细胞活动、离子丰度和蛋白质丰度都在昼夜变化 ， 它们到底有什么样的关系呢？
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图3/5
幕后调控者
有研究表明 ， 人体内约20%的蛋白质在一天中会有明显的浓度变化 。 蛋白质属于生物大分子 ， 其含量波动对细胞渗透压的影响是巨大的 。 当细胞内的蛋白质合成增加时 ， 其内部的物质浓度快速上升 ， 理论上有可能导致大量水分渗入 ， 进而胀破细胞 。 而实际上细胞体积在一天内不会有明显的变化——这也是细胞工作的重要基础 。 研究人员认为 ， 这其中一定有补偿机制来应对蛋白质浓度的昼夜节律 ， 对象很有可能就是细胞质中“充裕”的钾离子 。
为了证实猜想 ， 科学家首先锁定了调控蛋白质合成的重要分子：哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体（mTORC） 。 研究人员证实 ， mTORC在心脏成纤维细胞中确有规律性变化 。
接着 ， 研究者发现在mTORC活性升高时 ， 细胞开始合成蛋白 ， 可溶性蛋白含量会升高 。 此时 ， 心脏细胞内产生的分子拥挤（molecular crowding）现象激活渗透压调节通路 ， 促进钾离子的外流和钠离子的内流 。 当mTORC活性降低时 ， 可溶性蛋白含量会降低 ， 细胞内外的钾离子和钠离子浓度又会发生改变 ， 如此往返 ， 形成了心脏的昼夜节律 。 接着 ， 在体外培养的心肌细胞、离体心脏、在体心脏中 ， 科学家证实抑制mTORC均能平息心跳的昼夜节律 。
基于多重验证 ， 研究人员提出了心肌细胞自主变速的新机制：白天里 ， 分泌的大量蛋白质激活渗透压平衡机制 ， 使细胞内离子丰度下降 ， 心肌细胞也因此更容易兴奋 ， 正好适应旺盛的活动需求 。 晚上正相反 ， 蛋白合成减少 ， 离子丰度回升 ， 心肌细胞不容易兴奋 ， 更趋于“休息”的状态 。
心有余而力不足
心肌细胞自主昼夜节律机制的发现为心率失常的病因提供了新的解释 。 在上夜班时 ， 人体心肌细胞膜两侧的钾离子浓度差变大 ， 兴奋性差 ， 可能无法响应神经系统传来高强度的兴奋信号 ， 并因此发生心律不齐 。 这就类似于到了晚上办公楼开始限电 ， 心肌细胞没有条件再高负荷地工作了 。
论文的第一作者约翰·奥尼尔（John O‘Neill）指出 ， “危及生命的心律异常事件（如心律不齐、猝死）高发于特定的时间点和特定的人群中 。 我们认为在上夜班时 ， 心脏的昼夜节律与大脑传递的信号步调有异 ， （在深夜）我们的心血管系统可能无法应对日常工作压力下的功能需求 ， 这可能是熬夜的人心脏更容易出现问题的原因 。 ”
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