增齡與骨骼肌肌細胞的退變

曹 玲 楊 光

(大連理工大學體育教學部，遼寧 大連 116024)

老年人隨著年齡的增長,各個器官的功能逐漸衰退,從而影響其健康和日常生活。其中，骨骼肌衰老是人體在增齡過程中的必然現(xiàn)象，會帶來更為嚴重的后果，比如，易導致老年人跌倒〔1〕、骨折以及各種骨骼疾病，由此造成的經(jīng)濟損失每年超過180億美元〔2〕。由此可見，骨骼肌衰老不僅影響了老年人的身心健康和生活質(zhì)量，也增加了家庭和社會的經(jīng)濟負擔。增齡過程中，骨骼肌在結(jié)構(gòu)組成上發(fā)生了變化，全面研究并充分認識這一變化，對預防與干預骨骼肌衰老，提高老年人的日常生活能力具有十分重要的意義。本文從細胞和分子水平上，對國內(nèi)外骨骼肌肌細胞退變的相關(guān)文獻進行綜述，希望能為該領(lǐng)域的研究提供參考，并為預防與干預老年人骨骼肌功能衰退提供理論依據(jù)。

1 肌力下降

早在1989年，就有研究者提出了“肌肉減少癥(sarcopenia)”這一概念〔3〕，最初是指伴隨增齡的“肌肉含量的減少”。然而，近年來美國老年人研究所和歐洲肌肉減少癥工作組將肌肉減少癥定義為“肌肉含量的減少和肌肉力量的降低”〔4〕。在這一概念變化的基礎(chǔ)上，用“肌肉含量的減少”就不能解釋增齡帶來的骨骼肌衰老的現(xiàn)象〔5〕。增齡過程中骨骼肌的衰老主要表現(xiàn)為肌肉力量(肌力)的下降。導致肌力下降的主要因素包括肌肉含量(肌肉重量和橫截面積)的減少和相對肌力(肌力除以肌肉橫截面積)的降低。

根據(jù)有關(guān)活動量減少〔6～10〕、老齡化〔6，9，10，11～15〕問題的動物與人體研究發(fā)現(xiàn),與活動量減少的群體相比，老齡組相對肌力降低的趨勢比肌肉含量減少的趨勢顯著。活動量減少導致的肌力降低主要與肌肉含量的變化有關(guān)；然而也有大量的研究表明，肌力的降低與相對肌力的下降有關(guān)。另外，在老齡組中，與肌肉含量的變化相比，相對肌力的降低率具有更顯著的變化趨勢。因此，筆者認為相對肌力的下降可能是肌力下降的主要原因。

2 增齡與骨骼肌組成的變化

老年人的骨骼肌隨著年齡的增加，非收縮肌肉組織有所增加〔16〕。因此，伴隨增齡,在非收縮組織含量增加的情況下，收縮蛋白質(zhì)的比例降低，可以認為骨骼肌的相對肌力下降。事實上，通過計算機輔助截面攝影，根據(jù)圖像中色彩的強度可以分析骨骼肌的組成成分，脂肪細胞量的增加導致相對肌力的降低，被稱為“肌肉脂肪癥”(myosteatosis)〔17〕。另根據(jù)核磁共振成像法對骨骼肌的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，老年人的脂肪細胞量與年輕人相比增加了2倍以上〔18〕，也就是說，在增齡過程中，非收縮性組織的增加是骨骼肌衰老的一個主要因素，肌纖維內(nèi)的脂肪沉積則是由于老化的骨骼肌細胞氧化代謝能力下降所致。這一觀點也被Payne等〔19〕在大齡鼠的比目魚肌和趾長伸肌的實驗中證實。該研究還指出伴隨著肌纖維間的脂肪細胞浸潤，細胞間隙擴大，相對肌力逐漸下降。

3 增齡與肌細胞的變化

肌肉的收縮是基于多個復雜過程的聯(lián)動而發(fā)生的(圖1)。興奮-收縮耦聯(lián)是肌肉的重要功能特點之一，圖1(i)～(iv)的任何一個過程出現(xiàn)機能障礙，無論肌肉含量是否減少，都會導致肌肉相對肌力的降低。

(i)細胞膜內(nèi)產(chǎn)生的活動電位，引起存在于橫小管的電位依賴性Ca2+通道(DHPR)的立體結(jié)構(gòu)變化；(ii)DHPR和肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+通道(RyR)在功能上協(xié)同導致細胞內(nèi)Ca2+濃度上升；(iii)Ca2+與肌鈣蛋白結(jié)合；(iv)被稱為橫橋的肌動蛋白與肌球蛋白的相互作用。

圖1 興奮-收縮耦聯(lián)

3.1肌質(zhì)網(wǎng)釋放Ca2+量的降低 Delbono等〔20〕從股外肌取出肌纖維，通過去極化誘導細胞內(nèi)Ca2+濃度上升，結(jié)果首次發(fā)現(xiàn)老年人肌細胞內(nèi)的Ca2+濃度上升幅度比年輕人的要低。其他研究者在動物實驗中，以小鼠作為研究對象，均得到了相同的結(jié)果〔21，22〕。由此可以證實，隨著機體的老化，從細胞膜到肌質(zhì)網(wǎng)的Ca2+通道- ryanodine 受體(RyR)之間出現(xiàn)了機能不健全的狀況，其中 RyR則可以通過Ca2+誘導Ca2+釋放機制將肌質(zhì)網(wǎng)中的Ca2+釋放于細胞質(zhì)中，細胞質(zhì)的濃度可以增強通道蛋白的活動，但通道的打開受到橫管系統(tǒng)的雙氫吡啶受體(dihydropyridine acceptor，DHPR)的調(diào)節(jié)，所以，DHPR與RyR在機制上是相互聯(lián)系的，在增齡的過程中，這種聯(lián)系在機能上可能存在聯(lián)動障礙。

由于RyR是同源四聚體，1分子的RyR與 4分子的DHPR對應(yīng)形成復合體，對于骨骼肌的興奮-收縮耦聯(lián)，去極化的電子信號轉(zhuǎn)化為Ca2+的效率，依賴于這些可直接相互作用的復合體的量。已有研究發(fā)現(xiàn)，伴隨老化，DHPR的1s亞單元的量在大鼠〔23〕、小鼠〔24〕以及兔子〔25〕的體內(nèi)均有所減少。也有研究發(fā)現(xiàn)，大齡大鼠與小齡大鼠相比，聯(lián)動的DHPR-RyR復合體的量，快肌約減少30%、慢肌約減40%〔23〕。因此可以認為，在增齡過程中，興奮-伸縮耦聯(lián)的信息傳送效率顯著降低，這就導致了骨骼肌功能的衰退。另外，形態(tài)學方面的研究結(jié)果也支持這一觀點，通過電子顯微鏡能觀察到老年人的骨骼肌橫行小管和肌質(zhì)網(wǎng)的末端組成的復合體數(shù)目減少的現(xiàn)象〔26〕。然而，對于大鼠〔27〕和人〔28〕的實驗也有結(jié)果表明，在增齡的過程中，DHPR量的變化不受影響。之所以有不一致的觀點，其原因目前尚不清楚，筆者認為與研究對象、所研究的肌肉種類、年齡等不同有關(guān)，還需要進一步的深入研究來證實。

3.2肌原纖維的收縮力降低 通過物理或化學的方法將細胞膜剝離后的單一肌纖維暴露于Ca2+溶液中得到的張力不受肌質(zhì)網(wǎng)的Ca2+放出能力的影響，反映了肌原纖維的選擇性機能。到目前為止，從人〔14，29〕和兔子〔6〕體內(nèi)取出的單一肌纖維中Ca2+誘導的最大收縮力測定的數(shù)據(jù)表明，相對肌力伴隨增齡而降低。也就是說，可以認為肌原纖維的機能不健全與骨骼肌衰老有關(guān)。

可以把肌原纖維稱為肌肉的收縮裝置，它由粗肌絲(filament)和細肌絲彎曲重疊而成。粗肌絲的主要構(gòu)成體肌球蛋白頭含有ATP分解酶(mATPase)，在肌肉收縮時將產(chǎn)生能量。另一方面，細肌絲主要是由肌動蛋白分子螺旋狀重疊在一起而構(gòu)成。肌球蛋白頭與肌動蛋白分別存在相互作用的部位，這些相互作用部位利用由ATP分解而產(chǎn)生的能量形成橫橋，從而細肌絲向粗肌絲的中心部位滑動。在此過程中，肌球蛋白頭和肌動蛋白按照被稱為橫橋循環(huán)的(圖2)過程重復進行，形成肌肉收縮。肌原纖維的收縮力是由被調(diào)動的橫橋數(shù)目以及相對于每一個橫橋的張力來決定的〔30〕。

(i)在ATP分解酶的作用下，ATP分解為ADP和無機磷(P)，肌球蛋白和肌動蛋白弱結(jié)合；(ii)無機磷解離后，肌球蛋白和肌動蛋白強結(jié)合；(iii)ADP解離后，肌球蛋白從肌動蛋白上脫離。

圖2 橫橋循環(huán)〔31〕

肌球蛋白分子是有兩條肌球蛋白重鏈(Myosin heavy chain:MyHC)和4條肌球蛋白輕鏈所構(gòu)成。D′Antona等〔32〕從老年人的股外肌中取出單一肌纖維，發(fā)現(xiàn)相對肌力與MyHC量之間的相關(guān)關(guān)系，且MyHC的減少引起被動員橫橋的數(shù)目降低，從而導致骨骼肌衰老。隨后的研究也支持了這一觀點，如Thompson等〔33〕指出MyHC 量的降低在老齡大鼠的半膜肌中也觀察得到，在增齡的過程中，快肌MyHC的合成量會有所降低〔34〕。還有報道指出，對于被統(tǒng)稱為惡疾(cachexia)的心不全、癌癥、艾滋病等伴隨肌肉含量的降低，是炎癥性細胞活素(Cytokine) 作為上調(diào)因子的泛激素(ubiquitin)-蛋白酶體(proteasome)復合體系與MyHC的分解相關(guān)〔35，36〕。在老年人群中也如此，血液中炎癥性細胞活素的濃度與肌肉含量及其肌力間存在相關(guān)關(guān)系，這一點已得到認同〔37〕。至于在這些關(guān)系中存在怎樣的因果聯(lián)系，有待進一步深入研究。另一方面，對于老齡小鼠的比目魚肌，無論MyHC的發(fā)現(xiàn)量是否存在變化，關(guān)于相對肌力的低下已有研究報道，僅僅以橫橋量的變化很難全面說明肌原纖維機能低下的現(xiàn)象。

電子自旋共振(EPR)法在有關(guān)肌球蛋白分子構(gòu)造變化的研究中得到了廣泛應(yīng)用。肌球蛋白頭的催化劑部位存在高反應(yīng)性的硫氫(SH)基團，通過EPR法進行分析，可以判別肌球蛋白頭結(jié)合狀態(tài)的強弱〔38〕。Lowe等〔31〕對大鼠半膜肌的單一肌纖維進行EPR法肌肉等長收縮研究，發(fā)現(xiàn)在肌球蛋白頭強結(jié)合狀態(tài)下老齡大鼠的肌球蛋白頭的比例與小齡大鼠相比降低了約30%。而且，該研究組的研究結(jié)果還表明，肌球蛋白中游離SH基團的量隨著年齡的增大而降低，活性氧物種直接影響肌球蛋白頭機能性障礙。在由大鼠的半腱肌的肌球蛋白中，也發(fā)現(xiàn)老齡化伴隨的游離SH基團的減少〔15〕，可認為因氧化而導致肌球蛋白結(jié)構(gòu)的變化可能會導致肌原纖維機能的低下。因此，伴隨著老化，肌球蛋白的退行性變化引起被動員橫橋的數(shù)量以及每個橫橋的張力降低，從而導致肌原纖維的功能低下。

綜上所述，在增齡過程中,骨骼肌衰老主要表現(xiàn)為肌力下降，這種衰退有多種因素，本文從微觀角度揭示了骨骼肌肌細胞發(fā)生退變的原因：肌質(zhì)網(wǎng)釋放Ca2+量的降低；肌動蛋白和肌球蛋白的橫橋數(shù)量的減少以及肌球蛋白的結(jié)構(gòu)變化導致的肌原纖維張力的降低。骨骼肌衰老是一個漸進的過程，其機制十分復雜，許多相互聯(lián)系的因素都會導致骨骼肌衰老發(fā)生和發(fā)展，全面地研究增齡與骨骼肌衰老的機制，為建立準確診斷、有效預防與干預提供理論依據(jù)。

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