細胞內(nèi)鉀多鈉少
——原初生物的第三大遺跡？（2）

朱欽士（美國南加州大學醫(yī)學院）

（上接2019年第10 期第7 頁）

3 最原始的蛋白質(zhì)需要鉀以執(zhí)行其功能

要證明最原始的蛋白需要鉀，首先要找出這些蛋白。為此，Koonin 及其同事檢查了存在于所有生物的蛋白質(zhì)，將這樣的蛋白質(zhì)看作是最原始的蛋白。只存在于某些生物，而不存在于其他生物的蛋白則被認為是較后出現(xiàn)的，即生物發(fā)生分化后才在其中一些生物中出現(xiàn)。

這樣的蛋白開始比較多，但是隨著全基因組（genome）被測定的生物越來越多，原始蛋白的數(shù)量不斷減少（因為只要有新測定的某種生物不含有其中的一些蛋白，這些蛋白就會從名單中被剔除），最后穩(wěn)定在60 個左右。這60 個左右的蛋白就被認為是生物最古老的蛋白。

檢測這些蛋白的功能，發(fā)現(xiàn)它們多數(shù)與蛋白質(zhì)的合成，即轉(zhuǎn)譯（translation）過程有關(guān)，再有就是和DNA 有關(guān)的酶。這也是可以理解的，因為蛋白合成和DNA 信息的讀取和修復是生物最基本的生命活動。在這些蛋白中，有若干需要鉀離子以實現(xiàn)其功能，但是沒有一種蛋白需要鈉離子，鈉離子的存在甚至會影響其功能。這是原初生命在高鉀低鈉環(huán)境中生成的最有力的證據(jù)。

例如在需要鉀離子的蛋白中，有一類是屬于所謂的“P-環(huán)鳥苷三磷酸酶”（P-loop GTPase），包括翻譯延長因子EF-Tu（elongation factor thermounstable）和EF-G（elongation factor G）。這些蛋白含有一個專門的天冬氨酸殘基用于結(jié)合鉀離子。這2 種蛋白的活性都被鈉離子所抑制。

核糖體中真正將氨基酸加到肽鏈上的酶，肽轉(zhuǎn)移酶（peptidyl transferase）不是蛋白質(zhì)，而是核糖體中的RNA（ribosomal RNA，rRNA，這是原初生物第1 個遺跡，即RNA 世界的證據(jù)）。如果除去一價陽離子，肽轉(zhuǎn)移酶就不再有活性。將不同的一價陽離子分別加進反應(yīng)系統(tǒng)，就會發(fā)現(xiàn)使肽轉(zhuǎn)移酶活性恢復的一價陽離子的能力從高到低的順序是：銨離子（NH4+）>銣離子（Rb+）>鉀離子（K+）>銫離子（Cs+）；而鈉離子（Na+）和鋰離子（Li+）沒有作用。

因此，合成蛋白質(zhì)的核糖體需要鉀離子才能正常工作，而不需要鈉離子。在用體外系統(tǒng)進行蛋白合成時，通常使用的是兔的網(wǎng)織紅細胞裂解物（rabbit reticulocyte lysate），所需要的陽離子的最后濃度是0.5 mmol／L 醋酸鎂和79 mmol／L 醋酸鉀，而沒有氯化鈉（根據(jù)Promega 生物公司的反應(yīng)系統(tǒng)）。

核糖體合成肽鏈后，有些還需要伴侶蛋白的幫助才能折疊成為正常的三維結(jié)構(gòu)。其中的伴侶蛋白GroEL 也是60 個最原始的蛋白之一。它和蛋白GroES 一起幫助肽鏈折疊。其活性受鎂離子的幫助，但是絕對依賴鉀離子。銨離子和銣離子可部分取代鉀離子的作用，而鋰離子、鈉離子和銫離子則沒有作用。GroEL 和GroES 都是原核生物的蛋白質(zhì)，在真核生物中，對應(yīng)的蛋白質(zhì)分別是熱休克蛋白Hsp60 和Hsp10，它們也需要鉀離子。這說明從原核生物到真核生物，這些古老的伴侶蛋白和它們的后繼物都需要鉀離子才能正常工作。

細菌的RecA 蛋白、古菌的RadA 蛋白、以及真核生物的Rad5 蛋白都是修復DNA 雙鏈斷裂的蛋白質(zhì)，屬于最古老的60 種蛋白。它們的活性除了需要鎂離子外，還需要鉀離子，而鈉離子沒有作用。

CDP-二甘油酯合成酶（CDP-diglyceride synthase）是合成磷脂的重要酶之一，屬于60 個最古老的蛋白質(zhì)。它的活性也依賴鉀離子，而被鈉離子所抑制。

除了為蛋白質(zhì)的功能所需，鉀離子也對細胞膜的形成有利。實驗證明，在離子濃度增加到一定程度時，細胞膜會沉淀。在沒有二價離子（例如鎂離子和錳離子） 的情況下開始使細胞膜沉淀的鈉離子濃度（0.4 mol／L）遠低于鉀離子濃度（大于1 mol／L）。即使在二價離子存在的情況下，使細胞膜凝聚的鈉離子濃度仍然比鉀離子濃度低，即細胞膜在鉀離子的環(huán)境中更穩(wěn)定，更容易存在于溶液中。在日常生活中人們也有這樣的經(jīng)驗：鉀肥皂是液態(tài)的，而鈉肥皂是固態(tài)的。

所有這些事實都表明，生物一些最古老的蛋白質(zhì)（以及核糖體RNA）的活性需要鉀離子。鈉離子不僅不能使這些蛋白進入工作狀態(tài)，在有些情況下還抑制其活性。鉀離子也有利于細胞膜的生成。這些都是原初生物在高鉀低鈉的環(huán)境中形成的最好的證明。這也是為什么在地球上的生物形成并演化幾十億年之后的今天，細胞仍然要保持內(nèi)部鉀高鈉低的環(huán)境，盡管細胞外的環(huán)境幾乎全是鈉高鉀低的。

4 原初生物進入高鈉低鉀的環(huán)境需要對離子不通透的細胞膜和鉀－鈉離子泵

在鉀高鈉低的環(huán)境中，細胞對細胞膜的要求不高，因為細胞外環(huán)境的離子組成也是細胞內(nèi)的離子組成，而這個組成是有利于生命活動的，所以即使是由脂肪酸組成的細胞膜也能夠滿足生命活動的需要。隨著鉀磷巖石KREEP 的逐漸消失，花崗巖等巖石的出現(xiàn)，高鈉低鉀的液態(tài)水開始增加。遇到這些水環(huán)境的原初生物就面臨很大的挑戰(zhàn)，因為它們的細胞膜不能阻擋鈉離子的進入，而細胞內(nèi)鈉離子的濃度逐漸高于鉀離子的濃度，對細胞的基本化學反應(yīng)是不利的。

要在鈉高鉀低的環(huán)境中生存，細胞必須做2件事情：一是形成對鈉離子和鉀離子都不通透的細胞膜，阻止鈉離子進入細胞和鉀離子泄出細胞；二是發(fā)展出能將鈉離子泵出細胞外和將鉀離子泵進細胞內(nèi)的離子泵。

要形成對鈉離子不通透的細胞膜，方法也有2個。一是延長脂肪酸中碳氫鏈“尾巴”的長度。實驗證明，碳氫“尾巴”越短，離子的泄漏越厲害。如果檢查組成細菌細胞膜的磷脂里面的主要脂肪酸分子，發(fā)現(xiàn)它們都很長。例如棕櫚酸和軟脂酸有16 個碳原子，油酸、亞油酸、亞麻酸和硬脂酸都有18 個碳原子。從原核生物中的細菌到真核生物再到人，磷脂里面的主要親脂部分都是由這些16 或18 碳的脂肪酸組成的。而17 碳以上的烷烴（飽和的碳氫鏈），在常溫常壓下已經(jīng)是固體，這說明細胞膜為了減少對離子的通透性，已經(jīng)將脂肪酸中碳氫鏈的長度推到極限。為了不讓細胞膜成為“固體”，生物使用了不飽和脂肪酸，即含有碳-碳雙鍵的脂肪酸，雙鍵會在碳氫鏈上引起“拐彎”，不讓脂肪酸的碳氫“尾巴”緊密排列而固化。動物細胞的細胞膜含有膽固醇，以增加細胞膜的流動性；植物細胞不含膽固醇，則使用不飽和度高的脂肪酸。

第2 個方式是使構(gòu)建細胞膜的脂類分子有2條脂肪酸“尾巴”。在由脂肪酸組成的細胞膜中，脂肪酸的羧基 “頭部” 因為帶一些負電，相互排斥，使得形成的細胞膜曲率很大，帶有張力，易于泄漏。而如果分子有2 條“尾巴”，“頭部”相互排斥的力量就會相對減弱，膜更容易形成近似平面的結(jié)構(gòu)，基本沒有張力，泄漏就會減少。這就是磷脂分子的作用。磷脂分子的核心是甘油，即丙三醇，其中2 個羥基與脂肪酸以脂鍵連接，另一個羥基與磷酸根相連，磷酸根上再連上水溶性的分子，例如絲氨酸和膽堿?，F(xiàn)在原核生物中的細菌及所有的真核生物，都使用磷脂組建細胞膜。原核生物中的古菌，由于多在高溫、強酸、強堿環(huán)境中生活，即使是磷脂組成的膜也不能滿足需要，為此古菌使用變化了的磷脂，它所含的不是脂肪酸，而是脂肪醇，和甘油以醚鍵相連。碳氫“尾巴”也不是線性的，而是有小分支，即由異戊二烯為單位組成。

即便如此，離子輕度的“泄漏”仍會發(fā)生。如果沒有方法將漏進來的鈉離子送出去，將漏出去的鉀離子拿回來，細胞內(nèi)的離子組成終將和細胞外達到平衡。這個維持細胞內(nèi)外離子濃度差的任務(wù)就由膜上的“離子泵”完成的。離子泵要工作，首先需要細胞膜基本上不泄漏，不然細胞膜就像漏水的水壩，無論水泵如何努力工作也不管用，而且會把細胞“累死”。這就是上面所說的由磷脂組成的細胞膜。

泵出鈉離子的蛋白有多種。在有對離子基本不通透的細胞膜后，原核生物已經(jīng)開始用跨膜的正離子濃度梯度合成高能分子三磷酸腺苷（ATP）。這是由膜上的三磷酸腺苷酶（ATPase，或稱ATP 酶）實現(xiàn)的。膜外的氫離子進入細胞內(nèi)，帶動ATP 酶旋轉(zhuǎn)，將二磷酸腺苷（ADP）和磷酸分子“捏”在一起，形成ATP 分子。實際上，細胞也可用同樣的方式通過細胞外高濃度的鈉離子帶動ATP酶合成ATP。如果將這個過程反過來，不是合成ATP，而是分解ATP，ATP 水解放出的能量就可以將鈉離子泵出細胞外。這種酶分膜內(nèi)的F0部分和膜外的F1部分，因此也被稱為F 型-ATP 酶，由大量蛋白亞基組成。

另一種利用ATP 水解的能量將鈉離子泵出細胞的酶叫P 型－ATP 酶。它的工作方式不像F型－ATP 酶那樣是旋轉(zhuǎn)的，也不含大量蛋白亞基，而基本上是單條肽鏈，含有10 個跨膜區(qū)段（M1到M10），其中M1 到M6 圍成鈉離子通道。之所以稱為P 型－ATP 酶，是因為這個酶在工作過程中一個天冬氨酸殘基會被磷酸化（Phosphorylation），使這個ATP 酶能在2 種功能狀態(tài)之間轉(zhuǎn)化，導致對鈉離子結(jié)合力度的不同，而將鈉離子泵到細胞外去。它出現(xiàn)在細菌、古菌分化之前，所以是很古老的鈉離子泵，后來也被真核生物繼承和使用。

第3 種將鈉離子泵出細胞的離子泵是鈉/氫逆向轉(zhuǎn)運蛋白（Na/H-antiporter）。它利用細胞膜外高氫離子濃度的能量，在輸入氫離子的同時將鈉離子泵出去。微生物、植物和動物都使用它。

第4 種是效率更高的鈉/鉀-ATP 酶（Na＋／K＋-ATPase）。每水解1 分子的ATP，就能將3 個鈉離子泵出細胞外，2 個鉀離子“拿”進細胞內(nèi)，是最理想的維持細胞內(nèi)外鈉鉀濃度梯度的酶。

正是由于有這些離子泵，細胞才能維持細胞內(nèi)鉀高鈉低的狀況，進入鈉高鉀低的環(huán)境中生活，在地球上的水幾乎全是鈉高鉀低的狀況下繁榮昌盛。如果沒有這些改變，原初生物的生存環(huán)境會越來越少，甚至會滅絕。

這個轉(zhuǎn)變使得生物必須付出相當高的代價才能在鈉高鉀低的環(huán)境中生存，但是這個轉(zhuǎn)變的后果也不都是負面的。對離子不通透的細胞膜使得生物用跨膜氫離子濃度差儲存和轉(zhuǎn)化能量； 動物更利用了這種條件，發(fā)展出了神經(jīng)系統(tǒng)。

5 對離子不通透的細胞膜徹底改變了生物儲存和轉(zhuǎn)化能量的方式

在細胞膜對于各種離子和小分子還不是障礙時，跨膜離子梯度（細胞膜兩側(cè)離子濃度不一樣的狀況）是不可能出現(xiàn)的。那時細胞利用有機物氧化釋放的能量合成高能化合物ATP 的方式，是所謂的 “底物水平的磷酸化”（substrate-level phosphorylation），即在有機物（例如葡萄糖）氧化過程中生成“高能磷酸鍵”，再將高能磷酸鍵上的磷酸根轉(zhuǎn)移到ADP 分子上，生成ATP。這種化學反應(yīng)不需要膜結(jié)構(gòu)，在細胞質(zhì)中就能進行，且不需要氧氣。就是到今天，人體內(nèi)的細胞仍然能利用這種方式合成ATP。例如在劇烈運動時，細胞得不到足夠的氧氣，就用這種方式氧化葡萄糖而形成ATP，葡萄糖被氧化后則產(chǎn)生乳酸。劇烈運動后感到肌肉發(fā)酸，就是大量乳酸形成的結(jié)果。

但是這種氧化有機物的方式不夠徹底，例如乳酸就仍然能作為“燃料”，被進一步氧化成為二氧化碳和水，釋放更多的能量。在生物發(fā)展出對離子（包括氫離子）不通透的細胞膜后，生物就發(fā)展出了新的儲存和轉(zhuǎn)化能量的方式，即將有機物氧化釋放的能量用于將氫離子從細胞內(nèi)泵到細胞外，建立跨膜氫離子濃度梯度。這種跨膜氫離子濃度梯度就像水庫蓄水，水庫內(nèi)高水位的水就具有勢能。當氫離子從細胞膜外通過細胞膜進入細胞時，就會帶動位于細胞膜上的ATP 合成酶合成ATP。這就是前面談到的F 型-ATP 酶，只不過在這里是利用細胞外的高氫離子濃度合成ATP。細胞外高濃度的鈉離子也能驅(qū)動F 型-ATP 酶合成ATP，但是這對于生物已經(jīng)沒有意義，因為進入細胞的鈉離子又會消耗ATP 的能量被泵到細胞外面去。而有機物氧化釋放的能量卻可連續(xù)不斷地將氫離子泵到細胞外面去，成為ATP 合成的驅(qū)動力。這種方式的效率遠比底物水平的磷酸化高，它的出現(xiàn)使得生物有了更充足的能量供應(yīng)，也使得生物的進一步演化有了能量保證。

這個機制出現(xiàn)的時間非常早，發(fā)生在原核生物分化為細菌和古菌之前，所以所有的原核生物都能使用這種方式合成ATP。真核生物，包括真菌、植物和動物，也繼承了這種方式，人體內(nèi)的ATP 也主要是由這種方式合成的，而這正是生物從鉀高鈉低的環(huán)境轉(zhuǎn)移到鈉高鉀低的環(huán)境的有利后果之一。

6 動物利用細胞外高濃度的鈉離子產(chǎn)生神經(jīng)脈沖

細胞外高濃度的鈉離子也是儲存能量的一種方式，它和細胞膜外的氫離子一樣，像水庫里蓄的水，高水位的水就具有勢能。動物也利用這種細胞外的鈉離子吸收營養(yǎng)物。例如人體的腸道吸收葡萄糖和氨基酸，就是由細胞外的鈉離子驅(qū)動的。在小腸絨毛細胞的細胞膜上有一種葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白，讓細胞外的鈉離子將葡萄糖分子“攜帶”進細胞。由于細胞外高濃度的鈉離子進入細胞是一個釋放能量的過程，這個能量就可使葡萄糖分子逆濃度梯度而動。這種用鈉離子將葡萄糖帶進細胞的轉(zhuǎn)運蛋白稱為 “鈉-葡萄糖共同轉(zhuǎn)運載體”（sodium-glucose cotransporter）。要轉(zhuǎn)運1 分子的葡萄糖進入細胞，需要“攜帶”2 個鈉離子。類似地，氨基酸也是通過細胞外的鈉離子“夾帶”進細胞的，其轉(zhuǎn)運蛋白稱為依賴于鈉離子的氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白（sodiumdependent amino acid transporter）。為了增加這種吸收的效率，小腸細胞還利用鈉／鉀-ATP 酶往細胞外面泵更多的鈉。

在人體內(nèi)，鈉離子還調(diào)節(jié)血液的體積和血壓，因此是人體所需要的，這也是每日的飲食中需要加氯化鈉的原因。但是細胞外鈉離子對于動物最重要的作用，還是產(chǎn)生神經(jīng)脈沖。

動物的細胞都有一個跨膜電位差，細胞外為正，細胞內(nèi)為負，幅度大約為-60 mV～-150 mV。這與許多離子，例如鉀離子、氯離子的細胞內(nèi)、外濃度不平衡有關(guān)，但是主要是由細胞外帶正電的鈉離子形成的。

這些鈉離子在細胞受到刺激時能進入細胞。由于鈉離子帶正電荷，在進入細胞后會降低跨膜電位，而且已經(jīng)進入細胞的鈉離子又會向各個方向擴散，降低鄰近區(qū)域的跨膜電位，稱為“去極化”（depolarization）。如果鄰近區(qū)域的細胞膜上有對膜電位敏感的鈉離子通道，這些進入細胞內(nèi)的鈉離子就會觸發(fā)鄰近區(qū)域鈉離子通道，讓鈉離子從鄰近區(qū)域進入。而從鄰近區(qū)域進入的鈉離子又會觸發(fā)更遠區(qū)域的鈉離子通道開啟。這樣一級一級觸發(fā)，去極化的區(qū)域就會沿著細胞膜傳遞，這就是神經(jīng)細胞類型的信息傳遞，即膜電位的 “連續(xù)翻轉(zhuǎn)”。這就像多米諾骨牌一樣，第1 個牌倒下會使后面的牌依次倒下。進入細胞的鈉離子會很快被泵出去，細胞又恢復到發(fā)出信息前的狀態(tài)，可再次被激發(fā)，之前發(fā)出的信號就是“神經(jīng)脈沖”。神經(jīng)脈沖的形成與許多離子和離子通道有關(guān)，但又是由鈉離子擔任主角的。沒有細胞膜外高濃度的鈉離子，就不會有神經(jīng)活動。

神經(jīng)脈沖類型的電信號在單細胞的幅足綱的原生動物Actinocoryne contractilis就出現(xiàn)了。這種單細胞的原生動物有一個變形蟲樣的基部用于捕食，又從基部伸出一個“頭部”，上面輻射狀地伸出許多硬毛，所以稱為“幅足動物（heliozoan）”。它的跨膜電位約為-78 mV。在受到機械刺激時，會發(fā)出動作電位（類似神經(jīng)脈沖）使細胞收縮。這種動作電位就是依賴于細胞外的鈉離子的，證據(jù)是在低鈉或者無鈉的環(huán)境中，機械刺激不會觸發(fā)動作電位，而在水中加入鈉離子又會使動物的動作電位恢復。

最原始的多細胞動物海綿（sponge），外皮細胞層（pinacoderm layers）就能產(chǎn)生類似神經(jīng)脈沖的電信號，而且是依賴細胞外的鈉離子的。洗去海綿上的鈉離子，電信號就消失，加入海水，電信號又恢復。

水螅（hydra）已經(jīng)有神經(jīng)細胞，其動作電位是依賴于鈉離子的。而且水螅有鈉／鉀-ATP 酶產(chǎn)生和維持細胞外的鈉離子濃度。

高等動物神經(jīng)系統(tǒng)進一步發(fā)展，形成神經(jīng)束，神經(jīng)節(jié)和腦。但是無論神經(jīng)系統(tǒng)如何發(fā)展，其基本功能也都是依賴細胞外高濃度的鈉離子的。

神經(jīng)細胞的出現(xiàn)給動物以極大的優(yōu)越性，從此有了長距離快速傳遞信號的方式。再加上動物發(fā)展的肌肉細胞，使得動物可在受到刺激時身體形狀發(fā)生變化，甚至移動位置，使動物真正成為“動”物，可捕食、進食、尋找新的食物、尋找新的生活場所、尋找配偶和躲避危險。動物還在神經(jīng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展出了記憶、感覺、情緒、思維和智力，人類更是神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)展的頂峰，而這些功能都是拜細胞外高濃度的鈉離子所賜。