第三章 毒物的生物转运与转化
??????????? 第一节 毒物的生物转运
一、基本概念
外源化学物与机体接触、吸收、分布、代谢和排泄的过程称为外源化合物的生物转运，也称作毒物的生物转运。外源化学物由机体接触到入血液的过程称为吸收，通过血流分散到全身组织细胞中为分布。在组织细胞中，外源化学物经各种酶系的催化，发生化学结构与物理性质的变化的这一过程称为代谢。代谢产物和一部分未经代谢的母体化学物排除体外的过程为排泄。外源化学物的清除是代谢过程和排泄过程的综合结果。转运过程中外源化学物的存在方式多不发生改变。
二、生物膜与生物转运方式
生物膜是一种可塑的、具有流动性的、脂质与蛋白镶嵌的双层结构。生物膜在结构上有三个特点与外源化学物转运密切相关：1、生物膜双层结构的主要成分为各种脂质（磷脂、糖脂、胆固醇），其溶点低于正常体温，在正常情况下维持生物膜为可流动的液体状态。这种脂质成分对于水溶性化学物具有屏障作用。2、镶嵌在脂质中的蛋白成分可以起到载体和特殊通道作用，使某些水溶性化学物得以通过生物膜。3、生物膜上分布有很多直径为2A-4A的微孔，它们是某些水溶性小分子化学物的通道。
生物转运的方式有：被动转运（passive transport）、特殊转运（special transport）和膜动转运（cytosis）。
（一）被动转运
被动转运的特点是转运过程中生物膜不具有主动性，不消耗能量，被转运的物质只能从高浓度流入低浓度。被动转运中最主要的方式是简单扩散和滤过。
1、简单扩散（simple diffusion）外源化学物大部分是具有一定脂溶性的大分子有机化合物，可首先溶解于膜的脂质成分而后扩散到另一侧。简单扩散过程可受下列因素的影响：(1)生物膜两侧的浓度差：浓度差越大，扩散越快。如氧的气体分子由肺泡及毛细血管进入血液和CO2由血液进入肺泡细胞的过程，主要靠浓度差起作用。（2）外源化学物在脂质中的溶解度：溶解度可用脂/水分配系数表示，即一种物质在脂相和水相的分配已达到平衡状态时的分配率比值称为脂/水分配系数。脂/水分配系数越大，越容易在脂肪中溶解，也越易透过生物膜。但由于生物膜中还含有水相，在生物转运过程中，外源化学物既要透过脂相，也要透过水相，因此脂水分配系数在1左右者，更易进行简单扩散。（3）外源化学物的电离状态：化合物分子在水溶液中分解成为带电荷离子的过程称为电离。离子型的化合物不易透过生物膜的脂质结构区。而化合物的电离状态既受其本身的电离常数（电离部分与未电离部分平衡时的常数）的影响，也受其所在溶液的pH影响。弱酸性化学物在酸性介质中非离子型多，在碱性介质中离子型多；弱碱性化学物在酸性介质中离子型多，而在碱性介质中非离子型多。
这一关系可用下式表示：
弱酸性化学物：[离子型]/[非离子型] =10pH-Pka
弱碱性化学物：[离子型]/[非离子型] =10 Pka –pH
pKa是化学物在溶液中50%离子化的pH值，为化学物固有定值。例如：在pH=1的介质中，苯甲酸完全不电离，最易透过生物膜，pH=4则50%离解；在pH=7的介质中完全电离，不能透过生物膜。
2、滤过（filtration）滤过是水溶性物质随同水分子经生物膜的孔状结构而透过生物膜的过程。凡分子大小和电荷与膜上孔状结构相适应的溶质皆可滤过转运，转运的动力为生物膜两侧的流体静压梯度差和渗透压差。此种孔状结构为亲水性孔道，不同组织生物膜孔道的直径不同。肾小球的孔道直径较大，约为70nm，分子量为60,000以上的蛋白质分子不能透过，较小的分子皆可透过。肠道上皮细胞和肥大细胞膜上孔道直径较小，约为0.4nm，分子量小于200的化合物方可以通过。一般细胞孔道直径在4nm以下，所以除水分子可以通过外，有些无机离子和有机离子等外源化学物，亦可滤过。
（二）特殊转运
特殊转运指有一定的载体，具有较强的专一性，有一定的选择性和主动性，生物膜主动选择某种机体需要或由机体排出的物质进行的转运。特殊转运分主动转运和易化扩散。
1、主动转运（active transport）主动转运的主要特点是可逆浓度梯度进行转运，转运过程消耗能量的转运方式。能量来自细胞代谢活动所产生的代谢能（ATP）的释放。许多外源化学物的代谢产物经由肾脏和肝脏排出，主要是借助主动转运。机体需要的某些营养物质，例如某些糖类、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。
2、促进扩散（facilitated diffusion）促进扩散的特点是需要载体，顺浓度梯度由高浓度向低浓度而且不需要细胞供给能量的扩散性转运。葡萄糖、某些氨基酸、甘油、嘌呤碱等亲水化合物，由于不溶于脂肪，不能借助简单扩散进转运，所以可在具有特定载体和顺浓度梯度的情况下进行转运。
（三）膜动转运
膜动转运是细胞与外界环境交换一些大分子物质的过程，其主要特点是在转运过程中生物膜结构发生变化，转运过程具有特异性，生物膜呈现主动选择性并消耗一定的能量。在一些大分子颗粒物质被吞噬细胞由肺泡去除或被肝和脾的网状内皮系统由血液去除的过程中起主导作用。膜动转运又可分为胞吞作用（endocytosis）和胞吐作用（exocy-tosis）。前者是将细胞表面的颗粒物转运入细胞的过程。后者是将颗粒物由细胞内运出的过程。胞吞和胞吐是两种方向相反的过程。在胞吞作用中如果被摄入的物质为固体则称为吞噬(phagocytosis),如为 液体则为胞饮(pinocytosis)。入侵机体细胞的细菌、病毒、死亡的细菌、组织碎片、铁蛋白、偶氮色素都可通过吞噬作用被细胞清除。所以胞吞和胞吐作用对体内外源化学物或异物的清除转运具有重要意义。
三、外源化学物的吸收
一般情况下，毒物的吸收途径主要是胃肠道，呼吸道和皮肤，但在毒理学实验中，有时也利用皮下注射，静脉注射，肌肉注射和腹腔注射等方法，使毒物被吸收。
（一）经胃肠道吸收 胃肠道吸收是外源化学物进入机体重要途径，小肠是主要吸收部位。
1、经胃肠道吸收的方式
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。分子量小的(200D以下)，脂溶性大的(油水分配系数大)，极性低的(解离度小)化学物较易通过生物膜被吸收。（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，例如，经口摄入的铅盐10%,锰盐4%,镉盐1.5%和铬盐1%可被胃肠道吸收。（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。例如铅可利用钙的运载系统，铊、钴和锰可利用铁的运载系统；抗癌药５-氟尿嘧啶（5-FU）和５-溴尿嘧啶可利用小肠上皮细胞上的嘧啶运载系统。（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。（5）淋巴管吸收 脂肪经肠道吸收后，与磷脂和蛋白质一起形成乳糜微粒，经胞吐作用进入细胞外空间，通过淋巴管直接进入全身静脉血流。某些脂溶性外源化学物也可沿这一途径被淋巴管吸收。例如苯并(a)芘［benzo(a)pyrene］、３-甲基胆蒽(3-methylcholan-threne)和顺二甲氨基芴(cis-dimethylaminostilbene)以及DDT都式通过这种方式吸收的。
2、影响胃肠道吸收的因素
（1）外源化学物的性质 一般说来，固体物质且在胃肠中溶解度较低者，吸收差；脂溶性物质较水溶性物质易被吸收；同一种固体物质，分散度越大，与胃肠道上皮细胞接触面积越大，吸收越容易；解离状态的物质不能借助简单扩散透过胃肠粘膜而被吸收或吸收速度极慢。
（2）机体方面的影响
胃肠蠕动情况 蠕动较强，则外源化学物在胃肠内停留时间较短，吸收较少，反之，蠕动减弱，停留时间延长，有利于吸收。
胃肠道充盈程度 胃肠内容物较多时，吸收减慢；反之，空腹或饥饿状态下容易吸收。
胃肠道酸碱度 化学物的解离程度除取决于物质本身的解离常数（pk）外，还与其所处介质的pH 有关。由于胃液的酸度较高（pH=0.9-1.5）, 弱有机酸类多以未解离的分子状态存在，所以在胃中易被吸收。小肠内酸碱度已趋向于弱碱性或中性(pH=6.6-7.6), 弱有机碱类在小肠内主要是非解离状态，也容易通过简单扩散而被吸收。但由于小肠粘膜的吸收面积很大，故既使是弱酸性药物在小肠内也有一定数量的吸收。
胃肠道同时存在的食物和外源化学物 同时存在的食物和外源化学物也可影响吸收过程。例如钙离子可降低镉和铅的吸收，而低钙膳食可增强铅和镉的毒性作用，也与铅镉的吸收增加有关。脂肪可使胃的排空速度降低，因此可延长外源化学物在胃中停留时间，促进吸收。DDT和多氯联苯类化学物可抑制生物膜上Na+-K+-ATP酶,致肠道上皮细胞对钠离子的吸收减少。
某些特殊生理状况 特殊生理状况对外源化学物的吸收有影响。如，妊娠和授乳期对铅和镉的吸收增强。胃酸分泌随年龄增长而降低，可影响弱酸或弱碱性物质的吸收。
（二）经呼吸道吸收
经呼吸道吸收的外源化学物主要有各种气体、可挥发性固体或液体的蒸气、各种气溶胶以及较为细微的颗粒物质等。
1、吸收特点：气体与蒸气主要通过简单扩散被吸收。
(1)肺中的吸收过程进行的较为迅速。肺泡壁和毛细血管壁及间质总厚度在1um左右，而且肺泡与肺泡之间的毛细血管极为丰富，所以气体由肺泡进入毛细血管的路程很短，极易透过，吸收过程可迅速完成。(2)有些外源化学物可直接经肺静脉进入全身血液循环,并在全身组织器官分布,避免了肝脏的首过消除作用，故毒性可能较强。
2、影响因素 影响经呼吸道吸收的因素有：
(1)气体在肺泡气与血浆中的浓度差 气体的吸收是一个动态平衡的过程，即该气体由肺泡进入血液的速度等于由血液进入各组织细胞的速度时的状态。平衡状态下，该气体在血液中的浓度(mg/l)与其在肺泡气中的浓度(mg/l)之比，称为血／气分配系数，每种气体的分配系数为一常数。例如氯仿为15,苯为6.85，血／气分配系数越大，在血液中溶解度越高，越易被吸收，反之亦然。
(2)肺的通气量与血流量 如过气体在血液中的血／气分配系数较低，既使通气量增加，也不能使吸收入血的气体增多，还必须增加血流量，才能使吸收增多。反之，血／气分配系数较高的气体，极易由肺泡吸收进入血液，因此增加通气量即呼吸频率或每分钟通气量就能使吸收增多。
(3)气体的分子量及在水中的溶解度 溶于水的气体大多通过亲水性孔道被转运，所以溶解度高和分子量小的气体容易吸收。溶于生物膜脂质的气体吸收情况主要取决于脂／水分配系数，脂／水分配系数越大越易被吸收，较少受分子量大小的影响。
3、颗粒物、气溶胶的吸收和沉积
各种外来化合物与细菌、病毒以及植物花粉和孢子等皆可形成固体气溶胶。气溶胶和颗粒物进入呼吸道后将在呼吸道中沉积或储留，少数水溶性较高的物质可通过简单扩散进入血液，大部分颗粒可随同气流到达终末细支气管和肺泡内，沉积、附着于细胞表面，对机体造成一定的损害。
(三)经皮肤的吸收
1、吸收特点 经皮肤吸收是外源化学物由外界进入皮肤并经血管和淋巴管进入血液和淋巴液的过程。皮肤的通透性不高，但当皮肤与外源化学物接触时，外源化学物也可透过皮肤而被吸收，例如氯仿可透过完整健康的皮肤引起肝损害，有机磷杀虫剂和汞的化学物可经皮肤吸收，引起中毒以至死亡。
外源化学物经皮肤简单扩散方式的吸收，主要通过表皮或皮肤附件如汗腺管，皮脂腺和毛囊吸收，分为两个阶段，第一阶段为穿透角质层的屏障作用，但速度较慢。第二阶段为吸收阶段，须经过颗粒层、棘细胞层、生发层和真皮，各层细胞都富有孔状结构，不具屏障功能，外源化学物极易透过，然后通过真皮中大量毛细血管和毛细淋巴管而进入全身循环。
2、影响因素
(1)外源化学物的理化性质 在通过角质层时，分子量的大小和脂/水分配系数的影响较为明显。脂溶性化学物透过角蛋白丝间质的速度与其脂/水分配系数成正比，但在吸收阶段，外源化学物将进入的血液或淋巴液，是同时具有脂溶性和水溶性的液体，所以脂/水分配系数在1左右者，更容易被吸收。非脂溶性的极性外来化学物的吸收与其分子量大小有关，分子量较小者也较易穿透角质层被吸收。
(2)皮肤的完整性 人体不同部位皮肤对外源化学物的吸收能力存在差异，角质层较厚的部位如手掌、足底，吸收较慢，阴囊、腹部皮肤较薄，外源化学物易被吸收。
(3)其它因素 血流速度和细胞间液流动加快，吸收也快；皮肤大量排出汗液，外源化学物容易在皮肤表面汗液中溶解、粘附，延长外源化学物与皮肤接触时间，也易于吸收。
四、外源化学物的分布-再分布
（一）外源化学物在体内的运输 血液是大多数外源化学物在吸收后或排泄前最为重要的运输系统，主要有以下几种运输形式：
1、与血浆蛋白结合 在血浆蛋白中，白蛋白的分子比较大，占血浆蛋白含量的50%以上，可与多种类型的物质结合。外源化学物与血浆蛋白的结合一般是非共价结合，常以氢键连接。只有游离状态的外源化学物才能通过毛细血管壁，其游离状态与蛋白结合状态之间维持动态平衡。血浆蛋白的结合有竞争现象，结合率高的外源化学物可将结合率低的外源化学物从血浆蛋白的结合位点上置换出来，而增加后者的血浆游离浓度。
2、溶解状态 外源化学物在血液溶解后，游离形式存在的多少对于运输量有影响。如水溶性化学物，主要溶解于血浆的水性介质中；脂溶性化学物，可溶解在乳糜微粒或中性脂肪酸中。
3、与血红蛋白结合 有些外源化学物，诸如砷化氢、一氧化碳、氰化物等与含铁的血红蛋白有较强的亲合力，这些化合物多与血红蛋白结合，随血循环运送到全身各处。
4、吸附或结合于红细胞表面 如有机磷化合物吸附于红细胞表面并与膜上胆碱酯酶结合，容易运输。
（二）外源化学物的器官分布
根据外源化学物与器官的亲合力大小和组织血流量的差异，外源化学物吸收进入体内可选择性地分布到某些器官或系统。
1、分布及再分布 外源化学物被吸收后，首先向血流量大的器官分布，血液供应愈丰富的器官，外源化学物分布也愈多。但随着时间的延长，按照外源化学物与器官的亲合力大小，选则性的分布在某些器官，此为再分布过程。经过再分布后，在毒理学上比较有意义的部位包括：代谢转化部位，靶部位、排泄部位及贮存库。
2、影响因素 影响外源化学物分布的因素很多，其中最主要的有扩散率和器官灌流率。外源化学物通过生物膜进入组织中的速度，主要受扩散率的制约，而与器官血液供应量关系不大；若外源化学物通过膜的扩散速度较快而完全，进入组织的速度主要受器官血液灌流率的影响，血液愈丰富，灌流愈大的器官，外源化学物分布也越多。一般而言，扩散率影响和限制水溶性化学物的分布，器官灌流率则控制脂溶性物质的分布。除受上述因素影响外，还和外源化学物与该器官组织的亲合力及代谢速度有关。
（三）外源化学物在分布过程中的屏障
某些组织器官具有阻止或减缓外源化学物进入组织器官的生理功能，即屏障作用。在毒理学中较为重要的屏障有皮肤屏障、血脑屏障和胎盘屏障。
（四）外源化学物在组织中的贮存与沉积
肝和肾具有较高的与外源化学物结合的能力，这些器官有特异结合功能的蛋白质，可能与其代谢和排泄功能有关。
五、外源化学物的代谢与排泄
外源化学物进入体内后，将发生生物转化或代谢转化。一般说来，通过生物转化过程可使外源化学物极性增强，水溶性增高，易于排泄，减轻机体对外源化学物的负荷, 同时也减轻外源化学物对机体的损害作用。关于外源化学物的代谢过程将在下一节讨论。
排泄是外源化学物及其代谢产物由机体向外转运的过程，是机体物质代谢过程中最后一个重要环节。排泄的主要途径是肾脏，随尿排出；其次是经肝、胆通过消化道，随粪便排出；挥发性化学物还可经呼吸道，随呼出气排出。
（一）肾脏排泄
肾脏清除毒物的机理与其清除正常代谢产物的机理相同。分子量小于60,000的分子均能通过肾小球滤过。随着原尿水分的回收，尿液中化学物浓度超过血浆浓度，并且极性低、脂溶性大可反向血浆扩散。很多弱酸性或弱碱性化学物及其代谢产物可在近曲小管由载体主动转运入肾小管，排泄较快，性质相似的化学物可以竞争同一转运载体，例如羧苯磺胺可通过阻止青霉素的肾小管分泌，而使青霉素的血浆浓度增高并延长活性。
（二）肝胆排泄
肝胆系统也是外源化学物自体内排出的重要途径之一。通常，大分子物质经胆道排泄，有些外源化学物几乎完全通过胆道分泌而排出体外。如果胆道分泌功能发生障碍，某些外源化学物由于无法排泄，毒性大大增强。己烯雌酚就是一个明显的例子，以LD50为指标，己烯雌酚对于胆管结扎的大鼠的毒性比未结扎者高150倍。经胆道分泌至肠道的外源化学物或其代谢产物，除可随粪便排出体外，还可经肠道菌丛水解或代谢，重新以游离形式被吸收进入门静脉，即肝肠循环。
（三）呼吸道排出
在体内未分解的气态毒物及挥发性液态外源化学物均可经呼吸道排出。排出方式为通过细胞膜被动扩散，其速度取决于肺泡壁两侧外源化学物的分压差。血／气分配系数较小者排出较快，血／气分配系数较大的排出较慢。氯仿等溶解度高的液体，因为通气量有限和易在脂肪组织蓄积，所以排出很慢；而乙醚为挥发性溶剂，增加肺通气量可促进排出。除了以上的排泄途径以外，外源化学物还可经乳汁、唾液、汗液、泪液及胃肠道等排泄。
第二节 生物转化
一、基本概念
外源化学物通过不同途径被吸收进入体内后，将发生一系列化学变化并形成一些分解产物或衍生物，此种过程称为生物转化(biotransformation）或代谢转化。外源化学物的生物转化过程分两项反应，第一相反应(PhaseⅠreaction)主要包括氧化(oxydation)、还原(reduction)和水解(hydrolysis)；第二相反应(phaseⅡreaction)主要为结合反应(conjugation), 结合反应指化学物经第一相反应形成的中间代谢产物与某些内源化学物的中间代谢产物相互结合的反应过程。
肝脏是机体内最重要的代谢器官，外源化学物的生物转化过程主要在肝脏进行。其它组织器官，例如肺、肾、肠道、脑、皮肤等也具有一定的生物转化能力，虽然其代谢能力及代谢容量可能相对低于肝脏，但有些外源化学物可在这些组织中发生不同程度的代谢转化过程，有些还具有特殊的意义。未经肝脏的生物转化作用而直接分布至全身，对机体的损害作用相对较强。
二、生物转化酶
生该酶系的
物转化通常是酶促反应，参与生物转化的酶极为复杂，这些酶主要存在内质网以及线粒体和胞液中。微粒体是内质网在细胞匀浆过程中形成的碎片部分，含有多种活性的酶系。催化氧化反应的酶有：微粒体混合功能氧化酶系即细胞色素P-450酶系，其作用机制将在下面的内容中讨论；微粒体含FAD加单氧酶，其功能及反应机理与细胞色素P-450酶系类似，但电子传递借助FAD，不需要P-450。
（一）细胞色素P-450酶系 在催化酶类中, 最主要的是细胞色素P-450酶系，亦称为细胞色素P-450混合功能氧化酶, 或细胞色素P-450依赖性单加氧酶。细胞色素P-450是一种含亚铁的卟啉蛋白，即血红素蛋白。细胞色素蛋白及其它血红素蛋白在可见光范围内各自呈现典型的吸收光谱。例如细胞色素P-450本身在420nm处出现强吸收光谱，但在还原条件下与CO结合后，最强吸收光带在450nm处，因此而得名。细胞色素P-450酶系的主要功能是催化体内许多内源和外源化学物在生物转化过程中的氧化反应。细胞色素P-450酶系由两类酶组成，一类为血红蛋白类，其中包括细胞色素P-450 和细胞色素b5,它们均含有铁卟啉环结构，具有传递电子的功能。另一类是黄素蛋白类，包括还原型辅酶Ⅱ- 细胞色素P-450还原酶（NADPH-cytochrome P-450 reductase）以及还原型辅酶Ⅰ- 细胞色素b5还原酶（NADH-cytochrome b5 reductase）,这类酶的功能主要是电子传递作用并提供电子。细胞色素P-450氧化功能在不同组织器官中也存在一定的差异。肝脏中细胞色素P-450氧化酶主要催化许多外源化学物的氧化反应，也参与少数内源化学物的代谢过程，例如类固醇等；具有重要毒理学意义的外源化学物和多环芳烃类的氧化反应主要由肺、皮肤和小肠粘膜中细胞色素P-450氧化酶催化。
（二）环氧化物水化酶(epoxide hydrase，EH)也称为水合酶(epoxide hydratase)及水解酶(eposide hydrase)，主要催化脂肪环氧化物和芳烃类环氧化物的水化反应。例如苯乙烯环氧化物水化可形成苯代乙二醇。环氧化物萘-1，2-环氧化物水化产物为萘-二氢二醇。
一般认为EH为解毒酶，但实际它在某些外源化学物的生物转化中具有活化和失活化双重性，如苯并芘经微粒体混合功能氧化酶催化为几种环氧化合物：苯并芘2，3-环氧化物、4,5-环氧化物、7,8-环氧化物及9,10-环氧化物。其中苯并芘7,8-环氧化物再经水化反应形成苯并芘7,8-二氢二醇，苯并芘7,8-环氧化物和苯并芘7,8-二氢二醇 已为近致癌物，后者将继续进行代谢转化并形成终致癌物，其它环氧化物异构体经重排形成相应的酚，不具有致癌性，且有利于参加各种Ⅱ相结合反应。
（三）N-乙酰转移酶 （N-acetyltransferase,NAT） N-乙酰转移酶主要存在于肝细胞及肺、脾以及胃粘膜等，催化许多化合物的乙酰化反应，例如伯胺、磺胺类和肼类及酰肼等，乙酰基由乙酰辅酶A提供。如抗结核药物对氨基水杨酸在体内可乙酰化并以乙酰结合物的形式排出体外。磺胺类药物在生物转化过程中，可进行乙酰结合。
磺胺类化合物的乙酰结合反应在毒理学中有特殊意义。有些磺胺类化合物的结合产物，水溶性降低，如磺胺吡啶和磺胺噻唑的乙酰结合物，易于在肾小管中结晶并造成肾小管损伤。
肼类化合物在N-乙酰转移酶催化下，也可与乙酰基结合。抗结核药异烟肼摄入机体后绝大部分以乙酰结合物形式排出体外。
（四）谷胱甘肽S-转移酶 谷胱甘肽S-转移酶是谷胱甘肽结合反应的关键酶，催化谷胱甘肽结合反应的起始步骤，主要存在于胞液中。谷胱甘肽S-转移酶有多种形式，根据作用底物不同，至少可分为下列5种：
1、谷胱甘肽S-烷基转移酶：催化烷基卤化物和硝基烷类化合物的谷胱甘肽结合反应。主要存在于肝脏和肾脏。
2、谷胱甘肽S-芳基转移酶：主要催化含有卤基或硝基的芳烃类或其它环状化合物的谷胱甘肽结合反应，如溴苯和有机磷杀虫剂等。该酶主要存在于肝脏胞液。
3、谷胱甘肽S-芳烷基转移酶：催化芳烷基的谷胱甘肽结合反应，例如，苄基氯等芳烷卤化物等。主要存在于肝脏和肾脏。
4、谷胱甘肽S-环氧化物转移酶：催化芳烃类和卤化苯类等化合物的环氧化物衍生物与谷胱甘肽结合，主要存在于肝肾胞液。
5、谷胱甘肽S-烯烃转移酶：催化含有α，β-不饱合羰基的不饱合烯烃类化合物与谷胱甘肽的结合反应，主要存在于肝肾胞液。
谷胱甘肽S-转移酶在毒理学上有一定的重要性。它可以催化亲核性的谷胱甘肽与各种亲电子外源化学物的结合反应。许多外源化学物在生物转化第一相反应中极易形成某些生物活性中间产物，它们可与细胞生物大分子重要成分发生共价结合，对机体造成损害。谷胱甘肽与其结合后，可防止发生此种共价结合，起到解毒作用。
（五）谷胱甘肽过氧化物酶
（六）超氧化物歧化酶 超氧化物歧化酶属于金属酶，随金属的差异，该酶可分为Cu,Zn-SOD, Mn-SOD和Fe-SOD三种。因起存在部位的不同，有不同活性作用。其中Cu,Zn-SOD在结构上与其他两种SOD差别较大，而Mn-SOD与Fe-SOD之间差别较小。Fe-SOD主要存在于原核生物中。
（七）过氧化氢酶 过氧化氢酶存在于红细胞及某些组织内的过氧化体中，它的主要作用就是催化H2O2分解为H2O与O2，使得H2O2不致于与O2在铁螯合物作用下反应生成非常有害的-OH。
三、生物转化方式
（一）降解反应
1、氧化反应
氧化反应是外源化学物在生物转化过程中获得氧的反应，是生物转化中一个重要过程。有许多外源化学物在生物转化第一相反应中将被氧化形成羟基，亦称羟化反应。
（1）微粒体酶促氧化
① 脂肪族羟化反应 常见于丁烷、戊烷和已烷等直链脂肪族化合物烷烃类，其羟化产物为醇类。
② 芳香族羟化反应 芳香环上的氢被氧化，形成酚类。例如苯可形成苯酚，苯胺可形成对氨基酚或邻氨基酚。常用的氨基甲酸酯类农药残杀威经机体内氧化亦可形成羟化产物。
③ N-羟化反应 是外源化学物的氨基（H2N-）上的一个氢与氧结合的反应。由于是在氨基上加入一个氧原子，所以也称为N-氧化反应。苯胺可代表一种类型。苯胺经羟化后形成羟胺，羟胺的毒性较苯胺本身为高，可使血红蛋白氧化成为高铁血红蛋白。具有毒理学意义的是有些芳香胺类本身并不致癌，经N-羟化后才具有致癌作用。
④ 环氧化反应 在微粒体混合功能氧化酶催化下，一个氧原子在外源化学物的两个相邻碳原子之间构成一桥式结构，形成环氧化物。有些环氧化物可以致癌，例如氯乙烯的环氧化产物环氧氯乙烯即为致癌物。有些外源化学物的环氧化物性质极为稳定，可长期在环境和机体脂肪组织中存留，例如有机氯杀虫剂艾氏剂的环氧化物锹氏剂已造成严重的生态问题。还有些化学物的环氧化物性质极不稳定，将继续发生羟化，形成二氢二醇化合物。环氧化反应可分为脂肪族环氧化反应和芳香族环氧化反应。后者的环氧化产物不稳定，将继续发生羟化。
⑤ P-氧化反应 如二苯甲磷，通过氧化反应可生成二苯甲磷氧化物。
⑥ S-氧化反应 这一反应多发生在硫醚类化合物，其代谢产物为亚砜，有一部分可继续氧化为砜类。可进行硫氧化反应的外源化学物还有某些有机磷化合物，例如杀虫剂内吸磷和甲拌磷等；氨基甲酸酯类杀虫剂中的灭虫威及常用药物氯丙嗪。
⑦ 氧化性脱卤 在微粒体细胞色素P-450依赖性单加氧酶催化下，卤代烃类化合物可先形成不稳定的中间代谢产物，即卤代醇类化合物；后者可再脱去卤族元素，形成最终代谢物。典型的氧化脱卤反应可以滴滴涕（DDT）为代表。DDT经脱卤反应可形成滴滴伊（DDE）和滴滴埃（DDI）。DDE具有较重要的毒理学意义，脂溶性极高，反应活性较低，可在脂肪组织中大量蓄积，DDT代谢物的60%、DDI主要由尿中排出。
⑧ 氧化性脱氨反应 是在微粒体细胞色素P-450依赖性单加氧酶催化下，在邻近氮原子的碳原子上进行氧化，脱去氨基，形成丙酮类化合物，其中间代谢产物为甲醇胺类化合物。
⑨ 氧化性脱烷基反应 是与外源化学物分子中N，S，或O原子相连的烷基α-碳原子被氧化并脱去一个烷基的反应。反应产物为分别含有氨基、羟基、或巯基的化合物并有醛或酮生成。由于反应中有一个O原子插入外源化学物的-C-H键，所以称为氧化脱烷基反应，可分N-脱烷基反应(如烟碱)、O-脱烷基反应(如对硝基茴香醚)和S-脱烷基反应。
(2)非微粒体氧化
体内具有催化醇、醛和酮功能基团的化合物的氧化反应的酶类, 主要在线粒体和肝组织的胞液中存在，在肺和肾中亦有出现。包括醇脱氢酶、醛脱氢酶和胺氧化酶类，例如单胺氧化酶、双胺氧化酶等。
①醇与醛类脱氢反应 分别由醇脱氢酶与醛脱氢酶催化。醇脱氢酶催化醇类氧化形成醛或酮，在反应中需要辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ。醛类氧化反应主要由肝组织中的醛脱氢酶催化。因摄入乙醇经脱氢酶催化而形成的乙醛将继续氧化成为乙酸。乙醇的毒性主要来自乙醛。有人由于遗传缺陷造成醛脱氢酶活力较低，乙醛在体内不易经氧化分解而解毒，饮洒后容易出现乙醛聚积，洒精中毒及洒醉与此有关。
②胺氧化反应 胺氧化酶主要存在于线粒体，可催化单胺类和二胺类氧化反应，形成醛类。根据底物不同，可分为单胺氧化酶（MAO）和二胺氧化酶（DAO）。MAO可将伯胺、仲胺、叔胺等脂肪族胺类氧化脱去胺基，形成相应的醛类并释放出NH3。带有芳香结构的脂肪胺类，例如对氯次苄基胺亦可被氧化，但含有异苯基的胺类，例如苯丙胺和麻黄碱两种胺类是经微粒体细胞色素P-450单加氧酶催化的。DAO主要催化二胺类的氧化反应，例如腐胺、尸胺等。
2、还原反应
在氧张力较低的情况下，还原反应可以进行，所需的电子或氢由NADH或NADPH供给，催化还原反应的酶类可存在于肝、肾和肺的微粒体或作为可溶性酶存在于胞液中。还原反应除做为独立反应外，还可能是氧化还原可逆反应中的还原反应部分。例如醇脱氢酶和醛脱氢酶催化的醇、醛氧化反应皆属于可逆反应，当氧化反应达到平衡状态时，即有可能转为还原反应。在氧化反应中一般以NAD或NADP为辅酶，而在还原反应中的辅酶为NADH或NADPH。催化还原反应的酶类可能与催化氧化反应为同一种酶，但有时也可能由另一种酶进行催化。
（1）微粒体还原 主要包括硝基还原、偶氮还原、还原性脱卤。
① 硝基还原反应 硝基基团，特别是芳香族硝基化合物如硝基苯，在还原反应过程中先形成中间代谢物亚硝基化合物，最后还原为相应的的胺类。催化硝基化合物还原的酶类主要是微粒体NADPH依赖性硝基还原酶。典型的硝基还原反应可以硝基苯为例。在反应过程中先形成亚硝基苯和苯羟胺，终产物为苯胺。
②偶氮还原反应 脂溶性偶氮化合物在肠道易被吸收，还原作用主要在肝微粒体以及肠道中进行；而水溶性偶氮化合物虽然可被肝脏胞液以及微粒体中还原酶还原，但由于其水溶 ?
性较强，在肠道不易被吸收，所以主要被肠道菌丛所还原，肝微粒体参与较少。脂溶性偶氮化合物以百浪多息经偶氮还原反应先形成含联亚氨基(-NHNH-)的中间产物，然后形成氨苯磺胺。偶氮化合物中还有一些色素，例如苏丹Ⅳ，经还原后形成邻氨基偶氮甲苯。 ? （2）非微粒体还原 如醛类和酮类还原反应，可分别生成伯醇和仲醇。乙醇在氧化还原反应中可经醇脱氢酶催化氧化为乙醛，同时醇脱氢酶也可催化乙醛还原为乙醇，这是可逆反应中相反方向的反应。
3、水解反应与水化反应
在水解反应中，水离解为H+和OH-，并分别与外源化学物分解部分结合，一般不会形成新的功能基团，这是与氧化反应或还原反应的不同之处。水化反应是溶于水中的化合物与水分子通过强亲合力相结合的反应，与水解反应的方向相反。根据反应的性质和机理不同，可分成脂类水解反应, C-N键水解反应, 非芳族杂环化合物水解反应, 水解脱卤反应, 氧化物水合反应。酯类水解反应由酯酶催化，分解形成带羧基的分子和醇类。
（二）结合反应
绝大多数外源化学物在第一相反应中无论发生氧化、还原或水解反应，最后必须进行结合反应排出体外。结合反应首先通过提供极性基团的结合剂或提供能量ATP而被活化，然后由不同种类的转移酶进行催化，将具有极性功能基团的结合剂转移到外源化学物或将外源化学物转移到结合剂形成结合产物。结合物一般将随同尿液或胆汁由体内排泄。
1、葡萄糖醛酸化 葡萄糖醛酸结合反应在结合反应中占有重要的地位，在许多外源化学物都可进行，如醇类、酚类、羧酸类、硫醇类和胺类等。葡萄糖醛酸为葡萄糖的中间代谢产物，先活化成尿苷二磷酸α-葡萄糖醛酸（UDPGA），然后经各种转移酶催化，将葡萄糖醛酸基转移到外源化学物分子。
根据进行结合反应的外源化学物结构及结合方式或部位不同，可分为O-葡萄糖醛酸结合(醇类，酚类，羧酸胺类)、N-葡萄糖醛酸结合(氨基甲酯类，芳香胺类，磺胺类)和S-葡萄糖醛酸结合，统称葡萄糖醛酸化。
2、硫酸化 系外源化学物与硫酸根结合反应，外源化学物经第一相生物转化后，分子结构中形成羟基，可与内源性硫酸结合，有些外源化学物如本身已含有羟基、氨基或羰基以及环氧基即可直接进入第二相反应，发生硫酸结合，例如醇类、芳香胺类和酚类。硫酸的来源主要是含硫氨基酸的代谢物。在大多数外源化学物的结合反应中，硫酸结合往往与葡萄糖醛酸结合反应同时存在，如机体接触的外源物较少，则首先进行硫酸结合，随着剂量增多， ?
?硫酸结合减少，而与葡萄糖醛酸的结合增多。内源性硫酸的供体是3’-磷酸腺苷-5’-磷酰硫酸(PAPA)，系由内源性硫酸根和三磷酸腺苷为原料，经ATP-硫酸化酶和5`磷酰硫酸腺苷激酶催化而成。化学物与PAPS结合反应由磺基转移酶催化。
3、乙酰化 系外源化学物与乙酰基结合的反应，多发生在芳香族伯胺类、磺胺类、肼类化合物的氨基（-NH2）或羟氨基。乙酰基由乙酰辅酶A提供, 反应由乙酰转移酶催化。该酶又可分为N-乙酰转移酶（前面已论述）和N，O-乙酰转移酶。乙酰结合反应具有多态性，在不同物种，乙酰转移酶存在一定的差异，对不同的底物有不同的活力，它们的底物专一性和最适PH等都不相同。一般根据异烟肼乙酰结合反应的情况，将人类机体分成快速乙酰化和缓慢乙酰化型，机体乙酰结合反应速度的个体差异与机体对某些外源化学物的易感性有关，特别表现在芳胺类的致癌作用，如缓慢型人群对联苯胺诱发膀胱癌的作用为易感。
4、氨基酸化 是带有羧酸基的外源化学物与一种α-氨基酸结合的反应，多发生在芳香羧酸，例如芳基乙酸。参与结合反应的氨基酸主要有甘氨酸、谷氨酰胺以及牛磺酸，较少见的还有天冬酰胺、精氨酸、丝氨酸以及N-甘氨酰甘氨酸等。外源化学物的羧基与氨基酸的氨基结合，形成肽或酰胺。此反应需要两种酶的催化作用：ATP依赖性酶：辅酶A连接酶（又称酰基辅酶A合成酶），催化外源化学物羧基活化；N-酰基转移酶，催化将酰基由外源化学物辅酶A衍生物转移给氨基酸上氨基。
5、谷胱甘肽化 是外源化学物在一系列酶催化下与还原型谷胱甘肽结合形成硫醚氨酸的反应。应具备以下条件：一定程度的疏水性，含有一个亲电子碳原子，可与谷胱甘肽进行一定程度的非酶促反应。这样的化学物主要有卤化物，例如烷基卤化物、硝基卤化物、芳基卤化物，各种酯类化合物如磷酸酯类杀虫剂，苯、萘、苯胺等芳烃类及芳胺类化合物和环氧化物等。催化谷胱甘肽结合反应的酶类主要有谷胱甘肽S-转移酶。另外，值得注意的是有些外源化学物与谷胱甘肽形成的结合物可与生物大分子结合，诱发突变以及癌变，例如氯甲烷和二溴乙烷。?
6、甲基化 在甲基转移酶催化下，将内源性来源的甲基结合于外源化学物分子结构内的反应。有许多内源性和外源化学物可以进行甲基结合反应，与其它结合反应相比，甲基结合后，外源化学物的功能基团未被遮盖，水溶性没有明显的增强，有的反而下降；生物学作用并未减弱，有的反而增强，甲基化反应有解毒作用。内源性甲基供体是S-腺苷甲硫氨酸(SAM)。能进行甲基结合反应的外源化学物主要有含羟基、巯基或氨基的酚类、硫醇类和各种胺类，还有吡啶、喹啉等含氮杂环化合物。 ?
ROH + ATP ROPO3?2+ + ADP
OPO3H2
OH
磷酸转移酶
+ ADP
?
1-萘酚
萘酚磷酸结合物
7、磷酸化 系在ATP和Mg2+ 存在下，由磷酸转移酶催化ATP的磷酸基转移到相应的外源化学物的反应。在结合反应中不太普遍，常见于1-萘酚和对硝基酚的反应。?
8、硫氰酸盐化 硫氰酸形成是机体内氰化物代谢解毒的过程，在这一反应中，由硫代硫酸盐提供一个硫原子给氰化物，在硫氰酸生成酶催化作用下, 并形成硫氰酸盐。硫氰酸盐的毒性远远低于氰化物。严格来说，硫氰酸盐形成反应并不是典型的结合反应，因为反应中没有结合剂，且反应产物的极性也不是很强，但它也具有代谢解毒的作用。
四、生物转化的毒理学意义
1、生物转化是外源化学物进入机体后，其存在形式可能会发生各种变化，活性也会发生改变，其中有些毒性增强，有些毒性减弱。因此，生物转化对于判定其对机体的影响有重要作用。
2、通过对生物转化作用的研究，可以探求外源化合物活性基因、活性分子的重要规律，为防治其对机体损伤有重要意义。
3、通过对外源化学物在机体的生物转化过程的研究，有利于探求其损伤机制，作用的靶器官、靶组织、靶细胞乃至靶分子。
4、外源化合物经过生物转化会形成新的代谢间产物、终产物，存在于血液和组织中，或被排出体外，可为中毒诊断，程度判断，治疗效果评价提供有意义的生物学材料。
