作者：董敏輝田野
作者簡介：董敏輝(1957-)，女，教授，學士，主要研究方向為運動對人體形態結構的影響。
摘要：
細胞骨架是真核細胞中的蛋白纖維網架體系，包括細胞膜骨架、細胞質骨架、細胞核骨架和細胞外基質，細胞質骨架又分為微管、微絲、中間纖維，它們在結構上相互連接。形成貫穿于細胞的網架體系。細胞骨架蛋白是骨骼肌細胞具有重要功能的結構，與細胞的各種生命活動密切相關，是研究運動性骨骼肌細胞損傷的敏感指標。超過習慣負荷的運動訓練或體力勞動能引起骨骼肌延遲性酸痛，伴有肌肉僵硬、收縮和伸展功能下降，這些變化影響了肌肉的工作能力。通過分析細胞骨架與運動性骨胳肌損傷的關系，對細胞骨架蛋白的作用及其在運動損傷后的變化進行綜述，為運動訓練和大眾健身領域提供理論依據。
1、細胞骨架概述
細胞骨架是指真核細胞中的蛋白纖維網架體系，細胞骨架不僅在維持細胞形態，保持細胞內部結構的有序性中起重要作用，而且與細胞運動、能量轉換、信息傳遞、基因表達、細胞分化等重大生命活動密切相關。
細胞骨架的研究隨著實驗方法和研究儀器的不斷創新而深入。早在1928年，Koltzoff曾推測：“原生質中存在著一種具有一定結構的纖維狀成分，每個細胞就是一個由液體成分和硬性骨架成分所組成的體系。細胞依靠這些骨架纖維保持一定的外形，可能由于骨架纖維較細或是其折射系數與周圍膠體溶液接近而不易被觀察。”受當時技術條件所限，人們并沒有真正觀察到那種硬性骨架成分。然而Koltzoff的上述推測正是細胞骨架的原始概念。20世紀60年代前，電鏡標本固定劑為四氧化鋨和高錳酸鉀，而細胞骨架經低溫條件處理后大多都被破壞。自1963年Slauterback采用戊二醛室溫固定方法，先在水螅刺細胞中發現了微管，以后人們才相繼觀察到各類骨架纖維的存在。從20世紀60年代后期到80年代初，免疫熒光顯微鏡技術，各種專門化和改進的電鏡技術和體外裝配技術，對骨架的研究起了很大的推動作用，并且至今仍然起著重要作用。此外，顯微鏡注射、特異性藥物的應用等技術也提供了可靠的資料。近年來發展的圖像增強反差顯微鏡技術，可以使光學顯微鏡的分辨率提高一個數量級，可以看到單根的纖維，特別是它可以觀察不固定、不染色的活標本。這對于研究以運動為主要功能的細胞骨架來說具有重要意義。
細胞骨架包括細胞膜骨架、細胞質骨架、細胞核骨架和細胞外基質、形成貫穿于細胞核、細胞質、細胞外的一體化網絡結構。
1．1細胞膜骨架
細胞膜骨架是指細胞膜下與膜蛋白相連的由纖維蛋白組成的網架結構，它參與維持細胞膜的的形狀并協助質膜完成多種生理功能。
細胞膜骨架主要成分是指細胞膜內具有運動、支持、保護功能的膜蛋白和膜糖類，其中膜蛋白是其功能的主要執行者。膜蛋白約占細胞總蛋白量的25％，不同功能的細胞膜蛋白含量存在差異。經生化分析和冷凍蝕刻技術證明，許多細胞的細胞膜中均存在膜蛋白顆粒。膜糖類指細胞膜的糖類，常與膜蛋白結合形成糖蛋白。依據膜蛋白與膜脂結合方式的不同可將膜蛋白分為外在蛋白或稱外周蛋白和內在蛋白或稱跨膜蛋白、鑲嵌蛋白、整合蛋白。
細胞膜骨架的功能性質主要取決于構成細胞膜骨架成分膜蛋白的功能，通常外周蛋白具有肌動蛋白和肌球蛋白的性質，可產生收縮功能，常與細胞的胞吞作用、細胞變形運動和細胞分裂時胞質與胞膜的縊縮作用等有關。
1．2細胞質骨架
細胞質骨架由微絲(microfilament)、微管(microtubule)和中間纖維(intermediate filament)構成。
微絲是細胞質骨架中較細的一種線形結構，直徑約為6～1Onm，呈實心細絲狀，長短不等，在細胞質內成束平行排列或疏散成網狀。微絲由三類蛋白組成：肌動蛋白、肌球蛋白和肌動蛋白結合蛋白，其中肌動蛋白在細胞內又有兩種形式，即單體形式(F-actin)和聚合體形式（G-actin)，兩種形式的肌動蛋白根據細胞的狀態而相互轉化，維持著一種動態平衡。微絲更主要的功能是參與肌肉的形成，肌肉細胞中的微絲即細肌絲。微絲對維持細胞外形、胞質環流、變形運動、支持微絨毛、形成應力纖維、胞質分裂和肌肉收縮等方面也具有重要作用。
微管在細胞質中呈筆直的管狀形，外徑約24nm，內徑約15nm，管壁厚約6～9nm，長度在幾微米至幾厘米不等，是胞質骨架中直徑至大的纖維。微管蛋白是構成微管的主要蛋白，它具有α和β兩型，兩個分子聯結在一起形成二聚體，由它螺旋盤繞裝配成微管的壁，13個二聚體構成一周，因此在微管的橫面上有13個原纖維。微管是真核細胞所僅有的普遍存在的結構，是細胞內的主要支架，為細胞內物質運輸指引方向。研究發現，有些蛋白總是與微管蛋白共存，參與微管組成，故稱之為微管結合蛋白(MAP)，主要有MAP-1、MAP-2、Tau蛋白等，它們與調節微管聚合范圍及速率有關。MAP參與微管的組裝及結構的穩定，當MAP被磷酸化后失去結合微管的能力，從而使微管處于不穩定狀態。使MAP磷酸化的更重要的激酶是MAP激酶。Tau可以被鈣調素激酶Ⅱ、蛋白激酶A及P42MAP激酶磷酸化，對人來說，Tau被蛋白激酶A磷酸化后可以減弱它與微管蛋白的結合，從而使微管聚合減弱。微管與鞭毛、纖毛的運動和胞漿運輸有關，也參與染色體的運動和有絲分裂過程，因而與細胞增殖有關。
中間纖維直徑介于微管與微絲之間，約為8～10nm，又稱中等纖維或中間絲。中間纖維呈中空纖維狀，橫斷面上表現出管狀外形，其管壁是由4～8根細絲狀結構環繞組成；在縱切面上，細絲狀結構相互間呈平行排列。中間纖維的成分主要有角蛋白、波形蛋白、結蛋白和神經纖維蛋白等，是一類形態相似，而化學組成上有明顯差異的蛋白質，成分比微絲和微管都復雜。從細胞水平來看，中間纖維在細胞質內形成一個完整的支撐網架系統，向外與細胞膜和細胞外基質直接聯系，在內部與核表面和核基質直接聯系，中間與微管、微絲及其他細胞器聯系，因此在細胞內和細胞間都起著多方面的聯系作用。
1．3細胞核骨架
細胞核骨架是存在于細胞核內的以蛋白成分為主的纖維網架體系，狹義的核骨架僅指核基質；廣義的核骨架包括核基質、核纖層和核孔復合體以及染色體骨架。
核基質是由直徑為3～30nm粗細不等的纖維狀蛋白和顆粒構成，呈三維網絡結構分布于細胞核內。細胞核內的核纖層、核孔復合體、核仁等結構與核基質密切相連，核基質還與細胞質中的中間絲形成連接，顯示出復雜的纖維狀或網絡狀結構體系。核基質的化學成分較為復雜，90％以上屬蛋白質，目前已測定出的10余種多肽的蛋白成分，主要是非組蛋白性的纖維蛋白質。此外，核基質還含少量RNA和DNA。核基質除維持細胞核的形態結構外，還對真核細胞的DNA復制、RNA的轉錄與加上、染色體DNA的有序包裝與染色體的構建等具有重要的作用。
核纖層是細胞核內核膜下的纖維蛋白網絡，由直徑10nm左右的核纖層蛋白交織成的網絡，厚度為3～100nm，分布于內層核膜與染色質之間。在哺乳類和鳥類中，存在3種核纖層蛋白，即核纖層蛋白A、核纖層蛋白B和核纖層蛋白C。研究發現，核纖層蛋白的一段氨基酸序列與中間絲蛋白高度保守的α-螺旋區有很強的同源性，說明核纖層蛋白也屬中間纖維蛋白；核孔復合體是真核細胞內、外核膜的融合處由一系列規則排列的顆粒狀及絲狀物組成的復雜隧道結構，主要由胞質環、核質環、輻和栓四種結構亞單位組成，在核質面與胞質面呈不對稱性分布，構成核質交換的雙向選擇性親水通道，核質之間就是通過核孔復合體來實現物質交換與信息交流的；染色體骨架是指染色體中由非組蛋白構成的結構支架。有些研究證明，染色體骨架與核骨架中存在相同的蛋白成分。
1．4細胞外基質
細胞外基質是一種活性包裹物質，是指分布于細胞外空間，由細胞分泌的蛋白和多糖所構成的網絡結構。細胞外基質的結構及成分的變化會改變細胞微環境，從而對細胞的形態、生長、分裂、分化和凋亡起重要的調控作用。
細胞外基質在決定細胞的形態和活動中發揮重要作用。
細胞外基質的化學成分就大分子而言可大致歸納為兩大類：
一類屬于多糖，即氨基聚糖，其中大多數可與蛋白質共價連接，以蛋白聚糖形式存在，形成凝膠樣基質。蛋白聚糖見于所有結締組織和細胞外基質及許多細胞表面，其顯著特性是多態性，可以含有不同的核心蛋白及長度和成分不同的多糖鏈，蛋白聚糖可與多種生長因子結合，有利于激素分子進一步與細胞表面受體結合，有效完成信號的傳導。透明質酸蛋白聚糖的主要成分，在結締組織中起強化、彈性和潤滑作用，在胞外基質中，透明質酸傾向于向外膨脹，產生壓力，使結締組織具有抗壓能力；
另一類是纖維狀蛋白質，如膠原蛋白、彈性蛋白、纖粘連蛋白和層粘連蛋白等。膠原是細胞外基質基本的成分之一，其基本結構單位是原膠原，是由三條多肽鏈盤繞的三股螺旋結構，長約300nm，直徑為1．5nm。膠原在細胞外基質中含量更高，剛性及抗張力強度更大，構成細胞外的骨架結構，細胞外基質中的其他成分通過與膠原結合形成結構與功能的復合體。層粘連蛋白是各種動物胚胎及成體組織基膜的主要結構之一，是高分子糖蛋白，在胚胎發育及組織分化中具有重要作用。纖連蛋白是高分子糖蛋白，其主要功能是介導細胞粘著和促進細胞的遷移。彈性蛋白是彈性纖維的主要成分，為高度疏水的非糖基化蛋白。彈性纖維與膠原纖維共同存在，分別賦與組織以彈性和抗張性。
2、骨骼肌細胞骨架蛋白
2．1骨骼肌細胞骨架蛋白分類
細胞骨架蛋白是骨骼肌細胞具有重要功能的結構，骨骼肌細胞骨架可分為3類，即肌細胞膜骨架、肌節內骨架和肌節外骨架。
細胞膜骨架包括膜和與膜相連的蛋白，如抗肌營養不良蛋白(dystrophin)、肌聚糖蛋白(sarcoglycan)、紐蛋白(vinculin)、血影蛋白(spectrin)、整合蛋白(integral)、錨定蛋白(ankyrin)等，這些蛋白間接地將細胞內的基質與細胞外的特殊區域連接到一起，與細胞的胞吞作用、細胞變形運動和細胞分裂時胞質與胞膜的縊縮作用等有關，并具有支持、保護功能，與細胞內物質運輸、信號傳導等有關。
肌節內細胞骨架的主要成分是伴肌動蛋白(nebulin)和肌聯蛋白(titin)，它們沿肌原纖維長軸排列在肌節內。nebulin在細胞中的定位是1988年發現的，在肌肉放松的狀態下，nebulin起源于Z盤，延伸至I帶，連接于Z盤之間，與A帶中的肌動蛋白平行排列，主要作用是保持肌動蛋白的正常結構。titin從Z盤伸展到M帶，1983年，Lashall等采用免疫電鏡初次發現titin的定位，現在認為titin是連接Z盤和肌球蛋白纖維之間的蛋白絲，從z盤至M線，在肌節中具有一定的彈性，并維持肌球蛋白纖維的中間狀態。
肌節外細胞骨架主要由中間絲蛋白組成，它位于肌原纖維周圍，連Z盤、核膜和肌細胞膜之間。骨骼肌細胞中的中間絲蛋白包括結蛋白(desmin)、波形蛋白(vimentin)、巢蛋白(nestin)、聯絲蛋白(synemin)、核纖層蛋白(1amins)和角蛋白(keratins)等。中間絲具有參與細胞內物質運輸、細胞的分化調控和細胞內信息傳遞等作用。
2．2骨骼肌細胞骨架蛋白與運動損傷
2．2．1細胞膜骨架蛋白與運動損傷
在運動過程中，機械力的作用以及自由基的攻擊，使得肌細胞膜完整性遭到破壞。由于細胞膜骨架參與維持細胞膜的形狀并協助質膜完成多種生理功能，細胞膜骨架蛋白的破壞必然影響到細胞膜的完整性。近年來研究較多的骨骼肌細胞膜骨架蛋白有dystrophin和sarcoglycan。
dystrophin是抗肌營養不良蛋白聚糖復合物的主要成分，這種跨膜復合物的丟失和分解使收縮引起的肌纖維損傷增加，使肌細胞膜受到損傷，導致肌纖維壞死。有研究表明，在離心運動引起的損傷后，肌纖維之間有明顯的dystrophin標記丟失，而其他膜骨架蛋白受影響很小，說明dystrophin更易受到攻擊。sarcoglycan是一個廣泛分布于膜上的蛋白聚糖復合物，它與抗肌營養不良蛋白聚糖復合物相連。L．Feasson等研究訐明，膜骨架蛋白dystrophin和sarcoglycan在保持細胞膜完整性方面具有重要作用。
2．2．2肌節內細胞骨架蛋白與運動損傷
肌節內細胞骨架主要由titin和nebulin組成，titin是連接Z線和肌球蛋白(myosin)之間的蛋白絲，Z線到M線具有一定的彈性，維持myosin的中間狀態；nebulin起源于Z線，延仰至I帶，連接于Z線與Z線之間，與A帶中肌動蛋白(actin)平行排列，主要保持actin的正常結構。Clare等發現，在離心收縮后，在Z盤流的鄰近，肌球蛋白位置脫離肌節中間，而更接近于某一側Z盤，由于titin參與維持肌球蛋白的正常位置，因此，這可能是由于離心運動導致titin降解或斷裂所致。Trappe等讓7名男子進行一次高強度離心膝伸肌抗阻訓練，通過肌肉活檢發現，訓練后24h股外側肌titin和nebulin的含量與訓練前比較有明顯下降。
2．2．3肌節外細胞骨架蛋白與運動損傷
肌節外細胞骨架是由位于相鄰肌原纖維之間，肌原纖維外周、肌節以及核膜之間的中間絲組成。desmin是骨骼肌中連接Z線之間的主要中間絲蛋白，同時也連接線粒體、細胞核和細胞膜，其作用主要是限制肌節在肌肉縮舒活動中牽扯過度。desmin的含量在骨骼肌的神經-肌肉接點處、肌肉與肌腱結合部更為豐富。而vimentin主要在間質細胞和中胚層來源的細胞中表達。有研究發現，許多組織可同時表達兩種或兩種以上的中間絲蛋白質，vimentin通常是其中之一，說明vimentin在細胞生長中可能起重要作用。因此，在成人組織中，vimentin與其他中間絲蛋白質共同表達時，常與細胞的增殖活躍有關。
骨骼肌細胞中desmin和vimentin同為中等徑細胞骨架纖維，又同屬于波形蛋白類，在維持肌肉的結構方面具有重要意義。這兩種蛋白分布在相鄰肌原纖維的Z板和M區之間架成橫橋，以及在肌節周圍形成籠狀的包絡，從而使各個肌原纖維的肌節互相對齊，構成肌細胞上有規則的橫紋，并協調眾多肌節的收縮方向，賦予細胞機械強度，而且是對各細胞器及某些大分子進行空間結構安排的統一基質，是能量轉換的主要場所。
desmin是肌肉特異性中間纖維蛋白，主要分布在胞漿，是脊椎動物心肌、骨骼肌和平滑肌細胞骨架的主要成分。
大量研究表明，desmin丟失是骨骼肌運動性微損傷的一個敏感的形態學指標。
1996年Lieber等發現，離心運動30min后，desmin損失更早在運動后5min或15min發生，24h更為顯著。
1999年Lieber等報道，肌節的過度擴展引起胞內局部鈣離子濃度升高，激活蛋白酶，使desmin發生水解，從而肌節結構紊亂。
Komulainen等觀察了雄性大鼠脛前肌被動拉長收縮，在刺激后即刻、6h、2d、4d、7d分別取脛前肌做生化和形態學分析，發現desmin陰性纖維出現在離心運動后6h，48h后desmin陰性纖維堆積，4天后desmin陰性染色更嚴重。結果提示，被動拉長收縮誘導的損傷中，肌纖維壞死中的結構連續變化起源于漿膜和中間纖維的損傷，其導致肌原纖維系統的紊亂。
李世成等對大鼠離心運動后骨骼肌微細損傷機制做了研究，分別在離心運動后即刻、12h、24h和48h等不同時間處死大鼠，結果發現離心運動后骨骼肌超微形態結構發生了程度不同的改變，這些改變以運動后12～24h左右更為嚴重。他們認為，離心運動后骨骼肌微細結構損傷的原因，可能是骨骼肌離心收縮后細胞內Ca2+代謝紊亂，使細胞骨架蛋白發生了變化，從而使維護肌節結構穩定性的細胞骨架網絡遭到破壞，導致骨骼肌超微結構的改變。
也有研究表明，離心運動后desmin不變或略微下降，同時desmin在運動后恢復期不等的時間里開始增加。Yu JG等采用高分辨率的免疫組化方法分析離心運動后典型的延遲性肌肉酸痛中不同恢復時間點的樣本，提示在受影響的肌纖維中可見變化的肌原纖維和細胞骨架，未觀察到壞死和desmin染色的丟失。他認為延遲性肌肉酸痛與desmin下降無關。由于不同學者采用的實驗方法不同，對離心運動后desmin的變化仍有爭議。多數研究表明，細胞骨架蛋白desmin的丟失發生在過度離心運動的早期。
1994年，Vater等在小鼠的比目魚肌中注射蛇毒，觀察了vimentin在小鼠趾長伸肌衛星細胞中的表達。結果發現：在損傷和再生肌纖維中，vimentin主要出現在增殖期的肌衛星細胞；vimentin的表達促進肌管細胞的融合，并且它也由散在分布逐步向前Z板位置聚集；vimentin表達下降出現在肌管細胞融合以后，這時肌纖維漸成熟，而且desmin開始大量表達。因此，他們認為vimentin在肌細胞再生早期起到重要的作用。
Bomemann等采用向比目魚肌中注射熱的林格氏液，發現肌母細胞和幼稚的肌管細胞都有desmin和vimentin的表達，隨著肌細胞的成熟，這兩種蛋白的表達均有降低，而且分布也由散在形式轉為固定在Z板水平：vimentin在傷后2～4周，在肌纖維中消失，而desmin仍然存在。同時他們認為vimentin是觀察肌肉再生更好的指標。
段立公等認為，在正常肌纖維中，desmin在肌纖維和靜息衛星細胞中有分布，而vimentin除分布在肌纖維中外，還分布在肌纖維周圍的血管壁和結締組織等部位，但在靜息衛星細胞上沒有分布；肌肉損傷開始后，desmin表達下降，48h后desmin表達增加，4天后達到峰值并持續到3周之后。損傷后12h，vimentin表達增加，48h后達到峰值，然后下降，2周后基本消失。在vimentin表達下降的同時，desmin表達增加；desmin和vimentin在損傷和再生的肌細胞中的分布方式基本一致，都是由早期散在分布，以后逐漸聚集在前Z板部位，隨著肌纖維的成熟，明確分布在相鄰Z板周圍。
2．3運動損傷的恢復手段
運動后可以通過按摩、理療等常規手段減輕所產生的癥狀，促進恢復的速度。此外，積極性的休息也可加快肌肉的恢復。服用一些藥物也可以促進運動后受損傷肌肉的恢復。
章偉文等研究表明，與生理鹽水灌注對照組比較，骨骼肌經能量合劑灌注后，缺血8h后電鏡下觀察超微結構變化明顯延緩，肌質網結構尤其是線粒體結構保持良好。
中藥在降低損傷水平方面有積極的效果。中藥如紅景人、人參、雄蠶蛾等均有抗脂質過氧化作用，可以降低運動時的自由基損傷。中藥清除自由基作用的成分包括維生素、類胡籮卜素、黃酮類、木聚糖、皂苷等。這些成分即可以發揮對超氧化陰離子的直接清除作用，又可通過調節機體內部的氧化-抗氧化系統，增強機體的抗氧化能力，提高在氧化應激狀態下保護機體的作用。
針刺是我國一門古老的醫療技術。研究表明針刺可有效治療骨骼肌損傷和延遲性肌肉酸疼。盧鼎厚等人采用針刺阿是穴來治療運動員訓練后出現的肌肉酸痛及肌肉痙攣，發現針刺可在不同程度上使肌肉酸痛緩解，并能促進肌肉機能的恢復。段昌平、張建國的研究也表明針刺有促進大負荷運動后骨骼肌超微結構變化恢復的作用。
維生素E屬脂溶性維生素，作為抗氧化劑能清除自由基，穩定細胞膜，保護生物有機體，有抗毒物作用。研究顯示維生素E能保持免疫細胞結構和功能，以增強免疫力。維生素E能直接或間接保護機體抵抗氧自由基的損傷，通過飲食攝入的抗氧化物質在體內能清除機體內的自由基。
3、小結
細胞骨架系統不僅是細胞的支架結構，決定細胞的形狀，賦予強度，而且是對各細胞器乃至某些大分子進行空間組織安排的統一基質，是能量轉換的主要場所。細胞骨架遭到破壞可導致運動性骨骼肌損傷，因為細胞骨架蛋白對維持肌節的正常結構起重要作用。肌節內外骨架蛋白的位置決定它們在維持肌節正常結構和功能的重要性，細胞膜骨架蛋白在維持細胞膜的完整性方面有重要作用，這些細胞骨架蛋白的變化是研究運動性骨骼肌損傷的敏感的形態學指標。