第三章
外源化学物在体内的生物转运
和生物转化
卫生毒理学教研室
2004,5
2
内容概要
第一节 生物膜和生物转运
第二节 吸 收
第三节 分 布
第四节 排 泄
第五节 毒物的代谢转化
3
第一节 生物膜和生物转运
一、外源化学物的体内动态
外源
化学物
[接触 ] 皮肤
肺
消化道
粪
[接触 ]
[排泄 ]
肝
胆汁
[代谢 ]
血液循环
白蛋白结合型
游离型
[吸收 ] 靶器官
(损害 )
器官组织
(贮存 )
[分布 ]
肾 肺 分泌腺
尿 呼气 乳汁、汗
[排泄 ]
图 3-1 外源化学物在体内的动态过程
4
Absorption
↓
Distribution
↓
Metabolism
↓
Excretion
第一节 生物膜和生物转运
一、外源化学物的体内动态
5
Toxicokinetics (毒物动力学 )
Toxicodynamics (毒物效应动力学 )
Biotransportation (生物转运 )
Biotransformation (生物转化 )
一、外源化学物的体内动态
第一节 生物膜和生物转运
6
二、生物膜和生物转运
生
物
膜
组成
脂质
糖
蛋白质：结构蛋白、受体、酶、载体,
离子通道等
结构,液态镶嵌模型
功能
隔离功能
生化反应和生命活动的场所
内外环境物质交换的屏障
第一节 生物膜和生物转运
7
二、生物膜和生物转运
生
物
转
运
主动转运 (active transport)
被动转运
膜动转运 (cytosis)
简单扩散 (simple diffusion)
易化扩散 (facilitated diffusion)
滤过 (filtration)
胞吞 (endocytosis),胞饮 (pinocytosis)
胞吐 (exocytosis)
第一节 生物膜和生物转运
8
? 影响生物转运的因素,
外源化学物本身的结构、分子量的大小、脂 /水分配
系数的大小、带电性、与内源性物质的相似性等。
? 影响简单扩散的主要因素,
生物膜的浓度梯度、厚度、面积、脂 /水分配系数、
解离度等。
? 脂 /水分配系数 (lipid/water partition coefficient),
化学物在含有脂和水的体系中，在分配达到平衡
时在脂相和水相的溶解度比值。
二、生物膜和生物转运
第一节 生物膜和生物转运
9
吸收 （ abosorption）,外源化学物从接触部位，通常
是机体的外表面或内表面的生物膜转运至血循环的过
程。
first-pass effect,
一、经胃肠道吸收,
吸收的特点和影响因素,
小肠的结构特点
外源化学物本身的理化性质、胃肠液的 PH值、胃肠道
内食物的量和质、肠内茵丛的影响
第二节 吸 收
10
二、经呼吸道吸收,
吸收部位,气态物质的水溶性
影响因素,
blood/gas partition coefficient:气体在呼吸膜两侧的
分压达到动态平衡时，在血液内的浓度与在肺泡空气中
的浓度之比。
三、经皮肤吸收,
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
四、其它,注射
第二节 吸 收
11
分布 (distribution)指外源化学物吸收进入血流或淋巴
液后，随体循环分散到全身组织器官的过程。
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、外源化学物的亲合力。
redistribution,如 铅
第三节 分 布
12
一、毒物在组织中的贮存,毒理学意义（双重）
血浆蛋白质 作为贮存库：清蛋白
肝脏和肾脏 作为贮存库
脂肪组织 作为贮存库
骨骼组织 作为贮存库
二、特殊的屏障,
血脑屏障 (blood-brain barrier)
胎盘屏障 (placental barrier)
其他屏障
第三节 分 布
13
排泄 （ excretion）是外源化学物及其代谢产物向
机体外转运的过程，是生物转运的最后一个环节。
肾脏排泄,肾小球过滤
肾小管重吸收
肾小管分泌
粪便排泄：与未吸收的食物混合
胆汁排泄 肠肝循环
（毒理学意义）
肺排泄
其他：乳汁排泄
第四节 排 泄
14
?一、生物转化和毒物代谢酶
?二,Ⅰ 相反应
?三,Ⅱ 相反应
?四、影响生物转化的因素
第五节 毒物的代谢转化
15
一、生物转化和毒物代谢酶,
? 生物转化（ biotransformation）,外源化学物在机体内经多种酶
催化的代谢转化。 Ⅰ 相反应和 Ⅱ 相反应
? 代谢产物 (metabolites)：生物转化的产物。
? 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。
第五节 毒物的代谢转化
16
生物转化酶的基本特征,
广泛的底物特异性
某些酶具有多态性
具有立体选择性
有结构酶和诱导酶之分
毒物代谢酶的分布,
肝脏：不同组织对外源化学物生物转化能力的显著区别
对于解释化学物损伤的组织特异性具有重要的毒理学意义 。
内质网 （ 微粒体 ） 或脂质的可溶部分 （ 胞浆 ）
第五节 毒物的代谢转化
17
第五节 毒物的代谢转化
二,Ⅰ 相反应,
Ⅰ 相反应 (phase Ⅰ biotransformation) 指经过
氧化、还原和水解等反应使外源化学物暴
露或产生极性基团，如 -OH,-NH2,-SH,-
COOH等，水溶性增高并成为适合于 Ⅱ 相
反应的底物。
18
I
相
反
应
的
类
型
氧化作用
还原作用
水解作用
硝基和偶氮还原
羰基还原
含硫基团还原
醌还原
脱卤还原
酯酶
酰胺酶
环氧化物水化酶
第五节 毒物的代谢转化
19
氧化作用
P-450催化氧化
脂肪族和芳香族羟化,八甲磷
双键的环氧化,
杂原子 (S-,N-,I-)氧化和 N-羟化
杂原子 (O-,S-,N-)脱烷基
氧化基团转移
(氧化脱氨、脱硫、脱卤素 )
酯裂解 (羧酸酯、磷酸酯 )
脱氢
微粒体含黄素加单氧酶
醇、醛、酮氧化和胺类氧化
第五节 毒物的代谢转化
20
亲电子剂的形成
苯并 (a)芘 [benzo (a) pyrene,BaP]
7,8-环氧苯并 (a)芘
7,8-二羟 -BaP
7,8-二羟基 -9,10-环氧 BaP
P-450
环氧化物水解
酶
(终致癌物 )
21
P-450
第五节 毒物的代谢转化
22
三,Ⅱ 相反应,
Ⅱ 相反应 (phase Ⅱ biotransformation) 指具有一定
极性的外源化学物与 内源性辅因子 (结合基团 )进
行化学结合的反应 (conjugation)。
第五节 毒物的代谢转化
23
内源性辅因子 需要经生物合成来提供。除乙酰基和甲基结合反
应外，其他 Ⅱ 相反应都使外源化学物的水溶性显著增加，促进其
排泄。葡糖醛酸结合、硫酸结合、乙酰化作用、甲基化作用涉及
活化的 (,高能”的 )辅因子，而与谷胱甘肽 (GSH)结合和与氨基酸
结合则是与活化的外源化学物反应。大多数 Ⅱ 相生物转化酶存在
于胞浆，但 UDP-葡糖醛酸转移酶是微粒体酶。 一般可以将内源性
辅因子作为体内的防御性因子,但有例外。有些具有极性基团的
外源化学物可以不经过 Ⅰ 相反应而直接参与 Ⅱ 相反应。
第五节 毒物的代谢转化
24
? 结合反映的类型,
? 葡糖醛酸结合
? 硫酸结合
? 乙酰化作用
? 甲基化作用
? 谷胱甘肽 (GSH)结合
? 氨基酸结合
?结合酶,
?UDP-葡糖醛酸转移酶
?磺酸转移酶
?乙酰基转移酶
?甲基转移酶
?谷胱甘肽 -S-转移酶
?酰基转移酶
第五节 毒物的代谢转化
25
四, 影响生物转化的因素,
? 代谢是化学物毒作用的决定因素 。 很多因素可影响外源化学
物生物转化, 包括机体的 遗传生理因素和环境因素 两大类 。
? 遗传生理因素 有动物的 物种、性别、年龄 等，常体现在代谢
酶的种类、数量和活性的差异上,代谢酶的多态性 也是影响
毒性反应个体差异的重要因素。各种环境因素主要通过影响
代谢酶和辅酶的合成过程以及催化过程来干扰外源化学物的
生物转化，如 代谢酶的诱导和抑制 。另外，其他影响因素还
有 营养状态、疾病 等。
第五节 毒物的代谢转化
26
? 代谢酶多态性
? 外源化学物代谢酶的诱导
诱导 (induction)指有些外源化学物可使某些代谢
过程催化酶系的酶蛋白的合成量增加，伴有活力增强。
能引起酶诱导的物质称为 诱导剂 (inducer)。
? 外源化学物代谢酶的抑制（ inhibition）
第五节 毒物的代谢转化
27
? 外源化学物代谢酶的诱导
P-450系的诱导剂有 5类,
① 巴比妥类, 如苯巴比妥 (PB)诱导 2B1/2,2C,3A1/2；
② 多环芳烃类, 如 3-甲基胆蒽 (3MC),TCDD(2,3,7,8-四氯二
苯二恶烷, 二恶英 )等, 诱导 1A1/2；
③ 醇／酮, 如乙醇, 异烟阱, 诱导 2E1；
④ 甾类, 如孕烯醇酮 16α-腈, 地塞米松, 诱导 3A1/2；
⑤氯贝特 (安妥明 )类过氧化物酶体诱导剂，诱导 4A1/2。此外,
多氯联苯 (PCB)兼有 PB和 3MC样诱导作用。
第五节 毒物的代谢转化
28
? 外源化学物代谢酶的诱导
? 诱导剂对外源化学物代谢和毒作用的影响可有以下几种,
(1)如果化学物仅经一个途径代谢, 诱导可增加其代谢速率 。
如该化学物经此途径代谢解毒, 诱导可降低毒性 。
(2)如果化学物经几个途径代谢, 而仅有一个途径被诱导, 诱
导可改变这些代谢途径间的平衡, 增强或降低毒性 。
(3)如被诱导的同工酶不涉及某化学物的代谢, 则诱导不影响
该化学物的代谢 。
(4)诱导还可能改变酶促反应的立体化学特异性。
第五节 毒物的代谢转化
29
? 外源化学物代谢酶的抑制
? 抑制作用可以分为几种类型 。
(1)抑制物与酶的活性中心发生可逆或不可逆性结合 。
(2)两种不同的化学物在同一个酶的活性中心发生竞争性抑制 。
(3)减少酶的合成 。
(4)破坏酶 。
(5) 变构作用 。
(6)缺乏辅因子 。 马来酸二乙酯可耗尽 GSH,抑制其他化学
物经 GSH结合代谢 。
第五节 毒物的代谢转化
外源化学物在体内的生物转运
和生物转化
卫生毒理学教研室
2004,5
2
内容概要
第一节 生物膜和生物转运
第二节 吸 收
第三节 分 布
第四节 排 泄
第五节 毒物的代谢转化
3
第一节 生物膜和生物转运
一、外源化学物的体内动态
外源
化学物
[接触 ] 皮肤
肺
消化道
粪
[接触 ]
[排泄 ]
肝
胆汁
[代谢 ]
血液循环
白蛋白结合型
游离型
[吸收 ] 靶器官
(损害 )
器官组织
(贮存 )
[分布 ]
肾 肺 分泌腺
尿 呼气 乳汁、汗
[排泄 ]
图 3-1 外源化学物在体内的动态过程
4
Absorption
↓
Distribution
↓
Metabolism
↓
Excretion
第一节 生物膜和生物转运
一、外源化学物的体内动态
5
Toxicokinetics (毒物动力学 )
Toxicodynamics (毒物效应动力学 )
Biotransportation (生物转运 )
Biotransformation (生物转化 )
一、外源化学物的体内动态
第一节 生物膜和生物转运
6
二、生物膜和生物转运
生
物
膜
组成
脂质
糖
蛋白质：结构蛋白、受体、酶、载体,
离子通道等
结构,液态镶嵌模型
功能
隔离功能
生化反应和生命活动的场所
内外环境物质交换的屏障
第一节 生物膜和生物转运
7
二、生物膜和生物转运
生
物
转
运
主动转运 (active transport)
被动转运
膜动转运 (cytosis)
简单扩散 (simple diffusion)
易化扩散 (facilitated diffusion)
滤过 (filtration)
胞吞 (endocytosis),胞饮 (pinocytosis)
胞吐 (exocytosis)
第一节 生物膜和生物转运
8
? 影响生物转运的因素,
外源化学物本身的结构、分子量的大小、脂 /水分配
系数的大小、带电性、与内源性物质的相似性等。
? 影响简单扩散的主要因素,
生物膜的浓度梯度、厚度、面积、脂 /水分配系数、
解离度等。
? 脂 /水分配系数 (lipid/water partition coefficient),
化学物在含有脂和水的体系中，在分配达到平衡
时在脂相和水相的溶解度比值。
二、生物膜和生物转运
第一节 生物膜和生物转运
9
吸收 （ abosorption）,外源化学物从接触部位，通常
是机体的外表面或内表面的生物膜转运至血循环的过
程。
first-pass effect,
一、经胃肠道吸收,
吸收的特点和影响因素,
小肠的结构特点
外源化学物本身的理化性质、胃肠液的 PH值、胃肠道
内食物的量和质、肠内茵丛的影响
第二节 吸 收
10
二、经呼吸道吸收,
吸收部位,气态物质的水溶性
影响因素,
blood/gas partition coefficient:气体在呼吸膜两侧的
分压达到动态平衡时，在血液内的浓度与在肺泡空气中
的浓度之比。
三、经皮肤吸收,
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
四、其它,注射
第二节 吸 收
11
分布 (distribution)指外源化学物吸收进入血流或淋巴
液后，随体循环分散到全身组织器官的过程。
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、外源化学物的亲合力。
redistribution,如 铅
第三节 分 布
12
一、毒物在组织中的贮存,毒理学意义（双重）
血浆蛋白质 作为贮存库：清蛋白
肝脏和肾脏 作为贮存库
脂肪组织 作为贮存库
骨骼组织 作为贮存库
二、特殊的屏障,
血脑屏障 (blood-brain barrier)
胎盘屏障 (placental barrier)
其他屏障
第三节 分 布
13
排泄 （ excretion）是外源化学物及其代谢产物向
机体外转运的过程，是生物转运的最后一个环节。
肾脏排泄,肾小球过滤
肾小管重吸收
肾小管分泌
粪便排泄：与未吸收的食物混合
胆汁排泄 肠肝循环
（毒理学意义）
肺排泄
其他：乳汁排泄
第四节 排 泄
14
?一、生物转化和毒物代谢酶
?二,Ⅰ 相反应
?三,Ⅱ 相反应
?四、影响生物转化的因素
第五节 毒物的代谢转化
15
一、生物转化和毒物代谢酶,
? 生物转化（ biotransformation）,外源化学物在机体内经多种酶
催化的代谢转化。 Ⅰ 相反应和 Ⅱ 相反应
? 代谢产物 (metabolites)：生物转化的产物。
? 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。
第五节 毒物的代谢转化
16
生物转化酶的基本特征,
广泛的底物特异性
某些酶具有多态性
具有立体选择性
有结构酶和诱导酶之分
毒物代谢酶的分布,
肝脏：不同组织对外源化学物生物转化能力的显著区别
对于解释化学物损伤的组织特异性具有重要的毒理学意义 。
内质网 （ 微粒体 ） 或脂质的可溶部分 （ 胞浆 ）
第五节 毒物的代谢转化
17
第五节 毒物的代谢转化
二,Ⅰ 相反应,
Ⅰ 相反应 (phase Ⅰ biotransformation) 指经过
氧化、还原和水解等反应使外源化学物暴
露或产生极性基团，如 -OH,-NH2,-SH,-
COOH等，水溶性增高并成为适合于 Ⅱ 相
反应的底物。
18
I
相
反
应
的
类
型
氧化作用
还原作用
水解作用
硝基和偶氮还原
羰基还原
含硫基团还原
醌还原
脱卤还原
酯酶
酰胺酶
环氧化物水化酶
第五节 毒物的代谢转化
19
氧化作用
P-450催化氧化
脂肪族和芳香族羟化,八甲磷
双键的环氧化,
杂原子 (S-,N-,I-)氧化和 N-羟化
杂原子 (O-,S-,N-)脱烷基
氧化基团转移
(氧化脱氨、脱硫、脱卤素 )
酯裂解 (羧酸酯、磷酸酯 )
脱氢
微粒体含黄素加单氧酶
醇、醛、酮氧化和胺类氧化
第五节 毒物的代谢转化
20
亲电子剂的形成
苯并 (a)芘 [benzo (a) pyrene,BaP]
7,8-环氧苯并 (a)芘
7,8-二羟 -BaP
7,8-二羟基 -9,10-环氧 BaP
P-450
环氧化物水解
酶
(终致癌物 )
21
P-450
第五节 毒物的代谢转化
22
三,Ⅱ 相反应,
Ⅱ 相反应 (phase Ⅱ biotransformation) 指具有一定
极性的外源化学物与 内源性辅因子 (结合基团 )进
行化学结合的反应 (conjugation)。
第五节 毒物的代谢转化
23
内源性辅因子 需要经生物合成来提供。除乙酰基和甲基结合反
应外，其他 Ⅱ 相反应都使外源化学物的水溶性显著增加，促进其
排泄。葡糖醛酸结合、硫酸结合、乙酰化作用、甲基化作用涉及
活化的 (,高能”的 )辅因子，而与谷胱甘肽 (GSH)结合和与氨基酸
结合则是与活化的外源化学物反应。大多数 Ⅱ 相生物转化酶存在
于胞浆，但 UDP-葡糖醛酸转移酶是微粒体酶。 一般可以将内源性
辅因子作为体内的防御性因子,但有例外。有些具有极性基团的
外源化学物可以不经过 Ⅰ 相反应而直接参与 Ⅱ 相反应。
第五节 毒物的代谢转化
24
? 结合反映的类型,
? 葡糖醛酸结合
? 硫酸结合
? 乙酰化作用
? 甲基化作用
? 谷胱甘肽 (GSH)结合
? 氨基酸结合
?结合酶,
?UDP-葡糖醛酸转移酶
?磺酸转移酶
?乙酰基转移酶
?甲基转移酶
?谷胱甘肽 -S-转移酶
?酰基转移酶
第五节 毒物的代谢转化
25
四, 影响生物转化的因素,
? 代谢是化学物毒作用的决定因素 。 很多因素可影响外源化学
物生物转化, 包括机体的 遗传生理因素和环境因素 两大类 。
? 遗传生理因素 有动物的 物种、性别、年龄 等，常体现在代谢
酶的种类、数量和活性的差异上,代谢酶的多态性 也是影响
毒性反应个体差异的重要因素。各种环境因素主要通过影响
代谢酶和辅酶的合成过程以及催化过程来干扰外源化学物的
生物转化，如 代谢酶的诱导和抑制 。另外，其他影响因素还
有 营养状态、疾病 等。
第五节 毒物的代谢转化
26
? 代谢酶多态性
? 外源化学物代谢酶的诱导
诱导 (induction)指有些外源化学物可使某些代谢
过程催化酶系的酶蛋白的合成量增加，伴有活力增强。
能引起酶诱导的物质称为 诱导剂 (inducer)。
? 外源化学物代谢酶的抑制（ inhibition）
第五节 毒物的代谢转化
27
? 外源化学物代谢酶的诱导
P-450系的诱导剂有 5类,
① 巴比妥类, 如苯巴比妥 (PB)诱导 2B1/2,2C,3A1/2；
② 多环芳烃类, 如 3-甲基胆蒽 (3MC),TCDD(2,3,7,8-四氯二
苯二恶烷, 二恶英 )等, 诱导 1A1/2；
③ 醇／酮, 如乙醇, 异烟阱, 诱导 2E1；
④ 甾类, 如孕烯醇酮 16α-腈, 地塞米松, 诱导 3A1/2；
⑤氯贝特 (安妥明 )类过氧化物酶体诱导剂，诱导 4A1/2。此外,
多氯联苯 (PCB)兼有 PB和 3MC样诱导作用。
第五节 毒物的代谢转化
28
? 外源化学物代谢酶的诱导
? 诱导剂对外源化学物代谢和毒作用的影响可有以下几种,
(1)如果化学物仅经一个途径代谢, 诱导可增加其代谢速率 。
如该化学物经此途径代谢解毒, 诱导可降低毒性 。
(2)如果化学物经几个途径代谢, 而仅有一个途径被诱导, 诱
导可改变这些代谢途径间的平衡, 增强或降低毒性 。
(3)如被诱导的同工酶不涉及某化学物的代谢, 则诱导不影响
该化学物的代谢 。
(4)诱导还可能改变酶促反应的立体化学特异性。
第五节 毒物的代谢转化
29
? 外源化学物代谢酶的抑制
? 抑制作用可以分为几种类型 。
(1)抑制物与酶的活性中心发生可逆或不可逆性结合 。
(2)两种不同的化学物在同一个酶的活性中心发生竞争性抑制 。
(3)减少酶的合成 。
(4)破坏酶 。
(5) 变构作用 。
(6)缺乏辅因子 。 马来酸二乙酯可耗尽 GSH,抑制其他化学
物经 GSH结合代谢 。
第五节 毒物的代谢转化
