肌紅蛋白和線粒體互作的研究進(jìn)展

羅 培，趙偉杰，王麗娜*，江青艷*

（1.廣東省動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510642）

肌紅蛋白（Myoglobin，Mb）是一種可移動(dòng)的氧載體，主要存在于紅肌中（I 型和Ⅱa 型骨骼?。軌蚩赡嫘越Y(jié)合氧氣，在低氧或劇烈運(yùn)動(dòng)條件下，將氧從肌膜運(yùn)送到脊椎動(dòng)物肌肉的線粒體中，通過(guò)呼吸鏈為細(xì)胞內(nèi)各種物質(zhì)代謝提供所需要的能量。據(jù)報(bào)道，肌紅蛋白還能夠結(jié)合多余的一氧化氮（NO），改善線粒體的有氧代謝[1]。也有研究發(fā)現(xiàn)，肌紅蛋白部分定位于線粒體中，在肌肉收縮過(guò)程中通過(guò)與線粒體的相互作用滿足肌肉代謝需求[2]。另一方面，線粒體及其呼吸對(duì)肌紅蛋白的表達(dá)以及不同化合態(tài)的轉(zhuǎn)化也有著重要影響。如在低氧運(yùn)動(dòng)條件下，脯胺酸羥化酶和低氧誘導(dǎo)因子（HIF1α）對(duì)肌紅蛋白表達(dá)具有正向調(diào)控作用，且對(duì)肌纖維類型轉(zhuǎn)化具有積極影響。同時(shí)，線粒體及其呼吸的中間產(chǎn)物對(duì)高鐵肌紅蛋白（metMb）的還原有促進(jìn)作用，進(jìn)而改善并維持肉色[3-4]。由此可見(jiàn)，肌肉中肌紅蛋白與線粒體間的相互作用可能是改善肌肉氧化代謝、促進(jìn)肌纖維類型轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)。雖然肌紅蛋白與線粒體被發(fā)現(xiàn)的時(shí)間非常接近，但直至20 世紀(jì)末兩者才被當(dāng)作一個(gè)代謝組研究。自肌紅蛋白被發(fā)現(xiàn)并被證實(shí)能夠結(jié)合NO 后[5-8]，肌紅蛋白就從傳統(tǒng)觀念上的氧儲(chǔ)存器逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯泶呋瘎┎⑴c線粒體聯(lián)系起來(lái)，如肌紅蛋白能調(diào)節(jié)線粒體氧代謝以及保護(hù)線粒體，且可能最終作用于肌纖維類型的轉(zhuǎn)化。本文就近年來(lái)關(guān)于肌肉中肌紅蛋白與線粒體間的相互作用的研究進(jìn)展做一綜述，以期為肉品質(zhì)調(diào)控研究提供參考。

1 肌紅蛋白和線粒體的結(jié)構(gòu)與功能

自肌紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)被闡明至今已接近60 年[9]。如圖1 所示[10]，肌紅蛋白由一條多肽鏈和血紅素輔基構(gòu)成，以鐵卟啉為活性中心，呈緊密球形。肌紅蛋白的主要功能最早被描述為儲(chǔ)存氧氣和氧氣轉(zhuǎn)運(yùn)。氧氣在血紅素鐵的第6 個(gè)配位位置可逆地結(jié)合肌紅蛋白，引起毛細(xì)血管中肌紅蛋白的構(gòu)象改變，以氧合肌紅蛋白的形式暫時(shí)儲(chǔ)存在肌肉中，并能在機(jī)體缺氧或劇烈運(yùn)動(dòng)條件下，將其結(jié)合的氧釋放并從肌膜擴(kuò)散到線粒體中，充當(dāng)線粒體電子傳遞鏈的最終電子受體，以氧化磷酸化為優(yōu)先途徑產(chǎn)生ATP 滿足機(jī)體代謝需要[11]。

線粒體是存在于真核細(xì)胞中具有雙層膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器，通過(guò)復(fù)合物和呼吸鏈在膜內(nèi)外產(chǎn)生質(zhì)子梯度，驅(qū)動(dòng)三磷酸腺苷（Adenosine Triphosphate，ATP）的合成[12]，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示[13]。線粒體的這種能量產(chǎn)生功能對(duì)于體內(nèi)大多數(shù)細(xì)胞的存活是必需的，因此線粒體一度被認(rèn)為是唯一負(fù)責(zé)能量產(chǎn)生的細(xì)胞器。但從20 世紀(jì)90 年代以后，線粒體的其他重要功能逐漸被發(fā)現(xiàn)，如調(diào)控細(xì)胞凋亡、參與免疫等。研究表明，線粒體已經(jīng)與細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)等息息相關(guān)，而線粒體自身穩(wěn)態(tài)的維持以及下游活動(dòng)的調(diào)控等還有待深入研究[14]。因此，線粒體與肌紅蛋白的相互作用是全面理解兩者生理作用的重要部分。

2 肌纖維類型與肉品質(zhì)的關(guān)系

2.1 影響肉質(zhì)的因素和肌纖維類型的特征 肉品質(zhì)是畜牧業(yè)中最重要的經(jīng)濟(jì)性狀之一，衡量肉品質(zhì)的指標(biāo)主要包括系水力[15]、肉色[16]、宰后24 h 的pH[17]、嫩度[18]和糖酵解電位[19]等。肉品質(zhì)受遺傳、營(yíng)養(yǎng)、飼養(yǎng)環(huán)境和動(dòng)物福利等多種因素的影響[20]，其中肌纖維類型是核心因素之一，在豬屠宰前后條件一致時(shí)，它決定了肌肉的組織化學(xué)特性進(jìn)而影響多個(gè)肉品質(zhì)指標(biāo)，并決定最終口感[21]。根據(jù)肌球蛋白重鏈（Myosin Heavy Chain）的不同亞型，以及肌纖維的氧化和收縮特性，可將哺乳動(dòng)物骨骼肌分為4 種類型，即慢速氧化型肌纖維MyHC I（I 型）、快速氧化型肌纖維MyHC IIa（IIa 型）、快速酵解型肌纖維MyHC IIb（IIb 型）和中間型MyHC IIx（IIx 型）[22]。其中I 型肌纖維含有豐富的氧化代謝酶、肌紅蛋白、毛細(xì)血管以及線粒體等，具有較強(qiáng)的氧化能力，收縮慢且持久。而Ⅱ型肌纖維中毛細(xì)血管、線粒體以及氧化代謝酶含量少，含有大量的酵解相關(guān)酶，利用糖原產(chǎn)生能量，收縮快但不持久，易疲勞[23-24]。

2.2 肌纖維類型與肉品質(zhì)的關(guān)系 不同肌纖維類型的占比及轉(zhuǎn)化反映肌肉的形態(tài)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，從多個(gè)方面影響肉品質(zhì)。動(dòng)物放血后，肌紅蛋白為影響肉色的主要因素，因此含有I 型肌纖維較多的肌肉具有更好的肉色或維持肉色的能力，含Ⅱ型肌纖維較多的肌肉則相反[25-27]。肉品嫩度本質(zhì)上是反映切斷一定厚度的肉塊所需要的力量，很大程度取決于肌纖維類型、直徑以及密度[28]。研究表明，Ⅰ型肌纖維的直徑和密度均比Ⅱ型肌纖維低，肌肉中紅肌纖維的比例與肉的嫩度和多汁性正相關(guān)[29-30]。動(dòng)物屠宰后肌肉主要依靠糖酵解供能，導(dǎo)致肌肉的pH 在宰后1 h 內(nèi)出現(xiàn)一定程度的下降，甚至影響蛋白質(zhì)降解進(jìn)而影響系水力[31-32]。研究表明，較高的Ⅱ型肌纖維比例會(huì)導(dǎo)致最終pH 和系水力降低[21]，影響肉的風(fēng)味[33]。肌內(nèi)脂肪是伴隨著在肌束和肌纖維間結(jié)締組織的發(fā)育而逐漸沉積在肌肉內(nèi)的脂肪，肌內(nèi)脂肪含量與肉的多汁性、風(fēng)味和嫩度有密切關(guān)系。研究表明，肌內(nèi)脂肪含量與Ⅰ型肌纖維比例呈正相關(guān)，且與其代謝特點(diǎn)有關(guān)[34-35]。

3 肌紅蛋白與線粒體的互作及對(duì)有氧代謝的影響

3.1 肌紅蛋白作為氧代謝的媒介促進(jìn)線粒體呼吸和低氧適應(yīng) 研究表明，一定范圍內(nèi)，肌紅蛋白的濃度與低氧適應(yīng)能力、運(yùn)動(dòng)耐力以及紅肌比例呈正相關(guān)，且快速和慢速肌纖維的氧化纖維表型也是由肌紅蛋白與編碼線粒體的基因組的共表達(dá)定義的[36-38]。而線粒體的存在是氧合肌紅蛋白脫氧的條件之一[39]，肌紅蛋白與線粒體的互相作用是低氧適應(yīng)的重要機(jī)制之一：在肌肉缺氧時(shí)，氧合肌紅蛋白迅速脫氧，使毛細(xì)血管的氧分壓增加，形成濃度梯度，同時(shí)自身的飽和度降低，靠近細(xì)胞膜，促進(jìn)氧氣擴(kuò)散[40]，此時(shí)線粒體的密度和肌纖維橫截面積也相應(yīng)減少，減少了氧氣需求以及肌纖維內(nèi)氧氣擴(kuò)散的距離，促進(jìn)了動(dòng)物對(duì)低氧的適應(yīng)[41]。雖然有研究否定了肌紅蛋白在常氧條件下的促進(jìn)氧擴(kuò)散的作用[42-43]，但其在低氧下的作用已被認(rèn)可[44]，且由于免疫組化等技術(shù)的發(fā)展，其作用得到了更深入的理解。

3.2 肌紅蛋白部分定位于線粒體并提高能量轉(zhuǎn)化效率 在21 世紀(jì)之前，肌紅蛋白被認(rèn)為以胞漿蛋白的形式存在于細(xì)胞中，直至Tatsuya 等[2]通過(guò)生化組織學(xué)和電鏡分析首次證明了肌紅蛋白少量定位于線粒體外膜上，且提出了肌紅蛋白與線粒體呼吸鏈中的復(fù)合物Ⅳ存在相互作用的假說(shuō)。這種定位形成了肌紅蛋白-線粒體復(fù)合物，能夠直接為線粒體輸送氧氣，而不是傳統(tǒng)理念的由毛細(xì)血管跨膜運(yùn)輸，滿足了肌漿網(wǎng)線粒體在肌肉收縮或急性缺氧條件下的代謝需要[45-46]，并能在收縮開(kāi)始時(shí)立即刺激ATP 的合成。由于在機(jī)體氧化型肌纖維中肌紅蛋白的數(shù)量及其與線粒體的共定位區(qū)域比糖酵解肌纖維更多，共定位的發(fā)現(xiàn)不僅證明了肌紅蛋白的促氧擴(kuò)散作用，同時(shí)也提示兩者的相互作用可能與骨骼肌的肌纖維類型轉(zhuǎn)化有重要影響。近年不少研究提出肌紅蛋白定位于線粒體外膜的機(jī)制，如線粒體自身融合過(guò)程中肌紅蛋白的融入以及線粒體外膜上脫輔基肌紅蛋白攝入血紅素等[47-48]，但目前依舊沒(méi)有定論。

進(jìn)一步研究表明[49]，肌紅蛋白與線粒體呼吸鏈復(fù)合物IV 結(jié)合，且肌紅蛋白的過(guò)表達(dá)雖然不影響線粒體的數(shù)量以及復(fù)合物I～I(xiàn)II 中的關(guān)鍵呼吸酶的活性（泛醌還原酶NADH、泛醌還原酶FADH2 和泛醇細(xì)胞色素C還原酶），但能夠通過(guò)增強(qiáng)細(xì)胞色素C 氧化酶的活性來(lái)顯著增強(qiáng)復(fù)合物Ⅳ的活性，使線粒體的耗氧量增大，增強(qiáng)三羧酸循環(huán)從而使線粒體呼吸的底物減少，最終提高了二磷酸腺苷（Adenosine Diphosphate，ADP）對(duì)每個(gè)能量底物的ATP 轉(zhuǎn)化效率并加強(qiáng)了肌細(xì)胞在增殖分化中的適應(yīng)作用。

3.3 肌紅蛋白通過(guò)調(diào)節(jié)NO 平衡改善線粒體有氧代謝肌紅蛋白先后被發(fā)現(xiàn)有清除NO 和還原亞硝酸鹽的作用[8,50]。NO 對(duì)于線粒體呼吸具有雙重作用。在常氧條件下，多余的NO 能直接與酶的雙核中心（CuB/ 血紅素a3）結(jié)合，導(dǎo)致血紅素a3 的可逆亞硝基化并競(jìng)爭(zhēng)性抑制氧與酶的結(jié)合[51]，最終抑制線粒體呼吸；但在缺氧或缺血條件下，NO 能通過(guò)鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑影響血管張力以及心臟功能的維持等，缺乏NO 常常導(dǎo)致血壓升高。Flogel[8]等將肌紅蛋白描述為NO 的“清道夫”，即肌紅蛋白在常氧條件下以氧合肌紅蛋白（Oxymyoglobin,MbO2）的形式存在，氧合肌紅蛋白能夠結(jié)合NO 生成亞硝基肌紅蛋白，而高鐵肌紅蛋白在高鐵肌紅蛋白還原酶的作用下還原成肌紅蛋白，再與氧氣結(jié)合形成氧合肌紅蛋白，再次進(jìn)行NO 降解循環(huán)。同時(shí)，線粒體攝取氧合肌紅蛋白的氧分子生成的肌紅蛋白也能結(jié)合NO，形成亞硝基肌紅蛋白（Nitrosomyoglobin，MbNO），進(jìn)而保護(hù)細(xì)胞色素C，并穩(wěn)定和改善心臟和肌肉中的線粒體功能。

亞硝酸鹽沿著生理氧梯度被還原成NO 和其他氮氧化物，且亞硝酸鹽可以被視為在缺氧或代謝應(yīng)激期間支持NO 信號(hào)傳導(dǎo)的穩(wěn)定儲(chǔ)庫(kù)，細(xì)胞色素C 也是催化這一過(guò)程的酶之一[52]。Matthias 等[53]首次證明了低氧或缺血條件下肌紅蛋白在體內(nèi)具有功能性亞硝酸還原活性，其在調(diào)節(jié)缺氧血管舒張中起關(guān)鍵作用，占血管舒張反應(yīng)的50%，且其還原力是血紅蛋白的60 倍。研究表明內(nèi)源性亞硝酸鹽的還原是平滑肌NO 水平上升的主要原因[54]，而在宰殺后加工的過(guò)程中，尤其是在使用硝酸鹽和亞硝酸鹽作為腌制劑時(shí)，外源性亞硝酸鹽是主要原因[55]。在低氧條件下，肌紅蛋白的濃度迅速上升，導(dǎo)致亞硝酸鹽還原量顯著增加，NO 水平顯著上升，導(dǎo)致細(xì)胞色素C 的活性被競(jìng)爭(zhēng)性抑制，機(jī)體氧耗下降，氧合肌紅蛋白含量降低，同時(shí)氧合肌紅蛋白對(duì)NO 的清除作用減弱，最后通過(guò)降低肌肉收縮性和氧消耗來(lái)下調(diào)心臟能量消耗[5,56]。另外，釋放的NO 還可用于減少活性氧（ROS）的產(chǎn)生，減小氧化應(yīng)激，保護(hù)線粒體的正常功能[57]。也有研究指出，肌紅蛋白的這兩種作用都受氧張力的調(diào)節(jié)，在氧供應(yīng)增加時(shí)雙加氧酶活性增加，導(dǎo)致NO 生物利用度降低，氧消耗也在響應(yīng)中上調(diào)[58]。同樣，氧氣供應(yīng)的減少增加了肌紅蛋白的儲(chǔ)備，導(dǎo)致更高的亞硝酸鹽還原速率和NO依賴性呼吸抑制。通過(guò)這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，肌紅蛋白、NO和氧調(diào)節(jié)彼此的濃度，以此維持最佳的線粒體功能[58]。

3.4 線粒體通過(guò)鈣穩(wěn)態(tài)調(diào)控低氧條件下肌紅蛋白的表達(dá)由于線粒體能與骨骼肌中的肌漿網(wǎng)結(jié)合，線粒體通過(guò)鈣單向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Mitochondrial Calcium Uniporter，MCU）影響游離鈣離子的水平，并影響鈣調(diào)磷酸酶的活性，而鈣調(diào)磷酸酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑對(duì)肌紅蛋白的表達(dá)具有重要作用，因此線粒體與低氧下肌紅蛋白表達(dá)水平的上升有關(guān)。研究表明，單獨(dú)的低氧條件會(huì)優(yōu)先刺激內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣庫(kù)釋放鈣離子，但減少L 型管的鈣內(nèi)流，從而能抑制活化T 細(xì)胞核因子（Nuclear Factor of Activated T Cells，NFAT）進(jìn)入細(xì)胞核[60]。但當(dāng)缺氧與運(yùn)動(dòng)結(jié)合時(shí)，鈣將從肌漿網(wǎng)中優(yōu)先釋放，在鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的作用下促使磷酸化的NFAT 去磷酸化并移入到細(xì)胞核內(nèi)，NFAT 與肌紅蛋白基因啟動(dòng)子2 kb 上游片段結(jié)合，促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄。而鈣調(diào)磷酸酶調(diào)節(jié)因子1（The Regulator of Calcineurin 1，RCAN1）作為鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的內(nèi)源性抑制因子，能抑制其活性從而抑制NFAT 的去磷酸化，最終導(dǎo)致肌紅蛋白表達(dá)受阻[61-62]。低氧條件下，脯氨酸羥化酶（Prolyl Hydroxylase Domain，PHD）羥基化（Hypoxia-inducible facto 1α，HIF 1α）反應(yīng)受阻，導(dǎo)致HIF1α在細(xì)胞內(nèi)聚集并進(jìn)入核誘導(dǎo)多種靶基因表達(dá)，啟動(dòng)低氧應(yīng)答反應(yīng)[63-64]。HIF1α的低氧反應(yīng)涉及了很多生理過(guò)程，如血管生成以及糖酵解（轉(zhuǎn)運(yùn)酶1 和4）等，其中促紅細(xì)胞生成素（Erythropoietin，EPO）的生成也能通過(guò)血紅素輔基的增多間接影響肌紅蛋白的合成[49,64]。同時(shí)，其他研究表明，低氧通過(guò)Wnt 通路[33,65]、磷酸腺苷（Adenosine Monophosphate，AMP）通路等[33]也可以影響肌紅蛋白水平，且線粒體具有自由基清除能力，這也保護(hù)了肌紅蛋白。然而，低氧誘導(dǎo)因子HIF1α對(duì)鈣調(diào)磷酸酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的影響仍待繼續(xù)研究。

3.5 線粒體及其中間產(chǎn)物促進(jìn)高鐵肌紅蛋白的還原 在動(dòng)物屠宰后，肌紅蛋白的存在形式和含量是肉色的決定因素。已有研究表明，隨牛肉儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，肉色將從暗紅色氧化為鮮紅色，最后發(fā)生褐變，3 種色澤分別對(duì)應(yīng)肌紅蛋白、氧合肌紅蛋白和高鐵肌紅蛋白[66]。肉色作為肉品質(zhì)的感官指標(biāo)之一，尤其在冷鮮肉中，已經(jīng)成為影響消費(fèi)者購(gòu)買的決定因素，而目前的研究主要集中于低氧條件下體內(nèi)肌紅蛋白轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控以及高鐵肌紅蛋白還原活性的調(diào)控，最終作用于肉色穩(wěn)定性的提升。其中，線粒體與肌紅蛋白間的互作逐漸受到關(guān)注。研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)線粒體濃度及線粒體呼吸對(duì)高冷藏牛肉或羊肉中鐵肌紅蛋白的還原存在著積極的影響[67-68]，且肌紅蛋白提取簡(jiǎn)單，具有較高的可行性和經(jīng)濟(jì)性，因此研究肌紅蛋白和線粒體互作對(duì)肉品質(zhì)的影響或有較好前景。

4 結(jié)論

畜禽的肉品質(zhì)與骨骼肌肌纖維類型及機(jī)體能量代謝密切相關(guān)，不同的纖維類型在氧代謝和代謝底物的利用效率上有不同特點(diǎn)。肌紅蛋白部分定位于線粒體，并通過(guò)調(diào)控線粒體的氧平衡和一氧化氮平衡等改變線粒體的有氧代謝和能量利用效率。而線粒體則在低氧下通過(guò)調(diào)節(jié)鈣穩(wěn)態(tài)來(lái)調(diào)控肌紅蛋白的表達(dá)，有利于肌肉的氧供應(yīng)和氧代謝，且線粒體能在肉類儲(chǔ)存過(guò)程中對(duì)肌紅蛋白的氧化還原產(chǎn)生影響。隨著研究的繼續(xù)深入，未來(lái)有望通過(guò)肌紅蛋白和線粒體的相互作用改善肌肉有氧代謝和能量代謝，進(jìn)而促進(jìn)肌纖維類型的轉(zhuǎn)換，最終改善畜禽肉品質(zhì)。