斯科與鈉泵：麻醉醫(yī)生到諾獎得主的逆襲
兩位因三磷酸腺苷（ATP）相關(guān)研究分享1997年諾貝爾化學(xué)獎的科學(xué)家在同一周——5月28號和6月2日相繼去世。無巧不成書，他們都享年99歲。他們就是丹麥生物化學(xué)家斯科（Jens C. Skou，1918.10.8-2018.5.28）和美國生物化學(xué)家博耶（Paul D.Boyer，1918.7.31-2018.6.2）。博耶因闡明ATP的酶催化過程而與約翰.沃克（John E. Walker）分享了一半的1997年諾貝爾化學(xué)獎。
而另一半，則由1957年首次發(fā)現(xiàn)鈉泵的斯科獲得。今天的人可能并不太熟悉這位百歲的老人，讓我們回顧一下他的傳奇一生。
撰文 | 郭曉強(qiáng)
編輯 | 程 莉
電生理是興奮性細(xì)胞如神經(jīng)細(xì)胞、骨骼肌和心肌細(xì)胞的基本特征之一，也是眾多生理活動的基礎(chǔ)。二十世紀(jì)五十年代，兩位英國科學(xué)家——安德魯·赫胥黎爵士（Sir Andrew Fielding Huxley，1917-2012）和艾倫·勞埃德·霍奇金爵士（Sir Alan Lloyd Hodgkin，1914-1998）提出離子假說解釋細(xì)胞動作電位產(chǎn)生的機(jī)制，他們也因此分享了1963年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。
離子假說認(rèn)為，細(xì)胞膜內(nèi)外鈉離子和鉀離子選擇性進(jìn)出是動作電位形成的基礎(chǔ)。正常情況下，細(xì)胞外鈉離子濃度遠(yuǎn)高于細(xì)胞內(nèi)，而細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度又遠(yuǎn)高于細(xì)胞外；當(dāng)受到外界刺激時(shí)，鈉離子借助濃度梯度（類似于水往低處流）進(jìn)入細(xì)胞產(chǎn)生動作電位，隨后鉀離子釋放出細(xì)胞則使電位回復(fù)。
這一假說產(chǎn)生了一個(gè)非常重要的問題，那就是，細(xì)胞內(nèi)鈉離子如何回到細(xì)胞外？它們面臨最大障礙在于逆濃度梯度（類似于水往高處流），科學(xué)家因此提出“鈉泵（sodium pump）”以解決這一難題，鈉泵需消耗能量完成鈉離子外排過程。
鈉泵究竟存不存在呢？
1957年，丹麥科學(xué)家延斯·克里斯蒂安·斯科（Jens Christian Skou）首次發(fā)現(xiàn)了鈉泵。
斯科（Jens Christian Skou,1918.10.8—2018.5.28）（圖源：thefamouspeople.com）
醫(yī)學(xué)夢
1918年10月8日，斯科出生于丹麥萊姆維（Lemvig）一個(gè)富有家庭，父親是一位商人，而母親全職負(fù)責(zé)家庭。斯科12歲時(shí)，父親意外去世，母親承擔(dān)起家中的重?fù)?dān)，他的學(xué)業(yè)卻并未受到明顯影響。高中時(shí)，斯科對理科充滿了巨大興趣，經(jīng)綜合考慮后選擇醫(yī)學(xué)作為專業(yè)。1937年，斯科進(jìn)入哥本哈根大學(xué)，并經(jīng)過7年的學(xué)習(xí)于1944年獲得醫(yī)學(xué)學(xué)位。
三年實(shí)習(xí)期間，斯科發(fā)現(xiàn)自己對外科更感興趣，并可獨(dú)立開展一些臨床小手術(shù)。
對于外科醫(yī)生而言，麻醉是一個(gè)非常關(guān)鍵的過程，但當(dāng)時(shí)臨床上可用的麻醉劑種類有限，常用的乙醚和氯仿等都存在諸多缺陷，這促使斯科決定探索麻醉機(jī)制以有利于新麻醉劑開發(fā)和臨床應(yīng)用。
研究麻醉機(jī)制
1947年，斯科進(jìn)入丹麥奧胡斯大學(xué)（Aarhus University）醫(yī)學(xué)生理學(xué)研究所開始科學(xué)研究。斯科發(fā)現(xiàn)麻醉劑的麻醉能力與它的脂溶性存在相關(guān)性，而細(xì)胞膜又含有眾多脂類物質(zhì)，因此斯科推測麻醉劑可能通過影響神經(jīng)細(xì)胞膜上的特定物質(zhì)活性而發(fā)揮藥理作用。
幾年的實(shí)驗(yàn)室生涯使斯科突然意識到，他更大的樂趣在于科學(xué)研究而非臨床工作，因此決定放棄當(dāng)初成為一名偉大外科醫(yī)生的夢想。
為了證明自己想法的正確性，斯科決定深入研究麻醉劑的活性。限于奧胡斯大學(xué)有限的科研實(shí)力，斯科決定到美國開展學(xué)術(shù)訪問。美國之行極大地拓展了斯科的視野，一方面他通過與眾多偉大科學(xué)家接觸而增加了科研動力，另一方面也獲悉了神經(jīng)生物學(xué)、生物能學(xué)等領(lǐng)域的最新進(jìn)展，為進(jìn)一步的研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
回到丹麥后，斯科證明了麻醉劑對特定膜蛋白活性具有一定影響，但此時(shí)他對一個(gè)新課題產(chǎn)生了濃厚興趣。
20世紀(jì)40年代，科學(xué)家證明三磷酸腺苷（ATP）是一種重要的生命能量分子，它水解釋放的能量是各種生命活動的基礎(chǔ)，而隨后科學(xué)家鑒定出可水解ATP的酶，稱為ATP酶。斯科推測神經(jīng)興奮性也必然依賴能量供應(yīng)，因此細(xì)胞膜上也應(yīng)存在ATP酶。
ATP酶
為尋找細(xì)胞膜上的ATP酶，斯科選擇螃蟹腿部神經(jīng)作為研究對象。為此，漁民每周都為斯科運(yùn)送200只小螃蟹，而整個(gè)研究過程使用了幾千只螃蟹。
材料有了，但螃蟹神經(jīng)剝離仍是一大問題，尤其是螃蟹處死過程。最初采用錘敲策略，但分散到整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的螃蟹碎片難以處理；隨后采用水煮方案，以減少對衛(wèi)生的影響，但又帶來另一大問題，那就是煮螃蟹的味道。在斯科開展實(shí)驗(yàn)的那段時(shí)間內(nèi)，大家憑借嗅覺就可很容易在偌大的奧胡斯大學(xué)校園找到醫(yī)學(xué)生理研究所。今天，這樣的情形幾乎難以想象。
然而，斯科隨后的研究卻進(jìn)入一個(gè)停滯期。盡管收集到大量螃蟹腿部神經(jīng)并證明細(xì)胞膜上存在ATP酶，但酶活性極低。在補(bǔ)充鈉離子后酶活性略有增加，但并不明顯。特別是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性較差，很難判斷鈉離子是否真的影響ATP酶活性。
斯科經(jīng)過一年半的嘗試，實(shí)驗(yàn)仍是毫無進(jìn)展。
恰在此時(shí)，一份待遇不菲的臨床工作向他招手，從而使斯科陷入兩難抉擇，那就是堅(jiān)持科研還是選擇臨床。在妻子鼓勵下，斯科最終還是選擇留在奧胡斯大學(xué)，繼續(xù)科研。
在一次實(shí)驗(yàn)過程中，斯科偶然發(fā)現(xiàn)，當(dāng)同時(shí)加入鈉離子和鉀離子時(shí)，神經(jīng)細(xì)胞膜上ATP酶活性急劇增加，從而表明ATP酶活性受鈉離子和鉀離子共同調(diào)控。這一意外發(fā)現(xiàn)正好與動作電位形成機(jī)制相契合，這一過程也涉及鈉離子和鉀離子協(xié)同效應(yīng)。
1957年，斯科發(fā)表文章，宣布在細(xì)胞膜上鑒定出一種鈉離子和鉀離子共同調(diào)控的新型ATP酶，稱為鈉鉀ATP酶。正是這一在當(dāng)時(shí)看起來有點(diǎn)不起眼的論文奠定了斯科獲諾貝爾獎的基礎(chǔ)。
鈉泵
1958年，在維也納一次學(xué)術(shù)會議上，斯科結(jié)識了鈉泵領(lǐng)域研究專家波斯特教授（Robert Post），通過交流，他不僅加深了對鈉泵特性的理解和認(rèn)識，還獲悉波斯特教授開發(fā)出一種鈉泵特異性抑制劑。斯科立刻讓奧胡斯大學(xué)的助手檢測鈉泵抑制劑對鈉鉀ATP酶的影響，結(jié)果表明ATP酶具有鈉泵特性，從而確定二者的同一身份。
至此，鈉泵被正式發(fā)現(xiàn)。
20世紀(jì)50年代是生命科學(xué)的一個(gè)重要過渡期，以DNA雙螺旋為代表的分子生物學(xué)日趨昌盛，而代謝和生物能研究逐漸衰落。因此，斯科的發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)并未引起足夠的重視，許多人甚至認(rèn)為該研究毫無意義。斯科曾坦言，在這種情況下，他的研究根本無法獲得基金支持。在一次訪談中斯科還提及，科研與石油鉆探非常類似：他們都需要很好的平臺并期望獲得豐厚回報(bào)；大家更喜歡在舊領(lǐng)域（油田）開展研究（挖掘），盡管都知道總有一天會枯竭，但由于風(fēng)險(xiǎn)較小而堅(jiān)持；其實(shí)大家更應(yīng)該積極尋找新領(lǐng)域（油田），盡管會冒一無所得的風(fēng)險(xiǎn)。
斯科這一觀點(diǎn)也與當(dāng)前科研生態(tài)相契合，跟風(fēng)性研究多，開創(chuàng)性研究少，根源就在于風(fēng)險(xiǎn)和回報(bào)間的權(quán)衡。
斯科也一直呼吁對“非明確”目標(biāo)科研項(xiàng)目的資助，因?yàn)樵S多重大發(fā)現(xiàn)根本無法預(yù)測。
上世紀(jì)60年代，美國著名的《生理學(xué)評述》邀請斯科撰寫一篇有關(guān)離子運(yùn)輸?shù)奈恼拢c泵的發(fā)現(xiàn)才逐漸被人熟知，相關(guān)研究也開始廣泛展開。
與此同時(shí)，隨著大學(xué)資金投入加強(qiáng)，斯科也得到更多經(jīng)費(fèi)支持和人員引進(jìn)，大大增強(qiáng)了鈉泵研究團(tuán)隊(duì)的力量。但在斯科看來，這又產(chǎn)生了另一個(gè)問題，那就是盡管各方面都得到了有效保障，但該領(lǐng)域再無重大突破性成果出現(xiàn)。
獲獎
是金子總會發(fā)光，斯科發(fā)現(xiàn)的重要性隨著時(shí)間推移也逐漸被同行所認(rèn)可，各種榮譽(yù)也接踵而來。斯科獲得了多項(xiàng)科學(xué)獎?wù)潞投鄠€(gè)科學(xué)院院士稱號，特別是經(jīng)過40年漫長科學(xué)檢驗(yàn)后最終于1997年分享諾貝爾化學(xué)獎的1/2。
今天，我們知道定位于細(xì)胞膜上的鈉泵有三種亞基——α、β和γ，其中α亞基執(zhí)行鈉離子和鉀離子交換，β亞基負(fù)責(zé)酶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，γ亞基發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。鈉泵水解ATP釋放的能量可一次性將3個(gè)鈉離子排出到細(xì)胞外，并于隨后將2個(gè)鉀離子攝入細(xì)胞，因此鈉泵有時(shí)也稱“鈉-鉀泵”。鈉泵每天需消耗大量ATP來進(jìn)行鈉離子和鉀離子交換，以保證細(xì)胞內(nèi)外兩種離子濃度梯度，從而有效維持細(xì)胞興奮性，它的功能如果喪失將造成毀滅性后果。
從另一個(gè)角度也可看出斯科發(fā)現(xiàn)的重要性。在分子生物學(xué)家眼中，生命更多是DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄、RNA翻譯等過程；而從化學(xué)角度來看，生命則是能量轉(zhuǎn)化過程（ATP生成和利用），作為對機(jī)體非常重要的ATP酶，其重要意義也就不言而喻。
鈉泵（圖源：wholerunners.com）
去世
從1947年開始科研到1988年退休，斯科都在奧胡斯大學(xué)度過。2018年5月28日，斯科在奧胡斯大學(xué)去世，享年99歲，距他的百歲壽辰只差5個(gè)月。斯科也算男性諾貝爾獎獲得者中長壽科學(xué)家之一，盡管距紀(jì)錄保持者科斯（Ronald Harry Coase, 1910.12.29 -2013.9.2，1992年諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎獲得者）尚有一點(diǎn)差距。
參考文獻(xiàn)
[1] Skou JC. The influence of some cations on an adenosine triphosphatase from peripheral nerves. Biochim Biophys Acta,1957,23(2):394-401.
[2] 郭曉強(qiáng).酶的研究與生命科學(xué)(二)：氧化酶和ATP酶的研究.自然雜志,2015,37(3):205-214.
[3] Skou JC. The identification of the sodium pump. Biosci Rep,2004,24(4-5):436-451.
文章頭圖及封面圖片來源：nobelprize.org
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