人体水的存在状态及自由水在人体内的存在形式

　　为加强教师队伍内涵建设，提升教师队伍教学能力，推动教学质量再上一个台阶，我院基础医学院开展了“说课”的教学活动。说课的主要方式是： 教师按章节说出自己对知识的了解、理解和把握，以及课堂上讲解的方式和方法，并提出本章节的难点和疑点，供大家思索、讨论和解决。

　　人体组织内的水有两种存在状态： 结合水与自由水。

　　这两种水以哪种存在形式为主？ 一直是中医生化教学中的一个疑点。借助“说课”教学的推动，笔者探索了解决的途径和方法。

　　水是人体内含量最多的物质，成人含水 50% ~ 60%,婴儿含水 70% ~ 75%; 水是人体组织含量最多的物质，血液含水 83%,肌肉含水 70% ~80%.上述水以什么状态存在？ 中医院校的生化教科书给出了如下解释: 体内的水除一部分以自由水形式存在外，大部分形成结合水； 心肌含水 79%,由于主要以结合水存在，从而维持了坚实的形态； 血液中的水则多为自由水，故能流动自如。西医院校新版的病理生理学也有相似叙述: 人体内的水大部分为结合水，主要与蛋白质、黏多糖结合，如心肌中的水大部分为结合水。以上叙述听起来似有道理，自由水是流动的，肌肉组织含水那么高，若非结合态为主，岂不软疡无力？ 然而，貌似合理的解释却存在诸多疑问，值得商榷。

　　1 关于自由水与结合水
　　
　　动、植物组织内的水可分为两类: 结合水与自由水。结合态的水是指： 水与蛋白质、碳水化合物、各种酸根、无机盐等以氢键结合力维系成固态水，也称为束缚水。不受氢键束缚或固定的水称为自由水。束缚水的特点是：不易结冰，其冰点为零下 40 度，不能溶解溶质。自由水则与之相反： 容易结冰，能够溶解溶质。人体内含水 50% ~75% ,这些水以哪种存在形式为主？

　　2 人体水的存在状态
　　
　　人体水的存在状态可从以下三方面进行分析，即： 直接计算人体组织中结合水的含量、从“水分活度”探讨人体水的存在状态、生物学教科书的阐述。

　　2. 1 人体组织中的结合水 以人体的肌肉组织含水 75%为例，从组织细胞中的蛋白质、碳水化合物和电解质结合水的三个方面，分别给予计算。

　　2. 1. 1 蛋白质结合的水 人体肌肉组织含蛋白质大约20% ,100g 肌肉组织中含蛋白质 20g.据测定，每 100g 蛋白质可以结合水的平均值为 50g,所以 100g 肌肉组织中可以被蛋白质结合的水是 10g.

　　2. 1. 2 碳水化合物结合的水 人体组织内的碳水化合物，主要有细胞内的糖原、细胞膜上的寡糖和低聚糖、结缔组织中的杂多糖（ 主要有透明质酸、硫酸软骨素等） 、核酸中的核糖和脱氧核糖。肌肉组织中的肌糖原总含量为 120 ~400 g,肌肉组织包括骨骼肌，平滑肌和心肌。骨骼肌占体重的40%,平滑肌分布在内脏（ 胃、肠） 、血管（ 动脉、静脉） 等处，心肌构成心壁，由上述三组肌肉群贮存肌糖原，合理的含量应该是，在饱食后的休息状况下每 100g 肌肉组织大约含糖原 1g（ 即 1%） .组织中的杂多糖和核糖等含量恒定，一般不受饮食和营养状态的影响，在组织细胞中的含量大约为 0. 5% （ 这个含量包括核酸）.一般来说，杂多糖（ 尤其是透明质酸） 吸附水的能力十分强大，但在生物组织内的透明质酸被蛋白质和硫酸软骨素包裹，其中的极性基团被“掩蔽”和相互形成氢键，抵消了吸附水的能力。因此，据测定每 100g 碳水化合物可以结合的水是自身重量的 50%.100g 肌肉组织中碳水化物的总含量为1. 5g,可以结合水 0. 75g.

　　2. 1. 3 电解质结合的水 组织细胞中的电解质含量甚微、成分繁杂，能被这些电解质结合的水量微不足道，因此在各种文献中往往被忽略不计，也无从查阅到相关数据。本文探索了一种简易的计算方法，很方便地得出电解质结合水的大致数量。

　　2. 1. 3. 1 肌肉组织中的电解质 细胞间液电解质和细胞内液电解质。按照人体水分布的特点，肌肉组织中细胞间液占总液体量的 27%,细胞内液为 73%.以 100g 肌肉组织含水75g 计算，细胞间液含量为 75g ×27% =20g,细胞内液为 75g × 73% = 55g.以下分别计算其中电解质结合水的情况。

　　2. 1. 3. 2 细胞间液 在细胞间液中，能够通过氢键与水结合的电解质总浓度为 310mEq/L,这些电解质能够结合多少水？ 由于细胞间液中多种离子的复杂性和不同离子所带电价的多样性，很难一一单独计算。但是，我们却可以把它们简化成 NaCl 的百分浓度来计算，即 310mEq/L 电解质的浓度先转换成 mOsm / L 浓度，再换算成 NaCl 等渗溶液的百分浓度就是 0. 9%（ 生理盐水的来源） .由于细胞间液中的单价离子占总离子量的 95. 2%,二价离子仅有4. 8% ,而单价离子以 NaCl 为主 （ 达到单价离子总量的88. 5% ） ,NaCl 又是强电解质，因此以 NaCl 替代所有离子，同时考查 NaCl 结合水的能力，就能代表所有电解质结合水的能力，从而大大简化计算方法。0. 9% 的 NaCl 等渗溶液，其中 NaCl 的强电解质特性，使它在水溶液中以\[Na（ H2O）x\]+和\[Cl（ H2O）y\]-的水合形式存在； 显然，式中的 X 和 Y 不可能是 1,一个水分子的氢键不可能中和掉一个完整电荷，因此钠离子和氯离子可以与多个水分子结合。NaCl 在 37℃时的饱和溶液是每 100ml 水溶解 36. 5g,在这个饱和溶液中已经没有了自由水，否则就还能溶解 NaCl,这提示每 1gNaCl 可以结合水的数量是 2. 74g（ 换算成摩尔浓度就是 X + Y =9 个 H2O） .100g 肌肉组织的细胞间液为 20g,所含电解质换算成 NaCl应为 20g × 0. 9% = 0. 18g,能够被电解质结合的水就是0. 18g × 2. 74g = 0. 49g.即 100g 肌肉组织中，细胞间液的电解质结合水大致为 0. 49g.

　　2. 1. 3. 3 细胞内液 在细胞内液中，能够通过氢键与水结合的电解质为 388mEq/L\[1 - 5 \].由于细胞内液蛋白质的浓度达到 63 mEq/L,而蛋白质结合水已经做了计算，这里必需扣除： 388 mEq/L - 63 mEq/L = 325 mEq/L.在这325 mEq / L 的电解质中，含量最多的阳离子是钾离子（ 150mEq / L） 、含量最多的阴离子是磷酸二氢根离子 （ H2PO4-= 100 mEq / L.在生化教科书中： 细胞内液的 HPO42 -浓度为 100 mEq/L\[1 - 5 \],显然是笔误，应该纠正为 H2PO4-,否则阴阳离子的总电价无法平衡） ,两项合计达到离子总量的 77%.KH2PO4不仅是细胞内液的主要电解质，其结合水的能力也是电解质中最强的（ 在 37℃ 的饱和溶液中，1分子 KH2PO4可以结合 24 分子水； 远高于1 分子 NaCl 结合9 分子水，1 分子 KCl 结合 11 分子水） ,因此以 KH2PO4替代所有离子（ 虽然这种替代会带来误差，还可能略微增加结合水的数量，但不会对考查组织中“结合水”与“自由水”的比例产生根本性影响） ,考查 KH2PO4结合水的能力，就能代表细胞内液所有电解质结合水的能力，从而大大简化计算方法。
　　
　　325 mEq / L 的 电 解 质 浓 度，相 当 于 22. 1g / L （ 或2. 21% ） KH2PO4溶液的离子浓度。虽然 H2PO4-还可以进行二次电离和三次电离，但是从电离平衡常数分析，二次电离的能力比一次电离能力减小了 105倍（ 10 万倍） ,三次电离又比二次电离减小了 105倍，因此二次电离和三次电离对电解质浓度的影响都可以忽略不计。KH2PO4在 37℃时的饱和溶液是每 100ml 水溶解 31. 9g,则每 1g KH2PO4可以结合水的数量是 3. 13g（ 换算成摩尔浓度就是 K++ H2PO4-共结合 23. 7 个 H2O） .100g 肌肉组织的细胞内液为55g,所含电解质换算成 KH2PO4应为55g ×2. 21% =1. 22g,能够被电解质结合的水就是 1. 22g × 3. 13g = 3. 82g.即100g 肌肉组织中，细胞内液的电解质结合水大致为 3. 82g.

　　2. 1. 3. 4 合计： 100g 肌肉组织中电解质结合水的总量是0. 49g + 3. 82g = 4. 31g（ 在饱和溶液中，电解质的电离程度会小于稀释溶液的电离程度，因此结合水的能力“饱和溶液”小于“稀释溶液”.但是，由于组织中电解质的总浓度很小，结合水的总量很少，其误差对考查组织中“结合水”与“自由水”的比例，不会带来根本性影响） .

　　综合以上数据，每 100g 肌肉组织中结合水的数量大致是： 10g（ 蛋白质结合水） + 0. 75g（ 碳水化合物结合水） +4. 31g（ 电解质结合水） = 15. 06g≈15g.100g 肌肉组织含水 75g,当结合水为 15g 时，则自由水的数量就是 75g -15g = 60g.人体组织中存在的水以自由水为主，在总水量中大致为 60g ÷75g ×100% =80%,而结合水在总水量中大致为 15g ÷75g ×100% =20%.

　　2. 2 从“水分活度”探寻人体水的存在状态 以上方法定量地计算了人体组织中结合水与自由水的含量。下面，再引入“水分活度（ Water activity） ”的概念，定量说明生物组织中水存在的状态。

　　2. 2. 1 “水分活度”定义“溶液中水蒸汽分压与纯水蒸汽压之比”,可用公式表示为 Aw = P/P0（ Aw 为水分活度，P 为溶液或待测物质的水蒸汽分压，P0为纯水的蒸汽压） ,测定 Aw 可以定量地描述生物组织中水的存在状态。

　　例如，待测组织不含水时（ 0g 水/1g 组织） P = 0,Aw = 0,表示水的活度为零； 待测组织含水 100% 时（ 1g 水/1g 组织） ,P = 1,Aw = 1,表示水的活度为最大值（ 与纯净水一致） .

　　2. 2. 2 水分活度的研究结果（ 见图 1）在温度恒定的条件下，待测组织中含水量为 0% ~ 0. 07% 时，Aw 在 0 ~ 0. 25 之间，处于最低值。表明这种情况下组织中的水只能形成单层分子，因而水被氢键牢牢地结合、紧密地束缚，这种状态下的水被称为Ⅰ型束缚水。当待测组织中含水量为 0. 07% 至1. 4% ~ 3. 3% 时，Aw 在 0. 25 ~ 0. 8 之间，表明组织中的水已经形成多层水分子，但仍然被溶质的氢键吸附，称为Ⅱ型束缚水。当待测组织中含水量达到 1. 4% ~ 3. 3% 至最高 20% 时，Aw 值在 0. 80 ~ 0. 99 之间，这时的坐标图直线飙升，组织中水分活度突然释放； 表明水分不被束缚，已经是以物理截留的毛细管方式凝结在组织的多孔性结构中，即氢键结合作用消失，水的性质接近理想溶液，称为Ⅲ型束缚水。Aw 值 =1 时，成为完全的自由水，即Ⅳ型水。【图1】

　　上述实验说明，生物组织中能够被氢键结合的水最大值是 20%.超过 20%时，水分无法被束缚，水的性质接近理想溶液。如果把这一研究结果应用于人体组织，由于组织蛋白一项就结合了 13. 3% 的水（ 10g ÷ 75g × 100% =13. 3% ） ,因此取实验中结合水的“最大值”更接近人体情况。即 100g 组织中含水 75g,其中能够被氢键结合的水以20% 计： 75g × 20% = 15g.自由水就是 75g - 15g = 60g（ 与上述计算的 60g 完全一致） ,自由水所占的比例是 60g ÷75g × 100% = 80% （ 上述计算的是 80% ） ,而结合水的比例是 20. 0%（ 上述计算的是 20%） .

　　2. 3 生物学教科书对水存在状态的阐述 不同层次的生物学教科书介绍水时，均没有特指人体而是针对生物界。

　　普通生物学教科书指出: 水在细胞中以两种形式存在，一部分水与细胞内的其他物质结合，叫结合水，大约占细胞内全部水分的 4. 5%; 细胞中绝大部分水以游离的形式存在，可以自由流动，叫自由水。综合大学的生物学教科书介绍: 细胞中的水大部分以游离状态存在，称为游离水，这部分水在代谢过程中作为溶剂； 细胞内有一部分水与蛋白质分子紧密结合，参与生活物质的构成，称为结合水。医学生物学教科书的解释: 细胞中的水 95% 是游离水； 结合水是指以氢键结合于蛋白质分子中的水分。

　　总之，上述教科书明确了生物体内的水以自由水为主，结合水含量少。

　　3 自由水在人体组织内的存在形式
　　
　　既然人体组织内大部分水以自由状态存在，为何人体组织很有刚性和硬度？ 自由水可以分为三类: （ 1） 滞化水： 主要指细胞内液，是被细胞中的显微和亚显微结构与膜所阻留住的水，不能自由流动，故也称为不可移动水；（ 2） 细胞间液： 存在于生物组织的细胞间隙的水，又称为毛细管水，其理化性质与“滞化水”相同，也不能自由流动。但是，这两部分水却不是死水，其水分子是可以运动的，因此可与周围环境中的水以及束缚水进行交换； （ 3） 自由流动水： 人体的血液、淋巴液、胆汁和尿液等之中的水，都属于可以自由流动的水。正是由于结合水、滞化水和细胞间液的存在和不能流动，才使组织细胞有了弹性、韧性和刚性，才使人体这个“大水球”不会漂浮不定、随意变形。滞化水、细胞间液和自由流动水都可以溶解溶质以促进物质交换，从而保证营养物质的供应和代谢废物的排泄。

　　4 结论
　　
　　人体组织内的水以自由水为主，这样才能良好地溶解和运输溶质，实现氧、营养物质与代谢废物在细胞内液与细胞间液之间的交换、细胞间液与血液之间的交换。反之，如果是以结合水为主，溶质的溶解、运输与交换必然难以进行。

　　上述结论，通过“说课”而逐渐清晰和明确； 同时，通过说课可以促进教师们的学习与思考，为今后解决教学中的类似难题提供了一个良好的模式，为提高教、学、思、研起到了推动作用。

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