化学毒物在体内的生物转运与生物转化-(9.21)

二、吸收 （Absorption）
吸收途径： ◆消化道(Digestive tract) ◆呼吸道(Respiratory tract) ◆皮肤(Skin)
（一）经消化道吸收
消化道吸收特点：
1. 全程吸收，其吸收速度不同： 口腔粘膜＜胃粘膜＜小肠粘膜。 2. 有多种吸收机制： 胃粘膜-简单扩散 小肠粘膜-简单扩散：脂溶性毒物 滤过：水溶性毒物 主动转运： 营养素主动转运系统 嘧啶主动转运系统 金属离子主动转运系统 吞噬或胞饮
(3)膜动转运（Cytosis） 指化学毒物通过细胞膜运动而发生的转运。
被转运的化学毒物： 固态颗粒物 大分子物质 转运方式： ①入饱作用(endocytosis) 吞噬作用(phagocytosis)—固态毒物 胞饮作用(pinocytosis)—液态毒物 ②胞吐作用(exocytosis)
电离度（pKa）
---弱酸性或弱碱性有机化学毒物 在介质中的解离： 非解离型（CM） 注意： ◆非解离型与解离型的比例依赖于毒物pKa值与 介质的pH值。 解离型（Ci）
◆毒物的非解离型容易通过生物膜。
评价：毒物解离度越小，非解离型越多，越易透过。
pKa的含义：
是化学毒物在介质中(体液)处于动态平衡时， 解离型与非解离型各占50%时介质中的pH值。 公式： pKa = lg [Cn]
[Ci]
+ pH
按Henderson-Hasselbach公式：
有机酸毒物： pKa = lg 有机碱毒物： [Cn] [Ci] [Ci] [Cn] + pH
pKa = lg
+ pH
[举例] 有机酸毒物： Lg HA
[Cn]

[Cn]
[Ci]

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2. 特殊转运
外源化学物借助于载体或特殊转运系 统而发生的跨膜运动。
主动转运(active transport) 易化扩散(facilitated diffusion) 吞噬作用（phagocytosis) 和胞饮作用 (pinocytosis)
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（1）主动转运
1)定义
外源化学物在载体的参与下, 逆浓 度梯度通过生物膜的转运过程。
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表 细胞膜对外源化学物主动转运系统
名称 ATP-结合盒（ABC）转运蛋白 多药耐受蛋白（P-糖蛋白）
多耐受药物蛋白 乳腺癌耐受蛋白
以溶质为主转运蛋白（SLC）
缩写
mdr mrp Bcrp
功能
减少胃肠道吸收，血-脑屏障，胆 汁分泌，胎盘屏障 尿排泄，胆汁排泄 将化学毒物代谢后的硫酸结合物 排出细胞
有机阴离子转运多肽 有机阴离子转运蛋白 肽类转运蛋白
oatp 肝摄取 oat 肾摄取 pept 胃肠道吸收
Kir6.1/K-ATP通道：帕金森病神经保护的新靶标，国家自然科 学基金:南京医科大学, 胡刚, 240万, 2010, 批准号：81030060 23
（2）易化扩散
第一节 化学毒物在体内的生物转运
第二节 化学毒物在体内的生物转化
第三节 毒物动力学
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第一节 外源化学物在体内的生物转运 一、生物膜与生物转运 二、吸收 三、分布 四、排泄
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一、生物膜与生物转运
（一） 生物膜的结构特点
组成
磷脂双分子层 ——脂质
镶嵌蛋白 ——受体、 酶、载
体、离子通道等
特点 功能
膜孔 ——生物膜上水通道
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1. 被动转运 (1)简单扩散 2)对象

A ( C C 1 2) R K D
K为扩散系数， A为膜面积，D为膜厚度。
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影响因素： 浓度梯度； 脂溶性脂水分配系数，一般来说：系数 越大，扩散速率越快； 化学物质的解离度和体液pH：解离型化合 物往往脂溶性较小，难以通过细胞膜扩散。 弱的有机酸在酸性环境中更易扩散，弱的 有机碱在碱性环境中易扩散。
第一相反应
外源化学物
第二相反应
排出体外
与内源亲水物质结 合，增加亲水性
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氧化作用 I 相 反 应 的 类 型
硝基和偶氮还原 羰基还原
还原作用
含硫基团还原 醌还原 脱卤还原
酯酶 水解作用 酰胺酶 环氧化物水化酶
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（一）氧化：最重要的1相反应
氧化反应 微粒体混合功能氧化酶 非微粒体混合功能氧化酶
主要担负生物转化的器官是肝脏。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。 生物转化的意义：水溶性增加、毒性降低 代谢解毒(metabolic detoxication)：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(metabolic activation)：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。
性毒物被重吸收，经门静脉回到肝脏再次随胆汁分泌， 形成循环。
延长毒物在体内的停留时间,毒性增加
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b、直接排出体外
高度极性的化合物，随粪便排出。
（三）经呼吸道排出
一些气体和挥发性物质：主要通过简单扩散 由肺排出。 非可溶性颗粒物：肺泡细支气管支气管 咽部随痰咳出或进入消化道。
（四）其它途径排出
一些固体颗粒或液滴与细胞膜上的蛋白质具有 特殊亲和力，可改变细胞膜表面张力，引起外包或 内凹，将外源物包围进入细胞。

乳腺癌耐受蛋白（ breast cancer
resistance protein, Bcrp）
有机阴离子转运多肽(organic-anion
transporting polypeptide, oatp)
溶质载体
Solute carriers (SLC）
有机阴离子转运蛋白(organic-anion
transporter, oat)ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
✓ 化学毒物从胆汁进入小肠后，可能有两条去路：1)直接
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第一节
化学毒物在体内的生物转运
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一、生物膜与生物转化
生物膜 (biomembrane): 是把细胞或细胞器与周
围环境分隔开来的半透膜，是细胞膜和细胞器
膜的总称。
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（一）生物膜的结构特点
生物膜 上具有充满水分的孔道（0.3~0.6 nm）
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（一）生物膜的结构特点
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（二）化学毒物通过生物膜的方式
肽类转运蛋白(peptide transporter, pept)
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（二）化学毒物通过生物膜的方式
4. 易化扩散 (facilitated diffusion)
✓ 不易溶于脂质的化学物，利用载体顺浓度梯度移动的过程，
又载体扩散。
特点：
✓ 顺浓度梯度；
✓ 不消耗能量；
✓ 需载体；
✓ 具有一定选择性, 饱和性，竞争抑制性。
皮肤通透性: 不同部位皮肤对毒物的通透性不同：阴囊>
手臂、后背、腿部、腹部>手掌、足底
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（四）其他途径
毒理学动物实验：腹腔注射、静脉注射、肌内注射、
皮下注射等
临床：皮内注射、肌肉注射

被动转运——简单扩散
又称脂溶扩散，是外源化学物经生物膜转 运的主要方式。
影响单纯扩散的主要因素
生物膜的浓度梯度差、厚度和面积、
在脂质中的溶解度
脂／水分配系数(lipid／water partition coefficient)是表 示化学物脂溶性的一个参数(亲脂性／亲水性的比值)， 指化学物在含有脂和水的体系中，在分配达到平衡时 在脂相和水相的浓度比值。
主要与抗原特异性结合。 提供接触生物学标志和中毒诊断指标
毒物进入各组织的速度取决于它的脂溶性、分子量、聚合状态及其相应毛细血管血液流动的速度和各种膜屏蔽的通透性。 血流中直接与血细胞或血浆成分发生反应而呈毒性作用
膜动转运(cytosis)
胞吞(endocytosis),胞饮(pinocytosis) 胞吐(exocytosis)
化学物通过生物膜的转运方式
被动转运
单纯扩散(simple diffusion) 易化扩散(facilitated diffusion) 滤过(filtration)
主动转运(active transport) 膜动转运(cytosis)
暂以相对无 活性的形式 存在于某些 组织或器官 中，与血液 中的毒物保 持动态平衡，
一、毒物在血液内的分布
毒物在血液中的形式： 吸收阶段：由角质层进入表皮较深 层和真皮，并被血液吸收
在角质层受损时通透性就会提高。
1.呈物理性溶解状态或离子状态； 血液
分布情况受组织局部的血流量、游离型化学物的浓度梯度、从毛细血管向实质细胞的转运速度、外源化学物与组织的结合点和亲合程
质
粘膜
膜屏障
质
呼出气
膜屏障
如血脑屏障
结合
乳汁

☞溶质载体（solute carriers, SLC)
①有机阴离子转运多肽 (organic-anion transporting peptide , Oarp
②有机阴离子转运蛋白 (organic-anion transporter , Oat )
③肽类转运蛋白 （peptide tr收过程的首过消除
（first-pass elimination）
定义： 毒物从吸收部位转运到体循环的过程中就开始被消除的
现象。 常发生部位：
胃肠道粘膜、肝、肺 毒理学意义：
可减少经体循环到达靶器官或组织的量，减轻毒效应。 例子：
乙醇：胃粘膜，醇脱氢酶氧化 吗啡：小肠粘膜、肝内与葡萄糖醛酸结合
定义： 毒物经过吸收入血或体液后，随血液和淋巴 液分散到全身各组织器官的过程。
影响因素： ＊器官组织血流量 ＊器官组织对毒物的亲和力 ＊各种屏障的作用 ＊某些细胞具有特殊膜转运机制
（一）毒物在组织器官中的贮存 蓄积(accumulation)
外源化学物以相对较高的浓度富集于某些组织器官的现 象称为蓄积 贮存库（storage depot)
固态颗粒入细胞内； ②胞饮作用(pinocytosis)
液态颗粒入胞内； ③胞吐作用(exocytosis)
细胞内到细胞外。
二、吸收
1. 定义 毒物从接触部位（一般为机体的外表面如皮肤 或内表面如消化道粘膜、肺泡的生物膜）转运 至血循环的过程。 2. 毒理中常见的吸收部位： 呼吸道、消化道、皮肤 实验研究也用特殊途径：如腹腔、iv、im、皮 下注射
☞毒物代谢酶特性： 广泛的底物特异性 多态性 立体选择性
☞毒物代谢酶的分布 组织分布 ＊肝：种类最多，活性最强； ＊小肠：次之 ＊皮肤、肺、鼻粘膜、眼 也具有 ＊其他：如肾、脾、心、脑、生殖器官、胎盘、血 也有一定的代谢能力 细胞内分布：内质网（微粒体）、胞质 主要分布 胞核、线粒体、溶酶体 分布较少。 高脂溶性物质的代谢酶多位于生物膜；高水溶性物 质的代谢酶多位于细胞质

如：石棉尘、镍尘等引起肺癌；
案例：2009年7月 新密 张海超 开胸验肺17
3、经皮肤吸收： 由于经皮吸收的第一阶段是外源化
学物扩散通过角质层。那么角质层较 厚的部位吸收较慢，反之较快。
不同部位皮肤对毒物的通透性不同： 阴囊>腹部>额部>手掌>足底
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二、分布
分布(distribution)指外源化学物通过吸收进 入血液或体液后，随体循环（血液和淋巴液）分 散到全身组织器官的过程。
甘油较难通过，葡萄糖几乎不能通过。
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5、主动转运： （1）定义：指物质不依赖膜两侧浓度差的转运，
可以由生物膜的浓度低的一侧向浓度高的一侧 转运，形成物质在特殊部位的高浓度聚积，因 而，又称为逆浓度梯度转运或上山转运（uphill transport）。
如一些药物和关键离子（如钠、钾、钙离 子）依赖机体特有的载体转运系统（酶或离子 泵）消耗能量进行主动转运。
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5、主动转运
（2）特点：需要载体参加；化学毒物可逆浓 度梯度转运；需消耗能量；载体往往是生 物膜上的蛋白质，载体对转运的化学毒物 有特异选择性；受载体转运化学物的最大 能力的限制，因而有饱和现象；同一载体 同时转运不同化学物时，有竞争性抑制现 象。
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5、主动转运
(3)值得一提的是：许多外源化学物的代谢产 物经由肾脏和肝脏排出，主要借助主动转 运。 如：机体需要的某些营养物质：某些 糖类、氨基酸、核酸和无机盐等由肠道吸 收进入血液的过程，必须通过主动转运逆 浓度梯度吸收。
不同的外源化学物在体内各器官组织的分布 不均匀。
影响因素：
组织或器官的血流量、对外源化学物的亲合力。
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二、分布
1、毒物在体内的贮存：

→ 除少数脂/水分配系数极高者，通常脂 /水分配系数越大，扩散速率越快。
脂溶性越大，跨膜扩散速度越快。
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2.影响简单扩散的主要因素：
（3）化学毒物必须是非离子型
HAc
H+ + A-
非离子型，为不带 电荷的极性分子， 脂溶性较大。
不带电荷的小极性分子 容易通过膜，如水、乙 醇、尿素、乳酸
[非离子型] [离子型]
有机酸：环境pH越小，非离子型比例越大。
→ 胃内被吸收（如苯甲酸）
有机碱：环境pH越大，非离子型比例越大。
→ 小肠内被吸收（如苯胺）
pKa
pH
lg
[离子型] [非离子型]
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（二）膜孔滤过：
（1）大部分细胞膜：只能通过相对分子质量 ＜100、且不带电荷的极性分子，以及某些非 极性分子（如H2O 、尿素、O2 、CO2 ）。
排泄(Excretion)
生物转化
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2.相关概念：
（1）生物转运：化学毒物在体内的吸收、 分布和排泄过程称为生物转运 。
（2）生物转化：化学毒物的代谢变化过程。
（3）消除 ：化学毒物的代谢和排泄合称为 消除 。
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3.研究 ADME 过程有重要的意义：
基本了解毒作用机制。
血/气分配系数越高，经肺吸收速率越快。 如： O2 、 CO2 、乙醇
容易溶于血的物质，容易经肺吸收。
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2.气溶胶 图2-5
（1）颗粒直径为5 ~ 30μm，沉积在 假复鼻层咽纤部毛→柱状纤上毛皮运动推出→ 咽下
（2）颗粒直径为1 ~ 5μm，沉积在肺 部气管、支气管→ 纤毛运动推出→ 咳出或咽下

食品毒理学外源化学物在体内生物 转运和生物转化
第二章 外源化学物在体内的生物转运和 生物转化（1）
第一节 生物转运 一、生物膜与生物转运 二、吸收 三、分布 四、排泄
第二节 生物转化 一、生物转化的意义 二、生物转化类型 三、影响生物转化因素
食品毒理学外源化学物在体内生物转运 和生物转化
第一节 生物转运
食品毒理学外源化学物在体内生物转运 和生物转化
水溶性分子
B. （4.）主动转运
化学物质伴随能量消耗，从细胞膜的低浓 度侧向高浓度侧扩散过程。
特点：
1.载体
2.能量代谢
3.饱和性
4.选择性
脂溶性低的化学物
5.竞争性
食品毒理学外源化学物在体内生物转运 和生物转化
主动转运的特点
① 转运过程需要载体参加； ② 可逆浓度梯度转运，消耗一定的代谢能量； ③ 载体有一定的容量，当化合物浓度达到一定程
环境污染物
表皮
毛囊、汗腺、皮脂腺
表皮角质层, 阻止MW>300
连接角质层, 阻止水溶性物质
基底膜
血液
食品毒理学外源化学物在体内生物 转运和生物转化
食品毒理学外源化学物在体内生物转运 和生物转化
（1）影响因素
化学物分子量的大小: 4nm孔道：>200 的分子不通过 70nm孔道：>60000分子不通过
（2）毒理学意义
水及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。
食品毒理学外源化学物在体内生物转运 和生物转化
特殊转运
外源化学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。
食品毒理学外源化学物在体内生物转运 和生物转化
（二）经呼吸道吸收

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。
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。
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P450(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。

毒物在体内的过程
1、分布
毒物被吸收后，随血液循环（部分随淋巴液）分布到全身。

当在作用点达到一定浓度时，就可发生中毒。

毒物在体内各部位分布是不均匀的，同一种毒物在不同的组织和器官分布量有多有少。

有些毒物相对集中于某组织或器官中，我们称这个器官为靶器官。

例如铅、氟主要集中在骨质，苯多分布于骨髓及类脂质。

2、生物转化
毒物吸收后受到体内生化过程的作用，其化学结构发生一定改变，称之为毒物的生物转化。

其结果可使毒性降低（解毒作用）或增加（增毒作用）。

毒物的生物转化可归结为氧化、还原、水解及结合。

经转化形成的毒物代谢产物排出体外。

3、排出
毒物在体内可经转化后或不经转化而排出。

毒物可经肾、呼吸道及消化道排出，其中经肾随尿排出是最主要的途径。

尿液中毒物浓度与血液中的浓度密切相关，常测定尿中毒物及其代谢物，以监测和诊断毒物吸收和中毒。

4、蓄积
毒物进入体内的总量超过转化和排出总量时，体内的毒物就会逐渐增加，这种现象就称之为毒物的蓄积。

此时毒物大多相对集中于某些部位，毒物对这些蓄积部位可产生毒作用。

毒物在体内的蓄积是发生慢性中毒的基础。

Biotransformation (生物转化)
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二、生物膜的结构与功能
脂质
组成 糖
蛋白质：结构蛋白、受体、酶、载体、
生
离子通道等
物 膜 结构：液态镶嵌模型
隔离功能
功能
生化反应和生命活动的场所
内外环编境辑pp物t 质交换的屏障
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三、化学物质通过生物膜的方式
运生 物 转
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（一）、被动转运
1、简单扩散（Passive transport)： 定义：生物膜两侧的化学物分子从浓度高的
一侧向浓度低的一侧（即顺浓度梯度）扩 散。
驱动力：浓度梯度
转运物质：多数环境化学物
转运速率（R）：
RKA(C1 C2) D
K为扩散系数， A为膜面编辑积ppt，D为膜厚度。
[分布]
靶器官 (损害)
器官组织 (贮存)
[排泄]
肾 肺 分泌腺
粪
胆汁
[排泄]
尿
呼气 乳汁、汗
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图3-1 外源化学物在体内的动态过程
Absorption 吸收 ↓
Distribution分布 ↓
Metabolism代谢 ↓
Excretion排泄
Toxicokinetics (毒物动力学 ) Toxicodynamics (毒物效应动力学) Biotransportation (生物转运)
通气量 吸收量 ；血流量 吸收量
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3、对颗粒物的吸收：
主要受颗粒大小的影响。
进入呼吸道颗粒物的归宿： ➢ >10m，大部分沉积在上呼吸道； ➢ 5-10 m，大部分阻留在气管和支气管； ➢ 1-5 m，可到达呼吸道深部，部分到达肺泡； ➢ < 1m，在肺泡内沉积。 沉积在肺泡内的颗粒物的归宿： ➢ 吸收进入血液； ➢ 随粘液咳出； ➢ 进入淋巴系统； ➢ 长期存留在肺泡肺泡灰尘病灶或结节。