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细胞内钾多钠少——原初生物的第三大遗迹? 精选

已有 4807 次阅读 2018-11-12 10:29 |系统分类:科普集锦

 

细胞内钾多钠少——原初生物的第三大遗迹?

 

    在我们每日的饮食中,食盐(氯化钠)是少不了的,难以想象我们怎么能够每天吃完全没有盐味的食物。不仅人类如此,许多动物,例如食草的动物如牛和羊,也会主动寻找土表盐粒。我们需要食物中的蛋白质、脂肪和淀粉,这比较容易理解,因为这些物质既能为我们的身体提供“建筑材料”(蛋白质提供的氨基酸、脂肪提供的脂肪酸,淀粉提供的葡萄糖),又能够在细胞内被氧化而提供生命活动所需要的能量。但是钠离子并不是“建筑材料”,也不能提供能量,为什么我们的饮食中离不开它呢?

    1926年,加拿大多伦多大学(University of Toronto)的科学家麦卡伦(Archibald Macallum,1858-1934)发表了题为《体液和组织中的古化学》(Paleochemistry of the body fluids and tissues)的论文,报道了他对动物体液和组织中各种离子的含量进行测定的结果。他发现,在许多动物的体液(血液和组织液)中,钠、钾、钙、镁含量的比例大体与海水相似,而其总量约为海水的三分之一,其中钠的含量远高于钾。根据这个结果,Macallum 认为脊椎动物是在海水中产生的,然后再移居到陆地上,时间大约是在志留纪(Silurian period)或更早,那时海水的含盐量大约是现在的三分之一,所以现在脊椎动物血液中各种无机盐的含量就反映了那个时期海水的组成。我们在食物中放盐,是因为我们是从海水中来的,我们的血液需要盐。

    与动物体液中钠高钾低的情形相反,Macallum发现在动物组织(主要为细胞)中,却是钠低钾高的,例如他测定过的鲱鱼(herring)未受精的卵细胞中,钾的含量就是钠的两倍。Macallum据此认为动物的单细胞祖先应该是在富含钾的水中形成的,时间应该比脊椎动物的出现早得多,细胞内阳离子的组成状况应该反映那个时候环境中阳离子的组成状况。

    在92年后的今天,Macallum的结论,即体液中钠高钾低,细胞内钾高钠低,仍然是正确的。例如人的血液中,钠的浓度约为140 mM,而钾只有约5 mM。海洋中的乌鲨(leopard shark)血液中钠浓度约为300 mM,钾也为5 mM。鲑鱼血液中钾为147 mM,钠为9 mM;蟑螂体液中钾为161 mM,钠为8 mM。

而在细胞质中,不仅是动物,而且所有的生物,包括原核生物中的细菌和古菌,真核生物中的真菌、植物和动物,都是钾高钠低。例如人的神经细胞内的钾为150 mM,而钠只有 15 mM。出芽酵母(Saccharomyces cerevisae)细胞质中钾为130 mM,钠为79 mM。即使是生长在盐湖中的嗜盐古菌(halophilic archaeon Halobacterium salinarum),当外部液体中的氯化钠浓度达到4 M时,古菌也会将细胞内的钾浓度增加到4 M,以保持细胞内K/Na的浓度比例高于1。这说明任何生物都要在细胞内保持比钠高的钾浓度。看来细胞在乎的,不是细胞质中钾的绝对浓度,而是钾与钠的比例。这是为什么? 

而且这种细胞内外钾离子和钠离子浓度的巨大差异,对生物也是一个问题。由于细胞膜对钠离子和钾离子不是完全不通透的,而是会有泄漏,细胞外高浓度的钠离子总会不断“溜”进细胞内,而细胞内高浓度的钾离子又会不断“溜”到细胞外。要保持细胞外钠高钾低,细胞内钾高钠低的状况,细胞必须不断地将细胞内的钠离子“泵”出去,将细胞外的钾离子“泵”进来。由于这种跨膜离子运输都是逆着离子的浓度梯度的(即要将离子从浓度低的地方转移到浓度高的地方),这些过程是需要能量的。平均来讲,细胞消耗的能量中,约有20%用在维持细胞内外钾钠离子浓度不平衡上,而神经细胞用于此目的的能量能够占到神经细胞总能量消耗的60%!即使我们坐在那里什么也不做,身体里面的细胞也得持续不断地泵进钾,泵出钠。这是一项昂贵的投资。生物为什么要保持这样一种“浪费”的状态呢?为什么生物的演化过程不对细胞内钾和钠的浓度进行调整,使其与细胞外液体的状态一致呢?这样不是可以节省大量的能量吗?

生物演化的能力似乎是无穷无尽的。从原初生命的简单细胞,可以演化出各式各样结构和功能都差异极大的细胞,例如进行光合作用的蓝细菌、有眼点,能够游动的衣藻、各种球菌、杆菌、弧菌、变形虫、草履虫、动物的肌肉细胞、神经细胞、红血球、白血球等。演化不仅使得生物可以在适宜的条件下生活,也可以在各种极端条件下生活,无论是地面以上几十公里的高空,地表下几公里的岩层,盐湖、热泉、极地、沙漠,都能够发现生物的踪迹。既然生物能够通过演化发展出适应各种环境条件的能力,为什么就不能把细胞自己的组成也改一改,以适应现在普遍的钠高钾低的环境呢?

原因就在于,原初生命形成时的一些环境条件,已经固定在细胞内的化学代谢链中,无法改变了。生命活动主要是由蛋白质催化的,同时也包括核糖核酸(RNA)的催化作用。蛋白质和RNA都是生物大分子,其形状和功能严重依赖于它们所处溶液的组成和性质,包括离子组成。一旦反应条件形成和被优化,是不可能再改变的,因此生物在外表上可以千变万化,但是细胞的基本性质却是高度保守的。这些保留在细胞内的环境条件,就是原初细胞留下的“遗迹”。

 

原初生物留下的两大遗迹

    到目前为止,科学界普遍承认的原初生物留下的遗迹主要有两个,即原初的RNA世界和细胞内的还原环境。

在现代的细胞中,绝大多数化学反应是由蛋白质来催化的,但是蛋白质自身的合成,却仍然要由RNA来催化。组成蛋白质的肽链是在核糖体(ribosome)中合成的,其中的蛋白质亚基只起结构和调节的作用,真正把氨基酸连到肽链上,使肽链延长的,是其中的RNA分子。RNA既能够催化自身的形成,也能够把氨基酸连到小RNA分子上(即后来的转移RNA,tRNA),再把这样带“标记”的氨基酸连接到不断伸长的肽链上。RNA中核苷酸的序列,像DNA中的脱氧核苷酸序列一样,也能够用来储存信息,即为蛋白质分子中的氨基酸序列编码。就是细胞“剪接”RNA以除去内含子(intron)的剪接体(splicesome),也是由能够自我剪接的第II型内含子(RNA)演变而来的。这些事实都说明,最初的生命是RNA的世界,蛋白质是后来才发展出来的。

在原初生命形成时,大气中还没有氧气,而主要由中性气体(如氮气)和还原性气体(如氢气、氨和硫化氢)组成。在此环境中形成的细胞,内部是高度还原的。在这种环境下形成的蛋白质,特别是其中的酶,也只能在还原环境中才能最好地工作。这种情形一旦形成,就难以改变。大气中的氧气出现在大约22-24亿年前,从此大部分生物的环境转变为氧化性的。为了保持细胞内的还原环境,细胞内普遍含有还原性分子如谷胱甘肽(glutathione,浓度大约5 mM),它使得蛋白质分子中的半胱氨酸残基的侧链保持在还原状态,即不形成二硫键(两个巯基-SH 被氧化过程连成-S-S-键)。后来变为叶绿体的原核生物蓝细菌(cyanobacteria)和后来变为线粒体的原核生物a-变形菌(a-proteobacteria)就已经能够合成谷胱甘肽,说明生物很早就发展出对抗环境中氧化状态的能力。在动物体内,在分子中形成二硫键的蛋白或者是分泌到细胞外的,例如抗体分子和胰岛素,或者主要部分位于细胞膜表面的(也即在细胞外),例如胰岛素受体。植物用谷胱甘肽-抗坏血酸循环(glutathione-ascorbate cycle)来消灭细胞内的活性氧物质,维持细胞内的还原状态。现在许多在试管内进行的酶反应,都需要加入还原性的分子如巯基乙醇或二硫苏糖醇Dithiothreitol,DTT),使反应体系保持在还原状态,使酶能够正常地工作,而不受大气中氧气的影响。

    这两大遗迹都有大量事实为根据,而反对的意见基本没有,可以认为是被普遍承认的。问题是,细胞内钾高钠低的状况也是原初生命留下的另一大遗迹吗?

 

原初生物形成时可能的水环境

    钾高钠低的状况存在于所有生物的细胞中,而和地球上几乎所有的液態水中钠和钾的相对浓度相反。无论是河水、湖水还是海水,所含的钠都大大多于钾。例如海水中钠的浓度就是钾的47倍(钠470 mM,钾10 mM),河水中含盐量随河流不同,但大体上钠的浓度是钾的10倍(钠大约0.4 mM,钾大约0.04 mM)。这说明细胞内钾高钠低的状况不是生物在演化过程中“适应”这些水体的结果,而更可能是原初生命形成时环境中的水溶液组成的遗迹。

如果检查一下地壳中钾和钠的含量,发现它们其实差不多:钠为2.8%,而钾为2.6%。之所以河水中钠的含量远高于钾,是因为在岩石风化过程中,钾离子比钠离子更难被释出。例如长石(feldspar,花岗岩的组成成分之一)中的钾就很难溶出。河水入海之后,随着水分的蒸发,盐的浓度也逐渐提高,但是海水的含盐量也不会一直增加下去而变得越来越咸。浅滩处盐结晶出来又被埋藏,形成盐矿;风将大量海水微滴带到陆地,都是减少海水含盐量的方式。另一种除盐的方式是海水通过地壳裂缝与深处高温岩石的相互作用,形成云母(mica)等新的矿物,同时把海水中的金属离子带走。这个过程叫做“反风化”(reverse weathering),是海水中的盐被带走的一个重要方式。据估计,通过这些除盐机制,海水中的盐分在过去的至少15亿年中并没有显著增加。而在反风化过程中,钾比钠更容易被除去,这也使得海水中钠的含量远高于钾。其余的离子,例如钙离子、镁离子、氯离子等,被“反风化”过程除去的情形也不同,因此海水并不是“浓缩的河水”,但是在钠高钾低这一点上,海水和河水是一样的。在有35亿年历史的,位于澳大利亚西部的皮尔巴拉地块(Pilbara Craton)的岩石中,发现了包藏下来的远古海水,其钠离子的浓度高达1 M,大约是现在海水钠浓度的两倍以上。虽然这不一定代表35亿年前海水的平均含盐量,但是也说明远古时期的液体水中就有高浓度的钠离子,生命是不太可能在这样的海水中诞生的。如果说原初生命是在高钾低钠的溶液中产生的,这样的水溶液在哪里呢?

为了解释原初生命产生时水环境钾高钠低的状况,科学家们提出了两种可能性。一种是比35亿年更远古的地壳。这样的地壳在地球上由于板块运动已经难以找到,但是却保留在月球上。其岩石富含钾和磷,叫做KREEP岩石,代表“富含钾(K),稀土元素(Rear Earth Element)和磷(P)”的岩石。由于月球是大约45亿年前一个火星大小的星球和地球相撞形成的,当时的地球应该和月球有相似的地壳,也就是地球早期的地壳很可能也是由KREEP岩石组成的。那时地球的地壳中还没有花岗石(granite),即使在40亿年前,花岗石也很罕见。如果液态水在KREEP那样的岩石上形成,风化过程就应该提供一个富含钾和磷的水环境,十分有利于生命的形成。

   另一个可能性是俄裔美国科学家库宁(Eugene V Koonin1956-)提出的,即热泉蒸汽冷凝所形成的水。钾离子由于比钠离子大得多,比较容易被蒸发的水分子夹带,进入蒸汽中。这样蒸汽在冷凝以后,就会形成钾高钠低的水。这个假说也得到了实地观测的证实。例如在意大利的Larderello热泉冷凝水中,钾离子的浓度就是钠离子浓度的32倍。在美国加州的一处热泉,冷凝水中钾离子的浓度竟然是钠离子浓度的75倍!在目前的地球上,这样的热泉为数不多,因为地壳在几十亿年前就大部冷却。但是在地球形成的早期,地壳尚未充分冷却的情况下,应该是很多的。

   在现代的热泉中,硫化氢会迅速地被大气中的氧气所氧化,生成硫酸,使得现代热泉冷凝水的酸度极高(pH可以低至0),不适合生物形成。但是在地球早期的大气中,游离氧还不存在,硫化氢不会被氧化为硫酸,生物也就可能在这样的冷凝水中形成。

   热泉冷凝水也不是高钾低钠水的唯一来源。由于氯化钠在水中的溶解度几乎和温度无关(例如20摄氏度时为每升35.9克,60摄氏度时为每升37.1克),而氯化钾在水中的溶解度却随着温度升高而升高(例如在20摄氏度时为每升34.2克,和氯化钠差不多,而在60摄氏度时为45.8克,明显超过氯化钠的溶解度),如果一部分海水被隔绝出来,在太阳底下蒸发,在温度较高(例如60摄氏度)时,氯化钠首先饱和,结晶出来。由于氯化钾达到饱和发生在氯化钠之后,所以氯化钠结晶上面的水就会富含氯化钾。这些水如果由于自然的原因流到其它的地方,也会含有较高的钾和较低的钠。这些事实都说明,地球早期出现钾高钠低的水是可能的。

   早期形成的细胞膜是不完善的,很可能是由脂肪酸和脂肪醇,而不是磷脂组成的,也就是组成早期细胞膜的脂类分子只有一根碳氢“尾巴”,而不像磷脂分子有两条脂肪酸“尾巴”。这种“单尾巴”的生物膜对于各种离子,甚至像核苷酸那样的巨大离子,都是通透的,证据是由脂肪酸组成的膜可以让外加的核苷酸进入由膜包裹的囊泡内,聚合成为核酸,但是核酸这样的大分子却不能穿过膜,到囊泡的外面。因此在原初细胞中,各种离子的组成,包括钠离子和钾离子的组成,应该是和环境水溶液平衡的。原初细胞中的化学反应也就是在这样富含钾的环境中形成并且不断优化,在这种环境条件下形成的化学反应也就依赖于钾,而不是依赖于钠。如果能够证明细胞最原始蛋白的功能确实需要钾,而不需要钠,就能够为原初生命在钾高钠低的环境中形成的学说提供强有力的证据。

 

最原始的蛋白质需要钾以执行它们的功能

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(即生物发生分化后在其中一些生物中出现的)。

    这样的蛋白开始比较多,但是随着全部基因组(genome)被测定的生物越来越多,原始蛋白的数量也不断减少(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。

    检查这些蛋白的功能,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强有力的证据。

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),包括转译延长因子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来结合钾离子。这两种蛋白的活性都被钠离子所抑制。 

核糖体中真正把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,这是原初生物第一个遗迹,即RNA世界的证据)。如果在试管中除去1价阳离子,肽转移酶就不再有活性。把不同的1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1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。在用体外系统来进行蛋白合成时,通常使用的是兔的网织紅細胞裂解物(rabbit reticulocyte lysate),所需要的阳离子的最后浓度是0.5 mM醋酸镁和79 mM 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。铵离子和铷离子可以部分取代钾离子的作用,但是锂离子、钠离子和铯离子没有作用。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、和真核生物的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,而其活性被钠离子所抑制。

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,细胞膜会沉淀出来。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出来的钠离子浓度(0.4 M)远比钾离子(大于1 M)低。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低,也就是细胞膜在钾离子的环境中更稳定,更容易存在于溶液中。在日常生活中我们也有这样的经验: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它们的活性。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最好的证明。这也是为什么地球上的生物在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。

 

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,细胞必须做两件事情: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;二是发展出能够把钠离子泵出细胞外和把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,方法也有两个。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。比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。为了不让细胞膜真的成为“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。动物细胞的细胞膜还含有胆固醇,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。

第二个方式是使构建细胞膜的脂类分子有两条脂肪酸“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。而如果分子有两条“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,其中两个羟基与脂肪酸以脂键连接,另一个羟基与磷酸根相连,磷酸根上在连上水溶性的分子,如丝氨酸和胆碱。现在原核生物中的细菌,以及所有的真核生物,都使用磷脂来组建细胞膜。原核生物中的古菌(Archaea),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了,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。

即使是这样,离子轻度的“泄漏”仍会发生。如果没有方法把漏进来的钠离子送出去,把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”来完成。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,不管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。

把钠离子泵出去的蛋白有多种。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离子浓度梯度来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)来实现的。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,细胞也可以用同样的方式用细胞外高浓度的钠离子来带动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把钠离子泵出细胞外。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酶能够在两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。

第三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。

第四种是效率更高的钠/钾-ATP酶(Na/K-ATPase)。每水解一分子的ATP,就能够将3个钠离子泵出细胞外,2和钾离子“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来储存和转化能量;动物更利用了这种条件,发展出了神经系统。

 

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,即细胞膜两边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出来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”,再把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,在细胞质中就能够进行,而且不需要氧气。就是到今天,我们身体里面的细胞仍然能够利用这种方式来合成ATP。例如我们在剧烈运动时,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。我们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,例如乳酸就仍然能够作为“燃料”,被进一步氧化成为二氧化碳和水,释放出更多的能量。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,那就是把有机物氧化释放出来的能量用于把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来合成ATP。细胞外高浓度的钠离子也能够驱动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。而有机物氧化释放出来的能量却可以连续不断地把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,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够使用这种方式来合成ATP。真核生物,包括真菌、植物和动物,也继承了这种方式,我们身体里面的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。

 

动物利用细胞外高浓度的钠离子来产生神经脉冲

    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来吸收营养物。例如我们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。小肠绒毛细胞的细胞膜上有一种葡萄糖转运蛋白,让细胞外的钠离子把葡萄糖分子“携带”进细胞来。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,这个能量就可以使葡萄糖分子逆自己的浓度梯度而动。这种用钠离子把葡萄糖带进细胞的转运蛋白叫-葡萄糖共同转运载体Sodium-glucose cotransporter)。要转运一个分子的葡萄糖进入细胞,需要两个钠离子的携带类似地,氨基酸也是通过细胞外的钠离子“夹带”进细胞的,其转运蛋白也叫做依赖于钠离子的氨基酸转运蛋白(sodium-dependent 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。

   在我们的身体里面,钠离子还调节血液的体积和血压,因此是人体所需要的,这也是我们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 毫伏(mV)到-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会进入细胞,由于钠离子正电荷的进入会降低跨膜电位,已经进入细胞的钠离子又会向各个方向扩散,改变邻近区域的跨膜电位(叫去极化),触发邻近区域钠离子通道的反应,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。这样一级一级地触发下去,去极化的区域就会沿着细胞膜传递下去,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,第一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,可以再次被激发,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,从基部伸出一个“头部”,上面辐射状地伸出许多硬毛,所以叫做“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,机械刺激就不会触发动作电位,在水中加入钠离子又会使动物的动作电位恢复。

   到了最原始的多细胞动物海绵(sponge),外皮细胞层(pinacoderm layers)就能够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酶来产生和维持细胞外的钠离子浓度。

   到了高等动物,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。再加上动物发展出来的肌肉细胞,使得动物可以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,可以捕食、进食、寻找新的食物、寻找新的生活场所,寻找配偶、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,我们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。

 

动物真的来自海洋,也需要水中的钠离子

   动物巧妙地利用了细胞外的钠离子发展出神经细胞,而且得到了极大的好处,也使得动物的饮食中不能缺少钠离子。

   身体构造简单,只有302个神经细胞的线虫(Caenorhabditis elegans),在神经细胞上就有“尝”钠离子的受体Degenerine(DEG),说明线虫这样非常原始的动物就能够主动寻找含盐的水。

   在更高级的动物中,这种受体叫做上皮钠离子通道(Epithelial sodium channel,ENaC),二者统称为DEG/ENaC。例如昆虫就用DEG/ENaC受体来“尝”盐水的味道,说明昆虫也会寻找含钠的水。热带雨林由于经常受到暴雨冲刷,中水的含盐量很低。如果放三团棉花,分别吸有盐水,糖水,和不含盐和糖的水,蚂蚁只被盐水所吸引,说明盐对蚂蚁的吸引力超过糖。

   哺乳动物也用DEG/ENaC受体来品尝咸味。所以从线虫到人,都用同一种受体来感受咸味,以辨别含盐的食物。

   动物的单细胞祖先是领鞭毛虫(Choanoflagellate),而领鞭毛虫至今在海洋中普遍存在。在海洋中生活的海绵(sponge)可以看作是领鞭毛虫聚居而成的,已经发展出了神经脉冲类型的电信号,而这种信号的产生也是依赖于细胞外的钠离子的。

   动物的大规模出现是在距今5亿多年前的寒武纪期间(Cambrian period)。在中国云南橙江天帽山发现的橙江生物群形成于5亿2千万年前的寒武纪早期的海洋中,其中有16个门类,200多种生物的化石,包括藻类、多孔动物、刺胞动物、鳃曳动物、动吻动物、叶足动物、腕足动物、软体动物、节肢动物、棘皮动物、帚虫动物、线虫动物、毛颚动物、古虫动物、脊索动物,以及未分类的动物。这些动物不仅包括了现今所有门类无脊椎动物的祖先,而且还包括脊椎动物的祖先——脊索动物。所有这些动物都是海生的,还没有陆上的动物。

   动物上陆要以植物上陆为先决条件,因为没有植物所合成的大量有机物,动物是不可能在陆上发展起来的。就在动物在寒武纪在海中大发展后不久,在约4亿8千万年前开始的奥陶纪(Ordovician period),植物开始登陆。在稍后的志留纪,动物才开始在陆地上出现。因此志留纪不是Macallum说的动物在海中形成的时期,而是动物从海中登陆的时期。

   所以我们真的是从大海中来的,大海是我们的“故乡”。Macallum猜测动物产生于4.4-4.1亿多年前的志留纪(Silurian period)或更早的海中,是相当天才的想法。虽然他推断时间时用的是他设想的海水盐浓度的变化(因而是不正确的),但是他所说的时间倒是和动物在海中大规模形成的时间比较接近的。动物确实是在含钠多的水中形成并发展出了神经系统,也就形成了对钠离子的依赖。

   当然动物体内的钠也不是越多越好,过多的钠会造成体液体积增大和血压增高,所以动物都会控制体液中的钠浓度,一般在150 mM左右。排尿和出汗是去除体内多余的钠的手段。生活在海水中的动物,例如鲸鱼和海豚,在进食时不可避免地会吞下一些海水。它们的尿液中就含有非常高的钠,其浓度超过海水含钠量的2.5倍。

   动物对氯化钠的需求主要限于细胞外的液体,高浓度的氯化钠对于细胞内部的生理活动仍然是“毒物”,细胞要尽力避免。在脑细胞由于脑梗而缺血时,钠离子进入神经细胞是促使这些细胞死亡的重要因素。在体外培养的神经细胞实验中,如果不给细胞氧气和葡萄糖以模拟缺血状态,细胞内钠离子的浓度就会显著增加(3-4倍),同时细胞受到损伤。但是如果降低培养液中钠的含量,从140 mM 降为45 mM,而把培养液中钾的浓度提高到75 mM,24小时后细胞的死亡率就会减少2倍以上,从70%减少为28%。

   所以对于动物细胞来说,是面临两难的处境:动物总体需要氯化钠以维持体液的体积和渗透压,更重要的神经活动需要钠,但是高浓度的钠对于细胞内部的生理活动又有害。因此在我们的身体内,细胞每时每刻都在利用钠离子泵不断地将细胞内的钠离子泵出去,消耗大量的能量,所以细胞真是活得够累的。但是这也是没有办法的事,谁让原初生物是在高钾低钠的环境中形成的呢,所以我们也不应该有什么抱怨。现在付出的代价是为在高钠低钾的环境中生活所必须的,更是我们能够成为人而必须的。

 

植物怕盐,“能躲就躲”

    植物也得到了生物从钾高钠低的环境转移到钠高钾低的环境所带来的“好处”,即对离子不通透的细胞膜使得植物也可以用跨膜氢离子浓度来储存和转化能量。无论是在叶绿体中,还是在线粒体中,能量都首先被储存为跨膜氢离子浓度梯度,再用这种氢离子浓度梯度来合成ATP或做其它一些需要能量的生理过程。这种机制只需要对离子不通透的细胞膜,并不需要细胞外有高浓度的钠离子。

和动物一样,植物的细胞内也是钾高钠低的。植物不仅继承了原初生物细胞内钾高钠低的特点,而且进一步利用了细胞内高浓度的钾。钾离子不仅对细胞中许多酶的活性所需,而且在叶片转动和叶片上气孔的开闭上都起关键作用,这主要是通过将钾离子泵出或泵入细胞,改变细胞的渗透压来实现的。植物细胞中钾离子的浓度需要维持在100 mM 或更高,所以许多植物都含有大量的钾。将植物焚烧以后留下的灰,俗称“草木灰”,里面就含有大量的钾,可以当作钾肥使用。

植物并不需要吸收葡萄糖和氨基酸这样的有机物,因为植物自己就能够合成这些有机物,所以植物不像动物那样利用细胞外高浓度的钠来吸收葡萄糖和氨基酸。植物没有神经系统,也不需要细胞外有高浓度的钠。

更重要的是,植物吸收的水会不断蒸发出去,叫做蒸腾作用(transpiration),主要是通过叶片上的气孔(stomata)实现的。和动物出汗时可以排盐不同,植物的蒸腾作用只能够使水蒸发,而水中所含的盐却会留在叶片内。如果不限制植物根部对钠的吸收,叶片内的钠就会迅速积累,而且进入细胞内的钠对许多酶的活性有抑制作用。一般来讲,植物细胞质中的钠浓度高于10 mM就会产生有害的作用,再高就有可能杀死细胞。

植物的新陈代谢率远比动物低,没有那么多ATP来把细胞里面的钠泵出去,所以植物尽量避免在含钠高的环境中生长。土壤中水的含盐量超过100 mM通常就会造成这些植物的死亡。在30多万种植物中,绝大多数(约95%)为淡水植物(glycophytes),即只能在低盐环境中生长。几乎所有的农作物都是淡水植物。能够在咸水中(100 mM或以上浓度的氯化钠)生长的植物(即耐盐植物halophyte)不到植物种类的2%。因此植物是“喜钾憎钠”的,对钠可以说是“能躲就躲”。

由于这些原因,植物组织中钠的含量非常低,而含钾量比较高。例如甘蓝每100克含钾300mg,钠10 mg;西兰花每100克含钾340 mg,钠12 mg;胡萝卜每100克含钾218 mg,钠35 mg;玉米每100克含钾250 mg,钠1 mg;黄瓜每100克含钾124 mg,钠5 mg;水果如苹果、香蕉、樱桃、葡萄、柑橘、桃,都含有丰富的钾,而基本不含钠。以植物为主食的动物因此比较容易缺钠,而需要主动去寻找含钠的物质。肉食动物由于以动物组织为食,而动物组织是含有相当多的钠的(主要在血液和组织液中),一般不需要额外食钠。

    即使是在淡水中生长,长期下去也会造成植物体内钠的积累。为了避免钠的伤害,植物采取了四个办法,即限制钠从根部进入、主动从根部排盐、把积累了盐的叶片脱掉,用新叶替换、以及在细胞中用液泡(vacuole)来储存钠以使细胞质中的钠保持在低浓度。

    首先是在吸收钾的同时防止钠进入根部。这主要是通过对钾亲和力高,而对钠亲和力低的离子通道来实现的,例如高亲和力钾转运蛋白(high affinity K+-uptake transporter, HKT)。它主要转运钾离子,但是由于钠离子和钾离子在水合状态下(即这两种离子在水中并不单独存在,而是结合于部分带电的水分子)大小差别不大(即主要是水分子的体积),即使高亲和力的钾离子转运蛋白也会带进一些钠离子。

    为了防止进入根部的钠离子进入蒸腾水流,首先要防止钠离子进入木质部的导管。根吸收的水在根的外皮有两种传输途径,一种是通过细胞间细胞质的连丝(即胞间连丝plasmodesmata)从一个细胞的细胞质进入另一个细胞的细胞质,叫做共质体传输途径(symplastic pathway),另一种是通过细胞壁的渗透作用,水沿着纤维素从一个细胞的外面转移到另一个细胞的外面,同样可以沿着根部向上运动,叫做离质体传输途径(apoplastic pathway)。前者要受钾离子通道的控制,而后者主要沿着细胞壁渗透,不能阻止钠离子通过这条途径往上运输。为了防止这种情形,植物在根的中柱(stele,根的中间部分,其中包括木质部和韧皮部)外面有一个阻挡层,防止水通过细胞壁运输,叫做凯氏带(Casparian strip)。凯氏带含有亲脂(即憎水)的软木脂(suberin),能够阻止水沿着细胞膜渗透,而迫使这些水通过细胞膜进入细胞,即进入共质体运输途径,这样就能够通过细胞膜上的离子通道控制钠离子进入蒸腾水流了。

    为了进一步减少进入蒸腾水流中的钠,植物还采取了主动排钠的方式。这是由一组蛋白,叫“对过多的盐敏感的蛋白”(salt overly sensitive,SOS)来实现的。SOS蛋白有三种,分别是SOS1、SOS2和SOS3。当根部细胞感觉到细胞内钠离子过多时,细胞内的钙离子浓度会增加。SOS3上面有钙离子结合点,在结合钙离子后,SOS3与SOS2相互作用,将SOS2活化。SOS2是一个蛋白激酶,又可以将SOS1磷酸化,同时激活SOS1。SOS1是一个钠氢反向转运蛋白(Na/H-antiporter),在让细胞外的氢离子进入细胞时,把钠离子泵出细胞外。通过这种方式,植物的根部可以在水传递到地面上部分以前,将大部分钠离子除去。红树(mangroove)之所以能够在海水中生长,就是因为红树能够排斥海水中99%的盐分。

    即使这样,淡水植物也不能完全避免叶片中钠的逐渐积累。当这些叶片中积累了太多的钠时,叶片即枯死脱落,以新叶代替,所以植物落叶也是排出钠的一种重要途径。有的植物在冬天落叶,称为落叶树。有的在冬天不落叶,叫做“常青树”,其实常青树也落叶,只不过不是集中一次落光,而是持续不断地以新叶取代老叶。

    耐盐植物还有一个很“聪明”的办法来减少钠的伤害,那就是把细胞中的钠分隔到液泡(vacuole)中去,这样即使细胞中总的钠量已经比较高,但是细胞质内的钠浓度仍然可以比较低。这个任务是由液泡膜上的钠氢互换酶(Na/H-exchanger, NHX)来实现的。NHX的工作方式类似于钠氢反向转运蛋白SOS1,也是用细胞质外的氢离子(在SOS1是细胞外的氢离子,在NHX是液泡中的氢离子)替换细胞质内的钠离子。为了在液泡内有足够的氢离子来交换细胞质中的钠离子,液泡膜上还有氢-ATP酶,它类似于细胞膜上旋转的F-ATP酶,也是利用ATP水解时释放出来的能量将氢离子从膜的一侧泵到另一侧。因其位于维管植物细胞内的液泡上,被称为是维管植物的ATP酶(vascular ATPase,简称V-ATPase)。

    进入液泡的钠离子可以增加液泡中液体的渗透压,使细胞处于膨胀状态,使得对细胞有害的钠离子终于可以做一些对植物有益的事情,是植物“化敌为友”的好办法。有了在液泡中分隔钠离子的手段,耐盐植物就可以在盐度比较高的环境中生长。即便如此。液泡的储盐量毕竟有限,它只能延迟,但不能避免细胞质中钠浓度的上升,所以耐盐植物一样要通过落叶的方式来排盐。

胡杨(Populus euphratica)是在我国新疆沙漠地区生长的主要树种之一,耐旱耐盐,它就能够在液泡中储存氯化钠。与抗盐有关的离子泵,例如上面提到的高亲和力钾转运蛋白(HKT)、P-型ATP酶、防止蛋白变性的Hsp20、Hsp70和Hsp90等蛋白的基因数都增加,以合成更多的这些蛋白质。胡杨还增加甜菜碱(betaine)的合成,以增加细胞的渗透压,使根部更容易在干旱和土壤中高钠离子的情况下吸收水分。这些变化使得胡杨能够在200 mM 的盐水中生长,在450 mM的盐水中存活,而这已经几乎是海水的盐浓度!不过由于耐盐植物要付出更大的代价才能在高浓度的盐水环境中生活,它们的生长速度一般是很慢的。绝大多数植物还是选择低盐环境。

由于植物也是从原初生物演化而来的,植物对于钾的喜爱和对钠的躲避更清楚地显示最初的生命是在高钾低钠的环境中产生的。

 

生物的不变与演变

    原初生物的三大遗迹(最早的RNA世界,细胞内的还原状态,以及细胞内的高钾低钠)表明,原初生物在形成之后,其最基本的化学反应条件即被固定,以后不可能再改变。这主要因为是细胞中的化学反应是由酶(无论是RNA还是蛋白质)催化的,而酶都是生物大分子,它们的功能都需要特定的三维空间结构,这就和金属离子的种类和氧化还原状态密切相关。一旦形成并且在当时的环境条件下完成了优化过程,以后就无法再变。即使经过几十亿年的漫长时光,这些最初的反应和环境条件仍然必须保留,这就是生物有以上遗迹的原因。

    在这三大遗迹中,第一个遗迹(生命最早的RNA世界)其实是与第三大遗迹(细胞内高钾低钠的环境)相连的,因为RNA催化肽链合成的反应就需要钾离子,而且至今仍然是所有生物合成蛋白质的方式。由于生物的生存环境后来变成了高钠低钾的,这两个遗迹都要让生物付出代价,即永远需要细胞不断地消耗能量把细胞内的钠离子泵出去。第二大遗迹,即细胞内还原的环境,也需要生物付出代价,这是原初生物在还原的环境中形成后,大气中又出现氧造成的,细胞也必须不断地合成谷胱甘肽这样的还原性分子才能在细胞外几乎无处不在的氧化环境下维持还原状态,否则蛋白质的功能就不能正常发挥。如果生物让细胞内的这些基本状态改变来“适应”细胞外高钠低钾的环境,或者大气中氧化的环境,这些代价都不必再付出,但是迄今为止,没有任何生物能够这样做。

生物细胞内三大遗迹的存在说明,地球上生命的基本性质是不能改变的。而且正是因为原初的反应条件已经进行了优化,达到最佳工作状态,生物才能在此基础上不断演化,形成千千万万种不同类型的生物。换句话说,生物的千变万化,正是以细胞中的基本生命活动方式不改变为条件的。即使地球上环境条件的剧烈变化曾经多次造成了大部分生物物种的灭绝,但是生物总是能够“柳暗花明又一村”,从灭绝的边缘恢复过来,并且发展出新的物种,包括我们人类。从这个意义上讲,我们都应该感谢在原初条件下形成的生物的优越特性和顽强的生命力,而不是试图改变这些特性。

我们也可以换一个角度来看:也许正是因为有当初地球上高钾低钠的环境,才使得生命的出现成为可能,因为细胞最基本的生命活动,特别是蛋白合成,是依赖钾离子,而不是依赖钠离子的。由于形成原初生命的分子(例如氨基酸、脂肪酸、组成核酸的嘌呤和嘧啶)在星际空间广泛存在,其它星球上的生命也可能与地球上的生命相似。如果是这样,这三大遗迹也许还对生命在其他星球上的产生提出了更严格的条件:即不是在所有的液态水中都可以产生生命,还要看液态水中所含的离子是什么,以及其氧化还原的状态。

 

 



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