生物转运转化第三章.ppt

1第三章第三章 外源化学物在体内的生物转运与外源化学物在体内的生物转运与生物转化生物转化生物转运和生物转化的四个基本过程：生物转运和生物转化的四个基本过程：吸收吸收（absorption）分布分布（distribution）代谢代谢（metabolism）排泄排泄（excretion）代谢和排泄二者又合称消除代谢和排泄二者又合称消除（elimination）生生物物转转运运生物转化生物转化2第一节 外源化学物在体内的生物转运一、生物膜与生物转运一、生物膜与生物转运 （一）生物膜的结构特点（一）生物膜的结构特点磷脂双分子层：决定了脂溶性物质的易透过性磷脂双分子层：决定了脂溶性物质的易透过性镶嵌蛋白：可作为载体镶嵌蛋白：可作为载体、受体、酶等、受体、酶等，或构成特，或构成特殊通道以帮助水溶性物质透过细胞膜。殊通道以帮助水溶性物质透过细胞膜。膜孔：一般为膜孔：一般为4nm大小，但在肾小球和毛细血管大小，但在肾小球和毛细血管中膜孔可达中膜孔可达70n70nm大：有利原尿滤过和物质交换。大：有利原尿滤过和物质交换。3（二）外源化学物通过生物膜的方式（二）外源化学物通过生物膜的方式1.1.被动转运（被动转运（passive transport)passive transport)（1 1）简单扩散）简单扩散 （2 2）滤过（）滤过（filtrationfiltration）2.特殊转运特殊转运 （1）主动转运）主动转运 （2）易化扩散）易化扩散 （3）膜动转运）膜动转运 吞噬作用（吞噬作用（phagocytosis）胞饮作用（胞饮作用（pinocytosis）胞吐作用（胞吐作用（exocytosis）4二、吸收二、吸收（一）经胃肠道吸收（一）经胃肠道吸收 多经简单扩散吸收多经简单扩散吸收 弱有机酸和弱有机碱，只有分子态才可吸收。弱有机酸和弱有机碱，只有分子态才可吸收。所以胃肠道所以胃肠道pH起决定作用。起决定作用。胃和十二指肠腔内为酸性环境，利于弱酸如苯胃和十二指肠腔内为酸性环境，利于弱酸如苯甲酸吸收。甲酸吸收。小肠腔内小肠腔内pH达达6以上，利于弱碱性物质（如苯胺）以上，利于弱碱性物质（如苯胺）的吸收。的吸收。铅铅、左旋多巴等则由主动转运吸收。左旋多巴等则由主动转运吸收。胃肠蠕动胃肠蠕动、排空速度和肠道菌从也对外来化合排空速度和肠道菌从也对外来化合物的吸收有影响。物的吸收有影响。5（二）经呼吸道吸收（二）经呼吸道吸收外源性化学物经呼吸道吸收速度很快，仅次于静脉外源性化学物经呼吸道吸收速度很快，仅次于静脉注射。注射。气体和蒸气的吸收主要取决于脂溶性和浓度（简单气体和蒸气的吸收主要取决于脂溶性和浓度（简单扩散）。扩散）。*血血/气分配系数气分配系数(mg/L:mg/L)乙烯：0.14，乙醇：1300，苯：6.85 *肺通气量肺通气量 气溶胶：雾经肺的吸收与气体和蒸气相似气溶胶：雾经肺的吸收与气体和蒸气相似 烟和粉尘的颗粒直径大小与其到达呼吸道的烟和粉尘的颗粒直径大小与其到达呼吸道的部位有密切关系。部位有密切关系。6直径直径 5 5 微米：微米：沉积于鼻咽部沉积于鼻咽部直径在直径在2 25 5微米：微米：沉降于气管、支气管区域沉降于气管、支气管区域 被咳出或吞咽进胃肠道被咳出或吞咽进胃肠道直径在直径在1 1微米以下：微米以下：可达肺泡并被吸收入血可达肺泡并被吸收入血7（三）经皮肤吸收（三）经皮肤吸收分为穿透阶段和吸收阶段分为穿透阶段和吸收阶段 穿透：被动扩散透过角质层的过程穿透：被动扩散透过角质层的过程 吸收：在表皮深层和真皮层经由静脉或淋巴管吸收吸收：在表皮深层和真皮层经由静脉或淋巴管吸收脂溶性较好的物质易吸收脂溶性较好的物质易吸收而高脂溶性或高水溶性物质而高脂溶性或高水溶性物质 经皮吸收困难。经皮吸收困难。8三、分布三、分布(distribution)指外源性化学物吸收后，随血液或淋巴液分散至指外源性化学物吸收后，随血液或淋巴液分散至全身的过程。全身的过程。分布与再分布分布与再分布(redistribution)（一）外源化学物在组织器官中的贮存（一）外源化学物在组织器官中的贮存 蓄积（蓄积（accumulation):以较高浓度富集于某些组以较高浓度富集于某些组 织器官织器官 如如COCO与与HbHb结合，结合，DDTDDT在脂肪组织中含量最高。（然在脂肪组织中含量最高。（然而而DDTDDT的毒作用靶不在脂肪而在神经系统等组织。的毒作用靶不在脂肪而在神经系统等组织。9贮存库中蓄积的毒物常常是慢性毒作用的物质基贮存库中蓄积的毒物常常是慢性毒作用的物质基础。础。血浆蛋白、肝、肾、脂肪组织和骨骼都可作为贮血浆蛋白、肝、肾、脂肪组织和骨骼都可作为贮存库。存库。（二）特殊屏障（二）特殊屏障 血血-脑屏障：母体甲基汞和铅可从未发育好的胎儿脑屏障：母体甲基汞和铅可从未发育好的胎儿 血脑屏障通过而影响脑部。血脑屏障通过而影响脑部。胎盘屏障：发现胎盘屏障：发现OH-PCBs比其原型（比其原型（PCBs）易）易于透过该屏障（因其一定的水溶性对跨生物膜简于透过该屏障（因其一定的水溶性对跨生物膜简单扩散有利）。单扩散有利）。10四、排泄四、排泄（一）经肾排泄（一）经肾排泄肾小球被动过滤，肾小管主动分泌。肾小球被动过滤，肾小管主动分泌。脂脂/水分配系数高的毒物较难排出，而水溶性高的水分配系数高的毒物较难排出，而水溶性高的毒物易于随尿排出（肾小管重吸收少）。毒物易于随尿排出（肾小管重吸收少）。（二）经粪便排泄（二）经粪便排泄 经口摄入的毒物，随胆汁排出的毒物，由肠道排经口摄入的毒物，随胆汁排出的毒物，由肠道排泄的毒物（被动或主动从血液分泌至肠腔），及泄的毒物（被动或主动从血液分泌至肠腔），及肠道菌群的作用。肠道菌群的作用。11第二节第二节 外源化学物在体内的生物转化外源化学物在体内的生物转化一、生物转化的意义一、生物转化的意义（一）代谢解毒与代谢活化（一）代谢解毒与代谢活化 多数外源性化学物代谢后毒性降低，少数毒多数外源性化学物代谢后毒性降低，少数毒物如氯乙烯和物如氯乙烯和B(a)P本身不直接发生毒效应，而是本身不直接发生毒效应，而是依赖代谢过程使其成为具有细胞毒性、遗传毒性依赖代谢过程使其成为具有细胞毒性、遗传毒性或致癌性的活性形式（自由基或亲电子剂）。或致癌性的活性形式（自由基或亲电子剂）。（三）经肺排泄（三）经肺排泄（四）经乳汁排泄（脂溶性强的（四）经乳汁排泄（脂溶性强的DDTDDT，PCBsPCBs等）等）12生物转化的意义苯并芘的生物转化苯并芘的生物转化13代代谢谢活活化化代谢灭活代谢灭活14多数毒物经生物转化反应其毒性下降代谢灭活（解毒）少数化学物经生物转化后毒性增高代谢活化15（二）外源性化学物溶解度的变化（二）外源性化学物溶解度的变化相反应总是增加外源性化学物的溶解度相反应总是增加外源性化学物的溶解度相反应除甲基化和乙酰化反应以外总是增加外相反应除甲基化和乙酰化反应以外总是增加外源性化学物的水溶性。源性化学物的水溶性。二、生物转化酶二、生物转化酶（一）基本特性（一）基本特性 结构（及功能）在不同个体间的差别：多态性结构（及功能）在不同个体间的差别：多态性 对底物不同程度的特异性对底物不同程度的特异性 可表现出立体选择性可表现出立体选择性（二）分布：肝脏及肝外组织（二）分布：肝脏及肝外组织 内质网：内质网：CYPs和葡萄糖醛酸基转移酶和葡萄糖醛酸基转移酶 胞液：硫酸基转移酶胞液：硫酸基转移酶16三、生物转化反应类型三、生物转化反应类型（一）（一）相反应：氧化、还原和水解相反应：氧化、还原和水解 1.1.氧化反应：以在微粒体的细胞色素氧化反应：以在微粒体的细胞色素P450P450酶酶系（系（CYPsCYPs）作用为主。）作用为主。CYP1CYP1、CYP2CYP2及及CYP3CYP3与外源性化学物氧化代与外源性化学物氧化代谢有关。谢有关。加单氧作用为其基本反应，可表现为羟化加单氧作用为其基本反应，可表现为羟化、环氧化环氧化、杂原子脱烷基（代谢活化）等。杂原子脱烷基（代谢活化）等。RHO2NADPHHROHH2ONADP17 CCl4CYPs+e-CCl3 +Cl-攻击生物膜攻击生物膜启动脂质过氧化损伤启动脂质过氧化损伤胞液中的醇脱氢酶和醛脱氢酶与甲醇和乙醇的代谢有关胞液中的醇脱氢酶和醛脱氢酶与甲醇和乙醇的代谢有关乙醛脱氢酶具遗传多态性。亚洲人中有大约一半的乙醛脱氢酶具遗传多态性。亚洲人中有大约一半的 人因点突变而缺乏此酶活性：红晕综合症。人因点突变而缺乏此酶活性：红晕综合症。脱卤反应：脱卤反应：18（二）（二）相反应相反应1.葡萄糖醛酸基结合葡萄糖醛酸基结合(glucuronidation)*是体内最主要的结合反应类型。是体内最主要的结合反应类型。*是在是在-OH、-COOH、-NH2、-SH等功能团上等功能团上 以糖酐键连接葡萄糖醛酸基。以糖酐键连接葡萄糖醛酸基。*使代谢物极性增加，水溶性增加，易于从尿中使代谢物极性增加，水溶性增加，易于从尿中 排出。排出。目前观察到的都是代谢灭活作用目前观察到的都是代谢灭活作用。*尿苷二磷酸葡萄糖醛酸尿苷二磷酸葡萄糖醛酸是葡萄糖醛酸的供体是葡萄糖醛酸的供体 （活性形式）。（活性形式）。192.硫酸基结合（硫酸基结合（sulfation)硫酸基转移酶（硫酸基转移酶（SULT），），PAPS（3-磷酸腺苷磷酸腺苷-5-磷酰硫酸）磷酰硫酸）是携带硫酸基的辅酶。是携带硫酸基的辅酶。此二酶都有许多亚型，各自表现相对的底物特此二酶都有许多亚型，各自表现相对的底物特异性。异性。*传统上认为硫酸基转移促进传统上认为硫酸基转移促进相相代谢产物的排代谢产物的排泄，现在发现有时结合了硫酸基后因其带电荷泄，现在发现有时结合了硫酸基后因其带电荷而不能扩散出细胞而不能扩散出细胞贮留细胞。贮留细胞。*只有在细胞对结合产物存在主动转运方式时才只有在细胞对结合产物存在主动转运方式时才促进排泄，葡萄糖醛酸基胆红素。促进排泄，葡萄糖醛酸基胆红素。20 *近十年发现硫酸基转移酶有时使外源性化学物毒近十年发现硫酸基转移酶有时使外源性化学物毒性增强性增强活化为细胞毒性和致突变物。活化为细胞毒性和致突变物。*如人如人SULT2A1活化活化1-pyrenemethanol为致突变为致突变物。物。*人人SULT1A1活化活化2-nitro-propane（2-硝基硝基丙烷）为致突变物。丙烷）为致突变物。213.谷胱甘肽结合谷胱甘肽结合 由谷胱甘肽由谷胱甘肽S-转移酶催化。转移酶催化。存在于肝细胞和其他许多类细胞的胞液。存在于肝细胞和其他许多类细胞的胞液。一般认为是亲电子剂解毒的一种机制，它一般认为是亲电子剂解毒的一种机制，它还能清除活性氧类（还能清除活性氧类（active oxygen species)，有抗脂质过氧化作用。，有抗脂质过氧化作用。224.4.甲基化反应甲基化反应甲基供体为甲基供体为S-S-腺苷甲硫氨酸。腺苷甲硫氨酸。主要作为内源性物质的代谢方式。主要作为内源性物质的代谢方式。甲基转移酶催化甲基转移酶催化底物含底物含O,N,SO,N,S等杂原子等杂原子存于微粒体和胞液存于微粒体和胞液底物包括苯酚，儿茶酚，脂肪胺和芳香胺底物包括苯酚，儿茶酚，脂肪胺和芳香胺产物水溶性减弱，不易排出，但毒性减低。产物水溶性减弱，不易排出，但毒性减低。甲基化后水溶性减低，毒性减弱。甲基化后水溶性减低，毒性减弱。235.5.乙酰化反应乙酰化反应是含芳香胺和肼结构的外源性化学物的主要代谢是含芳香胺和肼结构的外源性化学物的主要代谢途径。途径。产物是芳香酰胺和酰肼。产物是芳香酰胺和酰肼。催化酶是催化酶是N-乙酰基转移酶，主要在肝细胞胞液。乙酰基转移酶，主要在肝细胞胞液。乙酰辅酶乙酰辅酶A是乙酰基供体。是乙酰基供体。产物水溶性减低，多为灭活过程。产物水溶性减低，多为灭活过程。6.氨基酸结合是羧酸和芳香羟胺的主要代谢途径。氨基酸结合是羧酸和芳香羟胺的主要代谢途径。甘氨酸甘氨酸、牛磺酸结合，形成酰胺。牛磺酸结合，形成酰胺。24四、影响外源性化学物生物转化的某些因素四、影响外源性化学物生物转化的某些因素（一）毒物代谢酶的遗传多态性（一）毒物代谢酶的遗传多态性（Genetic polymorphism)指在群体中出现了频率大于指在群体中出现了频率大于1%的多种等位基因形的多种等位基因形式。式。毒物代谢酶的多态性在很大程度上决定了个体对毒物代谢酶的多态性在很大程度上决定了个体对于毒物所致毒效应的易感性。于毒物所致毒效应的易感性。人人CYP1A1是芳烃羟化酶，在肺组织表达最高，是芳烃羟化酶，在肺组织表达最高，可催化多种芳香烃为致癌物。存在可催化多种芳香烃为致癌物。存在Msp1多态和第多态和第7外显子多态。外显子多态。25Msp1Msp1位点缺失：基因型位点缺失：基因型A A，为优势纯合子。，为优势纯合子。T T被被C C取代：基因型取代：基因型C C，其携带者肺癌发病高，其携带者肺癌发病高7 7倍倍（日本报道）。（日本报道）。基因型基因型A A和和C C的杂合子：基因型的杂合子：基因型B B。第第7 7外显子血红素结合区的突变：外显子血红素结合区的突变：A GA G，IleIle转变转变为为ValVal。Val/ValVal/Val型患肺癌的危险度为其他基因型的型患肺癌的危险度为其他基因型的2.4-2.4-2.92.9倍（我国报道）。倍（我国报道）。*CYP1A1CYP1A1的遗传多态性还与膀胱癌、乳腺癌及结肠的遗传多态性还与膀胱癌、乳腺癌及结肠癌的易感性有关。癌的易感性有关。26（二）毒物代谢酶的诱导和阻遏（二）毒物代谢酶的诱导和阻遏引起代谢酶合成引起代谢酶合成 或活性或活性 诱导（诱导（inductioninduction）如巴比妥类：苯巴比妥可诱导如巴比妥类：苯巴比妥可诱导CYP2B1/2CYP2B1/2、2C2C、3A1/23A1/2、NADH-NADH-细胞色素细胞色素P450P450还原酶等。还原酶等。多环芳烃多环芳烃:3-MC:3-MC诱导诱导CYP1A1/2CYP1A1/2、EHEH和和GSTGST。乙醇、异烟肼：诱导乙醇、异烟肼：诱导CYP2E1CYP2E1。酶的诱导发生在肝脏最明显。酶的诱导发生在肝脏最明显。毒物代谢酶的阻遏（毒物代谢酶的阻遏（enzyme repression):指对某指对某些代谢酶诱导的同时可阻遏另一些代谢酶的合成。些代谢酶诱导的同时可阻遏另一些代谢酶的合成。27（三）毒物代谢酶的抑制与激活（三）毒物代谢酶的抑制与激活竞争性抑制：抑制剂与酶的活性中心结合，但不竞争性抑制：抑制剂与酶的活性中心结合，但不催化代谢反应。降低酶对其底物的亲和力。催化代谢反应。降低酶对其底物的亲和力。甲醇与乙醇竞争醇脱氢酶是两个底物竞争同一个甲醇与乙醇竞争醇脱氢酶是两个底物竞争同一个催化酶，不是生物化学意义上的酶抑制剂。催化酶，不是生物化学意义上的酶抑制剂。非竞争性抑制：常常是抑制剂与酶发生不可逆的非竞争性抑制：常常是抑制剂与酶发生不可逆的结合。结合。28第三节第三节 毒物动力学毒物动力学用数学模型和速率论的理论来解释外源化学物用数学模型和速率论的理论来解释外源化学物数量在生物转运和转化过程中的动态变化规律。数量在生物转运和转化过程中的动态变化规律。29时时-量关系为核心，求出动力学参数及与效应的关系量关系为核心，求出动力学参数及与效应的关系 本课程只介绍经典毒物动力学本课程只介绍经典毒物动力学（一）基本概念（一）基本概念 毒物在体内的量一般以血浆浓度来代表。毒物在体内的量一般以血浆浓度来代表。1.速率类型速率类型 一级速率过程（一级速率过程（First order rate process）：毒物的生）：毒物的生物半减期恒定，单位时间内毒物消除量与体存量成正比。物半减期恒定，单位时间内毒物消除量与体存量成正比。（恒比消除）（恒比消除）特点：特点：l消除量与体内毒物量成正比；消除量与体内毒物量成正比；l血浆浓度对数值对时间作图为一直线；血浆浓度对数值对时间作图为一直线；lT T1/2恒定，与染毒剂量无关；恒定，与染毒剂量无关；l多数毒物在体内的过程多数毒物在体内的过程30dC/dtdC/dt=-=-KeCKeC0 0KeKe:一级消除速率常数一级消除速率常数Ct=CCt=C0 0-ket-ket31经典毒物动力学经典毒物动力学基本概念基本概念速率类型速率类型零级零级 一级一级 零级零级 对数浓度对数浓度 一级一级浓度浓度 32零级速率过程（零级速率过程（Zero order rate processZero order rate process）单位时间内消除毒物的量恒定，与体存量无关单位时间内消除毒物的量恒定，与体存量无关（恒量消除）。（恒量消除）。其算术时其算术时-量关系为一直线，而对数时量关系为一直线，而对数时-量关系为量关系为一曲线。一曲线。部分需要载体转运或限速酶代谢的毒物的体内过部分需要载体转运或限速酶代谢的毒物的体内过程符合零级速率。程符合零级速率。332.2.房室模型房室模型房室模型房室模型毒物毒物吸收吸收消除消除毒物毒物中央室中央室周边室周边室吸收吸收消除消除34一室模型（一室模型（One-compartment modelOne-compartment model）：毒物入血）：毒物入血后能迅速而均匀地分布于全身并呈现一致的消除后能迅速而均匀地分布于全身并呈现一致的消除过程。过程。多房室模型（多房室模型（Multi-compartment model)Multi-compartment model)：毒物：毒物入血后在体内不同部位的转运和转化速率不同，入血后在体内不同部位的转运和转化速率不同，在达到平衡前需要有一个分布的过程。在达到平衡前需要有一个分布的过程。一个中央室，多个周边室。一个中央室，多个周边室。3536(二）房室模型和时二）房室模型和时-量曲线量曲线1.1.房室模型的时房室模型的时-量曲线量曲线毒物毒物吸收吸收消除消除 一室模型计算公式一室模型计算公式：372.2.二房室模型及时二房室模型及时-量曲线量曲线见图见图3-133-13（P63P63）分布相（快相），速率常数：分布相（快相），速率常数：alphaalpha消除相（慢相），速率常数：消除相（慢相），速率常数：betabeta39（三）基本参数（三）基本参数1.1.表观分布容积（表观分布容积（Apparent volume of Apparent volume of distribution,Vd)distribution,Vd)经静脉染毒，一室模型的经静脉染毒，一室模型的Vd=X0/C0(单位：单位：L/kg)Vd越大，表示毒物在体内分布的范围越广。越大，表示毒物在体内分布的范围越广。消除速率常数（）消除速率常数（）单位时间内外源性化学物从体内消除的量占体单位时间内外源性化学物从体内消除的量占体存量的比例。存量的比例。曲线下面积（）曲线下面积（）越大，外源性化学物从机体消除越慢。越大，外源性化学物从机体消除越慢。40曲线下面积曲线下面积(AUC)(AUC)：指时量曲线下覆盖的总面积，表指时量曲线下覆盖的总面积，表示以某一途径染毒后在一定时间内吸收入血的示以某一途径染毒后在一定时间内吸收入血的毒物相对量毒物相对量。可。可通过计算获得通过计算获得.一房室模型：一房室模型：AUC=C0/keAUC=C0/keC0C0(mg/L);ke(h-1);AUCke(h-1);AUC单位单位mghL-1-1hrshrs AUCAUC 曲线下面积曲线下面积 （一房室模型）（一房室模型）反映毒物体内总量反映毒物体内总量Area under curve 41半减期（半减期（1/2）指外源性化学物血浆浓度下降一半所需时间。指外源性化学物血浆浓度下降一半所需时间。一房室模型半减期一房室模型半减期0.693/Ke 二房室模型二房室模型 分布相半减期分布相半减期=0.693/alpha 消除性半减期消除性半减期=0.693/beta5.清除率（清除率（clearance,Cl）指单位时间内机体所有途径能够消除的外源化学指单位时间内机体所有途径能够消除的外源化学物占有的血浆容积值。物占有的血浆容积值。6.生物利用度（生物利用度（bioavailability,F)：指毒物吸收率：指毒物吸收率 F=AUC(非静脉注射）非静脉注射）/AUC(i.v.)谢谢！