生物化学与分子生物学/肝的生物转化作用

肝的生物化学 - 肝在物质代谢中的作用 - 肝的生物转化作用 - 胆汁与胆汁酸的代谢 - 胆色素的代谢与黄疸

肝的生物转化作用是机体重要的保护机制

生物转化的概念

人体内有些物质的存在不可避免，这些物质既不能作为构建组织细胞的成分，又不能作为能源物质，其中一些还对人体有一定的生物学效应或潜在的毒性作用，长期蓄积则对人体有害。机体在排出这些物质之前，需对它们进行代谢转变，使其水溶性提高，极性增强，易于通过胆汁或尿排出，这一过程称为生物转化(biotransformation)。肝是机体内生物转化最重要的器官。皮肤、肺及肾等亦有一定的生物转化作用。需进行生物转化的物质按其来源有内源性和外源性之分。内源性物质包括体内物质代谢的产物或代谢中间物（如胺类、胆红素等）以及发挥生理作用后有待灭活的各种生物活性物质（如激素、神经递质等）。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、毒物、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。

生物转化的生理意义

生物转化的生理意义在于：一则通过生物转化可对体内的大部分待转化物质进行代谢处理，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（解毒）；另则通过生物转化作用可增加这些物质的水溶性和极性，从而易于从胆汁或尿排出体外。应该指出的是，有些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经类化合物——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、水合氯酸和中药大黄等需经生物转化后才能成为有活性的药物。基此，不能将肝的生物转化作用简单地称为“解毒作用（detoxification）”，这显示了肝生物转化作用的解毒与致毒双重性的特点。

肝的生物转化作用包括两相反应

肝的生物转化涉及多种酶促反应，但总体上可分为两相反应。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，还需要结合极性更强的物质或基团，以进一步增加其水溶性而促进排泄，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过程非常复杂。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。此外同一种物质可以进行不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经基水杨酸，再进行多种结合反应。

氧化反应是最多见的生物转化第一相反应

1、单加氧酶系是氧化异源物最重要的酶 肝细胞中存在多种氧化酶系，最重要的是定位于肝细胞微粒体的细胞色素P450单加氧酶 (cytochrome P450 monooxygenase, CYP)系。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-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，故该酶又称轻化酶或称混合功能氧化酶。该酶是目前已知底物最广泛的生物转化酶类。迄今已鉴定出57种人类编码CYP的基因。对异源物进行生物转化的CYP主要是CYPl、 CYP2和CYP3家族。其中又以CYP3A4、CYP2C9、CYP1A2和CYP2El的含量最多。单加氧酶系催化的基本反应如下：
$\mathrm {RH} +\mathrm {O_{2}} +\mathrm {NADPH} +\mathrm {H^{+}} {\overset {\text{单加氧酶系}}{\longrightarrow }}\;\mathrm {ROH} +\mathrm {NADP^{+}} +\mathrm {H_{2}O}$
单加氧酶系的羟化作用不仅增加药物或毒物的水溶性而利于排出，而且还参与体内许多重要物质的羟化过程，如维生素D₃的羟化、胆汁酸和类固醇激素合成过程中的羟化等。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，成为导致原发性肝癌的重要危险因素。
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(monoamine oxidase, 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。
$\mathrm {RCH_{2}NH_{2}} +\mathrm {O_{2}} +\mathrm {H_{2}O} \longrightarrow \mathrm {RCHO} +\mathrm {NH_{3}} +\mathrm {H_{2}O_{2}}$
$\mathrm {RCHO} +\mathrm {NAD^{+}} +\mathrm {H_{2}O} \longrightarrow \mathrm {RCOOH} +\mathrm {NADH} +\mathrm {H^{+}}$
3、醇脱氢酶与醛脱氢酶将乙醇最终氧化成乙酸 肝细胞的细胞质存在非常活跃的以NAD⁺为辅酶的醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase, ADH) , 可催化醇类氧化成醛，后者再由线粒体或细胞质中醛脱氢酶(aldehyde dehydrogenase, ALDH)催化生成相应的酸类。
乙醇(ethanol)作为饮料和调味剂被广为利用。进入体内的乙醇主要在肝进行生物转化。70kg 体重的成年入每小时可代谢7～14g乙醇。由ADH与ALDH将乙醇最终氧化成乙酸。长期饮酒或慢性乙醇中毒除经ADH与ALDH氧化外，还可使肝内质网增殖，稳定内质网内CYP2El的活性并诱导其合成，即启动肝微粒体乙醇氧化系统(microsomal ethanol oxidizing system, MEOS)。MEOS是乙醇-P450单加氧酶，产物是乙酸，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可增加肝对氧和NADPH的消耗，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。
乙醇经上述两种代谢途径氧化均生成乙醛，后者在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三型。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。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睦在体内堆积，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内细胞质NADH/NAD⁺比值升高，过多的NADH可将细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。

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(nitroreductase) 和偶氮还原酶(azoreductase) 的催化下，以NADH或NADPH为供氢载体，还原生成相应的胺类，从而失去其致癌作用。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。

酯酶、酰胺酶和糖苷酶是生物转化的主要水解酶

肝细胞微粒体和细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), 可分别催化脂质、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（乙酰水杨酸）的生物转化过程中，首先是水解反应生成水杨酸或水解后先氧化成轻羟水杨酸，然后是与葡糖醛酸的结合转化反应。

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。如果其水溶性仍不够大，则需再进行第二相反应，生成极性更强的化合物。有些被转化的物质也可不经过第一相反应而直接进入第二相反应。肝细胞微粒体、细胞质或线粒体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、羧基等功能基团的物质均可与某些极性物质结合，掩盖其功能基团，增加水溶性，使其失去生物学活性（或毒性），并促进其排出。常见的结合物或基团有葡糖醛酸、硫酸、乙酰基、甲基、谷胱甘肽及氨基酸等，尤以与葡糖醋酸的结合最为普遍。
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(UDPG)可由UDPG脱氢酶催化生成尿苷二磷酸葡糖醛酸(UDPGA)。
UDPGA作为葡糖醋酸的活性供体，在肝微粒体的UDP-葡糖醛酸基转移酶(UDP-glucuronosyl transferase, 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、羧酸类化合物的羟基、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醋酸结合而进行生物转化，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醋酸类制剂以增加肝对被转化物质的生物转化作用。
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'-磷酸腺苷5'-磷酰硫酸(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、外源待转化物质的羟基上生成硫酸酯，既可增加其水溶性易于排出，又可促进其失活。如雌酮即由此形成硫酸酷而灭活。
3、乙酰化是某些含胺类异源物的重要转化反应 肝细胞细胞质富含乙酰基转移酶(acetyltransferase), 以乙酰CoA为乙酰基的直接供体，催化乙酰基转移到含氨基或肼的内、外源待转化物质（如异烟阱、磺胺、苯胺等），形成相应的乙酰化衍生物。例如，抗结核病药物异烟肼在肝内乙酰基转移酶催化下经乙酰化而失去活性。该酶表达呈多态性，使得个体有快速或迟缓乙酰化之分，影响诸如异烟肼等药物在血液中的清除速率，迟缓乙酰化个体对异烟肼的某些毒性反应较之快速乙酰化个体敏感。
此外，大部分磺胺类药物在肝内也通过这种形式灭活。但应指出，磺胺类药物经乙酰化后，其溶解度反而降低，在酸性尿中易于析出，故在服用磺胺类药物时应服用适量的碳酸氢钠，以提高其溶解度，利千随尿排出。
4、谷胱甘肽结合是细胞应对亲电子性异源物的重要防御反应 肝细胞的细胞质富含谷胱甘肽S-转移酶(glutathione S-transferase, GST) , 可催化谷胱甘肽(GSH)与含有亲电子中心的环氧化物和卤代化合物等异源物结合，生成GSH结合产物。主要参与对致癌物、环境污染物、抗肿瘤药物以及内源性活性物质的生物转化。亲电子性异源物若不与GSH结合，则可自由地共价结合DNA、RNA或蛋白质导致细胞严重损伤。此外，谷胱甘肽结合反应也是细胞自我保护的重要反应。很多内源性底物受活性氧(ROS)修饰后形成具有细胞毒作用的氧化修饰产物。所以，GSH不仅具有抗氧化作用，还可结合氧化修饰产物，减低其细胞毒性，增加其水溶性易于排出体外。
5、甲基化反应是代谢内源化合物的重要反应 肝细胞中含有多种甲基转移酶，以S-腺苷甲硫氨酸(SAM)为活性甲基供体，催化含有氧、氮、硫等亲核基团化合物的甲基化反应。其中，细胞质中可溶性儿茶酚-O-甲基转移酶(catechol-O-methyltransferase, COMT)具有重要的生理意义。COMT催化儿荼酚和儿茶酚胺的羟基甲基化，生成有活性的儿茶酚化合物。同时，COMT也参与生物活性胺如多巴胺类的灭活等。
6、甘氨酸主要参与含羧基异源物的生物转化 含羧基的药物、毒物等异源物首先在酰基CoA连接酶催化下生成活泼的酰基CoA, 再在肝线粒体基质酰基CoA: 氨基酸N-酰基转移酶(acyl -CoA: aminoacid N-acyltransferase)的催化下与甘氨酸、牛磺酸结合生成相应的结合产物。如马尿酸的生成等。
胆酸和脱氧胆酸可与甘氨酸结合生成结合胆汁酸的反应步骤与上述相同。

生物转化作用受许多因素的调节和影响

肝的生物转化作用受年龄、性别、营养、疾病、遗传和诱导物等体内、外诸多因素的影响。

年龄、性别、营养、疾病及遗传等因素对生物转化产生明显影响

年龄对生物转化作用的影响很明显 人肝的生物转化酶有一个发育的过程。新生儿肝生物转化酶系发育尚不完善，对内、外源性待转化物质的转化能力较弱，容易发生药物及毒素中毒。新生儿的高胆红素血症与缺乏葡糖醛酸基转移酶有关，此酶活性在出生5～6天后才开始升高，1～3个月后接近成人水平。老年人肝的生物转化能力仍属正常，尚未发现老年人肝 P450 的羟化作用、葡糖醛酸化作用等有所下降。且老年人肝生物转化酶的诱导作用仍属正常。但老年人肝血流量及肾的廓清速率下降，导致老年人血浆药物的清除率降低，药物在体内的半衰期延长。例如，安替匹林和消炎镇痛药保泰松的半衰期在青年人分别为 12 小时和 81 小时，老年入则分别为 17 小时和 105 小时。常规剂量用药后可发生药物蓄积，药效强且副作用较大。因此，临床上对新生儿及老年人的药物用量应较成人为低，许多药物使用时都要求儿童和老人慎用或禁用。但老年人肝的非微粒体酶活性不降低，如氧化乙醇的醇脱氢酶、结合肼苯哒嗪和普鲁卡因的乙酰化酶等在体内的代谢并不减慢。
某些生物转化反应存在明显的性别差异 例如女性体内醇脱氢酶活性高于男性，女性对乙醇的代谢处理能力比男性强。氨基比林在男性体内的半衰期约13.4小时，而女性则为 10.3小时，说明女性对氨基比林的转化能力比男性强。妊娠期妇女肝清除抗癫病药的能力升高，但晚期妊娠妇女的生物转化能力普遍降低。
营养状况对生物转化作用亦产生影响 蛋白质的摄入可以增加肝细胞整体生物转化酶的活性，提高生物转化的效率。饥饿数天(7天），肝谷胱甘肽S转移酶(GST)作用受到明显影响，其参加的生物转化反应水平降低。大量饮酒，因乙醇氧化为乙醛及乙酸，再进一步氧化成乙酰CoA, 产生 NADH, 可使细胞内 NAD/NADH 比值降低，从而减少 UDP-葡糖转变成 UDP-葡糖醛酸，影响了肝内葡糖醛酸结合转化反应。
疾病尤其严重肝病可明显影响生物转化作用 肝实质损伤直接影响肝生物转化酶类的合成。例如严重肝病时微粒体单加氧酶系活性可降低 50% 。肝细胞损害导致 NADPH 合成减少也影响肝对血浆药物的清除率。肝功能低下对包括药物或毒物在内的许多异源物的摄取及灭活速度下降，药物的治疗剂量与毒性剂量之间的差距减小，容易造成肝损害，故对肝病病人用药应特别慎重。
遗传因素亦可显著影响生物转化酶的活性 遗传变异可引起个体之间生物转化酶类分子结构的差异或酶合成量的差异。变异产生的低活性酶可因影响药物代谢而造成药物在体内的蓄积。相反，变异导致的高活性酶则可缩短药物的作用时间或造成药物代谢毒性产物的增多。目前已知，许多肝生物转化的酶类存在酶活性异常的多态性，如醛脱氢酶、葡糖醛酸基转移酶、谷胱甘肽S-转移酶等。

许多异源物可诱导生物转化作用的酶类

许多异源物可以诱导合成一些生物转化酶类，在加速其自身代谢转化的同时，亦可影响对其他异源物的生物转化。例如长期服用苯巴比妥可诱导肝微粒体单加氧酶系的合成，使机体对苯巴比妥类催眠药的转化能力增强，是耐药性产生的重要因素之一。临床上可利用其诱导作用增强对其他某些药物的代谢以达到解毒的效果，如用苯巴比妥减低地高辛中毒。苯巴比妥还可诱导肝微粒体 UDP-葡糖醛酸基转移酶的合成，临床上用其增加机体对游离胆红素的结合转化反应，治疗新生儿黄疽。有些毒物，如烟草中的苯并芘可诱导肺泡吞噬细胞中隶属于单加氧酶系的芳香经羟化酶的合成，故吸烟者羟化酶的活性明显高于非吸烟者。
由于多种物质在体内转化常由同一酶系的催化，因此同时服用多种药物时可出现药物之间对同一转化酶系的竞争性抑制作用，使多种药物的生物转化作用相互抑制，可导致某些药物药理作用强度的改变。例如保泰松可抑制双香豆素类药物的代谢，两者同时服用时保泰松可增强双香豆素的抗凝作用易发生出血现象，因此同时服用多种药物时应予注意。
此外，食物中亦常含有诱导或抑制生物转化酶的物质。例如烧烤食物、甘蓝、萝卜等含有肝微粒体单加氧酶系的诱导物，而水田齐则含有该酶的抑制剂。食物中的黄酮类可抑制单加氧酶系的活性。