第一节 生物膜与生物转运

外源化学物的吸收、分布和排泄过程都是通过由生物膜构成的屏障的过程。生物膜（biomembrane）是包围着每个细胞的细胞膜（cell membrane，也称质膜）和细胞器膜的总称。

1、生物膜的结构和功能

生物膜主要由脂质和蛋白质组成，生物膜表面也含有少量的糖。生物膜的基本结构是连续的脂质双分子层排列，流动镶嵌模式就是对生物膜结构的一般概括。膜蛋白可以是结构蛋白、受体、酶、载体和离子通道等。生物膜主要有三个功能：一是隔离功能，包绕和分隔内环境；二是进行很多重要生化反应的场所；三是内外环境物质交换的屏障。当然，生物膜也可能是外源化学物毒作用的靶，如二氧化硅颗粒可以改变细胞膜蛋白的空间构象和脂质的流动性等。在膜上分布有很多直径为0.3～0.6nm的膜孔，它们是某些水溶性小分子化合物的转运通道。

2、通过生物膜转运的方式

外源化学物通过生物膜的转运方式主要有被动转运（passive transport）、主动转运（active transport）和膜动转运（cytosis）三大类。被动转运包括简单扩散（simple diffusion）、滤过（filtration）和易化扩散（facilitated diffusion），膜动转运包括吞噬作用（phagocytosis）和胞饮作用（pinocytosis）。

（一）被动转运

被动转运为外源化学物顺浓度差通过生物膜的过程。

1.简单扩散

简单扩散又称脂溶扩散，是大多数化学毒物通过生物膜的方式。

扩散速率可用Fick定律表示：

式中 R——扩散速率；

K——特定外源化学物的扩散常数；

A——生物膜的面积；

c₁－c₂——生物膜两侧的浓度梯度；

d——生物膜的厚度。

外源化学物在体内的简单扩散是依其浓度梯度差决定物质的扩散方向，即由生物膜的分子浓度较高的一侧向浓度较低的一侧扩散，当两侧达到动态平衡时，扩散即中止。简单扩散过程不需要消耗能量，外源化学物与膜不发生化学反应，生物膜不具有主动性，只相当于物理过程，故称为简单扩散。简单扩散是外源化学物在体内生物转运的主要机理。在一般情况下，大部分外源化学物通过简单扩散进行生物转运。除生物膜两侧浓度梯度差可以影响简单扩散外，还有其他因素亦可对简单扩散过程发生影响。

经简单扩散转运的化学毒物必须具备一定的脂溶性。脂溶性的高低可用脂－水分配系数（lipid/water partition coefficient）表示，即当一种物质在脂相和水相之间的分配达到平衡时，其在脂相和水相中溶解度的比值。一般情况，化学毒物的脂－水分配系数越大，越易溶解于脂肪，经简单扩散转运的速率也就越快。但由于扩散时不仅需要通过生物膜的脂相，还要通过水相，故脂－水分配系数极高、仅能全部溶解于脂肪的物质也难以通过简单扩散跨膜转运。此外，简单扩散受外源化学物的电离（ionization）或离解（dissociation）状态的影响也很大。呈离子状态的外源化学物不易通过生物膜；反之，非离解状态的外源化学物则容易透过。外源化学物的离解程度决定于本身的离解常数（pK）和所处介质中的酸碱度（pH）。

Henderson－Hasselbach公式表明：

2.滤过

滤过是外源化学物通过生物膜上亲水性孔道的过程。借助于流体静压和（或）渗透压梯度，大量的水可以经膜孔流过，溶解于水的分子直径小于膜孔的物质随之被转运。肾小球的膜孔直径较大，可允许分子质量小于50ku的分子通过，其他细胞膜上的膜孔则只允许分子质量为数百道尔顿以下、不带电荷的极性分子和O₂、CO₂等气体分子通过。

3.易化扩散

易化扩散是不易溶于脂质的化学物，利用载体由高浓度向低浓度处移动的过程。易化扩散不能逆浓度梯度由低浓度处向高浓度处移动，所以不消耗能量。由于利用载体，易化扩散也存在对底物的特异选择性、饱和性和竞争性抑制，但又不能逆浓度梯度，故又属于扩散性质，也可称为促进扩散。

（二）主动转运

主动转运指外源化学物在载体的参与下，伴随能量消耗，逆浓度梯度通过生物膜的转运过程。主动转运消耗能量，并可逆浓度梯度进行。转运过程需要载体参加，载体有一定的容量，当化合物浓度达到一定程度时，载体饱和，转运即达到极限。转运系统对外源化学物的结构具有特异选择性，如果两种化合物基本结构相似，在生物转运过程中又需要同一转运系统，则发生竞争性抑制。现已识别的主动转运系统包括：多药耐药（MDR）蛋白、乳腺癌耐药蛋白（BCRP）、有机阴离子转运多肽（OATP）、二价金属离子转运（DMT）蛋白等。

（三）膜动转运

吞噬作用和胞饮作用是通过细胞膜的流动将某些固体颗粒、液态微滴或大分子物质包绕并吞入细胞的过程。肺的巨噬细胞和肝、脾的单核－吞噬细胞中，膜动转运对移除肺泡和血液中的颗粒物具有重要意义。