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文/任衍钢1846年，著名的德国化学家李比希(Justus von Liebig)发现，肌肉组织比血液含有的K+浓度高得多，而Na+则低得多。今天我们更确切地知道，我们身体的细胞生活在一个咸水的内环境中。这是一个含较高浓度Na+和较低浓度K+的溶液，它以每秒近100倍细胞体积的速度进入细胞之内。然而，令人惊讶地是，细胞内(这里指人的红细胞)仅含有血清浓度约7％的Na+和大约血清浓度约20倍的K+。是什么机制导致活细胞具有这样神奇的功能呢？科学家经过100多年的探索，找到了答案：这就是在细胞膜上有一个行使主动运输的钠钾泵。笔者在这里对钠钾泵的发现过程作一个简单的介绍。1、静息电位及“膜学说”钠钾泵的研究主要来自对神经细胞膜的研究，神经细胞膜的研究又可以追溯到对生物电的研究。1791年，意大利解剖学家加伐尼(L.Ga1.vani)偶然发现，如果将蛙腿的肌肉置于铁板上，再用铜钩钩住蛙的脊髓，当铜钩与铁板接触时肌肉就会发生收缩。他把这种现象归因于“动物电”。动物电是怎样发生的呢？1849年，德国著名生理学家和心理学家缪勒(Johannes Peter Maller)的学生Du Bios—Reymond发现，当刺激电压施加到神经细胞表面上时会减小，呈现“负电的电波”。这样在神经细胞膜处就存在2种电位，一种是在未受刺激情况下的静息电位，另一种就是在刺激下产生的动作电位。为什么会出现这种现象呢？生理学家们首先需要弄明白的是静息电位。为此，Du Bios—Reymond提出“现存学说”(preexistence theory)解释这种电位。他认为，在正常状态下，组织内带负电，外表带正电。1890年，著名的德国化学家奥斯特瓦尔德(W.Ostwald，1909年诺贝尔化学奖获得者)则用膜的通透性理论来解释这种现象。他认为，如果在电解质弥散的途径上有一层半透膜，它只容许一种离子通过，而带有相反电荷的另一种离子不能通过，就会通过静电作用限制透过膜的离子进一步弥散，这样就在膜两侧形成电位差，它的大小可以按德国著名物理化学学家能斯特(W.H.Nernst，1920年诺贝尔化学获得奖者)发明的Nernst公式计算。1902年，Du Bios—Reymond的学生伯恩斯坦(Julius Bernstein)接受了奥斯特瓦尔德的通透性理论，并在综合渗透压、电解质、半透膜和离子浓度差等研究成果的基础上，提出了“膜学说”(membrane theory)。他认为，神经细胞膜是一种半透膜，膜内外离子浓度不同。在没有电刺激时，膜内外的渗透压与电压处于平衡状态。他依据细胞内液比细胞外液含有较多的K+，细胞损伤时电位较完好时低的事实，推测在静息状态情况下细胞膜内电位低于细胞膜外，并假定静息时细胞膜只对K+有通透性。由于带正电荷的K+顺浓度差向细胞外扩散，相应的负电荷仍留在细胞内，这样细胞膜两侧形成了“外正内负”的静息电位。伯恩斯坦还猜想，动作电位则是由于膜受到刺激时，瞬间失去了对K+的选择性渗透，导致对所有离子都通透，使膜两侧的电位差瞬间消失造成的。“膜学说”因有较严密的理论依据被多数人接受，但由于当时技术上的限制和未找到有效的实验材料，直到1939年后“膜学说”中关于静息电位形成的假说才得到实验证实。2、动作电位及“离子学说”1936年，英国解剖学家杨(J.Z.Yonng)找到了一个理想的试验材料一一软体动物中的枪乌贼的神经。该神经具有直径可达1mm的轴突，这与一般脊椎动物轴突直径最大不超过0.02mm比起来，无疑是研究跨膜电位的极好材料。1939年，英国生理学家霍奇金(Sir Alan Lloyd Hodgkin)和赫胥黎(Andrew Fielding Huxley)用他们发明的微电极技术和细胞内记录的方法测得枪乌贼神经细胞轴突膜两侧的静息电位相差60mV。这一结果与应用Nernst公式计算的钾平衡电位(-75mV)接近，有力地支持了“膜学说”。但是，由于实际测得的静息电位略小于钾平衡电位，这说明细胞膜并不是像原来设想的那样只对K+有通透性，可能还会有其他离子，尤其是Na+有通透性，更意外发现的是，在刺激时，动作电位变化的幅度大大超过了零电位，而达到了+30～50mV，这是“膜学说”无法解释的。1945年，霍奇金和赫胥黎进一步用微电极技术探明，当神经细胞处于静息状态时，细胞膜内外存在电位差，膜外是正的，膜内是负的。当神经冲动传导时，膜外是负的膜内是正的，膜电位的极性发生翻转。为什么动作电位会出现这种现象呢？霍奇金在一系列实验的基础上提出了动作电位是Na+从膜外流入膜内的假设。1949年，霍奇金和赫胥黎用氯化胆碱或葡萄糖等替代神经纤维周围海水中的氧化钠溶液进行实验，结果表明，在这种状况下动作电位的上升速度和传导速度都下降了，其下降程度随着替代Na+的比例增大而增大，这证实了他们的假设。同年，霍奇金又和英国生理学家卡茨(Bernard Sir Katz，1970年诺贝尔生理学和医学获奖者)在此基础上根据细胞内记录方法对膜学说加以修正，提出“离子学说”(ionic theory)。该学说认为，在静息状态下，神经膜主要是由K+扩散出膜外形成“内负外正”的静息电位。当神经兴奋时膜对Na+的通透性迅速增加，使膜外高浓度的Na+进入膜内，同时K+外流，这样就形成了“内正外负”的动作电位。由于”离子学说”是用Na+的流动解释动作电位的形成，故也称“钠假说”。霍奇金和卡茨还修改了Nernst公式，引入了通透性作为参数，并将公式推广到可根据多种离子计算膜电位，这就是后来称之为的Goldman—Hodgkin—Katz公式。1951年，英国生理学家凯恩斯(Richard Darwin Keynes)等用同位素Na+进行定量分析，进一步支持“离子学说”。因在神经生理研究方面做出的杰出贡献，霍奇金、赫胥黎等分享了1963年的诺贝尔生理学或医学奖。3、“钠泵”假设与钠钾泵的发现早在1941年，生理学家R.B.Dean基于用放射性Na元素对肌肉的细胞实验提出了在细胞膜上存在着“钠泵”的推测。他认为"肌肉细胞之所以能逆浓度地运输K+和Na+，⋯⋯是需要做功的。因此，在细胞膜上一定有一种泵存在，这种泵能在泵出Na+的同时泵出等量的K+"。不过，就当时而言，“钠泵”只是一个猜想，没有引起人们的注意。直到1949年以后，霍奇金才把它引入并用来解释动作电位后静息电位的形成。他认为，动作电位后，细胞膜仍然要恢复到原来的静息状态，这就需要将流入细胞内的Na+重新转运到细胞外。由于Na+从质膜内运出质膜外是逆浓度梯度运输，需要消耗能量，因此需要钠泵来转运。他还进一步推测，逆浓度运输的钠泵是需要消耗ATP的，抑制ATP的合成会抑制钠的逆浓度转运。那么，钠泵是如何工作的呢？这开始引起科学家的兴趣。1954年，匈牙利生理学家Gyorgy Gardos发现红血细胞K+的吸收是与ATP有关的。1956年霍奇金和凯恩斯则发现注射ATP到被氰化钾中毒的枪乌贼巨大神经轴突不能使细胞逐出Na+的主动运输活动得到恢复。此期间，在丹麦奥胡斯(Arahus)大学攻读医学博士学位并从事局部麻醉研究的丹麦生理学家斯科(Jens C.Skou)对此也产生了兴趣，他在阅读中了解到，1948年，美国生理学家Benjamin Libet在枪乌贼巨大神经轴突鞘上发现有ATP水解酶的存在。斯科猜想这种酶可能是存在于神经细胞膜上的ATP酶，并且是一种脂蛋白。为此，他产生了分离这种酶的想法。由于当时他只是一名助理教授，没有资格得到枪乌贼巨大神经实验材料，他选择了螃蟹神经作为替代品进行探究。几年之间大约有25000个螃蟹成了斯科的实验品。功夫不负苦心人，他终于从细胞膜上分离了这种ATP酶。他通过实验发现这种ATP酶会因Na+的增加而被刺激，该酶需要Na+和被K+激活的酶通常被Na所抑制的规律不同。1957年，他在《生物化学和生物物理》杂志上发表了“一些阳离子对外周神经ATP酶的影响”(The influence of some cations on an adenosine triphosphatase from peripheral nerves)论文。但这时，斯科还没有意识到他的发现的重要性。1958年，斯科参加了维也纳的第4届国际生物化学学术会议。这里，他有幸遇到了曾在同一个实验室工作过的同事波斯特(Robert Post)。波斯特向斯科介绍了自己的研究成果．他通过化学计量学发现血红血细胞转运出Na+与转运进K+的比例是3：2。他还告诉斯科，瑞士生理学家H.J.Schatzmann在1953年发现乌本苷能抑制红血细胞主动运输的信息。得知这个信息后，斯科立即打电话给他的实验室工作人员安排这个实验。实验证实乌本苷确实抑制他分离的这种ATP酶活动。这样该ATP酶就与钠泵联系了起来由于Na+的外运与K+的内运耦联，钠泵后来更多地称为钠钾泵。科学家惊奇地发现，人体处于静息状态时，细胞1/4的ATP是被钠钾泵消耗掉的，神经细胞的70％是被钠钾泵消耗掉的。斯科的发现开启了人类认识离子泵的先河，具有里程碑的意义：如钙离子泵、氢钾离子泵等以后相继被发现。因在发现钠钾泵等方面的杰出贡献，斯科等分享了1997年的诺贝尔化学奖。回顾这段历史，给我们的一个重要的启示是，科学研究是一项长久的接力赛。一个科学家想要获得成功，除本身具备良好的科学素质外，还需要继承前人和汲取当代人的科研成果，站在该领域的前沿上，并以科学求实的工作态度勇敢地去创新。