肌肉力量的微觀起源

柳睿殊 劉 榮 劉書霞 張 輝 耿軼釗 紀 青

摘 要：人體實現機械運動所需的力量是由肌肉產生的。理解肌肉的力產生機理是目前科學研究的最前沿課題之一。肌肉的最基本單元是肌小節。肌小節是一個設計極為精巧的力學裝置，其中負責產生力的是一種叫做肌球蛋白的分子馬達。通過介紹肌小節和肌球蛋白的結構和工作原理，可以看到生命如何利用蛋白質分子巧妙地實現了復雜的力學功能。此外，對于肌球蛋白馬達研究中有待理解的相關問題也進行了簡要介紹

關鍵詞：肌肉；肌小節；肌球蛋白；分子馬達

中圖分類號：Q71

文獻標識碼：A

文章編號：1007-7847（2014）05-0453-05

生命的最突出特征是其運動功能。我們身體的運動自如是通過骨骼和肌肉兩大系統的相互配合實現的。骨骼起到剛性支撐和杠桿的作用，在骨骼周圍分布的肌肉（骨骼肌）通過收縮產生力量。不同的肌群分布在骨骼和關節的不同部位，使得我們的肢體能夠收放自如。人類一直在問自己這樣一個問題：肌肉的力量到底是怎么產生的？

隨著人類的科學知識體系的逐步完善和實驗手段，特別是單分子實驗手段的大大提高，我們已經搞清了肌肉的微觀結構，理解了這種微觀結構的工作原理，并把目光逐步集中到肌肉中一種特殊的蛋白質分子上，這就是具有馬達功能的肌球蛋白分子。肌球蛋白是一種酶蛋白，能夠催化腺苷三磷酸分子（aderlosine triphosphate，ATP）的水解反應，將貯藏在ATP分子中的化學能轉換為自身運動所需的機械能。這種將化學能轉換為機械能的功能恰恰就是馬達的功能。所以肌球蛋白分子被正確地稱為分子馬達。分子馬達是牛命力量的終極起源。我們下面首先介紹肌肉的最基本單元——肌小節的結構和工作原理，然后介紹肌球蛋白的分子結構和它的發力原理。關于肌球蛋白的結構和功能的研究是目前科學研究中的最前沿課題之一。理解肌球蛋白的運作機理需要綜合運用自然科學中多個不同學科的深入的理論知識，其中還有許多極富挑戰性的問題沒有解決。我們將介紹這方面的主要研究成果以及一些還沒有理解的重要問題。

1 肌小節的結構與工作原理

組成骨骼肌的肌纖維是通過細胞融合形成的巨大的多核單細胞，其細胞內部的主要成分是長長的肌原纖維，見圖IA，每條肌原纖維由具有伸縮功能的肌小節連接而成。肌小節的結構如圖1B所示。肌小節的主要構造單元包括Z盤，細絲，粗絲和肌連蛋白。細絲由肌動蛋白、伴肌動蛋白連接而成，其上還附著有原肌球蛋白和肌鈣蛋白。細絲具有極性，其正端與Z盤相連，負端指向肌小節中心。粗絲由肌球蛋白分子聚合而成。肌球蛋白分子有很多種。骨骼肌的肌球蛋白是肌球蛋白一Ⅱ（以下簡稱為肌球蛋白）。肌球蛋白通常是一種分子二聚體，有兩條完全相同的鏈相互纏繞組成一個大分子。每條鏈有一個具有馬達功能的頭部和由α螺旋形成的長長的尾部。由肌球蛋白聚合而成的粗絲通過肌連蛋白與Z盤相連。細絲和粗絲都是多分子聚合體，而肌連蛋白則是一個巨大的單分子，由一種基本結構單元重復連接而成。肌連蛋門是目前所知最大的蛋白單分子，所包含的氨基酸數日可以達到25 000以上。每個肌小節的長度約為2.2 μm。

肌小節的收縮功能是通過粗絲相對于細絲的定向運動實現的。組成粗絲的肌球蛋白的馬達頭部與細絲的肌動蛋白可以處在結合或分離狀態肌球蛋白頭部與肌動蛋白的結合只能發生在特定的結合位點。在靜息狀態下，馬達頭部與肌動蛋白的結合位點被原肌球蛋白遮擋。當大腦發出了運動的神經信號后，肌肉細胞會通過肌質網釋放鈣離子。鈣離子濃度的升高會誘導肌鈣蛋白和原肌動蛋白發生構象變化，使馬達頭部與肌動蛋白的結合位點暴露出來。于是馬達頭部可以和肌動蛋白發生相互作用。這種相互作用在ATP水解能量的推動下反復發生。作用過程中馬達頭部總是向著細絲的正方向運動，或者說是使細絲向著肌小節的中心方向運動，從而使肌小節發生了收縮。

收縮后的肌小節不會自動恢復其原來的長度.其長度的改變需要有其它肌群提供一定的拉伸力。但是當肌小節被過度拉伸后，它卻能自動恢復到一定的長度。這個恢復力是南具有彈簧特性的肌連蛋白提供的。肌連蛋白的基本重復單元是一個近似于免疫球蛋白 C2部分的球狀結構。當受到較大拉力時，肌連蛋白的基本重復單元會逐個南球狀展開為線狀。當外力撤掉后，它們又會逐步收縮為球狀，從而使肌小節恢復到一定長度。

2 肌球蛋白的結構與功能

2.1 肌球蛋白的結構

肌球蛋白是分子水平的力學裝置，它的基本構造材料是20種氨基酸。在蛋白質分子中，不同的氨基酸通過肽鍵連接起來形成α-螺旋、β-片等多種二級結構。這些二級結構再進一步折疊成近于球狀的三級空間結構來行使各種生物學功能。

肌球蛋白是3種沿著線狀軌道運動的馬達蛋白中的一種。其他兩種為驅動蛋白和動力蛋白，二者都以微管為運動軌道。骨骼肌中的肌球蛋白是肌球蛋白超家族中最早被發現的肌球蛋白Ⅱ，主要以二聚體形式存在（見圖2A），能夠沿著肌動蛋門微絲向其正端移動。肌球蛋白主要分為3個結構域：馬達結構域、頸部結構域和尾部結構域。馬達結構域能夠與肌動蛋白相互作用并行使ATP酶的功能。肌球蛋白通過馬達結構域實現了將化學能轉換為機械能的關鍵過程，并在肌動蛋白上實現了一系列重要的構象變化。頸部結構域具有杠桿的作用，負責把馬達頭部的構象變化放大為較大的位移，從而使肌球蛋白整體實現向著細絲正端的步進。頸部結構域有一個較長的α一螺旋，上面結合著兩個較小的輕鏈蛋白，分別為基礎輕鏈（essential light chain，ELC）和調節輕鏈（reg-ulatory light chain，RLC）。尾部結構域是由兩條長約150 nm的α-螺旋相互纏繞形成的纏繞螺旋結構。多個肌球蛋白通過尾部相互結合起來形成了近于對稱分布的粗絲（見圖1B），用來；固定和安置馬達結構域使其能與肌動蛋白相互作用。

肌球蛋白馬達結構域主要由4個亞結構域和1個中心β-片組成，我們分別將它們簡稱為N、U、L、C區，在圖2B中分別用不同的灰度標示。中心β-片由7條β-條帶組成，是馬達頭部比較剛硬的部分。4個亞結構域通過柔性的環肽鏈相連，可以發生一定的構象變化。整個頭部包含約780個氨基酸，尺度在10 nm以內。4個亞結構域上以及它們之間帶有重要的功能位點。核苷酸結合位點位于N、U、L區的交界處。沒有核苷酸結合時，這個位點處于打開的狀態。當ATP結合上去時，該結合位點處于閉合態。在核苷酸結合位點發生的構象變化是整個馬達頭部各個部分的構象變化的源頭。整個肌球蛋白馬達頭部的結構沒計就足要保證有效地將發生在核苷酸結合位點的構象變化放大為頭部整體的確定的運動。在U區和L區的同一側是馬達頭部與肌動蛋白的結合位點。在二者之間有一個裂隙區。裂隙的打開和關閉對馬達頭部與肌動蛋白的結合有重要影響。只有當裂隙處在關閉態時馬達頭部才能與肌動蛋白發生緊密的結合。而要想使馬達頭部脫離肌動蛋白表面，就必須使裂隙處在打開狀態。C區為轉換區，由它控制著頸部杠桿的運動。影響C區的運動的是兩個螺旋結構，即SHI螺旋和傳遞螺旋。這兩個螺旋一端與C區相接觸，另一端靠近核苷酸結合位點.負責把核苷酸結合位點的構象變化轉換為C區的構象變化一。

2.2 肌球蛋白的化學一力學循環

與普通的馬達一樣，肌球蛋白的馬達結構域也要經歷一個化學一力學循環過程。其化學過程是ATP分子的催化水解過程。這個過程包含以下步驟：1）ATP結合到核苷酸結合位點；2）在鎂離子和水分子的幫助下ATP分子分解成兩個產物，即ADP（腺苷二磷酸）和Pi（磷酸鹽）；3）Pi 由核苷酸結合位點釋放出來；4）ADP從核苷酸結合位點釋放出來：與化學過程相對應，馬達頭部的各個部分產生了一連串有序的構象變化，完成了抵抗阻力向前運動一步的完整的力學過程。如圖3所示：首先，在ATP結合到肌球蛋白之前，核苷酸結合位點處于開放狀態，而裂隙區處于關閉狀態，肌球蛋白與肌動蛋白細絲處于強結合態。然后ATP結合到肌球蛋白，使核苷酸結合位點處于閉合狀態.同時引發裂隙打開，破壞了肌動蛋白和肌球蛋向的相互作用，導致馬達頭部從肌動蛋白結合位點脫離。接下來ATP發生水解，引發馬達結構域和頸部結構域的構象變化到一個高能態，使肌球蛋白頭部相對于肌動蛋白細絲向著正方向移動一段距離。下一步，ATP水解的瞵酸鹽產物（Pi）從肌球蛋白中釋放。這一步產生了兩個關鍵的構象變化，第一是引發裂隙閉合，使馬達頭部與肌動蛋白細絲處于強結合態；第二是引發C區發生較大的移位.推動頸部杠桿發生了一個大的擺動。這一步就是肌球蛋白馬達的力產生步驟，也被稱為動力沖程（Power stroke）。這一步的力學效果是使粗絲相對于細絲向著Z艋正端移動5～10nm。最后，ADP從核苷酸結合位點釋放，肌球蛋門的頭部構象返回到最初的靜息狀態，完成了整個化學一力學循環。

2.3 肌球蛋白的發力原理

肌球蛋白的卜述化學一力學循環過程解釋了為什么肌小聲中的粗絲能夠相對于細絲定向運動從而使肌小節發生收縮。這是目前被廣泛接受的解釋。但是關于肌球蛋白如何發力并產生一系列的構象變化卻還有大量的問題沒有理解。為了理解肌球蛋白的發力原理，人們很自然地會尋找肌球蛋白的構造與汽車上的普通馬達的相似之處一一個普通馬達主要由汽缸、活塞、連桿和曲柄組成。其中能夠把化學過程（燃料燃燒）和力學過程聯系起來的關鍵部件是活塞。由化學反應釋放的能量推動了活塞的運動，從而帶動了其他力學部件的運動。肌球蛋白的力學功能主要是通過杠桿部分的擺動實現的。這個擺動需要通過與杠桿根部緊密結合的C區的運動來實現。與C區直接接觸的主要是傳遞螺旋和SH1螺旋，這兩個螺旋的另一端恰好與核酸結合位點直接接觸，見圖2。有一種觀點認為，傳遞螺旋就是起活塞作用的力學元件。傳遞螺旋是一個特別長的螺旋結構，它與周圍多個區域有廣泛的接觸。讓這樣長的螺旋結構像活塞那樣發生整體移動所需的能量會很大，由ATP水解釋放的能量能否滿足其能量要求還不清楚。此外，要直接驗證一個分子上的某個部分發生的構象變化是非常困難的事情。這種觀點盡管很有道理，但要用實驗直接驗證還有很多困難需要克服。

關于肌球蛋白的運動機理的理解所面臨的另一個困難的問題是肌動蛋白怎樣影響肌球蛋白的行為。事實上，肌球蛋白的化學、力學行為都是與它的肌動蛋白軌道密不可分的，也就是說，這種精巧的力學裝置是與它的軌道一起設計的。一個單獨的肌球蛋白在沒有肌動蛋白的情況下催化一個ATP分子的水解反應需要一分鐘。在肌動蛋白微絲上它的催化能力會提高一千倍。ATP水解產物Pi的釋放是肌球蛋白發力的關鍵步驟，肌動蛋白對這個釋放過程有明確的影響。但是這種影響在分子水平上是如何實現的，目前還不十分清楚。

3 小結

肌肉是用蛋白質構造的巧妙的力學裝置。蛋門質采用20種氨基酸組成了不同層次的結構，每一層次的結構都有著不同的生物學功能。蛋白質的構造和它的各種功能都是通過各種不同形式的相互作用實現的，這些相互作用包括化學鍵作用和各種非化學鍵的作用，比如氫鍵，疏水作用等等。對生命現象的科學的理解必須要以關于這些相互作用的定量的知識為基礎。在有關分子馬達的研究領域，人們正在逐步接近這個標準。