細胞內鉀多鈉少
——原初生物的第三大遺跡？（2）

朱欽士（美國南加州大學醫學院）

（上接2019年第10 期第7 頁）

3 最原始的蛋白質需要鉀以執行其功能

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，將這樣的蛋白質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的，即生物發生分化后才在其中一些生物中出現。

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，發現它們多數與蛋白質的合成，即轉譯（translation）過程有關，再有就是和DNA 有關的酶。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境中生成的最有力的證據。

例如在需要鉀離子的蛋白中，有一類是屬于所謂的“P-環鳥苷三磷酸酶”（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，肽轉移酶（peptidyl transferase）不是蛋白質，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）。如果除去一價陽離子，肽轉移酶就不再有活性。將不同的一價陽離子分別加進反應系統，就會發現使肽轉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。在用體外系統進行蛋白合成時，通常使用的是兔的網織紅細胞裂解物（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Promega 生物公司的反應系統）。

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構。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，在真核生物中，對應的蛋白質分別是熱休克蛋白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，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。它的活性也依賴鉀離子，而被鈉離子所抑制。

除了為蛋白質的功能所需，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境中更穩定，更容易存在于溶液中。在日常生活中人們也有這樣的經驗：鉀肥皂是液態的，而鈉肥皂是固態的。

所有這些事實都表明，生物一些最古老的蛋白質（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，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，細胞仍然要保持內部鉀高鈉低的環境，盡管細胞外的環境幾乎全是鈉高鉀低的。

4 原初生物進入高鈉低鉀的環境需要對離子不通透的細胞膜和鉀－鈉離子泵

在鉀高鈉低的環境中，細胞對細胞膜的要求不高，因為細胞外環境的離子組成也是細胞內的離子組成，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，高鈉低鉀的液態水開始增加。遇到這些水環境的原初生物就面臨很大的挑戰，因為它們的細胞膜不能阻擋鈉離子的進入，而細胞內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是不利的。

要在鈉高鉀低的環境中生存，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；二是發展出能將鈉離子泵出細胞外和將鉀離子泵進細胞內的離子泵。

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，發現它們都很長。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），在常溫常壓下已經是固體，這說明細胞膜為了減少對離子的通透性，已經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構，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。現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，細胞內的離子組成終將和細胞外達到平衡。這個維持細胞內外離子濃度差的任務就由膜上的“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）實現的。膜外的氫離子進入細胞內，帶動ATP 酶旋轉，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 種功能狀態之間轉化，導致對鈉離子結合力度的不同，而將鈉離子泵到細胞外去。它出現在細菌、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，是最理想的維持細胞內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鉀高鈉低的狀況，進入鈉高鉀低的環境中生活，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，原初生物的生存環境會越來越少，甚至會滅絕。

這個轉變使得生物必須付出相當高的代價才能在鈉高鉀低的環境中生存，但是這個轉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化能量； 動物更利用了這種條件，發展出了神經系統。

5 對離子不通透的細胞膜徹底改變了生物儲存和轉化能量的方式

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（細胞膜兩側離子濃度不一樣的狀況）是不可能出現的。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移到ADP 分子上，生成ATP。這種化學反應不需要膜結構，在細胞質中就能進行，且不需要氧氣。就是到今天，人體內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生乳酸。劇烈運動后感到肌肉發酸，就是大量乳酸形成的結果。

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。在生物發展出對離子（包括氫離子）不通透的細胞膜后，生物就發展出了新的儲存和轉化能量的方式，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動F 型-ATP 酶合成ATP，但是這對于生物已經沒有意義，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不斷地將氫離子泵到細胞外面去，成為ATP 合成的驅動力。這種方式的效率遠比底物水平的磷酸化高，它的出現使得生物有了更充足的能量供應，也使得生物的進一步演化有了能量保證。

這個機制出現的時間非常早，發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境轉移到鈉高鉀低的環境的有利后果之一。

6 動物利用細胞外高濃度的鈉離子產生神經脈沖

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動的。在小腸絨毛細胞的細胞膜上有一種葡萄糖轉運蛋白，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運蛋白稱為 “鈉-葡萄糖共同轉運載體”（sodium-glucose cotransporter）。要轉運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，其轉運蛋白稱為依賴于鈉離子的氨基酸轉運蛋白（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，鈉離子還調節血液的體積和血壓，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，還是產生神經脈沖。

動物的細胞都有一個跨膜電位差，細胞外為正，細胞內為負，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、外濃度不平衡有關，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，而且已經進入細胞的鈉離子又會向各個方向擴散，降低鄰近區域的跨膜電位，稱為“去極化”（depolarization）。如果鄰近區域的細胞膜上有對膜電位敏感的鈉離子通道，這些進入細胞內的鈉離子就會觸發鄰近區域鈉離子通道，讓鈉離子從鄰近區域進入。而從鄰近區域進入的鈉離子又會觸發更遠區域的鈉離子通道開啟。這樣一級一級觸發，去極化的區域就會沿著細胞膜傳遞，這就是神經細胞類型的信息傳遞，即膜電位的 “連續翻轉”。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，細胞又恢復到發出信息前的狀態，可再次被激發，之前發出的信號就是“神經脈沖”。神經脈沖的形成與許多離子和離子通道有關，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，就不會有神經活動。

神經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，會發出動作電位（類似神經脈沖）使細胞收縮。這種動作電位就是依賴于細胞外的鈉離子的，證據是在低鈉或者無鈉的環境中，機械刺激不會觸發動作電位，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）就能產生類似神經脈沖的電信號，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）已經有神經細胞，其動作電位是依賴于鈉離子的。而且水螅有鈉／鉀-ATP 酶產生和維持細胞外的鈉離子濃度。

高等動物神經系統進一步發展，形成神經束，神經節和腦。但是無論神經系統如何發展，其基本功能也都是依賴細胞外高濃度的鈉離子的。

神經細胞的出現給動物以極大的優越性，從此有了長距離快速傳遞信號的方式。再加上動物發展的肌肉細胞，使得動物可在受到刺激時身體形狀發生變化，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。動物還在神經系統的基礎上發展出了記憶、感覺、情緒、思維和智力，人類更是神經系統發展的頂峰，而這些功能都是拜細胞外高濃度的鈉離子所賜。