馬新東周越王瑞元
《成都體育學院學報》2011年02期
【作者單位】：清華大學體育部；北京體育大學；
【摘要】：
綜述了近年來細胞外基質蛋白、膜骨架蛋白和肌肉微損傷相關聯(lián)的研究。對骨架蛋白在運動中的變化進行了由內而外的探討，重點探討了細胞外基質蛋白在力的傳遞和組織結構的保持中可能發(fā)揮著的重要作用，闡明了肌細胞骨架蛋白在力的傳導過程中存在的可能機理，揭示了細胞外基質蛋白對維持骨骼肌細胞結構穩(wěn)定方面所起的重要作用。
1骨骼肌細胞骨架蛋白
1.1細胞骨架概述
在肌肉細胞中，細胞骨架和它的結合蛋白組成動力系統(tǒng)，提供各種附著力量，并適應細胞收縮過程中幾何形狀的改變。細胞骨架在細胞間傳遞機械和電刺激，它們通過錨定亞細胞結構，如線粒體、高爾基體、細胞核、肌絲等而對細胞的穩(wěn)定性起重要作用。通過膜相關蛋白，特別是同時與細胞內肌動蛋白(actin)和細胞外層粘連蛋白(laminin)結合的肌細胞增強蛋白，可以起到穩(wěn)定和機械傳遞的作用。
1.2骨骼肌細胞質骨架蛋白
1.2.1細胞質骨架蛋白的結構和功能
骨骼肌細胞質骨架可分類為肌節(jié)內骨架、肌節(jié)外骨架兩套骨架細絲系統(tǒng)(肌節(jié)內系統(tǒng)由tinin和nebulin組成，肌節(jié)外系統(tǒng)主要由desmin組成)。Tinin從Z盤伸展到M帶，1983年Lashall等采用免疫電鏡初次發(fā)現(xiàn)tinin的定位，現(xiàn)在認為tinin是連接Z盤和Myosin之間的蛋白絲，從Z盤至M線，在肌節(jié)中具有一定的彈性，并維持Myosin的中間狀態(tài)。Nebulin在細胞中的定位是1988年發(fā)現(xiàn)的，在肌肉放松的狀態(tài)下nebulin起源于Z盤，延伸至I帶，連接于Z盤與Z盤之間，與A帶中的actin平行排列，主要作用是保持actin的正常結構。
肌節(jié)外細胞骨架主要有中間絲蛋白(intermediatefilaments)組成，它位于肌原纖維周圍，連接Z盤、核膜和肌細胞膜之間。研究更多的中間絲蛋白是desmin，其位于肌節(jié)Z盤周圍，連接相鄰的Z盤。
1．2．2骨骼肌細胞質骨架蛋白與運動的相關研究
在大量的肌肉損傷和修復的研究文獻中，發(fā)現(xiàn)desmin骨架蛋白提供了一個離心收縮后肌肉損傷的形態(tài)學指標。Desmin丟失的量與損傷后1～3天收縮力的下降是大致相關的，這表明細胞質骨架蛋白可作為肌肉微損傷后力量下降的解釋原因之一。肌節(jié)收縮蛋白成分之間的相互作用關系已很明確，在Z盤水平，機械力的整合由desmin中間絲蛋白網(wǎng)和肌節(jié)之間發(fā)生。肌原纖維Z盤被認為是收縮力的、彈性成分的和細胞骨架的結合點，總之在主動的和被動的力的傳遞中扮演了一個關鍵角色。Z盤也被認為是在肌原纖維中更薄弱的部分，因此，發(fā)生Z盤流變和Z線模糊的機制可理解為：由于肌肉收縮時肌小節(jié)長度可由1％的變化，肌肉收縮時肌節(jié)間的運動速度就不一致。根據(jù)Katz速度-力量關系曲線，在向心收縮時相鄰的肌節(jié)間所受到的張力的差異只有1～2％至大張力，而在離心收縮時的差異可達50％，甚至超過肌節(jié)所能承受的至大張力值。離心收縮時這些負荷加在Z盤上，就造成了Z盤流變，Z盤的結構遭到破壞，這或許可以解釋為什么離心運動之后肌肉會發(fā)生延遲性肌肉酸痛。
1．3骨骼肌細胞膜骨架蛋白
1．3．1細胞膜骨架蛋白的結構和功能
膜蛋白質主要以兩種形式同膜脂質相結合：表面蛋白質和結合蛋白質。利用電鏡冷凍蝕刻技術可以明確的觀察到骨骼肌細胞膜中的蛋白顆粒。
質膜下的表層溶膠中具有細胞骨架成分組成的網(wǎng)絡結構，除對質膜有支持作用外，還與維持質膜的功能有關，所以這部分細胞骨架又稱為細胞膜骨架。細胞膜骨架位于細胞質膜下約0．2μm厚的溶膠層。
1．3．2骨骼肌細胞膜骨架蛋白與運動的相關研究
Lovering和DeDeyne(2003)用熒光免疫標記抗體的方法研究了離心收縮后骨骼肌細胞膜骨架蛋白(α-actinin、desmin、dystophin、β-spectrin)、完整膜結構蛋白(α-andβ-dystroglycan、sarcoglycan)和細胞外基質蛋白(laminin、fibronectin)的變化。在離心運動引起損傷后，肌纖維之間有明顯的dystrophin標記缺失，而肌膜骨架的其它成份受影響很小(β-spectrin)或根本沒有受影響(α-andβ-dystroglycan)，說明dystrophin更易受到攻擊，并且dystrophin可能在力量轉換中占有重要地位。在DMD(dystrophin缺失)病人的培養(yǎng)骨骼肌細胞中發(fā)現(xiàn)了細胞表面形態(tài)的變化同時也看到了基膜成分的減少，這些發(fā)現(xiàn)說明dystrophin的不足以及DAPS的丟失會導致基膜成分的改變。
Komulainentgi研究了進行拉長收縮對肌纖維微結構的影響。雄性Wistar大鼠的脛骨前肌進行240次用力拉長收縮后，運動后即刻就觀察到一些腫脹纖維中就有不再連續(xù)的dystophin染色，而在此時其它蛋白(如desmin、actin和fibronectin)的抗體染色則沒有改變。6小時后，在所有腫脹纖維中，desmin和dystrophin均已全部缺失，只有部分腫脹纖維表現(xiàn)出actin和fibronectin染色的雜亂。過去認為運動后血清CK等的升高是由于自由基對細胞膜的攻擊所致，但又無法很好的解釋較少自由基產(chǎn)生的離心運動后血清CK濃度急劇升高現(xiàn)象，對于膜骨架蛋白的認識有助于進一步解釋離心收縮后CK、LDH、Mb等肌細胞內容物的漏出。
1．4骨骼肌細胞外基質(ECM)
1．4．1細胞外基質概述
圖中英文釋義如下：ExtracellularMatrix：細胞外基質；Laminin：層粘連蛋白；
a-Dystroglyean：a型肌營養(yǎng)不良(蛋白)聚糖；B-Dystroglycan：B型肌營養(yǎng)不良(蛋白)聚糖；
Dystrophin：肌養(yǎng)蛋白；Plasma membrane：細胞質膜；Cytoplasm：細胞；
Sarcoglycan：肌聚(蛋白)多糖；Dystrobrevins：抗肌萎縮蛋白；Caveolin：小窩蛋白；
Syntrophins：互生蛋白；Sarcospan：肌長蛋白
細胞外基質(ECM)由基膜(basement membrane或basal lamina)和間質結締組織組成。基膜把細胞與其下方的結締組織隔開，基膜不單是起濾篩作用，除此之外它還有許多重要功能，如決定細胞的極性、影響細胞代謝、在細胞質膜附近組織蛋白質結構、誘導細胞分化、引導細胞遷移以及組織再生，在受傷組織再生過程中，基膜發(fā)揮了重要作用，只要基膜存在，即可為再生細胞提供支架，讓他們沿其遷移。
ECM決定組織的形態(tài)和結構，ECM不同成分之間相互作用形成立體骨架結構，對細胞起著支持作用。通過ECM成分與細胞的粘附作用連接細胞。細胞只有通過ECM連接才構成組織。ECM決定組織的牽張強度，組織的牽張強度是指組織破裂時所需要的單位面積的張力。決定正常組織和傷口張力強度的主要ECM成分是膠元。但張力強度并不僅僅取決于膠元的含量，而且與膠元纖維的正常有序結構和合適的纖維素直徑有關。ECM還在決定組織的彈性以及創(chuàng)面收縮和維持組織的內環(huán)境方面有重要的作用。此外，ECM在儲存肽類生長因子，使其不被降解和失活，起貯存庫的作用，能結合細胞因子的ECM成分主要是PGS分子。
1．4．2 Laminin-2的結構功能研究
層粘連蛋白(laminin，LN)是基膜的成分并且是主要功能性成分，LN分子由三條肽鏈借二硫鍵交聯(lián)成不對稱的十字形分子，分子量巨大，約850KDa，還原后產(chǎn)生一條重鏈(a鏈)及兩條輕鏈(B，r鏈)。
laminin-2被認為是在肌膜和膠元纖維之間起到力的傳遞作用的細胞外基質蛋白，laminin-2的功能是在細胞間的連接中為膠元和跨膜蛋白的連接起到連接通道作用，前一條連接途徑是laminin-2和DGC復合物中的α-dystroglyean捆綁，第二條連接途徑是laminin-2和整連蛋白(integrln)復合物中的α7β1-integrin捆綁，這些連接通道使膠元(Collagen)和肌細胞通過層粘連蛋白(laminin-2)相互作用，laminin-2的缺失會使這兩條連接途徑都瓦解，因此膠元和跨膜蛋白的連接作用也會失去。
近期，膜上Alpha-DG的丟失被觀察到，盡管在這之前的研究都表明強調DG和DGC在MCMD顯型上都保持不變。MCMD的分子情況是比較復雜的，在MCMD病人肌肉肌膜上發(fā)現(xiàn)Alpha-DG是顯著下降的，盡管跨膜的beta-DG始終出現(xiàn)，但他的表達水平比正常情況都要高，在轉基因大鼠實驗中顯示，Alpha-DG通過和細胞外基質的捆綁伴侶相互作用而表現(xiàn)得更加穩(wěn)定，肌肉小型agrin的過度表達laminin和Alpha-DG的捆綁位置能夠減輕肌肉營養(yǎng)不良的癥狀，這個實驗顯示DG和細胞外基質捆綁物質的相互作用可以作為新的手段治療肌營養(yǎng)不良。
在MCMD病人和dyw大鼠上發(fā)現(xiàn)肌營養(yǎng)不良的分子方面，通過不同laminin變構體不同的生化行為，實際上，Alpha-DG和laminin之間的捆綁不是由heparin所限制的，heparin在很大程度上限制了Alpha-DG和其他laminin異構體的相互作用。在dyw大鼠上發(fā)現(xiàn)，laminin-2的缺失會影響其他laminin蛋白的表達，主要是laminin-4的表達，而laminin-4和Alpha-DG的相互作用被heparin所強烈限制，因為heparin和heparan sulfate proteoglycan充足表達的生物活動一樣，因此heparan sulfateproteoglycan在MCMD肌肉上的過度表達會很大程度擾亂Alpha-DG和laminin蛋白的連接，這不同的heparin的敏感性可以幫助鑒別特殊調控的Alpha-DG和不同細胞外基質蛋白laminin的相互作用。
1．4．3 CollagenⅣ的結構功能研究
膠元是肌肉連接組織的主要蛋白，只占肌肉瘦體重的1～9％，在骨骼肌上膠元分為四種亞型，分別為CollagenⅠ、CollagenⅢ、CollagenⅣ和CollagenⅤ。組織學觀察被稱為網(wǎng)狀纖維的CollagenⅠ，CollagenⅢ是大膠元在肌外膜(perimysium)上和肌纖維的基膜(basement membrane)相聯(lián)系，CollagenⅣ纖維就在基膜上，CollagenⅤ是小膠元在肌內膜(endomysium)上，骨骼肌上不同類型的膠元都有自己的結構特性在肌肉功能上起到不同的作用。
CollagenⅣ作為細胞外基質蛋白的一種，在細胞外基質中含量很少，是基膜的框架結構，也是基膜的膠原，在組織中細胞排列和骨骼肌中維持力的穩(wěn)定性中發(fā)揮著重要作用，三股螺旋結構被非螺旋片段隔斷24次，非螺旋區(qū)為CollagenⅣ提供柔韌性，并易被蛋白酶降解。各CollagenⅣ膠原分子通過C端的球區(qū)相互以非共價鍵結合，而N端則互有一小段重疊并以共價鍵交聯(lián)。如此形成三維網(wǎng)絡，并為基膜提供造型及剛性。
1．4．4骨骼肌細胞外基質與運動有關的研究現(xiàn)狀
Suneal R．Jannapureddy用dy/dy大鼠模型(一種laminin-2缺失鼠模型)研究表明：和對照組相比較，laminin-2缺失大鼠的肌肉收縮力下降，并且伴隨著laminin-2的減少，collagenⅣ的含量增加，laminin-2無論在肌纖維橫向力和縱向力的傳導過程中都起著關鍵的作用，而且laminin-2的缺失對肌肉的僵硬有影響，對肌肉的橫向和縱向的主動力和被動力的改變都有影項。Richard M．Lovering and Patrick G．DeDeyne(2003)研究了離心運動后大鼠骨骼肌laminin-2在即刻、3天、7天、21天時的情況，沒有發(fā)現(xiàn)變化。
一定形式的慢性負荷練習可以增加膠元的含量，只不過是膠元合成類型和膠元合成的程度不同。這些變化可以改變組織的粘彈性以及機械特性，使組織更易抗拉。Vukko Kovanen等通過免疫熒光染色發(fā)現(xiàn)骨骼肌不同類型肌纖維的膠元的含量會因為運動或年齡等因素而發(fā)生變化。Kovanen等發(fā)現(xiàn)無論是生物化學分析還是組織學分析，慢肌纖維Ⅳ型膠原比快肌纖維膠元含量更豐富，同時免疫熒光染色顯示慢肌纖維的基膜(basement membrane)比快肌纖維的基膜要更厚一些。Kovanen等推測快、慢肌纖維的膠元含量不同很有可能會影響到肌肉機械力的特性。Alnaqeeb等通過生物化學和組織學研究發(fā)現(xiàn)肌肉膠元的含量隨著年齡的增加而增加，在慢肌纖維中膠元的增加是在生長期和年老期，而快肌中的膠元明顯的增加是在年老期。而且膠元隨著年齡的增加而增加并不是線性的，在成年期膠元含量呈下降趨勢。Kovanen和suominen發(fā)現(xiàn)對成年大鼠進行耐力訓練，訓練過的大鼠比未進行過訓練的大鼠的膠元含量要高。Koskinen研究了離心運動后大鼠在比目魚肌和骨四頭肌CollagenⅣ含量的變化。發(fā)現(xiàn)離心運動后比目魚肌CollagenⅣ各時相間沒有顯著性變化。骨四頭肌紅肌部分CollagenⅣ的含量顯著下降，而骨四頭肌白肌部分CollagenⅣ的含量7天后有上升的趨勢。Koskinen同時發(fā)現(xiàn)CollagenⅣ在比目魚肌含量更豐富，而在骨四頭肌白肌部分含量更低。有兩種可能的解釋，一是在大鼠骨骼肌中Ⅱb型肌纖維是Ⅰ型肌纖維的兩倍以上，有可能比目魚肌比骨四頭肌白肌部分的基底膜體積要大，但現(xiàn)在還沒有看到關于不同肌纖維類型中基底膜含量不同的研究，這個假設只是推測；還有一種解釋就是慢肌纖維的毛細管和肌纖維的比例比快肌要高，因此比目魚肌CollagenⅣ含量要比骨四頭肌高，所對應的就是慢肌的膠元含量要比快肌的要高，這也表明不同肌纖維細胞外基質膠元含量有差異。
2肌力的產(chǎn)生與傳導
對于離心收縮來說，力量的傳輸通路承載了高張力的作用。力的傳導是一個細胞產(chǎn)生機械力并且引起細胞內信號傳導從而促進細胞生長和存活的重要方面，可以控制多種細胞的形態(tài)和結構。細胞外基質(ECM)把身體的組織連接在一起，在力的傳遞和組織結構的保持中發(fā)揮著重要的作用。層粘連蛋白(laminins)和膠元蛋白(collagenⅣ)是細胞外基質中基膜的重要功能性成分，能夠和跨膜蛋白連接調整細胞功能并且起到力的傳遞作用。
laminin-2有可能在肌纖維和膠元的力的傳遞中發(fā)揮著重要的作用，Suneal R．Jannapureddy(2003)研究假設laminin-2缺失會改變骨骼肌的被動僵硬、粘彈性特性以及肌肉收縮力量，利用dy/dy mouse，一種laminin-2缺失鼠模型，來檢驗肌肉結構的主動和被動變化，當大鼠被麻醉和橫隔膜以及后肢二頭肌被切離，被動拉長的關系，壓力放松曲線，等容收縮特性，Suneal R．Jannapureddy(2003)研究數(shù)據(jù)顯示，laminin-2對肌肉僵硬、肌肉粘彈性、收縮性有作用，其機理可能是laminin-2在肌細胞之間力的傳遞過程中起作用。馬新東研究發(fā)現(xiàn)急性運動造成骨骼肌損傷后，基質蛋白CollgenⅣ降解減少，而細胞基質蛋白lamlnin-2不僅沒有減少，反而增加，這可能和laminin-2蛋白有代償功能有關。此外，馬新東在隨后的研究還發(fā)現(xiàn)適應性訓練可以增加骨骼肌基質蛋白laminin-2的含量。
3骨骼肌微損傷與肌力的損失
在運動實踐中大強度離心運動可以引起延遲性的骨骼肌損傷(微損傷)，這種損傷會引起力量的下降等反應，其中包括，骨骼肌內容物泄漏入血，即血清酶、肌內蛋白等的升高。
陳英杰等研究發(fā)現(xiàn)，在大強度離心運動后，大鼠的肌肉組織出現(xiàn)一系列的炎癥和退行性病變，運動后3小時，深層紅肌的肌細胞與筋膜組織連接處已出現(xiàn)膠原細胞核增生現(xiàn)象，部分血管周圍已有大量白細胞滲出；運動后24小時和48小時，損傷進一步加重，部分肌細胞變性壞死，肌漿內白細胞浸潤。劉顯東等的研究也發(fā)現(xiàn)在離心運動后48小時肌纖維組織形態(tài)學改變更為嚴重，肌細胞內巨噬細胞明顯增多，少數(shù)損傷肌纖維的胞漿已被完全清除，肌細胞可見節(jié)段性損傷。而且根據(jù)肌絲滑動理論，在肌肉收縮過程中，肌球蛋白球頭與肌動蛋白不斷的再結合。但在離心收縮時，肌動蛋白絲不是向著肌球蛋白絲的中部移動，而是被外力作用向相反的方向移動。因此容易導致肌纖維的機械損傷。FddenJ和Jones D．A分別利用肌肉活檢技術從形態(tài)學上證實了離心收縮后骨骼肌機械損傷的出現(xiàn)，并指出離心收縮主要有選擇的損傷Ⅱ型肌纖維的收縮裝置。
肌損傷的重要特征是產(chǎn)生力量能力的立即下降。這種力量的下降已知與幾種因素有關：
(1)興奮收縮解偶聯(lián)；
(2)產(chǎn)生力量的結構如actin和myosin的破壞和丟失；
(3)力量傳送結構如dystrophin、desmin、laminin的破壞和丟失。
骨骼肌的重復的離心收縮可導致等長收縮力的立即下降，這是由于興奮-收縮解偶聯(lián)并破壞了力量產(chǎn)生或傳遞的結構。在起初的力量下降之后，還存在“二次損傷”的現(xiàn)象，即除在運動后即刻觀察到損傷外，24～48小時出現(xiàn)的再一次力量下降，或肌組織的病理學改變。一般認為這是炎性細胞介導的病理反應過程，對活動肌肉的牽拉都可以產(chǎn)生各種病理學變化。
4結語
作為骨架蛋白的重要組成部分，細胞外基質蛋白和膜骨架蛋白在維持肌細胞的結構以及力的傳導過程中所發(fā)揮的作用的研究已經(jīng)取得了相當重要的成果，但相對的，運動后骨骼肌微損傷的發(fā)生及恢復過程中肌細胞的細胞外基質以及膜骨架蛋白在結構、功能方面的變化以及對力的傳導過程中的影響的研究還較少，對骨骼肌骨架蛋白ECM以及相關蛋白的研究可以為運動訓練中合理的控制負荷強度和負荷量，并在訓練后積極有效的進行恢復提供理論依據(jù)并且為探討運動性微損傷的發(fā)生機制提供更為全面的理論探討。