關于水分子進出細胞方式的探討

李紅艷

摘要：水是細胞中必不可少的成分，在細胞的新陳代謝中發揮了很重要的作用。人教版高中生物必修一第四章介紹了水通過滲透作用進出細胞為突破口，講解了物質的跨膜運輸。水是如何進入細胞的？本文結合高中生物教學，對水進出細胞的方式進行了探討。

關鍵詞：滲透吸水 吸脹吸水 自由擴散 協助擴散 水通道蛋白

水是生命之源。對于細胞生物來說，水是構成細胞生物的主要成分。水是細胞內的良好溶劑，細胞中許多物質溶解在水中，細胞內的許多生物化學反應也都需要水的參與。沒有水，就沒有生命。水是如何進出細胞的？人教版高中生物必修一第四章給我們介紹了細胞的滲透吸水和失水，以及水的跨膜運輸，但教材中對水進出細胞的方式概括不夠全面，學生對這部分內容的學習有一定的困難。我結合自己的教學實踐，對水如何進出細胞進行了探討。

一、滲透作用吸水和失水

滲透吸水是細胞吸水的一種方式。教材中設計的滲透作用裝置（見圖1）。

在長頸漏斗口外密封一層半透膜，往漏斗內注入蔗糖溶液，然后將漏斗倒置于盛有清水的燒杯中，使漏斗內外液面相等，一段時間后，漏斗內液面上升。分析如下：由于清水的水勢高，蔗糖溶液的水勢低，所以燒杯中的清水就會透過半透膜流入漏斗內，使漏斗內液面上升，當溶液上升到一定高度的液面后就不再上升，這一現象被稱為滲透作用。

滲透作用是指水分子通過半透膜從低濃度溶液向高濃度溶液的擴散。發生滲透作用需要兩個條件：一是需要有半透膜，二是半透膜兩邊有濃度差。動物細胞以及具有大液泡的植物細胞主要依靠滲透作用吸水。成熟的植物細胞含有大液泡，液泡中是一定濃度的細胞液，液泡外的結構是原生質層，在細胞吸水的時候，我們常把原生質層當作一層半透膜。當把細胞放在清水或低濃度溶液中時，在原生質層兩側會有水勢差，這就具備進行滲透作用的條件，細胞就會發生滲透吸水。通常情況下，土壤中溶液的水勢是比較高的，根系就可以從土壤中吸收水分。但當細胞液的水勢比外界溶液水勢高時（例如，一次施用過量的化肥），此時細胞不僅不能從外界吸收水分，反而會讓細胞中的水分向外流出，從而不利于植物的生長。由于植物體內的細胞大多數是成熟細胞，所以植物細胞主要以滲透作用吸水。

二、吸脹吸水

吸脹吸水是植物細胞吸水的另一種方式。在未形成液泡的植物細胞中，細胞物質主要是構成細胞壁的果膠和纖維素、組成原生質的蛋白質，以及貯藏的大分子化合物（如淀粉等）。這些物質都是親水膠體，在這些物質的表面能吸附很多水分子，使膠體體積膨脹。例如，干燥的種子浸泡在水中，經過一段時間后，細胞壁、原生質和貯藏的淀粉等就會吸水膨脹，使種子體積增大，在這個過程中發生了吸脹作用，我們稱它為吸脹吸水。

三、自由擴散

自由擴散是物質跨膜運輸的方式之一，物質從高濃度溶液向低濃度溶液的擴散，在這個過程中不需要載體的協助，也不需要消耗能量。物質自由擴散的速度與溶質分子的大小、膜兩側溶質的濃度差以及物質的脂溶性程度等有關。由于細胞膜的基本骨架是磷脂雙分子層，脂溶性物質較易溶于磷脂，因此能優先跨過細胞膜進出細胞。大量實驗證明，物質穿過細胞膜擴散的速度與其脂溶性程度相關，而且成正比。水分子不溶于脂，但由于水分子非常小，它可以穿過磷脂分子運動時產生的間隙。然而，水分子及脂溶性物質在膜兩側的移動方向和速度，取決于物質的濃度梯度，溶液的濃度差愈大，擴散的速度就愈快。

四、協助擴散

協助擴散是指物質必須在載體蛋白的協助下，才能從細胞膜高濃度一側流向低濃度一側，但在此過程中不消耗能量。長期以來， 人們普遍認為水分子進出細胞都是以自由擴散的方式。近年來，研究發現有些細胞在低滲溶液中對水的通透性并不高， 很難用自由擴散來進行解釋。例如，將動物的紅細胞放到低滲溶液里，很快就會發生吸水膨脹而溶血，而某些水生動物的卵母細胞卻不是這樣，它們在低滲溶液就不會發生膨脹。由此，人們推測水分子在進行跨膜運輸時除了自由擴散外，還可能存在某種非常特殊的機制。2003年諾貝爾化學獎授予約翰霍普金斯大學醫學院的美國科學家彼得·阿格雷，因其發現了細胞膜上的水通道蛋白（見圖2）。阿格雷經過反復實驗，驗證了自己的發現，阿格雷進行了對比試驗，把含有水通道蛋白的細胞以及去除了這種蛋白的細胞分別放入清水中，結果前者能夠吸水，后者不能。為了進一步驗證自己的發現，他又制造了兩種不同的細胞膜，一種含有水通道蛋白，另一種則不含水通道蛋白。他把這兩種人造細胞膜分別進行了處理，然后放在清水中，結果發現第一種細胞膜吸收了很多水而發生膨脹，則第二種沒有變化。一系列的實驗充分驗證了水通道蛋白具吸水的功能。目前，科學家已經發現水通道蛋白廣泛存在于植物、動物和一些微生物中，而且種類很多。

綜上所述，細胞通過滲透作用吸水和自由擴散吸水的原理可概括為水分子順相對含量梯度進行的運輸，即水分子從含量多的一側運輸到水分子含量少的一側。而對于吸脹吸水主要是細胞內親水物質在發揮作用。有關水分子通過水通道蛋白進出細胞的相關內容，在教材中并未特別提到，是否將這種方式寫入高中教材還需進一步探討。水是如何進出細胞的？在生物教學中應該根據細胞有無液泡，運輸過程中有無載體的協助來判斷水進出細胞的方式。

參考文獻：

陳聯萬，李姍姍， 汲娟娟. 生命科學研究的又一個里程碑[J].生物化學與生物物理進展，2003（6）.

（責編 田彩霞）