心脏跳动应该是这个世界上最优美的旋律。这优美旋律的节奏就是心跳速率。人们一直以来就对心率倍感兴趣,并发现一个有趣的现象:动物的体重大小和心脏每分钟跳动的次数呈负相关,一般体重越大,心率越慢。例如大象的心率约25-30次/分钟;人的心率约60-100次/分钟;小鼠的心率则高达600-700次/分钟(图1)。
优美的旋律由精妙的心肌发出。从宏观到微观,心肌可被分解为肌纤维、肌原纤维和肌节。肌节是肌肉行使伸缩功能的最基本单位,主要由肌动蛋白和肌球蛋白构成。
其实,肌节中肌球蛋白和肌动蛋白组成的结构特别像汽车发动机的气缸。机体通过燃烧ATP来改变肌球蛋白末端的结构,后者与肌动蛋白结合,驱动肌动蛋白收缩。基于此,肌球蛋白也被称为分子马达。
心肌每收缩和舒张一次便构成一次心跳。动物心律不同是因为哺乳动物个体越大,肌肉收缩速度越慢,其分子马达肌球蛋白的最大收缩速度越小。
回到关键的肌球蛋白。动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。6月10日,来自英国肯特大学的研究人员从多个数据库获取了不同动物的肌球蛋白氨基酸序列,所涉及动物的体重涵盖范围超过6个数量级,从6克到10000公斤。通过序列比较,他们认为,肌球蛋白马达域的序列变化与体重密切相关,进而影响心率。
为验证推断,研究人员构建了一个人-大鼠肌球蛋白嵌合体,即将人肌球蛋白马达域中12个异同氨基酸中的9个替换为大鼠中的氨基酸序列。如果把ATP水解释放能量和ADP从肌球蛋白释放比作一次完整的燃料燃烧过程的话,也就是说,9个氨基酸的替换提高了人肌球蛋白的燃油效率,自然心率加快。
综合来看,研究人员利用生物信息学手段分析出肌球蛋白氨基酸序列变化与动物体重的负相关性,为进一步探究大动物由小到大进化过程中的心率减慢提供了线索。