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生物转化(biotransformation)是指外源化学物在机体内经多种酶催化的代谢转化，生物转化是机体对外源化学物处置的重要的环节，是机体维持稳态的主要机制。对于外源化学物或毒物，“生物转化”和“代谢”两个名词常常作为同义词使用。第三章毒物的代谢转化一、生物转化和毒物代谢酶外源化学物生物转化酶所催化的反应一般分为两大类，称为Ⅰ相反应和Ⅱ相反应。Ⅰ相反应包括水解反应、还原反应和氧化反应，这些反应涉及暴露或引入一个功能基团，如-OH、-NH2、-SH或-COOH，通常仅导致水溶性少量的增加。Ⅱ相反应包括葡萄糖醛酸化、硫酸化、乙酰化、甲基化，与谷胱甘肽结合以及与氨基酸结合，如甘氨酸、牛磺酸和谷氨酸。这些反应的辅助因素与外源化学物功能基团反应，功能基团可以是外源化学物原有组成成分，也可以是经Ⅰ相反应引入或暴露的。大多数Ⅱ相反应可导致外源化学物的水溶性显著增加，且加速其排泄。外源化学物生物转化的另一结果是改变其毒效学性质。大多数情况是生物转化终止了药物的药效作用或降低了外源化学物的毒性，但对有的毒物却可使毒性增强，甚至产生致癌、致突变和致畸效应，又称为代谢活化(metabolicactivation)或生物活化。经代谢活化生成的活性代谢产物可以分为4类：①生成亲电子剂，最为常见，苯并(a)芘和2-乙酰氨基芴的代谢活化；②生成自由基，如百草枯、硝化呋喃妥英经催化还原，四氯化碳还原脱卤，醌经单电子还原，生成自由基等；③生成亲核剂，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；④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，还原酶催化Cr(VI)生成Cr(V)，Cr(V)再催化生成HO·。(二)毒物代谢酶的基本特性生物转化酶类底物特异性广泛，一类或一种酶可代谢几种外源化学物，而且还可代谢内源性化学物如乙醇、丙酮、甾体激素、维生素A和D、胆红素、胆酸、脂肪酸及花生酸等。生物转化酶类在体内持续地少量表达，可称为结构酶；外源化学物可刺激(诱导)很多生物转化酶类合成，可称为诱导酶。某些生物转化酶具有多态性，其结构(即氨基酸序列)和活性不同。不同个体的生物转化酶多态性。造成外源化学物生物转化速度的个体差异。化学物生物转化酶中氨基酸改变对催化活力的影响通常存在底物依赖性，例如，生物转化酶的等位变体可与某些底物及抑制剂正常地相互作用，但对于其他底物则反应异常。有些外源化学物的生物转化具有立体选择性，即一种对映体(或立体异构体)的生物转化速率要快于另一对映体。例如，抗癫痫药物麦山妥英，它是R-和S-型外消旋混合物，其在人体S-对映体迅速由细胞色素2C19羟化并排泄；而R-对映体则较慢。有些手性外源化学物具有抑制生物转化酶的能力，也具有立体选择性。而且，在某些情况非手性分子(或非手性中心)可转变成对映体代谢物的混合物，代谢产物也有立体选择性，即一种对映体要优于其另一对映体的形成。外源化学物生物转化酶的命名，由于其具有广泛的和交叉的底物特异性，如按其催化反应来命名，不可避免地造成混乱。现在，许多生物转化酶已被克隆和测序，基于单个酶的氨基酸一级序列而建立的命名系统可避免在命名上的混乱。(三)毒物代谢酶的分布毒物代谢过程主要在肝脏进行，但肝外组织也有一定代谢能力，如肾脏、小肠、肺脏和皮肤等(表3一1)。在脊椎动物，肝脏是含外源化学物生物转化酶最丰富组织，次之为皮肤、肺脏、鼻粘膜、眼及胃肠道。此外，其他组织如肾脏、肾上腺、胰、脾、心、大脑、睾丸、卵巢、胎盘、血浆、血细胞、血小板、淋巴细胞及大动脉等均有生物转化酶。肠道菌群在某些外源化学物生物转化中起着重要的作用。由胃肠道吸收的外源化学物，肝脏和肠道上皮限制了经口摄入外源化学物的全身生物活性作用，称为首过消除。不同的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。外源化学物生物转化酶广泛分布于全身组织，在细胞则分布于几种亚细胞组分。在肝脏及大多数组织中，外源化学物生物转化酶主要位于内质网(微粒体)或脂质的可溶部分(胞浆)，在线粒体、细胞核及溶酶体则较少分布。内质网富含生物转化酶是因为经尿液或胆汁排泄的外源化学物多为脂溶性，在内质网脂质双层中易于溶解进行生物转化。生物转化的I相反应(phaseⅠbiotransformation)主要包括氧化、还原和水解反应二、Ⅰ相反应反应胞浆线粒体微粒体溶酶体其他氧化醇脱氢酶、脱氢酶、醛氧化酶、黄嘌呤氧化酶、双胺氧化酶醛脱氢酶、单胺氧化酶前列腺素H合成酶、黄素加单氧酶、细胞色素P-450/还原偶氮和硝基还原、羰基还原、二硫还原、硫氧化物还原、醌还原/偶氮和硝基还原、羰基还原、醌还原、还原性脱卤/肠道菌群：偶氮和硝基还原血：羰基还原水解酯酶、环氧水化酶/酯酶、环氧水化酶酯酶、肽酶血：酯酶、肽酶(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(microsomalmixedfunctionoxidasem，MFO)，或单加氧酶(monooxygenase)。该酶系主要由三部分组成，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。其中以细胞色素P-450(以下简称为P-450)最为重要。用苯巴比妥(PB)和3-甲基胆蒽(3-MC)处理动物，对大鼠肝微粒体的药物氧化代谢有不同的作用，将诱导型P-450分为PB型和3-MC型。后者又称为P-448，主要存在于肝外组织，其催化的底物及其他性质不同于P-450。目前已确定，P-450是一个蛋白质超家族，其每一种对底物专一性有特征性谱，其中某些是P-450结构型的，其他的是诱导型的。很多P-450的cDNA和基因结构已经阐明。这些蛋白质根据结构的相似性组成家族和亚族。目前已定位了人类P-450基因组的17个基因亚族和小鼠的15个基因亚族，每个亚族代表着一紧密连接的基因簇。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CYPlAl表示P-450的l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毒物和(或)内源性底物的P-450(CYPlA2，2A6,286，2C8，2C9，2C18，2C19，2D6，2El，3A4，3A5，3A7，4A9，和4A11)。P-450的催化机制：①氧化型细胞色素P-450(Fe3+)首先与RH结合形成一种复合物；②再在NADPH细胞色素P-450还原酶的作用下，由NADPH提供一个电子使其转变为还原型细胞色素P-450(Fe2+)复合物；③此复合物和一个分子氧结合形成含氧复合物；④Fe2+O2复合物再加上一个质子(H+)和由NADPH-细胞色素P-450还原酶或由细胞色素b5提供的第二个电子，转变成Fe2+OOH复合物；⑤第二个质子的加入使Fe2+OOH复合物裂解，形成水和(FeO)3+复合物；⑥(FeO)3+复合物将氧原子转移到底物，生成ROH，并提供一个电子，使其中的O2活化，活化氧；⑦释放ROH产物，此时P-450(Fe2+)变为P-450(Fe3+），可再次参与氧化过程。P-450的催化机制还有些附加反应，如果催化循环在不同的步骤中断(解偶联)，则可分别产生单电子还原、生成超氧阴离子、生成过氧化氢和过氧化物旁路。细胞色素P-450催化下面几种类型的氧化反应：(1)脂肪族或芳香族碳的羟基化；(2)双键的环氧化作用；(3)杂原子(S-、N-、I-)的氧化和N-羟基化；(4)杂原子(O-、S-、N-和Si-)脱烷基作用(5)氧化基团的转运；(6)酯的裂解；(7)脱氢作用。P-450催化的反应类型举例如下。(1)脂肪族和芳香族的羟化(hydroxylationofallaliphaticoraromaticcarbon)：又可称为碳羟化反应。脂肪族在体内的羟化往往是末端的或倒数第二个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。大多数芳香族毒物被羟化为酚类。例如苯胺可氧化为对氨基酚、邻氨基酚或羟基苯胺。(2)双键的环氧化(epoxidationofadoublebond)：黄曲霉毒素B1(AFBI)和氯乙烯等含双键的芳香族和烯烃类毒物氧化时，常常形成环氧化中间产物，环氧化物不稳定可重排而成酚类。如苯环上有卤素取代，或是多环芳烃进行环氧化时，则能形成较稳定的环氧化物。很多环氧化物是亲电子剂，毒性高于母体毒物。环氧化的解毒过程包括：①非酶催化的水化；②非酶催化的与GSH反应；③环氧化物水化酶催化的水化反应；④谷胱甘肽s-转移酶催化的结合反应。终致癌物(3)杂原子(S-，N-和I-)氧化和N-羟化(heteroatomoxygenationandN-hydroxylation)：含有硫醚键(-C-S-C-)的有机磷毒物，可在MFO的催化下进行S-氧化反应，转化成亚砜或砜，这些氧化产物毒性可增高5-10倍。例如内吸磷在体内通过此反应而毒性增强。对芳香胺毒物，可在其NH3基上进行N-羟化生成羟氨基毒物，毒性往往较母体毒物高。如苯胺进行N-羟化生成N-羟基苯胺，后者可导致血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，引起组织缺氧。(4)杂原子(O-，S-和N-)脱烷基(heteroatomdealkylation)：氮、氧和硫原子上带有烷基的毒物，可以发生脱烷基反应。这些反应过程是先使烷基氧化为羟烷基毒物，后者又分解产生醛或酮。如：氨基比林的N-脱烷基过程，可以产生甲醛。二甲基亚硝胺通过P-450的催化作用，进行N-脱烷基反应，进一步产生有亲电子剂CH3+(碳宾离子)，可使DNA发生烷化作用，致癌和致突变。(5)氧化基团转移(oxidativegrouptransfer)：氧化基团转移是经P-450催化的氧化脱氨、氧化脱硫、氧化脱卤素作用。如苯丙胺经P-450催化氧化脱氨生成苯丙酮，释出氨；氧化脱氨作用也可由单胺氧化酶(MAO)催化，但苯丙胺不是MAO的良好的底物。有机磷农药对硫磷经氧化脱硫后形成对氧磷，对氧磷的大鼠经口LD50值约为对硫磷的1／3，即毒性大3倍。(6)酯裂解(cleavageofesters)：P-450催化磷酸酯裂解，如对硫磷氧化生成中间产物，此中间产物也可裂解生成对硝基酚和二乙基硫代磷酸。P-450催化羧酸酯裂解可生成羧酸和醛，而酯酶水解生成羧酸和醇。R1COOCH2R2+[O]-→R1COOH+R2CHO(7)脱氢(dehydrogenation)：P-450也催化很多毒物的脱氢反应，如尼古丁，对乙酰氨基酚(acetaminophen，扑热息痛)。对乙酰氨基酚可脱氢活化成肝毒物N-乙酰苯醌亚胺。2．微粒体含黄素单加氧酶肝、肾、肺等组织微粒体含一种或几种含黄素单加氧酶(microsomalflavineontainingmonoxygenase，FMO)可氧化多种毒物的亲核性氮、硫和磷杂原子。此酶以黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)为辅酶，需要NADPH和O2。由FMO催化的很多反应也可为P-450催化。与P-450酶系的不同之处是此酶不能在碳位上催化氧化反应。FMO可催化亲电子的胺氧化生成N-氧化物，催化伯胺氧化生成羟胺和肟。如苯异丙胺、苄达明、氯丙嗪、氯氮平、胍乙啶、丙咪嗪、甲苯丙胺、奥氮平及三苯氧胺等含氮药物，可经FMO进行N-氧化，但大多数情况经细胞色素P-450进行N-氧化。FMO还可氧化含硫的外源化学物(如硫醇、硫醚、硫酮、硫代氨去甲酸盐、甲氰咪呱和舒林酸硫化物)和磷化氢分别生成S-和P-氧化物。肼类化合物、碘化物、硒化物和含硼化合物也是FMO的底物。经NADPH将FAD分子还原成FADH2后，氧化性辅助因子NADP仍结合在酶上，FADH2然后结合氧产