3章-环境化学物的生物转运与生物转化

4．环氧化物的水化反应 含有不饱和的双键或三键化合物在相应的酶和催 化剂作用下，与水分子化合的反应称为水化反应， 又称水合反应。最简单的水化反应是乙烯与水结合 形成乙醇的反应。 H2C=CH2 + H2O CH3CH2OH
芳烃类和脂肪族烃类化合物经氧化作用形成的环 氧化物，在环氧化物水化酶的催化下通过水化反应 可形成相应的二氢二醇化合物。
结合反应
葡 萄 糖 醛 酸 结 合
硫 酸 结 合
谷 胱 甘 肽 结 合
乙 酰 结 合
氨 基 酸 结 合
甲 基 结 合
1.葡萄糖醛酸结合
UDPG焦磷酸化酶
尿苷三磷酸 + 葡萄糖-1-磷酸
UDPG脱氢酶
UDPG + 焦磷酸盐 UDPGA + 2NADH2
还原辅酶Ⅰ
COOH O H
UDPG + 2NAD
（二）排泄 排泄是污染物及其代谢产物向机体外转运过程。 排泄器官主要有肾、肝胆、肠、肺、外分泌腺等。 其中以肾和肝胆为主，挥发性化合物还可经呼吸道 随呼出气排出。
1.经尿排泄
主要有以下几种途径：
（1）肾小球过滤
（2）肾小管分泌 （3）肾小管重吸收
2.胆汁排泄 通常，小分子污染物经肾随尿排泄，大分子污 染物经胆排泄胆汁排泄。随胆汁进入小肠的环境化 学物有两种去路： （1）随粪排出；
（4）生物膜上的酶类（如混合功能氧化酶类等）还 对化学物质的生物转化过程起催化作用。
（二）污染物通过生物膜的方式 1 .简单扩散 定义：简单扩散是指在膜两侧即细胞内外存在 浓度差，脂溶性化合物顺着浓度梯度由高浓度一侧 向低浓度一侧扩散的过程。 影响简单扩散的主要因素如下： （1）生物膜两侧化学物的浓度梯度 （2）脂/水分配系数 （3）化学物质的解离度和体液的pH
一、生物转化的反应类型
氧化 生 物 转 化 还原 水解 结合 第二相反应 排出体外 第一相反应 外源化学物
（一）氧化
氧化反应
微粒体混合功能氧化酶
金 属 脱 烷 基 反 应
非微粒体混合功能氧化酶
脂 肪 族 羟 化
芳 香 族 羟 化
环 氧 化 反 应
N脱 烷 基 反 应
O脱 烷 基 反 应
S脱 烷 基 反 应
N羟 化 反 应
S氧 化 反 应
脱 硫 反 应
氧 化 脱 卤 反 应
醇 脱 氢 酶
醛 脱 氢 酶
胺 氧 化 酶
1．微粒体混合功能氧化酶系（MFOS）催化的 氧化反应
RH +NADPH + H+ + O2→ROH +H2O+NADP+ 底物 还原型辅酶Ⅱ 氧化产物
（1）脂肪族羟化 是脂肪族化合物侧链（R）末端 倒数第一个或第二个碳原子发生氧化，形成羟基。 [O] RCH3 RCH2OH
（2）消化道吸收 从口腔摄入的食物和饮水中的污染物质，主要 通过消化道吸收进入体内。消化道的主要吸收部位 是小肠，其次是胃。 （3）皮肤吸收
皮肤限制体内外物质交流的主要屏障作用来自 于角质层的紧密结构。体外物质透过角质层的速度 也是经皮吸收的主要限逐步骤。某些物质在一定条 件下也可以有选择的透过角质层。一般而言，分子 量小于300，兼具脂溶性和水溶性的化合物则易于渗 透。如有机磷农药、四氯化碳等可通过皮肤吸收而 引起中毒。
（7）N-羟化反应
R N H [
2
N
H 2
苯胺
O ] R N H O H
N H O H
→
N-羟基苯胺
（8）烷基金属脱烷基反应 Pb(C2H5)4 （9）S-氧化反应 [O] R-S-R′
硫醚
Pb(C2H5)3
R-SO-R′
亚砜
R-SO2-R′
砜
（10）脱硫反应
RO RO
C
2
P
H
5
S OR' ( S R')
2．酰胺类水解反应 酰胺是羧酸中羧基的OH被胺基置换而形成 的产物，通式为 RNH2，其中胺基中的H也可被 R′或R″所取代。酰胺酶类催化此类反应。
RC O N HR'
+ [H 2 O ]
酰胺酶
R C O O H + R 'N H 2
杀虫剂乐果可通过此类水解反应降解和解毒。
3．水解脱卤反应
DDT在生物转化过程中形成滴滴伊（DDE）是典 型的水解脱卤反应。DDT-脱氯化氢酶可催化DDT和 DDD转化为DDE。在此催化过程中需要谷胱甘肽的 存在，以维持该酶的结构。人体吸收的DDT约60%可 经此反应转化为DDE。DDE的毒性远较DDT为低， 且DDE可继续转化为易于排泄的代谢物。
第二节 污染物的生物转化
环境化学物在体内经过一系列生物化学变化并 形成其衍生物的过程称为生物转化或代谢转化，所 形成的衍生物又称代谢物。 一般情况下外源化学物经生物转化后其极性及 水溶性增加而易排出，毒性降低甚至消失。因此， 过去常将生物转化过程称为生物解毒或生物失活过 程。但并非全部如此，有些外源化学物的代谢产物 的毒性反而增高或水溶性降低。
（2）进入肠肝循环。有些脂溶性的、易被吸收的 环境化学物或其代谢产物，可在小肠中重新被吸收， 再经门静脉系统返回肝脏，再随同胆汁排泄，即进 行肠肝循环。
3.其它排泄途径 （1）一些气体和挥发性物质如CO、醇类等可通过 简单扩散的方式经肺排出。 （2）有些化学物可通过简单扩散进入乳汁，而极性 强的化学物较难随乳汁排出。 （3）有些毒物如重金属可通过指甲和毛发排出。 （4）经口摄入未被胃肠道吸收的环境化学物可随粪 便排泄。
三、污染物的分布与蓄积
分布是指污染物经吸收进入血液和体液后或其 代谢产物形成后，由血液和淋巴的流动分散到机体 各组织器官的过程。 （一）污染物在体内的运输 进入血液的污染物仅少数呈游离状态，大部分 与血浆蛋白，特别是白蛋白(少数与球蛋白)结合而 运输。血浆蛋白可与各种酸性、碱性和中性化合物 结合，但其结合量不同。与蛋白结合紧密的污染物， 不易透过细胞膜进入靶器官对组织产生毒性作用， 也影响其储存、生物转化及排泄过程。
2.滤过
直径小于膜孔的水溶性物质，可借助膜两侧流 体静压或渗透压差经膜孔顺压差透过细胞膜，这一 过程称为滤过。化合物的滤过速率主要与膜孔大小 有关，大多数细胞膜孔较小，仅允许相对分子质量 100~200的化合物滤过。
3.主动转运 定义：化学物伴随能量的消耗由低浓度处向高 浓度处转运以透过生物膜的过程称主动转运。 主要特点： （1）需有载体（或称运转系统）参加。 （2）化学物可逆浓度梯度而转运，故需消耗一定 的代谢能量，因此代谢抑制剂可阻止此转运过程。
第三章
环境化学物的生物转运 与生物转化
第一节 生物转运
一、生物转运过程的基本原理
（一）生物膜的结构与功能
生 物 膜 质膜：包围在细胞外的膜 细胞核及各种细胞器外面包围的膜
功能： （1）保持细胞和细胞器内部理化性质的稳定; （2）选择性地允许或不允许某些物质透过，以便吸 收和排出一些物质；
（3）传递信息;
2 .肝和肾
肝和肾组织成分可与许多化学物结合，肝和肾 的细胞中含有特殊的结合蛋白，能将与血浆蛋白结 合的环境化学物夺过来。 3 .脂肪组织
许多环境有机化学物是脂溶性的，易于吸收并 贮存在体脂内而不呈现生物学活性。 4 .骨骼组织 骨骼组织中某些成分与环境化学物有特殊亲和 力，使骨骼成为这些物质贮存沉积的场所，如氟化 物、铅、锶等能与骨基质结合而贮存其中。
辅酶Ⅰ
OH
葡萄糖醛酸基转移酶
+ UDPGA
O H + UDP
OH H OH
H OH
苯基-β-葡萄糖醛酸苷
尿苷二磷酸
2 .硫酸结合
内源性硫酸来自含硫氨基酸的代谢产物，但 必须先经三磷酸腺苷（ATP）活化，成为3-磷酸 腺苷-5-磷酸硫酸（PAPS），再在磺基转移酶的 催化下与醇类、酚类或胺类结合为硫酸酯。
R N
[O]
RNH-R` -R`` 胺
RNH2 + R`-CO –R 酮
（5）O-脱烷基和S-脱烷基反应
[O]
R-O-CH3 [ R-O-CH2OH ] ROH + HCHO
R-S-CH3
[O]
[R-S-CH2OH]
RSH + HCHO
（6）脱氨基反应 R-CH2-NH2
[O]
RCHO + NH3
（3）载体对转运的化学物有一定选择性，化学物 必须具有一定适配的基本结构才能被转 。
4.易化扩散 定义:不易溶于脂质的化学物，利用载体由高浓 度处向低浓度处移动的过程，称为易化扩散，又称 帮助扩散或载体扩散。
特点:不消耗代谢能量。具有一定的主动性和选 择性，但因只能从高浓度处向低浓度处转运，故又 属于扩散性质。
P S O N O
[O]
2
RO P RO
C C
2 2
O OR' ( S R')
5 5
O O
H H
O O
P
O O N O
2
C
2
H
5
对硫磷 （11）氧化脱卤反应
对氧磷
R CH 2 X
[O ]
X RCHO H
RCHO + HX
2.非微粒体酶催化的氧化反应
这类酶主要催化具有醇、醛、酮功能基团的外
源化学物的氧化反应，主要包括醇脱氢酶、醛脱氢
（2）芳香族羟化 芳香环上的氢被氧化形成-OH。
[O] C6H5R RC6H4OH
OH [O ]
笨
苯酚
（3）环氧化反应
O R CH2 CH2 R [O] R CH CH R
（4）N-脱烷基反应 胺类化合物氨基N上的烷基被 氧化脱去一个烷基，形成醛类或酮类
CH3 [O] CH3 CH3 R N CH2OH R N H CH3 + HCHO
酶及胺氧化酶类。此类酶主要在肝细胞线粒体和胞
液中存在，肺、肾也有出现。 （1）醇脱氢酶
RC H 2O H N AD RC H O + N A D H + H
+
醇类
醛类
（2）醛脱氢酶 RCHO
醛类
NAD
RCOOH
酸类
（3）胺氧化酶
①单胺氧化酶（MAO） [O] RCHO + NH3 + H2O RCH2NH2 + H2O ②二胺氧化酶（DAO）
（四）结合反应
结合反应是进入体内的外源化学物在代谢过程 中与某些其他内源性化学物或基团发生的生物合成 反应，形成的产物称结合物。 外源化学物可直接发生结合反应，也可经第一
相反应后再发生结合反应（第二相反应）。大多数 外源化学物及其代谢产物均需经过结合反应，再排 出体外。
根据与外源化学物结合的结合剂不同，可将 结合反应分为以下几种类型：
（三）污染物在体内的蓄积
生物机体接触某种污染物质过程中，若吸收超 过排泄及其代谢转化，则会出现该污染物质在体内 逐渐增加的现象，称为生物蓄积。机体的主要蓄积 部位主要以下几种：
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1.血浆蛋白
进入血液中的环境化学物可与血液中的蛋白质， 特别是白蛋白发生结合，与蛋白质结合的化学物不 易透过细胞膜进入靶器官产生毒作用，对化学物的 排泄、转化及再分布也有影响。
（三）水解
水解反应是在水解酶的催化下，化学物与水发 生化学反应而引起化学物分解的反应。
酯类水解反应 水 解 反 应 酰胺类水解反应 水解脱卤反应 环氧化物的水化反应
1．酯类水解反应
酯类在酯酶的催化下发生水解反应生成相应 的酸和醇
酯酶
RC O O R'
R C O O H + R 'O H
水解反应是许多有机磷杀虫剂在体内的主 要代谢方式，例如，敌敌畏、对硫磷（或对氧 磷）及马拉硫磷等水解后毒性降低和消失。
二、污染物的吸收
污染物的吸收是污染物通过各种途径透过体膜 进入血液循环的过程。化合物主要通过呼吸道、消 化道和皮肤三种途径吸收进入体内。 （1）呼吸道吸收 呼吸道是吸收大气污染物的主要途径，主要吸 收部位是肺泡。污染物在肺脏吸收的总面积可高达 50~100m2，相当于皮肤吸收面积的50倍。肺脏的 血循环十分丰富，便于污染物的吸收入血和转运。
（二）还原 1.微粒体还原 外源化合物可通过微粒体酶的作用而被还原，这 些反应在肠和细胞内细菌中比较活跃，而在哺乳动物 组织内却较弱。 （1）硝基还原
NO2 2H NO 2H NHOH 2H NH2
（2）偶氮还原
N N 2H N N H H 2H 2 NH2
（3）还原性脱卤 如三氯甲烷、二氯甲烷等卤代物 可在微粒体酶的作用下发生还原脱卤。 2.非微粒体还原 醛、酮、硫和氮氧化物等发生的还原反应，如， 三氯乙醛还原转化为三氯乙醇。
5 .膜的特殊过程
生物膜具有可塑性和流动性，一些固态颗粒状化 合物或液滴与膜上某种蛋白质有特殊亲和力，当其 与膜接触后．可改变这部分膜的表面张力，引起膜 的外包或内陷而被包围进入膜内，固态化合物的这 一转运称为吞噬作用，而液态化合物的这一转运称 为胞饮作用。吞噬和胞饮不是化合物的主要转运方 式，但是，在机体的某些特殊部位，某些种类的化 合物能通过这两种过程进入细胞内。如肺的巨噬细 胞及肝脏的网状内皮系统可以通过这种方式将某些 毒物从血液中排出。消化道粘膜上皮细胞对于铅、 镉、汞等金属亦具有此种作用。