肌肉收缩机制

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第1291页（2726字）

包括骨骼肌、心肌和平滑肌的肌肉组织，分别是躯体运动和一些重要内脏器官活动的动力来源。

因此，阐明肌肉的收缩机制，对理解和运用躯体及某些器官的活动规律，是十分重要的。肌肉区分为上述3类，是根据其结构和收缩特性，但它们收缩产生力的机制，尤其是从分子水平看，是非常相似的。

自1930年起，相继提出肌肉收缩的乳酸说、磷酸肌酸说，以及后来的ATP初浅理论。至1939年，则发现肌肉收缩中肌蛋白的作用，但直到二次世界大战结束时，才将肌蛋白分离出，并认为肌纤蛋白与肌凝蛋白结合使ATP分解，并释放能量。

当时的光学显微镜不能分辨其细微结构，直到20世纪50年代初期，应用电子显微镜观察到有两类相互重叠的肌丝，一类是肌凝蛋白组成的粗肌丝，一类是肌纤蛋白组成的细肌丝。后来电镜进一步显示，肌肉收缩时，两类肌丝均不缩短，因此产生了肌丝滑行理论。肌纤蛋白聚合成双螺旋状，成为细肌丝的主干。多个肌凝蛋白的尾部，组成粗肌丝的主干，其头部突出于粗肌丝的表面，称为横桥，它有与肌纤蛋白结合的部位，还有与ATP结合的部位。滑行是横桥与肌纤蛋白分子结合并摆动，牵拉细肌丝沿粗肌丝长轴方向滑动(故称横桥理论)，滑行产生的张力与两类肌丝重叠的程度成正比。肌纤蛋白与肌凝蛋白结合后，使后者被激活，作为ATP酶而分解ATP。当ATP分解产物被清除，横桥与新的ATP结合，使横桥与肌纤蛋白的连接断开，并与下一个肌纤蛋白结合，周而复始进行连接和脱开的循环，而产生滑动，使肌肉缩短。1957年赫克斯利(A．F．Hxley)对上述横桥理论的建立做出突出贡献，其后在20世纪60年代和70年代，尽管许多人提出各自的解释，但均未改变上述基本理论。

进一步研究指出，肌凝蛋白包括大分子量的重酶解肌凝蛋白(HMM)和小分子量的轻酶解肌凝蛋白(LMM)，前者又可酶解为2类碎片，HMM－S－1和HMM－S－2。HMM－S－1组成横桥的双头结构，HMM－S－2和LMM组成肌凝蛋白的尾部。

肌纤蛋白中，G肌纤蛋白为球形分子，F肌纤蛋白是包含G肌纤蛋白的纤维状结构，它组成了肌纤蛋白的双螺旋结构。

上述肌肉收缩机制中，化学能转变为机械能，是分子水平研究中的最热烈的课题。

这种能量的转变就是指ATP的作用模式，在1971年莱蒙(R．W．Iymn)和泰勒(E．W．Taylor)提出的ATP作用模式假设的基础上，1986年希波(M．G．Hibberd)等进一步补充与完善这个作用模式，指出肌凝蛋白分子上的ATP分解，实际是在肌凝蛋白横桥与肌纤蛋白连接之前，ATP分解产生的ADP和无机磷(pi)，仍束缚于肌凝蛋白上。而ATP分解释放的化学能，被转移至肌凝蛋白(M)上，产生高能形式的肌凝蛋白

高能形式的肌凝蛋白继而与肌纤蛋白(A)结合，触发贮在肌凝蛋白横桥中的能量释放，产生横桥摆动，同时ADP与Pi也从肌凝蛋白释放出来。

在肌肉收缩时，每个横桥要发生多次循环活动，即反复连接和脱开，每一循环伴随一分子ATP的分解。肌凝蛋白横桥与肌纤蛋白的连接很牢固，必须由一个新的ATP分子结合至肌凝蛋白，才能使横桥脱开。

如此反复循环。

肌肉收缩的分子机制的研究过程，曾先是离体状态在溶液中的研究，分析了粗细肌丝的蛋白组成，以及ATP水解过程中，各种成分相互反应的步骤。

从分子水平进行这样的研究，自然是非常重要的，但这只是从生物化学角度的阐述，探讨在肌肉纤维中的反应过程与在溶液中的结果的一致性，是多年来的研究方向。戈德曼(Y．E．Goldman)等1984年首先应用Caged ATP技术和¹⁸O交换技术，分析肌肉纤维生化反应，证明肌肉纤维内的反应特征，在许多方面相同于溶液中研究的结果。

布伦纳(B．Brenner)应用高精度测量机械作用的技术，来研究横桥动力学变化，并应用X线衍射技术，来观察肌肉纤维横桥在不同功能状态下的结构变化。结果表明，在肌肉纤维松驰时，横桥具有类似于在溶液中称为弱结合状态下所现示的特征，即肌纤蛋白与横桥亲和力弱；这种结合不依赖于Ca²⁺的存在；二者连接和脱开迅速达到平衡。不同的是，在溶液中连接和脱开的速度是相同的，而在肌肉纤维中有一定变化范围。在肌肉松驰时仍然存在少量的横桥与肌纤蛋白连接的事实，似乎与通常称肌肉收缩产生与否，是由于横桥连接的发生和阻断的理论有矛盾。

当然对肌肉收缩的进一步的控制机制，目前尚有不同看法。在肌肉纤维活动时，横桥处于另一种状态，它具有类似于在溶液中称为强结合状态下所显示的特征，即肌纤蛋白与横桥亲和力强；Ca²⁺加速二者的结合；二者的连接和脱开达到平衡，而脱开比较慢。

不同的是，在溶液中连接和脱开的速度相同，而在肌肉纤维中，脱开的速度也有一定变化范围。横桥的形态在弱结合时与强结合时也是不同的，这是因为横桥的构型不同，从弱结合到强结合构型的变化，是摆动和产生力量的关键。

为了在生理或接近生理状态下，观察肌肉纤维的横桥方位和摆动方式，1987年托马斯(D．D．Thomas)采用光谱探测技术。

应用这种探测技术，可直接测出横桥在肌肉收缩时产生摆动，而且横桥的摆动有一定的变化范围，证实了肌丝滑行理论。自然，这些新技术所显示的结果，还存在难以解释的疑问。以往也有作者应用双折射方法，根据肌丝重叠程度影响折射强度的原理，探讨分析完整肌肉组织在收缩时，肌凝蛋白分子的方位。

还曾有作者用荧光物质标记肌凝蛋白，镜下观察肌凝蛋白分子结构。

从20世纪50年代提出肌肉收缩机制的肌丝滑行理论后，许多研究工作者进一步探讨了肌丝滑行的详细机制。在此过程中，他们应用现代科学技术，采用许多新的研究方法，力图从机械收缩、生化反应、形态结构甚至能量产生探讨其机制，取得很大进展。今后，从生理学、生化学、形态学和分子遗传学方面研究肌肉收缩机制，仍为其研究方向，尤其是分子遗传学的发展，并应用于肌肉收缩研究中，会给这个题目的研究带来冲击。

随着许多边缘学科的发展，许多内容和方法必然渗透到肌肉收缩的研究当中，与许多学科的发展交织在一起，今后随着相关学科的发展，将会给肌肉收缩的研究带来新的活力。

(山东医科大学刘京璋教授撰)