第2章-細(xì)胞的基本功能-3

第二章細(xì)胞的基本功能（3）§1細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能§2細(xì)胞的跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)§3細(xì)胞的生物電現(xiàn)象§4肌細(xì)胞的收縮§4肌細(xì)胞的收縮根據(jù)形態(tài)學(xué)特點(diǎn)，肌肉分為：橫紋?。╯triatedmuscle)、平滑?。╯moothmuscle)。根據(jù)神經(jīng)支配，肌肉分為：隨意肌(voluntarymuscle)、非隨意肌(involuntarymuscle)。根據(jù)功能特性，肌肉分為：骨骼肌(skeletalmuscle)、心肌(cardiacmuscle)、平滑?。╯moothmuscle)

人體各種形式的運(yùn)動(dòng)，主要由各種肌細(xì)胞（骨骼肌、心肌、平滑?。┑氖湛s活動(dòng)來完成。不同肌肉組織在功能和結(jié)構(gòu)上各有特點(diǎn)，但從分子水平上看，各種收縮活動(dòng)都與細(xì)胞內(nèi)的收縮蛋白質(zhì)，主要與肌凝蛋白和肌纖蛋白的相互作用有關(guān)。以骨骼肌為例，介紹肌細(xì)胞的收縮機(jī)制。骨骼肌是由大量成束的肌纖維組成的，每條肌纖維就是一個(gè)肌細(xì)胞。肌纖維平行排列成肌束，兩端與由結(jié)締組織構(gòu)成的肌腱相融合，后者附著在骨上。通常四肢的骨骼肌在附著點(diǎn)之間至少要跨過一個(gè)關(guān)節(jié)，通過肌肉的收縮和舒張，就能導(dǎo)致肢體的屈曲和伸直。骨骼肌纖維接受運(yùn)動(dòng)神經(jīng)末梢的支配，在有神經(jīng)沖動(dòng)傳來時(shí)，發(fā)生收縮。當(dāng)神經(jīng)沖動(dòng)傳導(dǎo)到神經(jīng)末梢，首先進(jìn)行神經(jīng)-肌肉接頭的興奮傳遞(AP傳導(dǎo)到神經(jīng)末梢，觸發(fā)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，神經(jīng)遞質(zhì)與接頭后膜上的受體結(jié)合，使肌纖維產(chǎn)生動(dòng)作電位的全過程。)，使骨骼肌纖維產(chǎn)生自己的AP；然后，肌纖維內(nèi)部的興奮-收縮偶聯(lián)機(jī)制(在橫橋作用下，細(xì)肌絲沿粗肌絲之間的間隙，向肌小節(jié)中央（M線）作相對(duì)滑動(dòng)，使肌小節(jié)縮短而產(chǎn)生收縮。)導(dǎo)致肌纖維產(chǎn)生收縮。

AP傳導(dǎo)到神經(jīng)末梢，觸發(fā)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，神經(jīng)遞質(zhì)與接頭后膜上的受體結(jié)合，使肌纖維產(chǎn)生動(dòng)作電位，引起肌肉收縮。

一、骨骼肌纖維的結(jié)構(gòu)（Structureofskeletalmusclecell）骨骼肌纖維在結(jié)構(gòu)上最突出的特點(diǎn)，是含有大量的肌原纖維和豐富的肌管系統(tǒng)，且其排列高度規(guī)則有序。肌纖維是肌肉的結(jié)構(gòu)和功能單位。每個(gè)肌纖維內(nèi)含有大量平行排列，縱貫肌纖維全長的肌原纖維（fibrils），肌原纖維是很多肌小節(jié)串聯(lián)而成的長纖維結(jié)構(gòu)。肌小節(jié)是肌肉收縮和舒張的最基本單位。

圖肌小節(jié)的組成

（一）肌原纖維與肌小節(jié)在光鏡下，每條肌原纖維的全長呈現(xiàn)規(guī)則的明暗交替，分別稱為明帶和暗帶。暗帶的長度固定，不論肌肉處于靜止、被牽拉或收縮狀態(tài)，它都保持1.5μm的長度。暗帶的中央，有一段相對(duì)透明的區(qū)域，稱為H帶。其長度隨肌肉的狀態(tài)不同而有變化，在肌肉安靜時(shí)較長，肌肉收縮時(shí)變短。H帶的中央，亦即暗帶的中央，有一條橫向的暗線，稱為M線。

明帶的中央也有一條橫向的暗線，稱為Z線。明帶的長度在肌肉安靜時(shí)較長，在肌肉收縮時(shí)也變短。由于明帶的長度可變，肌小節(jié)的長度在不同狀態(tài)下可在1.5-3.5μm之間變動(dòng)，安靜時(shí)肌小節(jié)的長度約為2.0-2.2μm。

已經(jīng)肯定，肌原纖維上每一段位于兩條Z線之間的區(qū)域，是肌肉收縮和舒張的最基本單位，稱為肌小節(jié)，它由兩側(cè)各1/2個(gè)明帶和位于中間的暗帶構(gòu)成（圖）。明帶中的肌絲較細(xì)，稱為細(xì)肌絲，它們由Z線結(jié)構(gòu)向兩側(cè)的明帶伸出，游離端的一段伸入暗帶，和粗肌絲處于交錯(cuò)和重疊的狀態(tài)。X線衍射進(jìn)一步證明，肌小節(jié)的明帶和暗帶包含更細(xì)的，平行排列的絲狀結(jié)構(gòu)，稱為肌絲。

暗帶中含有的肌絲較粗，稱為粗肌絲，長度與暗帶相同。實(shí)際上，暗帶正是由于成束的粗肌絲通過M線固定在某些特定位置而形成的，因而顏色較暗。可見，H帶實(shí)際上是暗帶中粗細(xì)肌絲不重疊的部分，因而顏色略淺。肌肉縮短時(shí)，明帶和H帶都相應(yīng)縮短，而暗帶長度不變，說明肌肉的縮短可能是由于細(xì)肌絲的游離端伸入暗帶的程度增加造成的。粗細(xì)肌絲的空間排列相當(dāng)規(guī)則。由肌原纖維暗帶處的橫斷面可觀察到，每條細(xì)肌絲周圍有三條粗肌絲環(huán)繞，每條粗肌絲周圍有六條細(xì)肌絲環(huán)繞。在明帶處的橫斷面上只有細(xì)肌絲，而在H帶處的橫斷面則只能看到粗肌絲。

肌原纖維和肌小節(jié)

肌原纖維肌小節(jié)：1/2明帶暗帶1/2明帶

（二）肌管系統(tǒng)

肌管系統(tǒng)指包繞在每一條肌原纖維周圍的膜性囊管狀結(jié)構(gòu)，由來源和功能都不同的兩組獨(dú)立的管道系統(tǒng)組成。在Z線附近，肌纖維膜（肌膜）向細(xì)胞內(nèi)凹陷，與肌原纖維成垂直角度穿行于細(xì)胞內(nèi)，形成包繞肌原纖維的管道。包繞不同肌原纖維的管道彼此相互連通。這一管道系統(tǒng)即橫管（transversetubule）系統(tǒng)，或T管。它是肌膜向細(xì)胞深處的延續(xù)。

縱管系統(tǒng)，又稱L管則是肌原纖維周圍的另一組肌管系統(tǒng)，即肌漿網(wǎng)（sarcoplasmicreticulum），分支多，相互連通，走行與肌小節(jié)平行，包繞每個(gè)肌小節(jié)的中間部分。它在接近肌小節(jié)兩端的橫管時(shí)管腔出現(xiàn)膨大，稱為終末池（terminalcisternae），其中貯存了大量鈣離子，因此又稱為細(xì)胞內(nèi)的鈣庫。終末池毗鄰橫管，但不與橫管相通。每一個(gè)橫管和來自兩側(cè)肌小節(jié)的縱管終末池構(gòu)成了三聯(lián)管結(jié)構(gòu)（triadsystem）。橫管系統(tǒng)的作用是將肌細(xì)胞的興奮沿T管膜傳導(dǎo)到細(xì)胞內(nèi)部，而肌漿網(wǎng)和終末池的作用是控制鈣離子的貯存、釋放和再積聚，觸發(fā)肌小節(jié)的收縮和舒張?？梢姡?lián)管結(jié)構(gòu)是耦聯(lián)肌細(xì)胞膜的電興奮和細(xì)胞內(nèi)收縮過程的關(guān)鍵部位?？v管及橫管

三聯(lián)管

LT縱管橫管

橫管：傳AP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。肌管的作用二、神經(jīng)-骨骼肌接頭處興奮的傳遞

（Thetransmissionofneuromuscularjunction）運(yùn)動(dòng)神經(jīng)纖維到達(dá)末梢時(shí)失去了髓鞘，以裸露的軸突末梢嵌入肌纖維膜的凹陷中，形成神經(jīng)-骨骼肌接頭。與神經(jīng)元間的突觸相似，神經(jīng)-骨骼肌接頭也由三部分構(gòu)成：

（1）接頭前膜，即軸突末梢的細(xì)胞膜；

（2）接頭間隙，位于接頭前、后膜之間，充滿了細(xì)胞外液；

（3）接頭后膜，即骨骼肌纖維的肌膜，又稱終板膜。終板膜在接頭處常形成很多皺褶，以增大接頭后膜的面積。運(yùn)動(dòng)神經(jīng)纖維的興奮以“電-化學(xué)-電”的模式最終引起接頭后膜的電位改變，繼而引起骨骼肌纖維興奮的產(chǎn)生，這一過程稱為神經(jīng)-骨骼肌接頭處興奮的傳遞。（電-化學(xué)-電：指突觸或神經(jīng)-肌肉接頭處興奮的傳遞，是通過突觸或接頭前膜的AP，觸發(fā)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，遞質(zhì)經(jīng)接頭間隙彌散，再作用于突觸或接頭后膜上的受體，最終引起突觸或接頭后的細(xì)胞產(chǎn)生自己的AP）

（一）興奮傳遞的接頭前過程

軸突末梢的軸漿中，含有大量囊泡，每個(gè)囊泡中儲(chǔ)存有恒量的乙酰膽堿（ACh）分子，約5000-10000個(gè)，它們可通過出胞作用進(jìn)行“量子式釋放”。在安靜狀態(tài)時(shí)，末梢內(nèi)的Ca2+濃度很低，只有少數(shù)囊泡與接頭前膜隨機(jī)融合，自發(fā)釋放ACh。當(dāng)有神經(jīng)沖動(dòng)傳來時(shí)，軸突末梢的膜局部去極化，導(dǎo)致電壓門控Ca2+通道開放，Ca2+的內(nèi)流觸發(fā)大量囊泡出胞，將所含全部ACh釋放到接頭間隙。一次AP可引起200-300個(gè)囊泡釋放，使106以上個(gè)ACh分子進(jìn)入接頭間隙。

（二）興奮傳遞的接頭后過程

在接頭后膜上，存在有特殊的化學(xué)門控離子通道受體，每個(gè)通道受體分子含有兩個(gè)能與ACh特異結(jié)合的位點(diǎn)，也叫做N-型乙酰膽堿受體。當(dāng)其與通過接頭間隙擴(kuò)散到接頭后膜的ACh結(jié)合后，構(gòu)象改變導(dǎo)致通道開放。這種通道允許Na+、K+通透，Na+內(nèi)流和K+外流的總體結(jié)果是使接頭后膜去極化，這一局部去極化電位稱為終板電位（終板膜本身沒有電壓門控Na+通道，因而不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作電位；但是，具有局部反應(yīng)特征的EPP可通過電緊張電位刺激周圍具有電壓門控鈉通道的肌膜，使之產(chǎn)生動(dòng)作電位，并傳播至整個(gè)肌細(xì)胞膜。）它不表現(xiàn)“全或無”的特征。個(gè)別囊泡在安靜時(shí)自發(fā)釋放ACh，引起接頭后膜微小的電位改變則稱為微終板電位。終板電位產(chǎn)生后，以電緊張性擴(kuò)布的形式影響接頭周圍的一般肌膜，使其發(fā)生去極化。接頭周圍的肌膜上含有電壓門控式Na+通道和K+通道，可受膜的去極化刺激而開放。由于終板電位的幅度很高（60mV），約超過引起肌細(xì)胞膜AP所需的刺激閾值的3-4倍，因此它擴(kuò)布到周圍很容易引起肌膜去極化達(dá)到閾電位水平，使Na+內(nèi)流和膜去極化之間形成再生式循環(huán)，觸發(fā)AP產(chǎn)生。

ACh在引起肌細(xì)胞興奮后被迅速清除，避免了終板膜的持續(xù)去極化。ACh是由分布在接頭間隙和接頭后膜上的膽堿酯酶降解的?？梢姡c神經(jīng)突觸的興奮傳遞不同，神經(jīng)-肌肉接頭處興奮的傳遞通常是“一對(duì)一”的，即運(yùn)動(dòng)纖維每一次到達(dá)末梢的AP，都能“可靠地”使肌細(xì)胞興奮一次。當(dāng)然，兩種傳遞的特點(diǎn)是相似的，包括

①單向傳遞；

②時(shí)間延擱；

③易受環(huán)境因素的影響。

神經(jīng)-骨骼肌接頭處的興奮傳遞AP傳到軸突末梢，鈣通道開放，鈣內(nèi)流，ACh釋放(量子釋放)、擴(kuò)散；

ACh與終板膜化學(xué)門控通道結(jié)合，后者開放，鈉內(nèi)流為主/鉀外流，引起終板電位，后者擴(kuò)布使鄰近肌膜去極化達(dá)閾電位，引發(fā)AP。遞質(zhì)分解三、興奮-收縮耦聯(lián)（Excitation-contractioncoupling）興奮-收縮耦聯(lián)是指連接肌纖維的興奮和收縮的中介過程。它包括三個(gè)步驟：電興奮通過橫管系統(tǒng)傳到肌細(xì)胞的深處；三聯(lián)管結(jié)構(gòu)處的信息傳遞；肌漿網(wǎng)（即縱管系統(tǒng)）對(duì)Ca2+釋放和再聚積，及其導(dǎo)致的肌肉收縮和舒張。

骨骼肌的興奮-收縮耦聯(lián)概念：將電興奮和肌絲滑行聯(lián)系起來的過程。過程:

電興奮通過橫管傳到肌纖維深部

三聯(lián)管傳遞信息肌漿網(wǎng)對(duì)鈣的釋放和再聚積

IP3三聯(lián)管信息傳遞1鈣內(nèi)流觸發(fā)2IP3觸發(fā)（一）興奮傳遞引起終池Ca2+釋放由于橫管膜是肌細(xì)胞膜的延續(xù)，肌細(xì)胞膜的AP可沿凹入細(xì)胞內(nèi)部的橫管膜傳導(dǎo)，直至深入到三聯(lián)管結(jié)構(gòu)即每個(gè)肌小節(jié)的近旁。在三聯(lián)管結(jié)構(gòu)處信息是如何由橫管傳遞給終池的，目前仍不十分清楚，有學(xué)說認(rèn)為，橫管膜上存在一種特殊的蛋白質(zhì)，正對(duì)著旁邊終池膜上的Ca2+通道，起機(jī)械堵塞作用。當(dāng)橫管膜發(fā)生去極化，該蛋白質(zhì)構(gòu)象改變，不再堵住Ca2+通道而使其開放，于是終池內(nèi)的Ca2+被大量釋放到肌漿中。安靜時(shí)肌漿中Ca2+濃度維持在很低的水平（10-7mol/L），發(fā)生興奮收縮耦聯(lián)后，肌漿Ca2+濃度可增高100倍之多。（二）進(jìn)入肌漿中的Ca2+觸發(fā)肌絲的滑行

進(jìn)入肌漿中的高濃度Ca2+與細(xì)肌絲上的肌鈣蛋白結(jié)合，引起細(xì)肌絲構(gòu)象改變，暴露出其上的橫橋結(jié)合位點(diǎn)，粗肌絲上的橫橋與之結(jié)合，并發(fā)生扭動(dòng)、解離和再結(jié)合、再扭動(dòng)的循環(huán)過程，拉動(dòng)細(xì)肌絲不斷向粗肌絲間隙中滑動(dòng)，使肌小節(jié)縮短，肌肉產(chǎn)生收縮（圖）。由于Ca2+的作用使每一肌小節(jié)中細(xì)肌絲向粗肌絲的間隙中滑行，使粗細(xì)肌絲重疊程度增加，肌小節(jié)縮短肌肉收縮，這就是肌絲滑行理論。圖肌絲滑行過程1.肌絲的分子組成及橫橋的作用

一條粗肌絲是由200~300個(gè)肌凝蛋白分子有規(guī)則地排列而成。每個(gè)肌凝蛋白分子呈長桿狀一端具有球形膨大部。桿狀部朝M線聚合成束，形成粗肌絲的主干，球狀部有規(guī)則地裸露在主干的表面，并與主干方向垂直，稱為橫橋（crossbridge）。橫橋在粗肌絲表面的分布非常規(guī)則，在每42.9nm長的粗肌絲上有六個(gè)橫橋存在，它們兩兩相對(duì)，組成三組，平均排列在粗肌絲上，相鄰兩個(gè)橫橋間有60°的夾角。這六個(gè)橫橋的空間位置正好對(duì)應(yīng)環(huán)繞粗肌絲的六條細(xì)肌絲，當(dāng)有Ca2+作用時(shí)，橫橋可與細(xì)肌絲上的特定位點(diǎn)結(jié)合。粗肌絲：由肌凝蛋白組成橫橋特性：與肌纖蛋白結(jié)合，扭動(dòng)、解離、復(fù)位、再結(jié)合….有ATP酶活性細(xì)肌絲由三種蛋白質(zhì)分子組成，其主干由球狀的肌纖蛋白單體聚合為雙螺旋結(jié)構(gòu)而成。原肌凝蛋白也呈雙螺旋結(jié)構(gòu)，與肌纖蛋白雙螺旋并行，其空間位置恰好在肌纖蛋白和橫橋之間，從而阻礙二者的結(jié)合。還有一種球形的蛋白質(zhì)稱為肌鈣蛋白，以一定的間隔結(jié)合在原肌凝蛋白雙螺旋上。肌鈣蛋白含有三個(gè)亞單位，C亞單位中有一些雙負(fù)電結(jié)合位點(diǎn)，因而可結(jié)合Ca2+；T亞單位負(fù)責(zé)將肌鈣蛋白分子結(jié)合在原肌凝蛋白上；I亞單位的作用是在C亞單位與Ca2+結(jié)合后，將信息傳遞給原肌凝蛋白并使其構(gòu)象改變，解除其對(duì)肌纖蛋白和橫橋結(jié)合的阻礙作用。肌纖蛋白和組成粗肌絲的肌凝蛋白都被稱為收縮蛋白質(zhì)，而組成細(xì)肌絲的另外兩種蛋白質(zhì)：原肌凝蛋白和肌鈣蛋白被稱為調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)。

細(xì)肌絲：由肌纖蛋白（Actin）原肌凝蛋白（Tropomyosin）肌鈣蛋白（Troponin）組成。肌絲的分子組成滑行過程肌膜AP經(jīng)橫管傳至三聯(lián)管，終池釋放鈣致肌漿鈣增多，肌鈣蛋白與鈣結(jié)合而變構(gòu)，原肌凝蛋白變構(gòu)、解抑，橫橋與肌纖蛋白結(jié)合并分解ATP，橫橋內(nèi)扭、解離、復(fù)位、再結(jié)合而不斷循環(huán)將細(xì)肌絲拖向M線，肌小節(jié)縮短（收縮）；鈣泵將鈣泵入終池，肌漿鈣減少，肌鈣蛋白脫下鈣而變構(gòu)，原肌凝蛋白變構(gòu)并重建阻抑，細(xì)肌絲滑回原位（舒張）。2．肌纖維的收縮

Ca2+與肌鈣蛋白C亞單位結(jié)合，I亞單位促使原肌凝蛋白構(gòu)象改變，暴露出肌纖蛋白上的橫橋結(jié)合位點(diǎn)。由于橫橋本身具有ATP酶的活性，可分解與其相結(jié)合的ATP釋放能量，用于橫橋與肌纖蛋白的結(jié)合、扭動(dòng)。當(dāng)另一個(gè)ATP與橫橋結(jié)合時(shí)，它與肌纖蛋白解離而去結(jié)合下一個(gè)位點(diǎn)，如此循環(huán)牽動(dòng)細(xì)肌絲向粗肌絲間隙滑行，使肌小節(jié)的長度不斷縮短?？梢?，Ca2+是連接興奮和機(jī)械收縮的重要環(huán)節(jié)。（三）鈣泵的活動(dòng)導(dǎo)致肌纖維的舒張

肌漿網(wǎng)膜上的鈣泵是一種Ca2+-Mg2+依賴的ATP酶。當(dāng)肌漿中的Ca2+濃度升高時(shí)，鈣泵被激活，通過分解ATP獲得能量，將Ca2+逆濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)回肌漿網(wǎng)中。肌漿中Ca2+濃度隨之降低，Ca2+從肌鈣蛋白上解離下來，引起肌纖維的舒張。

四、總結(jié)：骨骼肌收縮的全過程

（Contractingprocessofskeletalmuscle）AP傳至軸突末梢，接頭前膜Ca2+內(nèi)流，ACh釋放到接頭間隙

↓

ACh與接頭后膜特異受體結(jié)合，陽離子通道開放，產(chǎn)生終板電位

↓

終板膜周圍肌膜產(chǎn)生AP

↓

AP沿肌膜傳導(dǎo)，通過橫管系統(tǒng)傳導(dǎo)到細(xì)胞深處

↓

三聯(lián)管結(jié)構(gòu)將橫管膜的興奮傳遞給毗鄰的終末池膜

↓

終末池大量釋放Ca2+進(jìn)入肌漿

↓

Ca2+與肌鈣蛋白結(jié)合，暴露出肌纖蛋白上的橫橋結(jié)合位點(diǎn)

↓

橫橋與肌纖蛋白結(jié)合，扭