第五节 肌肉的收缩功能

人体内所有细胞都可以具有静息电位的现象，但却只有神经细胞、肌细胞和腺细胞才能产生动作电位。如果有刺激作用于离体骨骼肌细胞也可导致其产生兴奋并收缩，但在人体内，骨骼肌的兴奋和收缩都是在神经支配下完成的。人体内的肌肉可根据形态学特点分为横纹肌和平滑肌；根据神经支配分为由躯体神经支配的随意肌和由自主神经支配的非随意肌；根据肌肉的功能特性分为骨骼肌、心肌和平滑肌等不同类型，但从分子水平上看，其收缩机制有许多共同之处：①刺激信息从神经细胞传递给骨骼肌细胞。②骨骼肌细胞膜的动作电位经过三联体传递至细胞内，导致胞浆内Ca2+增多。③胞浆内粗细肌丝发生相对滑动，即肌肉收缩。

一、肌肉收缩的结构基础

（一）神经肌肉接头处的结构

神经肌肉接头（neuromuscular junction）由接头前膜（prejunctional membrane）、接头后膜（postjunctional membrane）和它们之间的接头间隙（junctional cleft）组成。运动神经纤维到达骨骼肌细胞处失去髓鞘，其轴突末梢嵌入肌细胞膜，因此，接头前膜就是神经轴突的细胞膜。在神经轴突末梢的细胞浆内含有许多乙酰胆碱囊泡。接头后膜（也称终板膜）是与接头前膜相对应的肌细胞膜（也称肌膜），它有规则地向细胞内凹陷形成许多皱褶。在接头后膜上分布着N2型受体以及胆碱酯酶，其中的N2型受体可以特异性地接合乙酰胆碱，而胆碱酯酶则可分解与N2型受体接合后的乙酰胆碱。接头前、后膜并不直接接触，它们之间形成一个充满细胞外液的间隙，称为接头间隙。如图2-6。

（二）骨骼肌的结构及其特征

骨骼肌由大量包裹着肌膜的肌细胞即肌纤维组成。在肌浆里面有大量直径1～2μm的肌原纤维和高度发达的肌管系统。每条肌原纤维全长都呈规则的明、暗相交替的明带和暗带。暗带的长度比较固定，其中央有一段相对透明区域称为H带，在H带的中央有一条横向的暗线称为M线。在明带的中央也有一条横向的暗线，称为Z线。肌原纤维上两条相邻的Z线之间长1.5～3.5μm呈纵向重复排列的区域称为肌小节（sarcomere），它由中间的暗带和两侧各1/2的明带组成。肌小节是肌肉收缩和舒张的最基本单位。

在肌小节中包含有更细的平行排列的丝状结构，称为肌丝。暗带的肌丝直径约10nm，称为粗肌丝（thick filament），其长度与暗带相同。由于粗肌丝的存在才形成暗带，M线则是把成束的粗肌丝固定在一定位置的结构。明带中的肌丝直径约5nm，称为细肌丝（thine filament），它们从Z线结构向两侧明带伸出，每侧长度均为1.0μm，游离端部分伸入暗带并和粗肌丝相互重叠。在同一暗带的细肌丝之间有一段距离，形成H带。当细肌丝伸入暗带区域内的部分增多时，H带和明带的长度相对变短，从而使整个肌小节长度缩短，表现为肌肉长度减小即肌肉收缩。

粗肌丝由许多肌凝蛋白（肌球蛋白）分子组成，每一个肌凝蛋白分子又分为头和杆两部分，其杆部朝向M线，呈束状排列，头部则规律分布在粗肌丝表面，形成横桥。细肌丝由肌动蛋白（肌纤蛋白）、原肌凝蛋白（原肌球蛋白）和肌钙蛋白3种分子组成。许多肌动蛋白聚合成双螺旋状，构成细肌丝的主体。原肌凝蛋白在肌细胞静息时正好位于横桥和肌动蛋白的结合位点之间，可以阻止它们的结合。肌钙蛋白对肌浆中的Ca2+有很大的亲和力，当它们结合时，可以引起原肌凝蛋白分子的构象改变和位置变化，并解除对横桥和肌动蛋白结合的阻碍。因此虽然原肌凝蛋白和肌钙蛋白不直接参加肌细胞收缩，但它们对收缩过程仍然起着非常重要的调控作用，故又将它们合称为调节蛋白。

肌管系统（sarcotubular system）是指包绕在每一个肌原纤维周围的膜性管状系统。它由走向与肌原纤维长轴相垂直的横管系统（T管，transverse tubule）和与肌原纤维平行的纵管系统（L管，longitudinal tubule）组成。横管由肌细胞膜向胞浆内凹陷形成，穿行于肌原纤维之间，并在Z线水平形成环绕肌原纤维并互相连通的管道，横管可在肌膜凹入处的开口与细胞外液相通。纵管包绕在肌原纤维的周围，也称肌浆网，主要包绕在每个肌小节的中间部分。这些互相沟通的纵管在靠近两侧Z线的横管处管腔膨大，称为终池（terminal cisterna），贮存着细胞内大约90%的Ca2+。每条横管和两侧的终池，构成了三联体（triad）结构。如图2-7。

二、肌肉收缩的机制

肌肉的收缩通常是属于反射弧的效应部分，即中枢神经系统（脑或脊髓）的信息通过传出神经传递至肌肉，然后引起肌肉的收缩效应。从运动神经兴奋到骨骼肌收缩的全过程包括从神经细胞电活动转化为神经肌肉接头处的化学传递，再转化为骨骼肌细胞的电活动，然后经肌浆中的化学物质Ca2+转移，最终引起骨骼肌细胞的机械收缩等环节。

（一）神经肌肉接头处的兴奋传递

当来自于中枢（脑或脊髓）的神经冲动沿传出神经纤维到达末梢时，在轴突末梢的动作电位即去极化的影响下，神经末梢细胞膜上的Ca2+通道开放，细胞外液中的Ca2+在细胞外较高浓度的作用下以易化扩散的方式进入轴突末梢细胞膜内，并促使膜内的乙酰胆碱囊泡向前膜内侧面移动，与前膜融合并破裂释放出乙酰胆碱。乙酰胆碱以直接扩散形式达到终板膜，与终板膜上的N2型受体结合并导致终板膜上的Na+和K+通道开放，引起Na+内流和K+外流（以Na+内流为主），大量带正电荷的离子内流使终板膜外正内负的静息电位减小，形成去极化。这一去极化的电位变化称为终板电位，它和局部反应相似，其大小与接头前膜释放出的乙酰胆碱的量有直接关系，可以总和，并以电紧张的形式向周围细胞膜扩散，使邻近的细胞膜也发生去极化，一旦达到阈电位水平，就可以产生动作电位，然后向整个细胞膜进行传导，并可引起细胞的收缩，从而完成神经肌肉接头处的兴奋传递。同时，与终板膜上的N2型受体结合的乙酰胆碱可以迅速地被释放出来，并被胆碱酯酶分解破坏，为下一次兴奋传递做好准备。

与单个细胞上兴奋的传导相比，神经肌肉接头处兴奋是属于跨细胞之间的兴奋传递，具有以下特征。①单向传递：兴奋只能从接头前膜传向后膜，这是由它们的乙酰胆碱囊泡及其受体的分布等结构及功能特征所决定的。②时间延搁：由于乙酰胆碱的释放、扩散以及与后膜受体的结合需要花费较多的时间（0.5～1.0ms），因此比兴奋在同一细胞上传导同样的距离需要的时间长得多。③化学传递：在传递过程中，必须要有乙酰胆碱这种化学物质来参与。④易受影响：乙酰胆碱神经递质的合成、释放贮存及与受体的结合、结合后的失活等与能量、酸碱度、温度等许多因素有关，因此神经肌肉接头处兴奋传递的过程易受多种因素的影响。如美洲箭毒可与乙酰胆碱竞争终板膜上的N2受体，从而阻断神经肌肉接头处的兴奋传递，使肌肉失去收缩能力，表现出肌肉的松弛。而有机磷农药则可选择性抑制胆碱酯酶，造成乙酰胆碱在接头处大量积聚而不能被失活，表现出肌肉持续兴奋收缩等农药中毒症状。

（二）骨骼肌的兴奋-收缩耦联

当肌膜产生动作电位后，动作电位可沿着肌膜迅速传播至整个细胞，并由有开口在细胞膜的横管膜进入肌细胞内到达三联体。动作电位形成的刺激可使终池膜上的Ca2+通道开放，贮存在终池内的Ca2+顺浓度差以易化扩散的方式从浓度相对较高的终池释放进入肌浆，到达肌丝区域，并导致随后的肌小节长度缩短而引起肌细胞的收缩。

肌细胞收缩时释放到肌浆中的Ca2+由于其浓度升高，可将肌浆网上的钙泵激活，在钙泵的作用下，进入肌浆的Ca2+又被主动转运回到终池内贮存以备再次使用。同时由于肌浆内Ca2+减少，又会导致肌细胞转为舒张状态。

（三）肌丝滑行的机制

当终池中的Ca2+被释放进入肌浆到达肌丝区域时，Ca2+可先与肌钙蛋白结合，改变肌钙蛋白的分子构型，并进而改变原肌凝蛋白的分子构型，暴露出肌动蛋白上的横桥结合位点，使横桥与肌动蛋白结合。同时，由于横桥的ATP酶也被激活，ATP分解释放能量，引起横桥向M线方向摆动并牵引细肌丝向M线方向移动。然后横桥与肌动蛋白分离，横桥复位并与下一个结合位点结合，形成一次新的摆动。以上过程反复进行，使细肌丝不断向M线方向滑动，明带长度缩短，暗带长度不变，所以肌小节长度缩短，表现为肌肉收缩。

当肌浆中的Ca2+浓度降低时，Ca2+与肌钙蛋白分离，肌钙蛋白与原肌凝蛋白的构型恢复，原肌凝蛋白又将肌动蛋白上的横桥结合位点遮盖住，细肌丝逐渐远离M线恢复到原来位置，明带长度增加，暗带长度不变，所以肌小节长度增加，表现为肌肉舒张。

在一定的肌小节长度内，细肌丝滑动的距离越大，肌张力就越大。同时活动的横桥的数目越多，肌张力和缩短的程度就越大，肌肉的收缩力就越强。因此，活化的横桥数目和肌凝蛋白的ATP酶活性是控制肌肉收缩力的主要因素。如图2-8。

三、影响骨骼肌收缩的因素

肌肉的收缩可以表现为肌肉的长度保持不变而只有张力增加的等长收缩和只发生肌肉长度变化而张力保持不变的等张收缩两种形式。例如，肢体的自由运动和屈曲主要为等张收缩，而在臂力测验时的肌肉活动则主要是等长收缩。

骨骼肌的收缩效能主要是由肌肉收缩前和肌肉开始收缩时承受的负荷、自身的收缩能力以及总和效应等因素决定的。如图2-9、图2-10。

（一）前负荷（preload）

是指肌肉在收缩前所承受的负荷。前负荷决定了肌肉在收缩前的长度，即肌肉的初长度。前负荷与肌肉的初长度之间关系密切，都可以用来反映肌肉在收缩前的状态。

在等长收缩的条件下，随着肌肉的初长度在一定范围内逐渐增加，肌张力也随之逐渐增加。但是当超过一定限度后，再增加肌肉的初长度，肌张力不仅不会增大，反而还会相应减小。这个能产生最大张力的肌肉初长度称为最适初长度。当肌肉处于它最适初长度时开始收缩产生的张力最大，收缩速度最快，缩短的程度也最大。

（二）后负荷（afterload）

是指肌肉开始收缩时承受的负荷。后负荷是肌肉收缩的阻力或做功对象。肌肉在有后负荷的情况下收缩总是肌张力增加在前，肌长度缩短在后。

如果在等张收缩的条件下，可以测定在不同后负荷情况下肌肉收缩产生的张力和缩短的速度，得到肌肉张力与肌肉缩短速度之间的关系曲线图。根据该曲线图，随着后负荷的增大，肌肉收缩的张力增加而缩短的速度减少。当后负荷增加到使肌肉不能缩短时，肌肉可产生最大等长收缩张力。当后负荷为零时，肌肉缩短可达最大缩短速度，但此时肌张力明显减小。

（三）肌肉收缩能力（contractility）

是指与前、后负荷都无关的决定着收缩效能的肌肉本身的功能状态和内在能力。当肌肉收缩能力提高后，收缩时产生的张力和（或）缩短的程度等都会提高，表现为张力-长度曲线上移和张力-速度曲线向右上方的移动。肌肉的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+的水平和肌凝蛋白的ATP酶活性等。

体内许多因素如Ca2+、肾上腺素等可增强肌肉收缩能力，而缺氧、酸中毒、能量物质缺乏等则可降低肌肉的收缩能力。肌肉收缩能力也受神经系统的影响，另外体育锻炼能增强肌肉的收缩能力。

（四）收缩的总和效应

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。它可以有两种形式：运动单位数量的总和以及频率效应的总和。

（1）运动单位（motor unit）指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。当肌肉弱收缩时，总是较小的运动神经元支配的小运动单位发生收缩；随着收缩的加强，会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；反过来当肌肉舒张时，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的方式，称为大小原则（size principle）。因此，当张力较小时，被调节的运动单位也较小，可以形成更精细的调节。

（2）频率对骨骼肌收缩的影响 当骨骼肌受到一次短促刺激时，可发生一次动作电位，随后出现一次收缩和舒张，称为单收缩。可分为三个时期：潜伏期、收缩期和舒张期。当骨骼肌受到连续刺激时，若连续脉冲刺激频率较低，刺激间隔时间大于单个单收缩持续的时间时，出现的是一个个的单收缩；若连续脉冲刺激频率较高，刺激间隔时间短于单个单收缩持续的时间时，肌肉发生收缩的总和，称为强直收缩。肌肉发生强直收缩时，出现了收缩形式的总和，但引起收缩的动作电位仍是独立存在的。强直收缩又可分为每次新的收缩都出现在前次收缩的舒张期过程中，表现为锯齿形的收缩曲线的不完全强直收缩和每次新的收缩都出现在前次收缩的收缩期过程中，表现为机械反应的平缓增加的完全强直收缩。通常所说的强直收缩是指完全性强直收缩，其张力比单收缩强3～4倍。

四、平滑肌的结构和功能特征

人体内平滑肌可根据其分布和功能分为以血管分布为主的类似骨骼肌的多单位平滑肌以及以胃肠分布为主的类似心肌的单一单位平滑肌两类。平滑肌受自主神经支配，它的活动不能受意识支配，即是不随意的。

平滑肌细胞呈细长的纺锤形，细胞内充满排列不规则的肌丝，肌小节不明显以致没有形成横纹，肌管系统特别是肌浆网不发达，细胞内Ca2+有限。平滑肌的细肌丝数量较多且靠近肌膜，相对增大了Ca2+从终池释放到达细肌丝的距离。另外细肌丝的构成成分不含肌钙蛋白，而存在一种功能相似的钙调蛋白（calmodulin, CaM）。

由于以上结构特征，使平滑肌细胞收缩时要依靠细胞外Ca2+的进入，与钙调蛋白结合才能引起肌肉收缩。平滑肌细胞的收缩相对缓慢而持久，不易疲劳。对牵拉刺激十分敏感。受自主神经支配，具有一定的自律性。

案例解析

1.O2为小分子脂溶性物质，以单纯扩散形式进行跨膜转运。

2．离子带有电荷且可受到多种来自不同因素的不同方向、不同大小的作用力，所以细胞膜在不同状态下对各种离子的通透性能不同，结果导致细胞膜内外各种离子分布不均而形成生物电。

3．来自中枢的生物电信息经过传出神经至神经-肌肉接头，然后传递到肌膜，在三联体转换成化学信息，导致终池释放Ca2+进入肌浆内，使粗、细肌丝发生相对滑动，改变肌小节的长度，从而形成肌肉的收缩。

思考题

1．名词解释：单纯扩散、易化扩散、主动转运、静息电位、极化状态、去极化、复极化、动作电位、锋电位、后电位、阈电位、局部反应、兴奋-收缩耦联、等张收缩、等长收缩、强直收缩、前负荷、后负荷。

2．物质跨膜转运的常见形式有哪些？各有什么特点？

3．比较静息电位和动作电位的形成原理及主要特点。

4．动作电位在神经纤维中传导的特点。

5．局部反应的基本特征。

6．简述神经-肌肉接头兴奋传递的过程及主要特征。

7．叙述肌丝滑行的基本过程。