農藥毒理生物氧化第1頁/共73頁有機物質在生物體內的氧化作用，稱為生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以又稱為呼吸作用。在整個生物氧化過程中，有機物質最終被氧化成CO2和水，并釋放出能量。而外源有機物（藥物、毒物等）進入機體后，在微粒體氧化酶系的作用下，將發生一系列化學變化并形成一些分解產物或衍生物，此種過程稱為生物轉化或代謝轉化。第2頁/共73頁生物氧化的特點1，生物氧化是在生物細胞內進行的酶促氧化過程，反應條件溫和（水溶液，pH7和常溫）。2，氧化進行過程中，必然伴隨生物還原反應的發生。3，水是許多生物氧化反應的氧供體。通過加水脫氫作用直接參予了氧化反應。4，在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步進行的。氧化過程中脫下來的氫質子和電子，通常由各種載體，如NADH等傳遞到氧并生成水。第3頁/共73頁5，生物氧化是一個分步進行的過程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反應的產物都可以分離出來。這種逐步進行的反應模式有利于在溫和的條件下釋放能量，提高能量利用率。6，生物氧化釋放的能量，通過與ATP合成相偶聯，轉換成生物體能夠直接利用的生物能ATP。第4頁/共73頁第一節、生物能及其存在形式一般的能量形式，如光能（如太陽能）、熱能和化學能等，都不能為生物細胞直接利用。光能需要通過光合作用轉變成ATP(光合磷酸化)；化學能則需要通過生物氧化轉變成ATP（氧化磷酸化）。ATP是能夠被生物細胞直接利用的能量形式。一、生物能和ATP第5頁/共73頁二、高能化合物磷酸酯類化合物在生物體的能量轉換過程中起者重要作用。許多磷酸酯類化合物在水解過程中都能夠釋放出自由能。一般將水解時能夠釋放21kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能（G’<-21kJ/mol）的化合物稱為高能化合物。ATP是生物細胞中最重要的高能磷酸酯類化合物。根據生物體內高能化合物鍵的特性可以把他們分成以下幾種類型。

第6頁/共73頁1,高能磷酸化合物結構G千焦耳/摩爾G（千卡/摩爾）

磷酸烯醇式丙酮酸

-61.9

14.8

3-磷酸甘油酸磷酸

-49.3

11.8

磷酸肌酸

-43.1

10.3

乙酰基磷酸

-42.3

10.1

三磷酸腺苷

-30.5

7.3第7頁/共73頁2,氮磷鍵型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩爾7.7千卡/摩爾這兩種高能化合物在生物體內起儲存能量的作用。第8頁/共73頁3,硫酯鍵型3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸酰基輔酶A4,甲硫鍵型S-腺苷甲硫氨酸第9頁/共73頁第二節、線粒體呼吸鏈和ATP合成細胞內的線粒體是生物氧化的主要場所，主要功能是將代謝物脫下的氫通過多種酶及輔酶所組成的傳遞體系的傳遞，最終與氧結合生成水。由供氫體、傳遞體、受氫體以及相應的酶催化系統組成的這種代謝途徑一般稱為生物氧化還原鏈，當受氫體是氧時，稱為呼吸鏈。一、線粒體呼吸鏈的組成第10頁/共73頁第11頁/共73頁線粒體呼吸鏈第12頁/共73頁①NADHNADH是呼吸鏈組成的第一個成員，主要來自生物大分子代謝過程。第13頁/共73頁NADH泛醌還原酶簡寫為NADHQ還原酶,即復合物I，它的作用是催化NADH的氧化脫氫以及Q的還原。所以它既是一種脫氫酶，也是一種還原酶。NADHQ還原酶最少含有16個多肽亞基。它的活性部分含有輔基FMN和鐵硫蛋白。FMN的作用是接受脫氫酶脫下來的電子和質子，形成還原型FMNH2。還原型FMNH2可以進一步將電子轉移給Q。

NADHQ還原酶

NADH+Q+H+=========NAD++QH2第14頁/共73頁復合體Ⅰ:NADH-泛醌還原酶第15頁/共73頁鐵硫簇Fe4S4結構示意圖

鐵硫蛋白的Fe-S中心也許象(a)一樣簡單,來自于半胱氨酸的四個硫原子環繞著鐵原子。其它中心包括無機和半胱氨酸的S原子,如同(b)2Fe-2S或(c)4Fe-4S中心.(d)的鐵氧還原蛋白有一個2Fe-2S中心。第16頁/共73頁

泛醌（簡寫為Q）或輔酶-Q（CoQ）：它是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。為一種脂溶性醌類化合物。第17頁/共73頁輔酶Q的功能Q(醌型結構)很容易接受電子和質子，還原成QH2（還原型）；QH2也容易給出電子和質子，重新氧化成Q。因此，它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質子的傳遞體。第18頁/共73頁

泛醌細胞色素c還原酶簡寫為QH2-cyt.c還原酶,即復合物III,它是線粒體內膜上的一種跨膜蛋白復合物，其作用是催化還原型QH2的氧化和細胞色素c（cyt.c）的還原。

QH2-cyt.c還原酶QH2+2cyt.c(Fe3+)====Q+2cyt.c(Fe2+)+2H+QH2-cyt.c還原酶由9個多肽亞基組成。活性部分主要包括細胞色素b和c1，以及鐵硫蛋白（2Fe-2S）。第19頁/共73頁泛醌細胞色素c還原酶

第20頁/共73頁細胞色素簡寫為cyt.是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉的衍生物，鐵原子處于卟啉環的中心，構成血紅素。各種細胞色素的輔基結構略有不同。線粒體呼吸鏈中主要含有細胞色素a,b,c和c1等，組成它們的輔基分別為血紅素A、B和C。細胞色素a,b,c可以通過它們的紫外-可見吸收光譜來鑒別。細胞色素主要是通過Fe3+

Fe2+

的互變起傳遞電子的作用的。第21頁/共73頁細胞色素根據它們吸收光譜不同而分類。第22頁/共73頁

細胞色素c（cyt.c）它是電子傳遞鏈中一個獨立的蛋白質電子載體，位于線粒體內膜外表，屬于膜周蛋白，易溶于水。它與細胞色素c1含有相同的輔基，但是蛋白組成則有所不同。在電子傳遞過程中，cyt.c通過Fe3+

Fe2+

的互變起電子傳遞中間體作用。第23頁/共73頁由于QH2是一個雙電子載體，而參與上述反應過程的其它組分(如cyt.c)都是單電子傳遞體，所以，實際反應情況比較復雜。QH2所攜帶的一個高能電子通過鐵硫蛋白，傳遞給cyt.c，本身形成半醌自由基（QH）；另一個電子則傳遞給cyt.b。還原型cyt.b可以將QH

還原成QH2。其結果是通過一個循環，QH2將其中的一個電子傳遞給cyt.c。第24頁/共73頁

細胞色素c氧化酶簡寫為cyt.c氧化酶，即復合物IV，它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復合物，由12個多肽亞基組成。活性部分主要包括cyt.a和a3。第25頁/共73頁復合體IV的結構第26頁/共73頁cyt.a和a3組成一個復合體，除了含有鐵卟啉外，還含有銅原子。cyt.aa3可以直接以O2為電子受體。在電子傳遞過程中，分子中的銅離子可以發生Cu+

Cu2+

的互變，將cyt.c所攜帶的電子傳遞給O2。第27頁/共73頁琥珀酸-Q還原酶琥珀酸是生物代謝過程（三羧酸循環）中產生的中間產物，它在琥珀酸-Q還原酶（復合物II）催化下，將兩個高能電子傳遞給Q。再通過QH2-cyt,c還原酶、cyt.c和cyt.c氧化酶將電子傳遞到O2。琥珀酸-Q還原酶比NADH-Q還原酶的結構簡單，由4個不同的多肽亞基組成.活性部分含有輔基FAD和鐵硫蛋白。第28頁/共73頁二、氧化-還原電勢與自由能的變化在生物氧化反應中，氧化與還原總是相互偶聯的。一個化合物（還原劑）失去電子，必然伴隨另一個化合物(氧化劑）接受電子。在線粒體呼吸鏈中，推動電子從NADH傳遞到O2的力，是由于NAD+/NADH+H+

和1/2O2/H2O兩個半反應之間存在很大的電勢差。(a)?O2+2H++2e-

H2OE0’=+0.82V(b)NAD++H++2e-

NADHE0’=-0.322V將(a)減去(b)，即得(c)式：(c)?O2+NADH+2H+

H2O+NAD+E0’=+1.14VG’=-nFE0’=-2965001.14=-220kJ/mol第29頁/共73頁第30頁/共73頁呼吸鏈

的電子

傳遞第31頁/共73頁第三節、氧化磷酸化

NADH或琥珀酸所攜帶的高能電子通過線粒體呼吸鏈傳遞到O2的過程中，釋放出大量的能量。這種高能電子傳遞過程的釋能反應與ADP和磷酸合成ATP的需能反應相偶聯，是ATP形成的基本機制。第32頁/共73頁1,ATP酶復合體線粒體內膜的表面有一層規則地間格排列著的球狀顆粒，稱為ATP酶復合體，是ATP合成的場所。第33頁/共73頁二、ATP合成反應-氧化磷酸化生物氧化的釋能反應與ADP的磷酰化反應偶聯合成ATP的過程，稱為氧化磷酸化。線粒體的離體實驗證明，一分子NADH所含的兩個高能電子，經過呼吸鏈傳遞給O2生成水過程中，生成了3分子的ATP。也就是說，在線粒體呼吸鏈，每傳遞2個電子，將消耗一個氧原子（1/2O2），其結果是有3個ADP分子與3個無機磷酸分子作用，生成3分子的ATP。在此反應中，參予反應的磷原子與氧原子之比（簡稱P/O比）為3/1。

第34頁/共73頁ATPATPATP氧化磷酸化偶聯部位電子傳遞鏈自由能變化

第35頁/共73頁線粒體基質

線粒體膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP三，氧化磷酸化的偶聯機理化學滲透假說電子經呼吸鏈傳遞時，可將質子（H+）從線粒體內膜的基質側泵到內膜胞漿側，產生膜內外質子電化學梯度儲存能量。當質子順濃度梯度回流時驅動ADP與Pi生成ATP。

第36頁/共73頁四、氧化磷酸化作用的抑制和解偶聯

能夠阻斷呼吸鏈中某一部位電子流的物質稱為電子傳遞抑制劑，利用某些特異性的抑制劑切斷某部位的電子流，再測定電子傳遞鏈中各組分的氧化-還原狀態，是研究電子傳遞順序的一種重要方法。已知的抑制劑有以下幾種：

第37頁/共73頁1,復合物I抑制劑

魚藤酮（rotenone）、安密妥（amytal）以及殺粉蝶菌素（piericidin），它們的作用是抑制NADH泛醌還原酶，從而阻斷電子由NADH向輔酶Q的傳遞。魚藤酮是一種極毒的植物物質，常用作殺蟲劑使用，安密妥用作麻醉藥就是根據這個原理。殺粉蝶菌素的結構類似輔酶Q，因此可以和輔酶Q相競爭。第38頁/共73頁2,復合物III抑制劑

抗霉素A（antimycinA）是從鏈霉菌（streptomycesgriseus）中分離出的抗菌素，可以抑制電子從細胞色素b到細胞色素c1傳遞的作用。第39頁/共73頁氰化物、硫化氫、疊氮化物和一氧化碳等可以抑制細胞色素c氧化酶，從而阻斷電子由細胞色素aa3傳至氧的作用，這就是氰化物等中毒的原理。

3，復合物IV抑制劑

第40頁/共73頁4，氧化磷酸化作用的解偶聯劑

除了上述抑制劑外，還有一類抑制劑可以阻斷氧化磷酸化作用，這類物質稱為解偶聯劑。解偶聯劑可使正常緊密聯系著的氧化過程與磷酸化過程發生松解，甚至完全拆離，相應地使P／O比率下降或變為零。由于氧化速度增加而磷酸化作用下降，結果產生過量的熱。在整體的動物過量產熱表現為發熱及導致由其他代謝紊亂而出現的臨床癥狀，因為ATP相對缺乏，阻滯了某些重要的細胞活動，例如離子的轉送，膜的通透性改變等。第41頁/共73頁常見的解偶聯劑有2,4—二硝基苯酚(曾用于降體重)、雙香豆素、某些水楊酸苯胺的取代物以至游離的水楊酸，即阿斯匹林的代謝物。從用量多少比較，水楊酸苯胺是目前已知的最強效解偶聯劑。天然解偶聯劑包括膽色素、膽紅素、游離脂肪酸，也許還有甲狀腺素。這些物質必須在線粒體內達到足夠高濃度才起解偶聯作用。某些病原微生物產生的可溶性毒素也有解偶聯作用，糧食生產以至家庭使用的某些殺蟲藥，過量時也有解偶聯作用。

第42頁/共73頁魚藤酮安密妥抗菌素A第43頁/共73頁5，解偶聯蛋白UCP

化學滲透假說指出，在電子傳遞鏈中，從線粒體基質泵出H+，產生H+跨膜電化學勢能，這種勢能又驅使H+通過ATP合成酶重新回到線粒體基質中，同時合成ATP。然而，線粒體在沒有ADP的情況下也可進行呼吸作用，即H+不通過ATP合成酶也可以從線粒體內膜滲漏到線粒體基質中，而不產生ATP。研究發現這種解偶聯作用是由線粒體內膜上的UCP所介導的。UCP在產熱?控制ROS、調控脂肪酸氧化以及肥胖和糖尿病中起重要作用。

第44頁/共73頁UCP解偶聯機制

第45頁/共73頁第46頁/共73頁第四節非線粒體氧化體系

在高等動植物細胞內，還有—些其他氧化體系，如微粒體氧化體系、過氧化物酶體氧化體系等。其中以肝臟的微粒體與過氧化物酶體較為重要。它們有不同于線粒體的氧化酶類，組成特殊的氧化體系，在氧化過程中不伴有偶聯磷酸化不產生ATP，不是機體氧化產生能的基地而是與某些代謝中間產物或某些藥物、毒物的生物轉化有關。微粒體(microsome)并非獨立的細胞器，是內質網在細胞勻槳過程中形成的顆粒，其中富含催化氧化反應的各種酶類。第47頁/共73頁一、微粒體氧化體系

微粒體中存在一類加氧酶(Oxygenase)，這類加氧酶也參與代謝物的氧化作用。這類酶催化的氧化反應是將氧直接加到底物分子上。加氧酶類可分為單加氧酶和雙加氧酶兩種。1，微粒體中催化氧化反應的酶類第48頁/共73頁（1）微粒體混合功能氧化酶系

其中包括微粒體細胞色素P450依賴性單加氧酶、微粒體細胞色素b5依賴性單加氧酶、NADPH-細胞色素P450還原酶和NADH-細胞色素P450還原酶；目前發現的細胞色素P450已有20多種，其中CYP2C9、CYP2D6和CYP3A4是藥物代謝過程中比較重要的酶系。

第49頁/共73頁微粒體混合功能氧化酶系催化反應中需要一個氧分子(O2)，其中一個氧原子將參入作為底物的外源有機物質分子中，使其增加一個氧原子，另一個氧原子則被還原為H2O。由于氧分子具有兩種作用，故稱為混合功能氧化酶，而且因為在反應過程中僅有一個氧原子參入底物，所以亦稱為單加氧酶或加單氧酶。反應過程中所需的電子或氫原子則由NADPH或NADH提供。第50頁/共73頁細胞色素P450與底物結合形成復合物后被還原成2價鐵離子。此過程需要黃素蛋白細胞色素P450還原酶和NADPH參與。該還原型復合物P450(Fe3+)-RH能與分子氧反應，生成低自旋的六螯合復合物，底物結合于氧的附近。生成的過氧化物被還原成過氧負離子，此時有細胞色素b5或其他體系參與反應；過氧負離子析出過氧化氫或重排成環氧化物，進而生成氧化型產物和1分子水及恢復到靜止狀態的細胞色素P450。

第51頁/共73頁（2）微粒體含FAD單加氧酶

其功能及反應機理與細胞色素P-450單加氧酶相似，反應過程中亦需要NADPH和O2，黃素腺嘌呤二核苷酸起傳遞電子的作用，不需要細胞色素P-450。此酶主要催化仲胺類、叔胺類和一些含硫化合物的氧化反應，例如硫醇類、硫醚類和硫化物等，也參與農藥硫代氨基甲酸酯、有機磷化合物的氧化以及煙堿氧化為煙堿-1'-N-氧化物的反應。第52頁/共73頁二、微粒體氧化酶系催化的

氧化反應類型氧化反應是外源有機物質在生物轉化過程中獲得氧的反應，是生物轉化中一個重要過程。化合物結構不同在氧化反應中會發生不同類型的氧化作用。第53頁/共73頁反應類型反應式

羥化

氧化脫氨氧化脫烷基環氧化N-氧化S-氧化第54頁/共73頁（1）脂肪烴羥化反應

亦稱為脂肪族氧化反應，常見于直鏈脂肪族化合物烷烴類，其羥化產物為醇類。羥化反應多發生在碳氫鏈上的ω碳原子（或α-氧化）或ω-1碳原子。ω-碳原子是脂肪族碳氫鏈上倒數第一個碳原子，即最后一個碳原子，ω-1碳原子與ω-碳原子相鄰，即倒數第二個碳原子。烷烴在體內的ω-氧化產物為1-醇，ω-1氧化產物為2-醇，該氧化作用具有立體選擇性。

第55頁/共73頁第56頁/共73頁（2）芳香族羥化反應

芳香環上的氫被氧化，形成酚類。例如苯可形成苯酚，苯胺可形成對氨基酚或鄰氨基酚。

第57頁/共73頁第58頁/共73頁（3）環氧化反應

在微粒體混合功能氧化酶催化下，碳―碳雙鍵可加氧形成環氧化物。有些環氧化物可以致癌，例如氯乙烯的環氧化產物環氧化氯乙烯即為終致癌物。有些環氧化物性質極不穩定，將繼續發生水解，形成二醇化物。有許多致癌物本身并不致癌，需要經代謝轉化或稱代謝活化才形成具有致癌作用的終致癌物，或者經代謝轉化先形成近致癌物，并繼續代謝轉化形成終致癌物。

第59頁/共73頁黃曲霉毒素B1在體內經環氧化反應可形成黃曲霉毒素B1-8,9-環氧化物。此種環氧化物性質并不穩定，可形成11種羥化產物，其中有的為終致癌物，將與DNA等生物大分子結合，誘發突變及癌變。第60頁/共73頁（4）N-羥化反應

脂肪胺和芳香胺類物質在微粒體混合功能氧化酶催化下，在氨基上引入羥基，所以也稱為N-氧化反應。由于底物的不同，可形成不同的代謝產物。苯胺可代表一種類型。苯胺經羥化后形成羥胺，羥胺的毒性較苯胺本身為高，可使血紅蛋白氧化成為高鐵血紅蛋白。具有重要毒理學意義的是有些芳香膚類本身并不致癌，經N-羥化后才具有致癌作用。

第61頁/共73頁2-乙酰氨基芴，經N-羥化形成近致病物N-羥基-2-乙酰氨基芴，并可繼續轉化為終致癌物。羥化反應如發生在芳香環上，通過芳香族羥化，形成7-羥基-2-乙酰氨基芴，則不具有致癌作用。第62頁/共73頁（5）脫烷基反應

醚、硫醚以及有機含氮化合物，分子中含有N、S或O原子相連的烷基。在微粒體氧化酶系的作用下，碳原子被氧化并脫去一個