肌球蛋白分子-概述：

肌球蛋白分子

肌球蛋白是一种马达蛋白(motor protein)，由Kuehne于1864年在研究骨骼肌收缩时发现并命名［1］。肌球蛋白是一种超家族的蛋白质，共分为11类，其中10类为非传统肌球蛋白(unconventional myosin)，另一类肌球蛋白Ⅱ称为传统肌球蛋白(conventional myosin)［2］。本文对肌球蛋白Ⅱ(全文简称肌球蛋白)进行综述，对近年来在肌球蛋白结构、性质、功能研究上取得的新成就给予介绍。

肌球蛋白分子-肌球蛋白的结构

肌球蛋白是长形不对称分子，形状如“Y”字，长约160nm。电子显微镜下观察到它含有两条完全相同的长肽链和两对短肽链，组成两个球状头部和一个长杆状尾部。肌球蛋白分子量约460kD，长肽链的分子量约240kD，称重链；短链称轻链。将肌肉肌球蛋白用5,5′-二硫双(α-硝基苯甲酸，DTNB)处理后放出的一对轻链，称为DTNB链，分子量约18kD；另两条轻链只有在碱性(pH 11.4)条件下才能分离出来，称碱性轻链，分子量分别为25kD和16kD。非肌细胞如粘菌的肌球蛋白的形状和结构与肌细胞的肌球蛋白非常相似，但它不存在DTNB链，两对不同的轻链称必需轻链(essential light chain)和调节轻链(regulatory light chain)，分子量分别为16kD和18kD［2］。阎隆飞等于1963年首次从烟草微管束中分离出肌动球蛋白，证明其具有ATP酶活性，这是高等植物中存在肌动蛋白和肌球蛋白的第一个证据［3］。马永泽和阎隆飞(1989)证明，豌豆叶片的卷须中存在肌球蛋白，SDS-PAGE测得两条重链的分子量为165kD，两对轻链的分子量分别为17kD和15kD［4］。

肌球蛋白分子

在肌球蛋白超家族中，不管其来源如何，其头部区域都有相当高的同源性，特别是ATP和肌动蛋白的结合位点非常保守。两条重链的氨基末端分别与两对轻链结合，形成两个球状的头部和颈部调节结构域，称为S1(subfragment 1),余下重链部分组成肌球蛋白长杆状的尾部(图1)。在一定条件下，胰凝乳蛋白酶能把肌球蛋白切为两部分，带有两个头部的部分称为重酶解肌球蛋白(heavy meromyosin,HMM)，另一部分叫轻酶解肌球蛋白(light meromyosin,LMM)。重酶解肌球蛋白的尾部称为S2(subfragment 2)。肌球蛋白N末端的头部S1为马达功能区，在离体条件下，单独的S1就能依赖其ATP酶活性产生力，从而驱使肌动蛋白丝运动，只是滑动速度比全长的肌球蛋白慢，可见肌球蛋白表现最佳马达活性需要S2。肌球蛋白的尾部是超螺旋结构，其氨基酸序列由典型的卷曲的卷曲型α螺旋(coiled-coiled α-helix)组成。所有肌球蛋白在轻链结合下方都有一个脯氨酸残基，根据其保守性和结构特性，此脯氨酸残基被定义为头部和尾部连接点(head/tail junction)。肌球蛋白以聚合形式参与细胞生理过程，单个的肌球蛋白分子没有功能。肌球蛋白通过组装域自我组装成具有双极性的粗丝(thick filament)，对其实现合适的功能至关重要。1993年，Rayment等通过甲基化修饰肌球蛋白S1的赖氨酸残基获得了高质量S1的晶体，在2.8A高分辨率下解析了鸡胸肌肌球蛋白三维空间结构，后来又结晶了盘基网柄菌肌球蛋白S1，并证明S1的ATP结合袋(ATP binding pocket)水解ATP时，有较大的构象变化，它为设计突变体提供了极有价值的理论依据，是肌球蛋白研究史上的新突破。

肌球蛋白分子-肌球蛋白的性质

肌球蛋白属球蛋白类，不溶于水而溶于0.6mol/ml的KCl或NaCl溶液。它具有酶活性，通过与肌动蛋白相互作用，水解ATP的末端磷酸基团，同时也能水解GTP、CTP等，将化学能转化为机械能，从而产生各种形式的运动。物理化学研究表明，肌球蛋白溶液加入ATP后，其粘度和流动双折射显著下降。后来证实这是由于肌动蛋白与肌球蛋白复合物的分解，形成两种轴比较小的蛋白质分子而引起。因此，加入ATP前后的粘度变化是鉴定肌球蛋白制备物中是否存在肌动蛋白最简单可行的方法。骨骼肌肌球蛋白ATP酶在Mg2+存在时活性很低，但在K+及EDTA或Ca2+存在时活性可增加10倍以上。

近年来应用分子生物学技术，首先证明了编码盘基网柄菌肌球蛋白重链的基因属于单拷贝，紧接着将盘基网柄菌肌球蛋白重链基因克隆测序，推导出其重链共有2133个氨基酸残基，然后将重链基因封闭，不让其在细胞内表达，同时建立了重组肌球蛋白重链基因在盘基网柄菌内的表达体系和相应突变体的生化分离、体外定性的方法，而且已找到多个因肌球蛋白分子的改变而造成体内功能缺陷的盘基网柄菌突变体研究还表明，非肌细胞肌球蛋白时刻处在聚合与解聚的动态变化中，它在细胞内的定位具有受严格的时间和空间调节的显著特征。已经证实，盘基网柄菌肌球蛋白在细胞分裂的后、末期移向或平行排列到分裂沟，当分裂沟完成后消失，这个动态特征是体内功能的关键。这些工作为研究肌球蛋白的结构和功能等提供了直接的分子遗传学证据，使肌球蛋白研究有了突破性进展。

植物细胞中的肌球蛋白含量很少，只有肌肉含量的1%，从植物中纯化肌球蛋白非常困难，故植物肌球蛋白研究的进展落后于动物和微生物。马永泽和阎隆飞(1989)研究表明豌豆叶片卷须中的肌球蛋白的ATP酶活性可被兔肌F-肌动蛋白激活5.6倍［4］。刘熊和阎隆飞从玉米花粉中纯化到的肌动蛋白可激活兔肌肌球蛋白ATP酶活性7倍，他们用微量测热法证明兔肌肌球蛋白的头部S1和HMM片段在ATP存在和缺乏时表现出的热力学性质相同。

肌球蛋白分子-肌球蛋白的功能

肌球蛋白作为细胞骨架的分子马达，是一种多功能蛋白质，其主要功能是为肌肉收缩提供力。纤丝滑动学说(sliding filament theory)认为肌肉收缩是由于肌动蛋白细丝与肌球蛋白丝相互滑动的结果。在肌肉收缩过程中，粗丝和细丝本身的长度都不发生改变，当纤丝滑动时，肌球蛋白的头部与肌动蛋白的分子发生接触(attachment)、转动(tilting)，最后脱离(detachment)的连续过程，其结果使细丝进行相对的滑动。此学说当时有强有力的实验依据，但没有在分子水平加以证实。

关于肌丝滑动的分子机理，一直是近半个世纪来十分活跃的研究领域。具有很大影响的经典摆动横桥模型(classic swinging crossbridge model)至今仍被教科书所采用。但随着研究手段不断创新，取得的许多结果已不能用摆动横桥模型进行解释，便产生了新的肌丝滑动学说，具有代表性和影响力的是摆动杆臂模型(swinging ever arm model)和线形马达模型(linear motor model)学说

经典的摆动横桥模型强调，肌丝滑动时肌球蛋白头部与颈部相对位置没有改变，头部首先以90度角与肌动蛋白丝结合，当ATP水解时，肌球蛋白头部倾斜45度，使肌动蛋白丝产生一定的移动，然后头部与肌动蛋白丝脱离，分子回到原来状态。摆动杆臂模型则认为，肌丝滑动时，肌球蛋白头部与颈部的相对位置发生一定的改变，但头部与肌动蛋白丝的结合角不变，颈部相当一根杠杆(lever)，通过分子屈伸使肌动蛋白丝移动。但用它来解释肌球蛋白驱使肌动蛋白丝滑动的步幅(step size)时遇到了困难。线性马达学说提出，肌球蛋白头部象一个马达，肌动蛋白丝沿其直线滑动。它可解释大运动步幅的产生，但没有直接的实验依据。不同来源的肌球蛋白驱动肌动蛋白运动速度有很大的差异，骨骼肌肌球蛋白、平滑肌肌球蛋白和盘基网柄菌肌球蛋白推动肌动蛋白运动速度分别为8.4μm/s、1μm/s和3μm/s。还有人从藻类细胞(Chara)纯化到一种肌球蛋白，能以50μm/s的速度驱动肌动蛋白运动。至今尚无一种比较完善的、能普遍被人们接受的理论以解释肌丝滑动的原理。

肌球蛋白也广泛存在于非肌细胞中，它是细胞骨架的组成成分，为细胞质流动、细胞器运动、物质运输、有丝分裂、胞质分裂和细胞的顶端生长等提供所需的力，参与细胞的吞噬、运动、受精和吸收等生理过程，充当非肌细胞生命活动的不同层次的调节者，从简单的细胞间的信号传递到指导向化性迁移和细胞形状的改变等较高级的调节。研究表明，肌球蛋白为盘基网柄菌在振荡培养下正常生长和分裂、表面蛋白受体成帽(surface receptor capping)、多细胞发育成子实体(fruiting body)、细胞与器壁的脱粘附(adherence)等生命活动所必需［6］。阎隆飞等在80年代的研究结果表明，肌球蛋白在高等植物如黄瓜等花粉管伸长和豌豆叶片卷须运动中可能执行重要功能。Kinkema等(1994)证明植物肌球蛋白在植物生长发育的不同时期及不同部位有不同的生理功能［9］。

近半个多世纪来，肌球蛋白的研究日益热门，但其产生力的分子机理一直未能阐明。最大的困难和限制因素之一是，直至80年代初，人们还不能对肌球蛋白与肌动蛋白相互作用所产生力的大小进行体外测试。1986年，Spudich实验室才首次建立了体外模拟滑动体系(in vitro motility assay)［10］。而Finer等用双光钳成功地进行单分子运动测试已是1994年的报道了［11］。人们能在单分子水平上研究肌丝的相互滑动，测量产生力的大小，终于使肌球蛋白研究进展上了一个新台阶。

肌球蛋白分子-肌球蛋白与心脏功能

心脏收缩-舒张是一个非常复杂的生理过程，受诸多生理性和/或病理性因素影响而发生变化，因此而影响心功能。尤其临床上许多疾病都伴有心功能改变，严重时出现心功能障，心肌收缩力下降，心输出量减少。