肌红蛋白的主要应用

背景及概述^[1-2]

肌红蛋白是哺乳动物肌肉中储氧的蛋白质，尤其在潜水哺乳动物肌肉中含量特别丰富，致使肌肉呈棕色。肌红蛋白是由一条多肽链和一个血红素辅基构成，分子量为16700，含153个氨基酸残基。肌红蛋白和血红蛋白的亚基在氨基酸顺序上具有明显的同源性，它们的构象和功能也十分相似。肌红蛋白的分子构型致密结实，含亲水基团侧链的氨基酸残基几乎全部在分子的外表面，正好与水分子结合，使之成为可溶性蛋白质。

生理功能^[3]

肌红蛋白是一个相对分子质量为17000的单体蛋白质，主要存在于骨骼肌和心肌细胞的胞质中，少量存在于甲状腺和胸腺中，骨骼肌中含量为3～9mg/g，甲状腺中含量为0.04～0.11mg/g，胸腺中含量为0.01～0.05mg/g，平滑肌细胞中不含肌红蛋白，正常人血清中肌红蛋白含量很少，因其分子量小，最主要在肾脏代谢并排出体外，部分由网状内皮系统代谢，其分解过程类似于血红蛋白。它和球蛋白、珠蛋白和神经珠蛋白一起组成血红蛋白家族。这些氧结合蛋白几乎存在于所有的脊椎动物。血红蛋白被定位在红细胞内，但最近发现它也存在于动脉内皮细胞的变体。值得注意的是，肌红蛋白也存在于非肌肉细胞，如鱼的脑细胞、肾脏、肝脏以及人的乳腺肿瘤细胞。在小鼠胚胎的发生和发展过程中，肌红蛋白在心室中表达丰富，在心房中表达较少，而在心室中的表达也是有梯度的。在成年小鼠的心脏中，心房和心室中有一个系统的表达式，并且在心内膜和心外膜的表达并无区别。与此不同的是，在人类成人心脏中，肌红蛋白为空间式表达，并且在心内膜的表达高于心外膜。这可能提示在心脏的心内膜需要更高的肌红蛋白调节氧气供应以在时间和空间上支持心脏的血流。

肌红蛋白的三级结构有8段α-螺旋区，每个α-螺旋区含7～24个氨基酸残基，分别称为A、B、C、D、E、F、G及H肽段。有1～8个螺旋间区，约70%的主链是由8个双性的右手α-螺旋折叠而成，这8个螺旋由不规则的环链接。肽链拐角处为非螺旋区(亦称螺旋间区)，包括N端有2个氨基酸残基，C端有5个氨基酸残基的非螺旋区，处在拐点上的氨基酸残基Pro、Ile、Ser、Thr、Asn等。极性氨基酸分布在分子表面，内部存在一口袋形空穴，血红素居于此空穴中。在折叠过程其包含的疏水缝隙与血红素的结合是获得其生物学活性的重要步骤。血红素是铁卟啉化合物，它由4个吡咯通过4个甲炔基相连成一个大环，二价铁居于环中。铁卟啉上的2个丙酸侧链以离子键形式与肽链中的2个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连。血红素的二价铁与4个吡咯环的氮原子形成配位键，另2个配位键1个与F8组氨酸结合，1个与氧气结合，故血红素在此空穴中保持稳定位置。肌红蛋白基因位于第22号染色体，含3个外显子，目前对其结构功能已有相当了解。

虽然有报道显示，高海拔居民的肌红蛋白明显高于低海拔居民，对于肌红蛋白外显子2基因的研究显示，高原藏族肌红蛋白79A等位基因的频率高于海平面居民，但在藏族人内，其基因频率与海拔高度和血红蛋白浓度无相差性，也未表现出与其他各族不同的基因多态性，其等位基因未发现和缺氧反应相关的功能。

应用^[3]

1.肌红蛋白与心肌梗死的关系

肌红蛋白对早期心肌梗死及再梗死的诊断：肌红蛋白是存在于细胞质中的小分子蛋白质，心肌梗死一发生它就立即从细胞释放到血中，因此它可用于心肌梗死的早期诊断，尽管它并不是心肌梗死的特异性标志物，但却是心肌梗死患者病死率的一个强烈预测因子；但肌红蛋白缺乏心脏特异性，其升高并不能作为导致心脏损伤的必要指标。研究中，相对于死亡患者的心电图和肌钙蛋白或不稳定型心绞痛的心肌损伤和非Q波性心肌梗死，肌红蛋白并不能作为一个独立的危险因素。多种因素分析表明，肌红蛋白比肌钙蛋白对于诊断更加有预测性，肌红蛋白对心肌梗死保持着的独立的预测病死率的能力，deLemos等发现了相似的结果，将临床多变的因素以及肌钙蛋白也考虑在其中，肌红蛋白对于超过6个月患者的病死率是一个独立的预测因子。

2.肌红蛋白相关酶———亚硝酸还原酶在心血管中的保护作用

亚硝酸盐在血浆中的浓度为0.3～1.0μM，在组织中为1～20μM，它参与缺氧时血管的舒张和信号的传导，亚硝酸盐是体内生物可利用的一氧化氮的存储池，在体内的亚硝酸盐可被转化为一氧化氮的机制包括酸性歧化反应、通过黄嘌呤氧化还原酶的酶转化法、线粒体酶和脱氧肌红蛋白。肌红蛋白随着氧梯度的改变而改变，在常规氧条件下，氧合肌红蛋白可作为一氧化氮的清除剂，将一氧化氮代谢为硝酸盐，在缺氧时脱氧肌红蛋白可将亚硝酸盐还原为一氧化氮，而这一过程在亚硝酸盐还原酶存在时发生。通过对肌红蛋白基因(表达/不表达)小鼠的研究发现，脱氧肌红蛋白通过动态地抑制细胞呼吸、限制活性氧的产生和缺血再灌注损伤后线粒体酶的氧化失活促使亚硝酸盐还原成一氧化氮，但只是在肌红蛋白线性表达而非隐性表达的心脏中才出现；亚硝酸盐还原酶限制再灌注时活性氧的产生以及顺乌头酸的失活，对心肌细胞具有保护作用，而这一作用是依赖肌红蛋白而发挥的。

亚硝酸盐治疗可改善29%的局部缺血后左心室压力的升高，在体内亚硝酸盐可减少61%有肌红蛋白基因表达的小鼠的心肌损伤，而对无肌红蛋白基因表达的小鼠并无这样的作用，这些数据提示肌红蛋白和亚硝酸盐还原酶在调节肌红蛋白基因敲除小鼠的细胞缺氧和复氧的反应中具有关键的作用。目前，对于低剂量的亚硝酸盐在心、肝、肾和脑缺血再灌注损伤中的细胞保护作用已被一些调研组证明，但外源性亚硝酸盐的细胞保护作用的确切机制却仍是一个有争议的问题。有学者提出黄嘌呤氧化还原酶促使心脏中亚硝酸盐转换为一氧化氮，而一氧化氮可调节心脏的功能和能量的供应，并且可改善左心室功能；但究竟是脱氧血红蛋白还是黄嘌呤氧化还原酶负责在心肌缺血中介导亚硝酸盐还原为一氧化氮仍不清楚。最近的研究表明，在亚硝酸盐诱导下能减少缺血再灌注的损伤面积以及改善小鼠心脏的功能，而这种功能是依赖肌红蛋白而发挥的。

3. 肌红蛋白在心血管系统中的其他作用

1)肌红蛋白储存及运输氧气

在书本上，肌红蛋白的功能仅限于氧气的储存和运输。自1897年光谱的发现以来，对肌红蛋白进行了实质性的结构和功能研究，发现了其不同的生理作用，这一领域的研究在有肌红蛋白基因缺陷的小鼠中特别热门。值得注意的是，这个功能在缺乏锻炼或呼吸表型的肌红蛋白基因缺陷的小鼠中被破坏了。心脏内的肌红蛋白的生理作用取决于其氧合状态。心脏呈现一个广泛的氧分压梯度光谱，从心外膜到心内膜的氧分压从动脉中的19.3mmHg(1mmHg=0.1333kPa)降到0mmHg。

2)肌红蛋白对一氧化氮、过氧化氢和过氧化亚硝酸盐毒性的保护作用

一氧化氮是自由基，并通过一氧化氮合成酶亚型在所有类型的心肌细胞中连续地产生，这种自由基在维持冠状动脉血管张力和调节心脏功能中起着举足轻重的作用。在常规氧存在的条件下，内源性一氧化氮通过阻断一氧化氮合成酶而调节左心室功能，当抑制一氧化氮时这种功能消失。低浓度一氧化氮对心脏正性肌力的作用，而高浓度一氧化氮则抑制心脏收缩。过量的一氧化氮通过与氧气竞争的方式可逆地抑制细胞色素氧化酶C，从而阻碍心肌细胞的呼吸。有研究发现，在肌红蛋白基因缺陷的小鼠中，通过抑制一氧化氮合酶可使降低的心排血量和受损的收缩压有所改善。肌红蛋白的保护作用以及一氧化氮清道夫的作用也被Mammen等证实。肌红蛋白在心脏中的化学反应能力也归因于它的抗氧化防御机制。体外研究发现，在过氧化氢存在时，二价铁和三价铁肌红蛋白具有过氧化物酶的活性；肌红蛋白和过氧化氢的反应产生了两种强氧化剂四价铁肌红蛋白和四价铁肌红蛋白自由基，这两种强氧化剂可以广泛氧化已经减少了的基底物如芳香胺，它也有利于一氧化氮的清除。

肌红蛋白过氧化物酶活性的生理意义是通过对离体小鼠冠状动脉注射过氧化氢而证实的。相对于野生型小鼠的心肌而言，肌红蛋白缺失小鼠在心脏收缩时更容易受过氧化氢的影响，表明在肌红蛋白存在时可减弱氧化应激对心脏的不良反应。在体外的氧化型肌红蛋白还具有对亚硝酸盐解毒的能力。肌红蛋白和过氧化氢快速、不可逆反应可导致四价铁肌红蛋白、亚硝酸盐、氧气和氢离子的升高。随后四价铁肌红蛋白与过氧化亚硝酸盐分子反应产生三价铁和过氧亚硝基阴离子自由基，而由二价铁肌红蛋白催化异构过氧化亚硝酸盐为硝酸盐的过程中不会产生这种中间产物。对肌红蛋白中氨基酸残基的分析表明它是由低水平的3-硝基酪氨酸组成，这表明或许血红素可对过氧化亚硝酸盐进行有效的解毒，从而不仅能保护部分球蛋白，也能保护其他硝基化的蛋白。在未来关于它的生理功能的研究有待进一步的开展。

3）肌红蛋白控制心肌一氧化氮的动态平衡

肌红蛋白控制心肌一氧化氮的动态平衡，从而在生理和病理状态调节线粒体的呼吸。研究发现肌红蛋白具有心肌氧传感器的作用，在氧化状态下的肌红蛋白可以清除一氧化氮，保护心脏免受过量的一氧化氮的不利影响，在缺氧时，脱氧肌红蛋白会从清除一氧化氮的产生转变为一氧化氮的生产者，一氧化氮在短期的心肌缺氧和心肌缺血再灌注损伤时有保护作用［15］。

4）肌红蛋白在肺栓塞中的作用

30%～50%的急性肺栓塞患者可继发心肌损伤，在大面积肺栓塞患者的尸检中发现右心室的透壁心肌梗死，这些都表明急性肺栓塞的严重程度与心肌损害密切相关。对46例肺栓塞患者的临床研究中发现，在45%(21例)的肺栓塞患者血清肌红蛋白有所升高，7例死亡患者有肌红蛋白的异常升高，同时发现在入院3h内有1例患者死亡，在该患__者的血清中仅能检测到肌红蛋白升高，因此认为肺栓塞的严重程度可通过肌红蛋白而早期预测，并且可作为评估致死性肺栓塞的预测指标。

主要参考资料

[1] 内科学·卷

[2] 肌红蛋白的功能特性

[3]  肌红蛋白的代谢及其在心血管系统中的作用