关于水分子进出细胞方式的探讨

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摘要：水是细胞中必不可少的成分，在细胞的新陈代谢中发挥了很重要的作用。人教版高中生物必修一第四章介绍了水通过渗透作用进出细胞为突破口，讲解了物质的跨膜运输。水是如何进入细胞的？本文结合高中生物教学，对水进出细胞的方式进行了探讨。

关键词：渗透吸水 吸胀吸水 自由扩散 协助扩散 水通道蛋白

水是生命之源。对于细胞生物来说，水是构成细胞生物的主要成分。水是细胞内的良好溶剂，细胞中许多物质溶解在水中，细胞内的许多生物化学反应也都需要水的参与。没有水，就没有生命。水是如何进出细胞的？人教版高中生物必修一第四章给我们介绍了细胞的渗透吸水和失水，以及水的跨膜运输，但教材中对水进出细胞的方式概括不够全面，学生对这部分内容的学习有一定的困难。我结合自己的教学实践，对水如何进出细胞进行了探讨。

一、渗透作用吸水和失水

渗透吸水是细胞吸水的一种方式。教材中设计的渗透作用装置（见图1）。

在长颈漏斗口外密封一层半透膜，往漏斗内注入蔗糖溶液，然后将漏斗倒置于盛有清水的烧杯中，使漏斗内外液面相等，一段时间后，漏斗内液面上升。分析如下：由于清水的水势高，蔗糖溶液的水势低，所以烧杯中的清水就会透过半透膜流入漏斗内，使漏斗内液面上升，当溶液上升到一定高度的液面后就不再上升，这一现象被称为渗透作用。

渗透作用是指水分子通过半透膜从低浓度溶液向高浓度溶液的扩散。发生渗透作用需要两个条件：一是需要有半透膜，二是半透膜两边有浓度差。动物细胞以及具有大液泡的植物细胞主要依靠渗透作用吸水。成熟的植物细胞含有大液泡，液泡中是一定浓度的细胞液，液泡外的结构是原生质层，在细胞吸水的时候，我们常把原生质层当作一层半透膜。当把细胞放在清水或低浓度溶液中时，在原生质层两侧会有水势差，这就具备进行渗透作用的条件，细胞就会发生渗透吸水。通常情况下，土壤中溶液的水势是比较高的，根系就可以从土壤中吸收水分。但当细胞液的水势比外界溶液水势高时（例如，一次施用过量的化肥），此时细胞不仅不能从外界吸收水分，反而会让细胞中的水分向外流出，从而不利于植物的生长。由于植物体内的细胞大多数是成熟细胞，所以植物细胞主要以渗透作用吸水。

二、吸胀吸水

吸胀吸水是植物细胞吸水的另一种方式。在未形成液泡的植物细胞中，细胞物质主要是构成细胞壁的果胶和纤维素、组成原生质的蛋白质，以及贮藏的大分子化合物（如淀粉等）。这些物质都是亲水胶体，在这些物质的表面能吸附很多水分子，使胶体体积膨胀。例如，干燥的种子浸泡在水中，经过一段时间后，细胞壁、原生质和贮藏的淀粉等就会吸水膨胀，使种子体积增大，在这个过程中发生了吸胀作用，我们称它为吸胀吸水。

三、自由扩散

自由扩散是物质跨膜运输的方式之一，物质从高浓度溶液向低浓度溶液的扩散，在这个过程中不需要载体的协助，也不需要消耗能量。物质自由扩散的速度与溶质分子的大小、膜两侧溶质的浓度差以及物质的脂溶性程度等有关。由于细胞膜的基本骨架是磷脂双分子层，脂溶性物质较易溶于磷脂，因此能优先跨过细胞膜进出细胞。大量实验证明，物质穿过细胞膜扩散的速度与其脂溶性程度相关，而且成正比。水分子不溶于脂，但由于水分子非常小，它可以穿过磷脂分子运动时产生的间隙。然而，水分子及脂溶性物质在膜两侧的移动方向和速度，取决于物质的浓度梯度，溶液的浓度差愈大，扩散的速度就愈快。

四、协助扩散

协助扩散是指物质必须在载体蛋白的协助下，才能从细胞膜高浓度一侧流向低浓度一侧，但在此过程中不消耗能量。长期以来， 人们普遍认为水分子进出细胞都是以自由扩散的方式。近年来，研究发现有些细胞在低渗溶液中对水的通透性并不高， 很难用自由扩散来进行解释。例如，将动物的红细胞放到低渗溶液里，很快就会发生吸水膨胀而溶血，而某些水生动物的卵母细胞却不是这样，它们在低渗溶液就不会发生膨胀。由此，人们推测水分子在进行跨膜运输时除了自由扩散外，还可能存在某种非常特殊的机制。2003年诺贝尔化学奖授予约翰霍普金斯大学医学院的美国科学家彼得・阿格雷，因其发现了细胞膜上的水通道蛋白（见图2）。阿格雷经过反复实验，验证了自己的发现，阿格雷进行了对比试验，把含有水通道蛋白的细胞以及去除了这种蛋白的细胞分别放入清水中，结果前者能够吸水，后者不能。为了进一步验证自己的发现，他又制造了两种不同的细胞膜，一种含有水通道蛋白，另一种则不含水通道蛋白。他把这两种人造细胞膜分别进行了处理，然后放在清水中，结果发现第一种细胞膜吸收了很多水而发生膨胀，则第二种没有变化。一系列的实验充分验证了水通道蛋白具吸水的功能。目前，科学家已经发现水通道蛋白广泛存在于植物、动物和一些微生物中，而且种类很多。

综上所述，细胞通过渗透作用吸水和自由扩散吸水的原理可概括为水分子顺相对含量梯度进行的运输，即水分子从含量多的一侧运输到水分子含量少的一侧。而对于吸胀吸水主要是细胞内亲水物质在发挥作用。有关水分子通过水通道蛋白进出细胞的相关内容，在教材中并未特别提到，是否将这种方式写入高中教材还需进一步探讨。水是如何进出细胞的？在生物教学中应该根据细胞有无液泡，运输过程中有无载体的协助来判断水进出细胞的方式。

参考文献：

陈联万，李姗姗， 汲娟娟. 生命科学研究的又一个里程碑[J].生物化学与生物物理进展，2003（6）.

（责编 田彩霞）