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。
随着分子生物学等相关学科的迅猛，人们从细胞水平、分子水平对心肌收缩-舒张过程及其调节的诸多参与成分各自的作用及相互间作用有了更进一步的了解和认识。近十几年来，人们针对糖尿病、甲状腺功能异常(包括功能亢进和低下)、心肌肥厚、心肌病、缺氧等病理条件下引起的心功能改变，特别是收缩蛋白、调节蛋白与心功能的关系做了大量深入细致的工作。
1 收缩蛋白和调节蛋白
收缩蛋白包括肌球蛋白和肌动蛋白。肌球蛋白是由学者Kuhne于1859年首先报道的，半个多世纪之后，对肌球蛋白的生化分析才开始进行。肌球蛋白是心肌粗肌丝的主要成分，分子呈杆状，一端具有两个球形区域，似豆芽的头部，由两条重链(MHC)和两对轻链(MLC)构成，是肌球蛋白重要生物活性所在地，另一端是一个丝状“尾巴”，由两股α-螺旋肽链绞在一起形成一种盘卷螺旋结构［1］。肌球蛋白具有二个生物学作用：一是具有ATP酶活性，能裂解ATP，释放化学能；二是具有与肌动蛋白结合的能力。研究表明心脏的MHC是由两种基因编码，即α-MHC和β-MHC基因，这些基因产物在肌球蛋白分子中形成二聚体，所以相应的有三种分子异构体存在，即V1(α、α同源体)、V2(α、β异源体)、V3(β、β同源体)。由于α、β-MHCATP酶活性不同，因此不同的异构体之间所具有的ATP酶活性及收缩活性也不同。肌球蛋白ATP酶活性主要由心肌所含V1或V3的量多少而决定，故肌球蛋白以V1占优势的心肌ATP酶活性最高，肌肉收缩速率最快，耗能也最多，而以V3占优势的心肌情况正相反，以V2占优势的心肌表现介于两者之间［2，3］。肌球蛋白异构体之间的转换是心肌的适应性改变，是心脏本身负荷和能量供应两方面调节适应的结果。V1通过增加心肌收缩速度来增加供能达到能量供求平衡，V3通过减少耗能而适应压力超负荷。当能量供不应求时，肌球蛋白异构体向V3转化，使ATP酶活性下降，心肌收缩功能降低，表现为Vmax下降，最大张力正常，而达到最大张力的时间延长，心肌作功时耗氧量下降，结果使心脏在节能的情况下产生同样的张力，所以V3增加虽可使心肌速度变慢但是却提高了机械效率。
正常哺乳动物和人的心室肌球蛋白异构体的分布与种属、年龄等因素有关。成年人左心室心肌肌球蛋白以V3为主占60%～90%，而小哺乳类动物左心室心肌肌球蛋白以V1为主占60%～90%，人类和哺乳类小动物心房肌球蛋白以V1为主［4］。
对心肌肥厚等病理状态研究显示，心脏肌球蛋白基因表达及蛋白异构中存在着可塑性，推测这可能是动物机体的一种适应反应，例如超负荷刺激引起大鼠心肌肥厚可诱导左心室β-MHC基因表达及V3肌球蛋白增多，结果使心肌耗氧降低，收缩速率下降，被认为是一种的适应性反应［5］。
与肌球蛋白相比，肌动蛋白结构及功能相对简单。分子单体为球形，单体上有与肌球蛋白头相结合的位点，许多单体相互连接形成两条有极性的相互缠绕螺旋体。
调节蛋白包括原肌球蛋白(Tm)和肌钙蛋白(Tn)，Tm和Tn结合钙离子构成调节蛋白复合物，通过影响肌动蛋白和肌球蛋白之间的相互作用调节收缩活动［6］。Tm分子由二条完全相同或不同的螺旋形肽链组成(同源或异源二聚体)，不同组织来源(如房、室)和特殊种类的Tm不尽相同。Tn由三种亚单位组成，即TnI、TnT、TnC。TnI是肌动球蛋白复合物的Tn抑制形，具有调节肌动蛋白和肌球蛋白相互作用的能力，这种调节作用主要是一种抑制作用。TnT即肌钙蛋白结合原肌球蛋白，其作用是将肌钙蛋白复合体附着在Tm上。TnC即钙结合肌钙蛋白，是钙离子的受体，具有两个高亲和力和两个低亲和力的钙离子结合点。这三种肌钙蛋白亚型以协同方式相互之间与Tm及肌动蛋白互相作用［7］。
2 病理条件肌球蛋白的改变
2.1 机械性作用
利用乳鼠分离培养的心肌细胞，在体外进行机械牵张与心肌肥厚的实验研究表明，机械牵张引起大鼠心肌细胞MHCmRNA表达增高。Shyu等人［8］用Northernblot分析研究了分离培 养的乳鼠心肌细胞周期性牵张对MHCmRNA表达的影响，与对照组相比显示在不同时相点MHCmRNA最高增加了12倍。Vandenburgh等人［9］研究证实机械作用增加MHC含量，包括β-MHC和α-MHC都增加。Kojima等人［10］在自发性高血压(SHRs)动物模型研究中看到从9周龄到25周龄经vehicle组的SHRs，MHCV3异构体进行性增加。
2.2 限制饮食、缺氧
限制饮食使大鼠心肌V3肌球蛋白异构体增高［11］，早已被人们所认识［12］，这些改变被认为由血中T3水平降低而触发［13］，而最近一些研究显示限制饮食使β-MHC增高并无循环T3的明显改变［12］，Pissarek等也得出相同的结果。但Swoap等认为这不能排除由于心脏甲状腺激素受体的减少而引起一个功能性高甲状腺素的可能性［14］。Pissarek等在慢性低氧(CHH)大鼠模型研究中发现大鼠左、右心室都有一个明显的α-MHC向β-MHC的转换。慢性缺氧引起心肌收缩器(Apparatus)实质性变化，V3肌球蛋白异构体的表达使得心脏降低收缩耗能，提高工作效率［15］。
3 几种疾病状态下肌球蛋白及调节蛋白改变
3.1 糖尿病
糖尿病是许多常见的慢性病之一，它与心血管疾病引起的死亡有较密切的关系。其心功能的破坏不依赖于血管性疾病，提示在糖尿病存在一个原发的心肌的缺陷。大量动物实验研究提示慢性糖尿病动物心功能改变与收缩蛋白ATP酶活性受抑制及肌浆网(SR)和肌膜(SL)钙运输异常有关，这些异常经胰岛素治疗都能逆转。另外用钙通道阻滞剂维拉帕米治疗，心脏收缩蛋白ATP酶活性及肌浆网钙离子活性得到改善［16～18］。进一步研究显示慢性糖尿病动物心脏肌球蛋白异构体-βMHC与ATP酶活性降低和收缩速率(Shortingvelocity)密切相关［19］。
在STZ(Streptozotocin)糖尿病大鼠心肌力学和肌球蛋白酶学研究中，Takeda等人报道了糖尿病影响心肌收缩，肌球蛋白V1向V3转换及心脏能量学的变化。与心肌肌球蛋白以β形占优势相比较，肌球蛋白以α重链占优势的心肌表现收缩速率增加，高ATP酶活性，收缩能量消耗也增加。
在啮齿动物心脏一些病理条件下如高血压心肌肥厚、糖尿病、心肌梗死及老龄心肌，肌球蛋白异构体也显示出明显的转换。糖尿病心脏收缩速率的降低也许可用大鼠模型中肌球蛋白异构体的变化得到部分或全部解释［20］。
成年人心室肌球蛋白以V3异构体占优势，所以这也许是严重病理状态下人类心脏中并没有观察到肌球蛋白ATP酶活性变化的原因，但观察到肌纤维ATP酶曲线下降，推测病理状态下微小差异可能存在于人类肌球蛋白重链，这种差异用一个范围的焦磷酸盐凝胶电泳往往观察不到。故认为非常小的异构酶(Isoenzyme)转换与收缩蛋白的其它主要改变一起可能导致肌纤维活性的明显变化［21］。
除了收缩蛋白，调节蛋白及钙离子因素也直接或间接影响心脏的功能。在脊椎动物的横纹肌，细肌丝的调节成分TnTm负责传导收缩蛋白活动中钙离子效应，并且当钙离子缺乏时则抑制这种活动［22］。人们通过对照组或糖尿病组调节复合物TnTm存在的条件下利用对照组或糖尿病组肌球蛋白观察Ca2+依赖性心脏肌动球蛋白ATP酶活性。当糖尿病大鼠心脏的肌球蛋白被从对照组心脏分离的调节蛋白复合物调节时，肌球蛋白ATP酶可以部分逆转，提示糖尿病大鼠病理模型中调节蛋白能部分上调心脏的肌球蛋白［23］。在SDS平板凝胶中，来自慢性糖尿病大鼠和对照组动物心脏的调节蛋白在TnI和TnT表现不同，加了对照组动物TnTm的糖尿病心脏被调节的肌动球蛋白ATP酶活性发生逆转，这可能说明糖尿病心肌病理中或TnTm亚单位出现的量不同或存在调节蛋白亚单位异构酶组成不同。另外来自糖尿病心脏的调节复合物被重组，导致心脏肌动球蛋白系统调节中钙敏感性下降［24］。而对来自正常的和疾病的人类心肌完整的和分离的心肌中PKC活性作用的一些研究中，Gwathmey和Hajjar报道了肌丝的Ca2+敏感性和收缩活性的改变可能是由TnI和TnT磷酸化所致［25］。也有报道肌球蛋白轻链-2(MLC-2)与PKC的直接磷酸化或PKC的受体介导的刺激物都分别可以导致去膜的［skinned］心肌细胞和肌纤维中Ca2+敏 感性和ATP酶活性的增加［26］。
3.2 甲状腺功能亢进或低下
心脏是甲状腺激素作用的一个主要靶器官，激素水平过高或过低时都明显影响心脏功能。T3对心脏功能的影响是通过它对心脏的直接作用和间接作用。直接作用指T3对心脏细胞的直接效应，是通过核或核外机制介导的。核外T3效应：它的发生不依赖与核T3受体的结合，增加蛋白质合成，主要影响氨基酸、糖及钙离子的穿膜运输；核的T3效应：通过T3与特殊的核受体蛋白结合而被介导，导致T3反应性心脏基因转录增加，另外T3对肌膜(SL)Ca2+a-ATP酶也存在核外效应，引起钙离子从肌细胞流出增加。甲状腺激素对蛋白合成的效应使总体心脏蛋白形成增加，并且增加特殊蛋白的合成率，这种增加远远超过了由甲状腺激素诱导的蛋白合成的一般性增加。对其它一些特殊的蛋白象肌球蛋白重链(MHC)β合成率是降低的，使肌球蛋白V1异构体增加，V3降低，心肌收缩速率增加，ATP消耗也增加。间接作用是T3引起外周改变进一步导致血液动力学变化而影响心功能［27～29］，甲亢时，T3除了增加V1肌球蛋白异构体，也增加心肌的舒张率，被认为与肌浆网(SR)的Ca2+-ATP酶泵的活性有关。有学者报道T3诱导增加了SRCa2+-ATP酶(SERCA2)基因的转录使SERCA2mRNA水平增加［30］。SERCA2是一个离子泵，负责舒张期将胞浆中的钙离子运回到肌浆网。V1肌球蛋白异构体和SERCA2泵数量增加导致甲亢时心脏ATP消耗明显增加，另外ATP化学能少部分用于心肌收缩过程，大部分用于产生热量，降低了心脏的收缩效率［31］。
甲状腺功能低下时情况正相反。T3缺乏在成年啮齿类动物心脏观察到肌球蛋白异构体V1向V3转换，SERCA2活性降低。由此而引起心脏收缩率，代谢等方面的改变在此不再赘述。
总之在病理条件下，肌球蛋白异构体明显转化，肌球蛋白由V1向V3转化，引起心肌收缩力下降，收缩速度变慢。耗氧降低被认为是心肌的一种适应性反应。另外调节蛋白，SERCA2等结构的改变从不同作用环节影响心脏的功能。
1 Pelouch V. Molecular aspects of regulation of cardiac contracti on. Physiol Res,1995,44(1):53
2 Pope B, Hoh J F, Weeds A. The ATPase activities of rat cardiac myosin i soenzymes. FEBS lett,1980,118(2):205
3 Swynghedauw B. Developmental and functional adaptation of contractile p roteins in cardiac and skeletal muscles. Physiol Rev,1986,66(3):710
4 Lompre A M, Nadal-Ginard B, Mahdavi V. Expression of the cardiac ventr icular α and β myosin heavy chain genes in developmentally and hormonally regu lated. J Biol Chem,1984,259(10):6437
5 Izumo S, lompre A M, Matsuoka R, et al. Myosin heavy chain messenge r RNA and protein isoform transitions during cardiac hypertrophy interaction between hemodynamic and thyroid hormone-induced signals. J Clin Invest,1987,79 (3):970
6 Mayer N J, Rubin S A. Molecular and cellular prospects for repair,augme ntation,and replacement of the failing heart. Am Heart J,1997,134(3):577
7 Humphreys J. E, Cummins P. Regulatory proteins of the myocardium,atrial and ventricular tropomyosin and troponin-I in the developing and adult bovine and human heart. J Mol Cell Cardiol,1984,16(7):643
8 Shyu K G, Chen J J, Shih N J, et al. Regulation of human cardiac my osin heavy chain genes by cyclical mechanical stretch in cultured cardiocytes. B iochem Biophys Res Commun.16,1995,210(2):567
9 Vandenburgh H H, Solerssi R, Shansky J, et al. Mechanical stimulati on of organogenic cardiomyocyte growth in vitro. Am J Physiol,1996,270(5): 1284
10 Kojima M，Shiojima I, yamazaki T, et al. Angiotensin Ⅱ re ceptor antagonist TCV-116 induces regression of hypertensive left ventricular h ypertrophy in vivo and inhibits the intracellular signaling pathway of stret ch-mediated cardiomyocyte hypertrophy in vitro. Circulation,1994,89(5):2204
11 Haddad F, Bodell P W, Mccue S A, et al. Food restriction-induc ed transformation in cardiac functional and biochemical properties in rats. J Ap pl physiol,1993,74(2):606
12 Swoap S J, Haddad F, Bodell P, et al. Control of β-myosin heavy chain expression in systemic hypertension and caloric restriction in the rat he art. am J Physiol,1995,269(4 Pt 1):1025
13 Morris G S, Herrick R E, Balduin K M. Dietary carbohydrates modify ca rdiac myosin isoenzyme profiles of semistarved rats. Am J Physiol,1989,256(Regul atory integrative Comp Physiol 25):976
14 Swoap S J, Haddad F, Bodell P, et al. Effect of chronic energy d eprivation on cardiac thyroid hormone receptor and myosin isoform expression. Am J physiol,1994,166(Endocrinol. Metab.29):254
15 Pissarek M, Bigard X, Mateo P, et al. Adaptation of cardiac myo sin and creatine kinase to chronic hypoxia: role of anorexia and hypertension Am J physiol,1997 ,272(4 pt 2):1690
16 Malhotra A, Sanghi V. Regulation of contractile proteins in diabetic h eart. cardiovasc Res,1997,34(1):34
17 Rosen P, Pogatsa G, Tachope D, et al. Diabetic cardiomyopathy: pat hophysiologic concepts and therapeutic approaches. Klin Wochenschr,1992,69(Suppl29):3
18 Afzal N, Pierce G N, Elimban V, et al. Influence of verapamil on s ome subcellular defects in diabetic cardiomyopathy. Am J Physiol,1989,256(4 Pt 1):453
19 Pierce G N, Dhalla N S. Cardiac myofibrillar ATPase activity in diabet ic rats. J Mol Cell Cardiol,1981,13(12):1063
20 Rupp H, Elimban V, Dhalla N S. Diabetes-like action of intermittent f asting on sarcoplasmic reticulum Ca2+-pump ATPase and myosin isoenzymes c an be prevented by sucrose. Biochem Biophy Res commun.1989,164(1):319
21 Pagani E D, Alonsi A A, Grant A M, et al. Changes in myofibrillar content and Mg2+-ATPase activity in ventri-cular tissues from pa tients with heart failure caused by coronary artery disease,cardiomyopathy,or mi tral valve insufficiency. Circ Res,1998,63(2):380
22 Ebashi S, Nonomura Y, Kohama K, et al. Reg ulation of muscle contra ction by ca ion. Mol Biol Biochem Biophys,1980,32:183
23 Malhotra A, Lopez C, Nakouzi A. Troponin subunits contribute to altere d myosin ATPase activity in diabetic cardiomyopathy. Mol Cell Biochem,1995,151(2):165
24 Gwathmey J K, Hajjar R T. Calcium-activated force in a turkey model o f spontaneous dilated cardiomyopathy. J Mol Cell Cardiol,1992,24(12):1459
25 Noland T A Jr, Kuo J F. Phosphorylation of cardiac myosin light chain 2 by protein kinase C and myosin light chain kinase increases Ca2+-stimul ated actomyosin Mg2+-ATPase activity. Biochem Biophys Res commun,1993,193 (1):254
26 Mylotte K M, Cody V, Davis P, et al. Milrinone and thyroid hormone stimulate myocardial membrane Ca2+-ATPase activity and share structural homologies. Proc Natl Acad Sci USA,1985,82(23):7974
27 Umeda P K, Levin J E, Sinha A M, et al. Molecular anatomy of cardi ac myosin he avy chain genes. In:Emerson C, Fischman D, Nadal-Ginard B, et al, eds. m olecular biology of muscle development, UCLA Symposium on Molecular and cellular Biology New Series,1986,vol.29. New York, Al an R Liss,808
28 Mohr-kahalys, kahaly G, Meyer J: Cardiovascular effects of thyroid ho rmones. Z Kardiol,1996,85(6):219
29 Rohrer D K, Mestril R, Sayen R, et al. Thyroid hormone induced in creases in rat heart sarcoplasmic reticulum Ca2+ ATP are transcriptionally mediated an d require serum factors. Endocrinology,1989,122(suppl):T-87