迈向统一的肌肉收缩理论：现有理论存在的问题与挑战，通过新思想和新方法加以解决，以及未来的研究方向

《BioSystems》：Towards a unifying theory of muscle contraction: Problems and challenges of current theories, their resolution by new ideas and approaches, and future directions

　　

Sunil Nath

印度德里印度理工学院生物化学工程与生物技术系，Hauz Khas，新德里 110016，印度

摘要

本文回顾了关于肌肉收缩理论的最新争论，明确了对立的观点，提出了一些问题，并尝试给出了一些答案。强调了发展一个能够综合考虑该领域现有信息的统一理论的重要性。结合另一篇论文（Nath, S., Biosystems 263 (2026) 105770），本工作的主要部分致力于构建这样的肌肉收缩理论。为此，提出了新的观点，并发展了有助于解决长期存在的问题的概念和方法。文中还展示了肌球蛋白在ATP水解中间阶段进行氧气交换的新数据，以及这种交换过程对肌动蛋白的依赖性。研究表明，只有二聚体的一个头部会同时催化ATP水解和氧气交换，而另一个头部则保持酶活性沉默。这些观点结合一个新的机械化学循环，解释了为什么肌肉肌球蛋白具有两个结构相似的头部这一谜题。基于物理学的守恒定律和原理，首次提出了肌球蛋白双头结构的基本原因。文章讨论了肌球蛋白II在肌肉横桥循环中的头部间协调性和协同性的各种机制方面和细节。基于经典的Lymn-Taylor模型（其中ATP水解仅发生在自由的肌球蛋白上）以及一个新的模型（该模型涉及肌球蛋白头部在ATP水解后与肌动蛋白结合的速率限制的从弱到强转变），发展并数学分析了预测的稳态ATP酶活性随肌动蛋白浓度变化的曲线。对Lymn-Taylor模型和Nath模型的预测结果进行了比较分析。解释了肌球蛋白II与肌球蛋白V/驱动蛋白在机制上的差异。总结了仍存在的挑战，并对未来关于肌肉收缩和在线性轨道上运输货物的分子马达的研究方向提出了一些思考。

引言

肌肉收缩的历史为从事科学研究的科学家、历史学家和科学哲学家提供了一个独特的案例研究，其中充满了许多令人惊讶的转折（Nath, 2025）。安德鲁·赫胥黎爵士记录了肌肉科学家们容易陷入教条主义思维的倾向，他们完全支持后来被证明是错误的理论。例如，在1972年夏季的“肌肉收缩机制”冷泉港会议上，赫胥黎表示对与会者普遍认为“肌肉收缩问题已经原则上得到解决”的观点感到震惊。随后，他列举了该领域中许多未解答的问题和不确定性（Huxley, 1974）。

赫胥黎在总结这一部分时指出：“除了所有这些未知因素之外，过去半个世纪肌肉收缩理论的历史表明，即使一套观点看似已经确立，也很有可能被某些意想不到的发现推翻。”他所指的“意想不到的发现”包括对粘弹性和乳酸理论的证伪，以及肌肉收缩过程中滑动丝的发现。

随着Rayment及其同事在20世纪90年代初首次解析出肌球蛋白亚片段1（S-1）和肌动蛋白复合物的高分辨率X射线结构（Rayment et al., 1993a; Rayment et al., 1993b），我在1993-1994年作为年轻助理教授时也收到了同样的建议：随着Rayment结构的出现，“肌肉如何产生收缩力”的问题已经基本解决。这实际上意味着我继续研究这个问题是徒劳的，我应该“浪费时间”去研究其他事情。然而，至今我们仍在$$' role="presentation">$$年来一直在努力解决这些（仍未完全解决！）问题。

赫胥黎论文中的这些引文概括了20世纪70至80年代肌肉收缩领域的情况。从摆动横桥模型（Huxley, 1969; Huxley, 1974; Huxley, 2000）到摆动杠杆臂模型（Holmes, 1997）的改进，将这一领域的争论——以及运动机制方面的分歧——延续到了20世纪90年代。Nath（2025；Wray, 2025）的第5.5节还讨论了2000至2020年间生物能量学和运动学领域研究者观点的分歧。尽管如此，2020年之后关于肌肉收缩模型和机制的讨论（Baker, 2024; Walcott et al., 2024）仍然使这一主题两极分化，科学问题尚未解决，感兴趣的读者仍然感到困惑。鉴于这些分歧的根本性质，似乎不可能在这两个对立派系之间达成共识，而解决这一难题的关键可能在于其他方面。因此，对肌肉收缩的关键机制和热力学方面的第三方评估显得至关重要，这有助于提供一个统一的观点，并明确还需要完成的工作。

章节摘录

关于肌肉收缩的最新争论、一些问题、答案和挑战

Baker（Baker, 2024; Baker, 2022）质疑了赫胥黎的基本假设（Huxley, 1957），即力量/扭矩的产生可以局限于单个分子马达，尽管已有大量关于线性（Finer et al., 1994; Ishijima et al., 1998）和旋转马达（Adachi et al., 2007; Nath, 2023a）的单分子实验。如果将肌球蛋白马达结构域或肌球蛋白S-1视为整个系统，那么Baker的反对意见是合理的，因为产生马达力量的“弹簧”实际上位于系统之外。

肌球蛋白在ATP催化中间阶段进行氧气交换的测量

目前的肌肉收缩机制观点无法解释为什么肌球蛋白具有两个结构相似的头部。氧气交换测量（图1）揭示了肌球蛋白催化位点内ATP水解机制和横桥收缩循环中间事件的影响。作者在之前的出版物中讨论了这些现象及其理论基础（Mehta et al., 2020; Nath, 2023b,c）。不同实验中观察到的差异表明...

未来方向和结论

理论和实验相辅相成。一方面，需要更好的测试方法来区分不同的理论（Baker, 2024; Baker, 2022; Walcott et al., 2024; Liu et al., 2024; Huxley, 1974; Huxley, 2000; Nath, 2003, 2008, 2025, 2026）。另一方面，也需要有能力并愿意综合考虑现有的所有实验结果，深入探讨基本原理，并理解其中的复杂性和细微差别。

利益冲突声明

作者声明，他没有任何已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

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