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肌肉滑行丝学说的跛途末路

投稿时间:2017-03-18 08:58 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

最早对于肌肉的研究始于19世纪中叶。人们曾认为肌肉的收缩是由肌蛋白的皱缩,折叠,弯曲,或螺距的改变等引起的。1942年,罗马尼亚的生物化学家Bruno Ferenc Straub提纯出了肌动蛋白。同年匈牙利生理学家,生理或医学诺贝尔奖获得者,Albert Szent-Gyorgyi提出ATP是肌肉收缩的能量来源,并于次年提纯到了肌球蛋白A。

一、肌肉滑行丝学说的问世

Hugh Esmor HuxleyJean Hanson于1950年代初期,最早使用相干X-射线显微镜研究了肌纤维的细节,并发现肌球蛋白和肌动蛋白共同形成重叠的纤维,而两种纤维之间可能存在相对运动。于1953年他们最早提出了有关肌肉收缩的滑行丝学说[1]。与其有过合作关系的Andrew F. Huxley,和Rolf Niedergerke 于1954年也发表了有关横纹肌的论文[2]:肌节中的I带由肌动蛋白纤维组成,A带主要由肌球蛋白纤维组成;收缩期间,肌动蛋白纤维进入到肌球蛋白纤维之间。现在公认的滑行丝学说就是由他们两个小组共同提出的。

二、跛足漂摇的早期20年

滑行丝学说提出后的头几年中并没有得到多少支持。到1957年,Hugh Huxley新的电镜结果肯定了纤维的重叠本性,并观察到在两种纤维之间存在一种后来称为横桥的相互连系。又过了5年,他证明了横桥在两种纤维之间有一种动态作用。Huxley, HE于1969年在美国Science发表论文《The Mechanism of Muscle Contraction》[3],以及两年后Huxley, AF与Simmons, RM在英国Nature上的文章[4],标志着滑行丝学说开始受到了人们的重视。不过,正像Huxley, HE在文章中指出的,横桥如何产生力的问题仍暴露出了“明显矛盾的性质”。

三、学说的鼎盛期

1972年在美国金泉港召开的一次学术会议,滑行丝学说开始被大家所接受。此后由滑行丝之间游动的横桥产生力的假设,开始写入生理学教材,使该学说进入了其发展的鼎盛时期。

在上世纪的70到80年代,滑行丝学说比较盛行和得意,他们甚至提出,可将肌动蛋白横桥产力的模式推广到平滑肌、细胞分裂时的分裂沟、阿米巴单细胞的运动、细胞迁移中前导边缘的伸出等,几乎遍布了所有的细胞运动领域。

四、学说应用领地的龟缩

到了上世纪70年代末和80年代初,人们已经发现除了横纹肌外,其它的细胞产力情况并非都像滑行丝学说假设的那样。尤其是发现没有肌球蛋白的参与,仅由肌动蛋白的连续聚合和解聚就能产生力[5]。有人用已知蛋白配制的溶液,放入涂了细菌表面蛋白(ActA的无生命的聚苯乙烯微球,在微球上肌动蛋白的生长,就能产生推动微球前进,甚至跳跃的动力[6]。这些实验现象的发现,彻底颠覆了滑行丝肌球蛋白产力学说的基础,又使它重新缩回到了只能解释横纹肌产力的那块小小的领地。

对横纹肌的研究,至今横桥产力的机理一直受到质疑。现在肌球蛋白的结构已经能在原子分辨率的水平上进行三维重建,但是产力的位点究竟是在肌球蛋白分子头部的顶端,还是在其颈区,都一直在争论不休。无论哪种方式,都令人难以置信。

五、末路穷途的滑行丝学说

考虑人体的宏观运动,肌肉、肌键、骨骼、和关节构成了不同的杠杆系统,可以放大肌肉的收缩力。肢体的弯曲或伸展至少要有位于骨骼两侧的两块肌肉的收缩来完成,例如上肢内侧的肱二头肌和外侧的肱三头肌。这样的一对能使肢体产生相反方向运动的肌肉群叫做颉颃肌。由关节相连的两块骨骼与一对颉颃肌及肌键就构成了简单的运动单元。这种运动单元的结构和组合是最符合力学原理的生物选择。

现在对于称作横桥的肌球蛋白的头和颈的微观结构(也包括粗、细肌丝)的研究,已经达到了原子分辨率的水平,再进一步深入到原子内部是没有意义的,说明沿此方向的探索已经接近了终点。问题是,至今仍没有发现从力学上能讲得通的微观力学的产力装置。比如中间比较硬的刚性骨骼及两侧能产生牵拉作用的微单元。

从现在对肌球蛋白分子结构的三维重建来看,若粗、细肌丝及其之间的横桥是产生收缩力的微观机械装置,那么,无论哪种方式,这样的力学结构都将是最不符合力学原理的最糟糕的生物进化选择。

最近Weirich,KL和他的同事们的实验[7]已经证实,横连的肌动蛋白束完全具有液体的行为。也就是说,所有主宰细胞形状和运动的细胞骨架都是软的具有流态状的性质。

横桥与平行的粗、细肌丝的夹角,大致为60度角。这个角度下软的类似液体的横桥要想摆动细的肌丝,是最不符合力学原理的。我们伸出胳膊去拉或推一个物体,胳膊的伸出角的方向的矢量分量是不一样的。如果横桥是去拉肌动蛋白细丝,那么它倾斜伸出的方向分量应该刚好与肌动蛋白丝运动的方向相反。如果横桥是去推细丝,则斜伸出方向的分量才会与细丝的运动方向相同。肌肉之所以用收缩而不是膨胀来产生力,就因为肌肉的所有组成都是软的。用伸直的软的绳子(不是硬的棍子)去推肌动蛋白细丝,这岂不成了笑话?

横桥或肌球蛋白分子是比皮鞭还要软的肌浆蛋白,它怎么能有齿轮那样的硬度去拨动肌动蛋白细丝运动?滑行丝学说是在僵化的电镜下的唯像面前来推测产力机理,这完全像我们看到骑士在马屁股上挥动皮鞭而马则向前飞驰时,就误认为是皮鞭在翘动马屁股而使马在运动一样可笑。

滑行丝学说与人们测得的膜电位及钙离子浓度的变化至今仍不能接轨。此外,在一次收缩过程中,每个横桥都要经过多步摆动循环。这期间的ATP水解、步幅、同步、协调及统一指挥等多种问题,都是滑行丝横桥学说永远解释不了的。

宏观现象与具有纳米尺度的微观现象及原理往往有着本质的不同。在细胞和亚细胞层次上生命活动的运作不可能还套用宏观运动的单元结构和原理。它应该是细微的、简捷的、高效的。仍以马达、杠杆、齿轮、牵拉等宏观机械现象和原理来考虑微观的力能转换肯定是不合适的。从结构上看,细胞和亚细胞的组成基本上是生物膜和纤维两种。由生物膜围成的小室最有利于渗透压的运作。

一条肌纤维束,是在胚胎的发育和分化中由许多肌细胞融合而成的。在肌细胞的融合过程中,各细胞的质膜退化并转移进肌浆网膜。胞外空间被肌浆网膜和囊的内腔代替,各肌小节周围的T管都与胞外液相通。因此,过去用去掉整块肌肉的肌膜的肌纤维做的实验,显示仍有收缩性,就排除了渗透压的作用,这是欠妥的。其实肌质网及囊之内的空间浆液可视为胞外液,也可看作是胞内钙库,而肌节内的纤维及纤维之间的肌浆则代表的是胞内液。整块肌膜将融合前的各肌细胞的内、外空间都给包在了整块肌肉内。对于心肌细胞,线粒体可能也有部分肌浆网的功能。本作者最近已提出了一种肌肉收缩的渗透压机理(已投稿于科学智慧火花栏目)。

滑行丝横桥理论发展到今天,仍没有发现理想的马达。因此人们又重新提出了肌球蛋白构象变化之说。这又回到了原点,回到了20世纪中期以前的那些由蛋白质缩短、折叠、弯曲及螺距改变之类的肌肉产力假设。如果把那些假设看作是人类智慧文明启蒙时期的一种无知,那么,今天的马达蛋白之说也好,构象变化也好,就都是高科技支持下的荒唐。

由于肌肉收缩的滑行丝学说,是由诺贝尔奖获得者Huxley, AF参与提出,并共同发展起来的,使该学说具有了笼罩在诺贝尔光环下的、难以撼动的权威后遗症。

纤维的装配(聚合)本身就能产生沿纤维表面的水流动力—纤维装配压。自上世纪末开始,肌动蛋白聚合产生力的假设已经逐渐得到了公认。有关纤维装配压的内容将另文专笔讨论。

20170302完稿20170318)

参考文献

1.    Huxley, HE (1953). Electron microscope studies of the organization of the filaments in striated muscle. Biochmica et Biophysica Acta 12 (3):387-394.

2.    Huxley, AF.; Niedergerke, R. (1954). Interference microscopy of living muscle fibres. Nature 173 (4412): 971-973.

3.    Huxley, HE. (1969). The Mechanism of Muscular Contraction. Science 164: 1356-1366.

4.    Huxley, AF, and Simmons, RM. (1971) Nature (London) 233: 533-538.

5.    Hill, TL. (1981) Microfilament or microtubule assembly or disassembly against a force. PNAS. 78(9): 5613-5617.

6.    Cameron, L.A. et. al. (1999) Motility of ActA protein-coated microspheres driven by actin polymerization. PNAS.  96 (9): 4908-4913.

7. Kimberly L. Weirich, et. al. (2017) Liquid behavior of cross-linked actin bundles. PNAS February 28, 2017 Vol. 114 No. 9 2131-2136.