柳睿殊 劉 榮 劉書霞 張 輝 耿軼釗 紀(jì) 青

摘 要：人體實現(xiàn)機(jī)械運動所需的力量是由肌肉產(chǎn)生的。理解肌肉的力產(chǎn)生機(jī)理是目前科學(xué)研究的最前沿課題之一。肌肉的最基本單元是肌小節(jié)。肌小節(jié)是一個設(shè)計極為精巧的力學(xué)裝置，其中負(fù)責(zé)產(chǎn)生力的是一種叫做肌球蛋白的分子馬達(dá)。通過介紹肌小節(jié)和肌球蛋白的結(jié)構(gòu)和工作原理，可以看到生命如何利用蛋白質(zhì)分子巧妙地實現(xiàn)了復(fù)雜的力學(xué)功能。此外，對于肌球蛋白馬達(dá)研究中有待理解的相關(guān)問題也進(jìn)行了簡要介紹

關(guān)鍵詞：肌肉；肌小節(jié)；肌球蛋白；分子馬達(dá)

中圖分類號：Q71

文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)的相互配合實現(xiàn)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?。┩ㄟ^收縮產(chǎn)生力量。不同的肌群分布在骨骼和關(guān)節(jié)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(chǎn)生的？

隨著人類的科學(xué)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(jīng)搞清了肌肉的微觀結(jié)構(gòu)，理解了這種微觀結(jié)構(gòu)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(zhì)分子上，這就是具有馬達(dá)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(yīng)，將貯藏在ATP分子中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為自身運動所需的機(jī)械能。這種將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的功能恰恰就是馬達(dá)的功能。所以肌球蛋白分子被正確地稱為分子馬達(dá)。分子馬達(dá)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(jié)的結(jié)構(gòu)和工作原理，然后介紹肌球蛋白的分子結(jié)構(gòu)和它的發(fā)力原理。關(guān)于肌球蛋白的結(jié)構(gòu)和功能的研究是目前科學(xué)研究中的最前沿課題之一。理解肌球蛋白的運作機(jī)理需要綜合運用自然科學(xué)中多個不同學(xué)科的深入的理論知識，其中還有許多極富挑戰(zhàn)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(jié)的結(jié)構(gòu)與工作原理

組成骨骼肌的肌纖維是通過細(xì)胞融合形成的巨大的多核單細(xì)胞，其細(xì)胞內(nèi)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(jié)連接而成。肌小節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖1B所示。肌小節(jié)的主要構(gòu)造單元包括Z盤，細(xì)絲，粗絲和肌連蛋白。細(xì)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(xì)絲具有極性，其正端與Z盤相連，負(fù)端指向肌小節(jié)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(dá)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(xì)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(jié)構(gòu)單元重復(fù)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(shù)日可以達(dá)到25 000以上。每個肌小節(jié)的長度約為2.2 μm。

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

收縮后的肌小節(jié)不會自動恢復(fù)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(dāng)肌小節(jié)被過度拉伸后，它卻能自動恢復(fù)到一定的長度。這個恢復(fù)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(fù)單元是一個近似于免疫球蛋白 C2部分的球狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)受到較大拉力時，肌連蛋白的基本重復(fù)單元會逐個南球狀展開為線狀。當(dāng)外力撤掉后，它們又會逐步收縮為球狀，從而使肌小節(jié)恢復(fù)到一定長度。

2 肌球蛋白的結(jié)構(gòu)與功能

2.1 肌球蛋白的結(jié)構(gòu)

肌球蛋白是分子水平的力學(xué)裝置，它的基本構(gòu)造材料是20種氨基酸。在蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)。這些二級結(jié)構(gòu)再進(jìn)一步折疊成近于球狀的三級空間結(jié)構(gòu)來行使各種生物學(xué)功能。

肌球蛋白是3種沿著線狀軌道運動的馬達(dá)蛋白中的一種。其他兩種為驅(qū)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(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)域：馬達(dá)結(jié)構(gòu)域、頸部結(jié)構(gòu)域和尾部結(jié)構(gòu)域。馬達(dá)結(jié)構(gòu)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(dá)結(jié)構(gòu)域?qū)崿F(xiàn)了將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的關(guān)鍵過程，并在肌動蛋白上實現(xiàn)了一系列重要的構(gòu)象變化。頸部結(jié)構(gòu)域具有杠桿的作用，負(fù)責(zé)把馬達(dá)頭部的構(gòu)象變化放大為較大的位移，從而使肌球蛋白整體實現(xiàn)向著細(xì)絲正端的步進(jìn)。頸部結(jié)構(gòu)域有一個較長的α一螺旋，上面結(jié)合著兩個較小的輕鏈蛋白，分別為基礎(chǔ)輕鏈（essential light chain，ELC）和調(diào)節(jié)輕鏈（reg-ulatory light chain，RLC）。尾部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。多個肌球蛋白通過尾部相互結(jié)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(dá)結(jié)構(gòu)域使其能與肌動蛋白相互作用。

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

2.2 肌球蛋白的化學(xué)一力學(xué)循環(huán)

與普通的馬達(dá)一樣，肌球蛋白的馬達(dá)結(jié)構(gòu)域也要經(jīng)歷一個化學(xué)一力學(xué)循環(huán)過程。其化學(xué)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(jié)合到核苷酸結(jié)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(chǎn)物，即ADP（腺苷二磷酸）和Pi（磷酸鹽）；3）Pi 由核苷酸結(jié)合位點釋放出來；4）ADP從核苷酸結(jié)合位點釋放出來：與化學(xué)過程相對應(yīng)，馬達(dá)頭部的各個部分產(chǎn)生了一連串有序的構(gòu)象變化，完成了抵抗阻力向前運動一步的完整的力學(xué)過程。如圖3所示：首先，在ATP結(jié)合到肌球蛋白之前，核苷酸結(jié)合位點處于開放狀態(tài)，而裂隙區(qū)處于關(guān)閉狀態(tài)，肌球蛋白與肌動蛋白細(xì)絲處于強(qiáng)結(jié)合態(tài)。然后ATP結(jié)合到肌球蛋白，使核苷酸結(jié)合位點處于閉合狀態(tài).同時引發(fā)裂隙打開，破壞了肌動蛋白和肌球蛋向的相互作用，導(dǎo)致馬達(dá)頭部從肌動蛋白結(jié)合位點脫離。接下來ATP發(fā)生水解，引發(fā)馬達(dá)結(jié)構(gòu)域和頸部結(jié)構(gòu)域的構(gòu)象變化到一個高能態(tài)，使肌球蛋白頭部相對于肌動蛋白細(xì)絲向著正方向移動一段距離。下一步，ATP水解的瞵酸鹽產(chǎn)物（Pi）從肌球蛋白中釋放。這一步產(chǎn)生了兩個關(guān)鍵的構(gòu)象變化，第一是引發(fā)裂隙閉合，使馬達(dá)頭部與肌動蛋白細(xì)絲處于強(qiáng)結(jié)合態(tài)；第二是引發(fā)C區(qū)發(fā)生較大的移位.推動頸部杠桿發(fā)生了一個大的擺動。這一步就是肌球蛋白馬達(dá)的力產(chǎn)生步驟，也被稱為動力沖程（Power stroke）。這一步的力學(xué)效果是使粗絲相對于細(xì)絲向著Z艋正端移動5～10nm。最后，ADP從核苷酸結(jié)合位點釋放，肌球蛋門的頭部構(gòu)象返回到最初的靜息狀態(tài)，完成了整個化學(xué)一力學(xué)循環(huán)。

2.3 肌球蛋白的發(fā)力原理

肌球蛋白的卜述化學(xué)一力學(xué)循環(huán)過程解釋了為什么肌小聲中的粗絲能夠相對于細(xì)絲定向運動從而使肌小節(jié)發(fā)生收縮。這是目前被廣泛接受的解釋。但是關(guān)于肌球蛋白如何發(fā)力并產(chǎn)生一系列的構(gòu)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(fā)力原理，人們很自然地會尋找肌球蛋白的構(gòu)造與汽車上的普通馬達(dá)的相似之處一一個普通馬達(dá)主要由汽缸、活塞、連桿和曲柄組成。其中能夠把化學(xué)過程（燃料燃燒）和力學(xué)過程聯(lián)系起來的關(guān)鍵部件是活塞。由化學(xué)反應(yīng)釋放的能量推動了活塞的運動，從而帶動了其他力學(xué)部件的運動。肌球蛋白的力學(xué)功能主要是通過杠桿部分的擺動實現(xiàn)的。這個擺動需要通過與杠桿根部緊密結(jié)合的C區(qū)的運動來實現(xiàn)。與C區(qū)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(jié)合位點直接接觸，見圖2。有一種觀點認(rèn)為，傳遞螺旋就是起活塞作用的力學(xué)元件。傳遞螺旋是一個特別長的螺旋結(jié)構(gòu)，它與周圍多個區(qū)域有廣泛的接觸。讓這樣長的螺旋結(jié)構(gòu)像活塞那樣發(fā)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(fā)生的構(gòu)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(guān)于肌球蛋白的運動機(jī)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(xué)、力學(xué)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(xué)裝置是與它的軌道一起設(shè)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(yīng)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(chǎn)物Pi的釋放是肌球蛋白發(fā)力的關(guān)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(xiàn)的，目前還不十分清楚。

3 小結(jié)

肌肉是用蛋白質(zhì)構(gòu)造的巧妙的力學(xué)裝置。蛋門質(zhì)采用20種氨基酸組成了不同層次的結(jié)構(gòu)，每一層次的結(jié)構(gòu)都有著不同的生物學(xué)功能。蛋白質(zhì)的構(gòu)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(xiàn)的，這些相互作用包括化學(xué)鍵作用和各種非化學(xué)鍵的作用，比如氫鍵，疏水作用等等。對生命現(xiàn)象的科學(xué)的理解必須要以關(guān)于這些相互作用的定量的知識為基礎(chǔ)。在有關(guān)分子馬達(dá)的研究領(lǐng)域，人們正在逐步接近這個標(biāo)準(zhǔn)。