肌肉收缩的运动学连杆模型：从机械工程的角度出发

《BioSystems》：Kinematic linkage models of muscle contraction: A mechanical engineering perspective

本文提出基于Nath旋转-扭转-倾斜（RTT）模型的平面运动学机构模型，首次将滑动杠杆臂模型（SLAM）与之结合，验证了实验测得的5.3 nm肌动蛋白丝滑动长度，并估算出扭转弹簧刚度为534 pN·nm/rad。

　　

Rama Krishna K.

印度理工学院德里分校机械工程系，新德里，110 016，印度

摘要

本文提出了一种新的肌动蛋白-肌球蛋白收缩机制的运动学连杆模型。为了研究机械运动，首先使用刚性连杆和运动学对来建模肌球蛋白和肌动蛋白的结构。该模型考虑了实验观察到的连杆角度的变化。该模型已经通过实验获得的肌动蛋白在动力冲程中的行程长度得到了验证。本研究还重新审视了经典的摆动杠杆臂模型（SLAM），并首次为SLAM提出了一个运动学连杆模型。本文的突出贡献是基于Nath的旋转-扭转-倾斜（RTT）/旋转-解旋-倾斜（RUT）模型开发了一个平面运动学连杆模型。基于RTT/RUT模型，首次估算出了扭转弹簧刚度为534 pN-nm/rad。研究表明，所提出的运动学模型验证了文献中报道的肌动蛋白丝的5.3 nm行程长度。

引言

自20世纪50年代以来，肌动蛋白-肌球蛋白收缩机制的理论细节及其验证一直是研究人员关注的问题。肌肉丝的滑动和收缩是通过肌球蛋白马达蛋白的头部与肌动蛋白丝之间的循环相互作用实现的。在每个循环中，肌球蛋白头部与肌动蛋白丝的一个位点结合，然后整个系统进入动力冲程，使肌动蛋白丝发生位移。之后，该肌球蛋白头部从肌动蛋白丝上脱离。动力冲程期间力的产生和量化是研究肌肉收缩的研究人员最关心的问题之一。任何基于肌动蛋白-肌球蛋白的肌肉收缩模型都必须解决以下两个主要方面。

1. (a)
   动力冲程期间肌动蛋白-肌球蛋白复合体运动的运动学解释
2. (b)
   上述机制的能量储存和激活，以及肌动蛋白-肌球蛋白复合体产生的力

1969年，基于X射线衍射和电子显微镜研究，Hugh E. Huxley（Huxley, 1969）提出了肌肉收缩的摆动交叉桥模型（SCBM）。从那时起，许多重要的发现推动了我们对肌动蛋白-肌球蛋白相互作用的理解。然而，三十年后，摆动交叉桥模型被摆动杠杆臂模型（SLAM）（Cooke和Holmes, 1986, Holmes, 1997）所取代。尽管SLAM模型很受欢迎，但它仍然没有完全满足肌肉收缩模型的上述两个要求。Nath和Khurana（2001）提出了考虑肌球蛋白双头特性的旋转-扭转-倾斜（RTT）机制。Nath（2008）还通过旋转-解旋-倾斜（RUT）模型讨论了动力冲程前的能量储存机制。总体而言，RTT/RUT模型是一个有前景的模型，需要从机械运动和力的角度进行全面理解。Nath（2008, 2003, 2025）、Wray（2025）已经为此类分析奠定了基础。

工程师，特别是从事机械工程领域的研究人员，对肌动蛋白-肌球蛋白收缩问题兴趣不大。Soncini等人（2004）提出了一种数学方法来模拟由于ATP水解导致的肌球蛋白头部构象变化，并研究了力的产生。然而，该模型未能用Kitamura等人（1999）的标准实验行程长度进行验证。

本研究致力于在运动学和机制的框架内研究动力冲程期间的肌动蛋白-肌球蛋白相互作用。提出了一种简单的机械模型来捕捉基本的动力冲程运动和力的产生。

节选

肌球蛋白和肌动蛋白的运动学结构

肌球蛋白主要由两部分组成（图1(a)），即轻质尾链$S_2$和重质头部$S_1$。相应的运动学连杆模型如图1(b)所示。$O_1{O}_2$代表肌球蛋白的$S_2$部分，而$O_2{O}_4$代表$S_1$部分。进一步观察到，$S_1$可以分为调节域（RD）和催化域（CD）。连杆$O_2{O}_3$和$O_3{O}_4$分别代表运动学结构中的RD和CD。$O_1{O}_2$通过……与粗大的肌球蛋白束表面相连

摆动杠杆臂模型（SLAM）及其运动学连杆

< />$O_2{O}_3$表示。

在本文中，基于RTT/RUT能量储存模型提出了动力冲程的运动学连杆

提出的连杆模型

本文提出了一种不同的肌球蛋白-肌动蛋白相互作用肌肉运动模型。该模型基于RTT/RUT机制，认为在肌动蛋白的动力冲程期间，铰链$O_2$的运动可以忽略不计。角度$\alpha$（图4(a)）非常小（接近4°），并且在动力冲程期间几乎保持不变。因此，在图4(a)所示的连杆中，肌球蛋白尾部$S_2$被认为是固定的。肌球蛋白头部……

各种模型的比较

在上述部分中，介绍了SLAM和基于RTT/RUT的模型的运动学连杆。现在让我们从运动学连杆的角度来理解SCBM。参考图1，SCBM中不存在$O_3$处的旋转对（铰链）；因此，$O_2{O}_4$表现得像一个单一的刚性连杆。研究人员用“支点”这个词来描述连杆中发生的主要运动，这导致了肌动蛋白在动力冲程期间的位移。

结论

基于Nath的RTT/RUT机制，提出了一种新的二维肌肉收缩和力产生的运动学连杆模型。研究表明，该简单模型的运动与实验观察到的肌动蛋白丝的行程长度完全一致。本研究为研究双头肌球蛋白和肌动蛋白相互作用引起的三维运动和力的产生提供了机会。SLAM（图3）和RTT/RUT（图4）也在该框架内进行了描述

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。