被动扩散

被动扩散

被动扩散的驱动力来自热力学梯度，即化学势（μ）的差异。溶质在膜两侧的化学势差Δμ决定其跨膜方向，当Δμ=0时达到平衡。在理想溶液中，化学势与浓度满足μ=μ⁰+RTlnC，其中R为气体常数，T为绝对温度，C为摩尔浓度。实际应用中，浓度差ΔC近似代表驱动力。

根据菲克第一定律（Fick's first law），扩散通量J（单位时间通过单位面积的物质量）与浓度梯度dC/dx呈正比：J=-D·dC/dx。负号表示物质向低浓度方向扩散。扩散系数D受介质黏度、溶质尺寸及温度影响，由斯托克斯-爱因斯坦方程描述：D=kB T/(6πηr)，其中kB为玻尔兹曼常数，η为介质黏度，r为溶质水合半径。对于生物膜，其有效扩散系数需考虑膜内分配行为，故引入油水分配系数P（如LogP）衡量。

实际跨膜扩散需经历膜内外水相、膜表面及膜内脂质三层结构。速率限制步骤通常为跨脂质双分子层过程。引入跨膜扩散速率公式：R=(P·S·ΔC)/δ，其中S为膜面积，δ为膜厚度，P为渗透系数（permeability coefficient），其单位常为cm/s。P值综合了溶质在膜脂质中的分配能力（由分配系数K、扩散系数Dₘ决定）和膜厚度：P=K·Dₘ/δ。亲脂性高、分子量小的溶质P值较大，例如乙醇的LogP为-0.31，P约为0.5×10⁻⁶ cm/s；而葡萄糖的LogP=-3.0，P仅为1.5×10⁻¹¹ cm/s，故葡萄糖需载体介导转运。

被动扩散是细胞与外界进行物质交换的基础机制之一。氧气和二氧化碳作为非极性小分子，能快速通过血-脑屏障及肺泡-毛细血管膜。以肺泡气体交换为例：肺泡内O₂分压（100 mmHg）高于静脉血（40 mmHg），顺梯度扩散进入血液；CO₂则从肺泡毛细血管（46 mmHg）扩散入肺泡腔（40 mmHg），经呼气排出。该过程无饱和现象，可适应剧烈运动时的高通量需求。水分子虽极性，但因其分子极小（分子量18），能以超滤方式经细胞间隙或通过水通道蛋白辅助扩散（虽非完全被动，但可视为类被动过程）。脂溶性维生素（A、D、E、K）和游离脂肪酸均依靠被动扩散吸收，其生物利用度显著受食物脂质成分影响。

药物吸收与被动扩散密切相关。按生物药剂学分类系统（BCS），高溶解度、高渗透性药物（I类，如美托洛尔）吸收良好；低溶解度、高渗透性药物（II类，如灰黄霉素）受溶出速率限制；高溶解度、低渗透性药物（III类，如阿替洛尔）跨膜受限；低溶解度、低渗透性药物（IV类，如奥沙拉秦）吸收困难。被动扩散无转运体饱和竞争，但易受药物-药物相互作用，如食物可改变胃肠道pH而影响电离度。

（1）膜通透性：由膜脂质组成与流动性决定。胆固醇含量增高的膜（如红细胞膜）刚性增加，降低扩散速率。膜蛋白也可形成微环境区域（脂筏）改变局部通透性。

（2）溶质性质：极性/非极性：非极性溶质易溶于脂质；电离程度：解离型药物极性大、扩散差，因此弱酸性药物（如阿司匹林pKa=3.5）在胃酸性环境下非解离占优，吸收良好；而弱碱性药物（如麻黄碱pKa=9.6）易在肠道碱性环境下非解离。分子量>500道尔顿的大分子几乎不能通过被动扩散，需内吞等机制。

（3）浓度梯度与膜面积：肺泡毛细血管床面积约70 m²，极高膜代偿能力确保气体交换；肾小管重吸收时，水通道蛋白浓缩可使小分子重吸收增强。病理条件下，如肺纤维化导致膜厚增加，扩散速率下降。

（4）pH-分配假说（pH-partition hypothesis）：非离子态药物被动扩散起主导，离子态难通透。给药部位pH通过改变非离子型比例影响吸收。例如，口服弱酸性药物在胃（pH 1-3）吸收更佳；而弱碱性药物宜在肠道（pH 5-8）给药。

被动扩散异常参与诸多疾病：囊性纤维化（CF）患者因CFTR氯通道缺陷，导致气道上皮表面液体减少，黏液中NaCl浓度升高，影响水分子跨膜扩散，痰液黏稠。早产儿肺表面活性物质缺乏时，肺泡表面张力剧增，气体扩散受限。肝性脑病时血氨浓度升高，氨（NH₃，非极性小分子）可自由通过血-脑屏障扩散入脑，导致星形胶质细胞肿胀。此外，化疗药物耐药常因肿瘤细胞上调p-糖蛋白（ATP依赖外排泵），但被动扩散本身不受影响。

传统测定方法包括Ussing室（Using Chamber）：将肠上皮细胞加载于两室之间，测量荧光标记化合物或放射性底物的跨膜流量。也可采用平行人工膜渗透试验（PAMPA）：用人工脂质膜模拟被动扩散，可预测口服吸收。细胞模型如Caco-2单层、MDCK细胞则用于区分被动扩散与转运体介导过程：在无能量（如4℃或叠氮化钠）条件下测定运输，若转运显著降低，则提示主动转运；若不变则为扩散。此外，停流光谱法（stopped-flow）可用于测定快速扩散速率。

被动扩散无需能量且无转运体参与，表现为一级动力学（通量与浓度差成正比），无饱和现象。与之相对，促进扩散需载体但不耗能，表现为非线性动力学（存在最大转运速率Vmax）。主动运输则需ATP，可逆浓度梯度转运。三种机制常共同调控物质平衡。

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