化学生物学第四章生物转化

第四章生物转化 Chapter4 bio transformation 第五次课 第一节概述 生物转化 biotransformation 或称代谢转化 metabolictransformation 指化学物质在生物体内经酶催化或非酶作用转化成一些代谢物的过程 生物解毒 生物灭活 biodetoxication 生物活化 bioactivation 或增毒作用 toxication 化学物质能否发挥其毒作用和毒性大小 化学物质通过生物转运到达效应部位的剂量或浓度外 生物体对化学物质的代谢转化途径和代谢能力研究和了解毒物代谢转化的方式和机理 对中毒机理研究提供基础资料 对治疗和诊断 亦有实用价值 生物解毒生物灭活作用 biodetoxication 多数毒物 低毒或无毒的产物 亲脂化学物质 极性较强的亲水物质加速其随尿液或胆汁排出 生物活化 bioactivation 或增毒作用 toxication 无毒或低毒物质 有毒或毒性大的产物 化学物质生物转化的主要器官 肝脏含有丰富的生物转化酶系 是化学物质生物转化的主要器官 肺 肾 胃 肠 神经 皮肤和胎盘等组织均具有生物转化功能 化学物质在生物体代谢转化的复杂性 多数化学物质的代谢转化需经多个连续反应 不同反应可先后进行 同一种化学物质在体内可有多种代谢途径 可以在不同的组织器官先后发生不同反应 生成不同的代谢产物 机体与外来化学物质相互作用是在分子水平上进行的 化学物质的分子结构可发生下列改变 活性功能基团的增减或改变 整个分子的降解 与某些内源性化学物质结合等 化学物质生物转化的两重性 生物解毒或灭活 biodetoxication 高亲脂性 极性较强 水溶性物质 易排出 同时代谢物透过生物膜进入细胞的能力减弱 与组织成分的亲和力降低 其生物活性灭活 生物活化 bioactivation 化学物母体毒性小或无毒 活泼的化学性质 与各种大分子发生不可逆的反应 破坏其化学结构和生理生化功能 细胞死亡或癌变 第二节生物转化过程 I相反应 即降解反应 degradationreaction 包括氧化 还原和水解 可直接改变物质的基团使之分解 并增加新的功能基因而增加极性 如OH SH NH COOH等 以利进行 相反应 相反应 即结合反应 conjugationreaction I相反应产物和一些强极性基团如葡萄糖 硫酸等结合 生物活性降低 水溶性增加 有利排出 相反应场所 细胞的微粒体 线粒体及胞液 一 常见氧化反应类型 羟化反应环氧化反应脱烷基反应氧化脱硫或硫氧化反应醇和醛类脱氢反应 1 羟化反应 在细胞微粒体内进行 包括脂肪族羟化 芳香族羟化及N 羟化 如R CH2 CH3烷烃 R CH2 CH2OH醇 R C6H5芳香烃 R C6H4OH酚类 羟化后大多毒性增强 2 环氧化反应 芳香烃类或烯烃类化合物的不饱和键上 直接加氧生成不稳定的环氧化物 如苯环上有卤族元素取代或是多环芳烃氧化时 则能形成较稳定的环氧化物 环氧化物是一种亲电子的活性中间代谢物 其毒性远大于母体化学物 可与生物大分子共价结合 是一种遗传毒物 可导致癌瘤 3 脱烷基反应 某些有机化学物在O N S 原子上带有烷基 在氧化过程中易被羟化 进而脱去烷基 生成醛和脱烷基产物 称脱烷基反应 常使毒性增加 4 氧化脱硫或硫氧化反应 例如 农药对硫磷经氧化脱硫反应生成对氧磷 其毒性增强若干倍 农药内吸磷经硫氧化生成亚砜型内吸磷 毒性比母体增加5 10倍 5 醇和醛类脱氢反应 主要在细胞液中进行 经醇脱氢酶 醛脱氢酶等催化 使醇和醛类脱氢氧化 最后生成CO2 这些基团的氧化反应具有解毒意义 但某些中间代谢物也有毒性 二 还原反应 化学物质在哺乳动物组织内的还原反应 在无氧条件下易于发生 所需的电子或氢由还原酶 NADH 或还原型辅酶 NADPH 供给 肠道细菌和肠壁细胞的还原酶活性较高 当某些化学物质进入肠道或化学物质在肝内结合反应后的代谢物随胆汁排出时 在肠道可被还原 常见还原反应类型 硝基还原偶氮还原还原脱卤 1 硝基还原 芳香族硝基化合物的 NO被还原成 NH 多数反应是在厌氧条件下进行的 例如 硝基苯 亚硝基苯 羟氨基苯 苯胺三硝基甲苯2 4 6位置上的硝基 均可经硝基还原为氨基 产生多种氨基类代谢物 2 偶氮还原 偶氮化合物经偶氮还原反应 形成氢偶氮复合物 最后生成胺 反应可在有氧条件下进行 如 偶氮苯 苯肼 苯胺 3 还原脱卤 许多卤代烃化合物可经微粒体酶的催化 发生还原脱卤反应 如 四氯化碳在体内经还原脱卤形成三氯甲基自由基 CCl3 和二氯碳烯 CCl2 三 水解反应 水解是由化学物质的一个分子加上一个水分子使之裂解成两个分子 环氧化物 酯类 酰胺类等在体内易被水解 水解反应是有机磷酸酯农药在哺乳动物体内的重要代谢方式 1 环氧化物水解 将芳香族和脂肪族环氧化物水解为二氢二醇 多数环氧化物经水解形成的代谢物活性降低 也有一些生物活性增高 如3 4 苯并芘经氧化代谢形成多种环氧化物 其中苯并芘7 8 环氧化物 通过水解生成的7 8 二氢二醇 可进一步被混合功能氧化酶氧化为7 8 二氢二醇 9 10 环氧化物 是一种强致癌物 2 酯类和酰胺类水解 酯类化合物经水解形成羟基团和醇 酰胺类化合物经水解形成酰胺和酸 羟基 醇和酰胺基可接受各种结合反应 如有机磷酸酯 敌敌畏 对硫磷 乐果和马拉硫磷等 经水解反应产生的代谢物 其生物活性降低或消失 四 结合反应 结合反应 conjugationreaction 是外来化学物经过第一相反应具有羟基 羧基 氨基 环氧基等极性基团后 与另外一些具有极性基团的内源性化学物进一步发生生物合成的反应 经结合反应 代谢产物的极性进一步增强 更易溶于水 有利于排出体外 在哺乳动物中常见有葡糖醛酸结合 硫酸结合 谷胱甘肽结合 乙酰化 甲基化及氨基酸结合等形式 各种结合反应的能力 葡糖醛酸结合 氨基酸结合 硫酸结合和谷胱甘肽结合 结合反应的主要类型 1 葡糖醛酸结合 最重要的结合反应 除猫外哺乳动物均可发生 很多外来化学物质或其中间代谢物均能与葡糖醛酸结合 形成O 葡糖醛酸 N 葡糖醛酸苷 S 葡糖醛酸苷 一般葡糖醛酸结合反应可使化学物质的毒性下降 但芳香胺的N 葡糖醛酸苷经肾进入膀胱后 由于尿液的pH一般均 7 使芳香胺中 OH解离 形成氮鎓离子 后者可与DNA大分子共价结合 引起膀胱肿瘤 2 硫酸结合 与外来化学物质的羟基团结合 是重要的 相代谢反应 硫酸供体来自体内3 磷酸腺苷 S 磷酰硫酸 FAPS 醇 酚 芳香胺类化合物 均能与硫酸结合形成硫酸酯 因体内硫酸来源有限 易于消耗 硫酸结合使化学物的毒性降低 但某些芳香胺类化合物 如2 乙酰氨基芴 2 AAF 经N 羟化 其羟基可与硫酸结合形成硫酸酯 致癌性比AAF更强 3 谷胱甘肽结合 谷胱甘肽 g1utathione GSH 机体胞液含量很高 特别是肝细胞 GSH为强亲核物质 GSH能保持谷氨酸和半胱氨酸的极性并带负电荷 可以提高与亲电物质结合后的水溶性 清除活性代谢物 GSH能为亲电子物质或氧化代谢物提供巯基 形成无毒的结合物 阻断亲电物质与生物大分子共价结合 防止活性化学物对细胞的损害 GSH在体内的生成和储备有一定限量 如接触过量毒物 使GSH耗尽而产生毒作用 4 氨基酸结合 含羧基 COOH 化合物 如苯乙酸 苯甲酸 苯丙烯酸和杂环羧酸等 在酰基辅酶A合成酶作用下 与乙酰辅酶A形成酰基酸辅酶A 然后在酰基转移酶作用下与氨基酸 甘氨酸 谷氨酸等 结合 如苯甲酸在体内转化为苯甲酰辅酶A后 与甘氨酸结合生成马尿酸 易于排出体外 剧毒的氢氰酸也可与半胱氨酸结合而解毒 第三节生物转化酶 参与I相和 相反应的酶类主要包括 细胞微粒体 细胞色素P 450酶系 cytochromeP 450system 黄素单加氧酶 FMO 细胞液 醇脱氢酶 ALDH 和醛脱氢酶 ADH 细胞微粒体或胞液 环氧化物水解酶 EH 脂酶 eslerase 和酰胺酶 amidase 参与 相反应 葡糖醛酸转移酶 GT 硫酸转移酶 谷胱甘肽 S 转移酶 GST N 乙酰基转移酶 NAT 及氨基酸N 酰基转移酶等 细胞色素P 450酶系是外来化学物质代谢转化I相反应的最重要酶 细胞色素P 450酶系的组成 血红素蛋白类 包括细胞色素P 450和细胞色素b5 具有传递电子的功能 黄素蛋白类 包括NADPH 细胞色素C还原酶或P 450还原酶和NADH 细胞色素b5还原酶 具有提供电子和传递电子的功能 脂类 主要是磷脂酰胆碱 对膜上各种蛋白酶起固定作用 促进底物的羟化反应 或增强外来化学物与细胞色素P 450的结合 细胞色素P 450酶系是多种同工酶的集合体 可催化不同类型的氧化反应 在一定条件下也能催化还原反应 一 细胞色素P 450酶系 细胞色素P 450酶含铁卟啉蛋白结构 内质网酶或微粒体酶 混合功能氧化酶 MFO 单加氧酶或加单氧酶 Mono oxygenase 人肝脏有20种以上细胞色素P 450酶 P 450酶系催化氧化反应的四个阶段 1 外来化学物质作为底物 substrate S 进入细胞 首先与氧化型细胞色素P 450 Fe3 结合 形成S P 450 Fe3 复合物 2 后者在NADPH细胞色素P 450还原酶的作用下 由NADPH提供电子 形成S P 450 Fe2 二元复合物 3 分子氧进入复合物 形成S P 450 Fe22 O2三元复合物 4 NADH提供电子 使O2活化为氧离子 其中一个氧原子与底物生成氧化产物而被释放 另一个氧原子与二个质子结合形成H2O P 450 Fe2 变为P 450 Fe3 再次参与氧化过程 第四节生物活化 外来化学物质经生物转化的结果是活化还是灭活 主要取决于机体吸收化学物质的剂量 化学物质在体内的代谢途径 以及体内代谢酶的相对活力 在同一生物体内 外来化学物质可同时被不同酶所代谢 并有多种代谢途径 产生多种代谢物 它们相互之间平衡的结果常用来评估外来化学物质对生物体的毒作用性质和毒性大小 绝大多数有机化学物质的毒性 主要是由于其活性代谢物引起 第六次课 常见的活性代谢物 一 亲电子反应物 electrophilicreactants 亲电子物质是指缺乏电子对的化学物质 一般含有电子密度较低的原子 易于攻击电子密度较高的亲核中心 nucleophiliccenter 很多生物大分子 如蛋白质 核酸 酶等具有亲核中心 某些生物分子 如谷胱甘肽 GSH 也具有这种特性 许多外来化学物质在生物体内经细胞色素P 450酶系催化的氧化反应 如环氧化 C 羟化 N 羟化 脱烷基 氧化脱硫或硫氧化及某些结合反应等 均可产生亲电子代谢物 多数亲电子反应物易与GSH结合而解毒 当体内GSH被耗尽时可出现毒性 另外有一些亲电子反应物不是谷胱甘肽 S 转移酶的底物 故不易与GSH结合 如二甲基亚硝胺等外来化学物质 亲电子反应物一方面很易与体内大分子共价结合 另一方面也可与组织氧分子发生反应 形成许多活性氧 二 自由基 freeradical 自由基是指化合物中的共价键发生均裂而产生含奇数电子或不对称电子的原子 原子团 分子或离子 通常以R 表示 圆点代表不对称电子 环境化学物质在生物体内自由基的产生 多数发生于代谢转化的氧化或还原过程 其增长程度和终止反应取决于自由基的活性和形成自由基的环境 自由基通常具有高活性 可与细胞O2 脂质 巯基 蛋白质相互作用产生生物危害 也可攻击细胞DNA 引起DNA单链断裂和碱基羟化 启动或促进化学物质的毒作用或致癌过程 有些环境化学物质本身即为自由基 不需要酶参与进行生物转化 即可直接作用于生物膜 如 香烟的烟雾 汽车的废气 氮氧化合物 NO2 等 许多外来化学物质在体内经代谢转化可形成自由基 如卤代烷烃 肼类 苯 三硝基甲苯等化学物质均属此类 四氯化碳 CCl4 是一种重要的肝毒化学物质 它在体内经细胞色素P 450还原酶催化脱氯 使C Cl键均裂 形成三氯甲基自由基 CC13 和二氧碳烯 CCl2 CCl3进一步与O2作用形成三氯甲基过氧化自由基 CCl3O2 自由基可直接攻击生物膜的多不饱和脂肪酸 发生膜脂质过氧化 CCl2也可直接和组织蛋白结合 最终引起肝组织损伤 三 活性氧 activeoxygen 活性氧又称活性氧自由基 包括超氧化阴离子自由基 O2 羟基自由基 OH 过氧化氢 H2O2 和单线态氧 O2 一般认为 活性氧的毒性很大 并有致突变和致癌效应 许多外来化学物质 如酮类 亚胺醌类 芳香族硝基化合物 百草枯等 在体内进行生物转化时 能同时产生氧化还原循环 redoxcycling 可形成大量活性氧 如硝基化合物在NADPH 细胞色素P 450还原酶作用下 产生硝基阴离子自由基 当有氧存在时 转变为硝基化合物 同时产生O2 此过程为一循环过程 形成的O2 可发生岐化反应生成H2O2 当有还原性金属离子存在时 O2 和H2O2可形成 OH O2 与Fe3 反应可形成 O2或O2 和H2O2相互作用也可形成 O2 在硝基化合物的氧化还原循环过程中 O2 一经形成 活性氧的其他成分也可相继产生 第五节影响生物转化的主要因素 代谢饱和 外来化学物质的吸收剂量 代谢酶的诱导和抑制 化学物质的联合作用 生物体的种属差异及个体差异 遗传与代谢酶的多态性 饮食营养状况 环境因素 一 代谢饱和 metabo1icsaturation 各种代谢途径的酶活力和生物转化能力均有一定限度 随着化学物质吸收剂量或浓度的增加 经某种途径进行生物转化的能力就会达到饱和 该化学物质的代谢途径就会发生改变 化学物质进入机体的剂量 往往可影响其生物转化途径 改变代谢产物 如退热镇痛药扑热息痛 即醋氨酚 paracetanol 过量使用可引起人和实验动物肝坏死 研究表明 醋氨酚在机体内有三种代谢途径 1 硫酸结合 2 葡糖醛酸或GSH结合 3 经细胞色素P 450催化氧化反应 产生活性代谢物 N 乙酰对苯醌亚胺 二 代谢酶的诱导和抑制 酶的诱导效应 enzymeinduction 某些化学物质可使代谢酶活力增强或使酶的含量增加 因而促进其它化学物质的生物转化过程 此种现象称为酶的诱导效应 具有这种作用的化学物质称为诱导剂 inducer 大多是一些有机化学物质 如某些药物 杀虫剂 致癌剂等均可诱导微粒体酶 诱导剂分为巴比妥型和多环芳烃型两类 因细胞色素P 450酶系有多种酶 不同类型的诱导剂可对其中一种或几种酶具有诱导效应 诱导产生的代谢酶 对各种外来化学物质的代谢活力并不一致 巴比妥型诱导剂使细胞色素P 450含量增加 促进多种药物或毒物的代谢 氨基比林 乙基吗啡 乙酰苯胺 3 4 苯并芘及有机氯杀虫剂艾氏剂等 多环芳烃型诱导剂 主要诱导细胞色素P 450的一种同功酶 P 448或Pl 450 活性 增强苯并芘等多环芳烃类化合物的羟化反应 酶的抑制作用 enzymeinhibition 不少外来物质对代谢酶可产生抑制作用 如四氯化碳的代谢产物与细胞色素P 450共价结合 破坏其结构和功能 氯化钴可抑制色素合成的亚铁络合酶活性 使色素合成受阻 镍 铁等离子阻碍P 450的合成 有许多外来化学物质可接受同一种酶的催化 因此化学物质相互间可发生竞争抑制 competitiveinhibition 如四氯化碳可使肝中氨基比林和乙基吗啡的代谢减弱 但若血液中乙醇浓度升高 可使一些化学物质的代谢过程受到抑制 机体若接触两种或两种以上的外来化学物质 由于某些物质对代谢酶的诱导或抑制 其结果则可影响另一种物质的代谢和毒性 可以解释为外来物质的联合作用机制 代谢酶的诱导或抑制对化学物质产生毒效应的影响具有两重性 1 如果物质A经代谢转化为活性代谢物 则物质B的酶诱导可加强A的毒作用 2 如果有毒物质A经代谢转化产生无毒或低毒的代谢物 则物质B的酶诱导可增强物质A的解毒作用 3 如果有毒物质A经代谢转化产生无毒或低毒的代谢物 则物质B的酶抑制可增加物质A的毒作用 4 如果物质A经代谢转化为活性代谢物 则物质B的酶抑制可降低物质A的毒性 三 代谢酶的种属差异和个体差异 不同种属体内的代谢酶有较大的差异 甚至同一种属不同品系也有差异 某些种属缺乏相应的酶或特异酶反应