《肌细胞的收缩》PPT课件.ppt

第四节 肌细胞的收缩,骨骼肌 横纹肌 肌肉 （功能特性） 心肌 (形态特点) 平滑肌,Skeletal Muscle,Cardiac Muscle,Smooth Muscle,骨骼肌收缩在中枢神经系统控制下完成,横纹肌,(一)骨骼肌神经-肌接头处的兴奋传递 1.结构特征： 电镜下 接头前膜 接头间隙 接头后膜(终板膜),1.结构基础：,轴突末梢,神经末梢在接近肌细胞处失去髓鞘 轴突末梢中有300,000含ACh的突触小泡, 突触小泡含有上万个ACh分子,终板膜有-N2型ACh受体阳离子通道 （N2-ACh receptor cation channel） 乙酰胆碱酯酶 ACh 胆碱+乙酸,2.传递过程：,神经冲动传到神经末梢处, 接头前膜电压门控性 Ca2+通道瞬间开放, Ca2+内流入轴突末梢 , Ca2+启动突触小泡的出胞机制。 quanta release, Ca2+触发突触小泡向前膜移动 突触小泡膜与轴突膜的融合，融合处出现裂口、释放递质ACh 接头间隙 神经末梢处每个囊泡中储存的ACh近万个分子作为一个单位，称为一个量子的ACh ，这种释放形式称为量子释放。 每次神经冲动引起200-300个囊泡几乎同步释放ACh，引起终板膜电位变化。,ACh 扩散到后膜(终板膜) N2型ACh受体阳离子通道（化学门控）亚单位结合通道开放，Na+内流(为主) K+外流后膜去极化, 终板电位(endplate potential, EPP),一个ACh量子释放引起微终板膜电位-MEPP幅度平均0.4mV 当Ca2+内流进入轴突末梢时，大量突触小泡同步释放ACh， 250个突触囊泡同步释放ACh -产生1个正常的EPP MEPP发生叠加形成EPP，平均幅度50mV。,终板电位(endplate potential, EPP), 终板电位总和 邻近肌膜的电压门控钠通道开放，肌膜去极到阈电位水平，而产生动作电位。,voltage gated Na+channels voltage gated K+channels excitation (action potential),ACh发挥作用后被 胆碱脂酶分解失活。,接头前膜去极化,膜电压门控Ca2通道开放，Ca2向膜内流动,接头前膜内囊泡移动、融合、破裂， 囊泡中的ACh释放(量子释放),ACh与终板膜上的ACh门控通道结合,膜对Na、K (尤其是Na)通透性,终板膜去极化终板电位（EPP）,EPP电紧张性扩布至邻近肌膜,去极化达到阈电位，电压门控Na+通道开放,肌细胞膜爆发AP,传递过程：,运动神经兴奋,胆碱酯酶水解ACh,“电-化学-电”的单向传递形式 Ca2+的进入量决定着突触小泡释放的数目。 终板电位（EPP）产生的关键因素： ACh和-亚单位结合后结构改变导致Na+内 流增加。 兴奋传递是1对1的 终板膜本身没有电压门控钠通道，不产生动作电位。 神经末梢释放ACh的量足以使产生的终板电位总和达到邻近肌膜电压门控钠通道的阈电位水平，使肌细胞产生一次可沿整个肌细胞膜传导动作电位。,神经-肌肉接头处的信息传递特点：,易受药物及某些因素影响 特异性阻断受体通道：筒箭毒、-银环蛇毒 非去极化肌松剂：卡肌宁(阿曲库铵） 胆碱酯酶抑制剂: 新斯的明 改善肌无力症状 有机磷农药中毒 - 胆碱酯酶磷酰化 （接头间隙ACh）,神经-肌肉接头处的信息传递特点：,肌 松 弛,肌 痉挛,病理变化： 重症肌无力- 自身免疫性抗体破环终板膜受体通道 肌无力综合征的肌病 自身免疫性抗体破环前膜Ca2+通道 肉毒杆菌毒素- 抑制前膜释放ACh,神经-肌肉接头处的信息传递特点：,(二) 横纹肌细胞的结构特征,横纹肌细胞/ 纤维 肌原纤维,肌小节 肌丝,横纹肌细胞的微细结构,Myofibril,a fiber,Myofibril,肌纤维 肌原纤维,1. 肌原纤维和肌节,肌节: 每条肌原纤维(myofibril)的全长都呈现规则的明暗交替,分别为明带和暗带;明带的中央有一条横向的暗线,称为Z线。,肌节 ( sarcomere ) 两个相邻Z线之间的区域 肌肉进行收缩和舒张的最基本功能单位。,电镜下肌小节: 明带中含有细肌丝; 暗带中含有粗肌丝; 粗细肌丝在空间上呈规则的排列。 细肌丝是粗细肌2倍,2. 肌管系统,肌管系统,三联管,triad,纵管（肌质网,SR）,横管（T管）,在肌原纤维周围的SR也称为纵行肌质网（LSR ）,连接内质网（JSR、终池）,横管 （T管）, 纵管 (肌质网, SR ) 连接肌质网、终池 (JSR): Ca2+ pool releasing Ca2+ 纵行肌质网 (LSR ): Ca2+ pump ( remove Ca2+), 三联管： 兴奋-收缩耦联部位,T,L,肌管系统,横管（T管） 肌管系统 纵管（肌质网,SR） 在肌原纤维周围的SR也称为纵行肌质网（L SR ）： LSR：有Ca2+泵 Ca2+ SR 连接肌质网（JSR、终池）: SR末端膨大与T管膜接触部分，高浓度Ca2+ 。 JSR膜上有钙释放通道（ryanodine受体，RYR） 三联管：T管与两侧终池（兴奋收缩-耦联过程）， T管膜、肌膜有L型钙通道。,肌管的作用 横 管：传动作电位至肌细胞深部 纵 管：贮存、释放、聚积钙 三联管：兴奋 - 收缩耦联部位,(三)横纹肌的收缩机制 肌丝滑行理论(myofiament sliding theory) 直接证据：肌肉收缩时暗带长度不变， 明带缩短，同时H带相应变窄。,主要内容： 横纹肌的肌原纤维由粗、细两组走向平行的蛋白丝构成。肌肉运动时，缩短和伸长均通过粗、细肌丝在肌节内的相互滑动而发生，肌丝本身的长度不变。,粗肌丝,细肌丝,1. 肌丝的分子结构,肌球蛋白杆状部分由两条重链的尾部相互缠绕形成， 杆状部聚合成束, 形成粗肌丝的主干 头部由两条重链的末端分别结合一对轻链。,（1）. 粗肌丝（肌球蛋白，亦称肌凝蛋白，myosin ),一对重链和两对轻链,2 个结合点： to ATP to actin 肌动蛋白 （细肌丝）,横桥 (头),每条粗肌丝上伸出的横桥约有300400个,横桥特性： 1.与细肌丝（肌动蛋白）结合：摆动、解离、复 位、再结合 2.与ATP结合：有ATP酶活性,(2) 细肌丝 Thin filament,肌动蛋白,原肌球蛋白,肌钙蛋白,细肌丝 （Thin filament ）的组成,肌动蛋白,binding site to cross bridge,a. 肌动蛋白 （ Actin molecules ）亦称肌纤蛋白,球形分子聚合成两条链相互缠绕成螺旋状, 构成细肌丝的主干,其内壁上有与横桥的结合位点,细肌丝 Thin filament,b. 原肌球蛋白=原肌凝蛋白（ tropomyosin ）-调节蛋白,肌动蛋白,原肌球蛋白,binding site to cross bridge,作用： 长杆状分子两条多肽链组成的双螺旋纤维,与 肌动蛋白平行,增加细肌丝的固定性 位于肌动蛋白螺旋沟内,阻止肌动蛋白分子与横 桥头部结合,-调节蛋白,c. 肌钙蛋白 ( Troponin )- 调节蛋白 三个亚单位组成的球形分子, 每个肌钙蛋白分子可结合4个Ca2+,通过构像的改变启动收缩过程。,肌钙蛋白,（肌动蛋白）,（原肌凝蛋白）,细肌丝,原肌球蛋白,肌钙蛋白,肌动蛋白,（收缩蛋白质）,（3）粗、细肌丝的空间排列,肌丝滑行的过程,肌肉舒张状态：横桥-ATP被其头部的ATP酶分解，形成的ADP和无机磷酸仍留在头部，使横桥处于高势能状态，与细肌丝垂直，并对细肌丝肌动蛋白有高度亲和力,当肌质中Ca2+浓度增高;肌钙蛋白与Ca2+结合后发生构像改变； 肌钙蛋白构像改变,与肌动蛋白结合减弱，原肌球蛋白向肌动蛋白的双螺旋沟内移动,暴露出肌动蛋白的横桥结合位点；, 肌动蛋白与横桥头部结合,导致横桥头部构像改变，头部向桥臂方向扭动450，产生“棘齿作用”，拖动细肌丝向M线方向滑动，横桥头部贮存的能量转变为克服负荷的张力和（或）肌丝滑动引起肌节缩短，同时横桥头部的ADP和无机磷酸与之分离。,ADP解离的位点上，横桥头部结合一个ATP分子后，横桥头部与肌动蛋白解离。 解离后的横桥头部迅速将其结合的ATP分解为ADP和无机磷酸，恢复垂直于细肌丝的高势能状态。 横桥与肌动蛋白结合、摆动、复位和新位点的再结合的过程，称为横桥周期。,Ca2+ i 10-7 M,横桥周期,Ca2+ i 10-5 M,Steps in a cross bridge cycle,Ca2+ i 10-7 M,Ca2+ i 10-5 M,Steps in a cross bridge cycle,Ca2+ i 10-7 M,Ca2+ i 10-5 M,Steps in a cross bridge cycle,张力的变化,长度的变化,图2-23 横桥扭动时产生张力和缩短的示意图,横桥周期,概念: 将横纹肌细胞产生动作电位的电兴奋过程与肌丝滑行的机械收缩联系起来的中介机制或过程称为兴奋-收缩耦联(excitation-contraction coupling)。 1.结构基础: 肌管系统,关键部位为三联管结构(骨骼肌），二联管（心肌）。,(四 ) 横纹肌细胞的兴奋-收缩耦联,Excitation,肌细胞膜电兴奋,肌肉收缩,Ca2+,兴奋-收缩耦联, T管膜的动作电位传导 电兴奋通过横管系统传向肌细胞深处，激活T管膜和肌膜的L型钙通道（不开放）。 三联管结构处的信息传递： L型钙通道变构，激活连接肌质网（junctional sarcoplasmic reticulum, JSR）膜上的钙释放通道（RYR或称ryanodine受体）开放，使JSR内的Ca2+释放入胞质。,2. 兴奋-收缩耦联基本步骤, Ca2+触发肌肉收缩：胞质内Ca2+浓度升高，肌钙蛋白与Ca2+结合引发肌肉收缩。 纵行肌质网回收Ca2+：胞质内Ca2+浓度升高，激活纵行肌质网膜上的钙泵 （longitudinal sarcoplasmic reticulum,LSR），将Ca2+回收入肌质网，肌肉舒张。,Ca2+ 在兴奋-收缩耦联过程中的关键作用,L型钙通道引导骨骼肌SR释放Ca2+的过程 中，作为一个电位变化敏感信号转导分 子，而不是作为离子通道发挥作用。,心肌细胞高度依赖细胞外Ca2+浓度,(五) 影响横纹肌收缩效能的因素,等张收缩（isotonic contraction） 等长收缩 （isometric contraction）,产生张力或/和长度缩短程度 产生张力或/和长度缩短的速度,外部表现:,肌肉收缩效能表现为：,骨骼肌收缩的形式： 等长收缩：只有张力增加而长度保持不变 等张收缩：只有长度减小而张力保持不变,等长收缩 isometric contraction,等张收缩 isotonic contraction,force=25kg,load=30kg,等长收缩,等长收缩-,在实验条件下，将肌肉的两端固定，当肌肉收缩时长度不能缩短，而肌肉收缩过程中只有张力升高。 如体操中的“十字支撑” “直角支撑” 武术中的站桩,load=20kg,force=25kg,等张收缩,张力：静力学概念。 在绳索上，受到大小相同、方向相反两种拉力的作用，存在张力。 若长度不变，两方拉力越大，绳索上的张力越大。,等张收缩 - 实验条件下，肌肉一端固定，另一端处于游离状态，当肌肉收缩时，肌节缩短，在肌肉缩短的整个过程中张力始终保持不变。,Load 负荷-,preload,afterload,Type:, preload 前负荷, afterload 后负荷,影响横纹肌收缩效能的因素,1.前负荷（preload），指肌肉收缩前已加于肌肉上的负荷。前负荷使肌肉收缩前被拉长到某一长度，即初长度（initial length）。心肌收缩之前所遇到的阻力或负荷,2.后负荷（afterload），指肌肉收缩开始后遇到的负荷或阻力，它阻碍肌肉的缩短。 后负荷存在时，肌肉首先通过增加张力以对抗后负荷， 这时肌肉不表现缩短而张力增加，称为等长收缩（isometric contraction）。 只有当张力增加到足以对抗甚至超过后负荷时，肌肉才能开始缩短，且缩短一旦开始，张力就不再增加，这种收缩称为等张收缩（isotonic contraction）。,前负荷(preload): 在肌肉收缩之前所承受的负荷。决定初长度 初长度（initial length）: 肌肉收缩之前的长度。 前负荷的不同，同一肌肉将在不同的初长度条件下进行收缩。 初长度是前负荷的观测指标。,前负荷(preload)： 实验装置使肌肉只产生张力. 可观察在不同的初长度时, 同一肌肉产生的张力. 绘制成长度-张力曲线。,Stimulator (刺激器) Tonometer Load (张力计) (负荷),initial length,（ 初长度 ）,1.前负荷对初长度的影响,Stimulator (刺激器) Tonometer Load (张力计) (前负荷),initial length,（ 初长度 ）,1.前负荷对初长度的影响,1.前负荷对初长度的影响,Stimulator (刺激器) Tonometer Load (张力计) (前负荷),initial length,（ 初长度 ）,长度-张力曲线,测定等长收缩的张力的装置： 测定不同肌肉长度对收缩张力的影响 当把肌肉伸展到一定长度时，由于肌肉中结缔组织的回弹，会产生一定的被动张力。 施加刺激，可记录到一个收缩后的张力（总） = 被动张力 + 主动张力 肌肉固定于不同的初长度进行测量，可得到静息张力、总张力、肌肉长度的关系曲线。,肌肉的长度-张力曲线,肌肉的长度-张力曲线,特点： （1）肌肉收缩存在最适初长度： 在某一初长度下，肌肉收缩可以产生最大张力，该初长度 称最适初长度（optimal initial length） （2）大于或小于最适初长度，肌肉收缩产生的张力都将下降。 机制：肌肉收缩产生的张力与肌小节长度的变化有关,长度-张力曲线与肌节长度的变化有关,a.在一定范围内，前负荷越大，初长度越长，粗细肌丝的有效重叠越多，肌肉收缩越强。 b.粗肌丝上的每个横桥都有与细肌丝相互作用的位置，因而出现最佳收缩效果。 c.当肌肉收缩达到最大时,所对应的为最适前负荷和最适初长度,主 动 张 力,最适初长度 骨骼肌在体内所处的自然长度，大致相当于它们的最适初长度 粗肌丝的长度是1.5m，在M线两侧各0.1m的范围内没有横桥, 因此在M线两侧有横桥的粗肌丝长度各为0.65m，这样当每侧细肌丝伸入暗带0.65m ,每个肌小节的长度2.02.2m。 减少前负荷使肌小节长度小于2.2m， 增加前负荷大于最适前负荷使肌小节的长度将大于2.2m。,前负荷对收缩的影响： （1）在一定范围内，前负荷愈大，初长度愈长，收缩力愈大； （2）最适初长度时，肌肉收缩能使肌肉产生最大张力； （3）前负荷过大，初长度过长，收缩力降低。,Screw (螺丝) Stimulator (刺激器) Tonometer Load (张力计) (后负荷),initial length,（ 初长度 ）,2.后负荷对速度的影响,Stimulator,后负荷(after-load): 肌肉在收缩过程中所承受的负荷。,Screw (螺丝) Stimulator (刺激器) Tonometer Load (张力计) (后负荷),initial length,（ 初长度 ）,作功,Screw (螺丝) Stimulator (刺激器) Tonometer Load (张力计) (后负荷),initial length,（ 初长度 ）,Screw (螺丝) Stimulator (刺激器) Tonometer Load (张力计) (后负荷),initial length,（ 初长度 ）,后负荷对速度的影响- 后负荷对收缩的影响可以用肌肉的张力-速 度关系曲线表示-,前负荷固定不变条件下, 给予不同后负荷, 通过刺激观察肌肉张力和缩短的时间、程度.,张力-速度关系曲线,特点: （1）先产生张力，后出现缩短，缩短发生后张力不再增加 （2）后负荷愈大，张力愈大，缩短出现愈迟，缩短的初速度和总长度愈小 机制：肌肉缩短速度与横桥周期的长短成比例,内在因素,胞质内Ca2+的水平,肌球蛋白的ATP酶活性,ATP,ADP+Pi, 递质、激素 病理因素、药物: 降低 缺氧、酸中毒、 能源物质 加强 钙离子、咖啡因、肾上腺素,Tc,myosin,actin,Ca2+,3. 肌肉收缩能力,肌肉收缩能力 (Contractility) 肌肉本身内在特性 - 变力状态，肌力作用,单收缩 （ Single twitch ）,强直收缩 （tetanus ）,4. 收 缩 的 总 和,包括运动单位数量、频率效应的总和。,（1）多纤维总和（运动单位数量的总和） 运动单位： （ 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，称为一个运动单位； 不同运动单位包含的肌纤维数不同,运动单位数量的总和：大小原则 弱收缩时，小运动单位收缩；收缩强度增加时，更多的、更大的运动单位参加收缩，产生的张力也随之增加。 舒张时，首先最大的运动单位停止收缩，最后才是小运动单位。,（2）频率效应的总和 运动神经元发放冲动的频率可以影响骨骼肌收缩形式和收缩强度。,单收缩 Twitch 骨骼肌受到一次短促刺激,可产生一次动作电位,随后会出