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不同性质物质细胞膜通透性的观察比较
摘要
以鸡的红细胞为材料，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，观察发生溶血现象时间的长短来观察不同性质的等渗溶液通透细胞膜的速度，通过分析相对分子质量、脂溶性大小、电解质和非电解质溶液研究不同理化性质对细胞膜通透性的影响。
关键词：不同性质物质 细胞膜 通透性 溶血时间
Abstract: Chicken red blood cells as material, for a variety of solute into cells of different speeds, so different solute induced RBC blood in different time, the duration of hemolysis occur to observe to observe the different nature of isotonic solution fully the speed of the cell membrane, through the analysis of relative molecular mass, and the size of the fat soluble electrolyte and non electrolyte solution to study the influence of different physical and chemical properties of the cell membrane permeability.
Key word: Different material cell membrane permeability haemolytic time
前言：细胞膜的存在将胞内物质与细胞周围环境隔离开，为细胞内发生的各种代谢反应提供了一个相对稳定的内环境。为了能与周围环境间进行物质和能量的交换，细胞膜可以选择性地让某些物质进出细胞。各种物质进出细胞的方式可大体分为3种途径：被动运输（依浓度梯度，不需能量），主动运输（逆浓度梯度或电化学梯度，需要耗能）和胞吞与胞吐作用。 
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。
水是生物界最普遍的溶剂，水分子可以按照物质浓度梯度从渗透压低的一侧通过细胞膜向渗透压高的一侧扩散，以至于在高渗环境中，动物细胞会失水而收缩；在低渗环境中，动物细胞会吸水膨胀直至破裂。 
本实验将红细胞分别放于各种不同等渗溶液中，由于红细胞膜对不同溶质的通透性不同，使得不同溶质透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，使细胞膨胀，当膨胀到一定程度时，红细胞膜会发生破裂，血红素溢出，此时，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，这种现象称为红细胞溶血。 
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。可通过测量溶血时间来估计细胞膜对各种物质通透性的大小。
血红细胞是观察细胞膜通透性差异的良好实验材料，是因为血细胞没有细胞核，也就缺乏一个贯穿质膜与细胞核之间的细胞骨架的网络系统。通过发生溶血现象的时间的长短来确定不同物质通透细胞膜的时间，从而分析研究相对分子质量大小、脂溶性大小、电解性和非电解性等理化性质对细胞膜通透性的影响。
1 材料与方法
1.1 实验材料：鸡血的稀释液（1份血液加入9份生理盐水进行稀释）
1.2实验试剂：0.17mol/L的氯化钠溶液，0.17mol/L氯化铵，0.17mol/L醋酸铵，0.17mol/L硝酸钠，0.12mol/L草酸铵，0.32mol/L葡萄糖，0.32mol/L甘油，0.32mol/L乙醇，0.32mol/L丙酮。
1.3实验仪器：15mL玻璃试管，微量移液器，计时秒表等。
1.4实验方法： 
① 取试管1支，各加入5mL蒸馏水，再加入0.5mL稀释的鸡血，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。 
② 取试管1支，各加入0.17mol/L的氯化钠溶液5mL，再分别加入0.5mL稀释的鸡血，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 分别在以下几种等渗溶液中重复同样的实验，观察有无溶血现象以及溶血时间。 
0.17mol/L的氯化钠溶液，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乙醇，0.32mol/L丙酮。
2 实验结果
溶液
溶血现象
时间
0.17mol/L氯化钠
不
—
0.17mol/L氯化铵
不
—
0.17mol/L醋酸铵
不
—
0.17mol/L硝酸钠
不
—
0.12mol/L草酸铵
不
—
0.32mol/L葡萄糖
不
—
0.32mol/L甘油
溶
7m10s
0.32mol/L乙醇
溶
6m16s
0.32mol/L丙酮
溶
6m40s
蒸馏水
溶
4m10s
由以上实验数据我们可以得出以下结论：
① 不同性质物质在鸡血红细胞中的通透速率都是不同的。且在蒸馏水中的速率最快，乙醇次之，丙酮再次之，甘油最慢。水通过速率最快；乙醇、丙酮、和甘油这些不带电荷的极性小分子次之；而人血红细胞在氯化钠、硝酸钠、葡萄糖溶液、氯化铵、草酸铵和醋酸铵中完全不溶，即不能直接通过通过鸡血红细胞膜。
② 鸡血红细胞在水、乙醇、丙酮、乙二醇、甘油、中都是溶的，而在氯化钠、硝酸钠、葡萄糖氯化铵、草酸铵和醋酸铵溶液中是完全不溶，表明水、乙醇、丙酮、乙二醇、甘油、这些物质可以通过鸡血红细胞，而氯化钠、硝酸钠、葡萄糖分子、氯化铵、草酸铵和醋酸铵不能直接通过鸡血红细胞膜。
3分析讨论
  3.1鸡血红细胞不容易发生溶血现象。 
由于鸡血红细胞是有核细胞，它的质膜成分与细胞骨架成分的相互结合，使得细胞膜抵抗低渗的机械强度大大增加。所以鸡血红细胞不容易发生溶血现象。
3.2鸡血红细胞发生溶血现象的快慢顺序依次是水、有机小分子、而在钠盐和葡萄糖等溶液中不发生溶血现象。 
细胞膜的脂双层的中间部分是疏水性结构，所以细胞膜对大多数极性分子是不通透的屏障，同时，细胞又形成了一些特殊的转运机制使小分子和离子能够进出细胞。这样的选择通透性对细胞的各种生理活动是非常重要的。 
如果给予足够的时间，任何分子都可以从高浓度向低浓度通过人工脂双层膜，但是不同分子通过脂双层的扩散速率不同，主要取决于分子大小和它在脂中的相对溶解度。一般来说，相对分子质量越小，脂溶性越强，通过脂双层速率越快。同时，细胞膜脂双层对所有带电荷分子或离子是高度不通透的。 
由于水分子具有分子体积小、不带电、偶极结构而能迅速溶入磷脂分子的极性头部等特征，因此能够最快通过细胞膜。乙醇、丙酮、乙二醇和甘油四种不带电极性小分子可以直接通过细胞膜脂双层进入细胞，使细胞内的渗透性活性小分子的浓度大为增加，继而导致水的摄入，使得细胞胀破，发生溶血现象。由于这四类相对分子质量小、脂溶性高的物质可以快速扩散进入细胞，因此发生溶血所需的时间相对短。乙醇的相对分子质量为46，最小；丙酮的相对分子质量为58，次之，乙二醇的相对分子质量为62，较大，甘油的相对分子质量为92，最大。相对分子质量越小，进入细胞膜脂双层速率越快。所以在这四种等渗溶液中，人血红细胞发生溶血现象的快慢顺序依次是乙醇＜丙酮＜乙二醇＜甘油。 
在氯化钠和硝酸钠这两种等渗溶液中，鸡血红细胞没有发生溶血现象。这是因为，脂双层对所有带电荷的分子（离子），不管它多么小，都是高度不通透的，这些分子所带的电荷及高度的水合状态阻碍它们进入脂双层的疏水区域。钠离子、氯离子、硝酸根离子都是通过离子通道进入细胞。这种运输方式使得在它们的等渗溶液中，由于此时膜内外的浓度一样，因此细胞膜两侧的渗透压维持不变，离子进出细胞达到动态平衡，就不发生溶血现象。 
葡萄糖分子是不带电的极性大分子，相对分子质量为180，几乎不能直接穿过细胞膜。它进红细胞是通过易化扩散的方式进行的，根据膜内外葡萄糖浓度梯度的方向，葡萄糖能双向流动，即转运方向是由葡萄糖浓度差决定的，当膜内外的浓度一样的时候，膜内外的葡萄糖流动达到的动态平衡。此外，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，所以细胞膜不会发生溶血现象。
3.3硝酸铵、草酸铵、氯化铵没有发生溶血现象。
在氯化铵、醋酸铵和草酸铵的等渗溶液中，由于这三种溶液中都有弱碱阳离子铵根离子，铵根离子能够与水分子结合生成氨分子，同时电离出H+，使溶液显酸性，酸性环境能够提高细胞膜的通透性，从而利于氨分子进入内，导致溶血现象的发生。但是，在草酸铵溶液和醋酸铵溶液中，分别存在草酸分子和醋酸分子，由于它们能够直接进入细胞膜脂双层内，因此可以加速血红细胞溶血现象的发生。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。 但是我们的实验并没有发生溶血现象，说明我们的实验过程出现了一些问题，但是具体原因不明。 
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，细胞生物学实验教程.北京；科学出版社
[3]杨汉民，细胞生物学实验，2版，北京：高等教育出版社
[4] 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
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