外源化學物的生物轉化第一節生物轉化概述第二節Ⅰ相反應第三節Ⅱ相反應第四節影響生物轉化的因素生物轉化是指外源化學物在機體內經一系列化學變化并形成其衍生物以及分解產物的過程。或稱代謝轉化。所形成的衍生物即代謝物。生物轉化是機體對外源化學物處置的重要的環節，是機體維持穩態的主要機制。第一節生物轉化概述

外源化學物生物轉化酶所催化的反應一般分為兩大類，稱為第一階段反應（I相反應）和第二階段反應（Ⅱ相反應）。第一階段反應包括氧化反應、還原反應和水解反應，這些反應涉及暴露或引入一個功能基團，如-OH、-NH、-SH或-COOH，通常僅導致水溶性的少量增加。第二階段反應包括葡萄糖醛酸化、硫酸化、乙酰化、甲基化，與谷胱甘肽結合以及與氨基酸結合。Ⅰ相反應和Ⅱ相反應生物轉化氧化還原水解結合Ⅰ相反應Ⅱ相反應

外源化學物排出體外引入極性基團，增加分子極性與內源親水物質結合，增加親水性外源化學物生物轉化的結果是改變其毒效學性質；其二，便于機體排出體外。大多數情況是生物轉化終止了藥物的藥效作用或降低了外源化學物的毒性，但對有的毒物卻可使毒性增強，甚至產生致癌、致突變和致畸效應，又稱為代謝活化（metabolicactivation）或生物活化。一、生物轉化的毒理學意義對硫磷對氧磷毒性更強磺胺類藥物水溶性下降經代謝活化生成的活性代謝產物分類：①生成親電子劑；有機磷化合物，碘代乙酸和環氧化物等

②生成自由基；CH3·，Cl·，H·

③生成親核劑；HO—、RO—、Cl—、Br—、CN—、R3N—、H2O、ROH

④生成氧化還原劑。毒物代謝酶對底物的專一性相對較差，一類或一種酶可代謝幾種外源化學物，而且還可代謝內源性化學物等。外源化學物可刺激（誘導）很多生物轉化酶類合成。某些生物轉化酶具有多態性，其結構（即氨基酸序列）和活性不同。

有些手性外源化學物的生物轉化具有立體選擇性。

二、毒物代謝酶的基本特性在脊椎動物，肝臟是含外源化學物生物轉化酶最豐富組織，次之為皮膚、肺臟、鼻粘膜、眼及胃腸道。此外，其他組織如腎臟、腎上腺、胰、脾、心、大腦、睪丸、卵巢、胎盤、血漿、血細胞、血小板、淋巴細胞及大動脈等均有生物轉化酶。腸道菌群在某些外源化學物生物轉化中起著重要的作用。三、毒物代謝酶的分布生物轉化的主要器官和細胞轉化能力

器官

細胞

強

肝臟

肺臟

實質細胞(肝細胞)

clara細胞、Ⅱ型上皮細胞中等

腎臟

小腸

皮膚

近曲小管細胞

黏膜內層細胞

上皮細胞

弱

睪丸

輸精管與支持細胞

生物轉化的Ⅰ相反應主要包括氧化反應、還原反應和水解反應，各類反應及相應酶的亞細胞分布見表第二節Ⅰ相反應醛脫氫酶醇脫氫酶胺氧化酶氧化反應微粒體混合功能氧化酶非微粒體混合功能氧化酶脂肪族羥化芳香族羥化環氧化反應S-氧化反應O-脫烷基反應S-脫烷基反應N-羥化反應金屬脫烷基反應氧化脫鹵反應N-脫烷基反應脫硫反應一、氧化反應1、微粒體混合功能氧化酶（MFO）催化的反應又稱為細胞色素P-450酶系單加氧酶MFOS催化的氧化反應微粒體混合功能氧化酶MFOS(microsomalmixedfunctionoxidasesystem)主要存在于肝細胞內質網中特異性低可催化幾乎所有環境化學物的氧化反應P-450催化氧化的總反應特點是需要一個氧分子。在這個過程當中還需要NADPH提供電子。P-450能直接激活氧分子，其中一個氧原子加入底物分子中，另一氧原子被還原為水，又稱為混合功能氧化酶。細胞色素P450

細胞色素P-450酶系參與的氧化反應（l）脂肪族羥化（2）芳香族的羥化；（3）雙鍵的環氧化作用；（4）N-脫烷基反應（5）O-、S-脫烷基反應（6）N-羥基化反應（7）烷基金屬脫烷基反應（8）脫硫反應脂肪族化合物側鏈（R）通常在末端倒數第一個或第二個碳原子發生氧化，形成羥基。

RCH3RCH2OHOPOONCH3CH3NCH3CH3PNCH3CH3NCH3CH3O[o]POONCH3CH3NCH3CH3PNCH2OHCH3NCH3CH3O八甲磷N-羥甲基八甲磷毒性增加10倍（1）脂肪族羥化大多數芳香族毒物被羥化為酚類。例如苯可被氧化成苯酚，苯胺可氧化為對氨基酚、鄰氨基酚或羥基苯胺。（2）芳香族的羥化西維因芳香族羥化脂肪族羥化CH3OCONHOCONHCH2OHOCONHCH3OH4-羥基-1-萘-N-甲基氨基甲酸酯1-萘-N-羥基甲基氨基甲酸酯（3）N-羥化反應（一）氧化反應芳香胺、伯胺、仲胺類化合物等外源化合物氨基（-NH2）上的一個氫與氧結合的反應。苯胺是重要的化工原料，對血液和神經的毒性強烈；N-羥氨基苯是高鐵血紅蛋白形成劑致癌物質β（4）環氧化

外來化合物的2個碳原子與氧原子之間形成橋式結構黃曲霉毒素B1（AFB1）和氯乙烯等含雙鍵的芳香族和烯烴類毒物氧化時，常常形成環氧化中間產物，環氧化物不穩定可重排而成酚類。如苯環上有鹵素取代，或是多環芳烴進行環氧化時，則能形成較穩定的環氧化物。其毒性高于母體毒物。脂肪族烯烴：雙鍵上引入一個氧原子而形成1，2-環氧化合物反應ClCH2CHO環氧化物水解酶水解產物非蛋白巰基GSH、CysRNA、DNA白蛋白S-烷基谷胱甘肽S-烷基半胱氨酸致癌因子致突變因子氯乙醛有毒物質，長期吸入、接觸--肝癌急性毒作用皮膚刺激作用

芳香環氧化反應環氧化產物不穩定，羥化。多環芳烴的生物轉化過程（5）雜原子脫烷基反應

N-，O-，S-脫烷基反應氮、氧和硫原子上連接有烷基的毒物，可以發生脫烷基反應。胺類化合物氨基N上的烷基被氧化脫去一個烷基，形成醛類或酮類。這些反應過程是先使烷基氧化為經烷基毒物，后者又分解產生醛或酮。如：二甲基亞硝胺通過P-450的催化作用，進行N-脫烷基反應，進一步產生有親電子劑CH3+（碳賓離子），可使DNA發生烷化作用，致癌和致突變。N-脫烷基反應O-，S-的脫烷基反應對硝基茴香醚O-脫烷基反應S-脫烷基(主要見于一些醚類化學物)R-S-CH3[R-S-CH2OH]RSH+HCHONNNNCHNNNNCHSCH3SH甲硫醇嘌呤6-巰基硫代嘌呤

鹵代烴類化合物可先轉化為不穩定的中間代謝產物，即鹵代醇類化合物，再脫去鹵族元素。農藥1,1,1-三氯-2,2雙乙烷(DDT)，可經氧化脫鹵反應形成1,1-二氯-2,2-雙乙烷(DDE)和2,2-雙乙酸(DDA)。DDE——脂肪中蓄積，DDA——尿排出，毒性遠小于DDT。（6）氧化基團轉移R-CH2X

R-CHOHRCHO+HXDDTDDEDDA氧化脫鹵素反應氧化脫硫反應在許多有機磷化合物經常發生。（7）S-氧化反應硫醚類在氧化過程中生成亞砜與砜類；硫醚類化合物，S原子被氧化，形成亞砜、砜

R-S-R’

R-SO-R’

R-SO2-R’

硫醚亞砜砜C2H5OC2H5OOPOCH2CH2SC2H5S-氧化C2H5OC2H5OOPOCH2CH2SC2H5OC2H5OC2H5OOPOCH2CH2SC2H5OO內吸磷亞砜型內吸磷砜型內吸磷毒性比母體高5-10倍2、非微粒體混合功能氧化酶催化的氧化反應

肝組織胞液、血漿和線粒體中，有一些專一性不太強的酶，可催化某些外來化合物的氧化與還原。例如醇脫氫酶、醛脫氫酶、過氧化氫酶、黃嘌呤氧化酶等。肝細胞胞液中含有單胺氧化酶和雙胺氧化酶，可催化胺類氧化，形成醛類和氨。主要催化有醇、醛、酮功能基團的外源化學物

(1)醇脫氫酶：存在于胞液中

RCH2OH+NAD(P)+RCHO+NAD(P)H2+(2)醛脫氫酶：存在于肝細胞線粒體和胞液中：

RCHO+NAD(P)+RCOOH+NAD(P)H2+(3)胺氧化酶：主要存在于線粒體單胺氧化酶（monoamineoxidase):RCH2NH2+[O]RCHO+NH3+H2O

二胺氧化酶：催化二胺類氧化形成醛。3、前列腺素的合成中共氧化反應例如，腎臟髓質、血小板、血管內皮細胞、胃腸道、腦、肺及尿膀胱上皮細胞含有前列腺素H合成酶（PHS），乳腺上皮細胞的乳過氧化物酶，以及白細胞的髓過氧化物酶。PHS具有兩個催化活性：一為環加氧酶，可將花生四烯的轉變成環狀內氫過氧化物PGG2，該過程涉及2個氧分子加到花生四烯酸的每個分子上；另一是過氧化物酶，將氫過氧化物轉變成相應的醇PGH2，它通過外源化學物的氧化來完成。二、還原反應硝基和偶氮基，羰基，以及二硫化物、亞砜化合物(－NO2,－N＝N－,–CO,等)偶氮還原和硝基還原是經腸道菌群和兩種肝臟酶，如細胞色素P-450和NADPH醌氧化還原酶（一種胞漿黃素酶，也稱為DT-黃遞酶）催化。還原反應發生條件①存在局部性還原環境

②某些酶可在有氧條件下催化還原反應

③氧化還原反應中的可逆反應

催化還原反應的酶類主要存在于肝、腎和肺的微粒體和胞液中。腸道處于厭氧環境，腸道菌叢還原酶催化的還原反應。1.硝基還原反應

NADPH和NADH是供氫體。2.偶氮還原反應R-N=N-R’R-NH2+R’NH2

脂溶性偶氮化合物：易被腸道吸收，主要在肝微粒體和腸道中還原；非脂溶性偶氮化合物：不易吸收，主要在腸道中被腸道菌叢還原。

醛類和酮類可分別還原成伯醇和仲醇。

RCHORCH2OH醛伯醇酮仲醇乙醇乙醛

醇脫氫酶3.醛和酮的還原5.含鹵素基團還原反應

與碳原子結合的鹵素被氫原子取代。

例：在NADPH-CytP450催化下：

CCl4+NADPHCCl3˙+HClCCl3˙破壞肝細胞膜脂質結構6．亞砜的還原反應二硫化物、亞砜化合物等可在體內被還原。

三硫磷亞砜三硫磷三、水解反應有許多毒物，如酯類、酰胺類和含有酯式鍵的磷酸鹽取代物極易水解，水解后毒性大為降低。水解反應不需要消耗代謝能量。在血漿、肝、腎、腸粘膜、肌肉和神組織中有許多水解酶，微粒體中也存在。酯酶、酰胺酶是廣泛存在的水解酶，酯酶和酰胺酶可分別水解酯類和胺類。水解反應酯類水解反應酰胺類水解反應水解脫鹵反應環氧化物的水化反應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。1、酯類水解反應在酯酶的催化下生成相應的羧酸和醇類RCOOR’+H2O

RCOOH+R’OH是許多有機磷殺蟲劑在哺乳動物體內的主要代謝方式O2NOPOC2H5OC2H5SO2NOHH2O對硫磷二乙基硫代磷酸磷酸酯酶POC2H5OC2H5OHO2、酰胺類水解反應通式：R-CO-NH2或R-CO-NH-R’。酰胺酶能特異性地作用于酰胺鍵，使酰胺類化合物發生水解。R-CO-NH-R’+H2O

R-COOH+R’NH2

3、水解脫鹵反應：DDT水解脫鹵DDE(毒性降低，可繼續轉化為易排泄物)(Cl-C6H4)2>CH-CCl3+H2O

(Cl-C6H4)2>C=CCl2+HCl人體吸收的DDT，60%可經此途徑轉化4、環氧化物的水化反應水化反應：含雙鍵或三鍵化合物在酶催化下與水分子結合。H2C=CH2+H2OCH3CH2OH

芳烴類和脂肪族烴類環氧化物二氫二醇化合物[O]水化反應酶第三節Ⅱ相反應又稱為結合作用。是進入機體的外來化合物在代謝過程當中與某些其他內源性化合物或基團發生的生物合成反應。特別是外來有機化合物及其含有羥基、氨基、羰基以及環氧基的代謝產物最易發生。外來化合物及其代謝物與體內某些內源性化合物或基團結合所形成的產物稱為結合物。第二階段反應中，毒物原有的功能基團或由第一階段反應引入（暴露）的功能基團與內源性輔因子反應。參加結合反應的必須為內源性化合物，直接由體外輸入的物質不能進行。除了甲基化和乙酰化結合反應外，其他第二階段反應顯著增加毒物的水溶性，促進其排泄。第二階段反應可引起代謝活化：如致癌物2-乙酰氨基芴（2-AAF）和2-氨基芴，可以在N-乙酰轉移酶和脫乙酰酶催化互相轉化，并均可經P450和黃素加單氧酶催化形成N-羥基芳酰胺和N-羥基芳胺。這兩種毒物是近致癌物，與硫酸結合、乙酰化和葡糖醛酸結合，結合物在酸性pH尿可水解或由小腸菌叢的P-葡糖苷酸酶催化水解，生成N-羥基芳香胺，后者可自發性生成芳基氮賓離子（親電子劑），攻擊DNA，引起膀胱癌和結腸癌。結合反應葡萄糖醛酸結合甲基結合氨基酸結合乙酰結合谷胱甘肽結合硫酸結合發生結合反應的功能基團的類型結合反應功能基團葡萄糖醛酸-OH,-COOH,-NH2,-SH硫酸Aromatic-OH,aromatic-NH2,alcohols谷胱甘肽Epoxides,organichalides乙酰基-NH2,-SO2NH2,hydrazines氨基酸Aromatic-NH2,-COOH甲基Aromatic-OH,-NH2,-NH,-SHAromatic，芳香的Epoxide,環氧化物；organichalide,有機鹵化物；hydrazine，肼,聯氨葡萄糖醛酸結合是第二階段反應中最普遍進行的一種，由UDP（尿苷二磷酸）-葡萄糖醛酸基轉移酶催化對毒物的代謝（解毒和活化）具有重要的作用。葡萄糖醛酸結合作用主要是在肝微粒體中進行，此外腎、腸黏膜和皮膚中也可發生。一、葡萄糖醛酸結合葡萄糖醛酸基的直接供體尿苷二磷酸葡萄糖醛酸(UDPGA)

2NAD+2NADH+2H+UDPG脫氫酶

催化酶：葡萄糖醛酸基轉移酶（UDP-glucuronyltransferases,

UGT）葡萄糖醛酸結合反應

外來化合物及其代謝物中的醇類、酚類或胺類化合物可與硫酸結合，形成硫酸酯。內源性硫酸的來源是含硫氨基酸的代謝產物，但必須先經過ATP的活化，成為3’-磷酸腺苷-5’-磷酰硫酸（PAPS），再在磺基轉移酶的作用下與酚類、醇類或胺類結合為硫酸酯。苯酚與硫酸結合較為常見。二、硫酸結合硫酸供體3′－磷酸腺苷5′－磷酸硫酸(PAPS)催化酶硫酸轉移酶(sulfatetransferase

)

雌酮雌酮硫酸酯谷胱甘肽S-轉移酶（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，生成結合物。底物的共同點為：有一定疏水性，含有親電子原子，并可與GSH發生非酶反應。GSH結合物具有極性和水溶性，可經膽汁排泄，并可經體循環轉運至腎。在腎內GSH結合物經一系列酶催化反應轉變為硫醚氨酸衍生物，由尿排泄。三、谷胱甘肽結合

乙酰化作用（acetylation）涉及酶催化或非酶催化的從乙酰輔酶A將乙酰基轉移到含伯胺、羥基或巰基的毒物。

四、乙酰化作用異煙肼乙酰輔酶A乙酰異煙肼輔酶A羧酸必須首先經酰基輔酶A合成酶催化，需要ATP和乙酰輔酶A，活化生成酞基輔酶A硫酯，再由N-乙酰轉移酶催化與氨基酸如甘氨酸、谷氨酸、牛磺酸的氨基反應，形成酰胺鍵。五、甘氨酸結合

內源性底物的甲基化如組胺、氨基酸、蛋白、糖和多胺對細胞的正常調節有重要的意義，僅當毒物符合這些酶的底物要求，甲基化作用才有重要性，甲基化反應不是毒物結合的主要方式。六、甲基化作用

尼克酰胺N-甲基尼克酰胺SAMS-腺苷蛋氨酸在一般情況下，外來化合物的生物轉化過程并不只限于一種反應，不同反應可先后進行。例如，先進行氧化、還原、水解反應，再進行結合反應。也可能在某種組織器官中發生一種反應，再在另一組織器官進行另一種反應。代謝是化學物毒作用的決定因素。很多因素可影響外源化學物生物轉化，包括機體的遺傳生理因素和環境因素兩大類。第四節影響生物轉化的因素遺傳生理因素有動物的物種、性別、年齡等，常體現在代謝酶的種類、數量和活性的差異上。代謝酶的多態性也是影響毒性反應個體差異的重要因素。各種環境因素主要通過影響代謝酶和輔酶的合成過程以及催化過程來干擾外源化學物的生物轉化，如代謝酶的誘導和抑制。另外，其他影響因素還有營養狀態、疾病等。一、毒物本身的影響二、種屬和個體差異的影響三、年齡及性別的影響四、營養狀況的影響1.毒物對代謝酶的抑制作用參與生物轉化的酶系統一般并不具有較高的底物專一性，幾種不同的化合物都可作為同一酶系的底物。因此，當一種外來化合物在機體內出現或數量增多時，可影響某種酶對另一種外來化合物的催化作用，即兩種化合物出現競爭性抑制。一、毒物本身的影響2.毒物對代謝酶的誘導作用有些外來化合物可使某些代謝過程催化酶系活力增強或酶的含量增加，此種現象稱為酶的誘導。凡具有誘導效應的化合物稱為誘導物。誘導的結果可促進其他外來化合物的生物轉化過程，使其增強或加速。在微粒體混合功能