肌肉的收缩活动

人体各种形式的运动都是靠肌肉收缩完成的。根据结构和收缩特性的不同，人体的肌组织可分为骨骼肌、心肌和平滑肌三大类。根据在光学显微镜下的结构特征，其中骨骼肌和心肌均呈现明暗交替的横纹，所以称其为横纹肌。也可根据所受神经支配的差别分为随意肌（骨骼肌）和非随意肌（心肌和平滑肌）两类。肌细胞（肌纤维）的收缩是由于其中的粗、细肌丝滑行的结果。收缩速度及力量的大小受负荷等因素影响。

一、横纹肌的收缩活动

骨骼肌和心肌从结构特征上都属于横纹肌，但是骨骼肌属于随意肌，其收缩活动是在神经系统控制下完成的，只有支配骨骼肌的运动神经元兴奋，才能激活骨骼肌产生收缩运动；心肌属于非随意肌，其活动依赖于心脏自律系统的激活。

（一）骨骼肌神经-肌肉接头处兴奋的传递

骨骼肌的活动受运动神经支配，当支配骨骼肌的神经兴奋时，其兴奋通过神经-肌肉接头传递，使骨骼肌兴奋而发生收缩。

（二）骨骼肌神经-肌肉接头的结构

每一个骨骼肌细胞（肌纤维）上有一个神经-肌肉接头(neuromuscular junction)，躯体运动神经纤维以裸露的轴突末梢嵌入到所支配的肌细胞终板膜(end plate

membrane)凹陷中而形成。神经-肌肉接头可分为三部分：接头前膜(prejunctional

membrane)即与终板膜最接近的神经纤维末梢膜；接头后膜(postjunctional

membrane)即肌细胞的终板膜，终板膜又向内凹陷，形成许多皱褶以增大其表面积；二者不直接接触，存在的间隙为突触间隙(synaptic cleft)，宽20～30 nm，间隙内为细胞外液。神经末梢的轴浆内含有约3×105个突触囊泡(synaptic vesicle)，每个囊泡内约含有104个乙酰胆碱分子，可在神经冲动到达时通过胞吐方式，以囊泡为单位“倾囊”释放到突触间隙内；接头后膜分布着能与乙酰胆碱特异性结合的N2型乙酰胆碱受体，即化学门控的乙酰胆碱受体通道。通道开放时可允许𝑁𝑎+、𝐾+甚至少量𝐶𝑎2+通过。在突触终板膜外侧表面还分布有乙酰胆碱酯酶，其可以将乙酰胆碱分解为胆碱和乙酸。

（三）骨骼肌神经-肌肉接头的传递过程

当神经冲动沿轴突传导到神经末梢时，神经末梢去极化，末梢膜上的电压门控𝐶𝑎2+通道开放，接头间隙中的一部分𝐶𝑎2+进入膜内（胞外𝐶𝑎2+浓度大于胞内），促使囊泡向接头前膜内侧靠近，并与其融合，再通过出胞作用将囊泡中的ACh分子以量子式释放（每个囊泡中的ACh量被看作是1个量子，其中的量通常是相对恒定的。在释放时，以囊泡为单位倾囊释放）进入接头间隙。当ACh通过接头间隙扩散到达终板膜时，立即与集中存在于该处的化学门控通道分子（ACh受体）结合，引起蛋白质构象变化，导致通道开放，终板膜对𝑁𝑎+和𝐾+通透，𝑁𝑎+内流和𝐾+外流。由于𝑁𝑎+的驱动力大于𝐾+外流，故主要是𝑁𝑎+内流和少量𝐾+外流，总的结果是使终板膜处原有的静息电位减小，终板膜出现去极化，这一去极化电位称为终板电位(endplate potential, EPP)，为50～75 mV。终板膜电位属于局部电位，以电紧张的形式（物理作用）向外扩布，影响邻近的肌细胞膜（非终板膜），使其去极化而达到阈电位时，该处膜中的电压门控𝑁𝑎+通道激活，引发一次沿整个肌细胞膜传导的动作电位，从而完成了神经纤维和肌细胞之间的信息传递。

上述传递过程可简述如下：神经冲动沿轴突传导到神经末梢，接头前膜去极化→电压门控𝐶𝑎2+通道开放，𝐶𝑎2+内流→突触囊泡向突触前膜移动→ACh释放→通过接头间隙扩散到终板膜→与终板膜化学门控通道分子（ACh受体）结合，终板膜处𝑁𝑎+内流大于𝐾+外流，终板电位（去极化电位）→使周围肌细胞膜去极化达到阈电位，肌细胞膜产生动作电位→胆碱酯酶将乙酰胆碱分解，终止终板膜电位。

神经-肌肉接头处兴奋的传导具有电-化学-电传递的特点。首先是以神经末梢兴奋的电信号形式表现，然后通过在突触间隙内释放乙酰胆碱将电信号转换为化学信号，乙酰胆碱通过与终板膜上的乙酰胆碱受体结合诱发终板电位，再将化学信号转换为电信号。在安静情况下，即神经末梢没有动作电位到达时，也可以有极少量的ACh小泡释放，但这种释放属于自发释放，只能使终板膜产生0.4 mV的微终板电位(miniature endplate potential, MEPP)，与神经-骨骼肌肉接头传递无关。当神经末梢动作电位到达时，一个神经冲动可以引起100～300个小泡（每个小泡中有5000～10 000个ACh分子）几乎同时将其中的ACh分子释放到接头间隙，使终板膜产生的终板电位，大约超过引起肌细胞膜阈电位所需电位的3～4倍，必定可以使肌膜去极化达阈电位，从而产生动作电位。故在正常情况下，神经-骨骼肌接头处的兴奋传递通常是1对1的，即运动纤维每有一次神经冲动到达末梢，都能“可靠地”使肌细胞兴奋一次，诱发一次收缩。但ACh在释放后的几毫秒内，即可被胆碱脂酶(acetylcholinesterase)迅速分解，使终板膜恢复到接受新兴奋的状态，终板电位的实际持续时间是很短暂的。

（四）骨骼肌神经-肌肉接头传递的特点

与神经纤维动作电位传导相比较，神经-肌肉接头传递有以下特点：化学传递：神经与骨骼肌细胞之间的信息传递，是通过神经末梢释放化学物质乙酰胆碱进行的，是以化学物质为中介的传递；单向传递：兴奋只能由运动神经末梢传向肌肉，而不能作相反方向的传递；时间延搁(delay)：兴奋通过神经-骨骼肌接头处至少需要0.5～1.0 ms，比兴奋在同一细胞上传导同样距离的时间要长得多，因为神经-骨骼肌接头处的传递过程包括乙酰胆碱的释放、扩散以及与终板膜上通道蛋白质分子的结合等，均需花费一定的时间；易受药物或其他环境因素变化的影响：如细胞外液的pH、温度、药物和细菌毒素等的影响。 二、骨骼肌细胞的兴奋-收缩耦联

肌纤维膜上的动作电位如何触发肌纤维内部的活动，使它产生机械收缩？将这两者联系起来的过程被称作兴奋-收缩耦联（excitation-contraction coupling），这个过程包括三个主要步骤：兴奋通过横管系统向肌细胞深处传导；三联管结构的信息传递，肌质网对𝐶𝑎2+的释放和再聚集；触发肌丝滑行，从而实现肌肉的收缩。

（一）骨骼肌的超微结构

骨骼肌细胞也称为骨骼肌纤维，其内含有纵贯细胞全长的数千条肌原纤维，是肌肉收缩的结构基础。同时肌原纤维又被非常发达的肌管系统所包绕。

1. 肌原纤维和肌小节

骨骼肌细胞内含有大量直径为1～2 μm的、纵向平行排列的肌原纤维，在显微镜下可见沿长轴排列的明暗交替的横纹，分别称为明带和暗带。在暗带中央有一条横线，称为M线，M线两侧有相对较为明亮的区域称为H带；在明带中央也有一条横线，称为Z线（从三维的角度也可被称为Z盘）。在相邻的两条Z线之间的区域被称为肌小节(sarcomere)。肌小节是肌肉收缩和舒张的基本功能单位，主要由粗、细肌丝组成。在骨骼肌安静时肌小节的长度为2.0～2.2 μm，其长度可在1.5～3.5 μm间变化。粗肌丝由肌小节中央骨架蛋白形成的M线向两侧Z线延伸，但不与Z线相连。细肌丝则由Z线向M线延伸，与粗肌丝相互穿插、重叠，正是由于粗、细肌丝在肌小节中的规则排列才使肌原纤维呈现明暗交替的横纹。

粗肌丝长约1.6 μm，主要由200～300个肌球蛋白(myosin)分子构成，呈长杆状，在一端有两个球形膨大，形似豆芽的头部。肌球蛋白的杆部聚合在一起朝向暗带中央的M线排列，构成了粗肌丝的主干。球形的头部由粗肌丝向外伸出形成300～400个横桥（cross-bridge）。肌球蛋白的横桥主要作用是：具有ATP酶的活性，可将ATP分解为ADP，释放出的能量供给横桥作为扭动的能量来源。与细肌丝上的肌纤蛋白发生可逆性的结合，同时向M线方向扭动，拖拽细肌丝向粗肌丝内部滑行。

细肌丝长约1.0 μm，主要由肌动蛋白，也称肌纤蛋白(actin)、原肌凝蛋白(tropomyosin)和肌钙蛋白(troponin)三种蛋白质分子聚合而成。肌纤蛋白单体呈球形，相互聚合呈串珠链状，两条链相互以螺旋形式缠绕构成细肌丝的主干。肌纤蛋白具有激活粗肌丝上肌球蛋白头部ATP酶的位点，并能与肌球蛋白结合。原肌纤蛋白是长杆状分子，其首尾相连构成长链，沿肌纤蛋白双螺旋旁行走。当肌肉处于舒张状态时，原肌纤蛋白可以“覆盖”肌纤蛋白上的ATP酶激活位点，防止其激活粗肌丝上的ATP酶。肌钙蛋白为三聚体，其中肌钙蛋白T（TnT）与原肌纤蛋白相结合；肌钙蛋白C（TnC）是结合𝐶𝑎2+的亚单位，每个分子可以与4个分子的𝐶𝑎2+相结合；肌钙蛋白I（TnI）连接肌纤蛋白。当胞质中𝐶𝑎2+浓度升高时，𝐶𝑎2+与TnC结合可以使肌钙蛋白的构象发生变化，这将导致引起TnI与肌纤蛋白的结合变弱，并使原肌纤蛋白向肌纤蛋白双螺旋沟的深处移动，这将导致肌纤蛋白上的结合位点暴露出来，诱发横桥与肌纤蛋白相结合，分解ATP酶，最终导致肌肉收缩。

2. 肌管系统

横纹肌细胞内存在有两套独立的肌管系统。横管又称为T管，其走向与肌原纤维相互垂直，由肌细胞膜在靠近明、暗带交界处向胞内凹陷而形成，包绕着每条肌原纤维。纵管又称为L管，其与肌原纤维的走向平行，纵管交织成网，大面积包绕着肌原纤维，即纵行肌质网；其与横管相接触的末端膨大称为连接肌质网或终池(terminal cisterna)，在终池内储存有高浓度的𝐶𝑎2+，其浓度高于细胞质近万倍；其膜上有电压门控的L型𝐶𝑎2+释放通道（或称ryanodine受体，ryanodine

receptor，RYR）可以将𝐶𝑎2+释放到胞质内。T管与其两侧的终池构成了三联管(triad)结构，这是兴奋-收缩耦联的关键部位。

（二）兴奋-收缩耦联

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）。中介兴奋-收缩耦联的关键结构是三联管，关键的分子是𝐶𝑎2+。

骨骼肌的动作电位形式与神经细胞非常类似，是在约-90 mV的静息电位基础上产生的，动作电位的持续时间略长（2～4 ms），其形成机制也与神经细胞相同。兴奋-收缩耦联是包括以下三个基本步骤：肌膜的动作电位沿着凹入肌细胞内部的横管膜传播，激活邻近终池的𝐶𝑎2+释放通道；在骨骼肌肌膜去极化可引起L型𝐶𝑎2+通道的电压敏感肽段发生构象改变，产生类似“拔塞”样作用。使得终池中的𝐶𝑎2+进入胞质，胞质内的𝐶𝑎2+浓度由静息时的0.1 μmol/L水平升高至1～10 μmol/L（10～100倍）；胞质内的𝐶𝑎2+浓度升高，促使𝐶𝑎2+与TnC结合并引发肌丝滑行；胞质中的𝐶𝑎2+浓度升高也将激活肌浆网膜中的钙泵，将胞质中的𝐶𝑎2+回收入终池中，𝐶𝑎2+浓度的降低则引起肌肉舒张，可见肌肉的舒张过程也是一个耗能的过程。

在上述的肌肉兴奋-收缩耦联过程中，导致肌肉收缩，即粗肌丝与细肌丝间的相互滑行是通过横桥周期完成的，所谓横桥周期（cross-bridge cycling）是指肌球蛋白的横桥与肌纤蛋白结合、扭动、复位的过程。主要过程如图所示：在肌肉舒张状态下，横桥利用它的ATP酶活性将与之结合的ATP分解，分解后的ADP和无机磷酸与横桥结合，ATP分解产生的能量部分用于使上次收缩时发生扭动的横桥复位，使横桥与细肌丝保持垂直的角度，在此状态下，横桥具有很高的势能，对细肌丝中的肌纤蛋白具有高亲和力；在细胞质中𝐶𝑎2+浓度升高时，𝐶𝑎2+与细肌丝上的肌钙蛋白相结合，使原肌凝蛋白发生位移，暴露出肌纤蛋白上与横桥相结合的位点，横桥立即与肌纤蛋白相结合；随后，结合的无机磷酸被肌球蛋白释放出来，引起横桥构象的改变；横桥的头部向桥臂方向扭动约45°，产生棘齿作用(ratchet action)拖动细肌丝向M线方向滑动，横桥储存的势能用于克服负荷的张力和（或）使肌小节缩短，同时ADP也从横桥上释放出来；一个新的ATP结合到横桥上，引起横桥与肌纤蛋白的亲和力下降而分离。上述的横桥周期会不断重复，直到收缩过程完成。