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1、第三章第三章 化学毒物的生物转化化学毒物的生物转化Biotransformation of Chemical Toxicants 化学毒物通过不同途径被吸收进入体内后，将发生一系列化化学毒物通过不同途径被吸收进入体内后，将发生一系列化学变化并形成一些分解产物或衍生物，此种过程称为生物转化学变化并形成一些分解产物或衍生物，此种过程称为生物转化( (biotransformationbiotransformation）或代谢转化。或代谢转化。 BiotransformationBiotransformationLess effective drug,Less toxicMore effective
2、 drugMore water soluble,More toxic compoundMore water soluble,Less toxic 化学毒物的生物转化过程分两相反应，第一相反应化学毒物的生物转化过程分两相反应，第一相反应( (Phasereaction)Phasereaction)主要包括氧化主要包括氧化( (oxydation)oxydation)、还原还原( (reduction)reduction)和水解和水解( (hydrolysis)hydrolysis)；第二相反应第二相反应( (phasereaction)phasereaction)主要为结合主要为结合反应反应(
3、(conjugation)conjugation)，结合反应指化学毒物经第一相反应形成的中，结合反应指化学毒物经第一相反应形成的中间代谢产物与某些内源化学物的中间代谢产物相互结合的反应过间代谢产物与某些内源化学物的中间代谢产物相互结合的反应过程。程。 肝脏是机体内最重要的代谢器官，化学毒物的生物转化过程主要在肝脏是机体内最重要的代谢器官，化学毒物的生物转化过程主要在肝脏进行。肝脏进行。其它组织器官，例如肺、肾、肠道、脑、皮肤等也具有一定其它组织器官，例如肺、肾、肠道、脑、皮肤等也具有一定的生物转化能力，虽然其代谢能力及代谢容量可能相对低于肝脏，但有的生物转化能力，虽然其代谢能力及代谢容量可能相
4、对低于肝脏，但有些化学毒物可在这些组织中发生不同程度的代谢转化过程，有些还具有些化学毒物可在这些组织中发生不同程度的代谢转化过程，有些还具有特殊的意义。特殊的意义。未经肝脏的生物转化作用而直接分布至全身，对机体的损未经肝脏的生物转化作用而直接分布至全身，对机体的损害作用相对较强。害作用相对较强。Two Phases to etoxification/Metabolism ToxinPrimaryMetabolitePhase 1SecondaryMetabolitePhase 2Non PolarPolarFat SolubleWater Soluble第一节第一节 相反应相反应一、氧化作用一
5、、氧化作用1.1.细胞色素细胞色素P-450P-450酶系酶系 微粒体细胞色素微粒体细胞色素P-450P-450酶系又称为微粒体混合功能酶系又称为微粒体混合功能氧化酶氧化酶( (microsomal mixed function oxidase,MFO)microsomal mixed function oxidase,MFO)，或单加氧酶或单加氧酶( (monooxygenase)monooxygenase)。此酶系由三部分组成，此酶系由三部分组成，即血红素蛋白类即血红素蛋白类( (细胞色素细胞色素P-450P-450和细胞色素和细胞色素b b5 5) )、黄素黄素蛋白类蛋白类( (NADP
6、H-NADPH-细胞色素细胞色素P-450P-450还原酶和还原酶和NADH-NADH-细胞色素细胞色素 b b5 5还原酶还原酶) )和磷脂类。以细胞色素和磷脂类。以细胞色素P-450P-450最为重要。最为重要。 细胞色素蛋白及其它血红素蛋白在可见光范围内各细胞色素蛋白及其它血红素蛋白在可见光范围内各自呈现典型的吸收光谱。例如细胞色素自呈现典型的吸收光谱。例如细胞色素P-450P-450本身在本身在420 420 nmnm处出现强吸收光谱，但在还原条件下与处出现强吸收光谱，但在还原条件下与COCO结合后，最结合后，最强吸收光带在强吸收光带在450 450 nmnm处，因此而得名。细胞色素处
7、，因此而得名。细胞色素P-450P-450酶系的主要功能是催化体内许多内源和外源化学物在生酶系的主要功能是催化体内许多内源和外源化学物在生物转化过程中的氧化反应。物转化过程中的氧化反应。 The disruption is usually carried The disruption is usually carried out in an isotonic medium (this out in an isotonic medium (this medium may be a salt solution but medium may be a salt solution but is oft
8、en 0.24 M sucrose).is often 0.24 M sucrose). After homogenization the After homogenization the components can be ponents can be separated. The fragments of the endoplasmic The fragments of the endoplasmic reticulum tend to fuse to form reticulum tend to fuse to form vesicles.vesicles.The morphologic
9、al constituents of a The morphological constituents of a typical microsome fraction of liver as typical microsome fraction of liver as revealed by the electron microscope.revealed by the electron microscope. 细胞色素细胞色素P-450P-450酶系由两类酶组成，一类为血红蛋白类，其中包括酶系由两类酶组成，一类为血红蛋白类，其中包括细胞色素细胞色素P-450 P-450 和细胞色素和细胞色素
10、b b5 5, ,它们均含有铁卟啉环结构，具有传递电它们均含有铁卟啉环结构，具有传递电子的功能。另一类是黄素蛋白类，包括还原型辅酶子的功能。另一类是黄素蛋白类，包括还原型辅酶-细胞色素细胞色素P-450P-450还原酶（还原酶（NADPH-cytochrome P-450 reductaseNADPH-cytochrome P-450 reductase）以及还原型辅酶以及还原型辅酶-细细胞色素胞色素b b5 5还原酶（还原酶（NADH-cytochrome bNADH-cytochrome b5 5 reductase) reductase)，这类酶的这类酶的 功能主要是电子传递作用并提供电
11、子。细胞色素功能主要是电子传递作用并提供电子。细胞色素P-450P-450氧化功能在不同组织器官中也存在一定的差异。肝脏中氧化功能在不同组织器官中也存在一定的差异。肝脏中细胞色素细胞色素P-450P-450氧化酶主要催化许多外源化学毒物的氧氧化酶主要催化许多外源化学毒物的氧化反应，也参与少数内源化学物的代谢过程，例如类固化反应，也参与少数内源化学物的代谢过程，例如类固醇等；具有重要毒理学意义的外源化学毒物和多环芳烃醇等；具有重要毒理学意义的外源化学毒物和多环芳烃类的氧化反应主要由肺、皮肤和小肠粘膜中细胞色素类的氧化反应主要由肺、皮肤和小肠粘膜中细胞色素P-P-450450氧化酶催化。氧化酶催化
12、。 目前已确定，目前已确定，P-450P-450是一个蛋白质超家族，每一种对底是一个蛋白质超家族，每一种对底物专一性有特征性谱，某些是物专一性有特征性谱，某些是P-450P-450结构型的，其他的结构型的，其他的是诱导型的。很多是诱导型的。很多P-450P-450的的cDNAcDNA和基因结构已经明确，和基因结构已经明确，这些蛋白质根据结构的相似性组成家族和亚族。这些蛋白质根据结构的相似性组成家族和亚族。P-450P-450的酶氨基酸序列相似性的酶氨基酸序列相似性40%40%是属于同一家族，如是属于同一家族，如59%59%则属于同一亚族。则属于同一亚族。 P-450 P-450的命名是用斜体词
13、根的命名是用斜体词根CYPCYP代表。除小鼠之外代表。除小鼠之外所有物种的细胞色素所有物种的细胞色素P-450P-450的基因和的基因和cDNA(cDNA(小鼠用小鼠用Cyp)Cyp)，词根后的阿拉伯数字代表基因族，大写英文字母代表基词根后的阿拉伯数字代表基因族，大写英文字母代表基因亚族，字母后的阿拉伯数字代表基因亚族中的一个基因亚族，字母后的阿拉伯数字代表基因亚族中的一个基因。如因。如CYP1A1CYP1A1表示表示P-450P-450的的1 1基因族基因族A A亚族第亚族第1 1基因。所有基因。所有物种物种P-450P-450的的mRNAmRNA和酶都用大写字母表示。和酶都用大写字母表示。
14、 人肝脏主要含人肝脏主要含1515种以上不同的生物转化化学毒物和种以上不同的生物转化化学毒物和/ /或内源性底物的或内源性底物的P-450(CYP1A2P-450(CYP1A2，2A62A6，2B62B6，2C82C8，2C92C9，2C182C18，2C192C19，21362136，2E12E1，3A43A4，3A53A5，3A73A7，4A94A9，和和4 4A11)A11)。涉及化学毒物生物转化的人肝主要涉及化学毒物生物转化的人肝主要P-450P-450的底物、的底物、抑制剂和诱导剂见表。抑制剂和诱导剂见表。 P-450 P-450的催化机制共有的催化机制共有7 7步。步。 P-450
15、P-450催化的总反应为：催化的总反应为：底物底物( (RH)+ORH)+O2 2+NADPH+H+NADPH+H+ + 产物产物( (ROH) + HROH) + H2 2O+NADPO+NADP+ +ion cycleFeIIIFeIII (RH)FeII (RH)FeII (O2)(RH)FeII (O2. )(RH)FeIV (O. )(RH)e-e-2 H+H2OROHRHFeIII (O2.)(RH)O2Reaction cycle P-450P-450催化地反应类型：催化地反应类型： 脂肪族和芳香族的羟化脂肪族和芳香族的羟化( (hydroxylation of hydroxyl
16、ation of aliphatic or aromatic carbon)aliphatic or aromatic carbon) 脂肪族在体内的羟化是末端的或倒数第二位碳原脂肪族在体内的羟化是末端的或倒数第二位碳原子被氧化成羟基。例如，有机磷农药八甲磷子被氧化成羟基。例如，有机磷农药八甲磷( (schradaneschradane，OMPA)OMPA)末位甲基羟化生成末位甲基羟化生成N-N-羟基八甲磷，后者在体内毒羟基八甲磷，后者在体内毒性增高，抑制胆碱酯酶的能力较八甲磷强性增高，抑制胆碱酯酶的能力较八甲磷强1010倍。倍。 双键的环氧反应双键的环氧反应( (epoxidation of
17、 a double bond)epoxidation of a double bond) 微粒体混合功能氧化酶催化下，一个氧原子在外源微粒体混合功能氧化酶催化下，一个氧原子在外源化学物的两个相邻碳原子之间构成一桥式结构，形成环氧化学物的两个相邻碳原子之间构成一桥式结构，形成环氧化物。化物。有些环氧化物可以致癌，例如氯乙烯的环氧化产物有些环氧化物可以致癌，例如氯乙烯的环氧化产物环氧氯乙烯即为致癌物。有些外源化学物的环氧化物性质环氧氯乙烯即为致癌物。有些外源化学物的环氧化物性质极为稳定，可长期在环境和机体脂肪组织中存留，极为稳定，可长期在环境和机体脂肪组织中存留，例如有例如有机氯杀虫剂艾氏剂的环氧
18、化物锹氏剂已造成严重的生态问机氯杀虫剂艾氏剂的环氧化物锹氏剂已造成严重的生态问题。还有些化学物的环氧化物性质极不稳定，将继续发生题。还有些化学物的环氧化物性质极不稳定，将继续发生羟化，形成二氢二醇化合物。羟化，形成二氢二醇化合物。环氧化反应可分为脂肪族环环氧化反应可分为脂肪族环氧化反应和芳香族环氧化反应。氧化反应和芳香族环氧化反应。后者的环氧化产物不稳定，后者的环氧化产物不稳定，将继续发生羟化。将继续发生羟化。 脱氢脱氢( (dehydrogenation)dehydrogenation) P-450 P-450也对催化很多化学毒物的脱氢反应。也对催化很多化学毒物的脱氢反应。 其他其他OHRC
19、H2CH3RCH2CH2OHR2CCR2R2CCR2OORXCH3RXHH3CO+ Hydroxylations Epoxidation Heteroatom (O, N, S) dealkylationCYTOCHROME P450 Oxidations Cytochrome P450 mediated dehydrogenationNCCH3OHHONCCH3OO 2.2.黄素单加氧酶黄素单加氧酶 肝、肾、肺等组织微粒体含有一种或多种黄素单加肝、肾、肺等组织微粒体含有一种或多种黄素单加氧酶氧酶( (microsomal flavin-containing monoxygenase, mic
20、rosomal flavin-containing monoxygenase, FMO)FMO)可氧化多种化学毒物的亲核性氮、硫和磷杂原子。可氧化多种化学毒物的亲核性氮、硫和磷杂原子。FMOFMO以黄素腺嘌呤二核苷酸以黄素腺嘌呤二核苷酸( (FAD)FAD)为辅酶，需要为辅酶，需要NADPHNADPH和和O O2 2。 与与P-450P-450酶系的不同之处是，酶系的不同之处是，FMOFMO不能在碳位上催化不能在碳位上催化氧化反应。氧化反应。 3. 3.醇、醛、酮氧化醇、醛、酮氧化- -还原系统和胺氧化还原系统和胺氧化 肝细胞液中含有醇脱氢酶、醛脱氢酶及醛氧化酶、肝细胞液中含有醇脱氢酶、醛脱氢
21、酶及醛氧化酶、不在碳位上加氧 黄嘌呤氧化酶等。这些酶能使各种醇类化学氧化。例黄嘌呤氧化酶等。这些酶能使各种醇类化学氧化。例如，乙醇经胞液中的醇脱氢酶及醛脱氢酶催化，在如，乙醇经胞液中的醇脱氢酶及醛脱氢酶催化，在NADNAD+ +受氢的条件下，脱氢氧化，最后生成受氢的条件下，脱氢氧化，最后生成COCO2 2。 4. 4.过氧化物酶依赖性的供氧化反应过氧化物酶依赖性的供氧化反应 在前列腺素生物合成过程中，花生四烯酸首先由环在前列腺素生物合成过程中，花生四烯酸首先由环加氧酶催化，形成前列腺素加氧酶催化，形成前列腺素G G2 2(PGG(PGG2 2) )，PGGPGG2 2又经氢过氧又经氢过氧化物酶
22、催化进一步被氧化成为前列腺素化物酶催化进一步被氧化成为前列腺素H H2 2(PGH(PGH2 2) )。这两这两种酶合称为前列腺种酶合称为前列腺H H合成酶合成酶( (prostaglandin H prostaglandin H synthase, PHS)synthase, PHS)，此此酶位于微粒体。酶位于微粒体。NOHOHNOC6H6O6-OHGlucuronidationNOSO3-OHSulfationCYP P450 (liver)Prostaglandin H Synthase (kidney)NOOGlutathione ConjugationNOHOHSGBinding t
23、o proteinand DNAAcetaminophenNAPQI 二、还原作用二、还原作用 含有硝基、偶氮基化学毒物以及醛、酮、亚砜和多卤代烃类化学含有硝基、偶氮基化学毒物以及醛、酮、亚砜和多卤代烃类化学毒物易被催化还原，在哺乳动物组织中这类反应活性较低，但在肠毒物易被催化还原，在哺乳动物组织中这类反应活性较低，但在肠道菌群内还原酶的活性较高。道菌群内还原酶的活性较高。 1. 1.硝基和偶氮还原硝基和偶氮还原 由肠道菌群和两种肝脏酶由肠道菌群和两种肝脏酶P-450P-450及及NAD(P)H-NAD(P)H-醌氧化还原酶催化，醌氧化还原酶催化，后一种酶存在于胞浆中。后一种酶存在于胞浆中。
24、肠道菌群催化的硝基还原对某些硝基芳香化学毒物肠道菌群催化的硝基还原对某些硝基芳香化学毒物的毒性其重要的作用。如雄性大鼠肝致癌物二硝基甲苯的毒性其重要的作用。如雄性大鼠肝致癌物二硝基甲苯的代谢活化。二硝基甲苯经肝的代谢活化。二硝基甲苯经肝P-450氧化后与葡萄糖醛酸氧化后与葡萄糖醛酸结合成葡糖苷排入胆汁，由肠道菌群进行生物转化，一结合成葡糖苷排入胆汁，由肠道菌群进行生物转化，一个或两个硝基被硝基还原酶还原成胺，葡糖苷为个或两个硝基被硝基还原酶还原成胺，葡糖苷为 -葡糖葡糖苷酶水解。水解后的代谢物被重吸收转运至肝，新生成苷酶水解。水解后的代谢物被重吸收转运至肝，新生成的氨基由的氨基由P-450催化
25、催化N-羟化，并可乙酰化或与硫酸结合。羟化，并可乙酰化或与硫酸结合。这些结合物可裂解生成高度反应性的氮宾离子，氮宾离这些结合物可裂解生成高度反应性的氮宾离子，氮宾离子可攻击子可攻击DNA，引起突变和肝癌。引起突变和肝癌。Molecular Recognition in Toxicology: Induction of Cytochrome P450Toxin ReceptorOutsideInsideDNA 2.2.羰基还原羰基还原 醛、酮还原由醇脱氢酶和一组羰基还原酶催化羰基醛、酮还原由醇脱氢酶和一组羰基还原酶催化羰基还原酶是还原酶是NADPHNADPH依赖性酶，存在于血液、肝、肾、脑及其依
26、赖性酶，存在于血液、肝、肾、脑及其它组织的胞浆中。它组织的胞浆中。 3. 3.含硫基团还原含硫基团还原 含硫基团还原反应在体内较少。二硫化物还原并裂含硫基团还原反应在体内较少。二硫化物还原并裂解成巯基化学毒物。肝和肾胞浆中硫氧化还原依赖性酶解成巯基化学毒物。肝和肾胞浆中硫氧化还原依赖性酶催化亚砜还原。在氧张力降低并存在催化亚砜还原。在氧张力降低并存在NADHNADH或或NADPHNADPH时，时，N-N-氧化物可由线粒体和氧化物可由线粒体和/ /或微粒体酶催化还原。或微粒体酶催化还原。 4.4.醌还原醌还原 醌由醌由NAD(P)H-NAD(P)H-醌氧化还原酶催化还原成氢醌，此酶醌氧化还原酶催
27、化还原成氢醌，此酶是黄素蛋白，又称为是黄素蛋白，又称为DT-DT-黄递酶，催化醌二电子还原。黄递酶，催化醌二电子还原。醌二电子还原还可由羰基还原酶催化。醌的二电子还原醌二电子还原还可由羰基还原酶催化。醌的二电子还原是无毒性的。但醌经是无毒性的。但醌经NADPH-P-450NADPH-P-450还原酶催化还原酶催化电子还电子还原，生成半醌自由基。半醌自由基可经自氧化，伴有氧原，生成半醌自由基。半醌自由基可经自氧化，伴有氧化应激，生成具有细胞毒性的超氧阴离子、过氢氧自由化应激，生成具有细胞毒性的超氧阴离子、过氢氧自由基、过氧化氢、羟基自由基。氧化应激是某些含醌或可基、过氧化氢、羟基自由基。氧化应激
28、是某些含醌或可转变为醌的化学毒物毒作用的重要机制。转变为醌的化学毒物毒作用的重要机制。 5.5.脱卤反应脱卤反应 有三种机制涉及脱卤素反应，即还原脱卤反应、有三种机制涉及脱卤素反应，即还原脱卤反应、氧化脱卤反应和脱氢卤反应。还原脱卤反应和氧化脱卤氧化脱卤反应和脱氢卤反应。还原脱卤反应和氧化脱卤反应由反应由P-450P-450催化，脱氢卤反应由催化，脱氢卤反应由P-450P-450和和GSHS-GSHS-转移酶转移酶催化。这些反应在一些卤代烷烃的生物转化和代谢活化催化。这些反应在一些卤代烷烃的生物转化和代谢活化中起重要的作用。如肝脏毒物四氯化碳经还原脱卤反应中起重要的作用。如肝脏毒物四氯化碳经还
29、原脱卤反应代谢活化，一电子还原生成三氯甲烷自由基代谢活化，一电子还原生成三氯甲烷自由基( (CClCCl3 3) )，后者启动脂质过氧化作用并产生各种其它代谢产物。后者启动脂质过氧化作用并产生各种其它代谢产物。 三、水解作用三、水解作用 脂类、酰胺类和磷酸酯在体内可被广泛存在的水解脂类、酰胺类和磷酸酯在体内可被广泛存在的水解酶所水解。血浆、肝酶所水解。血浆、肝、肾、肠粘膜、肌肉和神经组织中肾、肠粘膜、肌肉和神经组织中均含有水解酶，水解酶中以酯酶均含有水解酶，水解酶中以酯酶( (esterase)esterase)最为广泛，最为广泛，另一种为酰胺酶另一种为酰胺酶( (amidase)amidas
30、e)。 酯类化学毒物被酯酶催化水解生成醇和酸，酰胺被酯类化学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。酰胺酶催化水解成酸和胺。 根据与有机磷酸酯的关系，酯酶可分为根据与有机磷酸酯的关系，酯酶可分为3 3类。类。A A类类( (芳香酯酶芳香酯酶) )，可水解有机磷酸酯；，可水解有机磷酸酯；B B类类( (羧基酯酶羧基酯酶) )可为可为有机磷酸酯抑制，如有机磷酸酯和氨基甲酸酯农药抑制有机磷酸酯抑制，如有机磷酸酯和氨基甲酸酯农药抑制胆碱酯酶，引起毒性效应；胆碱酯酶，引起毒性效应；C C类类( (乙酰酯酶乙酰酯酶) )，与有机磷，与有机磷酸酯无相互作用。酸酯无相互作用。第二节第二节
31、相反应相反应 相反应相反应( (phase biotransformation)phase biotransformation)又称为结又称为结合作用合作用( (conjugation)conjugation)。 相反应中，外源化学物原有的或由相反应中，外源化学物原有的或由I I相反应引入或相反应引入或暴露的功能基团，与内源性辅因子之间发生的生物合成反暴露的功能基团，与内源性辅因子之间发生的生物合成反应。除了甲基化和乙酰化结合反应外，其它应。除了甲基化和乙酰化结合反应外，其它相反应显著相反应显著增加化学毒物的水溶性，促进其排泄。葡萄糖醛酸结合、增加化学毒物的水溶性，促进其排泄。葡萄糖醛酸结合、
32、硫酸结合、乙酰化作用和甲基化作用涉及活化的硫酸结合、乙酰化作用和甲基化作用涉及活化的( (“高能高能”的的) )辅因子，而与谷胱甘肽辅因子，而与谷胱甘肽( (GSH)GSH)结合和与氨基酸结合则是结合和与氨基酸结合则是与活化的化学毒物反应。与活化的化学毒物反应。 一、葡萄糖醛酸结合一、葡萄糖醛酸结合 葡萄糖醛酸结合葡萄糖醛酸结合( (glucuronidation)glucuronidation)是是相反应中相反应中最普遍进行的一种，对化学毒物的代谢最普遍进行的一种，对化学毒物的代谢( (解毒和活化解毒和活化) )具具有重要的作用。有重要的作用。 葡萄糖醛酸结合反应在结合反应中占有重要的地位，
33、葡萄糖醛酸结合反应在结合反应中占有重要的地位，在许多外源化学物都可进行，如醇类、酚类、羧酸类、在许多外源化学物都可进行，如醇类、酚类、羧酸类、硫醇类和胺类等。葡萄糖醛酸为葡萄糖的中间代谢产物，硫醇类和胺类等。葡萄糖醛酸为葡萄糖的中间代谢产物，先活化成尿苷二磷酸先活化成尿苷二磷酸-葡萄糖醛酸葡萄糖醛酸( (UDPGA)UDPGA)，然后经各然后经各种转移酶催化，将葡萄糖醛酸基转移到外源化学物分子。种转移酶催化，将葡萄糖醛酸基转移到外源化学物分子。 根据进行结合反应的外源化学物结构及结合方式或根据进行结合反应的外源化学物结构及结合方式或部位不同，可分为部位不同，可分为-葡萄糖醛酸结合葡萄糖醛酸结合
34、( (醇类，酚类，羧醇类，酚类，羧酸胺类酸胺类) )、N-N-葡萄糖醛酸结合葡萄糖醛酸结合( (氨基甲酯类，芳香胺类，氨基甲酯类，芳香胺类，磺胺类磺胺类) )和和S-S-葡萄糖醛酸结合，统称葡萄糖醛酸化。葡萄糖醛酸结合，统称葡萄糖醛酸化。葡萄糖醛酸结合反应一葡萄糖醛酸结合反应一 葡萄糖醛酸结合反应二葡萄糖醛酸结合反应二 二、硫酸结合二、硫酸结合 硫酸结合硫酸结合( (sulfate conjugation)sulfate conjugation)反应的供体是反应的供体是3 3- -磷酸腺苷磷酸腺苷-5-5- -磷酰硫酸磷酰硫酸( (PAPS)PAPS)在磺基转移酶在磺基转移酶( (sulbtr
35、ansferase)sulbtransferase)作用下，生成硫酸酯。作用下，生成硫酸酯。 三、乙酰化作用三、乙酰化作用 乙酰化作用乙酰化作用( (acetylation)acetylation)涉及酶催化或非酶催化涉及酶催化或非酶催化的从乙酰辅酶的从乙酰辅酶A A将乙酰基转移到含伯胺、羟基或巯基的将乙酰基转移到含伯胺、羟基或巯基的化学毒物。这些酶分布在很多器官，但肝是化学毒物。这些酶分布在很多器官，但肝是N-N-乙酰化作乙酰化作用的主要器官。芳香伯胺和肼的伯胺基乙酰化作用是这用的主要器官。芳香伯胺和肼的伯胺基乙酰化作用是这些化学毒物的主要生物转化途径。些化学毒物的主要生物转化途径。 人类的
36、乙酰化也有多态性，根据对异烟肼乙酰结合人类的乙酰化也有多态性，根据对异烟肼乙酰结合反应的速度，将人类分为快乙酰化型和慢乙酰化型。反应的速度，将人类分为快乙酰化型和慢乙酰化型。 硫酸结合反应硫酸结合反应 四、氨基酸结合四、氨基酸结合 与氨基酸结合与氨基酸结合( (amino acid conjugation)amino acid conjugation)有两类化有两类化学毒物，即羧酸和芳香羟胺。羧酸必须首先经酰基辅酶学毒物，即羧酸和芳香羟胺。羧酸必须首先经酰基辅酶A A合成酶催化，需要合成酶催化，需要ATPATP和乙酰辅酶和乙酰辅酶A A，活化生成酰基辅活化生成酰基辅酶酶A A硫酯，再由硫酯，再
37、由N-N-乙酰转移酶催化与氨基酸如甘氨酸、乙酰转移酶催化与氨基酸如甘氨酸、谷氨酸、牛磺酸的氨基反应，形成酰胺键。例如苯甲酸谷氨酸、牛磺酸的氨基反应，形成酰胺键。例如苯甲酸与甘氨酸结合生成马尿酸。羧酸的氨基酸结合是解毒反与甘氨酸结合生成马尿酸。羧酸的氨基酸结合是解毒反 应。芳香羟胺则由氨酰应。芳香羟胺则由氨酰- -tRNAtRNA合成酶催化并需要合成酶催化并需要ATPATP，与氨基酸的羧基反应，生成与氨基酸的羧基反应，生成N-N-酯，后者可形成亲电子的酯，后者可形成亲电子的氮宾离子和碳宾离子，因此是活化反应。氮宾离子和碳宾离子，因此是活化反应。 五、甲基化作用五、甲基化作用 在甲基转移酶催化下，
38、将内源性来源的甲基结合于在甲基转移酶催化下，将内源性来源的甲基结合于外源化学物分子结构内的反应。有许多内源性和外源化外源化学物分子结构内的反应。有许多内源性和外源化学物可以进行甲基结合反应学物可以进行甲基结合反应( (methylation)methylation)，与其它结，与其它结合反应相比，甲基结合后，外源化学物的功能基团未被合反应相比，甲基结合后，外源化学物的功能基团未被 遮盖，水溶性没有明显的增强，有的反而下降；生物遮盖，水溶性没有明显的增强，有的反而下降；生物学作用并未减弱，有的反而增强，甲基化反应有解毒作学作用并未减弱，有的反而增强，甲基化反应有解毒作用。内源性甲基供体是用。内源
39、性甲基供体是S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸( (SAM)SAM)。能进行能进行甲基结合反应的外源化学物主要有含羟基、巯基或氨基甲基结合反应的外源化学物主要有含羟基、巯基或氨基的酚类、硫醇类和各种胺类，还有吡啶、喹啉等含氮杂的酚类、硫醇类和各种胺类，还有吡啶、喹啉等含氮杂环化合物。环化合物。甲基结合反应甲基结合反应 六、谷胱甘肽结合六、谷胱甘肽结合 谷胱甘肽谷胱甘肽S-S-转移酶转移酶( (glutathione S-transferaseglutathione S-transferase，GST)GST)催化还原性催化还原性GSH(GSH(亲核剂亲核剂) )与含有亲电子与含有亲电子C C、N
40、 N、S S、O O的化学毒物反应，生成结合物。的化学毒物反应，生成结合物。GSTGST的底物的共同点为：的底物的共同点为：有一定疏水性，含有亲电子原子，并可与有一定疏水性，含有亲电子原子，并可与GSHGSH发生非酶发生非酶反应。反应。GSHGSH结合物具有极性和水溶性，可经胆汁排泄，结合物具有极性和水溶性，可经胆汁排泄，并可经体循环转运至肾。在肾内并可经体循环转运至肾。在肾内GSHGSH结合物经一系列酶结合物经一系列酶催化反应转变为硫醚氨酸催化反应转变为硫醚氨酸( (mercapturic acid)mercapturic acid)衍衍 生物，由尿排泄。生物，由尿排泄。GSTGST在细胞内
41、含量很高，可高达细胞在细胞内含量很高，可高达细胞总蛋白的总蛋白的1010，主要存在于胞液中，在微粒体内含量较，主要存在于胞液中，在微粒体内含量较低，低，GSTGST是可诱导酶。是可诱导酶。 GSTGST催化的催化的GSHGSH结合反应是亲电子剂解毒的一般机结合反应是亲电子剂解毒的一般机制，并在自由基解毒中也起重要作用。然而，如果上述制，并在自由基解毒中也起重要作用。然而，如果上述亲电性物质在体内的量过大，则可引起谷胱甘肽的耗竭，亲电性物质在体内的量过大，则可引起谷胱甘肽的耗竭，导致明显毒性反应，如乙酰氨基酚与肝蛋白共价结合同导致明显毒性反应，如乙酰氨基酚与肝蛋白共价结合同谷胱甘肽的耗竭关系见图
42、。谷胱甘肽的耗竭关系见图。 结合作用的主要类型及结合酶定位见表。结合作用的主要类型及结合酶定位见表。第三节第三节 代谢活化代谢活化 化学毒物经过代谢转化，大部分是毒性减低，但有的化学毒物经过代谢转化，大部分是毒性减低，但有的化学毒物却可使毒性增强，甚至产生致癌、致突变、致畸化学毒物却可使毒性增强，甚至产生致癌、致突变、致畸作用，又称为代谢活化。对机体来说，代谢减毒是消除过作用，又称为代谢活化。对机体来说，代谢减毒是消除过程的一部分，使毒物的量减少；而代谢活化则使无毒或低程的一部分，使毒物的量减少；而代谢活化则使无毒或低毒的化学毒物转变成高毒性的活性代谢物，可直接与生物毒的化学毒物转变成高毒性的
43、活性代谢物，可直接与生物大分子反应，引起毒作用。因此，毒理学更重视代谢活化大分子反应，引起毒作用。因此，毒理学更重视代谢活化的研究。的研究。 经代谢活化生成的活性代谢产物可以分为经代谢活化生成的活性代谢产物可以分为4 4类：生成类：生成亲电子剂，最为常见，如苯并亲电子剂，最为常见，如苯并( (a)a)芘和芘和2-2-乙酰氨基芴的代乙酰氨基芴的代谢活化；生成自由基；如百草枯、硝化呋喃托英经催化谢活化；生成自由基；如百草枯、硝化呋喃托英经催化还原，四氯化碳还原脱卤，醌经一电子还原，生成自由基还原，四氯化碳还原脱卤，醌经一电子还原，生成自由基等；生成亲核剂，少见，如苦杏仁苷经肠菌群酶催化生等；生成亲
44、核剂，少见，如苦杏仁苷经肠菌群酶催化生成氰化物，二卤甲烷经氧化脱卤生成一氧化碳；生成氧成氰化物，二卤甲烷经氧化脱卤生成一氧化碳；生成氧化还原剂，少见，如硝酸盐经肠菌群酶催化生成亚硝酸盐，化还原剂，少见，如硝酸盐经肠菌群酶催化生成亚硝酸盐，还原酶催化还原酶催化Cr()Cr()生成生成Cr(V)Cr(V)，Cr(V)Cr(V)再催化生成再催化生成H0H0 。 苯并苯并( (a)a)芘芘 B(a)PB(a)P是一种重要的环境致癌物，已在是一种重要的环境致癌物，已在体内鉴定了包括各种结合产物在内共体内鉴定了包括各种结合产物在内共5050多种代谢产物，多种代谢产物，其中其中3-3-羟羟BaPBaP是主要
45、的解毒产物。是主要的解毒产物。BaPBaP首先由首先由P-450P-450酶系催酶系催化生成化生成4 4,5-,7,8-,9,10-,5-,7,8-,9,10-三种主要的环氧化物。这些环氧三种主要的环氧化物。这些环氧化物经环氧化物水化酶化物经环氧化物水化酶( (EH)EH)的催化加水生成二氢二醇衍的催化加水生成二氢二醇衍生物。生物。7 7,8-,8-和和9 9,10-,10-二氢二醇可由二氢二醇可由P-450P-450酶系进一步生成酶系进一步生成邻二氢二醇环氧化物，即邻二氢二醇环氧化物，即7 7,8-,8-二氢二醇二氢二醇-9-9,10-,10-环氧化物环氧化物和和9 9,10-2,10-2氢
46、二醇氢二醇7 7,8-,8-环氧化物。前者环氧化物。前者 有有4 4种异构体，其中种异构体，其中7 7,8-,8-二氢二醇二氢二醇-9-9,10-,10-环氧化物环氧化物(+)-(+)-为终致癌物。通过为终致癌物。通过AmesAmes试验、致皮肤瘤活性试验和试验、致皮肤瘤活性试验和DNADNA加合物检测，多证明加合物检测，多证明7,8-7,8-二氢二醇二氢二醇-9,10-9,10-环氧化物环氧化物(+)-(+)-为终致癌物。为终致癌物。 相反应可引起代谢活化，如致癌物相反应可引起代谢活化，如致癌物2-2-乙酰氨基芴乙酰氨基芴(2-(2-acetylaminonuoreneacetylamino
47、nuorene，2-AAF)2-AAF)和和2-2-氨基芴，可以在氨基芴，可以在N-N-乙酰转移酶和脱乙酰酶催化下互相转化，并均可经乙酰转移酶和脱乙酰酶催化下互相转化，并均可经P-P-450450和黄素加单氧酶催化形成和黄素加单氧酶催化形成N-N-羟基芳酰胺和羟基芳酰胺和N-N-羟基芳羟基芳胺。这两种化学毒物是近致癌物，与硫酸结合、乙酰化胺。这两种化学毒物是近致癌物，与硫酸结合、乙酰化 和葡糖苷酸结合，结合物在酸性和葡糖苷酸结合，结合物在酸性pHpH尿中可水解或由小尿中可水解或由小肠菌丛的肠菌丛的-葡糖苷酸酶催化水解，生成葡糖苷酸酶催化水解，生成N-N-羟基芳香胺羟基芳香胺后者可自发性生成芳基
48、氮宾离子后者可自发性生成芳基氮宾离子( (亲电子剂亲电子剂) )，攻击，攻击DNADNA，引起膀胱癌和结肠癌。引起膀胱癌和结肠癌。第四节第四节 毒物代谢酶的诱导和毒物代谢酶的诱导和抑制抑制 化学毒物在体内的生物转化过程，受很多素的影响，化学毒物在体内的生物转化过程，受很多素的影响，如物种、性别、遗传、年龄、营养、疾病等。如物种、性别、遗传、年龄、营养、疾病等。 一、毒物代谢酶的诱导一、毒物代谢酶的诱导 有些化学毒物可使某些代谢过程催化酶的含量增加有些化学毒物可使某些代谢过程催化酶的含量增加和活力增强，此种现象称为酶的诱导和活力增强，此种现象称为酶的诱导( (induction)inductio
49、n)，凡凡具有诱导效应的化学毒物称为诱导物具有诱导效应的化学毒物称为诱导物( (inducer)inducer)。 P-450P-450酶系的诱导剂有酶系的诱导剂有5 5类，巴比妥类，如苯巴类，巴比妥类，如苯巴比妥比妥( (PB)PB)诱导诱导2 2B1/2B1/2、2C2C、3A1/23A1/2；多环芳烃类，如多环芳烃类，如3-3-甲基胆蒽甲基胆蒽(3(3MC)MC)、TCDD(2TCDD(2，3 3，7 7，8-8-四氯二苯二恶英四氯二苯二恶英) )等，等，诱导诱导1 1A1/2A1/2；醇醇/ /酮，如乙醇、异烟肼，诱导酮，如乙醇、异烟肼，诱导2 2E1E1；甾类，如孕烯醇酮甾类，如孕烯
50、醇酮1616-腈、地塞米松，诱导腈、地塞米松，诱导3 3A1A12 2；氯贝特氯贝特( (安妥明安妥明) )类过氧化物酶体诱导剂，诱导类过氧化物酶体诱导剂，诱导4 4A1/2A1/2。此外，多氯联苯此外，多氯联苯( (PCBPCB，如如Aroehlor1254)Aroehlor1254)兼有兼有PBPB和和3 3MCMC样诱导作用。样诱导作用。 除除P-450P-450酶系外，其它一些生物转化酶也可被诱导。酶系外，其它一些生物转化酶也可被诱导。 二、化学毒物代谢酶的抑制二、化学毒物代谢酶的抑制 许多化学毒物对代谢酶产生抑制作用。抑制作用可许多化学毒物对代谢酶产生抑制作用。抑制作用可以分为几种类
51、型。以分为几种类型。 (1) (1)抑制物与酶的活性中心发生可逆或不可逆性结合。抑制物与酶的活性中心发生可逆或不可逆性结合。如如 - -二乙基氨基苯丙基乙酯二乙基氨基苯丙基乙酯( (SKF-525A)SKF-525A)和胡椒基丁醚和胡椒基丁醚与与P-450P-450的结合而抑制其活性。对氧磷能抑制羧酸酯酶，的结合而抑制其活性。对氧磷能抑制羧酸酯酶，使马拉硫磷水解速度减慢，加强马拉硫磷的生物学作用，使马拉硫磷水解速度减慢，加强马拉硫磷的生物学作用，表现为对昆虫杀虫效果增强，对人畜毒性增高。表现为对昆虫杀虫效果增强，对人畜毒性增高。 (2)(2)两种不同的化学毒物在同一个酶的活性心发生竞争两种不同
52、的化学毒物在同一个酶的活性心发生竞争性抑制。如性抑制。如1 1，2-2-亚乙基二醇和甲醇中毒，此两种化学亚乙基二醇和甲醇中毒，此两种化学毒物经醇脱氢酶催化代谢而导致毒性，临床上给予乙醇毒物经醇脱氢酶催化代谢而导致毒性，临床上给予乙醇治疗，因乙醇与此酶有更大的亲和力，故可降低治疗，因乙醇与此酶有更大的亲和力，故可降低1 1，2-2-亚乙基二醇和甲醇的代谢和毒性。亚乙基二醇和甲醇的代谢和毒性。 (3) (3)破坏酶。如四氯化碳、氯乙烯等的代谢产物可与破坏酶。如四氯化碳、氯乙烯等的代谢产物可与P-P-450450共价结合，破坏结构和功能。共价结合，破坏结构和功能。 (4)(4)减少酶的合成。如氯化钴
53、抑制涉及血红素合成的减少酶的合成。如氯化钴抑制涉及血红素合成的-氨氨基酮戊酸合成酶，并增加血红素氧化酶活性，抑制基酮戊酸合成酶，并增加血红素氧化酶活性，抑制P-450P-450酶酶系活性。系活性。 (5)(5)变构作用。如一氧化碳可与变构作用。如一氧化碳可与P-450P-450结合，引起变构作用，结合，引起变构作用，阻碍其与氧结合。阻碍其与氧结合。 (6)(6)缺乏辅因子。如马来酸二乙酯可耗尽缺乏辅因子。如马来酸二乙酯可耗尽GSHGSH，抑制其它化学抑制其它化学毒物经毒物经GSHGSH结合代谢。结合代谢。 三、毒物代谢酶被诱导或抑制的毒理学意义三、毒物代谢酶被诱导或抑制的毒理学意义 人体在生产
54、和生活环境中往往同时接触多种化学物人体在生产和生活环境中往往同时接触多种化学物质质 包括空气中包括空气中( (车间空气和大气车间空气和大气) )、食物中及饮水中、食物中及饮水中 ，尤其是同时服用某些药物或嗜烟、酒。这些化学物质中尤其是同时服用某些药物或嗜烟、酒。这些化学物质中如果某种能诱导或抑制代谢酶，则可改变其它化学毒物如果某种能诱导或抑制代谢酶，则可改变其它化学毒物的代谢。的代谢。 当代谢酶被诱导，如该化学毒物在体内是经代谢活当代谢酶被诱导，如该化学毒物在体内是经代谢活化，则表现出毒性增强；经代谢转化减毒的化学毒物，化，则表现出毒性增强；经代谢转化减毒的化学毒物，则表现为毒性降低。当存在抑制物时，则得到相反的结则表现为毒性降低。当存在抑制物时，则得到相反的结果。所以，研究毒物代谢酶的诱导或抑制及其机制，有果。所以，研究毒物代谢酶的诱导或抑制及其机制，有重要的毒理学意义。重要的毒理学意义。
