肌肉的兴奋与收缩

动物生理学第五章肌肉的兴奋与收缩，内容有平滑肌、心肌、骨骼肌、骨骼肌的收缩原理、肌肉收缩、昆虫的原纤维肌。

肌肉的兴奋与收缩

• 肌肉
  • 平滑肌
    • 构成体内中空的器官和管道---受内脏神经系统和激素等控制---不受主观意识的直接控制---非横纹肌
  • 心肌
    • 构成心脏---由内脏神经系统和激素等控制---横纹肌
  • 骨骼肌
    • 通过通过肌腱附着在骨骼---受躯体神经系统控制，运动神经元激活---主观意识可以控制（随意肌）--人体最大量组织---横纹肌
    • 肌纤维
      • 构成骨骼肌的肌肉细胞---柱形，多核细胞，由许多细长的成肌细胞融合而成，许多包裹在结缔组织网中形成肌肉，之间有微血管
      • 肌原纤维
        • 肌纤维细胞质中，贯穿整个肌纤维，互相平行排列
        • 肌小节
          • 肌原纤维的组成结构，肌肉收缩的机能单位
          • =粗肌丝
            • 由肌球蛋白组成，又称肌球蛋白丝
            • 肌球蛋白一端为双球形头部，主体由两条重链绞合； 尾部LMM（轻型酶解肌球蛋白），头颈部HMM（重型酶解肌球蛋白）； 头部有ATP分解酶活性和肌动蛋白结合能力，突出在肌丝主干外形成横桥
            • 直径15纳米，肌小节中部，有秩序的平行排列，形成暗带（A带）
            • A带中部有一段较明亮区（H区），只有粗肌丝，没有细肌丝
            • A带横切肌纤维，可看到规则的六角形排列，粗肌丝由6条细肌丝包围，每条细肌丝3条粗肌丝包围
            • 粗肌丝之间还有突出的横桥，呈螺旋形排列在粗肌丝上，一圈6个，正好与6细肌丝相连
            • 横桥重要特性： 一定条件下，横桥可与细肌丝上肌纤蛋白分子呈可逆结合，同时向粗肌丝中央(M线方向)扭动。反复进行形成横桥周期 横桥具有ATP酶作用，可以分解ATP提供横桥扭动时所害的能量，但只有当横桥与肌纤蛋白结合时才被激活
          • +细肌丝
            • 直径8纳米，60%是肌动蛋白，又称肌动蛋白丝
            • 肌动蛋白单体为球形，称G肌动蛋白，形成两条单体链，相互绞合成双螺旋，形成纤维型肌动蛋白，即F肌动蛋白。纤维状的原肌球蛋白分子首尾相接的嵌在两条单体链形成的凹槽中，每个还与一个肌钙蛋白复合体相连 即细肌丝是以F肌动蛋白双螺旋为骨干，结合原肌球蛋白和肌钙蛋白所构成的
            • 原肌球蛋白、肌钙蛋白在控制肌肉收缩中起重要作用
            • 一端固定在肌小节两端的Z线（Z膜）上，另一端伸向肌小节中部
            • 相邻两肌小节A带之间只有细肌丝，没有粗肌丝，比A带亮，称 I 带
• 骨胳肌的收缩原理和兴奋收缩耦联
  • 肌丝滑行理论
    • 肌肉收缩时，肌小节缩短，是细肌丝(肌动蛋白丝)在粗肌丝(肌球蛋白丝)中间主动滑行； 肌小节中的粗细肌丝的长度均未发生变化，因而A带宽度不变； 只是滑行时细肌丝接近、相遇、甚至出现细肌丝重迭的新区带，因而H区变窄直至消失； 由于粗细肌丝的相向运动，粗肌丝两端向Z线靠近，所以 I 带变窄。 肌肉舒张或者被牵张时，粗细肌丝之间的重叠减少
  • 长度-张力曲线
    • 肌丝滑行学说强有力的证据之一
    • 粗细肌丝重叠的程度与肌小节收缩所产生的张力相关
  • 横桥活动与肌肉收缩
    • 1：肌肉收缩开始前，肌球蛋白头部与ATP结合。头部的酶将ATP分解为ADP+Pi，肌球蛋白构象改变， 处于储能状态。此时ADP+Pi仍在肌球蛋白头部。 2：肌细胞内有力的钙离子含量打到10*-7摩以上时，肌动蛋白丝上的原肌球蛋白-肌钙蛋白复合体 的构象改变，肌动蛋白头部与肌动蛋白丝的活性位点集合。 3：结合引起肌球蛋白头部构象变化，使头部向横桥臂部划动。这种划动将肌动蛋白丝推向肌小节中心。推动的能量来自ATP分解时储存在肌球蛋白头部的能量 4：肌球蛋白头部划动后，附着在肌球蛋白头部的ADP+Pi脱离，空出的位点由新的ATP结合，重新结合引起肌球蛋白头部与肌动蛋白丝的分离 只有在外负荷允许肌肉缩短时，横桥作用才能引起肌肉的缩短；如果外负荷阻断肌肉缩短，横桥作用仍产生张力，但肌肉不能缩短
  • 骨胳肌的兴奋收缩耦联
    • 在以膜电位的变化为特征的兴奋过程与以肌丝滑行为基础的收缩活动之间，存在的能把两者联系起来的中介过程叫兴奋-收缩耦联
    • ①运动神经元在神经肌肉接点释放ACh ②Na+通过ACh受体-通道进入肌肉细胞，引发肌肉动作电位 ③动作电位传入横管，激活DHP受体，改变其构象 ④DHP受体打开肌质网上的RyR Ca2+释放通道，Ca2+由肌质网进入细胞质 ⑤Ca2+与肌钙蛋白结合，容许肌动蛋白和肌球蛋白结合 ⑥肌球蛋白头部实施强力划动 ⑦肌动蛋白丝滑向肌小节中心 ⑧停止：肌纤维膜去极化结束后，因为肌质网停止释放钙离子并且肌质网中的钙泵将细胞质中的钙离子主动转运回肌质网内，细胞内钙离子浓度降低，肌纤维便开始舒张。动作电位和释放钙离子只持续几毫秒，而回收钙离子的过程比释放过程长的多，横桥活动可持续几百毫秒，直到细胞质内游离的钙离子浓度降到10*-7摩以下，横桥活动才停止。钙泵回收钙离子的活动由ATP提供能量。
    • 肌纤维内两套管道系统
      • 肌质网
        • 肌质网与细胞中内质网同源，由一套与肌原纤维平行的小管网组成，在网的两端小管膨大、融合成为终池，终池中储存钙离子。肌质网套在肌原纤维上，与肌小节相对应，每一肌小节有一肌质网，在两节肌质网之间（即两个肌质网的终池之间）有横管系统。
        • 沿横管传入到肌纤维深部的电信号如何引起细胞内钙离子浓度变化？---静息肌纤维肌质网的终池中含有高浓度的钙离子，在静息肌纤维的肌浆中钙离子浓度很低＜10*-7摩；肌纤维收缩时肌浆中钙离子浓度上升到10*-5摩
        • 肌质网膜上有兰诺定受体（RyR），大蛋白质，也是一个通道，只有一小部分固定在肌质网膜中，大部分处在终池与横管之间的肌浆中
      • 横管（T管）
        • 在Z线位置绕肌原纤维，而且与同一水平的其他肌原纤维上的横管相连，最后与肌膜相通，因此横管腔与肌纤维周围的细胞间液相通
        • 由于横管系统是肌纤维表面膜内陷形成的，因此可将表面膜与肌纤维深部的肌原纤维联系起来。当刺激电极尖端放置在表面膜Z线上的橫管入口处时，刺激电流沿横管传播就可以引起肌纤维深部的收缩；一些肌纤维不产生动作电位，它们的横管系统所传输的电信号是与表面膜分级去极化相关的被动电信号
        • 横管膜上有二氢吡啶受体（DHPR），对电压的变化敏感，位于三联管区域，肌质网和横管最贴近的地方。
• 肌肉收缩
  • 等张收缩
    • 收缩时肌肉的张力几乎不发生变化，肌肉的长度发生变化---肢体自由屈曲
  • 等长收缩
    • 肌肉两端固定，收缩时肌肉的长度几乎不发生变化，张力发生变化---用力握拳，握力计可测出张力大小
  • 单收缩：用单电震刺激神经肌肉标本的神经或肌肉引起的一次迅速的收缩。
  • 用等张（长）收缩杠杆描记单收缩的长度变化，两者收缩曲线大致相同：潜伏期→收缩期→舒张期
  • 肌纤维产生最大张力的长度为最适长度。长度为60%最适长度时不会产生张力；长度↑张力↑最适MAX；长度↑张力↓，175%最适时张力0 体内绝大多数骨骼肌都附着在骨骼上，静息长度接近最适。
  • 影响因素
    • 刺激强度
      • 阈刺激：极少数运动单位、最小收缩反应、的最小刺激强度 顶强度：全部运动单位、最大收缩反应、的最小刺激强度
      • 刺激强度↑参与收缩的运动单位↑
    • 刺激频率
      • 刺激频率↑形成收缩的总和
    • 低频重复刺激产生一连串单收缩→频率↑单收缩融合，锯齿形收缩曲线（称不完全强直收缩）→频率↑进一步融合以至不能区分单个收缩（称完全强直收缩），收缩强度是单收缩3、4倍，其最低刺激频率称为临界融合频率（与单收缩的收缩时间反比）
  • 躯体杠杆运动
    • 骨骼肌的收缩通过肌腱在骨骼上产生力，当力足够大时使骨骼随肌肉的缩短而运动
    • 肢体弯曲或朝向身体的运动叫屈曲，肢体伸直或离开身体的运动叫伸展
    • 使肢体产生相反方向运动的肌肉群叫拮抗肌
  • 肌肉能量转换
    • 肌肉收缩的直接能源可以是无氧代谢过程，恢复收缩能力所需要的能源是需氧代谢过程
    • 肌肉迅速产生ATP满足收缩
      • 磷酸肌酸（CP）---起始：CP+ADP==C（肌酸）+ATP。静息状态ATP高，促CP形成，CP浓度达ATP5倍，收缩时ATP分解，CP转化补充
      • 氧化磷酸化---中等水平：1Glc→30~32ATP，但慢，氧供应不足
      • 无氧糖酵解---强烈活动：1Glc→乳酸+2ATP，但快，不需氧，消耗细胞中储存的肌糖原，十分激烈就产生疲劳
    • 产热
      • 肌肉收缩时
        • 收缩期（大部分）、舒张期---初发热---有无氧都同，不受氧浓度影响
        • 恢复期---迟发热---无氧产热少，有氧产热多（≈初发热量，称需氧迟发热）
• 平滑肌
  • 肌纤维小，梭形，每一中部有一细胞核，无横纹，粗细肌丝分散在细胞质，不规律 有发达的细胞骨架，致密体位置相对固定，肌动蛋白丝一段连接在致密体上，另一端游离在胞浆中；两束肌动蛋白丝中间分布肌球蛋白丝，其表面全部都有突出的肌球蛋白头部（横纹肌肌球蛋白中段没有肌球蛋白头部），连续不断的头部使其滑行更长距离，使受到强牵拉时还保留足够的肌丝重叠，以维持最适张力
  • 力学特点
    • 长期维持一种稳定的收缩状态，叫做紧张性收缩，eg：血管素对血管平滑肌的持续作用在调节血压的长期调节中有作用
    • 可以大幅度缩短，所以允许中空的内脏（eg消化管、胆囊、血管）可以大幅度改变其管腔内径
    • 收缩时长度大大改变，但是不出现明显的张力变化
    • 肌动蛋白和肌球蛋白是横纹肌的1/10，ATP和CP的浓度、ATP酶含量也很低，所以平滑肌收缩的速度和紧张度都比横纹肌低得多
  • 神经肌肉接点
    • 支配平滑肌的是内脏神经系统的交感神经和副交感神经，沿着神经末梢有一串突膨大区，即膨体，中有包含不同递质的小泡。因为神经末梢与平滑肌的距离问题潜伏期有长有短
    • 静息-50~60mV；冲动传来50ms肌细胞膜变化可见，近100ms膜电位max，不发生动作电位则每200~500ms减半，全过程称接点电位。类似骨骼肌终版电位，但时间延长20~100倍
  • 动作电位
    • 多单位平滑肌
      • 一般不产生
    • 一单位平滑肌
      • 峰电位
        • 电刺激、牵伸、激素、神经递质、肌纤维自发作用都可能激发
      • 有平台的动作电位
        • 去极化与峰电位相似，但复极化极缓慢，形成“平台”eg子宫、输尿管（长期收缩）
      • 起搏细胞自发缓慢去极化，又缓慢复极化，循环不已的活动叫基本电节律BER，本身不能引起肌肉收缩，但当这种缓慢的去极化接近一单位平滑肌的阈值时，往往会产生一个动作电位，并传遍这个一单位平滑肌群，引起肌肉收缩。对管道型有重要作用eg小肠推食糜
      • 牵伸是有效刺激，牵伸一单位平滑肌引起膜的去极化，增加动作电位的频率，引起收缩以对抗进一步牵伸。负反馈，可维持肌肉长度的稳定，也可维持加强胃、肠、膀胱、子宫的张力。管腔充涨时形成腔内压，引起肌肉的收缩反应。
  • 兴奋收缩耦联---钙离子作用
    • 平滑肌纤维中没有肌钙蛋白，但有类似物调钙素CaM,钙离子与调钙素结合成钙-调钙素，复合物激活肌球蛋白轻链激酶MLCK，活化的酶使轻链磷酸化，肌球蛋白头部与肌动蛋白丝结合，引起收缩
  • 局部组织因素和激素直接作用于平滑肌上引起收缩，其反应方向和强度由不同细胞自身作用
• 昆虫的原纤维肌
  • 昆虫肌肉大多是横纹肌，一般横纹肌每次收缩都是由从中枢传出的冲动引起
  • 例外：苍蝇、蚊子、蜜蜂、黄蜂、甲虫的飞翔肌的收缩并不与传出冲动同步（频率过高），这些肌肉叫异步肌，又叫做原纤维肌
  • 飞翔肌的收缩活动是神经冲动发动和终止的，但是收缩活动一开始，高频率的翅振动就不决定于传出的神经冲动了，而取决于这类昆虫的胸-飞翔肌-翅系统的结构和飞翔肌的特性
  • ①背腹肌和背纵肌的交替收缩，互相引发，产生高频率的翅振动 ②飞翔肌在钙离子浓度达一定水平时（10*-7摩），可与一个单摆连接产生比较高频率的收缩