為加強教師隊伍內涵建設，提升教師隊伍教學能力，推動教學質量再上一個臺階，我院基礎醫學院開展了“說課”的教學活動。說課的主要方式是： 教師按章節說出自己對知識的了解、理解和把握，以及課堂上講解的方式和方法，并提出本章節的難點和疑點，供大家思索、討論和解決。

人體組織內的水有兩種存在狀態： 結合水與自由水。

這兩種水以哪種存在形式為主？ 一直是中醫生化教學中的一個疑點。借助“說課”教學的推動，筆者探索了解決的途徑和方法。

水是人體內含量最多的物質，成人含水 50% ~ 60%,嬰兒含水 70% ~ 75%; 水是人體組織含量最多的物質，血液含水 83%,肌肉含水 70% ~80%.上述水以什么狀態存在？ 中醫院校的生化教科書給出了如下解釋: 體內的水除一部分以自由水形式存在外，大部分形成結合水； 心肌含水 79%,由于主要以結合水存在，從而維持了堅實的形態； 血液中的水則多為自由水，故能流動自如。西醫院校新版的病理生理學也有相似敘述: 人體內的水大部分為結合水，主要與蛋白質、黏多糖結合，如心肌中的水大部分為結合水。以上敘述聽起來似有道理，自由水是流動的，肌肉組織含水那么高，若非結合態為主，豈不軟瘍無力？ 然而，貌似合理的解釋卻存在諸多疑問，值得商榷。

1 關于自由水與結合水

動、植物組織內的水可分為兩類: 結合水與自由水。結合態的水是指： 水與蛋白質、碳水化合物、各種酸根、無機鹽等以氫鍵結合力維系成固態水，也稱為束縛水。不受氫鍵束縛或固定的水稱為自由水。束縛水的特點是：不易結冰，其冰點為零下 40 度，不能溶解溶質。自由水則與之相反： 容易結冰，能夠溶解溶質。人體內含水 50% ~75% ,這些水以哪種存在形式為主？

2 人體水的存在狀態

人體水的存在狀態可從以下三方面進行分析，即： 直接計算人體組織中結合水的含量、從“水分活度”探討人體水的存在狀態、生物學教科書的闡述。

2. 1 人體組織中的結合水 以人體的肌肉組織含水 75%為例，從組織細胞中的蛋白質、碳水化合物和電解質結合水的三個方面，分別給予計算。

2. 1. 1 蛋白質結合的水 人體肌肉組織含蛋白質大約20% ,100g 肌肉組織中含蛋白質 20g.據測定，每 100g 蛋白質可以結合水的平均值為 50g,所以 100g 肌肉組織中可以被蛋白質結合的水是 10g.

2. 1. 2 碳水化合物結合的水 人體組織內的碳水化合物，主要有細胞內的糖原、細胞膜上的寡糖和低聚糖、結締組織中的雜多糖（ 主要有透明質酸、硫酸軟骨素等） 、核酸中的核糖和脫氧核糖。肌肉組織中的肌糖原總含量為 120 ~400 g,肌肉組織包括骨骼肌，平滑肌和心肌。骨骼肌占體重的40%,平滑肌分布在內臟（ 胃、腸） 、血管（ 動脈、靜脈） 等處，心肌構成心壁，由上述三組肌肉群貯存肌糖原，合理的含量應該是，在飽食后的休息狀況下每 100g 肌肉組織大約含糖原 1g（ 即 1%） .組織中的雜多糖和核糖等含量恒定，一般不受飲食和營養狀態的影響，在組織細胞中的含量大約為 0. 5% （ 這個含量包括核酸）.一般來說，雜多糖（ 尤其是透明質酸） 吸附水的能力十分強大，但在生物組織內的透明質酸被蛋白質和硫酸軟骨素包裹，其中的極性基團被“掩蔽”和相互形成氫鍵，抵消了吸附水的能力。因此，據測定每 100g 碳水化合物可以結合的水是自身重量的 50%.100g 肌肉組織中碳水化物的總含量為1. 5g,可以結合水 0. 75g.

2. 1. 3 電解質結合的水 組織細胞中的電解質含量甚微、成分繁雜，能被這些電解質結合的水量微不足道，因此在各種文獻中往往被忽略不計，也無從查閱到相關數據。本文探索了一種簡易的計算方法，很方便地得出電解質結合水的大致數量。

2. 1. 3. 1 肌肉組織中的電解質 細胞間液電解質和細胞內液電解質。按照人體水分布的特點，肌肉組織中細胞間液占總液體量的 27%,細胞內液為 73%.以 100g 肌肉組織含水75g 計算，細胞間液含量為 75g ×27% =20g,細胞內液為 75g × 73% = 55g.以下分別計算其中電解質結合水的情況。

2. 1. 3. 2 細胞間液 在細胞間液中，能夠通過氫鍵與水結合的電解質總濃度為 310mEq/L,這些電解質能夠結合多少水？ 由于細胞間液中多種離子的復雜性和不同離子所帶電價的多樣性，很難一一單獨計算。但是，我們卻可以把它們簡化成 NaCl 的百分濃度來計算，即 310mEq/L 電解質的濃度先轉換成 mOsm / L 濃度，再換算成 NaCl 等滲溶液的百分濃度就是 0. 9%（ 生理鹽水的來源） .由于細胞間液中的單價離子占總離子量的 95. 2%,二價離子僅有4. 8% ,而單價離子以 NaCl 為主 （ 達到單價離子總量的88. 5% ） ,NaCl 又是強電解質，因此以 NaCl 替代所有離子，同時考查 NaCl 結合水的能力，就能代表所有電解質結合水的能力，從而大大簡化計算方法。0. 9% 的 NaCl 等滲溶液，其中 NaCl 的強電解質特性，使它在水溶液中以\\[Na（ H2O）x\\]+和\\[Cl（ H2O）y\\]-的水合形式存在； 顯然，式中的 X 和 Y 不可能是 1,一個水分子的氫鍵不可能中和掉一個完整電荷，因此鈉離子和氯離子可以與多個水分子結合。NaCl 在 37℃時的飽和溶液是每 100ml 水溶解 36. 5g,在這個飽和溶液中已經沒有了自由水，否則就還能溶解 NaCl,這提示每 1gNaCl 可以結合水的數量是 2. 74g（ 換算成摩爾濃度就是 X + Y =9 個 H2O） .100g 肌肉組織的細胞間液為 20g,所含電解質換算成 NaCl應為 20g × 0. 9% = 0. 18g,能夠被電解質結合的水就是0. 18g × 2. 74g = 0. 49g.即 100g 肌肉組織中，細胞間液的電解質結合水大致為 0. 49g.

2. 1. 3. 3 細胞內液 在細胞內液中，能夠通過氫鍵與水結合的電解質為 388mEq/L\\[1 - 5 \\].由于細胞內液蛋白質的濃度達到 63 mEq/L,而蛋白質結合水已經做了計算，這里必需扣除： 388 mEq/L - 63 mEq/L = 325 mEq/L.在這325 mEq / L 的電解質中，含量最多的陽離子是鉀離子（ 150mEq / L） 、含量最多的陰離子是磷酸二氫根離子 （ H2PO4-= 100 mEq / L.在生化教科書中： 細胞內液的 HPO42 -濃度為 100 mEq/L\\[1 - 5 \\],顯然是筆誤，應該糾正為 H2PO4-,否則陰陽離子的總電價無法平衡） ,兩項合計達到離子總量的 77%.KH2PO4不僅是細胞內液的主要電解質，其結合水的能力也是電解質中最強的（ 在 37℃ 的飽和溶液中，1分子 KH2PO4可以結合 24 分子水； 遠高于1 分子 NaCl 結合9 分子水，1 分子 KCl 結合 11 分子水） ,因此以 KH2PO4替代所有離子（ 雖然這種替代會帶來誤差，還可能略微增加結合水的數量，但不會對考查組織中“結合水”與“自由水”的比例產生根本性影響） ,考查 KH2PO4結合水的能力，就能代表細胞內液所有電解質結合水的能力，從而大大簡化計算方法。

325 mEq / L 的 電 解 質 濃 度，相 當 于 22. 1g / L （ 或2. 21% ） KH2PO4溶液的離子濃度。雖然 H2PO4-還可以進行二次電離和三次電離，但是從電離平衡常數分析，二次電離的能力比一次電離能力減小了 105倍（ 10 萬倍） ,三次電離又比二次電離減小了 105倍，因此二次電離和三次電離對電解質濃度的影響都可以忽略不計。KH2PO4在 37℃時的飽和溶液是每 100ml 水溶解 31. 9g,則每 1g KH2PO4可以結合水的數量是 3. 13g（ 換算成摩爾濃度就是 K++ H2PO4-共結合 23. 7 個 H2O） .100g 肌肉組織的細胞內液為55g,所含電解質換算成 KH2PO4應為55g ×2. 21% =1. 22g,能夠被電解質結合的水就是 1. 22g × 3. 13g = 3. 82g.即100g 肌肉組織中，細胞內液的電解質結合水大致為 3. 82g.

2. 1. 3. 4 合計： 100g 肌肉組織中電解質結合水的總量是0. 49g + 3. 82g = 4. 31g（ 在飽和溶液中，電解質的電離程度會小于稀釋溶液的電離程度，因此結合水的能力“飽和溶液”小于“稀釋溶液”.但是，由于組織中電解質的總濃度很小，結合水的總量很少，其誤差對考查組織中“結合水”與“自由水”的比例，不會帶來根本性影響） .

綜合以上數據，每 100g 肌肉組織中結合水的數量大致是： 10g（ 蛋白質結合水） + 0. 75g（ 碳水化合物結合水） +4. 31g（ 電解質結合水） = 15. 06g≈15g.100g 肌肉組織含水 75g,當結合水為 15g 時，則自由水的數量就是 75g -15g = 60g.人體組織中存在的水以自由水為主，在總水量中大致為 60g ÷75g ×100% =80%,而結合水在總水量中大致為 15g ÷75g ×100% =20%.

2. 2 從“水分活度”探尋人體水的存在狀態 以上方法定量地計算了人體組織中結合水與自由水的含量。下面，再引入“水分活度（ Water activity） ”的概念，定量說明生物組織中水存在的狀態。

2. 2. 1 “水分活度”定義“溶液中水蒸汽分壓與純水蒸汽壓之比”,可用公式表示為 Aw = P/P0（ Aw 為水分活度，P 為溶液或待測物質的水蒸汽分壓，P0為純水的蒸汽壓） ,測定 Aw 可以定量地描述生物組織中水的存在狀態。

例如，待測組織不含水時（ 0g 水/1g 組織） P = 0,Aw = 0,表示水的活度為零； 待測組織含水 100% 時（ 1g 水/1g 組織） ,P = 1,Aw = 1,表示水的活度為最大值（ 與純凈水一致） .

2. 2. 2 水分活度的研究結果（ 見圖 1）在溫度恒定的條件下，待測組織中含水量為 0% ~ 0. 07% 時，Aw 在 0 ~ 0. 25 之間，處于最低值。表明這種情況下組織中的水只能形成單層分子，因而水被氫鍵牢牢地結合、緊密地束縛，這種狀態下的水被稱為Ⅰ型束縛水。當待測組織中含水量為 0. 07% 至1. 4% ~ 3. 3% 時，Aw 在 0. 25 ~ 0. 8 之間，表明組織中的水已經形成多層水分子，但仍然被溶質的氫鍵吸附，稱為Ⅱ型束縛水。當待測組織中含水量達到 1. 4% ~ 3. 3% 至最高 20% 時，Aw 值在 0. 80 ~ 0. 99 之間，這時的坐標圖直線飆升，組織中水分活度突然釋放； 表明水分不被束縛，已經是以物理截留的毛細管方式凝結在組織的多孔性結構中，即氫鍵結合作用消失，水的性質接近理想溶液，稱為Ⅲ型束縛水。Aw 值 =1 時，成為完全的自由水，即Ⅳ型水?！緢D1】

上述實驗說明，生物組織中能夠被氫鍵結合的水最大值是 20%.超過 20%時，水分無法被束縛，水的性質接近理想溶液。如果把這一研究結果應用于人體組織，由于組織蛋白一項就結合了 13. 3% 的水（ 10g ÷ 75g × 100% =13. 3% ） ,因此取實驗中結合水的“最大值”更接近人體情況。即 100g 組織中含水 75g,其中能夠被氫鍵結合的水以20% 計： 75g × 20% = 15g.自由水就是 75g - 15g = 60g（ 與上述計算的 60g 完全一致） ,自由水所占的比例是 60g ÷75g × 100% = 80% （ 上述計算的是 80% ） ,而結合水的比例是 20. 0%（ 上述計算的是 20%） .

2. 3 生物學教科書對水存在狀態的闡述 不同層次的生物學教科書介紹水時，均沒有特指人體而是針對生物界。

普通生物學教科書指出: 水在細胞中以兩種形式存在，一部分水與細胞內的其他物質結合，叫結合水，大約占細胞內全部水分的 4. 5%; 細胞中絕大部分水以游離的形式存在，可以自由流動，叫自由水。綜合大學的生物學教科書介紹: 細胞中的水大部分以游離狀態存在，稱為游離水，這部分水在代謝過程中作為溶劑； 細胞內有一部分水與蛋白質分子緊密結合，參與生活物質的構成，稱為結合水。醫學生物學教科書的解釋: 細胞中的水 95% 是游離水； 結合水是指以氫鍵結合于蛋白質分子中的水分。

總之，上述教科書明確了生物體內的水以自由水為主，結合水含量少。

3 自由水在人體組織內的存在形式

既然人體組織內大部分水以自由狀態存在，為何人體組織很有剛性和硬度？ 自由水可以分為三類: （ 1） 滯化水： 主要指細胞內液，是被細胞中的顯微和亞顯微結構與膜所阻留住的水，不能自由流動，故也稱為不可移動水；（ 2） 細胞間液： 存在于生物組織的細胞間隙的水，又稱為毛細管水，其理化性質與“滯化水”相同，也不能自由流動。但是，這兩部分水卻不是死水，其水分子是可以運動的，因此可與周圍環境中的水以及束縛水進行交換； （ 3） 自由流動水： 人體的血液、淋巴液、膽汁和尿液等之中的水，都屬于可以自由流動的水。正是由于結合水、滯化水和細胞間液的存在和不能流動，才使組織細胞有了彈性、韌性和剛性，才使人體這個“大水球”不會漂浮不定、隨意變形。滯化水、細胞間液和自由流動水都可以溶解溶質以促進物質交換，從而保證營養物質的供應和代謝廢物的排泄。

4 結論

人體組織內的水以自由水為主，這樣才能良好地溶解和運輸溶質，實現氧、營養物質與代謝廢物在細胞內液與細胞間液之間的交換、細胞間液與血液之間的交換。反之，如果是以結合水為主，溶質的溶解、運輸與交換必然難以進行。

上述結論，通過“說課”而逐漸清晰和明確； 同時，通過說課可以促進教師們的學習與思考，為今后解決教學中的類似難題提供了一個良好的模式，為提高教、學、思、研起到了推動作用。

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