化學(xué)毒物的生物轉(zhuǎn)化

生物轉(zhuǎn)化（biotransformation）:

是指外源化學(xué)物在機(jī)體內(nèi)經(jīng)酶催化發(fā)生化學(xué)變化，并轉(zhuǎn)化成一些代謝物的過程。第一節(jié)生物轉(zhuǎn)化概述

一、生物轉(zhuǎn)化的過程

兩個(gè)階段：

Ⅰ相反應(yīng)

Ⅱ相反應(yīng)I相反應(yīng)：氧化、還原和水解。極性反應(yīng)基團(tuán)引入母體分子，例如－OH、－NH2、－SH或－COOH，通常僅導(dǎo)致水溶性少量的增加

II相反應(yīng)：在Ⅰ相反應(yīng)產(chǎn)物的基礎(chǔ)上加入一個(gè)較大的取代基。葡萄糖醛酸化、硫酸化、乙?；?、甲基化，與谷胱甘肽結(jié)合以及氨基酸結(jié)合，水溶性極大地增加二、生物轉(zhuǎn)化的意義

（一）肝臟外源化學(xué)物未經(jīng)肝臟的生物轉(zhuǎn)化作用而直接分布至全身，對機(jī)體的損害作用相對較強(qiáng)。

生物解毒：化學(xué)物（毒性）→中間產(chǎn)物（低毒性或無毒性）→產(chǎn)物（無毒性）；生物活化：化學(xué)物（無毒性）→中間產(chǎn)物（毒性）→產(chǎn)物（無毒性）。（二）代謝活化/生物活化一些原本無毒或低毒的外源化學(xué)物經(jīng)過生物轉(zhuǎn)化后，變成有毒或毒性更大的代謝產(chǎn)物，甚至產(chǎn)生致癌、致突變和致畸效應(yīng)，又稱為代謝活化或生物活化。三、生物轉(zhuǎn)化酶的分布及特性組織：

肝臟皮膚、肺臟、鼻粘膜、眼睛及胃腸道腎臟、脾臟、心臟、大腦細(xì)胞器：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（微粒體）或脂質(zhì)可溶的部分（胞液）毒物代謝酶的基本特性：結(jié)構(gòu)酶和誘導(dǎo)酶某些生物轉(zhuǎn)化酶具有多態(tài)性，其結(jié)構(gòu)（即氨基酸序列）和活性不同。有些手性外源化學(xué)物的生物轉(zhuǎn)化具有立體選擇性。

第二節(jié)I相反應(yīng)氧化（oxidation）反應(yīng)還原（reduction）反應(yīng)水解（hydrolysis）反應(yīng)。一、氧化作用1．細(xì)胞色素P－450酶系：微粒體細(xì)胞色素P－450酶系又稱為微粒體混合功能氧化酶（MFO)或單加氧酶。血紅素蛋白類（細(xì)胞色素P–450、細(xì)胞色素b5)

黃素蛋白類(NADPH－細(xì)胞色素P－450還原酶、NADH－細(xì)胞色素b5還原酶）磷脂類。P-450酶氨基酸序列相似性>40%是屬于同一家族，如＞59%則屬于同一亞族。P-450的命名:詞根；阿拉伯?dāng)?shù)字；大寫英文字母；字母后的阿拉伯?dāng)?shù)字。人肝臟

CYP1A2、2A6，2B6，2C8，2C9，2C18，2C19，2D6，2E1，3A4，3A5，3A7，4A9，4A11

圖2人CYP1A1的基因結(jié)構(gòu)注：黑塊為外顯子，外顯子之間是內(nèi)含子。調(diào)節(jié)產(chǎn)物結(jié)合部位包括BTE(基本轉(zhuǎn)錄單元)和XREW(外源化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)單元)，ATG和TAG是編碼區(qū)開始和終止標(biāo)志，GT和AG是內(nèi)含子的邊界，而AANTAA是polyA尾的信號。MspI為多態(tài)部位。底物（RH）＋O2＋NADPH＋H2→產(chǎn)物（ROH）＋H2O＋NADP+①氧化型細(xì)胞色素P－450(Fe3+）首先與RH結(jié)合形成一種復(fù)合物；②再在NADPH－細(xì)胞色素P-450還原酶的作用下，由NADPH提供一個(gè)電子使其轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原型細(xì)胞色素P－450（Fe2+）復(fù)合物；③此復(fù)合物和一個(gè)分子氧結(jié)合形成含氧復(fù)合物；P－450的催化機(jī)制共有七步④Fe2+O2復(fù)合物再加上一個(gè)質(zhì)子(H+）和由NADPH－細(xì)胞色素P－450還原酶或由細(xì)胞色素b5提供的第二個(gè)電子，轉(zhuǎn)變成Fe2+OOH復(fù)合物；⑤第二個(gè)質(zhì)子的加入使Fe2+OOH復(fù)合物裂解，形成水和（FeO）3+復(fù)合物；⑥（FeO)3+復(fù)合物將氧原子轉(zhuǎn)移到底物，生成ROH，并提供一個(gè)電子，使其中的O活化為氧離子；⑦釋放ROH產(chǎn)物，此時(shí)P－450（Fe2+）變?yōu)镻－450（Fe3+），可再次參與氧化過程。

催化下面幾種類型的氧化反應(yīng)：（1）脂肪族或芳香族碳的羥基化；（2）雙鍵的環(huán)氧化作用；（3）雜原子（S－、N－、I－）的氧化和N－羥基化；（4）雜原子（O－、S－、N－和Si－）脫烷基作用；（5）氧化基團(tuán)的轉(zhuǎn)運(yùn)；（6）酯的裂解；（7）脫氫作用。（1）脂肪族和芳香族的羥化：又可稱為碳羥化反應(yīng)。脂肪族在體內(nèi)的羥化往往是末端的或倒數(shù)第二個(gè)碳原子被氧化成羥基。例如，有機(jī)磷農(nóng)藥八甲磷末位甲基羥化生成N－羥基八甲磷，后者在體內(nèi)毒性增高，抑制膽堿酯酶的能力較八甲磷強(qiáng)10倍。大多數(shù)芳香族毒物被羥化為酚類。例如苯胺可氧化為對氨基酚、鄰氨基酚或羥基苯胺。

（2）雙鍵的環(huán)氧化：黃曲霉毒素B1（AFB1）和氯乙烯等含雙鍵的芳香族和烯烴類毒物氧化時(shí)，常常形成環(huán)氧化中間產(chǎn)物，環(huán)氧化物不穩(wěn)定可重排而成酚類。如苯環(huán)上有鹵素取代或是多環(huán)芳烴進(jìn)行環(huán)氧化時(shí)，則能形成較穩(wěn)定的環(huán)氧化物。很多環(huán)氧化物是親電子劑，毒性高于母體毒物。

（3）雜原子（S－，N－和I－）氧化和N－羥化：含有硫醚鍵(-C-S-C-）的有機(jī)磷毒物，可在MFO的催化下進(jìn)行S－氧化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成亞砜或砜，這些氧化產(chǎn)物毒性可增高5～10倍。例如內(nèi)吸磷在體內(nèi)通過此反應(yīng)而毒性增強(qiáng)。

（4）雜原子(O－，S－和N－）脫烷基：氮、氧和硫原子上帶有烷基的毒物，可以發(fā)生脫烷基反應(yīng)。這些反應(yīng)過程是先使烷基氧化為羥烷基毒物，后者又分解產(chǎn)生醛或酮。如氨基比林的N－脫烷基過程，可以產(chǎn)生甲醛。

（5）氧化基團(tuán)轉(zhuǎn)移：氧化基團(tuán)轉(zhuǎn)移是經(jīng)P－450催化的氧化脫氨、氧化脫硫、氧化脫鹵素作用。如苯丙胺經(jīng)P－450催化氧化脫氨生成苯丙酮，釋出氨；氧化脫氨作用也可由單胺氧化酶(MAO)催化，但苯丙胺不是MAO的良好的底物。有機(jī)磷農(nóng)藥對硫磷經(jīng)氧化脫硫后形成對氧磷，對氧磷的大鼠經(jīng)口LD50值約為對硫磷的1/3，即毒性大3倍。

（6）酯裂解：P－450催化磷酸酯裂解，如對硫磷氧化生成中間產(chǎn)物，此中間產(chǎn)物也可裂解生成對硝基酚和二乙基硫代磷酸。P－450催化羧酸酯裂解可生成羧酸和醛，而酯酶水解生成羧酸和醇。

（7）脫氫：P－450也催化很多毒物的脫氫反應(yīng)，如尼古丁，對乙酰氨基酚（撲熱息痛）。對乙酰氨基酚可脫氫活化成肝毒物N－乙酰苯醌亞胺。2.微粒體含黃素單加氧酶

肝、腎、肺等組織微粒體含一種或幾種含黃素單加氧酶（FMO)可氧化多種毒物的親核性氮、硫和磷雜原子。此酶以黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）為輔酶，需要NADPH和O2。

3.非微粒體酶催化的氧化反應(yīng)

(1)醇脫氫酶（ADH）：是一種含鋅酶，位于胞漿，分布于肝臟（含量最高）、腎臟、肺臟及胃黏膜。

RCH2OH+NAD+RCHO+NADH+H+

（2）醛脫氫：醛脫氫酶可催化脂肪醛和芳香醛形成酸RCHO+NAD+RCOOH+NADH+H+

（3）胺氧化：胺氧化酶，催化單胺類和二胺類氧化反應(yīng)形成醛類。該酶主要存在于肝、腎、腸、神經(jīng)等組織細(xì)胞的線粒體和胞液中

RCH2NH2+H2ORCHO+NH3+H2O4.過氧化物酶依賴性的共氧化反應(yīng)

過氧化物酶催化的外源化學(xué)物生物轉(zhuǎn)化，包括氫過氧化物的還原和其它底物氧化生成脂質(zhì)氫過氧化物。

二、還原作用

(1)硝基還原：硝基還原酶催化硝基化學(xué)物先形成中間代謝產(chǎn)物亞硝基化學(xué)物，最后還原為相應(yīng)的胺類。反應(yīng)需要NADP（H），可被氧抑制。

(2)偶氮還原：細(xì)胞色素P-450酶系？反應(yīng)需要NADPH，可被氧抑制。胃腸道下段的無氧條件很適合偶氮還原，所以這些反應(yīng)主要由腸道菌群催化的。

（3）醛和酮的還原：醇脫氫酶的逆反應(yīng)、醛還原酶家族。需要NADPH。

（4）醌還原：NADPH-醌氧化還原酶（DT-黃遞酶）催化雙電子還原形成氫醌，也可經(jīng)NADPH-細(xì)胞色素P-450還原酶催化單電子還原，生成半醌自由基

（5）亞砜的還原：肝、腎細(xì)胞胞漿中硫氧還蛋白依賴性酶類（6）脫鹵反應(yīng)：三、水解作用(1)酯酶和酰胺酶：哺乳動(dòng)物含有，可水解含有羧酸酯、酰胺、硫酯、磷酸酯及酸酐等功能基團(tuán)的外源化學(xué)物。酯類毒物被酯酶催化水解生成醇和酸，酰胺被酰胺酶催化水解成酸和胺，硫酯被分解為羧酸和硫醇。三、水解作用(1)酯酶和酰胺酶：哺乳動(dòng)物含有，可水解含有羧酸酯、酰胺、硫酯、磷酸酯及酸酐等功能基團(tuán)的外源化學(xué)物。酯類毒物被酯酶催化水解生成醇和酸，酰胺被酰胺酶催化水解成酸和胺，硫酯被分解為羧酸和硫醇。(2)環(huán)氧水化酶（EH）：催化由環(huán)氧化物與水的反式加成物，其水合產(chǎn)物是具有反式構(gòu)型的鄰位二醇。

第三節(jié)Ⅱ相反應(yīng)

Ⅰ相反應(yīng)的代謝產(chǎn)物和其他含有羥基（-OH）、氨基（-NH2）、羧基（-COOH）、環(huán)氧或鹵素官能團(tuán)的外源化學(xué)物與內(nèi)源代謝物發(fā)生結(jié)合反應(yīng)，稱為Ⅱ相反應(yīng)或結(jié)合反應(yīng)。類型：葡萄糖醛酸結(jié)合反應(yīng)、硫酸結(jié)合反應(yīng)、乙酰化結(jié)合反應(yīng)、氨基酸結(jié)合反應(yīng)、甲基結(jié)合反應(yīng)和谷胱甘肽結(jié)合反應(yīng)。除了甲基化和乙?；Y(jié)合反應(yīng)外，其它Ⅱ相反應(yīng)顯著增加毒物的水溶性，促進(jìn)其排泄。

結(jié)合反應(yīng)常與肝臟等組織中營養(yǎng)物質(zhì)的代謝及供能情況有關(guān)。

Ⅱ相反應(yīng)可引起代謝活化。

一、葡糖醛酸結(jié)合

是Ⅱ相反應(yīng)中最普遍進(jìn)行的一種，由UDP－葡糖醛酸基轉(zhuǎn)移酶（UDPGT)催化，葡萄糖醛酸供體是來自胞液的尿苷二磷酸葡萄糖醛酸（UDPGA）。外源性底物包括羥基、羧基、氨基和巰基毒物。

肝微粒體，腎、腸粘膜和皮膚

二、硫酸結(jié)合

反應(yīng)的供體是3’-磷酸腺苷-5’-磷酰硫酸（PAPS）在磺基轉(zhuǎn)移酶作用下，生成硫酸醌。外源性底物包括醇類、酚類、或胺類化合物

ROH＋PAPS→ROSO3H＋PAP

肝、腎、胃腸三、乙?；饔?/p>

涉及酶催化或非酶催化的從乙酰輔酶A將乙?；D(zhuǎn)移到含伯胺、羥基或巰基的毒物。這些酶分布在很多器官，但肝是N-乙?；饔玫闹饕鞴?。

在哺乳動(dòng)物中，乙酰轉(zhuǎn)移酶主要位于肝臟或腸道。四、氨基酸結(jié)合

有兩類毒物，即羧酸和芳香羥胺。

羧酸必須首先經(jīng)?；o酶A合成酶催化，需要ATP和乙酰輔酶A，活化生成?；o酶A硫酯，再由N-乙酰轉(zhuǎn)移酶催化與氨基酸如甘氨酸、谷氨酸、牛磺酸的氨基反應(yīng)，形成酰胺鍵。羧酸的氨基酸結(jié)合是解毒反應(yīng)。芳香羥胺則由氨酰-tRNA合成酶催化并需要ATP，與氨基酸的羧基反應(yīng)，生成N－酯，后者可形成親電子的氮賓離子和碳賓離子，因此是活化反應(yīng)。

五、甲基化作用

由S-腺嘌呤蛋氨酸（SAM）供給甲基。

內(nèi)源性底物的甲基化如組胺、氨基酸、蛋白、糖和多胺對細(xì)胞的正常調(diào)節(jié)有重要的意義。Hg2+CH3Hg+(CH3)2Hg

六、谷胱甘肽結(jié)合

谷胱甘肽S－轉(zhuǎn)移酶（GST)催化還原性GSH(親核劑）與含有親電子C、N、S、O的毒物反應(yīng)，生成結(jié)合物。

谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶主要存在于肝、腎細(xì)胞的胞液中，在微粒體內(nèi)含量較低。

第四節(jié)終毒物和生物活化

一、終毒物外源化學(xué)物直接與內(nèi)源性靶分子反應(yīng)并造成機(jī)體損害時(shí)的化學(xué)形態(tài)。

外源化學(xué)物本身/生物活化/代謝過程激發(fā)了內(nèi)源性毒物的產(chǎn)生經(jīng)過代謝活化生成的終毒物可分為四類：①生成親電子劑：常見的有苯并（a)芘和2-乙酰氨基芴的代謝活化；②生成自由基：如百草枯、硝化呋喃妥英經(jīng)催化還原，四氯化碳還原脫鹵，醌經(jīng)單電子還原，生成自由基等；③生成親核劑：少見，如苦杏仁苷經(jīng)腸道菌群酶催化生成氰化物，二鹵甲烷經(jīng)氧化脫鹵生成一氧化碳；④生成氧化還原劑：比較少見，如硝酸鹽經(jīng)腸道菌群酶催