内容概要
  • 细胞膜和化学物质
  • 化学物质的运输方法
  • 影响化学物质可获得性的因素
你知道么
我们接触的大多数化学物质——包括我们吃的食物——在进入血液之前必须经过一个复杂的细胞膜系统。化学物质进入人体的方式有很多种，这取决于化学物质的类型和与之接触的身体部位。
关键概念
  • 化学物质可以通过多种方法进入人体，但大多数在进入血液之前必须通过活细胞膜。
  • 细胞膜主要由磷脂和脂质双层形式的蛋白质组成。
  • 化学物质通过细胞膜的机制包括：被动扩散、促进扩散、主动运输和内吞作用。
  • 人体解剖结构和化学结构等因素会影响体内化学物质的运动。
2000年5月27日在美国路易斯安那州尤尼斯，一列货运列车脱轨。这列火车由三个机车头和113节车厢组成，其中87节车厢满载。脱轨的33个车厢中有14个含有危险化学品，包括氯甲烷、甲苯二异氰酸酯、己烷、腐蚀性液体。大约3000名居民被疏散，11人因吸入性受伤被送往当地医院。为什么必须撤离？从货运列车上释放的化学物质如何进入人的身体并造成损害？
细胞膜和化学物质
化学物质（食品、药品、滥用药物、工业化学品）可以通过各种方式进入人体，包括摄入、吸入、注射（静脉内、皮下注射、肌肉注射）、皮肤涂抹、使用栓剂、粘膜（眼睛、口腔、鼻腔）上涂抹。除了直接注射到血液，化学物质必须经过活细胞膜的复杂系统才能进入血液。
例如，进入消化道的化学物质必须被小肠内壁的细胞吸收，通过细胞转移到另一侧，然后化学物质可以被毛细血管细胞吸收到血液中。同样，呼吸时吸入的化学物质，就像脱轨后释放的化学物质一样，必须通过肺泡细胞到达靠近肺泡的毛细血管细胞才能进入血液。
当化学物质进出细胞时，它们必须穿过细胞膜（图1）。膜将所有细胞内容物安全地保持在内，它允许某些材料通过几种不同的机制进出细胞。细胞膜主要由磷脂与蛋白质组成，是一个双层。两个脂质层面对面排列，磷脂分子（磷酸基团）的亲水部分面向细胞内（细胞质）及细胞外（细胞间液）的水性介质。膜中蛋白质和磷脂的结构关系由两位科学家辛格（S.J. Singer）和尼科尔森（G. Nicolson）确定，被称为“流体镶嵌模型”（fluid mosaic model）。
图1：细胞膜。化学物质必须穿过膜才能进入或离开细胞。
【考考自己】化学物质可以进入你的眼睛。
a.对。
b.错。
化学物质的运输方法
化学物质通过细胞膜的机制之一是被动扩散。化学物质的被动扩散是基于细胞外部与细胞内部之间化学物质浓度的差异。外部和内部之间的浓度差异越大，化学物质向细胞内部的扩散就越大。由于膜本质上是高度脂质的，因此化学物质在膜上扩散的能力将取决于化学物质的亲脂性（亲脂性）特性。确定化学物质是否容易通过膜的一个相当简单的测试是确定其“油水分配系数”（oil-water partition coefficient）。将正在研究的化学物质添加到等体积的水和油的混合物中。摇动混合物，并在油和水分离后的每个阶段测定化学品的浓度。与水相相比，油相中化学物质的浓度较高，表明化学物质通过细胞膜的可能性更大。
细胞周围流体的pH值起作用，因为带电分子在膜上的扩散受到阻碍。与电离或极性分子相比，未电离分子更易溶于脂质，并且更容易跨膜扩散。化学物质在不同pH值下的电离程度取决于化学物质的pKa，即50%的化学物质被电离而50%未电离的pH值。胃内的pH值约为1.0-2.0，而小肠内的pH值约为7.0-8.0。因此，在这两种环境中，每种化学物质的电离与非电离化学物质的比例会有所不同（具体取决于化学物质的pKa），这显然会影响从这两个部位吸收的化学物质的量。
水溶性化学物质与载体蛋白一起跨膜运输，这个过程被称为促进扩散。与无辅助扩散一样，化学物质正在从较高浓度移动到较低浓度（图2）。
图2：被动扩散和促进扩散。脂溶性分子穿过质膜，而水溶性分子在蛋白质的帮助下穿过质膜。
无机离子（如钠和钾）以及许多药物通过“主动转运”的机制穿过细胞膜。在这种情况下，化学物质逆着浓度梯度移动。其中一种膜泵是钠/钾ATP酶泵，由丹麦生物物理学家Jens Christian Skou发现。泵将钠 （Na+） 离子从细胞中输送出来，将钾 （K+） 输送到细胞中。与扩散不同，主动运输需要能量。
化学物质穿过细胞膜的另一种机制是通过膜孔。这种扩散取决于孔隙的大小和化学品的分子量。最后，膜实际上可以吞噬化学物质，形成囊泡，并将其穿过膜运输到细胞内部。这个过程称为内吞作用。
图3：人体解剖学。Bartolomeo Eustachi（卒于 1574 年）作品的彩色铜版画。
一旦化学物质进入血液，它就可以散布到远处的器官（图3）。当化学物质在身体周围循环时，最初它在血液中的浓度将大于组织中的浓度。因此，仅仅基于浓度梯度，化学物质往往会离开血液并进入周围的细胞。血液的pH值为7.4，将决定化学物质的电离，这将影响通过细胞膜的通道。
【考考自己】载体蛋白辅助____。
a.主动运输
b.辅助扩散
影响化学品可获得性的因素
有时其他因素会影响化学物质的运动。例如，并非所有化学物质都容易进入大脑。大脑中毛细血管的细胞紧密连接，阻碍细胞之间物质的流动。星形胶质细胞（glial cell）是中枢神经系统中的一种神经胶质细胞，在大脑的毛细血管上形成紧密覆盖，阻止或延缓大分子进入大脑。这些现象会产生“血脑屏障”。
胎盘是另一个不容易让所有化学物质通过的器官，从而保护胎儿。母体血液和胎儿血液没有直接接触。母体血液中的营养物质和其他化学物质进入母体血库。从那里，化学物质进入包含胎儿毛细血管的胎儿绒毛（fetal villi），由此进入胎儿的血液系统。上述影响化学物质在细胞膜上运动的因素，也在胎盘中起着类似的作用。来自母体血库的营养物质通过梯度主动运输到胎儿血液供应，而外来（可能是有毒的）化学物质则通过简单的被动扩散。一般来说，分子量大于1000的分子很难进入胎儿的血液供应。胎盘确实具有代谢化学物质的能力，该因素在确定化学物质对胎儿的影响方面起着重要作用。
【考考自己】血脑屏障

a.改变血液pH值

b.阻止大分子进入脑部
细胞获取化学物质还受到另外两个重要因素的影响。亲脂性（lipophilic）化学物质往往会被脂肪细胞吸收并保留在脂肪细胞中，然后从脂肪细胞中缓慢释放回血液中。一些化学物质与血浆蛋白（例如白蛋白）强烈结合，这种结合的缓慢释放将决定该化学物质在多长时间内发挥其生化和生理作用。例如，对乙酰氨基酚（泰诺）与血浆蛋白的结合不强，而地西泮（安定）则与血浆蛋白结合。因此，地西泮在体内的持续时间比对乙酰氨基酚更长。另外，氟、铅、锶等一些元素会长时间结合在骨骼中。当骨骼缓慢自我更新或在特殊情况下（例如在怀孕期间）分解时，化学物质会释放出来，并可能影响母亲和胎儿。
总之，化学物质可能通过各种途径进入人体。为了发挥其作用，它们必须通过复杂的细胞膜进入各个器官的细胞。化学物质进入细胞存在几种不同的机制，有数个因素在决定了化学物质可以多长时间发挥其治疗或毒性作用。
资料来源：
Morris S. Zedeck, Ph.D. “Membranes and Chemical Transport” Visionlearning Vol. BIO (8), 2004.
https://www.visionlearning.com/en/library/Biology/2/Membranes-and-Chemical-Transport/106
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