肌细胞的收缩

第二章 细胞的基本功能,第四节 肌细胞的收缩,主要内容： 1. 神经-肌接头处的兴奋传递过程、特点及影响因素 2. 肌节及其分子构成与功能 3. 横纹肌的收缩机制，横桥的功能及横桥周期 4. 横纹肌的兴奋-收缩耦联及其机制 5. 影响肌肉收缩效能的因素,肌细胞,Skeletal Muscle,Cardiac Muscle,Smooth Muscle,一、骨骼肌的兴奋和收缩机制,（一）神经-肌接头处的兴奋传递,功能解剖,接头前膜: 电压门控Ca2通道； 内有囊泡，含有ACh接头间隙: 20-30nm接头后模: 终板膜 N2型ACh受体阳离子通道； 胆碱酯酶，无电压门控钠通道,Structure of neuromuscular junction,N2型ACh受体阳离子通道 化学门控离子通道,N-M接头处的兴奋传递过程,运动神经纤维冲动（AP） N-M接头前神经末梢去极化电压门控钙通道开放Ca2+进入神经末梢的胞浆内递质囊泡向前膜移动并与其融合,释放递质（量子式释放） 乙酰胆碱（ACh）ACh结合并激活肌终板膜ACh受体（N2型ACh受体阳离子通道）终板膜对Na+、K+的通透性，以Na+为主， Na+内流膜除极化终板电位（EPP）邻近普通肌膜除极化 邻近肌膜TP肌膜AP （ 肌肉收缩）,ACh被胆碱酯酶分解而失活,N-M接头处的兴奋传递过程：,（1）神经末梢AP与终板电位的产生,接头前膜去极化,ACh释放,Katz 和Miledi，1967年,电生理学证据,接头前膜去极化,Ca2+内流,ACh释放,（2）神经末梢Ca2+浓度与终板电位的产生,电生理学证据,（3）ACh“量子式”释放与终板电位 微终板电位（miniature endplate potential, MEPP）：安静状态下，由囊泡的随机运动触发的单个囊泡的自发释放，引起终板膜的局部微小除极化电位称为MEPP（平均约0.4mV）. 终板电位（endplate potential, EPP）：N-M接头处兴奋传递时，在终板膜上产生的局部去极化电位（局部兴奋）。EPP是MEPP的整倍数总和电位。,2.N-M接头兴奋传递的特点 （1）与突触传递的特点相同: 单向性； 时间延搁； 总和； 易疲劳； 易受内环境改变及药物的影响 (见后),N元一次兴奋 大量递质释放 及时被消除.,（2）:传递：,一次神经冲动引起肌细胞兴奋、收缩一次。 因为：,一次神经冲动释放的ACh所引起的EPP的大小是引起肌细胞膜产生AP所需阈值的3-4倍，足以引起AP。,ACh发挥作用后能很快被胆碱脂酶水解而破坏。,破坏Ca2+通道,筒箭毒碱和银环蛇毒,同ACh,竞争终板膜受体,肌肉不能兴奋收缩肌肉松弛,有机磷农药和新斯的明,抑制,胆碱酯酶,中毒症状: 肌肉挛缩,自身免疫性疾病,破坏ACh通道,重症肌无力,细胞外液低Ca2+或高Mg2+,ACh释放,3. 影响神经-肌接头处兴奋传递的因素,肉毒杆菌,无力综合症,(二)骨骼肌细胞的微细结构： 肌肉块肌束肌纤维(肌细胞)肌原纤维和肌小节,小肌块,肌小束与 肌纤维,肌原纤维,大肌肉块,骨骼肌细胞的微细结构1.肌原纤维和肌节（sarcomere）,肌节：肌肉收缩和舒 张的基本单位,粗肌丝(Thick filaments),粗肌丝由大量肌凝蛋白(myosin, 收缩蛋白)分子有序排列而成,横桥的功能： 具有ATP酶的活性，可分解ATP获能； 能与细肌丝上的肌动蛋白可逆结合，拖动其向肌节中央滑动或产生张力。,细肌丝(Thin filaments),TROPONIN,ACTIN,TROPOMYOSIN,组成细肌丝三种分子分别是：肌动蛋白或肌纤蛋白(actin, 收缩蛋白)、原肌球蛋白或原肌凝蛋白(tropomyosin)、肌钙蛋白(troponin, 调节蛋白),(troponin；TnT, TnI, TnC),MOLECULAR PARTICIPANT （参与肌丝滑行的分子和离子）,Myosin肌球蛋白,Actin 肌动蛋白,Tropomyosin原肌球蛋白,Troponin肌钙蛋白,Calcium ions 钙离子,ATP 三磷酸腺苷,2. 肌管系统,横管 (Transverse tubule): 膜内凹而成，有电压门控L型Ca2+通道 功能：传入AP（兴奋）纵管 (Longitudinal tubule): 肌质网(LSR-钙泵+JSR) 终池(JSR): 钙库，有 Ryanodine receptor(RYR)。 功能：贮存、释放、摄取Ca2+三联管：T管+2 终池，骨骼肌二联管：T管+终池， 心肌,（三）骨骼肌细胞的收缩机制,1. 肌丝滑行理论 （myofilament sliding theory , Huxley 1954 ）,2. 肌丝滑行的分子机制,肌丝滑行的分子机制,3.骨骼肌收缩和舒张过程,横桥周期（cross-bridge cycling）： 横桥与肌动蛋白结合、耗能扭动、获能解离、复位及再结合的周期性活动过程。,舒张时，横桥结合并分解ATP而获能变构竖起横桥，高势能并与肌动蛋白呈高亲和力，但不能结合； 因AP传入至三联管，触发Ca2+释放胞质 Ca2+ Ca2+与肌钙蛋白TnC结合TnI、TnT变构移位原肌球蛋白移位，暴露位点肌球蛋白横桥与肌动蛋白结合，耗能变构，脱磷酸化，拖动细肌丝向M线滑动肌肉收缩缩短或张力；, 骨骼肌收缩过程,钙泵被激活转运Ca2+至SR及胞外胞质Ca2+ Ca2+与肌钙蛋白TnC解离与上相反变化，横桥再结合ATP、磷酸化、并与肌动蛋白解离，细肌丝反向滑行 肌肉舒张。, 骨骼肌舒张过程,尸僵形成的原因是什么？,指生物死后躯体逐渐变硬而僵直的过程。 生物死后一般大约经过1-3小时，肌肉轻度收缩，关节不能曲屈，开始出现尸僵；经过12-16小时，尸僵遍及全身。可因外界温度高低、尸体体质情况、死因不同而出现有早有晚。尸僵出现的顺序，可作为判断死后经过时间长短的一个方面。,（四）骨骼肌细胞的兴奋-收缩耦联,1. 兴奋-收缩耦联 （excitation-contraction coupling）： 将肌细胞的电兴奋和机械收缩联系起来的中介过程。 关键结构：三联管 关键因子（耦联因子）： Ca2+,2.肌细胞的兴奋-收缩耦联过程,2.骨骼肌的兴奋-收缩耦联过程,肌膜AP沿T管传入至三联管激活T管膜上的L型Ca2+通道分子变构（骨骼肌），或Ca2+ （心肌）激活肌质网的Ryanodine受体，肌质网Ca2+释放胞质Ca2+ Ca2+与肌钙蛋白结合触发肌肉收缩。,有关证据： 1）兴奋-收缩与钙瞬变的关系：,Ca2+ i,肌肉收缩,钙瞬变（calcium transent） 其先于肌肉收缩； Ca2+ i的快速波动是决定肌肉收缩、舒张的重要因素。,2）肌质网（终末池）Ca2+释放,骨骼肌： 构象变化触发钙释放。心肌： “钙触发钙释放”。,心肌细胞,1. 骨骼肌的收缩形式 （1） 等张收缩和等长收缩 Isotonic and Isometric Contractions,（五）影响骨骼肌收缩效能的因素,（2）单收缩、复合收缩与强直收缩（实验条件下）： 1）单收缩 (twitch) 2）复合收缩与强直收缩 (tetanus)：,单收缩、复合收缩与强直收缩 (tetanus)：,(1)前负荷(preload) ：肌肉收缩前所承受的负荷.,最适初长度(Optimal initial length )：（2.0 2.2m ）肌肉收缩时产生最大张力的初长度。,2. 影响骨骼肌收缩效能的因素,前负荷影响M初长度M张力。 最适前负荷最适初长度肌节2.02.2m 最大主动张力 (最大总张力)。,肌节长度 2.0m 或 2.2m M张力 肌节长度 1.6m 或 3.65mM张力,(2) 后负荷（afterload）： 肌肉收缩开始后遇到的负荷或阻力。,后负荷 影响M张力、开始缩短时间、速度、 距离及做功。 后负荷过大M张力可达最大、但不能缩短； 后负荷为零M张力为零，二者均不能做功。,其它因素不变时，中等程度的后负荷所完成的机械功最大。,使肌肉收缩能力增强的因素： 钙离子、肾上腺素、咖啡因等 使肌肉收缩能力降低的因素： 缺氧、酸中毒等,（3） 肌肉收缩能力（contractility）,与前、后负荷无关而能影响肌肉收缩效能的肌肉内在特性。与肌肉收缩力量成正相关。,4. 收缩的总和（1）多运动单位总和 运动单位：一个运动神经元及其轴突分支所支配的全部肌纤维。（2）收缩频率总和 一定范围，收缩频率 收缩幅度。,二、平滑肌,（一）平滑肌的分类,1. 单个单位平滑肌（内脏平滑肌）,2. 多单位平滑肌,大量的缝隙连接 功能合胞体样活动少量起搏细胞 自发产生节律性兴奋，引领整个平滑肌的电活动和机械活动，而自主神经调节其兴奋性，收缩的强度和频率如：小血管、消化道、输尿管和子宫等器官的平滑肌,无缝隙连接 各自独立活动无自律性 自主神经直接控制其收缩活动如：睫状肌、虹膜机、竖毛肌和气管大血管的平滑肌,（二）平滑肌的结构特点,细肌丝数量明显多于粗肌丝 平滑肌：1015:1；横纹肌：2:1,2. 无肌节结构，不显现横纹,3. 无Z盘，相应的功能结构是致密体和致密斑 细胞内的中间丝连接致密体和致密斑形成结构网架,4. 粗肌丝以相反方向在不同方位伸出横桥，使平滑肌具有更大的延展性,5. 无T管，有纵向走形的袋状凹入，肌膜动作电位不能迅速到达深部，使得平滑肌收缩缓慢,6. 肌浆网不发达，肌浆网上有RYR和IP3受体,（三）平滑肌细胞的生物电现象,平滑肌细胞的静息电位-50-60 mV 细胞膜对Na+的通透性较高,静息电位不稳定，有慢波 慢波：平滑肌细胞在静息电位的基础上，自发的产生低频率的、周期性的轻度去极化和复极化,3. 不同部位和类型的平滑肌细胞，其动作电位不同 肠道、输精管：Ca2+内流，K+外流 膀胱和输尿管：Na+内流，K+外流,4. 动作电位时程长，1050 ms,（四）平滑肌细胞的收缩机制,平滑肌收缩的触发因子,平滑肌细胞的肌丝滑行,1）触发因子： Ca2+,2）Ca2+浓度的调控途径： 电-机械耦联：Ca2+主要来自胞外 药物-机械耦联：Ca2+主要来自SR,无肌钙蛋白，通过Ca2+-CaM通路作用于粗肌丝触发收缩,复习思考一、名词概念： facilitated diffusion ， active transportpolarization， depolarizationhyperpolarization ， stimulus response, threshold intensitysignal transduction, RP， AP， TP，EPPelectrotonic potential， excitation excitability， cross-bridge cyclingexcitation-contraction coupling,二、问题： 1单纯扩散与易化扩散有何不同？ 2举例阐述原发性主动转运的机制、特点及意义 3Na+、K+是如何进行跨膜转运的？ 4举例说明继发性主动转运的机理。 5蛋白耦联受体介导的跨膜信号转导通路及主要信号分子 6何谓静息电位？试述其产生机制及其证明 7何谓动作电位？其特点和生理意义是