第三章__化学毒物的生物转化

第三章化学毒物的生物转化BiotransformationofChemicalToxicants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(biotransformation）或代谢转化。BiotransformationLesseffectivedrug,LesstoxicMoreeffectivedrugMorewatersoluble,MoretoxiccompoundMorewatersoluble,Lesstoxic化学毒物的生物转化过程分两相反应，第一相反应(PhaseⅠreaction)主要包括氧化(oxydation)、还原(reduction)和水解(hydrolysis)；第二相反应(phaseⅡreaction)主要为结合反应(conjugation)，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进行。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。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。TwoPhasestoetoxification/MetabolismToxinPrimaryMetabolitePhase1SecondaryMetabolitePhase2NonPolarPolarFatSolubleWaterSoluble第一节Ⅰ相反应一、氧化作用1.细胞色素P-450酶系微粒体细胞色素P-450酶系又称为微粒体混合功能氧化酶(microsomalmixedfunctionoxidase,MFO)，或单加氧酶(monooxygenase)。此酶系由三部分组成，即血红素蛋白类(细胞色素P-450和细胞色素b5)、黄素蛋白类(NADPH-细胞色素P-450还原酶和NADH-细胞色素b5还原酶)和磷脂类。以细胞色素P-450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自呈现典型的吸收光谱。例如细胞色素P-450本身在420nm处出现强吸收光谱，但在还原条件下与CO结合后，最强吸收光带在450nm处，因此而得名。细胞色素P-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物转化过程中的氧化反应。Thedisruptionisusuallycarriedoutinanisotonicmedium(thismediummaybeasaltsolutionbutisoften0.24Msucrose).Afterhomogenizationthecomponentscanbeseparated.Thefragmentsoftheendoplasmicreticulumtendtofusetoformvesicles.Themorphologicalconstituentsofatypicalmicrosomefractionofliverasrevealedbytheelectronmicroscope.细胞色素P-450酶系由两类酶组成，一类为血红蛋白类，其中包括细胞色素P-450和细胞色素b5,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Ⅱ-细胞色素P-450还原酶（NADPH-cytochromeP-450reductase）以及还原型辅酶Ⅰ-细胞色素b5还原酶（NADH-cytochromeb5reductase)，这类酶的功能主要是电子传递作用并提供电子。细胞色素P-450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P-450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P-450氧化酶催化。目前已确定，P-450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P-450结构型的，其他的是诱导型的。很多P-450的cDNA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。P-450的酶氨基酸序列相似性＞40%是属于同一家族，如＞59%则属于同一亚族。P-450的命名是用斜体词根CYP代表。除小鼠之外所有物种的细胞色素P-450的基因和cDNA(小鼠用Cyp)，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。如CYP1A1表示P-450的1基因族A亚族第1基因。所有物种P-450的mRNA和酶都用大写字母表示。人肝脏主要含15种以上不同的生物转化化学毒物和/或内源性底物的P-450(CYP1A2，2A6，2B6，2C8，2C9，2C18，2C19，2136，2E1，3A4，3A5，3A7，4A9，和4A11)。涉及化学毒物生物转化的人肝主要P-450的底物、抑制剂和诱导剂见表。P-450的催化机制共有7步。P-450催化的总反应为：底物(RH)+O2+NADPH+H+产物(ROH)+H2O+NADP+ioncycleFeIIIFeIII(RH)FeII(RH)FeII(O2)(RH)FeII(O2.)(RH)FeIV(O.)(RH)e-e-2H+H2OROHRHFeIII(O2.)(RH)O2ReactioncycleP-450催化地反应类型：⑴脂肪族和芳香族的羟化(hydroxylationofaliphaticoraromaticcarbon)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(schradane，OMPA)末位甲基羟化生成N-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10倍。⑵双键的环氧反应(epoxidationofadoublebond)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极为稳定，可长期在环境和机体脂肪组织中存留，例如有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，将继续发生羟化，形成二氢二醇化合物。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。后者的环氧化产物不稳定，将继续发生羟化。⑶脱氢(dehydrogenation)P-450也对催化很多化学毒物的脱氢反应。⑷其他OHRCH2CH3RCH2CH2OHR2CCR2R2CCR2OORXCH3RXHH3CO+•Hydroxylations•Epoxidation•Heteroatom(O,N,S)dealkylationCYTOCHROMEP450OxidationsCytochromeP450–mediateddehydrogenationNCCH3OHHONCCH3OO2.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氧酶(microsomalflavin-containingmonoxygenase,FMO)可氧化多种化学毒物的亲核性氮、硫和磷杂原子。FMO以黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)为辅酶，需要NADPH和O2。与P-450酶系的不同之处是，FMO不能在碳位上催化氧化反应。3.醇、醛、酮氧化-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、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。例如，乙醇经胞液中的醇脱氢酶及醛脱氢酶催化，在NAD+受氢的条件下，脱氢氧化，最后生成CO2。4.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加氧酶催化，形成前列腺素G2(PGG2)，PGG2又经氢过氧化物酶催化进一步被氧化成为前列腺素H2(PGH2)。这两种酶合称为前列腺H合成酶(prostaglandinHsynthase,PHS)，此酶位于微粒体。NOHOHNOC6H6O6-OHGlucuronidationNOSO3-OHSulfationCYPP450(liver)ProstaglandinHSynthase(kidney)NOOGlutathioneConjugationNOHOHSGBindingtoproteinandDNAAcetaminophenNAPQI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。1.硝基和偶氮还原由肠道菌群和两种肝脏酶P-450及NAD(P)H-醌氧化还原酶催化，后一种酶存在于胞浆中。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代谢活化。二硝基甲苯经肝P-450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，一个或两个硝基被硝基还原酶还原成胺，葡糖苷为β-葡糖苷酶水解。水解后的代谢物被重吸收转运至肝，新生成的氨基由P-450催化N-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，氮宾离子可攻击DNA，引起突变和肝癌。MolecularRecognitioninToxicology:InductionofCytochromeP450ToxinReceptorOutsideInsideDNA2.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还原酶是NADPH依赖性酶，存在于血液、肝、肾、脑及其它组织的胞浆中。3.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NADH或NADPH时，N-氧化物可由线粒体和/或微粒体酶催化还原。4.醌还原醌由NAD(P)H-醌氧化还原酶催化还原成氢醌，此酶是黄素蛋白，又称为DT-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。醌的二电子还原是无毒性的。但醌经NADPH-P-450还原酶催化─电子还原，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、过氢氧自由基、过氧化氢、羟基自由基。氧化应激是某些含醌或可转变为醌的化学毒物毒作用的重要机制。5.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反应由P-450催化，脱氢卤反应由P-450和GSHS-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中起重要的作用。如肝脏毒物四氯化碳经还原脱卤反应代谢活化，一电子还原生成三氯甲烷自由基(·CCl3)，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、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(esterase)最为广泛，另一种为酰胺酶(amidase)。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。根据与有机磷酸酯的关系，酯酶可分为3类。A类(芳香酯酶)，可水解有机磷酸酯；B类(羧基酯酶)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胆碱酯酶，引起毒性效应；C类(乙酰酯酶)，与有机磷酸酯无相互作用。第二节Ⅱ相反应Ⅱ相反应(phaseⅡbiotransformation)又称为结合作用(conjugation)。Ⅱ相反应中，外源化学物原有的或由I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应。除了甲基化和乙酰化结合反应外，其它Ⅱ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、硫酸结合、乙酰化作用和甲基化作用涉及活化的(“高能”的)辅因子，而与谷胱甘肽(GSH)结合和与氨基酸结合则是与活化的化学毒物反应。一、葡萄糖醛酸结合葡