第三章.外源化学物在体内的生物转化

第三节
ⅠⅠ 相反应
• 硫酸结合 硫酸结合反应的供体是3’-磷酰硫酸 （PAPS）在磺基转移酶作用下，生成 硫酸酯。 • 乙酰化作用 乙酰化作用是涉及酶催化或非酶催化 的从乙酰辅酶A将乙酰基转移到含伯胺、 羟基或巯基的毒物。
第三节
ⅠⅠ 相反应
• 甲基化作用：内源性底物的甲基化如组胺、氨 基酸、蛋白和多胺对细胞的正常调节有重要的 意义，仅当毒物符合这些酶的底物要求，甲基 化作用才有重要性，甲基化反应不是毒物结合 的主要方式。甲基化反应由S-腺嘌呤蛋氨酸 （SAM）供给甲基。 • 谷胱甘肽结合：谷胱甘肽S-转移酶（GST）催 化还原性GSH与含有亲电子C、N、S、O的 毒物反应，生成结合物。
(4)诱导还可能改变酶促反应的立体化学特异性。
第四节
影响生物转化的因素
• 外源化学物代谢酶的抑制
• 抑制作用可以分为几种类型。 (1)抑制物与酶的活性中心发生可逆或不可逆性结合。 (2)两种不同的化学物在同一个酶的活性中心发生竞争性抑制。 (3)减少酶的合成。 (4)破坏酶。 (5) 变构作用。 (6)缺乏辅因子。马来酸二乙酯可耗尽GSH，抑制其他化学 物经GSH结合代谢。
第三章 外源化学物在体内的生物转化
陈秉 劳卫环卫教研室 2009. 3
内
容
第一节、生物转化概述
第二节、Ⅰ相反应 第三节、Ⅱ相反应 第四节、影响生物转化的因素
第一节
• • • • •
生物转化概述
一、生物转化和毒物代谢酶： • 生物转化（biotransformation）：指外源化学物在体内经过 一
还原反应类型：
➢ ➢ ➢ ➢ ➢ 硝基和偶氮还原 羰基还原反应 二硫化物、硫氧化 物和N-氧化物还原 醌还原 脱卤还原
Fig. 8: Aryl nitroreduction
Fig. 9: Deamination
Fig. 10: Photochemical reduction
第二节
Ⅰ相反应
（三）水解作用 ➢ 许多外源化学物，例如酯类、酰胺类和 含有酯式键的磷酸盐取代物极易水解 ➢ 血浆、肝、肾、肠粘膜、肌肉和神组织 中有许多水解酶，微粒体中也存在
代谢酶多态性
影响生物转化的因素
外源化学物代谢酶的诱导
诱导(induction)指有些外源化学物可使某些代
谢过程催化酶系的酶蛋白的合成量增加，伴有活力增 强。能引起酶诱导的物质称为诱导剂(inducer)。
外源化学物代谢酶的抑制（inhibition）
第四节
影响生物转化的因素
• 外源化学物代谢酶的诱导
• 遗传生理因素有动物的物种、性别、年龄等，常体现在代谢
酶的种类、数量和活性的差异上，代谢酶的多态性也是影响 毒性反应个体差异的重要因素。各种环境因素主要通过影响 代谢酶和辅酶的合成过程以及催化过程来干扰外源化学物的 生物转化，如代谢酶的诱导和抑制。另外，其他影响因素还 有营养状态、疾病等。
第四节
第三节
ⅠⅠ 相反应
• 氨基酸结合 羧酸先在酰基-CoA合成酶的催化下形 成酰基-CoA硫脂，然后在N-酰基转移酶 的作用下，将酰基转移到甘氨酸、谷氨 酸或着牛磺酸的氨基上，形成酰胺。
Fig. 18: Glutathione conjugation
Fig. 19: Glutathione (γglutamylcysteinyl-ß-glycine)
过氧化、还原和水解等反应使外源化学 物暴露或产生极性基团，如-OH、-NH2、 -SH、-COOH等，水溶性增高并成为适合 于Ⅱ相反应的底物。
第二节
氧化反应 I 相 反 应 的 类 型
Ⅰ相反应
硝基和偶氮还原 羰基还原
还原反应
含硫基团还原 醌还原 脱卤还原
酯酶 水解反应 酰胺酶 环氧化物水化酶
第二节
Fig. 28: Amino acid conjugation
Fig. 29: 2,4-D conjugation to
aspartic acid
第四节
影响生物转化的因素
四、影响生物转化的因素：
• 代谢是化学物毒作用的决定因素。很多因素可影响外源化学 物生物转化，包括机体的遗传生理因素和环境因素两大类。
Ⅰ相反应
脂肪族和芳香族羟化:八甲磷 双键的环氧化： 杂原子(S-,N-,I-)氧化和N-羟化 杂原子(O-,S-,N-)脱烷基 氧化基团转移 (氧化脱氨、脱硫、脱卤素 ) 酯裂解(羧酸酯、磷酸酯) 脱氢
P-450催化氧化
氧化反应
微粒体含黄素加单氧酶
醇、醛、酮氧化和胺类氧化
亲电子剂的形成
苯并(a)芘[benzo (a) pyrene，BaP]
第一节
生物转化概述
生物转化酶的基本特征：
广泛的底物特异性 某些酶具有多态性 具有立体选择性 有结构酶和诱导酶之分
毒物代谢酶的分布：
肝脏：不同组织对外源化学物生物转化能力的显著区别 对于解释化学物损伤的组织特异性具有重要的毒理学意义。 内质网（微粒体）或脂质的可溶部分（胞浆）
第一节
生物转化概述
Comparing Phase I & Phase II
第三节
结合反映的类型： 葡糖醛酸结合 硫酸结合 乙酰化作用 甲基化作用 谷胱甘肽(GSH)结合 氨基酸结合
ⅠⅠ 相反应
•结合酶：
UDP-葡糖醛酸转移酶
磺酸转移酶 乙酰基转移酶 甲基转移酶 谷胱甘肽-S-转移酶
酰基转移酶
第三节
ⅠⅠ 相反应
• 葡糖醛酸结合： 是Ⅱ相反应中最普遍进行的一种，由 UDP-葡糖醛酸基转移酶（UDPGT）催化 对毒物的代谢具有重要的作用。葡糖醛 酸结合中葡萄糖醛酸供体是来自胞液的 尿苷二磷酸葡萄糖醛酸。外源性底物包 括羟基、羧基、胺基和巯基毒物。
第二节
Hale Waihona Puke BaiduⅠ相反应
水解酶的类型： ➢ 酯酶和酰胺酶 ➢ 肽酶 ➢ 环氧水化酶 水解反应是许多有机磷杀虫 剂在体内的主 要代谢方式
Fig. 12: Ester hydrolysis
Fig. 13: Amide hydrolysis
Fig. 16: Hydrolysis of cyano
groups
• 微粒体（Microsome）
内质网在细胞匀浆过程中形成的碎片，并非独立独立的细胞 器。 内质网分为粗面和滑面两种，所形成的微粒体也有粗面和滑 面两种，都含有混合功能氧化酶，但后者活力更强。
第二节
微粒体的基本组成
Ⅰ相反应
➢ 血红素蛋白类 cyt P-450、cyt b5均含 有铁卟啉的结构， 具有传递电子功能 ➢ 黄素蛋白类 NADPH- cyt P-450还原酶 和NADH- cyt b5还原酶，主要是传递电 子并供电子 ➢ 磷脂类 促进上述两类酶相互作用，具 体功能是对膜上 各蛋白酶起固定作用， 促进底物的羟化反应或 增强外源性化学 物与cytp450的结合作用
第二节
Ⅰ相反应
P-450催化的总反应：
RH+O2+NADPH+H+
ROH+H2O+NADP+
第二节
Ⅰ相反应
第二节
Ⅰ相反应
Cyt P450催化下面几类氧化反应 • ➢ 脂肪族或芳香族碳的羟基化 • ➢ 双键的环氧化作用 • ➢ 杂原子（S-、N-、I-）氧化和N－羟基化 • ➢ 杂原子（O-、S-、N-和Si-）脱烷基作用 • ➢ 氧化基团的转运 • ➢ 酯的裂解 • ➢ 脱氢作用
反应外，其他Ⅱ相反应都使外源化学物的水溶性显著增加，促进 其排泄。葡糖醛酸结合、硫酸结合、乙酰化作用、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外源化学物反应。大多数Ⅱ相生物转化酶存 在于胞浆，但UDP-葡糖醛酸转移酶是微粒体酶。一般可以将内源 性辅因子作为体内的防御性因子，但有例外。有些具有极性基团 的外源化学物可以不经过Ⅰ相反应而直接参与Ⅱ相反应。
7,8-环氧苯并(a)芘 P-450 7,8-二羟-BaP 环氧化物水解 酶
7,8-二羟基-9,10-环氧BaP (终致癌物)
第二节
(一）氧化反应
Ⅰ相反应
➢ 微粒体混合功能氧化酶
➢ 非微粒体混合功能氧化酶
第二节
Ⅰ相反应
➢ 微粒体混合功能氧化酶
(micrososmal mixed function oxidase, MFO)，又称微 粒体单加氧酶系或细胞色素P-450酶系
Increase in hydrophilicity General mechanism Consquences
Large Polar compound added to functional group Facilitates excretion
第二节
二、Ⅰ相反应：
Ⅰ相反应
Ⅰ相反应(phase Ⅰ biotransformation)指经
Fig. 20: Glutathione conjugation with herbicides (X) containing halogen, phenolate or alkyl sulfoxide groups (Z)
Fig. 21: Glutathione conjugated with a xenobiotic
Fig. 2: N-dealkylation or Ndemethylation
Fig. 3: O-dealkylation
Fig. 4: Aromatic hydroxylation
Fig. 5a: Thioether oxidation initially produces a sulfoxide
系列化学变化并形成其衍生物以及分解产物的过程。 代谢产物(metabolites)：生物转化的产物。 主要担负生物转化的器官是肝脏。其他器官如肾脏、小肠、肺 脏和皮肤等的生物转化能力明显低于肝脏。 生物转化的意义：水溶性增加、毒性降低 代谢解毒(metabolic detoxication)：经生物转化大部分外源化学 物的代谢产物，毒性降低，易于排出体外，此为解毒反应。 代谢活化(metabolic activation)：经生物转化其毒性被增强的现 象。生成亲电子剂、自由基、亲核剂、氧化还原剂。
Fig. 6: β-oxidation
第二节
Ⅰ相反应
➢非微粒体混合功能氧化酶催化的氧化 反应：在肝组织胞液、血浆和线粒体中， 有一些专一性不太强的酶，可催化某些 外来化合物的氧化与还原，例如醇脱氢 酶，醛 脱氢酶、过氧化氢酶、黄嘌呤氧 化酶等。
第二节
Ⅰ相反应
（二）还原反应 毒物在体内可被还 原酶催化还原，在 哺乳 动物组织还原 反应不活跃，但在 肠道细胞内 是活跃的。
第四节
影响生物转化的因素
• 外源化学物代谢酶的诱导
• 诱导剂对外源化学物代谢和毒作用的影响可有以下几种： (1)如果化学物仅经一个途径代谢，诱导可增加其代谢速率。
如该化学物经此途径代谢解毒，诱导可降低毒性。
(2)如果化学物经几个途径代谢，而仅有一个途径被诱导，诱 导可改变这些代谢途径间的平衡，增强或降低毒性。 (3)如被诱导的同工酶不涉及某化学物的代谢，则诱导不影响 该化学物的代谢。
P-450系的诱导剂有5类： ①巴比妥类，如苯巴比妥(PB)诱导2B1/2、2C、3A1/2； ②多环芳烃类，如3-甲基胆蒽(3MC)、TCDD(2,3,7,8-四氯二 苯二恶烷，二恶英)等，诱导1A1/2； ③醇／酮，如乙醇、异烟阱，诱导2E1； ④甾类，如孕烯醇酮16α-腈、地塞米松，诱导3A1/2； ⑤氯贝特(安妥明)类过氧化物酶体诱导剂，诱导4A1/2。此 外,多氯联苯(PCB)兼有PB和3MC样诱导作用。
Fig. 17: Nitrilase
第三节
三、Ⅱ相反应：
ⅠⅠ 相反应
Ⅱ相反应(phase Ⅱ biotransformation)指具有一定
极性的外源化学物与内源性辅因子(结合基团)进 行化学结合的反应(conjugation)。
第三节
ⅠⅠ 相反应
内源性辅因子需要经生物合成来提供。除乙酰基和甲基结合
Fig. 5b: Thioether oxidation - the sulfoxide can be conjugated with glutathione or further oxidized
(Figure 5c)
Fig. 5c: Thioether oxidation - the sulfoxide is converted to a sulfate
Enzyme Types of reactions Phase I Hydrolysis Oxidation Reduction Small Exposes functional group May result in metabolic activation Phase II Conjugations