二章外源化学的生物转化2

1、第三节 有害物的生物转化一、生物转化概述一、生物转化概述 环境化学物质在机体组织或器官中，在系列酶作用下转化为各种代谢产物的过程。n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、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。肺脏和皮肤等的生物转化能力明显低于肝脏。作用作用生物转化的意义生物转化的意义： 代谢解毒代谢解毒：转化极性及水溶性增加易于排泄毒性降低或消失生物失活(bio-inactivation)，解毒反应解毒反应 代谢活化代谢活

2、化：转化水溶性降低、毒性增加生物活化(bio-acivation)。生成亲电子剂、自由基、亲核剂、氧化还生成亲电子剂、自由基、亲核剂、氧化还原剂。原剂。特点：特点：l酶促反应过程；l生物转化的多样性；l转化的连续性。反应场所：反应场所：l主要在肝内进行、其次是在肾和肺内。生物转化氧化还原水解结合第一相反应第二相反应 外源化学物排出体外生物转化的反应类型生物转化的反应类型二、二、相反应相反应： 相反应相反应(phase biotransfo(phase biotransfor rmation)mation) 指经过氧化、还原和水解等反应使外源化学指经过氧化、还原和水解等反应使外源化学物暴露或产生

3、极性基团，如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相反应的底物应的底物。（一）氧化：最重要的1相反应醛脱氢酶醇脱氢酶胺氧化酶氧化反应微粒体混合功能氧化酶非微粒体混合功能氧化酶脂肪族羟化芳香族羟化环氧化反应s-氧化反应o-脱烷基反应s-脱烷基反应n-羟化反应金属脱烷基反应氧化脱卤反应n-脱烷基反应脱硫反应 酶系肺癌细胞n 细胞组成皮肤细胞（一）氧化反应（一）氧化反应1、mfos催化的氧化反应lmfos(microsomal mixed function oxidase system)：微

4、粒体混合功能氧化酶 l主要存在于肝细胞内质网中；l特异性低：可催化几乎所有环境化学物的氧化反应；mfos mfos (1) 组成：由多种酶构成的多酶系统。lcyt p450（p448)lnadph（辅酶ii）lcyt b-5lnadh （辅酶i）l环氧化物水化酶； l黄素蛋白单加氧酶（fad)(2) 反应 rh +nadph + h+ + o2 roh +h2o+nadp+ 底物 还原型辅酶 氧化产物mfos(3)催化的反应类型a、脂肪族羟化 rch3 rch2ohopoonch3ch3nch3ch3pnch3ch3nch3ch3oopoonch3ch3nch3ch3pnch2ohch3nch

5、3ch3o八甲磷n-羟甲基八甲磷毒性增加10倍b、芳香族羟化oc6h5r rc6h4ohoc6h5r rc6h4oho ho 苯苯 酚o ho 苯苯 酚c：环氧化反应n脂肪族烯烃：n芳香环氧化反应ccc lhhhochhocc lh氯乙烯环氧氯乙烯ohohhohd、脱烷基反应 与n-、o-、s-相结合的烷基在mfo酶的催化下，脱除烷基是药物、杀虫剂和n-烷基外源化学物的共同反应。nnc h3nnh烟碱去甲基烟碱nnoch3ch3nnoch3hnnch3oho-ch2ch3+h2o+n2r-o-ch3r-o-ch2oh roh +hchor-s-ch3r-s-ch2oh rsh +hchoe、脱

6、氨基反应伯胺类化合物，在邻近n原子的c原子上发生氧化：r-ch3-nh2r-cho +nh3f、n-羟化反应氨基上的一个h与氧结合。nh2ohnh2nhoh不致癌 致癌nh2nhohnh2ohnh2oh可使血红蛋白氧化g 、烷基金属脱烷基反应pb(c2h5)4 pb(c2h5)3 pb(c2h5)2h、s-氧化反应硫醚类化合物，s原子被氧化，形成亚砜、砜 r-s-r r-so-r r-so2-r 硫醚亚砜砜杀虫剂内吸磷（1059）、甲拌磷、灭虫威和药物氯丙嗪等可发生硫氧化反应。内吸磷氧化后毒性比母体化合物提高810倍。卤代烃氧化成卤代醇，不稳定，脱去卤素。i、氧化脱卤反应r-ch2x r-ch

7、oh rcho+ hxddt dde dda2、非mfos催化的氧化反应(1) 醇脱氢酶：存在于胞液中： rch2oh+nad(p)+rcho+had(p)h2+(2) 醛脱氢酶：存在于肝细胞线粒体和胞液中： rcho+nad(p)+rcooh+had(p)h2+体内醛脱氢酶活性低酒后乙醛积累酒精中毒。(3) 胺氧化酶：主要存在于线粒体单胺氧化酶（monoamine oxidase): rch2nh2+orcho+nh3+h2o二胺氧化酶：催化二胺类氧化形成醛。（二）还原反应（二）还原反应机体内细胞通常处于有氧状态，以mfos催化的氧化反应为主。l但存在局部性还原环境：还原性化学物或代谢物在细

8、胞内积累；l某些酶可在有氧条件下催化还原反应，如nadph-cyt p450还原酶。l氧化反应的可逆反应：nad(p)+ nad(p)h催化还原反应的酶类主要存在于肝、肾和肺的微粒体和胞液中。肠道处于还原环境，存在含还原酶的菌丛。1、羰基还原反应：醛类、酮类还原：rchorch2oh;rcor rcohr2、硝基还原反应：硝基还原酶，以nadph或nadh作为还原剂。r-no2 r-nh23、偶氮还原反应： r-n=n-r r-nh2+rnh2脂溶性偶氮化合物（磺胺类药物、偶氮色素等）：易被肠道吸收，主要在肝微粒体和肠道中还原；非脂溶性偶氮化合物：不易吸收，主要在肠道中被肠道菌丛还原。某些偶氮

9、色素还原后具有致癌作用。4、含硫基团还原反应 二硫化物、亚砜化合物被催化还原。如杀虫剂三硫磷氧化产物三硫磷亚砜可还原为三硫磷：(c2h5o)2ps-s-ch2-so-c6h4cl (c2h5o)2ps-s-ch2-s-c6h4cl 5、含卤基团的还原：与碳原子结合的卤素被氢原子取代。例1：在nadph-cyt p450催化下： ccl4+nadph ccl3+ hclccl3自由基能破坏肝细胞膜脂质结构，引起肝脂肪变形或坏死。例2：f3ch-ch2br f3ch-ch2 f3ch-ch3破坏肝细胞膜结构。6、无机化合物的还原：aso42- aso32-+h2o(三) 水解反应 水解酶催化。血浆

10、、肝、肾、肠、肌肉和神经组织中菌含有多种水解酶。1、脂类水解反应：脂酶在体内广泛分布。 rcoor+h2orcooh+roh 许多有机磷杀虫剂在体内的主要代谢方式：敌敌畏、对硫磷、马拉硫磷等；拟除虫菊脂类杀虫剂的降解。2、酰胺类水解反应：酰胺：羧酸中的-oh被-nh2所取代。通式：r-co-nh2或r-co-nh-r。r-co-nh-r +h2o r-cooh+rnh2 3、水解脱卤反应： 例如：ddt水解脱卤dde(毒性降低、可继续转化为易排泄物） 人体吸收的ddt，60%可经此途径转化。(cl-c6h4)2ch-ccl3 +h2o (cl-c6h4)2c=ccl2+hcl 4、环氧化物的水

11、化反应 水化反应：含双键或三键化合物在酶催化下与水分子结合。 芳香烃和脂肪族烃类化合物氧化反应产生的环氧化物可在环氧化物催化下可通过水化反应形成相应的二氢二醇化合物。bap bap-7,8环氧化物 bap-7,8二氢二醇 bap-7,8二氢二醇-9，10-环氧化物（致癌物）。水化反应在致癌物活化中有重要作用。三、第二相反应（结合反应，conjugation)：从极性到亲水性 经过phase i反应，使外源物增加了极性基团，易与具有极性基团的内源性化合物（endogenous)发生结合反应进一步增加极性和水溶性排泄消除。也有例外。endogenous compounds:l葡萄糖醛酸；l硫酸：含

12、硫氨基酸代谢产物；l谷胱甘肽：g-sh；l乙酰基：乙酰辅酶a；l氨基酸：l甲基：主要由s-腺苷蛋氨酸提供。发生结合反应的功能基团的类型结合反应功能基团葡萄糖醛酸-oh, -cooh, -nh2, -sh, -ch硫酸aromatic-oh, aromatic-nh2, alcohols谷胱甘肽epoxides, organic halides乙酰基-nh2, -so2nh2, hydrazines氨基酸aromatic-nh2, -cooh甲基aromatic-oh, -nh2, -nh, -sh(一) 葡萄糖醛酸结合反应（glucuronic conjugation) 在葡萄糖醛酸基转移酶（

13、glucuronyl transferase, gt)催化下，将葡萄糖醛酸基结合到外源化学物的-oh、-cooh等极性基团上。主要在肝微粒体中进行，肾、肠粘膜和皮肤中也可进行。在结合反应中占有最重要的地位。 葡萄糖首先需要经过utp活化。u d p g 焦磷酸化g-1-p+utpudp-gudp-g脱氢酶coohooudp(udp-ga, 葡萄糖醛酸)nad+nadh+h+n形成o-葡萄糖醛酸化物ohoc6h9o6形成n-葡萄糖醛酸化物nh2nh c6h9o6形成s-葡萄糖醛酸化物shsc6h9o6（二）、硫酸结合反应(sulfate conjugation) 在磺基转移酶（sulfotran

14、sferase)的作用下，将内源性硫酸结合到醇类、酚类和胺类化合物上，形成硫酸酯。 主要在肝、肾、胃和肠中进行。硫酸首先需要被激活: so42-+atp aps+ppi (atp硫酸化酶) aps+atp paps+pap（atp激酶） ohsso3h+papssulfotransferase+papnh2nh so3h+papssulfotransferase+pap通常，硫酸结合后，亲水性大大加强,毒性降低。 但也存在毒性增加的情况。（三）谷胱甘肽结合(glutathione conjugation)n在谷胱甘肽s-转移酶的催化下进行n存在于肝、肾细胞的微粒体中n可与卤代芳香烃、卤代硝基苯

15、、环氧化物等结合n体内重要解毒机制。n谷胱甘肽的结构：hs-ch2-ch-coohnh-c-ch3o(g-sh)brbro+gshbrgshoh环氧化物的解毒clno2clgshno2gscl！体内大量亲电子化合物的出现，将使gsh耗竭，出现严重损害（四）其他结合反应1、乙酰结合：在乙酰转移酶的催化下，芳香胺类，酰肼类、磺胺类化合物与乙酰辅酶a结合。存在于肝、肠粘膜细胞。n可掩盖胺类毒物中具有重要生物活性的氨基，但乙酰化后，水溶性降低。ch3co-scoa+nh2nhcoch3+coash2、氨基酸结合带cooh的外源化合物与氨基酸肽式结合，以甘氨酸为主c6h5cooh+nh2ch2coohc

16、6h5conhch2cooh +h2o 苯甲酸甘氨酸 马尿酸 ch2-ch-coohshnh2hcn+shnh2 ch2-ch-coohnh2scnsnhnhcooh氢 氰 酸半 胱 氨 酸亚 氨 噻 唑 烷 -4-羧 酸3、甲基结合n由甲基转移酶催化，由s-腺苷氮氨酸提供甲基n可甲基化的化合物：多酚类、硫醇类、胺类、氮杂环化合物、重金属等n体内生物胺失活的主要方式，但产物水溶性常降低。n甲基嵌入位置：-o, -n,-s4、环氧化物水解酶（epoxide hydrolase)coohoho ho hcoohohoch3o ho - 甲 基 转 移 酶shs ch3s-甲基转移酶nn+ch3n-

17、甲基转移酶brobroh环氧化物水解酶四、生物活化o2nopoc2h5oc2h5so2nopoc2h5oc2h5oso2对硫磷对氧磷n经过i相反应和ii相反应的生物，转化作用，污染物分子极性和水溶性增加，易于从体内排除，大部分化合物毒性降低。n由于生物转化的复杂性，一些化合物经过转化后，毒性增加，称为生物活化。（一）i相反应过程中的生物活化：brbroch2=chcloclhhh肝细胞坏死神经毒性肝癌h2nnh2ohnnch3ch3och3+可使血红素变性致癌ccl4, chcl3ccl3肝、肾细胞坏死（二）通过ii相反应活化形成的硝离子和羰离子具有很强的亲核性，能与rna，dna和蛋白质等大

18、分子结合，导致细胞死亡或肿瘤苯胺葡萄糖醛酸结合产物在酸性条件下分解，形成羟基苯胺，亲电子化合物，导致膀胱癌。硫酸结合产物，转化为具有高度活性的化合物。二溴乙烷，谷胱苷肽结合产物，转化为高度亲电子化合物。致畸，致癌。五、生物转化的复杂性(一) 生物转化的多样性 同一污染物在体内可能存在不同的代谢方式,形成不同的代谢产物,产生不同的毒性.(二) 生物转化的连续性 毒物在体内的转化常由一系列反应构成,当其转化的连续性受到干扰时,常会引起毒性的变化(三)代谢转化的两重性 解毒与生物活化(毒性加强)(四)代谢饱和状态 毒物的代谢途径,可因剂量的不同产生差异 例如：氯乙烯。正常代谢：氯乙烯醇脱氢酶氯乙醇氯

19、乙醛氯乙酸氯乙烯代谢饱和时：mfo环氧氯乙烯氯乙醛诱变、致癌溴苯：正 常： mfo作用下环氧溴苯70%与gsh结合解毒代谢饱和： gsh消耗 环氧溴苯积累肝细胞损害六、影响生物转化的因素（一）物种差异和个体差异在i相反应和ii相反应中，污染物的生物转化均存在显著不同、代谢酶的种类不同；污染物的代谢途径和方式不同，污染危害炯异。例如：n猪没有芳香胺乙酰化酶n猫缺乏n-乙酰转移酶和udp葡萄糖醛酸转移酶；n豚鼠没有甘氨酸结合反应，而猪没有硫酸结合反应。2、代谢酶的活性不同。oooohcooc2h5oohoooohcooc2h5oohohoch2ch2ooohcoohoohmanrabbit抗凝剂glucuronidesulfatecat087man2371rat2568rabbit4645pig1000phenol结合反应（占总排泄）n个体差异：主要是酶活力的差异例：芳烃羟化酶（ahh）：使芳烃类化合物羟化，产生致癌活性ahh活性高的人，患肝癌的危险度比活性低的人高倍例：羟化酶：使雌酮和雌二醇转化为雌三酮。前者致癌，后者不致癌。活性低的人，易患乳腺癌