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05 第三章 环境污染物的生物转运和生物转化-生物转化解析

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第三章 环境污染物在体内的生物转运和生物转化

第三章 环境污染物在体内的生物转运和生物转化

2、分布 、
环境污染物被吸收进入血液后，随着血液的运输， 环境污染物被吸收进入血液后，随着血液的运输，分散到全身各 组织器官的过程。 组织器官的过程。 一般地说，在提内组织器官的起始分布取决于血流量 血流量， 一般地说，在提内组织器官的起始分布取决于血流量，血液供应 丰富的器官，分布的污染物愈多，如肝脏。 丰富的器官，分布的污染物愈多，如肝脏。而最终分布取决于污染物 与组织器官的亲和力 亲和力。 与组织器官的亲和力。 例如Pb开始时主要分布肝脏中 最终大部分（ 开始时主要分布肝脏中， 例如 开始时主要分布肝脏中，最终大部分（90%）分布在骨骼 ） 中。
上呼吸道： 上呼吸道：鼻、咽、支气管 下呼吸道： 下呼吸道：肺
C、经皮肤的吸收污染物的通透性较弱。 较少（如局部毒性），因皮肤对环境污染物的通透性较弱。 ），因皮肤对环境污染物的通透性较弱
D、其他 、
主要是人为地染毒途径，如采用静脉、皮下、肌肉注射进行染毒。 主要是人为地染毒途径，如采用静脉、皮下、肌肉注射进行染毒。
4、排泄 、
指环境污染物及其代谢物由体内向体外转运的过程。 指环境污染物及其代谢物由体内向体外转运的过程。
经肾随尿液排出（最主要）：大多数(分子量小于 随尿液排出（最主要）：大多数 分子量小于60,000的分子 ) ）：大多数 的分子 经肝随胆汁排出：与血红蛋白结合、分子量大于300的强极性的化合物 经肝随胆汁排出：与血红蛋白结合、分子量大于 的强极性的化合物 经呼吸道排出：气体污染物、 经呼吸道排出：气体污染物、挥发性强的化合物
第三章 环境污染物在体内的 生物转运和生物转化
一、生物转运 二、生物转化
一、生物转运
环境污染物与机体接触、吸收、分布、代谢和排泄的过程， 环境污染物与机体接触、吸收、分布、代谢和排泄的过程， 与机体接触 称为环境污染物的生物转运， 环境污染物在体内发生的位移。 称为环境污染物的生物转运，即环境污染物在体内发生的位移。

环境污染物的生物转运和生物转化生物转运

环境污染物的生物转运和生物转化生物转运
影响因素：
浓度梯度，脂/水分配系数、解离度和体液pH、蛋白质亲和力
简单扩散的特点 1.不消耗脂能溶性量物质 2.不需要载体 3.无饱和限速 4.无竞争性抑制 5.符合一级速率过程
R K A(C1 C2 ) D
R：转运速率 A：膜面积 C: 膜两侧浓度
K：为扩散系数 D：膜厚度
11
被动转运
滤过(Filtration) 毒物通过生物膜上的亲水孔道(如毛细 血管、肾小球膜孔和细胞膜上由蛋白质的亲 水性氨基酸构成）的过程。
8
研究范例W. Hu et al. / Comparative Biochemistry
and Physiology Part C 135 (2003) 77–88
Interactive effects of E2 and PFOS or E2 and TCDD on MVLN cell luciferase activity
影响因素： 分子量(<100~200) 膜内外流体静压或渗透压差
12
特殊转运(specialized transport)
主动转运(Active transport)
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。
脂溶性低的化学物
特点： 1.逆浓度梯度转运 2.载体 3.能量代谢 4.选择性 5.饱和性 6.竞争性
9
3.1.2 化学物质通过生物膜的方式
➢被动转运(passive transport)
简单扩散、滤过
➢特殊转运(specialized transport)
易化扩散、主动转运、吞噬和胞饮 作用
10
被动转运
简单扩散(Passive transport)
毒物从细胞膜的高浓度一侧向低浓度侧扩散，直到两边的 浓度达到平衡。

第三章-环境污染物在体内的生物转运和生物转化教学文案

第三章-环境污染物在体内的生物转运和生物转化教学文案

第一节 污染物的吸收、分布与排泄
主动转运的主要特点:
第 三 章
①可逆浓度梯度转运，故消耗一定的代谢能量； ②转运过程需要载体参加； ③载体既然是生物膜的组成成分，所以有一定的容量 ； ④主动转运有一定的选择性； ⑤如果两种化合物基本结构相似，在生物转运过程中又
需要同一转运系统，两种化合物之间可出现竞争，并 产生竞争抑制 。
➢（二）吸收途径：
毒物主要通过消化道、呼吸道、皮肤三条途径吸收。
2020/6/29 12
第一节 污染物的吸收、分布与排泄
１、经消化道吸收：一般外来化合物在胃肠道中的吸收
第 三 章
过程，主要是通过简单扩散，仅有极少种类外来化合物的 吸收是通过吸收营养素和内源性化合物的专用主动转运系 统。外来化合物在消化道的吸收可在任何部位进行，但主 要在小肠。
第 １、外来化合物与血浆蛋白结合 ２、外来化合物与其它组织成分结合
三 ３、外来化合物在脂肪组织和骨骼中贮存和沉 章积
４、体内各种屏障的影响
2020/6/29 18
第一节 污染物的吸收、分布与排泄
体内的各种屏障：
⑴ 血脑屏障
第 ⑵ 胎盘屏障 三 体内重要贮存库有四种： 章 血浆蛋白作为贮存库；毒物在肝、肾中的累积；
３、经皮肤吸收：
第 表皮吸收主要方式是简单扩散 毒物经皮吸收的两个途径：
三 ①通过表皮脂质屏障是主要的吸收途径。 章 ②通过汗腺、皮脂腺和毛囊等附属器，绕过表
皮屏障直接进入真皮。
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第一节 污染物的吸收、分布与排泄
毒物经皮肤吸收的两个阶段： 第一阶段—穿透相 毒物透过表皮进入真皮。 几
▪ 5、胞饮和吞噬
第
液体或固体外来化合物被伸出的生物膜

05 第三章 环境污染物的生物转运和生物转化-生物转化

05 第三章 环境污染物的生物转运和生物转化-生物转化

[O]
NO2
C2H5O C2H5O
P
O O
NO2
对硫磷
对氧磷
（11）氧化脱卤反应
X
[O ]
R CH2X
RCHOH
RCHO + HX
2.非微粒体酶催化的氧化反应
主要催化具有醇、醛、酮功能基团的外源化学物的氧 化反应。主要包括醇脱氢酶、醛脱氢酶及胺氧化酶类。 主要存在于肝细胞线粒体和胞液中存在，也存在于消化 道,肺、肾。
进一步通过磺基转移酶的催化，与醇类、酚类或胺类结 合为硫酸酯。
硫酸化酶
SO4２－ + ATP
5-磷酰硫酸腺苷（APS）+ 焦磷酸（PPi）
APS激酶
APS + ATP
PAPS + ADP
（四）结合反应
3．谷胱甘肽结合
（四）结合反应
4．乙酰结合
N O 2
N H 2
还原反应
N–乙酰转移酶
硝基苯
CH 3COSCoA
（四）结合反应
进入体内的外源化学物在代谢过程中与某些其他内 源性化学物或基团发生的生物合成反应。
外源化学物可直接发生结合反应，也可经第一相反 应后再发生结合反应（第二相反应）。
大多数外源化学物及其代谢产物均需经过结合反应， 再排出体外。
结合物 conjugate
（四）结合反应
结合反应类型
葡 糖 醛 酸 结 合
酰胺酶
杀虫剂乐果可通过此水解反应降解和解毒。
反应停在人体内的水解产物主要为邻苯二甲酰亚胺,与致 畸作用有关
反应停事件
1956年进入市场,1962年撤药 30多个国家和地区共报告了"海豹胎1万余例 西德：至少6000例畸胎 英国：5500个这样的畸胎， 日本：1000余例 台湾省:至少有69例畸胎出生。

环境污染物的生物转运和生物转化生物转运

环境污染物的生物转运和生物转化生物转运

基底膜
血液
28
(二) 皮肤吸收
影响皮肤吸收的因素
1. 分子量 2. 脂/水分配系数 接近1.0的容易被表皮途径吸收 3. 种属差异 大鼠和兔通透性好，豚鼠、猪和猴的
皮肤通透性与人接近 4. 环境、皮肤温度和湿度 5. 角质层厚度和完整性、血液流量 6. 汞等一些金属及化合物，可以经过毛囊、皮脂腺
和汗腺直接进入血液
400 **
300
** P<0.05 *** P<0.01
***
ufCB
200
100
0
CB
10 30
50
70 90
110 130
-100
Particle dose (µg/ml)
25
(二) 呼吸道吸收 影响肺泡对气态物质的吸收的因素
（1）分压差和血/气分配系数。 （2）血液中溶解度和相对分子质量。 （3）肺的通气量和血流量，特别是 与两者的比值有关。
影响因素：
浓度梯度，脂/水分配系数、解离度和体液pH、蛋白质亲和力
简单扩散的特点 1.不消耗脂能溶性量物质 2.不需要载体 3.无饱和限速 4.无竞争性抑制 5.符合一级速率过程
R K A(C1 C2 ) D
R：转运速率 A：膜面积 C: 膜两侧浓度
K：为扩散系数 D：膜厚度
11
被动转运
滤过(Filtration) 毒物通过生物膜上的亲水孔道(如毛细 血管、肾小球膜孔和细胞膜上由蛋白质的亲 水性氨基酸构成）的过程。
污染物在体内的生物转运和生物转化
化
环
境 污吸 染收
血 液
分 布 组 织 脏
学
改 变
结 构 和
性
质

3章-环境化学物的生物转运与生物转化

3章-环境化学物的生物转运与生物转化
第三章
环境化学物的生物转运 与生物转化
第一节 生物转运
一、生物转运过程的基本原理
（一）生物膜的结构与功能
生 物 膜 质膜：包围在细胞外的膜 细胞核及各种细胞器外面包围的膜
功能： （1）保持细胞和细胞器内部理化性质的稳定; （2）选择性地允许或不允许某些物质透过，以便吸 收和排出一些物质；
（3）传递信息;
（7）N-羟化反应
R N H [
2
N
H 2
苯胺
O ] R N H O H
N H O H
→
N-羟基苯胺
（8）烷基金属脱烷基反应 Pb(C2H5)4 （9）S-氧化反应 [O] R-S-R′
硫醚
Pb(C2H5)3
R-SO-R′
亚砜
R-SO2-R′
砜
（10）脱硫反应
RO RO
C
2
P
H
5
S OR' ( S R')
（四）结合反应
ห้องสมุดไป่ตู้
结合反应是进入体内的外源化学物在代谢过程 中与某些其他内源性化学物或基团发生的生物合成 反应，形成的产物称结合物。 外源化学物可直接发生结合反应，也可经第一
相反应后再发生结合反应（第二相反应）。大多数 外源化学物及其代谢产物均需经过结合反应，再排 出体外。
根据与外源化学物结合的结合剂不同，可将 结合反应分为以下几种类型：
一、生物转化的反应类型
氧化 生 物 转 化 还原 水解 结合 第二相反应 排出体外 第一相反应 外源化学物
（一）氧化
氧化反应
微粒体混合功能氧化酶
金 属 脱 烷 基 反 应
非微粒体混合功能氧化酶
脂 肪 族 羟 化

环境化学物质的吸收、分布、排泄

毒物通过生物膜的方式 被动扩散(简单扩散)
驱动力：浓度梯度 转运物质：多数环境化学物/营养物质 转运速率（R）
R K A(C1 C2 ) D
K-扩散常数 A-膜面积 (C1-C2)-浓度梯度 D-膜厚度
一、生物膜的结构与功能
毒物通过生物膜的方式 被动扩散(简单扩散)影响因素
– 生物膜两侧化学毒物浓度梯度 • 浓度相差越大，通过生物膜的速度越快。
– 毒物在脂质中的溶解度——脂/水分配系数 • 脂/水分配系数：毒物在脂质中的溶解度与在水 中的溶解度之比 • 脂溶性和水溶性均高的物质更容易透过 • 乙醇容易透过生物膜而被吸收分布全身
一、生物膜的结构与功能
毒物通过生物膜的方式 被动扩散(简单扩散)影响因素
– 化学物的解离度和体液的pH——离解或电离状态 • 一种化合物分子在水溶液中分解成为带电荷的微 粒即离子的过程——离解或电离 • 物质在体液中的解离度愈大，就愈难透过生物膜 • 许多化学物如弱酸、弱碱性物质，在溶液中呈离 子状态时脂溶性低，不易透过生物膜的脂质结构 区；相反非离子状态的化学物，易透过生物膜。 • 化学物在体液中的离解状态受体液酸碱度的影响
– 细胞、细胞器和其环境接界的所有膜结构的总称。
真 核 细 胞
生 物 膜
质膜(细胞膜)：包围在细胞外的膜 内膜：各种细胞器的膜 核膜、线粒体膜、内质网膜等
细胞器是细胞质中具有一定结构和功能的微结构
结构
– 脂质双分子层 • 主要成分为磷脂，每一脂质分子的一端为头部， 由磷酸和碱基组成，具亲水性，朝向膜的内外表 面；另一端为尾部，由两条脂肪酸链组成，具有 疏水性，朝向膜的中部脂质的
– 膜动转运（cytosis） • 吞噬作用和胞吐
一、生物膜的结构与功能

第三章环境污染物在体内的生物转运和生物转化


第一节 污染物的吸收、分布与排泄
影响简单扩散的因素
1）生物膜两侧浓度梯度; 2）外来化合物在脂质中的溶解度，可用
脂 水分配系数来表示; 3）外来化合物的解离度和体液pH高低，
对毒物通过细胞膜的难易有很大影响; 4）膜两侧体液中的蛋白质浓度及与之结
合的亲和力。
第一节 污染物的吸收、分布与排泄
• 2、滤过
生物转化：
代谢可使外来化合物发生化学结构和性 质的改变，从而转变成新的衍生物的过程， 也称为代谢转化。
第一节 污染物的吸收、分布与排泄
• 一、生物转运过程的机理
• （一）生物膜
第一节 污染物的吸收、分布与排泄
• （二）毒物通过生物膜的转运方式
1、简单扩散 2、滤过 3、主动转运 4、载体扩散 5、胞饮和吞噬
第一节 污染物的吸收、分布与排泄
３、经皮肤吸收： 表皮吸收主要方式是简单扩散 毒物经皮吸收的两个途径： ①通过表皮脂质屏障是主要的吸收途径。 ②通过汗腺、皮脂腺和毛囊等附属器，绕过表 皮屏障直接进入真皮。
第一节 污染物的吸收、分布与排泄
毒物经皮肤吸收的两个阶段： 第一阶段—穿透相 毒物透过表皮进入真皮。 几
第三章
环境污染物在体内的 生物转运和生物转化
第三章 环境污染物在体内的生物转运 和生物转化
内
容 第一节 污染物的吸收、分布与排泄
提 第二节 污染物的生物转化 要 第三节 污染物代谢动力学
第三章 环境污染物在体内的 生物转运和生物转化
生物转运：
吸收、分布和排泄使外来化合物在体内 发生位移，均是反复通过生物膜的过程， 统称为生物转运。
积 ４、体内各种屏障的影响
第一节 污染物的吸收、分布与排泄
体内的各种屏障：

第3章生物转运和生物转化-文档资料

35
③ 脂肪组织。脂溶性有机物易于蓄积在体脂内，如有机氯 农药等，并不呈现生物学活性。因此这一类毒物对肥胖 者比消瘦者毒性小。但值得注意的是，当脂肪迅速动员 时，可使血中的毒物浓度突然升高，而引起中毒。
④ 骨骼。骨骼也可作为许多外来化合物的贮存沉积场所。 骨骼中某些成分与某些外源性化学物具有特殊亲和力。 铅可取代骨骼中的钙，而贮存于骨中。 氟离子可替代羟基磷灰石中的OH，使骨氟含量上升， 引起氟骨病。
7
3、简单扩散能够进行的条件： ① 膜两侧存在浓度梯度。如O2由肺泡进入血液和CO2由血
液进入肺泡细胞。 ② 外源化合物有脂溶性。外源化合物的脂溶性可以脂水分
配系数来表示，即当一种物质在脂相和水相的分配达到 平衡时，其在脂相和水相中溶解度的比值。一般来说， 脂水分配系数越大，越容易透过生物膜而进行扩散。 ③ 外源化学是非解离状态。解离型，极性大，脂溶性小， 不易通过生物膜；反之，非离解状态的化学物容易透过。 因此弱有机酸在酸性环境中，弱有机碱在碱性环境中多 处于非解离状态，易于透过生物膜。
19
经简单扩散吸收
经简单扩散吸收，主要取决于外源性化学物的脂溶性、pKa, 以及胃肠道腔内的PH值。
如由于胃液酸度极高(pH 1.0)，弱有机酸类物质多以未能解离 形式存在，所以容易吸收；但弱有机碱类物质，在胃中离解 度较高，一般不易吸收。
有机碱易在肠道中吸收。小肠内内酸碱度相对趋向中性(pH 6.6)，化合物离解情况与胃内不同。例如，弱有机碱类在小肠 主要呈非离解状态，因此易被吸收。
B、颗粒物质的水溶性。
可溶性有毒颗粒很快能被吸收入血，引起中毒； 不溶性颗粒则可引起尘肺病。
26
3. 经皮肤吸收
皮肤是机体与外界环境的屏障。许多化学物能通过皮肤 大量地吸收，产生全身毒性。
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RH +NADPH + H+ + O2 底物 还原型辅酶Ⅱ
MFOS
ROH +H2O+NADP+
氧化产物
1.微粒体混合功能氧化酶系催化的氧化反应
（1）脂肪族羟化 脂肪族化合物侧链（R）末端倒数第一个或第二个碳 原子发生氧化，形成羟基。
RCH3
[O]
RCH2OH
有机磷杀虫剂八甲磷经此反应生成羟甲基八甲磷， 毒性增强
肠道厌氧环境,发生还原反应的可能性较大
（二）还原反应 还原反应类型
含 氮 基 团 还 原 反 应 含 硫 基 团 还 原 反 应 含 卤 素 基 团 还 原 反 应
羰 基 还 原 反 应
无 机 化 合 物 还 原
（二）还原反应
1.羰基还原反应
醛类和酮类可分别还原成伯醇和仲醇。
RCHO
醛
RCH2OH 伯醇
7
1.微粒体混合功能氧化酶系催化的氧化反应
(2）芳香族羟化
芳香环上的氢被氧化形成-OH。
C6H5R
（3）环氧化反应
RC6H4OH
多环芳烃形成的环氧化物可与生物大分子共价结合， 诱发突变或癌变
1.微粒体混合功能氧化酶系催化的氧化反应 （4）N-脱烷基反应
胺类化合物氨基N上的烷基被氧化脱去一个烷基， 形成醛类或酮类
第三章 污染物的生物转运和生物转化
3.4 污染物的生物转化
主讲教师：刘 薇 大连理工大学 环境学院
生物转化的主要器官和细胞
转化能力 强 中等 器官 肝脏 肺脏 肾脏 细胞 实质细胞 Clara细胞、Ⅱ型上皮细胞 近曲小管细胞
小肠
皮肤 弱 睾丸
粘膜层细胞
上皮细胞 输精管和支持细胞
肝 外 代 谢 过 程
RC O R' 酮
C H 3C H 2O H
乙醇
RC HO HR' 仲醇
醇脱氢酶
C H 3C H O
乙醛
（二）还原反应
2.含氮基团还原反应
（1）硝基还原反应
NO2 NO NHOH NH2
硝基苯
亚硝基苯
苯羟胺
苯胺
（2）偶氮还原反应 （3）N–氧化物还原
磺胺类药物,偶氮色素
（二）还原反应
3.含硫基团还原反应
环加氧酶 过氧化物酶 (共氧化反应)
花生四烯酸
前列腺素G2 (PGG2)
前列腺素H2
（二）还原反应
发生还原反应的条件：
① 还原性化学物或代谢物在组织细胞内积聚,形
成局部还原环境。 ② 在细胞色素P450单加氧酶系催化的氧化反应 中，也有电子的转移，一些外源化学物可接受电子 被还原。
③ 氧化还原反应中的可逆反应。
R N CH3 [O] CH3 CH3 R N CH2OH R N H CH3 + HCHO
[O]
胺
酮
二甲基亚硝胺在N-脱烷基后可形成自由基CH3+ ·,使细胞 核内核酸分子上的鸟嘌呤甲基化，诱发癌变或突变
1.微粒体混合功能氧化酶系催化的氧化反应
（5）O-脱烷基和S-脱烷基反应
R－O－CH3 R－S－CH3 [O] [O] [R－O－CH2OH] [R－S－CH2OH]
二硫化物、亚砜化合物等可在体内被还原。杀虫剂三 硫磷可被氧化形成三硫磷亚砜，在一定条件下可被还原成 三硫磷。
C 2 H5 O C 2 H5 O P S S CH2 O S C 2 H5 O C 2 H5 O P S S CH2 S
三硫磷亚砜
Cl
三硫磷
Cl
（二）还原反应
4.含卤素基团还原反应
CCl4 + NADPH
ROH + HCHO RSH + HCHO
（6）脱氨基反应 [O] R－CH2－NH2
RCHO + NH3
1.微粒体混合功能氧化酶系催化的氧化反应 （7）N-羟化反应
R N H2
NH2
[O ]
R NH OH
NHOH
苯胺
N-羟基苯胺
1.微粒体混合功能氧化酶系催化的氧化反应
（8）烷基金属脱烷基反应 Pb(C2H5)4 Pb(C2H5)3
道,肺、肾。
（1）醇脱氢酶
RC H2O H
NAD
RC H O + N A D H + H
+
醇类
醛类
2.非微粒体酶催化的氧化反应
（2）醛脱氢酶
RCHO
醛类
NAD
RCOOH
酸类
（3）胺氧化酶 [O] RCHO + NH3 + H2O RCH2NH2 + H2O
3.前列腺素生物合成过程中的共氧化作用
在机体内花生四烯酸经氧化作用形成前列腺素。 在此过程中，某些外源化学物可同时被氧化，即共 氧化作用。
非微粒体混合功能氧化酶
脂 肪 族 羟 化
芳 香 族 羟 化
环 氧 化 反 应
N羟 化 反 应
S-
脱 氧 硫 化 反 反 应 应
氧 化 脱 卤 反 应
醇 脱 氢 酶
醛 脱 氢 酶
胺 氧 化 酶
1.微粒体混合功能氧化酶系催化的氧化反应
微粒体混合功能氧化酶系 (microsomal mixed function oxidase system,MFOS) 特异性低 主要存在与肝脏内质网中
3.磷脂类
黄素单加氧酶
肝、肾、肺等组织细胞的微粒体
氧化化合物结构中N,S,P等亲核原子
非微粒体混合功能氧化酶系
肝细胞线粒体和胞浆中，肝、肾肠和神经的单胺氧化酶 醇、醛、酮的脱氢氧化和单胺类氧化脱氢
(一) 氧化反应
氧化反应
微粒体混合功能氧化酶 黄素单加氧酶
N- O- S脱 烷 基 反 应 脱 烷 基 反 应 脱 烷 基 反 应 金 属 脱 烷 基 反 应
3.4.1 生物转化的反应类型
氧化 生 物 转 化 还原 水解 结合 第Ⅱ相反应 第Ⅰ相反应
外源化学物
排出体外
(一) 氧化反应
参与氧化反应的主要酶系 微粒体混合功能氧化酶系(P-450)
细胞色素P-450酶系
1.血红蛋白类
细胞色素P-450 和细胞色素b5
肝细胞内质网
2.黄素蛋白类
NADPH-细胞色素P-450 还原酶和细胞色素b5还原酶
C 2 H5 O C 2 H5 O
P
O O NO 2
对硫磷
对氧磷
（11）氧化脱卤反应 X [O ] RC HO H R C H 2X
RC HO + HX
2.非微粒体酶催化的氧化反应
主要催化具有醇、醛、酮功能基团的外源化学物的氧 化反应。主要包括醇脱氢酶、醛脱氢酶及胺氧化酶类。 主要存在于肝细胞线粒体和胞液中存在，也存在于消化
（9）S-氧化反应
R－S－R′
硫醚Hale Waihona Puke [O]R－SO－R′
亚砜
[O]
R－SO2－R′
砜
1.微粒体混合功能氧化酶系催化的氧化反应 （10）脱硫反应
RO RO P S O R' ( 或S R') [O ] RO P RO
[O]
O O R' (或 S R')
C 2 H5 O C 2 H5 O
P
S O NO 2