第二节 肌肉收缩的力学分析
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肌肉的收缩原理一肌肉的收缩过程(一)肌丝滑动学说在十九世纪就已经用光学显微镜观察到肌小节中的带区。
同时还观察到,当肌肉缩短或被牵张时肌小节的长度发生变化。
Andrew F. Huxley和R. Niedergerke用特制的干涉显微镜精确地测量肌小节的长度,在1954年确认了十九世纪的报告,即在肌肉缩短时A带的宽度保持不变,而I带和H区变窄。
在肌肉被牵张时,A带的宽度仍然保持不变,而I带和H区变宽。
同年,Hugh E. Huxley 和Jean Hanson 报告,用相差显微镜观察到在肌小节缩短或被牵张时,肌球蛋白丝和肌动蛋白丝的长度不变,而肌球蛋白丝和肌动蛋白丝重叠的程度发生变化。
主要基于这两方面的证据,H. E. Huxley 和A. F. Huxley 在1954年分别独立的提出肌肉收缩的肌丝滑行学说(sliding-filament theory of muscle contraction)。
这个学说认为在收缩时肌小节的缩短(也就是肌肉的缩短)是细肌丝(肌动蛋白丝)在粗肌丝(肌球蛋白丝)之间主动地相对滑行地结果。
肌小节缩短时,粗肌丝、细肌丝地长度都不变,只是细肌丝向粗肌丝中心滑行。
由于粗肌丝地长度不变,因之A带地宽度不变。
由于肌小节中部两侧地细肌丝向A带中间滑行,逐渐接近,直到相遇,甚至重叠起来,因此H区地宽度变小,直到消失,甚至出现反映细肌丝重叠地新带区。
由于粗肌丝、细肌丝相向运动,粗肌丝地两端向Z线靠近,所以I带变窄。
当肌肉牵张或被牵张时,粗肌丝、细肌丝之间地重叠减少。
肌丝滑行学说根本不同于早期地肌肉收缩学说。
早期有些研究者曾经提出,肌肉收缩是由于蛋白质分子本身地缩短。
蛋白质分子地缩短或是由于折叠型分子增加折叠地结果;或是由于螺旋形分子改变螺旋距或直径地结果。
与此相反,肌丝滑行学说主张长度不变地肌丝主动相对滑行是由于肌球蛋白横桥地活动在肌球蛋白丝与肌动蛋白丝之间产生力的结果。
在完整机体内,肌肉的收缩是由运动神经以冲动形式传来的刺激引起的。
第⼀章肌⾁的活动第⼀篇器官系统运动⽣理学第⼀章肌⾁的活动第⼀节肌⾁的兴奋和收缩第⼆节肌⾁收缩的形式及⼒学分析教学任务通过教学,使学⽣明确肌⾁的神经⽀配及兴奋在神经—肌⾁接头传递过程。
掌握肌纤维的微细结构、肌⾁收缩和舒张的原理和过程,肌⾁收缩的形式和肌⾁收缩的⼒学分析。
教学重点肌纤维的微细结构、肌⾁收缩和舒张的原理和过程,肌⾁收缩的形式和肌⾁收缩的⼒学分析。
教学难点肌⾁的神经⽀配及兴奋在神经—肌⾁接头传递过程。
肌⾁收缩的⼒学分析。
教学⽅法与⼿段结合多媒体课件进⾏课堂讲授教学内容授课过程:复习上节课的主要内容新课引⼊:第⼀篇器官系统运动⽣理学第⼀章肌⾁的活动第⼀节肌⾁的兴奋和收缩⼈体的肌⾁分为⾻骼肌、⼼肌和平滑肌三⼤类。
⾻骼肌的主要活动形式是收缩和舒张。
通过舒缩活动完成运动、动作,维持⾝体姿势。
⾻骼肌的活动是在神经系统的调节⽀配下,在机体各器官系统的协调活动下完成的。
肌纤维(肌内膜)集中形成肌束(肌束膜),肌束集中形成肌⾁(肌外膜)。
每⼀块肌⾁都是⼀个器官。
肌⾁两端为肌腱,跨关节附⾻。
⼀、肌⾁的神经⽀配(⼀)运动单位1、脊髓运动神经元发出的运动神经纤维通过终板⽀配⾻骼肌的运动。
⼀个运动神经元和它所⽀配的全部⾻骼肌纤维所组成的结构和机能单位叫做⼀个运动单位。
运动单位的⽣理特点是作为⼀个整体活动。
运动单位是最基本的肌⾁收缩单位。
2、运动单位的分类:(1)运动性(快肌)运动单位—⼤运动单位:冲动频率⾼,收缩⼒量⼤,易疲劳,氧化酶含量低。
⼤运动单位中(如腓肠肌)肌纤维数⽬多,收缩时产⽣的张⼒⼤。
(2)紧张性(慢肌)运动单位—⼩运动单位:冲动频率低,持续时间长,氧化酶含量⾼。
⼩运动单位中(如眼外直肌)肌纤维数⽬少,收缩时⽐较灵活。
同⼀运动单位肌纤维兴奋收缩同步;同⼀肌⾁中属不同运动单位的肌纤维兴奋收缩不⼀定同步。
(因神经冲动的不同频率及肌纤维的兴奋性)3.运动单位的动员(1)概念:参与活动的运动单位数⽬和神经发放冲动频率的⾼低结合,形成运动单位的动员。
第二章肌肉的工作[内容提要]本章主要阐述肌肉收缩的形式、力学分析及肌纤维类型与运动能力的关系。
第一节肌肉收缩的形式和力学分析一、肌肉收缩的形式(一)缩短收缩(二)拉长收缩(三)等长收缩缩短收缩和等长收缩(一)缩短收缩(向心收缩):定义:当肌肉收缩时产生的张力大于外加阻力负荷时,肌肉缩短,牵拉它附着的骨杠杆做向心运动。
作用:缩短收缩是人体得以实现各种加速度的基础。
特点:缩短收缩时,因负荷移动方向和肌肉用力的方向一致,肌肉做正功。
形式:缩短收缩分为等张收缩和等动收缩。
1.等张收缩等张收缩时,其负荷即外加阻力在整个收缩过程中是恒定的。
在肌肉收缩进程中,由于关节角度发生变化,肌肉发挥的力量大小有所不同。
用等张收缩发展力量只有关节力量最弱点能得到最大锻炼。
利用肌力计检测等张收缩等张收缩时,肌肉产生的张力随关节角度而变化 2.等动收缩等动收缩通过专门的等动负荷器械来实现的。
该器械使负荷随关节运动进程得到精确调整,在关节角度张力最弱点负荷最小,在关节角度张力的最强点负荷最大。
采用等动收缩形式发展力量,使肌肉在关节整个运动范围内都得到最大锻炼。
等动收缩时,在整个关节范围都能产生同等的张力等动肌力计曲线(二)拉长收缩(离心收缩):定义:当肌肉收缩所产生的张力小于外加阻力时,肌肉虽积极收缩但仍被拉长。
作用:在人体运动中拉长收缩起着制动、减速和克服重力等作用。
特点:拉长收缩时,肌肉做负功。
牵张-缩短环肌肉在缩短收缩前先进行拉长收缩,使肌肉被牵拉伸长,在紧接着的缩短收缩,便可产生更大的力量或输出功率。
(三)等长收缩定义:当肌肉收缩产生张力等于外力时,肌肉虽积极收缩但长度不变。
作用:运动中等长收缩起着支持、固定、保持某一姿势的作用。
特点:肌肉的张力可发展到最大,但由于未发生位移,肌肉没有做外功,消耗能量。
利用绳索张力计检测等长收缩肌肉三种收缩形式的比较工作形式肌肉状况外力与张力对比作用做功缩短收缩缩短小于肌张力加速正拉长收缩拉长大于肌张力减速负等长收缩不变等于肌张力固定未二、肌肉收缩的力学特征(一)肌肉收缩的张力-速度关系定义:指负荷对肌肉收缩速度的影响张力-速度关系肌肉收缩的张力-速度关系机制:肌肉收缩时产生张力的大小,取决于活化的横桥数目。
2 .肌肉的收缩过程每条肌原纤维都有色浅的明带I带和色深的暗带A交替排列,明带中央有一条色深的线为Z线,暗带中央有色浅的H带,H带中央有一条色深的线为M线.相邻两个Z线之间的一段肌原纤维称为肌节,包括1/2 I带+A带+1/2 I带是骨骼肌收缩的基本结构单位。
从肌细胞兴奋开始,肌肉收缩的过程应包括三个互相衔接的环节:细胞兴奋触发肌肉收缩,即兴奋-- 缩耦联;横桥运动引起肌丝滑行;和收缩肌肉的舒张。
(1 )兴奋-- 收缩耦联兴奋-- 收缩耦联至少包括三个步骤:动作电位通过横管系统传向肌细胞深处;三联管结构传递信息;纵管系统对Ca 2+ 的释放和再聚积。
(2 )横桥运动引起肌丝滑行一般认为肌肉收缩的基本过程是:当肌浆Ca 2+ 的浓度升高时,细肌丝上对Ca 2+ 有亲和力的肌钙蛋白结合足够Ca 2+ ,引起自身分子构型发生变化。
这种变化又传递给原肌球蛋白分子,使后者构型亦发生变化,其结果,原肌球蛋白分子的双螺旋体从肌动蛋白双螺旋结构的沟沿滑到沟底,抑制因素被解除,肌动蛋白上能与横桥结合的位点暴露出来。
横桥与肌动蛋白结合形成肌动球蛋白,后者激活横桥上ATP 酶的活性,在Mg 2+ 参与下,横桥上的ATP 分解释放能量,横桥获得能量,向粗肌丝中心方向倾斜摆动,牵引细肌丝向粗肌丝中央滑行。
当横桥角度发生变化时,横桥上与ATP 结合的位点被暴露,新的ATP 与横桥结合,横桥与肌动蛋白解脱,并恢复到原来垂直的位置。
紧接着横桥又开始与下一个肌动蛋白的位点结合,重复上述过程,进一步牵引细肌丝向粗肌丝中央滑行。
(3 )收缩肌肉的舒张,当刺激终止后,Ca 2+ 与肌钙蛋白结合消除,肌钙蛋白恢复到原来构型,继而原肌球蛋白也恢复到原来构型,肌动蛋白上与横桥结合的位点重新被掩盖起来,肌丝由于自身的弹性回到原来位置,收缩肌肉产生舒张。
(二)肌肉的收缩过程在完整机体内,肌肉的收缩是由运动神经以冲动形式传来的刺激引起的。
神经冲动经神经肌肉接头传至肌膜,首先引起肌细胞兴奋,继而触发横桥运动,产生肌肉收缩,收缩肌肉又必须舒张才能进行下一次收缩。
肌肉收缩与松弛的生物力学机理一、肌肉收缩与松弛的基本原理肌肉是人体运动系统的重要组成部分,其收缩与松弛是实现人体运动的基础。
肌肉的收缩与松弛涉及到复杂的生物力学过程,这些过程不仅决定了肌肉的功能,还影响着人体的运动表现和健康。
了解肌肉收缩与松弛的生物力学机理,对于运动训练、康复治疗以及相关疾病的预防和治疗都具有重要意义。
1.1 肌肉的基本结构肌肉主要由肌纤维组成,肌纤维内含有大量的肌原纤维。
肌原纤维由肌球蛋白和肌动蛋白等蛋白质组成,这些蛋白质通过特定的排列和相互作用,形成了肌肉收缩的基本单元。
肌球蛋白和肌动蛋白的相互作用是肌肉收缩的直接原因。
1.2 肌肉收缩的生物力学机制肌肉收缩的过程可以通过肌球蛋白的滑动理论来解释。
在这个过程中,肌球蛋白的头部与肌动蛋白的细丝结合,通过ATP水解提供能量,使肌球蛋白头部发生形变,从而拉动肌动蛋白细丝,导致肌原纤维缩短,最终引发肌肉收缩。
这一过程是肌肉收缩的生物力学基础。
1.3 肌肉松弛的生物力学机制肌肉松弛则是肌肉收缩的逆过程。
在肌肉松弛时,肌球蛋白头部与肌动蛋白细丝的结合被解除,肌原纤维随之恢复到原始长度。
肌肉松弛的生物力学机制涉及到钙离子的调控。
钙离子通过与肌钙蛋白的结合,调节肌球蛋白与肌动蛋白的相互作用,从而控制肌肉的收缩与松弛。
二、肌肉收缩与松弛的调控机制肌肉的收缩与松弛不仅依赖于肌原纤维的生物力学特性,还受到神经和体液的调控。
了解这些调控机制,有助于深入理解肌肉功能的实现和调节。
2.1 神经调控机制肌肉的收缩与松弛受到神经系统的调控。
神经信号通过神经肌肉接头传递到肌肉细胞,引发肌肉的收缩或松弛。
神经信号的传递依赖于神经递质的释放和接收,这些递质包括乙酰胆碱等。
乙酰胆碱通过与肌肉细胞膜上的乙酰胆碱受体结合,触发肌肉细胞内的信号传导过程,最终导致肌肉的收缩或松弛。
2.2 体液调控机制除了神经调控,肌肉的收缩与松弛还受到体液因素的影响。
体液中的激素、离子等物质可以通过影响肌肉细胞内的信号传导途径,调节肌肉的收缩与松弛。
第一章肌肉收缩本章教学目的与要求:掌握神经肌肉兴奋的产生、传导和兴奋在神经肌肉接点的传递,肌肉收缩的滑行理论、肌肉收缩的形式、力学特征。
了解肌电图概念及其在体育实践中的应用。
本章的教学重点:引起兴奋的刺激条件;单收缩和强直收缩;后负荷和前负荷对肌肉工作影响;难点:兴奋产生的机制;肌肉的收缩过程;肌肉的张力与速度关系。
第一节:神经肌肉的兴奋性与生物电现象第二节:肌肉的收缩原理第三节:肌肉收缩的形式与力学特征[提要] 本章系统阐述神经肌肉的兴奋性,含兴奋的产生、传导和兴奋在神经肌肉接点的传递,认为这是完整机体内肌肉收缩的生理学基础;根据肌丝滑行理论着重对肌细胞的收缩过程与机制,以及肌肉收缩的形式和力学特征进行分析;此外肌肉中结缔组织对肌肉收缩的影响以及肌电图在体育科研中的应用也作简要的介绍。
在完整的机体内,肌肉的收缩是由神经冲动引起的,即来自中枢神经系统的神经冲动传至脊髓运动神经元后,经运动神经纤维传递给所支配的肌纤维,从而引起肌肉收缩。
因此,阐述肌肉的收缩,应包括神经肌肉的兴奋性,兴奋的产生、传导、传递,以及肌肉的收缩过程、机制、形式及其力学特征等基本内容。
第一节神经肌肉的兴奋性和生物电现象一、兴奋和兴奋性概念。
1、兴奋性:生物体具有对刺激发生反应的能力,称之为兴奋性。
兴奋性是神经肌肉最重要的生理特性。
例如,将制备好的蛙的坐骨神经- 腓肠肌标本置于一定的环境下,刺激坐骨神经干,几乎立即出现肌肉收缩。
该实验表明,神经肌肉具有兴奋性。
在体内除了神经肌肉具有兴奋性外,其它组织和细胞也都具有兴奋性,但以神经、肌肉和腺细胞兴奋性最高,用较小的刺激强度就能表现出某种反应,习惯上将它们称为可兴奋细胞(Excitable Cell)。
2、动作电位:接受刺激后,在细胞膜两侧发生一次可传播的电位变化,称动作电位。
从这个意义上讲,兴奋性又特指组织细胞接受刺激具有产生动作电位的能力,而兴奋(Excitation)则是产生动作电位本身或动作电位同义语。