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成衡侯
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1 第 18 卷第 5 期生命科学研究灾燥造援员 8 晕燥援 5 圆园 14 年 10 月蕴蚤枣藻杂糟蚤藻灶糟藻砸藻泽藻葬则糟澡 Oct. 圆园 14 窑综述窑肌肉力量的微观起源柳睿殊 1a, 刘荣 1b, 刘书霞 1a, 张辉 1c, 耿轶钊 2, 纪青 1a,c* (1. 河北工业大学 a. 生物物理研究所 ;b. 体育部 ;c. 理学院物理系, 中国天津 ; 2. 北京师范大学核科学与技术学院, 中国北京 ) 摘要 : 人体实现机械运动所需的力量是由肌肉产生的遥理解肌肉的力产生机理是目前科学研究的最前沿课题之一遥肌肉的最基本单元是肌小节遥肌小节是一个设计极为精巧的力学装置, 其中负责产生力的是一种叫做肌球蛋白的分子马达遥通过介绍肌小节和肌球蛋白的结构和工作原理, 可以看到生命如何利用蛋白质分子巧妙地实现了复杂的力学功能遥此外, 对于肌球蛋白马达研究中有待理解的相关问题也进行了简要介绍遥关键词 : 肌肉 ; 肌小节 ; 肌球蛋白 ; 分子马达中图分类号 : Q71 文献标识码 : A 文章编号 : 渊 2014 冤 Microscopic Origin of Muscle Force LIU Rui-shu 1a,LIU Rong 1b,LIU Shu-xia 1a,ZHANG Hui 1c,GENG Yi-zhao 2, 1a, c* JI Qing (1. a. Institute of Biophysics; b. Physical Education Division; c. Department of Physics, Hebei University of Technology, Tianjin , China; 2. College of Nuclear Science and Technology, Beijing Normal University, Beijing , China) Abstract: The driving force for the mechanical movement of human body is produced by muscle. Under 原 standing of the force generation mechanism of muscle is one of the forefront topics in scientific research. The primary constituting unit of muscle is sarcomere. Sarcomere is an exquisitely designed mechanical device, in which the force generation component is a molecular motor called myosin. The structures and operation mechanisms of sarcomere and myosin indicates how life makes use of protein molecules for its complex func 原 tion. In addition, the related open questions in the study of myosin motor are also introduced briefly. Key words: muscle; sarcomere; myosin; molecular motor (Life Science Research,2014,18(5):453 耀 457) 生命的最突出特征是其运动功能我们身体的运动自如是通过骨骼和肌肉两大系统的相互配合实现的骨骼起到刚性支撑和杠杆的作用, 在骨骼周围分布的肌肉 ( 骨骼肌 ) 通过收缩产生力量不同的肌群分布在骨骼和关节的不同部位, 使得我们的 [1~3] 肢体能够收放自如人类一直在问自己这样一 [4] 个问题 : 肌肉的力量到底是怎么产生的? 随着人类的科学知识体系的逐步完善和实验 [5~9] 手段, 特别是单分子实验手段的大大提高, 我们已经搞清了肌肉的微观结构, 理解了这种微观结构的工作原理, 并把目光逐步集中到肌肉中一种特殊的蛋白质分子上, 这就是具有马达功能的肌球蛋白分子肌球蛋白是一种酶蛋白, 能够催化腺苷三磷酸分子 (adenosine triphosphate, ATP) 的水解反应, 将贮藏在 ATP 分子中的化学能转换为自身运动所需的机械能这种将化学能转换为收稿日期 : ; 修回日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( ; ) 作者简介 : 柳睿殊 (1989-), 女, 辽宁铁岭人, 硕士研究生, 主要从事生物物理研究 ; * 通讯作者 : 纪青 (1958-), 男, 吉林长春人, 河北工业大学教授, 博士, 主要从事生物物理液态水体系及液晶物理学等方面的研究,Tel: , jiqingch@hebut.edu.cn

454 生命科学研究圆园 14 年机械能的功能恰恰就是马达的功能所以肌球蛋 [10~12] 白分子被正确地称为分子马达分子马达是生命力量的终极起源我们下面首先介绍肌肉的最基本单元肌小节的结构和工作原理, 然后介绍肌球蛋白的分子结构和它的发力原理关于肌球蛋白的结构和功能的研究是目前科学研究中的最前沿课题之一理解肌球蛋白的运作机理需要综合运用自然科学中多个不同学科的深入的理论知识,

粗丝和肌连蛋白细丝由肌动蛋白伴肌动蛋白连接而成, 其上还附着有原肌球蛋白和肌钙蛋白细丝具有极性, 其正端与 Z 盘相连, 负端指向肌小节中心粗丝由肌球蛋白分子聚合而成肌球蛋白分子有很多种骨骼肌的肌球蛋白是肌球蛋白 - 域 ( 以下简称为肌球蛋白 ) 肌球蛋白通常是一种分子二聚体, 有两条完全相同的链相互缠绕组成一个大分子每条链有一个具有马达功能的头部和由琢螺旋形成的长长的尾部

2 454 生命科学研究圆园 14 年机械能的功能恰恰就是马达的功能所以肌球蛋 [10~12] 白分子被正确地称为分子马达分子马达是生命力量的终极起源我们下面首先介绍肌肉的最基本单元肌小节的结构和工作原理, 然后介绍肌球蛋白的分子结构和它的发力原理关于肌球蛋白的结构和功能的研究是目前科学研究中的最前沿课题之一理解肌球蛋白的运作机理需要综合运用自然科学中多个不同学科的深入的理论知识, 其中还有许多极富挑战性的问题没有解 [13, 14] 决我们将介绍这方面的主要研究成果以及一些还没有理解的重要问题 1 肌小节的结构与工作原理组成骨骼肌的肌纤维是通过细胞融合形成的 [15] 巨大的多核单细胞, 其细胞内部的主要成分是长长的肌原纤维, 见图 1A, 每条肌原纤维由具有伸缩功能的肌小节连接而成肌小节的结构如图 1B 所示肌小节的主要构造单元包括 Z 盘, 细丝, 粗丝和肌连蛋白细丝由肌动蛋白伴肌动蛋白连接而成, 其上还附着有原肌球蛋白和肌钙蛋白细丝具有极性, 其正端与 Z 盘相连, 负端指向肌小节中心粗丝由肌球蛋白分子聚合而成肌球蛋白分子有很多种骨骼肌的肌球蛋白是肌球蛋白 - 域 ( 以下简称为肌球蛋白 ) 肌球蛋白通常是一种分子二聚体, 有两条完全相同的链相互缠绕组成一个大分子每条链有一个具有马达功能的头部和由琢螺旋形成的长长的尾部由肌球蛋白聚合而成的粗丝通过肌连蛋白与 Z 盘相连细丝和粗丝都是多分子聚合体, 而肌连蛋白则是一个巨大的单分子, 由一种基本结构单元重复连接而成肌连蛋白是目前所知最大的蛋白单分子, 所包含的氨基酸数目可以达到以上每个肌小节的长度约为 2.2 滋 m Bundle of muscle flbers Myofibrils Nuclei Capillaries Muscle fiber Sarcoplasmic reticulum Zdisc Titin Myosin(thick filament) Zdisc Myofibril Sarcomere 图 1 Fig.1 Zdisk Plus end of bctin filament Minus end Actin(thin filament) 肌纤维与肌小节的构造 The structures of muscle fiber and sarcomere 肌小节的收缩功能是通过粗丝相对于细丝的 [16] 定向运动实现的组成粗丝的肌球蛋白的马达头部与细丝的肌动蛋白可以处在结合或分离状态肌球蛋白头部与肌动蛋白的结合只能发生在特定的结合位点在静息状态下, 马达头部与肌动蛋白的结合位点被原肌球蛋白遮挡当大脑发出了运动的神经信号后, 肌肉细胞会通过肌质网释放钙离子钙离子浓度的升高会诱导肌钙蛋白和原肌动蛋白发生构象变化, 使马达头部与肌动蛋白的结合位点暴露出来于是马达头部可以和肌动蛋白发生相互作用这种相互作用在 ATP 水解能量的推动下反复发生作用过程中马达头部总是向着细丝的正方向运动, 或者说是使细丝向着肌小节的中心方向运动, 从而使肌小节发生了收缩收缩后的肌小节不会自动恢复其原来的长度, 其长度的改变需要有其它肌群提供一定的拉伸力但是当肌小节被过度拉伸后, 它却能自动恢复到一定的长度这个恢复力是由具有弹簧特性的肌连蛋白提供的肌连蛋白的基本重复单元是一个近似于免疫球蛋白 C2 部分的球状结构当受到较大拉力时, 肌连蛋白的基本重复单元会逐个由球状展开为线状当外力撤掉后, 它们又会逐步收缩为 [17, 18] 球状, 从而使肌小节恢复到一定长度 2 肌球蛋白的结构与功能 2.1 肌球蛋白的结构肌球蛋白是分子水平的力学装置, 它的基本构造材料是 20 种氨基酸在蛋白质分子中, 不同的氨基酸通过肽键连接起来形成琢 - 螺旋茁 - 片等多种二级结构这些二级结构再进一步折叠成近于球状的三级空间结构来行使各种生物学功能肌球蛋白是 3 种沿着线状轨道运动的马达蛋 [19] 白中的一种其他两种为驱动蛋白和动力蛋白,

第 5 期柳睿殊等 : 肌肉力量的微观起源 455 二者都以微管为运动轨道骨骼肌中的肌球蛋白是肌球蛋白超家族中最早被发现的肌球蛋白域, 主要以二聚体形式存在 ( 见图 2A), 能够沿着肌动 [16] 蛋白微丝向其正端移动肌球蛋白主要分为 3 个结构域 : 马达结构域颈部结构域和尾部结构域马达结构域能够与肌动蛋白相互作用并行使 ATP 酶的功能

3 第 5 期柳睿殊等 : 肌肉力量的微观起源 455 二者都以微管为运动轨道骨骼肌中的肌球蛋白是肌球蛋白超家族中最早被发现的肌球蛋白域, 主要以二聚体形式存在 ( 见图 2A), 能够沿着肌动 [16] 蛋白微丝向其正端移动肌球蛋白主要分为 3 个结构域 : 马达结构域颈部结构域和尾部结构域马达结构域能够与肌动蛋白相互作用并行使 ATP 酶的功能肌球蛋白通过马达结构域实现了将化学能转换为机械能的关键过程, 并在肌动蛋白上实现了一系列重要的构象变化颈部结构域具有杠杆的作用, 负责把马达头部的构象变化放大为较大的位移, 从而使肌球蛋白整体实现向着细丝正端的步进颈部结构域有一个较长的琢 - 螺旋, 上面结合着两个较小的轻链蛋白, 分别为基础轻链 (essential light chain, ELC) 和调节轻链 (reg 原 ulatory light chain, RLC) 尾部结构域是由两条长约 150 nm 的琢 - 螺旋相互缠绕形成的缠绕螺旋结构多个肌球蛋白通过尾部相互结合起来形成了近于对称分布的粗丝 ( 见图 1B), 用来固定和安置马达结构域使其能与肌动蛋白相互作用 2nm RLC Coiled-coil of two 琢 helices Neck 150 nm Nucleotide biding site N ELC C Relay U SH1 helix Central 茁 sheet 7nm Neck region Light chain Motor head Cleft Actin binding site L 图 2 肌球蛋白的结构 [20] 总体结构 ; 马达头部和颈部分子结构遥 Fig.2 The structure of myosin Global structure; The structure of the motor head and neck linker [20]. 肌球蛋白马达结构域主要由 4 个亚结构域和 1 个中心茁 - 片组成, 我们分别将它们简称为 N U L C 区, 在图 2B 中分别用不同的灰度标示中心茁 - 片由 7 条茁 - 条带组成, 是马达头部比较刚硬的部分 4 个亚结构域通过柔性的环肽链相连, 可以发生一定的构象变化整个头部包含约 780 个氨基酸, 尺度在 10 nm 以内 4 个亚结构域上以及它们之间带有重要的功能位点核苷酸结合位点位于 N U L 区的交界处没有核苷酸结合时, 这个位点处于打开的状态当 ATP 结合上去时, 该结合位点处于闭合态在核苷酸结合位点发生的构象变化是整个马达头部各个部分的构象变化的源头整个肌球蛋白马达头部的结构设计就是要保证有效地将发生在核苷酸结合位点的构象变化放大为头部整体的确定的运动在 U 区和 L 区的同一侧是马达头部与肌动蛋白的结合位点在二者之间有一个裂隙区裂隙的打开和关闭对马达头部与肌动蛋白的结合有重要影响只有当裂隙处在关闭态时马达头部才能与肌动蛋白发生紧密的结合而要想使马达头部脱离肌动蛋白表面, 就必须使裂隙处在打开状态 C 区为转换区, 由它控制着颈部杠杆的运动影响 C 区的运动的是两个螺旋结构, 即 SH1 螺旋和传递螺旋这两个螺旋一端与 C 区相接触, 另一端靠近核苷酸结

从核苷酸结合位点释放出来与化学过程相对应, 马达头部的各个部分产生了一连串有序的构象变化, 完成了抵抗阻力向前运动一步的完整的力学过程如图 3 所示 : 首先, 在 ATP 结合到肌球蛋白之前, 核苷酸结合位点处于开放状态, 而裂隙区处于关闭状态, 肌球蛋白与肌动蛋白细丝处于强结合态然后 ATP 结合到肌球蛋白, 使核苷酸结合位点处于闭合状态, 同时引发裂隙打开,

4 456 生命科学研究圆园 14 年合位点, 负责把核苷酸结合位点的构象变化转换为 C 区的构象变化 2.2 肌球蛋白的化学 - 力学循环与普通的马达一样, 肌球蛋白的马达结构域也要经历一个化学 - 力学循环过程其化学过程是 ATP 分子的催化水解过程这个过程包含以下步骤 :1) ATP 结合到核苷酸结合位点 ;2) 在镁离子和水分子的帮助下 ATP 分子分解成两个产物, 即 ADP ( 腺苷二磷酸 ) 和 Pi ( 磷酸盐 ); 3) Pi 由核苷酸结合位点释放出来 ;4) ADP 从核苷酸结合位点释放出来与化学过程相对应, 马达头部的各个部分产生了一连串有序的构象变化, 完成了抵抗阻力向前运动一步的完整的力学过程如图 3 所示 : 首先, 在 ATP 结合到肌球蛋白之前, 核苷酸结合位点处于开放状态, 而裂隙区处于关闭状态, 肌球蛋白与肌动蛋白细丝处于强结合态然后 ATP 结合到肌球蛋白, 使核苷酸结合位点处于闭合状态, 同时引发裂隙打开, 破坏了肌动蛋白和肌球蛋白的相互作用, 导致马达头部从肌动蛋白结合位点脱离接下来 ATP 发生水解, 引发马达结构域和颈部结构域的构象变化到一个高能态, 使肌球蛋白头部相对于肌动蛋白细丝向着正方向移动一段距离下一步,ATP 水解的磷酸盐产物 (Pi) 从肌球蛋白中释放这一步产生了两个关键的构象变化, 第一是引发裂隙闭合, 使马达头部与肌动蛋白细丝处于强结合态 ; 第二是引发 C 区发生较大的移位, 推动颈部杠杆发生了一个大的摆动这一步就是肌球蛋白马达的力产生步骤, 也被称为动力冲程 (Power stroke) 这一步的力学效果是使粗丝相对于细丝向着 Z 盘正端移动 5~10 nm 最后,ADP 从核苷酸结合位点释放, 肌球蛋白的头部构象返回到最初的静息状态, 完成了整个 [13,14, 21, 22] 化学 - 力学循环 2.3 肌球蛋白的发力原理肌球蛋白的上述化学 - 力学循环过程解释了为什么肌小节中的粗丝能够相对于细丝定向运动从而使肌小节发生收缩这是目前被广泛接受的解释但是关于肌球蛋白如何发力并产生一系列的构象变化却还有大量的问题没有理解为了理解肌球蛋白的发力原理, 人们很自然地会寻找肌球蛋白的构造与汽车上的普通马达的相似之处一个普通马达主要由汽缸活塞连杆和曲柄组 (+) 淤 Nucleotide binding Myosin head Actin (-) Head dissociates from filament ATP Myosin(thick filament) 于 Hydrolysis Head pivots and binds anew actin subunit ATP state ADP*P1 盂 P1 release P1 Head pivots and moves filament(power stroke) Empty state ADP 榆 ADP release ADP Actin(thin filament) 图 3 肌球蛋白的化学状态与力学状态肌球蛋白的化学 - 力学循环过程 ; 肌球蛋白在 ATP 结合态和化学空态下的相对构象遥 Fig.3 Myosin 爷 schemical states and mechanical states Myosin 爷 schemo-mechanical cyclic process; Relative conformations of myosin in ATP-bound state and empty state.

5 第 5 期柳睿殊等 : 肌肉力量的微观起源 457 成其中能够把化学过程 ( 燃料燃烧 ) 和力学过程联系起来的关键部件是活塞由化学反应释放的能量推动了活塞的运动, 从而带动了其他力学部件的运动肌球蛋白的力学功能主要是通过杠杆部分的摆动实现的这个摆动需要通过与杠杆根部紧密结合的 C 区的运动来实现与 C 区直接接触的主要是传递螺旋和 SH1 螺旋, 这两个螺旋的另一端恰好与核酸结合位点直接接触, 见图 2 有一种观点认为, 传递螺旋就是起活塞作用的力学元件 [14, 23] 传递螺旋是一个特别长的螺旋结构, 它与周围多个区域有广泛的接触让这样长的螺旋结构像活塞那样发生整体移动所需的能量会很大, 由 ATP 水解释放的能量能否满足其能量要求还不清楚此外, 要直接验证一个分子上的某个部分发生的构象变化是非常困难的事情这种观点尽管很有道理, 但要用实验直接验证还有很多困难需要克服关于肌球蛋白的运动机理的理解所面临的另一个困难的问题是肌动蛋白怎样影响肌球蛋白的行为 [13, 14] 事实上, 肌球蛋白的化学力学行为都是与它的肌动蛋白轨道密不可分的, 也就是说, 这种精巧的力学装置是与它的轨道一起设计的一个单独的肌球蛋白在没有肌动蛋白的情况下催化一个 ATP 分子的水解反应需要一分钟在肌动蛋白微丝上它的催化能力会提高一千倍 [10] ATP 水解产物 Pi 的释放是肌球蛋白发力的关键步骤, 肌动蛋白对这个释放过程有明确的影响但是这种影响在分子水平上是如何实现的, 目前还不十分清楚 3 小结肌肉是用蛋白质构造的巧妙的力学装置蛋白质采用 20 种氨基酸组成了不同层次的结构, 每一层次的结构都有着不同的生物学功能蛋白质的构造和它的各种功能都是通过各种不同形式的相互作用实现的, 这些相互作用包括化学键作用和各种非化学键的作用, 比如氢键, 疏水作用等等对生命现象的科学的理解必须要以关于这些相互作用的定量的知识为基础在有关分子马达的研究领域, 人们正在逐步接近这个标准参考文献 (References): [1] FUNG YC.Biomechanics[M].New York:Springer-Verlag, [2] DAVIDOVITSP.PhysicsinBiologyandMedicine[M].New York: Academic Press, [3] TOZEREN A. Human Body Dynamics[M]. New York: Springer- Verlag, [4] RASSIER DE. Muscle Biophysics [M]. New York: Springer- Verlag, [5] BLOCK SM, GOLDSTEIN LS, SCHNAPP BJ. Bead move 原 mentbysinglekinesinmoleculesstudiedwithopticaltweezers[j]. Nature, 1990, 348(6299): [6] WU P, BRAND L. Resonance energy transfer: Methods and ap 原 plications[j]. Analytical Biochemistry, 1994, 218(1): [7] CUI B, WU C, CHEN L, et al. One at atime, live tracking of NGF axonal transport using quantum dots[j]. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 2007, 104 (34): [8] HERBERT KM, GREENLEAF WJ, BLOCK SM. Singlemolecule studies of RNA polymerase: Motoring along[eb/ol] ?url_ver =Z &rfr_dat =cr_pub% 3Dpubmed&rfr_id=ori%3Arid%3Acrossref.org&journalCode= biochem, [9] VEIGEL C, SCHMIDT C F. Moving into the cell: single - moleculestudiesofmolecularmotorsincomplexenvironments[j]. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2011, 12(3): [10] BUXBAUM E. Fundamentals of Protein Structure and Func 原 tion[m]. New York: Springer-Verlag, [11] HOWARD J. Mechanics of Motor Proteins and the Cytoskele 原 ton[m]. United Kingdom, Sunderland: Sinauer Associates In 原 corporated, [12] SCHLIWA M. Molecular Motors[M]. Germany, Berlin: Wiley- VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, [13] SWEENEY HL, HOUDUSSE A. Structural and functional in 原 sights into the myosin motor mechanism [EB/OL]. annualreviews.org/doi/abs/ /annurev.biophys ?url_ver =Z &rfr_dat =cr_pub% 3Dpubm - ed&rfr_id=ori%3arid%3acrossref.org&journalcode=biophys, [14] VALE RD, MILLIGAN RA. The way things move: looking underthehoodofmolecularmotorproteins[j].science,2000,288 (5463): [15] NELSON DL, COX MM. Lehninger Principles of Biochem 原 istry[m]. New York: Worth Publishers, [16] ALBERTS B, JOHNSON A, LEWIS J, et al. Molecular Biology of the Cell[M]. New Jersey: Garland Publishing Incorporated, [17] KELLERMAYER MS, SMITH SB, GRANZIER HL, et al. Folding-unfolding transitions in single titin molecules charac 原 terized with laser tweezers[j]. Science, 1997, 276(5315): [18] RIEF M, GAUTEL M, OESTERHELT F, et al. Reversible un 原 folding of individual titin immunoglobulin domains by AFM[J]. Science, 1997, 276(5315): [19] SYAMALADEVI D P, SPUDICH J A, SOWDHAMINI R. Structural and functional insights on the myosion superfamily [EB/OL]. - insights-on-the-myosin-superfamily-article-a3034-abstract, [20] SELLERS JR. Myosins: adiverse superfamily[j]. Biochim Bio 原 phys Acta, 2000, 1496(1): [21] RAYMENT I, HOLDEN HM. The three-dimensional struc 原 ture of amolecular motor[j]. Trends in Biochemical Sciences, 1994, 19(3): [22] TRIVEDI DV, DAVID C, JACOBS DJ, et al. Switch 域 mu 原 tants reveal coupling between the nucleotide-and actin-bind 原 ing regions in myosin V[J]. Biophysical Journal, 2012, 102(11): [23] DOMINGUEZ R, FREYZON Y, TRYBUS KM, et al. Crystal structure of avertebrate smooth muscle myosin motor domain and its complex with the essential light chain: visualization of the Pre-power stroke state[j]. Cell, 1998, 94(5):

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