肌球蛋白具有调节肌肉收缩的功能

(一)骨骼肌的微细结构

骨骼肌由大量成束的肌纤维组成,每一条肌纤维就是一个肌细胞。骨骼肌细胞含有大量的肌原纤维和高度发达纵横交错的肌管系统(图2-8)。

图2-8　骨骼肌细胞的肌小节和肌管系统

1.粗肌丝;2.细肌丝;3.M线;4.Z线

1.肌原纤维和肌节 每个肌细胞内含有上千条肌原纤维,它们沿细胞长轴走行,并呈现规则的明、暗相间的条纹,分别称为明带和暗带。在光镜下呈现节段分明的横纹,因此骨骼肌又称横纹肌。暗带的中央也有一条较亮的区域称H带,H带正中央也有一条横线,为M线。明带中央有一条与肌原纤维垂直的横线称为Z线,相邻两条Z线间的节段称为一个肌节(sarcomere),它是肌肉进行收缩和舒张的基本功能单位。一个完整的肌节由一个位于中间部位的暗带和两侧各1/2的明带组成。肌节的长度在不同情况下可变动于1.5~3.5μm,安静时一般为2.0~2.2μm,肌肉收缩或舒张时,肌节缩短或伸长。

用电镜等进一步观察到一个肌节中包含许多更细的不同直径且平行排列的丝状结构,称为肌丝。暗带中含有粗肌丝,直径约10nm,其长度与暗带长度相同。中间有细胞骨架蛋白将其固定,形成M线。明带主要含有细肌丝,直径为5nm,它由Z线向两侧明带伸出,其游离端伸入暗带,与粗肌丝重叠。因此,在暗带中含有粗、细两种肌丝,其中H带内仅有粗肌丝,而明带中只含有细肌丝。

粗肌丝主要由肌球蛋白(myosin,肌凝蛋白)分子构成(图2-9)。每个肌球蛋白分子呈杆状,杆的一端有两个球形的头,形似豆芽;其杆部都朝向M线平行排列,形成粗肌丝的主干,由于其头部呈球形,规则地分布在粗肌丝主干表面,又称为横桥(cross-bridge)。横桥具有两方面作用:①横桥在一定条件下能与细肌丝上的位点可逆性结合,同时出现横桥向M线方向的摆动,使细肌丝向粗肌丝内滑行;②横桥具有ATP酶的活性,能分解ATP释放能量,用于横桥的摆动。

图2-9　粗肌丝中肌球蛋白分子排列

A.构成肌球蛋白分子的头部和尾部;B.粗肌丝中肌球蛋白分子的排列

细肌丝由3种蛋白分子构成,即:肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白。肌动蛋白(actin)单体是球形分子,单体结合成双螺旋状构成细肌丝的主体。原肌球蛋白(tropomyosin)是长杆状分子,呈双螺旋状首尾相连,走行于肌动蛋白双螺旋的浅沟附近,肌肉静态时阻止肌动蛋白与横桥的结合,在肌肉收缩过程中起调节作用。肌钙蛋白(troponin)由3个亚单位构成,即:C亚单位、T亚单位和I亚单位。其中C亚单位是Ca2+受体,与Ca2+有很强的亲和力;T亚单位是与原肌球蛋白结合的亚单位;I亚单位是与肌动蛋白结合的亚单位(图2-10)。由此可见,肌球蛋白和肌动蛋白直接参与肌细胞的收缩活动,故称为收缩蛋白;而原肌球蛋白和肌钙蛋白则调节收缩蛋白之间的相互作用,故称为调节蛋白。

2.肌管系统 指包绕在每一条肌原纤维周围的膜性囊管状结构,分为横管和纵管系统两类。横管系统或T管系统的走行与肌纤维垂直,是由肌细胞膜向内凹陷而成,它们穿行在肌原纤维之间,并在Z线水平形成环绕肌原纤维的管道。横管系统的作用是将肌细胞膜上的动作电位传到肌细胞深部。纵管系统或L管系统它们的走行方向与肌原纤维平行,并相互吻合成网,包绕在肌原纤维周围,称为肌质网。肌质网膜上有大量的钙泵,能将胞质中的Ca2+泵入肌质网储存。纵管在紧靠横管处形成膨大,称为终末池,内储存大量Ca2+,故又称为钙库。每一横管与来自两侧纵管的终末池共同构成了三联管结构,是把细胞膜的电变化和机械收缩过程连接或耦联起来的关键部位。

图2-10　细肌丝的分子组成

(二)骨骼肌收缩滑行学说

如上所述,肌节是骨骼肌收缩、舒张的基本单位。目前公认的肌肉收缩机制是1954年由Huxley提出的肌丝滑行理论,其主要内容为:肌肉收缩时虽然在外观上可看到整块肌肉或肌纤维的缩短,但肌细胞内肌丝或它们所含的分子结构并无缩短或卷曲,而是由于肌节内细肌丝向粗肌丝内滑行的结果。即由Z线发出的细肌丝受粗肌丝作用而向M线(肌节中央)移动,结果使肌节长度缩短,以致形成整个肌纤维长度的缩短。

(三)骨骼肌收缩的分子机制

滑行学说以粗细肌丝的相互作用模式,合理地解释了肌肉在收缩时长度缩短的机制。肌丝滑行的具体过程为:①肌肉在安静状态下,由于细肌丝上的原肌球蛋白遮盖了肌动蛋白上的结合位点,使粗肌丝上的横桥不能与肌动蛋白结合。②当肌质中Ca2+浓度由10-7 mmol/L升高到或超过10-5 mmol/L水平时,Ca2+与肌钙蛋白的C亚单位结合,通过I亚单位将信息传递给原肌球蛋白,原肌球蛋白发生变构作用而移位,解除了后者对肌纤蛋白结合位点的掩盖作用,横桥便与肌动蛋白结合,通过其扭动,牵拉细肌丝向M线滑入。如果这时胞质内的Ca2+浓度依然很高,横桥又可以与肌动蛋白上的另一位点结合,重复上述过程。如此周而复始,使细肌丝不断向粗肌丝内滑行,引起肌节长度缩短,肌肉收缩。③肌肉收缩后,肌质网膜上的钙泵将胞质内的Ca2+重新回收入肌质网,胞质内的Ca2+浓度下降到10-7 mmol/L左右,Ca2+与肌钙蛋白的C亚单位分离,使原肌球蛋白构型复位,发挥位阻效应,横桥停止扭动,细肌丝被动复位,肌节回到原来长度,肌肉舒张。由此可见,肌肉的收缩和舒张都是耗能的主动过程。