生物化學與分子生物學/肝的生物轉化作用

肝的生物化學 - 肝在物質代謝中的作用 - 肝的生物轉化作用 - 膽汁與膽汁酸的代謝 - 膽色素的代謝與黃疸

肝的生物轉化作用是機體重要的保護機制

生物轉化的概念

人體內有些物質的存在不可避免，這些物質既不能作為構建組織細胞的成分，又不能作為能源物質，其中一些還對人體有一定的生物學效應或潛在的毒性作用，長期蓄積則對人體有害。機體在排出這些物質之前，需對它們進行代謝轉變，使其水溶性提高，極性增強，易於通過膽汁或尿排出，這一過程稱為生物轉化(biotransformation)。肝是機體內生物轉化最重要的器官。皮膚、肺及腎等亦有一定的生物轉化作用。需進行生物轉化的物質按其來源有內源性和外源性之分。內源性物質包括體內物質代謝的產物或代謝中間物（如胺類、膽紅素等）以及發揮生理作用後有待滅活的各種生物活性物質（如激素、神經遞質等）。外源性物質系人體在日常生活和（或）生產過程中不可避免接觸的異源物 (xenobiotics), 如藥物、毒物、食品添加劑、環境化學污染物等和從腸道吸收的腐敗產物。大約超過20萬種環境化學物存在，除個別因系水溶性可直接由膽汁或尿排出外，絕大部分因系脂溶性需經生物轉化作用才能排出體外。

生物轉化的生理意義

生物轉化的生理意義在於：一則通過生物轉化可對體內的大部分待轉化物質進行代謝處理，使其生物學活性降低或喪失（滅活），或使有毒物質的毒性減低或消除（解毒）；另則通過生物轉化作用可增加這些物質的水溶性和極性，從而易於從膽汁或尿排出體外。應該指出的是，有些物質經過肝的生物轉化作用後，雖然溶解性增加，但其毒性反而增強；有的還可能溶解性下降，不易排出體外。如菸草中含有一種多環芳經類化合物——苯並(a)芘[benzo (a) pyrene, BaP], 其本身沒有直接致癌作用，但經過生物轉化後反而成為直接致癌物。有的藥物如環磷醯胺、百浪多息、水合氯酸和中藥大黃等需經生物轉化後才能成為有活性的藥物。基此，不能將肝的生物轉化作用簡單地稱為「解毒作用（detoxification）」，這顯示了肝生物轉化作用的解毒與致毒雙重性的特點。

肝的生物轉化作用包括兩相反應

肝的生物轉化涉及多種酶促反應，但總體上可分為兩相反應。第一相反應包括氧化(oxidation ）、還原(reduction)和水解(hydrolysis)。許多物質通過第一相反應，其分子中的某些非極性基團轉變為極性基團，水溶性增加，即可排出體外。但有些物質經過第一相反應後水溶性和極性改變不明顯，還需要結合極性更強的物質或基團，以進一步增加其水溶性而促進排泄，這些結合反應(conjugation)屬於第二相反應。實際上，許多物質的生物轉化過程非常複雜。一種物質有時需要連續進行幾種反應類型才能實現生物轉化目的，這反映了肝生物轉化作用的連續性特點。如阿司匹林常先水解成水楊酸後再經與葡糖醛酸的結合反應才能排出體外。此外同一種物質可以進行不同類型的生物轉化反應，產生不同的轉化產物，這體現了肝生物轉化反應類型的多樣性特點。例如，阿司匹林先水解生成水楊酸，後者既可與葡糖醛酸結合轉化成β-葡糖醛酸苷，又可與甘氨酸結合成水楊醯甘氨酸，還可水解後先氧化成經基水楊酸，再進行多種結合反應。

氧化反應是最多見的生物轉化第一相反應

1、單加氧酶系是氧化異源物最重要的酶 肝細胞中存在多種氧化酶系，最重要的是定位於肝細胞微粒體的細胞色素P450單加氧酶 (cytochrome P450 monooxygenase, CYP)系。單加氧酶系是一個複合物，至少包括兩種組分：一種是細胞色素P450(血紅素蛋白）；另一種是NADPH-細胞色素P450還原酶（以FAD為輔基的黃酶。該酶催化氧分子中的一個氧原子加到許多脂溶性底物中形成羥化物或環氧化物，另一個氧原子則被NADPH還原成水，故該酶又稱輕化酶或稱混合功能氧化酶。該酶是目前已知底物最廣泛的生物轉化酶類。迄今已鑑定出57種人類編碼CYP的基因。對異源物進行生物轉化的CYP主要是CYPl、 CYP2和CYP3家族。其中又以CYP3A4、CYP2C9、CYP1A2和CYP2El的含量最多。單加氧酶系催化的基本反應如下：
$\mathrm {RH} +\mathrm {O_{2}} +\mathrm {NADPH} +\mathrm {H^{+}} {\overset {\text{单 加 氧 酶 系}}{\longrightarrow }}\;\mathrm {ROH} +\mathrm {NADP^{+}} +\mathrm {H_{2}O}$
單加氧酶系的羥化作用不僅增加藥物或毒物的水溶性而利於排出，而且還參與體內許多重要物質的羥化過程，如維生素D₃的羥化、膽汁酸和類固醇激素合成過程中的羥化等。然而應該指出的是，有些致癌物質經氧化後喪失其活性，而有些本來無活性的物質經氧化後卻生成有毒或致癌物質。例如，發霉的穀物、花生等常含有黃麴黴素B₁，經單加氧酶系作用生成的黃麴黴素2,3環氧化物，可與 DNA 分子中的鳥嘌呤結合引起DNA突變，成為導致原發性肝癌的重要危險因素。
2、單胺氧化酶類氧化脂肪族和芳香族胺類 存在於肝細胞線粒體內的單胺氧化酶(monoamine oxidase, MAO)是另一類參與生物轉化的氧化酶類。屬於黃素酶類，可催化蛋白質腐敗作用等產生的脂肪族和芳香族胺類物質（如組胺、酪胺、色胺、屍胺、腐胺等）以及一些腎上腺素能藥物如5-羥色胺、兒茶酚胺類等的氧化脫氨基作用生成相應的醛類，後者進一步在胞質中醛脫氫酶催化下進一步氧化成酸，使之喪失生物活性。
$\mathrm {RCH_{2}NH_{2}} +\mathrm {O_{2}} +\mathrm {H_{2}O} \longrightarrow \mathrm {RCHO} +\mathrm {NH_{3}} +\mathrm {H_{2}O_{2}}$
$\mathrm {RCHO} +\mathrm {NAD^{+}} +\mathrm {H_{2}O} \longrightarrow \mathrm {RCOOH} +\mathrm {NADH} +\mathrm {H^{+}}$
3、醇脫氫酶與醛脫氫酶將乙醇最終氧化成乙酸 肝細胞的細胞質存在非常活躍的以NAD⁺為輔酶的醇脫氫酶(alcohol dehydrogenase, ADH) , 可催化醇類氧化成醛，後者再由線粒體或細胞質中醛脫氫酶(aldehyde dehydrogenase, ALDH)催化生成相應的酸類。
乙醇(ethanol)作為飲料和調味劑被廣為利用。進入體內的乙醇主要在肝進行生物轉化。70kg 體重的成年入每小時可代謝7～14g乙醇。由ADH與ALDH將乙醇最終氧化成乙酸。長期飲酒或慢性乙醇中毒除經ADH與ALDH氧化外，還可使肝內質網增殖，穩定內質網內CYP2El的活性並誘導其合成，即啟動肝微粒體乙醇氧化系統(microsomal ethanol oxidizing system, MEOS)。MEOS是乙醇-P450單加氧酶，產物是乙酸，僅在血中乙醇濃度很高時起作用。值得注意的是，乙醇誘導MEOS可增加肝對氧和NADPH的消耗，且還可催化脂質過氧化產生羥乙基自由基，後者可進一步促進脂質過氧化，產生大量脂質過氧化物，引發肝細胞氧化損傷。
乙醇經上述兩種代謝途徑氧化均生成乙醛，後者在ALDH的催化下氧化成乙酸。人體肝內ALDH活性最高。ALDH的基因型有正常純合子、無活性型純合子和兩者的雜合子三型。東方人這三種基因型的分布比例是45:10:45。無活性型純合子完全缺乏ALDH活性，雜合子型部分缺乏ALDH活性。東方人群大約有30%～40%的人ALDH基因有變異，部分ALDH活性低下，此乃該人群飲酒後乙睦在體內堆積，引起血管擴張、面部潮紅、心動過速、脈搏加快等反應的重要原因。此外，乙醇的氧化使肝細胞內細胞質NADH/NAD⁺比值升高，過多的NADH可將細胞質中丙酮酸還原成乳酸。嚴重酒精中毒導致乳酸和乙酸堆積可引起酸中毒和電解質平衡紊亂，還可使糖異生受阻引起低血糖。

硝基還原酶和偶氮還原酶是第一相反應的主要還原酶

硝基化合物多見於食品防腐劑、工業試劑等。偶氮化合物常見於食品色素、化妝品、紡織與印刷 工業等，有些可能是前致癌物。這些化合物可分別在肝微粒體硝基還原酶(nitroreductase) 和偶氮還原酶(azoreductase) 的催化下，以NADH或NADPH為供氫載體，還原生成相應的胺類，從而失去其致癌作用。例如，硝基苯和偶氮苯經還原反應均可生成苯胺，後者再在單胺氧化酶的作用下，生成相應的酸。
又如，百浪多息是無活性的藥物前體，經還原生成具有抗菌活性的氨苯磺胺。

酯酶、醯胺酶和糖苷酶是生物轉化的主要水解酶

肝細胞微粒體和細胞質中含有多種水解酶類，主要有酯酶(esterases)、醯胺酶(amidase) 和糖苷酶(glucosidase), 可分別催化脂質、醯胺類及糖苷類化合物中酯鍵、醯胺鍵和糖苷鍵的水解反應，以減低或消除其生物活性。應該指出的是，這些水解產物通常還需進一步轉化反應才能排出體外。例如，阿司匹林（乙醯水楊酸）的生物轉化過程中，首先是水解反應生成水楊酸或水解後先氧化成輕羥水楊酸，然後是與葡糖醛酸的結合轉化反應。

結合反應是生物轉化的第二相反應

第一相反應生成的產物可直接排出體外。如果其水溶性仍不夠大，則需再進行第二相反應，生成極性更強的化合物。有些被轉化的物質也可不經過第一相反應而直接進入第二相反應。肝細胞微粒體、細胞質或線粒體含有許多催化結合反應的酶類。凡含有羥基、羧基或氨基的化合物，或在體內被氧化成含有羥基、羧基等功能基團的物質均可與某些極性物質結合，掩蓋其功能基團，增加水溶性，使其失去生物學活性（或毒性），並促進其排出。常見的結合物或基團有葡糖醛酸、硫酸、乙醯基、甲基、穀胱甘肽及胺基酸等，尤以與葡糖醋酸的結合最為普遍。
1、葡糖醛酸結合是最重要和最普遍的結合反應 糖醛酸循環代謝途徑產生的尿苷二磷酸葡糖(UDPG)可由UDPG脫氫酶催化生成尿苷二磷酸葡糖醛酸(UDPGA)。
UDPGA作為葡糖醋酸的活性供體，在肝微粒體的UDP-葡糖醛酸基轉移酶(UDP-glucuronosyl transferase, UGT)催化下，可將具有多個羥基和可解離羧基的葡糖醛酸基轉移到醇、酚、胺、羧酸類化合物的羥基、氨基及羧基上形成相應的β-D-葡糖醛酸苷，使其極性增加易排出體外。據研究，有數千種親脂的內源物和異源物可與葡糖醛酸結合，如膽紅素、類固醇激素、嗎啡和苯巴比妥類藥物等均可在肝與葡糖醋酸結合而進行生物轉化，進而排出體外。臨床上採用葡醛內酯（肝泰樂）治療肝病，就是基於其作為葡糖醋酸類製劑以增加肝對被轉化物質的生物轉化作用。
2、硫酸結合也是常見的結合 反應肝細胞胞質存在硫酸基轉移酶(sulfotransferase, SULT), 以3'-磷酸腺苷5'-磷醯硫酸(PAPS)為活性硫酸供體，可催化硫酸基轉移到類固醇、酚或芳香胺類等內、外源待轉化物質的羥基上生成硫酸酯，既可增加其水溶性易於排出，又可促進其失活。如雌酮即由此形成硫酸酷而滅活。
3、乙醯化是某些含胺類異源物的重要轉化反應 肝細胞細胞質富含乙醯基轉移酶(acetyltransferase), 以乙醯CoA為乙醯基的直接供體，催化乙醯基轉移到含氨基或肼的內、外源待轉化物質（如異煙阱、磺胺、苯胺等），形成相應的乙醯化衍生物。例如，抗結核病藥物異煙肼在肝內乙醯基轉移酶催化下經乙醯化而失去活性。該酶表達呈多態性，使得個體有快速或遲緩乙醯化之分，影響諸如異煙肼等藥物在血液中的清除速率，遲緩乙醯化個體對異煙肼的某些毒性反應較之快速乙醯化個體敏感。
此外，大部分磺胺類藥物在肝內也通過這種形式滅活。但應指出，磺胺類藥物經乙醯化後，其溶解度反而降低，在酸性尿中易於析出，故在服用磺胺類藥物時應服用適量的碳酸氫鈉，以提高其溶解度，利千隨尿排出。
4、穀胱甘肽結合是細胞應對親電子性異源物的重要防禦反應 肝細胞的細胞質富含穀胱甘肽S-轉移酶(glutathione S-transferase, GST) , 可催化穀胱甘肽(GSH)與含有親電子中心的環氧化物和鹵代化合物等異源物結合，生成GSH結合產物。主要參與對致癌物、環境污染物、抗腫瘤藥物以及內源性活性物質的生物轉化。親電子性異源物若不與GSH結合，則可自由地共價結合DNA、RNA或蛋白質導致細胞嚴重損傷。此外，穀胱甘肽結合反應也是細胞自我保護的重要反應。很多內源性底物受活性氧(ROS)修飾後形成具有細胞毒作用的氧化修飾產物。所以，GSH不僅具有抗氧化作用，還可結合氧化修飾產物，減低其細胞毒性，增加其水溶性易於排出體外。
5、甲基化反應是代謝內源化合物的重要反應 肝細胞中含有多種甲基轉移酶，以S-腺苷甲硫氨 酸(SAM)為活性甲基供體，催化含有氧、氮、硫等親核基團化合物的甲基化反應。其中，細胞質中可溶性兒茶酚-O-甲基轉移酶(catechol-O-methyltransferase, COMT)具有重要的生理意義。COMT催化兒荼酚和兒茶酚胺的羥基甲基化，生成有活性的兒茶酚化合物。同時，COMT也參與生物活性胺如多巴胺類的滅活等。
6、甘氨酸主要參與含羧基異源物的生物轉化 含羧基的藥物、毒物等異源物首先在醯基CoA連接酶催化下生成活潑的醯基CoA, 再在肝線粒體基質醯基CoA: 胺基酸N-醯基轉移酶(acyl -CoA: aminoacid N-acyltransferase)的催化下與甘氨酸、牛磺酸結合生成相應的結合產物。如馬尿酸的生成等。
膽酸和脫氧膽酸可與甘氨酸結合生成結合膽汁酸的反應步驟與上述相同。

生物轉化作用受許多因素的調節和影響

肝的生物轉化作用受年齡、性別、營養、疾病、遺傳和誘導物等體內、外諸多因素的影響。

年齡、性別、營養、疾病及遺傳等因素對生物轉化產生明顯影響

1. 年齡對生物轉化作用的影響很明顯 人肝的生物轉化酶有一個發育的過程。新生兒肝生物轉化酶系發育尚不完善，對內、外源性待轉化物質的轉化能力較弱，容易發生藥物及毒素中毒。新生兒的高膽紅素血症與缺乏葡糖醛酸基轉移酶有關，此酶活性在出生5～6天後才開始升高，1～3個月後接近成人水平。老年人肝的生物轉化能力仍屬正常，尚未發現老年人肝 P450 的羥化作用、葡糖醛酸化作用等有所下降。且老年人肝生物轉化酶的誘導作用仍屬正常。但老年人肝血流量及腎的廓清速率下降，導致老年人血漿藥物的清除率降低，藥物在體內的半衰期延長。例如，安替匹林和消炎鎮痛藥保泰松的半衰期在青年人分別為 12 小時和 81 小時，老年入則分別為 17 小時和 105 小時。常規劑量用藥後可發生藥物蓄積，藥效強且副作用較大。因此，臨床上對新生兒及老年人的藥物用量應較成人為低，許多藥物使用時都要求兒童和老人慎用或禁用。但老年人肝的非微粒體酶活性不降低，如氧化乙醇的醇脫氫酶、結合肼苯噠嗪和普魯卡因的乙醯化酶等在體內的代謝並不減慢。
2. 某些生物轉化反應存在明顯的性別差異 例如女性體內醇脫氫酶活性高於男性，女性對乙醇的代謝處理能力比男性強。氨基比林在男性體內的半衰期約13.4小時，而女性則為 10.3小時，說明女性對氨基比林的轉化能力比男性強。妊娠期婦女肝清除抗癲病藥的能力升高，但晚期妊娠婦女的生物轉化能力普遍降低。
3. 營養狀況對生物轉化作用亦產生影響 蛋白質的攝入可以增加肝細胞整體生物轉化酶的活性，提高生物轉化的效率。飢餓數天(7天），肝穀胱甘肽S轉移酶(GST)作用受到明顯影響，其參加的生物轉化反應水平降低。大量飲酒，因乙醇氧化為乙醛及乙酸，再進一步氧化成乙醯CoA, 產生 NADH, 可使細胞內 NAD/NADH 比值降低，從而減少 UDP-葡糖轉變成 UDP-葡糖醛酸，影響了肝內葡糖醛酸結合轉化反應。
4. 疾病尤其嚴重肝病可明顯影響生物轉化作用 肝實質損傷直接影響肝生物轉化酶類的合成。例如嚴重肝病時微粒體單加氧酶系活性可降低 50% 。肝細胞損害導致 NADPH 合成減少也影響肝對血漿藥物的清除率。肝功能低下對包括藥物或毒物在內的許多異源物的攝取及滅活速度下降，藥物的治療劑量與毒性劑量之間的差距減小，容易造成肝損害，故對肝病病人用藥應特別慎重。
5. 遺傳因素亦可顯著影響生物轉化酶的活性 遺傳變異可引起個體之間生物轉化酶類分子結構的差異或酶合成量的差異。變異產生的低活性酶可因影響藥物代謝而造成藥物在體內的蓄積。相反，變異導致的高活性酶則可縮短藥物的作用時間或造成藥物代謝毒性產物的增多。目前已知，許多肝生物轉化的酶類存在酶活性異常的多態性，如醛脫氫酶、葡糖醛酸基轉移酶、穀胱甘肽S-轉移酶等。

許多異源物可誘導生物轉化作用的酶類

許多異源物可以誘導合成一些生物轉化酶類，在加速其自身代謝轉化的同時，亦可影響對其他異源物的生物轉化。例如長期服用苯巴比妥可誘導肝微粒體單加氧酶系的合成，使機體對苯巴比妥類 催眠藥的轉化能力增強，是耐藥性產生的重要因素之一。臨床上可利用其誘導作用增強對其他某些 藥物的代謝以達到解毒的效果，如用苯巴比妥減低地高辛中毒。苯巴比妥還可誘導肝微粒體 UDP-葡糖醛酸基轉移酶的合成，臨床上用其增加機體對游離膽紅素的結合轉化反應，治療新生兒黃疽。有些毒物，如菸草中的苯並芘可誘導肺泡吞噬細胞中隸屬於單加氧酶系的芳香經羥化酶的合成，故吸菸者羥化酶的活性明顯高於非吸菸者。
由於多種物質在體內轉化常由同一酶系的催化，因此同時服用多種藥物時可出現藥物之間對同 一轉化酶系的競爭性抑制作用，使多種藥物的生物轉化作用相互抑制，可導致某些藥物藥理作用強度的改變。例如保泰松可抑制雙香豆素類藥物的代謝，兩者同時服用時保泰松可增強雙香豆素的抗凝作用易發生出血現象，因此同時服用多種藥物時應予注意。
此外，食物中亦常含有誘導或抑制生物轉化酶的物質。例如燒烤食物、甘藍、蘿蔔等含有肝微粒體單加氧酶系的誘導物，而水田齊則含有該酶的抑制劑。食物中的黃酮類可抑制單加氧酶系的活性。