骨骼肌心肌和平滑肌细胞生理

,1,人体及动物生理学,吴翰桂教授 主讲,2018/1/18,第五章 骨骼肌、心肌和平滑肌细胞生理,第一节 骨骼肌生理 第二节 平滑肌生理 第三节 心肌生理 ,2,2018/1/18,3,第一节 骨骼肌生理,神经肌肉组织的一般生理主要是指运动神经纤维及其支配的骨骼肌纤维（如神经-肌肉标本nerve-muscle preparation）的生理功能。环节与内容：兴奋及其传导神经肌肉接点间兴奋的传递肌肉收缩实验材料：坐骨神经腓肠肌,2018/1/18,4,50年代，Huxley提出肌丝滑行学说，认为肌肉收缩时并无肌丝或其他有形结构的卷曲、缩短，只是细肌丝向粗肌丝之间滑动，使肌节缩短。,第一节 骨骼肌生理,2018/1/18,5,2018/1/18,6,一骨骼肌纤维肌原纤维和肌管系统构成,1.肌原纤维：由许多肌微丝组成，肌微丝有粗肌丝和 细肌丝两种。1）粗肌丝（100-150A15000A）位于暗带，主要由肌球蛋白构成。每条粗肌丝约含200个肌球蛋白分子，肌球蛋白分子类似豆芽，主干细长，头膨大，又称横桥，横桥具有ATPase活性。肌球蛋白分子构成粗肌丝时，其主干朝向暗带中央M线，横桥螺旋式排列在外，与主干略呈垂直，朝向Z线。2） 细肌丝（50-70A10000A）位于明带和部分暗带，由肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白组成。肌动蛋白：单体球形，聚合成两条并行的念珠串，且拧成螺旋双链，上有与粗肌丝横桥结合的位点。原肌球蛋白：两条细长形原肌球蛋白双体分子分别位于肌动蛋白双螺旋链的两条沟壁中，可掩盖或暴露肌动蛋白上的横桥结合位点。肌钙蛋白：球形，能与Ca2+结合或分离以调节原肌球蛋白的位置。,2018/1/18,7,2肌小节sorcomere横切面：每一粗肌丝周围有六根细肌丝；每一细肌丝周围有三根粗肌丝。 纵切面：1/2明带 + 暗带 + 1/2明带: Z线1/2明带暗带（中间为H带，正中有一M线）-1/2明带Z线,2018/1/18,8,3肌管系统与三联体结构横管系统：由肌膜在A带和I带交界处凹陷成横小管与肌纤维长轴垂直，穿行于肌原纤维之间，横小管开口于肌膜，与细胞外液相连通。纵管系统：由滑面骨质网形成，与肌原纤维长轴平行，其两端（A带、I带交界处）膨大成终末池，起贮存、释放Ca2+的作用。三联体结构,2018/1/18,9,二 骨骼肌的收缩机制,（一）Ca2+是兴奋收缩的偶联因子1兴奋通过横管传导到肌细胞深部2横管的电变化通过三联体，导致纵管终末池释放Ca2+3肌肉收缩后Ca2+被回摄入纵管系统,2018/1/18,10,（二）两种肌微丝所含蛋白质的不同分子特性是肌丝滑行的分子基础1粗肌丝：几乎全部由肌球蛋白组成：主杆； 球头（横桥）2细肌丝：60%为肌动蛋白 原肌球蛋白 肌钙蛋白：C亚单位 T亚单位 I亚单位,2018/1/18,11,（三）肌丝滑行导致肌小节缩短1Huxlay发现，肌肉缩短时，A带宽度不变；I带变窄；H小带变小直到消失。表明肌肉收缩时，粗细肌丝长度不变，只是细肌丝向粗肌丝中间滑行。2细肌丝的滑行是由于粗肌丝上横桥与细肌丝的肌动蛋白结合，然后横桥向M线方向摆动，拖动细肌丝向暗带中央滑行。,2018/1/18,12,3Ca2+与肌丝滑行： Ca2+达到一定水平 （10-5mol/L）时，Ca2+可与肌钙蛋白结合，并使之变构，进而引起原肌球蛋白构型改变，使肌动蛋白头和肌球蛋白能结合成肌动球蛋白，分解ATP，引起横桥摆动。4Ca2+的来龙去脉 1）安静时，贮存于终末池中，肌浆中仅10-9 mol/L 2）兴奋传进横管，传递到终末池膜结构中，Ca2+通道打开，Ca2+顺浓度差进入胞浆中。 3）冲动结束后，肌质网中Ca2+泵将肌浆中Ca2+转运到肌质网（终末池）中。,2018/1/18,13,5兴奋收缩耦联的总过程 excitation-contraction coupling运动神经冲动肌膜产生动作电位横管系产生动作电位终末池释放Ca2+Ca2+与肌钙蛋白结合使之变构原肌球蛋白变构，暴露出肌动蛋白结合点肌球蛋白（横桥）与肌动蛋白结合，分解ATP横桥摆动，细肌丝滑行肌节缩短,2018/1/18,14,三骨骼肌收缩的机械特性,（一）肌肉收缩的基本形式：等张收缩和等长收缩1等张收缩2等长收缩（二）肌肉收缩具有空间和时间总和的特性1单收缩： 潜伏期； 收缩期；舒张期2复合收缩3强直收缩,2018/1/18,15,2018/1/18,16,（三）肌肉收缩的机械功取决于 负荷量和收缩速率1负荷量：后负荷；前负荷2肌肉收缩的速率3 机械效率mechanical efficiency：完成机械功的分量与所耗费的总能量的比率。,2018/1/18,第二节 平滑肌生理一、平滑肌的结构,平滑肌细胞呈梭形，长50100微米，直径210微米，有单个细胞核。许多平滑肌细胞以典型的薄层形式围绕机体腔器官分布。平滑肌纤维中存在三种类型的肌丝：粗肌丝(含肌球蛋白)、细肌丝(含肌动蛋白，无肌钙蛋白 )和中间丝。粗、细肌丝并不构成肌原纤维，也不存在有规律的肌节。中间不参与肌纤维的收缩，但作为细胞骨架的一部分维持细胞的形态。平滑肌细胞相互连接，形成连续的结构，这种机械连接的形式使它们能同时被激活并对刺激作出相同的反应，这种结构对平滑仙完成其生理功能是至关重要的。在平滑肌之间存在各种形式的特异连接。包括缝隙连接(类似电突触，传电)和机械连接(又称粘附连接，传力)。,17,2018/1/18,第二节 平滑肌生理二、平滑肌细胞的电活动,(一) 单位平滑肌和自发电活动电位主要存在于腔器官的管壁和内脏器官中，细胞间以缝隙连接通过电偶合来传递信息，故常作为一个功能合胞体形成一个共同单位同步产生收缩。单位平滑肌纤维没有恒定的静息电位，它们能自我兴奋逐步除极化，达到阈电位水平时产生一次动作电位(起搏点电位)。单位平滑肌细胞的自动去极化电位可分为两种类型：一种是起搏点电位，另一种为慢波电位。前者的活动可启动非神经支配的。,18,2018/1/18,(二) 多单位平滑肌和神经源性活动多单位平滑肌由多个分离的、在功能上相互独立的单位组成。与骨骼肌类似，每个单位都需要接受神经刺激才能收缩，属于神经源性活动。但多单位平滑肌接受自主神经支配，而非躯体运动神经支配。多单位平滑肌主要存在于大血管的管壁、气管、与调节眼屈光度有关的眼肌以及毛囊基部等处。,19,第二节 平滑肌生理二、平滑肌细胞的电活动,2018/1/18,第二节 平滑肌生理三、平滑肌的收缩,(一)平滑肌的收缩机制由于平滑肌细胞的细肌丝中没有与钙结合的肌钙蛋白，因此不存在 横桥与肌动蛋白结合位点激活的问题。研究表明，肌球蛋白的磷酸化是屐这一过程的唯一条件。4个Ca2+与胞质中的钙调蛋白结合形成复合体 复合体与肌球蛋白轻链激酶MLCK结合并激活此酶 激活的MLCK催化肌球蛋白轻链MLC磷酸化 磷酸化的横桥被激活，与肌动蛋白结合。(二)肌浆中Ca2+浓度的调节细胞外Ca2+是启动平滑肌细胞收缩的主要来源。,20,21,第三节 心肌生理,一 心肌的电活动组成心脏的心肌细胞可以分为两大类：一类是普通的心肌细胞，包括心房肌和心室肌，它们含有丰富的肌原纤维，执行收缩功能，故又称为工作细胞，工作细胞不具有自动节律性，属于非自律细胞；另一类是特殊分化的心肌细胞，具有自动节律性，组成了心脏的特殊传导组织（specific conduction system）。心脏的特殊传导组织包括：窦房结、房室交界、房室束、末梢普肯野纤维网。房室交界又分为：房结区、室结区、结希区和希氏束。,22,另外，根据心肌细胞0期去极化速度的不同，以及是否具有自律性的特点，可分为快反应自律细胞（心房传导组织、房室束和普肯野纤维网中的自律细胞）和非自律细胞（心房肌和心室肌细胞）、慢反应自律细胞（窦房结、房结区和结希区的自律细胞）和非自律细胞（存在于结区中）4类。,第三节 心肌生理,23,（一） 心肌电活动的离子基础与骨骼肌相比，心肌细胞的电活动要复杂得多。不同类型的心肌细胞的跨膜电位在幅度和持续时间上各不相同，而且其波形和形成的离子基础也有一定的差异。现以心室肌细胞为例介绍心肌细胞动作电位形成的机制。,第三节 心肌生理,24,1心肌细胞的静息电位：形成的离子机制与骨骼肌相同，是“安静”时细胞内高浓度的K+外流造成。心室肌：-90mV,第三节 心肌生理,25,2心肌细胞的动作电位 其去极化和复极化过程共五个时期：（1） 0期去极化过程 静息（-90 mV） 膜静息电位减小到阈值（-70 mV） Na+通道激活 Na+透性 膜外高浓度Na+内流 膜内电位迅速上升（去、反极化）（+30 mV）（2） 复极化1 期（快速复极化初期） 通道迅速关闭，Cl-道打开 Cl-内流 膜电位迅速下降（0 mV）0期与此同时期合成峰电位。,第三节 心肌生理,26,（3） 复极化2期（缓慢复极期或平台期）Cl-关闭，Ca2+道打开，Ca2+内流 = 慢K+道打开K+外流：平衡。平台期是心肌细胞动作电位的主要特征，也是复极化慢而且长的原因所在。（4） 复极化3期（快速复极末期）K+道打开，K+外流 膜电位迅速下降（-90 mV）（5） 静止期4 期Na+/K+泵活动，为下一次心肌兴奋作准备。,第三节 心肌生理,27,（二） 心肌的生理特性1自律性Autorhythmicity在适宜条件下,心脏在脱离神经支配甚至离体的情况下,仍能自动地产生节律性兴奋和舒缩的特性。自律性来源于自律组织的自律细胞。蛙类的Stannius，结扎实验自律组织的自律性：窦房结（100/min）心房传导组织房室交界（40-60/min）房室束和Pukinju，s纤维（30/min）,第三节 心肌生理,28,心脏的自律活动：自律细胞的电位特点是第4期不稳定，存在4期自动去极化（spontaneous depolarization），其原因在慢反应细胞推测是由于内向Ca2+流K+外流。当舒张期自动去极化达到阈电位水平时，即引发全面的0期去极化，爆发动作电位。窦性节律与正常心律：,第三节 心肌生理,29,潜在起搏点与异位起搏点：异位节律：Stannius，结扎实验： 静脉 心房 心室 第一结扎 第二结扎影响自律性的因素： （1）4期自动去极化的速度 （2）最大舒张电位的水平 （3）阈电位水平,第三节 心肌生理,30,2 传导性 Conductivity，conductibility心肌和神经纤维一样，具有传导兴奋的能力，称为传导性。即心肌的任何一点接受刺激，兴奋即将从该点传向心肌的其它部分。传导：局部电流形式（心肌细胞内）传递：兴奋能以电的形式通过电阻很低的闰盘，在心肌间直接传递。整个心房或心室实际上就形成了一个功能上的合胞体。,第三节 心肌生理,31,窦房结 - 结间束- 房室结 - 房室束-Pukinju，s纤维-心室肌速度：心房肌 0.4 m/s 房间束 1.7 m/s 心室肌 1 m/s 浦氏纤维 4 m/s 可使兴奋几乎同时传到所 有心房肌或心室肌，从而使之同步收缩，效果好。 房室结 0.02 m/s 故兴奋延搁（房室延搁） 0.05-0.1s，保证了心房、心室交替收缩；但此地容易发生传导阻滞。,第三节 心肌生理,32,33,3兴奋性：excitivity，excitativity，excitability心肌细胞具有对刺激发生反应的能力，称兴奋性。（1） 心肌兴奋性的周期性变化 +30mV -55 mV -80 mV -90 mV 90 mV绝对不应期 相对不应期 超常期 正常期 0.2-0.3s 有效不应期(-60 mV)绝对不应期约与心肌收缩期等时，故心肌收缩进程中不可能接受刺激再次兴奋，保证了一缩一舒射血功能的正常。,第三节 心肌生理,34,（2）期前收缩与代偿间歇 premature systole and compensatory pause心室开始舒张（相对不应期）时给予一个强刺激，则可引起期前收缩（早搏）。期前收缩后，常可见一段长时间的间歇，称代偿间歇。其原因是由于从窦房结传来的兴奋刚好落在期前收缩的绝对不应期内，因而不会引起心肌收缩，须等窦房结传来的下一次兴奋才能发生反应，因而减少了一次搏动。,35,4收缩性 contractility，contractibility心肌在发生兴奋时，外在表现为肌纤维的缩短，称心肌的收缩性。就整个心脏而言，收缩是“全或无 all or none”式的。特点：（1）对Ca2+的明显依赖； （2）同步收缩； （3）不发生强直收缩。,第三节 心肌生理,36,（三）理化因素对心肌生理特性的影响1K+、Ca2+、Na+ 的影响血K+过高：心率减慢，传导速度降低，收缩力减弱。血K+过低：自律性增高，易产生期前收缩，甚至异位节律。血Ca2+过高：收缩力过强，甚至停搏于收缩态。血Ca2+过低：收缩力减弱。血Na+主要在于维持渗透压平衡，也是心肌兴奋所必需