骨骼肌收縮過(guò)程中鈣離子的作用①

賀忠兵(吉林大學(xué)體育學(xué)院 吉林長(zhǎng)春 130000)

?

骨骼肌收縮過(guò)程中鈣離子的作用①

賀忠兵
(吉林大學(xué)體育學(xué)院 吉林長(zhǎng)春 130000)

摘 要:骨骼肌收縮是一個(gè)非常復(fù)雜而要受到精細(xì)調(diào)控的過(guò)程,在此過(guò)程中涉及多種離子的調(diào)控,其中鈣離子在骨骼肌收縮過(guò)程中起著最關(guān)鍵的作用。因此該文主要在運(yùn)動(dòng)生理學(xué)、人體解剖學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)上,通過(guò)引用文獻(xiàn)資料、邏輯分析等研究方法,從細(xì)胞和分子水平來(lái)研究鈣離子在骨骼肌收縮過(guò)程中是如何發(fā)揮作用的。

關(guān)鍵詞:骨骼肌收縮過(guò)程 細(xì)胞水平 分子水平 鈣離子

骨骼肌收縮是生命運(yùn)動(dòng)的基本過(guò)程之一,大致分為興奮-收縮偶聯(lián)、橫橋的運(yùn)動(dòng)引起的肌絲滑行、收縮的肌肉舒張這三個(gè)過(guò)程,在這三個(gè)過(guò)程中,鈣離子發(fā)揮著關(guān)鍵性的調(diào)控作用,其中鈣離子的數(shù)量、濃度等直接影響著骨骼肌收縮的速度和力量進(jìn)而影響運(yùn)動(dòng)成績(jī),也對(duì)形體的塑造、生活水平等產(chǎn)生重大的影響,不過(guò)許多學(xué)者只是單純研究了鈣離子在細(xì)胞中的作用,并未從細(xì)胞和分子水平對(duì)骨骼肌收縮的整個(gè)過(guò)程中鈣離子發(fā)揮的作用來(lái)進(jìn)行研究,因此該文結(jié)合大量最新研究進(jìn)展,對(duì)骨骼肌收縮過(guò)程中鈣離子的作用作如下的綜述。

1 興奮-收縮過(guò)程

當(dāng)興奮傳遞到神經(jīng)軸突末梢時(shí),突觸間隙的鈣離子進(jìn)入神經(jīng)軸突內(nèi),刺激使突觸囊泡移向突觸前膜釋放乙酰膽堿這種遞質(zhì)進(jìn)入突觸間隙,乙酰膽堿進(jìn)入突觸間隙后使突觸后膜興奮進(jìn)而產(chǎn)生動(dòng)作電位傳遞到細(xì)胞內(nèi)至三聯(lián)管,隨后乙酰膽堿被突觸間隙有關(guān)的酶水解。因此鈣離子在興奮-收縮過(guò)程中的作用主要體現(xiàn)在進(jìn)入神經(jīng)軸突過(guò)程和突觸囊泡將遞質(zhì)由神經(jīng)軸突釋放到突觸間隙,以及肌質(zhì)網(wǎng)釋放鈣離子進(jìn)入胞漿這三個(gè)過(guò)程[1]。

1.1 鈣離子在進(jìn)入神經(jīng)軸突過(guò)程中的作用

鈣離子調(diào)節(jié)神經(jīng)-肌肉的興奮性[2]:細(xì)胞靜息電位主要靠鉀離子和鈉離子的相對(duì)平衡電位來(lái)維持的。

(1)鈣離子與鉀離子有競(jìng)爭(zhēng)的作用:當(dāng)鈣濃度低的時(shí)候,漿膜上結(jié)合的鈣離子就會(huì)減少,這樣漿膜對(duì)鉀離子的通透性增大,鉀離子外流,使膜產(chǎn)生輕微的去極化,興奮性就會(huì)提高。相反,當(dāng)鈣濃度升高時(shí),興奮性就會(huì)下降。

(2)鈣濃度的多少直接影響著鈉離子通道的開(kāi)放程度:Balker等將發(fā)光蛋白注入烏賊的巨大軸突證實(shí)了鈣離子和鈉離子共用一個(gè)通道[3],因此當(dāng)細(xì)胞外液的鈣離子濃度下降時(shí),鈣離子占據(jù)鈉離子通道減少,神經(jīng)肌肉的興奮性就會(huì)提高,相反,興奮性就會(huì)降低。

1.2 神經(jīng)軸突內(nèi)突觸囊泡釋放乙酰膽堿遞質(zhì)過(guò)程中的作用

鈣離子參與了神經(jīng)軸突內(nèi)突出囊泡釋放的過(guò)程,該過(guò)程也叫作胞吐過(guò)程,在此過(guò)程中發(fā)揮主要作用的是SNARE核心復(fù)合物, SNARE核心復(fù)合物是由位于突觸前膜和突觸囊泡膜上跨膜區(qū)的syntaxin和VAMP各提供一個(gè)@螺旋以及無(wú)跨區(qū)的SNAP-25提供兩個(gè)@螺旋組成的一個(gè)核桿狀四螺旋束。這個(gè)核心復(fù)合物的啟動(dòng)受Munc18/nSec1與syntaxin的控制,在核心復(fù)合物啟動(dòng)之前,它們是處于結(jié)合狀態(tài)。當(dāng)鈣離子由突觸間隙準(zhǔn)備進(jìn)入突觸前膜時(shí),激活了rab蛋白,進(jìn)而促進(jìn)了Munc18/nSec1與syntaxin的的分離,從而啟動(dòng)了核心復(fù)合物,核心復(fù)合物使突觸囊泡移至突觸前膜,此時(shí)突觸前膜和突觸囊泡膜處于預(yù)融合狀態(tài),當(dāng)大量的鈣離子涌入軸突內(nèi)時(shí),核心復(fù)合物形成的螺旋束完全聚合,突觸前膜和突觸囊泡膜完全融合,將乙酰膽堿釋放出去。最后NSF發(fā)揮作用使核心復(fù)合物解聚,再進(jìn)行下一輪突觸囊泡的胞吐過(guò)程[4]。另外研究表明:在體外鈣離子和鈣調(diào)素依賴(lài)的蛋白激酶Ⅱ共同使VAMP磷酸化[5]可以抑制突觸的傳遞作用,但在人體內(nèi)作用是否相同,還需要大量的學(xué)者做進(jìn)一步的研究。

1.3 鈣離子在肌質(zhì)網(wǎng)中的作用

乙酰膽堿作用于由肌膜形成的突觸后膜,產(chǎn)生了動(dòng)作電位,當(dāng)肌膜的動(dòng)作電位傳至肌質(zhì)網(wǎng)時(shí),肌質(zhì)網(wǎng)釋放鈣離子進(jìn)入胞漿內(nèi),鈣離子釋放通道也被稱(chēng)為Ryanodine,Ryanodine是肌質(zhì)網(wǎng)釋放鈣離子進(jìn)入胞漿內(nèi)的主要通道[4],鈣離子釋放通道受調(diào)控蛋白如鈣調(diào)素等和一些離子如鈣離子、鎂離子等的調(diào)控,且鈣離子對(duì)鈣離子釋放通道的調(diào)節(jié)作用是從三個(gè)方面來(lái)體現(xiàn)的。

1.3.1 胞漿內(nèi)鈣離子對(duì)鈣離子釋放通道的調(diào)節(jié)

科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鈣離子釋放通道里有鈣離子的一級(jí)結(jié)合點(diǎn),胞漿內(nèi)鈣離子的多少影響著它們的結(jié)合程度進(jìn)而影響鈣離子釋放通道的開(kāi)放程度。正常情況胞漿內(nèi)鈣離子的濃度為10-7mol/L,當(dāng)鈣離子濃度在1～10μmol/L時(shí),鈣離子促進(jìn)鈣離子釋放通道的開(kāi)放,但當(dāng)鈣離子濃度在100μmol/L～100mmol/L時(shí),鈣離子則側(cè)重于對(duì)鈣離子釋放通道的抑制作用[5]。

1.3.2 肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)鈣離子對(duì)鈣離子釋放通道的調(diào)節(jié)

機(jī)體內(nèi)大部分鈣離子被儲(chǔ)存在線(xiàn)粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi) 正常情況濃度都為10-5mol/L,肌質(zhì)網(wǎng)是特化的內(nèi)質(zhì)網(wǎng),因此肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)存在著大量的鈣離子,通過(guò)單道實(shí)驗(yàn)證實(shí)鈣離子釋放通道的活性與肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)鈣離子的濃度成正比[4],且正好與胞漿內(nèi)的鈣離子的調(diào)節(jié)相反,肌質(zhì)網(wǎng)鈣離子濃度越多,就越容易刺激肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)的激活劑,激活劑進(jìn)而增加了鈣離子釋放通道的活性,越有利于鈣離子釋放到胞漿內(nèi);相反,則為抑制鈣離子釋放到胞漿內(nèi)。

1.3.3 鈣離子和鈣調(diào)素等內(nèi)調(diào)節(jié)蛋白共同調(diào)節(jié)鈣離子釋放通道

由于鈣離子/鈣調(diào)素和鈣調(diào)素的結(jié)合在鈣離子釋放通道上是非常相似的,因此是敏感地響應(yīng)細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的基礎(chǔ),因此鈣離子的濃度能到影響到鈣調(diào)素對(duì)鈣離子釋放通道的影響:當(dāng)鈣離子濃度很低時(shí),鈣調(diào)素激活鈣離子釋放通道,相反,則抑制鈣離子釋放通道。

2 橫橋的運(yùn)動(dòng)引起肌絲滑行的過(guò)程

骨骼肌細(xì)胞又稱(chēng)肌纖維,無(wú)數(shù)的肌原纖維構(gòu)成了肌纖維,粗肌絲和細(xì)肌絲構(gòu)成了肌原纖維(myofibrils),粗肌絲的成分是肌球蛋白(myosin),細(xì)肌絲的主要成分是肌動(dòng)蛋白、原肌球蛋白(troponmyosin,Tm)、和肌鈣蛋白(troponin,Tn)組成[8],其中肌動(dòng)蛋白分子中有一個(gè)馬達(dá)結(jié)構(gòu)域的頭部,該結(jié)構(gòu)域包括有一個(gè)微絲結(jié)合位點(diǎn)和一個(gè)具有ATP酶活性的ATP結(jié)合位點(diǎn);肌鈣蛋白含有3個(gè)亞基,其中肌鈣蛋白-C(Tn-C)能與鈣離子結(jié)合,肌鈣蛋白-T (Tn-T)與原肌球蛋白有高度的親和力,肌鈣蛋白-1(Tn-1)能抑制肌球蛋白馬達(dá)結(jié)構(gòu)域的ATPase的活性,另外粗肌絲和細(xì)肌絲之間就形成了橫橋[7]。

鈣離子由肌質(zhì)網(wǎng)進(jìn)入胞漿內(nèi)后,胞漿內(nèi)的鈣離子濃度上升,當(dāng)達(dá)到骨骼肌收縮期的鈣離子的閾濃度(約為10-6mol/L),鈣離子就與Tn-C結(jié)合,引起了Tn-C構(gòu)象變化,此時(shí)Tn-1、Tn-T和Tn-C結(jié)合力都加強(qiáng),導(dǎo)致肌動(dòng)蛋白與Tn-1脫離,且在肌球蛋白馬達(dá)結(jié)構(gòu)域的ATP的活性提高,ATP水解提供能量,同時(shí)肌球蛋白與肌動(dòng)蛋白就開(kāi)始結(jié)合,并在ATP提供能量下,肌球蛋白頭部朝著肌動(dòng)蛋白彎曲,其中彎曲后的肌球蛋白頭部能結(jié)合ATP,從而使肌動(dòng)蛋白分開(kāi),這樣就導(dǎo)致了細(xì)肌絲與粗肌絲的相對(duì)滑動(dòng)。在此過(guò)程中鈣離子的作用不僅體現(xiàn)在與Tn-C結(jié)合,還表現(xiàn)在激活了肌球蛋白中ATP的活性,促進(jìn)ATP水解,釋放能量供肌絲的滑行。當(dāng)然在細(xì)胞內(nèi)鈣離子使無(wú)活性的磷酸化酶b轉(zhuǎn)化為有活性的磷酸化a,加速糖元的分解,為肌肉的滑行提供ATP[1]。

3 收縮的肌肉舒張過(guò)程

當(dāng)被釋放到突觸間隙的乙酰膽堿被有關(guān)酶水解和鈣離子釋放通道不在釋放鈣離子時(shí),在肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)的鈣泵也就是鈣離子-ATP酶和ATP水解提供能量的作用下,鈣離子通過(guò)主動(dòng)運(yùn)輸逆著濃度進(jìn)入肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

鈣離子在骨骼肌收縮過(guò)程中起著觸發(fā)、調(diào)控的作用,鈣離子的濃度影響著收縮的速度和力量。因此,在日常生活中,特別是運(yùn)動(dòng)員,在訓(xùn)練、比賽期間,注意飲食,適當(dāng)?shù)卦黾訉?duì)含鈣食品的攝入,進(jìn)而提高身體素質(zhì)以及運(yùn)動(dòng)成績(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧樹(shù)勛,王建,喬德才.運(yùn)動(dòng)生理學(xué)[M].北京:高等教育出版社, 2007:47-51.

[2] MFill,JA Copello.Pyanodine receptor calcium release channels[J]. Physiological Reviews,2002,82(3):893-922.

[3]韓紅梅,尹長(zhǎng)城.Ryanodine受體和內(nèi)源性調(diào)節(jié)蛋白的相互作用[J].細(xì)胞生物雜志,2003,25(5):261-164.

[4] Winkele WBA,et al:Annual Rev Physiol[J].1976:38,247.

[5] YA Chen,RH Scheller.SNARE-Mediated Membrane Fusion[J].Nature Reviews Molecular Cell Biology,2001, 2(2):98-106.

[6] Dubois Thierry,KeraiPreeti,Learmonth Michele, et al. Identification of syntaxin-1A sites of phosphorylation by case in kinase I and casein kinase II[J].European Journal Biochemistry,2002,269(3):909-914.

[7]李俊成,岳文浩.鈣離子與細(xì)胞的功能[J].生理科學(xué)進(jìn)展,1980, 11(1):55-64.

[8]翟中和,王喜忠,丁明孝.細(xì)胞生物學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2013:276-279.

作者簡(jiǎn)介:①賀忠兵(1992—),男,山西呂梁人,碩士研究生,研究方向:運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)。

DOI:10.16655/j.cnki.2095-2813.2016.03.011

中圖分類(lèi)號(hào):G80

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):2095-2813(2016)01(c)-0011-02