细胞膜对不同性质物质通透性差异的一般规律

细胞生物学实验课程论文专业：生物科学姓名：刘冬学号：2014012709指导教师：巴雪青2016年09月15日1细胞对不同性质物质通透性的观察比较生命科学学院2014级刘冬2014012709摘要细胞膜是防止细胞外物质自由进入细胞的屏障，它可以选择性地让某些物质进出细胞，但各种物质进出细胞的方式有所不同，即细胞膜对不同物质的通透性不同。本实验通过观察人血及鸡血红细胞的溶血现象，理解溶血原理，建立等渗概念，直观的比较不同物质跨摸进入细胞的时间和速度，并探讨溶质相对分子质量大小、脂溶性、强弱电解质、离子大小等对细胞膜通透性的影响，从而总结细胞膜对不同性质物质通透性差异的一般规律。关键词红细胞；细胞膜；通透性；溶血现象；渗透压1.前言细胞膜位于细胞的最外层这一特殊位置，不仅为细胞提供了稳定的内环境，并且细胞膜与细胞内外物质的运输、信号的传导以及能量的传递都有密切的联系，这就决定了对细胞膜通透性的认识是对整个细胞乃至生命体认识的基础．细胞的生理活动与细胞膜的通透性息息相关，同时，细胞膜的通透性也能反映细胞所处的生理状态。通过对细胞膜通透性大小的研究，人们能够更好地了解生命体的各种生理状态，从而弄清相关疾病的发病机理，最终生产出更好的药物来治疗疾病。另外，通过对细胞膜通透性改变的研究，实现了细胞代谢的人工调控。此外，细胞膜通透性的研究对发酵工业也具有十分重要的意义。本实验选择人血和鸡血的红细胞作为实验材料，观察探究细胞膜对不同物质的通透性差异。细胞对水是自由渗透的，但对大多数物质具有选择透过性，在等渗条件下，红细胞保持正常大小和双凹圆碟形，稀释的红细胞悬浮液呈浑浊状且透光性差。但红细胞对各种溶质的通透性不同，有的溶质可以渗入，有的不能，有的溶质渗入红细胞后后使其渗透压增大进而促进水分进入红细胞，在渗透压递减的一系列溶液中,由于水分子的摄入超过水分子的流出,导致红细胞逐步胀大,当体积增加45-60%时则细胞膜损伤发生溶血,此时血红蛋白逸出细胞外，可观察到一个非常明显的现象是在试管中细胞形态的絮状物消失,溶液由细胞存在的悬浊液变为非细胞结构的透明且光线容易透过的澄清液。笔者通过观察人血及鸡血的红细胞在各种等渗溶液中发生的反应进而根据溶血现象是否发生以及溶血时间的快慢，研究细胞膜对各类溶质通透性的大小和强弱，以期为相关方面的研究提供科学的依据。22.材料与方法2.1实验材料抗凝人血、鸡血的稀释液（1份血液加入9份生理盐水进行稀释）。2.2实验试剂0.17mol/L氯化钠，0.17mol/L氯化铵，0.17mol/L醋酸胺，0.17mol/L硝酸钠，0.12mol/L草酸铵，0.12mol/L硫酸钠，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。2.3实验仪器试管、试管架、5ml移液管、移液枪、计时秒表等2.4实验方法（1）取试管2支，各加入3mL蒸馏水，再分别加入0.5mL稀释的鸡血和人血，轻轻摇匀，注意观察颜色变化，如发生溶血，记录溶血时间。（2）取试管两支，各加入0.17mol/L的氯化钠溶液3mL，再分别加入0.5mL稀释的鸡血和人血，轻轻摇匀，注意观察溶液颜色变化，如发生溶血，记录溶血时间。若10分钟后依然没有溶血现象发生或现象不明显，则记录为不溶血或不完全溶血。（3）分别在以下几种等渗溶液中重复同样实验，观察有无溶血现象并记录溶血时间。0.17mol/L的氯化铵溶液；0.17mol/L的醋酸铵溶液；0.17mol/L的硝酸铵溶液；0.12mol/L的草酸铵溶液；0.12mol/L的硫酸钠溶液；0.32mol/L的葡萄糖溶液；0.32mol/L的甘油；0.32mol/L的乙醇；0.32mol/L的丙酮；0.32mol/L的乙二醇。3.实验结果各种不同物质的等渗溶液在10min内造成人血红细胞溶血所需的时间，如表1所示。表1各种等渗溶液造成人红细胞溶血时间注：画“-”的表示十分钟后依然没有发生溶血选择人血红细胞发生溶血最快的三种溶液（蒸馏水、0.17mol/L的醋酸铵溶编号123456789101112物质水氯化钠氯化铵醋酸铵硝酸钠草酸铵硫酸钠葡萄糖甘油乙醇丙酮乙二醇时间30-4’2720-1’28--1’104249593液、0.32mol/L的乙醇）进行鸡血红细胞的溶血现象观察。在十分钟内，造成鸡血红细胞溶血所需的时间，如表2所示。表2三种等渗溶液造成鸡红细胞溶血时间4.分析与讨论4.1人血与鸡血红细胞纵向比较由表1和表2可以看出：人血红细胞较鸡血更容易发生溶血，如：在水、醋酸铵及乙醇等物质中，人血红细胞均出现溶血现象，而鸡血红细胞在这几种等渗溶中，均不完全溶血或完全不溶血。人血与鸡血红细胞在相同等渗溶液中是否反生溶血以及溶血时间有所差异，其主要原因可能是：其细胞膜结构不同。人血的红细胞没有细胞核以及其他众多细胞器，使其缺乏一个贯穿质膜与细胞核之间的细胞骨架的网络系统；而鸡血红细胞有细胞核，其质膜成分与骨架成分相互结合，构成细胞骨架，维护细胞形态，使细胞膜抗低渗的机械强度大大增加，在低渗溶液中这些细胞会吸水膨胀，显微镜下可观察到细胞体积变大，但由于其存在细胞骨架，能够维护细胞形态，因此不会想哺乳动物的红细胞那样迅速胀破。除此之外，人血与鸡血红细胞内离子浓度的不同以及鸡血红细胞内存在DNA而人血红细胞内不存在，也可能是造成两者红细胞溶血现象有差异的原因。4.2等渗溶液溶质横向比较由表1可以看出：有4种等渗溶液不能引起溶血反应，分别为生理盐水、硝酸钠溶液、硫酸钠溶液和葡萄糖溶液。其它7种等渗溶液均可以引起溶血反应。在人血红细胞中引起溶血速度由快到慢依次为醋酸铵、乙醇、丙酮、乙二醇、甘油、草酸铵、氯化铵。以上物质引起溶血/不溶血的机制各具特点，与物质本身的性质和生物膜的结构特征有关。单纯考虑细胞膜的脂双层性质，仅疏水性小分子和某些极性小分子可以依浓度差自由通过细胞膜，绝大多数的极性分子和离子不能自由通过，但细胞膜的脂双层上分布有丰富的功能各异的膜转运蛋白，使得这些极性分子和离子的跨膜运输得以实现。膜转运蛋白包括两大类：载体蛋白和离子通道。细胞所需的营养如葡萄糖、氨基酸、核酸等极性分子通过载体蛋白的转运进入细胞；离编号123物质水醋酸铵乙醇时间9’36-5’4子通道则是离子通过细胞膜的特有方式。4.2.1钠盐（强电解质）等渗溶液的比较氯化钠、硝酸钠、硫酸钠这三种钠盐并不能引起红细胞的溶血，可能是由于钠离子进入细胞的方式造成的。钠离子是通过离子通道进入细胞的，通道介导的是被动扩散运输，需顺浓度梯度或者电化学梯度的，而由于这三种物质的溶液都是等渗溶液，不存在浓度梯度或者电化学梯度,离子也没有受到机械刺激、胁迫或是和配体结合，因此在本实验中强电解质的钠盐电离产生的离子都不能通过细胞膜，不会引起溶血。4.2.2铵盐（弱电解质）等渗溶液的比较醋酸铵、氯化铵、草酸铵这三种铵盐均能引起人血红细胞的溶血，这三种铵盐引起细胞溶血的机制既有相同处，又有区别。相同处是：铵根离子能与水反应有：NH4++H2O≒NH3.H2O+H+，其中氨分子为小的不带电荷的非极性分子，脂溶性强，生成后迅速由简单扩散进入细胞，进入细胞后，氨分子与水分子结合解离成铵根离子，铵根离子不能穿出细胞，导致细胞内的铵根离子浓度不断上升，水分子进入细胞，细胞肿胀，最终导致溶血。而三者之间的区别是：氯化铵溶液溶血时间比草酸铵和醋酸铵长，这是由于三者铵离子含量不同。弱酸弱碱盐的水解常数愈大,产生的NH3和AH就愈多,跨膜溶质梯度就愈大,过膜速度就愈快,由于NH4Ac,(NH4)2C2O4和强酸铵盐的水解常数分别为3.17×10-5,9.8×10-6,5.6×10-10,所以它们的过膜速度依次减慢,造成红细胞完全溶血的时间依次延长.4.2.3脂溶性的比较实验结果表明，在甘油，乙醇，乙二醇，丙酮的等渗溶液中，红细胞均较容易出现溶血现象，是由于其均为脂溶性物质。细胞膜是磷脂双分子层，其主要成分是脂质，多数有机物是易溶于脂质的，所以磷脂双分子层能让脂质或脂溶性的物质以简单扩散的方式自由进入细胞，因此脂溶性物质更易使红细胞发生溶血。但这四种物质使红细胞发生溶血的时间并不相同，从快到慢依次为：乙醇，丙酮，乙二醇，甘油，可以从其结构组成以及分子量加以解释：对于简单扩散而言，小分子易通过细胞膜，所以随着分子量的增加（甘油乙二醇丙酮乙醇），扩散速度减慢，所以进入红细胞的速度应为：乙醇丙酮乙二醇甘油。此外由于羟基是亲水集团而细胞膜的主要成分是脂质，因此羟基数越多，越不易亲脂通过细胞膜，丙酮的脂溶性强于醇类，所以丙酮最易通过细胞膜，同时有极性分子更加亲水，所以对称的非极性分子也要比极性分子更容易通过细胞膜，综上所述，甘油使红细胞发生溶血现象的时间最长。54.2.4分子大小的比较乙醇，乙二醇，甘油和葡萄糖均为不带电荷的极性分子，但红细胞在这些溶液中发生溶血的时间不同，由快到慢依次为乙醇、乙二醇、甘油，葡萄糖，该现象与相对分子质量大小有关，随着分子量的增加（萄糖甘油乙二醇乙醇），扩散速度减慢，所以进入红细胞的速度应为：乙醇乙二醇甘油葡萄糖。同样为弱酸盐的醋酸铵和草酸铵，醋酸铵相对分子质量小于草酸铵，醋酸铵更易进入细胞，所以溶血的时间短。4.3水中溶血时间分析实验结果表明在水中，人和鸡的血红细胞都能发生溶血反应，且人的红细胞在水中发生溶血比在脂溶性物质中快，这是由于细胞膜上有水孔蛋白的存在,由于有水孔蛋白参与了水分子的易化扩散，其进入细胞的速度远比水分子的简单扩散快得多，所以水诱导的溶血时间比脂溶性物质诱导的溶血时间短。5.总结综上所述，利用红细胞溶血现象观察不同物质通过细胞膜的差异，是个简单又快捷的实验方法。用12种不同性质的物质对红细胞进行溶血时间观察，发现细胞膜对不同物质的通透性一般规律为：5.1血红细胞的结构差异，人血（无细胞骨架无核）更利于物质通过细胞膜。5.2强弱电解质的差异，弱电解质利于通过细胞膜；弱电解质水解程度越大，对膜的通透性越强。5.3小分子物质比大分子更容易通过细胞膜，随着分子量的增加，溶血速度减慢。5.4脂溶性物质比水溶性物质利于通过细胞膜；脂溶性越强，溶血速度越快；脂溶性物质中，对称的分子利于通过细胞膜。5.5葡萄糖等大的通过协助扩散进入细胞的极性分子由于特异性蛋白稀少而不能引起细胞溶血。6.提出问题6.1为什么等渗的葡萄糖溶液不会使红细胞发生溶血？葡萄糖为大的不带电荷的极性分子，主要通过协助扩散进入细胞，其扩散需要膜上特异性蛋白协助，而这种蛋白是很少的，所以，进入细胞的葡萄糖很少。因此，等渗的葡萄糖溶液不会使红细胞发生溶血。也有可能是：细胞所需的营养如葡萄糖、氨基酸、核酸等极性分子通过易化扩散进入细胞。葡萄糖进入红细胞后很快被代谢掉，为生物体提供能量，因此葡萄糖不会引起红细胞渗透压的升高，也就不会出现溶血现象。6.2从理论上讲，细胞在水中发生溶血的时间应该非常短，大约在5-6秒之间，6但实践记录的时间达30余秒，为什么？分析其原因可能是：记录不准确；自来水中含有其他离子，其他离子进入血红细胞的方式是通过离子通道，之前提到过离子通道并没有条件开放，因此溶血时间比较长；水进入细胞膜的方式有两种，一是通过水通道蛋白，二是自由扩散，由于水通道蛋白通道开放不多，所有导致水自由扩散进入，速度较慢；肉眼观察的不准确，导致没有准确记录下溶血发生的时间，人为误差的可能性比较大。参考文献[1]曾宪录，巴雪青，朱筱娟．细胞生物学实验指导．北京.高等教育出版社，2011.[2]黄百渠，曾宪录．细胞生物学简明教程．北京：高等教育出版社，2010.[3]程旺元，余光辉,，陈雁，刘学群，王春台．红细胞膜通透性实验及分析[J]生物科学与技术．7(5):39-41[4]张喜纳，赵锦慧．影响细胞膜通透性的因素研究[J]周口师范学院学报，第３２卷第５期：127-129[5]孙颖，郝美璞．铵盐通透细胞膜机理的探讨[J]河北师范大学学报(自然科学版)[J]1998年6月，第22卷第2期：256-258