高级动物生理学专题之三

高级动物生理学专题之三,肌肉生理,一、骨骼肌细胞的超微结构,（一）肌原纤维：每个肌细胞都含有数百至数千条肌原纤维（二）横管系统和纵管系统1、横小管：肌膜凹陷入细胞内形成垂直于肌纤维长轴的小管，环绕于肌原纤维的表面，且相互交织成网，开口于细胞外液。大部分哺乳动物的横管位于明带和暗带交界部位两栖类、鸟类和哺乳类的心肌，横管位于Z线部位2、肌质网：肌细胞的滑面内质网,（三）红肌和白肌红肌：肌纤维较细，线粒体多、含糖原低和脂滴多；含肌红蛋白和细胞色素丰富；z盘宽，肌质网及横管系统发育差。糖代谢以有氧氧化为主,收缩力较弱但持续时间较长。白肌：相反，其中横管系统密度是红肌的两倍。糖代谢以无氧酵解为主，收缩力强大持续时间较短。（四）肌节：1)定义：相邻两条Z线之间的一段肌原纤维称肌节（sarcomere）。肌节为骨骼肌收缩和舒张功能的基本结构单位。2)组成：每个肌节由1/2I带A带+1/2I带组成。,二、肌原纤维的组成和分子结构1)粗肌丝长约1.5m，宽15nm，位于肌节A带，中央固定于M线上，两端游离。2)粗肌丝的分子结构：粗肌丝由肌球蛋白分子组成。肌球蛋白（myosin）分子的结构：呈豆芽状，分为头部和杆部，长约150纳米，头、杆之间和杆上有两处类似关节，可以屈动。M线两侧的肌球蛋白分子对称排列，杆部均朝向粗肌丝的中段，头部则朝向粗肌丝的两端并露出表面，称为横桥（crossbridge）。肌球蛋白头部是一种ATP酶并与ATP结合，只有当横桥与肌动蛋白上位点接触时，头部ATP酶才被激活，并立即水解ATP释放能量，使横桥发生屈曲运动。,2、细肌丝1)长约1m，直径5-7nm，一端固定于Z线上，另一端游离，插入粗肌丝之间，止于H带外缘。2)细肌丝的分子结构：细肌丝由肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白三种分子组成。肌动蛋白（actin）：肌动蛋白分子的单体呈椭圆球状，每个单体上都有与肌球蛋白横桥结合的位点，单体相连成串球状，肌动蛋白就是由两条相互缠绕的串球状螺旋链组成的。,原肌球蛋白(tropomyosin)：由较短的双股丝状螺旋多肽链组成，首尾相连，其长度跨越7个球状肌动蛋白单体；静息时，嵌于肌动蛋白双螺旋链两侧的浅沟附近，肌动蛋白和肌球蛋白横桥结合位点之间。肌钙蛋白(troponin)，也称为肌原蛋白，由三个球形亚单位组成。TnT：将肌钙蛋白固定于原肌球蛋白上。TnI：是抑制肌动蛋白和肌球蛋白相互作用的亚单位。TnC：可与4个Ca+结合而引起肌钙蛋白构象改变。,3、Z盘的结构Z盘由细肌丝、Z丝和无定形物质构成。来源于两肌节的极性相反的两套细肌丝从两侧分别终止于Z盘的对侧缘。Z丝是连接两套细肌丝的结构，有极性，以头尾分别与来自两肌节的细肌丝相连。相邻的肌原纤维的Z盘由细胞骨架成分中间丝相连，从而使相邻的肌原纤维肌节并联排列，形成横纹。,三、收缩的分子机制,肌丝滑行学说,横桥-ADP-Pi复合物与肌动蛋白结合形成肌动球蛋白复合体，结合的一瞬间，横桥ATP酶活性增强，Pi和ADP被释放，肌动球蛋白复合体的自由能降低，横桥构型改变（低能量状态），释放出的自由能牵引粗细肌丝的滑行。变形后的肌动球蛋白复合物与ATP的亲和力增加，于是与一个新的ATP结合，使肌球蛋白和肌动蛋白的连接断开，使肌原纤维舒张。,ATP的作用：1.释放的能量，为横桥的滑动提供能源；2.结合于肌球蛋白时，使肌球蛋白和肌动蛋白的连接断开。ATP缺乏时肌球蛋白的头部便不能与肌动蛋白脱离，细肌丝也就不能回到原位，使肌纤维一直处于收缩状态，表现为僵直。,四、肌肉收缩的控制,肌肉的收缩受运动神经的控制，运动神经通过其神经末梢释放乙酰胆碱，作用于运动终板膜上的化学门控通道型受体，引起Na+内流。一个囊泡释放的乙酰胆碱引起的终板膜电位称为微终板电位；动作电位传到末梢时所释放的大量囊泡引起的微终板电位叠加在一起形成终板电位，并诱发与之相邻接的肌细胞膜爆发动作电位；动作电位沿横管系统传入细胞内，引起横管系统-肌质网释放Ca+，诱发肌肉收缩。,一）细胞Ca+浓度调节,静息条件下肌浆中Ca+的浓度很低，小于0.1mol。Ca+主要贮存于肌质网内，其浓度比肌浆内高数千倍。Ca+的释放是受与细胞膜相连的横小管控制的。当膜开始去极化后的毫秒内肌浆+浓度可达到10mol水平以上。,三联管结构模式图,1、肌质网的Ca+调节,1）肌质网膜内镶嵌的蛋白质75%80%为钙泵蛋白；对Ca+的亲和力远大于肌钙蛋白；2）钙泵是一种Ca+-Mg+-ATP酶，可以分解ATP供能，将Ca+泵入肌质网内；3）动作电位沿横管系统传入细胞后，通过三联管作用，触发Ca+的释放。Ca+与肌钙蛋白结合触发肌肉的收缩。,4）肌膜胞质面有二氢吡啶受体（DHPR），颗粒状，四个一组形成四联体，有人认为起电压感受器的作用；与肌质网膜上的RyR受体相藕联。肌质网膜上有Ryanodine受体（RyR，因与植物中性生物碱Ryanodine特异性结合而得名),在肌肉的兴奋-收缩偶联(excitation-contractioncoupling,EC偶联)过程中,RyR介导了肌质网(sarcoplasmicreticulum,SR)内Ca2+的快速释放,故又称为钙释放通道(calciumreleasechannel)。现已经克隆的有Ry1、Ry2、Ry3三种亚型，分别称为骨骼肌、心肌和脑RyR。由四个亚基组成，内含含水孔道，由跨膜部分和胞质部分组成。RyR结构和功能的改变,往往导致肌细胞兴奋-收缩的解偶联,从而引发一些相关的肌肉疾病。,RyR开放的机制有两种：DHPR通过分子相互作用控制肌质网膜上的RyR开放。当细胞膜去极化时，细胞膜电压门控的Ca+通道开放，Ca+内流使细胞内的Ca+突然增加而触发肌质网Ca+释放，从而引起兴奋收缩-耦联等生理过程。此过程称为Ca+诱发Ca+释放。,影响二氢吡啶受体功能的一些因素：A：NO、咖啡因是这类受体的激动剂。有些免疫抑制剂如他克莫司（FK506）、雷帕霉素可以增加钙释放通道敏感性（但往往破坏四个亚单位的协同性，导致肌质网内Ca+漏出，而引起心肌收缩和舒张功能不全）注：三种亚型的一氧化氮合酶（NOS1、NOS2、NOS3）在心脏都有表达，其同源性在50%-60%之间，其作用不同。NOS1的NO在肌质网通过Ryanodine受体刺激钙离子释放，增加心肌的收缩力。而来自NOS3的NO抑制L-型电压门控的钙离子通道而抑制心肌收缩力。而NOS2与心肌胞浆内钙离子浓度无关。,B：与RyR1的基因突变有关的骨骼肌疾病恶性高热(malignanthyperthermia,MH)MH是常染色体隐性遗传病,属于代谢性肌病。研究发现在MH患者的骨骼肌细胞内,RyR1处于比正常细胞更易于开放的静息态,使SR内载Ca2+的容量和速度都降低了50%。此病在全身麻醉过程中发生。可引起本病的麻醉药物有:氟烷、乙醚、环丙烷、氯仿、甲氟醚、安氟醚、开他敏和琥珀胆碱。由于骨骼肌细胞的Ca2+从SR大量的释放到细胞内,引起肌肉的持续收缩和肝糖分解等高代谢活动,最后导致机体各种系统的衰竭。表现为体温迅速上升,肌肉普遍僵直,心率和呼吸缓慢,出现紫绀、代谢性酸中毒、乳酸中毒、高血钾、肌球蛋白血症和肌球蛋白尿。如不及时治疗,死亡率高达70%,C：心脏疾病在心肌组织中,SR膜上的RyR2直接参与Ca2+的释放和心肌的兴奋-收缩偶联过程。与骨骼肌的兴奋-收缩偶联机制不同,心肌是以Ca+诱发Ca+释放(calcium-induced-calcium-release,CICR)为机制。儿茶酚胺作用于心肌细胞膜上的2肾上腺素受体,使胞内许多蛋白发生磷酸化,RyR2也被磷酸化。磷酸化的RyR2则延长开放时间,提高SR内Ca2+的释放。,慢性心衰细胞内的RyR2发生过磷酸化,使FK-BP12.6(调节RyR2功能的重要蛋白之一)与之分离。一方面,FKBP12.6与RyR2的分离使通道之间发生解偶联,从而使RyR2通道难以开放，不能够正常地释放Ca2+；另一方面,FKBP12.6与RyR2的分离引发SR内Ca2+的流失,特别是在心脏的舒张期舒张不全。其结果是诱发致死性的心律不齐。,此外还有：儿茶酚胺类多样性室性心动过速（是一种少见的常染色体显性遗传病,致死率非常高，往往因运动引起的双向心动过速而猝死。此病也与RyR2受体的基因突变有关。）重症肌无力（Myastheniagravis)女性多发，发病年龄多在2030岁；男性发病年龄多在5060岁。一般认为是由于体内产生Ach受体抗体，导致肌无力。,5）肌质网膜内面镶嵌有另一种蛋白质收钙素，占肌质网膜蛋白的15%，1分子可疏松结合43个Ca+，使得肌质网内80%Ca+与收钙素结合，大降低了Ca+泵所对抗的肌浆-肌质网游离Ca+浓度梯度，利于Ca+回收贮存,2、兴奋收缩耦联,肌纤维膜去极化，并产生动作电位；由横管传入细胞内DHPR构型改变RyR开放，肌质网释放Ca+触发横桥循环收缩。Ca+的释放量从膜电位达-50mv开始，到膜电位-20mv达到最大。,3、单收缩和强制收缩时Ca+的释放,1）单个动作电位可以释放足量的Ca+，引起兴奋收缩耦联，但肌肉收缩达到最大反应之前，释放的Ca+就已被钙泵泵回到肌质网内。故单收缩强度较小。2）重复刺激所引起的动作电位时间间隔小，在刺激间歇内，Ca+泵不能把Ca+完全泵入纵管系统，使胞浆Ca+可保持在高水平，并逐步累加至饱和浓度，故表现为强直收缩。,4、全或无定律,1)适用于单根快肌骨骼肌纤维，不适用于整块的肌肉。阈下刺激不引起动作电位，也不引起Ca+的释放；一旦刺激达到阈电位，就立即触发以完整的动作电位和最大限度的Ca+的释放，引起最大的肌纤维单收缩。2)紧张性慢肌纤维的收缩不遵从“全或无定律”，其收缩力因细胞浆内钙离子的浓度不同而异。其收缩常常是挛缩挛缩是一种不传播，但可逆的持续收缩，此过程不发生可传导的动作电位。挛缩时膜电位接近静息电位水平，但可引起肌质网钙离子释放。如咖啡因在非生理浓度下会进入肌纤维，在不引起膜兴奋的情况下，使细胞内肌质网释放Ca+，引起挛缩。,二）肌力的调节,运动单位：收缩的功能单位，包括一个运动神经元和它所支配的所有肌纤维。,1、肌力调节,运动单位内所有细胞收缩是同步的,神经冲动的频率决定肌力的大小,2、运动单位的募集反应,当一定强度的兴奋传至脊髓前脚的运动神经元时，首先是引起膜面积较小的运动神经元兴奋，使得那些最小的运动单位最先兴奋。随着刺激强度的增强，更多的较大的神经元被激活，肌肉的收缩力和收缩速度也增加-募集反应。小运动单位因其神经元兴奋性高，是最频繁活动的运动单位，也是对肌力进行更为精细调节的基础。最大的运动单位非常不易兴奋，大多数人通常不能随意募集它们，只有在应激条件下，中枢神经系统兴奋性增强时，才可以募集起来而表现出超乎寻常的力量。,3、反射性紧张,离体的肌肉在未受到刺激时是完全松弛的，而在体肌肉即使在静息条件下也具有紧张度。这种紧张都是运动单位因肌肉本体感受器的低频率兴奋所致的反射性紧张收缩。它会由于精神因素而不随意的加强。,五、神经肌肉接头兴奋传递的调控,动物体内神经肌肉接头传递可以受一些因素的调节和控制，这种调控可发生于接头前、接头后。,调控部位,一）ACHR分子结构,ACHR分子高度密集的分布于终板区，稍远离终板区，其密度急剧下降。属于递质门控通道，由5个亚基构成：带有Ach结合位点的2个和、亚基各一个，每个亚基有4个疏水穿膜区（M1M4)，其微孔道一般认为是由5个M2围成。,二）乙酰胆碱从神经末梢的释放,1、量子式释放1954年由Katz等提出的突触小泡假说：认为递质释放的最小单位-量子-是由单个突触小泡内释放出的Ach的量。神经末梢兴奋时，以这种方式释放。内环境的理化性质可以影响这种释放方式。2、非量子式释放研究发现：静息条件下，神经末梢上可以以非量子式自发地释放少量的Ach，激活终板区的部分受体，导致运动终板经常的处于轻度的去极化状态。,三）神经肌肉接头兴奋传递的调控1.重复活动对递质释放的影响,（1）与第二次刺激落在第一次动作电位的超常期还是低常期而释放的递质量不同；（2）递质的动员和补充2.体内某些神经活性物质对AchR敏感性的影响,降低AchR敏感性:5-HT、组织胺、儿茶酚胺、P物质、LHRH,增强AchR敏感性：ATP,六）接头传递的阻断剂,密胆碱（hemicholine-3):以阻碍胆碱的重吸收的方式阻止末梢合成Ach；肉毒杆菌毒素：选择性的阻断神经末梢释放Ach;是迄今所致最毒的毒素。黑寡妇蜘蛛毒素：促进末梢大量释放Ach，直至耗竭，出现接头传导阻滞；-银环蛇毒素、-蝮蛇毒素、虎蛇毒、太攀蛇毒、响尾蛇毒都可以选择性的阻断Ach释放。,接头前阻断剂,接头后阻断剂,美洲箭毒、刺桐若定是非去极化接头阻断剂；,-银环蛇毒素、眼镜蛇毒素：是去极化接头阻断剂，由于起作用后不能被胆碱酯酶水解，因而导致膜AchR去敏感化。而致传导阻滞。即先促进后阻滞。,七）运动过程中骨骼肌摄取葡萄糖的调节,机体运动过程中会消耗大量的ATP以提供能量,再通过对碳水化合物(肌糖原和血糖)与脂肪酸(肌内脂肪和血脂)的氧化补充ATP的损耗。但是葡萄糖不能取代糖原在快速供能中的重要地位。在运动的起始阶段,血糖对ATP再合成的作用并不很大，肌细胞内ADP可以直接由磷酸肌酸直接供能而快速磷酸化为ATP。但是,随着运动时间的延长和加剧,由脂肪酸和少量葡萄糖的氧化磷酸化过程将供应所需的大部分ATP；随着运动强度的进一步加剧，肌糖原大量消耗,血糖渐变成一种重要的代谢底物,最多可达到总氧化供能比例的35%，且此时肌肉中的ATP将越来越多地依赖于糖酵解过程的供应。此时肌肉细胞对葡萄糖的摄取能力将变得很重要。,1、运动过程影响骨骼肌摄取葡萄糖速率的三个因素,葡萄糖运送到肌细胞的速率尽管在剧烈运动时,肌肉的血流量可以增加近20倍,为血糖的供应提供了重要保证，但血糖浓度的大小才是运动时骨骼肌摄取葡萄糖的主要限制因素肌细胞膜对葡萄糖的转运速率骨骼肌表达多种葡萄糖转运体(glucosetransporters,GLUT)的异构体,其中,对运动过程中骨骼肌摄取葡萄糖影响最大的是GLUT4。而实验证实,运动（即使是离体肌肉也有此现象）和胰岛素一样可以增加肌细胞表面和横管的GLUT4数目。,肌细胞内对葡萄糖的磷酸化1)在高强度运动时，肝糖原分解非常快,6-磷酸