心肌肌原纖維的分子結(jié)構(gòu)與功能關(guān)鍵詞：心肌;肌原纖維，心肌中分類號(hào):Q245 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào)：1005-3271(2000)01-0031-03心肌肌原纖維是興奮-收縮耦聯(lián)的重要環(huán)節(jié)之一，它直接決定著心肌收縮力的產(chǎn)生和發(fā)展。近年來(lái)，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，使人們對(duì)心肌肌原纖維的分子結(jié)構(gòu)有了更深入的了解和認(rèn)識(shí)。本文作者就心肌肌原纖維的分子結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系等方面的研究作一綜述。1心肌肌原纖維的分子結(jié)構(gòu)肌原纖維占心肌細(xì)胞容積百分比的48%，為心肌的主要組成成分之一。在電鏡下，肌原纖維呈明暗交替的案，分為I和A帶，有M和Z線。兩條Z線之間為一個(gè)肌小節(jié)，即一個(gè)收縮單位。每一肌小節(jié)由粗細(xì)肌絲及新近發(fā)現(xiàn)的巨絲(titin)和nebulette絲組成⑴，這些肌絲按一定規(guī)律排列，其模式如1所示。肌原纖維中含有肌球蛋白(肌凝蛋白，占60%)，肌動(dòng)蛋白(肌纖蛋白，占15%)，原肌球蛋白(原肌凝蛋白，占10%)，肌鈣蛋白(原寧蛋白，占5%)，結(jié)構(gòu)蛋白(小于10%)。各肌絲蛋白構(gòu)成成分見(jiàn)表1。1心肌肌小節(jié)結(jié)構(gòu)模式表1肌原纖維的蛋白構(gòu)成定位蛋白質(zhì)表觀分子量(kD)功能粗絲(Thickfilament)肌球蛋白(myosin)480水解ATP酶，引起橫橋擺動(dòng)C蛋白(C-protein)140將myosin"捆"在titin絲上H蛋白(H-protein)86細(xì)絲(Thinfilament)肌動(dòng)蛋白(actin)41激活myosinATP酶肌鈣蛋白復(fù)合體

(troponin)T亞基41與原肌球蛋白結(jié)合I亞基28抑制性調(diào)節(jié)C亞基18與胞漿游離Ca2+結(jié)合原肌球蛋白(tropomyosin)68增強(qiáng)細(xì)絲剛性Tropomodulin43增長(zhǎng)actin游離端的帽狀蛋白Titin絲巨絲(Titin)3000限定myosin長(zhǎng)度Nebulette絲Nebulette700?900部分限定actin長(zhǎng)度M線M蛋白(M-protein)165形成M線，使粗絲結(jié)構(gòu)穩(wěn)定Myomesin185同上Z線a-Actinin構(gòu)成Z線CapZ(p-Actinin)其他構(gòu)成：amorphin,tensin,Zprotein,eu-actinin,z-nin,32-kDprotein,220-kDprotein附著酶磷酸肌酸激酶(Creatinekinase)AMP脫氨酶(deaminase)構(gòu)成肌原纖維的蛋白按其作用又可分為功能性蛋白與結(jié)構(gòu)性蛋白，功能性蛋白又進(jìn)一步分為主導(dǎo)功能蛋白(如肌球蛋白)；調(diào)節(jié)蛋白(如肌鈣蛋白)；附著性功能蛋白［如磷酸肌酸激酶(Creatinekinase,MM-CK)］等。結(jié)構(gòu)性蛋白可分成細(xì)胞骨架蛋白如a-actinin,titin和間質(zhì)蛋白等(表1)。1.1肌球蛋白(Myosin)肌球蛋白由兩條重鏈(MHC)和兩對(duì)輕鏈(MLC)組成。MHC有a-MHC和6-MHC兩種亞型。肌球蛋白分子外觀呈兩個(gè)球形頭部和一條長(zhǎng)尾部，球形頭部含有ATP與肌動(dòng)蛋白的結(jié)合位點(diǎn)，在不同種系與不同類型肌肉之間，這兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)的氨基酸序列變異較大⑵。在心臟中，由于組成兩條重鏈的亞型不同，形成了3種肌球蛋白異構(gòu)體，即兩條a-MHC組成的1型心室肌球蛋白VM「兩條p-MHC組成的VM和一條a-MHC與一條p-MHC組成的VM。 1 32肌球蛋白輕鏈分為基礎(chǔ)(堿性)輕鏈(MLC)和調(diào)節(jié)(可磷酸化)輕鏈(MLC)。MLC可由肌球蛋白輕鏈激酶磷酸化，在心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平較低時(shí)，調(diào)節(jié)收縮張力，因而其在生理狀態(tài)下不起作用⑶。1.2肌動(dòng)蛋白(actin)由球形單體G-actin聚合成雙鏈F-actin。在心肌中存在兩種異構(gòu)型：a-心肌型肌動(dòng)蛋白(a-cardiacactin)和p-骨骼肌型肌動(dòng)蛋白(p-skeletalactin)。在成年人心室肌中，肌動(dòng)蛋白以兩種異構(gòu)型共存。在新生大、小鼠心肌中，肌動(dòng)蛋白以兩種異構(gòu)體共存，而成年期僅存a-心肌型肌動(dòng)蛋白；在壓力超負(fù)荷條件下，心肌中P-骨骼肌型肌動(dòng)蛋白可出現(xiàn)再表達(dá)［們，這是長(zhǎng)期壓力超負(fù)荷誘發(fā)心肌肥大和心室重構(gòu)的分子基礎(chǔ)之一。1.3原肌球蛋白(tropomyosin,TM)原肌球蛋白由a-與p-兩個(gè)亞基組成，其分子頭尾相接。心臟中以TM-a為主，僅存少量TM-p也。其作用除增強(qiáng)細(xì)絲剛性外，亦可增強(qiáng)肌鈣蛋白I的抑制作用。1.4肌鈣蛋白(troponin,Tn)肌鈣蛋白由C,I,T3個(gè)亞基構(gòu)成。TnC屬鈣離子結(jié)合蛋白的超家族成員之一⑸。心肌中為TnC-s/c,其N末端有一個(gè)Ca2+結(jié)合位點(diǎn)，C末端有兩個(gè)Ca2+高親和位點(diǎn)。TnI的N末端可被cAMP依賴性蛋白激酶磷酸化，近年發(fā)現(xiàn)它以兩種形式存在于心肌細(xì)胞內(nèi)，少量游離于胞漿中，為可溶性；大部分以結(jié)構(gòu)蛋白形式固定于肌原纖維上，為不可溶性。TnT可以通過(guò)選擇性地拼接外顯子，而形成多種異構(gòu)體，如TnT-1c,TnT-2c,TnT-3c和TnT-4c。心肌肌鈣蛋白I(cTnI)存在于心肌，且基因序列特殊，1989年英國(guó)Cummins等首先嘗試用測(cè)定外周血cTnI濃度診斷急性心肌梗死，引起了心臟病學(xué)家的極大興趣。近年來(lái)的研究表明，cTnI是心臟特異性抗原，且分子量小，釋放入血循環(huán)是反映心肌細(xì)胞損傷的高度敏感和特異性指標(biāo)a。1.5肌球蛋白結(jié)合蛋白(MBP)新近研究發(fā)現(xiàn)，粗絲中除肌球蛋白外，還存在一些MBP，主要有C，H蛋白等。C蛋白的COOH末端具有肌球蛋白結(jié)合位點(diǎn)，NH末端九個(gè)氨基酸可被磷酸激酶A(PKA)磷酸化。C蛋白的主要作用是將肌球蛋白“捆”于巨絲之上。H蛋白作用尚不清楚。1.6巨絲蛋白(titin)巨絲蛋白是目前所知存在于心肌中的最大蛋白分子。長(zhǎng)約1pm，一個(gè)分子可從Z線延伸至M線，占半個(gè)肌節(jié)長(zhǎng)度⑴。這一機(jī)構(gòu)特征使Titin在“穩(wěn)定”肌小節(jié)機(jī)構(gòu)中起了重要的作用，它可限制肌小節(jié)長(zhǎng)度，并將肌球蛋白置于肌節(jié)中央⑴。1.7Nebulette最近發(fā)現(xiàn)在細(xì)絲中尚存在Nebulette絲。有報(bào)告認(rèn)為它可以加強(qiáng)細(xì)絲強(qiáng)度。但由于心肌中的Nebulette較短，故對(duì)其增加細(xì)絲強(qiáng)度的重要性尚有爭(zhēng)論⑴。2引起肌原纖維構(gòu)成蛋白異構(gòu)體轉(zhuǎn)化的因素在肌原纖維的構(gòu)成蛋白中，肌球蛋白、肌動(dòng)蛋白和肌鈣蛋白等均存在異構(gòu)體。在多種生理、病理和環(huán)境因素的影響下，這些異構(gòu)體可發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，但是當(dāng)前對(duì)引起MHC異構(gòu)體轉(zhuǎn)化的因素研究得較為清楚(表2)。由表2中可見(jiàn)，在病理?xiàng)l件下，幾乎均呈現(xiàn)心肌VM向VM的轉(zhuǎn)化。目前，對(duì)各種條件下導(dǎo)致MHC異構(gòu)體發(fā)生轉(zhuǎn)化的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路尚不清楚。有研究報(bào)道a-MHC與P-MHC可能由兩條獨(dú)立的負(fù)荷相關(guān)通路調(diào)節(jié)，p腎上腺素能通路可能調(diào)節(jié)a-MHC基因的表達(dá)e。表2引起MHC轉(zhuǎn)化的因素[4,8,9]VM一VMVM]—VM3發(fā)育老年化、應(yīng)激生長(zhǎng)激素、增加睪酮甲低、性激素降低運(yùn)動(dòng)饑餓甲亢心肌萎縮、心衰、心理重構(gòu)低濃度異丙腎上腺素慢性心室壓力超負(fù)荷、容積超負(fù)荷治療劑量洋地黃高濃度異丙腎上腺素、阻斷交感神經(jīng)多巴酚丁胺糖尿病、L-NAME中毒劑量洋地黃、氨酰心安多巴酚丁胺為P受體激動(dòng)劑；L-NAME為一氧化氮合酶抑制劑；氨酰心安為P1受體阻滯劑。3心肌肌原纖維的分子結(jié)構(gòu)與心肌功能的關(guān)系衡量心肌收縮功能有兩個(gè)重要參數(shù)：最大等長(zhǎng)收縮張力P與無(wú)負(fù)荷條件下心肌的最大縮短速度V。它們可用方程式描述如下⑴。 0P=F.n.f maxV0=D.k1式中F［:單個(gè)橫橋產(chǎn)生的力；n：橫橋總數(shù)；f1：橫橋發(fā)生連接的數(shù)量(效率)；D：橫橋每次循環(huán)移動(dòng)的步幅；k:actin與myosin相互作用的速率。以上兩者間的關(guān)系通常用“張力-速度曲線”表示。早在60年代末就發(fā)現(xiàn)肌球蛋白ATP酶活性與V成正比，這與肌球蛋白ATP酶的動(dòng)力學(xué)特性有關(guān)。當(dāng)ATP酶活性較高時(shí)，肌:動(dòng)蛋白與肌球蛋白相互作用的速率k較大，且肌球蛋白構(gòu)型改變不影響橫橋每次循環(huán)移動(dòng)的步幅D,所以V較大；由于a-MHC的ATP酶活性高于p-MHC,故VM的V大于VM。研究表明，單純含VM心肌條的V大于單純含VM的40%，且能耗亦高60%畚。肌球蛋白異構(gòu)型改變對(duì)離體心月肌等長(zhǎng)收縮的發(fā)展張力及土dp/dt均無(wú)明顯影響。在心肌，雖然低離子強(qiáng)度下MLC的磷酸化水平亦可影響V，徂是在生理離子強(qiáng)度下，MLC對(duì)V無(wú)影響。肌球蛋白構(gòu)型的改變除影響V夕卜，對(duì)張力-速度曲線的曲率亦產(chǎn)生明顯影響。肌球蛋白ATP酶活性降低可健曲率增大，實(shí)質(zhì)上影響心肌的最大輸出功率［1］。在整體心臟水平，肌球蛋白異構(gòu)型轉(zhuǎn)化主要影響速度類指標(biāo)。當(dāng)VM1增加時(shí)，心臟工作能力(workcapacity)不變，心室舒張末壓力不變。在左室等容收縮力上表現(xiàn)為：收縮持續(xù)時(shí)間、舒張時(shí)間和達(dá)到壓力峰值的時(shí)間明顯縮短，壓力上升和下降的最大速率(土dp/dt)中度增加，心肌耗能增加。當(dāng)vm3增加時(shí)，心臟工作能力與心室舒張末壓力均不變。射血分?jǐn)?shù)(EF)中度降低「收縮血流速率與加速度明顯降低，舒張速度也明顯降低，心肌耗能降低。最近有報(bào)道表明titin與心肌靜息張力密切相關(guān)。在正常情況下，心肌肌節(jié)長(zhǎng)度在1.80pm?2.30pm范圍內(nèi)變動(dòng)，此時(shí)titin的特性是決定靜息張力的主要因素，而并非心肌細(xì)胞外基質(zhì)與心肌膠原纖維起作用［1］。另外，TnT異構(gòu)型的變化亦可直接影響心肌功能［10］?？傊?，迄今為止，關(guān)于心肌肌原纖維的分子結(jié)構(gòu)與心肌功能的關(guān)系研究，主要集中于MHC及其異構(gòu)型轉(zhuǎn)化對(duì)心功能的影響，且已基本闡明此問(wèn)題。雖然目前對(duì)心肌肌原纖維的分子結(jié)構(gòu)有了較深入的認(rèn)識(shí)，但是，這些結(jié)構(gòu)與心肌功能的關(guān)系尚不完全清楚。闡明這些結(jié)構(gòu)特別是新發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如titin等的生理功能，不僅使我們?cè)诜肿铀缴贤卣沽搜芯款I(lǐng)域，而且可為進(jìn)一步闡明慢性壓力超負(fù)荷下的心肌重建以及心衰的發(fā)生與發(fā)展機(jī)制等提供理論依據(jù)。黃楓(第四軍醫(yī)大學(xué)航空生理學(xué)教研室)余志斌(第四軍醫(yī)大學(xué)航空生理學(xué)教研室)高峰(生理學(xué)教研室，陜西西安710032)參考文獻(xiàn)：SchiaffinoS,ReggianiC.Moleculardiversityofmyofibrillarproteins:generegulationandfunctionalsignificance[J].PhysiolRev,1996,76(2):371.PetteD,StaronRS.Cellularandmoleculardiversitiesofmammalianskeletalmusclefibers[J].RevPhysiolBiochemPharmacol,1990,116(1):1.SweeneyHL.BowmanBF,StullJT.Myosinlightchainphosphorylationinvertebratestriatedmuscle:regulationandfunction[J].AmJPhysiol,1993,264(CellPhysiol.33):C1085RuppH,JacobR.Myocardialtransitionsbetweenfast-andslowtypemuscleasmonitoredbythepopulationofmyosinisoenzymes[A].In:RuppH,ed.Regulationofheartfunction[M].NewYork:ThiemeInc.,1986:271?291.NakayamaS,KretsingerRH.EvolutionoftheEF-handfamilyofproteins[J].AnnuRevBiophysBiomolStruct,1994,23:473.PervaizS,AndersonFP,LohmannTP,etal.ComparativeanalysisofcardiactroponinIandcreatingkinase-MBasmarkersofacutemyocardialinfarction[J].ClinCardiol,1997,20(3):269.GuptaM,GuptaMP.Cardiachypertrophy:oldconcepts,newperspectives[J].MolCellBiochem,1997,176(1-2):273.HaddadF,BodellPW,McCueSA,etal.Foodrestriction-inducedtransformationsincardiacfunctionalandbiochemicalproperties[J].JApplPhysiol,1993,74(2):606.GeenenDL,MalhotraA,ScheuerJ,etal.Repeatedcatecholaminesurgesaltercardiacisomyosin