1、第三章第三章 外源物在体内的转运与转化外源物在体内的转运与转化Biotransportation and Biotransformation of Xenobiotics第1页，共69页。【目的要求】掌握毒物在体内的来踪去路 了解生物转化反应及意义 熟悉在体内的分布与贮存 了解毒物动力学第2页，共69页。【内容内容】基本概念 生物转运与转化概况 吸收、分布与贮存、排泄 代谢转化反应及意义第3页，共69页。处置-ADME 吸收(Absorption)分布(Distribution)生物转运吸收、分布与排泄 代谢(Metabolism)生物转化代谢变化 排泄(Elimination)处置包含了生物
2、转运与转化第4页，共69页。生物转运生物转运(biotransportation)从接触部位吸收，转运进入组织、细胞或进入循环系统、再转运至靶组织与脏器、最终由排泄器官离开机体过程。有有/无化学结构改变无化学结构改变 依本身的理化特性依本身的理化特性 吸收吸收-排泄排泄第5页，共69页。影响生物转运的因素影响生物转运的因素:外源化学物本身的结构、分子量的大小、脂外源化学物本身的结构、分子量的大小、脂/水分水分配系数的大小、带电性、与内源性物质的相似性等。配系数的大小、带电性、与内源性物质的相似性等。脂脂/水分配系数水分配系数(lipid/water partition coefficient)
3、：化学物在含有脂和水的体系中，在分配达到平衡时在脂化学物在含有脂和水的体系中，在分配达到平衡时在脂相和水相的溶解度比值。相和水相的溶解度比值。影响生物转运的因素影响生物转运的因素第6页，共69页。生物转化生物转化(biotransformation)生物转化生物转化是指外源化学物在机体内经多种酶催化发生化学结构与性质变化的过程称为转化。?pH 受体受体 重金属与蛋白结合重金属与蛋白结合?第7页，共69页。研究处置研究处置(ADME)具有重要意义具有重要意义 了解毒物在体内的行为过程 毒物动力学(toxicokenetics)毒效应动力学(toxicodynamics)为中毒机理研究提供线索 为
4、急救和治疗措施提供参考 提供接触生物学标志和中毒诊断指标第8页，共69页。毒物动力学(toxicokinetics)研究机体对毒物的作用(ADME过程)和靶器官中毒物或其活性代谢物量的变化 机体对毒物的作用 量 毒效应动力学(toxicodynamics)研究靶器官内化学毒物或其代谢物与大分子(靶分子)的作用及所引起的局部或整体的毒性效应 与靶分子的作用 毒性效应第9页，共69页。【内容内容】生物膜 毒物过膜的转运方式第10页，共69页。一、生物膜一、生物膜 是细胞的膜质结构的总称 细胞膜、细胞器膜、细胞核膜；特性：脂质脂质 镶嵌蛋白镶嵌蛋白 多孔多孔(4 nm 70 nm)特性：选择转运选择
5、转运第11页，共69页。生物转运方式生物转运方式主动转运主动转运(active transport)被动转运被动转运膜动转运膜动转运(cytosis)简单扩散简单扩散(simple diffusion)易化扩散易化扩散(facilitated diffusion)滤过滤过(filtration)胞吞胞吞(endocytosis),胞饮胞饮(pinocytosis)胞吐胞吐(exocytosis)二、毒物过膜的转运方式二、毒物过膜的转运方式哪种最有毒理学意义哪种最有毒理学意义?第12页，共69页。简单扩散简单扩散(simple diffusion)定义与特点定义与特点 两侧浓度达到动态平衡动态平
6、衡时，扩散即终止终止 由膜浓度较高较高的一侧向向浓度低低的一侧扩散 生物膜两侧浓度差叫浓度梯度或浓度差 简单扩散的特点简单扩散的特点 顺浓度梯度，不需要消耗能量 毒物与生物膜不发生化学反应 简单的物理过程-生物膜不具有主动性 毒理学意义毒理学意义 大部分外源化学物是通过简单扩散进行生物转运第13页，共69页。影响简单扩散的因素影响简单扩散的因素 浓度梯度（差）毒物在脂质中的溶解度脂水分配系数脂水分配系数=脂相中浓度脂相中浓度/水相中浓度水相中浓度(lipid-water partition coefficient)电离或离解状态和体液中的pH值 生物膜两侧体液的蛋白质浓度和与毒物蛋白质结合的亲
7、合力第14页，共69页。滤过滤过(filtration)定义与特点 毒物透过生物膜上亲水性孔道的过程，依靠生物膜两侧的渗透压梯度和液体静压的作用 影响因素 化学物分子量的大小 4nm孔道通过200 道尔顿的分子 70nm孔道通过60000道尔顿分子 一些溶于水而不溶于脂质的物质，可通过滤过完成生物转运过程第15页，共69页。特殊转运（特殊转运（special transport）毒物先同体内某些物质（载 体）呈物理性结合后，再透过生物膜的过程第16页，共69页。（二）主动转运（二）主动转运(active transport)定义 毒物透过生物膜由低浓度处向高浓度处移动的过程。毒物透过生物膜由低
8、浓度处向高浓度处移动的过程。所需条件，或者说特点 常逆浓度梯度转运，消耗一定的代谢能量常逆浓度梯度转运，消耗一定的代谢能量 需要载体参加需要载体参加 当化合物浓度达到一定程度时，载体可以饱和，转运即达到极当化合物浓度达到一定程度时，载体可以饱和，转运即达到极限限为什么？为什么？载体有一定的容量载体有一定的容量 有一定的选择性有一定的选择性 竞争抑制：一种以上毒物结构相似用同一转运系统时。竞争抑制：一种以上毒物结构相似用同一转运系统时。第17页，共69页。主动转运的毒理学意义主动转运的毒理学意义？富集 蓄积毒性第18页，共69页。转运体转运体(transporter)及其家族及其家族 多药耐受蛋
9、白(multi-drug-resistant protein,MDR)多耐受药物蛋白(multi-resistant drug protein,MRP)有机阳离子转运体(organic-cation transporter,OCT Na+,K+pumps 有机阴离子转运多肽(organic-anion transporting polypeptide,OATP)有机阴离子转运体(organic-anion transporter,OAT)，等第19页，共69页。4.易化扩散易化扩散(facilitated diffusion)利用载体由高浓度向低浓度处移动的过程 不易溶于脂质的毒物 不消耗代谢
10、能量？由于不能逆浓度递度由低浓度处向高浓度处移动 也可称为促进扩散 由于利用载体，具有一定主动性或选择性，但又不能逆浓度梯度第20页，共69页。5.膜动转运膜动转运(cytosis transport)胞饮胞饮和吞噬吞噬 液体液体或固体固体毒物被伸出的生物膜包围 被包围的液滴或颗粒并入细胞内达到转运的目的 前者称为胞饮，后者称为吞噬，总称为胞吞作用胞吞作用 胞吐作用 颗粒物由细胞内运出细胞的过程 膜动转运需要消耗能量第21页，共69页。生物膜对化学物转运的影响 阻留 屏障 化学物对生物膜的影响 结构 功能第22页，共69页。第二节第二节 吸吸 收收 Section 2 Absorption第2
11、3页，共69页。是指毒物经过各种途径各种途径透过机体的生物膜进 入血液的过程。主要吸收途径 胃肠道胃肠道 呼吸道呼吸道 皮皮 肤肤吸收吸收第24页，共69页。一、经呼吸道吸收一、经呼吸道吸收 主要通过简单扩散 不经过肝脏的生物转化，直接进入体循环而分布全身 肺泡结构和生理特点 气体、蒸气与气溶胶经肺吸收的影响因素不同 一般情况下第25页，共69页。（一）气态毒物经肺吸收的影响因素（一）气态毒物经肺吸收的影响因素1 气态毒物的浓度 即毒物在吸入空气中的分压（或称张力）气态毒物在血液中的溶解度 血/气分配系数(blood-gas partition coefficient)是指气体在血液中的分压和
12、在肺泡中的分压达到饱和饱和时，气体在血液中的浓度与在肺泡中的浓度之比值 血/气分配系数越大，即溶解度越高，该气体越易被吸收第26页，共69页。气态毒物经肺吸收的影响因素气态毒物经肺吸收的影响因素2 肺泡的通气量和血流量 通气/血流比值：肺泡通气量与血流量的比值 脂/水分配系数 气体在呼吸道内的吸收速度与其溶解度有关 通常吸收速度与溶解度成正比 原因？第27页，共69页。（二）气溶胶毒物经肺吸收的影响因素（二）气溶胶毒物经肺吸收的影响因素 理化特性理化特性 粒子大小 通常只有0.52 m的粒子才可吸入肺泡 气溶胶的直径10m者多数被阻留在上呼吸道 0.1 m者则由于其布朗运动而随呼气而呼出 非全
13、部非全部 水溶性 溶解度大的易在上呼吸道吸收 溶解度低的气溶胶易到达肺泡被吸收第28页，共69页。气溶胶颗粒在呼吸道部位积聚的机制气溶胶颗粒在呼吸道部位积聚的机制 惯性冲击(inertial impact):530m 重力沉降(sedimentation):15m 弥散(diffusion):0.5m 静电沉淀(electrostatic precipitation):带电粒 子 一般说来一般说来，在毒理学上有意义的颗粒直径为0.110 m第29页，共69页。二、胃肠道吸收二、胃肠道吸收 主要吸收途径之一 毒物的吸收可在胃肠道任何部位 但主要在小肠 吸收方式 主要是通过简单扩散 还可以通过滤过
14、、胞饮或吞噬和主动转运系统第30页，共69页。二、胃肠道吸收二、胃肠道吸收影响化学毒物经胃肠道吸收的因素：影响化学毒物经胃肠道吸收的因素：、胃肠道腔内、胃肠道腔内pH；、化学毒物的、化学毒物的pKa；、化学毒物的脂溶性；、化学毒物的脂溶性；、胃肠道充盈程度；、胃肠道充盈程度；、胃肠道蠕动情况；、胃肠道蠕动情况；、某些特殊生理状况。、某些特殊生理状况。外源化学物经胃肠吸收存在物种差异原因外源化学物经胃肠吸收存在物种差异原因 、肠黏膜的静水层厚度不同；、肠黏膜的静水层厚度不同；、胃肠黏膜表面积、位置和、胃肠黏膜表面积、位置和PH值；值；、肠道菌丛的差异。、肠道菌丛的差异。第31页，共69页。肝脏的
15、首过作用肝脏的首过作用(first pass effect)是指经胃肠道吸收的毒物首先进人肝脏、并可在肝脏中进行代谢转化作用第32页，共69页。三、经皮肤吸收三、经皮肤吸收 穿透阶段 毒物透过皮肤表皮，即角质层的过程 吸收阶段 由角质层进入乳头层和真皮，并被吸收入血液 吸收方式 简单扩散第33页，共69页。经皮肤吸收的主要影响因素经皮肤吸收的主要影响因素 理化性质 i.e.脂/水分配系数接近于1，易被吸收进入血液 皮肤血流速度和出汗状况 皮肤完整性 如皮肤破损破坏表皮角质层屏障作用，毒物可以直接进入吸收相 人体不同部位表皮的厚度不同、角质层厚度不同，所以外源化学物的穿透速度速度有别 速度在此有
16、何毒理学意义？速度在此有何毒理学意义？第34页，共69页。四、其它途径四、其它途径 经眼吸收 局部作用先于全身作用 经注射 静脉 腹腔 皮下 肌内第35页，共69页。第三节第三节 分分 布布 Section 3 Distribution第36页，共69页。一、外源化学物分布的毒理学意义一、外源化学物分布的毒理学意义 分布 是指毒物被吸收进入血液或其它体液后，随血液或淋巴液流动分散到全身各组织细胞的过程。影响外源化学物分布的最关键因素 器官或组织的血流量 对毒物的亲和力 毒物在体内分布的特点 呈不均匀分布第37页，共69页。影响分布的主要因素影响分布的主要因素、流经器官或组织的血流量；、流经器官
17、或组织的血流量；、器官或组织对化学毒物的亲和力、器官或组织对化学毒物的亲和力；、化学毒物与血浆蛋白结合的能力、化学毒物与血浆蛋白结合的能力；、化学毒物通过组织、细胞屏障的能力。、化学毒物通过组织、细胞屏障的能力。第38页，共69页。二、毒物在组织中的蓄积二、毒物在组织中的蓄积蓄积作用(accumulation)有哪几种含义？有哪几种含义？物质蓄积 功能蓄积 贮存库(storage depot)指进入体液的毒物在某些器官组织蓄积而浓度较高而不对这些器官组织有明显的毒作用。毒作用。体内的主要储存库有：血浆蛋白；肝；肾；脂肪组织；骨骼组织第39页，共69页。毒物在体内的蓄积具有双重意义毒物在体内的蓄
18、积具有双重意义 因可减少在靶器 官中的化学毒物的量而对急性中毒的动物或人具有保护作用。成为一种可能的游离型毒物来源。具有潜在的危害 i.e.多氯化芳香烃：dioxin,dioxin-like PCBs第40页，共69页。三、特殊的屏障三、特殊的屏障 血脑屏障(blood-brain barrier)是指由毛细血管内皮细胞和聚集包围毛细血管的星形胶质细胞的软脑膜组成的一种特殊功能结构 重要性:保障血液和脑组织之间的正常代谢物质的交换，阻止非需要物质的进入，从而维持脑的正常功能 胎盘屏障(blood-placental barrier)位于母体血液循环系统和胚胎之间的细胞结构第41页，共69页。特
19、殊的屏障特殊的屏障 至今还没有肯定胎盘在防止毒物从母体进入胚胎的特殊作用 如致畸物引起胚胎畸形，有些致癌物在胚胎中致癌 大部分外源化学物透过胎盘的机理是简单扩散，而胚胎发育所必需的营养物质则通过主动转运而进入胚胎 其他屏障(other barriers)血睾屏障(blood-testis barrier)血胸腺屏障(blood-thymus barrier)血房水屏障(blood-aqueous barrier)第42页，共69页。第43页，共69页。一、排泄一、排泄 是机体向外转运毒物及其代谢产物的过程 生物半减期(biological half time)常用t1/2表示 是指外源化学物减
20、少一半的时间，即浓度或数量减少一半的时间第44页，共69页。主要排泄途径主要排泄途径 Major Elimination Routes与正常生理代谢相同 经肾脏随尿液排出 经肝脏随同胆汁从粪便排出 经呼吸道随同呼出气体排出 出汗第45页，共69页。主要排泄机理主要排泄机理 肾小球滤过 肾小球简单扩散 肾小管主动转运 其中简单扩散和主动转运更为重要一、经肾脏随尿液排泄一、经肾脏随尿液排泄第46页，共69页。毒物由肝实质细胞进入胆汁而排泄 毒物从胆汁进入小肠后，有两条可能去路 直接排出体外 肠肝循环 肠肝循环(enterohepatic circulation)部分毒物在生物转化过程中形成结合物而
21、排出到胆汁中；肠内的肠菌群以及葡萄糖苷酸酶，可将部分结合物水解而使毒物又重新被吸收的过程 毒理学意义：排泄减慢、生物半减期延长、毒作用持续时间延长二、经肝脏随同胆汁排泄二、经肝脏随同胆汁排泄第47页，共69页。三、经肺随呼出气排泄三、经肺随呼出气排泄 其排泄速度与血/气分配系数成反比 血气分配系数越大，排泄越慢 与吸收速度相反第48页，共69页。四、其它排泄途径四、其它排泄途径 随各种分泌物，如汗、唾液、泪水和乳汁等排出 乳汁排泄具有特殊毒理学意义 为什么？为什么？第49页，共69页。第50页，共69页。生物转运的毒理学意义生物转运的毒理学意义 吸收与毒性：进入体内毒物的量 吸收途径 吸收部位
22、随各种分泌物，如汗、唾液、泪水和乳汁等排泄具有特殊毒理学意义。分布与毒性：器官组织中毒物的量、富集点可能就是靶器官 蓄积作用对急性中毒有保护作用，但又是慢性中毒的一个重要条件 排泄与毒性第51页，共69页。第六节第六节 毒物的代谢转化毒物的代谢转化Section 6 Metabolism and Biotransformation of Toxicants第52页，共69页。一、生物转化和毒物代谢酶一、生物转化和毒物代谢酶 生物转化(biotransformation)又称代谢转化 是指外源化学物在体内经过一系列化学变化并形成其衍生物以及分解产物的过程。毒物代谢主要器官 肝脏 但其它器官或组织
23、也有一定代谢能力 如肾脏、小肠、肺和皮肤等第53页，共69页。生物转化的结果生物转化的结果Consequence of Metabolism andBiotransformation 代谢解毒(metabolic detoxification)毒物经生物学化使其毒性降低，易于排出体外 代谢活化(metabolic activation)毒物经生物转化使其毒性增强，甚至具致畸/癌性 代谢转化具有解毒和活化的正负两面性 与剂量、毒物理化特性一样，是毒理学的又一个重要观念第54页，共69页。生物转化反应分为两种类型生物转化反应分为两种类型 第一阶段：亦称I相(phase I)反应 包括氧化、还原和水
24、解等反应 I相反应常暴露或引入一个功能基团 第二阶段：亦称II相(phase II)反应 也称结合反应(conjugation)与内源物结合 大多数II相反应可导致 毒物的水溶性显著增加而加速排泄？降低毒性第55页，共69页。二、二、I相反应相反应(phase I reaction)氧化作用 微粒体混合功能氧化酶 非微粒体混合功能氧化酶 前列腺素生物合成过程中共氧化反应 微粒体混合功能氧化酶(microsomal mixed function oxidase,MFO)存在于细胞的内质网(endoplasmic reticulum)又称微粒体单加氧酶系或细胞色素P-450酶系第56页，共69页。
25、Phase I酶的种类与组成酶的种类与组成 含有铁卟啉结构的血红素蛋白类 cyt P-450、cyt b5均，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 对膜上各蛋白酶起固定作用，促进底物的羟化反应或增强毒 物与cytp450的结合 促进上述两类酶相互作用第57页，共69页。第58页，共69页。（一）氧化反应（一）氧化反应Cyt P450催化下面几类催化下面几类 脂肪族或芳香族碳的羟基化(hydroxylation)双键的环氧化作用，形成epoxide 杂原子(S-、N-、I-)氧化和N羟基化 杂原子(O-、
26、S-、N-和Si-)脱烷基作用 氧化基团的转运 酯的裂解(lipid lysis)脱氢作用(dehydrogenation)第59页，共69页。（二）还原反应（二）还原反应 体内也还原酶催化毒物的还原，这在肠道细胞内尤其是活跃；在哺乳动物其它组织还原 反应不活跃 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 脱卤还原第60页，共69页。（三）水解作用（三）水解作用 许多毒物，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 水解酶类型 酯酶和酰胺酶 肽酶 环氧水化酶人体主要通过水解反
27、应代谢许多有机磷杀虫剂第61页，共69页。II相反应相反应(phase II reaction)结合反应(conjugation)特别是外源性有机化合物及其含有羟基、氨基、羰基以及环氧基的代谢物最易发生第62页，共69页。结合反应的后果结合反应的后果 使毒物分子上某些功能基团失去活性而丧失全部或部分毒性 使其极性增强，脂溶性降低，加速排泄 在结合反应中需要有辅酶与转移酶并消耗能量第63页，共69页。结合反应类型结合反应类型 葡萄糖醛酸结合(glucuronidation)是最常见的结合反应 硫酸结合(sulfate conjugation)乙酰化作用(acetylation)氨基酸结合(ami
28、no acid conjugation)甲基化作用(methylation)谷胱甘肽结合(GSH)第64页，共69页。二、影响生物转化因素二、影响生物转化因素（一）物种差异和个体差异 种属差异 代谢酶的多态性 外源化学物代谢酶的遗传差异是不同个体间和种族间对毒性和肿瘤易感性差异的原因之一 生物转化的I相酶和II相等酶均存在多态性，已成为毒理学研究的热点第65页，共69页。(二二)代谢酶的抑制和诱导代谢酶的抑制和诱导 毒物代谢酶的诱导和阻遏 诱导(induction)：有些毒物可使某些代谢酶系合成增加并伴活力增强的现象 诱导剂(inducer)：具有诱导效应的毒物 毒物代谢酶的阻遏？第66页，共
29、69页。抑制物与酶活性中心发生不/可逆结合 两种不同毒物在同一酶活性中心发生竞争性抑制 破坏酶 减少酶的合成 变构作用 缺乏辅因子毒物代谢酶抑制类型毒物代谢酶抑制类型第67页，共69页。多种化学物同时作用或先后作用，如果 某种化学物能诱导或抑制代谢酶，则可 改变其它化学毒物的代谢 很多毒物可有多种代谢途径，产生多种生物学活性不同的代谢产物，这些途径之间的平衡和竞争对于化学毒物的毒性有重要意义 当代谢酶被诱导 如该毒物在体内是经代谢活化，毒性增强 经代谢转化减毒的毒物，则表现为毒性降低 当存在抑制剂时，则得到相反的结果代谢酶被诱导或抑制的毒理学意义代谢酶被诱导或抑制的毒理学意义第68页，共69页。(三)代谢饱和状态(四)其它影响因素主要表现在年龄、性别、营养和健康状况第69页，共69页。
