细胞内钾多钠少——原初生物的第三大遗迹？（2）

朱钦士（美国南加州大学医学院）

（上接2019年第10 期第7 页）

3 最原始的蛋白质需要钾以执行其功能

要证明最原始的蛋白需要钾，首先要找出这些蛋白。为此，Koonin 及其同事检查了存在于所有生物的蛋白质，将这样的蛋白质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则被认为是较后出现的，即生物发生分化后才在其中一些生物中出现。

这样的蛋白开始比较多，但是随着全基因组（genome）被测定的生物越来越多，原始蛋白的数量不断减少（因为只要有新测定的某种生物不含有其中的一些蛋白，这些蛋白就会从名单中被剔除），最后稳定在60 个左右。这60 个左右的蛋白就被认为是生物最古老的蛋白。

检测这些蛋白的功能，发现它们多数与蛋白质的合成，即转译（translation）过程有关，再有就是和DNA 有关的酶。这也是可以理解的，因为蛋白合成和DNA 信息的读取和修复是生物最基本的生命活动。在这些蛋白中，有若干需要钾离子以实现其功能，但是没有一种蛋白需要钠离子，钠离子的存在甚至会影响其功能。这是原初生命在高钾低钠环境中生成的最有力的证据。

例如在需要钾离子的蛋白中，有一类是属于所谓的“P-环鸟苷三磷酸酶”（P-loop GTPase），包括翻译延长因子EF-Tu（elongation factor thermounstable）和EF-G（elongation factor G）。这些蛋白含有一个专门的天冬氨酸残基用于结合钾离子。这2 种蛋白的活性都被钠离子所抑制。

核糖体中真正将氨基酸加到肽链上的酶，肽转移酶（peptidyl transferase）不是蛋白质，而是核糖体中的RNA（ribosomal RNA，rRNA，这是原初生物第1 个遗迹，即RNA 世界的证据）。如果除去一价阳离子，肽转移酶就不再有活性。将不同的一价阳离子分别加进反应系统，就会发现使肽转移酶活性恢复的一价阳离子的能力从高到低的顺序是：铵离子（NH4+）>铷离子（Rb+）>钾离子（K+）>铯离子（Cs+）；而钠离子（Na+）和锂离子（Li+）没有作用。

因此，合成蛋白质的核糖体需要钾离子才能正常工作，而不需要钠离子。在用体外系统进行蛋白合成时，通常使用的是兔的网织红细胞裂解物（rabbit reticulocyte lysate），所需要的阳离子的最后浓度是0.5 mmol／L 醋酸镁和79 mmol／L 醋酸钾，而没有氯化钠（根据Promega 生物公司的反应系统）。

核糖体合成肽链后，有些还需要伴侣蛋白的帮助才能折叠成为正常的三维结构。其中的伴侣蛋白GroEL 也是60 个最原始的蛋白之一。它和蛋白GroES 一起帮助肽链折叠。其活性受镁离子的帮助，但是绝对依赖钾离子。铵离子和铷离子可部分取代钾离子的作用，而锂离子、钠离子和铯离子则没有作用。GroEL 和GroES 都是原核生物的蛋白质，在真核生物中，对应的蛋白质分别是热休克蛋白Hsp60 和Hsp10，它们也需要钾离子。这说明从原核生物到真核生物，这些古老的伴侣蛋白和它们的后继物都需要钾离子才能正常工作。

细菌的RecA 蛋白、古菌的RadA 蛋白、以及真核生物的Rad5 蛋白都是修复DNA 双链断裂的蛋白质，属于最古老的60 种蛋白。它们的活性除了需要镁离子外，还需要钾离子，而钠离子没有作用。

CDP-二甘油酯合成酶（CDP-diglyceride synthase）是合成磷脂的重要酶之一，属于60 个最古老的蛋白质。它的活性也依赖钾离子，而被钠离子所抑制。

除了为蛋白质的功能所需，钾离子也对细胞膜的形成有利。实验证明，在离子浓度增加到一定程度时，细胞膜会沉淀。在没有二价离子（例如镁离子和锰离子） 的情况下开始使细胞膜沉淀的钠离子浓度（0.4 mol／L）远低于钾离子浓度（大于1 mol／L）。即使在二价离子存在的情况下，使细胞膜凝聚的钠离子浓度仍然比钾离子浓度低，即细胞膜在钾离子的环境中更稳定，更容易存在于溶液中。在日常生活中人们也有这样的经验：钾肥皂是液态的，而钠肥皂是固态的。

所有这些事实都表明，生物一些最古老的蛋白质（以及核糖体RNA）的活性需要钾离子。钠离子不仅不能使这些蛋白进入工作状态，在有些情况下还抑制其活性。钾离子也有利于细胞膜的生成。这些都是原初生物在高钾低钠的环境中形成的最好的证明。这也是为什么在地球上的生物形成并演化几十亿年之后的今天，细胞仍然要保持内部钾高钠低的环境，尽管细胞外的环境几乎全是钠高钾低的。

4 原初生物进入高钠低钾的环境需要对离子不通透的细胞膜和钾－钠离子泵

在钾高钠低的环境中，细胞对细胞膜的要求不高，因为细胞外环境的离子组成也是细胞内的离子组成，而这个组成是有利于生命活动的，所以即使是由脂肪酸组成的细胞膜也能够满足生命活动的需要。随着钾磷岩石KREEP 的逐渐消失，花岗岩等岩石的出现，高钠低钾的液态水开始增加。遇到这些水环境的原初生物就面临很大的挑战，因为它们的细胞膜不能阻挡钠离子的进入，而细胞内钠离子的浓度逐渐高于钾离子的浓度，对细胞的基本化学反应是不利的。

要在钠高钾低的环境中生存，细胞必须做2件事情：一是形成对钠离子和钾离子都不通透的细胞膜，阻止钠离子进入细胞和钾离子泄出细胞；二是发展出能将钠离子泵出细胞外和将钾离子泵进细胞内的离子泵。

要形成对钠离子不通透的细胞膜，方法也有2个。一是延长脂肪酸中碳氢链“尾巴”的长度。实验证明，碳氢“尾巴”越短，离子的泄漏越厉害。如果检查组成细菌细胞膜的磷脂里面的主要脂肪酸分子，发现它们都很长。例如棕榈酸和软脂酸有16 个碳原子，油酸、亚油酸、亚麻酸和硬脂酸都有18 个碳原子。从原核生物中的细菌到真核生物再到人，磷脂里面的主要亲脂部分都是由这些16 或18 碳的脂肪酸组成的。而17 碳以上的烷烃（饱和的碳氢链），在常温常压下已经是固体，这说明细胞膜为了减少对离子的通透性，已经将脂肪酸中碳氢链的长度推到极限。为了不让细胞膜成为“固体”，生物使用了不饱和脂肪酸，即含有碳-碳双键的脂肪酸，双键会在碳氢链上引起“拐弯”，不让脂肪酸的碳氢“尾巴”紧密排列而固化。动物细胞的细胞膜含有胆固醇，以增加细胞膜的流动性；植物细胞不含胆固醇，则使用不饱和度高的脂肪酸。

第2 个方式是使构建细胞膜的脂类分子有2条脂肪酸“尾巴”。在由脂肪酸组成的细胞膜中，脂肪酸的羧基 “头部” 因为带一些负电，相互排斥，使得形成的细胞膜曲率很大，带有张力，易于泄漏。而如果分子有2 条“尾巴”，“头部”相互排斥的力量就会相对减弱，膜更容易形成近似平面的结构，基本没有张力，泄漏就会减少。这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 个羟基与脂肪酸以脂键连接，另一个羟基与磷酸根相连，磷酸根上再连上水溶性的分子，例如丝氨酸和胆碱。现在原核生物中的细菌及所有的真核生物，都使用磷脂组建细胞膜。原核生物中的古菌，由于多在高温、强酸、强碱环境中生活，即使是磷脂组成的膜也不能满足需要，为此古菌使用变化了的磷脂，它所含的不是脂肪酸，而是脂肪醇，和甘油以醚键相连。碳氢“尾巴”也不是线性的，而是有小分支，即由异戊二烯为单位组成。

即便如此，离子轻度的“泄漏”仍会发生。如果没有方法将漏进来的钠离子送出去，将漏出去的钾离子拿回来，细胞内的离子组成终将和细胞外达到平衡。这个维持细胞内外离子浓度差的任务就由膜上的“离子泵”完成的。离子泵要工作，首先需要细胞膜基本上不泄漏，不然细胞膜就像漏水的水坝，无论水泵如何努力工作也不管用，而且会把细胞“累死”。这就是上面所说的由磷脂组成的细胞膜。

泵出钠离子的蛋白有多种。在有对离子基本不通透的细胞膜后，原核生物已经开始用跨膜的正离子浓度梯度合成高能分子三磷酸腺苷（ATP）。这是由膜上的三磷酸腺苷酶（ATPase，或称ATP 酶）实现的。膜外的氢离子进入细胞内，带动ATP 酶旋转，将二磷酸腺苷（ADP）和磷酸分子“捏”在一起，形成ATP 分子。实际上，细胞也可用同样的方式通过细胞外高浓度的钠离子带动ATP酶合成ATP。如果将这个过程反过来，不是合成ATP，而是分解ATP，ATP 水解放出的能量就可以将钠离子泵出细胞外。这种酶分膜内的F0部分和膜外的F1部分，因此也被称为F 型-ATP 酶，由大量蛋白亚基组成。

另一种利用ATP 水解的能量将钠离子泵出细胞的酶叫P 型－ATP 酶。它的工作方式不像F型－ATP 酶那样是旋转的，也不含大量蛋白亚基，而基本上是单条肽链，含有10 个跨膜区段（M1到M10），其中M1 到M6 围成钠离子通道。之所以称为P 型－ATP 酶，是因为这个酶在工作过程中一个天冬氨酸残基会被磷酸化（Phosphorylation），使这个ATP 酶能在2 种功能状态之间转化，导致对钠离子结合力度的不同，而将钠离子泵到细胞外去。它出现在细菌、古菌分化之前，所以是很古老的钠离子泵，后来也被真核生物继承和使用。

第3 种将钠离子泵出细胞的离子泵是钠/氢逆向转运蛋白（Na/H-antiporter）。它利用细胞膜外高氢离子浓度的能量，在输入氢离子的同时将钠离子泵出去。微生物、植物和动物都使用它。

第4 种是效率更高的钠/钾-ATP 酶（Na＋／K＋-ATPase）。每水解1 分子的ATP，就能将3 个钠离子泵出细胞外，2 个钾离子“拿”进细胞内，是最理想的维持细胞内外钠钾浓度梯度的酶。

正是由于有这些离子泵，细胞才能维持细胞内钾高钠低的状况，进入钠高钾低的环境中生活，在地球上的水几乎全是钠高钾低的状况下繁荣昌盛。如果没有这些改变，原初生物的生存环境会越来越少，甚至会灭绝。

这个转变使得生物必须付出相当高的代价才能在钠高钾低的环境中生存，但是这个转变的后果也不都是负面的。对离子不通透的细胞膜使得生物用跨膜氢离子浓度差储存和转化能量； 动物更利用了这种条件，发展出了神经系统。

5 对离子不通透的细胞膜彻底改变了生物储存和转化能量的方式

在细胞膜对于各种离子和小分子还不是障碍时，跨膜离子梯度（细胞膜两侧离子浓度不一样的状况）是不可能出现的。那时细胞利用有机物氧化释放的能量合成高能化合物ATP 的方式，是所谓的 “底物水平的磷酸化”（substrate-level phosphorylation），即在有机物（例如葡萄糖）氧化过程中生成“高能磷酸键”，再将高能磷酸键上的磷酸根转移到ADP 分子上，生成ATP。这种化学反应不需要膜结构，在细胞质中就能进行，且不需要氧气。就是到今天，人体内的细胞仍然能利用这种方式合成ATP。例如在剧烈运动时，细胞得不到足够的氧气，就用这种方式氧化葡萄糖而形成ATP，葡萄糖被氧化后则产生乳酸。剧烈运动后感到肌肉发酸，就是大量乳酸形成的结果。

但是这种氧化有机物的方式不够彻底，例如乳酸就仍然能作为“燃料”，被进一步氧化成为二氧化碳和水，释放更多的能量。在生物发展出对离子（包括氢离子）不通透的细胞膜后，生物就发展出了新的储存和转化能量的方式，即将有机物氧化释放的能量用于将氢离子从细胞内泵到细胞外，建立跨膜氢离子浓度梯度。这种跨膜氢离子浓度梯度就像水库蓄水，水库内高水位的水就具有势能。当氢离子从细胞膜外通过细胞膜进入细胞时，就会带动位于细胞膜上的ATP 合成酶合成ATP。这就是前面谈到的F 型-ATP 酶，只不过在这里是利用细胞外的高氢离子浓度合成ATP。细胞外高浓度的钠离子也能驱动F 型-ATP 酶合成ATP，但是这对于生物已经没有意义，因为进入细胞的钠离子又会消耗ATP 的能量被泵到细胞外面去。而有机物氧化释放的能量却可连续不断地将氢离子泵到细胞外面去，成为ATP 合成的驱动力。这种方式的效率远比底物水平的磷酸化高，它的出现使得生物有了更充足的能量供应，也使得生物的进一步演化有了能量保证。

这个机制出现的时间非常早，发生在原核生物分化为细菌和古菌之前，所以所有的原核生物都能使用这种方式合成ATP。真核生物，包括真菌、植物和动物，也继承了这种方式，人体内的ATP 也主要是由这种方式合成的，而这正是生物从钾高钠低的环境转移到钠高钾低的环境的有利后果之一。

6 动物利用细胞外高浓度的钠离子产生神经脉冲

细胞外高浓度的钠离子也是储存能量的一种方式，它和细胞膜外的氢离子一样，像水库里蓄的水，高水位的水就具有势能。动物也利用这种细胞外的钠离子吸收营养物。例如人体的肠道吸收葡萄糖和氨基酸，就是由细胞外的钠离子驱动的。在小肠绒毛细胞的细胞膜上有一种葡萄糖转运蛋白，让细胞外的钠离子将葡萄糖分子“携带”进细胞。由于细胞外高浓度的钠离子进入细胞是一个释放能量的过程，这个能量就可使葡萄糖分子逆浓度梯度而动。这种用钠离子将葡萄糖带进细胞的转运蛋白称为 “钠-葡萄糖共同转运载体”（sodium-glucose cotransporter）。要转运1 分子的葡萄糖进入细胞，需要“携带”2 个钠离子。类似地，氨基酸也是通过细胞外的钠离子“夹带”进细胞的，其转运蛋白称为依赖于钠离子的氨基酸转运蛋白（sodiumdependent amino acid transporter）。为了增加这种吸收的效率，小肠细胞还利用钠／钾-ATP 酶往细胞外面泵更多的钠。

在人体内，钠离子还调节血液的体积和血压，因此是人体所需要的，这也是每日的饮食中需要加氯化钠的原因。但是细胞外钠离子对于动物最重要的作用，还是产生神经脉冲。

动物的细胞都有一个跨膜电位差，细胞外为正，细胞内为负，幅度大约为-60 mV～-150 mV。这与许多离子，例如钾离子、氯离子的细胞内、外浓度不平衡有关，但是主要是由细胞外带正电的钠离子形成的。

这些钠离子在细胞受到刺激时能进入细胞。由于钠离子带正电荷，在进入细胞后会降低跨膜电位，而且已经进入细胞的钠离子又会向各个方向扩散，降低邻近区域的跨膜电位，称为“去极化”（depolarization）。如果邻近区域的细胞膜上有对膜电位敏感的钠离子通道，这些进入细胞内的钠离子就会触发邻近区域钠离子通道，让钠离子从邻近区域进入。而从邻近区域进入的钠离子又会触发更远区域的钠离子通道开启。这样一级一级触发，去极化的区域就会沿着细胞膜传递，这就是神经细胞类型的信息传递，即膜电位的 “连续翻转”。这就像多米诺骨牌一样，第1 个牌倒下会使后面的牌依次倒下。进入细胞的钠离子会很快被泵出去，细胞又恢复到发出信息前的状态，可再次被激发，之前发出的信号就是“神经脉冲”。神经脉冲的形成与许多离子和离子通道有关，但又是由钠离子担任主角的。没有细胞膜外高浓度的钠离子，就不会有神经活动。

神经脉冲类型的电信号在单细胞的幅足纲的原生动物Actinocoryne contractilis就出现了。这种单细胞的原生动物有一个变形虫样的基部用于捕食，又从基部伸出一个“头部”，上面辐射状地伸出许多硬毛，所以称为“幅足动物（heliozoan）”。它的跨膜电位约为-78 mV。在受到机械刺激时，会发出动作电位（类似神经脉冲）使细胞收缩。这种动作电位就是依赖于细胞外的钠离子的，证据是在低钠或者无钠的环境中，机械刺激不会触发动作电位，而在水中加入钠离子又会使动物的动作电位恢复。

最原始的多细胞动物海绵（sponge），外皮细胞层（pinacoderm layers）就能产生类似神经脉冲的电信号，而且是依赖细胞外的钠离子的。洗去海绵上的钠离子，电信号就消失，加入海水，电信号又恢复。

水螅（hydra）已经有神经细胞，其动作电位是依赖于钠离子的。而且水螅有钠／钾-ATP 酶产生和维持细胞外的钠离子浓度。

高等动物神经系统进一步发展，形成神经束，神经节和脑。但是无论神经系统如何发展，其基本功能也都是依赖细胞外高浓度的钠离子的。

神经细胞的出现给动物以极大的优越性，从此有了长距离快速传递信号的方式。再加上动物发展的肌肉细胞，使得动物可在受到刺激时身体形状发生变化，甚至移动位置，使动物真正成为“动”物，可捕食、进食、寻找新的食物、寻找新的生活场所、寻找配偶和躲避危险。动物还在神经系统的基础上发展出了记忆、感觉、情绪、思维和智力，人类更是神经系统发展的顶峰，而这些功能都是拜细胞外高浓度的钠离子所赐。