第 83 章：平滑肌细胞超微结构与收缩性（Smooth Muscle Myocyte Ultrastructure and Contractility）

83.1 收缩装置与一般组织（THE CONTRACTILE APPARATUS AND GENERAL ORGANIZATION）

平滑肌（SM）构成许多中空器官的壁层，在结构与功能上呈现高度多样性，反映出血管、气道、子宫、膀胱与肠道各自特化的收缩需求。本章综述 SM 超微结构特征及收缩蛋白，并将其与骨骼肌和心肌对比，强调其独特表型。胞内 Ca²⁺ 上升是 SM、心肌和骨骼肌收缩装置启动的初始开关；下游通路随后分化——横纹肌中 Ca²⁺ 与肌动蛋白丝相关蛋白肌钙蛋白结合，平滑肌中 Ca²⁺ 与钙调蛋白（CaM）结合形成与肌球蛋白轻链激酶（MLCK）的活性复合物。MLCK/CaM/Ca4 复合物磷酸化 20 kDa 肌球蛋白调节轻链（RLC20）的 Ser19，使肌动蛋白得以激活肌动球蛋白 ATPase、启动横桥循环和收缩。肌球蛋白轻链磷酸酶（MLCP）使 RLC20 去磷酸化，张力输出取决于 MLCK 与 MLCP 活性之间的平衡。除 Ca²⁺ 依赖的一级调控外，多条信号通路可修饰 MLCK 与 MLCP 活性，构成刺激特异性的 Ca²⁺ 独立性二级调控。所有这些过程最终汇聚到负责机械收缩事件的收缩性细胞骨架，因此理解参与者的身份以及收缩装置的组织，对于理解 SM 细胞为执行其特化功能所需的独特力学性质至关重要。许多这些特征也与迁移性非肌细胞相关——事实上，许多 SM 收缩装置的关键蛋白在非肌细胞中也有表达并以可比较的机制运作，提示 SM 收缩系统的演化基础是更普遍的真核细胞机械化学系统。

收缩单元由细肌动蛋白丝、粗肌球蛋白丝和致密体（dense bodies）三种基本元件构成。门静脉 SM 细胞横切面上肌球蛋白丝形成 60–80 nm 的规则点阵，每个肌球蛋白被一圈肌动蛋白丝环绕，测得肌动蛋白与肌球蛋白丝比例为 15:1，与生化测定值一致。更高放大倍数下可见横桥从肌球蛋白丝伸出。纵切面的立体成像显示相邻肌球蛋白丝有 3–5 级的纵序，长度约 2.2 μm，构成本章所谓迷你肌节（mini-sarcomere）的 A 带。由于肌肉最大力与肌节长度或并联横桥数成正比，SM 肌球蛋白丝较骨骼肌更长（2.2 vs 1.5 μm）部分地补偿了较低的肌球蛋白浓度，使 SM 能产生与横纹肌接近的最大力。源自质膜和胞质致密体的肌动蛋白丝可追溯到肌球蛋白丝，构成横纹肌 I 带和 Z 带的等同物。用肌球蛋白 S1 片段装饰法测定的肌动蛋白极性显示其远离致密体——与 Z 盘相同，从而为滑动丝收缩机制正确定位。在培养 SM 细胞中，膜相关致密体成为黏着斑位点，是细胞骨架与细胞外基质连接的大型动态蛋白复合体；在横纹肌 Z 盘中发现的肌动蛋白交联蛋白 α-辅肌动蛋白（α-actinin）和波形蛋白定位于致密体和黏着斑。致密体和 Z 盘不仅是细胞骨架锚定位点，也是众多信号分子的支架，影响肌原纤维生成、细胞迁移、肌动蛋白动力学、力学感受、肥大和萎缩。SM 的这种"信号汇聚"特征与心肌和骨骼肌形成对比——在横纹肌中，致密体/Z 盘的角色主要局限于结构与力学传递，SM 致密体则承担了更广泛的信号转导功能。

10 nm 中间丝是包围致密体的第三种丝类型。它们斜行连接不同肌节的致密体形成非收缩性骨架，与迷你肌节不平行。SM 10 nm 丝由结蛋白（desmin）和波形蛋白两种蛋白组成，可在同一细胞中单独或共同表达，并在肥大血管 SM 中大幅增加，从而将细胞骨架的代谢性变化与收缩元件的张力输出解耦——这是一个在心肌和骨骼肌中较少讨论的、SM 特有的结构冗余。

83.2 肌球蛋白马达与肌球蛋白丝（THE MYOSIN MOTOR AND MYOSIN FILAMENTS）

平滑、心、骨骼和非肌细胞的肌球蛋白同属肌球蛋白超家族 II 类，通过长 α-螺旋卷曲尾的自联形成丝状骨架。马达结构域水解 ATP，刚性杠杆臂或颈从骨架伸出；工作冲程中马达结构域与肌动蛋白结合，杠杆臂绕转换域（converter domain）或支点转动，将肌动蛋白丝位移 10 nm。杠杆臂结合两种轻链——基本轻链（ELC17）和调节轻链（RLC20），两者均属钙调蛋白超家族成员。ELC17 紧密包绕杠杆臂靠近转换域的支点处的长 α-螺旋段，与 RLC20 共同稳定杠杆臂。ELC17 存在酸性（ELC17a）和碱性（ELC17b）两种异构体，由单基因编码，五个 C 端氨基酸残基不同；ELC17a 与快速时相型 SM 相关，ELC17b 与慢速紧张型 SM 相关。两种异构体对收缩动力学的影响虽不明确，但 ELC17a 替换 SM 中的慢速 ELC17b 后，非磷酸化横桥的缩短速度和张力发展速率均增加。RLC20 对 SM 肌球蛋白的调控将在下节讨论。

肌球蛋白重链（MHC）由单基因编码。两个位点的可变剪接产生四种异构体：SMB 与 SMA 含或不含 7 氨基酸插入片段（位于 ATP 结合袋附近），该片段改变 ATP 水解和 ADP 释放速率；SM1 与 SM2 在非螺旋 C 端尾分别含 9 或 34 个氨基酸，被认为贡献于丝稳定性和可能的丝形成。SM1 与 SM2 肌球蛋白在推动肌动蛋白丝能力上无差异。四种 MHC 的同源和异源二聚体配对均可发生，单个 SM 细胞可表达一种或多种异构体。7 氨基酸插入片段在紧张型主动脉中缺失，在时相型 SM（如小肠）中有。

在松弛和收缩的 SM 中，肌球蛋白均组装为丝状结构，不依赖 RLC20 磷酸化。成熟 SM 中大部分肌球蛋白为丝状，这由 SDS 凝胶电泳和松弛 SM 的定量电镜之间高度一致支持。因此，最近提出的"未组装肌球蛋白池在气管平滑肌被短肌节长度激活时聚合并贡献于力发展"的观点中，该池必然很小；这些研究的难度可能源于肌丝剖面计数本身的技术挑战（细胞长度难以精确控制）。然而，肌球蛋白丝在分裂和迁移的培养细胞中以及 SM 自身中必须随应力纤维的更新和前缘/尾部的伸缩而组装和拆卸。肌原纤维蛋白可能持续周转以维持或重建受损蛋白，使成熟 SM 中存在少量未组装肌球蛋白池。SM 肌球蛋白丝是双极还是侧极一直存在争议：体外条件下丝的长度、直径和极性受离子强度、pH、阳离子、肌球蛋白浓度和稀释速度影响；SM 肌球蛋白在体外易组装为侧极丝，但分离的丝未必重现在体结构。横纹肌中反向平行的肌球蛋白尾相互作用产生双极丝，中央有裸露区无头，在 A 带中可见多个精确对齐的丝；SM 中见不到，可能因 SM 中缺乏这种结构或无对齐。侧极丝是非螺旋的，肌球蛋白分子方向在丝两侧相反，截面呈方形，横桥仅在两面。电镜下无论用完整、透化、化学固定或快速冷冻的肌肉都显示方形和圆形剖面，所有方法都易产生伪影。圆形的双极丝若斜向取向也显示为矩形。SM 可极度缩短至初始长度的 25%，双极和侧极丝都与此兼容。在双极丝情况下，13:1 的高肌动蛋白-肌球蛋白比可使更多正确取向的肌动蛋白丝在肌肉缩短时被纳入。极性方向相反的肌动蛋白丝从对侧致密体可在侧极丝上被拉动；而在双极丝情况下，13:1 的高肌动蛋白-肌球蛋白比也可在肌肉缩短时引入额外正确取向的肌动蛋白丝。

83.3 收缩调控与调节分子转运（CONTRACTILE REGULATION AND REGULATORY MOLECULE TRAFFICKING）

SM 收缩调控本质上与横纹肌不同：横纹肌中 Ca²⁺ 与肌动蛋白丝上的肌钙蛋白结合，作为去抑制剂解除肌钙蛋白的抑制；SM 中 Ca²⁺ 是真激活剂，通过 RLC20 磷酸化提高休眠肌球蛋白马达的低 ATPase 活性。该激活通过胞质 Ca²⁺ 升高时 Ca²⁺/CaM 依赖 MLCK 催化完成于 RLC20。RLC20 上两个 Ser19 位点被同时磷酸化以完全激活横桥。双头肌球蛋白是调控所必需；RLC20 两个位点均磷酸化时，肌动球蛋白 ATPase 活性增加 1000 倍以上。两个头协同结合肌动蛋白、水解 ATP 并做功。维持"关闭态"需要两个头都存在——去除一个头即使在无磷酸化时也导致"开启态"。本领域两大基本问题是：RLC20 Ser19 的磷酸化如何在 >10 nm 距离开启肌球蛋白头的活性位点，以及非磷酸化 RLC20 如何维持"关闭态"。基于肌球蛋白双头片段（HMM）在非磷酸化和磷酸化态下二维晶体阵列的结构分析提出了一种机制：在失活态中，一个头的 ATPase 活性被"阻断"——其肌动蛋白结合界面与伙伴头的转换域对接，阻止水解；磷酸化后头部伸直。该构象与 SM 和非肌肌球蛋白特有的折叠 10S 分子（磷酸化后变为伸展 6S 活性构象）相似。协同循环的非磷酸化横桥仍可产生最大力值的 40%，表明在某些条件下非磷酸化头并未被完全"阻断"。使用冷冻电镜和 SM HMM 原子结构拟合，这种头的不对称相互作用在分离的非磷酸化心肌和捕鸟蛛肌球蛋白丝（与 SM 不同，稳定存在）上也已被可视化。这令人意外，因为心肌的主要"开启"开关是通过 Ca²⁺ 与肌钙蛋白结合调节的，轻链磷酸化仅在某些条件下起调控作用。因此该不对称头态可能是丝上头的一般松弛态，适用于所有肌球蛋白，在 SM 中更稳定。基于单 ATP 转换数据以及两个 SM 肌球蛋白头一个强结合一个弱结合的功能依赖性，最近的模型提出磷酸化依赖的紧凑抑制态与活化态之间的平衡，非磷酸化、单磷酸化或双磷酸化的 SM 肌球蛋白都可形成抑制态，但磷酸化使抑制态形成更难；该模型尚待原位生物物理测量和原子结构验证。磷酸化显著增加强直态下 SM 横桥的刚度，这应给予杠杆臂力学优势。SM 收缩性的"开启"和"关闭"状态本质最终有待原子结构阐明——这一空白限制了我们对 SM 收缩装置药理干预的精度，也是当前结构生物学研究的活跃前沿。

肌球蛋白杠杆臂及其 RLC20 是调节收缩性的分子转运主要交叉点，MLCK 和 MLCP 作为"红绿灯"调节 RLC20 Ser19 磷酸化；这些酶又可被多条信号通路调节。MLCK 和 MLCP 的调控将在第 87 章综述。多种激酶（包括 ROCK、与 MLCP 相关的 Zip 激酶、整合素连接激酶）可磷酸化 MYPT1 并抑制 MLCP 活性，磷酸化抑制蛋白 CPI-17 也有同样效应；ROCK 与 Zip 激酶与 MLCP 的物理关联是该调控通路的核心特征，使 Ca²⁺ 敏化信号能够局部、定点地调节收缩装置的磷酸化状态。环核苷酸可通过端蛋白（telokin）磷酸化激活 MLCP，或结合 MYPT1 的 C 端亮氨酸拉链，从而将第二信使浓度变化与收缩装置的磷酸化状态直接耦合。最终需要相互作用域和高分辨率结构以洞见这些过程的分子机制，并解释为何 SM 能够在 Ca²⁺ 回落至基础水平后仍维持高力；这一机制与骨骼肌的"激活-失活"循环截然不同，反映了 SM 在长时间张力维持方面的进化适应。

83.4 肌动蛋白（ACTIN）

细肌丝是肌动蛋白双链螺旋聚合物，两链在 B36 nm 距离交叉跨越 7 个肌动蛋白单体；非对称 G-肌动蛋白单体聚合形成直径 5–8 nm 的 F-肌动蛋白丝。按重量计，SM 中肌动蛋白与肌球蛋白比为 3:1，与兔骨骼肌的 1:3 显著不同。细丝与粗丝之比在 SM 中为 B13:1，相比横纹肌的 2:1；动脉 SM 略高于静脉。SM 中总肌球蛋白含量约为骨骼肌的 1/5，但单位肌细胞横截面可产生等量最大力。在体外运动试验中，磷酸化或非磷酸化肌球蛋白驱动平滑和骨骼肌动蛋白滑动的速率在有或无负载时无差异，符合两者生化性质的相似性。因此 SM 肌动蛋白本身并非平滑与横纹肌不同收缩性质的主要贡献者。

肌动蛋白是高度保守的蛋白，六个哺乳动物异构体由六个不同基因编码：α-骨骼、α-心肌、α-平滑、γ-平滑和两个普遍表达的胞质（非肌）异构体 β-胞质和 γ-胞质。异构体间序列同源性 >93%，仅 N 端数个氨基酸不同，可通过等电聚焦分离。在 SM 中，肌动蛋白异构体表达具有组织特异性而非物种特异性，并随发育变化。α-平滑或 γ-平滑异构体可在紧张型（α-占优）或时相型（γ-占优）SM 中单独或与 α-异构体组合表达；α-平滑在血管 SM 中最高，γ-平滑和非肌异构体在内脏 SM 中最普遍。然而功能意义不明，因为 RLC20 磷酸化是收缩性的主导调节因子。此外，分离的天然肌动蛋白丝由各异肌动蛋白按组织中比例随机共聚而成，未分选入不同细胞或亚细胞区；这进一步提示尽管不同 SM 组织表达不同的异构体比例，这些异构体并未分选入不同细胞或亚细胞区，提示异构体多样性不转化为收缩功能多样性。在横纹肌、纤毛和培养细胞中非肌肌动蛋白的差异定位已有报道，但受抗体特异性和固定的偶然性影响。非肌异构体可能在培养细胞（肌动蛋白动力学在前缘驱动迁移、细胞骨架快速周转）中起独特作用。在大鼠主动脉内膜增厚、动脉粥样硬化斑块和培养主动脉细胞中，α-平滑肌动蛋白的优势表达向 β-平滑肌动蛋白转换同时 γ-平滑异构体增加，使肌动蛋白表达模式成为动脉粥样硬化 SMC 的标志物。在平滑 α-肌动蛋白基因敲除小鼠中，心血管系统的形成未受损（即使 SM α-肌动蛋白正常情况下是血管中最普遍的异构体且在心脏发育早期表达），但肌丝排列紊乱、肌球蛋白丝减少、血管收缩性受损，提示该异构体具有重要作用。骨骼 α-肌动蛋白的小幅上调未能挽救。特定肌动蛋白异构体具特殊功能的进一步支持来自过表达替代异构体无法挽救特定异构体敲除的实验。然而特定肌动蛋白异构体对特定功能的必要性仍待进一步探索。

原肌球蛋白（TM）是长纤维状蛋白，沿长螺距双螺旋细肌丝跨越 7 个肌动蛋白单体，通过端-端接触在所有肌肉中连续覆盖整个肌动蛋白丝。Ebashi 发现的肌钙蛋白复合体以 38 nm 周期沿肌动蛋白丝结合 TM，Ca²⁺ 与肌钙蛋白结合使 TM 位置偏移从而允许肌动蛋白与肌球蛋白相互作用，即"位阻模型"。SM 缺乏肌钙蛋白，但 SM 激活时 X 射线图中肌动蛋白层线（视为 TM 移动的指标）发生移动。如果该解释正确，其他 Ca 结合蛋白如钙桥蛋白（caldesmon, CD）可能在控制 TM 中起作用。虽然有 Ca²⁺ 调控细肌丝的证据（多在体外），Ca/CaM/MLCK 对肌球蛋白 RLC20 的磷酸化是 SM 力激活的主导调节因子，而横纹肌则通过肌动蛋白丝上的肌钙蛋白开关由 Ca²⁺ 调控。另一方面，CD 对细肌丝的调控被提出用于解释 RLC20 高磷酸化水平下或在显著基础 RLC20 磷酸化下发生的松弛。条件性敲低 CD 异构体靶向 SM 尚未实现。CD 最初作为 CaM 结合蛋白被鉴定，是 75 nm 长分子，在 SM 中以 1 CD : 2 TM : 14 肌动蛋白的比例结合细肌丝；两种异构体中，重型 h-CD 限制于 SM。在低 [Ca²⁺·CaM] 或非磷酸化时，CD 抑制肌动球蛋白 ATPase；位阻模型中，Ca²⁺ 升高或磷酸化时，CD 通过 TM 别构开启肌动蛋白。然而 CD 是否如肌钙蛋白一样起作用仍不清楚。另一模型中 CD 与肌球蛋白竞争共同的肌动蛋白结合位点。CD 浓度可能太低，无法取代肌球蛋白，除非 CD 在细胞某些区域浓缩。体外研究具说服力，但 CD 对 SM 收缩性的贡献有待转基因动物研究。在非肌细胞、培养或去分化 SM 细胞中，CD 还可能参与抑制 Arp2/3 介导的肌动蛋白成核和细胞迁移。钙调理蛋白（calponin, CaP）也是 CaM 结合蛋白，结合肌动蛋白丝并独立于 TM 抑制肌动球蛋白 ATPase。CD 和 CaP 不相互作用，定位于不同细丝亚群。CaP 由 Takahashi 首先分离；三种异构体中较碱性的 h1-CaP 在分化 SM 中最普遍，其他异构体在发育中占优。CaP 表达在培养 SM 细胞中下调。尽管研究广泛，CaP 在 SM 组织中的生理或病理生理功能仍未解决。h1-CaP 敲除小鼠中力、Ca²⁺ 敏感性、Ca²⁺ 敏化、力发展起时和半时、以及 caged GTPγS 光解引发的 Ca²⁺ 敏化力均未消失；然而硫代磷酸化纤维的非负荷缩短速度 Vus 显著加快，符合 CaP 对横桥循环有调控影响的可能。由于肌动蛋白含量下降 25–50% 且 h-CaD 电泳迁移率改变，结论并非完全确证——肌动蛋白丝丢失可能改变串联的收缩单元数和横桥脱离率，从而导致 Vus 降低。CaP 在收缩性中的作用不明，其主要功能可能在别处。CaP 异构体在非肌细胞中表达，被认为在细胞运动和增殖中起作用，例如在发育和重塑中的 SM 细胞、成纤维细胞、内皮细胞和角质形成细胞中。许多蛋白具有 CaP 同源结构域（CH），可结合肌动蛋白和信号分子，提示 CaP 可能参与信号转导。

刺激引起 G-肌动蛋白与 F-肌动蛋白平衡改变，G-肌动蛋白减少以 RhoA 依赖方式正反馈增加 SM 中肌动蛋白的表达。在培养平滑和非肌细胞中，Rho GTP 酶控制细胞骨架动力学，调节细胞黏附和迁移，与 SM 发育和疾病状态相关。RhoA 调节强效的 myocardin 相关转录因子（MRTF），后者是血清反应因子（SRF）的共激活因子，结合 SM 标志基因启动子区的 CArG 盒。MRTF 活性通过其 RPEL 域与 G-肌动蛋白结合而被抑制，无法易位入核激活转录；因此肌动蛋白动力学可调节肌动蛋白自身及其他 SM 特异性蛋白的表达。该机制还可响应细胞骨架在正常维持和修复期间以及损伤后的持续周转。

83.5 力学与收缩能量学（MECHANICS AND ENERGETICS OF CONTRACTION）

如上所述，收缩蛋白排列为丝状并可组织为收缩单元。肌肉长度与力产生的关系已在多种脊椎动物和无脊椎动物 SM 中研究，定性上与横纹肌相似，证实 SM 收缩也通过滑动丝机制运作。主动力与肌肉长度（或肌节长度）的关系大致呈钟形曲线，峰值力（Po）发生在最适长度 Lo 处。滑动丝假说主要基于主动力产生与超过最适力长度 Lo 时收缩丝重叠成比例关系，并被追溯到与肌球蛋白横桥相互作用的肌动蛋白数量。像横纹肌一样，所有研究过的 SM 都表现出力发展的最适长度 Lo。在大多数 SM 中，存在相当大的被动力在短长度，松弛长度 Ls 发生在 B0.4–0.5 Lo 处。在这些肌肉中，被动力在肌肉被拉伸时陡升，使 Lo 处存在大量被动力成分，这有两个主要后果：第一，肌肉缩短时这些元件被压缩，对缩短产生阻力并可能限制缩短；第二，它们的存在使在较长长度下测量主动力变得困难，可能对肌肉造成不可逆损伤。在某些血管和肠制备中（肠系膜静脉和动脉、肛尾肌），被动力的陡升发生在比其他制备稍长的长度处，力随长度增加线性下降，外推至 B1.9 Lo 时力为零，为 SM 的滑动丝机制提供强证据。这些肌肉可缩短至 0.2–0.5 Lo，因此主动力产生与长度的关系与骨骼肌一样不对称——超过 Lo 时主动力产生缓慢下降，短于 Lo 时急剧下降。完整 SM 收缩至很短长度的能力是著名特征，但 SM 短长度下主动力下降的基础尚不清楚。测得的力与公认的肌动蛋白-肌球蛋白相互作用指标（如动态刚度和能量使用）之间存在差异；通常后者在不同程度上超过短长度下的力。在超过松弛长度 Ls 的长度处，细胞和丝与组织的纵轴平行，测得的力与横桥事件的指标一致。在完整组织中，被动结构元件（细胞间连接和通过细胞外基质的串联连接）随它们在短长度下越来越松散而限制力学传递，细胞和丝变得错位。在分离细胞中无此约束，刺激导致质膜在致密体之间鼓出（blebs），收缩装置螺旋化。原位仅在短肌节长度下出现这种极端变化的趋势，且仅在松散细胞外基质允许的范围内。Bleb 的出现和肌球蛋白丝密度增加是细胞缩短的特征，肌球蛋白含量未变。在没有细胞长度适当控制的情况下，基于丝计数得出的收缩丝重塑结论必须谨慎。这些结构因素在功能上变得重要，特别是在储器器官中，排空或推进内容物依赖肌肉产生力和缩短的能力，而这在疾病中进一步复杂化，因为 SM 容易通过重塑适应功能需求的改变，包括收缩和被动弹性元件的结构变化、静止顺应性和缩短能力。

Hill 描述的缩短速度与力之间的双曲线关系在 SM 组织和单细胞中同样成立。这种形状的相似性被视为两类肌肉横桥机制性质相似的强力证据。虽然 SM 的最大力产生相同或更高，但报道的 SM 最大缩短速度远低于骨骼肌。Vmax 缩短、达到最大力的时间和能量使用速率之间似乎存在稳定关系，三者均与两类肌肉的总肌动球蛋白 ATPase 一致。骨骼与平滑肌之间的差异在等长 tetanus 中总高能磷酸利用（ΔATP + ΔPCr − AMP）和力产生的时间过程中变得明显。在所示温度下，蛙缝匠肌发展力的速度约为兔结肠带 SM 的 50 倍，化学能使用速率也高 50 倍。这显示力发展所需时间与能量利用速率之间存在反比关系。在 SM 和横纹肌中，力-速度关系通常在 tetanus 平台期测量，通过等长条件下施加等速缩短或后负荷等张收缩实现。当仅需 Vus（非负荷缩短速度）时，在关注时刻测量。然而，由于 SM 中横桥循环速度被调节并随收缩过程变化，SM 中力-速度关系和特别 Vmax 的解释必须谨慎。

SM 共有的独特性质是调节力产生和力维持的能量成本的能力。兔结肠带 SM 中高能磷酸利用的直接测量显示，力发展初始阶段的化学能需求约为随后力维持阶段的四倍。力发展期较高的平均能量利用速率并非做功克服串联弹性的代价，而与更快的横桥循环速率一致。基于稳态氧消耗和乳酸产生的能量使用估计与高能磷酸使用直接测量在力维持期一致，包括血管 SM 和结肠带。如果 SM 中主要钙调节系统仅为钙依赖 MLCK，则轻链磷酸化程度应直接反映循环横桥数量和平均化学能利用速率。然而力发展与等长力维持期的轻链磷酸化相对程度与 ATP 利用相对速率并不成正比。能量使用下降四倍时肌球蛋白轻链磷酸化程度仅下降 B4%。这种轻链磷酸化程度的小变化若与协同调控机制耦合则可引起横桥循环速率的大变化。经济性（economy）定义为力/横截面积除以能量利用速率/克组织。已认识到不同肌肉类型的等长力维持存在不同能量需求，并基于"经济性"进行比较。兔结肠带从高能磷酸利用直接测量得到的经济性 700 (N/cm²)/(μmol g⁻¹ s⁻¹) 与其他 SM 通过氧消耗或热产生估算的接近。结肠带的经济性比蛙缝匠肌高 100 倍，部分可追溯到较慢的横桥循环和长 40% 的肌球蛋白丝（使 SM 中更多横桥并联）。相比之下，无脊椎动物 SM（贻贝 ABRM）在 catch 态的经济性比结肠带高一个数量级；然而当考虑 ABRM 长 30 倍的肌球蛋白丝长度时，力维持经济性将接近结肠带。

某些无脊椎动物 SM（如贻贝 ABRM）表现出 catch 态，在许多方面类似于脊椎动物 SM。Catch 是力发展和刺激停止后出现的一种状态，其特征是在数分钟到数小时的高力维持、高抗拉伸性、短拉释放后无力重发展以及在胞内 Ca²⁺ 浓度回到近基础水平时极低的能量成本。这与刺激初始期（胞内 Ca²⁺ 高、力发展、能量使用速率高、肌肉在短拉释放后显示力重发展）形成对比。脊椎动物 SM 中经济性基于横桥动力学，现在我们知道 catch 中的高经济性源自迷你-titin 类的 twitchin 蛋白作为肌动蛋白和肌球蛋白丝之间的力维持系带。然而 Somlyo 注意到脊椎动物血管 SM 的紧张收缩在力维持期间表现出 catch 样机械行为（短拉释放后无力重发展）。脊椎动物中是否存在 twitchin 对应物尚不清楚。有趣的是，twitchin 与心肌 MyC-蛋白之间存在许多结构和功能相似性。Dillon 及其同事在固定低后负荷下测量动脉 SM 的缩短速度，发现在收缩过程中速度时间依赖地减慢。缩短速度变化的时间过程与 20 kDa 肌球蛋白轻链磷酸化的时间过程相似，加上能量学证据，促进了哺乳动物 SM 所谓"latch"态模型的建立。机制和能量学与 catch 态的相似启发了 latch 这一术语。Latch 桥假说已演化为：SM 独特性质源于已结合横桥的去磷酸化。高力输出伴低水平肌球蛋白轻链磷酸化可基于磷酸酶活性解释，这一设想由 Driska 和 Hai 与 Murphy 独立提出。他们认为肌球蛋白轻链磷酸化是横桥进入力产生态所必需，磷酸化肌球蛋白经历正常横桥循环（结合、脱离、伴随 ATP 分解），而去磷酸化发生在与肌动蛋白结合并产生力的横桥上时形成 latch 桥，其脱离速率极慢，将改变横桥循环完成动力学。去磷酸化横桥将作为对剩余磷酸化循环横桥的内部负载，产生速度下降。在稳态条件下，由去磷酸化横桥贡献高力，使仅少量肌球蛋白在任意时刻磷酸化即可维持高力。磷酸化降低且循环速率减慢、同时横桥数量保持，可解释力维持的高经济性。该模型具吸引力，引发了大量验证其适用性的实验。

某些关键特征不被 latch 桥模型支持。能量使用速率和最大缩短速度常与轻链磷酸化程度相关。然而某些不一致存在，包括一些肌肉中 ATPase 活性和最大缩短的大变化伴随磷酸化程度的较小变化，最大力在极低磷酸化程度即可产生，或磷酸化不增加的情况。这些不一致提出了肌球蛋白轻链磷酸化程度与活化条件下增加 ATPase 活性的分子数量之间定量关系的问题。单转换技术（测量与肌球蛋白结合的 ADP 被源自 ATP 分解的新 ADP 替代的速率）显示少量肌球蛋白轻链磷酸化协同开启最大数量的肌球蛋白分子；协同激活的肌球蛋白 ATPase 慢于直接由轻链磷酸化激活的 ATPase，但较高磷酸化程度提高横桥循环速率。协同横桥结合的进一步证据及其潜在量级来自 SM 耗竭 ATP 时 caged ATP 微摩尔级释放可在无 Ca²⁺ 和 RLC20 磷酸化情况下产生最大张力 40% 的力。因此协同性可直接解释低磷酸化水平下高力输出和低能量使用。松弛存在肌球蛋白去磷酸化形成具极慢脱离速率的承力横桥的强证据。在兔结肠带和透化门静脉中，力在短拉释放后再发展力能力、肌球蛋白轻链磷酸化和 ATPase 活性均已下降到接近静息值时仍缓慢下降。在等长 tetanus 松弛期间未检测到显著的基线以上能量使用。等效冲量（∫P dt/ΔBP）的能量在刺激期间高于松弛期间。也就是说，力在松弛期间以比刺激期间更少的能量使用来维持。这提示松弛期间单位能量的额外力可能源于松弛肌肉中存在已结合但不循环的横桥，这是此前在静息 SM 中被提出的状态。这些 SM 事件与骨骼肌形成对比——骨骼肌松弛期间能量使用非常高，与力由横桥循环减慢驱动的消散相关。

Fenn 显示骨骼肌的能输出可被施加于肌肉的力学约束所改变。当骨骼肌缩短做功时，释放的能量超过等长收缩所见；这是 Fenn 效应的一部分。在 SM 中，最大力维持期间启动等速缩短可观察到 Fenn 效应，但在刺激起始本应产生等长力时不出现。等长力发展期的平均能量使用速率是力维持期的四倍。因此，在等长条件下能量使用低的时刻，缩短期间的平均能量使用速率却增加 2.5 倍。外部做功的高化学能代价可能源于已结合但不循环横桥的存在。latch 假说的一项预测是去磷酸化横桥将对磷酸化循环横桥构成内部负载。这在诱导 latch 态（高力、降低的最大缩短速度、化学能使用和肌球蛋白轻链磷酸化）的条件下被测试；然而没有证据显示主动外部做功的化学能代价增加。也就是说，在最可能由 latch 桥产生力的条件下，没有能量学证据支持做功被内部负载耗散。在体外运动试验的相当简单条件下已显示，未磷酸化横桥群体可对循环（硫代磷酸化）横桥群体构成负载。这些结果与 latch 桥模型不一致，因为该模型要求肌球蛋白横桥在结合肌动蛋白时去磷酸化；一旦脱离，去磷酸化桥不能再结合除非再次磷酸化。因此脱离的未磷酸化横桥将可能不再与肌动蛋白相互作用。然而，最近激光捕获的单肌球蛋白力测定显示单体平滑肌肌球蛋白在抑制/折叠与活化/伸展构象之间存在动态平衡，RLC20 磷酸化将平衡移向活化、力产生态。有趣的是，对两个 RLC20 中仅一个磷酸化的肌球蛋白分子（这种情况最可能发生于组织内去磷酸化期间），这些单磷酸化肌球蛋白分子仍能产生显著力，因此可能成为 latch 态的贡献者。体外运动试验中肌动蛋白丝滑动速度依赖于磷酸化与非磷酸化肌球蛋白比例的观察提示两种横桥群体可发生机械相互作用。这些实验也显示未磷酸化 SM 肌球蛋白对骨骼肌肌球蛋白的阻碍程度大于磷酸化 SM 肌球蛋白对骨骼肌肌球蛋白的阻碍程度，强力提示 SM 横桥在强结合、高力产生态停留的时间比例大于骨骼肌横桥，这已通过单分子力测定在分子水平直接证实。结合较长的肌球蛋白丝，这些性质可解释 SM 与横纹肌产生相当大力的能力。

83.6 肌浆网的结构与功能（ARCHITECTURE AND FUNCTION OF THE SARCOPLASMIC RETICULUM）

激活剂 Ca²⁺ 的源和汇均位于细胞外和细胞内，由质膜和肌浆网（SR）上多种 Ca²⁺ 通道和泵介导。SR 与粗面内质网形成连续网络（也连接到核膜），Ca²⁺ 可在整个系统扩散。SR/ER 的体积和管状、穿孔片层与表面耦联的分布在时相型和紧张型 SM 中不同。穿孔片层 SR 类似于横纹肌中环绕 A 带的纵行 SR。大动脉中 SR 体积为 5%，作为网络分布于整个细胞；门静脉和结肠带等时相型 SM 中 SR 体积仅 2%，分布于细胞周边。动脉中央较为丰富的 SR/ER 可能与弹性蛋白、胶原和糖胺聚糖的合成有关。然而即使 2% 的体积在无细胞外 Ca²⁺ 时也足以在 15 分钟内反复维持完整大小的激动剂诱导收缩，提示 SM 中存在功能性细胞内区室可释放和隔离 Ca²⁺。SM 中 SR 二价阳离子转运的首次直接证据来自电镜下用锶（作为 Ca 标志物）显示 SR 腔内电子致密沉积。随后的 X 射线微探针分析直接检测到 Ca，激动剂被显示从周边和中央 SR 释放 Ca。SR/ER 中 Ca²⁺ 局部储存量在 48 mmol/kg SR 干重范围内，由 Ca²⁺ 结合蛋白增强；心肌型 calsequestrin 和 calreticulin 是主要储存蛋白，其他较少研究的 Ca²⁺ 结合蛋白起次要作用。肌集钙蛋白（calsequestrin）是横纹肌中主要 SR Ca²⁺ 结合蛋白，在多数而非所有 SM 中存在。在时相型输精管中，calsequestrin 主要定位于周边 SR，提示该 Ca 储备可被来自质膜的兴奋信号利用。Ca²⁺ 进入 SR 由 ATP 驱动的 SR/ER Ca²⁺ ATPase 异构体介导，将 Ca²⁺ 泵入 SR 并参与亚微摩尔静息 [Ca²⁺]i 的恢复和维持；这些异构体也见于慢骨骼肌、心肌和非肌细胞。许多但非所有 SM 还表达 SR 膜相关蛋白受磷蛋白（phospholamban），作为 cAMP 依赖靶点调节 SR Ca²⁺ 泵，在心脏中促进 β-肾上腺素能反应，可能以类似机制促进 SM 松弛。

电机械耦联（通过膜电位变化）和药理机械耦联（通过膜电位非依赖机制）是 SM 中兴奋-收缩耦联的两种主要形式。电机械耦联可使用 Ca²⁺ 内流和 Ca²⁺ 释放两种激活剂 Ca²⁺ 来源，始于表面耦联（SR 管接近质膜处），两膜系统间 12–18 nm 的窄间隙被桥接结构跨越。SM 中连接性 SR 的腔内含有大量无定形物质（主要为 calsequestrin）；这些表面耦联是兴奋-收缩耦联的位点，类似于骨骼肌的三联体和心肌的二联体以及心肌细胞的表面耦联，但 SM 中桥接结构具有不同的周期性。在横纹肌中跨越连接间隙的"脚"由 ryanodine 受体（位于 SR 连接膜）和二氢吡啶受体（位于横管或质膜）组成；SM 中桥接结构的身份尚不清楚。免疫电镜显示 IP₃ 受体和 ryanodine 受体均定位于周边和中央 SR，与两位置的 Ca²⁺ 储存和释放位点一致。IP₃ 受体可能构成表面耦联中的部分桥接结构。IP₃、RyR 和 Ca²⁺ 储存在 SM 中央 SR 中的局部定位类似于横纹肌的 corbular SR，尽管激动剂诱导的 Ca²⁺ 诱导 Ca²⁺ 释放在完整体 SM 中的作用尚未很好建立。Corbular SR 含 Ca²⁺、calsequestrin 和 RyR，由不与细胞膜关联的 SR 突起组成，被认为作为 Ca²⁺ 诱导 Ca²⁺ 释放位点起作用。表面耦联和中央 Ca²⁺ 诱导 Ca²⁺ 释放位点（具 IP₃ 和 RyR）是 SM 细胞中 Ca²⁺ 火花和 Ca²⁺ 波起源位点的良好候选（见第 87 章）。Store-operated 通道（SOCS）也可能定位于表面耦联。高 [Ca²⁺] 火花被认为发生在 SR 与质膜之间受限的连接空间，激活 BKCa 通道引起超极化以调节收缩。局部 Ca²⁺ 释放可能高到足以触发 Ca²⁺ 诱导 Ca²⁺ 释放。咖啡因通过 RyR 在 SM 中释放 Ca²⁺，与横纹肌相同，但 RyR 在 SM 中的作用尚未很好建立。Ca²⁺ 内流也可诱导 Ca²⁺ 诱导 Ca²⁺ 释放，与作为 SM 电机械耦联机制之一相一致。另一方面，IP₃ 产生可独立于膜电位变化诱导 Ca²⁺ 释放，是许多生理激动剂诱导的药理机械耦联的主要机制。caged IP₃ 光解后 IP₃ 产生先于力发展，而骨骼肌纤维中不支持该作用，IP₃ 产生的长潜伏期（0.5–1.0 秒）使其不适合作为电机械耦联（去极化诱导胞质 Ca²⁺ 上升在毫秒内发生）的信号。激动剂激活与力起始之间的总滞后相（1.2 秒）中，IP₃ 产生占 0.5–1.0 秒；IP₃ 诱导 Ca²⁺ 释放快速（约 30 毫秒）。剩余时间反映 RLC20 磷酸化所需的反应。药理机械耦联的另一个主要机制是通过改变 MLCK 或 MLCP 活性的信号通路调节收缩装置的敏感性：激动剂激活小 GTPase RhoA 及其靶 Rho 激酶（ROCK）导致 MLCP 的抑制性磷酸化，使磷酸化 RLC20 增加和力增加而不伴 Ca²⁺ 增加；该 Ca²⁺ 敏化通路的滞后为数十秒，发生在 Ca²⁺ 达到峰值后，从而贡献于激动剂诱发收缩反应的紧张成分。ROCK 或 PKC 也能磷酸化并激活 CPI-17 以抑制 MLCP 催化亚基。环核苷酸可通过 telokin 磷酸化激活 MLCP，或抑制 MLCK（但该 MLCK 抑制在体内 SM 中可能不发生）。总体而言，电机械耦联和药理机械耦联对兴奋-收缩耦联都很可能重要并同时运作，相对贡献因激动剂和组织而异。SR 是胞质 Ca²⁺ 控制的重要源和汇，质膜 Ca²⁺ 通道、Ca²⁺ ATPase 和 Na/Ca 交换体也参与其中；其他机制叠加于该基本框架之上，提供次级调节以使收缩反应适应特定 SM 功能。

83.7 线粒体、表面囊泡与结论（MITOCHONDRIA, SURFACE VESICLES, AND CONCLUSION）

线粒体在 SM 中大多被 SR/ER 环绕并紧邻（有时两膜间隙仅 20 nm）。关于该 Ca²⁺ 通量的功能存在两种观点：一种认为高局部 Ca²⁺ 释放被低亲和力线粒体单向转运体吸收，另一种认为高亲和力 SR 保护线粒体免于 Ca²⁺ 内流。在所有肌肉类型中，细胞损伤时 Ca²⁺ 过载会发生大量病理生理性 Ca²⁺ 摄取进入线粒体，但生理条件下线粒体是否积累显著量 Ca²⁺ 以缓冲胞质 [Ca²⁺]i 仍存争议。一般认为静息细胞中游离线粒体 Ca²⁺ [Ca²⁺]mt 约为 100 nM，总线粒体 Ca 为 0.4–1.0 mmol/kg 干重，总/游离线粒体 Ca 比值至少 4000:1。已发表的（用荧光指示剂测量的）[Ca²⁺]mt 值 10 μM 暗示总线粒体 Ca 约 40 mmol/kg 干重；考虑到线粒体部分体积和 SM 细胞总 Ca 含量，这在正常细胞中不太可能出现，提示酶分离细胞和线粒体基质内荧光/发光 Ca²⁺ 指示剂校准的不确定性可能贡献于该差异，仍待解决。

表面囊泡（caveolae）是质膜的烧瓶状内陷（直径 50–80 nm），沿细胞表面纵向排列，被 SR 管的穿孔包围，致密体定位于无囊泡的间隙中，使 SM 表面面积增加 25–70%。Caveolae 由特殊蛋白脂筏结构域组成，容纳大量参与信号转导和运输的分子以及 caveolin 异构体；这些分子受环核苷酸、Ca²⁺、激酶和磷酸酶的时空调控。Caveolin-1 已被证明是 IP₃R 与质膜功能性耦联以及脑动脉 SMC 收缩所需的 canonical TRPC3 通道组装所必需；Caveolin-1 敲除小鼠发生特发性或继发性肺动脉高压。这一现象将 caveolae 介导的信号转导与肺循环 SMC 功能异常直接关联。

总体而言，结构提示平滑肌功能，两者共同为 SM 收缩性的基本机制提供洞见，并为治疗 SM 疾病（死亡的主要原因之一）和改善公共卫生开辟可能性。

本章个人批注

本章是 Part IV 平滑肌部分的第 2 章，紧接第 82 章"平滑肌细胞谱系的发育"。如果说第 82 章回答了"不同 SMC 从哪里来、彼此有何不同"，本章则回答"不同 SMC 收缩装置长什么样、为何能产生等效于骨骼肌的力"。两位作者 Somlyo 和 Siegman 长期合作，文献与实验数据交叉深厚，本章在结构生物学和生物力学之间架桥，体现了 Somylo 实验室从电镜开始的传统。

对我个人而言，本章最有价值的部分有 4 处：(1) actin/myosin filament ratio 13:1 vs 2:1 这一数字让我重新理解了为什么 SM 在 myosin 含量只有骨骼肌 1/5 的情况下仍能产生等效力——几何补偿的思路在生物系统里很常见。(2) latch 假说作为 SM 收缩能量经济性的解释模型非常优雅，虽然实验上有些"inconsistencies"（正如作者自己承认的），但"附着-去磷酸化桥"作为内部负载这一概念与骨骼肌的 catch state 形成了有意义的对比。(3) IP₃ 的产生有 0.5–1.0 秒的延迟这一实验事实非常关键——它直接排除了 IP₃ 作为电机械耦联（毫秒级）信号的可能性，把药理机械耦联和电机械耦联在时间尺度上分离开来。(4) calsequestrin 在 vas deferens 主要位于 peripheral SR，而在其他 SM 中分布不同，这种 Ca²⁺ 储存区室化的差异可能与不同 SM 的兴奋-收缩耦联模式差异相关。

mini-titin / twitchin 与 MRTF-A、MRTF-B 以及 cardiac MyC-protein 的结构相似性是一个我之前没有注意到的联系——catch 蛋白与转录共激活因子都属于大型肌节相关蛋白家族，其演化关系值得追踪。

caveolin-1 KO 引起肺动脉高压这一现象，结合第 82 章提到的 SMC 谱系异质性，提示 caveolae 介导的信号转导在肺循环 SMC 中具有独特作用，可能与 IPAH 的发病机制直接相关。

与上下章的衔接（一段话）

本章是 Part IV 平滑肌部分的第 2 章，承接第 82 章"平滑肌细胞谱系的发育"——后者建立了"不同 SMC 来源不同、彼此功能差异"的发育学框架，本章则把这些 SMC 共同具备的收缩装置（actin、myosin、dense bodies、SR、caveolae、mitochondria）及其力学和能量学特性系统介绍，为后续章节（第 84 章离子通道、第 85 章 GPCR、第 86 章钙稳态、第 87 章收缩调控、第 88 章异质性）提供亚细胞结构和生物物理基础。作者在第 87 章"平滑肌收缩的调控"会再次回到 MLCK/MLCP 调控以及 latch 状态等问题，本章的 83.3、83.5 节可视为其前置；第 88 章"平滑肌的异质性"则会引用本章介绍的 actin 异构体组织特异性表达、SR 体积在动脉与时相型 SM 中的差异等内容。本章的核心结构-功能关系（filament ratio、dense bodies、SR volume、caveolae 数量）也将在后续疾病的章节（如第 103 章肺循环、第 104 章哮喘、第 98 章动脉粥样硬化）中作为亚细胞解释基础被反复引用。