综述：肌动蛋白-肌球蛋白循环在能量转换及肌肉中正磷酸盐释放过程中的多种途径

《Frontiers in Physiology》：Multiple pathways of the actin-myosin cycle in energy transduction and the release of orthophosphate in muscle

工作步与Pi释放的正交性及机械耦合机制。通过高分辨率力学与同步辐射X射线衍射，揭示肌球蛋白II的工作步（分子臂构象变化）与Pi释放（磷酸基团解离）互不依赖且顺序可调，其速率受负载影响：高负载时Pi释放先于工作步，低负载时工作步与Pi释放同步。模型整合滑移机制（肌球蛋白在收缩中滑移至相邻肌动蛋白位点）和Pi释放的结构依赖性，解释了力-速度关系与ATPase速率的矛盾，提出Pi释放速率随工作步进程递增的动力学模型。

　　肌肉收缩是一个复杂的生物物理过程，其核心在于肌球蛋白II（myosin II）作为分子马达，通过与相邻的肌动蛋白丝（actin filaments）的周期性ATP驱动相互作用，将化学能转化为持续的力和肌丝缩短。肌球蛋白II在粗肌丝的两个双极排列中起作用，其工作过程可以分为几个关键步骤。其中，工作摆动（working stroke）是力的产生和肌丝滑动的核心，它涉及肌球蛋白的杠杆臂（lever arm）在与肌动蛋白结合的催化域（catalytic domain）周围进行的跨域倾斜运动，能够产生高达约5 pN的力或约10 nm的肌丝滑动。另一个关键步骤是ATP水解产物正磷酸（Pi）从核苷酸结合位点的释放，这一过程与大量的自由能释放有关。

在这一过程中，工作摆动和Pi释放并不是同时发生的。这一观点最初由Pi瞬态（Pi transient）实验所证实，即在逐步改变Pi浓度时，力的响应表现出饱和动力学特征，表明这是一个两步反应过程。然而，尽管高分辨率的肌球蛋白结构表明Pi释放发生在工作摆动之前，但体外功能研究却显示出相反的结果。为了进一步明确这些步骤之间的相对时间关系，科学家们采用了一种基于单肌纤维的高分辨率肌节水平力学方法，这种方法通过逐步改变长度或负载来实现肌球蛋白马达的同步。结果表明，工作摆动的速率与Pi浓度无关，而仅取决于负载。这一发现支持了工作摆动和Pi释放之间存在非同步关系的假设。

为了更好地理解这一复杂的能量转换机制，研究者们开发了一个结构和生化机制明确的模型，该模型将Pi释放与工作摆动的进展视为正交过程。通过模型模拟，可以解释Pi释放速率如何依赖于肌球蛋白的构象变化。例如，在高负载条件下，Pi释放发生在工作摆动之前，而在低负载条件下，工作摆动的速率足够快，可以在Pi仍结合在催化位点时完成。这一模型有效地解答了长期以来存在的问题，即Pi瞬态的速率如何依赖于任何负载下的最终Pi浓度，并澄清了工作摆动与Pi释放之间的相对时间关系。

在肌肉收缩过程中，Pi的浓度变化对力和ATP酶活性（ATPase rate）都有显著影响。然而，一些研究显示，增加Pi浓度对力的抑制作用比对ATP酶活性的影响更为明显。这一现象可以通过引入非传统路径来解释，即在完成工作摆动之前，肌球蛋白可能从力生成状态（如AM'ADPPi）提前脱离，随后迅速释放水解产物。这种非传统路径在模型中表现为一个分支反应，允许肌球蛋白在AM'ADPPi状态下脱离，随后快速释放Pi并重新结合ATP。这种机制可以解释为什么增加Pi浓度对ATP酶活性的影响有限，同时对力的抑制作用显著。

在模拟过程中，模型能够很好地拟合在不同负载和Pi浓度下的力和速度瞬态，同时保留了传统模型的预测能力。例如，模拟显示，Pi释放的速率可以随着肌球蛋白构象的变化而变化，即随着肌球蛋白在工作摆动过程中的进展而增加。这表明，Pi释放是一个与工作摆动无关的化学步骤，其速率受构象变化的影响，从而间接地与机械条件相关。这种构象依赖的Pi释放速率能够解释Pi瞬态的饱和动力学行为，以及其在不同收缩条件下的表现。

为了进一步验证这些模型，研究者们采用了一种新的方法，即通过同步测量单个肌节的长度变化和力响应，来观察工作摆动的速率和Pi释放的速率如何受到负载和Pi浓度的影响。这种方法通过使用快速力钳（fast force clamp）技术，能够在纳秒和微秒范围内测量力和速度的变化，从而获得更精确的数据。实验表明，工作摆动的速率在低负载时更高，而Pi释放的速率则在高负载时更快，这与模型的预测一致。

此外，研究还发现，肌球蛋白在缩短过程中可以通过滑动到下一个远离肌节中心的肌动蛋白单体，实现快速再生工作摆动。这种滑动机制不仅有助于维持力的产生，还能够解释在生理条件下观察到的最大功率。然而，这一机制在传统模型中无法解释，因为传统模型假设工作摆动和Pi释放是顺序发生的，而无法考虑到滑动过程中的非传统路径。

研究还指出，Pi的释放速率在不同的肌球蛋白构象下存在差异。例如，在工作摆动的早期阶段，Pi释放的速率较低，而在工作摆动的后期阶段，Pi释放的速率显著增加。这种构象依赖的Pi释放速率能够很好地解释在不同收缩条件下观察到的Pi瞬态行为，包括其在等长收缩和等速缩短中的表现。

通过结合高分辨率结构研究和动态力学实验，研究者们提出了一个结构和生化机制明确的模型，该模型能够解释工作摆动和Pi释放之间的关系。这一模型不仅能够拟合实验数据，还能够预测Pi浓度变化对力和速度瞬态的影响。例如，在高Pi浓度下，工作摆动的速率可能增加，而Pi释放的速率可能加快，从而影响整个收缩过程的动力学特征。

综上所述，研究揭示了工作摆动和Pi释放之间的非同步关系，并提出了一个结构和生化机制明确的模型，该模型能够解释Pi瞬态的动力学行为以及肌球蛋白在缩短过程中的滑动机制。这些发现不仅有助于理解肌肉收缩的基本原理，还为未来的生物力学研究提供了新的视角和方法。