第一节 正常水、钠代谢

一、体液的容量和分布

前已提及，体液主要由水和溶解于其中的电解质、低分子有机化合物以及蛋白质等组成，其广泛分布于细胞内外液中。体液中，细胞内液的容量和成分与细胞的代谢和生理功能密切相关；细胞外液被认为是人体的内环境，是沟通组织细胞之间和机体与外界环境之间的媒介。为保证新陈代谢的正常进行和各种生理功能的发挥，维持内环境相对稳定是必需的。体液的容量和分布正常对维持细胞内外液功能的发挥具有重要意义。

成人体液总量占体重的60%，其中细胞内液约占体重的40%，细胞外液约占体重的20%，细胞外液中的血浆约占体重的5%，约15%为组织间液。组织间液中有极少的一部分分布于一些密闭的腔隙（如胸膜腔、腹膜腔、心包腔、关节囊及颅腔等）中，为一特殊部分，也称第三间隙液。由于这一部分是由上皮细胞分泌产生的，故又称为跨细胞液（transcellular fluid）或透（穿）细胞液（占体重1%～2%）。不同年龄体液的容量和分布如表3-1所示。

体液总量的分布可因年龄、性别、胖瘦而不同。从婴儿到老年人，体液量占体重的比例逐渐减少。新生儿体液量约占体重的80%，婴儿约占70%，学龄儿童约占65%，成年人约占60%，老年人占40%～50%。老年人由于体液总量占体重的比例少，因此对缺水性疾病较难耐受。另外，体液总量随脂肪的增加而减少，脂肪组织含水较少（为10%～30%），而肌组织的水分含量较多（可高达75%～80%）。此外，由于雌激素可促进皮下脂肪的沉积，对体重相近的女性和男性而言，女性因拥有较多的脂肪组织而具有较少的体液总量。不同年龄、性别、胖瘦等人体体液与体重的关系见表3-2。

二、体液的渗透压

无论是晶体液还是胶体液，溶液的渗透压取决于溶质的分子或离子的数目，而与颗粒的大小、电荷及质量无关。体液起渗透作用的溶质主要是电解质。血浆和组织间液的渗透压90%～95%来源于单价离子Na+、Cl-和HCO3-，剩余的5%～10%由其他金属离子、葡萄糖、氨基酸、尿酸以及蛋白质等构成。由Na+、K+等离子（晶体颗粒）形成的渗透压，称为晶体渗透压（crystalloid osmotic pressure）；由蛋白质等大分子（胶体颗粒）形成的渗透压，称为胶体渗透压（colloid osmotic pressure）。血浆总的渗透压为血浆晶体渗透压与胶体渗透压之和。通常血浆渗透压在280～310 mmol/L，在此范围内称等渗，低于280 mmol/L称低渗，高于310 mmol/L称高渗。由于血浆与细胞间液中Na+浓度几乎相同，故由Na+产生的晶体渗透压对水在血浆与细胞间液之间的运动不起重要作用。虽血浆蛋白质所产生的渗透压极少，仅占血浆总渗透压的1/200，其与血浆晶体渗透压相比微不足道，但由于其不能自由通过毛细血管壁，故其对维持血管内外液体的交换和血容量恒定具有十分重要的作用。比如，血浆蛋白减少即成为水肿发生的重要机制之一。

维持细胞内液渗透压的离子主要是K+与HPO42-，尤其是K+。细胞内液的电解质若以mmol/L为单位计算，与细胞外液的渗透压基本相等。

水可以自由通过细胞膜，细胞膜两侧液体渗透压不等时，主要依靠水的移动维持细胞内、外液的渗透压平衡。当细胞外液渗透压升高时，细胞内水转移至细胞外，引起细胞皱缩；当细胞外液渗透压降低时，水转入细胞内，继而引起细胞肿胀。细胞内外渗透作用原理如图3-1所示。

三、水、钠平衡及调节

（一）水、钠平衡

1．水平衡

（1）水的来源：正常人每天水的摄入和排出处于动态平衡。水的来源有饮水、食物含水及代谢水。成人每天饮水量波动于1000～1500 ml，食物水含量约为700 ml。糖类、脂肪、蛋白质等营养物质在体内氧化生成水称为代谢水，每天约为300 ml（每100 g糖类氧化时产生60 ml，每100 g脂肪可产生107 ml，每100 g蛋白质可产生41 ml）。每1 kg肌肉破坏时可释放水约850 ml，故在严重创伤如挤压综合征时大量组织破坏可使体内迅速产生大量内生水。

（2）水的去路：机体排出水分的途径有四个，即消化道（粪便）、皮肤（显性汗和非显性汗）、肺（呼吸蒸发）和肾（尿液）。每天由皮肤蒸发的水分（非显性汗）约为500 ml，通过呼吸蒸发的水分约为350 ml。前者仅含少量电解质，而后者几乎不含电解质，故这两种不断蒸发排出的水分可以当作纯水看待。在显性出汗时汗液是一种低渗溶液，含NaCl约为0.2%，并含有少量的K+。因此，在炎夏或高温环境下活动导致大量出汗时，会伴有电解质的丢失。健康成人每日经粪便排出的水分约为150 ml，由尿排出的水分为1000～1500 ml。必须指出，正常成人每天至少排出500 ml尿液才能清除体内的代谢废物。因成人每日尿液中的固体物质（主要是蛋白质代谢终产物及电解质）一般不少于35 g，而尿液最大浓度为60～80 g/L，所以每天排出35 g固体溶质的最低尿量为500 ml。再加上非显性汗、呼吸蒸发以及粪便排水量，则每天最低排出的水量为1500 ml。要维持水分出入量的平衡，每天需水1500～2000 ml，此称日需要量。对无尿液的患者，每天进水量应不少于700 ml，否则将出现水的负平衡。在正常情况下每日的出入量保持平衡（表3-3）。尿量则视水分的摄入情况和其他途径排水的多少而增减。需要注意的是，婴幼儿需水量比成人高2～3倍（为120～160 ml/kg），这与婴幼儿的生理特点有关，如生长迅速、组织细胞生长时需蓄积水分、尿浓缩能力较差（肾小管重吸收功能尚未完善）、新陈代谢旺盛、经尿排出的代谢废物相对较多等。

2．钠平衡

Na+是保持细胞外液容量、调节酸碱平衡及维持正常渗透压的重要因素，在维持正常生理功能方面具有重要作用。正常成人体内含钠总量为40～50 mmol/kg体重，其中约60%是可以交换的，约40%是不可交换的（主要结合于骨骼的基质）。总钠的50%左右存在于细胞外液，10%左右存在于细胞内液。血清Na+浓度的正常范围是130～150 mmol/L，细胞内液中的Na+浓度仅为10 mmol/L左右。成人每天饮食摄入钠100～200 mmol。天然食物中含钠甚少，故人们摄入的钠主要来自食盐。摄入的钠几乎全部由小肠吸收，Na+主要经肾随尿排出。摄入多，排出亦多；摄入少，排出亦少；若完全停止钠摄入时，肾脏排钠量可趋于零（多食多排、少食少排、不食不排）。正常情况下摄钠和排钠量几乎相等。此外，随着汗液的分泌也可排出少量的Na+, Na+的排出通常也伴有Cl-的排出。

（二）水、钠的生理功能

1．水的生理功能

水是机体尤其体液中含量最多的组成部分，是维持人体正常生理活动的重要营养物质之一。水具有多方面的生理功能。

（1）促进物质代谢。水既是一切生化反应的场所，又是良好的溶剂，能使物质溶解，加速化学反应，有利于营养物质的消化、吸收、运输和代谢废物的排泄。水本身也参与水解、水化、加水等重要反应。

（2）调节体温。水的比热大，能吸收代谢过程中产生的大量热能而使体温不至于升高。水的蒸发热大，1 g水在37℃完全蒸发需要吸收2406 J热量，所以蒸发少量的汗就能散发大量的热量。水的流动性大，能随血液迅速分布全身，而且三部分体液中水的交换非常迅速，使得物质代谢中产生的热量能够在体内迅速分布。由于水有这些特点，因而水可通过维持产热和散热的平衡对体温进行调节。

（3）润滑作用。例如，泪液可防止眼球干燥而有利于眼球转动，唾液可保持口腔和咽部湿润而有利于吞咽，关节囊的滑液有利于关节转动，胸膜和腹膜腔的浆液可减少组织间的摩擦，这些均是水的润滑作用。

（4）形成结合水。体内的水有相当大的一部分以结合水的形式存在（其余以自由水形式存在）。这些结合水与蛋白质、糖胺聚糖（黏多糖）和磷脂等结合，发挥其复杂的生理功能。各种组织器官含自由水和结合水的比例不同，因而坚实程度各异。心脏含水79%，比血液仅少4%（血液含水83%），但由于心脏主要含结合水，故它的形态坚实柔韧，而血液则循环流动。

2．钠的生理功能

（1）维持细胞内、外液的容量与渗透压平衡。Na+是细胞外液中的主要阳离子，约占阳离子总量的90%，故其产生的渗透压是细胞外液渗透压形成的重要构成部分。另外，K+的主动运转，需由Na+-K+-ATP酶驱动，使Na+主动从细胞内排出，以维持细胞内外液渗透压平衡。此外，钠在细胞内液中同样也参与形成渗透压，并参与维持细胞内液的稳定。因此，钠含量的平衡，被认为是维持细胞内、外液容量与渗透压平衡的基本条件之一。

（2）维持体液的酸碱平衡。正常人细胞外液（以血浆为代表）的pH值为7.35～7.45，在缓冲系统、肺和肾脏的共同调节下，pH值维持相对的稳定。在缓冲系统中，以NaHCO3与H2CO3组成的缓冲对最为重要，因为它含量高、缓冲能力强。另外，Na+在肾小管重吸收时可与H+交换，清除体内酸性代谢产物，共同参与维持体液的酸碱平衡。

（3）参与维持神经、肌肉、心肌细胞静息电位和动作电位的形成。Na+-K+-ATP酶活性的正常对细胞内外Na+和K+的分布有重要意义，钾是神经、肌肉、心肌细胞静息电位形成的重要离子。而神经、肌肉、心肌细胞动作电位0期除极化常由Na+内流形成。因此，保持Na+浓度平衡，对维护神经肌肉的应激性是必需的。血浆Na+浓度增加，神经、肌肉兴奋性增加；反之则下降。

（4）参与新陈代谢和生理功能活动。例如，Na+参与ATP的生成和利用；肾小管管腔膜上存在Na+-葡萄糖同向转运体和Na+-氨基酸同向转运体，Na+介导肾小管对葡萄糖和氨基酸的重吸收；在肾髓质，Na+还参与外髓至内髓部渗透浓度梯度的形成和尿液浓缩。

（三）水、钠平衡的调节

水、钠的平衡受神经-内分泌系统的调节，这种调节又主要是通过改变肾脏对水和钠的影响而实现的。因此，正常水、钠的平衡主要受以下几个方面调节。

1．抗利尿激素和醛固酮的调节作用

渗透压感受器主要分布在下丘脑视上核和室旁核。正常渗透压感受器阈值一般为280 mmol/L，当成人细胞外液渗透压有1%～2%变动时，就可以影响抗利尿激素（antidiuretic hormone, ADH）的释放。非渗透性刺激，即血容量和血压的变化可通过左心房和胸腔大静脉处的容量感受器，以及颈动脉窦、主动脉弓的压力感受器而影响ADH的分泌（图3-2）。在一般情况下，不会因饮水和摄取钠的多少而使细胞外液渗透压发生显著的改变。

当体内水分不足或摄钠较多而使细胞外液渗透压升高时，将促使ADH的分泌增多，促进肾远曲小管和集合管对水的重吸收，减少水的排出；同时抑制醛固酮（aldosterone）的分泌（图3-3），减弱肾小管对Na+的重吸收，增加Na+的排出，降低Na+在细胞外液的浓度，使已升高的细胞外液渗透压降至正常。其他因素，如精神紧张、疼痛、创伤以及某些药物和体液因子，如氯磺丙脲、长春新碱、环磷酰胺、血管紧张素Ⅱ等也能促使ADH分泌或增强ADH的作用。

反之，当体内水分过多或钠摄入不足而使细胞外液渗透压降低时，一方面通过抑制ADH的分泌，减弱肾远曲小管和集合管对水的重吸收，使水分排出增多；另一方面促进醛固酮的分泌，加强肾小管对Na+的重吸收，减少Na+的排出，从而使细胞外液中的Na+浓度增高，结果使降低的细胞外液渗透压增至正常。在正常条件下，尿量具有较大的变动范围（500～2000 ml），说明肾在调节水平衡上有很大潜力。只有在肾功能严重障碍时，对水的总平衡才有较大影响。实验证明，细胞外液容量的变化可以影响机体对渗透压变化的敏感性。许多血容量减少的疾病，其促使ADH分泌的作用远超过血浆晶体渗透压降低对ADH分泌的抑制，说明机体优先维持血容量的平衡。

2．心房钠尿肽的调节作用

心房钠尿肽（atrial natriuretic polypeptide, ANP）也称心房利钠因子（atrial natriuretic factor, ANF）、心房肽（atriopeptin）或心钠素（cardionatrin），是一组由心房肌细胞产生的多肽，由21～33个氨基酸组成。心房钠尿肽是影响水、钠代谢的重要体液因素。当心房扩张、血容量增加、血Na+增高或血管紧张素增多时，将刺激心房肌细胞合成释放ANP。ANP释放入血后，主要从四个方面影响水、钠代谢，即减少肾素的分泌、抑制醛固酮的分泌、对抗血管紧张素的缩血管效应，以及拮抗醛固酮的滞Na+作用。

3．水通道蛋白的调节作用

水通道蛋白（aquaporin, AQP）是一组构成水通道与水通透有关的细胞膜转运蛋白，广泛存在于动物、植物及微生物界。目前已经发现的AQP家族有10个成员，其中AQP0、AQP1、AQP2、AQP4、AQP5、AQP6、AQP8对水有选择性，AQP3、AQP7、AQP9则是水、甘油、尿素等小分子的共同通道。每种AQP有其特异性的组织分布。不同的AQP在肾脏和其他器官的水吸收和分泌过程中有着不同的作用和调节机制。

ADH调节集合管重吸收水而浓缩尿液的过程与ADH受体V2R（集合管有多种VR，但参与水转运的主要是V2R）和AQP2关系密切。当ADH释放入循环后，与集合管主细胞管周膜上的V2R结合，并通过耦联的三磷酸鸟苷结合蛋白（GTR-binding protein），激活腺苷酸环化酶，使细胞内cAMP增高，再次激活cAMP依赖的蛋白激酶A（protein kinase A, PKA）。PKA使主细胞细胞质囊泡中的AQP2发生磷酸化，触发含AQP2的细胞质囊泡向管腔膜转移并融合嵌入管腔膜，致管腔膜上AQP2密度增加，对水的通透性提高，继而通过胞饮作用，将水摄入细胞质。由存在于管周膜上持续活化的AQP3或AQP4在髓质渗透压梯度的驱使下将水转运到间质，再由直小血管带走。ADH和V2R解离后，管腔膜上的AQP2重新回到细胞质囊泡。如果ADH水平持续增高（数小时或更长）可使AQP2基因活化、转录及合成增加，从而提高集合管AQP2的绝对数量。

AQP的发现对水代谢的研究有重要意义。随着对AQP研究的深入，人们对全身水代谢的生理过程和水平衡紊乱的机制将会有更多新的认识。

4．渴感中枢的调节作用

当体内水分不足或摄入较多的食盐而使细胞外液的渗透压升高时，可刺激下丘脑的视上核渗透压感受器和侧面的渴感中枢产生兴奋，反射性引起口渴的感觉，机体主动饮水而补充水的不足。

此外，有研究证实，水、钠的调节还与体内鸟苷素调节肽及肾上腺髓质素等浓度变化相关，其浓度增高时均可促使机体利尿、利钠增强。