第2章-细胞的基本功能-3

第二章细胞的基本功能（3）§1细胞膜的结构和物质转运功能§2细胞的跨膜信号转导§3细胞的生物电现象§4肌细胞的收缩§4肌细胞的收缩根据形态学特点，肌肉分为：横纹肌（striatedmuscle)、平滑肌（smoothmuscle)。根据神经支配，肌肉分为：随意肌(voluntarymuscle)、非随意肌(involuntarymuscle)。根据功能特性，肌肉分为：骨骼肌(skeletalmuscle)、心肌(cardiacmuscle)、平滑肌（smoothmuscle)

人体各种形式的运动，主要由各种肌细胞（骨骼肌、心肌、平滑肌）的收缩活动来完成。不同肌肉组织在功能和结构上各有特点，但从分子水平上看，各种收缩活动都与细胞内的收缩蛋白质，主要与肌凝蛋白和肌纤蛋白的相互作用有关。以骨骼肌为例，介绍肌细胞的收缩机制。骨骼肌是由大量成束的肌纤维组成的，每条肌纤维就是一个肌细胞。肌纤维平行排列成肌束，两端与由结缔组织构成的肌腱相融合，后者附着在骨上。通常四肢的骨骼肌在附着点之间至少要跨过一个关节，通过肌肉的收缩和舒张，就能导致肢体的屈曲和伸直。骨骼肌纤维接受运动神经末梢的支配，在有神经冲动传来时，发生收缩。当神经冲动传导到神经末梢，首先进行神经-肌肉接头的兴奋传递(AP传导到神经末梢，触发神经递质的释放，神经递质与接头后膜上的受体结合，使肌纤维产生动作电位的全过程。)，使骨骼肌纤维产生自己的AP；然后，肌纤维内部的兴奋-收缩偶联机制(在横桥作用下，细肌丝沿粗肌丝之间的间隙，向肌小节中央（M线）作相对滑动，使肌小节缩短而产生收缩。)导致肌纤维产生收缩。

AP传导到神经末梢，触发神经递质的释放，神经递质与接头后膜上的受体结合，使肌纤维产生动作电位，引起肌肉收缩。

一、骨骼肌纤维的结构（Structureofskeletalmusclecell）骨骼肌纤维在结构上最突出的特点，是含有大量的肌原纤维和丰富的肌管系统，且其排列高度规则有序。肌纤维是肌肉的结构和功能单位。每个肌纤维内含有大量平行排列，纵贯肌纤维全长的肌原纤维（fibrils），肌原纤维是很多肌小节串联而成的长纤维结构。肌小节是肌肉收缩和舒张的最基本单位。

图肌小节的组成

（一）肌原纤维与肌小节在光镜下，每条肌原纤维的全长呈现规则的明暗交替，分别称为明带和暗带。暗带的长度固定，不论肌肉处于静止、被牵拉或收缩状态，它都保持1.5μm的长度。暗带的中央，有一段相对透明的区域，称为H带。其长度随肌肉的状态不同而有变化，在肌肉安静时较长，肌肉收缩时变短。H带的中央，亦即暗带的中央，有一条横向的暗线，称为M线。

明带的中央也有一条横向的暗线，称为Z线。明带的长度在肌肉安静时较长，在肌肉收缩时也变短。由于明带的长度可变，肌小节的长度在不同状态下可在1.5-3.5μm之间变动，安静时肌小节的长度约为2.0-2.2μm。

已经肯定，肌原纤维上每一段位于两条Z线之间的区域，是肌肉收缩和舒张的最基本单位，称为肌小节，它由两侧各1/2个明带和位于中间的暗带构成（图）。明带中的肌丝较细，称为细肌丝，它们由Z线结构向两侧的明带伸出，游离端的一段伸入暗带，和粗肌丝处于交错和重叠的状态。X线衍射进一步证明，肌小节的明带和暗带包含更细的，平行排列的丝状结构，称为肌丝。

暗带中含有的肌丝较粗，称为粗肌丝，长度与暗带相同。实际上，暗带正是由于成束的粗肌丝通过M线固定在某些特定位置而形成的，因而颜色较暗。可见，H带实际上是暗带中粗细肌丝不重叠的部分，因而颜色略浅。肌肉缩短时，明带和H带都相应缩短，而暗带长度不变，说明肌肉的缩短可能是由于细肌丝的游离端伸入暗带的程度增加造成的。粗细肌丝的空间排列相当规则。由肌原纤维暗带处的横断面可观察到，每条细肌丝周围有三条粗肌丝环绕，每条粗肌丝周围有六条细肌丝环绕。在明带处的横断面上只有细肌丝，而在H带处的横断面则只能看到粗肌丝。

肌原纤维和肌小节

肌原纤维肌小节：1/2明带暗带1/2明带

（二）肌管系统

肌管系统指包绕在每一条肌原纤维周围的膜性囊管状结构，由来源和功能都不同的两组独立的管道系统组成。在Z线附近，肌纤维膜（肌膜）向细胞内凹陷，与肌原纤维成垂直角度穿行于细胞内，形成包绕肌原纤维的管道。包绕不同肌原纤维的管道彼此相互连通。这一管道系统即横管（transversetubule）系统，或T管。它是肌膜向细胞深处的延续。

纵管系统，又称L管则是肌原纤维周围的另一组肌管系统，即肌浆网（sarcoplasmicreticulum），分支多，相互连通，走行与肌小节平行，包绕每个肌小节的中间部分。它在接近肌小节两端的横管时管腔出现膨大，称为终末池（terminalcisternae），其中贮存了大量钙离子，因此又称为细胞内的钙库。终末池毗邻横管，但不与横管相通。每一个横管和来自两侧肌小节的纵管终末池构成了三联管结构（triadsystem）。横管系统的作用是将肌细胞的兴奋沿T管膜传导到细胞内部，而肌浆网和终末池的作用是控制钙离子的贮存、释放和再积聚，触发肌小节的收缩和舒张。可见，三联管结构是耦联肌细胞膜的电兴奋和细胞内收缩过程的关键部位。纵管及横管

三联管

LT纵管横管

横管：传AP至肌细胞深部；纵管：贮存、释放、聚积钙；三联管：兴奋-收缩耦联部位。肌管的作用二、神经-骨骼肌接头处兴奋的传递

（Thetransmissionofneuromuscularjunction）运动神经纤维到达末梢时失去了髓鞘，以裸露的轴突末梢嵌入肌纤维膜的凹陷中，形成神经-骨骼肌接头。与神经元间的突触相似，神经-骨骼肌接头也由三部分构成：

（1）接头前膜，即轴突末梢的细胞膜；

（2）接头间隙，位于接头前、后膜之间，充满了细胞外液；

（3）接头后膜，即骨骼肌纤维的肌膜，又称终板膜。终板膜在接头处常形成很多皱褶，以增大接头后膜的面积。运动神经纤维的兴奋以“电-化学-电”的模式最终引起接头后膜的电位改变，继而引起骨骼肌纤维兴奋的产生，这一过程称为神经-骨骼肌接头处兴奋的传递。（电-化学-电：指突触或神经-肌肉接头处兴奋的传递，是通过突触或接头前膜的AP，触发神经递质的释放，递质经接头间隙弥散，再作用于突触或接头后膜上的受体，最终引起突触或接头后的细胞产生自己的AP）

（一）兴奋传递的接头前过程

轴突末梢的轴浆中，含有大量囊泡，每个囊泡中储存有恒量的乙酰胆碱（ACh）分子，约5000-10000个，它们可通过出胞作用进行“量子式释放”。在安静状态时，末梢内的Ca2+浓度很低，只有少数囊泡与接头前膜随机融合，自发释放ACh。当有神经冲动传来时，轴突末梢的膜局部去极化，导致电压门控Ca2+通道开放，Ca2+的内流触发大量囊泡出胞，将所含全部ACh释放到接头间隙。一次AP可引起200-300个囊泡释放，使106以上个ACh分子进入接头间隙。

（二）兴奋传递的接头后过程

在接头后膜上，存在有特殊的化学门控离子通道受体，每个通道受体分子含有两个能与ACh特异结合的位点，也叫做N-型乙酰胆碱受体。当其与通过接头间隙扩散到接头后膜的ACh结合后，构象改变导致通道开放。这种通道允许Na+、K+通透，Na+内流和K+外流的总体结果是使接头后膜去极化，这一局部去极化电位称为终板电位（终板膜本身没有电压门控Na+通道，因而不会产生动作电位；但是，具有局部反应特征的EPP可通过电紧张电位刺激周围具有电压门控钠通道的肌膜，使之产生动作电位，并传播至整个肌细胞膜。）它不表现“全或无”的特征。个别囊泡在安静时自发释放ACh，引起接头后膜微小的电位改变则称为微终板电位。终板电位产生后，以电紧张性扩布的形式影响接头周围的一般肌膜，使其发生去极化。接头周围的肌膜上含有电压门控式Na+通道和K+通道，可受膜的去极化刺激而开放。由于终板电位的幅度很高（60mV），约超过引起肌细胞膜AP所需的刺激阈值的3-4倍，因此它扩布到周围很容易引起肌膜去极化达到阈电位水平，使Na+内流和膜去极化之间形成再生式循环，触发AP产生。

ACh在引起肌细胞兴奋后被迅速清除，避免了终板膜的持续去极化。ACh是由分布在接头间隙和接头后膜上的胆碱酯酶降解的。可见，与神经突触的兴奋传递不同，神经-肌肉接头处兴奋的传递通常是“一对一”的，即运动纤维每一次到达末梢的AP，都能“可靠地”使肌细胞兴奋一次。当然，两种传递的特点是相似的，包括

①单向传递；

②时间延搁；

③易受环境因素的影响。

神经-骨骼肌接头处的兴奋传递AP传到轴突末梢，钙通道开放，钙内流，ACh释放(量子释放)、扩散；

ACh与终板膜化学门控通道结合，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AP。递质分解三、兴奋-收缩耦联（Excitation-contractioncoupling）兴奋-收缩耦联是指连接肌纤维的兴奋和收缩的中介过程。它包括三个步骤：电兴奋通过横管系统传到肌细胞的深处；三联管结构处的信息传递；肌浆网（即纵管系统）对Ca2+释放和再聚积，及其导致的肌肉收缩和舒张。

骨骼肌的兴奋-收缩耦联概念：将电兴奋和肌丝滑行联系起来的过程。过程:

电兴奋通过横管传到肌纤维深部

三联管传递信息肌浆网对钙的释放和再聚积

IP3三联管信息传递1钙内流触发2IP3触发（一）兴奋传递引起终池Ca2+释放由于横管膜是肌细胞膜的延续，肌细胞膜的AP可沿凹入细胞内部的横管膜传导，直至深入到三联管结构即每个肌小节的近旁。在三联管结构处信息是如何由横管传递给终池的，目前仍不十分清楚，有学说认为，横管膜上存在一种特殊的蛋白质，正对着旁边终池膜上的Ca2+通道，起机械堵塞作用。当横管膜发生去极化，该蛋白质构象改变，不再堵住Ca2+通道而使其开放，于是终池内的Ca2+被大量释放到肌浆中。安静时肌浆中Ca2+浓度维持在很低的水平（10-7mol/L），发生兴奋收缩耦联后，肌浆Ca2+浓度可增高100倍之多。（二）进入肌浆中的Ca2+触发肌丝的滑行

进入肌浆中的高浓度Ca2+与细肌丝上的肌钙蛋白结合，引起细肌丝构象改变，暴露出其上的横桥结合位点，粗肌丝上的横桥与之结合，并发生扭动、解离和再结合、再扭动的循环过程，拉动细肌丝不断向粗肌丝间隙中滑动，使肌小节缩短，肌肉产生收缩（图）。由于Ca2+的作用使每一肌小节中细肌丝向粗肌丝的间隙中滑行，使粗细肌丝重叠程度增加，肌小节缩短肌肉收缩，这就是肌丝滑行理论。图肌丝滑行过程1.肌丝的分子组成及横桥的作用

一条粗肌丝是由200~300个肌凝蛋白分子有规则地排列而成。每个肌凝蛋白分子呈长杆状一端具有球形膨大部。杆状部朝M线聚合成束，形成粗肌丝的主干，球状部有规则地裸露在主干的表面，并与主干方向垂直，称为横桥（crossbridge）。横桥在粗肌丝表面的分布非常规则，在每42.9nm长的粗肌丝上有六个横桥存在，它们两两相对，组成三组，平均排列在粗肌丝上，相邻两个横桥间有60°的夹角。这六个横桥的空间位置正好对应环绕粗肌丝的六条细肌丝，当有Ca2+作用时，横桥可与细肌丝上的特定位点结合。粗肌丝：由肌凝蛋白组成横桥特性：与肌纤蛋白结合，扭动、解离、复位、再结合….有ATP酶活性细肌丝由三种蛋白质分子组成，其主干由球状的肌纤蛋白单体聚合为双螺旋结构而成。原肌凝蛋白也呈双螺旋结构，与肌纤蛋白双螺旋并行，其空间位置恰好在肌纤蛋白和横桥之间，从而阻碍二者的结合。还有一种球形的蛋白质称为肌钙蛋白，以一定的间隔结合在原肌凝蛋白双螺旋上。肌钙蛋白含有三个亚单位，C亚单位中有一些双负电结合位点，因而可结合Ca2+；T亚单位负责将肌钙蛋白分子结合在原肌凝蛋白上；I亚单位的作用是在C亚单位与Ca2+结合后，将信息传递给原肌凝蛋白并使其构象改变，解除其对肌纤蛋白和横桥结合的阻碍作用。肌纤蛋白和组成粗肌丝的肌凝蛋白都被称为收缩蛋白质，而组成细肌丝的另外两种蛋白质：原肌凝蛋白和肌钙蛋白被称为调节蛋白质。

细肌丝：由肌纤蛋白（Actin）原肌凝蛋白（Tropomyosin）肌钙蛋白（Troponin）组成。肌丝的分子组成滑行过程肌膜AP经横管传至三联管，终池释放钙致肌浆钙增多，肌钙蛋白与钙结合而变构，原肌凝蛋白变构、解抑，横桥与肌纤蛋白结合并分解ATP，横桥内扭、解离、复位、再结合而不断循环将细肌丝拖向M线，肌小节缩短（收缩）；钙泵将钙泵入终池，肌浆钙减少，肌钙蛋白脱下钙而变构，原肌凝蛋白变构并重建阻抑，细肌丝滑回原位（舒张）。2．肌纤维的收缩

Ca2+与肌钙蛋白C亚单位结合，I亚单位促使原肌凝蛋白构象改变，暴露出肌纤蛋白上的横桥结合位点。由于横桥本身具有ATP酶的活性，可分解与其相结合的ATP释放能量，用于横桥与肌纤蛋白的结合、扭动。当另一个ATP与横桥结合时，它与肌纤蛋白解离而去结合下一个位点，如此循环牵动细肌丝向粗肌丝间隙滑行，使肌小节的长度不断缩短。可见，Ca2+是连接兴奋和机械收缩的重要环节。（三）钙泵的活动导致肌纤维的舒张

肌浆网膜上的钙泵是一种Ca2+-Mg2+依赖的ATP酶。当肌浆中的Ca2+浓度升高时，钙泵被激活，通过分解ATP获得能量，将Ca2+逆浓度梯度转运回肌浆网中。肌浆中Ca2+浓度随之降低，Ca2+从肌钙蛋白上解离下来，引起肌纤维的舒张。

四、总结：骨骼肌收缩的全过程

（Contractingprocessofskeletalmuscle）AP传至轴突末梢，接头前膜Ca2+内流，ACh释放到接头间隙

↓

ACh与接头后膜特异受体结合，阳离子通道开放，产生终板电位

↓

终板膜周围肌膜产生AP

↓

AP沿肌膜传导，通过横管系统传导到细胞深处

↓

三联管结构将横管膜的兴奋传递给毗邻的终末池膜

↓

终末池大量释放Ca2+进入肌浆

↓

Ca2+与肌钙蛋白结合，暴露出肌纤蛋白上的横桥结合位点

↓

横桥与肌纤蛋白结合，扭