第 58 章：骨骼肌的收缩机器（The Contractile Machinery of Skeletal Muscle）

58.1 肌原纤维的重复单元——肌节（SARCOMERES ARE REPEATING UNITS OF THE MYOFIBRILS）

本章由 Franzini-Armstrong（宾夕法尼亚大学细胞与发育生物学系）与 Sweeney（同校生理学系）合著，作者开门见山指出：骨骼肌纤维（及心肌细胞）内的收缩物质被组织成圆柱形的肌原纤维（myofibrils），后者由收缩性的肌丝（myofilaments）构成；成年肌纤维的肌原纤维填满整根纤维，仅留下容纳细胞核及伴随高尔基体、线粒体、肌浆网、糖原颗粒等的少量空间。肌原纤维由数微米长的重复单元——肌节（sarcomeres）——组成。按照约定，肌节以 Z 线（Z-lines / Z-bands）为起止边界：Z 线是高密度、高折射率、电子密度高的蛋白带。两条 Z 线之间是几条光性与电性各异的条带，其性质取决于内部结构组分：中央是 A 带（optically anisotropic，光学各向异性因此得名，双折射、电子密度高），由平行排列的"粗"肌丝（myosin）构成，长度在所有脊椎动物骨骼肌中恒为 1.6 μm，边缘因粗肌丝长度均一而锐利（参看 Craig 的蛋白清单）；I 带位于 A 带两侧并被 Z 线平分，因仅由 actin 细肌丝构成而弱双折射；细肌丝从 Z 线跨过 I 带进入 A 带，在 A 带中央的 H 区（H-zone）只留下粗肌丝。粗、细肌丝在 A 带重叠区呈双六角阵列排列——横切面上，粗肌丝位于正六角形顶点，每条粗肌丝被六条细肌丝包围构成第二层六角形；每条细肌丝又恰与三条粗肌丝等距相邻，呈三角位（trigonal position）。H 区内部又可细分为中央的 M 带（M-band，含有连接粗肌丝成网络的横桥因而电子密度高）、M 带两侧相邻的较窄的 L 带（L-zone / bridge-free zone，myosin 横桥不从此处粗肌丝表面伸出），以及其余有横桥覆盖的 H 区。肌节缩短时，细肌丝滑入 A 带，于是 I 带和 H 区缩短，Z 线、A 带、M 线、桥区的宽度则不变。

58.2 带与丝（BANDS AND FILAMENTS）

A 带是肌节中央的光学各向异性（双折射）、电子密度高的区域，其各向异性源自粗肌丝中肌球蛋白的平行排列。A 带长度在所有脊椎动物骨骼肌中恒为 1.6 μm，边缘因粗肌丝长度均一而锐利。I 带位于 A 带两侧、由 Z 线一分为二，弱双折射，由 actin 细肌丝及结合蛋白组成。细肌丝比粗肌丝更细、更柔、排列也更不整齐，从 Z 线出发穿过 I 带进入 A 带，与粗肌丝重叠后一直延伸到 H 区边缘；因此 A 带外侧两区因粗细肌丝重叠而密度较高，中央 H 区则较稀疏。A 带重叠区横切面显示粗、细肌丝形成双六角阵列：粗肌丝位于正六角形顶点，每条粗肌丝被六条细肌丝包围（每条细肌丝又与三条粗肌丝等距相邻，呈三角位）。H 区中央的 M 带由连接粗肌丝的横桥（cross-links）形成网络，电子密度高；M 带两侧紧邻的 L 带（bridge-free zone）内 myosin 横桥不伸出粗肌丝表面，横切面上粗肌丝截面呈三角形且较 A 带其余部分为小。肌节缩短时，细肌丝滑入 A 带，I 带和 H 区缩短，Z 线、A 带、M 线、桥区的宽度则不变。这一结构基础早在 1954 年由 Huxley/Hanson 与 Huxley/Niedergerke 描述，成为滑动丝理论的基石（3, 4）。

58.3 Actin 单体聚合成具螺旋结构的长细丝（Actin Molecules Polymerize into Long Thin Filaments with a Helical Structure）

在生理离子强度、有 Mg²⁺ 与 K⁺ 的条件下，actin 单体（G-actin）聚合成细长的 F-actin：分子构成紧密缠绕的"遗传"螺旋，螺距 5.9 nm；进一步扭转则形成两股"念珠"链，交叉点约在 37 nm 处。聚合时 ATP 水解为 ADP，水解本身并非聚合所必需，但赋予细丝两末端不同性质，从而允许"穿线"（thread milling，一端聚合、另一端解聚）的动态行为——这在非肌节 actin 中尤为重要。骨骼肌中 actin 细丝长度依物种与肌肉而异：鱼类尾部肌节中 actin 细丝比兔肌的短。actin 单体在细丝内沿同一方向取向、四个主要结构域不对称，使细丝具有内在的结构与功能极性——这一点由高分辨影像及两端性质差异得到证实，最直接证据来自 myosin 头部装饰（decorating）后呈现的"箭头"形态：箭头自 Z 线向外指，意味着肌动–肌球蛋白相互作用方向在 Z 线处反向，正符合缩短时细丝滑动方向。图 58.3 给出负染与投影的"天然装饰"细丝影像（取自螯虾肌在僵硬态、解离粗肌丝骨架后所保留的横桥位置），可看到位点周期约 36 nm——对应于 actin 螺旋的螺距。actin 细丝自 Z 线边缘生长，"带刺"端（barbed end）位于 Z 线侧；Z 线处的锚定与成核由 Cap Z（亦称 β-actinin）介导（5, 6）。另一组 formin 家族蛋白也参与 actin 的装配/维持，可能作为延伸因子（7）。尖端的"慢生长"端（远离 Z 线）由加帽蛋白封端以维持细丝长度（8, 9），但仅靠加帽不足以解释不同肌肉中细丝长度的精确设定，nebulin 被认为充当"尺子"的角色。在长时程收缩活动的活肌纤维中，部分细丝较短，被认为是因"磨损"而需要持续再生。

58.4 肌肉的肌球蛋白马达（The Myosin Motor of Muscle）

肌球蛋白是骨骼肌、心肌、平滑肌的力发生器。肌球蛋白家族是一个庞大的马达蛋白超家族，肌肉中的形式被称为 myosin II 或"传统"肌球蛋白；非肌型 myosin II 几乎存在于所有真核细胞中，是细胞胞质分裂与运动的马达（11）。肌肉 myosin 是六聚体：4 条轻链 + 2 条重链（图 58.4）。重链分头部与杆部，杆部为 α 螺旋卷曲螺旋，长约 1500 Å、直径约 20 Å（12），通过柔性接头（13）连接两个球形头部。杆部是装配成丝所必需的；头部含 ATP 酶活性位点与 actin 结合位点。生物化学研究（14–16）与第一张高分辨晶体结构（17）定位了重链头部中涉及核苷酸结合、actin 结合与轻链结合的区段。每条重链约 200 kDa（18），每条头部各结合两条轻链（一共四条），其中之一约 18.5 kDa，另一条 16.5–24 kDa（19, 20）。18.5 kDa 轻链可用 DTNB 解离（21），故称 DTNB 轻链；又因在快缩肌中常是第二大，称 LC2f；可被磷酸化（22），亦称 P 轻链（23），在平滑与非肌 myosin 中磷酸化即成为"开关"——故现统称调节轻链（regulatory light chain, RLC）。另一类轻链称碱性轻链（alkali light chains，pH 11 时可解离）（24）：快缩肌的这两条分别称 A1（21 kDa）和 A2（16.5 kDa）（20），也常被标为 LC1f 与 LC3f，因早期发现不可去除而称"必需轻链"（essential light chains, ELC）。myosin 分子经有限胰蛋白酶或胰凝乳蛋白酶切为重酶解肌球蛋白（HMM，约 150 kDa）与轻酶解肌球蛋白（LMM）；HMM 含酶活头部（S1）与杆部 N 端（S2）。进一步酶切 S1 可得 25 k、50 k、20 k 三个亚片段（14），可对应到晶体结构中由 Rayment 等（17）所揭示的亚结构域（后被修正为图 58.5B）。

58.5 肌球蛋白杠杆臂假说（The Myosin Lever Arm Hypothesis）

1993 年发表的 myosin 头部 S1 片段高分辨结构（27）揭示了两个关键特征，瞬即对机制做出预测。第一，头部中间存在一个从核苷酸结合位点贯通至 actin 界面的"大裂缝"（图 58.5B），Rayment 等（17）推测 myosin 在强结合 actin 时失去水解产物会使该裂缝闭合；myosin V 的无核苷酸高分辨结构（28）证实此裂缝可闭合。第二，轻链（calmodulin 超家族成员）结合在重链 C 端一段伸出的 α 螺旋上，形成可放大头部微小构象变化的"杠杆臂"——Rayment 等称之为"杠杆臂假说"（图 58.6A）（29）。myosin V 的结构显示在最终僵硬态有显著的亚结构域重排与裂缝闭合（28），但杠杆臂位置在僵硬态与"后僵硬"（post-rigor）态间相似（30），即 ATP 结合到已结合 actin 的 myosin 时杠杆臂不再反转。比较这些结构可见，myosin 马达结构域由四个主要亚结构域（图 58.5B）组成，由四条序列高度保守的柔性"关节"（connectors）相连（28, 31）。其中"转换器"（converter，直接通向杠杆臂）因仅通过两个可变形的关节（relay 与 SH1 螺旋）与下半部 50 kDa 亚结构域及 N 端亚结构域相连，是转动潜力最大的部分；这种内部耦合重排使核苷酸结合位点、actin 结合面、杠杆臂之间可直接通讯。actin 与核苷酸位点之间的耦合由上、下半部 50 kDa 亚结构域之间的大裂缝介导，并通过第三个连接器（Switch II）传达至核苷酸结合位点。动力学测量预示力产生包含 myosin 与 actin 强结合后释放 Pi 与 MgADP 的结构变化；杠杆臂假说的支持证据主要有两类：一是低温电镜电子密度图比较肌动–肌球蛋白在僵硬态与 ADP 结合态时杠杆臂位置变化（32），二是体外运动性实验与单分子力学研究显示 myosin 的速度与单步位移与杠杆臂长度相关（33–35）。比较"前力击发"（pre-powerstroke）态与"后僵硬"（post-rigor）态（36, 37）可得到杠杆臂位移的初始结构证据，但因两者对 actin 亲和力都弱，并非真正的力承载态。myosin V 的僵硬态直接支持该假说：无核苷酸、强 actin 结合态下的杠杆臂位置相对于前力击发态已经向预期方向移动，并与后僵硬态几乎一致（30）；同理可预期尚未观察到的 Pi 释放态杠杆臂位置应与前力击发态相似。多年的 actin–myosin 动力学定义了一个由 actin 加速的 ATP 消耗循环（图 58.6B），其状态数远多于已有结构所能呈现者（38）。循环中弱结合（Kd ~ μM，ATP 与 ADP·Pi 态）与强结合（Kd nM，ADP 态与无核苷酸或僵硬态）交替；力产生发生于 myosin 强结合 actin 之时，伴随 actin 加速的 Pi 释放。动力学上首先明确：ATP 水解需要构象转变（39），从 M'（后僵硬态）到 M"（前力击发态）；Pi 不能从前力击发态释放，必须先形成 Pi 释放态。Pi 释放后形成强结合、强 ADP 结合的 A·M·DS 态——此态在慢缩骨骼肌/心肌 myosin 与平滑肌 myosin 中存在（32），而在无张力时快缩骨骼肌 myosin II 中未被占据；其后是张力依赖的异构化进入强结合、弱 ADP 结合的 A·M·DW 态（30），ADP 释放形成僵硬复合物。值得注意的是，图 58.6B 仅展示主要稳态路径；张力可使允许 ADP 快速释放的异构化减速，增加负载会使各型肌的横桥转换逐渐减慢。

58.6 骨骼肌 myosin 异构体（Skeletal Muscle Myosin Isoforms）

不同骨骼肌纤维类型表达不同的 myosin 异构体，单根纤维内也可共表达多种异构体，从而与细丝调节蛋白异构体及代谢特征协同，形成从慢到快的纤维谱系（参看 Ch57）。哺乳动物骨骼肌纤维表达三类 myosin II 重链基因家族（快缩骨骼肌型、慢缩骨骼肌/心肌型、非肌型），加上三种额外的肌节型重链基因（superfast、slow A、slow B）（41）。快缩骨骼肌位点含 6 个独立重链基因：embryonic、perinatal/neonatal、fast IIa、fast IIx（IId）、fast IIb、extraocular。这些 MHC 只在骨骼肌表达。值得注意：人类肌肉中不表达 IIb 异构体（在小哺乳动物、尤其啮齿类中丰富）——这是因为当初在小哺乳动物中找到三种快缩 MHC 时，尚不知人类只表达其中两种；因此 Brooke/Kaiser（42）组织化学命名中的"IIb"人纤维实际含的是 Schiaffino 等（43）命名为 IIx 的 MHC。胚胎与围生期异构体在发育期表达，成年再生期可重新表达（44）；其余重链在成年肌肉中表达，顺序反映 myosin 缩短速度与 ATP 酶活性递增。所有快缩 MHC 基因均位于人多染色体 17p13 的多基因位点（44, 45）。哺乳动物另有 superfast MHC，在多数哺乳动物的颌肌中高度表达，但人因编码区 2 bp 缺失导致移码、不产生功能性蛋白（46）——这一缺失被视为人类演化的重大事件（46）。两条心肌 MHC（α 与 β）基因在人多染色体 14q12 串联排列（47）：β-MHC 在慢缩骨骼肌纤维中表达，因此慢缩骨骼肌 myosin 也是人心中主要的 myosin；α-MHC 偶在头颈部肌肉中表达。myosin 轻链亦存在系列异构体（48），功能差异可能来自两条途径：ELC 与转换器亚结构域直接关联，可影响结构态间的转换；ELC 与 RLC 与重链螺旋的相互作用可改变杠杆臂顺应性，进而影响所有张力依赖的状态转变（49）。myosin–actin 的循环相互作用在所有肌与非肌细胞中都必须被调节，启动收缩的信号是胞质 Ca²⁺ 浓度升高。横纹肌（骨骼肌与心肌）通过 Ca²⁺ 与细丝调节蛋白 troponin 结合来调节（见下）；骨骼肌的 RLC 高度同源，N 端附近含一个高亲和力二价阳离子结合位点，突变分析显示该位点是轻链正确结合 MHC 所必需（50）。在非肌与平滑肌 myosin 中，Ca²⁺ 升高通过磷酸化 myosin RLC 激活横桥（11, 51）——RLC 磷酸化是这两类 myosin 的开关，磷酸化 RLC 之前横桥不能与 actin 结合。RLC 磷酸化在横纹肌中虽非开关，但可调节 actin–myosin 活性：改变力–钙关系（提高 Ca²⁺ 敏感性）、加快力再发率（52）。部分无脊椎动物的横纹肌为双重调节，既需 RLC 磷酸化又需 Ca²⁺ 与 troponin C 结合才能激活（53）。

58.7 myosin 丝与 myosin 横桥（Myosin Filaments and Myosin Cross-Bridges）

骨骼肌、心肌、平滑肌的 myosin II 粗肌丝在生理离子强度下由 LMM 段聚合形成丝骨架，HMM 中的 S1（头部）保留在丝表面形成与 actin 相互作用的横桥；每条 myosin 分子贡献两条横桥，可紧密并列或部分独立，S2 段在两头部间形成可活动的连接。脊椎动物骨骼肌 myosin 丝长度恒为 1.6 μm，与肌型/物种无关，在有良好 M 线的肌节中 A 带边缘在电镜下清晰（图 58.1）。横桥的位置、A 带及整个肌节的精细结构取决于肌肉的功能状态：在松弛条件下（有 MgATP、低 Ca²⁺），横桥紧贴粗丝表面、绕丝紧密卷绕（图 58.7）。每分子两头部位置略有不同，至少在某些丝上彼此有特定相互作用（54）。松弛粗丝表面横桥的高度有序排列取决于横桥与丝表面结合位点（沿螺旋路径排列）。骨骼肌中粗丝有三条平行螺旋绕丝（即"三股"），相邻横桥层（crowns）间距 14.3 nm，螺旋重复约 3×14.3 = 43 nm。某些节肢动物的粗丝为四股，参数不同（如重复），但 crown 间距仍为 14.3 nm——由 myosin 分子参数决定。该螺旋周期性在快速冷冻固定的肌节丝表面清晰可见（图 58.7），也见于经负染或铂投影增强的离体粗丝（图 58.4）。在松弛肌节较厚切片中，A 带内可见 11 条间距 43 nm 的横线，由横桥剖面与附属 C/H 蛋白叠加形成（1）。松弛横桥的排列有两处偏离完美螺旋：myosin 第二层线（22 nm）强度弱于第一、第三层（43、14.3 nm），提示有扰动；粗丝近末端处缺失一组横桥，导致 A 带边缘出现一条较浅的横线（图 58.8）。粗丝中央无横桥（桥区），在离体丝与 A 带内均可见；该桥区由两侧 myosin 分子的 LMM 段"尾对尾"对接而成（12），头部从丝轴沿两个方向伸出，故粗丝极性在肌节中央反转，符合滑动所需（12）。无 ATP 时横桥以高亲和力结合 actin 细丝的"靶区"（target zones），处于力击发末态的构型，形成强交联的 A 带：在 A 带重叠区可见 36 nm 周期的强烈横纹（图 58.8），即使在无细丝的非重叠区，myosin 头部也会脱离粗丝表面、向外伸出一团略无序的颗粒状物（图 58.8，参看 56）。肌球蛋白质量由"myosin 中心"向"actin 中心"的转移，可由 X 射线与电镜光学衍射检出。僵硬态下几乎所有横桥都与 actin 结合，且大多数情况下 myosin 分子两头部同时与相邻 actin 单体结合，形成"双头"横桥（57, 58）。

58.8 离体/活体肌的横桥构象与 X 射线研究

僵硬态稳态构型的研究对理解肌节内 actin–myosin 相互作用的参数——尤其是 myosin 头部的纵向与方位运动范围——起了关键作用。横桥结合集中在 actin 细丝相距约 36 nm（双股 actin 螺旋重复的一半）的"靶区"，使薄切片在电镜下出现明显横纹（图 58.8）。这是因为在螺旋每一转处都有一个 actin 单体处于与相邻 myosin 丝横桥相互作用的最优方位角；其左右各 1–2 个 actin 单体虽不最优也可被结合，因此一个靶区延伸可覆盖至四个 actin 单体，并可同时接受来自两个相邻 myosin crown 的横桥。靶区的占据程度取决于三因素：横桥在方位与纵向上挠曲、伸展以找到合适作用位点的能力；细丝在 A 带双六角阵列中的相对位置；actin 与 myosin 螺旋参数关系。脊椎动物骨骼肌属"最坏情况"：细丝位于三个 myosin 丝的三角位中心，而 actin 丝具双侧对称性，使其单体不能被三条相邻丝等程度优化匹配；加上 actin 与 myosin 螺旋在半个肌节内永不匹配周期，因此活动区标记高度不均——许多区只接受一个横桥（单头或双头），一些区没有横桥，仅少数区接受两个横桥（图 58.9A）。节肢动物则不同：细丝处于"二位"（dyadic），对两条相邻粗丝等距，且 actin 与 myosin 螺旋周期性匹配（如 Lethocerus 肌），故多数靶区被两个双头横桥完全占据，每个 actin 单体都与 myosin 作用（图 58.9B）。纤维丝与横桥的有序排列使 X 射线衍射成为研究其行为的利器。早年高角衍射图给出 myosin 在收缩中不折叠的证据；低角图（含丝与横桥量级的大结构）信息更丰富。最早关于两类独立丝与连接两者的横桥的证据，比 1957 年 Huxley 那张惊世的电镜图早几年。收缩中肌节内含有各种活性构型的横桥异步混合体，对依赖大群体平均的 X 射线衍射方法构成挑战。借助同步辐射的强大束流及探测器与同步辐射技术的改进，最终实现了活性收缩肌节实时 X 射线衍射电影（60）；结合二次谐波偏振各向异性（61, 62）等方法，可检出激活与收缩时特异的横桥运动。如发现肌球蛋白质量向 actin 与 tropomyosin/troponin 转移是早期事件，其后才出现其他横桥排列变化；活性收缩中任一时刻结合的横桥比例可被测定；快速拉伸活性收缩肌时可使平时不参与活性循环的第二条 myosin 头迅速被招募（63）。总体上，活组织 X 射线衍射与快速冷冻保存的活性肌节光学衍射均显示，myosin 与 actin 周期性以类似于松弛—僵硬间的方式变化，但时程不同，说明僵硬肌研究得出的普遍规则适用于正常收缩；actin 周期性（由 myosin 头标记产生）出现在 Ca²⁺ 释放至肌原纤维后，并随时间加强，提示横桥结合之后还有其他次级结构变化。myosin 周期性则先减弱（螺旋序丢失）后恢复。对活动横桥构象变化的详细信息需在单分子水平成像——这可由快速冷冻高有序肌（Lethocerus）在维持活性张力时切片的断层 3D 重建获得（64）。将过滤后电镜图中的活动横桥剖面与晶体结构拟合后揭示两种运动：一种较小的运动是马达结构域相对 actin 丝轴的小幅倾斜与旋转，对应弱到强结合的转变；另一种较大的运动是头部杠杆臂沿轴向转动约 35°，对应于力击发的 4–6 nm 工作行程。活性力击发相关的 myosin 头轴向倾斜由活肌 X 射线衍射证实：肌节两半中 actin 结合 myosin 头产生的衍射图样之间存在有用的干涉，对 myosin 头的轴向运动极为敏感，可用于在快速缩短或卸荷后同步工作击发的条件下探测 myosin 倾斜变化（65）。

58.9 横联元件：Z 线与 M 线（Cross-Linking Elements: the Z- and M-Lines）

Z 线界定肌节两端，是相邻肌节 actin 细丝在肌原纤维上传递张力的关键结构。在骨骼肌 Z 线附近，actin 细丝以精确正交排列，与 A 带重叠区的六角阵列显著不同。在静息或较长肌节长度且细丝较长、I 带较宽的肌肉中，两种排列之间的过渡是渐进的；肌节缩短使 A 带边缘靠近 Z 线时，过渡变得突然、问题突出。横切面图（图 58.10B、E 上下角）显示 Z 线两侧各自的正交细丝图案；Z 线本身在切片厚度内同时包含两种图案故重叠。Z 线由 α-actinin 构成的横向连接将一侧细丝与相邻肌节最近的四条细丝相连。最简单的 Z 线（图 58.10A–D）中细丝止于 Z 线边缘，α-actinin 横联在两侧细丝间形成明显的"之字形"图案（图 58.10A–B）。即便是"简单"Z 线也因横联长度与排列而具显著物种差异——鱼 Z 线（图 58.10A）很窄，连接形成简单编织图案（图 58.10F）；蛙较宽的 Z 线（图 58.10C–D）连接链长，横切面有两种构型（图 58.10E、H），与肌节状态相关。更复杂的 Z 线（常见于哺乳动物肌）则两侧肌节细丝相互重叠，多层周期性横联将其连接（图 58.10F–I）；总体上，持续活动越强的纤维 Z 线越宽、连接层数越多（包括心肌）。Z 线是多种蛋白的复合物，除上述 α-actinin、actin 细丝、actin 成核/加帽蛋白外，还有 nebulin C 端等次要成分（67）。在 A 带中央，粗丝由 M 带蛋白复合物相互连接，在桥区稳定粗丝六角阵列（图 58.11A–B）。最完整的 M 带（图 58.11D，快缩纤维）有 3 层支柱直接连接相邻粗丝；M 带段粗丝轴较相邻 L 带为厚，提示部分 M 带成分紧裹粗丝表面。M 带由多种蛋白组成（M protein、myomesin、creatine kinase），其中 myomesin 尤为重要，是 M 带主要横联蛋白（69）。M 带处粗丝交联程度依纤维类型而异：快缩纤维最完全（图 58.1, 59.8），慢缩纤维不完全，慢强直纤维完全缺失（图 58.11C），这在所有脊椎动物成立；哺乳动物中 M 线的完全缺失仅在某些眼外肌见到。M 线与 Z 线的周边均与 obscurin 和 ankyrin 相关联，这两种蛋白介导肌原纤维与细胞骨架之间的相互作用。

58.10 肌肉收缩的细丝调节（THIN FILAMENT REGULATION OF MUSCLE CONTRACTION）

骨骼肌与心肌的天然细丝除 actin 骨架外，还含两大主要蛋白 tropomyosin 与 troponin，使收缩体系获得 Ca²⁺ 调节。tropomyosin（Tm）是一细长、两股 α 螺旋卷曲螺旋分子，分子量约 70 kDa，长约 41 nm；两串连续的 Tm 链占据 actin 螺旋的两条沟。Tm 特殊的结构（带重复的 actin 结合位点）最适合其在 actin 细丝上的位置与作用：加强并稳定细丝（70, 71）。troponin（Tn）由三个亚基（TnT、TnI、TnC）组成：TnT 为细长分子，将整个 troponin 复合物挂到 actin 上；TnI、TnC 球形，附于 TnT 与 actin；TnT 接近 Tm 一端，TnC/TnI 位于 Tm 长约 1/3 处（图 58.12A）。Tn 复合物在 Tm 上的具体位置决定两个完整 Tn 分子沿 actin 细丝分布的约 40 nm 间距——这是 I 带薄切片有时可见的精细横周期（图 59.8）。Tm/Tn 的重复长度大于 actin 螺旋的螺距，故 Tn 位置与 actin 单体相对粗丝的方位角无关。Tm 在静息（低 Ca²⁺）肌纤维中位于阻断 myosin 与 actin 相互作用的位置（位阻阻断，图 58.12B）（72）。当 Ca²⁺ 从肌浆网释放（见 Ch57）并结合到 TnC 的低亲和力 N 端 Ca²⁺ 结合位点（骨骼肌 TnC 有两种异构体：fast TnC 含两个功能性 N 端位点；slow/cardiac TnC 只有一个）时，Tm 即从位阻位置释放，myosin 可与 actin 相互作用产生力。这通过 TnI 的构象变化、经由 Tm 锚定的 TnT 传递至 Tm 实现。myosin 横桥与 actin 的强结合有协同效应：进一步减少 Tm 的位阻，从而呈现细丝激活的协同性（73）。简言之，骨骼肌与心肌中 Ca²⁺ 与 TnC 的低亲和 N 端位点结合，通过 TnI/TnT 介导的相互作用引发 Tm 的位阻解除，暴露 myosin 的潜在 actin 结合位点——即所谓"细丝调节"（74）。在节肢动物异步肌的特殊情况——拉伸激活（stretch activation）——中，Tm-troponin 行为的位阻假说同样成立：此类肌不仅需 Ca²⁺，还需拉伸才能激活收缩；X 射线衍射已在活体昆虫肌中直接获得 Tm 在拉伸激活收缩/舒张循环中周期性移动的证据（60），推测由 myosin–Tm 直接横桥作用驱动。

58.11 脚手架蛋白赋予肌节稳定性与弹性（THE SCAFFOLDING PROTEINS GIVE STABILITY AND ELASTICITY TO THE SARCOMERE）

titin（亦称 connectin）是与粗丝结合的巨大分子（~3×10⁶ Da）。其 C 端位于 M 线；从 M 线到 A 带边缘 titin 沿粗丝表面延伸；在 I 带 titin 自由延伸并连到 Z 带，N 端可能既与 actin 又与 α-actinin 相互作用。至少有 6 条 titin 分子与粗丝结合（M 线两侧各 3 条）。沿粗丝，titin 可能作为分子尺。在 A 带内 titin 含有 11 个相同的 Ig/fibronectin 重复拷贝，可能与 11 条 C/H 蛋白条带对齐。titin 的 I 带区段可拉伸、负责静息肌的弹性（即拉伸超过一定长度后静息张力增加）；其弹性是否由分子的 PEVK 区段（含较多 Pro/Glu/Val/Lys）介导仍存争议——支持证据：心肌 titin PEVK 较短、心肌较硬；骨骼肌 PEVK 较长、较易拉伸。titin 在 I 带的弹性的结果是：肌节收缩/拉伸时，titin 将 A 带维持在肌节中央（75）。nebulin 是第二种脚手架蛋白，沿细丝分布，长度在不同纤维中与细丝长度平行变化，被认为充当"尺子"决定细丝长度。

58.12 Z 线参与信号转导（THE Z-LINE IS INVOLVED IN SIGNALING）

Z 线既然传递 actin–myosin 相互作用产生的力，自然成为放置力传感器、介导肌肉对负载做出适应性反应的理想位置。Z 线中兼有信号与结构功能的蛋白属于三大家族：myotilin、FATZ、enigma（76）。myotilin 家族含 myotilin、paladin、myopalladin，含 Ig 样结构域、结合 α-actinin、filamin、FATZ。FATZ 家族含 FATZ（亦称 casarcin/myozenin），其结合伴侣包括 myotilin、filamin、telethonin、α-actinin、ZASP；FATZ-1 与 FATZ-3 出现于快缩肌，FATZ-2 出现于慢缩肌与心肌。enigma 家族蛋白 N 端具 PDZ 结构域、C 端有 0–3 个 LIM 结构域，研究最深入的是 Cypher/ZASP/Oracle（77–79）。Cypher/ZASP 可通过其 PDZ 结构域结合 α-actinin 而起连接–支柱作用，又通过 LIM 结构域结合 PKC 参与信号转导；Cypher 对维持 Z 带结构与肌肉完整性至关重要（79）。Cypher 突变可致扩张型心肌病与被称为"zaspopathies"的骨骼肌病。

58.13 横纹对齐的错位（FAULTS IN THE CROSS-STRIATION ALIGNMENT）

相邻肌原纤维的条带在多数情况下是对齐的，从而形成贯穿整根肌纤维的横纹（cross striations）。但每根肌纤维内（尤其慢缩纤维中）常可观察到横纹的 Vernier 错位（Vernier displacements）：在错位线一侧肌原纤维的 n 个肌节对应另一侧的 n+1 个肌节；错位线的顶部与底部 Z 线对齐，而内部 Z 线错位，使含 Z 线（含蛙纤维中的 T 小管）的平面构成螺旋面（图 58.13）（80）。有意思的是，从 Z 线起始的肌节排列紊乱（即"Z 线流"，Z-line streaming，见下）常与 Vernier 错位位置相关，可能因相邻肌节薄/厚丝重叠略有差异而被同时激活时产生机械应力所致。

58.14 病理学中的 Z 线缺陷（Z-LINE DEFECTS IN PATHOLOGY）

Z 线是肌节在应力、病理乃至老化条件下最常受累的组分，原因是 Z 线既是张力沿肌原纤维传递的必经环节，也是 Ca²⁺ 激活的蛋白酶特异性降解 Z 线蛋白的位点。nemaline rods（nemaline 小体）源自 Z 盘，本质上是 Z 线结构的迭代：保留 Z 线的组织结构，但扩展到更大体积（图 58.14A, B）；横切时呈方格阵列，与某些 Z 线（图 58.10H）相同；纵切时显示 14–20 nm 周期，亦类似宽 Z 线。Z 线对多种肌病、胞质 Ca²⁺ 过度积聚、失神经、偏心收缩、老化的第二种常见反应是 Z 线物质先从标准 Z 线位置流出（Z-line streaming），继之出现局部肌原纤维退变、细胞器（SR、T 小管、线粒体）消失。Z 线流及其后果可累及很小的区域（图 58.13B）、单个肌节（图 58.14C），或数个肌节和肌原纤维。由 Z 线流起始的改变可能最终演化为中央轴空病（central core disease）的"无特征核心"（featureless cores）。肌原纤维性肌病（myofibrillar myopathy, MFM）是一组以 Z 线解体与蛋白异常积聚为特征的骨骼肌与心肌病理（84），由维持 Z 线结构完整性的蛋白（desmin、αB-crystallin、myotilin、ZASP）基因突变引起。

本章个人批注

本章是 Ch57（EC-coupling 机制）的物质基础——即收缩的分子机器本身。两个作者（Franzini-Armstrong 偏结构、Sweeney 偏机制）使这一章在结构—功能—病理三层都有覆盖；后段从生理学滑入病理学，与 Ch59/60 等代谢/纤维类型章节衔接。

值得注意的内在结构：（1）"杠杆臂假说"是支撑现代横纹肌机制叙述的核心叙事框架，本章在多个位置（58.5、58.6、58.8）反复回到它——"前力击发态"与"后僵硬态"之间的杠杆臂位移是结构证据的核心。（2）脊椎动物与节肢动物在 actin 位置（三角位 vs 二位）、螺旋周期匹配性、横桥占据度上的对比，是解释为何脊椎动物"看起来无序而节肢动物高度有序"的关键。（3）Ca²⁺ 调节只在细丝调节层做完整阐述，RLC 磷酸化被严格限定为"非开关"——这与 Ch57 中的 EC-coupling 信号来源（DHPR→RyR）形成对照。（4）病理部分（nemaline rods、Z-line streaming、MFM）把结构蛋白（desmin、αB-crystallin、myotilin、ZASP）突变与肌纤维水平的可见形态直接关联。

需要核实或补查的：（i）文中说"哺乳动物慢强直纤维完全缺失 M 线"——但作者随即又说"在所有脊椎动物成立"，需要确认这是哺乳动物特异还是更广的脊椎动物事实。（ii）Cypher/ZASP/Oracle 三个名字常被混用，需要查 ZASP 与 Cypher 是否同一基因的不同剪接产物——文中看上去是这样的，但需要确认。（iii）"superfast MHC"在颌肌中表达但人因移码不表达——是 Stedman 2004 单一论文，还是后续有更多证据。

与上下章的衔接（一段话）

本章落在"Part III Skeletal Muscle"的前段，紧接 Ch53（肌节膜系统的架构——T 管/SR 钙释放单元）、Ch54（NMJ）、Ch55（神经机械交互）、Ch56（静息 Ca²⁺ 浓度的多通量平衡）、Ch57（动作电位到 Ca²⁺ 释放的 EC-coupling 机制）。Ch58 在 Ch57 提供的"膜-钙"层之上，把焦点下沉到收缩装置本身——肌节的条带、myosin 头马达、杠杆臂机制、细丝调节——从而完成从电信号到机械力的最后一段分子桥。本章之后是 Ch59（骨骼肌代谢）与 Ch60（骨骼肌纤维类型）：Ch57/Ch58 提供的结构与机制是 Ch60 纤维类型分型（slow/fast IIa/IIx/IIb）在分子层面的"为什么"——因为肌球蛋白异构体、细丝调节蛋白异构体、代谢酶谱的协同表达才产生不同收缩特性。同时，本章末尾的"Z 线缺陷"是向 Ch62–Ch66（肌肉损伤、dystrophin-glycoprotein 复合体、肌营养不良）的病理结构—临床过渡。