化学毒物的生物转运与转化(体内处置)课件

化学物在体内的生物转运

化学物在体内的生物转化

化学物的动力学第三章化学毒物的生物转运与转化

（体内处置）

Disposition

“ADME”:

A---Absorption

D---Distribution

M---Metabolism

E---Excretion

Biotransportation---A、D、E

Biotransformation---M

Elimination---M、E

研究ADME过程的意义：

1.有助于阐明外源化学物毒作用的物种差异或个体差异；2.有助于阐明外源化学物的毒作用机制；

（包括单独作用或联合作用）

3.可通过改变外源化学物的ADME过程，干预或防治化学毒物的危害。

生物膜的结构特点生物转运方式（膜毒理学，membranetoxicology）

一、生物膜和生物转运

生物膜功能：

①隔离功能（维持细胞内环境稳定）；

②参与生化反应和生理过程；

③细胞内外化学物质交换功能。

（即物质转运功能）(一)生物膜的结构特点

1.磷脂双分子层

头部（亲水性）Receptor

尾部（亲脂性）Enzyme

2.镶嵌膜蛋白Carrier

存在形式Ionpassage

膜蛋白作用Antigen

3.膜糖Others

4.膜孔（由蛋白质的亲水性氨基酸构成）

(二)化学物通过生物膜的方式

被动转运简单扩散（脂溶扩散）滤过特殊转运主动转运易化扩散（载体扩散）膜动转运（包括吞噬作用/胞饮作用与胞吐作用）

影响因素：

(1)生物膜两侧的浓度差（C1-C2）(2)生物膜面积（A）(3)生物膜厚度（d）(4)化学毒物扩散常数（K）

包括脂溶性（脂/水分配系数）、介质pH、电离度、分子大小与形状等。

扩散速率（Fick定律）：

R=K·A·(C1-C2)/d

浓度浓度

1010

细胞外细胞内细胞外细胞内5511扩散方向

脂/水分配系数不同的经膜扩散示意图A物质（脂/水=1）B物质（脂/水=10）细胞膜细胞膜

电离度（pKa）

---弱酸性或弱碱性有机化学毒物在介质中的解离：非解离型（CM）解离型（Ci）注意：◆非解离型与解离型的比例依赖于毒物pKa值与介质的pH值。◆毒物的非解离型容易通过生物膜。

评价：毒物解离度越小，非解离型越多，越易透过。

pKa的含义：

是化学毒物在介质中(体液)处于动态平衡时，解离型与非解离型各占50%时介质中的pH值。

公式：[Cn]

pKa=lg+pH[Ci]

按Henderson-Hasselbach公式：有机酸毒物：[Cn]

pKa=lg+pH[Ci]有机碱毒物：[Ci]

pKa=lg+pH[Cn]

(2)滤过（Filtration）--即水溶扩散指水溶性毒物通过生物膜亲水性孔道的过程。

条件:(1)毒物为不带电的极性分子；(2)毒物分子直径小于亲水性孔道。

特点:(1)顺浓度差转运；(2)不消耗能量；(3)不需要载体等。

作用：可使化学毒物的浓度在血浆和细胞外液之间达到平衡。

主动转运系统：

(1)ATP-结合盒转运蛋白（ABC转运蛋白超家族）

（ATP-bindingcassettetransporters，ABC）①多药耐受蛋白(multidrugresistance,Mdr)②多耐受药物蛋白(multiresistantdrugprotein)③乳腺癌耐受蛋白(breastcancerresistanceprotein)(2)溶质载体蛋白家族（SLC蛋白家族）

（solutecarriers,SLC）①有机阴离子转运多肽（可双向转运酸、碱、中性化合物）-肝(organic-aniontransportingpeptides,Oatp)②有机阴离子转运蛋白(organic-aniontransporter)–肾③肽类转运蛋白(peptidetransporters,Pept)

(2)易化扩散（Facilitateddiffusion）--即载体扩散

指非脂溶性毒物利用生物膜上的载体由高浓度向低浓度转运的过程。

机制:化学毒物与膜上蛋白质载体特异结合，其分子构型发生改变后进入细胞内。

特点:(1)顺浓度差转运；(2)不消耗能量；(3)需要载体（属于SLC蛋白家族）；(4)结构选择性、饱和性、竞争性。吸收途径：◆消化道(Digestivetract)

◆呼吸道(Respiratorytract)

◆皮肤(Skin)二、吸收（Absorption）

（一）经消化道吸收消化道吸收特点：

1.全程吸收，其吸收速度不同：

口腔粘膜＜胃粘膜＜小肠粘膜。2.有多种吸收机制：

胃粘膜-简单扩散小肠粘膜-简单扩散：脂溶性毒物滤过：水溶性毒物主动转运：

营养素主动转运系统嘧啶主动转运系统金属离子主动转运系统吞噬或胞饮（二）经呼吸道吸收呼吸道吸收特点：

1.肺泡总面积很大（50-100M2）；2.肺泡壁极薄（1-4µm）；3.肺内血流量十分丰富，毒物极易吸收；4.气体在肺泡内流速减慢，甚至停止运动，有利于毒物与肺泡接触而吸收；5.不经肝脏生物转化直接进入血液循环进行分布全身。不同部位颗粒物沉积的参数示意图影响呼吸道吸收的因素：

1.毒物的血/气分配系数；2.毒物的溶解度；3.毒物的分子量大小；4.毒物的分散度；5.机体的呼吸速度；6.机体的血流速度。

血/气分配系数：（Blood/gaspartitioncoefficient）

指化学毒物在呼吸膜两侧分压达到动态平衡时，血液内化学毒物浓度与肺胞气中浓度之比值。

公式：[血液中浓度]

K=[肺胞气中浓度]

吸入气溶胶沉淀量与颗粒大小的关系示意图皮肤吸收特点：

1.吸收途径▲—表皮途径（主要途径）—毛囊与皮脂腺—汗腺导管2.吸收机制—简单扩散（三）经皮肤吸收影响皮肤吸收的因素：

1.毒物的脂/水分配系数；2.毒物的分子量大小（＜400Da）；4.毒物的接触浓度、时间与面积；5.机体与毒物接触的环境条件；（潮湿、高温皮肤通透性增加）6.皮肤的完整性；7.不同皮肤结构吸收不同等。1.注射途径（毒理学研究中使用）静脉注射腹腔注射皮下注射肌肉注射等2.黏膜吸收途径

眼黏膜等（四）经皮肤吸收

(1)不均匀性（原因：血液灌注量；亲和力）(2)再分布性（redistribution）(3)动态性(4)蓄积性（铅在骨骼中蓄积，DDT在脂肪中蓄积）分布特点：三、分布（Distribution）化学毒物分布的不均匀性与再分布性资料1：铅一次经口染毒染毒后2h50%的污染物在肝脏染毒后1个月90%在骨骼组织资料2：二恶英（TCDD）一次静注给药染毒给药5min15%在肺内；1%在脂肪组织给药24h0.3%在肺内；20%在脂肪组织

化学毒物分布的动态性与蓄积性

铅血液：可溶性铅骨骼：结合铅

pH↓[PbHPO4][Pb3(PO4)2]

（蓄积形式）

血铅↑

尿铅↑贮存库（storagedepot）是指能蓄积毒物的组织位点。贮存库中的毒物总是与血浆中的游离型保持动态平衡。

毒物贮存的双重意义：①对急性中毒具有保护作用，可减少在靶器官或血液中外源化学物的量；②贮存库中的毒物在一定条件下可释放到血液中，具有潜在的现毒作用。（一）毒物在组织中的贮存

常见的贮存库：1.血浆蛋白质（主要是白蛋白）

另有：转铁蛋白，铜蓝蛋白，α-与β-脂蛋白等2.肝、肾器官①有机阴离子转运多肽（Oatp）②金属硫蛋白（metallothionein）3.脂肪组织（如：DDT、氯丹、TCDD、多氯联苯）4.骨骼组织（如：铅、氟）1.血-脑屏障与血脑脊液屏障

是由脑内的毛细血管内皮细胞构成，可有效阻止极性物质通过。只有那些具有脂溶性，同时又是非转运蛋白底物的化学物质有可能进入脑内。2.胎盘屏障

是分隔母体与胎儿血液循环的一层或多层细胞构成。其转运是属简单扩散，脂溶性高的物质可迅速达到平衡。3.血-眼屏障4.血-睾丸屏障等（二）机体的特殊屏障1.肾脏2.肝、胆排泄3.肺脏排泄4.其他排泄途径

（如：脑脊液、乳汁、汗液与唾液、毛发和指甲等）四、排泄（Excretion）生物转化的意义

生物转化酶（代谢酶）、

生物转化反应类型Ⅰ相反应（氧化、还原、水解）Ⅱ相反应（结合）

影响生物转化的因素第二节化学毒物的生物转化

一、生物转化的意义

（一）代谢解毒与代谢活化

(1)代谢解毒--毒性

（metabolicdetoxication）

(2)代谢活化--毒性

（metabolicactivation）

或生物活化（bioactivation）

代谢活化

（MetabolicActivation）

概念:

指无毒或毒性较低的化学毒物经生物转化

后变成毒性更高的代谢产物过程称为“代谢活

化”。

代谢活化的中间产物：

①自由基；

②亲电代谢产物（亲电子剂）；

③亲核代谢产物（亲核剂）；

④氧化还原产物。

苯并[a]芘代谢活化

苯并[a]芘(Bap)代谢产物：

代谢解毒产物：3-羟苯并[a]芘

近致癌物：7,8-二氢二醇苯并[a]芘

终致癌物：7,8-二氢二醇9,10-环氧化物(+)Ⅱ

(二)化学毒物溶解度的变化

通过生物转化可增加化学物水溶性。

①Ⅰ相反应可增加功能基团

化学物水溶性增加。

②Ⅱ相反应可与内源性物质结合

多数结合物水溶性增加。Ⅰ相反应（氧化、还原、分解）

能使亲脂性化学毒物带上极性功能基如-OH、

-SH、-NH2、-COOH等或暴露化学毒物分子中的极

性基团。

Ⅱ相反应（结合反应）

使化学毒物及其代谢物与内源性极性生物分子

如葡萄糖醛酸、GSH、甘氨酸、硫酸盐等结合。

二、生物转化酶

（一）生物转化酶的基本特征

1.代谢广泛性与底物交叉性；

2.可诱导性或可抑制性；

3.代谢酶具有多态性；

4.具有立体选择性（对映体，有S-；R-）；

5.在体内持续少量产生。（二)生物转化酶的命名

按催化的反应命名-混乱（因为特异性不强）

按酶分子中氨基酸一级结构命名

（三）生物转化酶的分布

1.肝脏（主要）

2.肝外组织

--肺、肾脏、肠道、皮肤、血液等三、生物转化反应类型

（一）Ⅰ相反应

（phaseⅠbiotransformation）

包括：

1.氧化反应

2.还原反应

3.水解反应

细胞色素P450酶系（亦称MFO）或单加氧酶：

（CytochromeP450）

酶系的组成：

①血红素蛋白类（P450为活化中心）

②黄素蛋白类（NADPH-细胞色素P450还原酶）

③磷脂类（促进偶联反应）

命名方法：

Cyp—小鼠或果蝇的细胞色素P450

CYP—其他物种（如人）的细胞色素P450

CYP—所有物种细胞色素P450的基因表

达产物如mRNA、蛋白质（酶）等。

例如：CYP1A1--1（基因族）A（亚族）1（基因）微粒体外的氧化反应（过氧化物酶依赖性的共氧化反应）PGG2—环状内氢过氧化物前列腺素G2PGH2—前列腺素H2细胞色素P450，黄素蛋白酶NADPH醌氧化还原酶羰基还原酶醌类2.还原反应类型（1）偶氮还原和硝酸盐还原（2）羰基还原（3）醌还原（4）脱卤反应酯酶与酰胺酶肽酶环氧化物水解酶酯类与酰胺类肽类物质环氧化物（二）Ⅱ相反应（结合反应）

包括：

1.葡萄糖醛酸结合反应）

（UDP-葡萄糖醛酸基转移酶）

2.硫酸结合反应（磺基转移酶）

3.谷胱甘肽结合反应（谷胱甘肽S转移酶）

4.甲基结合反应（甲基转移酶）

5.乙酰结合反应（N-乙酰转移酶）

6.氨基酸结合反应（酰基-CoA合成酶等）

等……总结葡萄胎醛酸转移酶磺基转移酶磺基转移酶S-腺苷蛋氨酸（酰基COA）结合基团来源内原性供体四、影响化学物生物转化的因素

包括：

毒物代谢酶的多态性

毒物代谢酶的诱导/阻遏

毒物代谢酶的抑制/激活

（一）毒物代谢酶的遗传多态性

是指群体中出现了频率大于1%的多种等位基

因形式。

意义：

决定个体对化学物毒效应的易感性。

例如：

GST分T1、M1、P1基因多态性。

GSTT1基因缺失—星形细胞瘤↑

GSTM1基因完全缺失—肺癌患病率↑（二）毒物代谢酶的诱导和阻遏

-影响酶合成过程

概念：

酶诱导（Enzymeinduction）

诱导剂（Inducer）

常见诱导剂：（5类）

诱导剂的作用机制：

1.作为配体与细胞质的化学物感受器结合；

2.结合物与配体蛋白形成异源二聚体进入细胞核；

3.该二聚体与基因5’-启动子区的反应元件形成转

录复合物；

4.启动代谢酶的基因转录。

P-450酶系的诱导剂种类

诱导剂（配体）感受器(受体)被诱导毒物代谢酶3MC、TCDD、BaPAhR

CYP1A1/2，1B1，UDPGT苯巴比妥(PB)CAR、PXR2A6,2B6、3A4、3A7贝特、WY-14PPAR-αCYP4A、UDPGT

β-萘黄酮、酚类抗氧化剂Nrf2NQO1、mEH乙醇、异烟肼--CYP2E1

代谢酶的阻遏（enzymerepression）：在代谢酶诱导的同时可阻遏另外的代谢酶合成。如：过氧化物酶体增生剂在诱导CYP4A1时可阻遏GSH表达。（三）毒物代谢酶的抑制和激活

-影响酶的活性

概念：

酶抑制（Enzymeinhibition）

抑制剂(inhibitor)

酶抑制机理：

1.竞争同一酶的活性中心（竞争性抑制）；

2.与酶活性中心发生可逆或不可逆结合；

3.破坏酶的结构（如四氯化碳与CYP450结合后构相改变）；

4.减少酶的合成（属于酶的阻遏？）

5.改变酶的构相（如CO与CYP450结合构相改变）；

6.消耗酶的辅因子等（如马来酸乙二酯消耗GSH辅因子）。

（四）毒物代谢酶被诱导或被抑制的毒理学意义

1.对“代谢活化”的影响

诱导物毒性↑

(+)

A毒物B代谢物（有毒）

（无毒）(-)

抑制物

毒性↓

代谢酶

例：乙醇对甲醇“代谢活化”的影响：

毒效应↓醇脱氢酶甲醇代谢物（高毒）（低毒）竞争性抑制

乙醇

（竞争醇脱氢酶活性中心）

2.对“代谢解毒”的影响

诱导物毒性↓

(+)

A毒物B代谢物（无毒）

（有毒）(-)

抑制物

毒性↑

代谢酶

例1：对氧磷对马拉硫磷“代谢解毒”的影响

毒效应羧酸酯酶

马拉硫磷水解（无毒）

（有毒）

非竞争性抑制

苯硫磷

毒效应↓

UDPGT

2-氨基酚↓代谢解毒（无毒）（有毒）激活二乙基酮代谢酶的激活（enzymeactivation）：化学物直接作用于代谢酶使代谢酶活性增加。如：二乙基酮可明显提高UDPGT代谢2-氨基酚的活性。

酶诱导与酶抑制对毒物毒性的影响（总结）

类别代谢活化的毒物代谢解毒的毒物酶诱导毒性↑毒性↓酶抑制毒性↓毒性↑第三节毒物动力学1.经典毒物动力学2.生理毒物动力学一、经典毒物动力学模型

（一）基本理论：

1.速率类型

速率过程（Rateprocesses）

一级速率过程

指毒物在体内某一瞬间的变化速率与其

瞬时的含量的一次方呈正比。

特点：

1.毒物T1/2恒定；

2.单位时间内消除毒物量与体存量呈正比；

3.半对数时-量曲线呈一条直线。

零级速率过程

指毒物在体内某一瞬间的变化速率与其

瞬时的含量的零次方呈正比。

特点：

1.单位时间内消除的毒物量恒定；

2.与体存量无关

3.半对数时-量曲线呈一条曲线。

2.房室模型（Compartmentmodel）

概念

一室开放模型

二室开放模型一

次

给

予

受

试

物

（二）

不

同

房

室

模

型

时

量

曲

线一级速度过程。

公式：

dc/dt=-KeC1

积分后，受试物的浓度得：

Ct=Co.e—Ke.