课题：不同性质物质细胞膜通透性的观察比较

作者：张  勋

组员：陈  琪 陈志浩 胡彦波

孟  月 孙  帅

不同性质物质细胞膜通透性的观察比较

张勋陈琪陈志浩胡彦波孟月孙帅

摘要： 相对分子质量、脂溶性大小、电解质和非电解质溶液对细胞膜通透性的影响。由于各种溶质进入细胞的速度不同，所以不同的溶质诱导红细胞融血的时间不同。可以通过测量溶血的时间来粗略比较细胞膜对不同物质通透能力的强弱。

关键词：溶血时间细胞膜通透性 不同溶质

0 前言：

细胞膜的存在将胞内物质与细胞周围环境隔开，为细胞内发生的各种代谢反应提供了一个相对封闭、稳定的内环境。但这种屏蔽作用是相对的，因为细胞要与周围环境间进行物质和能量的交换，因此细胞膜也是细胞与外界环境进行物质交换的结构。细胞膜可以选择性的让某些物质进出细胞。

各种物质进出细胞的方式不同，大体可以分为三种方式：1.被动运输（依据是否需要载体又可以分为自由扩散和协助扩散），疏水性小分子和某些极性小分子以自由扩散的形式通过细胞膜。葡萄糖、氨基酸、核酸等营养物质通过载体蛋白转运进入；2.主动运输，离子通过离子通道进入细胞，需要载体和能量；3.胞吞胞吐，蛋白质等大分子。

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以低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。其中离子通道是离子通过细胞膜特有的方式。

以红细胞为实验对象，将其放入溶质不同的等渗溶液中，当溶质分子进入细胞后可引起渗透压升高，水分子随即进入细胞，使细胞破裂，发生溶血。由于细胞膜对不同物质的通透性不同，所以不同溶质进入细胞的速度相差很大，进而使红细胞发生溶血的时间有差异，以此来估计细胞膜对各种物质通透性的大小。

1 材料与方法：

1.1 实验材料：抗凝人血、鸡血的稀释液（一份血液加入九份生理盐水进行稀释）

0.17mol/L的氯化钠、0.17mol/L的氯化铵、0.17mol/L醋酸铵、

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。

1.2 实验器材：试管、移液管、计时器。

1.3 实验方法：

取两支试管，各加入3毫升蒸馏水，再分别加入0.5毫升稀释的鸡血和人血，轻轻摇匀，观察溶液的颜色变化，如发生溶血，记录溶血的时间；

取试管两支，各加入氯化钠溶液3毫升，再分别加入1.5毫升稀释的鸡血和人血，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；

分别在以下几种等渗溶液中重复同样实验，观察有无溶血现象以及溶血时间。

2 实验结果：

鸡血全不溶血，人血的溶血情况如下表（后两组数据为其他两组的实验数据）

3 结果分析：

通过对比实验数据，得到各个组溶血时间快慢排序如下：

水＜丙酮＜乙醇＜乙二醇＜甘油＜醋酸铵＜草酸铵＜氯化铵

＜氯化钠、硝酸钠、硫酸钠、葡萄糖（15min内不溶血）

4 分析讨论：

4.1 人血与鸡血

人血中的红细胞在大部分实验试剂中都发生溶血，而鸡血中的红细胞几乎都不溶，我们可以从两者的生理结构及组分进行解释。人的红细胞没有细胞核和众多的细胞器，这样也就缺乏了一个贯穿质膜和细胞核之间的细胞骨架的网络系统。而鸡血的红细胞为有核细胞，其质膜成分与骨架成分相结合，使细胞膜抗低渗的机械强度大大增加，细胞会吸水膨胀，在显微镜下会发现体积明显增大，但很难像红细胞那样在短时间内胀破。

4.2 通过电解质与非电解质间进行比较

通过对实验结果的分析，得到非电解质的溶血速度整体上比电解质要快。

4.2.1 电解质

本实验中，电解质部分能产生溶血现象，部分不能，根据阳离子的不同，可以分为铵盐和钠盐两类。

4.2.1.1 钠盐与铵盐

在电解质中，铵盐出现溶血现象，钠盐不出现溶血现象。原因在于铵盐为弱电解质，溶液中存在电离平衡，有许多分子形式存在的氨。氨通过与水结合形成一水合氨，作为分子形式的一水合氨小分子，可自由扩散进出红细胞。实验中，红细胞外氨浓度相对高，氨分子顺浓度差进入红细胞，使红细胞内渗透压升高，促使水通道开放，大量水分子进入红细胞发生溶血。而钠离子为强电解质，在溶液中完全电离，不存在分子形式。钠离子是通过细胞膜上的选择性离子通道进入细胞的，由离子通道介导的易化扩散是顺浓度梯度或电化学梯度的。等渗的钠盐溶液不能引起红细胞膜上的离子通道开放，因而钠离子无法进入红细胞，红细胞内渗透压不会升高，因而水分子不会进入红细胞，不会发生溶血。

但是，同样是铵盐，实验结果表明其溶血速度醋酸铵最快，草酸铵中等，氯化铵最慢。氯化铵引起红细胞溶血的机制与草酸铵引起溶血的机制相同，但其时间比草酸铵长，这是由于二者虽然均为等渗溶液，但铵离子含量不同。红细胞发生溶血的时间与氨分子的浓度有关，换言之就是与铵根离子的浓度有关，所以与阴离子对铵根离子水解程度的影响有关，阴离子越能促进铵根离子解离的溶液中，红细胞发生溶血的时间就越短。

4.2.2 非电解质

非电解质中，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。本次试验选取的非电解质除了水之外，都是有机物，有机物多数为脂溶性物质。因为细胞膜的主要成分是磷脂，根据相似相容原理，物质脂溶性越强，越容易通过细胞膜，所以红细胞在脂溶性物质中发生溶血的时间相对于非脂溶性物质短。

4.2.2.1 水

水是一种极性小分子物质，虽然脂双层是疏水的，但其中并非没有空间，水分子可以通过氢键在其中形成类似冰的结构，以自由扩散的方式进出红细胞，只是速度较慢。然而，实验结果显示，水使红细胞发生溶血的时间最短，几乎是瞬时的，说明水分子还有另外一种通过红细胞膜的方式。研究发现，很多细胞表面都有专一的水通道——水孔蛋白，是水进出细胞的关键。实验中，在低渗条件下，大量水分子从水通道易化扩散进入红细胞，也有水分子自由扩散进入红细胞，前者速度较快，从而引起了迅速的红细胞溶血现象。

4.2.2.2 丙酮

由于丙酮是脂溶性物质，能通过自由扩散自由进入红细胞，使细胞内水势升高，细胞吸水、胀破，导致溶血。但没有专门的通道，所以溶血时间较蒸馏水长。

4.2.2.3 含羟基的物质

乙醇、乙二醇、甘油都是脂溶性小分子，可以自由扩散进出细胞。实验中，红细胞外有相对高浓度的该类物质，大量分子顺浓度差进入红细胞，使红细胞内渗透压高于红细胞外渗透压，水通道开放，大量水分子进入红细胞，发生溶血。但都为脂溶性物质，乙醇溶血时间短于乙二醇溶血时间，甘油溶血时间最长，是因为含有不同的羟基数和不同的分子量。一般来说，分子的分子量越小，越容易通过自由扩散作用进入细胞膜，使细胞涨破产生溶血现象；因为羟基是亲水基团，细胞膜中间为亲脂层，不易通过细胞膜，所以，对于脂溶性分子，羟基数越多，脂溶性越弱，越难发生溶血现象。

4.2.2.4 葡萄糖

红细胞摄取葡萄糖的方式是载体介导的易化扩散。实验中，葡萄糖顺浓度梯度进入红细胞，但随后很快被红细胞代谢，为红细胞提供能量，不会引起红细胞内渗透压的显著升高。因此，等渗的葡萄糖溶液不会使红细胞发生溶血。

4.3 极性与非极性

极性化合物具有较高的亲水性，不易通过细胞膜进入细胞，非极性化合物易溶于脂溶剂，碳链越长，脂溶性越大，越容易发生溶血现象。

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

[2]王金发，何炎明，刘兵，细胞生物学实验指导.北京；科学出版社

第二篇：关于细胞膜对不同物质通透性的差异的研究

关于细胞膜对不同物质通透性的差异的研究

学院：生命科学学院

姓名：马宗英

年级：2011

学号：2011012923

关于细胞膜对不同物质通透性的差异的研究

关于细胞膜对不同物质通透性的差异的研究

摘要：红细胞是观察膜通透性差异的良好实验材料。将红细胞分别放于各种等渗溶液中，由于红细胞膜对不同溶质的通透性不同，使得不同溶质渗入细胞的速度相差很大，有些溶质甚至不能透入细胞。当溶质分子氯化铵、甘油、丙酮等进入细胞后，会引起渗透压升高，水分子进入细胞，使细胞膨胀甚至破裂，发生红细胞溶血的现象，此时，光线较易通过溶液，原来不透明的红细胞悬液突然变成红色透明的血红蛋白溶液，我们以此来判断是否发生了溶血现象，而由于各种溶质进入细胞的速度不同，所以不同的溶质诱导红细胞溶血的时间也不同。

关键词：红细胞膜通透性溶血

Abstract:the red blood cells is differences in membrane permeability good experimental material. Put on the red blood cells, respectively, all kinds of isotonic solution, because the red cell membrane of different solute permeability, makes the difference in the speed of the different solute seep into cells, some cannot even penetrate the cells of the solute. When the solute molecules ammonium chloride, glycerin, acetone, etc into the cell, will cause a higher osmotic pressure, water molecules into the cell, the cell expansion even burst, occurred the phenomenon of erythrocyte hemolysis, at this point, the light is more easily through the solution, the original red opaque red blood cell suspension suddenly become transparent hemoglobin solution, We happened to determine whether hemolysis phenomenon, Due to a variety of solute into cells at different rates, so the different solute induced erythrocyte hemolysis time also different.

Keywords: Red blood cellsMembrane permeability Hemolysis

前言：细胞膜将细胞内物质与细胞外环境隔离开，为细胞内各种新陈代谢提供了一个相对比较稳定的内环境。但是这种隔离并不是绝对的，因为细胞要与周围环境进行物质和能量的交换，因此细胞膜也是细胞与外界环境进行物质交换的

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关于细胞膜对不同物质通透性的差异的研究

结构。细胞膜可以选择性地让某些物质进出细胞，并且各种物质进出细胞的方式是不同的，大体可以分为3种：被动运输、主动运输和胞吞与胞吐作用。

单纯考虑细胞膜的脂双层结构，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。

以上统统归属于细胞膜通透性的范畴，而红细胞是观察膜通透性差异的良好实验材料，因为红细胞没有细胞核，这样也就缺乏一个贯穿质膜与细胞核之间的细胞骨架的网格系统。而其他有核细胞，因为其质膜成分与骨架成分的相互结合，而使细胞膜抗低渗的机械程度大大增加，低渗溶液中这些细胞会吸水膨胀，显微镜下可以观察到细胞体积显著增大，但很难像红细胞那样在短时间内胀破。所以，实验采用红细胞作为实验材料。

1、 实验目的

了解细胞膜对不同物质通透性的差异；

观察红细胞的溶血现象；

理解溶血原理，建立等渗概念。

2、 材料、试剂和仪器

2.1实验材料

抗凝人血、鸡血的稀释液

2.2实验试剂

0.17mol/L氯化铵、0.17mol/L醋酸铵、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

乙二醇、0.32mol/L乙醇、0.32mol/L丙酮

2.3实验仪器

试管、移液管、滴管、计时秒表、吸耳球、试管架等

3、 研究方法

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关于细胞膜对不同物质通透性的差异的研究

3.1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，注意观察溶液颜色变化，如发生溶血，记录溶血时间。

3.2取试管2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。

3.3．分别在以下几种等渗溶液中重复同样实验，观察并记录有无溶血，以及溶血时间：

0.17mol/L氯化铵、0.17mol/L醋酸铵、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乙二醇、0.32mol/L乙醇、0.32mol/L丙酮。 4、 实验结果

由于各溶质进入细胞的速度不同，所以不同的溶质诱导红细胞溶血的时间不同。我们用溶血时间来估计细胞膜对各种物质通透性的大小并进行记录，得到结果如下：

表1 不同等渗溶液下的溶血时间

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关于细胞膜对不同物质通透性的差异的研究

5、 结果分析

5.1鸡血红细胞与人血红细胞的比较

上述实验结果表明，人血要比鸡血更容易发生溶血现象。相比于鸡血的红细胞，人血红细胞缺少细胞核以及多种细胞器，这样也就缺少了一个介于质膜与细胞核之间的骨架结构，而鸡血红细胞因为具有细胞核，机械强度大大增加，细胞膜抗低渗的能力也相对增强，当细胞吸水时，虽然细胞会吸水膨胀，但很难像人的血红细胞那样在短时间内胀破。所以，相比于鸡血的红细胞，人血红细胞更容易发生溶血现象。

5.2溶液相对分子质量对人血红细胞溶血的影响

由图一可知，溶血的时间与溶液相对分子质量并没有呈现绝对的正相关或负相关，只是在某一小范围内暂时性地呈现正相关，如丙酮到甘油这一范围内。由此，我们可以推断，溶血时间会随溶液溶质相对分子质量的增加而增加，但是这种趋势并不绝对，因为溶血并不单一只受这一种因素影响。

图1 溶液相对分子质量与人血红细胞溶血时间的关系

5.3电解质与非电解质对人血红细胞溶血影响的比较

把不同溶质的溶血时间分为两类：电解质与非电解质，如图表2、表

3。相比于电解质，非电解质更易使血红细胞发生溶血。一方面，实验当中所用非电解质多为脂溶性物质，其成分与细胞膜相似；另一方面，这些非电解质多为相对分子质量较小的有机物。这两个方面都决定了实验

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关于细胞膜对不同物质通透性的差异的研究

中所涉及到的非电解质更易通过细胞膜，进而使人血红细胞发生溶血。

表2 电解质与人血红细胞溶血时间的关系

表3 非电解质与人血红细胞溶血时间的关系

5.3.1电解质

根据表2，实验中的各种电解质的溶血时间由长到短排列：氯化钠（不溶）＞硫酸钠（不溶）＞草酸铵＞氯化铵＞醋酸铵。可以看出，铵盐发生溶血，而钠盐则不溶血。因为铵盐为弱电解质，溶液中存在电离平衡，铵根离子与水分子发生可逆反应生成氨分子，氨分子顺浓度梯度进入红细胞内，使细胞内渗透压增加，促使水通道开放，进而大量水分子顺浓度梯度进入细胞内发生溶血现象；钠离子在水溶液中无电离平衡现象，是通过细胞膜上的选择性离子通道进入细胞的，由离子通道介导的易化扩散是顺浓度梯度或电化学梯度的，而等渗的氯化钠不能引起细胞膜上离子通道的开放，钠离子无法进入红细胞内，不能使细胞内的渗透压升高，水分子无法进入，不会出现溶血现象。

在可以发生溶血现象的铵盐中，溶血的时间也存在差异。因为铵盐发生溶血现象的机制主要是因为铵根离子发生了电离平衡，所以铵根离子的浓度也决定着溶血时间的快慢，虽然氯化铵、醋酸铵和草酸铵都是等渗溶液，但由于它们分子中铵根离子数目的不同，所以使血红细胞发生溶血的能力也不相同。

5.3.2非电解质

水的溶血时间是最快的，水是一种比较小的极性分子。一方面，在以磷脂双分子层为骨架的细胞膜中，水可以从磷脂双分子层的缝隙中自由地通过；另一方面，细胞膜上还存在有水通道，这也是水分子进出细胞的路径之一。所以，基于以上两方面，水是最容易使红细胞发生溶血

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关于细胞膜对不同物质通透性的差异的研究

的物质之一。

葡萄糖是不能使红细胞溶血的。它是通过协助扩散进入红细胞的，虽然不耗能但是需要载体，速度比较慢，而且葡萄糖一旦进入细胞内，又会经过糖酵解阶段产生能量而被消耗掉，所以葡萄糖不能使红细胞溶血。这也解释了为什么临床上病人可以注射一定浓度葡萄糖而不用担心发生溶血。

甘油相对分子质量不大，而且它与细胞膜中磷脂分子一样，均为非极性结构，所以甘油以自由扩散的方式进出细胞。外界较高的浓度梯度使得甘油进入到红细胞内，发生溶血。

乙醇的溶血机理大致与甘油相同，但由于其相对分子质量小于甘油，所以溶血的速度要稍稍快于甘油。

丙酮相对分子质量大于乙醇，而且它进入细胞的方式与乙醇、甘油基本相同，理论上溶血时间应该大于乙醇，但实际结果却相反，不排除实验的偶然性或操作上的误差等。

乙二醇的溶血时间小于乙醇。从结构上来看，乙二醇为非极性分子，与磷脂双分子层相似，根据相似相溶原理，乙二醇比乙醇更易进入细胞，所以其溶血时间小于乙醇。

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

[2]翟中和,王喜忠,丁明孝.细胞生物学.4版.北京: 高等教育出版社

[3]黄百渠,曾宪录.细胞生物学简明教程.北京:高等教育出版社

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