外源化学物在体内的生物转运与转化 4课时课件

食品毒理与卫生第二章外源化学物在体内的生物转运外源化学物与机体的相互作用：吸收（absorption)分布（distribution)代谢（metabolism)排泄（excretion)生物转运生物转化第一节生物转运外源化学物的生物转运实质上是穿过一系列生物膜构成的屏障的过程。生物膜包括细胞膜和细胞器膜。生物膜的结构与功能：外源化学物穿越生物膜方式表转运对象转运条件转运特点被动转运简单扩散脂溶性化学毒物①高浓度到低浓度；②具有脂溶性。①大多数化学毒物的转运方式；②不需载体，不耗能量滤过小于白蛋白（相对分子量60000）的分子

生物膜上存在较大孔径（约4nm）穿越特殊部位（毛细血管、肾小球）水溶扩散分子量小于100、不带电荷的水溶性分子，以及一些气体分子高浓度到低浓度穿越普通膜孔（约0.4nm）易化扩散一些水溶性分子，分子量大于100。①高浓度到低浓度；②需要载体不耗能量外源化学物穿越生物膜方式表转运对象转运条件转运特点主动转运药物、酸、碱、中性化合物、阴离子、核苷、金属、小肽等①可以逆浓度梯度转运；②需要载体；①消耗能量；②载体对毒物具有选择性；③转运量有一定极限、存在竞争性抑制膜动转运入胞颗粒物、大分子物质进入细胞胞吐某些大分子物质转出细胞一、经消化道吸收： 主要部位：小肠；吸收方式：简单扩散、水溶扩散、载体中介、入胞或胞饮等；影响因素：①外源化学物的脂溶性、pKa和胃肠道内的pH;②胃肠道中的消化酶或菌群的作用；③胃肠道的内容物量；④胃排空时间和肠蠕动速度。二、经呼吸道吸收：主要部位：肺泡；气态物质：水溶性，血-气分配系数。气溶胶：颗粒的大小和化学物质的溶解性。三、经皮肤吸收:主要部位：表皮。吸收阶段：①扩散通过表皮角质层；②扩散通过表皮较深层（颗粒层、棘层、生发层）和真皮，然后通过真皮内小血管和毛细淋巴管进入体循环。影响因素：脂-水分配系数、分子量大小、皮肤完整性、皮肤湿度等。第三节分布外源化学物随血液和淋巴液分散到全身各组织的过程称为分布。器官或组织的血流灌注速率和对外源化学物的亲和力是影响分布的最关键因素。一、贮存库及其意义外源化学物在某些器官组织蓄积而浓度较高，但未对这些器官组织产生明显的毒作用，称为贮存库。意义：①减少到达靶器官的量，避免急性中毒；②缓释游离型化学毒物，具有潜在危害。贮存库的类型：血浆蛋白；肝和肾；脂肪组织；骨骼组织。二、机体的屏障作用1.血-脑屏障机制：①脑组织中的毛细血管内皮细胞间相互连接很紧密，几无间隙；②毛细管周围被星形胶质细胞突紧密包绕；③脑间质液中蛋白质浓度很低；④脑毛细血管内皮细胞含有ATP-依赖性转运蛋白。第四节排泄排泄是化学毒物及其代谢产物向机体外转运的过程。主要途径：经肾脏随尿排出；经肝、胆通过肠道随粪便排出。其他途径：随分泌液（汗液、乳汁和唾液）或经呼吸道排出。一、经肾脏排泄：

肾脏是外源化学物及其代谢产物排泄的主要器官。肾单位是肾脏产生尿液的基本功能单位。经肾脏排泄包括肾小球的滤过、肾小管和集合管的重吸收和主动分泌三个步骤。1.肾小球滤过：滤过对象：血浆中的部分水和较小分子量的物质，将形成原尿。分子量过大或与蛋白质结合的外源化学物须经过进一步代谢或经其他途径清除。2.肾小管和集合管的重吸收原尿流经肾小管和集合管时，其中绝大部分水和某些有用物质将被重吸收到血液中。主要部位：近曲小管。（因此，近曲小管也成为许多重吸收毒物的毒性作用部位）。主要方式：被动转运。（一般脂溶性化合物比水溶性化合物重吸收多，而随尿液排泄的少）。影响因素：尿液的酸碱度。（尿液pH较低时，有利于碱性化合物的排出；反之，酸性化合物易于排出）。3.肾小管和集合管的主动分泌肾小管和集合管还可通过主动转运方式将管壁细胞中的代谢物和血液中的某些物质排入肾小管管腔中。二、经肝随胆汁排泄经胃肠吸收的外源化学物先通过门静脉流经肝脏再进入全身血液循环。外源化学物在肝脏经转化形成的一小部分代谢产物可被肝细胞直接排入胆汁，再进入小肠随粪便排出体外。随胆汁进入小肠的化学物：一部分随粪便排出；另一部分进入“肠肝循环”。肠肝循环的意义:生理学意义：可使一些机体需要的化合物重新被利用。例如，各种胆汁酸（约95%）的重吸收利用。毒理学意义：毒物的重吸收使其在体内的停留时间延长，排泄减慢，毒性作用增强。从肝细胞排入胆汁的方式：主动转运。研究表明：肝脏至少有三个主动转运系统，分别将有机酸类、胆红素、有机碱类及中性有机化合物由肝细胞排入胆汁。此外，可能还有一个主动转运系统负责金属的排泄。肠肝循环图SSSSSS门静脉肝脏小肠大肠SS全身各组织器官三、其他排泄途径：化学毒物经乳汁排泄具有特殊意义，因为有些化学毒物可经母乳转运给婴儿，也可经牛乳转运至人。第三章化学毒物的生物转化第一节生物转化概述一、生物转化的组成与结果外源化学物初级产物次级产物Ⅱ相反应Ⅰ相反应Ⅰ相反应氧化还原水解

暴露或增加极性功能基团；水溶性少量增加。Ⅱ相反应葡萄糖醛酸化硫酸化乙酰化甲基化谷胱甘肽结合氨基酸结合水溶性显著增强。生物转化的结果之二：毒效学性质的改变大多数毒性降低或消失；少数毒性会增强亲电子剂自由基亲核剂氧化还原剂二、毒物代谢酶的基本特性

一般都具有较为广泛的底物谱。除个别基因在体内是以“构成型”持续地少量表达外；多数是受到诱导后才表达，即遵循“需要才生产”的经济原则。有些酶具有多态性。即这些酶在不同种属、个体和器官，其结构与活性有所不同。酶的命名具有特殊性。三、毒物代谢酶的分布转化能力器官细胞细胞器强肝脏肺脏肝细胞Clara细胞、Ⅱ型上皮细胞内质网（微粒体）、线粒体、胞浆等中等肾脏小肠皮肤近曲小管细胞黏膜内层细胞上皮细胞弱睾丸等输精管与支持细胞第二节Ⅰ相反应一、氧化作用1.细胞色素P-450酶系又称微粒体混合功能氧化酶（microsomalmixedfunctionoxidase,MFO)或单加氧酶。血红素蛋白类（细胞色素P-450和细胞色素b5);黄素蛋白类（NADPH-细胞色素P-450还原酶和NADH-细胞色素b5还原酶）；磷脂类。CytochromeP-450的命名：以斜体词根CYP代表小鼠之外的所有物种的细胞色素P-450的基因和cDNA（小鼠用Cyp）。CYP1A1基因亚族基因族基因亚族中的基因P-450P-450酶系的催化机制：Fe3+Fe3+(RH)Fe2+(RH)Fe2+~O2(RH)Fe2+~O2－(RH)Fe3+~O(RH)RH+O2

+NADPH+H+ROH+H2O+NADP+RHe-O2e-2H+H2OFe3+

(ROH)ROH（1）碳羟化反应：脂肪族的羟化：脂肪族化合物侧链（R）末端倒数第一个或第二个碳原子上发生氧化，形成醇类物质。

RCH3RCH2OH

例如，有机磷杀虫剂八甲磷（OMPA）经此反应生成羟甲基八甲磷，毒性增强。芳香族的羟化：大多数芳香族化学毒物均可被羟化形成相应的酚类物质。

C6H5RRC6H4OH（2）双键的环氧化芳香族和烯烃类化学毒物氧化时，常形成环氧化中间产物，此类环氧化物大多不稳定，将进行分子重排。

R-CH=CH-R′R-CH-CH-R′当苯环上有卤素取代，或多环芳烃进行环氧化时，则能形成较稳定的环氧化物。O（2）双键的环氧化

很多环氧化物的毒性会增强，如氯乙烯的环氧化产物——环氧化氯乙烯为肝脏的致癌物。

CH2=CHClCH2―CHClO（3）S-氧化和N-羟化S-氧化：含硫醚键（-C-S-C-）的有机磷毒物可在P-450酶系的催化下氧化形成亚砜或砜的反应，毒性可增强5～10倍。

R-S-R′R-S-R′R-SO2-R′如杀虫剂内吸磷在体内通过此反应使毒性增强。O亚砜砜（3）S-氧化和N-羟化N-羟化：对芳香胺类毒物，可在其氨基上进行N-羟化生成羟氨基毒物，毒性亦往往增强。

C6H5-NH2C6H5-NH-OH（4）杂原子（S-，O-和N-）的脱烷基反应N、O和S原子上带有烷基的毒物可发生此类反应。反应过程：先使与杂原子相连的烷基氧化为羟烷基，而后将其脱去，脱去部分生成醛或酮，毒物自身往往将产生极性基团。

RNH-CHRNH-CRNH2

+R′-C-R″

R′R″R′R″OH‖O（4）杂原子（S-，O-和N-）的脱烷基反应R-O-CH3R-O-CH2OHR-OH+HCHOR-S-CH3R-S-CH2OHR-SH+HCHO（5）氧化-基团转移包括氧化脱硫、氧化脱卤素和氧化脱氨三类反应。氧化脱硫：一些有机磷化合物可发生此类反应，使P=S基团变为P=O基团。C2H5OC2H5OPSO--NO2C2H5OC2H5OPOO--NO2有机磷农药对硫磷转化为对氧磷，毒性增强。（5）氧化-基团转移氧化脱卤：卤代烃可先形成不稳定的中间代谢产物——卤代醇类化合物，再脱去卤素，自身氧化为醛或酮。

R-CH2XR-CH-XRCHO+HX

例如，农药杀虫剂DDT可经氧化脱卤反应形成DDE和DDA。

OH（5）氧化-基团转移氧化脱氨:

伯胺类化学物在邻近氮原子的碳原子上先进行碳羟化反应，然后脱去氨基，自身将氧化形成醛类化合物。

R-CH2-NH2RCHO＋NH3（6）酯裂解磷酸酯类毒物如有机磷农药对硫磷经酯裂解后，终产物为对硝基酚和二乙基硫代磷酸。

C2H5OC2H5OPSO--NO2C2H5OC2H5OPSOH+HO--NO2（6）酯裂解羧酸酯类毒物经酯裂解后生成羧酸类和醛类化合物，并需要NADPH和氧的参与；而经酯酶裂解的产物为：羧酸类和醇类化合物。（7）脱氢反应

例如，对乙酰氨基酚（acetaminophen，扑热息痛）可脱氢活化生成肝毒物N-乙酰苯醌亚胺。2.微粒体黄素单加氧酶

（flavin-containingmonooxygenase，FMO）

（1）FMO主要催化含N、P和S等杂原子的毒物的氧化反应，以FAD为辅酶，并需要NADPH和氧的参与。（2）FMO与细胞色素P-450酶系的异同：

同：①均主要存在于微粒体中；②均为单加氧酶。

异：底物和催化机制上有所不同；①FMO不能在碳位上催化氧化反应；②FMO先与分子氧结合，再氧化底物；而P-450酶系的顺序则正好相反。但二者所催化的底物存在一定的交叉性。3.一些非微粒体酶催化的氧化反应酶类：醇脱氢酶、醛脱氢酶和胺氧化酶。部位：线粒体、胞液和血浆中。底物：含醇、醛、酮和胺等的功能基团的化学毒物。RCH2NH2RCHO+NH3单胺氧化酶4.共氧化作用概念：在体内一些正常物质的氧化过程中偶联有外源化学物的氧化代谢，称为共氧化作用。例如，花生四烯酸在前列腺素H合成酶（PHS）催化下氧化形成前列腺素的过程中，某些化学毒物可以同时被氧化。花生四烯酸PGG2PGH2

RRO共氧化反应PHS的环氧化酶活性PHS的过氧化酶活性4.共氧化作用结果：某些外源化学物通过共氧化反应可形成亲电子剂，进一步与DNA等大分子结合，而引起细胞突变或癌变。PHS的特点：也属于微粒体酶。在P-450氧化酶系和黄素单加氧酶含量较少的组织（如肾髓质、膀胱上皮、精囊组织）中，PHS含量较高。二、还原作用场所：①肠道下段的无氧环境利于还原反应的进行；②某些还原性化学物或代谢产物在一定的组织细胞内积聚形成局部还原性环境，也可发生还原反应。酶类：一部分存在于肝、肾和肺的微粒体和胞液中，其次为肠道菌群中某些还原菌的还原酶类，后者可能更为重要。二、还原作用

类型：①含氮基团的还原反应；②羰基的还原反应；③含硫基团的还原反应；④脱卤反应。1.含氮基团的还原反应主要包括硝基、偶氮和N-氧化物的还原反应。硝基还原：硝基类化学毒物可在硝基还原酶催化下，生成相应的胺类化学物，以NADPH或NADH作为供氢体，并在无氧条件下完成。

反应特点：①产生极性功能基团，如-NH2；②需要无氧条件。-NO2-NH22.羰基的还原反应主要包括醛类、酮类和醌类化学物的还原。醌还原：醌是一类特殊的环状不饱和共轭二酮。例如，α-萘醌：；β-萘醌：醌类化合物可由羰基还原酶催化生成酚类，如：OOOOOOOHOH2.羰基的还原反应此外，醌还可由NAD（P）H-醌氧化还原酶催化进行双电子还原解毒；而经NADPH-细胞色素P-450还原酶催化单电子还原生成半醌自由基而活化。反应特点：①生成极性功能基团，如酚羟基；②反应产物的毒性可能减弱，也可能会增强。3.含硫基团的还原反应此类还原反应在体内相对较少。例如，杀虫剂三硫磷可由硫氧还蛋白依赖性酶类催化，氧化生成三硫磷亚砜；后者在一定条件下又可被还原为三硫磷。4.脱卤反应包括还原脱卤、氧化脱卤和脱氢脱卤三种类型。其中还原脱卤和氧化脱卤由细胞色素P-450催化，而脱氢脱卤由细胞色素P-450以及谷胱甘肽S-转移酶催化。脱卤反应在一些卤代烷烃类毒物的生物转化中起重要作用。如肝脏毒物CCl4经肝微粒体NADPH-细胞色素P-450还原酶催化，单电子还原生成三氯甲烷自由基，可引起肝脂肪变性及坏死。三、水解反应酶类：酯酶、酰胺酶、肽酶和环氧化物水化酶。环氧化物的水化反应：

环氧化物的水解反应是由环氧化物水化酶主要催化环氧化物“碳-氧三圆环”环氧桥结构的开环反应。R-CH—CH2+H2OR-CH—CH2OOHOHR-CH—CH2+H2OR-CH—CH2OOHOHR-CH—CH2+H2OR-CH—CH2OOHOHR-CH—CH2+H2OR-CH—CH2OOHOH环氧化物的水化反应：反应特点：①生成了极性功能基团；②水化反应绝大多数情况下为解毒反应；③环氧化物水化酶的组织分布与细胞色素P-450酶系基本重合，这就在组织学上保证了由细胞色素P-450催化生成的环氧化物能及时被水解，形成毒物代谢的“流水线”。第三节Ⅱ相反应Ⅱ相反应：又称结合作用，是毒物原有的功能基团或由Ⅰ相反应引入的功能基团与内源性辅因子相结合的反应。1.与葡萄糖醛酸结合反应过程：在尿苷二磷酸葡萄糖醛酸基转移酶（UDPGT）催化下，化学毒物的-OH、-NH2、-COOH或-SH与由UDPGA提供的葡萄糖醛酸结合形成高度水溶性的β-葡萄糖醛酸苷，从而经尿液或胆汁排出。1.与葡萄糖醛酸结合反应特点：①反应产物具有高度的水溶性；②最重要的一类Ⅱ相反应。OH+UDPGAUDPGTOCOOHHOHHOHHOHHO+UDP苯基-β-葡萄糖醛酸苷2.硫酸结合反应过程：在磺基转移酶催化下，化学毒物经Ⅰ相反应产生的-OH、-NH2等与硫酸盐的活化形式—3′磷酸腺苷-5′-磷酰硫酸（PAPS）结合形成硫酸酯或硫酸盐。

ROH＋PAPSROSO3H

＋PAP磺基转移酶2.硫酸结合反应特点：①反应产物的毒性一般将减弱或终止；②硫酸结合和葡萄糖醛酸结合反应的底物功能基团相似，区别在于：对于酚类物质，前者的亲和力高而代谢容量低；葡萄糖醛酸结合则相反。3.与谷胱甘肽结合反应过程：在谷胱甘肽S-转移酶（GST）催化下，环氧化物、卤代芳香烃、不饱和脂肪烃类及有毒金属等均能与谷胱甘肽（GSH）结合而解毒。BrBrO+GSHGSTBrOHHHSG环氧溴化苯溴化苯谷胱甘肽结合物P-450谷胱甘肽（GSH）的结构Glu-Cys-Gly3.与谷胱甘肽结合反应特点：①反应产物水溶性增强，毒性降低；②是亲电子剂解毒的一般机制，对自由基和致癌物等的解毒也起重要作用。4.与氨基酸结合羧酸和芳香羟胺类毒物可进行此类反应。羧酸反应过程：ⅰ步，

羧酸首先在酰基辅酶A合成酶催化下，与ATP和乙酰辅酶A反应，形成酰基辅酶A硫脂；ⅱ步，再由N-乙酰转移酶催化，与特定氨基酸的氨基反应生成酰胺键。相应的氨基酸：甘氨酸、谷氨酸和牛磺酸等。羧酸与氨基酸的结合：COOHC-S-CoAC-NH-CH2-COOH酰基辅酶A合成酶CH3C~S-CoA、ATPN-乙酰转移酶H2N-CH2-COOHCoA-SHOOO苯甲酸与甘氨酸结合生成马尿酸随尿排出而解毒。芳香羟胺与氨基酸的结合

芳香羟胺类毒物由氨酰-tRNA合成酶催化，并需要ATP的参与，与氨基酸的羧基反应生成“N-酯”，后者又可生成亲电子的氮宾离子和碳宾离子。反应特点：羧酸的氨基酸结合反应为解毒反应；而芳香羟胺类物质则为代谢活化反应。芳香羟胺与氨基酸的结合C6H5-NH2C6H5-NH-OHP-450酶系C6H5-NH-OH+HOOC-CH-NH2

ATP氨酰-tRNA合成酶C6H5-NHOOCCH-NH2

亲电子剂RR缺电子的活性中间体：R–C–N：

O••C6H5–C:

H

氮烯也叫氮宾或乃春（Nitrenes）

碳烯也叫碳宾或卡宾（Carbene）5.乙酰化作用反应过程：在N-乙酰转移酶的催化下，芳香胺和酰肼类化学物质可与乙酰辅酶A反应生成乙酰衍生物。O=C-NH-NH2NN-乙酰转移酶CH3C~S-CoAOO=C-NH–C-CH3NO反应特点：产物水溶性会降低；但为减毒反应。异烟酰肼

6.甲基化作用反应过程：在甲基转移酶催化下，酚类、硫醇类、胺类及含氮杂环化合物可与S-腺苷蛋氨酸（SAM）提供的甲基结合，发生甲基化反应。反应特点：①一般为减毒反应，是体内生物胺失活的重要方式；②大多数甲基化反应产物的水溶性将降低。Ⅰ相反应氧化还原水解Ⅱ相反应葡萄糖醛酸化硫酸化乙酰化甲基化谷胱甘肽结合氨基酸结合生物转化细胞色素P-450氧化酶系黄素单加氧酶非微粒体氧化酶共氧化作用含氮基团的还原反应羰基的还原反应含硫基团的还原反应脱卤反应最普遍一种高亲和力，低代谢容量水溶性降低，但能解毒水溶性降低，但常能解毒亲电子剂、自由基、致癌物解毒途径羧酸解毒；芳香羟胺活化酯酶、酰胺酶、肽酶、环氧水化酶

小结第四节毒物代谢酶的诱导和抑制一、概念凡能使一种酶活性增强或含量增加的现象，称为诱导作用；凡具有诱导作用的毒物称为诱导剂。凡能使酶活性减弱或