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思政映射点： 开拓创新，勤奋进取
学科： 生理学
相关知识点： 钠钾泵
素材简介： 本素材介绍了钠钾泵发现的过程，体现了科学家勤奋进取的探索精神，旨在培养学生的开拓创新精神和能力。
细胞膜上的钠泵将钠元素的外运与钾元素的内运耦联，钠泵后来更多地称为钠钾泵，它是存在于细胞膜上的一种钠钾ATP酶。人体处于静息状态时，细胞25%的ATP被钠钾泵消耗掉，而神经细胞70％的ATP被钠钾泵消耗掉。钠钾泵对于维持细胞内外的离子浓度差、维持细胞膜静息电位、产生动作电位、帮助细胞进行继发性主动重吸收、帮助细胞信号进行转导都有十分重要的意义。
早在1941年，就有生理学家基于放射性钠元素对肌肉细胞的实验提出了在细胞膜上存在着“钠泵”的推测，当时认为“肌肉细胞之所以能逆浓度地运输钠钾元素是需要做功的，因此，在细胞膜上一定有一种泵存在，这种泵能在泵出钠元素的同时泵入钾元素”。不过，就当时而言，“钠泵”只是一个猜想，并没有引起人们的注意。直到1949年以后，英国生理学家和细胞生物学家霍奇金才将该设想用来解释动作电位产生后恢复至静息状态的现象。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钠元素重新转运到细胞外。由于钠元素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，逆浓度运输的钠泵若是需要消耗ATP的，抑制ATP的合成会抑制钠的逆浓度转运。
那么，钠泵究竟是如何工作的呢？这开始引起科学家们的兴趣。1954年，匈牙利的生理学家发现红血细胞钾元素的吸收是与ATP有关的。1956年霍奇金等发现注射ATP到氰化钾中毒的枪乌贼巨大神经轴突不能使细胞逐出钠元素的主动运输活动得到恢复。此期间，在丹麦奥尔胡斯大学攻读医学博士学位并从事局部麻醉研究的生理学家斯科对此也产生了兴趣。他了解到，1948年，美国生理学家在枪乌贼巨大神经轴突鞘上发现有ATP水解酶的存在。斯科猜想这种存在于神经细胞膜上的ATP酶可能是一种脂蛋白。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，没有资格得到大量枪乌贼神经实验材料，他选择了螃蟹神经作为替代品进行探究，几年时间大约用了25000只螃蟹。斯科坚持不懈，功夫不负有心人，他终于从细胞膜上分离了这种ATP酶。通过实验，他发现这种ATP酶会因钠元素的增加而被刺激，该酶需要钠钾元素的共同参与才有活性，这与过去发现的细胞内被钾元素激活的酶通常被钠元素所抑制的规律不同。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”的论文。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四届国际生物化学学术会议。在这里，他有幸遇到了曾在同一个实验室工作过的同事波斯特。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红血细胞转运出的钠元素与转运进的钾元素的重量比例是2∶3。他还告诉斯科，瑞士生理学家在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，斯科立即通知他的实验室工作人员安排这个实验，最终实验证实乌本苷确实能抑制他所分离出的这种ATP酶的活动，这样就把ATP酶与钠泵联系了起来。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。钙离子泵、氢钾离子泵等相继被发现。因在发现钠钾泵方面的杰出贡献，斯科等分享了1997年的诺贝尔化学奖。
回顾这段历史，给我们带来重要的启示：①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去创新；②斯科及多位科学家信念坚定、脚踏实地、坚持不懈地细致追求真理的科学探索精神是他们取得突破的重要法宝。
［1］任衍钢.钠钾泵是怎样发现的[J].生物学通报，2011，46（3）:60-62.
［2］BLAUSTEIN M P．The pump，the exchanger，and the holy spirit: origins and 40-year evolution of ideas about the ouabain-Na+ pump endocrine system[J]．American Journal of Physiology-Cell Physiology, 2018，314（1）:C3-C26.
（王小芳，基础医学院，解剖学与生理学系，讲师）