酒精可通过消化道和呼吸道进入人体。口服后10min左右即可吸收入血,约30~90min达到血浆浓度峰值。酒精主要在消化道吸收,约20%由胃吸收而约80%由十二指肠和空肠吸收。单次饮酒后约2h摄入的酒精可被全部吸收。空腹状态时酒精吸收最快,而小肠比胃吸收快。酒精浓度和胃状态均可影响酒精在胃中的吸收。酒品中酒精浓度为10%及以下者在胃中吸收较少,15%~30%者在胃中吸收较快,而30%以上者可引起胃黏膜出血和糜烂。不同品种的酒精吸收速度亦不同,如白酒中含有的微量有机酸等可抑制胃运动而减慢酒精吸收,而啤酒中含有的二氧化碳气体则会刺激胃运动、促进胃排空而加速酒精吸收。空胃状态时酒精吸收量及吸收速度都会增加;进食混合性食物可降低胃内酒精浓度,减少酒精与胃黏膜的接触,可减慢酒精吸收;与牛奶混用或进食固态食物,胃排空延迟,亦可使酒精吸收减慢。
酒精吸收后会被胃及肝脏的乙醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase,ADH)首关代谢,导致口服时酒精的生物利用度低于静脉注射途径。女性的酒精胃代谢量低于男性,故女性对酒精更敏感。阿司匹林(aspirin)抑制胃乙醇脱氢酶,可增加酒精的生物利用度。
进入血液的酒精可分布于全身体液中,人体液含量约(0.5~0.7)L/kg,包括脑和肺泡气,并能通过血脑屏障和胎盘屏障。血液酒精浓度可直接反映其全身浓度。
酒精吸收入血后首先经肝。酒精主要在肝脏被氧化代谢,少量原型可迅速由肾脏、肺脏及汗腺清除。酒精的肝脏氧化代谢主要分两步:首先被乙醇脱氢酶代谢,约90%~98%的乙醇被氧化为乙醛;随后乙醛主要被乙醛脱氢酶(aldehyde dehydrogenase,ALDH)氧化成乙酸,乙酸再转化为乙酰辅酶A进入三羧酸循环,参与机体多种代谢后,最终分解成CO 2 和水排出体外(图3-1-1)。
图3-1-1 酒精代谢过程
酒精氧化成乙酸的两步反应中均需要尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD + ,辅酶Ⅰ,CoⅠ)的参与,1mol乙醇(46g)氧化成乙酸需要2mol的CoⅠ参与。反应中所需NAD + 远超过肝脏能提供的量,故肝脏NAD + 的实际量将体重约70kg成人酒精的代谢速度限制到约8g/h。一般亚洲人的乙醇清除率约为100mg/(kg·h),即70kg成人每小时可清除乙醇约7g(100%乙醇约9ml)。当血液乙醇浓度很高尤其是酒精中毒时,肝脏细胞色素P450酶系(CYP2E1)功能可被诱导,从而加快酒精代谢。本途径虽不是酒精代谢的主要途径,却是酒精与其他药物相互作用的重要部位。CYP2E1可被长期饮酒诱导,导致其底物清除加快,也使特定毒性物质如四氯化碳(CCl 4 )的活化增强。服用某些药物时若急性饮酒,可因酒精与之竞争同一代谢酶系而使药物的清除减少,如苯妥英钠(phenytoin)和华法林(warfarin)等。此外,过氧化氢酶(catalase)也能将乙醇氧化成乙醛,但肝脏过氧化氢浓度过低以致此途径不显著。
酒精代谢时间受遗传因素、吸收及排泄率、酒精摄入量和饮酒者的习惯等影响。经常饮酒可诱导肝微粒体酶活性增强,酒精代谢加快,酒量会增大。乙醛脱氢酶在酒精代谢过程中很关键,肝脏乙醛脱氢酶活性高,酒量相对较大。人群中乙醇脱氢酶数量、活性相近,但乙醛脱氢酶的数量及活性存在明显人种及个体差异。约40%的亚洲人乙醛脱氢酶呈无活性或低活性状态,酒精摄入后代谢慢,血浆乙醛浓度升高快,出现颜面及全身潮红、心悸、波动性头痛、呕吐等症状,即醉酒现象。饮酒后颜面及全身潮红,主要是乙醛扩张毛细血管所致。ADH活性增强或ALDH活性减弱都更易出现醉酒及酒精中毒。大多数女性的ADH和ALDH数量均低于男性,更易醉酒;且女性胃内缺少ADH,胃内酒精代谢少,使吸收入肝的酒精量明显增加,从而可致比男性更重的机体损害。
酒精的主要氧化过程中肝脏NADH/NAD(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸还原态与氧化态之比)明显升高会带来一系列的严重后果。除酒精代谢率受限外,所有需要NAD + 的酶都受到抑制,引起乳酸盐堆积、三羧酸循环活性下降、源于乙醇的乙酰辅酶A(acetylCoA,AcCoA)也堆积。NADH和乙酰辅酶A的增多促进脂肪酸的合成及储存,还引起三酰甘油的堆积。酮体积聚,会加重乳酸酸中毒。此外,酒精CYP2E1代谢途径产生的NADP + (辅酶Ⅱ,CoⅡ)过多,会限制依赖NADPH的还原型谷胱甘肽(glutathione,GSH)再生,促使氧化应激(oxidative stress)加重。重度饮酒所致肝病的机制与多种代谢因素有关,如CYP2E1酶系被诱导所致毒素活化加强、H 2 O 2 及氧自由基的产生,还有乙醇影响肠道革兰氏阴性菌群引起内毒素释放增加等。重度饮酒对多数器官都有不良影响,组织损害多归因于酗酒者的营养不良状态(吸收不良和维生素A、D及硫胺素缺乏)、乙醇对免疫系统的抑制及其他的多种全身效应。
工业酒精中通常含有甲醇(methanol)。甲醇与乙醇结构相近,又称木精或木醇(wood alcohol),是重要的工业试剂和溶剂,脱漆剂、防冻剂、紫胶中均有甲醇。口服、吸入或皮肤接触都可快速吸收甲醇,后两者是工业中毒的主要途径。甲醇也由乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶途径代谢。甲醇中毒危害很大,许多假劣酒中均含有甲醇。酒精竞争性抑制同一代谢酶系(如ADH和CYP2E1)的其他作用底物如甲醇及乙二醇的代谢,减少其毒性代谢产物生成,因此可用于治疗甲醇及乙二醇中毒。许多药物都抑制酒精代谢,如乙醇脱氢酶(ADH)抑制剂甲吡唑(fomepizole,4-methylpyrazole)可用于治疗乙二醇(ethylene glycol)中毒,而乙醛脱氢酶(ALDH)抑制剂双硫仑(disulfiram)可用于治疗酗酒/酒精中毒。
酒精代谢中的主要代谢酶是ADH和ALDH,其次是过氧化氢酶和CYP2E1。部分酶存在遗传变异,导致不同个体的酒精代谢率及对酒精的敏感性不同。人类的乙醇脱氢酶以多种二聚体形式存在,由至少7种不同的基因编码至少6种功能略有差异的同工酶。ADH有五个类别(ClassⅠ~Ⅴ),人的胃及肝脏中主要是ClassⅠ。ADH除可代谢酒精外,还可代谢其他醇类,如甲醇和乙二醇。ADH的亚型遗传学关系到严重的复发性酒精问题,相关的三个亚型分别是ADH1A、ADH1B、ADH1C,属于Ⅰ类ADH,相关基因则位于4号染色体长臂2区2带(4q22)。这些乙醇脱氢酶的米氏常数(Km)<34mmol(0.15g/dl),血液酒精浓度(BEC)22mmol(0.10g/dl)时承担约70%的酒精代谢,是酒精代谢的限速步骤,清除血液酒精速度约为每小时4~5mmol(0.015~0.020g/dl)。
ADH1A 基因没有多态性,不会引起酒精代谢上的差异性。 ADH1B 基因具有多态性,等位基因 ADH1B*2 编码的ADH(第47位是组氨酸,取代原有的精氨酸)比 ADH1B 编码的ADH的最大酶促反应速度(V max )高40倍。这种多态性可见于约30%~45%的中、日、韩人群、约40%~55%的欧洲人,随之而来的酒精代谢加快可引起短暂而轻微的血液乙醛浓度增加,还可降低重度饮酒及发生酒精性相关问题的风险性。 ADH1B 的第二个多态性是等位基因 ADH1B*3 (第269位是半胱氨酸,取代原有精氨酸),可见于约30%的非洲人,同样可降低重度饮酒及发生酒精性相关问题的风险性。 ADH1C 基因表现出两个高位连锁不平衡的多态性:γ 1 和γ 2 。γ 1 的V max 是γ 2 的2倍,等位基因 ADH1C*1 编码的ADH的代谢率相对较快且可致较高的血液乙醛浓度。等位基因 ADH1C*1 和 ADH1B*2 的各自的独立效应很难分离。4号染色体上的 ADH 基因簇还包括Ⅱ类 ADH ,其Km = 34mmol,血液酒精浓度(BEC)22mmol时承担约30%的酒精代谢,其遗传多态性尚不清楚。
过氧化氢酶也参与酒精代谢。此外,酒精血药浓度较高时,微粒体酒精氧化系统(microsomal ethanol oxidation system,MEOS)在酒精代谢中的作用会变得重要,主要是CYP2E1酶系,CYP1A2和CYP3A4酶系也会参与。位于10号染色体的 CYP2E1 基因变异与脑部对酒精的敏感性或反应性有关。乙醛由酒精氧化代谢生成,随后主要被肝脏细胞线粒体内的乙醛脱氢酶2(ALDH2)快速代谢成乙酸。ALDH2的功能很重要,虽然低浓度的乙醛可以带来奖赏和刺激性感觉,但血液乙醛浓度高会引起严重的不良反应如呕吐、腹泻、血压不稳定等。乙醛脱氢酶是随机组合的四聚体,突变型亚基会影响四聚体稳定性,继而影响酶的正常功能。 ALDH2 基因位于12号染色体长臂2区4带(12q24),野生型等位基因记为 ALDH2*1 ,单碱基突变的等位基因 ALDH2*2 的第487位是赖氨酸替代了谷氨酸(glu487lys),且是显性遗传,表达有突变型等位基因 ALDH2*2 的 ALDH2 功能极低或缺失。 ALDH2*2 在人群中分布不均,主要出现于亚洲人种,有研究显示其出现频率中国汉族约15.5%(广东汉族最高约31%,武汉汉族约12%)、日本人约23.8%,白人和黑人基本不表达。 ALDH2*2 的纯合子基因存在于约5%~10%的中、日、韩国人,编码无功能的ALDH2,这种人群饮少量酒即可出现严重的不良反应,因此发生严重的复发性酒精问题的概率接近为零。服用ALDH2抑制剂双硫仑的人饮酒后也会引发相同反应。而多态性中的杂合子基因( ALDH2*2 和 ALDH 2*1 )则存在于30%~40%的亚洲人群中,饮酒后会出现颜面潮红、对酒精敏感度增加,但通常不会出现所有的不良反应。与普通人群相比表达杂合子ALDH2的人群倾向于饮酒量较低,但反复摄入还是会增加有害的酒精相关器官损害风险,如发生肝癌、食管癌、贲门癌、胃癌、喉癌等,也许还包括胰腺炎,这些可能与患者乙醛水平较高有关。乙醛脱氢酶发生其他突变时,其基因多态性和酒精风险之间的潜在关系尚不清楚。