细胞内液和细胞外液的理化性质及相互作用

一、细胞内液和细胞外液的理化性质及相互作用

（一）细胞内液和细胞外液的理化因素及作用

细胞内液和细胞外液均是由水、电解质、低分子有机化合物和蛋白质等组成，主要成分是水和电解质。毛细血管和细胞膜对各种溶质的通透性存在很大的差异，血浆蛋白不能通过毛细血管壁，Na＋可通过但不易通过细胞膜；细胞内的某些代谢特点，使某些离子被约束在细胞内，如细胞合成糖原和蛋白质的过程中，涉及到的某些酶活性与K＋相关，K＋进入细胞并被贮留。这些因素导致细胞内、外液的某些理化成分，尤其是电解质的浓度存在明显的差异（表3－1）。

1．水　水决定了细胞内外液的容量。水的主要作用有：①水是生命化学的溶剂，机体的所有生命化学过程都是在水溶液中进行的；②水能使物质溶解，有利于组织细胞间的物质交换，有利于营养物质的消化吸收和运输以及代谢废物的排泄；③水是维持体液容积和渗透压的重要成分；④水可吸热和散热，具有参与调节体温的作用。因为水的比热大，1g水从15℃升到16℃时需4．187J（1卡）热量，故体液中的水能吸收较多的热而本身温度升高不多。水的蒸发热大，1g水在37℃时完全蒸发要吸热约2．309kJ（575卡），所以蒸发少量的水就可散发大量的热。水在血浆与组织液、组织液与细胞内液之间交换非常迅速，物质代谢过程中产生的热量能在体内迅速地均匀分布，故体液内的温度不易因机体所处环境温度的变化而发生较大波动，始终保持在37℃±0．5℃范围；⑤水具有润滑作用，关节腔滑液、胸腹腔内的浆液、泪液等都具有润滑相应组织以减少其摩擦的作用。

正常机体，水的出入量保持动态平衡，体液的含水量仅在一定范围内波动。成人每日每千克体重需水40ml，婴幼儿较成人多2～4倍。成人每日经食物和饮料等摄水2．2～2．5L，三大营养物质在体内氧化时产生水（代谢水）约0．3L，故水的来源一般为2．5L。通常情况下，水的排出主要由肾生成尿液，成人每日排尿平均为1．5L；经皮肤和呼吸道不感蒸发的水每日约为1．0L。在环境温度升高或剧烈运动时，大量出汗，水的排出量增多，机体需通过增加水的摄入以保持平衡。如进水不足并伴排水过多（严重呕吐腹泻）或进水过多排水不足（肾功能不良者接受大量液体输入），使体内水平衡遭到破坏时，体液中（尤其是血浆）的含水量就会出现较大的波动。婴幼儿由于生长发育迅速，组织细胞增大时需要蓄积水分；肾小管吸收功能未臻完善，尿的浓缩功能较差，加之新陈代谢旺盛，排出代谢产物较多，排尿量相应增多，故按千克体重计算，每日需水量较成人多；又因婴幼儿神经系统、肾、肺和内分泌系统等发育尚未完善，调节能力和代偿功能差，故易受疾病或外界环境因素的影响而出现水的平衡失调。成年女性因体液量占体重的百分率较男性低，对失水的耐受性较男性差。

2．电解质　体液中所含的无机物，大部分可解离为带电荷的离子，这些带电荷的物质统称为电解质（electrolyte）。正常情况下体液中的正负离子总量相等，保持电中性。电解质主要功能有：

（1）维持渗透压平衡和酸碱平衡：电解质形成体液中的晶体渗透压，晶体渗透压是调节细胞内外水平衡的主要驱动力，故电解质紊乱常伴有细胞内外的水转移。HCO－3和H＋等同酸碱平衡的维持有关（见体液中的酸碱平衡及其维持机制）。

（2）维持神经和肌的兴奋性：细胞外液中Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋和H＋的正常浓度和比例，是维持神经和肌兴奋性的必要条件之一。神经和肌的兴奋性同体液中电解质的关系如下：

当血中Na＋、K＋浓度增高时，神经和肌的兴奋性增高，反之，兴奋性降低。当血中Ca2＋、Mg2＋和H＋浓度增高时，神经和肌的兴奋性降低，反之，兴奋性增高。

（3）具有信息分子的作用：Ca2＋是细胞内的一种信息分子，广泛参与三磷肌醇和二酰甘油通路的信息传递。参与肌的兴奋收缩耦联和神经递质的释放等。

（4）参与细胞电位的形成和维持：Na＋、K＋和Ca2＋参与可兴奋细胞的电活动的形成和维持。

（5）作为组织的成分：体内的软组织，尤其是骨组织中含有丰富的钙、磷、镁、钾和钠等。

3．渗透压（osmotic　pressure）　是溶液中电解质及非电解质类溶质微粒，通过半透膜对水的吸引力。正常血浆的渗透压约为300mmol／L（波动范围在280～320mmol／L）。其中蛋白质（以白蛋白为主）形成的胶体渗透压约为1．5mmol／L，由无机盐和其他晶体物质构成的晶体渗透压约为300mmol／L。从表3－1可见，细胞内液的蛋白质浓度较血浆高，形成的胶体渗透压较高，但二价离子（Mg2＋、HPO2－和SO2－）较多，晶体渗透压较低，故细胞内的总渗透压与血(https://www.daowen.com)

44浆的相等；血浆的蛋白质含量较组织液高，形成的胶体渗透压较高，但组织液中的小分子无机离子较血浆稍多，故二者的总渗透压亦相等。因此，血浆的渗透压代表了体液的渗透压。只有在与血浆渗透压相等的溶液中，细胞的正常形态和功能才能维持；只有体液中的渗透压保持动态平衡，体液的容量才得以维持相对稳定（见血浆渗透压的稳定机制及体液渗透压变化）。

在维持细胞外液的渗透压中，Na＋和Cl－的作用占90%左右，因此Na＋与Cl－（特别是Na＋）是维持细胞外液容量和渗透压的主要离子。故机体对细胞外液容量的调节就是对细胞外液渗透压的调节，主要是对Na＋的平衡进行调节。K＋和HPO24－（特别是K＋）则是维持细胞内液容量和渗透压的主要离子。

4．酸碱度　正常人的血浆和组织液的pH为7．35～7．45，在血液缓冲系统、肾和肺的共同作用下维持相对恒定。血浆中以NaHCO3和H2CO3组成的缓冲对最为重要，其含量多、缓冲力强；在红细胞中，则以Hb和HHb缓冲对最重要。只要血浆中的NaHCO3／H2CO3为20∶1，pH即可维持正常（见体液中的酸碱平衡及其维持机制）。

5．营养物和其他物质的浓度　体液中还存在供细胞代谢利用的营养物质和代谢产生的物质。细胞外液中三大营养物质、各种维生素、微量元素和生物活性物质的含量，O2和CO2以及各种代谢产物的浓度等，通过消化、呼吸、排泄、内分泌和血液循环等系统的协同作用，保持在体内各种组织细胞能进行正常代谢的最适水平。

细胞内、外液中的物质，通过细胞膜选择性地控制其出或入，从而对细胞的活动产生影响，同时也调节了细胞的容量，维持了细胞内液的pH和离子成分在一个比较狭小的范围内波动。细胞内其他细胞器的膜性结构，将细胞内各种物质局限在某一区域，使细胞内不同功能的生化活动又能相对独立地进行。因此，细胞外液是机体的内环境，细胞内液则是细胞内各细胞器及成分直接进行代谢和活动的微环境，该微环境理化性质的相对恒定，又有赖于细胞内、外液的相互作用。

（二）细胞内液和细胞外液的相互作用

1．细胞外液和细胞内液间的相互作用　细胞膜是细胞内、外液之间的屏障，O2和CO2可自由扩散，离子和葡萄糖等需细胞膜上的通道和载体协助才能通过，水顺渗透压差而越膜运动。细胞内液与组织液进行交换，保证细胞不断地从组织液中摄取营养物质和排出其活动产生的物质。由于细胞内外的蛋白质、Na＋和K＋等不易通过细胞膜，即使是可兴奋细胞，在发生电活动过程中伴有的Na＋、K＋等离子的跨膜运动，亦很快由细胞膜上的Na＋泵等的活动使之恢复正常分布。维持细胞内、外容量稳定的重要因素是晶体渗透压，决定细胞外液晶体渗透压的主要离子是Na＋，细胞内的则是K＋。当细胞内、外液的晶体渗透压产生差别时，主要靠水的移动来维持平衡。例如，机体一次性饮入大量清水后，水吸收入血迅速分布于组织液，组织液为低渗，细胞由于水的渗入而肿胀，细胞内容积增大。正常情况下，这种变化通过水利尿得以迅速矫正。反之，当机体极度缺水时，细胞外液呈高渗，细胞由于水的渗出而皱缩，但有利于细胞外液容量的补充和血液循环的维持。因此，晶体渗透压在维持细胞膜内、外的水平衡中起重要作用。只有保持细胞内、外液相对恒定的渗透压，才能保持细胞的容量稳定和形态的正常，细胞的功能活动才能得以正常进行。

2．血浆和组织液的相互作用　毛细血管内皮细胞间的裂隙，对水和电解质有极高的通透性，毛细血管面积大和血液在其内流动缓慢，但水和溶解于其中的各种小分子物质的运动速率快，就使组织液与血浆之间能进行充分的物质交换。通过这种交换，各种营养物质进入组织液供细胞代谢利用，细胞活动的产物（细胞产生的活性物质和代谢产物等）则经组织液入血，由血液循环运至它部位发挥作用或经排泄器官被排出体外。

如表3－1所示，蛋白质在血浆与组织液之间的浓度存在明显的差别，血浆胶体渗透压较组织液中的高。血浆胶体渗透压的作用是保持血浆和组织液之间的水平衡。正常情况下，血浆与组织液间的容量相对稳定，主要是毛细血管血压和血浆胶体渗透压相互作用的结果。血压驱使水分通过毛细血管壁流向组织液，血浆胶体渗透压则把组织液吸回血管内。在毛细血管动脉端，血压较血浆胶体渗透压高，有效滤过压为正，水分从血浆滤出形成组织液；在静脉端，血浆胶体渗透压较血压值大，有效滤过压为负，水分回流入血浆。水分从动脉端滤出的量稍多于从静脉端回流的量，余下部分则经淋巴循环回到血液。由此可见，正常的血压和血浆胶体渗透压，是血浆和组织液容量保持动态平衡的重要条件（见微循环的功能活动及调节）。

一旦血压和（或）血浆胶体渗透压发生变化，这种平衡就会被打破，通过血浆与组织液的相互作用，二者的容量可能达到新的平衡或仍处于失衡状态。如慢性肾炎患者，血浆蛋白从尿中丢失致胶体渗透压降低，吸引组织液中的水进入毛细血管的力量减小，水分在组织间潴留形成水肿。此时，血浆容量不变或减少，组织液容量明显增加。又如急性大失血的患者，由于血容量减少，血压降低，此时，血浆胶体渗透压无明显改变，吸引组织液入血管，使血容量得到一定的补充，血浆和组织液容量达到新的暂时性平衡。但是，细胞外液容量减少，必须通过治疗手段才能恢复正常，在无全血补充的情况下，如仅大量输入等渗性盐溶液，则并不能使减少的血容量得到有效的纠正，因为小分子的晶体物质能自由地通过毛细血管壁并迅速地分布于全身组织间液，故须同时补充蛋白质以使血浆蛋白的浓度和胶体渗透压恢复正常。