水生毒理学视角/第二章：异生物质的生物转化
鱼类和其他水生生物终生暴露于人类来源、侵蚀径流和动植物自然排泄物的混合物中。水生生物对化学混合物的暴露与陆地物种如人类的暴露有很大不同。例如，人类和水生生物都可能接触到水溶性除草剂莠去津，但在人类中，接触最有可能通过摄入受污染的食物或饮用水。鱼类则通过皮肤和鳃接触。摄入的莠去津首先进入肝脏，而通过鳃吸收的莠去津则直接进入血液。因此，陆地和水生生物的环境在暴露于各种环境化学物质方面发挥着重要作用。
所有生物都具有防御机制，帮助它们处理和生存来自体外被称为异生物质的潜在有害化学物质。这些防御机制中的一大类以酶的形式存在，这些酶将异生物质转化为不同的分子，理想情况下是不会对宿主生物构成威胁的分子。这一过程被称为生物转化（图 1）。生物转化是异生物质代谢解毒的方法。水生生物进化出一系列方法，在它们遇到溶解在其水生环境中的强效化学物质混合物时，进行生物转化。
吸收、分布、代谢和排泄（ADME）是描述毒物与生物体相互作用的四个步骤，以允许或阻止它诱发毒性结果。ADME 描述了潜在毒物存在的位置、时间和数量（毒物动力学），但它不描述毒物如何造成伤害（毒物动力学）。ADME 的许多原理在相关的陆地和水生生物之间非常相似；然而，由于毒物穿过水性介质时的潜在暴露不同，吸收可能会有很大差异。这种基于异生物质化合物物理性质的差异吸收决定了哪些化学物质将参与首字母缩略词的第三部分：代谢。
一个在很大程度上影响潜在毒物与身体相互作用方式的物理性质是它与水或脂质结合的倾向。描述这种物理性质的一个量度是分配系数 (P)，它通常以 log P 的形式报告。log P 有时写成 log Kow，其中 P = Kow = 辛醇/水分配系数，因为测量是在用辛醇和水进行液/液分离时进行的。log P 的值越高，表示给定分子在非极性条件下（如辛醇）花费的时间比在高度极性的水性环境中花费的时间更多。这对鱼类和其他水生生物具有重要意义，因为它们的富含脂肪的组织与基于水的环境隔开，隔开它们的复杂膜具有非极性和极性特征。
鳃的物理特性：鱼类的鳃是高度特化的氧气和离子交换组织，包括高表面积的鳃丝和广泛的血管。即使有这些特殊功能，鱼鳃的一些特性（例如薄膜尺寸和对水、气体和溶质的部分渗透性）可以与其他分类群（例如没有肺血管的昆虫鳃）的膜进行一般比较。直接接触环境的鳃细胞是各种类型的上皮细胞，包括促进氧气交换的鳃丝细胞和对离子平衡至关重要的氯化物细胞（Evans，1987）。固体表面附近的流体形成一个缓慢移动的层，称为边界层。当异生物质与鳃周围的水的边界层相互作用时，它被称为水性扩散层。异生物质必须通过扩散穿过此层，而不是由流动湍流携带，因为该边界层相对静止（图 2）。Erickson 等人（1990 年）探索了潜在的异生物质如何穿过虹鳟鱼的鳃的水性扩散层和细胞膜。他们发现，高亲脂性（log KOW > 3）的化学物质由于不能轻易穿过水性扩散层而具有低吸收率。特别低亲脂性（log KOW 小于 1）的化学物质也具有较低的吸收率，因为更难穿过含有脂质的细胞膜。化学物质的吸收在中等亲脂性（log KOW 在 1 到 3 之间）的“金发姑娘”区域达到峰值，因为它们可以更快地穿过这两个障碍。其他具有鳃或可渗透皮肤的分类群的生物可能在与化合物的 log KOW 相关的化学物质吸收方面具有类似的曲线。
水生生物和陆地生物中异生物质的排泄有很大不同。陆地动物通常具有一些机制可以从粪便中提取多余的水分，以减少排便时损失的水分。尿液中的氮废物取决于物种对水的普遍可用性。Bursell（1967）描述了昆虫中几种不同的氮废物去除策略。在干旱气候中生活的陆地昆虫，如蝗虫（Locusta migratoria），将它们的氮废物打包成不溶性的尿酸晶体，并排泄出大部分是干的废物。在生命周期中部分时间生活在水中的昆虫，如Aeshna cyanea 幼虫，一种猎龙蜻蜓，更类似于鱼，因为它们会产生潜在有毒的氮产物氨，但允许它在达到有害水平之前扩散到周围的水中。人类采用中间路线。我们没有可以使氨简单地扩散出去的排泄系统，而且我们需要相对高的水摄入量才能部分消除将氮打包成尿酸所需的能量。相反，人类和许多其他物种会制造尿素：一种毒性较低且溶解度介于氨和尿酸之间的化合物（OpenStax，2013）。水生生物普遍使用的排泄策略是利用周围环境，制造一个足够水溶性的分子，使其从体内扩散出去。
负责异生物质生物转化的主要代谢途径称为第一阶段和第二阶段，但它们并不一定按此顺序发生，或者根本不按顺序发生。第一阶段生物转化通常利用水或氧气作为酶促因素，参与氧化、水解和还原等反应。第二阶段生物转化通常形成与体内现有生物分子共价键。生物转化通常导致异生物质解毒，最常见的是使它更容易排泄。一旦化学物质从体内排泄出来，它就极不可能造成伤害。化学结构的改变也可以使异生物质毒性降低，即使它保留在体内。
氧化：许多 I 期生物转化是由混合功能氧化酶（MFOs）完成的，这些酶在肝脏和其他组织中很常见。一个主要的 MFO 家族被称为细胞色素 P450（Klaassen，2013）。细胞色素 P450 酶执行氧化（名称中的数字指的是酶吸收的光的波长，有助于其表征）。许多不同的细胞色素 P450 已被发现，具有广泛的专一性和底物相容性（图 3）。Stegeman 等人。（1991）探讨了多种致癌毒物如何在鱼类中被不同的细胞色素 P-450 代谢。这些酶的分布在蓝点鲹鱼的肝脏、肾脏和鳃中分布。尽管使用的特定酶存在细微差异，但细胞色素 P-450 具有高度保守性。Moktali 等人。（2012）追踪了这些解毒酶的进化，并表明它比任何陆地谱系都古老。
还原：氧化态升高的异生素（某些金属和官能团，如羰基、二硫化物、醌、偶氮和硝基）可以直接或酶促地使用还原剂进行还原，还原剂在消费食品中通常被称为“抗氧化剂”。这些还原剂或辅因子包括谷胱甘肽、FAD（图 4）、FMN 和 NAD(P)（Klaassen，2013）。许多这些辅因子是基本必需分子的修饰：谷胱甘肽是修饰的多肽，NAD(P) 是修饰的二核苷酸。一些被认为是氧化酶的酶可以执行还原：细胞色素 P450 有时可以使用异生素作为氧化辅因子，这将有效地对异生素执行还原以氧化其他物质。还原酶的专一性可能有所不同。硝酸盐还原酶对氮循环很重要，并允许植物利用硝酸盐肥料。Timmermans 等人。（1994）研究了可获得的铁对浮游植物硝酸盐还原酶的影响，发现产生功能性酶的能力需要环境中存在溶解的铁。
水解：水解是在化学键上添加水的过程。最通用的例子是断裂 C-O 键，并形成新的 C-O 键和 O-H 键（图 5）。其他键也可以水解。决定性特征是消耗水以断裂键，如 D 图中蓝色所示。该过程导致氧化态净变化为零：既不是氧化反应也不是还原反应。一些化合物在水中或血浆中自发地发生水解，速率相当快，但生物体已经进化出可以加速这种反应的酶。这些酶中有一些包括酯酶，它们水解酯；肽酶，它们水解蛋白质肽键；和磷酸酶，它们水解磷酸酯键。
氯代烃代谢：虽然人类是陆地环境中有机氯的主要来源，生产化学品和多氯联苯（PCB）和杀虫剂等遗留污染物（图 6），但一些生物体也会产生氯代有机化合物，特别是那些水生环境中的生物体。Gribble（1996）讨论了“生物体中天然有机氯的多样性”，并提供了一些例子，包括由淡水真菌 Kitschsteiniothelia sp. 生产的一种化学物质，3,3'-氧代双（2,4-二氯-5-甲基苯酚）（图 7）。
有机氯或氯代有机分子是含有 C-Cl 键的化学物质。分子中存在氯往往使其更具亲脂性，更难通过 I 期生物转化或微生物的能量代谢降解。这两个特性，高亲脂性和持久性，促进了这些化学物质在生物组织中的保留，并可能导致毒性积累。从有机分子中去除氯，即脱卤，在能量上不如去除常见的杂原子，如硫或氮，有利（Dugat-Bony，2016）。解毒有机氯的酶在生命中很少见；它们通常只限于利用化合物进行能量代谢的微生物。Dugat-Bony 等人。（2016）描述了用于脱卤有机氯的各种方法，这些方法与上面描述的其他解毒过程重叠。单加氧酶，如细胞色素 P-450，既可以通过氧化方式也可以通过还原方式消除氯。谷胱甘肽-S-转移酶（见下一节，II 期生物转化）可以还原方式消除氯。有机氯的解毒无疑对宿主微生物有用，但它们也被研究作为人类环境污染的潜在解决方案，涉及持久性有机氯污染物（Jugder，2016）。
生物转化，II 期
[edit | edit source]II 期生物转化以添加为特征，称为结合，将小生物分子添加到异生素中，如糖和氨基酸。这些添加物比 I 期氧化中的羟基添加物更大，既可能增加毒物的亲水性，也可能通过改变其在组织和细胞膜中的移动方式，阻止毒物到达其毒性作用部位。虽然 II 期并不总是紧随 I 期，但 I 期转化中产生的官能团，如羟基 -OH 基团，可以作为 II 期生物转化结合反应的目标。就增加亲水性和降低毒性效应而言，结合通常比 I 期生物转化更有效。可以找到许多结合的例子，包括甲基化和乙酰化（图 8）；然而，本章重点关注研究最多的：葡萄糖醛酸化、硫酸化和谷胱甘肽结合。
谷胱甘肽：谷胱甘肽-S-转移酶（GST）是一个高度保守的结合酶家族。谷胱甘肽是一种三肽，本身能够作为 I 期生物转化的还原剂，可以与 GST 一起通过还原的谷胱甘肽分子中半胱氨酸部分的硫基与异生素结合。这大大增加了大多数目标底物的极性和分子量，使它们能够与水溶性废物一起排泄。Stenersen 等人。（1986）调查了九个不同的动物门，检查了陆地和水生生物中 GST 的存在和活性。他们研究了水生和非水生脊椎动物、昆虫、甲壳类动物和软体动物，发现几乎所有动物都有 GST 活性，尽管陆地生物的活性明显高于水生生物。正如 Edwards 等人所描述的那样。（2005），植物有一小部分水溶性 GST 酶。谷胱甘肽对植物的谷胱甘肽-抗坏血酸循环和过氧化氢的还原非常重要，它还可以参与植物防御病原体。
葡萄糖醛酸化：糖是一种常见的生物分子，并且高度水溶性，使其成为理想的结合物，当碳水化合物充足时，可以增加异生素的溶解度。葡萄糖醛酸是葡萄糖的衍生物，是 II 期生物转化的主要辅因子，并被酶家族使用：尿苷 5'-二磷酸-葡萄糖醛酸转移酶（UDP-葡萄糖醛酸转移酶，UGT）。葡萄糖醛酸本身最初被转化为尿苷二磷酸葡萄糖醛酸，它是通过二磷酸酯键与另一个生物分子共价键合的糖衍生物。二磷酸酯提高了分子的能量（类似于为什么三磷酸腺苷被细胞用作能量），这使得 UDP-葡萄糖醛酸转移酶能够通过释放存储在辅因子磷酸酯键中的能量来进行结合。以这种方式，辅因子既充当结合物又充当能源（Klaassen，2013）。没有活性能源来源的酶对温度下降的反应会急剧减慢。UDP-葡萄糖醛酸转移酶也会受到温度的影响，其最佳范围取决于生物体及其环境，但由于能量学的原因，影响程度不同。因此，UDP-葡萄糖醛酸转移酶对经历水温变化的水生生物很有帮助。HÄNNINEN 等人。（1984）描述了虹鳟鱼如何在较冷的溪流温度下失去 CYP-450 酶的功能，但仍然使用 UDP-葡萄糖醛酸转移酶，以便在较冷的气候中继续进行解毒过程。
硫酸化：硫酸盐可以与异生素上的开放羟基结合。这些由硫酸转移酶执行，这些酶从辅因子 3'-磷酸腺苷-5'-磷酸硫酸盐中获取硫酸盐基团 (SO3-)，该辅因子是一种修饰的核苷酸，类似于 ATP（三磷酸腺苷），但具有硫酸盐而不是磷酸盐（图 9）。硫酸化是生物转化活性雌激素 17β-雌二醇的重要途径。暴露于外源性雌激素会导致水生生物性腺畸形。Wang 等人。（2007）探索了当这些雌激素的硫酸化被其他环境污染物阻断时会发生什么。作者发现具有羟基（OH-PCBs）的多氯联苯（PCBs）抑制了硫酸转移酶对 17β-雌二醇进行硫酸化的活性。在这种情况下，I 期生物转化产物（OH-PCBs）对其他异生素（雌激素）的生物转化有害，实质上使 PCB 更具毒性或以不同的方式更具毒性。有关生物转化增加异生素毒性的更多例子，请参阅下一节。
增加毒性的生物转化
[edit | edit source]生物转化通常会导致异生物质发生改变，使其不再对生物体造成伤害。然而，能够影响生物体的异生物质种类繁多，同样的生物转化可能使一种异生物质变得无害，却可能将另一种异生物质转化为更具毒性的物质。以人体为例，酒精脱氢酶就是一个例子。乙醇本身会对人体或行为造成有害影响，它会经历由酒精脱氢酶或其他酶催化的氧化生物转化过程（图10）。乙醇转化为乙醛，对肝脏和其他器官有毒（NIH NIAAA，2007）。乙醛进一步氧化为乙酸（醋的酸味来源），毒性要低得多。在生物转化后毒性增加的异生物质被称为前毒素。上述例子表明，酒精对人体来说既是**毒素**也是前毒素。
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墨西哥淡水环境中的一种濒危鱼类，Chirostoma riojai，就是一个例子。Vega-Lo´pez 等人（2011）研究了天然存在的卤代甲烷对这种鱼类可能产生的影响。卤代甲烷是含有若干卤素的单碳分子，自然存在于水中。卤代甲烷在某些细胞色素P450的作用下发生生物转化并被氧化（参见氯代谢部分）。氧化后的卤代甲烷对鱼类造成氧化应激，进而导致氧化损伤。氧化导致异生物质变得更具反应性，增加了暴露风险。这是某些酶（如混合功能氧化酶）广泛特异性的一个潜在弊端。
污染物和异生物质的类型会根据时间和地点而有所不同。为了应对所有潜在的有害异生物质，保持一套酶来处理它们会非常耗能，而且当要处理的异生物质有限时，这样做可能适得其反。生存和繁荣的关键是在需要的时候拥有正确的酶。酶是蛋白质，通过读取 DNA 不断地被生产出来。细胞会根据自身信号自我调节读取哪些 DNA 基因以及制造多少蛋白质，这些信号会告诉细胞目前需要什么。与解毒酶相对应的基因可以通过**酶诱导**过程被打开或“上调”。当生物体遇到特定的异生物质时，它会发出信号以诱导解毒酶的产生，以应对该特定异生物质或与其密切相关的组。这个过程不是瞬时的，这意味着当遇到新的异生物质时，生物体可能会受到伤害。如果生物体在最初的接触中幸存下来，它会诱导酶的产生以保护自己免受后续的接触，这类似于免疫系统对病毒的反应。这可能是由于食物来源的改变导致，例如新的植物性食物含有大量的次生代谢产物——在这种情况下，诱导产生的酶可能是通用的解毒功能。Chambers 等人（1976）对鱼类生物转化系统的一项综述比较了哺乳动物和鱼类中混合功能氧化酶酶诱导的普遍性。发现鱼类在改变饮食或接触杀虫剂后会向上调节这些酶，但水平低于哺乳动物。
在I期和II期生物转化中讨论的许多酶家族中，有一些成员对多种分子具有广泛的作用。混合功能氧化酶因其广泛的特异性而得名，并且具有多种功能。一旦遇到异生物质，更特异的酶就可以被诱导，并且由于其专门性，它们可能具有更强的活性。因此，生物体可以在特异性和活性之间取得平衡，同时保持最高的进化成功机会。
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水生生物 – 一种在水中度过部分生命周期（例如幼虫阶段）或整个生命周期的生物。在本章中，它包括淡水和海水环境。一些文献将“海洋生物”用于海水环境。
异生物质 – 来自生物体外部、自然界不产生或预计不会存在于生物体内的分子（合成）。它们并不总是具有毒性（许多是有益的），但本章将使用这个词来指代潜在的毒性物质。
生物转化 – 生物体改变化学物质的过程。生物转化通常由酶完成。
酶 – 催化化学反应的蛋白质。这意味着它促进并加速化学反应。酶在反应后保持不变，允许它们重复该过程；但，可能受到辅因子的可用性的限制。
辅因子 – 酶发挥作用所需的生物分子。在生物转化中，辅因子被酶消耗以改变异生物质。
氧化/还原 – 电子从一个分子转移到另一个分子的化学反应的术语。这些反应成对进行，因为如果一个分子获得电子，另一个分子就必须失去电子。I期生物转化中的名称指的是对异生物质的影响。例如 “氧化反应”是指异生物质被氧化（失去电子）；辅因子被还原，而酶保持不变。
酶诱导 – 由于生物体内部的信号传导，特定蛋白质的转录上调。在本章中，它指的是中毒后解毒酶的上调，以抵消进一步的中毒。
结合 – 将两个分子连接在一起的化学过程。
毒代动力学 – 有毒化学物质在生物体内的移动。包括吸收、分布、代谢和排泄。毒代动力学有时被称为“身体如何作用于化学物质”。
毒代动力学 – 有毒化学物质发挥其毒性作用的方式。毒素如何与作用靶点相互作用。毒代动力学有时被称为“化学物质如何作用于身体”。
污染物 – 环境中至少部分源于人类起源或活动，对生物体有有害影响的物质。
毒素 – 对生物体造成伤害的化学物质。任何化学物质都可以是毒素，取决于剂量/浓度和暴露。
代谢 – 生物体分解或连接分子的过程。
能量代谢 – 与生物体生存所需的能量产生相关的代谢；也称为“分解代谢”。
共代谢 – 用于分解分子的代谢过程，但不会为生物体产生能量。
保守（进化） - 指基因或形态特征的一种特性。保守的基因/形态在进化树的不同分支中保持不变或相对不变。例如，如果虹鳟鱼和人类中存在相同的酶，那么该酶及其对应的基因就是“在虹鳟鱼和人类之间保守的”。如果在许多其他分类群中也存在相同的酶，则称为“普遍保守”或“高度保守”。