1、第四節(jié) 肌細(xì)胞的收縮,骨骼肌 橫紋肌 肌肉 （功能特性） 心肌 (形態(tài)特點) 平滑肌,Skeletal Muscle,Cardiac Muscle,Smooth Muscle,骨骼肌收縮在中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制下完成,橫紋肌,(一)骨骼肌神經(jīng)-肌接頭處的興奮傳遞 1.結(jié)構(gòu)特征： 電鏡下 接頭前膜 接頭間隙 接頭后膜(終板膜),1.結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)：,軸突末梢,神經(jīng)末梢在接近肌細(xì)胞處失去髓鞘 軸突末梢中有300,000含ACh的突觸小泡, 突觸小泡含有上萬個ACh分子,終板膜有-N2型ACh受體陽離子通道 （N2-ACh receptor cation channel） 乙酰膽堿酯酶 ACh 膽堿+乙酸,2.

2、傳遞過程：,神經(jīng)沖動傳到神經(jīng)末梢處, 接頭前膜電壓門控性 Ca2+通道瞬間開放, Ca2+內(nèi)流入軸突末梢 , Ca2+啟動突觸小泡的出胞機制。 quanta release, Ca2+觸發(fā)突觸小泡向前膜移動 突觸小泡膜與軸突膜的融合，融合處出現(xiàn)裂口、釋放遞質(zhì)ACh 接頭間隙 神經(jīng)末梢處每個囊泡中儲存的ACh近萬個分子作為一個單位，稱為一個量子的ACh ，這種釋放形式稱為量子釋放。 每次神經(jīng)沖動引起200-300個囊泡幾乎同步釋放ACh，引起終板膜電位變化。,ACh 擴散到后膜(終板膜) N2型ACh受體陽離子通道（化學(xué)門控）亞單位結(jié)合通道開放，Na+內(nèi)流(為主) K+外流后膜去極化, 終板電位

3、(endplate potential, EPP),一個ACh量子釋放引起微終板膜電位-MEPP幅度平均0.4mV 當(dāng)Ca2+內(nèi)流進入軸突末梢時，大量突觸小泡同步釋放ACh， 250個突觸囊泡同步釋放ACh -產(chǎn)生1個正常的EPP MEPP發(fā)生疊加形成EPP，平均幅度50mV。,終板電位(endplate potential, EPP), 終板電位總和 鄰近肌膜的電壓門控鈉通道開放，肌膜去極到閾電位水平，而產(chǎn)生動作電位。,voltage gated Na+channels voltage gated K+channels excitation (action potential),ACh發(fā)揮作

4、用后被 膽堿脂酶分解失活。,接頭前膜去極化,膜電壓門控Ca2通道開放，Ca2向膜內(nèi)流動,接頭前膜內(nèi)囊泡移動、融合、破裂， 囊泡中的ACh釋放(量子釋放),ACh與終板膜上的ACh門控通道結(jié)合,膜對Na、K (尤其是Na)通透性,終板膜去極化終板電位（EPP）,EPP電緊張性擴布至鄰近肌膜,去極化達到閾電位，電壓門控Na+通道開放,肌細(xì)胞膜爆發(fā)AP,傳遞過程：,運動神經(jīng)興奮,膽堿酯酶水解ACh,“電-化學(xué)-電”的單向傳遞形式 Ca2+的進入量決定著突觸小泡釋放的數(shù)目。 終板電位（EPP）產(chǎn)生的關(guān)鍵因素： ACh和-亞單位結(jié)合后結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致Na+內(nèi) 流增加。 興奮傳遞是1對1的 終板膜本身沒有電壓

5、門控鈉通道，不產(chǎn)生動作電位。 神經(jīng)末梢釋放ACh的量足以使產(chǎn)生的終板電位總和達到鄰近肌膜電壓門控鈉通道的閾電位水平，使肌細(xì)胞產(chǎn)生一次可沿整個肌細(xì)胞膜傳導(dǎo)動作電位。,神經(jīng)-肌肉接頭處的信息傳遞特點：,易受藥物及某些因素影響 特異性阻斷受體通道：筒箭毒、-銀環(huán)蛇毒 非去極化肌松劑：卡肌寧(阿曲庫銨） 膽堿酯酶抑制劑: 新斯的明 改善肌無力癥狀 有機磷農(nóng)藥中毒 - 膽堿酯酶磷酰化 （接頭間隙ACh）,神經(jīng)-肌肉接頭處的信息傳遞特點：,肌 松 弛,肌 痙攣,病理變化： 重癥肌無力- 自身免疫性抗體破環(huán)終板膜受體通道 肌無力綜合征的肌病 自身免疫性抗體破環(huán)前膜Ca2+通道 肉毒桿菌毒素- 抑制前膜釋放A

6、Ch,神經(jīng)-肌肉接頭處的信息傳遞特點：,(二) 橫紋肌細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特征,橫紋肌細(xì)胞/ 纖維 肌原纖維,肌小節(jié) 肌絲,橫紋肌細(xì)胞的微細(xì)結(jié)構(gòu),Myofibril,a fiber,Myofibril,肌纖維 肌原纖維,1. 肌原纖維和肌節(jié),肌節(jié): 每條肌原纖維(myofibril)的全長都呈現(xiàn)規(guī)則的明暗交替,分別為明帶和暗帶;明帶的中央有一條橫向的暗線,稱為Z線。,肌節(jié) ( sarcomere ) 兩個相鄰Z線之間的區(qū)域 肌肉進行收縮和舒張的最基本功能單位。,電鏡下肌小節(jié): 明帶中含有細(xì)肌絲; 暗帶中含有粗肌絲; 粗細(xì)肌絲在空間上呈規(guī)則的排列。 細(xì)肌絲是粗細(xì)肌2倍,2. 肌管系統(tǒng),肌管系統(tǒng),三聯(lián)管,t

7、riad,縱管（肌質(zhì)網(wǎng),SR）,橫管（T管）,在肌原纖維周圍的SR也稱為縱行肌質(zhì)網(wǎng)（LSR ）,連接內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（JSR、終池）,橫管 （T管）, 縱管 (肌質(zhì)網(wǎng), SR ) 連接肌質(zhì)網(wǎng)、終池 (JSR): Ca2+ pool releasing Ca2+ 縱行肌質(zhì)網(wǎng) (LSR ): Ca2+ pump ( remove Ca2+), 三聯(lián)管： 興奮-收縮耦聯(lián)部位,T,L,肌管系統(tǒng),橫管（T管） 肌管系統(tǒng) 縱管（肌質(zhì)網(wǎng),SR） 在肌原纖維周圍的SR也稱為縱行肌質(zhì)網(wǎng)（L SR ）： LSR：有Ca2+泵 Ca2+ SR 連接肌質(zhì)網(wǎng)（JSR、終池）: SR末端膨大與T管膜接觸部分，高濃度Ca2+ 。 J

8、SR膜上有鈣釋放通道（ryanodine受體，RYR） 三聯(lián)管：T管與兩側(cè)終池（興奮收縮-耦聯(lián)過程）， T管膜、肌膜有L型鈣通道。,肌管的作用 橫 管：傳動作電位至肌細(xì)胞深部 縱 管：貯存、釋放、聚積鈣 三聯(lián)管：興奮 - 收縮耦聯(lián)部位,(三)橫紋肌的收縮機制肌絲滑行理論(myofiament sliding theory) 直接證據(jù)：肌肉收縮時暗帶長度不變， 明帶縮短，同時H帶相應(yīng)變窄。,主要內(nèi)容： 橫紋肌的肌原纖維由粗、細(xì)兩組走向平行的蛋白絲構(gòu)成。肌肉運動時，縮短和伸長均通過粗、細(xì)肌絲在肌節(jié)內(nèi)的相互滑動而發(fā)生，肌絲本身的長度不變。,粗肌絲,細(xì)肌絲,1. 肌絲的分子結(jié)構(gòu),肌球蛋白桿狀部分由兩條

9、重鏈的尾部相互纏繞形成， 桿狀部聚合成束, 形成粗肌絲的主干頭部由兩條重鏈的末端分別結(jié)合一對輕鏈。,（1）. 粗肌絲（肌球蛋白，亦稱肌凝蛋白，myosin ),一對重鏈和兩對輕鏈,2 個結(jié)合點： to ATP to actin 肌動蛋白 （細(xì)肌絲）,橫橋 (頭),每條粗肌絲上伸出的橫橋約有300400個,橫橋特性： 1.與細(xì)肌絲（肌動蛋白）結(jié)合：擺動、解離、復(fù) 位、再結(jié)合 2.與ATP結(jié)合：有ATP酶活性,(2) 細(xì)肌絲 Thin filament,肌動蛋白,原肌球蛋白,肌鈣蛋白,細(xì)肌絲 （Thin filament ）的組成,肌動蛋白,binding site to cross bridge

10、,a. 肌動蛋白 （ Actin molecules ）亦稱肌纖蛋白,球形分子聚合成兩條鏈相互纏繞成螺旋狀, 構(gòu)成細(xì)肌絲的主干,其內(nèi)壁上有與橫橋的結(jié)合位點,細(xì)肌絲 Thin filament,b. 原肌球蛋白=原肌凝蛋白（ tropomyosin ）-調(diào)節(jié)蛋白,肌動蛋白,原肌球蛋白,binding site to cross bridge,作用： 長桿狀分子兩條多肽鏈組成的雙螺旋纖維,與 肌動蛋白平行,增加細(xì)肌絲的固定性 位于肌動蛋白螺旋溝內(nèi),阻止肌動蛋白分子與橫 橋頭部結(jié)合,-調(diào)節(jié)蛋白,c. 肌鈣蛋白 ( Troponin )- 調(diào)節(jié)蛋白 三個亞單位組成的球形分子, 每個肌鈣蛋白分子可結(jié)合4

11、個Ca2+,通過構(gòu)像的改變啟動收縮過程。,肌鈣蛋白,（肌動蛋白）,（原肌凝蛋白）,細(xì)肌絲,原肌球蛋白,肌鈣蛋白,肌動蛋白,（收縮蛋白質(zhì)）,（3）粗、細(xì)肌絲的空間排列,肌絲滑行的過程,肌肉舒張狀態(tài)：橫橋-ATP被其頭部的ATP酶分解，形成的ADP和無機磷酸仍留在頭部，使橫橋處于高勢能狀態(tài)，與細(xì)肌絲垂直，并對細(xì)肌絲肌動蛋白有高度親和力,當(dāng)肌質(zhì)中Ca2+濃度增高;肌鈣蛋白與Ca2+結(jié)合后發(fā)生構(gòu)像改變； 肌鈣蛋白構(gòu)像改變,與肌動蛋白結(jié)合減弱，原肌球蛋白向肌動蛋白的雙螺旋溝內(nèi)移動,暴露出肌動蛋白的橫橋結(jié)合位點；, 肌動蛋白與橫橋頭部結(jié)合,導(dǎo)致橫橋頭部構(gòu)像改變，頭部向橋臂方向扭動450，產(chǎn)生“棘齒作用”，

12、拖動細(xì)肌絲向M線方向滑動，橫橋頭部貯存的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭朔?fù)荷的張力和（或）肌絲滑動引起肌節(jié)縮短，同時橫橋頭部的ADP和無機磷酸與之分離。,ADP解離的位點上，橫橋頭部結(jié)合一個ATP分子后，橫橋頭部與肌動蛋白解離。 解離后的橫橋頭部迅速將其結(jié)合的ATP分解為ADP和無機磷酸，恢復(fù)垂直于細(xì)肌絲的高勢能狀態(tài)。 橫橋與肌動蛋白結(jié)合、擺動、復(fù)位和新位點的再結(jié)合的過程，稱為橫橋周期。,Ca2+ i 10-7 M,橫橋周期,Ca2+ i 10-5 M,Steps in a cross bridge cycle,Ca2+ i 10-7 M,Ca2+ i 10-5 M,Steps in a cross bridg

13、e cycle,Ca2+ i 10-7 M,Ca2+ i 10-5 M,Steps in a cross bridge cycle,張力的變化,長度的變化,圖2-23 橫橋扭動時產(chǎn)生張力和縮短的示意圖,橫橋周期,概念: 將橫紋肌細(xì)胞產(chǎn)生動作電位的電興奮過程與肌絲滑行的機械收縮聯(lián)系起來的中介機制或過程稱為興奮-收縮耦聯(lián)(excitation-contraction coupling)。 1.結(jié)構(gòu)基礎(chǔ): 肌管系統(tǒng),關(guān)鍵部位為三聯(lián)管結(jié)構(gòu)(骨骼?。?，二聯(lián)管（心?。?。,(四 ) 橫紋肌細(xì)胞的興奮-收縮耦聯(lián),Excitation,肌細(xì)胞膜電興奮,肌肉收縮,Ca2+,興奮-收縮耦聯(lián), T管膜的動作電位傳導(dǎo)

14、電興奮通過橫管系統(tǒng)傳向肌細(xì)胞深處，激活T管膜和肌膜的L型鈣通道（不開放）。 三聯(lián)管結(jié)構(gòu)處的信息傳遞： L型鈣通道變構(gòu)，激活連接肌質(zhì)網(wǎng)（junctional sarcoplasmic reticulum, JSR）膜上的鈣釋放通道（RYR或稱ryanodine受體）開放，使JSR內(nèi)的Ca2+釋放入胞質(zhì)。,2. 興奮-收縮耦聯(lián)基本步驟, Ca2+觸發(fā)肌肉收縮：胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度升高，肌鈣蛋白與Ca2+結(jié)合引發(fā)肌肉收縮。 縱行肌質(zhì)網(wǎng)回收Ca2+：胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度升高，激活縱行肌質(zhì)網(wǎng)膜上的鈣泵 （longitudinal sarcoplasmic reticulum,LSR），將Ca2+回收入肌質(zhì)網(wǎng)

15、，肌肉舒張。,Ca2+ 在興奮-收縮耦聯(lián)過程中的關(guān)鍵作用,L型鈣通道引導(dǎo)骨骼肌SR釋放Ca2+的過程 中，作為一個電位變化敏感信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分 子，而不是作為離子通道發(fā)揮作用。,心肌細(xì)胞高度依賴細(xì)胞外Ca2+濃度,(五) 影響橫紋肌收縮效能的因素,等張收縮（isotonic contraction） 等長收縮 （isometric contraction）,產(chǎn)生張力或/和長度縮短程度 產(chǎn)生張力或/和長度縮短的速度,外部表現(xiàn):,肌肉收縮效能表現(xiàn)為：,骨骼肌收縮的形式： 等長收縮：只有張力增加而長度保持不變 等張收縮：只有長度減小而張力保持不變,等長收縮 isometric contraction,等張

16、收縮 isotonic contraction,force=25kg,load=30kg,等長收縮,等長收縮-,在實驗條件下，將肌肉的兩端固定，當(dāng)肌肉收縮時長度不能縮短，而肌肉收縮過程中只有張力升高。 如體操中的“十字支撐” “直角支撐” 武術(shù)中的站樁,load=20kg,force=25kg,等張收縮,張力：靜力學(xué)概念。 在繩索上，受到大小相同、方向相反兩種拉力的作用，存在張力。 若長度不變，兩方拉力越大，繩索上的張力越大。,等張收縮 - 實驗條件下，肌肉一端固定，另一端處于游離狀態(tài)，當(dāng)肌肉收縮時，肌節(jié)縮短，在肌肉縮短的整個過程中張力始終保持不變。,Load 負(fù)荷-,preload,afte

17、rload,Type:, preload 前負(fù)荷, afterload 后負(fù)荷,影響橫紋肌收縮效能的因素,1.前負(fù)荷（preload），指肌肉收縮前已加于肌肉上的負(fù)荷。前負(fù)荷使肌肉收縮前被拉長到某一長度，即初長度（initial length）。心肌收縮之前所遇到的阻力或負(fù)荷,2.后負(fù)荷（afterload），指肌肉收縮開始后遇到的負(fù)荷或阻力，它阻礙肌肉的縮短。 后負(fù)荷存在時，肌肉首先通過增加張力以對抗后負(fù)荷， 這時肌肉不表現(xiàn)縮短而張力增加，稱為等長收縮（isometric contraction）。 只有當(dāng)張力增加到足以對抗甚至超過后負(fù)荷時，肌肉才能開始縮短，且縮短一旦開始，張力就不再增加，

18、這種收縮稱為等張收縮（isotonic contraction）。,前負(fù)荷(preload): 在肌肉收縮之前所承受的負(fù)荷。決定初長度 初長度（initial length）: 肌肉收縮之前的長度。 前負(fù)荷的不同，同一肌肉將在不同的初長度條件下進行收縮。 初長度是前負(fù)荷的觀測指標(biāo)。,前負(fù)荷(preload)： 實驗裝置使肌肉只產(chǎn)生張力. 可觀察在不同的初長度時, 同一肌肉產(chǎn)生的張力. 繪制成長度-張力曲線。,Stimulator (刺激器) Tonometer Load (張力計) (負(fù)荷),initial length,（ 初長度 ）,1.前負(fù)荷對初長度的影響,Stimulator (刺激器

19、) Tonometer Load (張力計) (前負(fù)荷),initial length,（ 初長度 ）,1.前負(fù)荷對初長度的影響,1.前負(fù)荷對初長度的影響,Stimulator (刺激器) Tonometer Load (張力計) (前負(fù)荷),initial length,（ 初長度 ）,長度-張力曲線,測定等長收縮的張力的裝置： 測定不同肌肉長度對收縮張力的影響 當(dāng)把肌肉伸展到一定長度時，由于肌肉中結(jié)締組織的回彈，會產(chǎn)生一定的被動張力。 施加刺激，可記錄到一個收縮后的張力（總） = 被動張力 + 主動張力 肌肉固定于不同的初長度進行測量，可得到靜息張力、總張力、肌肉長度的關(guān)系曲線。,肌肉的長

20、度-張力曲線,肌肉的長度-張力曲線,特點： （1）肌肉收縮存在最適初長度： 在某一初長度下，肌肉收縮可以產(chǎn)生最大張力，該初長度 稱最適初長度（optimal initial length） （2）大于或小于最適初長度，肌肉收縮產(chǎn)生的張力都將下降。 機制：肌肉收縮產(chǎn)生的張力與肌小節(jié)長度的變化有關(guān),長度-張力曲線與肌節(jié)長度的變化有關(guān),a.在一定范圍內(nèi)，前負(fù)荷越大，初長度越長，粗細(xì)肌絲的有效重疊越多，肌肉收縮越強。 b.粗肌絲上的每個橫橋都有與細(xì)肌絲相互作用的位置，因而出現(xiàn)最佳收縮效果。 c.當(dāng)肌肉收縮達到最大時,所對應(yīng)的為最適前負(fù)荷和最適初長度,主 動 張 力,最適初長度 骨骼肌在體內(nèi)所處的自然長

21、度，大致相當(dāng)于它們的最適初長度 粗肌絲的長度是1.5m，在M線兩側(cè)各0.1m的范圍內(nèi)沒有橫橋, 因此在M線兩側(cè)有橫橋的粗肌絲長度各為0.65m，這樣當(dāng)每側(cè)細(xì)肌絲伸入暗帶0.65m ,每個肌小節(jié)的長度2.02.2m。 減少前負(fù)荷使肌小節(jié)長度小于2.2m， 增加前負(fù)荷大于最適前負(fù)荷使肌小節(jié)的長度將大于2.2m。,前負(fù)荷對收縮的影響： （1）在一定范圍內(nèi)，前負(fù)荷愈大，初長度愈長，收縮力愈大； （2）最適初長度時，肌肉收縮能使肌肉產(chǎn)生最大張力； （3）前負(fù)荷過大，初長度過長，收縮力降低。,Screw (螺絲) Stimulator (刺激器) Tonometer Load (張力計) (后負(fù)荷),in

22、itial length,（ 初長度 ）,2.后負(fù)荷對速度的影響,Stimulator,后負(fù)荷(after-load): 肌肉在收縮過程中所承受的負(fù)荷。,Screw (螺絲) Stimulator (刺激器) Tonometer Load (張力計) (后負(fù)荷),initial length,（ 初長度 ）,作功,Screw (螺絲) Stimulator (刺激器) Tonometer Load (張力計) (后負(fù)荷),initial length,（ 初長度 ）,Screw (螺絲) Stimulator (刺激器) Tonometer Load (張力計) (后負(fù)荷),initial l

23、ength,（ 初長度 ）,后負(fù)荷對速度的影響- 后負(fù)荷對收縮的影響可以用肌肉的張力-速 度關(guān)系曲線表示-,前負(fù)荷固定不變條件下, 給予不同后負(fù)荷, 通過刺激觀察肌肉張力和縮短的時間、程度.,張力-速度關(guān)系曲線,特點: （1）先產(chǎn)生張力，后出現(xiàn)縮短，縮短發(fā)生后張力不再增加 （2）后負(fù)荷愈大，張力愈大，縮短出現(xiàn)愈遲，縮短的初速度和總長度愈小 機制：肌肉縮短速度與橫橋周期的長短成比例,內(nèi)在因素,胞質(zhì)內(nèi)Ca2+的水平,肌球蛋白的ATP酶活性,ATP,ADP+Pi, 遞質(zhì)、激素 病理因素、藥物: 降低 缺氧、酸中毒、 能源物質(zhì) 加強 鈣離子、咖啡因、腎上腺素,Tc,myosin,actin,Ca2+,

24、3. 肌肉收縮能力,肌肉收縮能力 (Contractility) 肌肉本身內(nèi)在特性 - 變力狀態(tài)，肌力作用,單收縮 （ Single twitch ）,強直收縮 （tetanus ）,4. 收 縮 的 總 和,包括運動單位數(shù)量、頻率效應(yīng)的總和。,（1）多纖維總和（運動單位數(shù)量的總和） 運動單位： （ Motor Unit ） 一個脊髓前角運動神經(jīng)元及其軸突分支所支配的全部肌纖維，稱為一個運動單位； 不同運動單位包含的肌纖維數(shù)不同,運動單位數(shù)量的總和：大小原則 弱收縮時，小運動單位收縮；收縮強度增加時，更多的、更大的運動單位參加收縮，產(chǎn)生的張力也隨之增加。 舒張時，首先最大的運動單位停止收縮，最后才是小運動單位。,（2）頻率效應(yīng)的總和 運動神經(jīng)元發(fā)放沖動的頻率可以影響骨骼肌收縮形式和收縮強度。,單收縮 Twitch 骨骼肌受到一次短促刺激,可產(chǎn)生一次動作電位,隨后會出現(xiàn)