心肌肌原纤维的分子结构与功能解读

心肌肌原纤维的分子结构与功能

关键词:心肌;肌原纤维,心肌

中分类号:Q245文献标识码:A 文章编号：1005-3271(2000)01-0031-03

心肌肌原纤维是兴奋-收缩耦联的重要环节之一，它直接决定着心肌收缩力的产生和发展。近年来，随着分子生物学技术的不断发展，使人们对心肌肌原纤维的分子结构有了更深入的了解和认识。本文作者就心肌肌原纤维的分子结构与功能关系等方面的研究作一综述。

1 心肌肌原纤维的分子结构

肌原纤维占心肌细胞容积百分比的48%，为心肌的主要组成成分之一。在电镜下，肌原纤维呈明暗交替的案，分为Ⅰ和A带，有M和Z线。两条Z线之间为一个肌小节，即一个收缩单位。每一肌小节由粗细肌丝及新近发现的巨丝(titin)和nebulette丝组成［1］，这些肌丝按一定规律排列，其模式如1所示。肌原纤维中含有肌球蛋白(肌凝蛋白，占60%)，肌动蛋白(肌纤蛋白，占15%)，原肌球蛋白(原肌凝蛋白，占10%)，肌钙蛋白(原宁蛋白，占5%)，结构蛋白(小于10%)。各肌丝蛋白构成成分见表1。

1 心肌肌小节结构模式

表1 肌原纤维的蛋白构成

构成肌原纤维的蛋白按其作用又可分为功能性蛋白与结构性蛋白，功能性蛋白又进一步分为主导功能蛋白(如肌球蛋白)；调节蛋白(如肌钙蛋白)；附着性功能蛋白［如磷酸肌酸激酶(Creatine kinase,MM-CK)］等。结构性蛋白可分成细胞骨架蛋白如α-actinin,titin和间质蛋白等(表1)。

1.1 肌球蛋白(Myosin)肌球蛋白由两条重链(MHC)和两对轻链(MLC)组成。MHC有α-MHC和β-MHC两种亚型。肌球蛋白分子外观呈两个球形头部和一条长尾部，球形头部含有ATP与肌动蛋白的结合位点，在不同种系与不同类型肌肉之间，这两个结合位点的氨基酸序列变异较大［2］。在心脏中，由于组成两条重链的亚型不同，形成了3种肌球蛋白异构体，即两条α-MHC组成的Ⅰ型心室

肌球蛋白VM

1、两条β-MHC组成的VM

3

和一条α-MHC与一条β-MHC组成的

VM

2

。

肌球蛋白轻链分为基础(碱性)轻链(MLC

1)和调节(可磷酸化)轻链(MLC

2

)。

MLC

2

可由肌球蛋白轻链激酶磷酸化，在心肌细胞内Ca2+水平较低时，调节收缩张力，因而其在生理状态下不起作用［3］。

1.2 肌动蛋白(actin)由球形单体G-actin聚合成双链F-actin。在心肌中存在两种异构型：α-心肌型肌动蛋白(α-cardiac actin)和β-骨骼肌型肌动蛋白(β-skeletal actin)。在成年人心室肌中，肌动蛋白以两种异构型共存。在新生大、小鼠心肌中，肌动蛋白以两种异构体共存，而成年期仅存α-心肌型肌动蛋白；在压力超负荷条件下，心肌中β-骨骼肌型肌动蛋白可出现再表达［4］，这是长期压力超负荷诱发心肌肥大和心室重构的分子基础之一。

1.3 原肌球蛋白(tropomyosin,TM)原肌球蛋白由α-与β-两个亚基组成，其分子头尾相接。心脏中以TM-α为主，仅存少量TM-β［4］。其作用除增强细丝刚性外，亦可增强肌钙蛋白Ⅰ的抑制作用。

1.4 肌钙蛋白(troponin,Tn)肌钙蛋白由C，I，T 3个亚基构成。TnC属钙离子结合蛋白的超家族成员之一［5］。心肌中为TnC-s/c，其N末端有一个Ca2+结合位点，C末端有两个Ca2+高亲和位点。TnI的N末端可被cAMP依赖性蛋白激酶磷酸化，近年发现它以两种形式存在于心肌细胞内，少量游离于胞浆中，为可溶性；大部分以结构蛋白形式固定于肌原纤维上，为不可溶性。TnT可以通过选择性地拼接外显子，而形成多种异构体，如TnT-1c,TnT-2c,TnT-3c和TnT-4c。

心肌肌钙蛋白I(cTnI)存在于心肌，且基因序列特殊，1989年英国Cummins等首先尝试用测定外周血cTnI浓度诊断急性心肌梗死，引起了心脏病学家的极大兴趣。近年来的研究表明，cTnI是心脏特异性抗原，且分子量小，释放入血循环是反映心肌细胞损伤的高度敏感和特异性指标［6］。

1.5 肌球蛋白结合蛋白(MBP)新近研究发现，粗丝中除肌球蛋白外，还存在一些MBP，主要有C，H蛋白等。C蛋白的COOH末端具有肌球蛋白结合位点，NH

2

末端九个氨基酸可被磷酸激酶A(PKA)磷酸化。C蛋白的主要作用是将肌球蛋白“捆”于巨丝之上。H蛋白作用尚不清楚。

1.6 巨丝蛋白(titin)巨丝蛋白是目前所知存在于心肌中的最大蛋白分子。长约1 μm，一个分子可从Z线延伸至M线，占半个肌节长度［1］。这一机构特征使Titin在“稳定”肌小节机构中起了重要的作用，它可限制肌小节长度，并将肌球蛋白置于肌节中央［1］。

1.7 Nebulette最近发现在细丝中尚存在Nebulette丝。有报告认为它可以加强细丝强度。但由于心肌中的Nebulette较短，故对其增加细丝强度的重要性尚有争论［1］。

2 引起肌原纤维构成蛋白异构体转化的因素

在肌原纤维的构成蛋白中，肌球蛋白、肌动蛋白和肌钙蛋白等均存在异构体。在多种生理、病理和环境因素的影响下，这些异构体可发生相互转化，但是当前对引起MHC异构体转化的因素研究得较为清楚(表2)。由表2中可见，

在病理条件下，几乎均呈现心肌VM

1向VM

3

的转化。目前，对各种条件下导致

MHC异构体发生转化的细胞内信号转导通路尚不清楚。有研究报道α-MHC与β-MHC可能由两条独立的负荷相关通路调节，β肾上腺素能通路可能调节α-MHC基因的表达［7］。

表2 引起MHC转化的因素［4，8，9］

多巴酚丁胺为β受体激动剂；L-NAME为一氧化氮合酶抑制剂；氨酰心安

为β

1

受体阻滞剂。

3 心肌肌原纤维的分子结构与心肌功能的关系

衡量心肌收缩功能有两个重要参数：最大等长收缩张力P

与无负荷条件下

心肌的最大缩短速度V

max

。它们可用方程式描述如下［1］。

P 0=F

CB

．n．f

1

V max =D．k

s

式中F

CB ：单个横桥产生的力；n：横桥总数；f

1

：横桥发生连接的数量(效率)；

D：横桥每次循环移动的步幅；k

s

：actin与myosin相互作用的速率。

以上两者间的关系通常用“张力-速度曲线”表示。早在60年代末就发现

肌球蛋白ATP酶活性与V

max

成正比，这与肌球蛋白ATP酶的动力学特性有关。

当ATP酶活性较高时，肌动蛋白与肌球蛋白相互作用的速率k

s

较大，且肌球蛋

白构型改变不影响横桥每次循环移动的步幅D，所以V

max

较大。由于α-MHC的

ATP酶活性高于β-MHC,故VM

1的V

max

大于VM

3

。研究表明，单纯含VM

1

心肌条的

V max 大于单纯含VM

3

的40%，且能耗亦高60%［4］。肌球蛋白异构型改变对离体心

肌等长收缩的发展张力及±dp/dt

max

均无明显影响。在心肌，虽然低离子强度下

MLC的磷酸化水平亦可影响V

max ，但是在生理离子强度下，MLC对V

max

无影响。

肌球蛋白构型的改变除影响V

max

外，对张力-速度曲线的曲率亦产生明显影响。肌球蛋白ATP酶活性降低可使曲率增大，实质上影响心肌的最大输出功率［1］。

在整体心脏水平，肌球蛋白异构型转化主要影响速度类指标。当VM

1

增加时，心脏工作能力(work capacity)不变，心室舒张末压力不变。在左室等容收缩力上表现为：收缩持续时间、舒张时间和达到压力峰值的时间明显缩短，压

力上升和下降的最大速率(±dp/dt

max )中度增加，心肌耗能增加。当VM

3

增加

时，心脏工作能力与心室舒张末压力均不变。射血分数(EF)中度降低，收缩血流速率与加速度明显降低，舒张速度也明显降低，心肌耗能降低。

最近有报道表明titin与心肌静息张力密切相关。在正常情况下，心肌肌节长度在1.80 μm～2.30 μm范围内变动，此时titin的特性是决定静息张力的主要因素，而并非心肌细胞外基质与心肌胶原纤维起作用［1］。另外，TnT异构型的变化亦可直接影响心肌功能［10］。

总之，迄今为止，关于心肌肌原纤维的分子结构与心肌功能的关系研究，主要集中于MHC及其异构型转化对心功能的影响，且已基本阐明此问题。虽然目前对心肌肌原纤维的分子结构有了较深入的认识，但是，这些结构与心肌功能的关系尚不完全清楚。阐明这些结构特别是新发现结构如titin等的生理功能，不仅使我们在分子水平上拓展了研究领域，而且可为进一步阐明慢性压力超负荷下的心肌重建以及心衰的发生与发展机制等提供理论依据。