人体水的存在状态及自由水在人体内的存在形式

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  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】
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  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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