撰文 | 解茵茵

責編 | 計永勝

心臟跳動應該是這個世界上最優美的旋律。

這優美旋律的節奏就是心跳速率。人們一直以來就對心率倍感興趣，並發現一個有趣的現象：動物的體重大小和心臟每分鐘跳動的次數呈負相關，一般體重越大，心率越慢。例如大象的心率約25-30次／分鐘；人的心率約60-100次／分鐘；小鼠的心率則高達600-700次／分鐘（圖1）。

圖1 動物體重與心率呈負相關性 | 圖源：參考文獻［1］

優美的旋律由精妙的 “樂器” 發出，這就是心肌。從宏觀到微觀，心肌可被分解為肌纖維（Muscle fiber）、肌原纖維（Myofibril）和肌節（Sarcomere）。肌節是肌肉行使伸縮功能的最基本單位，主要由肌動蛋白（Actin）和肌球蛋白（Myosin）構成。

圖2 肌纖維分解圖 | 圖源：infobloom。com

其實，肌節中肌球蛋白和肌動蛋白組成的結構特別像汽車發動機的氣缸。機體透過燃燒ATP（形成ADP）來改變肌球蛋白末端（馬達域/頭部）的結構，後者與肌動蛋白結合，驅動肌動蛋白收縮。隨後，肌球蛋白釋放ADP，再去結合下一個ATP重複以上過程。基於此，肌球蛋白也被稱為分子馬達。

其它馬達蛋白還包括驅動蛋白（Kinesin）和動力蛋白（Dynein），它倆也可以透過水解（燃燒）ATP獲取能量，沿著細胞內的微管（細胞骨架的一種）運動，將內含蛋白的膜泡運到特定部位，被稱為細胞內的 “快遞小哥”。

圖3 驅動蛋白和動力蛋白沿細胞骨架運動 | 圖源：iBiology。org

當然，心肌的收縮還有包括鈣離子在內的其他多種因素的參與。

圖4 肌肉收縮模式圖 | 圖片截自：youtube。com

心肌每收縮和舒張一次便構成一次心跳。動物心律不同是因為哺乳動物個體越大，肌肉收縮速度越慢，其分子馬達肌球蛋白的最大收縮速度（maximum shortening velocity，V0）越小 ［2］。

回到關鍵的肌球蛋白。動物肌球蛋白最大的不同是 “製造材料”，也就是氨基酸序列的不同。因此，科研人員也一直想知道到底是哪些氨基酸或者說氨基酸序列對V0的影響最大，進而影響動物心率。

但是，關於動物的肌球蛋白氨基酸序列資訊很少，相互之間的對比不是那麼容易。

6月10日，來自英國肯特大學（University of Kent）的研究人員從多個數據庫獲取了不同動物的肌球蛋白氨基酸序列，所涉及動物的體重涵蓋範圍超過6個數量級，從6克到10000公斤。透過序列比較，他們認為，肌球蛋白馬達域（頭部）的序列變化與體重密切相關，進而影響心率 ［3］。

隨後，研究人員比較了兩個主要演化分支（靈長總目和勞亞獸總目）中不同物種的67個序列，發現12個氨基酸位點很可能是決定肌球蛋白收縮速度的重要位置，這其中有3個位於已知影響ADP結合的區域。

由此推斷，這些氨基酸可能影響肌動蛋白釋放ADP的速率。

為驗證推斷，研究人員構建了一個人-大鼠肌球蛋白嵌合體，即將人肌球蛋白馬達域中12個異同氨基酸中的9個替換為大鼠中的氨基酸序列。正如預測那樣，ATP競爭實驗及其與大鼠肌動蛋白的親和力實驗顯示人-大鼠肌球蛋白嵌合體的ADP釋放速率加快，與大鼠肌球蛋白更為相似（圖5）。

如果把ATP水解釋放能量和ADP從肌球蛋白釋放比作一次完整的燃料燃燒過程的話，也就是說，9個氨基酸的替換提高了人肌球蛋白的燃油效率，自然心率加快。

圖5 人-大鼠肌球蛋白嵌合體的ADP釋放速率與大鼠肌球蛋白相似 | 圖源：參考文獻［3］

綜合來看，研究人員利用生物資訊學手段分析出肌球蛋白氨基酸序列變化與動物體重的負相關性，為進一步探究大動物由小到大進化過程中的心率減慢提供了線索。“人-大鼠肌球蛋白嵌合體V0數值的改變表明很可能這幾個氨基酸的變化驅動了動物體型有小變大進化過程中心律的調整” 論文作者克洛伊·約翰遜（Chloe A。 Johnson）在接受媒體採訪時表示 ［4］。

參考資料

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