第四节 肌细胞的收缩功能 Contraction of muscle cell

第四节 肌细胞的收缩功能第四节 肌细胞的收缩功能Contraction of muscle cellContraction of muscle cell

1.1. 掌握掌握 N-MN-M 接头处接头处兴奋的传递兴奋的传递

2.2. 掌握肌丝滑行机制掌握肌丝滑行机制3.3. 掌握兴奋掌握兴奋 -- 收缩耦收缩耦

联联

肌肉按功能特性分类肌肉按功能特性分类

AP 在运动神经纤维上的传导

N-M 接头处兴奋的传递

AP 在骨骼肌 cell 上的传导（局部电流）

骨骼肌的兴奋收缩耦联

骨骼肌的肌丝滑行收缩

一、骨骼肌细胞的收缩一、骨骼肌细胞的收缩((contraction of skeletal musclecontraction of skeletal muscle ))一、骨骼肌细胞的收缩一、骨骼肌细胞的收缩((contraction of skeletal musclecontraction of skeletal muscle ))

(( 一一 )) 神经—骨骼神经—骨骼肌接头处兴奋的肌接头处兴奋的传递传递 neuromusculaneuromuscular transmissionr transmission

1. 神经肌接头 (neuromuscular junction)的结构：

⑴ 接头前膜 prejunctional membrane:

① 突触囊泡 synaptic vesicle, 内含 ACh;

② 电压门控 Ca2+ 通道； ⑵ 接头间隙 junctional cleft:

50nm 宽，与细胞外液相通 ;

⑶ 接头后膜 postjunctional membrane: 又称 终板膜 endplate membrane ，是肌膜特化 部分 , 上有① N2 型 ACh 受体 ; ② AChE;

神经肌接头结构

( 接头前神经末梢 ) ( 接头间隙 )

( 接头后膜 , 终板膜 )

2 、传递过程及 EPP 产生：

与 R 结合 , K+ 、 Na+ 通道

↓ ( 化学门控 )

Endplate potential ↓ （电紧张扩布）

电压门控 Na+ 通道激活 ↓ 肌膜上

AP ↓( 前膜去极化 )

前膜 Ca2+ 通道 ↓ (Ca2+ 入前膜 )

ACh 释放 ↓ ( 量子性释放 )

ACh 扩散至 endplate↓

AP

注意： ★ 1 、量子释放 quantal release ：以小泡为单位的倾囊释放。 ★ 2 、终板电位 endplate potential, 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 。

★ 3 、 ACh 的分解： ACh 在刺激终板膜产生终板电位的同时，可以被终板膜表面的胆碱酯酶分解（迅速） ACh─→ 胆碱＋乙酸

★ 4 、 N2 -ACh-R : N2 型乙酰胆碱受体 1 ）筒箭毒、 α- 银环蛇毒和非去极化型肌松剂卡肌宁能特异性阻断 N2 型 ACh 受体通道 ;

2 ）有机磷农药、新斯的明可抑制胆碱酯酶活性，产生肌肉痉挛及其他副交感神经兴奋症状。

★ 5 、传递特点：

1 ）单向传递： N→M ， 1 对 1

2 ）时间延搁： 0.5 ～ 1.0ms

3 ）易受药物、环境和病理变化影响

( 二 ) 骨骼肌的收缩过 程—肌丝滑行理论 myofilament sliding theory1. 骨骼肌细胞的结构：

1) 肌原纤维 myofibril

肌节 sarcomere ： 每两个相邻 Z 线之间的区域，是肌肉收缩和舒张的基本单位。长长 2.0~2.2μm,2.0~2.2μm, 变动在变动在1.5~3.5μm1.5~3.5μm

肌束肌束

①②

肌原纤维肌原纤维③

纵

横

2) 肌管系统 sarcotubular system ： 横管 transverse tubule （ T 管） 纵管 longitudinal tubule （肌质网） 纵行肌质网 LSR 连接肌质网 JSR—— 终池

★三联管 triad ： 骨骼肌的 T 管与其两侧的终池

2.2. 肌原纤维及其肌丝的分子组成肌原纤维及其肌丝的分子组成1 ）粗肌丝 thick filament

肌球蛋白 ( 肌凝蛋白 ,myosin),属收缩蛋白 杆状部—朝向 M 线成主干

头部—横桥 cross-bridge :

可与肌动蛋白可逆性结合 , 具有 ATP 酶活性2 ）细肌丝 thin filament ( 构成主干 ) 肌动蛋白 ( 肌纤蛋白 ,actin):属收缩蛋白 肌钙蛋白 (troponin):属调节蛋白 原肌球蛋白 ( 原肌凝蛋白 ,tropomyosin):属 调节蛋白

-

肌球蛋白

原肌球蛋白

肌动蛋白

有位阻效应有位阻效应原肌球蛋白

肌球蛋白

肌动蛋白

粗肌丝分子组成

肌钙蛋白

3. 肌肉的收缩过程：①① 肌肉舒张状态时肌肉舒张状态时 ,, 横横桥桥结合的结合的 ATPATP 分解分解 ((ADADPP 和和 PiPi 仍留在头部仍留在头部 ))→→蓄积能量而处于蓄积能量而处于高势能高势能状态状态。。

②② 当终末池释放当终末池释放 CaCa2+ 2+ →→肌浆内肌浆内 CaCa2+2+↑↑ 与肌钙蛋与肌钙蛋白结合白结合→原肌球蛋白→原肌球蛋白构构型改变型改变→→解除位阻效应解除位阻效应→→横桥与肌动蛋白结合横桥与肌动蛋白结合→→横桥向横桥向 MM 线方向摆动线方向摆动→→拖动细肌丝滑行拖动细肌丝滑行→→肌肌小节变短小节变短→→肌肉收缩肌肉收缩。。

肌球蛋白

原肌球蛋白

肌动蛋白

--

③③ 在横桥变构与摆动同时在横桥变构与摆动同时 ,ADP,ADP 及及 PiPi 与横与横桥桥分离分离→→横桥再结合横桥再结合 ATPATP→→ 横桥与肌动蛋白横桥与肌动蛋白亲合力↓亲合力↓→→并与肌动蛋白解离。解离后的并与肌动蛋白解离。解离后的横桥随即将横桥随即将 ATPATP 分解分解 ,, 进入进入下一横桥周期下一横桥周期。。 ④④如胞浆内如胞浆内 CaCa2+2+↓↓→→CaCa2+2+ 与肌钙蛋白解与肌钙蛋白解离离→→原肌球蛋白构型复原原肌球蛋白构型复原→→位阻效应恢位阻效应恢复复→→横桥横桥不能与不能与肌动蛋白肌动蛋白结合结合→→细肌丝细肌丝回位回位→→肌肉舒张肌肉舒张。。 ⑤⑤胞浆中升高的胞浆中升高的 CaCa2+2+,, 由肌质网膜上的由肌质网膜上的 CaCa2+2+ 泵泵泵回泵回肌质网肌质网 (( 包括终池包括终池 ))

③③ 在横桥变构与摆动同时在横桥变构与摆动同时 ,ADP,ADP 及及 PiPi 与横与横桥桥分离分离→→横桥再结合横桥再结合 ATPATP→→ 横桥与肌动蛋白横桥与肌动蛋白亲合力↓亲合力↓→→并与肌动蛋白解离。解离后的并与肌动蛋白解离。解离后的横桥随即将横桥随即将 ATPATP 分解分解 ,, 进入进入下一横桥周期下一横桥周期。。 ④④如胞浆内如胞浆内 CaCa2+2+↓↓→→CaCa2+2+ 与肌钙蛋白解与肌钙蛋白解离离→→原肌球蛋白构型复原原肌球蛋白构型复原→→位阻效应恢位阻效应恢复复→→横桥横桥不能与不能与肌动蛋白肌动蛋白结合结合→→细肌丝细肌丝回位回位→→肌肉舒张肌肉舒张。。 ⑤⑤胞浆中升高的胞浆中升高的 CaCa2+2+,, 由肌质网膜上的由肌质网膜上的 CaCa2+2+ 泵泵泵回泵回肌质网肌质网 (( 包括终池包括终池 ))

★ 横桥周期 cross-bridge cyclin 指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。

肌肉的缩短速度肌肉产生的张力肌肉缩短的程度

参与摆动的横桥数目、循环进行的速率可影响：

( 三 ) 兴奋－收缩耦联 excitation-contraction coupling

1. 定义 : 把以肌细胞膜的电变化为特征的兴奋过程和以肌丝的滑行为基础的机械收缩过程联系起来的中介过程。2. 中介过程三步骤： ①肌膜上 AP 沿肌膜和 T 管传向肌细胞深处； ②三联管结构处的信息传递； ③肌质网对 Ca2+ 的贮存、释放和再聚积。

肌浆中 [Ca2 ＋ ] 升高机制：

APT 管膜 L 型 Ca2 ＋

通道激活

终池 Ca2 ＋释放入胞浆 , 胞浆 Ca2 ＋

↑↑

与肌钙蛋白结合 ,触发肌肉收缩

激活终池膜 ryanodine 受体

L 型 Ca2 ＋通道变构 ( 骨骼肌 )Ca2 ＋经该通道内流 ( 心肌 )

沿肌膜传到 T 管膜 又称双氢吡啶受体 (DHPR)

该过程称钙触发钙释放

RYR, 一种对生物碱 ryanodine 有亲和力的 Ca2 ＋释放通道

骨骼肌肌质网骨骼肌肌质网 CaCa2+2+ 释放机制释放机制(( 构象变化触发钙释放构象变化触发钙释放 ))

( 终池膜上 )

骨骼肌肌质网骨骼肌肌质网 CaCa2+2+ 释放机制释放机制(( 构象变化触发钙释放构象变化触发钙释放 ))

( 终池膜 )

心肌肌质网心肌肌质网 CaCa2+2+ 释放机制释放机制(( 钙触发钙释放钙触发钙释放 ))

( 终池膜上 )

心肌肌质网心肌肌质网 CaCa2+2+ 释放机制释放机制(( 钙触发钙释放钙触发钙释放 ))

肌膜 AP L 型 Ca2 ＋

通道激活

Ca2 ＋释放入胞浆

↓

↓

→→

兴奋

收缩

耦联

肌浆中 [Ca2 ＋ ] 降低机制： 胞浆中 CaCa2+2+ 浓度升高激活肌质网 上的 CaCa2+2+ 泵将胞浆中 CaCa2+2+ 泵回肌 质网胞浆中 CaCa2+2+ 浓度下降肌肉 舒张。3. 兴奋 - 收缩耦联的物质和结构基础 : 耦联的关键物质—— CaCa2+2+ 耦联的关键结构——三联管

二、影响横纹肌收缩效能的因素二、影响横纹肌收缩效能的因素（（骨骼肌收缩的外部表现和力学分析骨骼肌收缩的外部表现和力学分析））

肌束肌束

肌原纤维肌原纤维

肌肉收缩效能 performance of contraction

产生张力 force

缩短程度 shortening

缩短的速度 velocity

W=F·S

P=F·V

作功

输出功率

等张收缩 isotonic contraction ： 肌肉收缩时 , 张力不变 , 而长度缩短 ( 缩短速度≠≠ 00)) 。如与关节屈曲有关的肌肉的收缩。

等长收缩 isometric contraction ： 肌肉收缩时 , 长度不变 ( 缩短速缩短速 度 度 =0=0)), 而张力增加。维持姿势的抗 重力肌 , 如颈后部肌的收缩。

1. 前负荷 preload

定义：肌肉收缩前遇到的负荷

初长度：前负荷使肌肉在收缩前就处于某种拉长状态，使之具有一定的长度，即肌肉的初长度 initial length

前负荷的大小决定了初长度，因而前负荷可用初长度表示。

1. 前负荷 preload

定义：肌肉收缩前遇到的负荷

初长度：前负荷使肌肉在收缩前就处于某种拉长状态，使之具有一定的长度，即肌肉的初长度 initial length

前负荷的大小决定了初长度，因而前负荷可用初长度表示。

负荷实验的装置布置

调节钮

同一肌肉不同初长度时，产生张力的变化

骨骼肌的长度—张力关系曲线

( 前负荷 )

长度－张力曲线

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。

最适初长度 optimal initial length

( 收缩可以产生最大张力的初长度 )

肌小节长度为 2.2μm

③曲线上述两特点与肌节长度即 粗细肌丝的重叠程度变化有关

安静时肌节长度为 2.0 ~ 2.2μm

肌节长度—张力关系曲线

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

小结

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。

肌肉在有后负荷下收缩肌肉在有后负荷下收缩 (( 下图下图 )) 时时 : : ①① 总是张力产生在总是张力产生在前前，，缩短缩短产生产生 在 在后；后； ②②后负荷愈后负荷愈大大→产生的张力愈→产生的张力愈大大 ,, 但缩短开始的时间愈但缩短开始的时间愈晚晚，缩短，缩短 的初速度 的初速度和和缩短的总长度也愈 缩短的总长度也愈 小。小。

肌肉在有后负荷下收缩肌肉在有后负荷下收缩 (( 下图下图 )) 时时 : : ①① 总是张力产生在总是张力产生在前前，，缩短缩短产生产生 在 在后；后； ②②后负荷愈后负荷愈大大→产生的张力愈→产生的张力愈大大 ,, 但缩短开始的时间愈但缩短开始的时间愈晚晚，缩短，缩短 的初速度 的初速度和和缩短的总长度也愈 缩短的总长度也愈 小。小。

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

35

9

从张力—速度曲线 ( 下图 ) 可看出： 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) 。

图 B: 张力－速度曲线 产生最大张力

而不出现缩短 W=0

后负荷为零时，产生最大缩短速度 W=0

P0——

Vmax——

曲线最弯处—— W 最大

既产生张力，又出现缩短，且每一收缩开始后，张力不再增加，故为等张收缩

等长收缩

** 肌肉收缩的肌肉收缩的缩短速度缩短速度 :: 取决于横桥周取决于横桥周期的长短；期的长短；** 肌肉收缩的肌肉收缩的收缩张力收缩张力：取决于每一：取决于每一瞬间与肌动蛋白结合的横桥的数目。瞬间与肌动蛋白结合的横桥的数目。

轻负荷轻负荷 :: 横桥摆动及其与肌动蛋白解离速横桥摆动及其与肌动蛋白解离速度度 快 快 (( 缩短速度快缩短速度快 ));; 处于张力状态的横 处于张力状态的横 桥数目少 桥数目少 (( 收缩张力小收缩张力小 ))重负荷重负荷 :: 横桥摆动速度慢横桥摆动速度慢 ,, 横桥周期延长横桥周期延长(( 缩 缩 短速度慢 短速度慢 ));; 较多较多横桥处于张力状态横桥处于张力状态 (( 收缩张力增加收缩张力增加 ))

** 肌肉收缩的肌肉收缩的缩短速度缩短速度 :: 取决于横桥周取决于横桥周期的长短；期的长短；** 肌肉收缩的肌肉收缩的收缩张力收缩张力：取决于每一：取决于每一瞬间与肌动蛋白结合的横桥的数目。瞬间与肌动蛋白结合的横桥的数目。

轻负荷轻负荷 :: 横桥摆动及其与肌动蛋白解离速横桥摆动及其与肌动蛋白解离速度度 快 快 (( 缩短速度快缩短速度快 ));; 处于张力状态的横 处于张力状态的横 桥数目少 桥数目少 (( 收缩张力小收缩张力小 ))重负荷重负荷 :: 横桥摆动速度慢横桥摆动速度慢 ,, 横桥周期延长横桥周期延长(( 缩 缩 短速度慢 短速度慢 ));; 较多较多横桥处于张力状态横桥处于张力状态 (( 收缩张力增加收缩张力增加 ))

负荷对横桥周期的影响

3. 肌肉的收缩能力 contractility 定义 : 是指与负荷无关 , 但可影响肌肉

收缩效能的肌肉的内在特性和功能状态。

影响因素 :(1) 兴奋 - 收缩耦联过程 , 特别是 [Ca2＋ ];(2) 肌肉蛋白质或横桥功能特性的改变 , 特别是 ATP 酶活性；(3) 神经、体液、药物及病理因素。

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

HH++ 、、 KK 、、 AAChCh

心肌收缩力心肌收缩力↓↓曲线左下移位曲线左下移位

CaCa2+2+ 、、 NENE 、、 EE 、、洋地黄类药物洋地黄类药物

心肌收缩能力心肌收缩能力↑↑曲线右上移位曲线右上移位

4. 收缩的总和 summation ：

肌肉收缩频率的总和 wave summation

运动单位数量总和 motor unit summation

骨骼肌一个重要的特性就是可以根据环境变化要求来调节肌肉收缩的强度。这个特性是通过收缩总和过程来实现的

( 注：肌肉收缩或 AP 频率与刺激频率有关 )

1) 运动单位及其总和 ① motor unit: 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。

舒张时 :最大运动单位先停止放电和收缩 , 最后才是小运动单位停止活动。

②motor unit summation: 大小原则 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

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。

① 单收缩 twitches: A.A. 受单一刺激受单一刺激→→一个一个 APAP→→ 一次肌肉收一次肌肉收缩缩 ;; B.B. 连续刺激的频率低连续刺激的频率低 (( 间隔间隔 >> 单收缩的单收缩的时 时 程程 )→)→多个分离多个分离 APAP→→ 连续分离单收缩连续分离单收缩

2) 收缩频率的总和 wave summation

收缩频率的总和 wave summation

② 不完全强直收缩 incomplete tetanus ： 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。 ( 虽产生多个多个 AP,AP, 但但 APAP 时程仅时程仅 1~2ms,1~2ms, 相当于不应期相当于不应期 ,,而收缩时程比其长得多而收缩时程比其长得多 ,, 故收缩波融合故收缩波融合 ,AP,AP 则则否否 ))

③强直收缩 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。

收缩频率的总和 wave summation

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

血液章自学参考题血液章自学参考题1. 解释名词 血细胞比容 红细胞沉降率 等渗溶液 红细胞渗透脆性 促红细胞生成素2.简述血液的组成、理化特性和功能。3.试述血浆渗透压的构成及其生理意义。4.简述红细胞、白细胞的数量、生理特性和各 类白细胞的生理功能。5.试述血小板的数量、生理特性及其在生理止 血中的作用。6. 根据已有知识 ,试分析产生各类贫血的原因。