公共衛生與熱帶醫學學院

毒理學系謝曉利1外源化學物在體內的

生物轉運與生物轉化2第二節外源化學物在體內的生物轉化一、生物轉化的意義生物轉化，又稱為代謝轉化，指外源化學物經歷酶促反應或非酶促反應而形成代謝產物的過程。可以影響外源化學物毒效應的強度和性質，是維持機體穩態的主要機制。（一）代謝解毒與代謝活化

多數外源性化學物代謝后毒性降低或消失—代謝解毒（metabolicdetoxication），傳統上對生物轉化的理解即為代謝解毒。而一些毒物，如氯乙烯和B(a)P，其原型并不具有毒性，正是代謝過程使其成為具有遺傳毒性和致癌性的活性，這種現象稱為代謝活化（metabolicactivation）。活性中間產物：多數代謝活化的產物不穩定，僅在短時間內存在。親電子劑，自由基，親核劑和氧化還原反應物。4例如：苯并芘的生物活化5（二）外源性化學物溶解度的變化Ⅰ相反應，包括氧化、還原和水解反應，催化底物暴露一些基團，如-OH、–COOH、–NH2,增加外源性化學物的水溶性；Ⅱ相反應，包括葡萄糖醛酸化、硫酸化、乙酰化、甲基化、與谷胱甘肽結合與氨基酸結合。除甲基化和乙酰化反應以外，總是增加外源性化學物的水溶性。二、生物轉化酶6（一）基本特性結構（及功能）在不同個體間的差別：多態性對底物不同程度的特異性，表現出立體選擇性（二）分布：肝臟及肝外組織在肝臟等大多數組織，生物轉化酶主要位于內質網（微粒體），如CYP450s、葡萄糖醛酸基轉移酶，和細胞質中，如硫酸轉移酶；高脂溶性的代謝酶多位于生物膜；高水溶性的代謝酶多位于胞質。7生物轉化的主要器官和細胞轉化能力器官細胞強肝臟實質細胞(肝細胞)肺臟Clara細胞、Ⅱ型上皮細胞中等腎臟近曲小管細胞小腸粘膜內層細胞皮膚上皮細胞弱睪丸輸精管與支持細胞8三、生物轉化反應類型（一）Ⅰ相反應：氧化、還原和水解91.氧化反應(oxidation)：以在微粒體（microsomes)內為主。細胞色素P450酶系；黃素加單氧酶；微粒體外的氧化反應酶。由于該酶中含有的血紅素鐵在還原態時與CO結合形成的復合體在光譜450nm處有最大的吸收峰而命名。又被稱為混合功能氧化酶(mixedfunctionoxidase，MFO)，或加單氧酶(monooxygenase)。（1）細胞色素P450酶系11分布：CYP酶系廣泛分布于各種組織，但以肝細胞內質網（微粒體）含量最多，且滑面內質網多于粗面內質網。構成：血紅素蛋白類(細胞色素P450和細胞色素b5)、黃素蛋白類(NADPH-細胞色素P450還原酶)和磷脂。12分類：根據其氨基酸序列的相似度進行相同氨基酸序列低于40%的屬于不同家族；相同氨基酸序列40%-55%的屬同一基因家族的不同亞族；相同氨基酸序列高于55%的屬同一亞族成員。命名：斜體CYP代表除小鼠和果蠅之外所有物種的細胞色素P450基因；其后的阿拉伯數字代表基因族；再后的大寫英文字母代表亞族；字母后的阿拉伯數字代表基因亞族中的一個基團。如CYP1A1為細胞色素P450第一基因族A亞族第一基因。細胞色素P450酶系催化的基本反應是單加氧反應。催化的總反應式：RH＋O2＋NADPH＋H＋——ROH＋H2O＋NADP＋1415細胞色素P-450催化的氧化反應：脂肪族的碳或芳香族的氫的羥基化；雙鍵的環氧化作用；雜原子(S-、N-、I-)的氧化和N-羥基化；雜原子(O-、S-、N-和Si-)脫烷基作用；氧化基團的轉運；酯的裂解；脫氫作用。1617（2）黃素加單氧酶（flavin-containingmonooxygenase,FMO）分布：主要存在于肝、腎、肺等組織微粒體。

功能：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。由FMO催化的很多反應也可為P-450催化。1819（3）微粒體外的氧化反應醇脫氫酶（ADH),存在于細胞質，肝細胞中含量最高。醛脫氫酶（ALDH）,可轉化乙醛為乙酸（減毒作用)。亞洲人（包括中國人中大約一半的人因點突變而缺乏此酶活性（Glu487Lys487：紅暈綜合癥）。鉬水解酶（包括醛氧化酶和黃嘌呤氧化酶）。20單胺氧化酶（MAO）和二胺氧化酶（DAO）；MAO存在于線粒體（肝、腎、小腸和神經等組織）。催化伯胺、仲胺、叔胺的氧化脫氨反應。MAO的缺失導致Norrie病（失明、失聰、智力遲鈍為特征）。過氧化物酶依賴性的共氧化反應；過氧化物酶催化的反應，包括氫過氧化物的還原和其他底物氧化生成脂質氫過氧化物，這一過程稱為共氧化（co-oxidation）。包括PHS合成酶、乳過氧化物酶和髓過氧化物酶等。催化致癌物黃曲霉毒素B1和BaP的環氧化反應。2）羰基還原作用（醛或酮醇）；21

2.還原反應（reduction）1）硝基和偶氮還原（腸道菌群）；3）醌還原（醌氫醌或半醌）；4）脫鹵反應（還原脫鹵、氧化脫鹵和脫鹵化氫）。細胞色素P450GST2223

CCl4CYPs+e-·CCl3+Cl-攻擊生物膜啟動脂質過氧化損傷脫鹵反應：24酯酶和酰胺酶：水解具有羧酸酯、酰胺、硫酯、磷酸酯和酸酐等功能基團的化學毒物；肽酶（peptidase)：水解各種多肽；環氧化物水化酶(epoxidehydrolase)

產物是具有反式構型的鄰位二醇，一般為減毒作用。3.水解反應（hydrolysis）25（二）Ⅱ相反應又稱結合作用，是外源化學物原有的或經一相反應后引入或者暴露出來的基團與內源性輔因子之間發生的生物合成反應；需要酶的參與，并且需要消耗能量；主要在肝臟進行，其次為腎臟。也可以在肺，腸、脾、腦等組織器官發生；主要的反應有：葡萄糖醛酸結合，硫酸結合，谷胱甘肽結合，甲基化反應，乙酰化反應和氨基酸結合。葡萄糖醛酸結合(glucuronidation)體內最主要的結合反應類型。在-OH、-COOH、-NH2、-SH等功能團上以糖酐鍵連接葡萄糖醛酸基。尿苷二磷酸葡萄糖醛酸是葡萄糖醛酸的供體。使代謝物極性增加，水溶性增加，易于從尿中排出。27傳統上認為硫基轉移促進Ⅰ相代謝產物的排泄，現在發現有時結合了硫酸基后因其帶電荷而不能擴散出細胞—貯留細胞。只有在細胞對結合產物存在主動轉運方式時才促進排泄，例如葡萄糖醛酸基膽紅素。近十年發現硫酸基轉移酶有時使外源性化學物毒性增強—活化為具有細胞毒性和致突變性的代謝物。如人SULT2A1活化1-pyrenemethanol(1-芘甲醇)為致突變物。人SULT1A1活化2-nitropropane（2-硝基丙烷）為致突變物。2.硫酸結合（sulfation)

硫轉移酶（SULT）催化，PAPS（3‘-磷酸腺苷-5’-磷酰硫酸）是攜帶硫酸基的輔酶。28

3.谷胱甘肽結合由谷胱甘肽S-轉移酶催化；存在于肝細胞和其他許多類細胞的胞液；底物特點：具有一定疏水性，含有親電原子，可與GSH發生非酶促反應；一般認為是親電子劑解毒的一種機制，它還能清除活性氧類（activeoxygenspecies)，有抗脂質過氧化作用。294.甲基化反應主要作為內源性物質的代謝方式；甲基供體為S-腺苷甲硫氨酸；甲基轉移酶催化；底物含O,N,S等雜原子；存于微粒體和胞液；底物包括苯酚，兒茶酚，脂肪胺和芳香胺等；產物水溶性減弱，不易排出，但毒性減低。305.乙酰化作用是含芳香胺和肼結構的外源性化學物的主要代謝途徑。反應產物是芳香酰胺和酰肼。催化酶是N-乙酰基轉移酶，主要在肝細胞胞液。乙酰輔酶A是乙酰基供體。產物水溶性減低，作用利弊取決于解毒與活化的相對速度，但多為滅活過程。316.氨基酸結合（aminoacidconjugation）

該途徑是羧酸和芳香羥胺的主要代謝途徑；甘氨酸、谷氨酸、牛磺酸結合，形成酰胺反應需要能量，和乙酰輔酶A的參與32四、影響外源化學物生物轉化的因素遺傳因素:涉及到動物的物種、性別、年齡、生理和營養狀態等。表現為毒物代謝酶的種類、分布、數量和活性的差別。其中代謝酶的遺傳多態性是不同個體對毒物的敏感性存在差異的重要原因。環境因素：通過干擾代謝酶的合成與催化過程影響毒物的生物轉化。最主要的表現形式：代謝酶的誘導和抑制。（一）毒物代謝酶的遺傳多態性(Geneticpolymorphism)33指在群體中出現了頻率大于1%的多種等位基因形式。毒物代謝酶的多態性在很大程度上決定了個體對于毒物所致毒效應的易感性。

人的CYP1A1的多態性是芳烴羥化酶，在肺組織表達最高，可催化多種芳香烴為致癌物。存在Msp1多態和第7外顯子多態。34基因型A：Msp1位點缺失，為優勢純合子。基因型C：T被C取代，其攜帶者肺癌發病高7倍（日本報道）。基因型B：基因型A和C的雜合子。Msp1,位于CYP1A13’端非編碼區域，為限制性內切酶的作用位點。35第7外顯子多態：第7外顯子血紅素結合區的突變：AG，Ile（異亮氨酸）轉變為Val（纈氨酸）。基因型：Ile/Ile、Ile/Val、Val/Val。Val/Val型患肺癌的危險度為其他基因型的2.4-2.9倍（我國報道）。CYP1A1的遺傳多態性還與膀胱癌、乳腺癌及結腸癌的易感性有關。谷胱甘肽S-轉移酶的基因多態性具體形態包括：基因缺損、堿基置換和基因多重拷貝等。GSTT1缺失：星形細胞瘤、腦膜瘤和脊髓發育不良；GSTM1缺失：對吸煙所致的肺癌、膀胱癌和頭頸部腫瘤的易感性增加；GSTP1-1過表達：對卵巢癌、非小細胞肺癌、乳腺癌以及結直腸的抗藥性相關。3637（二）毒物代謝酶的誘導和阻遏誘導（induction），外源性化學物引起某些代謝酶的合成增加并伴有活力增強的現象。酶的誘導發生在肝臟最明顯，也可以發生于腎臟、腸、肺等其他組織。誘導劑（inducer），具有誘導效應的化學毒物：

單功能誘導劑：誘導還原、水解和結合反應的酶；

雙功能誘導劑：誘導結合反應相關酶和多種CYP超家族成員。

誘導劑的作用機制：1、作為配體與位于細胞質的外源化學物感受器結合，使其構象發生改變，轉化為活化形式；2、結合物與配體蛋白形成異源二聚體并進入細胞核；3、該二聚體與位于5‘端的啟動子反應元件結合，并募集其他轉錄因子和RNA聚合酶形成轉錄復合物；4.啟動代謝酶的基因轉錄。39如巴比妥類：苯巴比妥可誘導CYP2B1/2、2C、3A1/2、NADH-細胞色素P450還原酶等；多環芳烴類:3-MC誘導CYP1A1/2、EH和GST；

醇/酮類：乙醇、異煙肼：誘導CYP2E1；

過氧化物酶體誘導劑。毒物代謝酶的阻遏（enzymerepression):指對某些代謝酶誘導的同時可阻遏另一些代謝酶的合成。40（三）毒物代謝酶的抑制與激活競爭性抑制：毒物代謝酶的底物特異性較弱，活性有限