血管平滑肌——平滑肌细胞的超微结构

 
      在生理条件下VSMC大多为收缩型表型，呈梭状，50~ 200μm长，2~8μm宽，细胞核位于中央，核周为滑面内质网与线粒体。胞质内富含粗、细肌丝蛋白，每1个粗肌丝围绕着15个细肌丝。与之相比，骨骼肌肌纤维细肌丝与粗肌丝的比值为6:8。粗肌丝和细肌丝聚集成肌丝单位，又称为收缩单位。在胞内细肌丝间由致密体连接，相邻的致密体之间由中间丝相连，构成平滑肌网架。细肌丝与细胞膜由致密斑连接。平滑肌细胞外周为网状的纤维结缔组织，含平滑肌细胞分泌的细胞外基质，将单个细胞交织成束，使它们组成一个功能单位。
一、细肌丝
      细肌丝直径5~ 8nm，长度平均为4.5um，约为粗肌丝的3倍。细肌丝是肌动蛋白线性多聚体形成的右手双螺旋，每一圈螺旋含13个肌动蛋白质，长74nm。肌动蛋白是真核细胞中最丰富的蛋白质，在肌细胞中占总蛋白重量的20%。肌动蛋白单体呈哑铃状，称为球形肌动蛋白(G-actin),多聚体形成的微丝称为纤 维形肌动蛋白( F-actin )。单体肌动蛋白由375个氨基酸残基组成，分子量为42000，其上有 三个结合位点：一个ATP结合位点，两个与肌球蛋白结合的位点。肌动蛋白通过水解ATP维持其多聚体处于一种动态的、极性的状态。一些蛋白与平滑肌细肌丝功能紧密相关，它们包括原肌球蛋白(tropomyosin)、钙调结合蛋白 ( caldesmon )和调宁蛋白( calponin )。钙调结合蛋白表达为平滑肌亚型( I型)和非肌肉亚型(h型)。在静息条件下I型钙调结合蛋白的氨基端结合于肌球蛋白的颈部(S2区)，羧基端与肌动蛋白结合，抑制肌动蛋白与肌球蛋白相互作用。这一抑制作用可被Ca2+-钙调蛋白去除，钙调结合蛋白的抑制作用也可因磷酸化去除。原肌球蛋白由两股α-螺旋卷曲螺旋蛋白组成，在多聚体肌动蛋白形成的双螺旋槽内每7个肌动蛋白有一个原肌球蛋白。平滑肌至少表达5种原肌球蛋白亚型，以α亚型丰度最高。原肌球蛋白通过调节其他蛋白与肌动蛋白肌丝的结合，影响肌动蛋白与肌球蛋白间的作用及肌动蛋白 的多聚体化。调宁蛋白是一种34 000大小的蛋白，存在于平滑肌和非肌肉组织，在平滑肌主 要为碱性调宁蛋白( calponin-hl )，其可能通过抑制肌球蛋白ATP酶降低肌肉收缩速度。
二、粗肌丝
      平滑肌粗肌丝直径为8~ 16nm，为肌球蛋白二聚体。肌球蛋白是一个超家族蛋白， 根据对它们保守运动结构域( conserved motor domain )的比较和系统发育分析分为18类，其中II型为粗肌丝的构成蛋白，包括横纹肌、心肌和平滑肌多 种亚型，其中平滑肌亚型来自同一基因， 选择性 剪接产生肌球蛋白单体SMA ( SMIA、SM2A)和SMB(SMIB、SM2B),SMB型较SMA型在SI片段的25000000交接处多7个氨基酸残基。SMB型在位相性收缩类平滑肌如膀胱和小肠平滑肌表达较多，SMA型在张力型收缩类平滑肌表达较多。SMIA和SMIB型比SM2A和SM2B型在肌球蛋白尾部的螺旋羧基末端多34个氨基酸残基。
      平滑肌肌球蛋白分子量约50000含2条重链和4条轻链。每条重链约含2000个氨基酸，约2000分为羧基端尾部与氨基端头部。2条重链尾部以α-卷曲螺旋形式缠绕，构成粗肌丝的骨架，2条重链头部分离，朝向细肌丝，是构成横桥的部分。肌球蛋白被胰蛋白酶水解时产生约350000的重酶解肌球蛋白(heavy  meromyosin，HMM )和150000的轻酶解肌球蛋白(light meromyosin，LMM )。重酶解肌球蛋白被蛋白酶如木瓜酶水解时又可产生S1片段与S2片段，S2片段为一段螺旋结构，S1片段为肌球蛋白的头部，可分为运动部件(motordomain) 与控制臂(lever arm)两部分。运动部件含有肌动蛋白结合部位和核苷酸结合部位，控制臂含有扭动区(convertdomain)、17000的肌球蛋白必要轻链(myosin light chain 17， MLC17)和20000的肌球蛋白调节轻链(myosin light chain 20， MLC20)结合部位。扭动区为运动部件与控制臂之间产生相对旋转从而使肌动蛋白与肌球蛋白相对滑动的部位。MLC17位于接近扭动区处，与控制臂的结构稳定有关。MLC20位于靠近S1与S2交接处，轻链19位点丝氨酸的磷酸化对肌球蛋白活性调节起着关键作用。
三、骨架蛋白
      骨架蛋白在维持细胞形状与胞内细胞器位置、胞内小泡运输、细胞迁移和分裂中起着重要作用。与所有真核细胞一样，VSMC主要含有三种骨架蛋白:微丝、中间丝、微管巴。微丝直径约4nm，由肌动蛋白线性聚合构成，微丝之间通过致密体相互连接形成网状结构，并径约23mm 的长圆简形聚合物，分化的VSMC通过致密斑与胞膜连接。平滑肌存在4种肌动蛋白异构体:α平滑肌肌动蛋白、β-非肌肉肌动蛋白、γ-平滑肌肌动蛋白和y-胞质肌动蛋白，它们都是不同的基因产物。
四、肌质网
      肌质网又称肌浆网，是肌肉细胞中特化的光面型内质网，为磷脂双分子层形成的样网状系统，内部储存大量的Ca²⁺，被称为细胞内Ca²⁺库。平滑肌肌质网Ca²⁺浓度约为100uM，胞质内Ca²⁺浓度静息时为0.1~0.2μM，兴奋时0.3~1.5pM。静息时肌质网/内质 网膜钙泵(sarco/endoplasmic reticulum Ca²⁺_ ATPase， SERCA)通过水解ATP将胞质Ca²⁺转运人肌质网，兴奋时通过三磷酸肌醇受[inositol(1 4,5)-trisphosphate receptor，IP3R ]和兰尼啶受体( ryanodine receptor，RyR )通道向胞质释放钙离子，从而在收缩、舒张调控中发挥重要作用。在骨骼肌细胞肌质网占细胞体积约10%，在家兔胸主动脉和肺动脉肌质网约为细胞体积的5%，在肠系膜动脉和静脉及门静脉约为细胞体积的2%。肌质网在靠近细胞膜的胞 质侧较多，与胞膜距离15~ 30nm，常分布在胞膜小凹周围。肌质网还以网片状沿平滑肌纵轴分布。在细胞膜附近的肌质网常被称作外周或 浅表型，与Ca²⁺动态平衡、局部Ca²⁺释放及与胞膜离子通道相互作用有关。不靠近细胞膜的肌质网被称作中央或深侧型，其可能通过为肌纤维提供Ca²⁺直接影响收缩功能。有证据提示在位相( phasic )型平滑肌如门静脉的肌质网主要为外周型，而张力( tonic )型平滑肌如主动脉的肌质网主要为中央型。
      肌质网通过IP₃R和RyRCa²⁺通道向胞质释放钙离子。RyR是由分子量为565000的4个同源亚单位围成的Ca2+通道。其大部分结构 ( >80%的分子量)在胞质一侧，状似对称的四瓣形蘑菇，是受体的功能调制区，含有Ca²⁺、腺 嘌呤核苷酸、钙调蛋白、FK506- 结合蛋白等结 合点及磷酸化位点。RyR Ca2+通道呈短宽形，有利于Ca²⁺2+迅速大量释人胞质。RyR对Ca²⁺的电导在100pS级别，可被不到1μM及低pμM浓度的胞质Ca²⁺激活。而高μM到mM浓度的胞质 Ca2+则令RyR失活。RyR 存在多种亚型，由不同基因编码，在骨骼肌为RyR1，心肌为RyR2，在平滑肌包括肺动脉和体动脉平滑肌RyR1、2、3三种亚型都有。不同亚型的比例因不同组织和种属而异，RyR1和RyR2，特别是RyR2与钙火花(一个或几个成簇状分布的RyR所产生的局部Ca²⁺释放)有关。在肺动脉平滑肌细胞RyR3敲除对去甲肾上腺素引起的Ca²⁺收缩反应没有影响，但缺氧诱导的收缩被抑制，提示RyR3与后者有关。
      IP₃R是一种膜糖蛋白复合物构成的由三磷酸 肌醇激活的Ca²⁺通道，它们由分子量约300 000的4个亚单位组成，在哺乳类动物存在三种由不同基因编码的亚型。IP₃R在骨骼肌和心肌丰度很低，在脑和其他组织含量很高，在平滑肌细胞的含量比脑约低100倍。在血管平滑肌IP₃R和 RyR的比例为3: 1~4: 1。平滑肌细胞表达多种IP₃R亚型，大鼠门静脉存在IP₃R1和IP₃R2， 在胸主动脉和肠系膜动脉IP₃R1是唯一的亚型 ，而在基底动脉存在IP₃R1和少量IP₃R2。
      RyR受体可以成簇地位于肌质网近细胞膜处，使Ca²⁺在局部释放达到高浓度，继而激活钙依赖性钾离子通道，激发自发性瞬时外向电流(spontaneous transient outward current，STOC )，形成有力的细胞兴奋性和电活动负反馈机制。在 大多类型的平滑肌，多个RyR受体和(或) IP,R 受体可通过Ca²⁺诱导性钙释放( Ca²⁺-induced Ca release, CICR )机制形成具有时空分布特征的Ca²⁺信号。CICR可由L型钙通道进人胞内的Ca²⁺激发，或由SERCA所致肌质网内升高的钙浓度激发。肌质网内Ca²⁺浓度对钙释放有重要影响，耗竭肌质网内Ca²⁺可抑制RyR和IP₃R钙通道开放，耗竭肌质网内Ca²⁺还可激活细胞膜L型钙通道和非L型钙通道依赖的Ca²⁺释放激活性钙通道。
五、线粒体
      线粒体为双层膜的细胞器，由外至内分为线粒体外膜、线粒体膜间隙、线粒体内膜和线粒体基质四个区。线粒体内膜向线粒体基质折褶形成的结构被称为“嵴”，它增大了线粒体内膜的表面积。线粒体嵴上有许多有柄小球体，即线粒体基粒，含有ATP合酶，能利用呼吸链产生的能量合成ATP,需要较多能量的细胞一般线粒体嵴的数目也较多。早期研究观察到平滑肌线粒体约为3umx0.5um,卵圆形；近年来发现线粒体可以为多种形状，包括小球状、短棒状、长丝状和网络状。它们处于不停的运动中，包括延伸、回缩、扭动、布朗运动和定向运动。而且，线粒体之间存在电偶联，局部去极化的线粒体膜 电位( A平m )可以传得很远。目前比较接受的观点是分泌型平滑肌细胞的线粒体结构是高度动态的，而收缩型平滑肌细胞的线粒体在胞内位置是静止的。不同类型细胞线粒体数量存在很大差异，其数量取决于细胞的代谢水平，代谢活动越旺盛的细胞线粒体越多。线粒体不仅是细胞内氧化磷酸化和合成ATP的主要场所，还参与诸如氧化还原平衡、代谢、信号转导、钙稳态、细胞生长分化和细胞凋亡调控等过程。
      电镜和共聚焦成像研究显示线粒体和肌质网 靠得很近，最小间距仅10 nm。在平滑肌细胞内，大多数线粒体几乎被肌质网完全包裹。线粒体对Cat亲和力(>10uM)较低，但由于与IP₃R群形成的高Ca²⁺浓度微域区靠近，因而能影响IP3介导的胞质Ca²⁺瞬时上升。线粒体与细胞膜电压依赖性Ca²⁺通道相距较远，对膜电位依赖的Ca²⁺内流上升的速度和幅度没有显著影响。但在膜电位依赖的Ca²⁺内流结束时，胞内Ca²⁺浓度相对较高，线粒体可以促进通过Ca²⁺摄取影响膜电位依赖的Ca²⁺内流的下降。线粒体膜电位 约为-180 mV (以胞质为参照)。在门静脉、尾动脉、肺动脉和培养的主动脉细胞，线粒体膜电位的消失可减慢胞质Ca²⁺浓度下降的速度。线粒体特别是其复合体II是细胞内活性氧的重要来源，它可以通过活性氧调节细胞内局部和更大范围的Ca²⁺信号。研究提示缺氧可通过线粒体膜间隙产生的活性氧使胞质Ca²⁺浓度升高，引起肺血管收缩。
六、胞膜小凹
      胞膜小凹( caveolae )是50~ 100nm大小呈 倒“2”状细胞膜内陷结构，由14~ 16个小凹 蛋白( caveolin, Cav )低聚物与胞膜胆固醇、鞘磷脂形成。小凹蛋白分子量为21000，有Cav1、Cav2和Cav3三种亚型。心血管系统的大多数细胞表达Cav1和Cav2。Cav3则主要表达在血管 平滑肌、心肌和骨骼肌。Cav1 和Cav3对胞膜小凹的形成是必要的，Cav2的作用尚不明确。研究表明小凹蛋白起“脚手架蛋白”作用，即提供一个微环境使相关的受体、中间产物、酶在局部形成高浓度以促进信号转导。可以与小凹蛋白结合的信号分子包括G蛋白亚单位、受体和非受体酪氨酸激酶、内皮型-氧化氮合酶(eNOS)、小GTP酶等。用药理学方法急性损伤胞膜小凹，可导致乙酰胆碱引起的血管舒张降低，这可能是由于受体介导的eNOS激活障碍。在动脉粥样硬化等心血管疾病中，乙酰胆碱舒张血管的功能受损，也伴有胞膜小凹数量减少。在血管内皮细胞，胞膜小凹可作为机械感受器介导血流引起的eNOS激活。而在VSMC中发现，Cavl参与牵拉引起的细胞周期进程。胞膜小凹对机械作用的敏感可能与小凹部位脂成分的不同和其生物物理特性有关。
七、缝隙连接
      缝隙连接是相邻细胞之间离子、小分子物质及信号分子交换的连接通道，由相邻细胞膜上的 连接子( connexon )对接而成。连接子是连接蛋 白( connexin )组成的六聚体，在人类基因组中已发现21种连接蛋白基因，在小鼠基因组中有20种。缝隙连接通道聚集成为缝隙连接斑(gapjunctionplaque)，缝隙连接斑的维持是动态的，新的通道不断移动到缝隙连接斑的外缘，缝隙连接斑中心的通道则内化到细胞质内经溶酶体或蛋 白酶体途径降解。一 般来说分子量<485000的物质可以自由通过缝隙连接，而大分子如核酸和蛋白质分子则无法通过。不同连接蛋白构成的通道结构相同，但通道通透性可以相差很大。连接蛋白的转录、翻译、修饰、组装、转运等过程的改变都会影响细胞间通讯的性质与数量。缝隙连接不仅存在于VSMC之间、内皮细胞之间，也存在于VSMC与内皮细胞之间，被称作肌内皮连 接( myoendothelial junction )。缝隙连接的大小和丰度随血管树的部位不同而变化。血管仅有4种连接蛋白参与了缝隙连接的组成： Cx37、Cx40、Cx43和Cx45，这些连接蛋白的分布可因不同血管床、种属、胚胎发育和疾病发展而不同。