肌球蛋白

肌球蛋白基本概念肌球蛋白是一种超级大家族的蛋白质。目前发现的肌球蛋白已经有24类。它是一类能将化学能转化为机械能，并沿着一个线性轨道运动的生物分子。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。肌球蛋白参与了包括肌肉收缩、趋化性、胞质分裂、胞饮作用、靶向小包运输及信号传导等内在的多种细胞活动,是生物体内很重要的一大类蛋白。肌球蛋白的分类与功能肌球蛋白依据来源不同可以分为传统的肌球蛋白和非传统的肌球蛋白。传统的肌球蛋白是指构成肌肉的肌球蛋白，即肌球蛋白Ⅱ，但是非肌肉细胞也存在肌球蛋白Ⅱ，称为非肌肉肌球蛋白Ⅱ。非传统的肌球蛋白是指肌肉中不含有的肌球蛋白，如肌球蛋白Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，只存在于非肌肉细胞之中；肌球蛋白Ⅷ，Ⅺ和Ⅻ只存在于植物当中。一些主要肌球蛋白的功能：肌球蛋白Ⅰ在生物体内的作用是细胞运动，胞饮作用和泡液收缩。骨骼肌肌球蛋白Ⅱ的作用是使骨骼肌肌肉收缩。肌球蛋白Ⅴ主要功能是靶向小包运输和信使RNA的靶向运输。肌球蛋白Ⅱ目前研究比较多的是肌球蛋白Ⅱ、肌球蛋白Ⅴ和肌球蛋白Ⅵ，其中以肌球蛋白Ⅱ为最。肌球蛋白Ⅱ最早发现于动物细胞的肌肉组织和细胞质中，它可分为骨骼肌肌球蛋白Ⅱ、平滑肌肌球蛋白Ⅱ、心肌肌球蛋白Ⅱ、非肌肉肌球蛋白Ⅱa、非肌肉肌球蛋白Ⅱb等，并广泛存在于肌细胞和非肌细胞中。前三种肌球蛋白Ⅱ的主要功能是为肌肉收缩提供驱动力,它能够把ATP水解释放出来的化学能转化为驱动肌肉收缩的机械能。肌球蛋白的结构肌球蛋白I只有一条重链，尾部较短。肌球蛋白II形状如“Y”字，有两条完全相同的重链，每条重链的颈部也有一条调解轻链，一条必需轻链，但是重链的尾部较长。肌球蛋白V形状也如“Y”字，有两条完全相同的重链，但颈部较长，每条重链的颈部有三条调解轻链，三条必需轻链，尾部较短，尾部顶端有和运输物质相结合的位点。通过对不同肌球蛋白的结构总结得出：不管肌球蛋白的来源如何，其基本结构是由一条或两条重链和几条轻链组成。根据重链在细胞内所起的作用，按照结构和功能不同可划分三个区域：①位于重链的N末端形成一个球状的头部，含有一个肌动蛋白结合位点和ATP结合位点的催化区域，负责释放化学能。②重链的C末端则形成一个细长的α-螺旋状的尾部，尾部结构区域含有决定尾部是同膜结合还是同其它的尾部结合的位点。③连接头尾的是α-螺旋状的颈部，其与必需轻链、调钙素或类似钙调素的调节轻链相连，颈部还是起到水平臂作用的区域。在这个区域中通过ATP水解将产生动力冲程，从而实现将化学能转化为机械能。其中由两个球状的头部和颈部形成的调节结构区域，称为S-1(Subfragment1)。肌球蛋白分子结构肌球蛋白头部三维结构肌球蛋白马达肌球蛋白马达是肌肉收缩中的关键单元，它通过水解ATP释放能量沿肌动蛋白丝“轨道”定向运动,大量肌球蛋白马达协调运动使肌肉收缩。肌球蛋白的运动方式肌球蛋白是一种多功能的蛋白，其主要功能就是为肌肉收缩提供力。肌丝滑动学说认为肌肉细丝和肌肉粗丝相互交叠在一起，肌肉收缩是由于肌肉细丝(肌动蛋白)与肌肉粗丝(肌球蛋白)发生相对滑动的结果。在肌肉收缩过程中，粗丝和细丝本身的长度都不发生改变，收缩只是由于细肌丝与粗肌丝的重叠区域增加了，肌丝滑动的能量由ATP提供。摆动杆臂模型认为肌丝滑动时肌球蛋白头部首先以固定的几何结构与肌动蛋白结合,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，通过分子屈伸使肌动蛋白丝移动.最近关于肌球蛋白运动方式的研究表明，肌球蛋白V与肌球蛋白VI的运动方式与其它肌球蛋白有点不同，前者是连续运动的，即任意时刻总有一个头部与肌动蛋白接触，而不是以跳跃的方式前进的；后者则可以逆肌动蛋白丝运动。肌球蛋白与ATP作用肌球蛋白水解ATP循环的开始,没有结合ATP的肌球蛋白紧紧地以一种僵直的状态和肌动蛋白结合在一起。在活体生命中,这种状态极其的短暂,其很快就会因为结合ATP而终止。ATP进入肌球蛋白头部的裂缝(结合位点),肌球蛋白的肌动蛋白结合位点的构象立刻产生微小变化,肌球蛋白和肌动蛋白的结合力减弱。裂缝像贝壳一样关闭，触发肌球蛋白头部的巨大变化，肌球蛋白的头部在肌动蛋白上移动5nm,ATP水解,但ADP和Pi并没脱离肌球蛋白,肌球蛋白和肌动蛋白的细丝在新的位置产生弱的结合。产生的弱的结合导致Pi的释放，这个释放同时引发一个动力冲程,这个力使肌球蛋白的形状复原,同时释放出ADP。肌球蛋白能够把ATP水解释放出来的化学能转化为促进肌动蛋白移动的机械能,且它能催化ATP水解。一般认为,肌球蛋白水解ATP过程分为以下几个步骤:肌球蛋白ATP结合位点的基本结构肌球蛋白的头部有一个ATP的结合腔,且它能催化ATP水解.研究肌球蛋白中ATP结合腔的构成及其由哪些氨基酸组成,有利于研究肌球蛋白催化ATP水解机理.研究表明肌球蛋白ATP的结合腔由三个loop形成:磷酸结合loop简称为P-loop,Switch-1loop,和Switch-2loop.SwitchI和SwitchII上的某些氨基酸残基是ATP水解的关键,如SwitchI中的Arg238,SwitchII的Glu459(盘基网柄菌肌球蛋白II)。通过X-ray晶体衍射观测ATP类似物和盘基网柄菌肌球蛋白II结合后的晶体的三维结构,发现ATP与肌球蛋白结合位点的氨基酸残基大多数位于23KDa和50KDa段。可能与ATP结合的氨基酸残基是Ser181,Gly182,Gly184,Lys185,Thr186,Glu187,Asn188,Arg238,Ser237,Ser236,Asn235,Asn233,Asn12等,以及形成对ATP的水解起关键作用的Cleft氨基酸残基Arg238和Glu459。[在肌球蛋白S-1中存在一个对ATP水解起到很重要作用的裂缝(Cleft)，它存在于ATP结合位点与肌动蛋白结合位点间,该裂缝不但沟通了两个活性位点,且还可能在机械做功时的构型改变过程中起关键作用]。ATP结合位点的氨基酸残基展望肌球蛋白是生物体内的一大类蛋白，且在生物体内起着举足轻重的作用。如果对肌球蛋白的工作机理研究十分成熟，这不但可以使人们更加了解生命体是如何将化学能转化为机械能的，同时可以给人们设计分子机械提供很好的借鉴。如：随着对肌球蛋白II研究的深入，可以从机理上解释心肌肥大等疾病，并通过基因的手段治疗这类疾病；对肌球蛋白V和VI研究的深入，可以仿照其设计微型的分子传送机。