生化毒理学biochemical toxicology

系毒理学的一个分科。研究毒物在生物体内的化学变化及其规律的科学。如毒物进入机体后的代谢转化；毒物对生物体物质代谢的影响与机制等。从中阐明毒物作用机理，并提出防治中毒的理论依据。生化毒理学需要以生物化学为基础，以毒理学等为主要内容，以动物实验及临床观察为主要手段。此学科对临床医学有重要意义。

生化毒理学biochemical toxicology

是研究毒物与生物体相互作用时发生的生理化学变化的一门学科。如毒物进入生物体后代谢转化，毒物对生物体内各种物质代谢的影响等。研究目的在于阐明毒物作用机理，为中毒的防治提供理论依据。

生化毒理学

生化毒理学是研究外源性化学物与生物体相互作用时发生的生物化学变化的一门学科。其目的在于阐明化学物作用机理，为全面作出安全评价、中毒的早期诊断及防治提供理论依据。化学物进入生物体后，经历代谢转化；与此同时，化学物对生物体内各种物质代谢也有影响。这两方面都涉及到许多复杂的生物化学反应。
化学物的代谢，广义地说，应包括化学物在体内的吸收、分布、转化和排出。

外源性化学物在体内代谢示意图

1. 吸收： 化学物经呼吸道、消化道、皮肤或粘膜吸收进入生物体。无论经哪条途径，都必须透过生物膜。一般多依靠化学物分子的单纯扩散或被动转运。所有的生物膜都是由双层类脂分子和嵌入其间的蛋白质所构成。决定化学物透过生物膜的因素主要是物质的脂溶性、离解程度、粒子大小和空间结构。亲脂性的、非极性的化学物比较容易透过。弱电解质通过各种体液隔室 (compart-ment)之间的膜时，透过程度取决于膜两侧的两种体液（如血浆与胃液）pH值之差。气体经呼吸道吸收须先溶解于呼吸道和肺泡壁表面的粘液层，吸收程度取决于血/气分配系数。气体在血液中及组织中的溶解度越大，经肺吸收越快。经皮肤吸收的化学物需要具有脂溶性，而进一步的扩散和吸收则尚需具有水溶性。一些大的有机离子和极性物质的消化道吸收则要靠主动转运，即依靠细胞膜上某种特殊蛋白质的参与，由细胞供给一定的能量而完成渗透，这种方式的渗透更具有选择性。毒物经此种方式而渗透的极少。
2. 分布： 化学物被吸收后，进入淋巴和血液系统，然后分布到体内各处。化学物通常是有选择性地分布于靶器官、组织中。这主要取决于化学物透过细胞膜的能力及其与各器官、组织的亲和力。在分布过程中，化学物可以在机体内引起多种生化反应。有些化学物在血流中直接与血细胞或血浆成分起反应而发挥毒作用，如砷化氢引起溶血，一氧化碳与血红蛋白结合成碳氧血红蛋白等。有些化学物则需经酶的催化作用而起生物转化。经生物转化后毒性减低或增加，最后在靶器官、组织中产生毒作用。有些化学物在分布过程的后一阶段以相对无活性的形式贮存于某些器官或组织中。例如，铅主要贮存于骨组织中，DDT贮存于脂肪组织中。贮存于器官、组织中的化学物与血液循环中的化学物保持着动态平衡。对于机体来说，通过贮存可以降低血液中化学物的浓度，这既具有保护作用，同时又具有潜在的危害性。
3. 排出： 化学物及其代谢产物主要经肾脏、呼吸道和肠道排出，少量可随汗液、乳汁和月经血排出。有些金属离子可进入毛发。具有高蒸气压的挥发性化学物主要经肺排出。化学物经肾排出与肾小球的滤过、肾小管的重吸收和分泌功能有关。极性的、非脂溶性的分子不易被肾小管上皮细胞重吸收，因而易被排出。弱酸、弱碱等的排出取决于肾小管中尿的pH。与蛋白质的结合是决定物质经肾排出速度的另一个因素。三氯乙烯的代谢产物三氯乙酸与血浆蛋白有高度亲和力，这可能就是它经肾排出速度缓慢的原因。某些化合物经肝脏代谢后排入胆汁，最后随粪排出；有的代谢产物还可经肠道重吸收再进入血流。高分子量 (≥300)的物质通常是经胆汁排出。许多化学物及其代谢产物与血浆蛋白结合后，比未经结合的更易经胆汁排出。
4. 生物转化： 化学物在体内组织中，在酶的催化作用下进行生物转化。有些化学物可不经酶催化而被排出。多数化学物经生物转化后，毒性降低，这从某种意义上说，是机体的一种防御机能。通常，生物转化过程是将亲脂性化合物转化成极性较强的亲水性物质，以降低其透过细胞膜的能力，降低化学物与血浆或组织蛋白及脂肪组织的亲和力，从而加速其排出。也有一些化学物经过生物转化而发挥毒作用，或起致癌、诱变、致畸作用。绝大部分化学致癌物是需经代谢活化的。
化学物易于进出的组织，往往就是进行生物转化的主要部位，如肝、肾、肺、消化道和胎盘。其他如肾上腺、心、脑、脾、胰、睾丸、甲状腺、肌肉、视网膜和一些组织中的网状内皮系统等，也可进行生物转化。肝脏是其中最主要的器官，根据细胞内进行生物转化的部位，可分为微粒体的和非微粒体的两种类型。前者在滑面内质网中进行，对于化学物的生物转化起着非常重要的作用。后者主要是在线粒体和胞浆中进行。
化学物代谢的生物化学反应有氧化、还原、水解和结合四种主要方式。有些化学物经氧化、还原或水解之后，其代谢产物即排出体外；多数则需再经结合才能排出；也有的化学物直接经结合而被排出。
(1)氧化： 肝细胞微粒体中的氧化酶系能使多种化学物氧化。这种酶系称为加单氧酶，又称混合功能氧化酶。加单氧酶主要包括细胞色素P450及NADPH-细胞色素P450还原酶等成分。加单氧酶所催化的反应类型可用下式表示：

加单氧酶所催化的氧化反应类型很多，主要有下列几种：
脂肪族和芳香族化合物的羟化

N-、O-及S-脱烷基

N-氧化及S-氧化

环氧化

化学物被氧化以后，一般毒性减弱。但有的化学物经氧化后可增毒，如硫代磷酸酯类化合物经肝微粒体酶系氧化为毒性更大的磷酸酯类。化学物的非微粒体氧化反应，是靠细胞及血浆中的非特异性酶所催化的，主要是脱氢反应。例如，醇类在醇脱氢酶催化下脱氢成为醛类，醛类在醛脱氢酶催化下进一步脱氢成酸。
(2) 还原： 主要也是在肝微粒体及胞浆中进行。例如，硝基苯在硝基还原酶催化下还原为氨基苯。
(3) 水解： 绝大多数化学物的水解也需要酶的参与，如酯类及酰胺类化合物的水解，分别需要酯酶及酰胺酶催化。前者如农药马拉硫磷的水解，后者如农药乐果的水解。
(4) 结合： 化学物的结合包括多种化学反应，如烷基化、酯化、酰化等。经过结合后的产物，脂溶性比原来的化学物或其代谢产物要低，而酸性增加，pKa值较低，容易排出体外。这一反应也需酶催化。以常见的葡糖醛酸结合来说，有下列三个步骤：

上列式中，UTP为尿苷三磷酸，UDPG为尿苷二磷酸葡糖，UDPGA为尿苷二磷酸葡糖醛酸，R为代谢物，RGA为代谢物葡糖醛酸结合物，NAD为二磷酸吡啶核苷酸，UDP为尿苷二磷酸。UDPG脱氢酶存在于胞浆中；UDPGA转葡糖醛酸酶存在于内质网膜上。这一反应主要在肝脏中进行，也可在肾脏、胃肠道粘膜和皮肤中进行。
化学物影响物质代谢。机体不断地进行新陈代谢，包括物质变化和能量变化。外源性化学物进入机体，必将干扰体内一系列的正常代谢反应，导致生理生化改变，甚至引起病理变化。其根本机理是亚细胞结构受到损害及多种酶活性受到影响。
(1) 糖代谢： 有些化学物干扰糖原的合成或分解。肝糖原在肝细胞中合成，因此当肝脏毒物黄磷、四氯化碳等造成肝细胞损害时，糖原合成障碍，导致糖原减少。氰化物、硫化氢、一氧化碳等引起组织缺氧，导致糖的无氧代谢。金属有机化合物阻碍脑中葡萄糖的氧化。四氯化碳损害肝细胞线粒体，使三羧酸循环发生障碍，从而影响糖的氧化生能。乙醇使糖原异生不能进行。无机氟化合物能够抑制烯醇化酶，影响糖酵解。甲醇对眼的损害是由于其代谢产物甲醛使视网膜组织呼吸及糖酵解发生障碍。
(2) 蛋白质及核酸代谢： 许多化学物可损害细胞器，从而干扰蛋白质及核酸的代谢。四氯化碳、黄曲霉毒素B₁等损害肝细胞亚细胞结构，可造成DNA、RNA、核蛋白、单核苷酸等水平的改变； 坏死性病变可导致核酸及单核苷酸明显丧失。这些变化是由于化学物干扰了这些物质的合成或分解所致。长期摄入乙醇可降低胰及脑的蛋白质合成能力。血液毒物对造血器官细胞的破坏，使其中核酸显著减少。铅、苯、汞等多种毒物往往引起血清中白蛋白含量降低，球蛋白含量增高，结果白蛋白与球蛋白比值降低。
(3) 脂类代谢： 临床、生化及组织学等方面的研究已经证实脂类代谢障碍与许多种疾病之间的相互关系，包括中毒在内。接触化学物引起的脂类代谢障碍分两种类型： 肝脏毒物引起的肝脏中脂肪堆积和长期接触一些化学物造成的血管粥样硬化。四氯化碳造成的肝脏脂肪堆积，主要是由于它损害内质网、线粒体等肝脏亚细胞结构，导致蛋白质合成障碍，脂蛋白减少，甘油三酯不能排出而堆积起来。长期接触二硫化碳，血管粥样硬化的发生与一系列的脂类变化有关，包括血胆固醇、血脂、血脂蛋白过多和脂蛋白脂酶活性抑制等。有碍组织呼吸的化学物一氧化碳 氰化物等也可引起肝脏及其他组织中的磷脂合成障碍。
(4) 能量代谢： 线粒体中有很多种与生物氧化供能有关的酶，如细胞色素类、单胺氧化酶、多种脱氢酶等。在生物氧化呼吸链中，抑制其中任何一个环节，都能造成细胞呼吸障碍。氰化物易与氧化型细胞色素氧化酶的三价铁结合，形成氰化高铁细胞色素氧化酶，从而失去传递电子的能力，导致生物氧化中断，细胞死亡。一氧化碳则是通过与细胞色素氧化酶的二价铁结合，阻碍细胞色素的再氧化和对氧的利用。有些化学物虽然并不象氰化物、一氧化碳那样抑制呼吸链中的电子传递，但却能使作用物氧化产生的能量不能用于二磷酸腺苷(ADP)的磷酸化，使氧化和磷酸化的偶联作用解除。这种化学物称为解偶联剂，典型的代表为二硝基酚类。
(5) 维生素代谢： 化学物对维生素代谢的影响可以是多方面的，从维生素的吸收、转运、代谢到利用。有些化学物起着维生素对抗剂的作用； 有的影响了维生素的代谢，从而阻碍组织呼吸中酶所催化的反应；在某些毒血症情况下，出现特异性的维生素缺乏。作为某些酶的辅酶组成部分的维生素B族，在许多物质代谢中起着重要作用。当化学物影响了维生素B族代谢时，必然影响某些物质代谢，从而影响正常的生理功能。反复吸入低浓度一氧化碳和亚急性六氯丁二烯中毒时都可引起肝、肾等组织中维生素B1缺乏。一氧化碳、氮氧化物、乙醇、四氯化碳等都可影响维生素B₂的代谢。铅可干扰由烟酸合成烟酰胺辅酶的过程。许多化学物如二硫化碳、铅、肼、乙二醇、丙烯胺等，可引起维生素B6的减少。溴苯、四氯化碳等能使肝脏中辅酶A含量降低。铅盐、无机氟化物、一氧化碳、苯等可以引起组织及体液中维生素C含量改变。在氧化还原过程中及机体的解毒方面，维生素C起着重要作用。有些化学物影响了肠道对维生素A的吸收，或是造成转运、贮存方面的紊乱，从而导致体内维生素A含量异常。例如，摄入小剂量的硒、钒、铜、钼等金属盐类影响肠道对维生素A原（胡萝卜素）的有效利用，从而影响体内维生素A的水平。三邻甲苯磷酸酯(TOCP)可引起血浆中维生素E水平降低。
(6) 电解质平衡和酸碱平衡： 体液电解质平衡紊乱是化学物作用反应的一个重要方面。化学物引起的电解质平衡紊乱主要涉及Na+、K+、Ca++、Mg++、Cl-、HCO3-等离子。由于化学物对细胞的损伤，常导致Ca++、Na+、K+等离子的平衡紊乱。四氯化碳对肝细胞线粒体的损伤带来K+的释放和Ca++在肝脏中的蓄积。化学物引起的消化道功能紊乱、肾功能障碍或肾上腺皮质功能减退都可引起电解质平衡紊乱。如钡化合物引起细胞膜损伤，使钾透入细胞，导致低血钾； 肾脏毒物可造成Na+和Cl-在肾小管的重吸收障碍和酸碱平衡紊乱； 肾上腺皮质功能减退可导致排Na⁺过多，组织及血浆中K⁺相对增多。铅盐引起兔血浆中Ca++和K+含量增高、Na+含量降低和红细胞中K+含量降低。微量金属变化是反映化学物作用的生化指标之一，而且常与临床症状有关。在接触大量二硫化碳的工人中，锌的排出增多，血清中锌的水平降低。在接触大量铅的工人中，红细胞中铜和血清中锌都有所增多。铁代谢障碍与化学物引起的造血功能障碍密切相关。在铅中毒贫血时，可见到由铁代谢紊乱产生的各种表现，在外周血中出现铁粒红细胞，骨髓中出现铁粒成红细胞，血浆中及尿中的含铁量都增高等。
化学物造成的肾功能障碍是引起酸碱平衡紊乱的主要原因。甲醇、甲酸酯类、三聚乙醛、铵盐等中毒都可引起代谢性酸中毒。有的化学物如除草剂百草枯，可引起肺部损害，使大量二氧化碳呼出，导致呼吸性碱中毒。
(7) 血液： 有些化学物可以引起血红蛋白、血细胞和血液凝固等方面的变化。许多具有氧化性质的化学物能够与血红蛋白结合形成高铁血红蛋白。其中直接起作用的化学物有亚硝酸盐、氯酸盐和醌类； 间接起作用的有芳香族硝基和氨基化合物。化学物对血细胞的作用，可以是直接地损害外周血中的红细胞，如砷化氢； 也可以通过对造血系统的损害，如苯。有些化学物可以影响凝血过程。对接触某些毒物的工人作定期健康检查时，可以测定血液凝固和纤维蛋白溶解等指标。铅能影响凝血过程中由凝血酶原转变为凝血酶的阶段。肝脏是大部分凝血因子合成的场所，对肝脏有损害的化学物可引起凝血障碍。重金属盐类影响纤维蛋白溶解，从而抑制抗凝作用。苯作用于血小板而引起凝血障碍。在长期接触芳香族硝基或氨基化合物的工人中，凝血酶原活性、纤维蛋白原和凝血因子Ⅶ都减少，而且有纤维蛋白溶解过度现象。
(8) 激素： 和一切应激现象一样，很多化学物的急性刺激通过下丘脑-脑垂体-肾上腺轴，首先是化学物引起下丘脑分泌促肾上腺皮质激素释放素(CRF)，促进促肾上腺皮质激素(ACTH)的分泌，结果肾上腺皮质类固醇分泌增多。例如，人及实验动物接受大量乙醇后，血清皮质类固醇的水平明显升高； 接触大量氧化锌烟雾的工人尿糖水平增高。长期接触某些化学物可以引起肾上腺皮质功能失调。例如，长期接触锰的工人和长期接触二硫化碳的工人尿中17-羟类固醇(17-OHCS)和17-酮类固醇(17-KS)的水平都比正常人低。有些化学物由于干扰了甲状腺素的合成，可以使甲状腺功能发生变化。杀菌剂代森锌、代森锰等可以引起甲状腺功能亢进和组织增生。钼中毒可导致甲状腺功能减退，出现形态方面改变和血浆甲状腺素水平降低。在氨基甲酸酯杀虫剂西维因长期小剂量作用下，甲状腺代谢受到干扰，放射性碘的摄入率和排出率都有所降低。
化学物对酶也有影响。化学物进入人体，一方面在酶的催化下进行代谢； 另一方面也导致体内许多种酶活性的变化。血清中酶活性增高，是由于化学物引起细胞膜通透性增高、细胞坏死或酶合成增多。酶活性降低是由于化学物对酶的特异性抑制、酶分泌减少或酶蛋白合成受到干扰。
(1) 酶活性增高： 主要是由于化学物对器官或组织细胞的损害。体内的各种酶是在细胞内合成的；血清中的酶都来自各种器官和组织，其正常含量或活性较恒定。当某个器官或组织受到化学物损害时，细胞膜通透性增高或破坏，细胞中的酶进入血清中。因此，测定血清中某些器官或组织的特异性酶的活性，常可反映该器官或组织是否正常。根据酶活性的变化情况，可判断组织细胞受化学物损害的程度。如四氯化碳、三氯乙烯、六氟丙烯、三硝基甲苯、黄磷等，都可以损害肝实质细胞。在损害早期，细胞膜通透性增高，胞浆中的一些酶释放到血浆中去。在严重损害情况下，细胞坏死或溶解，线粒体、内质网和溶酶体等细胞器受到破坏，其内部所含的各种酶也被释放出来，进入血清中。四氯化碳或其他有机溶剂可导致血清中转氨酶及乳酸脱氢酶的水平比正常的高几百倍。因此，根据血清中这些酶活性的水平，可以推测肝细胞受到化学物损害的程度。肝细胞线粒体中谷-草转氨酶(GOT)较多，胞浆中谷-丙转氨酶(GPT)较多。有的学者认为当血清中GOT/GPT<1时，表明只有细胞膜受损伤； >1时，表明肝细胞存在严重损害，大量的GOT来自受损伤的线粒体。
根据酶活性的检测，还可以判断化学物对某些器官特异部位的损害。当砷、镉、铋、升汞等损害肾脏时，细胞中的酶释放到肾小管腔中。检测尿中一些酶的活性，可以作为判断肾脏损害部位的参考指标。由于肾脏功能储备潜力很大，尿中酶活性的变化比任何生理功能改变出现早。因此，测定尿中某些酶的活性，比一般临床上常用的肾功能检测更为灵敏，也是检测早期肾脏损害的最好方法。通过比较各种酶在尿中出现的相对比例，可以判断肾脏病变的原发部位。测定尿中由肾脏来的和由血清来的碱性磷酸酶，比较哪一种活性增高，如前者高则病变在肾小管，反之则在肾小球。肾小球部位含有很多酸性磷酸酶，因此尿中这种酶活性的增高表明肾小球受损害。肾小管近端含有很多氨基肽酶，当汞盐损害了这个部位时，可以见到尿中氨基肽酶活性增高。尿中溶菌酶及核糖核酸酶活性增高，也表明肾小管受到损害。检测接触镉的工人尿中这两种酶的活性，有助于早期诊断镉中毒。在正常情况下，血清中没有β-N-乙酰氨基葡糖苷酶、甘氨酸脒基移换酶、α-葡糖苷酶等； 在中毒性肾脏损害时，它们在尿中的活性都会有所增高。
检测同功酶，可以作为判断化学物对某些器官损害的参考。乳酸脱氢酶(LDH)有五种同功酶。已知肝脏毒物可使血清中的LDH5活性增高，增高程度与肝脏损害程度成正比。肾脏受到损害时，LDH2,3,4的活性增高。在二硫化碳引起的多神经炎病人中，LDH1,2,3比例增高，而LDH4,5比例相对地降低。目前认为从判断化学物对机体的早期影响来说，检测血清中同功酶可能比检测总的酶活性有更高的敏感性和特异性。
(2) 酶活性降低： 很多化学物可以抑制多种酶的活性，使机体的正常生理生化功能受到干扰，出现各种症状和体征。例如，有机磷农药抑制胆碱酯酶，铅抑制δ-氨基-γ酮戊酸脱水酶(ALAD)和亚铁络合酶，锰抑制多巴胺β-羟化酶等。化学物抑制酶的活性可以有多种方式：
❶与酶蛋白部分活性中心的功能基团如巯基、氨基、羟基、羧基等结合，如铅、汞等与巯基结合。
❷与酶蛋白中的金属离子结合，如一氧化碳和氰化物可以分别与细胞色素氧化酶中的Fe⁺⁺及Fe⁺⁺⁺结合。
❸与辅酶作用，如铅中毒时，体内烟酸消耗增加，严重中毒者烟酸耗竭殆尽，使辅酶Ⅰ和Ⅱ都减少，导致对脱氢酶的抑制。
❹与酶的激活剂结合，如氟化物与磷酸葡糖变位酶的激活剂Mg⁺⁺结合。
❺与作用物竞争同一种酶，如琥珀酸脱氢酶被丙二酸抑制，就是由于后者与琥珀酸在化学结构上相似。
❻与作用物直接作用，如氟乙酸与草酰乙酸缩合成氟柠檬酸，使三羧酸循环阻断。
生化毒理学的研究方法，除应用一般的生化功能检测方法外，目前常用的方法主要有动物整体实验、体外实验、同位素技术、光学分析、色谱分析和电化学分析等。
现有的一些生物化学检测方法，灵敏度可能很高，但特异性往往不高。这是因为一种化学物可以引起多种生化反应，而多种化学物也可以引起同样性质的生化反应。就化学物对机体的影响来说，将各种可能检出的生化变化进行综合评价，具有更大的参考价值。当然，也有些生化检测具有较高的特异性，现已应用于诊断某些中毒的实际工作中，如有机磷化合物中毒时测定胆碱酯酶。有些生化检测不仅能较好地反映化学物长期进入生物体内的情况，而且也与化学物在空气中的浓度密切相关。例如红细胞原卟啉就能够较好地反映环境中铅长期进入人体的情况。在环境医学的发展中，生物材料的生化检测就显得越加重要了。
生化毒理学的发展，揭示了一些毒物与生物体相互作用的复杂过程，为中毒的防治提供了理论依据。近年来这方面的研究已经进入了亚细胞结构和分子生物学水平的新领域。因此，今后必将能运用生化毒理学成就进一步阐明化学物的作用机理。