肌细胞的收缩功能

肌细胞的收缩功能一、兴奋由神经向肌肉的传递（一）神经-肌接头的功能结构（二）兴奋的传递（三）影响神经-肌接头兴奋传递的因素（一）神经-肌接头的功能结构运动终板神经肌接头电镜下横切面示意图（二）兴奋的传递AP传到轴突末梢，钙通道开放，钙内流，启动突触囊泡的出胞机制，ACh释放、扩散；ACh与终板膜化学门控阳离子通道蛋白质结合，后者开放，钠内流（为主），钾外流，引起终板电位，后者扩布使邻近肌膜去极化达阈电位，引发肌细胞AP。接头前膜处Ca2＋的内流对于突触小泡内ACh的释放是至关重要的。在没有动作电位激活接头前膜Ca2＋通道的情况下，利用微电极直接向膜内注射Ca2＋，同样可引起ACh的释放和EPP的发生。相反，如果向接头前膜内注入Ca2＋螯合剂，使Ca2＋浓度保持在低水平，则神经纤维上传来的动作电位将不能引发ACh的释放和EPP的发生。在细胞外低Ca2＋或高Mg2＋时，也同样会因Ca2＋内流减弱而使神经-肌接头的兴奋传递功能发生障碍。钙离子在去极化-释放耦联中的作用突触前未梢己注入钙指示剂发光蛋白，并注入去极化电流。用微电极记录突触前和突触后电位，右侧显示弱和强突触前电流刺激的反应。微电泳给予Ach并同时记录细胞内电位的实验安排示意图(A)及电位记录(B)A.左则一个灌流滴管为改变这个区域的细胞外液成份用。B.自下而上表示电泳给予的Ach增多时所引起的终板区的电位变化。接头前膜以量子释放的形式释放ACh。一个突触囊泡中所含的ACh，即一“小包”ACh（约1万个ACh分子），称为一个量子的ACh。在静息状态下，接头前膜也会发生约每秒钟1次的ACh量子的自发释放，并引起终板膜电位的微小变化。这种由一个ACh量子引起的终板膜电位变化称为微终板电位(MEPP)。每个MEPP的幅度平均仅0.4mV。当接头前膜产生动作电位和Ca2＋内流时，大量的突触小泡几乎同步释放ACh；ACh量子所引起的MEPP此时会发生叠加，形成平均幅度约50mV的EPP。据统计，产生一个正常的EPP，需释放150～300个突触小泡。终板电位和微终板电位的记录终板处ACh的代谢循环胆碱乙酰转移酶乙酰辅酶A胆碱（三）影响神经-肌接头兴奋传递的因素1.影响Ach释放的因素2.影响Ach与受体结合的因素3.影响Ach.E（胆碱酯酶）作用的因素促进神经肌接头传递和干扰传递的部分药物化学门控通道：由某些化学物质控制其开、闭的通道称为化学门控通道。它们通常是被神经递质或第二信使物质激活，因而也称为配体门控通道或递质门控通道，而这些离子通道本身也常被认为是特殊受体（receptor）。由神经递质乙酰胆碱(acetylcholine，ACh)激活的N2型ACh受体阳离子通道就是一个典型的化学门控通道。N2型Ach受体是由4种不同的亚单位组成的5聚体蛋白质，总分子量约为290kd；每种亚单位都由一种mRNA编码，所生成的亚单位在膜结构中通过氢键等非共价键式的相互吸引，形成一个结构为α2βγδ的梅花状通道样结构，而其中的两个α-亚单位正是同两分子ACh相结合的部位，这种结合可引起通道结构的开放。（一）横纹肌细胞的结构（二）横纹肌的兴奋-收缩耦联（三）横纹肌收缩的相关蛋白与收缩机制（四）影响横纹肌收缩效能的因素二、横纹肌的收缩（一）横纹肌细胞的结构1.肌原纤维和肌节（肌小节）心肌骨骼肌2.横纹肌细胞有两套独立的肌管系统在以膜的电变化为特征的兴奋过程和以肌纤维机械变化为基础的收缩过程之间，存在着某种中介性过程把二者联系起来，这一过程称为兴奋-收缩耦联。（excitation-contractioncoupling）（二）横纹肌的兴奋-收缩耦联目前认为，它至少包括三个主要步骤：电兴奋通过横管系统传向肌细胞的深处；三联管结构处的信息传递；肌质网（SR）中的Ca2+释放入胞浆以及Ca2+由胞浆向肌质网的再聚积。钙释放通道或称Ryanodine受体（三）骨骼肌收缩的相关蛋白与收缩机制原肌球蛋白肌动蛋白横纹肌的收缩机制在每一个肌节内发生了细肌丝向粗肌丝之间的滑行，亦即由Z线发出的细肌丝在某种力量的作用下主动向暗带中央移动,结果各相邻的Z线都互相靠近，肌小节长度变短,造成整个肌原纤维、肌细胞乃至整条肌肉长度的缩短。肌丝滑行肌钙蛋白与钙结合而变构，原肌球蛋白变构、解抑，横桥与肌动蛋白结合并分解ATP，横桥内扭、解离、复位、再结合而不断循环的将细肌丝拖向M线，肌节缩短（收缩）；在SR膜上钙泵的作用下，肌浆中的钙减少，肌钙蛋白脱下钙而变构，致原肌球蛋白变构并重建阻抑，细肌丝滑回原位（舒张）。横桥周期横桥头部与杆状部之间的桥臂具有弹性，当肌肉在长度保持不变的情况下收缩时，横桥的扭动可使具有弹性的桥臂伸长，从而产生张力。因而肌肉收缩时，可通过桥臂的伸长产生张力，也可由于肌丝滑动而发生缩短。肌肉收缩有两种形式，如果收缩时肌肉的长度保持不变而只有张力的增加，则这种收缩的形式称为等长收缩（isometriccontraction）；收缩时只发生肌肉缩短而张力保持不变，称为等张收缩（isotoniccontraction）。骨骼肌收缩的实验装置等长收缩骨骼肌收缩的实验装置等张收缩（四）影响横纹肌收缩效能的因素肌细胞最本质的功能是将化学能转变为机械功，产生张力和缩短。肌肉收缩效能（performancecontraction）表现为收缩时产生的张力（force）和（或）缩短程度(shortening)，以及产生张力或缩短的速度（velocity）。横纹肌的收缩效能是由收缩前或收缩时承受的负荷、自身的收缩能力和总和效应等因素决定的。1、前负荷2、后负荷3、肌肉的收缩能力4、收缩的总和前负荷：肌肉收缩前所承受的负荷。1、前负荷肌肉等长收缩时的长度-张力关系（肌小节长度a:1.5um；b:2.0um；c.2.2um；d:3.5um）前负荷或肌肉初长度过大或过小，肌肉收缩都将减弱。前负荷的影响：•在一定范围内，前负荷愈大，初长度愈长，收缩力愈大；•最适初长度时，肌肉收缩能使肌肉产生最大张力；•前负荷过大，初长度过长，收缩力降低。2、后负荷肌肉在收缩过程中所承受的负荷称之为后负荷。横桥与肌动蛋白结合、摆动、复位和再结合的过程，称为横桥周期(cross-bridgecycling)，横桥周期的长短决定了肌肉的缩短速度。后负荷的影响：1、先产生张力，后出现缩短，缩短发生后张力不再增加。2、后负荷愈大，张力愈大，缩短出现愈迟，缩短的初速度和总长度愈小。3．肌肉的收缩能力肌肉收缩能力（contractility）是指与负荷无关的、决定肌肉收缩效能的内在特性。很明显，肌肉收缩能力提高后，收缩时产生的张力和（或）缩短的程度，以及产生张力和缩短的速度都会提高，表现为长度-张力曲线上移和张力-速度曲线向右上方移动。肌肉收缩能力降低时则发生相反的改变。肌肉这种内在的收缩特性主要取决于兴奋-收缩耦联过程中胞质内Ca2＋的水平和肌球蛋白的ATP酶活性。许多神经递质、体液物质、病理因素和药物，都是通过上述途径来调节和影响肌肉收缩能力的，特别是对心肌，有着重要的生理意义。但对骨骼肌而言，影响其收缩效能的因素主要是外源性的，即通过神经系统调节参与收缩的运动单位（motorunit）的数量和肌肉收缩的频率。4、收缩的总和骨骼肌通过收缩的总和（summation）可快速调节收缩的强度。总和的发生是在神经系统调节下完成的，它有两种形式，即运动单位数量的总和以及频率效应的总和。（1）运动单位数量的总和脊椎动物骨骼肌运动单位的示意图弱收缩时，仅有少量的和较小的运动单位发生收缩；随着收缩的加强，可有越来越多和越来越大的运动单位参加收缩，产生的张力也随之增加；舒张时，停止放电和收缩的首先是最大的运动单位，最后才是最小的运动单位。骨骼肌这种调节收缩强度的方式称为大小原则。（2）频率效应的总和刺激频率对骨骼肌收缩的影响A.单收缩B.强直收缩动作电位胞浆钙浓度收缩张力三、平滑肌平滑肌（smoothmuscle）细胞是气道、消化道、血管、泌尿生殖器等器官的主要构成成份，它收缩时产生张力和缩短，为这些器官的运动提供动力，或改变这些器官的形态。此外，平滑肌还可产生持续性（sustained）或紧张性（tonic）的收缩，以对抗外加的负荷，保持器官的形状。平滑肌的功能特点反映了它在细胞结构和收缩机制方面与横纹肌有许多不同之处。（一）平滑肌的微细结构平滑肌细胞呈细长的纺锤形，长约40～60μm，中间部的最大直径为2～10μm，细胞内充满肌丝。与横纹肌不同的是，平滑肌中细肌丝的数量明显多于粗肌丝，二者之比最高可达15:1（横纹肌为2:1），且没有肌原纤维和肌节的结构，肌细胞没有横纹，但是肌丝在细胞内的排列仍然是有序的。平滑肌细胞内没有Z线（盘），与收缩功能有关的类似结构是胞质中的致密体(densebody)和细胞膜上的致密斑(densearea)，它们是细肌丝的附着点和传递张力的结构。平滑肌细胞中未发现有肌原纤维，而是肌动蛋白丝锚定在质膜和胞质中的致密体上。肌凝蛋白与肌动蛋白丝的相互作用引起细胞收缩。平滑肌细胞不含T管，小凹起类似T管的功用，且为细胞外Ca2＋进入细胞的部位。平滑肌的功能范围很广，即使在同一器官内，也可能因环境需要而改变其形态学（例如肥大，或在某些情况下缝隙连接数量的改变）。平滑肌内还有一种直径介于粗、细肌丝之间的中间丝(intermediatefilament)，它把致密体和致密区连接起来，形成细胞网架。粗、细肌丝的走行大致与细胞的长轴相一致，大约3～5根粗肌丝被周围许多细肌丝包绕，形成相互交错的排列，两侧细肌丝的末端连接于致密体或致密区，形成相当于横纹肌肌节的结构。缝隙连接缝隙连接是细胞间电传递的结构基础。神经细胞间的缝隙连接也称电突触。连接体：6个连接子单体蛋白形成的同源六聚体。连接体通道，通常是开放的，允许水溶性的分子和离子通过，形成细胞间的低电阻区。相邻细胞膜（二）平滑肌的电活动动作电位慢波膜电位肌肉收缩上图曲线为细胞内电极记录的基本电节律（慢波），在笫2-4个慢波期间，出现数目不等的动作电位；下图曲线为肌肉收缩张力，收缩波出现在动作电位时，动作电位数目越多，收缩幅度也越大。实验证明，平滑肌与横纹肌具有相似的长度-张力关系，因而推测平滑肌内的粗、细肌丝也构成类似横纹肌肌节的结构，并通过相互滑动来实现肌肉收缩。但是在平滑肌，引起兴奋-收缩耦联的机制和肌丝滑动的机制与横纹肌有很大不同。平滑肌收缩时细胞内的肌丝滑行同样是由于胞质内Ca2＋浓度升高引起的，但Ca2＋的来源与骨骼肌不同。骨骼肌的收缩几乎不受细胞外Ca2＋浓度的影响，胞质内增加的Ca2＋几乎全部是从肌质网（SR）释放的。而在平滑肌，当细胞外Ca2＋浓度降低到一定水平时，其收缩几乎完全停止。（三）平滑肌的收缩机制平滑肌的收缩蛋白也是由胞内Ca2＋浓度升高激活的。平滑肌收缩对细胞外Ca2＋浓度的依赖性很大。由于平滑肌肌质网不发达，兴奋-收缩耦联期间增加的Ca2＋有相当多的部分是经肌膜流入的，它与由SR释放入胞质的Ca2＋构成平滑肌兴奋-收缩耦联期间胞质内Ca2＋浓度升高的两个主要途径。1.胞质内钙浓度的调控诱发平滑肌细胞内Ca2＋浓度升高也有两个途径:1.平滑肌细胞可在不产生动作电位的情况下接受化学信号而诱发胞内Ca2＋浓度升高，这一途径也称为药物-机械耦联。例如化学信号可经G蛋白耦联受体-磷酯酶C途径生成IP3，IP3作用于SR上的IP3R，IP3R是SR膜上与RYR结构相似的钙释放通道，结合IP3后通道开放，引发SR释放Ca2＋和胞内游离Ca2＋升高。2.平滑肌细胞也可在化学信号或牵张刺激作用下产生动作电位，通过兴奋-收缩耦联的途径升高胞内Ca2＋浓度并引起肌肉收缩，这一途径也称为电-机械耦联。平滑肌Ca2＋触发收缩的作用位点主要在粗肌丝。平滑肌的细肌丝没有肌钙蛋白，主要是由肌动蛋白和原肌球蛋白构成的；粗肌丝由肌球蛋白构成，与横纹肌的相似，也是由一对重链和两对轻链构成。平滑肌收缩时，横桥与细肌丝中肌动蛋白的结合是由胞质中的肌球蛋白轻链激酶（MLCK）使横桥头部的轻链磷酸化而引起的。2.平滑肌的收