藥物代謝是通過生物轉化將藥物(通常是非極性分子)轉變成極性分子，再通過人體的正常系統排泄至體外的過程；生物轉化是藥物在人體內發生的化學變化，也是人體對自身的一種保護機能。因此研究藥物在體內的生物轉化，更能闡明藥理作用的特點、作用時程，結構的轉變以及產生毒副作用的原因。
藥物的生物轉化通常分為二相：第Ⅰ相生物轉化(Phase Ⅰ)，也稱為藥物的官能團化反應，是體內的酶對藥物分子進行的氧化、還原、水解、羥基化等反應，在藥物分子中引入或使藥物分子暴露出極性基團，如羥基、羧基、巰基、氨基等。
第Ⅱ相生物結合(Phase Ⅱ)，是將第Ⅰ相中藥物產生的極性基團與體內的內源性成分，如葡萄糖醛酸、硫酸、甘氨酸或谷胱甘肽，經共價鍵結合，生成極性大、易溶于水和易排出體外的結合物。但是也有藥物經第Ⅰ相反應后，無需進行第Ⅱ相的結合反應，即排出體外。其中第Ⅰ相生物轉化反應對藥物在體內的活性影響最大。
一、藥物結構與第Ⅰ相生物轉化的規律
1.含芳環、烯烴、炔烴類、飽和烴類藥物第Ⅰ相生物轉化的規律
（1）含芳環的藥物
①含芳環的藥物主要發生氧化代謝：在體內肝臟CYP 450酶系催化下，首先將芳香化合物氧化成環氧化合物，然后在質子的催化下會發生重排生成酚，或被環氧化物水解酶水解生成二羥基化合物。
②含芳環藥物的氧化代謝是以生成酚的代謝產物為主：如果藥物分子中含有兩個芳環時，一般只有一個芳環發生氧化代謝。如苯妥英在體內代謝后生成羥基苯妥英失去生物活性。
而保泰松在體內經代謝后生成羥布宗，抗炎作用比保泰松強而毒副作用比保泰松低，這是藥物經代謝后活化的例子。含強吸電子取代基的芳環藥物則不發生芳環的氧化代謝。
(2)烯烴和炔烴的藥物
烯烴類藥物經代謝生成環氧化合物后，可以被轉化為二羥基化合物，或者是和體內生物大分子如蛋白質、核酸等反應進行烷基化，而產生毒性，導致組織壞死和致癌作用。例如抗驚厥藥物卡馬西平炔烴類反應活性比烯烴大，被酶催化氧化速度也比烯烴快。
若炔鍵的碳原子是端基碳原子，則形成烯酮中間體，該烯酮可能被水解成生羧酸，也可能和蛋白質進行親核性烷基化反應；若炔鍵的碳原子是非端基碳原子，則炔烴化合物和酶中卟啉上的吡咯氮原子發生N-烷基化反應。這種反應使酶不可逆的去活化。如甾體化合物炔雌醇則會發生這類酶去活化作用。
(3)含飽和碳原子的藥物
長碳鏈的烷烴常在碳鏈末端甲基上氧化生成羥基，羥基化合物可被脫氫酶進一步氧化生成羧基稱為ω-氧化；氧化還會發生在碳鏈末端倒數第二位碳上，稱ω-1氧化。如抗癲癇藥丙戊酸鈉，經ω-氧化生成ω-羥基丙戊酸鈉和丙基戊二酸鈉；經ω-1氧化生成2-丙基-4-羥基戊酸鈉。
處于芳環和芳雜環的芐位，以及烯丙位的碳原子易被氧化生成芐醇或烯丙醇。對于伯醇會進一步脫氫氧化生成羧酸；仲醇會進一步氧化生成酮。
2.含鹵素的藥物第Ⅰ相生物轉化的規律
許多藥物是含鹵素的烴類如全身麻醉藥，增塑劑、殺蟲劑等，這些鹵代烴在體內經歷了各種不同的生物代謝過程。
在體內一部分鹵代烴和谷胱甘肽形成硫醚氨酸結合物代謝排出體外，其余的在體內經氧化脫鹵素反應和還原脫鹵素反應進行代謝。在代謝過程中，鹵代烴生成一些活性的中間體，會和一些組織蛋白質分子反應，產生毒性。
氧化脫鹵素反應是許多鹵代烴的常見的代謝途徑。CYP 450酶系催化氧化鹵代烴生成過渡態的偕鹵醇，然后再消除鹵氫酸得到羰基化合物(醛、酮、酰鹵和羰酰鹵化物)。生成酰氯或羰酰氯中間體活性更強，或水解生成無毒的碳酸和氯離子；或和組織中蛋白質分子反應，產生毒性。抗生素氯霉素中的二氯乙酰基側鏈代謝氧化后生成酰氯，能對CYP 450酶等中的脫輔基蛋白發生酰化，是產生毒性的主要根源。
3.含氮原子(胺類、含硝基)藥物第Ⅰ相生物轉化的規律
胺類藥物的氧化代謝主要發生在兩個部位，一是在和氮原子相連接的碳原子上，發生N-脫烷基化和脫胺反應；另一是發生N-氧化反應。
N-脫烷基和氧化脫胺是一個氧化過程的兩個不同方面，本質上都是碳-氮鍵的斷裂，條件是與氮原子相連的烷基碳上應有氫原子(即α-氫原子)，該α-氫原子被氧化成羥基，生成的α-羥基胺是不穩定的中間體，會發生自動裂解。
叔胺和仲胺氧化代謝后產生兩種以上產物，而伯胺代謝后，只有一種產物。
一般來說，胺類藥物在體內經氧化代謝生成穩定的N－氧化物主要是叔胺和含氮芳雜環，而伯胺和仲胺類藥物的這種代謝通常比較少。伯胺和仲胺結構中如果無α-氫原子，則氧化代謝生成羥基胺、亞硝基或硝基化合物。酰胺類化合物的氧化代謝也與之相似。
胺類化合物N-脫烷基化的基團通常是甲基、乙基、丙基、異丙基、丁基、烯丙基和芐基，以及其他α-氫的基團。取代基的體積越小，越容易脫去。對于叔胺和仲胺化合物，叔胺的脫烷基化反應速度比仲胺快，這是與他們之間的脂溶性有關。如利多卡因的代謝，脫第一個乙基比脫第二個乙基容易。利多卡因在進入血腦屏障后產生的脫乙基化代謝產物會引起中樞神經系統的副作用。
4.含氧原子(醚類、醇類和羧酸類、酮類)藥物第Ⅰ相生物轉化的規律
（1）醚類藥物
醚類藥物在肝臟微粒體混合功能酶的催化下，進行氧化O-脫烷基化反應，生成醇或酚，以及羰基化合物。
藥物分子中醚的基團大部分是芳香醚，如可待因，維拉帕米，多巴胺，非那西汀等。例如鎮咳藥可待因在體內約有10%的藥物經O-脫甲基后生成嗎啡，長期和大量服用可待因也會產生成癮性的不良后果。非甾體抗炎藥吲哚美辛在體內約有50%經O-脫甲基代謝，生成無活性的化合物。O-脫烷基化反應的速度和烷基鏈長度及分支有關，鏈越長，分支越多，O-脫烷基化速度越慢。較長的碳鏈還會發生ω-和ω-1氧化。
（2）醇類和羧酸類藥物
含醇羥基的藥物在體內醇脫氫酶的催化下，脫氫氧化得到相應的羰基化合物。大部分伯醇在體內很容易被氧化生成醛，但醛不穩定，在體內醛脫氫酶等酶的催化下進一步氧化生成羧酸。
仲醇中的一部分可被氧化生成酮，也有不少仲醇不經氧化而和叔醇一樣經結合反應后直接排出體外。
催化伯醇氧化生成醛的醇脫氫酶是雙功能酶，即能催化伯醇氧化生成醛，也會催化醛還原生成醇。該反應的平衡和pH有關，在較高pH(約pH 10)條件下有利于醇的氧化；在較低pH(約pH 7)條件下有利于醛的還原。在生理pH的條件應有利于醛的還原。在體內醛幾乎全部氧化生成羧酸，僅有很少一部分醛被還原生成醇。
實際很少有含醛基的藥物。只有伯醇和伯胺經代謝后生成醛是這些藥物產生毒性的根源。處于芐位的甲基也可經氧化生成醇、醛、羧酸的代謝途徑。如非甾體抗炎藥甲芬那酸經代謝生成相應的羧酸代謝物。
（3）酮類藥物
酮類藥物在酶的催化下經代謝生成相應的仲醇。由于藥物結構中的酮絕大多數是不對稱酮，還原后得到的醇的結構中往往會引入新的手性碳原子，而產生光學異構體，而體內酶的催化反應通常具有立體選擇性。如鎮痛藥S-(+)-美沙酮經代謝后生成3S,6S-α-(-)-美沙醇（具活性）。
5.含硫原子的硫醚S-脫烷基、硫醚S-氧化反應、硫羰基化合物的氧化脫硫代謝、亞砜類藥物代謝的規律
含硫原子的藥物主要有硫醚、含硫羰基化合物、亞砜和砜類。其中硫醚類藥物主要經歷S-脫烷基和S-的氧化；含硫的羰基化合物會發生氧化脫硫代謝；亞砜類藥物則可能經過氧化成砜或還原成硫醚。
（1）硫醚的S-脫烷基
芳香或脂肪族的硫醚通常在酶的作用下，經氧化S-脫烷基生成硫醚和羰基化合物。如抗腫瘤活性的藥物6-甲基巰嘌呤經氧化代謝脫S-甲基得6-巰基嘌呤。
（2）硫醚的S-氧化反應
硫醚類藥物除發生氧化脫S-烷基代謝外，還會在黃素單加氧酶或CYP 450酶的作用下，氧化生成亞砜，亞砜還會被進一步氧化生成砜。如驅蟲藥阿苯噠唑經氧化代謝分別生成亞砜化合物，其生物活性均比氧化代謝前提高，發揮驅蟲作用。
（3）含硫羰基化合物的氧化脫硫代謝
氧化脫硫反應主要是指對碳-硫雙鍵 (C=S) 和磷-硫雙鍵(P=S)的化合物經氧化代謝后生成碳-氧雙鍵(C=O)和磷-氧雙鍵(P=O)。
硫羰基化合物通常見于硫代酰胺和硫脲的代謝。如硫噴妥經氧化脫硫生成戊巴比妥，使脂溶性下降，作用強度有所減弱。抗腫瘤藥物塞替派在體內可被脫硫代謝生成另一個抗腫瘤藥物替哌。
（4）亞砜類藥物的代謝
亞砜類藥物則可能經過氧化成砜或還原成硫醚。例如非甾體抗炎藥舒林酸，屬前體藥物，體外無效，進入體內后經還原代謝生成硫醚類活性代謝物發揮作用，減少了對胃腸道刺激的副作用。舒林酸的另一條代謝途徑是氧化生成砜類無活性的代謝物。
6.酯和酰胺類藥物第Ⅰ相生物轉化的規律
酯和酰胺類藥物在體內代謝的主要途徑為水解代謝，如羧酸酯、硝酸酯、磺酸酯、酰胺等藥物在體內代謝生成酸及醇或胺。
酯和酰胺藥物的水解反應可以在酯酶和酰胺酶的催化下進行，也可以在體內酸或堿的催化下進行非酶的水解。
局部麻醉藥普魯卡因在體內代謝時絕大部分迅速被水解生成對氨基苯甲酸和二乙氨基乙醇，而很快失去局部麻醉作用。酰胺和酯相比，酰胺比酯更穩定而難以水解。如和普魯卡因相比，抗心律失常藥普魯卡因胺在體內水解速度較慢，約60%的藥物以原形從尿中排出。
酰胺也可被N-氧化為羥胺，致癌毒性比較高。已淘汰的藥物非那西汀的毒性就是由于產生N-羥基化代謝產物所引起的。
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