第2章生物转运转化.pptx

FOODTOXICOLOGY TaoWu AssociateProfessorDepartmentofFoodQualityandSafetyCollegeofFoodScienceandTechnologyFeb27 2011 2 第二章 外源化学物在体内的生物转运与转化 掌握毒物在体内的来踪去路吸收熟悉毒物在体内的分布与贮存掌握生物转化反应及意义PhaseI PhaseIIEnzyme 目的要求 第一节基本概念 1 毒物 toxicant poison 指在一定条件下 一定量的某一物质 经过一定的途径进入机体后 在组织 器官 细胞内发生化学或物理化学的作用 引起机体机能性或器质性的病理改变 甚至造成死亡的化学物质 毒物的分类 一 按毒物的用途及分布范围分类工业 环境 食品 农用 日用品 二 按化学结构和理化性质分类芳香胺 卤代碳氢化学物 气体 液体 粉尘等 三 按毒性级别分类剧毒 高毒 低毒 四 按毒作用的生理生化机制分类巯基抑制剂 高铁蛋白形成剂 五 按毒作用性质和部位分类按毒作用主要部位肝毒物 肾毒物 神经毒物按毒物生物学效应三致 毒物 2 Thedosemakesthepoison Paracelsus食盐水蛋白质多糖毒素 toxin 特指由活的生物有机体产生的一类特殊物质植物毒素动物毒素真菌毒素细菌毒素 毒物进入机体后 引起相应的病理过程 急性 一次或24h内多次亚急性 小于或等于1个月亚慢性 3个月左右慢性 大于6个月 2 中毒 POISONING 8 毒性 某种毒物对机体的损害能力 剂量 动物机体每公斤体重接触毒物的量 表示单位为mg kgBW 指给予机体的量或机体接触的量接触剂量 exposuredose 又称外剂量 指外源化学物与机体 如人 指示生物 生态系统 的接触剂量 可以是单次接触或某浓度一定时间的接触吸收剂量 体内 到达剂量 靶器官 3 毒性和剂量 DOSE 9 4 毒作用 效应和反应 毒作用 toxiceffect 毒物对动物有机体产生的生物学损害作用 速发作用与迟发作用 局部作用于全身作用可逆作用于不可逆作用一般以毒物引进机体产生的生物学效应或反应来描述毒作用 表达和描述接触一定剂量的毒物后所发生的生物学作用的强度和发生率的情况 10 效应 effect 表示一定剂量外源化学物与机体接触后所引起的生物学变化 计量资料 反应 RESPONSE 指接触一定化学物后 表现某种效应并达到一定强度的个体在群体中所占的比例 一般以百分率或比值表示 计数资料 效应仅涉及个体 即一个人或动物 可以用一定计量单位来表示其强度反应则涉及群体 如一组动物或一群人 其强度用百分率或比值表示 如反应率 死亡率 5 损害与非损害作用 1 非损害作用2 损害作用机体的正常形态 生长发育过程受到严重的影响 寿命亦缩短 机体的功能容量或对额外应激状态的代偿能力降低 机体维持内稳态的能力下降 机体对其他某些环境因素不利影响的易感性增加 损害作用与非损害作用的界定统计学方法 6 联合毒性作用 相加作用协同作用拮抗作用独立作用加强作用 指外源化学物可以直接发挥毒作用的器官 毒作用的强弱 主要取决于该物质在靶器官中的浓度 但靶器官不一定是该物质浓度最高的场所 7 靶器官 TARGETORGAN 8 生物标志物 Biomarker 是指各种环境 化学的 物理的和生物学的 因子对生物机体作用引起的机体组织器官 细胞 亚细胞水平的生理 生化 免疫和遗传等任何可测定观测值的改变 也包括通过生物学屏障进入体内的化学物质或其代谢产物的可监测指标 暴露生物标志物效应生物标志物易感生物标志物 是在人类生活的外界环境中存在 可能与机体接触并进入机体 在体内呈现一定的生物学作用的一些化学物质 又称为 外源生物活性物质 9 XENOBIOTICS 外源化学物 10 生物转运 BIOTRANSPORT 指外源化学物主要依据物理学规律 本身不发生化学结构改变 从接触部位吸收 转运进入血液 再转运至组织与脏器 最终转运到排泄器官离开机体的过程 biotransformation 指外源化学物的代谢变化过程 即外源化学物在代谢器官由一系列酶介入 发生化学结构的改变的过程 11 生物转化 12 剂量 反应 效应 曲线 剂量为横坐标 反应或效应为纵坐标 直线型 随着剂量的增加 反应的强度也随着增强 并成正比例关系抛物线型 S型曲线 对称型和非对称型 低剂量范围内 随着剂量增加 反应强度增高较为缓慢 剂量较高时 反应强度也随之急速增加 但当剂量继续增加时 反应强度增高又趋于缓慢曲线转换 绝对致死剂量 absolutelethaldose LD100 是指化学物质引起受试对象全部死亡所需要的最低剂量或浓度 由于个体差异 受试群体中总是有少数高耐受性或高敏感性的个体 故LDl00常有很大的波动性 13 致死剂量 1 绝对致死剂量 指化学物质引起受试对象中的个别成员出现死亡的剂量 低于此剂量即不能引起死亡 2 最小致死剂量 minimallethaldose MLD或LD01 maximaltolerancedose MTD或LD0 LDO和LD100常作为急性毒性试验中选择剂量范围的依据 3 最大耐受剂量 化学物质不引起受试对象出现死亡的最高剂量 LD0也受个体差异的影响 存在很大的波动性 medianlethaldose LD50 4 半数致死剂量 化学物质引起一半受试对象出现死亡所需要的剂量 又称致死中量 LD50是评价化学物质急性毒性大小最重要的参数 也是对不同化学物质进行急性毒性分级的基础标准 LD50受多种因素影响 对于同一种化学物质 不同种属的动物敏感性不同 接触途径不同也可影响LD50的值 在表示LD50时 必须注明动物种属 性别和接触途径 实验室环境 喂饲条件 染毒时间 受试物浓度 溶剂性质 实验者操作技术的熟练程度等均可对LD50产生影响 化学物质在一定时间内 按一定方式与机体接触 用现代的检测方法和最灵敏的观察指标不能发现任何损害作用的最高剂量 最大无作用剂量也不能通过试验获得 只能确定未观察到损害作用的剂量 no observedadverseeffectlevel NOAEL 14 最大无作用剂量 maximalno effectdose ED0 toxiceffectzone 15 毒作用带 表示化学物质毒性和毒作用特点的重要参数之一 分为急性毒作用带与慢性毒作用带 半数致死剂量与急性阈剂量的比值 Zac LD50 Limac 1 急性毒作用带 acutetoxiceffectzone Zac 2 慢性毒作用带 chronictoxiceffectzone Zch 为急性阈剂量与慢性阈剂量的比值 Zch Limac Limch 安全限值即卫生标准 是对各种环境介质中的化学 物理和生物有害因素规定的限量要求 是国家颁布的卫生法规的重要组成部分 是政府管理部门对人类生活和生产环境实施卫生监督和管理的依据 是提出防治要求 评价改进措施和效果的准则 对于保护人民健康和保障环境质量具有重要意义 允许正常成人每日由外环境摄入体内的特定化学物质的总量 在此剂量下 终生每日摄入该化学物质不会对人体健康造成任何可测量出的健康危害 mg kgbw 1 每日容许摄入量 acceptabledailyintake ADI maximumresiduallevel MRL 2 最高容许残留量 允许在食物表面或内部药物残留或化学物质的最高含量 4 参考残留限量 3 暂行允许量 5 无关农药残留 环境介质中化学物质的日平均接触剂量的估计值 人群在终生接触该剂量水平化学物质的条件下 预期一生中发生非致癌或非致突变有害效应的危险度可低至不能检出的程度 4 参考剂量 referencedose RfD 在制定安全限值时 最重要的毒性参数是LOAEL和NOAEL 化学物质的安全限值一般是将LOAEL或NOAEL缩小一定的倍数来确定的 这个缩小的倍数称为安全系数或不确定系数 在选择安全系数或不确定系数时要考虑多种因素 第二节吸收 Absorption 接触 皮肤肺 消化道 接触 排泄 肝 吸收 再吸收 代谢 血液循环白蛋白结合型游离型 吸收 靶器官 损害 器官组织 贮存 分布 肾 肺 分泌腺 排泄 外源化学物在体内的动态过程 Absorption 吸收 Distribution 分布 Metabolism 代谢 Excretion 排泄 吸收 absorption 是指外源化学物经过各种途径透过机体的生物膜进入血液的过程 主要途径 呼吸道胃肠道皮肤 Theprocessbywhichtoxicantscrossbodymembranesandenterthebloodstreamiscalledabsorption 胃肠道吸收 胃肠道是外源化学物的主要吸收途径外源化合物在胃肠道的吸收可在任何部位进行 但主要在小肠吸收方式 主要是通过简单扩散 还可以通过滤过 胞饮或吞噬和主动转运系统 胃肠道的酸碱度外源化学的分子结构及理化性质胃肠道的蠕动情况胃肠道中的某些物质及菌丛 影响胃肠道吸收因素 FOODMICROSTRUCTUREAFFECTSTHEBIOAVAILABILITYOFSEVERALNUTRIENTS 41 毒物通过细胞膜的方式 简单扩散 载体转运主动转运易化扩散 滤过 简单扩散 滤过 载体转运主动转运易化扩散 1 简单扩散 simplediffusion 化学物由生物膜浓度较高的一侧向浓度较低的一侧扩散 当两侧浓度达到动态平衡时 扩散即终止生物膜两侧浓度差叫浓度梯度或浓度差 一 被动转运 passivetransport 1 简单扩散的特点 顺浓度梯度 不需要消耗能量毒物与生物膜不发生化学反应生物膜不具有主动性 是一个简单的物理学过程 2 毒理学意义在一般情况下 大部分外源化学物是通过简单扩散进行生物转运 3 影响简单扩散的因素 浓度梯度差外源化学物在脂质中的溶解度脂水分配系数 脂相中浓度 水相中浓度电离或离解状态和体液中的pH生物膜两侧体液的蛋白质浓度和与蛋白质结合的亲合力 酸性物 Acidicdrug HA H A 碱性物 Basicdrug BH H B 分子型 离子障 iontrapping 分子型极性低 亲脂 可通过膜 离子型相反 外源化学物透过生物膜上亲水性孔道的过程依靠生物膜两侧的渗透压梯度和液体静压的作用 2 滤过 filtration 化学物分子量的大小 4nm孔道通过 200的分子 70nm孔道通过 60000分子 水及一些溶于水而不溶于脂质的物质 可通过滤过完成生物转运过程 1 影响因素 2 毒理学意义 外源化学物透过生物膜由低浓度处向高浓度处移动的过程 二 主动转运 activetransport 主动转运的特点 1 可逆浓度梯度转运 消耗一定的代谢能量2 转运过程需要载体参加 3 载体有一定的容量 当化合物浓度达到一定程度时 载体可以饱和 转运即达到极限4 主动转运有一定的选择性5 竞争抑制 如果两种化合物基本结构相似 又需要同一转运系统时 主动转运的特点 不易溶于脂质的化学物 利用载体由高浓度向低浓度处移动的过程由于不能逆浓度递度由低浓度处向高浓度处移动 所以不消耗代谢能量由于利用载体 生物膜具有一定主动性或选择性 但又不能逆浓度梯度 故又属于扩散性质 也可称为促进扩散 4 易化扩散 facilitateddiffusion 胞饮和吞噬 液体或固体外源化学物被伸出的生物膜包围 然后将被包围的液滴或较大颗粒并入细胞内 达到转运的目的 前者称为胞饮 后者称为吞噬 总称为胞吞作用 胞吐作用 颗粒物由细胞内运出细胞的过程 称胞吞作用 膜动转运也需要消耗能量 5 膜动转运 cytosistransport 生物膜对化学物转运的影响 阻留和屏障化学物对生物膜的影响 结构和功能 第三节分布 distribution 分布 distribution 指外源化学物通过吸收进入血液或其它体液后 随血液或淋巴液流动分散到全身各组织细胞的过程器官或组织的血流量和对外源化学物的亲和力是影响外源化学物分布的最关键因素 一 外源化学物分布的毒理学意义 毒物分布的特点 外源化学物在体内的分布属不均匀分布 影响分布的主要因素 1 化学物与血浆蛋白结合2 化学物与其他组织成分结合3 化学物在脂肪组织和骨骼中贮存沉积4 体内各种屏障的影响 二 毒物在组织中的蓄积 贮存库 storagedepot 指进入血液的化学毒物在某些器官组织蓄积而浓度较高 如果化学毒物对这些器官组织未显示明显的毒作用 称为贮存库 体内的主要储存库 1 血浆蛋白储存库 2 肝 肾贮存库 3 脂肪组织贮存库及 4 骨骼组织贮存库 化学毒物在体内的贮存具有双重意义 对急性中毒具有保护作用 可减少在靶器官中的化学毒物的量可能成为一种游离型化学毒物的来源 具有潜在的危害 血液中的分布 外源化合物和血浆球蛋白可逆性结合结合态 游离态的相互转变外源浓度低竞争性结合外源化合物与组织细胞的亲和力大于血浆蛋白 肝肾中分布 肝肾和外源化合物的亲和力较强重金属的浓度超过血浆中的100 700倍 在脂肪组织中存储 脂溶性较高的外源化合物保护作用慢性中毒 在骨骼中沉积 重金属和四环素等有机药物释放和体液pH值相关磷酸三铅在酸性 高度水溶 体内屏障 某些外来化合物在组织器官中的分布过程 有可能与其理化性质不符合屏障 组织或减缓组织中不需要的物质或具有损害作用的外来化合物进入一定的组织 血脑屏障 blood brainbarrier 是指由毛细血管内皮细胞和聚集包围毛细血管的星形胶质细胞的软脑膜组成的一种特殊的功能结构 血脑屏障的重要性 在于保障血液和脑组织之间的正常代谢物质的交换 阻止非需要物质的进入 从而维持脑的正常功能 特殊的屏障 66 血脑屏障 Blood brainbarrier BBB 67 血脑屏障 Blood brainbarrier BBB 由毛细血管壁和N胶质细胞构成 微弱 未解离的脂溶性化合物和未于蛋白质结合的小分子化合物才可能透过新生儿 68 胎盘屏障 胎盘将母体与胎儿血液分开 也起屏障作用 故称胎盘屏障 药物和毒物通过胎盘的转运方式主要是简单扩散 大多数药物和毒物均能进入胎儿 胎盘屏障 Placentalbarrier 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 如致畸物可经过胎盘引起胚胎畸形 有些致癌物也具有经胎盘致癌作用 大部分外源化学物透过胎盘的机理是简单扩散 而胚胎发育所必需的营养物质 则通过主动转运而进入胚胎 血睾屏障 blood testisbarrier 血胸腺屏障 blood thymusbarrier 血房水屏障 blood aqueousbarrier 其他屏障 第四节排泄 excretion 排泄 excretion 外源化学物及其代谢产物向机体外转运的过程 生物半减期 biologicalhalftime 简写为t1 2 指外源化学物减少一半的时间即浓度或数量减少一半的时间 排泄的主要途径 经肾脏随尿液排出经肝脏随同胆汁从粪便排出经呼吸道随同呼出气体排出 主要排泄机理肾小球滤过肾小球简单扩散肾小管主动转运其中简单扩散和主动转运更为重要 一 经肾脏随尿液排泄 二 经肝脏随同胆汁排泄 外源性化学物由肝实质细胞进入胆汁而排泄外源性化学物从胆汁进入小肠后 可能有两条去路 1 直接排出体外2 肠肝循环 胆汁酸为两性分子 77 Liver Gut Fecesexcretion Portalvein 胆汁排泄 Biliaryexcretion 肝肠循环 Enterohepaticrecycling Bileduct 肝肠循环 肠肝循环 enterohepaticcirculation 指部分外源化学物在生物转化过程中形成结合物 并以结合物的形式排出在胆汁中 肠内存在的肠菌群以及葡萄糖苷酸酶 可将部分结合物水解 则使外源化学物又重新被吸收的过程 毒理学意义 排泄速度减慢 延长生物半减期延长 毒作用持续时间延长 其排泄速度与血 气分配系数成反比 即血气分配系数越大 排泄越慢与吸收速度相反 三 经肺随呼出气排泄 80 随各种分泌物 如汗 唾液 泪水和乳汁等排出 四 其他排泄途径 乳汁排泄具有特殊毒理学意义 即一些方面由于婴儿对毒物的敏感性远高于成人 另一方面 婴儿可通过母乳或牛奶的浓缩摄入高浓度毒物 如 有机氯杀虫剂 乙醚 多氯联苯类 咖啡碱和某些重金属 81 生物转运的毒理学意义 1 吸收与毒性 进入体内毒物的量吸收途径吸收部位 2 分布与毒性 器官组织中毒物的量毒物不均匀分布 浓集点可能就是靶器官蓄积作用对急性中毒有保护作用 但又是慢性中毒的一个重要条件3 排泄与毒性 第五节毒物的代谢转化 BiotransformationofToxicants 生物转化 biotransformation 又称代谢转化 指外源化学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 一 生物转化和毒物代谢酶 代谢位点 化学毒物代谢过程主要在肝脏进行 但肝外组织也有一定代谢能力 如肾脏 小肠 肺脏和皮肤等 87 首过消除 Firstpasseliminaiton 肝脏的首过作用 firstpasseffect 指经胃肠道吸收的外源化学物首先进人肝脏 并可在肝脏中进行代谢转化作用 代谢解毒 metabolicdetoxication 外源化学物经生物学化使其毒性降低 易于排出体外的过程 生物转化的结果 代谢活化 metabolicactivation 外源化学物经生物转化使其毒性增强 甚至可产生致畸 致癌效应的过程 代谢转化的结局具有代谢解毒和代谢活化的正 有利 负 有害 两面性 掌握其正负两重性 特别是负面作用对于了解中毒机制十分重要 第一阶段 亦称I相反应 包括氧化 还原和水解等反应 I相反应涉及暴露或引入一个功能基团 生物转化反应分为两种类型 第二阶段 亦称II相反应 结合反应 大多数II相反应可导致外源化学物的水溶性显著增加 且加速排泄 I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相反应类型 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 二 I相反应 phaseIbiotransformation 一 氧化作用微粒体混合功能氧化酶非微粒体混合功能氧化酶前列腺素生物合成过程中共氧化反应 微粒体混合功能氧化酶催化氧化反应微粒体混合功能氧化酶 micrososmalmixedfunctionoxidase MFO 又称微粒体单加氧酶系或细胞色素P 450酶系 基本组成 血红素蛋白类 cytP 450 cytb5均含有铁卟啉的结构 具有传递电子功能黄素蛋白类 NADPH cytP 450还原酶和NADH cytb5还原酶 主要是传递电子并供电子磷脂类 促进上述两类酶相互作用 具体功能是对膜上各蛋白酶起固定作用 促进底物的羟化反应或增强外源性化学物与cytp450的结合作用 P 450催化的总反应为 底物 RH O2 NADPH H 产物 ROH H2O NADP P 450的催化机制共分七步 详见下图 P 450的催化反应过程 CytP450催化下面几类氧化反应 脂肪族或芳香族碳的羟基化双键的环氧化作用杂原子 S N I 氧化和N 羟基化杂原子 O S N 和Si 脱烷基作用氧化基团的转运酯的裂解脱氢作用 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 前列腺素生物合成过程中共氧化反应 在外源化学物的氧化反应中 除前述微粒体混合功能氧化酶和非微粒体混合功能氧化酶催化的氧化反应外 近年来又观察到一种氧化反应 是在前列腺素生物合成过程中有一些外来化合物可同时被氧化 称为共氧化反应 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 细胞色素P 450 环氧化物水解酶 终致癌物 二 还原反应 还原反应类型 硝基和偶氮还原羰基还原反应二硫化物 硫氧化物和N 氧化物还原醌还原脱卤还原 毒物在体内可被还原酶催化还原 在哺乳动物组织还原反应不活跃 但在肠道细胞内很活跃 三 水解作用 许多外源化学物 例如酯类 酰胺类和含有酯式键的磷酸盐取代物极易水解血浆 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 酯酶和酰胺酶肽酶环氧水化酶水解反应是许多有机磷杀虫剂在体内的主要代谢方式 水解酶类型 II相反应 phaseIIbiotransformation 结合反应 conjugation 进入机体的外源性化学物在代谢过程中与某些其它内源性化学物或基团发生的生物结合反应 特别是外源性有