第二单元 外来化合物的生物转运和生物转化

　　第一节 生物转运

　　一、生物转运的概念

　　外来化合物在机体的吸收、分布和代谢过程，统称为生物转运。

　　二、生物转运机理

　　外来化合物在体内的生物转运主要通过下列机理：

　　㈠ 简单扩散 外来化合物在体内的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，外来化合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。简单扩散是外来化合物在体内生物转运的主要机理。在一般情况下，大部分外来化合物通过简单扩散进行生物转运。除生物膜两则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。

　　1、外来化合物在脂质中的溶解度，可以脂水分配系数来表示，即外来化合物在脂相中的浓度与在水相中浓度的比值(脂相中的浓度/水相中的浓度)。脂水分配系数越大，越容易透过生物膜而进行扩散。但外来化合物在生物转运过程中，除经过脂相外，还要通过水相，因为生物膜的构造包括脂相和水相，所以一种外来化合物如在水中溶解度过低，即使脂水分配系数很大，也不容易透过生物膜进行扩散，只有既易溶于脂肪又易溶于水的外来化合物，才最容易透过生物膜进行扩散。

　　2、外来化合物的电离或离解状态。呈离子状态的外来化合物不易通过生物膜;反之，非离解状态的外来化合物则容易透过。外来化合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)。除上述两种主要因素外，还有许多其他因素也可对简单扩散发生影响。

　　㈡ 滤过

　　滤过是外来化合物透过生物膜上亲水性孔道的过程。大量的水可借助渗透压梯度和液体静压作用通过孔道进入细胞。外来化合物可以水作为载体，随之而被动转运。

　　㈢ 主动转运

　　外来化合物透过生物膜由低浓度处向高浓度处移动的过程。其主要特点是：①可逆浓度梯度转运，故消耗一定的代谢能量;②转运过程需要载体参加。载体往往是生物膜上的蛋白质，可与被转运的外来化合物形成复合物而转运至膜的另一侧，然后释放外来化合物，载体又回到原处，并继续进行第二次转运;③载体既然是生物膜的组成成分，所以有一定的容量;当化合物浓度达到一定程度时，载体可以饱和，转运即达到极限;④主动转运有一定的选择性。即化合物必须具有一定基本结构才能被转运;结构稍有改变，则可影响转运的进行;⑤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，两种化合物之间可出现竞争，并产生竞争抑制。

　　㈣ 载体扩散

　　不易溶于脂质的外来化合物，利用载体由高浓度向低浓度处移动的过程。由于不能逆浓度递度由低浓度处向高浓度处移动，所以不消耗代谢能量。由于利用载体，生物膜具有一定主动性或选择性，但又不能逆浓度梯度，故又属于扩散性质，也可称为易化扩散或促进扩散。水溶性葡萄糖由胃肠道进入血液、由血浆进入红细胞并由血液进入神经组织都是通过载体扩散。

　　㈤ 胞饮和吞噬

　　液体或固体外来化合物被伸出的生物膜包围，然后将被包围的液滴或较大颗粒并入细胞内，达到转运的目的，前者称为胞饮，后者称为吞噬。机体内外来异物的消除，例如白细胞吞噬微生物，肝脏网状内皮细胞对有毒异物的消除都与此有关。

　　三、吸收的概念及吸收途径

　　㈠ 吸收的概念

　　吸收是外来化合物经过各种途径透过机体的生物膜进入血液的过程。

　　㈡ 吸收途径

　　1、经胃肠道吸收

　　胃肠道是外来化合物最主要吸收途径。许多外来化合物可随同食物或饮水进入消化道并在胃肠道中吸收。一般外来化合物在胃肠道中的吸收过程，主要是通过简单扩散，仅有极少种类外来化合物的吸收是通过吸收营养素和内源性化合物的专用主动转运系统。

　　外来化合物在胃肠道的吸收可在任何部位进行，但主要在小肠。外来化合物在胃内吸收主要通过简单扩散过程。由于胃液酸度极高(pH 1.0)，弱有机酸类物质多以未能解离形式存在，所以容易吸收;但弱有机碱类物质，在胃中离解度较高，一般不易吸收。

　　小肠内的吸收主要也是通过简单扩散。小肠内酸碱度相对趋向中性(pH 6.6)，化合物离解情况与胃内不同。例如，弱有机碱类在小肠主要呈非离解状态，因此易被吸收。弱有机酸与此机反，例如苯甲酸在小肠中不易被吸收。但事实上由于小肠具有极大表面积，绒毛和微绒毛可使其表面积增加600倍左右，因此小肠也可吸收相当数量的苯甲酸。此外，小肠粘膜还可以通过滤过过程吸收分子量为100～200以下的小分子，胃肠道上皮细胞亦可通过胞饮或吞噬过程吸收一些颗粒状物质。

　　2、经呼吸道吸收

　　肺是呼吸道中主要吸收器官，肺泡上皮细胞层极薄，而且血管丰富，所以气体、挥发性液体的蒸气和细小的气溶胶在肺部吸收迅速完全。吸收最快的是气体、小颗粒气溶胶和脂水分配系数较高的物质。经肺吸收的外来化合物与经胃肠道吸收者不同，前者不随同门静脉血流进入肝脏，未经肝脏中的生物转化过程，即直接进入体循环并分布全身。气体、易挥发液体和气溶胶在呼吸道中的吸收主要通过简单扩散，并受许多因素影响，主要是在肺泡气与血浆中浓度差。一种气体在肺泡气中的浓度，可以其在肺泡中的分压表示，一种气体的分压即为其肺泡气总压力中所占的百分率。分压越高，机体接触的量越大，也越容易吸收。随着吸收过程的进行，血液中该气体的分压将逐渐增高，分压差则相应降低。该气体在血液中的分压将逐渐接近在肺泡气的分压，最后达到平衡，呈饱和状态。在饱和状态时，气体在血液中的浓度(mg/L)与在肺泡气中浓度(mg/L)之比，称为血/气分配系数，即气体在血液的浓度/气体在肺泡中的浓度比值。血/气分配系数越大，即溶解度越高，表示该气体越易被吸收。

　　气体在呼吸道内的吸收速度与其溶解度和分子量也有关。在一般情况下，吸收速度与溶解度成正比。非脂溶性的物质被吸收时通过亲水性孔道，其吸收速度主要受分子量大小的影响;分子量大的物质，相对吸收较慢，反之亦然。溶于生物膜脂质的物质，吸收速度与分子量大小关系不大，而主要决定于其脂/水分配系数，脂/水分配系数大者吸收速度相对较高。

　　影响化学物质经呼吸道吸收的因素还有肺泡的通气量和血流量，肺泡通气量与血流量的比值称为通气/血流比值，特别是与肺泡通气量与血流量两者的比值有关。

　　3、经皮肤吸收

　　外来化合物经皮肤吸收，一般可分为两个阶段，第一阶段是外来化合物透过皮肤表皮，即角质层的过程，为穿透阶段。第二阶段即由角质层进入乳头层和真皮，并被吸收入血，为吸收阶段。

　　经皮肤吸收主要机理是简单扩散，扩散速度与很多因素有关。在穿透阶段主要有关因素是外来化合物分子量的大小、角质层厚度和外来化合物的脂溶性。脂溶性的非极性化合物通过表皮的速度与脂溶性高低，即脂/水分配系数的大小成正比，脂溶性高者穿透速度快，但与分子量成反比。

　　在吸收阶段，外来化合物必须具有一定的水溶性才易被吸收，因为血浆水是一种水溶液。目前认为脂/水分配系数接近于1，即同时具有一定的脂溶性和水溶性的化合物易被吸收进入血液。

　　此外，气温、湿度及皮肤损伤也可影响皮肤的吸收。

　　四、分布的概念及影响分布的主要因素

　　㈠ 分布概念

　　分布是外来化合物通过吸收进入血液或其它体液后，随着血液或淋巴液的流动分散到全身各组织细胞的过程。

　　㈡ 影响分布的主要因素

　　1、外来化合物与血浆蛋白结合 外来化合物进入血液之后往往与血浆蛋白，尤其是血浆白蛋白结合。这种结合是可逆的，它可以视为外来化合物在体内分布运输的一个过程。与血浆白蛋白结合的外来化合物与未结合的游离化学物质呈动态平衡，又由于血浆白蛋白与化学物质结合的专一性不强，所以当有另一种外来化合物或药物或生理代谢产物存在时，可以发生竞争现象。例如DDE(DDT代谢物)就可竞争性置换已与白蛋白结合的胆红素，使其在血中游离。

　　2、外来化合物与其他组织成分结合 外来化合物还可与其它组织成分结合，如多种蛋白质、粘多糖、核蛋白、磷脂等。这些结合有分布意义，有的也有毒理意义。例如一氧化碳与血红蛋白具有高度亲合力，导致缺氧而中毒。又如除草剂百草枯不论何种途径接触，均可浓集分布于肺引起损伤。

　　3、外来化合物在脂肪组织和骨骼中贮存沉积 脂溶性外来化合物可贮存于脂肪组织中，并不呈现生物学活性。只有在脂肪被动用、外来化合物重新成为游离状态时，才出现生物学作用。DDT在脂肪组织中的贮存即如此。

　　骨骼也可作为许多外来化合物的贮存沉积场所。例如铅可取代骨骼中的钙，被机体吸收的铅有40%可沉积于骨骼中，对机体危害相对较小。但在一定条件下，可游离释放，进入全身循环，对机体造成损害。

　　4、体内各种屏障的影响 机体内有若干膜屏障，对保护一些器官有重要意义。研究外来化合物在机体内的分布是否可以透过这些屏障，具有重要的毒理学意义。

　　⑴ 血脑屏障

　　由毛细血管内皮细胞和聚集包围毛细血管的星形胶质细胞的软脑膜组成的一种特殊的功能结构¾¾血脑屏障。血脑屏障的重要性，在于保障血液和脑组织之间的正常代谢物质的交换，阻止非需要物质的进入，从而维持脑的正常功能。一般外来化合物只有分子量小，脂溶性高的才能穿透。而电离的、离子型的、水溶性大的化学物质则难于透过血脑屏障。如无机汞就不容易进入脑组织，而甲基汞则易于透过血脑屏障，造成中枢神经系统功能损伤。

　　⑵ 胎盘屏障

　　胎盘除在母体与胎儿之间进行营养素、氧、二氧化碳和代谢产物的交换外，还有阻止一些外来化合物由母体透过胎盘进入胚胎、保障胎儿正常生长发育的功能。胎盘屏障的解剖学基础是位于母体血液循环系统和胚胎之间的几层细胞构成。不同物种动物和同一物种的不同妊娠阶段胎盘细胞层数并不一样。例如猪和马有6层，大鼠、豚鼠只有一层;家兔在妊娠初期有6层，到妊娠末期仅有一层。较薄的胎盘，即细胞层数较少者，外来化合物相对容易透过，例如大鼠胎盘较人类为薄，外来化合物容易透过，故用受孕大鼠进行致畸试验可能更为繁感。

　　大部分外来化合物透过胎盘的机理是简单扩散，而胚胎发育所必需的营养物质，则通过主动转运而进入胚胎。

　　五、排泄概念和主要途径

　　㈠ 排泄的概念 排泄是外来化合物及其代谢产物向机体外转运的过程，是机体物质代谢全部过程中的最后一个环节。

　　㈡ 排泄的主要途径

　　1、随同尿液经肾脏排泄 肾脏排泄外来化合物的效率极高，也是最重要的排泄器官，其主要排泄机理有三：即肾小球滤过、肾小球简单扩散和肾小管主动转运，其中简单扩散和主动转运更为重要。

　　肾小球过滤是一种被动转运，肾小球毛细管具有孔道，直径约40°A左右，分子量在7万以下的物质皆可滤过。因此大部分外来化合物或其代谢产物均可滤出，只有与血浆蛋白结合的化学物质因分子量过大，不易透过孔道。但需指出，凡是脂/水分配系数大的化学物质或其代谢产物，则又可被肾小管上皮细胞以简单扩散方式重吸收入血。只有水溶性物质或离子型物质等才进入尿液。

　　肾小管主动转运实际上是肾小管主动分泌，此种主动转运可分为两种系统，一为供有机阴离子化学物质转运;一为供有机阳离子化学物质转运。此两个系统均位于肾小管的近曲小管。这两种转运系统均可以转运与蛋白质结合的物质，且存在两种化学物质通过同一转运系统时的竞争作用。

　　2、经肝脏随同胆汁排泄

　　经过肝脏随同胆汁排出体外是外来化合物在体内消除仅次于肾脏的另一种排泄途径。来自胃肠的血液携带着所吸收的外来化合物先通过门静脉进入肝脏，然后流经肝脏再进入全身循环。外来化合物在肝脏中先经过生物转化，生物转化过程中形成的一部分代谢产物，可被肝细胞直接排泌入胆汁，再混入粪便排出体外。

　　外来化合物随同胆汁进入小肠后，可能有二种去路：① 一部分易被吸收的外来化合物及其代谢产物，可在小肠中重新被吸收，再经门静脉系统返回肝脏，再随同胆汁排泄，即进行肠肝循环。肠肝循环具有重要生理学意义，可使一些机体需要的化合物被重新利用，例如各种胆汁酸平均有95%被小肠壁重吸收，并再被利用。在毒理学方面则由于有些外来化合物再次吸收，使其在体内停留时间延长，毒性作用也将增强。② 再有一部分外来化合物在生物转化过程中形成结合物，并以结合物的形式出现在胆汁中;肠内存在的肠菌群以及葡萄糖苷酸酶，可将一部分结合物水解，则外来化合物可重新被吸收并进入肠肝循环。

　　3、经肺随同呼出气排泄

　　许多气态外来化合物可经呼吸道排出体外。如一氧化碳、某些醇类和挥发性有机化合物都可经肺排泄。其经肺排泄的主要机理是简单扩散，排泄的速度主要决定于气体在血液中的溶解度、呼吸速度和流经肺部的血液速度。在血液中溶解度较低的气体，例如一氧化二氮排泄较快;而血液中溶解度高的物质，例如乙醇经肺排出较慢，呼吸速度的影响，在不同化合物略有不同。例如，乙醚在血液中溶解度高，过度通气时，经肺排出极为迅速。而有些不易溶于血液的气体(例如六氟化硫)的排出几乎不受过度通气的影响。

　　溶解于呼吸道分泌液的外来化合物和巨噬细胞摄入的颗粒物质，将随同呼吸道表面的分泌液排出。

　　4、其它排泄途径

　　外来化合物还可经其它途径排出体外。例如经胃肠道排泄、随同汗液和唾液排泄，随同乳汁排泄。此种排泄途径虽然在整个排泄过程中所占比例并不重要，但有些却具有特殊的毒理学意义。例如随同乳汁排泄。许多外来化合物可通过简单扩散进入乳汁。有机氯杀虫剂、乙醚、多卤联苯类、咖啡碱和某些金属都可随同乳汁排出。如果某种物质与母体长期反复多次接触，则容易在乳汁中浓集，重要的意义在于对婴儿的损害作用;因为按单位体重计算，婴儿通过乳汁摄入的外来化合物往往大于一般人群。