水生毒理學視角/第二章：異生物質的生物轉化
魚類和其他水生生物終生暴露於人類來源、侵蝕徑流和動植物自然排洩物的混合物中。水生生物對化學混合物的暴露與陸地物種如人類的暴露有很大不同。例如，人類和水生生物都可能接觸到水溶性除草劑莠去津，但在人類中，接觸最有可能透過攝入受汙染的食物或飲用水。魚類則透過皮膚和鰓接觸。攝入的莠去津首先進入肝臟，而透過鰓吸收的莠去津則直接進入血液。因此，陸地和水生生物的環境在暴露於各種環境化學物質方面發揮著重要作用。
所有生物都具有防禦機制，幫助它們處理和生存來自體外被稱為異生物質的潛在有害化學物質。這些防禦機制中的一大類以酶的形式存在，這些酶將異生物質轉化為不同的分子，理想情況下是不會對宿主生物構成威脅的分子。這一過程被稱為生物轉化（圖 1）。生物轉化是異生物質代謝解毒的方法。水生生物進化出一系列方法，在它們遇到溶解在其水生環境中的強效化學物質混合物時，進行生物轉化。
吸收、分佈、代謝和排洩（ADME）是描述毒物與生物體相互作用的四個步驟，以允許或阻止它誘發毒性結果。ADME 描述了潛在毒物存在的位置、時間和數量（毒物動力學），但它不描述毒物如何造成傷害（毒物動力學）。ADME 的許多原理在相關的陸地和水生生物之間非常相似；然而，由於毒物穿過水性介質時的潛在暴露不同，吸收可能會有很大差異。這種基於異生物質化合物物理性質的差異吸收決定了哪些化學物質將參與首字母縮略詞的第三部分：代謝。
一個在很大程度上影響潛在毒物與身體相互作用方式的物理性質是它與水或脂質結合的傾向。描述這種物理性質的一個量度是分配係數 (P)，它通常以 log P 的形式報告。log P 有時寫成 log Kow，其中 P = Kow = 辛醇/水分配係數，因為測量是在用辛醇和水進行液/液分離時進行的。log P 的值越高，表示給定分子在非極性條件下（如辛醇）花費的時間比在高度極性的水性環境中花費的時間更多。這對魚類和其他水生生物具有重要意義，因為它們的富含脂肪的組織與基於水的環境隔開，隔開它們的複雜膜具有非極性和極性特徵。
鰓的物理特性：魚類的鰓是高度特化的氧氣和離子交換組織，包括高表面積的鰓絲和廣泛的血管。即使有這些特殊功能，魚鰓的一些特性（例如薄膜尺寸和對水、氣體和溶質的部分滲透性）可以與其他分類群（例如沒有肺血管的昆蟲鰓）的膜進行一般比較。直接接觸環境的鰓細胞是各種型別的上皮細胞，包括促進氧氣交換的鰓絲細胞和對離子平衡至關重要的氯化物細胞（Evans，1987）。固體表面附近的流體形成一個緩慢移動的層，稱為邊界層。當異生物質與鰓周圍的水的邊界層相互作用時，它被稱為水性擴散層。異生物質必須透過擴散穿過此層，而不是由流動湍流攜帶，因為該邊界層相對靜止（圖 2）。Erickson 等人（1990 年）探索了潛在的異生物質如何穿過虹鱒魚的鰓的水性擴散層和細胞膜。他們發現，高親脂性（log KOW > 3）的化學物質由於不能輕易穿過水性擴散層而具有低吸收率。特別低親脂性（log KOW 小於 1）的化學物質也具有較低的吸收率，因為更難穿過含有脂質的細胞膜。化學物質的吸收在中等親脂性（log KOW 在 1 到 3 之間）的“金髮姑娘”區域達到峰值，因為它們可以更快地穿過這兩個障礙。其他具有鰓或可滲透皮膚的分類群的生物可能在與化合物的 log KOW 相關的化學物質吸收方面具有類似的曲線。
水生生物和陸地生物中異生物質的排洩有很大不同。陸地動物通常具有一些機制可以從糞便中提取多餘的水分，以減少排便時損失的水分。尿液中的氮廢物取決於物種對水的普遍可用性。Bursell（1967）描述了昆蟲中幾種不同的氮廢物去除策略。在乾旱氣候中生活的陸地昆蟲，如蝗蟲（Locusta migratoria），將它們的氮廢物打包成不溶性的尿酸晶體，並排洩出大部分是乾的廢物。在生命週期中部分時間生活在水中的昆蟲，如Aeshna cyanea 幼蟲，一種獵龍蜻蜓，更類似於魚，因為它們會產生潛在有毒的氮產物氨，但允許它在達到有害水平之前擴散到周圍的水中。人類採用中間路線。我們沒有可以使氨簡單地擴散出去的排洩系統，而且我們需要相對高的水攝入量才能部分消除將氮打包成尿酸所需的能量。相反，人類和許多其他物種會製造尿素：一種毒性較低且溶解度介於氨和尿酸之間的化合物（OpenStax，2013）。水生生物普遍使用的排洩策略是利用周圍環境，製造一個足夠水溶性的分子，使其從體內擴散出去。
負責異生物質生物轉化的主要代謝途徑稱為第一階段和第二階段，但它們並不一定按此順序發生，或者根本不按順序發生。第一階段生物轉化通常利用水或氧氣作為酶促因素，參與氧化、水解和還原等反應。第二階段生物轉化通常形成與體內現有生物分子共價鍵。生物轉化通常導致異生物質解毒，最常見的是使它更容易排洩。一旦化學物質從體內排洩出來，它就極不可能造成傷害。化學結構的改變也可以使異生物質毒性降低，即使它保留在體內。
氧化：許多 I 期生物轉化是由混合功能氧化酶（MFOs）完成的，這些酶在肝臟和其他組織中很常見。一個主要的 MFO 家族被稱為細胞色素 P450（Klaassen，2013）。細胞色素 P450 酶執行氧化（名稱中的數字指的是酶吸收的光的波長，有助於其表徵）。許多不同的細胞色素 P450 已被發現，具有廣泛的專一性和底物相容性（圖 3）。Stegeman 等人。（1991）探討了多種致癌毒物如何在魚類中被不同的細胞色素 P-450 代謝。這些酶的分佈在藍點鰺魚的肝臟、腎臟和鰓中分佈。儘管使用的特定酶存在細微差異，但細胞色素 P-450 具有高度保守性。Moktali 等人。（2012）追蹤了這些解毒酶的進化，並表明它比任何陸地譜系都古老。
還原：氧化態升高的異生素（某些金屬和官能團，如羰基、二硫化物、醌、偶氮和硝基）可以直接或酶促地使用還原劑進行還原，還原劑在消費食品中通常被稱為“抗氧化劑”。這些還原劑或輔因子包括谷胱甘肽、FAD（圖 4）、FMN 和 NAD(P)（Klaassen，2013）。許多這些輔因子是基本必需分子的修飾：谷胱甘肽是修飾的多肽，NAD(P) 是修飾的二核苷酸。一些被認為是氧化酶的酶可以執行還原：細胞色素 P450 有時可以使用異生素作為氧化輔因子，這將有效地對異生素執行還原以氧化其他物質。還原酶的專一性可能有所不同。硝酸鹽還原酶對氮迴圈很重要，並允許植物利用硝酸鹽肥料。Timmermans 等人。（1994）研究了可獲得的鐵對浮游植物硝酸鹽還原酶的影響，發現產生功能性酶的能力需要環境中存在溶解的鐵。
水解：水解是在化學鍵上新增水的過程。最通用的例子是斷裂 C-O 鍵，並形成新的 C-O 鍵和 O-H 鍵（圖 5）。其他鍵也可以水解。決定性特徵是消耗水以斷裂鍵，如 D 圖中藍色所示。該過程導致氧化態淨變化為零：既不是氧化反應也不是還原反應。一些化合物在水中或血漿中自發地發生水解，速率相當快，但生物體已經進化出可以加速這種反應的酶。這些酶中有一些包括酯酶，它們水解酯；肽酶，它們水解蛋白質肽鍵；和磷酸酶，它們水解磷酸酯鍵。
氯代烴代謝：雖然人類是陸地環境中有機氯的主要來源，生產化學品和多氯聯苯（PCB）和殺蟲劑等遺留汙染物（圖 6），但一些生物體也會產生氯代有機化合物，特別是那些水生環境中的生物體。Gribble（1996）討論了“生物體中天然有機氯的多樣性”，並提供了一些例子，包括由淡水真菌 Kitschsteiniothelia sp. 生產的一種化學物質，3,3'-氧代雙（2,4-二氯-5-甲基苯酚）（圖 7）。
有機氯或氯代有機分子是含有 C-Cl 鍵的化學物質。分子中存在氯往往使其更具親脂性，更難透過 I 期生物轉化或微生物的能量代謝降解。這兩個特性，高親脂性和永續性，促進了這些化學物質在生物組織中的保留，並可能導致毒性積累。從有機分子中去除氯，即脫滷，在能量上不如去除常見的雜原子，如硫或氮，有利（Dugat-Bony，2016）。解毒有機氯的酶在生命中很少見；它們通常只限於利用化合物進行能量代謝的微生物。Dugat-Bony 等人。（2016）描述了用於脫滷有機氯的各種方法，這些方法與上面描述的其他解毒過程重疊。單加氧酶，如細胞色素 P-450，既可以透過氧化方式也可以透過還原方式消除氯。谷胱甘肽-S-轉移酶（見下一節，II 期生物轉化）可以還原方式消除氯。有機氯的解毒無疑對宿主微生物有用，但它們也被研究作為人類環境汙染的潛在解決方案，涉及永續性有機氯汙染物（Jugder，2016）。
生物轉化，II 期
[edit | edit source]II 期生物轉化以新增為特徵，稱為結合，將小生物分子新增到異生素中，如糖和氨基酸。這些新增物比 I 期氧化中的羥基新增物更大，既可能增加毒物的親水性，也可能透過改變其在組織和細胞膜中的移動方式，阻止毒物到達其毒性作用部位。雖然 II 期並不總是緊隨 I 期，但 I 期轉化中產生的官能團，如羥基 -OH 基團，可以作為 II 期生物轉化結合反應的目標。就增加親水性和降低毒性效應而言，結合通常比 I 期生物轉化更有效。可以找到許多結合的例子，包括甲基化和乙醯化（圖 8）；然而，本章重點關注研究最多的：葡萄糖醛酸化、硫酸化和谷胱甘肽結合。
谷胱甘肽：谷胱甘肽-S-轉移酶（GST）是一個高度保守的結合酶家族。谷胱甘肽是一種三肽，本身能夠作為 I 期生物轉化的還原劑，可以與 GST 一起透過還原的谷胱甘肽分子中半胱氨酸部分的硫基與異生素結合。這大大增加了大多數目標底物的極性和分子量，使它們能夠與水溶性廢物一起排洩。Stenersen 等人。（1986）調查了九個不同的動物門，檢查了陸地和水生生物中 GST 的存在和活性。他們研究了水生和非水生脊椎動物、昆蟲、甲殼類動物和軟體動物，發現幾乎所有動物都有 GST 活性，儘管陸地生物的活性明顯高於水生生物。正如 Edwards 等人所描述的那樣。（2005），植物有一小部分水溶性 GST 酶。谷胱甘肽對植物的谷胱甘肽-抗壞血酸迴圈和過氧化氫的還原非常重要，它還可以參與植物防禦病原體。
葡萄糖醛酸化：糖是一種常見的生物分子，並且高度水溶性，使其成為理想的結合物，當碳水化合物充足時，可以增加異生素的溶解度。葡萄糖醛酸是葡萄糖的衍生物，是 II 期生物轉化的主要輔因子，並被酶家族使用：尿苷 5'-二磷酸-葡萄糖醛酸轉移酶（UDP-葡萄糖醛酸轉移酶，UGT）。葡萄糖醛酸本身最初被轉化為尿苷二磷酸葡萄糖醛酸，它是透過二磷酸酯鍵與另一個生物分子共價鍵合的糖衍生物。二磷酸酯提高了分子的能量（類似於為什麼三磷酸腺苷被細胞用作能量），這使得 UDP-葡萄糖醛酸轉移酶能夠透過釋放儲存在輔因子磷酸酯鍵中的能量來進行結合。以這種方式，輔因子既充當結合物又充當能源（Klaassen，2013）。沒有活效能源來源的酶對溫度下降的反應會急劇減慢。UDP-葡萄糖醛酸轉移酶也會受到溫度的影響，其最佳範圍取決於生物體及其環境，但由於能量學的原因，影響程度不同。因此，UDP-葡萄糖醛酸轉移酶對經歷水溫變化的水生生物很有幫助。HÄNNINEN 等人。（1984）描述了虹鱒魚如何在較冷的溪流溫度下失去 CYP-450 酶的功能，但仍然使用 UDP-葡萄糖醛酸轉移酶，以便在較冷的氣候中繼續進行解毒過程。
硫酸化：硫酸鹽可以與異生素上的開放羥基結合。這些由硫酸轉移酶執行，這些酶從輔因子 3'-磷酸腺苷-5'-磷酸硫酸鹽中獲取硫酸鹽基團 (SO3-)，該輔因子是一種修飾的核苷酸，類似於 ATP（三磷酸腺苷），但具有硫酸鹽而不是磷酸鹽（圖 9）。硫酸化是生物轉化活性雌激素 17β-雌二醇的重要途徑。暴露於外源性雌激素會導致水生生物性腺畸形。Wang 等人。（2007）探索了當這些雌激素的硫酸化被其他環境汙染物阻斷時會發生什麼。作者發現具有羥基（OH-PCBs）的多氯聯苯（PCBs）抑制了硫酸轉移酶對 17β-雌二醇進行硫酸化的活性。在這種情況下，I 期生物轉化產物（OH-PCBs）對其他異生素（雌激素）的生物轉化有害，實質上使 PCB 更具毒性或以不同的方式更具毒性。有關生物轉化增加異生素毒性的更多例子，請參閱下一節。
增加毒性的生物轉化
[edit | edit source]生物轉化通常會導致異生物質發生改變，使其不再對生物體造成傷害。然而，能夠影響生物體的異生物質種類繁多，同樣的生物轉化可能使一種異生物質變得無害，卻可能將另一種異生物質轉化為更具毒性的物質。以人體為例，酒精脫氫酶就是一個例子。乙醇本身會對人體或行為造成有害影響，它會經歷由酒精脫氫酶或其他酶催化的氧化生物轉化過程（圖10）。乙醇轉化為乙醛，對肝臟和其他器官有毒（NIH NIAAA，2007）。乙醛進一步氧化為乙酸（醋的酸味來源），毒性要低得多。在生物轉化後毒性增加的異生物質被稱為前毒素。上述例子表明，酒精對人體來說既是**毒素**也是前毒素。
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墨西哥淡水環境中的一種瀕危魚類，Chirostoma riojai，就是一個例子。Vega-Lo´pez 等人（2011）研究了天然存在的滷代甲烷對這種魚類可能產生的影響。滷代甲烷是含有若干鹵素的單碳分子，自然存在於水中。滷代甲烷在某些細胞色素P450的作用下發生生物轉化並被氧化（參見氯代謝部分）。氧化後的滷代甲烷對魚類造成氧化應激，進而導致氧化損傷。氧化導致異生物質變得更具反應性，增加了暴露風險。這是某些酶（如混合功能氧化酶）廣泛特異性的一個潛在弊端。
汙染物和異生物質的型別會根據時間和地點而有所不同。為了應對所有潛在的有害異生物質，保持一套酶來處理它們會非常耗能，而且當要處理的異生物質有限時，這樣做可能適得其反。生存和繁榮的關鍵是在需要的時候擁有正確的酶。酶是蛋白質，透過讀取 DNA 不斷地被生產出來。細胞會根據自身訊號自我調節讀取哪些 DNA 基因以及製造多少蛋白質，這些訊號會告訴細胞目前需要什麼。與解毒酶相對應的基因可以透過**酶誘導**過程被開啟或“上調”。當生物體遇到特定的異生物質時，它會發出訊號以誘導解毒酶的產生，以應對該特定異生物質或與其密切相關的組。這個過程不是瞬時的，這意味著當遇到新的異生物質時，生物體可能會受到傷害。如果生物體在最初的接觸中倖存下來，它會誘導酶的產生以保護自己免受後續的接觸，這類似於免疫系統對病毒的反應。這可能是由於食物來源的改變導致，例如新的植物性食物含有大量的次生代謝產物——在這種情況下，誘導產生的酶可能是通用的解毒功能。Chambers 等人（1976）對魚類生物轉化系統的一項綜述比較了哺乳動物和魚類中混合功能氧化酶酶誘導的普遍性。發現魚類在改變飲食或接觸殺蟲劑後會向上調節這些酶，但水平低於哺乳動物。
在I期和II期生物轉化中討論的許多酶家族中，有一些成員對多種分子具有廣泛的作用。混合功能氧化酶因其廣泛的特異性而得名，並且具有多種功能。一旦遇到異生物質，更特異的酶就可以被誘導，並且由於其專門性，它們可能具有更強的活性。因此，生物體可以在特異性和活性之間取得平衡，同時保持最高的進化成功機會。
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水生生物 – 一種在水中度過部分生命週期（例如幼蟲階段）或整個生命週期的生物。在本章中，它包括淡水和海水環境。一些文獻將“海洋生物”用於海水環境。
異生物質 – 來自生物體外部、自然界不產生或預計不會存在於生物體內的分子（合成）。它們並不總是具有毒性（許多是有益的），但本章將使用這個詞來指代潛在的毒性物質。
生物轉化 – 生物體改變化學物質的過程。生物轉化通常由酶完成。
酶 – 催化化學反應的蛋白質。這意味著它促進並加速化學反應。酶在反應後保持不變，允許它們重複該過程；但，可能受到輔因子的可用性的限制。
輔因子 – 酶發揮作用所需的生物分子。在生物轉化中，輔因子被酶消耗以改變異生物質。
氧化/還原 – 電子從一個分子轉移到另一個分子的化學反應的術語。這些反應成對進行，因為如果一個分子獲得電子，另一個分子就必須失去電子。I期生物轉化中的名稱指的是對異生物質的影響。例如 “氧化反應”是指異生物質被氧化（失去電子）；輔因子被還原，而酶保持不變。
酶誘導 – 由於生物體內部的訊號傳導，特定蛋白質的轉錄上調。在本章中，它指的是中毒後解毒酶的上調，以抵消進一步的中毒。
結合 – 將兩個分子連線在一起的化學過程。
毒代動力學 – 有毒化學物質在生物體內的移動。包括吸收、分佈、代謝和排洩。毒代動力學有時被稱為“身體如何作用於化學物質”。
毒代動力學 – 有毒化學物質發揮其毒性作用的方式。毒素如何與作用靶點相互作用。毒代動力學有時被稱為“化學物質如何作用於身體”。
汙染物 – 環境中至少部分源於人類起源或活動，對生物體有有害影響的物質。
毒素 – 對生物體造成傷害的化學物質。任何化學物質都可以是毒素，取決於劑量/濃度和暴露。
代謝 – 生物體分解或連線分子的過程。
能量代謝 – 與生物體生存所需的能量產生相關的代謝；也稱為“分解代謝”。
共代謝 – 用於分解分子的代謝過程，但不會為生物體產生能量。
保守（進化） - 指基因或形態特徵的一種特性。保守的基因/形態在進化樹的不同分支中保持不變或相對不變。例如，如果虹鱒魚和人類中存在相同的酶，那麼該酶及其對應的基因就是“在虹鱒魚和人類之間保守的”。如果在許多其他分類群中也存在相同的酶，則稱為“普遍保守”或“高度保守”。