揭秘 | 不同動(dòng)物間的心跳速率為啥不同？
撰文 | 解茵茵
責(zé)編 | 計(jì)永勝
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心臟跳動(dòng)應(yīng)該是這個(gè)世界上最優(yōu)美的旋律。
這優(yōu)美旋律的節(jié)奏就是心跳速率。人們一直以來(lái)就對(duì)心率倍感興趣，并發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象：動(dòng)物的體重大小和心臟每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)呈負(fù)相關(guān)，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(dá)600-700次／分鐘（圖1）。
圖1 動(dòng)物體重與心率呈負(fù)相關(guān)性 | 圖源：參考文獻(xiàn)[1]
優(yōu)美的旋律由精妙的 “樂(lè)器” 發(fā)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(jié)（Sarcomere）。肌節(jié)是肌肉行使伸縮功能的最基本單位，主要由肌動(dòng)蛋白（Actin）和肌球蛋白（Myosin）構(gòu)成。
圖2 肌纖維分解圖 | 圖源：infobloom.com
其實(shí)，肌節(jié)中肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白組成的結(jié)構(gòu)特別像汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸。機(jī)體通過(guò)燃燒ATP（形成ADP）來(lái)改變肌球蛋白末端（馬達(dá)域/頭部）的結(jié)構(gòu)，后者與肌動(dòng)蛋白結(jié)合，驅(qū)動(dòng)肌動(dòng)蛋白收縮。隨后，肌球蛋白釋放ADP，再去結(jié)合下一個(gè)ATP重復(fù)以上過(guò)程?；诖?，肌球蛋白也被稱為分子馬達(dá)。
其它馬達(dá)蛋白還包括驅(qū)動(dòng)蛋白（Kinesin）和動(dòng)力蛋白（Dynein），它倆也可以通過(guò)水解（燃燒）ATP獲取能量，沿著細(xì)胞內(nèi)的微管（細(xì)胞骨架的一種）運(yùn)動(dòng)，將內(nèi)含蛋白的膜泡運(yùn)到特定部位，被稱為細(xì)胞內(nèi)的 “快遞小哥”。
圖3 驅(qū)動(dòng)蛋白和動(dòng)力蛋白沿細(xì)胞骨架運(yùn)動(dòng) | 圖源：iBiology.org
當(dāng)然，心肌的收縮還有包括鈣離子在內(nèi)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(gòu)成一次心跳。動(dòng)物心律不同是因?yàn)椴溉閯?dòng)物個(gè)體越大，肌肉收縮速度越慢，其分子馬達(dá)肌球蛋白的最大收縮速度（maximum shortening velocity，V0）越小 [2]。
回到關(guān)鍵的肌球蛋白。動(dòng)物肌球蛋白最大的不同是 “制造材料”，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(shuō)氨基酸序列對(duì)V0的影響最大，進(jìn)而影響動(dòng)物心率。
但是，關(guān)于動(dòng)物的肌球蛋白氨基酸序列信息很少，相互之間的對(duì)比不是那么容易。
6月10日，來(lái)自英國(guó)肯特大學(xué)（University of Kent）的研究人員從多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取了不同動(dòng)物的肌球蛋白氨基酸序列，所涉及動(dòng)物的體重涵蓋范圍超過(guò)6個(gè)數(shù)量級(jí)，從6克到10000公斤。通過(guò)序列比較，他們認(rèn)為，肌球蛋白馬達(dá)域（頭部）的序列變化與體重密切相關(guān)，進(jìn)而影響心率 [3]。
隨后，研究人員比較了兩個(gè)主要演化分支（靈長(zhǎng)總目和勞亞獸總目）中不同物種的67個(gè)序列，發(fā)現(xiàn)12個(gè)氨基酸位點(diǎn)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(gè)位于已知影響ADP結(jié)合的區(qū)域。
由此推斷，這些氨基酸可能影響肌動(dòng)蛋白釋放ADP的速率。
為驗(yàn)證推斷，研究人員構(gòu)建了一個(gè)人-大鼠肌球蛋白嵌合體，即將人肌球蛋白馬達(dá)域中12個(gè)異同氨基酸中的9個(gè)替換為大鼠中的氨基酸序列。正如預(yù)測(cè)那樣，ATP競(jìng)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn)及其與大鼠肌動(dòng)蛋白的親和力實(shí)驗(yàn)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(guò)程的話，也就是說(shuō)，9個(gè)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(xiàn)[3]
綜合來(lái)看，研究人員利用生物信息學(xué)手段分析出肌球蛋白氨基酸序列變化與動(dòng)物體重的負(fù)相關(guān)性，為進(jìn)一步探究大動(dòng)物由小到大進(jìn)化過(guò)程中的心率減慢提供了線索。“人-大鼠肌球蛋白嵌合體V0數(shù)值的改變表明很可能這幾個(gè)氨基酸的變化驅(qū)動(dòng)了動(dòng)物體型有小變大進(jìn)化過(guò)程中心律的調(diào)整” 論文作者克洛伊·約翰遜（Chloe A. Johnson）在接受媒體采訪時(shí)表示 [4]。
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