不同性質物質細胞膜通透性的觀察比較(同名16461)

課題：不同性質物質細胞膜通透性的觀察比較

作者：張 勛

組員：陳 琪 陳志浩 胡彥波

孟 月 孫 帥

不同性質物質細胞膜通透性的觀察比較

張勛 陳琪 陳志浩 胡彥波 孟月 孫帥

摘要： 相對分子質量、脂溶性大小、電解質和非電解質溶液對細胞膜通透性的

影響。由于各種溶質進入細胞的速度不同，所以不同的溶質誘導紅細胞融血的時

間不同。可以通過測量溶血的時間來粗略比較細胞膜對不同物質通透能力的強

弱。

關鍵詞：溶血時間 細胞膜通透性 不同溶質

0 前言：

細胞膜的存在將胞內物質與細胞周圍環境隔開，為細胞內發生的各種代謝反

應提供了一個相對封閉、穩定的內環境。但這種屏蔽作用是相對的，因為細胞要

與周圍環境間進行物質和能量的交換，因此細胞膜也是細胞與外界環境進行物質

交換的結構。細胞膜可以選擇性的讓某些物質進出細胞。

各種物質進出細胞的方式不同，大體可以分為三種方式：1.被動運輸（依據

是否需要載體又可以分為自由擴散和協助擴散），疏水性小分子和某些極性小分

子以自由擴散的形式通過細胞膜。葡萄糖、氨基酸、核酸等營養物質通過載體蛋

白轉運進入；2.主動運輸，離子通過離子通道進入細胞，需要載體和能量；3.

胞吞胞吐，蛋白質等大分子。

單純考慮細胞膜的脂雙層性質，僅疏水性小分子和某些極性小分子可以以低

濃度差自由通過細胞膜，絕大多數的極性分子和離子不能自由通過，但細胞膜的

脂雙層上分布有豐富的功能各異的膜轉運蛋白，使得這些極性分子和離子的跨膜

運輸得以實現。膜轉運蛋白包括兩大類：載體蛋白和離子通道。其中離子通道是

離子通過細胞膜特有的方式。

以紅細胞為實驗對象，將其放入溶質不同的等滲溶液中，當溶質分子進入細

胞后可引起滲透壓升高，水分子隨即進入細胞，使細胞破裂，發生溶血。由于細

胞膜對不同物質的通透性不同，所以不同溶質進入細胞的速度相差很大，進而使

紅細胞發生溶血的時間有差異，以此來估計細胞膜對各種物質通透性的大小。

1 材料與方法：

1.1 實驗材料：抗凝人血、雞血的稀釋液（一份血液加入九份生理鹽水進行稀釋）

0.17mol/L的氯化鈉、0.17mol/L的氯化銨、0.17mol/L醋酸銨、

0.17mol/L硝酸鈉、0.12mol/L草酸銨、0.12mol/L硫酸鈉、

0.32mol/L葡萄糖、0.32mol/L甘油、0.32mol/L乙醇、

0.32mol/L丙酮、0.32mol/L乙二醇。

1.2 實驗器材：試管、移液管、計時器。

1.3 實驗方法：

取兩支試管，各加入3毫升蒸餾水，再分別加入0.5毫升稀釋的雞血和人血，

輕輕搖勻，觀察溶液的顏色變化，如發生溶血，記錄溶血的時間；

取試管兩支，各加入氯化鈉溶液3毫升，再分別加入1.5毫升稀釋的雞血和人

血，輕輕搖勻，注意觀察溶液顏色變化，如發生溶血，記錄溶血時間；

分別在以下幾種等滲溶液中重復同樣實驗，觀察有無溶血現象以及溶血時間。

2 實驗結果：

雞血全不溶血，人血的溶血情況如下表（后兩組數據為其他兩組的實驗數據）

溶液 第一組人血 第二組人血 第三組人血

氯化鈉 不溶 不溶 不溶

氯化銨 2:54 3:36 4:50

醋酸銨 1:06 1:01 1:20

硝酸鈉 不溶 不溶 不溶

草酸銨 1:54 2:14 3:35

硫酸鈉 不溶 不溶 不溶

葡萄糖 不溶 不溶 不溶

甘油 46s 1:04 1:45

乙醇 17s 1:10 58s

丙酮 40s 1:00 49s

乙二醇 1:36 10s 1:00

蒸餾水 35s 39s 49s

3 結果分析：

通過對比實驗數據，得到各個組溶血時間快慢排序如下：

水＜丙酮＜乙醇＜乙二醇＜甘油＜醋酸銨＜草酸銨＜氯化銨

＜氯化鈉、硝酸鈉、硫酸鈉、葡萄糖（15min內不溶血）

4 分析討論：

4.1 人血與雞血

人血中的紅細胞在大部分實驗試劑中都發生溶血，而雞血中的紅細胞幾乎都

不溶，我們可以從兩者的生理結構及組分進行解釋。人的紅細胞沒有細胞核和眾

多的細胞器，這樣也就缺乏了一個貫穿質膜和細胞核之間的細胞骨架的網絡系

統。而雞血的紅細胞為有核細胞，其質膜成分與骨架成分相結合，使細胞膜抗低

滲的機械強度大大增加，細胞會吸水膨脹，在顯微鏡下會發現體積明顯增大，但

很難像紅細胞那樣在短時間內脹破。

4.2 通過電解質與非電解質間進行比較

通過對實驗結果的分析，得到非電解質的溶血速度整體上比電解質要快。

4.2.1 電解質

本實驗中，電解質部分能產生溶血現象，部分不能，根據陽離子的不同，可

以分為銨鹽和鈉鹽兩類。

4.2.1.1 鈉鹽與銨鹽

在電解質中，銨鹽出現溶血現象，鈉鹽不出現溶血現象。原因在于銨鹽為弱

電解質，溶液中存在電離平衡，有許多分子形式存在的氨。氨通過與水結合形成

一水合氨，作為分子形式的一水合氨小分子，可自由擴散進出紅細胞。實驗中，

紅細胞外氨濃度相對高，氨分子順濃度差進入紅細胞，使紅細胞內滲透壓升高，

促使水通道開放，大量水分子進入紅細胞發生溶血。而鈉離子為強電解質，在溶

液中完全電離，不存在分子形式。鈉離子是通過細胞膜上的選擇性離子通道進入

細胞的，由離子通道介導的易化擴散是順濃度梯度或電化學梯度的。等滲的鈉鹽

溶液不能引起紅細胞膜上的離子通道開放，因而鈉離子無法進入紅細胞，紅細胞

內滲透壓不會升高，因而水分子不會進入紅細胞，不會發生溶血。

但是，同樣是銨鹽，實驗結果表明其溶血速度醋酸銨最快，草酸銨中等，氯

化銨最慢。氯化銨引起紅細胞溶血的機制與草酸銨引起溶血的機制相同，但其時

間比草酸銨長，這是由于二者雖然均為等滲溶液，但銨離子含量不同。紅細胞發

生溶血的時間與氨分子的濃度有關，換言之就是與銨根離子的濃度有關，所以與

陰離子對銨根離子水解程度的影響有關，陰離子越能促進銨根離子解離的溶液

中，紅細胞發生溶血的時間就越短。

4.2.2 非電解質

非電解質中，分子量越小，溶血越快。（葡萄糖180；甘油92；乙醇46；丙

酮58；乙二醇62），乙醇的溶血速度最快。本次試驗選取的非電解質除了水之外，

都是有機物，有機物多數為脂溶性物質。

因為細胞膜的主要成分是磷脂，根據相似相

容原理，物質脂溶性越強，越容易通過細胞膜，所以紅細胞在脂溶性物質中發生溶血的時間

相對于非脂溶性物質短。

4.2.2.1 水

水是一種極性小分子物質，雖然脂雙層是疏水的，但其中并非沒有空間，水

分子可以通過氫鍵在其中形成類似冰的結構，以自由擴散的方式進出紅細胞，只

是速度較慢。然而，實驗結果顯示，水使紅細胞發生溶血的時間最短，幾乎是瞬

時的，說明水分子還有另外一種通過紅細胞膜的方式。研究發現，很多細胞表面

都有專一的水通道——水孔蛋白，是水進出細胞的關鍵。實驗中，在低滲條件下，

大量水分子從水通道易化擴散進入紅細胞，也有水分子自由擴散進入紅細胞，前

者速度較快，從而引起了迅速的紅細胞溶血現象。

4.2.2.2 丙酮

由于丙酮是脂溶性物質，能通過自由擴散自由進入紅細胞，使細胞內水勢升

高，細胞吸水、脹破，導致溶血。但沒有專門的通道，所以溶血時間較蒸餾水長。

4.2.2.3 含羥基的物質

乙醇、乙二醇、甘油都是脂溶性小分子，可以自由擴散進出細胞。實驗中，

紅細胞外有相對高濃度的該類物質，大量分子順濃度差進入紅細胞，使紅細胞內

滲透壓高于紅細胞外滲透壓，水通道開放，大量水分子進入紅細胞，發生溶血。

但都為脂溶性物質，乙醇溶血時間短于乙二醇溶血時間，甘油溶血時間最長，是

因為含有不同的羥基數和不同的分子量。一般來說，分子的分子量越小，越容易

通過自由擴散作用進入細胞膜，使細胞漲破產生溶血現象；因為羥基是親水基團，

細胞膜中間為親脂層，不易通過細胞膜，所以，對于脂溶性分子，羥基數越多，

脂溶性越弱，越難發生溶血現象。

4.2.2.4 葡萄糖

紅細胞攝取葡萄糖的方式是載體介導的易化擴散。實驗中，葡萄糖順濃度梯

度進入紅細胞，但隨后很快被紅細胞代謝，為紅細胞提供能量，不會引起紅細胞

內滲透壓的顯著升高。因此，等滲的葡萄糖溶液不會使紅細胞發生溶血。

4.3 極性與非極性

極性化合物具有較高的親水性，不易通過細胞膜進入細胞，非極性化合物易

溶于脂溶劑，碳鏈越長，脂溶性越大，越容易發生溶血現象。

參考文獻：

[1]曾憲錄,巴雪青，朱筱娟.細胞生物學實驗指導.北京:高等教育出版社

[2]王金發，何炎明，劉兵，細胞生物學實驗指導.北京；科學出版社