第十一章非营养物质代谢Word格式.docx
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外源性物质系人体在日常生活和(或)生产过程中不可避免接触的异源物(xenobiotics),如药物、食品添加剂、环境化学污染物等和从肠道吸收的腐败产物。
大约超过20万种环境化学物存在,除个别因系水溶性可直接以原形由胆汁或尿排出外,绝大部分因系脂溶性需经生物转化作用才能排出体外。
二、肝的生物转化作用不等于解毒作用
生物转化作用的生理意义在于:
一则通过生物转化可对体内的大部分非营养物质进行代谢转化,使其生物学活性降低或丧失(灭活);
或使有毒物质的毒性减低或消除,也称解毒作用(detoxification)。
另则通过生物转化作用可增加这些非营养物质的水溶性和极性,从而易于从胆汁或尿排出体外。
但应该指出的是,有些非营养物质经过肝的生物转化作用后,虽然溶解性增加,但其毒性反而增强;
有的还可能溶解性下降,不易排出体外。
如烟草中含有一种多环芳烃类化合物苯并(a)-}芘(benzo(a)pyrene,BaP),其本身没有直接致癌作用,但经过生物转化后反而成为直接致癌物。
有的药物如环磷酰胺、百浪多息、水合氯醛和中药大黄等需经生物转化后才能成为有活性的药物。
这显示了肝生物转化作用的解毒与致毒双重性的特点。
三、肝的生物转化作用包括两相反应
肝的生物转化过程非常复杂,至少有30多种酶促反应涉及非营养物质代谢。
肝的生物转化可分为两相反应。
第一相反应包括氧化(oxidation)、还原(reduction)和水解(hydrolysis)。
许多物质通过第一相反应,其分子中的某些非极性基团转变为极性基团,水溶性增加,即可排出体外。
但有些物质经过第一相反应后水溶性和极性改变不明显,还须进一步与葡糖醛酸、硫酸等极性更强的物质相结合,以得到更大的溶解度才能最终排出体外,这些结合反应(conjugation)属于第二相反应。
实际上,许多物质的生物转化反应非常复杂。
一种物质有时需要连续进行几种反应类型才能实现生物转化目的,这反映了肝生物转化作用的连续性特点。
如阿司匹林常先水解成水杨酸后再经与葡糖醛酸的结合反应才能排出体外。
此外同一种非营养物质可以进行不
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234第二篇物质代谢及其调节
同类型的生物转化反应,产生不同的转化产物,这体现了肝生物转化反应类型的多样性特点。
例如,阿司匹林先水解生成水杨酸,后者既可与葡糖醛酸结合转化成β—葡糖醛酸苷,又可与甘氨酸结合成水杨酰甘氨酸,还可水解后先氧化成羟基水杨酸,再进行多种结合反应。
肝内参与生物转化的主要酶类列于表11-1。
(一)氧化反应是最多见的生物转化第一相反应
1.单加氧酶系是氧化非营养物质最重要的酶肝细胞中存在多种氧化酶系,其中最重要的是定位于肝细胞微粒体的依赖细胞色素P450的单加氧酶系(cytochromeP450monooxygenases,CYP)。
单加氧酶系是一个复合物,至少包括两种组分:
一种是细胞色素P450(血红素蛋白);
另一种是NADPH一细胞色素P450还原酶(以FAD为辅基的黄酶)。
该酶催化氧分子中的一个氧原子加到许多脂溶性底物中形成羟化物或环氧化物,另一个氧原子则被NADPH还原成水,故该酶又称羟化酶(hydroxylase)或称混合功能氧化酶(mixedfunctionoxidase,MFO)(详见第八章生物氧化)。
该酶是目前已知底物最广泛的生物转化酶类。
据估计,人类基因组至少编码14个家族的CYP。
迄今已鉴定出30余种人类编码CYP的基因。
按氨基酸序列同源性在40%以上分类,可将人肝细胞CYP分为5个家族:
CYP1、CYP2、CYP3、CYP7和CYP27。
同一家族中,按氨基酸序列同源性在55%一60%,又可进一步分为A,B,C等亚族。
对异源物进行生物转化的CYP主要是CYP1,CYP2和CYP3。
其中又以微粒体CYP3A4,CYP2C9、CYP1A2和CYP2E1的含量最多。
由此实现的羟化作用(hydroxylation)是最重要的改变异源物溶解性的反应类型。
单加氧酶系催化的基本反应如下:
RH+O2+NADPH+H+___单加氧酶___ROH+NADP+H2O
单加氧酶系的羟化作用不仅增加药物或毒物的水溶性,有利于排泄,而且还参与体内许多
第十一章非营养物质代谢235
重要物质的羟化过程,如维生素D3羟化成为具有生物学活性的维生素1,25-(OH)2D3,胆汁酸和类固醇激素合成过程中的羟化作用等。
然而应该指出的是,有些致癌物质经氧化后丧失其活性,而有些本来无活性的物质经氧化后却生成有毒或致癌物质。
例如,发霉的谷物、花生等常含有黄曲霉素B1,经单加氧酶系作用生成的黄曲霉素2,3环氧化物,可与DNA分子中的鸟嘌呤结合,引起DNA突变,成为致原发性肝癌发生的重要危险因素。
2.单胺氧化酶类氧化脂肪族和芳香族胺类存在于肝细胞线粒体内的单胺氧化酶(mono-amineoxidase,MAO)是另一类参与生物转化的氧化酶类。
属于黄素酶类,可催化蛋白质腐败作用等产生的脂肪族和芳香族胺类物质(如组胺、酪胺、色胺、尸胺、腐胺等)以及一些肾上腺素能药物如5-羟色胺、儿茶酚胺类等的氧化脱氨基作用生成相应的醛类,后者进一步在胞质中醛脱氢酶催化下进一步氧化成酸,使之丧失生物活性。
RCH2NH2+02+H2O
RCHO+NH3+H2O2
胺醛
RCHO+NAD++H2O
RCOOH+NADH+H+
3.醇脱氢酶与醛脱氢酶将乙醇最终氧化成乙酸肝细胞胞质存在非常活跃的以NAD+为辅酶的醇脱氢酶(alcoholdehydrogenase,ADH),可催化醇类氧化成醛,后者再由线粒体或胞质醛脱氢酶(aldehydedehydrogenase,ALDH)的催化生成相应的酸类。
RCH2OH+NAD+
RCHO+NADH+H+
RCHO+NAD++H2O
RCOOH+NADH+H+
乙醇(ethanol)作为饮料和调味剂广为利用。
人类摄入的乙醇可被胃(吸收30%)和小肠上段(吸收70%)迅速吸收。
饮入体内的乙醇约有2%不经转化便从肺呼出或随尿排出,其余部分在肝进行生物转化,由醇脱氢酶与醛脱氢酶将乙醇最终氧化成乙酸。
乙醇在体内的氧化速度约为2.2mmo1/(kg·
h)[100mg/(kg·
h)],相当于70kg体重的人每小时氧化纯乙醇11ml。
长期饮酒或慢性乙醇中毒除经ADH氧化外,还可使肝内质网增多,稳定内质网内CYP2E1的活性和诱导其合成,即启动肝微粒体乙醇氧化系统(microsomalethanoloxidizingsystem,MEOS)。
MEOS是乙醇一P450单加氧酶,产物是乙醛,仅在血中乙醇浓度很高时起作用。
值得注意的是,乙醇诱导MEOS不但不能使乙醇彻底氧化产生ATP,还可增加肝对氧和NADPH的消耗,而且还可催化脂质过氧化产生羟乙基自由基,后者可进一步促进脂质过氧化,产生大量脂质过氧化物,引发肝细胞氧化损伤。
ADH与MEOS的细胞定位及特性见表11-2。
236第二篇物质代谢及其调节
乙醇经上述两种代谢途径氧化均生成乙醛,后者约90%以上在ALDH的催化下氧化成乙酸。
人体肝内ALDH活性最高。
ALDH的基因型有正常纯合子、无活性型纯合子和两者的杂合子。
东方人这三种基因型的分布比例是45:
10:
45。
无活性型纯合子完全缺乏ALDH活性,杂合子型部分缺乏ALDH活性。
值得提及的是东方人群大约有30%~40%的人ALDH基因有变异,部分ALDH活性低下,此乃该人群饮酒后乙醛在体内堆积,引起血管扩张、面部潮红、心动过速、脉搏加快等反应的重要原因。
此外,乙醇的氧化使肝细胞胞质NADH/NAD+比值升高,过多的NADH可将胞质中丙酮酸还原成乳酸。
严重酒精中毒导致乳酸和乙酸堆积可引起酸中毒和电解质平衡紊乱,还可使糖异生受阻引起低血糖。
(二)硝基还原酶和偶氮还原酶是第一相反应的主要还原酶
硝基化合物多见于食品防腐剂、工业试剂等。
偶氮化合物常见于食品色素、化妆品、纺织与印刷工业等,有些可能是前致癌物。
这些化合物可分别在肝微粒体硝基还原酶(nitroreduc-tase)和偶氮还原酶(azoreductase)的催化下,从NADH或NADPH接受氢,还原生成相应的胺类。
例如,硝基苯和偶氮苯经还原反应均可生成苯胺,后者再在单胺氧化酶的作用下,生成相应的酸。
又如,百浪多息是无活性的药物前体,经还原生成具有抗菌活性的氨苯磺胺。
(三)酯酶、酰胺酶和糖苷酶是生物转化的主要水解酶
肝细胞微粒体和胞质中含有多种水解酶类,主要有酯酶(esterases)、酰胺酶(amidase)和糖苷酶(glucosidase),可分别催化脂类、酰胺类及糖苷类化合物中酯键、酰胺键和糖苷键的水解反应,以减低或消除其生物活性。
应该指出的是,这些水解产物通常还需进一步转化反应才能排出体外。
例如,阿司匹林的生物转化过程中,首先是水解反应生成水杨酸,然后是与葡糖醛酸的结合转化反应。
第十一章非营养物质代谢237
(四)结合反应是生物转化的第二相反应
第一相反应生成的产物可直接排出体外,或再进一步进行第二相反应,生成极性更强的化合物。
有些非营养物质也可不经过第一相反应而直接进入第二相反应。
肝细胞内含有许多催化结合反应的酶类。
凡含有羟基、羧基或氨基的化合物,或在体内被氧化成含有羟基、羧基等功能基团的非营养物质均可与葡糖醛酸、硫酸、谷胱甘肽、甘氨酸等发生结合反应或进行酰基化和甲基化等反应。
其中,以与葡糖醛酸、硫酸和乙酰基的结合反应最为重要,尤以与葡糖醛酸的结合最为普遍。
1.葡糖醛酸结合是最重要和最普遍的结合反应糖醛酸循环代谢途径产生的尿苷二磷酸葡糖(uridinediphosphateglucose,UDPG)可由UDPG脱氢酶催化生成尿苷二磷酸葡糖醛酸(uridinediphosphateglucoseacid,UDPGA)。
尿苷二磷酸葡糖+NAD+
尿苷二磷酸葡糖醛酸+NADH+H+
(UDPG)(UDPGA)
UDPGA作为葡糖醛酸的活性供体,在肝微粒体的UDP一葡糖醛酸基转移酶(UDP-glucuronyltransferases,UGT)催化下,可将具有多个羟基和可解离羧基的葡糖醛酸基转移到醇、酚、胺、羧基类化合物的羟基、氨基及羧基上形成相应的β-D葡糖醛酸苷,使其极性增加易排出体外。
据研究,有数千种亲脂的内源物和异源物可与葡糖醛酸结合,如胆红素、类固醇激素、吗啡和苯巴比妥类药物等均可在肝与葡糖醛酸结合进行生物转化,进而排出体外。
临床上采用葡醛内酯(肝泰乐)治疗肝病,就是基于其作为葡糖醛酸类制剂以增加肝的生物转化作用,促进非营养物质的代谢转变。
2.硫酸结合也是常见的结合反应肝细胞胞质存在硫酸基转移酶(sulfotransferase,SULT),以3’一磷酸腺苷5’一磷酸硫酸(PAPS)为活性硫酸供体,可催化硫酸基转移到类固醇、酚或芳香胺类等内、外源非营养物质的羟基上生成硫酸酯,使其水溶性增强,易于排出体外,如雌酮即由此形成硫酸酯而灭活。
3.乙酰化是某些含胺非营养物质的重要转化反应肝细胞胞质富含乙酰基转移酶(acetyl-
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