蘇香楠 高揚 于亮

北京體育大學（北京100084）

肌聯(lián)蛋白（titin）作為一種骨架蛋白，跨越了從Z 盤到M 線半個肌小節(jié)[1]，能夠通過對齊肌球蛋白使鄰近肌小節(jié)保持穩(wěn)定，是骨骼肌纖維中除了肌動蛋白和肌球蛋白以外最豐富的蛋白。此外，肌聯(lián)蛋白可調(diào)節(jié)肌肉主動收縮，并與肌球蛋白和肌動蛋白共同作用，對粗肌絲和細肌絲進行精準調(diào)控以提升肌肉收縮力量[2]。不同方式[3]和強度[4]的適度訓練，不僅能使肌原纖維中粗肌絲肌球蛋白和細肌絲肌動蛋白合成水平提高，還會使肌聯(lián)蛋白合成水平出現(xiàn)同一趨勢變化，并伴隨著肌肉張力增加。目前，已有研究證實肌聯(lián)蛋白結(jié)構(gòu)改變可增強或抑制肌肉力量[5-6]，并在運動過程中發(fā)揮重要作用。另一方面，肌聯(lián)蛋白“分子彈簧”效應[7]也逐步明確，當適宜外力拉伸骨骼肌時，肌聯(lián)蛋白會增加剛度以增強肌力[8]，若肌小節(jié)受到過度牽拉時，肌聯(lián)蛋白的彈性成分會緩沖以保護肌肉[9]?；诩÷?lián)蛋白在運動過程中收縮、舒張、影響力量和緩沖等多方面的潛在作用，本文通過檢索截至2022 年6 月在CNKI、萬方及Pubmed、Web of science 等數(shù)據(jù)庫中“肌聯(lián)蛋白”、“骨架蛋白”、“收縮蛋白”、“肌聯(lián)蛋白與運動”、“titin”、“skelemin”、“titin AND exercise”等關(guān)鍵詞，梳理肌聯(lián)蛋白結(jié)構(gòu)、功能以及運動對肌聯(lián)蛋白的影響等文獻資料，結(jié)合其在運動過程中的作用，對肌聯(lián)蛋白與運動的關(guān)系進行歸納總結(jié)，以期為進一步研究提供參考依據(jù)。

1 概述

1.1 基本情況

肌聯(lián)蛋白又稱為“第三肌絲”，是骨骼肌纖維中第三豐富的肌肉蛋白（僅次于肌球蛋白和肌動蛋白）。在功能上，肌聯(lián)蛋白有維持肌小節(jié)長度、保持肌小節(jié)完整、緩沖收縮舒張等作用[10-12]；在結(jié)構(gòu)上，肌聯(lián)蛋白由一系列模塊化的彈性結(jié)構(gòu)串聯(lián)組成，主要分為四個區(qū)域：Z 盤（N 端）、I 帶、A 帶、M 線（C 端），其主要物理特性是由A帶和I帶決定的，肌聯(lián)蛋白的彈性成分位于I帶，而A 帶區(qū)域幾乎不可伸展[13-16]。其中，I帶中心部分（圖1）彈性區(qū)域由串聯(lián)排列的Ig 重復序列組成，這些重復序列包含在兩個彈性結(jié)構(gòu)中，即近端和遠端串聯(lián)Ig 結(jié)構(gòu)域。它們之間串聯(lián)的免疫球蛋白組由2200 多個殘基隔開，這些殘基富含脯氨酸（proline，P）、谷氨酸（glutamate，E）、纈氨酸（valine，V）和賴氨酸（lysine，K），因此被稱為“PEVK 區(qū)”，而近端Ig 結(jié)構(gòu)域和PEVK 區(qū)被N2A 區(qū)隔開，N2A 區(qū)被稱為第三區(qū)域。肌聯(lián)蛋白的I帶部分包含多達100 多個免疫球蛋白樣結(jié)構(gòu)域，是橫紋肌組織具有被動剛度的主要原因[17-19]。

圖1 肌聯(lián)蛋白I帶中心部分示意圖

1.2 肌小節(jié)中肌聯(lián)蛋白的分布

采用免疫電鏡研究觀察10 種非重復的肌聯(lián)蛋白單克隆抗體，發(fā)現(xiàn)單分子的肌聯(lián)蛋白從Z 盤延伸到接近M 線，包括Z 盤上肌聯(lián)蛋白[肌聯(lián)蛋白的氨基末端（≤80 kDa）跨越了整個Z 盤區(qū)域，來自肌小節(jié)的肌聯(lián)蛋白肌絲在Z 盤內(nèi)重疊]、I 帶內(nèi)肌聯(lián)蛋白（800~1500 kDa 的肌聯(lián)蛋白）、A 帶上肌聯(lián)蛋白（肌聯(lián)蛋白羧基端2000 kDa）、M 線上肌聯(lián)蛋白（肌聯(lián)蛋白羧基末端約200 kDa）[20]。六個肌聯(lián)蛋白絲與每個粗肌絲相連，且每個肌聯(lián)蛋白絲也與單個細肌絲相連[21]。

1.3 收縮過程中的肌聯(lián)蛋白

經(jīng)典的肌肉收縮理論“肌絲滑行學說”充分描述了骨骼肌在向心收縮和等長收縮過程中的大部分功能，但是從“肌源”角度解釋骨骼肌在離心運動狀態(tài)下比向心運動產(chǎn)生更大張力的原因尚不明確，可能是由于肌肉內(nèi)部存在“分子彈簧”結(jié)構(gòu)。肌聯(lián)蛋白附著在A 帶的粗肌絲上，且可以自由延伸至I 帶區(qū)域，在生理條件下像“分子彈簧”一樣工作，以增加張力產(chǎn)生并能夠抵抗過度拉伸以防止肌節(jié)損傷。當肌肉收縮時，肌聯(lián)蛋白不僅與肌球蛋白對齊并穩(wěn)定相鄰的肌節(jié)，而且部分釋放的Ca2+能夠與肌聯(lián)蛋白結(jié)合，改變肌肉剛度[22]。因此，探究肌聯(lián)蛋白結(jié)構(gòu)及其在骨骼肌中的作用機制是深入研究骨骼肌運動能力的重要任務。

2 肌聯(lián)蛋白的作用

2.1 肌肉的“防護器”：肌聯(lián)蛋白的穩(wěn)定作用

肌聯(lián)蛋白可以維持肌小節(jié)的穩(wěn)定性。從結(jié)構(gòu)上來看，一方面肌聯(lián)蛋白分子將細肌絲固定在Z 盤上[23]，貫穿粗肌絲的整個肌小節(jié)直到M 線[20]，形成了六角形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在橫向和縱向上維持每個肌小節(jié)結(jié)構(gòu)完整[9]。而且肌聯(lián)蛋白的伸展性又為肌小節(jié)提供了較大的被動張力，增強了相鄰肌小節(jié)的穩(wěn)定性[24]。另一方面，肌聯(lián)蛋白的I帶由一系列彈性結(jié)構(gòu)組成，可以抵抗肌小節(jié)過度拉伸[9]。有研究對蛙完整肌纖維中I帶肌聯(lián)蛋白的彈性進行了定量分析，發(fā)現(xiàn)肌小節(jié)長度2.7~3.1 μm 范圍內(nèi)，肌聯(lián)蛋白會出現(xiàn)“自我適應”現(xiàn)象使彈性保持不變[25]，這可能是由于在肌小節(jié)較長的情況下，I帶寬度增加保持了肌聯(lián)蛋白彈性長度[26]。雖然不同種屬之間肌肉的粗、細肌絲長度存在差異，但由于人和蛙具有相同的粗肌絲長度，其最適長度平臺期的長度相同且超過最適長度時的下降斜率也相似[27]，因此，當人的肌小節(jié)過度拉伸時，其肌聯(lián)蛋白I 帶長度會增加以保持彈性不變。總之，肌聯(lián)蛋白作為肌肉的“防護器”，在收縮過程中不僅能夠?qū)R肌球蛋白位置、穩(wěn)定相鄰肌小節(jié)，還能防止肌肉在被動拉伸時肌小節(jié)過度伸展造成的損傷。

2.2 肌肉的“強助力器”：肌聯(lián)蛋白的“分子彈簧”功能

肌聯(lián)蛋白作為哺乳動物體內(nèi)分子量最大的蛋白，其肽鏈具有“分子彈簧”功能區(qū)，在肌肉收縮和拉伸中起著重要作用。當肌肉主動收縮時，肌聯(lián)蛋白可以在適度收縮后（圖2）促使肌小節(jié)恢復至初始長度，而在被動拉伸后，肌聯(lián)蛋白能夠牽拉M 線和相對運動的肌絲，起到緩沖的作用[28]。另外，肌聯(lián)蛋白在很大程度上決定肌纖維的被動剛度[29]，抵抗過度張力的同時，還可以使肌小節(jié)在舒張過程中恢復到適當?shù)撵o止長度（圖3）。另外，Labeit 等[30]研究發(fā)現(xiàn)肌聯(lián)蛋白在肌肉激活時與Ca2+結(jié)合，增加了肌聯(lián)蛋白的剛度，從而增加了肌肉拉伸時的力，但也有研究在肌肉運動后測量發(fā)現(xiàn)肌聯(lián)蛋白剛度與肌肉力量變化無關(guān)，具體原因尚未形成統(tǒng)一結(jié)論，后續(xù)研究可深入探討。作為肌肉的“強助力器”，肌聯(lián)蛋白的“分子彈簧”功能在肌肉運動中發(fā)揮著重要作用。

圖2 肌聯(lián)蛋白收縮狀態(tài)

圖3 肌聯(lián)蛋白舒張狀態(tài)

2.3 肌肉的“調(diào)節(jié)器”：肌聯(lián)蛋白與肌動蛋白、肌球蛋白的相互作用

除了肌聯(lián)蛋白的剛度，肌小節(jié)的被動張力也可以通過肌聯(lián)蛋白與肌動蛋白和肌球蛋白的相互作用[31]實現(xiàn)調(diào)節(jié)。骨骼肌收縮過程中殘余力的增強可能會產(chǎn)生和肌聯(lián)蛋白相關(guān)的附加效應。目前有學者認為，當Ca2+濃度升高時，在骨骼肌離心收縮過程中，特定的肌聯(lián)蛋白彈性結(jié)構(gòu)可能與肌動蛋白相互作用，導致其肌聯(lián)蛋白長度縮短，并且在離心運動期間以及收縮后的一段時間內(nèi)增加其被動張力[32]。當肌聯(lián)蛋白的N2A 區(qū)與肌動蛋白結(jié)合時，肌原纖維被動拉伸，I 帶近端串聯(lián)Ig 結(jié)構(gòu)域的力容易受到影響[33]。因此，當被動拉伸Ca2+激活的肌小節(jié)時，只有剛度較高的肌聯(lián)蛋白的PEVK 區(qū)會被拉長，從而產(chǎn)生更大的力[34]。假設肌聯(lián)蛋白是一個可調(diào)節(jié)的“分子彈簧”，離心運動中許多無法說明的現(xiàn)象都可以通過橫橋理論的框架得以解釋[35]。

另外，還有學者提出了“winding filament”假說，該假說認為在Ca2+內(nèi)流后肌聯(lián)蛋白被激活，由于橫橋運動，肌聯(lián)蛋白纏繞在細肌絲上，使肌動蛋白形態(tài)略有改變，這些橫橋可以支配和調(diào)節(jié)細肌絲[36]。肌聯(lián)蛋白與依賴于細肌絲的Ca2+結(jié)合解釋了主動拉伸時的力量比被動拉伸時增加的多的原因，可能是由于骨骼肌肌聯(lián)蛋白的N2A 區(qū)在激活時與肌動蛋白結(jié)合，增加了肌聯(lián)蛋白的剛度所致。此外，肌動蛋白與肌球蛋白末端肌絲之間的相互作用可能會縮短肌聯(lián)蛋白遠端Ig結(jié)構(gòu)域和部分PEVK 區(qū)，增加肌聯(lián)蛋白的剛度，進而增加肌聯(lián)蛋白在進行主動拉伸時的力量且不需要額外的能量[37]。由此可見，肌聯(lián)蛋白與肌動蛋白、肌球蛋白之間相互協(xié)同，作為肌肉的“調(diào)節(jié)器”，在收縮或舒張過程中增加肌肉剛度和肌肉力量。

3 運動對肌聯(lián)蛋白的影響

3.1 急性運動和長期運動對肌聯(lián)蛋白的影響

肌聯(lián)蛋白作為維持肌細胞張力的重要結(jié)構(gòu)蛋白，對調(diào)節(jié)肌小節(jié)被動張力具有重要作用，已有動物研究發(fā)現(xiàn)，急性運動后大鼠比目魚肌肌聯(lián)蛋白含量明顯下降，48 小時后恢復正常水平[38]，而在人體研究中也發(fā)現(xiàn)成年男性在急性離心運動后肌聯(lián)蛋白水平降低[39]，這與動物研究結(jié)果相一致，表明了在急性運動后骨骼肌出現(xiàn)了肌聯(lián)蛋白合成代謝減少、分解代謝增加等微細結(jié)構(gòu)損傷，肌聯(lián)蛋白降解或解聚使維持骨骼肌正常收縮功能的骨骼肌細胞骨架受到破壞，在功能上表現(xiàn)為收縮能力下降，但隨后骨骼肌收縮功能逐漸恢復至正常水平，這可能與恢復期時長有關(guān)。而長期運動對肌聯(lián)蛋白的影響與急性運動有所不同，有研究發(fā)現(xiàn)[3]，進行8 周有氧運動干預后，糖尿病大鼠肌聯(lián)蛋白免疫熒光染色區(qū)域明顯增多，平均熒光強度明顯增高，提示有氧運動可以增加肌聯(lián)蛋白的表達。上述結(jié)果表明，雖然長期運動與肌聯(lián)蛋白的表達存在一定關(guān)系，但隨著運動時間的延續(xù)是否會對肌聯(lián)蛋白結(jié)構(gòu)產(chǎn)生其他影響尚無定論。

3.2 超等長收縮運動對肌聯(lián)蛋白的影響

肌聯(lián)蛋白作為骨架蛋白，幾乎與其他所有肌小節(jié)蛋白相互作用，因此當肌聯(lián)蛋白剪切或缺失時會破壞肌小節(jié)結(jié)構(gòu)[40]。有研究發(fā)現(xiàn)超等長收縮訓練后肌小節(jié)出現(xiàn)不同程度的損傷，Macaluso 等[4]在實驗干預前對受試者進行一次最大超等長收縮測試，發(fā)現(xiàn)受試者肌小節(jié)Z 盤完全被破壞，這提示急性超等長收縮訓練可能會引起肌聯(lián)蛋白受損。而進行8 周最大深蹲跳訓練后再次進行最大超等長收縮測試，卻發(fā)現(xiàn)受試者肌小節(jié)Z盤數(shù)目并未減少或受損，表明長期超等長收縮訓練可能加強了對肌小節(jié)及肌聯(lián)蛋白的保護。除此之外，超等長收縮訓練還有助于改善運動經(jīng)濟性，且肌聯(lián)蛋白亞型T1越低，運動經(jīng)濟性越高[41]。由此可見，長期超等長收縮訓練不僅會增加肌肉爆發(fā)力[42]，還會加強肌聯(lián)蛋白的保護作用，達到預防損傷的效果，同時，可以通過提高肌聯(lián)蛋白亞型T1 改善運動經(jīng)濟性，減少能量消耗。

另外，離心和等長收縮階段的張力增強與肌聯(lián)蛋白也密切相關(guān)。肌聯(lián)蛋白作為一種表現(xiàn)為彈性肌絲的大分子蛋白質(zhì)，在肌肉舒張過程中僅附著在Z 盤和M線上，但在離心收縮階段一部分肌聯(lián)蛋白附著在細肌絲上，肌聯(lián)蛋白絲變得更硬，這使得肌聯(lián)蛋白與肌動蛋白的連接以及由此增強的剛性在隨后的等長收縮期得以保持[43-44]。而進行超等長收縮訓練時肌肉先做離心式拉長繼而做向心式收縮，該過程也涉及了離心收縮階段，間接表明了超等長收縮訓練與肌聯(lián)蛋白之間也存在一定聯(lián)系。

4 肌聯(lián)蛋白在運動中的作用

4.1 肌聯(lián)蛋白在被動牽張中的作用

肌聯(lián)蛋白可增加骨骼肌被動牽張過程中的張力。有研究表明，單根肌纖維[45]中90%~95%的被動張力以及骨骼肌[7]中大部分被動張力由肌聯(lián)蛋白提供，但是當肌聯(lián)蛋白被破壞后，肌肉的被動張力可能出現(xiàn)下降或消失。有研究發(fā)現(xiàn)使用胰蛋白酶[46]或者采用電離輻射[47]破壞肌聯(lián)蛋白時，肌肉的被動張力降低了50%~100%，而且當肌聯(lián)蛋白I 帶被水解或從粗肌絲上移除后，肌絲長度在其生理范圍內(nèi)幾乎沒有被動張力產(chǎn)生[48]。

另外，肌聯(lián)蛋白I帶長度能夠影響肌聯(lián)蛋白的被動張力大小。肌聯(lián)蛋白I 帶具有彈性[49]，當進行被動拉伸時，肌聯(lián)蛋白可以通過結(jié)合PEVK 區(qū)和Ig 結(jié)構(gòu)域中的Ca2+增加其剛度，縮短I 帶長度以產(chǎn)生被動張力[50]。一般來講，肌聯(lián)蛋白I 帶越短，被動張力越高[51]。此外，肌肉的長度也可以影響肌聯(lián)蛋白的被動張力[39]。當肌小節(jié)長度較短時，被動拉伸會導致折疊的Ig結(jié)構(gòu)域變直，被動張力變化不大。但當肌小節(jié)長度較長時，PEVK 區(qū)延長，被動張力明顯增加[52]。但近些年來也有研究指出，剪切部分PEVK 區(qū)會增加被動張力，部分原因是肌聯(lián)蛋白彈性區(qū)拼接發(fā)生了改變，這表明了肌聯(lián)蛋白的PEVK區(qū)域在調(diào)節(jié)被動張力方面的作用[2]。當肌小節(jié)長度在其生理范圍內(nèi)時，I 帶的PEVK 區(qū)的延長很大程度上決定了骨骼肌纖維的被動彈性。

4.2 肌聯(lián)蛋白在主動收縮中的作用

作為“第三肌絲”，肌聯(lián)蛋白不僅在骨骼肌被動牽張過程中進行調(diào)節(jié)，在主動收縮時也發(fā)揮重要作用[51]。Higuchi 等[32]將肌聯(lián)蛋白從小鼠的肌原纖維中消除后，肌纖維的主動張力降低了50%，這可能是由于肌聯(lián)蛋白被破壞時，粗肌絲在向另一側(cè)的Z 盤移動，肌小節(jié)中的粗肌絲排列紊亂，粗肌絲和細肌絲之間的重疊減少，從而使主動張力變小。另外，Powers 等[53]采用離體實驗將無任何干預的正常小鼠肌肉的肌原纖維放置在Ca-ATP 的激活溶液中以完成主動拉伸，發(fā)現(xiàn)張力增加的大部分原因是肌聯(lián)蛋白與細肌絲的結(jié)合使主動張力發(fā)生了變化，而少部分則歸因于Ca2+對肌聯(lián)蛋白的直接作用，推測可能由于Ca2+與PEVK 區(qū)的E-rich 區(qū)以及部分Ig 結(jié)構(gòu)域結(jié)合時，蛋白質(zhì)剛度增加，從而增加張力。Nishikawa 等[36]也認同這一觀點，發(fā)現(xiàn)肌營養(yǎng)不良伴肌炎型（the muscular dystrophy with myositis，mdm）小鼠的肌聯(lián)蛋白突變導致PEVK 區(qū)和N2A 區(qū)缺失83個氨基酸，在Ca2+激活的過程中，mdm 小鼠比目魚肌無剛度變化，且在主動收縮過程中mdm 小鼠的張力并未發(fā)生明顯變化，可見mdm 小鼠中缺失的序列影響了肌聯(lián)蛋白在主動收縮中的作用。但也有學者認為肌聯(lián)蛋白可能是通過調(diào)節(jié)粗肌絲和細肌絲之間的距離來提升主動張力[3]。

4.3 肌聯(lián)蛋白在肌力增強和抑制方面的作用

由于肌聯(lián)蛋白由一系列模塊化的彈性結(jié)構(gòu)串聯(lián)組成，所以在橫橋產(chǎn)生的全部力量傳遞到肌肉附著的骨之前，這些串聯(lián)彈性結(jié)構(gòu)必須完全被拉伸[54]。而在離心收縮過程中，由于肌肉被完成激活且串聯(lián)彈性結(jié)構(gòu)被拉長，肌肉張力顯著增強[55]。另外，為了研究肌聯(lián)蛋白在肌肉增強和抑制方面的作用，有學者對mdm 小鼠和野生型小鼠進行離體主動和被動拉伸實驗，發(fā)現(xiàn)野生型小鼠肌肉肌力增加，但mdm小鼠肌力無明顯變化，這可能是由于mdm 型小鼠的骨骼肌肌聯(lián)蛋白N2A 和PEVK區(qū)氨基酸缺失[8-9]，抑制了肌力的增加。而力量產(chǎn)生的原因可能是骨骼肌被Ca2+釋放激活時，一部分Ca2+與肌聯(lián)蛋白結(jié)合，增加了其剛度。由此可見，肌聯(lián)蛋白可以增強肌肉張力。相反，當肌聯(lián)蛋白缺失時肌張力降低。Joumaa 等[46]在兔模型中同樣觀察到了肌聯(lián)蛋白降解后肌張力降低現(xiàn)象，當使用胰蛋白酶消除法使肌聯(lián)蛋白部分降解時，骨骼肌主動張力和被動張力均顯著降低?？梢?，肌聯(lián)蛋白在肌力增強和抑制方面發(fā)揮了重要作用。

5 小結(jié)

肌聯(lián)蛋白可以維持肌小節(jié)的穩(wěn)定性，具有分子彈簧的作用。肌聯(lián)蛋白與肌球蛋白、肌動蛋白相互作用，在骨骼肌被動牽張、主動收縮中都可起到強化、緩沖等輔助效果，具有調(diào)節(jié)增強肌力、在適度范圍內(nèi)抑制肌力、保護骨骼肌降低損傷風險的作用。建議進一步研究不同運動強度、運動時間訓練模式對肌聯(lián)蛋白結(jié)構(gòu)和剛度的影響，以及不同類型肌纖維中肌聯(lián)蛋白的作用，為解決運動科學領(lǐng)域中與肌聯(lián)蛋白相關(guān)的骨骼肌收縮問題以及更加科學地制訂力量訓練方案提供依據(jù)。