毒理学第三章

毒理学（toxicology）是一门研究外源因素（化学、物理、生物因素）对生物系统的有害作用的应用学科。是一门研究化学物质对生物体的毒性反应、严重程度、发生频率和毒性作用机制的科学，也是对毒性作用进行定性和定量评价的科学。是预测其对人体和生态环境的危害，为确定安全限值和采取防治措施提供科学依据的一门学科

化学毒物在体内的生物转运和生物转化

• 概述
  • 生物转运：化学毒物穿越生物膜的过程，其本身的结构和性质不发生变化，故称为生物转运(biotransportation）
  • 生物转化：化学毒物在细胞内发生一系列化学结构和理化性质改变而转化为新衍生物的过程，故称之为生物转化（biotransformation）或代谢转化(metabolictransformation)。
  • ADME过程：机体对化学物的处置（disposition）可简单的分成相互有关的吸收、分布、代谢及排泄四个过程，即外源化学物在体内的动态变化过程，注意这四个过程可能同时发生。
    • 消除：化学毒物转化为新衍生物与其被排泄到体外的结果都是其原型在体内的数量减少，代谢与排泄过程又合称为消除
    • 意义
      • 有助于阐明外源化学物毒作用机制
      • 有助于阐明两种或两种以上的外源化学物联合作用的机制
      • 可通过改变靶器官中外源化学物ADME过程，以治疗或预防和治疗外源化学物中毒。
• 化学毒物在体内的生物转运
  • 化学毒物跨膜转运
    • 被动转运
      • 脂水分配系数(lipid/waterpartitioncoefficient)
        • 当一种物质在脂相和水相之间的分配达到平衡时，其在脂相和水相中溶解度的比值。化学毒物必须具有脂溶性
      • 简单扩散
        • 定义：又称脂溶扩散，是大多数化学毒物通过生物膜的方式。
        • 条任
          • ①膜两侧存在浓度梯度
          • ②外源化学物有脂溶性
          • ③外源化学物是非解离状态。
        • 特点
          • ①不消耗能量
          • ②不需要载体
          • ③不受饱和限速与竞争性抑制的影响
        • 毒理学意义：简单扩散是外源化学物在体内生物转运的主要机理。一般情况下，大部分外源化学物通过简单扩散进行生物转运。
      • 滤过
        • 定义：化学毒物通过生物膜上亲水性孔道的过程。
        • 影响因素：外源化学物分子量的大小
        • 毒理学意义：水及一些溶于水而不溶于脂质的物质，可以通过滤过完成生物转运过程。
    • 特殊转运
      • 主动转运（active transport)
        • 定义：是外来化合物透过生物膜由低浓度处向高浓度处移动的过程。
        • 特点
          • ①逆浓度梯度转运，消耗一定的能量；
          • ②需要载体参加；
          • ③载体既然是生物膜的组成成分，所以有一定的容量；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；
          • ④主动转运有特异选择性；
          • ⑤同一载体转运的两种外源化学物之间可出现竞争性抑制。
        • 毒理学意义：主动转运对已吸收的外源化学物在体内的不均匀分布和排泄具有重要意义
      • 易化扩散（facilitateddifusion）
        • 特点
          • ①顺浓度梯度转运，不消耗能量
          • ②需要载体
          • ③对底物的特异选择性、饱和性和竞争性抑制。
    • 生物膜
  • 吸收（absorption)
    • 外源化学物从接触部位，通常是机体的外表面或内表面的生物膜转运至血循环的过程。
    • 经胃肠道吸收
      • 小肠是吸收的主要部位，其次是胃。
      • 简单扩散胃pH约为2，弱酸性物质非解离状态，脂溶性高，易吸收；
      • 小肠内的p!接近7，弱碱性物质比弱酸性物质易于吸收；
      • 影响因素：
        • ①外源化学物本身的脂溶性和pKa；
        • ②胃肠液的pH值;
        • ③胃肠道内食物的量和质、胃肠蠕动和胃排空时间；
        • ④胃肠内的消化酶和菌丛的影响；
        • ⑤首过消除。
        • 首过消除(firstpassclimination）：外源化学毒物在从吸收部位转运到体循环前，在胃肠道细胞内代谢，或通过门静脉系统到达肝脏进行生物转化，或不经生物转化直接排入胆汁。这种化学毒物进 入体循环之前即被消除的现象称为首过消除或体循环前消除，可使经体循环到达靶器官的化学毒物原形数量减少，明显影响其所致毒作用的强度与性质
    • 经呼吸道吸收
      • 空气中的化学毒物以气态（气体、蒸汽）和气溶胶（烟、雾、粉尘）等形式存在，呼吸道是其吸收的主要途径，肺是主要的吸收器官。
      • 气态物质在呼吸道吸收主要取决其脂溶性和浓度。
      • 血/气分配系数(blood/gaspartitioncoeficient)：是气体在呼吸膜两侧的分压达到动态平衡时，在血液中的浓度与在肺泡气中的浓度之比。此系数愈大，气体愈易被吸收入血液。
    • 经皮肤吸收
      • 吸收分两阶段：穿透阶段和吸收阶段。
      • 影响因素：
        • ①在穿透阶段主要有关因素是外源化学分子量的大小、脂溶性及角质层厚度，分子量大400Da的物质难于通过; ②在吸收阶段，外源化学物必须具有一定的水溶性才易被吸收； ③气温、湿度及皮肤损伤也可影响皮肤的吸收，潮湿的皮肤可使角质层的结合水量增加3~5倍，通透性增加2~3倍； ④凡是影响皮肤血流速度和出汗的因素，均可影响经皮肤吸收。不同部位皮肤对毒物的通透性不同
    • 经其他途径吸收（注射）
      • 静脉注射可使受试物直接入血，往往导致最为迅速、明显的毒效应。
      • 吸收途径的毒理学意义：不同的吸收途径会影响化学毒物进入血中的速度、浓度以及毒效应。
  • 分布(distribution)
    • 分布(distribution)：指外源化学物吸收后，随血液或淋巴液分散到全身组织细胞的过程。
    • 影响分布的因素：组织或器官的血流量、外源化学物的亲合力。
    • 再分布(redistribution）：随时间延长，分布受外源化学毒物经膜扩散速率和器官组织对其亲和力的影响，发生再分布。
    • 储存库
      • 血浆蛋白作为贮存库：白蛋白（大部分）
        • 特点：
          • 1•外源化学物与血浆蛋白的结合是暂时的、可逆的；
          • 2.不同的外源化学物与血浆蛋白的结合具有竞争性，结合力较弱的外源化学物成为游离态而显示毒性；
          • 3.化学毒物与血浆蛋白的结合受pH值、离子强度和温度变化的影晌。
      • 肝、肾作为贮存库
        • OATP（有机阴离子转运蛋白），能与多种有机酸结合，在有机阴离子从血浆向肝脏转运中起重要作用。
        • MT(metalothionnein金属硫蛋白），能与镉、汞、锌、铅等金属结合，镉-MT结合物在肾脏毒性很强，引起肾损害。
      • 脂肪组织作为贮存库(DDT、二噁英、呋哺、多氣联 苯、多溴联苯等）
        • 肥胖个体的体脂含量比消瘦个体高20%，故对脂溶性毒物的耐受力较强，体脂减少导致毒物释放，造成靶器官损害。
      • 骨骼作为贮存库
        • 铅和锶可置换骨质中的钙、氟代替骨质中的羟基而沉积在骨骼中
    • 特殊屏障
      • 血脑屏障，血脑脊液屏障 胎盘屏障
  • 排泄(excretion)
    • 排泄(excretion)是外源化学物及其代谢产物向机体外转运的过程，是生物转运的最后一个环节。
    • 排泄途径：
      • 1、肾脏排泄：肾小球滤过、肾小管分泌 2、经粪便排泄：（混入食物、胆汁排泄、肠道排泄、肠壁和菌群） 3、经肺排泄：气态物质 4、其他排泄途径：脑脊液、乳汁、汗、泪水、毛发和指甲等排泏
• 化学毒物在体内的生物转化
  • 生物转化的意义
    • 生物转化(biotransformation)：外源化学物在机体内经酶促反应或非酶促反应形成代谢产物的过程。
    • 意义：改变了化学毒物的化学结构和理化特性，从而影响它们所致毒作用的强度和性质，以及体内的分布过程和排泄速度。
    • 代谢解毒与活化
      • 代谢解毒(metabolicdetoxication)：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(metabolicactivation)：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。 举例：对硫磷可在体内代谢为毒性更大的对氧磷，氯乙烯、苯并(a)芘等本身不致癌，但其代谢物具有致癌作用。
    • I相反应和I相反应
      • I相反应(phase I biotransformation)，指经过氧化、还原和水解等反应使外源化学物暴露或产生功能基团，如-OH、-NH,SH、-COOH等，水溶性增高并成为适合于二相反应的底物
      • I相反应(phaseIIbiotransformation)，指结合反应，包括葡糖醛酸化、硫酸化、乙酷化、甲基化、与谷胱甘肽结合及与氨基酸结合。
  • 生物转化酶
    • 命名方法：如CYP141表示细胞色素P450的第1基 因族A亚族第1基因
    • 分布：肝脏：含有的生物转化酶种类最多，活性最强，但肝外组织也有一定代谢能力，如肾脏、小肠、肺脏和皮肤等。 生物转化酶主要位于内质网（微粒体）或胞液的可溶部分（胞浆），线粒体、细胞核和溶酶体中分布较少，生物膜上也有分布。
  • 生物转化反应类型
    • I相反应
      • 包括氧化反应，还原反应，水解反应
      • 微粒体是组织细胞匀浆和差速离心后，由内质网 形成的囊泡和碎片，非独立的细胞器
      • 細胞色素p450酶系
        • 血红蛋白类（细胞色素p450和细胞色素b5,）
        • 黄素蛋白(nadph一细胞色素p450还原酶）
        • 磷脂
      • 氧化反应
        • 微粒体混合功能氧化酶催化的氧化反应
          • 羟化（脂肪族，芳香族）
          • 环氧化
          • S －氧化和N一羟化
          • 脱烷基
          • 氧化基团转移
          • 酯裂解
        • 微粒体黄素加单氧酶催化的氧化反应
        • 非微粒体酶催化的氧化反应
          • 醇醛脱氢
          • 胺氧化MAO DAO
        • Adh(醇脱氢酶酶)
        • Aldh(醛脱氢酶)
        • 钼羟化酶 环加氧酶
      • 还原反应
        • 含氮基团还原反应
          • 硝基还原反应
          • 偶氮还原反应
          • N一氧化物还原反应
        • 羰基还原反应
        • 含硫基团还原反应
        • 脫卤反应
      • 水解反应
        • 酯类水解反应
        • 酯胺类水解反应
        • 脂肪族水解脱反应
        • 环氧化物水解反应
        • 水解反应是许多有机磷杀虫剂在体内的主要代谢方式
  • ∏相反应
    • 特征
      • 多数二相反应使外源化学物的水溶性显著增加，排泄加速。
      • 结合反应需要酶的参与并消耗能量。
      • 结合反应速度比I相反应快的多。
    • 反应类型
      • 葡糖醛酸结合
        • 辅因子： UDP-葡糖醛酸基转移酶
        • 酶：UDPGT尿苷二磷酸葡糖醛酸墓转移酶
      • 硫酸结合
        • 辅因子：3' －硫酸腺苷一 5'磷酰硫酸
        • 酶：磺基转移酶
      • 乙酰化结合
        • 辅因子：乙酰辅酶A
        • 酶：N-乙酰转移酶
      • 甲基化作用
        • 辅因子：S－腺苷甲硫氨酸
        • 酶：甲基转移酶
      • 谷胱甘肽(GSH)结合
        • 谷胱甘肽S-转移酶
      • 氦基酸结合
        • 酰酰基转移酶
  • 影响化学毒物生物转化的某些因素
    • 毒物代谢酶的遗传多态性
    • 肠道菌群与宏基因组
    • 毒物代谢酶的
      • 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)。
      • 毒物代谢酶的阻遏(enzymerepression)指对某些代谢酶诱导的同时可阻遏另一些代谢酶的合成
    • 毒物代谢酶的抑制与激活
      • 竞争性抑制
        • 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。如：在甲醇中毒时，临床上常给与乙醇治疗
      • 非竞争性抑制
        • 抑制物与酶的活性中心发生可逆或不可逆性结合
        • 破坏酶
        • 减少酶的合成：重金属铅可抑制ALAD和血红素合成酶活性，抑制细胞色素P450的合成
        • 变构作用：CO与P450结合后引起变构，阻碍酶与氧结合
        • 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。
• 毒物动力学
  • 经典毒物动力学
    • 速率类型
      • 一级速率模型（大多数化学毒物的体内过程）
        • 指化学毒物在体内某一瞬间的变化速率与其 瞬时含量的一次方呈正比
        • 化学毒物的生物半减期恒定：
        • 单位时间内消除化学毒物的量与其体存量呈 正比
        • 其半对数时-量曲线为一条直线
      • 零级速率模型（部分需要载体转运或限速酶代谢）
        • 化学毒物在体内某一瞬间的变化速率与其瞬时含量 的零次方成正比。发生于化学毒物数量超过机体转 运和转化能力时
        • 单位时间内消除的化学毒物的量恒定，相当 于机体的最大消除能力，而与体存量无关；
        • 其半对数时-量曲线为一条曲线
    • 室模型
      • 是指在动力学上相互之间难以区分的,转运和转化性质近似的组织、器官和体液。转运和转化速率相似者,可视为同一个室。
      • 一室模型 (one-compartment model)：化学毒物人血后能迅速而均匀地分布于全身并呈现出一致的消除过程时。
      • 一室模型及时-量曲线
      • 多室模型(multi-compartment model)：化学毒物人血后,在体内不同部位的转运和转化速率不同,在达到平衡前需要有一个分布过程时。
      • 二室模型及其时-量曲线
    • 基本参数
      • 表观分布容积（Vd）表示化学毒物在体内分布容积的参数。毒物在体内达到动态平衡时，其血浆浓度与组织浓度相对恒定。
        • Va (L/kg) = X0/C0 X0为染毒剂量(mg/kg) C0是1-0时毒物的血浆浓度（mg/L)
        • Vd的数值越大 ，表示化学毒物在体内的分布范围越广。当Vd分别为0.05L/kg、0.2L/kg和0.6L/kg时，表示化学毒物主要在血浆、细胞外液或全身分布。V值过大，常提示化学毒物在体内有大量蓄积
      • 消除速率常数（Ke）表示单位时间内化学毒物从体内消除的量占体存总量的比例。
        • 例如，某化学毒物的K,值为0.1h^(-1)，即表示该物质每小时约有体存总量的10%被消除。
        • 对于特定的化学毒物而言，其K值为一常数。 K越大，化学毒物从机体消除的速度越快。
      • 曲线下面积(AUC)指化学毒物从血浆中出现开始到完全消除为止这一时间过程内时-量曲线下覆盖的总面积。
        • AUC与吸收进入体循环的毒物量成正比，常用于评价制剂的生物利用度。
        • 当吸收量一定时，化学毒物的AUC越大，从机体消 除的速度越慢。
        • AUC= (Xo/Vd*Ke=C0/ke
      • 半减期（t1/2）指化学毒物的血浆派度下降一半所需要的时间。
        • t越大，化学毒物从机体清除的速率越慢
      • 清除率（CL):指单位时间内，机体所有消除途径能够排除的化学毒物占有的血浆容积值。
        • 反映机体清除毒物效率的参数，数值越大，消除速率越快。
        • 一室模型：CL(L/(kg*h^(-1))=Ke•Vd=Xo/AUC
      • 生物利用度（F）指化学毒物进入血液循环的百分率。
        • 利用此参数可以比较化学毒物以不同途径进入机体时的吸收程度。F值大则毒作用强。
        • F=AUC(非静脉注射途径)/AUC(静脉注射途径)
      • 吸收速率常数（Ka），峰浓度（Cmax）和达峰时间(Tmax)均表示化学毒物的吸收速度、数量和时间特征