毒理学基础课件：第3章 外源化学物在体内的生物转运与转化

1、1毒物毒性选择毒性剂量致死剂量阈剂量最大无作用剂LOAELNOAEL安全限值卫生标准LD0LD01LD50LD100毒作用带剂量反应曲线回顾2 第三章 外源化学物在体内的生物转运与转化 （Disposition of Xenobiotics）3乙醛乙酸CO2和H2O乙醛脱氢酶4掌握毒物在体内的来踪去路(ADME)掌握生物转化反应及意义熟悉毒物在体内的分布与贮存了解毒物动力学 【目的要求】5吸收(Absorption)分布(Distribution)代谢(Metabolism)排泄(Excretion)ADME过程生物转运-吸收、分布与排泄 生物转化代谢变化6生物转运（biotransport）

2、: 是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过程7生物转化（biotransformation）：化学毒物在细胞内发生一系列化学结构和理化性质改变而转化为新的衍生物的过程。8化学毒物的固有毒性和接触量化学毒物或其活性代谢物在靶器管内的浓度和持续时间后者与化学毒物在体内的ADME过程有关化学毒物对机体的毒性作用，一般取决于两个因素9研究ADME过程的意义了解毒物在体内的过程为急救和治疗措施提供参考 提供接触生物学标志和中毒诊断指标为中毒机理研究提供线索 10第一节 生物膜和生物转运 11生物膜(biom

3、embrane)：是细胞膜和细胞器膜的总称磷脂双分子层：水溶性物质具有屏障作用，但对多数脂溶性物质无此作用，易于透过。 镶嵌蛋白：插入磷脂双分子层中的蛋白质。它们中的一部分为载体或组成特殊通道，其余的为受体、酶和结构蛋白等。 膜孔：为生物膜上充满水分的孔道。这些孔道由贯穿于脂质双分子层的蛋白质的亲水性氨基酸构成。 一、生物膜(biomembrane)12细胞膜的结构 13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14二、化学物通过生物膜转运的方式被动转运 简单扩散 滤过特殊转运 主动转运 膜动转运 易化扩散 吞噬 胞吞 胞吐151.简单扩散（simple diff

4、usion)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。浓度梯度对扩散速率的影响最为重要。（一） 被动转运（passive transport） 16High gradientLow gradientSo easy, Im not tired.17（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18（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

5、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19经简单扩散方式转运的外源化学物必须具有脂溶性。脂溶性的高低可用脂/水分配系数表示，即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。一般情况，外源化学物的脂/水分配系数越大，越易溶解于脂肪，经简单扩散转运的速率也就越快。但由于扩散时不仅需要通过生物膜的脂相，还要通过水相，故脂/水分配系数极高、只能全部溶解于脂肪的物质也难以通过简单扩散方式跨膜转运。 20是外源化学物通过生物膜上亲水性孔道的过程。借助于流体静压和/或渗透压梯度，大量的水可以经膜孔流过，溶解于水的分子直径小于膜孔的物质随

6、之被转运。2.滤过(filtration)21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22与主动转运一样，是载体中介的转运方式，又称为载体扩散。但化学物质为顺浓度梯度转运，因此转运过程中不需要消耗能量。由于有载体的参与，易化扩散也存在对底物的特异选择性、饱和性和竞争性抑制。 3.易化扩散（facilitated diffusion）23指外源化学物在载体的参与下, 逆浓度梯度通过生物膜的转运过程。 （二）主动转运 (active transport) 主动转运的特点

7、可逆浓度梯度转运，消耗一定的代谢能量转运过程需要载体参加24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，转运即达到极限主动转运有一定的选择性竞争抑制：如果两种化合物基本结构相似，又需要同一转运系统时25 转运体(transporter)及其家族多种药物抗性蛋白(multi-drug-resistant protein, mdr) 肿瘤、 抗生素的滥用多种抗药性蛋白(multiresistant drug protein, mrp)有机阴离子转运多肽(organic-anion transporting polypeptide, oatp)有机阴离子转运体(organic-an

8、ion transporter, oat)26 有机阳离子转运体(organic-cation transporter, oct)核苷酸转运体(nucleotide transporter, nt)二价金属离子转运体(divalent-metal ion transporter, dmt)肽转运体(peptide transporter, pept)Oat 也能转运有机阳离子和中性离子27（三）膜动转运（cytosis transport） 指细胞与外界环境之间进行的某些颗粒物或大分子物质的交换过程，以转运时生物膜的形态发生变化为特征。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

9、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 28 胞吞 胞吐 29生物膜转运方式的特点被动转运 简单扩散：无载体、不耗能、高到低 滤过：亲水性孔道 特殊转运：主动转运：有载体、耗能、低到高、饱和性、 特异性 易化扩散：有载体、高到低、饱和性 膜动转运：耗能、低到高30 第二节 吸 收 （Absorption ）31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：胃肠道 呼吸道 皮 肤32一、胃肠道吸收 胃肠道是外源化学物的主

10、要吸收途径之一。凡是由大气、水和土壤进入食物链的外源化学物均可经胃肠道吸收，口服或误服的药物、毒物等也经该途径吸收。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33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34肝脏的首过作用（first pass effect/elimination）：经胃肠道吸收的外源化学物通过门静脉系统首先达到肝脏，进行生物转化后，再进入体循环。这种化学毒物进入体循环之前即被消除或减弱的现象叫首过消除。 35二、经呼吸道吸收 存在于空气

11、中的外源化学物以气态（气体、蒸汽）和气溶胶（烟、雾、粉尘）的形式存在，呼吸道是它们吸收的主要途径，肺是主要的吸收器官。由于肺泡数量众多、表面积大、肺泡气与血液之间距离短、肺内血液灌注量大等解剖生理特点，外源化学物经肺吸收十分迅速，仅次于静脉注射。 36不经过肝脏的生物转化，直接进入体循环而分布全身主要通过简单扩散气体、蒸气与气溶胶经肺吸收的影响因素不同37（一）气态毒物经肺吸收的影响因素 气体和蒸汽在呼吸道吸收与作用的部位主要取决于脂溶性和浓度。 水溶性刺激气体（低浓度的盐酸、氨）可在上呼吸道吸收，引起局部充血和不适。 脂溶性较好的气态物质如二氧化氮、二氧化硫、氯仿等不易引起上呼吸道的刺激症状

12、，也不易被吸收。但它们可以轻易地进入呼吸道深处，由肺泡吸收入血。 吸收的方式为简单扩散。 38影响吸收速率的因素最主要的是外源化学物在肺泡气中与肺毛细血管血液中的浓度差（或分压差）。该浓度（分压）差越大，吸收的速率越快。 气态物质在血液中的浓度（mg/L）与在肺泡气中的浓度（mg/L）之比称为血/气分配系数（blood/gas partition coefficient）。对于一种特定的气态物质来说，这是一个常数。血/气分配系数越大的物质在血液中的溶解度越高，越容易被吸收。 39（二）气溶胶毒物经肺吸收的影响因素粒子大小：气溶胶的直径10 m者多数被阻留在上呼吸道，而者0.1 m 则由于其布朗

13、运动而随呼气而呼出，通常只有0.52 m的粒子才可吸入肺泡水溶性：溶解度大的易在上呼吸道吸收，溶解度低的气溶胶易到达肺泡被吸收 PM2.540Air Pollution is a global problemVan Donkelaar et al, Environmental Health Perspectives 2010/topics/earth/features/health-sapping.html 41Air Pollution in China42穿透阶段：外源化学物透过皮肤表皮，即角质层的过程吸收阶段：由角质层进入乳头层和真皮，并被吸收入血三、经皮肤吸收吸收方式：简单扩散43理化

14、性质：脂/水分配系数接近于1，易被吸收进入血液皮肤血流速度和出汗状况皮肤完整性：如皮肤破损，破坏表皮角质层屏障作用，外源化学物可以直接进入吸收相人体不同部位表皮的厚度不同、角质层厚度不同，所以外源化学物的穿透速度有别经皮肤吸收的主要影响因素44经眼吸收:局部作用先于全身作用经静脉、腹腔、皮下和肌内注射 四、其它途径45 第三节 分 布 （distribution）46分布（distribution）: 是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 一、外源化学物分布的毒理学意义 47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

15、因素毒物分布的特点：外源化学物在体内的分布属不均匀分布再分布：随时间推移，分布受到化学物经膜扩散速率及其与组织器官亲和力的影响，分布情况发生改变。48 影响分布的主要因素化学物与血浆蛋白结合 化学物与其他组织成分结合 化学物在脂肪组织和骨骼中贮存沉积 体内各种屏障的影响 49蓄积作用（accumulation） (1) 物质蓄积 (2) 功能蓄积 二、毒物在组织中的蓄积50贮存库（storage depot ）：是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

16、贮存库及(4)骨骼组织贮存库51血浆蛋白作为贮存库：吸收入血的外源化学物可与各种血浆蛋白结合，但以与白蛋白结合为主。外源化学物与血浆蛋白的结合是暂时的、可逆的。 肝脏、肾脏作为贮存库：肝脏和肾脏对于外源化学物具有很强的结合能力，使许多毒物的浓度高于其他组织器官。52脂肪组织作为贮存库：环境中的许多有机毒物具有高脂溶性，易于分布和蓄积在脂肪组织中，如氯丹、DDT、多氯联苯和多溴联苯等。它们对脂肪组织无生物学活性，且可降低靶器官中的毒物浓度，对于机体具有一定的保护作用。骨骼作为贮存库：骨骼是某些外源化学物的主要贮存库。如铅和锶。铅对骨骼没有明显的毒性，但放射性锶可导致骨肉瘤，氟可损害骨质引起严重的

17、氟骨症。外源化学物与骨组织的结合也是可逆的。 53白蛋白化学物54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55三、特殊的屏障有些器官或组织的生物膜具有特殊的形态学结构和生理学功能，可以阻止或延缓某些外源化学物进入，称为屏障。较为重要的有血-脑屏障和胎盘屏障。它们对于保护中枢神经系统和胎儿免受毒物损害具有一定的作用，但都无法有效地阻止亲脂性物质透过。 56血脑屏障(blood-brain barrier)：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

18、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57血-脑屏障58胎盘屏障(blood-placental barrier)：是指位于母体血液循环系统和胚胎之间的几层细胞结构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59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-testis barrier）血胸腺屏障(blood-thymus barrier)血房水屏障(blood-aqueous barrier

19、)其他屏障60第四节 排 泄 （excretion)61排泄（excretion): 是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(biological half time): 简写为t1/2，是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62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 其它（汗、唾液、泪水和乳汁等分泌物）63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 肾脏是机体最重要的、也是最有效率的排泄器官。外源化学物经肾脏排泄的机制涉及肾小球被动滤过和肾小管主动分泌两种方

20、式。 64二、粪便排泄混入食物中的毒物：经胃肠道摄入、但未被吸收的毒物可与没有被消化吸收的食物混合，然后随粪便排泄。随胆汁排出的毒物：这是经粪便排泄的外源化学物的主要来源。经过肝脏生物转化形成的代谢产物及某些毒物原形可以直接排入胆汁，最终随粪便排出体外。65肠道排泄的化学毒物 肠道排泄过程相对缓慢，生物转化速率低，另外，在大肠还存在有机酸和有机碱的主动排泄系统。肠壁和菌群：肠道菌群可摄取化学毒物并对其进行生物转化，粪便中许多化学物是细菌的代谢产物。66体温下以气态存在的物质以及挥发性液体均可经简单扩散的方式由肺排出，排出速度与吸收速度呈反比。 其排泄速度与血/气分配系数成反比，即血气分配系数越

21、大，排泄越慢三、经肺随呼出气排泄67四、其它排泄途径乳汁：乳汁对于外源化学物的排泄具有特殊的毒理学意义，因为毒物可经母乳进入婴儿体内。外源化学物排入乳汁的方式是简单扩散。脂溶性毒物如DDT可随脂肪从血液进入乳腺中，并主要通过乳汁排泄。化学性质与钙类似的金属（如铅）也可从乳汁排出。汗液和唾液：非解离态、脂溶性毒物可经简单扩散排入汗液和唾液。随汗液排泄的毒物可能引起皮炎，随唾液排泄的毒物可被咽下并经胃肠道吸收。毛发和指甲：砷、汞、铅、锰等可富集于毛发和指甲中，当它们脱落时，其中的毒物也随之排出。存在于毛发和指甲中的重金属等物质的含量可以作为生物监测指标。68生物转运的毒理学意义1.吸收与毒性：进入

22、体内毒物的量吸收途径吸收部位692.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:7071 第六节 毒物的代谢转化(Biotransformation of Toxicants) 72生物转化 (biotransformation):生物转化又称代谢转化，是指外源化学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。生物转化的结果是改变了毒物的化学结构和理化性质，从而影响了它们所致毒效应的强度和性质，以及在体内的分布过程和排泄速度。因此，生物转化是机体对外源化学物进行处置的重要环节, 也是机体维持

23、稳态的主要机制。 一、生物转化和毒物代谢酶73 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74代谢解毒（metabolic detoxication)：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代谢活化（metabolic activation）：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。如对硫磷可在体内代谢为毒性更大的对氧磷，氯乙烯、苯并(a)芘等本身不致癌，但其代谢物具有致癌作用。生物转化的结果75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，特别是负面作用对了了解中毒机制是

24、十分重要的76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77相反应的作用主要是使被催化的底物暴露或获得一些功能基团，如OH、COOH、NH2、SH等。这些基团不仅增加了反应产物的水溶性，而且使之易于进行相反应。在相反应中，内源性辅因子与相反应产物获得的功能基团作用而形成结合物。多数相反应使外源化学物的水溶性显著增加，排泄加速。78二、I相反应（phase I biotransformation） (一）氧化作用通常是外源化学物代

25、谢的第一步。反应部位以微粒体内为主，但也可发生在微粒体外。 79催化氧化反应的生物转化酶 细胞色素P450酶系：因细胞色素P450含有的血红素铁在还原态时与CO结合形成的复合体在光谱450nm处有最大的吸收峰而得名。无论是催化反应的多样性，还是使外源化学物解毒或活化为活性中间产物的数量，细胞色素P450酶系均在相生物转化酶中居于首位。该酶系广泛分布于各种组织中，但以肝细胞内质网(微粒体)中含量最多。 黄素加单氧酶：该酶主要存在于肝、肺、肾等组织的微粒体中，以黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）为辅酶，催化反应时需要NADPH和O2。80细胞色素P-450酶细胞色素P-450酶系主要由三种成分组成， 即

26、血红蛋白类（细胞色素P450和细胞色素b5）、黄素蛋白（NADPH-细胞色素细胞色素P450还原酶）和磷脂。其中细胞色素P450最为重要，是催化反应的活性中心。81与外源化学物代谢有关的细胞色素P450主要涉及3个家族，即CYP1、2和3。细胞色素P450酶系催化的基本反应是单加氧反应。 82 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8384细胞色素P-450酶系催化的主要反应类型 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85（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，但在肠道细胞内是活跃的86（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87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88 II相反应（phase