外源化学物在体内的生物转运和生物转化.pptx

第三章第三章 食品中外源化学物的食品中外源化学物的来源、转运与转化来源、转运与转化第1页/共126页2内容概要 第一节 食品中外源化学物的来源 第二节 生物膜和生物转运 第三节 吸 收 第四节 分 布 第五节 排 泄 第六节 毒物的代谢转化第2页/共126页3第一节食品中外源化学物的来源食品中外源化学物根据其来源分为四大类：天然物；衍生物；衍生物是食物在贮放和加工烹调过程中产生的。污染物；添加剂。污染物和添加物都属于外来的化学物。第3页/共126页4一、天然毒物（一）植物性有害物质 植物的有害代谢物大体上可以分为：功能团，如植物酚类；生理作用物质，如胆碱酯酶抑制剂或活化剂；产生毒素的，如生氰甙；致癌物，如苏铁素；抗营养物，如黄豆中的外源凝集素（lectins）。第4页/共126页5（二）动物性食品有害物质人类食入的动物性食品从毒理学角度可以分为三类：本身无毒的；有的时候有毒的（条件性有毒）；本身有毒的，如河豚鱼。第5页/共126页6二、衍生毒物（derivedtoxicants）衍生毒物是食品在制造、加工（包括烹调）或贮放过程中化学反应或酶反应形成的（或潜在）有毒物质。有时用同义词有毒反应物（toxic reactive product）。有毒物质可由食品的任何内在成分与外源成分（如污染物与添加剂）相互作用形成，或这些物质与外界物质（如氧）相互作用形成。由热、光、酶或其他物质引起食物化学降解也会产生有毒物质。衍生毒物可分为热解有机毒物、非热解毒物、油脂氧化物以及污染物反应产生的毒物等。第6页/共126页7三、污染物生物学污染物和化学污染物食品可从多方面受污染空气、水、土壤及其他的植物。多数情况下，污染量不大，引起急性中毒的机会较小，引起慢性危害则不能马上发生效应，不易觉察。土壤和水中的天然有毒无机物被植物、禽畜和水生动物吸收、积累，有的达到可引起人中毒的水平，如硝酸盐、汞、砷以及硒。受污染的饲料喂禽畜后，可使其肉、蛋、奶含有污染物，这些都属于间接污染。生长中的农作物或收获后贮放的农产品受微生物侵袭，在适宜条件下可产生致病内毒素或外毒素。现代农业生产中广泛使用的农药、生长刺激素等饲料添加剂和抗生素均会使食品含有残留。第7页/共126页8食品贮存和包装用的容器和包装材料中含有的化学物质（如塑料增塑剂和印刷油墨中的苯）能迁移到食物上。食品加工、烹调用的炊具、器皿、用具都有可能受材料中的化学物质污染。瓷器碗碟上的彩釉含的铅能游离到盛装的食物中。食品生产工艺过程污染物，运输、住宅、家庭生活、娱乐活动、教育、医疗以及科研使用的有害化学物质都有可能直接或间接污染食品，产生健康危害。第8页/共126页9四、添加剂食品添加剂最初是为防腐和改善食品品质（色、香、味、口感）而加入食品的，后来扩大到食品加工工艺过程本身需要而加入的物质。现代的食品添加剂随着食品门类的增加和工艺的发展，其种类也不断增多，已达数千个：有天然成分的，也有人工合成的。它们都是外源化学物质，因此需要对它们进行安全性毒理学评价。另外，添加剂对营养素的影响，添加剂的联合作用，添加剂与化学污染物的相互作用都很重要。第9页/共126页10第二节生物膜和生物转运一、外源化学物的体内动态外源外源外源化学物化学物化学物接触皮肤皮肤肺肺消化道消化道粪粪接触排泄肝肝吸收再吸收胆汁胆汁代谢血液循环血液循环白蛋白结合型白蛋白结合型游离型游离型吸收靶器官靶器官(损害损害)器官组织器官组织(贮存贮存)分布肾肾肺肺分泌腺分泌腺尿尿呼气呼气乳汁、汗乳汁、汗排泄图3-1 外源化学物在体内的动态过程第10页/共126页11Absorption Distribution Metabolism Excretion外源化学物的体内动态第11页/共126页12在靶器官内的化学毒物或其活性代谢物的浓度及持续时间，决定了机体的毒性效应的性质及其强度。吸收、分布、代谢和排泄过程影响在靶器官中化学毒物的浓度和持续时间。化学毒物的代谢和排泄合称为消除？经过代谢过程，毒物的毒性可能增强。化学毒物对机体的毒性作用取决于两个因素：1）化学毒物的固有毒性和接触量；2）化学毒物或其活性代谢物到达作用部位的效率。第12页/共126页13Toxicokinetics(毒物动力学)Toxicodynamics(毒物效应动力学)Biotransportation(生物转运)Biotransformation(生物转化)研究内容第13页/共126页14在机体对化学毒物的处置过程中，化学毒物在体内的浓度随时间变化的规律，可用数学方程或动力学参数来描述。毒物动力学的研究对象是机体对化学毒物的作用和靶器官中化学毒物或其活性代谢物的量。毒物效应动力学的研究对象是涉及在靶器官内化学毒物或其活性代谢物与大分子（靶分子）的作用，引起的局部的或整体的毒性效应。第14页/共126页15毒物动力学毒物动力学是源于药物动力学的。以速率论的观点出发，用数学模型分析和研究化学毒物在体内吸收、分布代谢和排泄的过程及其动力学的规律。目的：1）设计毒理学研究；2）剂量与毒性关系；3）进行对人的危险性评价。第15页/共126页16生物膜组成脂质糖蛋白质：结构蛋白、受体、酶、载体、离子通道等结构：液态镶嵌模型功能隔离功能生化反应和生命活动的场所内外环境物质交换的屏障二、生物膜和生物转运二、生物膜和生物转运第16页/共126页17生物膜的结构第17页/共126页18生物转运主动转运(active transport)被动转运膜动转运(cytosis)简单扩散(simple diffusion)易化扩散(facilitated diffusion)滤过(filtration)胞吞(endocytosis),胞饮(pinocytosis)胞吐(exocytosis)第18页/共126页19（一）简单扩散外源化学物主要经单纯扩散的方式经生物膜转运。简单扩散可使使化学毒物的浓度在血浆和细胞外液之间达到平衡，但不能使化学毒物的浓度在细胞外液和细胞内液之间达到平衡。简单扩散方式条件 1）膜两侧存在浓度差异；2）化学毒物必须有脂溶性3）化学毒物必须是非电离状态。第19页/共126页20第20页/共126页21（一）简单扩散影响单纯扩散的主要因素有生物膜的浓度梯度、厚度和面积、脂水分配系数、解离度等。一般情况下，脂水分配系数大的化学物和非解离的化学物容易以单纯扩散方式通过生物膜。脂水分配系数(lipidwater partition coefficien)是表示化学物脂溶性的一个参数(亲脂性亲水性的比值)，指化学物在含有脂和水的体系中，在分配达到平衡时在脂相和水相的浓度比值。第21页/共126页22（二）易化扩散又称为载体扩散。水溶性小分子或离子在特殊的膜蛋白帮助下，由细胞膜高浓度的一侧向低浓度的一侧扩散的过程。可能机制：膜上蛋白质载体特异地与某种化学毒物结合后，其分子内部发生构型变化而形成适合该物质透过的通道而进入细胞。只能按顺浓度方向转运，不需能量。第22页/共126页23第23页/共126页24 需有载体参加；外源化学物可逆浓度梯度转运；消耗能量，代谢抑制剂可阻止转运过程；载体对转运的外源化学物有特异选择性；转运量有一定极限，载体可达饱和状态；两种外源化学物间可出现竞争性抑制（三）主动转运目前已鉴定的主动转运系统有8种第24页/共126页25大分子物质跨膜转运示意图 第25页/共126页26 外源化学物本身结构；分子量大小；脂-水分配系数；带电性；内源性物质的相似性影响转运的主要因素第26页/共126页27 吸收（abosorption）:外源化学物从接触部位，通常是机体的外表面或内表面的生物膜转运通过生物膜屏障进入血循环的过程。主要的吸收部位是消化道、呼吸道和皮肤。药物治疗还有注射方式，包括皮下注射、肌肉注射和静脉注射等。第三节第三节 吸收吸收第27页/共126页28一、经胃肠道吸收吸收的特点和影响因素：消化道是外源化学物的主要吸收部位，从口腔到直肠的各个部位都可吸收外源化学物。消化道吸收主要在小肠内进行。小肠的结构特点，外源化学物本身的理化性质、胃肠液的pH值、胃肠道内食物的量和质、肠内菌丛的影响外源化学物的性质可能在胃肠道消化过程中改变成新的物质从而影响其吸收或改变其毒性。第28页/共126页29第29页/共126页30肝脏的血液循环肝脏血液供应非常丰富,肝脏的血容量相当于人体总量的14%。成人肝每分钟血流量有1500-2000ml。肝的血管分入肝血管和出肝血管两组。入肝血管包括肝固有动脉的门静脉。属双重血管供应，出肝血管是肝静脉系。肝动脉是肝的营养血管，肝血供的1/4来自肝动脉进入肝脏后分为各级分支到小叶间动脉，将直接来自心脏的动脉血输入肝脏，主要供给氧气。门静脉是肝的功能血管肝血供的3/4来自于门静脉，门静脉进入肝脏后分为各级分支到小叶间静脉，把来自消化道含有营养的血液送至肝脏“加工”。第30页/共126页31首过效应（first-pass effect）由于消化道血液循环的特点，除口腔和直肠外，从胃和肠吸收到局部血管的物质都要汇入肝门静脉到达肝脏之后再进入体循环。由于肝脏具有代谢外源化学物的功能，未被代谢的原型和代谢产物离开肝脏随体循环分布到全身。这种未到体循环就被肝脏代谢和排泄的现象称为首过效应(first-pass effect)。现在，将在吸收部位发生代谢后再进入体循环的现象都理解为首过效应。第31页/共126页32空气中的外源化学物 主要从呼吸道侵入机体。并以肺泡吸收为主，其吸收速度仅次于静脉注射。空气中的物质以气体和气溶胶两种形式存在。影响吸收的因素：1）气态物质水溶性影响其吸收部位。2）气态物质在肺泡和血液中的浓度（分压）差。血气分配系数是气体在呼吸膜两侧的分压达到动态平衡时，在血液内的浓度与在肺泡空气中的浓度之比。3）肺通气量和肺血流量大小也是影响吸收的因素。4）气溶胶中颗粒的大小和化学物质的水溶性也影响气溶胶的吸收。二、经呼吸道吸收二、经呼吸道吸收第32页/共126页33颗粒物可引起上呼吸道炎症、肺炎、肺肉芽肿、肺癌、肺尘埃沉着病及过敏性肺部疾患。可溶性有毒颗粒物很快被吸收入血引起中毒，不溶性颗粒物则可引起肺尘埃沉着病。毒物经肺吸收的物种差异是由于生理学的差异和暴露条件的不同造成。第33页/共126页34三、经皮肤吸收毒物经皮吸收须通过表皮或附属物。表皮的角质层是化学物质经皮吸收的限速屏障。不同部位皮肤对毒物的通透性不同：阴囊腹部额部手掌足底第34页/共126页35第一阶段是外源化学物扩散通过角质层。极性物质通过含水的角质层蛋白细丝的外表面扩散，非极性分子则溶解于蛋白细丝间基质并扩散。第二阶段由扩散通过表皮较深层（颗粒层、棘层和生发层）及真皮，再通过真皮内静脉和毛细淋巴管进入体循环。第35页/共126页36四、其它吸收途径皮下注射 肌肉注射 静脉注射 腹腔注射等。在自然环境中和注射方式类似的情况如毒蛇咬伤，毒蛇毒素经伤口吸收。第36页/共126页37 分布(distribution)指外源化学物吸收进入血流或淋巴液后，随体循环分散到全身组织器官的过程。不同的外源化学物在体内各器官组织的分布不均匀。影响因素：影响因素：组织或器官的血流量、外源化学物的亲合力。redistribution:如 铅，有机磷农药 第四节第四节 分分 布布第37页/共126页38一、毒物在组织中的贮存贮存库：进入血液的外源化学物在某些器官组织蓄积的浓度较高，如果外源化学物对这些器官组织未显示明显的毒作用，称为贮存库。贮存库的作用：1）保护；2）转化的潜在危害。体内的主要贮存库有：血浆蛋白、肝和肾、脂肪以及骨骼。第38页/共126页391、血浆蛋白能与血浆蛋白结合的化学毒物，其毒作用可被延缓。这种结合可降低血中游离型化学毒物的浓度，因此增加了有毒物质血管外对血管内的浓度梯度，增加了扩散速度。这种结合是可逆的。游离型毒物浓度与毒作用强度相关。不同化学毒物与血浆蛋白的结合是有竞争的。第39页/共126页40铅尘肺部弥散或吞噬作用血液与红细胞结合血浆(90%)(磷酸氢铅或血浆蛋白铅)肝、肾、脾等器官沉积骨骼、毛发等蓄积（磷酸铅）（9095%）体内酸碱平衡失调铅在体内的分布第40页/共126页412.肝和肾具有许多化学毒物结合的能力；含有一些特殊的结合蛋白。还有一种可诱导蛋白（金属硫蛋白）能与镉、汞、锌及铅结合。肝、肾是一种外来化学毒物的贮存场所，也是体内有毒物质转化和排泄的重要器官。第41页/共126页423、脂肪及骨骼有机物易于分布和蓄积在体脂内。在脂肪中贮存可其靶器官中的浓度。骨骼中某此成分与某些化学毒物有特殊亲和力。在骨中的沉积和贮存是否有损害作用，取决于化学毒物的性质。第42页/共126页43屏障：是阻止或减少化学毒物由务液进入某种组织器官的一种生理保护机制。主要有血脑屏障(blood-brainbarrier)和胎盘屏障(placentalbarrier)，另外还有血-睾丸屏障和血-眼屏障。屏障不能有效地阻止亲脂性物质的转运。二、机体的屏障作用二、机体的屏障作用第43页/共126页441.血脑屏障(blood-brainbarrier，BBB)形成BBB的重要性在于保障血液和脑之间正常的物质交换和阻挡非脑营养物质进入脑组织。BBB是由毛细血管内皮细胞和星状胶质细胞组成的。第44页/共126页452.胎盘屏障(placentalbarrier)由胎盘形成的屏障调控妊娠母体和胎儿之间的物质交流，是保护胎儿免受外源化学损害的重要关口。正常妊娠期间母血与子血分开，互不干扰，同时又进行选择性的物质交换。屏障的组成包括绒毛芯的微血管的内皮细胞、基膜、结缔组织及上皮基膜和绒毛上皮，就血窦绒毛型胎盘而言都属于子体组织。其他类型胎盘则包括母体组织，如子宫内膜上皮、基膜、结缔组织和内皮等。非离子型、脂溶性高和分子量小的物质容易通过胎盘屏障。虽有“胎盘屏障”的概念，但至今还没有肯定胎盘在防止毒物从母体进入胚胎的特殊作用。第45页/共126页46胎盘屏障第46页/共126页47排泄（排泄（excretionexcretion）是外源化学物及其代谢产物向机体外转运的过程，是生物转运的最后一个环节。肾脏排泄：肾小球过滤肾小管重吸收肾小管分泌粪便排泄：与未吸收的食物混合胆汁排泄肠肝循环肠肝循环 肺排泄其他：乳汁排泄第五节第五节 排排 泄泄第47页/共126页48一、经肾脏排泄主要的排泄器官，效率极高。机理：1）肾小球滤过；肾小球的毛细管有较大的膜孔（7-10nm）并有滤过压。分子量小于60000的外源化学物分子都能通过肾小球到达肾小管。2）肾小球简单扩散；3）肾小球主动转运。以简单扩散和主动转运为主要。第48页/共126页49二、经肝和胆排泄进入胃肠道的化学毒物最主要的机制是经过胆汁排泄。几种转运系统：有机酸类主动转运；有机碱类主动转运；中性有机化学毒物的主动转运；金属主动转运。胆汁排泄是尿排泄的补充，小分子经肾管排泄，大分子经胆汁排泄。一种途径受阻可导致另一途径排泄增加。第49页/共126页50化学毒物及其代谢物主要由胆汁进入肠道；也可通过其它途径进入胃肠道。一部分随粪便排出，一部分由于肠液或细菌的酶催化，增加其脂溶性而被肠道重吸收，重新返回肝脏，形成肠肝循环肠肝循环。肠肝循环使化学毒物从肠道排泄的速度减慢，生物半减期延长，毒作用持续时间延长。第50页/共126页51三、经肺和其它途径排泄在体温下以气态存在的物质，主要以肺排泄。经乳汁排泄。汗腺和毛发排泄。第51页/共126页52&一、生物转化和解毒一、生物转化和解毒&二、二、相反应相反应&三、三、相反应相反应&四、影响生物转化的因素四、影响生物转化的因素第六节第六节 化学毒物的生物转化化学毒物的生物转化第52页/共126页53一、生物转化和解毒一、生物转化和解毒生物转化生物转化(biotransformation)：机体通过化学反应，使外源化学物的极性增加，有利于随胆汁或尿液排出体外的转变过程称为生物转化。生理意义：主要是使外源化学物的极性（水溶性）增高，易于从胆汁或尿液中排除体外使一些外源化学物的生物学活性降低或消除（灭活作用，如激素）使有毒物质的毒性减低或消除（解毒作用）生物转化作用 解毒作用 第53页/共126页54代谢产物代谢产物代谢产物代谢产物(metabolites)(metabolites)：生物转化的产物。：生物转化的产物。主要担负生物转化的器官是肝脏。其他器官如肾脏、小肠、肺脏和皮主要担负生物转化的器官是肝脏。其他器官如肾脏、小肠、肺脏和皮肤等的生物转化能力明显低于肝脏。肤等的生物转化能力明显低于肝脏。代谢解毒代谢解毒代谢解毒代谢解毒(metabolic detoxication)(metabolic detoxication)：经生物转化大部分外源化学：经生物转化大部分外源化学物的代谢产物，毒性降低，易于排出体外，此为解毒反应。物的代谢产物，毒性降低，易于排出体外，此为解毒反应。代谢活化代谢活化代谢活化代谢活化(metabolic activation)(metabolic activation)：外源化学物经生物转化其毒性经生物转化其毒性被增强的现象。如生成亲电子剂、自由基、亲核剂、氧化还原被增强的现象。如生成亲电子剂、自由基、亲核剂、氧化还原剂。剂。第54页/共126页55（二）肝脏解毒肝脏解毒主要有四种方式：（1）化学方法：如氧化、还原、分解、结合和脱氧作用。（2）分泌作用：一些重金属如汞，以及来自肠道的细菌，可随胆汁分泌排出。（3）蓄积作用；（4）吞噬作用。肝脏是人体的主要解毒器官，它可保护机体免受损害，使毒物成为无毒的或溶解度大的物质，随胆汁或尿排出休外。第55页/共126页56（三）生物转化反应的主要类型第一相反应：氧化反应(oxidation)还原反应(reduction)水解反应(hydrolysis)第二相反应：结合反应(conjugation)第56页/共126页57相反应和相反应葡萄糖醛酸转移酶 第57页/共126页58生物转化通过这两相反应改变其毒效性质。代谢活化：经生物转化后毒性增强，甚至产生致癌、致突变和致畸效应，称为代谢活化。化学物(无毒性)活性中间产物(毒性)产物(无毒性)代谢解毒：化学物(毒性)中间产物(低毒性或无毒性)产物(无毒性)第58页/共126页59代谢活化经代谢活化生成的活性代谢产物分四类：1）生成亲电子剂；2）生成自由基；3）生成亲核剂；4）生成氧化还原剂。第59页/共126页60某些致癌物质的生物转化芳香烃类：如苯并芘。芳香胺类：如2-乙酰氨基芴。芳香族偶氮化合物：如4-二甲基氨基偶氮苯（奶油黄，DAB）。杂环化合物：如1-氧-4-硝基喹啉（4NQO）。脂肪族化合物：如芥子气。有机卤化物及无机化合物：如666及羰基镍、砷化物等。N-亚硝基化合物：如二乙基亚硝胺等。第60页/共126页61第61页/共126页622-乙酰氨基芴的代谢活化2-乙酰氨基芴(2-AAF，2-acetylaminofluorene)在形成终致癌物之前也经历了两次活化(图2-3)，即首先发生N-羟化的I相反应形成中间产物N-羟基胺，再经相反应，即硫酸、乙酰基或葡萄糖醛酸结合。这些结合产物在酸性pH尿中可水解或由小肠菌丛的-葡糖苷酸酶催化水解，生成N-羟基芳香胺，后者可自发性生成亲电子性芳基氮钅翁 离子，攻击DNA，引起膀胱癌和结肠癌。第62页/共126页63甲萘醌二电子还原成氢醌 和一电子还原成半醌时生成活性氧自由基第63页/共126页64四氯化碳的代谢活化 第64页/共126页65二、二、相反应相反应定义定义定义定义相反应相反应相反应相反应(phase biotransformation)(phase 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-OH、-NH-NH2 2、-SH-SH、-COOH-COOH等，水溶性增高并成为适合于等，水溶性增高并成为适合于相反应的底物。相反应的底物。第65页/共126页66I相反应的类型氧化作用还原作用水解作用硝基和偶氮还原羰基还原含硫基团还原醌还原脱卤还原酯酶酰胺酶环氧化物水化酶I I相反应的类型相反应的类型第66页/共126页67氧化作用P-450催化氧化脂肪族和芳香族羟化:八甲磷双键的环氧化：杂原子(S-,N-,I-)氧化和N-羟化杂原子(O-,S-,N-)脱烷基氧化基团转移 (氧化脱氨、脱硫、脱卤素)酯裂解(羧酸酯、磷酸酯)脱氢微粒体含黄素加单氧酶醇、醛、酮氧化和胺类氧化（一）氧化作用（一）氧化作用第67页/共126页681.细胞色素P-450酶系P-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，又称为微粒体混合功能氧化酶(microsomal mixed function oxidase，MFO)或单加氧酶(monooxygenase)。细胞色素P-450酶系的构成由血红素蛋白类（细胞色素P-450和细胞色素B5）、黄素蛋白类（NADPH-细胞色素P-450还原酶和NADH-细胞色素B5还原酶）和磷脂类三部分组分。P-450酶系是一个蛋白质超级家族，其每一种对专一性有特征性谱，包括有结构型的和诱导型两类。人肝至少含有15种以上的P-450。P-450酶氨基酸序列相似性40%是属于同一家族，59%则属于同一亚族。第68页/共126页69表3-3 人肝主要P-450底物、抑制剂和诱导剂举例P-450底 物 抑 制 剂CYPlA2乙酰苯胺，咖啡因萘黄酮焦牛肉，吸烟CYP2A6香豆素，丁二烯二乙二硫氨甲酯苯巴比妥(PB)CYP2B6环磷酰胺邻甲基苯海拉明未知CYP2C8酰胺咪嗪槲皮素未知CYP2C9双氯高灭酸，苯妥英苯磺唑酮利福平CYP2C19安定，环己烯巴比妥反苯环丙胺利福平CYP2D6异喹呱氟西汀，洛贝林，奎尼丁未知CYF2E1乙醇，亚硝胺氨基三唑，二甲亚砜乙醇，异烟肼CYF3A4尼非地平，二氢吡啶乙炔雌二醇地塞米松，PB，利福平第69页/共126页70P-450酶系的功能1）P-450酶系的主要功能是催化体内许多内源和外源化学物在生物转化过程中的氧化反应。2）细胞色素P-450也能催化还原反应和异构化反应。催化的还原反应有：偶氮还原、硝基还原和还原脱卤。异构化反应有：PGH2转变为血栓素和前列腺环素。3）在合成类固醇激素时，它还催化C-C键断裂以及被置换的环己烷的芳香化。第70页/共126页71P-450催化的几类氧化反应1）脂肪族或芳香族碳的羟基化；2）双键的环氧化作用；3）杂原子（S-、N-、I-）的氧化和N-羟基化；4）杂原子（O-、S-、N-和Si-）脱烷基作用；5）氧化基团的转运；6）酯的裂解；7）脱氢作用。第71页/共126页72亲电子剂的形成苯并(a)芘benzo(a)pyrene，BaP 7,8-环氧苯并(a)芘 7,8-二羟-BaP 7,8-二羟基-9,10-环氧BaP P-450环氧化物水解酶(终致癌物)第72页/共126页73苯并(a)芘（BaP）的代谢活化和解毒 第73页/共126页74静止状态的氧化型P-450中的铁为3价，和底物结合后，铁的自旋状态发生改变，极易还原 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 加入分子氧形成氧化型的三重络合物，氧被还原；第二个电子由细胞色素b5供给 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；底物和活性氧结合生成羟化的产物ROH，P-450返回静止状态。第74页/共126页752.微粒体含黄素单加氧酶（FMO）分布于肝、肾、肺等组织微粒体，一种或多种。以黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）为辅酶，需要NADPH和O2。黄素单加氧酶催化的很多反应也可为P-450催化。催化氧化亲核性氮、硫和磷杂原子，不能在碳位上催化氧化反应。第75页/共126页76FMO催化的反应类型1）催化亲核的胺氧化生成N-氧化物，催化伯胺氧化生成羟胺和肟。2）催化氧化含硫的外源化学物生成S-氧化物。3）催化氧化含磷的外源化学物生成P-氧化物。4）其它如肼类化合物、碘化物、硒化物和含硼化合物也是FMO的底物。第76页/共126页77与P-450酶系的不同之处是此酶不能在碳位上催化氧化反应。FMO可催化亲电子的胺氧化生成N-氧化物，催化伯胺氧化生成羟胺和肟。如苯异丙胺、苄达明、氯丙嗪、氯氮平、胍乙啶、丙咪嗪、甲苯丙胺、奥氮平及三苯氧胺等含氮药物，可经FMO进行N-氧化，但大多数情况经细胞色素P-450进行N-氧化。FMO还可氧化含硫的外源化学物(如硫醇、硫醚、硫酮、硫代氨去甲酸盐、甲氰咪呱和舒林酸硫化物)和磷化氢分别生成S-和P-氧化物。肼类化合物、碘化物、硒化物和含硼化合物也是FMO的底物。第77页/共126页783醇、醛、酮氧化-还原系统和胺氧化(1)醇脱氢酶：醇脱氢酶(ADH)是一种含锌酶，位于胞浆，分布于肝脏(含量最高)、肾脏、肺脏及胃粘膜。人ADH是由两个40kDa亚单位组成二聚体蛋白质，其亚单位有6个不同的基因位点(ADHl-ADH6)编码，它们是a、p、r、和以及第6个亚单位8与或者。ADH依不同的分子分为四类：它们是同工酶，催化乙醇及其他短链脂肪醇的氧化过程，吡唑可抑制酶活性。第78页/共126页79(2)乙醛脱氢酶乙醛脱氢酶(ALDH)以NAD+为辅助因子将乙醛氧化成羧酸。几种ALDH酶类涉及醛类化合物的氧化过程，亦具有酯酶的活性。在人体，有12种ALDH基因被鉴定，即 ALDH l-10，SSDH和MMSDH。已在人体证实了ALDH的遗传多态性，在日本人、中国人、韩国人和越南人中约有45-53的人因为点突变(Glu487 Ly8487)而缺乏ALDH2的活性。许多亚洲人在饮酒后易产生红晕综合征，其原因是乙醛的迅速堆积，造成局部血管因释放儿茶酚胺而扩张。第79页/共126页80戒酒硫戒酒硫又称双硫醒，酒畏等。戒酒硫进入人体后，通过阻断2个重要的酶系统而发生作用。其主要的作用发生在肝脏内，它可抑制醛脱氢酶的活性，使乙醛乙酸的反应受阻，体内乙醛蓄积，血中乙醛浓度升高510倍，从而引起一系列症状与体征，称为乙醇-戒酒硫反应。一般于饮酒后1520 min出现，持续约0.51 h。此表现在大多数人身上呈自限性，无需处理。戒酒硫的另一作用实际上是通过其代谢产物二乙基二硫基氨基甲酸酯阻断多巴胺-羟化酶而产生，使脑中多巴胺浓度增高。第80页/共126页81(3)二氢二醇脱氢酶：除几种羟化类固醇脱氢酶和醛糖还原酶外，醛-酮还原酶(AKR)超家族还包括几种二氢二醇脱氢酶。(4)钼水解酶(molybdozymes)：醛氧化酶和黄素脱氢酶黄素氧化酶(XDXO)为有含钼酶，钼酶的最适底物不是细胞色素P-450的底物。醛氧化酶能氧化许多取代基团如吡咯、吡啶、嘧啶、嘌呤、蝶啶及碘离子。由醛氧化酶催化的外源化学物还原反应需要无氧条件或者有还原性底物，如N-甲基尼古丁胺、2-羟基嘧啶或者苯甲醛的存在。第81页/共126页82(5)单胺氧化酶、二胺氧化酶：在肝、肾、肠、神经等组织的线粒体中有单胺氧化酶，胞液中有二胺氧化酶，这些酶能使各种胺类氧化脱氨生成醛和氨。单胺氧化酶有两种形式，称为MAO-A和MAO-B。MAO-A主要氧化5-羟色胺，去甲肾上腺素和萘心胺的脱烷基代谢物。Clorgyline可抑制MAO-A的活性。而MAO-B主要氧化-苯乙胺和苄胺，可受1-司来吉兰的抑制。MAO-B敲除小鼠在给予MPTP后，未发现黑质纹状体多巴胺神经元的选择性损害，证实此观点。MAO-B是可影响帕金森病易感性的遗传因素之一。第82页/共126页834过氧化物酶依赖性的共氧化反应过氧化物酶催化的外源化学物生物转化。它包括氢过氧化物的还原和其他底物氧化生成脂质氢过氧化物，这一过程称为共氧化。几种不同的过氧化物酶可催化外源化学物的生物转化，它们见于各种组织和细胞内。例如氨基比林的N-脱甲基反应、对乙酰氨基酚的脱氢反应、苯并(a)芘羟化反应和7，8-二氢二醇苯并(a)芘的环氧化、黄曲霉毒素B1的8，9-环氧化反应等都可通过共氧化作用而完成。第83页/共126页84(二)还原作用在哺乳动物组织中还原反应活性较低，但在肠道菌群内还原酶的活性较高。1硝基和偶氮还原 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醌氧化还原酶催化。在某些情况下，醛氧化酶也参与偶氮还原反应和硝基还原反应。其反应需要NAD(P)H，可被氧抑制。胃肠道下段的无氧条件很适合偶氮还原和硝基还原反应，所以这些反应主要由肠道菌群催化的。而在低氧分压时，细胞色素P-450也能催化外源化学物的还原反应。第84页/共126页85例如：二硝基甲苯经肝P-450氧化后与葡萄糖醛酸结合成葡糖苷排入胆汁，由肠道菌群进行生物转化，一个或两个硝基被硝基还原酶还原成胺，葡糖苷为-葡糖苷酶水解。水解后的代谢物被重吸收转运至肝，新生成的氨基由P-450催化N-羟化，并可乙酰化或与硫酸结合。这些结合物可裂解生成高度反应性的氮宾离子，氮宾离子可攻击DNA，引起肝细胞突变和肝癌。因而，2，6-二硝苯甲苯与DNA反应并引起突变，在大多数评价化学物遗传毒性的短期试验中是观察不到的。因为这些体外的遗传毒性试验缺乏肠道菌群的生物转化或者相(结合)酶的作用。第85页/共126页86第86页/共126页87第87页/共126页88苏丹红I在体内可以被还原代谢为初级产物苯胺(aniline)和1-氨基-2-萘酚(1-amino-2-naphthol)。苏丹红II在体内代谢可产生二甲基苯胺(2,4-xylidine)和1-氨基-2萘酚。苏丹红III在体内代谢可产生4-氨基偶氮苯(4-aminoazobenzene)、1-氨基-2萘酚、苯胺、对苯二胺(p-phenylenediamine)和1-4氨基-苯基偶氮-2萘酚1-(4-aminophenyl)azo-2-naphthol。苏丹红IV在体内代谢可产生邻-氨基偶氮甲苯(ortho-aminoazotoluene)、4-氨基-2-甲苯基偶氮-2-萘酚1-(4-amino-2-methylphenyl)azo-2-naphthol、2,5-二氨基甲苯(2,5-diaminotoluene)、1-氨基-2萘酚和邻-甲苯胺(ortho-toluidine)。第88页/共126页892羰基还原作用某些醛类还原成伯醇和酮类还原成仲醇的过程是经醇脱氢酶和羰基还原酶催化。羰基还原酶是单聚体，依赖NADPH的酶，分布于血液和肝脏、肾脏、大脑及其他神经细胞的胞浆中。经羰基还原酶还原的外源化学物有氟哌啶醇(抗精神病药物)、己酮可可碱、乙酰苯磺环乙脉、柔红霉素、依他尼酸、华法林、甲萘醌以及4-硝基苯乙酮等。前列腺素可能是羰基还原酶的生理性底物。肝脏的羰基还原酶活性主要在胞浆，而在微粒体则有不同的羰基还原酶。胞浆和微粒体羰基还原酶的区别在于它们立体选择由酮还原成仲醇的程度不同。第89页/共126页903二硫化物、硫氧化物和N-氧化物还原含硫基团还原反应在体内较少。二硫化物还原并裂解成巯基毒物，如戒酒硫由肝、肾细胞胞浆中硫氧化还原依赖性酶催化还原。在肝、肾细胞胞浆中硫氧还蛋白依赖性酶类可还原硫氧化物(如亚砜)，硫氧化物又可通过 P-450或FMO而形成的，通过这些相反作用的酶系统的再循环可能延长某些外源化学物的生物半减期。N-氧化物本身毒性不高，由细胞色素P-450和NADPH细胞色素P-450还原酶催化经单电子还原迅速活化生成氧化性氮氧的自由基，转变成细胞毒性或与DNA结合的毒物。第90页/共126页914醌还原醌由NAD(P)H-醌氧化还原酶催化还原成氢醌，此酶是黄素蛋白，又称为DT-黄递酶，催化醌双电子还原。醌双电子还原还可由羰基还原酶催化。醌的双电子还原是无毒性的。但醌经NADPH-P-450还原酶催化单电子还原，生成半醌自由基。半醌自由基可经自氧化，伴有氧化应激，生成具有细胞毒性的超氧阴离子、过氢氧自由基、过氧化氢、羟基自由基(图3-13)。氧化应激是某些含醌或可转变为醌的毒物毒作用的重要机制，如多柔比星和柔红霉素的心脏毒性、百草枯和硝基呋喃妥因的肺毒性、6-羟基多巴胺的神经毒性。第91页/共126页92第92页/共126页935脱卤反应有三种机制涉及脱卤素反应，即还原脱卤反应、氧化脱卤反应和脱氢脱卤反应。还原脱卤反应和氧化脱卤反应由P-450催化，脱氢脱卤反应由P-450和GSH S-转移酶催化。这些反应在一些卤代烷烃的生物转化和代谢活化中起重要的作用。如肝脏毒物四氯化碳经还原脱卤反应代谢活化，单电子还原生成三氯甲烷自由基(CCl3)，后者启动脂质过氧化作用并产生各种其他代谢物。第93页/共126页94(三)水解作用外源化学物的水解作用(hydrolysis)主要由酯酶和酰胺酶、肽酶、环氧水化酶催化。定位：微粒体、胞液定位：微粒体、胞液第94页/共126页951酯酶和酰胺酶哺乳动物含有许多种水解酶，包括各种酯酶(esterase)和酰胺酶(amidabe)，可水解含有羧酸酯(普鲁卡因)、酰胺(普鲁卡因酰胺)、硫酯(螺甾内酯)、磷酸酯(对氧磷)及酸酐等功能基团的外源化学物。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。第95页/共126页962肽酶在血液和组织中有许多肽酶(peptidase)可水解肽类。例如，氨基肽酶和羧基肽酶，分别在N-末端和C-末端水解氨基酸，而内肽酶则在肽内部特定部位裂解肽类，如胰蛋白酶水解肽类C-末端的精氨酸残基或者赖氨酸残基。肽酶可裂解邻近氨基酸之间的酰胺键，因此其功能是酰胺酶。第96页/共126页973环氧水化酶环氧水化酶(epoxide hydrodase，EH)催化由环氧化物与水的反式加成物，其水合产物是具有反式构型的邻位二醇。环氧水化酶是肝脏微粒体中可诱导的酶类之一，几种细胞色素P-450诱导剂均可诱导环氧水化酶的活性。在哺乳动物，环氧水化酶有五种形式：微粒体环氧水化酶(mEH)、可溶性环氧水化酶(sHE)、胆固醇环氧水化酶、LTA4水解酶及hepoxilin水解酶，后三种酶似乎仅仅水解内源性氧环化酶。mEH与sEH在氨基酸序列上完全不同，故在免疫化学方面，亦是完全不同的蛋白质。虽然两种酶可以水解广谱化合物，但它们有自己的底物特异性。第97页/共126页98相反应相反应相反应相反应(phase biotransformation)(phase biotransformation)又称为结合作用又称为结合作用(conjugation)(conjugation)。相反应中，相反应中，毒物原有的功能基因或由毒物原有的功能基因或由I I相反应引入相反应引入(暴露暴露)的功能基因与内源性辅因子反应。除的功能基因与内源性辅因子反应。除了甲基化和乙酰化结合反应外，其他了甲基化和乙酰化结合反应外，其他相反应显著增加毒物的水溶性，促进其排相反应显著增加毒物的水溶性，促进其排泄。葡糖醛酸结合、硫酸结合、乙酰化作用、甲基化作用涉及活结合则是与活化泄。葡糖醛酸结合、硫酸结合、乙酰化作用、甲基化作用涉及活结合则是与活化的毒物反应。的毒物反应。三、三、相反应相反应第98页/共126页99q结合反应的类型结合反应的类型：葡糖醛酸结合葡糖醛酸结合硫酸结合硫酸结合乙酰化作用乙酰化作用甲基化作用甲基化作用 谷胱甘肽谷胱甘肽(GSH)(GSH)结合结合氨基酸结合氨基酸结合 结合酶：vUDP-葡糖醛酸转移酶 v磺酸转移酶v乙酰基转移酶v甲基转移酶v谷胱甘肽-S-转移酶v酰基转移酶第99页/共126页100(一一)葡糖醛酸结合葡糖醛酸结合 葡葡糖糖醛醛酸酸结结合合(glucuronidation)(glucuronidation)是是相相反反应应中中最最普普遍遍进进行行的的一一种种，由由UDP-UDP-葡葡糖糖醛醛酸酸基基转转移移酶酶(UDP-glucuronytransferase(UDP-glucuronytransferase，UDPGT)UDPGT)催催化化对对毒毒物的代谢物的代谢(解毒和活化解毒和活化)具有重要的作用。具有重要的作用。葡