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1、个人收集整理 勿做商业用途p71 第四章遗传毒物在体内的代谢转化 第一节几个基本概念 包括环境遗传毒物在内的外源化学物的体内代谢转化过程，对于毒理作用的表现十分重要.遗传毒物的代谢转化取决于许多因素,首先是不同物种在代谢途径和代谢能力方面的种属差异，对这个问题的了解将极大地影响我们将动物实验数据向人类作出的合理外推；其次,个体的年龄、性别、营养和健康状况等方面的不同,也会影响到代谢能力差异；特别重要的是不同个体遗传背景方面的差异,不同人种集团（group）或不同地域居民群体问，甚至同一群体内不同个体间与代谢有关基因多态性结构或频率分布特征的差异，都将会导致不同个体经历同一毒物同一剂量水平暴露后
2、生理反应的明显差异1.1生物转化(biotransformation） 环境物质，包括众多遗传毒物，通过消化道、呼吸道和皮肤等途径进入机体后，在体内不同酶系的催化下会发生一系列生物化学反应，使得物质化学结构发生变化，这个过程称为生物转化，也有称为代谢转化的.参与催化外源物质生物转化的酶称为外源物质代谢酶.由于生物体面临的化学外环境千变万化，在质的构成和量的水平上都处于动态变化中，特别是相当一部分环境化学物是原先自然界所没有的,主要是从西方工业革命开始以来的几百年内，尤其是进入20世纪以后，作为人类活动的结果才引入地球环境的.适应于这样的外环境条件,生物体外源物质代谢酶有以下几个鲜明特点：一般都
3、具有较广的底物谱,底物专一性一般不是非常严格，可以催化结构相关甚至并不相关的许多化合物的同一种或同一类代谢反应。NN基N-般都构成家族或超家族，家族内不同成员编码的产物(同工酶),各有其最适底物谱，其底物谱之间又互相覆盖。除了个别基因在体内是以“构成形”稳定表达外，不少是受诱导后才表达的，即遵循“需要才生产”的“经济原则”。2代谢减毒(metabolic detoxification) 人体每天通过食物、饮水、呼吸或皮肤接触吸收的环境有害物质，包括各种遗传毒物，主要通过尿液和胆汁两大途径排出体外，上述两大排出途径都要求被排除物质具有一定水溶性,实际上除了少数环境遗传毒物本身具有较大极性外，绝大
4、多数是高脂溶性，必须通过代谢反应改变分子结构以便增加极性.一般说来，为了达到有效的减毒，代谢过程往往具备(或部分具备）以下特征：代谢产物必须有足够的水溶性.代谢产物对机体有害效应较弱，不至于造成严重的毒理作用.有关的酶系必须具有较广的底物谱。并非所有的代谢过程都能导致外源物质毒性的减弱或消除,在有些情况下，代谢过程恰恰使代谢物的毒性比母体化学物更高，或表现新的毒理效应。p723生物活化( bioactivation） 生物活化又称代谢活化（ metabolic activation）遗传毒性物质或其代谢中间物分子的亲电子中心和遗传物质DNA链上的亲核中心产生共价结合是启动(initiation
5、）化学致癌作用的关键事件,在癌的促进( promotion)和进展(progression）中也起到一定的作用。大量的化学致癌物在环境中是以“前致癌剂”的形式存在的，必须通过体内代谢，转化为亲电子的“最终致癌剂”( ultimate carcinogen）才得以表现致癌活性。4代谢基本过程 遗传毒性物质在体内的代谢过程基本上可分为两大阶段，即所谓的工相反应和相反应过程（表4 1)。外源化学物质的体内代谢通常是通过环环相扣的一系列步骤完成的。通过和某些内源性物质，如还原型谷胱甘肽、葡糖醛酸等的结合来增加水溶性，结合作用要求化合物分子上具有适当的功能基团，这些功能基团必须通过专门的代谢步骤引入或予
6、以暴露，这个功能基团化的过程通常就称之为工相反应，随之的结合反应则称之为相反应.根据所引入或予以暴露的功能基团的性质，这些基团又可分为亲电子的和亲核的两大类,环氧桥（环氧化基团)和a,一不饱和羰基是典型的带亲电子碳原子的结构;醇羟基和酚羟基，氨基和巯基以及羧基是重要的亲核基团.亲电子基团由于容易和富电子对象，如脱氧核糖核酸、核糖核酸以及蛋白质等生物大分子结合,导致致突变性和细胞毒性，一般说来,亲核物质不与体内生物大分子共价结合,对生物体危害效应一般也比较小。相结合反应通常终止了亲电子物质和DNA以及蛋白质共价结合或与受体结合的能力,同时提高了分子极性,加速了毒物被排出体外的速度，相反应在大多数
7、情况下代表了机体的减毒倾向2.表4-1遗传毒性物质基本代谢过程 I相代谢反应 相代谢反应 定义 主要包括的反应类型 定义主要包括的反应类型将非极性,脂溶性的物质转变为更具极性的物质，通过I相反应引入相应的功能基团，为下一步相反应的结合反应创造条件1氧化反应：环氧化作用、羟基化作 用;O、N、S去烷基化作用，以氧取 代杂原子；脱氢作用2还原反应：重氮还原、N还原、羰基还 原3水解反应：酯水解、胺水解、环氧化 物水解外源物质及其代谢中间物与某些内源物质分子的结合反应.产物往往更富亲水性，也就更容易以水溶形态被排出体外1谷胱甘肽结合2葡糖醛酸化3硫酸盐化4乙酰化5甲基化 第二节 I相代谢反应 一、氧
8、化一还原反应1依赖于细胞色素P - 450的单加氧酶系 就其最佳底物的数量及可催化代谢反应的多样性来看,在所有和I相代谢反应有关的酶系中，依赖于细胞色素P - 450的单加氧酶系（cytochrome P- 450 dependentp73monxygenases)所起的作用最重要。其核心部分是细胞色素P一450(cytochromeP一450EC l14141),几乎所有的人体组织器官中都有细胞色素P一450的存在，尤以肝脏细胞内质网上含量最多。 真核生物中和遗传毒物代谢有关的细胞色素P一450几乎都是膜结合蛋白，主要嵌合在细胞的内质网结构上.实验室里通常通过组织匀浆破碎细胞，应用差速离心，
9、首先去除细胞碎片和线粒体组分，上清液再次离心，细胞色素P一450就随着内质网碎片即所谓微粒体结构沉降在10 0009沉淀中。P一450是一个血红素蛋白，通常P一450血红素内的铁原子以三价铁形式存在,在某些还原剂作用下，三价铁可被还原为两价铁,还原型细咆色素P一450和一氧化碳结合差光谱在450nm处有一个主要吸收峰，这是细胞色素P一450区别于其他血红素蛋白的一个显著特征，就由此得名为“P一450”. 依赖于细胞色素P一450的单加氧酶系主要以以下方式催化底物的代谢：这一基本过程是一个单加氧过程，氧分子中的一个氧原子和底物结合,另一个则还原为水，这里需要NADPH作为质子供体。在反应中P一4
10、50与底物及氧原子直接结合，和NADPH不直接作用。大多数细胞色素P一450首先和底物结合，然后才和分子氧结合并活化分子氧，这样机体就免于被所产生的活性氧成分伤害；在有竞争性抑制剂存在的情况下，抑制剂通过和P一450活性中心结合,启动活性氧的产生，而不伴随其他物质的氧化，从而对机体造成损伤。在有些情况下，NADH取代NADPH在反应中的作用。P一450催化反应必须有适当的电子来源，为了使氧分子中的0一O键断裂,血红素铁首先必须通过电子传递链得到两个电子而被还原，根据P一450在细胞内的定位不同，生物体有两种不同的电子传递链：为定位于内质网的P一450提供电子的是NADPH细胞色素P一450还原
11、酶，它本身也是一个内质网定位酶，通过N末端的“尾巴”穿越内质网,分子的大部分在内质网的细胞质方向，这个酶有两个结构域（domain）,各有一个黄素分子，两个电子从NADPH经FAD和FMN，最后到达P一450的血红素铁；对线粒体定位的P一450（如CYPllAl、CYPllA2、CYPllBl、CYP24、CYP27A1、CYP2781），电子传递链的组成有所不同,在这里铁氧化还原蛋白是P一450的直接电子供体,铁氧化还原蛋白不含有黄素，替代黄素位置的是铁硫簇，铁氧化还原蛋白被铁氧化还原蛋白还原酶(一种黄素蛋白）所还原,电子从NADPH经铁氧化还原蛋白还原酶和铁氧化还原蛋白，最终到P一450;
12、还有个别P一450从细tga色素b5得到电子。 以下列举P一450催化的几个典型反应： 1）双键环氧化：2）羟基化作用： 脂肪族碳羟基化：芳香碳羟基化:p743）杂原子去烷基化： 7乙氧基，9-羟基-3异吩噁唑酮（7 乙氧基试卤灵)CYPIA12，9羟基3-异吩噁唑酮（试卤灵) 4）杂原子氧化:4（甲基亚硝胺基）1-（3吡啶基）1酮(NNK）一N-氧化NNK5）脱氢反应： 除了催化上述的反应外，P - 450还可能催化其他一些反应,如偶氮还原、氮还原以及还原脱卤等;在甾体激素合成过程中P - 450也可以催化CC键断裂，例如CYP11A1在胆固醇转化为孕烯醇酮过程中的侧链断裂作用；以及取代环己
13、烷的芳烃化作用,如CYP19在将睾酮转化为雌激素时就起了芳烃化酶的作用. 所有的细胞色素P- 450基因都属于一个超基因家族,基因根据其序列同源性归为不同的基因家族和亚家族，氨基酸序列同源性高于40%者归为同一家族，高于55%以上者归人同一亚家族。目前有约1000个不同的细胞色素P 450基因完成了序列测定，分别属于74个基因家族，目前已知有17个人类P 450基因家族，其中有20个亚家族已在人类基因组中定位3。参与人体代谢的主要为c YP1至CYP3家族以及CYP4家族部分成员的基因产物（表4=2）。表4-2人类细胞色素P- 450主要基因家族及代谢催化功能 基因家族 代谢催化功能 C YP
14、I 药物代谢（2个亚家族，3个基因） C YP2 药物及甾体代谢（10个亚家族，15个基因，8个假基因） C YP3 药物代谢（1个亚家族，3个基因，2个假基因） C YP4 花生四烯酸或脂肪酸代谢（5个亚家族，9个基因，2个假基因) C YP5 凝血噁烷A2合成酶（1个亚家族,1个基因） CYP7A 胆汁酸生物合成，甾体核的7-a羟化酶(1个亚家族成员） C YP7B 大脑组织专一的7a羟化酶（1个亚家族成员) C YP8A 环前列腺素合成酶（1个亚家族成员) C YP8B 胆汁酸生物合成(1个亚家族成员) C YP11 甾体生物合成（2个亚家族，3个基因） C YP17 甾体生物合成（1个亚家族，1个基因）17 -a羟化酶 C YP19 甾体生物合成（1个亚家族,1个基因）形成雌激素 C YP21 甾体生物合成(1个亚家族,1个基因,1个假基因） C YP24 维生素D降解（1个亚家族，1个基因） C YP26A 视黄酸羟化酶（1个亚家族成员） C YP26B 可能为视黄酸羟化酶(1个亚家族成员) C YP27A 胆汁酸生物合
