第二章 环境化学物的生物转运和生物转化

第二章
环境化学物的生物转运和 生物转化
环境污染物 化学物的吸收、分布和排泄具 与机体接触 进入血液 分布到组织 有类似的机理，都是反复通过生 物膜的过程，统称为生物转运 （biotransport）。 化学物质在组织细胞中发生的 结构和性质的变化过程，称为生
代 谢
排 泄
物转化（biotransformation）。
颗粒物的吸收主要取决于大小：
>10μm，沉积在上呼吸道→痰
5~10μm，沉积在气管和支气管
1~5μm，可到达呼吸道深处，部分到达肺泡
<1μm，在肺泡内扩散而沉积
3、皮肤吸收 皮肤对化学物的通透性较弱，存在脂质屏障。四氯 化碳、有机磷农药பைடு நூலகம்可经皮肤吸收
皮肤吸收的 两条途径：
（1）表皮 （2）毛囊、汗 腺、皮脂腺
可被还原的化合物主要是含有硝基－NO2、偶氮
基－ N=N 和羰基－ C=O 的外来化合物以及二硫化
物、亚砜化合物等。催化反应的是还原酶或非酶
反应，系 NADPH、 NADH等生物还原剂作用的结 果。
1、羰基还原反应：醛、酮还原成醇 2、含氮基团还原反应： （1）硝基还原反应：各种硝基还原酶，NADPH 或NADH是供氢体。 （2）偶氮还原反应：偶氮还原酶 （3）N－氧化物还原 3、含硫基团还原反应：二硫化物、亚砜化合物可 在体内被还原。 4、含卤素基团还原反应 5、无机化合物还原：五价砷化合物中的砷也可被 还原成三价砷。
含有黄素腺嘌呤二核苷酸，代替细胞色素P-450参
与单加氧酶反应。 许多外来化合物都可经混合功能氧化酶催化， 加氧形成各种羟化物。羟化物将进一步分解，形 成各种产物，因此氧化反应可能有各种类型.
2.非微粒体混合功能氧化酶催化的氧化反应
肝组织胞液、血浆和线粒体中，有一些专一性 不太强的酶，可催化某些外来化合物的氧化与还 原。例如醇脱氢酶、醛脱氢酶、过氧化氢酶、黄 嘌呤氧化酶等。
过程。
RH ＋ NADPH ＋ H+ ＋ O2→ROH ＋ H2O ＋
NADP+
混合功能氧化酶是细胞内质网膜上的一个酶系， 组成较为复杂，主要有细胞色素P-450氧化酶，也 称为细胞色素P-450依赖性单加氧酶，还有还原型
辅酶Ⅱ－细胞色素P-450还原酶。此外还含有微粒
体FDA－单加氧酶，它不含有细胞色素P-450，而
（三）水解反应 有许多毒物，如酯类、酰胺类和含有酯式键的
磷酸盐取代物极易水解，水解后毒性大为降低。
水解反应不需要消耗代谢能量。在血浆、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。酯酶、酰胺酶是广泛存在的水
解酶，酯酶和酰胺酶可分别水解酯类和胺类。
1、酯类水解反应：
RCOOR’→RCOOH+R’OH 是许多有机磷杀虫剂在体内的主要代谢方式。 2、酰胺类水解反应： 酰胺是－COOH中-OH被－NH2置换形成的， RCONHR→ RCOOH + R’－NH2 3、水解脱卤反应
五、化学物的排泄
排泄是外来化合物及其代谢产物向机体外转
运的过程。
主要途径：肾——尿液，肝——胆汁；
其他：汗液、乳汁、唾液、泪液及胃肠道分 泌物、呼吸道。肾脏是主要的排泄器官。
（一）经肾随尿排出
1、肾小球被动滤过： 大部分外来化合物 或其代谢产物均可 通过肾小球滤过进 入肾小管 2、肾小管重吸收
3、肾小管排泄 ：即为肾小管主动分泌，此种主动转运 可分为两种系统，一为供有机阴离子化学物质（有机酸）
第三节 生物转化
外来化合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称为生物转化，或称为代谢转 化。所形成的衍生物即代谢物。
生物转化具有两面性 生物转化主要发生在肝脏，其次是肾、肺，胃肠道、
血液、皮肤也有弱的代谢过程。
一、生物转化的反应类型 四 种 ： 氧 化 、 还 原 、 水 解 、 结 合 。 两 阶段 （两相）。 （一）氧化 氧化可分为由微粒体混合功能氧化酶催化和非 微粒体混合功能氧化酶催化的两种氧化反应。
影响吸收的因素： （1）消化道中的酶类和菌丛，可改变某些化 学物毒性
（2）胃肠道内容物的种类和数量、排空时间 、蠕动状态。 （3） 环境化学物的溶解度和分散度。分散 度大，易于吸收。
2、呼吸道吸收：主要在肺。吸收最快的是气体、小 颗粒气溶胶和脂/水分配系数高的物质。
吸收特点：吸收的外来化合物直接进入血液循环 而分布全身，与胃肠道吸收不同。 主要方式：简单扩散
转运；一为供有机阳离子化学物质（有机碱）转运。
（二）经肝随胆汁排泄
( 肠肝循环 )
肝（对化学物进行生物转化形成的一部分代 谢产物）
门静脉系统
胆汁
重吸收
小肠
粪便
95％胆汁酸可被重吸收
外来化合物随同胆汁进入小肠后，可能有二种去路： ①随粪便排出；②进行肠肝循环。
再有一部分外来化合物在生物转化过程中形成结合物，
影响因素：
（1）分子量大小、脂/水分配系数及角质层厚度
（2）种属不同：可能与角质层厚度不同有关。 （3）高温：易于吸收 （4）角质层损失因子：角质层被损坏，可使环 境化学物通透性增加。
四、分布与贮存
（一）分布（distribution） 环境化学物被吸收进入血液和体液后，随血液和淋巴 的流动分散到全身各组织的过程称为分布。 同种化学物在体内不同器官分布不同，不同化学物分布
在小肠。
经胃肠道吸收的外源化合物主要通过下列转运方式：
（1）简单扩散 是外源化学物在胃肠道吸收的主要方式。 （2）滤过 小肠粘膜细胞膜上有直径0.4nm左右的亲水性 孔道，分子量100左右，直径小于亲水性孔道的小分子， 可随同水分子一起滤过而被吸收。 （3）主动转运 机体需要的某些营养物质如糖类、氨基 酸、核酸、无机盐可由肠道通过主动转运逆浓度梯度被吸 收，少数外源化学物，由于其化学结构或性质与体内所需 的营养物质非常相似，也能通过主动转运进入机体。 （4）胞吞作用 偶氮色素及某些微生物毒素可通过胞吞 作用进入肠粘膜上皮细胞。
1 、 微 粒 体 混 合 功 能 氧 化 酶 (microsomal mixed
function oxidase, MFO)
又称为混合功能氧化酶或微粒体单加氧酶。
MFOs 催化的氧化反应是使被氧化的化合物分子 中增加一个氧原子，故也称单加氧酶。在这一过 程中还需要 NADPH 提供电子，使细胞色素 P-450 还原，并与底物形成复合物，才能完成这一反应
出现在胆汁中；肠内存在的肠菌群以及葡萄糖苷酸酶， 可将一部分结合物水解，则外来化合物可重新被吸收并
进入肠肝循环。
（三）其他排泄途径 1 、肺：许多气态外来化合物可经呼吸道排出体外。其 经肺排泄的主要机理是简单扩散，排泄的速度主要决定 于气体在血液中的溶解度、呼吸速度和流经肺部的血液 速度。 2、 乳汁：许多外来化合物可通过简单扩散进入乳汁。 有机氯杀虫剂、乙醚、多卤联苯类、咖啡碱和某些金属 都可随同乳汁排出。 3、 头发、指甲：可富集汞、铜、砷等毒物 4、 未被吸收的化学物经粪便排出
主要有几种： 1、血浆蛋白 外来化合物进入血液之后往往与血浆蛋白，尤其是 血浆白蛋白结合，使之不易透过膜进入靶器官，也影响 化学物的 排泄、转化及再分布。这种结合大多为可逆的 非共价结合。
2、肝和肾
含有特殊结合蛋白，如金属硫蛋白（metallothiontin， MT），可与Zn、Cd、Hg、Pb结合。
胞饮作用（pinocytosis）是一种非选择性的 连续摄取细胞外基质中液滴的内吞过程。吞入 的物质通常是液体或溶解物。
三、吸收
环境化学物经各种途径透过机体的生物膜而进入血 液的过程称为吸收。主要通过消化道、呼吸道和皮肤 吸收 1、消化道吸收 是吸收环境化学 物的主要途径。消 化道的任何部位均
有吸收作用，主要
也不同，这与组织的血流量、亲和力及其他因素有关。
在分布的开始阶段，血液供应丰富的器官化学物浓度 最高，随时间延长，分布取决于化学物与组织器官的亲和 力。
影响分布的另一主要因素是体内屏障
1、血脑屏障（blood－brain barrier，BBB） 原因：脑部的毛细血管壁与一般的不同 ① 管壁由紧密联合在一起的 扁平内皮细胞构成，中间不 留小孔，近似于生物膜 ② 管壁外侧被星状胶质细胞 紧密包围，亲脂性物质易于 通过 ③ 间液中蛋白质浓度很低
气态物质吸收的影响因素：
（1）分压差和血/气分配系数——主要决定因素 当分压差达到平衡时，血液中的浓度(mg/L)与肺 泡中的浓度之比为血/气分配系数。 （2）分子量和溶解度：水溶性物质分子量越大的化学 物吸收的越慢。脂溶性物质吸收速度与分子量大小关 系不大，取决于脂/水分配系数。
（3）肺通气量和血流量：
每一循环消耗一个ATP,转运出三个Na+，转进两个K+
2、 易化扩散 facilitated diffusion 不易溶于脂质的化学物，利用载体由高浓度向低浓度 移动的过程。
特点：有载体参加；不消耗能量。
3、 吞噬和胞饮——膜动转运 cytosis 吞噬作用 phagocytosis：一些固态颗粒物与细胞膜上 的某种蛋白质发生作用，引起膜的外包或内凹，将异物 包围进入细胞。 吞入物通常是较大的颗粒。吞噬作用只限于几种特殊 的细胞类型 ，如巨噬细胞和中性粒细胞。
3、脂肪
脂 溶性外 来 化合物 如 有机氯 农 药 、有 机 汞农药 、 PCB 等易于贮存于脂肪组织中，并不呈现生物学活性
。只有在脂肪被动用、外来化合物重新成为游离状态
时，才出现生物学作用。
4、骨骼 Pb、Si、Ba可取代骨质中的Ca而蓄积在骨质中。
有毒物质在体内贮存的生理意义： 1、保护作用；2、可能成为慢性中毒的来源。
2、滤过 是化学物透过生物膜上的亲水性孔道的过程。孔道由 嵌入脂质双分子层的蛋白质中的亲水性氨基酸组成，凡直 径小于膜孔的化学物质都可随水流透过。