药物肝内代谢总论

药物在肝内的代谢总论

摘 要

药物在体内的一般包括吸收、分布、代谢和排泄四个过程。药物的代谢又称药物的生物转化（biotransformation）,是指外源化合物药物或毒物进入体内后进行的代谢过程。体内催化药物代谢转化的酶主要分布在肝细胞微粒体中，因此药物代谢主要在肝脏中进行。肝脏在药物（或外源性毒物）的代谢和处置过程中起着十分重要的作用，大多数药物和毒物在肝内经生物转化作用而排出体外。肝脏的病理状态可以影响药物在体内的代谢过程，从而影响药物的疗效和不良反应。同时药物代谢过程中的产物，也可以造成肝损害。

关键词:肝内代谢;代谢酶;检测方法;影响因素

1 药物在肝内代谢过程

1.1 第一相反应

多数药物的第一相反应在肝细胞的光面内质网（微粒体）处进行。此系由一组药酶（又称混合功能氧化酶系）所催化的各种类型的氧化作用，使非极性脂溶性化合物产生带氧的极性基因（如羟基），从而增加其水溶性。有时羟化后形成的不稳定产物还可进一步分解，脱去原来的烷基或氨基等。其反应可概括如下：

D+A→DA

NADPH+DA+H+→DAH2+NADP-

DAH2+O2+HADPH→A+DOH+H2O+NADP-

（注：D=药物；A=CYP450）

1.1.1 还原反应

还原反应由醛酮还原酶催化，NADH或NADPH提供氢，催化酮基或醛基还原为醇；肝细胞的偶氮或硝基化合物还原酶（存在微粒体，需要NADH或NADPH参与）分别使偶氮苯和硝基苯还原成胺。

1.1.2 水解反应

如普鲁卡因、双香豆素醋酸乙酯、有机磷农药等在多种水解酶作用下生成水溶性增强羧酸。药酶是光面内质网上的一组混合功能氧化酶系，其中最重要的是CYP450，其他有关的酶和辅酶包括：NADPHCYP450还原酶、细胞色素b5、磷脂酰胆碱和NADPH等。

一般说来，药物经过第一相的氧化、还原等作用，变为极性和水溶性较高而活性低的代谢物，再经过第二相的结合作用，通过胆汁或尿液排到体外。但有些药物，在P450药酶作用下，转化为对肝细胞肝毒性的代谢物。

1.2 第二相反应

药物经过第一相反应后，往往要通过结合反应，分别与极性配体如葡萄糖醛酸、硫酸、甲基、乙酰基、硫基、谷胱甘肽、甘氨酸、谷酰胺等基因结合。通过结合作用，不仅遮盖了药物分子上某些功能基因，而且还可改变其理化性质，增加其水溶性，通过胆汁或尿液排出体外。药物结合作用的相对能力也有不同，如葡萄糖醛酸结合、乙酰化和甲基化是高能力组，甘氨酸、谷酰胺和硫酸结合为低能力组。例如，与硫酸结合通常是代谢苯环化合物的主要途径之一，但它有一定的限度，可能是可利用的“活性硫酸盐”（PAPS）含量有一定的限度。如低剂量的扑热息痛，主要是与硫酸结合，高剂量时则主要与葡萄糖醛酸结合；很大剂量时，由于结合能力耗竭，可能通过第一种途径，生成N-羟基衍生物，造成肝损害。

第一相的P450酶系与第二相结合作用酶系的分布、功能和可诱导性均有差别，反映了这二类生物转化和解毒作用的不同生物学意义。谷胱甘肽（GSH）在结合和解毒作用中起着十分重要的作用，它能与亲电子基、氧基作用，防止肝细胞的损害。

2 药物在肝内代谢的酶

微粒体氧化酶系存在于内质网,称为药物氧化酶系，它所催化的反应是在底物分子上加一个氧原子,因此也称为加单氧酶（monooxygenase）或羟化酶。加单氧酶参与药物、毒物的转化及体内的代谢（维生素D3的羟化），能诱导合成。线粒体中还存在其它氧化酶系,如单胺氧化酶（monoamine oxidase,MAO）催化胺类氧化脱氨基,但芳香环上的氨基不被作用,该酶存在于活性胺类生成、贮存和释放的部位。此外，胞液中有醇脱氢酶（alcohol dehydrogenase，ADH）和醛脱氢酶（aldehyde dehydrogenase，ALDH），与辅酶NAD+催化乙醇生成酸。微粒体乙醇氧化系统（microsomal ethanol oxidizing system，MEOS）消耗NADPH+H+而催化乙醇生成乙醛。

药物在肝内代谢的主要酶有：参与一相反应的细胞色素P450、NADPH-醌氧化还原酶以及参与二相反应的谷胱甘肽-S-转移酶、N-乙酰转移酶、UDP-葡糖醛酸转移酶、硫转移酶等。

2.1 细胞色素P450

细胞色素P450酶是肝脏内的一个重要酶系，75%的药物都由它来进行代谢。包括外源性和内源性的药物代谢，既有I相代谢，及氧化，或脱氢等；也有II相代谢，如磺酸化等。药物代谢的主要场所是肝脏，肝脏进行生物转化则依赖于微粒体中的多种酶系，其中最重要的是细胞色素p450混合功能氧化酶（简称cyp450），而在cyp450中最重要的是cyp3a4亚族，参与约占该酶系中全部药物代谢的50%，cyp2d6约占30%，cyp2c9约占10%，cyp1a2约占4％，cyp2a6和cyp2c19分别约占2％，它们参与人体中约300余种药物的代谢。

CYP450可受遗传、年龄、机体状态、营养、疾病、吸烟、饮酒等各种因素的影响，尤其是药物，能够显著影响药酶的活性。诱导药酶活性增强（称酶促作用），使其他药物（称底物）或本身代谢加速，导致药效减弱（但可使前体药物更快发生药效）的药物，称为药酶诱导剂。抑制或减弱药酶活性（称酶抑作用），减慢其他药物（底物）代谢，导致药效增强的药物，称为药酶抑制剂。

2.1.1 CYP450 的诱导

部分P450 酶可为某些物质诱导( induction),称为诱导型( inductive)。诱导后, 其对相应底物的代谢加速。

关于其诱导机制，多数学者认为可能由于诱导剂以某种方式激活位于核内的编码特定P450 的结构基因。通过某种途径激活结构基因或是使阻抑因素解除，使转录生成的mRNA 增多从而翻译出更多的相应P450。也有实验表明诱导剂通过触发P450 酶的调节亚基使其空间构象发生改变，亦可能是使酶活性增强的主要原因。

2.1.2 CYP450 的抑制

CYP450 也可为某些物质抑制，抑制后，其对相应底物的代谢减慢。 有研究表明，如饮用胡柚汁和葡萄柚汁，再服用二氢吡啶类拮抗剂或磷酸二酯酶抑制剂西地那非时可导致有症状的低血压产生，这是因为此类饮料中含有CYP3A 的抑制剂呋喃香豆素类衍生物。通常认为，抑制剂对P450 酶的抑制主要通过以下方式。可逆的竞争性抑制同一种酶的两种底物竞争相同活性部位,互为抑制。这是由底物重叠性的特点

2.2 谷胱甘肽-S-转移酶

谷胱甘肽-S-转移酶是由多个基因编码、具有多种功能的超家族酶，广泛存在于动物、植物、微生物等多种生物组织中。在生物体遇到高盐、干旱、除草剂、有机污染物等逆境时，GSTs常发挥其Ⅱ相代谢酶和抗氧化酶的双重功能，以保护生物体免受逆境的损害。

2.2.1 GSTs的结构

GSTs一般以25-27 kDa的两条亚基以同源或异源的方式聚合而成(等电点为pH4—5)，每个亚基都含有两个空间结构不同的基本结构域：N端结构域，由β折叠和α螺旋构成(βαβαββα)，比较保守；C端结构域，由4—7个α螺旋构成，通过一个大约10个氨基酸的短序列与N端结构域连接，不同的GSTs在结构和序列上的主要差异就体现在该结构域，所以它决定

底物的特异性。每个亚基上都有两个配体结合位点：一是位于N端的谷胱甘肽(GSH)特异结合位点(G位点)，在此位点有一个保守的丝氨酸／酪氨酸(Ser/Tyr) 残基，它的羟基与GSH的巯基形成氢键而使GSH离子化，形成稳定的、具有高活性的硫醇盐阴离子，从而驱动GST的结合、过氧化酶和异构化酶的反应；二是位于C端的结合疏水底物的位点(H位点)，该位点的结构可变性较大，主要由羧基端的非极性侧链残基组成。

2.2.2 GSTs的主要功能

GSTs是催化某些内源性或外来有害物质的亲电子基团与还原型谷胱甘肽的巯基结合，形成更易溶解的、没有毒性的衍生物，同时使其易于排出体外或者被Ⅲ相代谢酶类分解嘲。在生物体遇到逆境时，为保护生物体免受逆境的损害，GSTs常发挥其脱毒与抗氧化的功能。

3 药物在肝内代谢的检测方法

3.1 药物肝内代谢体外研究方法

肝脏含有大部分的代谢活性酶，而且具有很高的血流量，是药物代谢最重要的器官。目前，肝脏代谢的体外研究方法中有肝微粒体法、肝脏灌流技术、肝组织切片法、微透析技术等。

3.1.1 肝微粒体法

肝组织匀浆，抽提肝微粒体成分，用适当缓冲液悬浮后用于代谢研究。该方法尤其适合代谢酶活性研究，方法简单，重现性好。

肝微粒体法是由制备的肝微粒体辅以氧化还原型辅酶，在模拟生理温度及生理环境条件下进行生化反应的体系，一般采用差速离心法获得肝微粒体。此法制备简单，代谢时间短，易于重现，方便大量操作以积累代谢样品供结构研究；同时，该方法可用于对药酶的抑制及体外代谢清除等方面的研究，因而应用较为普及。

3.1.2 肝组织切片法

新鲜肝组织用切片机切成一定厚度的切片，实验时与药物共同孵育。该方法有利于保持肝细胞间的生理连接，但在制备过程中易破坏肝细胞。

肝组织切片法也是研究药物代谢及其毒性的有效的体外系统,该法不破坏肝的细胞构成和组织结构,所得结果与体内法相近。肝组织切片保留了所有肝脏药酶如P450 同工酶、P450 混合酶、肝微粒体以及各个细胞器的活性。其缺点为切片机的使用受限,而且好的切片机价格昂贵。

3.1.3 肝脏灌流技术

将肝组织分离移至体外，保持37℃，并迅速插管。灌流液经门静脉插管进

入肝脏，由出肝静脉插管流出，循环。在一定时间取灌流液，测定药物及其代谢物的浓度，并进行结构分析。

肝脏灌流技术能够保留着完整细胞屏障和营养液的供给，因此可以在一定时间内保持肝脏的正常生理和生化功能。同时只有肝脏的影响，无其他器官的影响，并能控制受试物的浓度，观察肝脏的作用。

3.1.4 微透析技术

微透析技术是一种在体取样技术，可连续跟踪体内多种化合物随时间的变化。

用于研究药物代谢，可维持实际生理条件，消除了传统药物代谢研究中因组织均匀化破坏细胞隔室造成对代谢研究结果的影响，并可获得有关药物代谢中间过程的信息，而传统方法只能了解代谢的最终产物，不能反映其中间过程。

3.2 药物肝代谢体内研究方法

3.2.1 药物探针法

某些药物如安替比林主要由肝脏代谢，测定其清除率，可作为药物代谢能力的指标。某些药物选择性地经某一同工酶代谢，其清除率可作为该同工酶的活性指标。如咖啡因、茶碱主要经CYP1A代谢，可作为探针药物测定其清除率，以反映同工酶活性，用于研究与该同工酶有关的其他药物代谢。

3.2.2 体内指标法

该法不借助任何探针药物，利用某些内源性物质及其代谢物的水平变化，来反映某些药物代谢酶和代谢途径的变化。血浆中的胆红素和尿中的6β-羟基可的松与药物代谢相关行较好，是经常选用的体内指标。胆红素依靠在肝脏中与葡萄糖苷酸结合而从血浆中消除，可作为肝葡萄糖苷酸结合的指标，当UDP-葡萄糖苷酸转移酶活性下降时，血浆中胆红素水平将升高。可的松由肝微粒体CYP3A催化生成6β-羟基可的松，经尿排泄，以6β-羟基可的松/17-羟基可的松的比

值作为CYP3A的指标。

4 药物在肝内代谢的影响因素

4.1 药物代谢的遗传多态性

由于肝脏药酶系特别是P450的遗传多态性，以致造成药物代谢的个体差异，这影响了药物的药理作用、不良反应和致癌的易感性等。对某些药代谢的缺陷者称为：弱代谢者（poor metabolizer）或PM-表型1，而强代谢者（extensive metabolizer）称为EM-表型。在第一相中的药物代谢多态性以异喹胍和乙妥英为例，分别为P450UD6和P4502C的变异。对异喹胍的羟化作用有遗传性缺陷的个体，在应用β-受体拮抗剂、三环类抗郁剂、某些膜抑制抗心律紊乱药、抗高血压药和钙离子拮抗剂等，由于药物代谢的异常，使药效增强、时间延长，容易发生不良反应。在第二相反应的药物代谢多态性，以异烟肼和磺胺二甲嘧啶为例，可区分为乙酰化快型和慢型两种，慢型乙酰化个体长期服用肼苯达嗪和普鲁卡因酰胺后可产生红斑狼疮综合征，服异烟肼后易发生周围神经病变。P4501A1，P4501A2是芳香碳氢化合物羟化酶，激活某些致癌原，其遗传变异与某些癌的易患性有关。

4.2 生理因素对药物代谢影响

影响药物代谢的生理因素主要包括年龄、性别、种族、疾病等。

4.2.1 年龄

儿童和老年人对药物的代谢明显低于成年人。由于胎儿和新生儿的肝内质网形成还不完全，并且药酶活性低，微粒体中的NADP-细胞色素C还原酶和NADPH的氧化酶等的电子传递系统的活性和P450含量很低，故对药物代谢能力较低。老年人的代谢酶活性降低或者事由于内源性辅助因子的减少所致。

4.2.2 性别

性别对药物代谢的影响已在大鼠体内得到证实。大鼠体内肝微粒体药物代谢酶的活性有性别的差异；大鼠体内的葡萄糖醛酸结合、乙酰化、水解反应等也发现有性别的差异，一般情况下，雄性大鼠的代谢比雌性高。

4.2.3 种族和个体差异

遗传学差异主要是由种族和家族遗传特性所引起的，近来研究表明药酶的性质或活性强度是由遗传因子所决定的。如琥珀酰胆碱在先天性假性胆碱酯酶缺陷的患者中，其代谢速率仅为正常人的一半。进一步研究发现肝中N-乙酰转移酶的活性是引起代谢差异的主要原因，并且该酶活性的差异在父母和子女之间是完全相同的。据报道，日本人、爱斯基摩人、美洲印第安人主要为快乙酰化者；而斯堪的那维亚人、犹太人及北非的高加索人多为慢乙酰化者。

5 结语

肝脏是药物的主要清除器官，肝脏清除分成肝脏代谢和胆汁排泄两种方式。肝脏富含药物Ⅰ相代谢和Ⅱ相代谢所需的各种酶，其中以P450酶最为重要。P450酶是由多种类型的P450酶所组成的一个大家族，根据氨基酸的排序的雷同性，P450酶可以分为不同几个大类，每个大类又可以细分成几个小类。在人体中重要的P450酶有CYP1A2、CYP2A6、CYP2B6、CYP2C8、CYP2C9、CYP2C19、CYP2D6、CYP2E1、CYP3A4和CYP3A5。P450酶存在有明显的种属差异，药物在动物和人体内的代谢途径和代谢产物可能是不同的。多态性(polymorphisms)是P450酶的一个重要特征，是导致药物反应的个体差异的一个重要原因。所谓的多态性，是指同一种属的不同个体间某一P450酶的量存在较大的差异。量高的个体代谢速度就快，称为快代谢型(extensive metabolizer)； 量低的个体代谢速度就慢，称为慢代谢型(poor metabolizer)。人体内许多P450酶表现出多态性，其中以CYP2D6和CYP2C19的多态性最为典型。另外，P450酶具有可诱导和可抑制性。也就是说，P450酶的量和活性会受到药物（或其他外源物）的影响，可能会影响药物本身的代谢，并可能会引起代谢性药物相互作用。

参考文献

1 柴士伟,潘桂湘,. 药物代谢研究方法简述[J]. 天津中医药,2006,(1). 2 雷安平,陈欢,黎双飞,胡章立,. 谷胱甘肽S-转移酶的功能、应用及克隆表达

[J]. 环境科学与技术,2009,(12).

3 崔颖,张永旺,. P450酶的研究进展[J]. 中国新技术新产品,2009,(16). 4 李文东,马辰. 药物体外肝代谢研究进展[J]. 中国药学杂志,2003,(10). 5 王佳,代百东,. 药物体外肝代谢研究方法[J]. 亚太传统医药,2008,(3). 6 张金兰，周同惠,抗焦虑新药AF-5及其代谢物在人肝微粒体体外温孵体系中代谢研究[J]药学学报2001,36(7)：528

7 余自成，陈红专.微透析技术在药物代谢和药代动力学研究中的应用[J]中国临床药理学杂志，2001,17(1):76

8 李文东，马辰.基因重组P450 酶系在药物体外肝代谢研究中的应用[J]临床和实验医学杂志，2002,1(4):264