第三章遗传毒物在体内的生物运转

p51第三章遗传毒物在体内的生物转运第一节概述在毒理学中，无论外源性和内源性物质或药物，一般都统称为毒物，具有遗传毒性的毒物称为遗传毒物(genotoxicagent)。为便于描述，本章将遗传毒物简称为毒物。毒物的毒性决定于剂量。机体吸收化学物的量越大，则毒性反应也越大。这是毒理学中的经典原则，即剂量一反应关系。事实上决定作用的不是接触的剂量，而是毒物在作用点，即靶器官(targetorgan)、靶组织或靶部位的化学物浓度决定其毒性。无论毒物是外源性或内源性，在一定剂量下可引起毒性反应。毒物在靶部位的浓度一般与剂量呈比例，但是相同剂量不同毒物可导致特定靶器官中的浓度有很大差别。这种差别决定于各毒物进入机体至排出体外的过程不同，也即毒物处置(disposiaon)的不同。处置包括毒物的吸收、分布、生物转化或代谢和排泄。许多因素可影响毒物的处置，因此或多或少影响毒物在靶器官中的浓度和毒性。例如：①毒物的吸收率或吸收速度很低，则毒物在潜在的作用部位永远不会达到足够高的浓度而引起毒性作用；②某毒物可能主要分布在一种组织中，而它不是靶器官，则可降低其毒性；③毒物的生物转化可导致产生毒性较低或毒性较高的代谢产物，其形成的速率也有快慢，因此在靶部位的浓度和后果也不同；④从体内快速消除的毒物，则它在靶器官中的浓度和毒性都较低。而且，上述这些过程是相互关联的，互相影响的。例如：某毒物的排出速率，很大程度上取决于它在体内的分布和(或)生物转化，如果某毒物主要分布和贮存在脂肪中，由于其血浆中浓度很低而使肾及其他器官清除速率减慢，所以从体内消除可能是慢的。有些脂溶性毒物一般非常不易被生物转化。它们排泄速率取决于生物转化为水溶性代谢产物或毒物原形经肠道排泄的速率。由上述可知，毒物的处置对决定它们在体内的浓度和毒性是十分重要的。定量测定毒物的吸收、分布、生物转化和排泄的时间过程称为毒代动力学(toxicoki．netics)，它常用数学模式描述毒物处置的全部或部分过程。根据数学模式进行计算，就可获得一系列数据如半减期或半排出期、消除速率常数、表观分布容积、室间转运速率常数等，用以定量描述毒物处置的特征，它们在评定毒物毒性时是非常重要的。根据毒代动力学的种属差异，以及关于毒物在某种属动物体内的特殊处置途径，毒理学就可预测某毒物在人体内的处置和毒性[1]。环境中含有大量毒物，皮肤、肺和胃肠道是阻挡这些毒物进入机体的主要屏障。但这些屏障是不完善的，毒物仍可经过它们进入体内而产生有害作用。任何毒物通过上述屏障之一吸收至血流进而分布至全身，包括受损部位，后者常称为靶器官或靶组织。一种毒物可能有一个或数个靶器官，而几种毒物可能有相同的一个或数个靶器官。显然，毒物对某器官发生直接毒作用，则必须到达该器官，但是毒物的间接毒作用可以发生在远隔部位。例如影响维生素吸收的毒物，络合一种或数种微量元素的毒物，消耗体内自由基清除剂的毒物等，均可对远隔部位产生间接毒作用。除了毒物浓度以外，还有些因素影响器官p52对毒物的易感性。因此，不一定毒物浓度最高的器官或组织就是毒作用部位。例如有机氯杀虫剂在体内脂肪中浓度最高，但对脂肪组织至今未发现有毒作用，故脂肪组织只是它们的贮存库。毒物在其处置过程中均可同时对有关器官和组织发生有害作用。毒物通过生物转化、排出和贮存于体内不同部位而从全身血循环中去除。上述各过程在毒物消除中所起的作用决定于毒物的理化特性。肾脏对大多数毒物的消除起重要作用，肺对挥发性物质的消除起重要作用，胆汁则对重金属的排出有重要意义。肝是毒物的主要生物转化器官，血浆、肾、肺和胃肠道等器官或组织中的酶也有生物转化的功能。生物转化是毒物经肾排出的前提，因为大多数毒物是脂溶性的，经肾小球滤过后在肾小管中会被重吸收，而经生物转化形成水溶性代谢产物可经肾或胆汁排出。本章将就毒物的吸收、分布和排出作概要介绍[1,2]，有关毒代动力学请参考普通毒理学专著，本书不作详述。生物转化将在第四章中讨论。第二节细胞膜与毒物转运[3]环境中毒物进入机体通常要通过皮肤、呼吸道和胃肠道屏障，再经毛细管内皮到达血流，然后进入靶器官或靶组织。上述过程需要通过一系列细胞，所以毒物在体内转运要通过细胞膜。细胞膜又称质膜，各类细胞的细胞膜结构基本相似，细胞质中的细胞器如线粒体、溶酶体、内质网结构和高尔基氏体等都呈膜的结构，这些膜统称生物膜。这些膜对维持细胞生命的代谢和调节以及毒物的转运和效应都起重要的作用。膜的厚度为7．5～lOnm。膜的外表可有一层大包膜，由糖脂类和糖蛋白组成，是亲水的部位，可与细胞外液相接，这层包膜与膜的电荷有关，也是一些影响膜电荷的毒物作用的部位。膜的本身由外、中、内三层组成。外层和内层均为散在的单层蛋白质分子，这些蛋白质又称之为周边蛋白，中间为双层脂质分子结构，一些小球状的蛋白质分子镶嵌于脂质分子的夹层之中，称之为整合蛋白。周边蛋白中有些具有收缩作用的动作蛋白，与细胞的吞噬作用和胞饮作用有关。动物，包括人的细胞膜的结构模式是相似的，但组成的蛋白质和脂质分子的种类可大不相同。一般规律是，在功能复杂的细胞生物膜中，所含的蛋白质种类和数量较多，而功能简单的细胞则其蛋白质种类和数量较少。此外，构成生物膜物质的功能发挥是互为依存的，例如某些膜上酶蛋白只有存在于脂质双层结构中才具有催化活性。细胞膜通常被认为具有极性和非极性两部分，这与其外层蛋白质的组成有关。膜的蛋白质常为双极性质，即由极性和非极性两类氨基酸所组成。其非极性氨基酸埋人于双层脂质的脂肪酸尾端部位形成了膜的非极性部分。蛋白质的极性氨基酸裸露在膜表面，形成了膜的极性部分。除了此外层蛋白质是一些毒物跨膜转运的载体，一些周边蛋白(peripheralprotein)或整合蛋白则构成与毒物特异性结合并产生效应的受体。此外，构成许多特异性离子通道，如Na+、K+、Ca2+、Cl一通道的膜蛋白通常为整合蛋白。这些通道可被某些毒物所阻滞。构成不同细胞膜双层的脂质约500种，但有的细胞膜上仅50种。脂质双层分子是由两排各种脂质分子(如磷脂胆碱、磷脂丝氨酸和糖脂等)组成，其脂质主要为磷脂。每一脂质分子具有头部和尾部，头部系由亲水的磷酸和碱基组成，具亲水性；尾部是由两条非极性的脂肪链组成，呈疏水性。两排脂质分子的亲水端(头部)分别朝向p53膜的内外侧表面；而疏水的尾部则向着膜的中央。由于组成脂质双分子层的脂肪链中，大部分为不饱和脂肪酸，其熔点低于正常体温，所以脂质双分子层呈流动状态，而球形蛋白分子就镶嵌在脂质双分子层中。不饱和脂肪酸的此种液体流动性是决定膜通透性的重要因素。膜的不饱和脂肪酸愈多，其通透性愈高。胆固醇对于膜的通透性则起着相反作用，与不饱和脂肪酸起对抗作用。胆固醇将不饱和脂肪酸所在处的磷脂酸结合起来形成疏水性稳固的复合物，使脂肪酸的尾端成为不活动的坚实体。细胞质膜的胆固醇含量比其他生物膜高，故其坚实度较高，疏水性强，常妨碍非脂溶性物质穿透细胞质膜，并使质膜保持高电荷。毒物的吸收、分布、生物转化和排泄各个过程都涉及其跨生物膜的转运。例如毒物经皮肤、黏膜吸收要穿越数层细胞，而经肺、胃肠道吸收只需穿越单层细胞。一般认为，相对分子质量在100200的小分子物质，可通过细胞间隙和膜的孔道转运和特殊转运(specialtransport)，后者也称主动转运。在细胞缺血、缺氧情况下，细胞膜的通透性发生改变，毒物跨膜转运的机制也会随之发生改变。本节主要讨论在细胞正常状态下毒物的跨膜转运。一、被动转运1．简单扩散在此过程，毒物分子从浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散，即顺浓度梯度扩散，称简单扩散(simplediffusion)，又称顺流转运，是大多数毒物穿越生物膜的主要转运方式。在简单扩散过程中，毒物并不与膜起反应，不需要细胞提供能量。影响被动转运的因素主要有：①细胞膜两侧毒物的浓度梯度越大，通过细胞膜的扩散速度越快；②毒物在脂质中的溶解度常以脂：水分配系数(1ipid：waterpartitioncoefficient)表示。脂溶性越大、水溶性越小的物质，它的脂：水分配系数就越大，就越易通过细胞膜，能以简单扩散方式通过细胞膜，因为类脂质双分子层只允许脂溶性物质通过。但是对于只能溶于脂肪或只能溶于水或在两者中均难于溶解的物质，则不易通过简单扩散穿透细胞膜，因毒物在生物体内的扩散除需要通过脂相外，还要通过水相。因此脂溶性大，但在水中溶解度低的毒物不易进行简单扩散，细胞几乎不能吸收，只有既是脂溶性的，也是水中溶解度较高的毒物，才能容易地以简单扩散方式通过许多生物膜；③毒物的解离度和体液的pH对通过细胞膜有很大影响。很多毒物在溶液中以解离和非解离形式存在。解离状态部分在脂质中的溶解度低，不易通过细胞膜；而非解离状态部分的脂溶性高，较易通过细胞膜。也就是说，毒物在体液中的解离度越大，就越不易通过细胞膜。弱酸、弱碱以及酸性盐类和碱性盐类的解离度，除取决于它们本身的解离常数(dissociationconstant，pKa，酸的解离常数的负对数)外，还与体液的pH值有关。当pH值下降时，弱酸性物质的解离减少，以不带电的分子状态存在，脂溶性增强，易于通过细胞膜扩散；相反地，此时弱碱性物质的解离度增高，脂溶性降低，就不易通过细胞膜扩散。胃肠道不同部位的pH值不同；肾小管腔中尿液的pH值可因食物、疾病等因素而变化，从而影响毒物的吸收和排泄；④毒物在通过细胞膜过程中可与蛋白质结合，与不同蛋白质结合的亲和力各不相同，因此毒物在细胞膜上的扩散速率与膜两侧体液中的蛋白质浓度及毒物与蛋白质结合的亲和力大小有关。p542．腰孔滤过作用膜孔滤过作用是毒物通过细胞膜上的亲水性孔道的过程。细胞膜具有充满水分的小孔道，它是由嵌入类脂质双分子层中的蛋白质的亲水性氨基酸所构成。体内各种膜问的主要差别仅仅是孔道大小而已，小的为0．2-0．4nm肾小球和毛细血管中这种孔道相对较大(4nm)，可让小于白蛋白的分子(分子质量为69000Da)通过。在渗透／ii,梯度和液体静压作用下，大量水可经这些膜孔通过。水还可以携带其他小分子化学物或离子从细胞膜孔道滤过。凡分子直径小于孔道的化学物都可通过。例如，水由肾小球滤过时，除蛋白质及血液中的有形成分被阻留下来外，其余所有溶于血浆中的溶质均能被水携带通过肾小球毛细血管内皮细胞膜孔而进入肾小管腔。正常情况下滤过的溶质又可被肾小管选择性地重吸收至血液。二、特殊转运1．主动转运许多化学物通过生物膜无法以简单扩散滤过进行解释。例如某些化学物太大而不能穿过亲水性孔道，此外某些非脂溶性大分子化合物和大离子不能通过膜上的脂质扩散，而需通过特殊转运机制穿过生物膜，称为主动转运(activetransport)。这种转运是通过膜与载体相结合，故又称载体介导转运(carrier．mediatedtransport)。载体(vector，carrier)被认为是一种膜的成分，能在膜的一侧与被转运物质相结合生成复合体，而以复合体的形式共同透过膜的另一侧，随后将该物质释放，然后载体又重新返回原侧位，可反复进行转运，见图3—1。该转运机制在毒物吸收方面意义较小，而在毒物的分布和排泄过程中起重要作用。在中枢神经系统的脉络丛和肾脏各有两个转运系统(transportsystem)(有机酸和有机碱)，而肝内至少有4个转运系统(两个有机酸、1个有机碱和1个中性化合物)。肝脏具有排泄铅、锰、砷等的主动转运系统(activetransportsystem)，因此它们易排出至胆汁。载体转运系统决定了主动转运过程具有下列特性：①溶质可以逆浓度差透过生物膜，即可从低浓度向高浓度转运，而离子则可逆电位转运，即从低电位处向高电位处转运；②因载体数量有限，主动转运有极限，毒物浓度高至一定程度时，转动过程可达饱和；③具有选择特性，即对特异化学结构物具有专一性；④以同种载体转运的物质向能产生竞争性抑制；⑤该系统需要能量的消耗，因此代谢抑制剂影响能量的供应可阻断这一转运机制。图3—1载体介导的转运示意图(引自李家泰)[3]2．易化扩散(facilitateddiffusion)易化扩散适用于载体介导转运，除了被转运