甲苯经肝和肠道菌群代谢活化 第29页，此课件共50页哦三、水解n绝大多数化合物的水解均需要酶的参加。n化学物质的水解只限于酯类和酰胺类化合物的水解。n哺乳动物体内广泛存在酯酶，可将酯类水解成酸类和醇类。n酯类的种类很多，分布很广，但不同的组织或不同内的种属所含酯酶相差很大。第30页，此课件共50页哦水解作用水解反应是许多有机磷杀虫剂在体内的主要代谢方式第31页，此课件共50页哦四、结合相反应(phase biotransformation)n指具有一定极性的外源化学物与内源性辅因子(结合基团)进行化学结合的反应(conjugati
15、on)n结合反应是进入机体的毒物在代谢过程中与体内某些内源性化合物或基团发生的生物合成反应。在结合的过程中，需要有辅酶和转移酶的参与，并消耗能量。n含有羟基、氨基、羰基以及环氧基的代谢物容易发生n与毒物的结合反应有烷基化、酯化、酰化等。第32页，此课件共50页哦结合作用的毒理学意义n结合是体内解毒的重要方式。n经过结合的产物，改变毒物的某些基团的作用，甚至丧失毒性n使毒物的极性增强，脂溶性降低，酸性增加，pK值降低，便于从尿液或胆汁排出体外。第33页，此课件共50页哦结合反应的类型n1.葡萄糖醛酸结合n2.硫酸结合n3.乙酰基结合（乙酰化作用）n4.甘氨酰基结合（氨基酸结合）n5.甲基化结合n
16、6.谷胱甘肽结合第34页，此课件共50页哦1.葡萄糖醛酸结合人和哺乳动物中最常见的解毒方式n葡萄糖醛酸的来源：体内糖类的正常代谢产物。n毒物类型：含有羟基、氨基和羧基等基团的外来化合物。n结合场所：肝脏。肾脏、胃肠道粘膜和皮肤中也可进行。OCH2OHOPOHOOHOCH2OHOPOOOHPOOHOCH2ONHNOO +UTP+焦磷酸OOCOOHUDPUDPG+2NAD+H2OUDPG脱氢酶+2NADH+2H+-D葡萄糖1-磷酸UDP-D葡萄糖UDPG-D葡萄糖醛酸（UDPGA）第35页，此课件共50页哦2.硫酸酯结合（农药、色素和抗氧化剂等的结合解毒的方式）n硫酸来源：含硫氨基酸的代谢产物。n
17、毒物类型：醇类、酚类及胺类化合物。n结合场所：肝、肾、胃和肠道中进行。OCH2OPOHHOOOPOOHOSOHOO腺嘌呤APS+ATPAPS激酶+ADP3-磷酸腺苷-5磷酰硫酸（PAPS）OPOOHOSOHOOCH2+焦磷酸ATP+SO4=磺酰酶5-磷酸硫酸腺苷（APS）第36页，此课件共50页哦 n多数情况下，毒物与硫酸结合后毒性减弱消失，如酚类与硫酸后毒性就减弱。CH2NHCCH3OCH2NOHCCH3O2-乙酰胺基芴2-乙酰胺基芴的N-羟基衍生物n例外。如2-乙酰胺基芴（AFF），在体内经N-羟化反应形成N-羟基，2-乙酰胺基芴，再与硫酸结合成硫酸酯，则产生致癌性。第37页，此课件共50
18、页哦3.谷胱甘肽结合n毒物类型：卤代芳香烃、卤代硝基苯、环氧化合物及少数的芳香烃。n解毒物：还原型谷胱甘肽。n毒物：多环芳烃、有机氯农药（666），通过与谷胱甘肽结合生成巯基尿酸衍生物而解毒。第38页，此课件共50页哦 OHHHOHSHCH2CHCNHOCH2COOHNHCOCH2CH2CHNH2COOHHOHSHCH2CHCNHOCH2COOHNH2HOHSHCH2CHCOOHNH2萘环氧化物S-（1，2-二氢-2-羟基-1=萘基）谷胱甘肽活化的谷胱甘肽S-（1，2-二氢-2-羟基-1=萘基）半胱氨酸甘氨酸HOHSHCH2CHCOOHNHCOCH3SCH2CHCOOHNHCOCH3N-乙酰-
19、S-（1，2-二氢-2-羟基-1=萘基）半胱氨酸S-（1，2-二氢-2-羟基-1=萘基）半胱氨酸1-萘基巯基尿酸巯基尿酸的生成第39页，此课件共50页哦4.酰化反应n辅酶A（CoA）通过它的游离巯基与活化形式的羧酸反应，生成乙酰基CoA的衍生物，然后把酰基转移到合适的受体，经尿液排出体外。CSCoAOH2N CH2CO O HCONHCH2COOHCoASH+苯甲酰-CoA 甘氨酸 马尿酸第40页，此课件共50页哦5.甲基化消除内源性和外源性胺类活性的方式。CHCH2NH2OHOHOH体内出现的腐胺或组胺等生物胺类具有一定的毒性。与甲基结合后，毒性则减低或消除。甲基化过程中的甲基由甲硫氨酸等供
20、给。CHCH2NHOHOHOHCH3N-甲基转移酶去甲肾上腺素 肾上腺素第41页，此课件共50页哦 它们不能作为底物。因为只有脂溶性底物才能进入微粒体系统。外源性巯基化合物可被微粒体酶系统甲基化。HSCH2CH2OH CH3SCH2CH2OH 巯基乙醇 S-甲巯基乙醇第42页，此课件共50页哦 n表 结合反应的主要类型结合反应结合基团的 直接供体酶类酶定位底物类型葡萄糖醛酸结合尿苷二磷酸葡萄糖醛酸（UDPGA）葡萄糖醛酸基转移酶微粒体酚、醇、羧酸、胺、羟胺、磺胺、巯基化合物等硫酸结合3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸（PAPS）硫酸转移酶胞液醇、酚、芳香胺类乙酰基结合乙酰辅酶A乙酰基转移酶胞液芳香胺、
21、胺类、氯基酸甘氨酰基结合甘氨酸（Gly）酰基转移酶线粒体酰基CoA（如苯甲酰CoA）甲基结合S-腺苷蛋氨酸（SAM）甲基转移酶胞液生物胺、吡啶喹啉、异吡唑等谷胱甘肽结合谷胱甘肽（GSH）谷胱甘肽-S-转移酶胞液卤化有机物、环氧化物、溴酚酜、胰岛素等水化H2O环氧水化酶微粒体不稳定的环氧化物（如环氧萘）第43页，此课件共50页哦 n表 生物转化反应的一般类型 反应类型 反应性质 细胞内酶的主要定位 羟化反应 微粒体 脱烷基反应 微粒体 环氧化反应 微粒体 脱硫反应 微粒体 脱卤反应 微粒体 醇氧化反应 胞液为主、微粒体少量 醛氧化反应 胞液、线粒体 氧化 脱氨反应 微粒体、线粒体 醛还原反应 胞
22、液 偶氮还原反应 微粒体 还原 硝基还原反应 微粒体、胞液 酯水解反应 微粒体、胞液 第一相反应 水解 酰胺水解反应 微粒体、胞液 葡萄糖醛酸结合 微粒体 甘氨酸结合 线粒体 乙酰化反应 胞液 甲基化反应 胞液 第二相反应 结合 谷胱甘肽结合 胞液 生物转化的方式第44页，此课件共50页哦五、影响毒物生物转化的因素n机体的遗传生理因素和环境因素 遗传生理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
23、诱导和抑制。另外，其他影响因素还有营养状态、疾病等。第45页，此课件共50页哦1.毒物对代谢酶的影响n抑制作用：一种毒物使代谢另一种毒物的代谢酶的活力降低，使之生物转化过程减慢，以致延缓毒物的从体内消除或解毒，致使该毒素的毒性增强。n如农药对硫磷的代谢产物对氧磷，能抑制羧酸酯酶（催化马拉硫磷发生水解反应），从而使马拉硫磷的水解速度减慢，对机体的毒性相应增强。第46页，此课件共50页哦诱导作用：指一种毒物能使代谢酶的活力增强或数量增多，因而能促进代谢酶对另一种毒物的生物转化过程。n比如：六六六可使大鼠肝微粒体的联苯-羟化酶的活力提高，以致能促进多环胺类代谢产物氨酚（致癌物）的形成。苯巴比妥、苯并
24、（）芘、有机氯杀虫剂、甾体激素、多氯联苯和芳香烃等化学物质都具有典型的诱导作用谱。第47页，此课件共50页哦肿瘤的遗传易感性研究结果第48页，此课件共50页哦毒物的生物转化举例毒物的生物转化举例 1.毒物的代谢活化四氯化碳 CCl3自由基二甲基苯 对甲基苯甲醛溴 苯 环氧溴苯乐 果 氧乐果对 硫 磷 对氧磷马拉硫磷 马拉氧磷CytP450系、醇脱氢酶CytP450系CytP450系CytP450系CytP450系CytP450系第49页，此课件共50页哦2.毒物的解毒反应 敌敌畏+谷胱甘肽 S-甲基谷胱甘肽+去甲基敌敌畏 对 氧 磷 对-硝基酚+二乙基磷酸乐 果 乐果酸+甲胺甲苯 苯甲酸 马尿酸n 三氯苯 三氯苯硫尿酸 三氯酚 结合后排出GSH-S-烷基转移酶磷 酸 酶酰 胺 酶甘氨酸、ATP、CoA谷胱甘肽葡萄糖醛酸第50页，此课件共50页哦