第三章 第四节 肌肉的收缩功能

第四节肌肉的收缩功能肌肉横纹肌平滑肌骨骼肌心肌一.骨骼肌的收缩功能运动神经元兴奋神经-肌接头骨骼肌细胞兴奋-收缩耦联骨骼肌收缩（一）神经-肌接头的兴奋传递1.神经-肌接头（neuromuscularjunction）结构接头前膜(prejunctionalmembrane):运动神经纤维末梢（膨大，无髓鞘）接头间隙(junctionalcleft)接头后膜(postjunctionalmembrane):对应的肌细胞膜，又称终板（endplate）Na+2.neuromuscularjunction的兴奋传递AP达运动神经末梢前膜去极化↓前膜Ca2+通道开放,Ca2+入前膜↓ACh释放(量子化释放)↓ACh扩散至endplateACh与R结合,K+、Na+通道开放(化学门控)↓Endplatepotential（电紧张扩布）↓终板附近肌膜上电压门控Na+通道激活↓APAch被胆碱酯酶水解，胆碱可被回收至前膜重复利用•量子释放（quantalrelease）:•微终板电位（miniatureend-platepotential）：去极化约0.4mV/囊泡•终板电位（end-platepotential,EPP）1）定义:终板膜上产生的局部去极化电位。可随ACh释放增加而产生等级性变化。2）不表现“全或无”传导，只能在局部进行紧张性电扩布3）一次神经冲动释放ACh所引起的EPP大小超过引起肌细胞AP所需阈值3~4倍,可刺激周围具有电压门控Na+通道的肌膜产生AP，使神经冲动与肌细胞收缩保持1对1。•相关药物：•新斯的明、有机磷农药:抑制胆碱酯酶；•筒箭毒碱、α-银环蛇毒等：阻断胆碱N受体。（二）骨骼肌的收缩活动1.骨骼肌的超微结构：•肌原纤维（myofibril）•肌管系统（sarcobutubularsystem）（1）肌原纤维的结构和分子构成：•粗肌丝和细肌丝及其排列：肌原纤维粗肌丝:（thickfilament）细肌丝（thinfilament）肌球蛋白（myosin）肌动蛋白（actin）:肌纤蛋白原肌凝蛋白（tropomyosin）肌钙蛋白（troponin收缩蛋白：actinandmyosin调节蛋白：tropomyosinandtroponin肌纤维膜肌内膜肌束膜纤维束肌外膜肌腹肌小节：是肌肉收缩的基本功能单位。两侧1/2明带和中间部分的暗带，明带暗带H带M线Z线肌小节M线肌球蛋白（myosin）（2）肌管系统（sarcotubularsystem）:两列肌纤蛋白的单体聚合成球状，形成细丝的主干，每一个单体上具有一个和肌凝蛋白结合的位点。肌纤蛋白和肌凝蛋白为收缩蛋白。原肌凝蛋白在安静是疏松的附在肌纤蛋白丝上，覆盖了其与肌凝蛋白结合的位点。肌钙蛋白有与Ca2+结合的作用，调节原肌凝蛋白的变构，暴露肌纤蛋白的结合位点。肌钙蛋白和原肌凝蛋白为调节蛋白。（2）肌管系统（sarcotubularsystem）:横管（transversetubele）:T管（Ttubule）,肌膜内陷而成，垂直于肌原纤维纵管（longitudinaltubule）：肌质网（sarcoplasmicreticulum,SR）,平行于肌原纤维，并包绕肌原纤维。又分为：纵行肌质网（longitudinalSR,LSR）:连接肌质网（junctionalSR,JSR）：终池（terminalcisterna）三联管（triad）:T管+两侧终池每一横管和来自两侧肌小节的纵管终末池，构成了三联管结构。肌管系统指包绕在每一条肌原纤维周围的膜性囊管状结构，由来源和功能都不相同的两组独立的管道系统组成。横管系统或称T管：是由肌细胞的表面膜向内凹入而形成，管腔通过肌膜凹入处的小孔与细胞外液相通。纵管系统（L管）：肌浆网主要包绕每个肌小节的中间部分，这是一些相互沟通的管道，但是在接近肌小节两端的横管时管腔出现膨大，称为终末池。它使纵管以较大的面积和横管相靠近。ryanodine受体2.骨骼肌细胞的收缩机制：肌丝滑动原理•横桥头具ATP酶活性，肌肉舒张时，横桥（crossbridge）结合的ATP被分解为ADP+Pi，结合了ADP+Pi的横桥处于高势能状态，它与细肌丝垂直，与肌动蛋白有高亲和力，但无法结合（因结合位点未暴露）。肌浆内Ca2+↑，与肌钙蛋白结合→原肌球蛋白构型改变→解除位阻效应→处于高势能的横桥（与ADP及磷酸基结合）与肌动蛋白结合，拖动肌动蛋白向M线方向扭动45°（粗、细肌丝相对滑行）（同时ADP及磷酸基与横桥分离）→肌小节变短→肌肉收缩→ATP结合到横桥头，使后者构象改变，与肌动蛋白亲和力↓而与之解离→ATP分解供能，使横桥（与ADP及磷酸基结合）向Z线回位（恢复高势能状态）→ADP与横桥头解离，myosin再与tropomyosin的新位点结合横桥周期(cross-bridgecyclin)——横桥与肌动蛋白结合、摆动、复位与再结合的过程。周期的长短决定肌肉的缩短速度。横桥扭动的2作用：收缩肌肉；伸长桥臂，产生张力•胞浆中Ca2+浓度↑，激活肌质网膜上的钙泵•→后者分解ATP获得能量，将胞质中的Ca2+主动泵回肌质网内•→胞质中Ca2+浓度降低，Ca2+与troponin解离•→troponin与tropomyosin恢复到安静状态，重新形成位阻，阻断myosin与actin结合•→横桥周期停止，肌肉舒张。（三）骨骼肌的兴奋-收缩耦联（excitation-contractioncoupling）AP从肌膜传到T管L-钙通道构象改变，激活JSR膜上的ryanodine受体内钙释放后进入胞质，胞质Ca2+浓度升高与肌钙蛋白结合，原肌球蛋白构象改变，肌细胞机械收缩耦联的关键物质——Ca2+耦联的关键结构——三联管Ca2+骨骼肌细胞质内的钙绝大多数(约100%)源于JSR钙释放。胞质中的Ca2+由0.1μM→1-10μM心肌细胞胞质内钙有10%-20%经L-钙通道路内流，80%-90%经SR释放。且后者依赖于前者才得以进行。钙触发的钙释放（calcium-inducedCa2+release）——•肌浆中[Ca2＋]降低机制：胞浆中Ca2+浓度升高激活肌质网上的Ca2+泵将胞浆中Ca2+泵回肌质网胞浆中Ca2+浓度下降肌肉舒张（四）骨骼肌的收缩形式及影响收缩的因素1.收缩形式：•等长收缩（isometriccontraction）•等张收缩（isotoniccontraction）2.影响因素：（1）前负荷（preload），初长度（initiallength）前负荷的大小决定了初长度，因而前负荷可用初长度表示。从长度—张力曲线可看出：①肌肉收缩存在一个最适初长度(即最适前负荷)，此状态下，肌肉收缩产生的主动张力最大。②大于或小于最适初长度，肌肉收缩产生的张力均会下降。肌小节长度为2.2μm安静时肌节长度为2.0~2.2μm肌节长度—张力关系曲线•最适初长度（optimalinitiallength）•肌肉收缩产生的张力大小由肌小节中与细肌丝接触的横桥数目决定：处于最适初长时，粗、细肌丝处于最佳重叠状态，所有横桥都能与细肌丝接触。•骨骼肌的初长已定，主要受后负荷影响；•心肌初长则受主室充盈程度影响。前负荷↓初长度↓肌小节长度↓粗细肌丝的重叠程度↓发挥作用的横桥的数目↓产生张力的大小最适前负荷↓最适初长度↓肌小节2.2μm↓粗细肌丝处于最佳重叠程度↓发挥作用的横桥的数目最多↓产生张力的最大（2）后负荷（afterload）:•定义：是肌肉开始收缩时才遇到的负荷或阻力。它不能改变肌肉初长，但能阻碍肌肉收缩时的短缩，是收缩的阻力。•研究方法：把前负荷固定在最适前负荷，逐次改变后负荷，研究肌肉产生张力的大小与速度的关系。图A:不同后负荷对肌肉单收缩所产生的张力和缩短程度的影响①总是张力产生在前，缩短产生在后；②后负荷愈大→产生的张力愈大,但缩短开始的时间愈晚，缩短的初速度和缩短的总长度也愈小。①随着后负荷增加→收缩张力增加,而缩短速度减小。②当后负荷增加到肌肉不能缩短时(缩短速度=0),可产生最大的张力(P0),此种收缩为等长收缩;当张力P0时,肌肉收缩既产生张力,又出现缩短且每次收缩开始后,张力即不再增加,直至收缩完成(等张收缩)。③当后负荷=0时，肌肉缩短可达最大缩短速度(Vmax)。横桥摆动及与细动蛋白解离快，所以速度快。瞬间处于产生、维持张力状态的横桥少。横桥摆动速度缓慢，横桥周期长，瞬间处于产生、维持张力状态的横桥多。*肌肉收缩的缩短速度:取决于横桥周期的长短；*肌肉收缩的收缩张力：取决于每一瞬间与肌动蛋白结合的横桥的数目。（3）肌肉的收缩能力（contractility）:——与负荷无关、决定骨肉收缩的效能的内在特性。•取决于胞质中Ca2+水平；MyosinATP酶的活性；相关功能蛋白的表达水平。兴奋收缩耦联过程蛋白质或横桥功能特性缺氧酸中毒能源缺乏Ca2＋咖啡因肾上腺素提高收缩效果降低收缩效果（五）单收缩和肌肉收缩的总和•刺激形式不同，表现为：单收缩、收缩的总和。1.单收缩（twitch）：单一刺激引起的骨骼肌一次快速的收缩。•张力与刺激强度有关。2.收缩的总和（summation）:•运动单位(motorunit):一个脊髓前角运动神经元及其轴突分支所支配的全部肌纤维。不同运动单位所包含的肌纤维数不同,可以从几根到上千根。大小原则(sizeprinciple):•收缩时:弱收缩时,小运动单位先参与；随着收缩的增强,会有多个和大的运动单位参与。•舒张时:共处五项原则最大运动单位先停止放电、收缩,最后才是小运动单位停止活动。刺激频率改变时收缩的总和：•单收缩（twitch）•不完全强直收缩（incompletetetanus）•完全强直收缩（completetetanus）连续刺激的频率低(间隔单收缩的时程)→多个分离AP→连续分离单收缩incompletetetanus：连续刺激频率增加→后续刺激落在前次收缩的舒张期→发生的多次收缩的总和。tetanus：连续刺激频率再增加→后续刺激落在前次收缩的收缩期→发生的多次收缩的总和。强直收缩张力远大于单收缩的张力原因：胞质内Ca2+浓度持续升高二.平滑肌的收缩功能1.平滑肌的分类：•单单位平滑肌（unitarysmoothmuscle）：小血管、消化道、子宫、膀胱等中空器官。肌细胞间有gapjunction，多细胞协同功作，类似于心肌，所有肌纤维作为一个单位对刺激作出反应，所有细胞的电、机械活动近于同步。有少数细胞具有自发性、节律性。牵张刺激能引发肌肉收缩反应。•多单位平滑肌（multiunitsmoothmuscle）：虹膜、睫状肌、竖毛肌、输精管、大血管平滑肌等，无gapjunction，独立工作，无自律性，受自主神经支配。收缩强度取决于参与的肌纤维数及刺激的频率。通常受牵张不产生肌肉收缩。•单-多单位之间的平滑肌2.各类平滑肌均具有：时相性收缩、紧张性收缩两方式。3.平滑肌活动的神经调节：骨骼肌收缩完全依赖于神经系统支配。平滑肌（主要是单单位平滑肌）具有自律性，外源性神经冲动不是引发肌肉收缩的必要条件，仅具有调节兴奋性、影响收缩强度和频率的作用。不具有自律性平滑肌则与骨骼肌相似。支配平滑肌的神经纤维末梢形成曲张体，释放神经递质。2.结构特点：•细胞小，细长纺锤形。肌管系统不发达。粗、细肌丝比例可达=1:15（骨骼肌=1:2）.有类似于Z盘的致密体，无肌钙蛋白（troponin）。3.收缩的启动因素：胞质Ca2+来源有3：•AP使肌膜电压门控Ca2+channel开放；•配体门控Ca2+channel开放（膜受体-G蛋白途径）；•肌质网钙释放（膜受体-G蛋白-PLC-IP3-ryanodine受体途径）4.平滑肌兴奋-收缩耦联特点：•胞质内Ca2+浓度↑→与钙调蛋白结合，激活肌球蛋白轻链激酶，后者使肌球蛋白磷酸化，与细肌丝结合产生收缩；•胞质内Ca2+浓度↓，肌球蛋白轻链磷酸酶使肌球蛋白去磷酸化，与横桥分离，肌肉舒张。•锁桥（latch-bridge）