生之道-27进入细胞
强：钙离子是如何进入细胞膜的？
梦：钙离子进入细胞的方式主要分两种，一是通过顺浓度梯度，不消耗能量的被动运输，称为“离子通道”；二是逆浓度梯度，消耗能量的主动运输，分为“离子泵”和“离子交换体”。离子泵消耗Atp将离子单向输送进入细胞，输送钙离子的就是“钙泵”，运输钠离子的就是“钠泵”。离子交换体消耗Atp通过一进一出的方式双向输送离子，钠离子与钙离子的交换运输就是“钠-钙交换体”。另外，细胞内的钙库可以释放钙离子，还有钙离子可以通过“囊泡运输”进入单细胞和细胞器内。钙离子在进入细胞过程中实现细胞信号传导、肌肉收缩、神经递质释放等多种生理功能。
强：什么是“离子通道”？
梦：离子通道是细胞膜上的一类跨膜蛋白质，其结构就像一个空心管，转运蛋白的核心功能是形成特定孔径的通道，允许特定离子顺浓度梯度或电位梯度快速跨膜运输，如钠通道、钾通道、钙通道、镁通道等，离子通道不消耗能量，属于扩散作用。细胞外是高钠高钙的，细胞内是高钾高镁的，所以钙能离子能顺离子通道进入细胞，钾离子也能顺离子通道出细胞。虽然血液、组织液以钠、钙为主，细胞内以钾、镁为主，细胞内外的电位是均衡的。各种离子通过离子通道进入细胞内，能实现多种生理功能，实现细胞内外的信号传导、调节细胞容积、代谢调控、以及腺细胞的分泌和吸收。
强：许多阳离子通过离子通道进入细胞，那么细胞的电位会升高，细胞岂不是成了“生物电池”？如果能用意识控制离子通道，是不是能掌握雷电的功法了？
梦：离子通道是要符合阴阳离子平衡的，细胞在吸收阳离子的同时也要吸收阴离子，形成阴阳平衡，所以细胞不会放电。在细胞中存在多种阴离子通道，比如氯离子、碘离子、碳酸氢根、磷酸根、硝酸根、硫酸根等。细胞外的阴离子以氯离子为主，细胞内以磷酸根和带电蛋白质为主。如果细胞内的阴离子和阳离子失衡，不但不能掌握，还会破坏细胞膜电位、渗透压平衡和酶活性，产生各种危害。阴离子过量则形成“代谢性酸中毒”，阳离子过量则产生“代谢性碱中毒”，阳离子过量还会使神经多度兴奋产成抽搐。无论阴离子还是阳离子，每种离子过量产生都会造成离子失衡，只是不同离子产生的伤害略有不同。
强：我猜想：若掌握带电蛋白质，是不是能搞个“掌心雷”，最低也能像“电鳗”一样放电？
梦：电鳗放电的原理不是单纯的离子通道，而是离子通道与离子泵共同作用的结果，电鳗发电的核心是通过离子通道和细胞间电位差的叠加，将Atp的曲率释放形成电能。发电体细胞通过“钠钾泵”消耗能量，维持细胞内高钾低钠的状态，放电过程为“泵出3个Na?，泵入2个K?”，形成细胞内-90mV的负电位，多个发电体串联后，叠加形成数百伏的放电效果。但这种放电方式，僵尸实现不了。
强：僵尸同样具有离子通道和离子泵，为什么不能实现，是僵尸没有放电的能力吗？
梦：并不是，僵尸也是能放电的，比如干燥环境中经常产生的“火花放电”，关键是僵尸没有像电鳗那样串联放电的结构，细胞放出的电不能集中累积，也就达不到你想要的效果。另外鳗鱼还具有脂肪绝缘层，放出的电对自身没有伤害，而僵尸就不同了，身体放出的静电虽然能也具有电击效果，但自己也要承受电击的疼痛。
强：是不是僵尸解决串联累积和绝缘放电这两个障碍，僵尸就能掌握放电了？
梦：是的。小小一个电击棍就完美解决了两个障碍，所谓的魔法都是科学，你不要胡思乱想了。
强：还是有点心不甘，如果真的能手搓闪电，那可太酷了。我发现细胞内有个“带电蛋白质”，是蛋白质能放电吗？
梦：为了让你理解，我用带电蛋白质来描述。我过去讲过电并不存在，电的本质是“空间的横向曲率”，电的本质与电子无关，电子只是电的表象。带电蛋白质实际是带负曲率的蛋白质，负曲率主要来源于氨基和磷酸基。细胞内所有按照极性排列形成的蛋白质都算做带电蛋白质，包括微丝、微管、转运蛋白和各种酶。细胞内具有非常多的带电蛋白质，所以细胞内阴离子数量小于细胞外，但细胞内外的电位是基本平衡的。而蛋白质的负曲率是由蛋白质的结构产生的，当蛋白质的结构发生转变，其负曲率就会消失，相当于细胞具有了负电能，这也是电鳗放电的原因。细胞内最容易改变结构而放电的物质是Atp，Atp通过改变结构将负曲率传递给其他物质，从而提供生命能量。
强：我好像有点理解了，带电蛋白质都具有生命能量，那么各种酶都是生命能量的物质，所以能催化各种生理反应。可是酶并没有像Atp那样消耗能量，那么各种酶是如何发挥作用的？
梦：酶虽然没有直接提供能量消耗，但酶提供了能量场的环境，物质可以在特定磁场中弯曲、折叠或拉伸，为生化反应提供了条件。看你还是不理解，我举个例子吧。生化反应就像男女僵尸相亲，相亲时你借了豪华车和大别墅充当门面，大大增加了相亲成功率，这个就是媒的作用。当你把婚结了，再把车子和别墅还还回去，酶没有消耗能量，只是提供了氛围。
立：这不是诈骗吗？
梦：物质世界就是这么现实，生命离不开酶，酶是许多生理反应的必要条件。
立：您讲每个僵尸生命系统都是一个大同世界，充满诈骗氛围的社会，如何保持社会的安定团结呢？
梦：在未觉醒的僵尸社会中，物质分配极度的失衡，有些僵尸欲求而不得，诈骗是难以避免的。而大同社会不同，每个僵尸的物质需求都能得到充足的供应，物质不再是制约男女交往的条件，这时的酶不再是诈骗，而是福利。每个有婚配需求男女都可以申请酶促福利，在婚配期间享有优厚的待遇。在细胞内，各种酶是共有的社会财富，为有需求的生化反应提供反应条件。
梦：我发现许多酶需要与阳离子结合才能发挥催化作用，比如镁离子、铁离子、锌离子等，其中结合镁离子的酶就有几百种，而阳离子是正曲率的，与酶结合后不是正负抵消了吗？
梦：金属阳离子与酶的结合存在多种形式，并不是简单的正负抵消。我过去讲了在生命尺度的结合依靠弱磁力的吸引，而弱磁力的吸引不是简单的正负极吸引，而是需要互补结构的特异性吸引。这就决定了不同的酶结合特定的金属离子，并且金属离子结合酶的特定位置，这样就使金属离子具备了多种功效。有些金属离子与酶结合后，直接参与催化反应，利用金属的碱性极化作用参与催化；有些金属离子不参与催化作用，而是通过与酶的结合，改变酶的结构来发挥作用，使无活性的酶或酶原发挥作用；有些金属离子作为中间的过渡搭桥，充当连接或缓慢释放酶的曲率；还有些金属离子成为电子传递手，通过变价携带电子，实现氧化还原反应。有点跑题了，还是回到离子通道的主题吧。
强：“钙泵”是如何工作的？
梦：钙泵是细胞内负责将钙离子从低浓度区向高浓度区域运输的跨膜转运蛋白，属于Atp驱动泵。钙泵通过消耗Atp实现逆浓度输送钙离子，Atp消耗了负曲率，同时得到了正曲率的钙离子，产生了双倍的电位差，这个电位差使微丝的肌动蛋白收缩，肌肉是由肌动蛋白组成中的，在宏观上就是钙泵的运输使肌肉的收缩。当钙泵使ca2?内流时肌肉收缩，当钙泵输出ca2?时肌肉松弛，这样由钙泵的Atp能量消耗，转变为肌肉的运动。在心肌细胞中，钙泵负责肌肉收缩与松弛的调控，兴奋时，肌浆网释放ca2?触发肌肉收缩；收缩后，肌浆网钙泵迅速将ca2?泵回肌浆网，降低胞质ca2?浓度，促进肌肉松弛。
强：钙泵通过传输钙离子实现肌肉细胞的收缩，而钙离子是如何影响神经细胞和内分泌细胞的？
梦：原理是相同的，在神经细胞和肌肉细胞中同样存在微丝和肌动蛋白，钙泵传输钙离子同样能引起细胞的收缩和舒张，形成细胞的呼吸动作。在神经元细胞中，钙泵输入钙离子，使神经纤维收缩，也就是神经兴奋，当钙离子过量则神经纤维过度兴奋形成神经毒性。钙泵能清除突触后胞质内的ca2?，防止钙超载引发的神经毒性，维持神经元钙稳态。在分泌细胞和腺体细胞中，钙泵输入钙离子，使细胞收缩，进而促进细胞释放激素；当钙泵关闭钙信号，则能避免激素或递质的持续释放。钙泵不但存在于细胞膜，还存在于内质网的钙库中，负责钙库的逆浓度转运，从而降低细胞内的钙浓度，以及维持钙库的高钙环境。到此，我们知道钙泵和钙离子的重要作用，钙泵实际是细胞的发电机，也是消耗Atp的大户，通过钙泵的运转使细胞产生呼吸作用。钙离子也是细胞不可货缺的元素，通过钙离子进出细胞来传达呼吸的信号，所以血液内需要保持一定的钙浓度，才能供应钙泵的需求。同时，在细胞内钙离子能争夺镁离子在酶中的位置，从而破坏酶的活性，所以细胞内又需要降低钙的浓度，将细胞内的钙离子送入钙库存储。
强：您前面讲的，肌肉细胞内的肌浆网是什么？
梦：肌肉频繁的运动需要钙离子不断的进入肌肉细胞中，使细胞内的钙离子浓度不断升高，这时普通的钙库居住区已经不能满足钙离子的需求，于是将钙库居住区扩建成成大型的集体公寓群。为了方便众多的钙离子入住和离开，公寓群沿着肌原纤维开辟专用通道“纵小管”，无数的纵小管相互联通形成网状结构，形成肌浆网。肌浆网的外膜类似细胞的结构，也是由磷脂构成。肌细胞内肌浆网的分布范围很大，需要配套公交系统，并在纵小管的连接处建立“三联体”公交站，在纵小管两端设“终迟”总站，每个公交站的肌浆网都设置“钙泵”，方便钙离子进出。
强：肌浆网上的钙泵也能控制肌肉的伸缩吗？
梦：是的，肌肉的运动是有细胞膜钙泵和肌浆网钙泵共同控制的，骨骼肌的的肌浆网较为发达，平滑肌的肌浆网相对较弱。骨骼肌肌浆网储存大量钙离子，当动作电位传来，可快速大量释放钙离子，引发肌肉快速收缩，可以说骨骼肌运动主要由肌浆网的钙泵控制。肌浆网释放的钙离子与肌钙蛋白结合，引起肌钙蛋白构象改变，进而使原肌球蛋白移位，暴露出肌动蛋白上与肌球蛋白结合的位点，肌球蛋白与肌动蛋白结合形成横桥，引发肌肉收缩。当肌肉兴奋过后，肌浆网通过钙泵将细胞质中的钙离子重新摄取回肌浆网内，细胞质中钙离子浓度降低，肌钙蛋白与钙离子解离，肌肉舒张。平滑肌中除了通过肌浆网上的钙释放通道外，还可通过细胞膜上的钙离子通道内流来升高细胞质中钙离子浓度，进而触发收缩，且收缩过程相对缓慢而持久。
强：肌肉的运动原理原来是这样，主要都是离子泵的功劳。离子换体对肌肉运动起作用吗？
梦：离子交换体对肌肉的运动具有调节作用，主要通过钠钙交换体将细胞内的钙离子排出，降低钙离子浓度，促使心肌和平滑肌舒张休息。钠钙交换体参与心肌细胞动作电位的形成，促进细胞膜电位恢复到静息水平，有助于心肌细胞的兴奋性恢复和节律性收缩。在心肌舒张期，钠钙交换体发挥作用，它利用细胞膜内外钠离子的浓度梯度，将细胞内的钙离子排出细胞，同时将钠离子摄入细胞。这种钙离子的排出机制有助于降低细胞质中钙离子浓度，使心肌细胞能够及时舒张，为下一次收缩做好准备。
强：钠钙交换体对骨骼肌没有作用吗？
梦：骨骼肌主要受肌浆网的钠泵控制，钠钙交换体对骨骼肌只是辅助作用，其影响较小。在肌肉疲劳过程中，细胞内钙离子代谢会发生紊乱，钠钙交换体通过调节钙离子浓度，有助于恢复肌肉细胞的正常生理状态，缓解肌肉疲劳。在长时间剧烈运动后，骨骼肌细胞内钠离子浓度升高，会抑制钠钙交换体的活性，导致细胞内钙离子浓度升高，引起肌肉收缩力下降和疲劳感。休息一段时间后，钠钙交换体的活性逐渐恢复，将细胞内多余的钙离子排出，使肌肉功能恢复。
强：“钠-钙交换体”是如何工作的？
梦：钠-钙交换体是细胞膜上的离子转运蛋白，通过耦合钠离子和钙离子的跨膜运输，实现细胞内钙稳态的精细调控。钠-钙交换体通过双向转运模式在不同生理场景中动态平衡 ca2?浓度，当胞内 ca2?升高时 ca2?排出Na?进入，当细胞内 Na?浓度异常升高时Na?排出ca2?进入。通常3个Na?内流交换1个ca2?外流的模式工作，利用Na?顺浓度梯度的能量驱动ca2?逆浓度梯度排出细胞。
强：细胞内高钾低钠的环境是离子泵的作用，还是离子交换体的作用？
梦：是离子泵和离子交换体共同的作用，其中离子泵占主导，离子交换体为辅助。钠钾泵是细胞膜上的跨膜转运蛋白，其主要结构是Atp水解酶，能够催化Atp水解，并利用释放的能量进行钠钾离子的跨膜转运。由于钠钾泵不断地活动，使得细胞内的K?浓度远高于细胞外，而Na?浓度则远低于细胞外，从而建立并维持了细胞内高钾低钠的离子梯度。这种离子梯度对于细胞维持渗透压平衡和静息电位至关重要。离子交换体对细胞内高钾低钠环境的维持并非主要作用，其主要功能更多地是参与细胞内其他离子的转运和平衡调节。细胞具有多种离子交换体，如钠钙交换体、钠磷交换体、氢钾交换体等，细胞通过离子交换调控离子平衡。
强：什么是“囊泡运输”？
梦：囊泡运输主要存在于神经细胞、内分泌细胞、生殖细胞和免疫细胞等单细胞中，或者是细胞器间的转运，如内质网、线粒体和溶酶体之间的转运。囊泡形成的过程就像在细胞膜上吹出一个肥皂泡，当供体膜收到信号分子与相应的受体结合，招募相关的包被蛋白，使膜局部发生弯曲，逐渐形成囊泡的芽状结构，最终从供体膜上脱离下来，形成包被囊泡。囊泡形成后，借助微丝、微管作为轨道，在分子马达的作用下，以 Atp 水解提供能量，将囊泡沿着细胞骨架运输到特定的靶膜区域。当囊泡到达靶膜后，就像小肥皂融入大肥皂泡，囊泡膜与靶膜发生融合，将囊泡内的物质释放到靶细胞器或细胞外空间。囊泡运输能将细胞内各种物质能够准确无误地运输到特定的细胞器或细胞外，维持细胞内各细胞器的正常功能和细胞的整体稳态。
强：囊泡运输能运输什么物质？
梦：囊泡可转运蛋白质、脂质、神经递质、激素、多糖等多种物质，也能运输钙离子。
强：囊泡运输的钙离子与离子通道有什么区别？
梦：囊泡运输主要用于快速响应、高钙浓度的跨膜传递，属于批量运输，形成局部高钙。而离子运输属于单离子跨膜，转运的钙离子浓度低，依靠膜电位维持钙稳态。
强：细胞膜是半透性膜，允许一些小分子和水在渗透压作用下自由通过，离子的体积是非常小的，至少比分子小，也存在离子浓度差异，为什么离子不能自由透过细胞膜？难道离子有什么特殊的性质吗？
梦：是的，这是由小分子和离子的结构决定的。生物的性质究其原因都是化学的，化学性质究其原因就是物理的，物理性质究其原因都是几何的。阳离子是失去核外电子的原子或原子团，阴离子是获取核外电子的原子或酸碱根，在电子位置转移的本质是曲率同发生了转移。我们过去讲过，电荷的本质是曲率，与电子无关，阳离子在失去电子的时候获取了正曲率，阴离子在获得电子的时候获取了负曲率。上一次我们讨论了酸的本质是负曲率，碱的本质是正曲率，因此所有阳离子都是碱，所有阴离子都是酸。共价键形成的分子曲率较低，就像平滑的纸张，扁平的分子直径虽大，仍可以穿过磷脂折叠的缝隙，比如水和酒精的结构是平面的，可以说高透性的物质都是共价键的物质。虽然离子在形体上很小，但离子都具有较高的曲率，高曲率物质就像皱曲的纸团，无法透过磷脂的缝隙。
强：离子是如何扭曲成团的？
梦：原子是沙漏形，离子还是沙漏形，发生扭曲的是离子的磁场。无论阳离子还是阴离子，离子的曲率变化，使原子的核外电子数都变成满额的8，电子的位置被固定，使离子的电场结构平衡，弱电磁力能够形成合力作用，所以离子的静电磁力非常大。弱电磁的合力作用，使离子形成螺旋的弱磁场，使离子具有自旋和螺旋的运动轨迹。离子的螺旋磁场形式，使离子可以被外部磁场识别、影响和约束。
强：离子通道具有特定性，如钠通道、钾通道、钙通道、氯通道等，某一种转运蛋白只能吸收特定的离子，例如细胞膜通过胰岛素受体机制来识别葡萄糖，而离子通道是如何识别不同离子的？
梦：离子的螺旋磁场不能直接穿过细胞膜，需要细胞膜上的转运蛋白协助，转运蛋白就像在细胞膜上插了一个管道，并在管道上安装关闭阀门锁和开启识别机制。转运蛋白根据离子的磁场特征设计与之互补的结构，形成孔径大小、电荷分布、结合位点都不同的通道。每个通道都具有弱磁引力，在弱磁引力作用下，离子通过通道的速率极快，远高于扩散作用。转运蛋白的离子通道识别性高，能精准调控细胞内外的离子浓度，是最主要的离子运输通道。钙离子转运蛋白为阀门锁设计了4套 “开锁模式”，电压门控钙通道、配体门控钙通道、机械门控钙通道和钙库释放通道。
强：什么是电压门控钙通道？
梦：电压门控钙通道主要存在于可兴奋的神经细胞、心肌细胞、骨骼肌细胞的细胞膜上，当细胞膜去极化时，通道的电压传感器发生构象变化，离子通道开放，ca2?顺浓度梯度内流。电压门控钙通道广泛参与心肌收缩、血管平滑肌收缩，是稳定心搏、脉搏、心率的重要因素，还能影响内分泌细胞分泌、介导神经递质释放。
强：什么是配体门控钙通道？
梦：配体是特定的化学信号，就像一把钥匙，当配体门控钙通道与配体结合后开放，允许ca2?内流。在与肌浆网膜上神经元细胞中，细胞膜与兰尼碱受体结合，受配体或钙本身激活，引发 “钙诱导钙释放”。
强：什么是机械门控通道？
梦：机械门控通道主要在血管内皮细胞，通过感知血流切应力对细胞膜的机械刺激，改变钙通道的构象，允许ca2?内流；还有内耳毛细胞通过声波振动转化为ca2?信号。我们上一节讲解的肾小球内血管通过收缩和舒张，调整肾脏过滤的稳定性，就属于机械门控通道。
强：什么是钙库释放通道？
梦：钙库释放通道广泛存在于非可兴奋细胞，如免疫细胞、平滑肌细胞，维持细胞内钙稳态和信号传导。当细胞内钙库中的ca2?耗尽时，基质相互作用分子感知钙库空虚，与细胞膜上的钙释放激活钙通道结合，打开通道ca2?内流。今天到这里吧。
强：谢谢您的指导。