第3章 化学毒物在体内的生物转运与生物转化 (9.21)

1、第三章第三章 化学毒物化学毒物在体内的生物转运与生物转化在体内的生物转运与生物转化(Biotransportation and (Biotransportation and Biotransformation of Xenobiotics)Biotransformation of Xenobiotics)1【目的要求】l掌握毒物在体内的来踪去路l 掌握生物转化反应及意义l 熟悉毒物在体内的分布与贮存l 了解毒物动力学2【内容】l 生物转运与转化概况l 吸收、分布与贮存、排泄l 代谢转化反应及意义34l 化学物对机体的毒性作用，取决于两个因素:化学毒物的固有毒性和暴露量化学毒物或其活性代谢物在靶

2、器官内的浓度和持续时间 与化学毒物在体内的ADME过程有关56l 处置（disposition）： ADME吸收（absorption）分布（distribution）代谢（metabolism）代谢（metabolism）排泄（excretion）生物转运（Biotransportation）生物转化（Biotransformation）消除（elimination）78l 生物转运( biotransportation) : 是指外源化学物性质和结构不发生改变，穿越生物膜的过程，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过程。l 生物转化( biotran

3、sformation) :是指化学毒物在细胞内发生一系列化学结构和理化性质而转化为新的衍生物的过程。9l 毒物动力学(toxicokinetics) : 是研究化学毒物的数量在生物转运和生物转化过程（ADME过程）中依时间变化的动态规律。 l 毒物效应动力学(toxicodynamics) :是指研究靶器官内化学毒物或其代谢物与大分子(靶分子)的作用及所引起的局部或整体的毒性效应。l 了解毒物在体内的过程l 为中毒机理研究提供线索l 为急救和治疗措施提供参考l 提供接触生物学标志和中毒诊断指标10研究研究ADMEADME过程的意义过程的意义11第一节第一节 化学毒物在体内的生物转运化学毒物在体

4、内的生物转运12一、生物膜与生物转化一、生物膜与生物转化l 生物膜 (biomembrane): 是把细胞或细胞器与周围环境分隔开来的半透膜，是细胞膜和细胞器膜的总称。13（一）生物膜的结构特点（一）生物膜的结构特点l 生物膜 上具有充满水分的孔道（0.30.6 nm）14（一）生物膜的结构特点（一）生物膜的结构特点15简单扩散（simple diffusion）滤过（filtration）主动转运（active transport ）易化扩散（facilitated diffusion）被动转运（passive transport）（二）化学毒物通过生物膜的方式（二）化学毒物通过生物膜的方式

5、特殊转运（special transport）吞饮作用（phagosytosis）胞饮作用（pinosytosis）16（二）化学毒物通过生物膜的方式（二）化学毒物通过生物膜的方式l 1. 1. 简单扩散简单扩散( simple diffusion)( simple diffusion) 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。 脂溶性高低可用脂/水分配系数(lipid/water partition coefficient), 当一种物质在脂相和水相之间的分配达到平衡时，其在脂相和水相中溶解度的比值。17（二

6、）化学毒物通过生物膜的方式（二）化学毒物通过生物膜的方式l 1. 1. 简单简单扩散扩散( simple diffusion)( simple diffusion)( (1 )1 )简单扩散的特点简单扩散的特点 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) (2) 毒理学意义毒理学意义 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18（二）化学毒物通过生物膜的方式（二）化学毒物通过生物膜的方式l 1. 1. 简单简单扩散扩散( simple diffusion)( simple diffusion)( (3) 3) 影响简

7、单扩散的因素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。弱酸性药物在酸性环境中，解离少，吸收多，易于扩散；在碱性环境中，解离多，吸收少，不易于扩散。同理：弱碱性药物也相似。19（二）化学毒物通过生物膜的方式（二）化学毒物通过生物膜的方式l 2. 2. 滤过滤过( filtration)( filtration) 外源化学物透过生物膜上亲水性孔道亲水性孔道的过程，依靠生物膜两侧的渗透压梯度和液体静压的作用。 特点：特点：顺浓度差、不耗能、无饱和。 影响因素：影响因素：化学物分子量的大小，4 nm孔道通过200的分

8、子; 70 nm孔道通过60000分子。 毒理学意义：毒理学意义：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。20（二）化学毒物通过生物膜的方式（二）化学毒物通过生物膜的方式l 3. 3. 主动转运主动转运(active transport)(active transport) 化学毒物在载体的参与下，逆浓度梯度通过生物膜的过程。21（二）化学毒物通过生物膜的方式（二）化学毒物通过生物膜的方式l 3. 3. 主动转运主动转运(active transport)(active transport)特点：特点： 转运过程需要载体参加； 可逆浓度梯度转运，需消耗一定的代谢能量； 特

9、异性：特异性：对化学毒物的结构具有特异的选择性； 饱和性：饱和性：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； 竞争性：竞争性：使用同一转运系统转运的化学毒物间可发生。22多种药物抗性蛋白(multi-drug-resistantprotein, mdr)多耐受药物蛋白(multi-resistant drugprotein, mrp)乳腺癌耐受蛋白（ breast cancer resistance protein, Bcrp）有机阴离子转运多肽(organic-aniontransporting polypeptide, oatp)ABC结合盒转运蛋白ATP

10、-binding cassette transporters溶质载体 Solute carriers (SLC）有机阴离子转运蛋白(organic-aniontransporter, oat)肽类转运蛋白(peptide transporter, pept)（二）化学毒物通过生物膜的方式（二）化学毒物通过生物膜的方式l 3. 3. 主动转运主动转运 转运体及家族转运体及家族23（二）化学毒物通过生物膜的方式（二）化学毒物通过生物膜的方式l 4. 4. 易化扩散易化扩散 (facilitated (facilitated diffusion)diffusion) 不易溶于脂质的化学物，利用载体顺

11、浓度梯度顺浓度梯度移动的过程，又载体扩散。特点特点： 顺浓度梯度； 不消耗能量； 需载体； 具有一定选择性, 饱和性，竞争抑制性。 载体：载体：有机阳离子转运体(organic-cation transporter, oct)24（二）化学毒物通过生物膜的方式（二）化学毒物通过生物膜的方式l 5. 5. 吞噬和胞饮作用吞噬和胞饮作用 l 通过细胞膜的流动将某些液体微粒、固体颗粒或大分子物质包绕并吞入细胞的过程。25二、吸收二、吸收 （AbsorptionAbsorption）l 是指化学毒物从机体的接触部位透过生物膜进入血液的过程。l 主要途径: 呼吸道，胃肠道，皮肤l 其它途径：静脉注射、肌

12、肉注射等26（一）经胃肠吸收（一）经胃肠吸收l 胃肠道是化学毒物的主要吸收途径之一l 化学毒物在胃肠道的吸收可在任何部位进行，但主要在小肠，其次胃。l 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27（一）经胃肠吸收（一）经胃肠吸收l 影响胃肠道吸收因素胃肠道的酸碱度外源化学物的分子结构及理化性质胃肠道的蠕动和排空情况胃肠道中的某些物质及菌丛28（一）经胃肠吸收（一）经胃肠吸收l 经胃肠道吸收的外源毒物可在胃肠道细胞内代谢，或通过门静脉系统到达肝脏进行生物转化，或不经生物转化直接进入胆汁，这种化学毒物进入体循环之前即被清除的现象称为体循环前消除（体循环前消除（pres

13、ystemic eliminationpresystemic elimination）或首）或首过清除过清除(first pass elimination)(first pass elimination)。l 毒理学意义：毒理学意义：可使经体循环到达靶器官的毒物原型数量减少，明显影响其所致毒效应的强度与性质。29（二）经呼吸道吸收（二）经呼吸道吸收l 肺泡生理结构和特点l 不经过肝脏生物转化，直接进入体循环而分布全身l 主要通过简单扩散30（二）经呼吸道吸收（二）经呼吸道吸收l 1 1、气态、气态毒物经肺吸收的影响因素毒物经肺吸收的影响因素 气态毒物浓度: 即毒物在吸入空气中的分压(或称张力)

14、； 气态毒物在血液中的溶解度。血血/ /气分配系数气分配系数( (blood-to-gas partition coefficient )blood-to-gas partition coefficient )：是指气体在血液中的分压和在肺泡中的分压达到饱和时，气体在血液中的浓度(mg/L)与在肺泡中的浓度(mg/L)之比值。血/气分配系数越大，即溶解度越高，表示该气体越易被吸收。 肺泡的通气量和血流量的比值称为通气/血流比值。31（二）经呼吸道吸收（二）经呼吸道吸收l 2 2、气溶胶、气溶胶毒物经肺吸收的影响因素毒物经肺吸收的影响因素 气溶胶中雾的吸收主要受脂溶性和吸入浓度影响。 烟和粉尘：

15、 粒子粒子大小大小: : 直径 5 m者，多因惯性冲击而沉积在鼻咽部：清除、咽下或溶解吸收入血； 直径2.5 m左右，重力沉降于气管和支气管：咳出或吞咽； 直径1 m以下，吸收入血、清除、或进入淋巴系统长期保存； 直径0.1 m，吸收入血、吞噬系统清除。32（三）经皮肤吸收（三）经皮肤吸收l 穿透阶段：化学毒物通过被动扩散透过角质层的过程；l 吸收阶段：化学毒物透过表皮深层（颗粒层、棘层和生发层）和真皮层并经毛细血管或毛细淋巴管进入体循环的过程；l 吸收方式：简单扩散l 皮肤通透性: 不同部位皮肤对毒物的通透性不同：阴囊手臂、后背、腿部、腹部手掌、足底33（四）其他途径（四）其他途径l 毒理学

16、动物实验：腹腔注射、静脉注射、肌内注射、皮下注射等l 临床：皮内注射、肌肉注射34三、分布三、分布 （DistributionDistribution）l 分布( distribution) : 是指化学毒物吸收后，随血液或淋巴分散到全身各组织细胞的过程。l 器官或组织的血流量血流量和对化学毒物的亲和力亲和力是影响分布的最关键因素。l 毒物分布的特点:化学毒物在体内的分布属不均匀分布。l 再分布（redistribution）35（一）、化学毒物在组织器官中的贮存（一）、化学毒物在组织器官中的贮存l 蓄积（accumulation）：化学毒物的吸收速度超过代谢与排泄的速度，以相对较高的浓度富集

17、于某些组织器官的现象。l 贮存库（storage depot）：化学毒物蓄积的部位。l 毒理学意义毒理学意义 ： 对急性中毒具有保护意义，减少靶器官中毒物量； 当血浆游离毒物被排出后，贮存的毒物被再次释放入血，可能引起毒性反应。36（一）、化学毒物在组织器官中的贮存（一）、化学毒物在组织器官中的贮存l 主要贮存库主要贮存库 血浆蛋白：多数为白蛋白；结合短暂、可逆；饱和；竞争 肝肾：与化学毒物有很强的结合能力。金属硫蛋白，金属 脂肪组织：高脂溶性毒物。降低靶器官浓度；动员时释放 骨骼：铅、锶、氟37（二）、特殊屏障（二）、特殊屏障l 血脑屏障（blood-brain barrier, BBB):

18、 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。l 血脑屏障的重要性: 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。l 只有脂溶性、又非转运蛋白底物的化学毒物才能进入脑内。只有脂溶性、又非转运蛋白底物的化学毒物才能进入脑内。38（二）、特殊屏障（二）、特殊屏障l 血脑脊液屏障（blood-cerebral spinal fluid barrier, BCSFB): 是位于循环血液和脑脊液之间，有脉络丛、蛛网膜和脑室周围的部分区域构成。主要成份为脑脊液侧的内皮细胞，具有紧密连接和主动转运系统，可防止化学毒物透过。

19、39（二）、特殊屏障（二）、特殊屏障l 胎盘屏障（placental barrier): 是指分隔母体和胚胎血液循环系统之间的几层细胞结构。l 大部分化学毒物透过胎盘的机理是简单扩散；40四、排泄四、排泄 （ExcretionExcretion）l 排泄( Excretion) : 是指化学毒物经不同途径排出体外的过程。l 主要的排泄途径： 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41（一）、经肾脏排泄（一）、经肾脏排泄l 1. 肾小球滤过：膜孔 40-80，MW60000l 2. 肾小管的主动分泌：有机阴、阳离子蛋白结合性毒物l 3. 肾小管的重吸收：极性毒物随尿

20、排出；脂溶性毒物重吸收42（一）、经肾脏排泄（一）、经肾脏排泄l 主要排泄机理 肾小球滤过 肾小管简单扩散 肾小管主动转运 其中简单扩散和主动转运更为重要43（二）、经粪便排泄（二）、经粪便排泄l （1）与未吸收的食物混合；l （2）胆汁排泄 化学毒物由肝实质细胞进入胆汁而排泄； 化学毒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；l （3）肠道排泄的化学毒物：被动扩散；小肠细胞脱落；l （4）肠壁与菌群：摄取化学毒物并生物转化。44（二）、经粪便排泄（二）、经粪便排泄45（二）、经粪便排泄（二）、经粪便排泄l 肠肝循环（肠肝循环（enterohepatic circul

21、ationenterohepatic circulation）：）：是指部分化学毒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，则使化学毒物重新被吸收的过程。l 毒理学意义：毒理学意义： 有用物质：重新利用； 化学毒物：排泄速度减慢、延长生物半减期延长、毒作用持续时间延长。46（三）、经肺排泄（三）、经肺排泄l 气态、醇类和挥发性有机化合物可经呼吸道排出体外；l 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；l 排出速度与吸收速度成反比。47（四）、其他排泄途径（四）、其他排泄途径l 乳汁排出：脂/水分配系数

22、大的有机氯农药，PCB、二噁英英等污染物l 汗腺和唾液腺排出：I、Br、F和Hg等l 头发和指甲排出：Hg，Pb，Asl 脑脊液48第二节第二节 化学毒物在体内的生物转化化学毒物在体内的生物转化49一、生物转化的意义一、生物转化的意义l 生物转化生物转化(biotransformation)(biotransformation)：又称代谢转化(metabolic transformation)，是指化学毒物在体内经历酶促反应或非酶促反应而形成代谢产物的过程。l 部位：部位：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。50（一）、代谢解毒和代谢活性（一）、代谢

23、解毒和代谢活性l 代谢解毒代谢解毒(metabolic detoxication): (metabolic detoxication): 化学毒物经生物转化后成为低毒或无毒的代谢物（metabolite）；l 代谢活化代谢活化( metabolic activation) ( metabolic activation) 或生物活化或生物活化（bioactivationbioactivation）: :化学毒物经生物转化后，使其毒性增强，甚至可产生致突变、致畸、致癌作用。51l 代谢中间体代谢中间体(reactive intermediate): (reactive intermediate):

24、 亲电子剂、自由基、亲核剂、氧化还原反应物；52（二）、化学毒物溶解度的变化（二）、化学毒物溶解度的变化53（二）、化学毒物溶解度的变化（二）、化学毒物溶解度的变化l I I相反应相反应(phase I biotransformation): (phase I biotransformation): 包括氧化反应(oxidation)、还原反应(reduction)和水解反应(hydrolysis)。暴露或获得一些功能基团，-OH，-COOH，-NH2，-SH；增加水溶性，易于进入II相反应；l II II相反应相反应(phase II biotransformation): (phase I

25、I biotransformation): 结合反应 (conjugation)。包括葡萄糖醛酸化、硫酸化、乙酰化、与谷胱甘肽及与氨基酸结合。大多数II相反应可导致化学毒物的水溶性显著增加，排泄加速。54（二）、化学毒物溶解度的变化（二）、化学毒物溶解度的变化55二、生物转化酶二、生物转化酶l 特性：特性：广泛的底物特异性；存在多态性；立体选择性。56二、生物转化酶二、生物转化酶57细胞色素P-450 (CYPs)黄素单加氧酶(FMO)醇脱氢酶ADH醛脱氢酶ALDH内质网（微粒体，microsome内）微粒体microsome外钼羟化酶单胺氧化酶MAO和二胺氧化酶DAO三、生物转化反应类型三、

26、生物转化反应类型l （一）（一）I I相反应相反应氧化反应：氧化反应：过氧化物酶58（一）（一）I I相反应相反应氧化反应：氧化反应：l 1. 1. 细胞色素细胞色素P-450P-450酶系酶系 (cytochrome P450 enzyme system, (cytochrome P450 enzyme system, CYPs)/CYPs)/混合功能氧化酶混合功能氧化酶(mixed function oxidase, MFO) (mixed function oxidase, MFO) 或单或单加氧酶（加氧酶（monoxygenasemonoxygenase）：）：一组由结构和功能相关的超

27、家族(superfamily)基因编码的含铁血红素同工酶，因其含有的血红素铁在还原态时与CO结合所形成的复合物在450 nm处有最大的吸收峰而得名。l 细胞色素细胞色素P-450P-450酶系成分：酶系成分： 血红蛋白（细胞色素细胞色素P450P450和细胞色素b5） 黄素蛋白（NADPH-细胞色素P450还原酶） 磷脂。59l 细胞色素细胞色素P450P450最为重要，是催化反应的活性中心。最为重要，是催化反应的活性中心。l 黄素蛋白和细胞色素b5是从NADPH或NADH向细胞色素P450传递电子的转运体。l 磷脂：固定蛋白、促进偶联反应。l 命名：CYP代表除小鼠和果蝇外的所有物种的细胞色

28、素P450基因。字母后的数字、字母、数字，依次为基因族、基因亚族、亚族中的基因。l 与化学毒物代谢有关的主要涉及3个家族： CYP1、 CYP2、 CYP3。60l 单加氧反应6162636465（一）（一）I I相反应相反应氧化反应：氧化反应：2. 2. 黄素加单氧酶黄素加单氧酶 ( (flavinflavin-containing -containing monooxygenasemonooxygenase, FMO), FMO)：l 属于微粒体酶；其所催化的反应通常是解毒过程；l 以黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）为辅酶l FMO可催化伯胺、仲胺、叔胺、N-乙酰芳草胺、腈、硫醇、等物质的N-

29、、S-和P-杂原子氧化。l 催化存在物种差异。吡咯烷生物碱类物质、单响尾蛇毒蛋白等物质经FMO代谢形成叔胺氮氧化物，属于解毒过程；但经P450形成亲电化合物，属于增毒反应。 大鼠具有高活性的P450； 豚鼠则有高活性的FMO；66（一）（一）I I相反应相反应氧化反应：氧化反应：2. 2. 微粒体外的氧化反应：微粒体外的氧化反应：l （1）醇脱氢酶（Alcohol dehydrogenase ADH）： 位于胞浆、分布于肝、肾、肺、胃粘膜 能催化醇类转变为醛类， 分为I型（ADH 1A、1B、1C）、II型（ADH 4）、III型（ADH 5）、IV型（ADH 7）。67（一）（一）I I相反

30、应相反应氧化反应：氧化反应：2. 2. 微粒体外的氧化反应：微粒体外的氧化反应：l （1）醇脱氢酶（Alcohol dehydrogenase ADH）： 位于胞浆、分布于肝、肾、肺、胃粘膜 能催化醇类转变为醛类， 分为I型（ADH 1A、1B、1C）：乙醇和短链脂肪醇 II型（ADH 4）：长链脂肪醇、芳香醇 III型（ADH 5）：长链脂肪醇、芳香醇 IV型（ADH 7）：乙醇68（一）（一）I I相反应相反应氧化反应：氧化反应：2. 2. 微粒体外的氧化反应：微粒体外的氧化反应：l （2）醛脱氢酶（Aldehyde dehydrogenase ALDH） 能将醛类代谢成酸类 具有基因多态

31、性 东方人基因点突变（Glu487变为Lys487），饮酒: 不能最终转变为乙酸。69（一）（一）I I相反应相反应氧化反应：氧化反应：2. 2. 微粒体外的氧化反应：微粒体外的氧化反应：l (3) 单胺氧化酶（Monoamine oxidase ，MAO） 存在于肝、肾、小肠、神经组织的线粒体中； 催化伯胺、仲胺、叔胺的氧化脱氨反应。 分为A和B，A主要氧化5-羟色胺、去甲肾上腺素和普萘洛尔的烷基代谢物。B的主要底物为-苯乙胺和卞胺。 MAO-B它能使甲基-44-苯基-1,2,5,61,2,5,6-四氢吡啶（1-methyl-4-phenyl-1,2,5,6-tetrahydro pyrid

32、ine，MPTP）活化为神经毒物，引起帕金森氏病。70（一）（一）I I相反应相反应氧化反应：氧化反应：2. 2. 微粒体外的氧化反应：微粒体外的氧化反应：l (4) 钼水解酶：醛氧化酶黄嘌呤氧化还原酶醛氧化酶醛氧化酶 肝脏 氧化取代基团：吡啶、吡咯、嘧啶、碘离子等 氧化芳香醛，对脂肪醛无作用黄嘌呤氧化还原酶黄嘌呤氧化还原酶 心脏、肝脏等 促进6-巯基嘌呤核2,6-二硫代嘌呤等嘌呤衍生物的清除 氧化芳香醛71（一）（一）I I相反应相反应氧化反应：氧化反应：2. 2. 微粒体外的氧化反应：微粒体外的氧化反应：l (5) 过氧化物依赖的共氧化反应： 过氧化物酶催化的反应包括氢过氧化物的还原和其它

33、底物氧化生成脂质氢过氧化物，此过程称共氧化（co-oxidation） 特点：无需NADPH或NADP 前列腺素H合成酶（PHS），具有环加氧酶和过氧化物酶两种催化活性。 花生四烯酸PGG2PGH272三、生物转化反应类型三、生物转化反应类型l （一）（一）I I相反应相反应还原反应：还原反应：l 参与还原反应的酶主要为P450和黄素蛋白酶；肠道菌群的还原酶活性也很高。l 1. 1. 偶氮反应和硝基反应：偶氮反应和硝基反应：（1 1）偶）偶氮还原氮还原 N=N 2 -NH2 ； 如: 百浪多息（偶氮磺胺） 氨苯磺胺。（2 2）硝基）硝基还原还原 N=O -NH 2 ； 如: 2,6-二硝基甲苯

34、活化，诱导大鼠肝癌73三、生物转化反应类型三、生物转化反应类型l （一）（一）I I相反应相反应还原反应：还原反应：l 2. 2. 羰基还原羰基还原 羰基还原酶是NADPH依赖酶，属于醛酮还原酶和短链脱氢酶/还原酶。 外源性底物：氟哌丁苯、柔红霉素、华法林、4-硝基苯乙酮等。74三、生物转化反应类型三、生物转化反应类型l （一）（一）I I相反应相反应还原反应：还原反应：l 3. 3. 醌还原醌还原 NAD(P)H氧化还原酶 双电子还原, 形成无毒性产物。 NADPH-P450 还原酶 单电子还原, 形成超氧阴离子等自由基； 百草枯、多柔比星、道诺霉素、6-羟基多巴胺的代谢活化。75三、生物转

35、化反应类型三、生物转化反应类型l （一）（一）I I相反应相反应还原反应：还原反应：l 4 . 4 . 脱卤脱卤作用作用 还原脱卤(H 取代X)： P450 CCl4经此反应形成活性自由基。 氧化脱卤(X 和H 被O取代)： P450 如氟烷经氧化脱卤作用形成致肝炎的中间产物。 脱卤化氢(形成C=C)： P450和谷胱甘肽S-转移酶76三、生物转化反应类型三、生物转化反应类型l （一）（一）I I相反应相反应水解反应：水解反应：l （1）酯酶 酯的水解 如: 羧酸酯、酰胺、硫酯、磷酸酯等； A-酯酶：水解有机磷酸酯； B-酯酶：为有机磷酸酯所抑制；羧酸酯酶和胆碱酯酶 C-酯酶：不能水解有机磷酸

36、酯，也不为有机磷酸酯所抑制。l （2）肽酶：肽键水解，氨基肽酶、羧基肽酶和内肽酶。 如: 胰岛素l （3）环氧化物水解酶（EH）：水解环氧化物77三、生物转化反应类型三、生物转化反应类型l （二）（二）II II相反应：相反应：l 结合反应(conjugation) : 是化学毒物原有的或经I相反应后，引入或暴露出来的羟基、氨基、羧基、巯基、羰基和环氧基等基团与内源性辅助因子之间发生的生物合成反应，所形成的产物为结合物(conjugate)。 需要酶参与，并需要消耗能量。 速度比I相反应快的多，因此清除速率由I相反应决定。 多数结合物水溶性增强，毒性降低或消失。78三、生物转化反应类型三、生物

37、转化反应类型l （二）（二）II II相反应：相反应：l 1. 1. 葡萄糖醛酸结合（葡萄糖醛酸结合（glucuronidationglucuronidation） 体内最主要的结合反应类型 主要辅助因子为尿苷二磷酸葡萄糖醛酸（uridine diphosphate glucuronic acid, UDPGA）, 酶：UDP-葡萄糖醛酸基转移酶（uridine diphosphate glucuronyl transferase ） 反应场所: 肝微粒体、肾、肠粘膜和皮肤； 结合基团: 羟基、氨基和羧基79三、生物转化反应类型三、生物转化反应类型l （二）（二）II II相反应：相反应：l

38、2. 2. 硫酸结合（硫酸结合（sulfationsulfation） 供体： 3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸 (PAPS)； 酶: 磺基转移酶 (sulfotransferase, SULT)； 反应场所肝、肾、胃肠等组织； 结合基团酚类、醇类或胺类； 反应产物硫酸酯。80三、生物转化反应类型三、生物转化反应类型l （二）（二）II II相反应：相反应：l 3. 3. 谷胱甘肽结合（谷胱甘肽结合（glutathione conjugationglutathione conjugation） 谷胱甘肽（GSH ）； 酶: 谷胱甘肽S-转移酶 (glutathione S-transferase,

39、GST)； 反应场所肝、肠、肾、睾丸、肾上腺等组织； 底物特点 具一定疏水性；含亲电原子；与GSH非酶促反应。 谷胱甘肽在体内生成与储备有一定限度，如大量环氧化物在短时间内形成，可出现谷胱甘肽耗竭，仍可引起严重损害。81三、生物转化反应类型三、生物转化反应类型l （二）（二）II II相反应：相反应：l 4. 4. 甲基化反应（甲基化反应（methylationmethylation） 辅助因子：S-腺苷甲硫氨酸（SAM ）； 酶: 甲基转移酶 (SAM)； 反应场所广泛； 底物苯酚、儿茶酚、脂肪胺、芳香胺、N-杂环等。82三、生物转化反应类型三、生物转化反应类型l （二）（二）II II相反

40、应：相反应：l 5. 5. 乙酰化作用（乙酰化作用（acetylationacetylation） 辅助因子：乙酰辅酶A（SAM ）； 酶: N-乙酰转移酶 (N-acetyltransferase, NAT)； 反应场所肝等； 底物具有芳香胺和肼基团等的化学毒物。 代谢解毒和代谢活化83三、生物转化反应类型三、生物转化反应类型l （二）（二）II II相反应：相反应：l 6. 6. 氨基酸结合（氨基酸结合（animo acid conjugationanimo acid conjugation） 底物是含有羧酸基团和具有芳香羟胺结构的化学毒物的代谢途径。 （1）酰基-CoA合成酶，形成酰基-

41、CoA硫酯，然后再酰基-CoA：N-酰基转移酶，将酰基转移到甘氨酸、谷氨酸和牛磺酸的氨基上，形成酰胺；解毒。 （2）化学毒物与丝氨酸和脯氨酸含有的羧基结合形成N-酯。84四、影响化学毒物生物转化的因素四、影响化学毒物生物转化的因素l （一）毒物代谢酶的遗传多态性（一）毒物代谢酶的遗传多态性 遗传多态性（genetic polymorphism）：指在群体中出现了频率大约1%的多种等位基因形式; 代谢酶存在多态性，很大程度决定个体对化学毒物所致毒效应的易感性; CYP1A1是芳烃羟化酶：催化多种芳香烃成致癌物，存在Msp1多肽（A、B和C基因型）和第7个外显子多肽（Ile/Ile、Ile/Val

42、和Val/Val）; 增加肺癌的易感性。 GST可分为T1、M1和P1基因多态性；T1和M1缺失、P1过表达85四、影响化学毒物生物转化的因素四、影响化学毒物生物转化的因素l （二）毒物代谢酶的诱导和阻遏（二）毒物代谢酶的诱导和阻遏 酶的诱导（enzyme induction）：许多化学毒物可引起某些代谢酶的含量增加并伴有活力增强的现象； 诱导剂：具有诱导效应的化学毒物，分为单功能诱导酶和双功能诱导酶。 单功能诱导酶：诱导催化还原、水解和结合反应的酶类，但不能诱导细胞色素P450； 双功能诱导酶：诱导结合反应的酶类，和细胞色素P450；86四、影响化学毒物生物转化的因素四、影响化学毒物生物转化

43、的因素l （二）毒物代谢酶的诱导和阻遏（二）毒物代谢酶的诱导和阻遏 诱导剂的作用机制：诱导剂的作用机制： 1）作为配体，与细胞质细胞质感受器形成结合物，变构并与辅蛋白脱离，转变为活性形式； 2）结合物与配体蛋白形成异源二聚体进入细胞核； 3）二聚体与位于基因5端启动子区的反应原件结合，募集其他转录因子和RNA聚合酶等形成转录复合物； 4）启动代谢酶的基因转录。87四、影响化学毒物生物转化的因素四、影响化学毒物生物转化的因素l （二）毒物代谢酶的诱导和阻遏（二）毒物代谢酶的诱导和阻遏 外源化合物感受器：外源化合物感受器： 双功能诱导剂：芳香烃受体（AhR）、孕烷X受体（PXR）、结构型雄甾烷受体

44、（CAR）、过氧化物酶体增殖剂活化受体（PPAR）； 单功能诱导剂：转录因子NF-E相关因子2（Nrf-2） 毒物代谢酶的主要诱导剂：毒物代谢酶的主要诱导剂： 1）3-甲基胆蒽、苯并芘，为AhR配体；2）苯巴比妥为CAR和PXR的配体；3）贝特、WY-14等PPAR的配体；4）-萘黄酮，为Nrf-2的配体；5）乙醇，诱导CYP2E1.88四、影响化学毒物生物转化的因素四、影响化学毒物生物转化的因素l （二）毒物代谢酶的诱导和阻遏（二）毒物代谢酶的诱导和阻遏 毒物代谢酶的阻遏（毒物代谢酶的阻遏（enzyme repressionenzyme repression）：）： 指对某些代谢酶诱导的同时

45、可阻遏另外一些代谢酶的合成。89四、影响化学毒物生物转化的因素四、影响化学毒物生物转化的因素l （三三）毒物代谢酶的抑制与激活）毒物代谢酶的抑制与激活 1. 1. 竞争性抑制：竞争性抑制： 对同一种酶竞争，不影响酶的活性及含量，而是一种毒物占据了酶的活性中心，导致其它毒物代谢受阻。90四、影响化学毒物生物转化的因素四、影响化学毒物生物转化的因素l （三）毒物代谢酶的抑制与激活（三）毒物代谢酶的抑制与激活 2. 2. 非竞争性抑制：非竞争性抑制： 与酶的活性中心发生可逆或不可逆性结合： SKF-5，结合P450等 破坏酶：四氯化碳、氯乙烯 减少酶的合成：重金属铅 变构作用：CO与P450 缺乏辅

46、因子： 马来酸二酯，GSH91四、影响化学毒物生物转化的因素四、影响化学毒物生物转化的因素l （三）毒物代谢酶的抑制与激活（三）毒物代谢酶的抑制与激活 3. 3. 毒物代谢酶的激活：毒物代谢酶的激活： 化学毒物直接作用于酶，使其活性增强，但不涉及酶蛋白的诱导合成。9293第三节第三节 毒物动力学毒物动力学94l 利用数学模型并用速率论的理论来揭示研究化学毒物的数量在生物转化和生物转运过程中的动态变化规律。l 时量关系是毒物动力学研究的核心。l 目的：目的： 为毒理学研究设计提供依据，阐明在不同染毒频度、剂量、途径下化学毒物的吸收、分布与消除特征，求出毒代参数。 根据时量变化规律，以及毒理学效应

47、的性质与强度之间的关系，明确靶器官，揭示毒性机制，对人群危险度进行评价。95动力学模型动力学模型经典动力学模型经典动力学模型Classical TtoxicokineticsClassical Ttoxicokinetics生理动力学模型生理动力学模型Physiological toxicokineticsPhysiological toxicokinetics96l （一）基本概念（一）基本概念l 1. 1. 速率类型：速率类型：按化学物在体内转运或转化的速率 一级速率过程（一级速率过程（ first order rate process first order rate process）:

48、 : 化学毒物在体内某一瞬间的变化速率与其瞬时含量的一次方成正比。多数化学毒物的体内过程符合一级速率。 一次染毒特点 （1）生物半减期恒定； （2）单位时间内消除毒物的量与体存量成正比； （3）半对数半对数时量曲线为一条直线。故此类型又称线性动故此类型又称线性动力学。力学。一、经典动力学模型（一、经典动力学模型（ Classical Toxicokinetics Classical Toxicokinetics）97l （一）基本概念（一）基本概念l 1. 1. 速率类型：速率类型：按化学物在体内转运或转化的速率 零级速率过程（零级速率过程（zero order rate processzer

49、o order rate process）: : 在化学毒物的数量超过机体的转运和转化能力时发生，化学毒物在体内某一瞬间的变化速率与其瞬时含量的零次方成正比。 一次染毒特点 （1）单位时间内消除毒物的量恒定，是最大消除能力 （2）半对数时量曲线为一条曲线。此类型又称非线此类型又称非线性动力学。性动力学。一、经典动力学模型（一、经典动力学模型（ Classical Toxicokinetics Classical Toxicokinetics）9899零级零级 一级一级 零级零级 对数浓度对数浓度 一级一级浓度浓度 横坐标为横坐标为时间；纵坐标：左侧时间；纵坐标：左侧为浓度，右侧为对数浓度为浓度

50、，右侧为对数浓度横坐标为时间，纵坐标为浓度，左侧为一级，右侧为零级横坐标为时间，纵坐标为浓度，左侧为一级，右侧为零级100l （一）基本概念（一）基本概念l 2. 2. 室模型：室模型：动力学上相互间难以区分，转运和转化性质近似的组织、器官和体液。转运和转化速率相似者可视为同一室。 一室模型 (one compartment model) ：若化学毒物入血后能迅速而均匀地分布于全身并呈一致的消除过程。 多室模型 (two compartment model) ：若化学毒物入血后，在体内不同部位的转运和转化速率不同，在达平衡前需要有一个分布的过程。一、经典动力学模型（一、经典动力学模型（ Cla

51、ssical Toxicokinetics Classical Toxicokinetics）101l （一）基本概念（一）基本概念l 2. 2. 室模型：室模型： 中央室 (central compartment) ：血液及供血丰富、血流通畅的组织器官，如肾、心、肝、肺。 周边室 (peripheral compartment)：供血量少、血流缓慢或化学毒物不易进入的组织器官，如脂肪、皮肤、骨骼等。一、经典动力学模型（一、经典动力学模型（ Classical Toxicokinetics Classical Toxicokinetics）1021. 1. 一室模型（一室模型（First-or

52、der compartment modelFirst-order compartment model）药物药物吸收吸收消除消除（二）室模型和时量（二）室模型和时量- -曲线曲线103一级速率方程一级速率方程C C: t : t 时血浆药物浓度时血浆药物浓度 C C0 0: t=0: t=0时的初始浓度时的初始浓度ke: ke: 一级消除速率常数一级消除速率常数 e: e: 自然对数之底自然对数之底2.7182.718（二）室模型和时量（二）室模型和时量- -曲线曲线B1. 1. 一室模型（一室模型（First-order compartment modelFirst-order compart

53、ment model） C0tk0teeCC 一室模型计算公式：一室模型计算公式：104二室模型二室模型药物药物中央室中央室周边室周边室吸收吸收消除消除2. 2. 二室模型（二室模型（Second-order compartment modelSecond-order compartment model）（二）室模型和时量（二）室模型和时量- -曲线曲线105 二室模型计算公式：二室模型计算公式：C=C=AeAe t t+Be+Be- - t t 多指数函数方程多指数函数方程C C: t : t 时血浆药物浓度时血浆药物浓度 : : 分布速率常数分布速率常数 : : 消除速率常数消除速率常数

54、B B 相外延至纵轴的截距相外延至纵轴的截距 A A 实测浓度和实测浓度和 相各相应相各相应 t t 时浓时浓度之差形成的直线在纵轴度之差形成的直线在纵轴上的截距上的截距 e: e: 自然对数之底自然对数之底2.7182.7182. 2. 二室模型（二室模型（Second-order compartment modelSecond-order compartment model）（二）室模型和时量（二）室模型和时量- -曲线曲线B分布相消除相106一房室模型药物的药量一房室模型药物的药量-时间关系时间关系 Time course of drug concentration时时 间间 （分）（分

55、）血浆药物浓度血浆药物浓度 (mg/L) 口口 服服 静脉注射静脉注射 107hrshrs Plasma concentrationPlasma concentration 峰浓度（峰浓度（Cmax） 一次给药后的最高浓度一次给药后的最高浓度 此时吸收和消除达平衡此时吸收和消除达平衡 达峰时间（达峰时间（TmaxTmax） AUCAUC 曲线下面积曲线下面积 单位：单位：ng h/mL 反映药物体内总量反映药物体内总量Area under curve 108l 1. 1. 表观分布容积表观分布容积 (Apparent volume of distribution, Vd): 其意义为外来化合物

56、在机体的分布相当于血浆浓度时所占体液的容积。不是机体的生理真实容积，而是依据化合物在血浆中的浓度推测而来。单位为L或L/kg。l 静脉注射时：静脉注射时： 一室模型，一室模型，Vd=X0/C0，X0为染毒剂量(mg/kg)，C0为t=0时毒物的血浆浓度，此时Vd为L/kg 二室模型，二室模型，Vd=X0/(A/+B/) ，l Vd=0.05L/kg；Vd=0.2L/kg；Vd=0.6L/kg，主要分布在血浆、细胞外液或全身分布l 意义：表示化学毒物在体内的分布容积，Vd越大，分布越广（三）基本参数（三）基本参数109l 2. 2. 消除速率常数消除速率常数（Elimination rate c

57、onstant, Ke）：单位时间内，化学毒物从体内消除的量占体存总量的比例，单位是h-1。l 意义：Ke越大，化合物从机体消除速度越快。（三）基本参数（三）基本参数l 3. 3. 曲线下面积曲线下面积（area under curve, AUC）：指化学毒物从血浆中开始出现到完全消除这一时间过程内时-量曲线下覆盖的总面积。曲线下面积(单位gmin/ml或mg h / L)。 l 静脉注射时：静脉注射时： 一室模型，一室模型，AUC= C0 /Ke， 二室模型，二室模型，AUC=A/+B/，l 意义：AUC越大，从机体消除的速度越慢。110（三）基本参数（三）基本参数l 4. 4. 半衰期（半

58、衰期（half life, thalf life, t1/21/2）：）： 化合毒物的血浆浓度下降一半所需的时间。单位min或h。 一室模型，一室模型， t1/2= 0.693 /Ke， 二室模型，二室模型，分布相 t1/2= 0.693 /；消除相t1/2= 0.693 / 意义：意义： 是表达与衡量一个化学毒物从体内清除速度的尺度，t1/2越大，消除速度越慢。l 5. 5. 清除率（清除率（clearance, CLclearance, CL）：）： 单位时间内，机体所有清除途径所能排除的化学毒物占有的血浆容积值。单位是L/ (kgh)。 公式，公式， CL=X0/AUC （ X0为染毒剂

59、量mg/kg ） 意义：意义：反映机体清除化学毒物效率的参数，CL越大，清除速度越快。111（三）基本参数（三）基本参数l 6. 6. 生物利用度（生物利用度（bioavailability, Fbioavailability, F）：）： 是染毒时对化学毒物的吸收率。 F=AUC（非静脉）/AUC（静脉） 意义：利用此参数可以比较化学毒物不同染毒途径吸收进入机体的吸收率。112（四）非线性毒物动力学（四）非线性毒物动力学l 非线性毒物动力学（非线性毒物动力学（non-linear toxicokinaticsnon-linear toxicokinatics）：）： 是指体内化学毒物的数量过

60、多，超过了机体的生物转运、转化及蛋白质结合能力时，其消除由一级速率过程转变为零级速率过程的现象。出现以下情况出现以下情况： 1）血浆化学毒物浓度不呈指数下降； 2）AUC与染毒剂量不成正比； 2）Vd、CL、Ke、t1/2等参数随化学毒物的剂量的增加而发生改变； 3）经同一酶系统代谢或经主动转运的化学毒物之家发生了竞争抑制； 4）明显饱和效应出现后，剂量-反应曲线未随剂量增加而显示出成比例的变化。113（四）非线性毒物动力学（四）非线性毒物动力学l 符合米曼方程 : -dc/dt=Vmaxc/Km +cl Vmax转运的理论最大速率；Km为米氏常数，转运速率相当于理论最大速率一半时的化学毒物浓