吉大环境毒理学第三章污染物在体内的转化

主讲：马金才副教授吉林大学环境与资源学院环境科学系环境毒理学第三章污染物在体内的转化3.2污染物的生物转化3.2.1生物转化的类型3.2.2影响生物转化的因素生物转化氧化还原水解结合I相反应II相反应排出体外有毒化学物3.2.1污染物生物转化微粒体氧化I相反应II相反应非微粒体氧化芳香族羟化环氧化N-氧化P-氧化S-氧化氧化性脱烷基脂肪族羟化N-羟化氧化反应单胺和二胺氧化醇醛氧化还原反应微粒体还原非微粒体还原硝基还原偶氮还原还原性脱卤醇、醛、酮等的还原水解反应酯酶水解酰胺酶水解糖苷酶水解葡萄糖醛酸结合硫酸结合乙酰化氨基酸结合谷胱甘肽结合甲基化污染物的生物转化氧化性脱氨氧化性脱卤环氧化合物水解污染物生物转化类型污染物生物转化的意义①生物转化是有毒污染物进入机体后，其存在形式可能会发生各种变化，活性也会发生改变，其中有些毒性增强，有些毒性减弱。因此，生物转化对于判定其对机体的影响有重要作用。②通过对生物转化作用的研究，可以探求有毒污染物活性基因、活性分子的重要规律，为防治其对机体损伤有重要意义。③通过对有毒污染物在机体的生物转化过程的研究，有利于探求其损伤机制，作用的靶器官、靶组织、靶细胞乃至靶分子。④有毒污染物经过生物转化会形成新的代谢间产物、终产物，存在于血液和组织中，或被排出体外，可为中毒诊断，程度判断，治疗效果评价提供有意义的生物学材料。肝脏是担负生物转化的主要器官。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。参与污染物生物转化的主要器官基本概念酶(enzyme)：指具有生物催化功能的高分子物质，酶一般是蛋白质。生物酶具有底物特异性，多态性和立体选择性等特性。生物酶主要分布于线粒体内质网和胞浆内。线粒体(mitochondrion)：是一种存在于大多数细胞中的由两层膜包被的细胞器，是细胞中制造能量的结构，是细胞进行有氧呼吸的主要场所，被称为能量工厂。微粒体(microsome)：是内质网在细胞匀浆中形成的碎片，含混合功能氧化酶。基本概念呼吸链(respiratorychain):是由一系列的递氢(hydrogentransfer)反应和递电子(electrontransfer)反应按一定的顺序排列所组成的连续反应体系，它将代谢物脱下的成对氢原子交给氧生成水，同时生成ATP。呼吸链的作用代表着线粒体最基本的功能，呼吸链中的递氢体(hydrogencarrier)和递电子体(electroncarrier)就是能传递氢原子或电子的载体，由于氢原子可以看作是由质子和核外电子组成的，所以递氢体也是递电子体，递氢体和递电子体的本质是酶、辅酶、辅基或辅因子。基本概念生物失活bio-detoxification：毒物在体内转化后毒性降低或消失，易于排出体外。生物活化bio-activation：毒物在体内转化成毒性更强的化合物。I相反应I相反应（phaseIbiotransformation）:指经过氧化、还原和水解等反应使毒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于II相反应的底物。微粒体混合功能酶氧化反应此种反应由特异性很低的微粒体混合功能氧化酶（MFOS）催化完成。需要一个氧分子的参与，其中一个氧原子被还原成水，另一个氧原子被加在毒物上。所以MFOS又被称为单加氧酶。MFOS的多酶系统细胞色素P-448：属于亚铁血红素—硫醇盐蛋白的酶系统。NADPH辅酶II：还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。细胞色素b-5：属于亚铁血红素—硫醇盐蛋白的酶系统。NADH辅酶I：还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。环氧化物水化酶。黄素蛋白单加氧酶（FAD）。①脂肪族羟化脂肪族侧链(R)通常在末端第一个碳原子或第二个碳原子被氧化。如农药八甲磷在体内转化为N-羟甲基八甲磷，其毒性增强，抑制胆碱酯酶的能力增加10倍。②芳香族羟化芳香族化合物芳环上的H被氧化。羟化也可出现在芳环的侧链上。如苯，苯胺，3，4苯并芘，黄曲霉毒素都以此种方式转化。某些芳族化合物如苯可形成环氧化合物，经重排后生成酚。③N-羟化芳香胺，伯胺和仲胺类化合物，氨基甲酸乙酯，乙酰氨基芴以及药物磺胺都以此种方式转化。左边少个苯环！④环氧化烯烃在双键位置上加氧，产生极不稳定的环氧化合物。⑤N-氧化如三甲胺进行N-氧化生成三甲胺氧化物。⑥P-氧化如二苯基甲基磷进行P-氧化生成二苯基甲基磷氧化物⑦S-氧化含硫化合物的氧化有两种，一种是硫醚类在氧化过程中生成的亚砜和砜类。毒性增强又如农药对硫磷经S-氧化后生成对氧磷，毒性增强毒性增强如农药内吸磷经S-氧化转化为亚砜或砜性内吸磷，毒性增强⑧氧化性脱烷基在许多N-，O-，S-上带短链烷基的化学物易被羟化，脱去烷基生成相应的醛和脱烷基产物。(i)N-脱烷基(ii)O-脱烷基(iii)S-脱烷基毒性减小致癌致突变再如四乙基铅脱烷基后生成三乙基铅，毒性增强。⑨氧化性脱氨胺类化合物在氧化的同时脱去一个氨基，例如苯丙胺被转化为苯丙酮。⑩氧化性脱卤如农药DDT氧化脱氯生成DDE，毒性降低，为DDT的解毒方式之一。DDT双对氯苯基三氯乙烷DDE双对氯苯基三氯乙烯非微粒体氧化①单胺和二胺氧化。单胺类化合物由单胺氧化酶（MAO）催化氧化生成相应的醛。二胺由二胺氧化酶催化生成氨基醛。②醇、醛氧化。XAsianflush微粒体还原作用•毒物可以通过微粒体酶的作用被还原。这些反应在肠道细菌体比较活跃，而在哺乳动物组织内比较弱。•催化还原反应的酶类主要存在于肝，肾和肺的微粒体和胞液中。肠道处于还原环境，存在含还原酶的菌丛。①硝基还原如硝基苯被还原成亚硝基苯，到苯羟胺，最后到苯胺的过程。水溶性增加②偶氮还原如偶氮苯到苯胺的还原过程水溶性增加③还原性脱卤CHCl3，CCl4，甲基萤烷，碳氟化物，六氯代苯等可在微粒体酶的作用下发生还原性脱卤反应，如CHCl3脱卤加氢，生成CH2Cl2。甲烷自由基破坏干细胞脂质结构非微粒体还原作用包括醇，醛，酮，有机二硫化物和氮氧化物等的还原反应，如醛的还原。水解作用•许多毒物，主要是酯类，酰胺类，和硫酸酯类化合物，都可以被水解。•水解反应一般由非特异性的酯酶和酰胺酶催化完成。•水解作用是有机磷农药在哺乳动物体内代谢的主要方式。•血浆，肝，肾，肠，肌肉和神经组织中均含有多种水解酶。酯酶催化水解反应如对硫（氧）磷在磷酸酯没催化下水解为二乙基磷酸或二乙基硫代硫酸。马拉硫磷在羧酸酯酶催化下水解。酰胺酶能特异的作用于酰胺键使其水解。其水解过程比酯酶慢。相关的例子如农药乐果在酰胺酶的催化下水解为乐果酸。酰胺酶催化水解反应糖苷酶催化水解反应糖苷酶能特异的使各种糖苷水解。如硫代葡萄糖毒苷在硫代糖苷酶的作用下水解为异硫氰酸酯或硫代硫酸酯等。水化反应：含双键或三键化合物在酶催化下与水分子结合。芳香烃和脂肪族烃类化合物氧化反应产生的环氧化合物可在环氧化物催化下反应生成二氢二醇化合物。如苯并(a)芘环氧化合物水化生成致癌物。环氧化合物的水解反应78910II相反应II相反应又称结核反应(conjugationreaction)。经过I相反应，毒物可能带有一些极性基团，如-OH，-SH，-COOH，-NH2等，可以和强酸性基团，如葡糖糖醛酸和硫酸等结合。结合反应是一种解毒反应，因为：结合反应的结果可以使有毒化学物某些功能团失活结合反应后，化合物的水溶性增加，很快由肾脏排出发生结合反应的功能基团类型结合反应功能基团葡萄糖醛酸-OH，-COOH，-NH2，-SH,-CH硫酸芳香-OH，芳香-NH2，醇谷胱甘肽环氧化合物，有机卤乙酰基-NH2，-SO2氨基酸芳香氨基，-COOH甲基芳香-OH，NH2,NH，-SH结合反应类型参与的结合酶种类葡萄糖醛酸结合葡萄糖醛酸转移酶硫酸结合磺酸基转移酶乙酰化作用乙酰基转移酶谷胱甘肽结合谷胱甘肽转移酶氨基酸结合酰基转移酶甲基化作用甲基转移酶与葡萄糖醛酸结合形成O-葡糖糖醛酸化物形成N-葡糖糖醛酸化物形成S-葡糖糖醛酸化物与硫酸结合一般情况下，通过与硫酸结合，毒物毒性降低。如苯进入机体生成酚，酚与硫酸结合生成苯基硫酸酯，亲水性增强，容易被排出。芳香胺化合物经N-羟基化后，其羟基与硫酸结合形成硫酸酯，毒性增强。乙酰化（与乙酰基团结合）•在乙酰转移酶的催化下，芳香胺类，磺胺类化合物与乙酰辅酶A结合。•乙酰结合反应可掩盖胺类毒物中重要活性基团氨基，但乙酰化后，毒物水溶性降低。与氨基酸结合•带-COOH的毒物与甘氨酸结合。•HCN与半胱氨酸结合。与谷胱甘肽（GSH）结合•还原型GSH是由谷氨酸，胱氨酸和甘氨酸构成的短肽。是体内重要的解毒物质。•毒物与GSH的结合在谷胱甘肽S转移酶的催化下进行。•GSH可与环氧化合物卤代芳烃，不饱和脂肪酸类及重金属都能和GSH结合而解毒。甲基化（与甲基结合）•甲基结合反应由甲基转移酶催化，并由S-腺苷蛋氨酸提供甲基。•可甲基化的化合物有多酚类，硫醇类，胺类，氮杂环化合物，重金属等。•体内生物胺失活的主要方式，但产物水溶性降低。3.2.2影响生物转化的因素种属差异和个体差异饮食营养状况年龄性别等生理因素代谢饱和状态代谢酶的抑制和诱导种属差异个体差异年龄性别激素昼夜节律抑制诱导特异性抑制竞争性抑制种属差异和个体差异•物种差异代谢酶的不同。例子：大鼠，小鼠和狗体内有N-羟化酶可将N-2-乙酰氨基芴羟化并与硫酸生成具有强烈致癌活性的硫酸酯，而豚鼠则缺乏这种酶。代谢酶活力的不同。例子：苯胺在小鼠体内半衰期为35min,而在人体内为600min.•个体差异毒物在生物转化上的个体差异主要是参与代谢的酶类在各个个体中的活力不同。例子：人体内芳烃羟化酶可将芳烃类化合物羟化，产生致癌活性，其活力在吸烟人群个体之间有明显差别。饮食营养状况•蛋白质缺乏时，微粒体细胞色素P-450单加氧酶，微微粒体NADH活力降低，生物转化速率下降。•对经生物转化毒性降低的毒物，蛋白质缺乏会导致毒性加强；对经生物转化毒性升高的毒物，蛋白质缺乏会导致毒性减弱。•膳食中维生素，无机盐成分的缺乏，也会影响毒物的转化。年龄性别等生理因素•年龄：初生及未成年个体中微粒体酶的功能尚未完全发育成熟，成年后达到高峰，之后逐渐下降。相应的毒物转化能力也随之变化。•性别：一般而言，雄性动物对毒物的代谢转化能力和代谢酶活力高于雌性；经代谢转化后毒性降低或消失的毒物对雌性动物的毒性作用高于雄性动物。•激素：对毒物的转化作用也很明显，主要是有雌，雄激素水平所决定。•昼夜节律：也与与毒物转化有关。例子：大鼠在夜间对毒物的转化速率高于白天。代谢饱和状态•毒物的浓度或剂量影响毒物的代谢状况，并因此影响毒物的毒性作用。•机体吸收毒物后，其在体内浓度随之升高，单位时间内对毒物的代谢所形成的产物也增大；当毒物浓度达到一定值后，其代谢所需的基质可能被耗尽，或参与代谢的酶的催化能力不能满足其需要，这样单位时间内代谢产物量就不会随毒物浓度升高而增大，这种代谢过程达到饱和的现象被称为代谢饱和。V：反应速度。Vm：最大反应速率Km：反应速率达到最大反应速率一般是底物的浓度。[S]：底物浓度。。代谢酶的抑制和诱导•抑制：一种外源化合物可抑制另一种外源化合物的生物转化过程。•特异性抑制：一种外源性化合物对某一种酶有特异性的抑制作用。例子：对硫磷的代谢产物对氧磷可特异性抑制羧酸酯酶，使马拉硫磷的水解速度变慢。•竞争性抑制：参与生物转化的酶系统一般对底物的专一性不高，几种不同的化合物均可作为同一酶系统的底物。当一种化合物的浓度过高，可竞争性的抑制其它几个化合物的转化。•诱导：有些外源性化合物可使某些代谢酶的活力增强或酶的含量增加。例子：苯巴比妥可使硝基茴香醚的O-脱甲基反应加快。谢谢！