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揭秘 | 不同动物间的心跳速率为啥不同?

 
撰文 | 解茵茵
 
责编 | 计永胜
 
心脏跳动应该是这个世界上最优美的旋律。
 
这优美旋律的节奏就是心跳速率。人们一直以来就对心率倍感兴趣,并发现一个有趣的现象:动物的体重大小和心脏每分钟跳动的次数呈负相关,一般体重越大,心率越慢。例如大象的心率约25-30次/分钟;人的心率约60-100次/分钟;小鼠的心率则高达600-700次/分钟(图1)。
图1 动物体重与心率呈负相关性 | 图源:参考文献[1]
 
优美的旋律由精妙的 “乐器” 发出,这就是心肌。从宏观到微观,心肌可被分解为肌纤维(Muscle fiber)、肌原纤维(Myofibril)和肌节(Sarcomere)。肌节是肌肉行使伸缩功能的最基本单位,主要由肌动蛋白(Actin)和肌球蛋白(Myosin)构成。
图2 肌纤维分解图 | 图源:infobloom.com
 
其实,肌节中肌球蛋白和肌动蛋白组成的结构特别像汽车发动机的气缸。机体通过燃烧ATP(形成ADP)来改变肌球蛋白末端(马达域/头部)的结构,后者与肌动蛋白结合,驱动肌动蛋白收缩。随后,肌球蛋白释放ADP,再去结合下一个ATP重复以上过程。基于此,肌球蛋白也被称为分子马达。
 
其它马达蛋白还包括驱动蛋白(Kinesin)和动力蛋白(Dynein),它俩也可以通过水解(燃烧)ATP获取能量,沿着细胞内的微管(细胞骨架的一种)运动,将内含蛋白的膜泡运到特定部位,被称为细胞内的 “快递小哥”。
图3 驱动蛋白和动力蛋白沿细胞骨架运动 | 图源:iBiology.org
 
当然,心肌的收缩还有包括钙离子在内的其他多种因素的参与。
图4 肌肉收缩模式图 | 截自:youtube.com
 
心肌每收缩和舒张一次便构成一次心跳。动物心律不同是因为哺乳动物个体越大,肌肉收缩速度越慢,其分子马达肌球蛋白的最大收缩速度(maximum shortening velocity,V0)越小 [2]。
 
回到关键的肌球蛋白。动物肌球蛋白最大的不同是 “制造材料”,也就是氨基酸序列的不同。因此,科研人员也一直想知道到底是哪些氨基酸或者说氨基酸序列对V0的影响最大,进而影响动物心率。
 
但是,关于动物的肌球蛋白氨基酸序列信息很少,相互之间的对比不是那么容易。
 
6月10日,来自英国肯特大学(University of Kent)的研究人员从多个数据库获取了不同动物的肌球蛋白氨基酸序列,所涉及动物的体重涵盖范围超过6个数量级,从6克到10000公斤。通过序列比较,他们认为,肌球蛋白马达域(头部)的序列变化与体重密切相关,进而影响心率 [3]。
 
随后,研究人员比较了两个主要演化分支(灵长总目和劳亚兽总目)中不同物种的67个序列,发现12个氨基酸位点很可能是决定肌球蛋白收缩速度的重要位置,这其中有3个位于已知影响ADP结合的区域。
 
由此推断,这些氨基酸可能影响肌动蛋白释放ADP的速率。
 
为验证推断,研究人员构建了一个人-大鼠肌球蛋白嵌合体,即将人肌球蛋白马达域中12个异同氨基酸中的9个替换为大鼠中的氨基酸序列。正如预测那样,ATP竞争实验及其与大鼠肌动蛋白的亲和力实验显示人-大鼠肌球蛋白嵌合体的ADP释放速率加快,与大鼠肌球蛋白更为相似(图5)。
 
如果把ATP水解释放能量和ADP从肌球蛋白释放比作一次完整的燃料燃烧过程的话,也就是说,9个氨基酸的替换提高了人肌球蛋白的燃油效率,自然心率加快。
图5 人-大鼠肌球蛋白嵌合体的ADP释放速率与大鼠肌球蛋白相似 | 图源:参考文献[3]
 
综合来看,研究人员利用生物信息学手段分析出肌球蛋白氨基酸序列变化与动物体重的负相关性,为进一步探究大动物由小到大进化过程中的心率减慢提供了线索。“人-大鼠肌球蛋白嵌合体V0数值的改变表明很可能这几个氨基酸的变化驱动了动物体型有小变大进化过程中心律的调整” 论文作者克洛伊·约翰逊(Chloe A. Johnson)在接受媒体采访时表示 [4]。
 
参考资料
 
1. Dawson, T.H. (2014). Allometric Relations and Scaling Laws for the Cardiovascular System of Mammals. Systems 2, 168-185.
 
2. Savage VM, Allen AP, Brown JH, Gillooly JF, Herman AB, Woodruff WH, West GB. Scaling of number, size, and metabolic rate of cells with body size in mammals. Proc Natl Acad Sci U S A. 2007 Mar 13;104(11):4718-23. doi: 10.1073/pnas.0611235104. Epub 2007 Mar 1. PMID: 17360590; PMCID: PMC1838666.
 
3. Johnson, C.A., McGreig, J.E., Jeanfavre, S.T., Walklate, J., Vera, C.D., Farré, M., Mulvihill, D.P., Baines, A.J., Ridout, M., Leinwand, L.A., et al. (2021). Identification of sequence changes in myosin II that adjust muscle contraction velocity. PLoS Biol 19, e3001248.
 
4. https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-06/p-fhs060821.php



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