肌细胞的收缩功能.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,肌细胞的收缩功能,一、,兴奋由神经向肌肉的传递,（一）神经,-,肌接头的功能结构,（二）兴奋的传递,（三）影响神经,-,肌接头兴奋传递的因素,（一）神经,-,肌接头的功能结构,运 动 终 板,神经肌接头电镜下横切面示意图,（二）兴奋的传递,AP,传到轴突末梢，钙通道开放，钙内流，启动突触囊泡的出胞机制，,ACh,释放、扩散；,ACh,与终板膜化学门控阳离子通道蛋白质结合，后者开放，钠内流（为主），钾外流，引起,终板电位,，后者扩布使邻近肌膜去极化达阈电位，引发肌细胞,AP,。,接头前膜处,Ca,2,的内流对于突触小泡内,ACh,的释放是至关重要的。在没有动作电位激活接头前膜,Ca,2,通道的情况下，利用微电极直接向膜内注射,Ca,2,，同样可引起,ACh,的释放和,EPP,的发生。相反，如果向接头前膜内注入,Ca,2,螯合剂，使,Ca,2,浓度保持在低水平，则神经纤维上传来的动作电位将不能引发,ACh,的释放和,EPP,的发生。在细胞外低,Ca,2,或高,Mg,2,时，也同样会因,Ca,2,内流减弱而使神经,-,肌接头的兴奋传递功能发生障碍。,钙离子在去极化,-,释放耦联中的作用,突触前未梢己注入钙指示剂发光蛋白，并注入去极化电流。用微电极记录突触前和突触后电位，右侧显示弱和强突触前电流刺激的反应。,微电泳给予,Ach,并同时记录细胞内电位的实验安排示意图,(A),及电位记录,(B),A.,左则一个灌流滴管为改变这个区域的细胞外液成份用。,B.,自下而上表示电泳给予的,Ach,增多时所引起的终板区的电位变化。,接头前膜以量子释放的形式释放,ACh,。一个突触囊泡中所含的,ACh,，即一,“,小包,”,ACh,（,约,1,万个,ACh,分子,）,，称为一个量子的,ACh,。在静息状态下，接头前膜也会发生约每秒钟,1,次的,ACh,量子的自发释放，并引起终板膜电位的微小变化。这种由一个,ACh,量子引起的终板膜电位变化称为微终板电位,(MEPP),。每个,MEPP,的幅度平均仅,0.4mV,。当接头前膜产生动作电位和,Ca,2,内流时，大量的突触小泡几乎同步释放,ACh,；,ACh,量子所引起的,MEPP,此时会发生叠加，形成平均幅度约,50mV,的,EPP,。据统计，产生一个正常的,EPP,，需释放,1,50,300,个突触小泡。,终板电位和微终板电位的记录,终板处,ACh,的代谢循环,胆碱乙酰转移酶,乙酰辅酶,A,胆碱,（三,）,影响神经,-,肌接头兴奋传递的因素,1.,影响,Ach,释放的因素,2.,影响,Ach,与受体结合的因素,3.,影响,Ach.E,（胆碱酯酶）作用的因素,促进神经肌接头传递和干扰传递的部分药物,化学门控通道：由某些化学物质控制其开、闭的通道称为化学门控通道。它们通常是被神经递质或第二信使物质激活，因而也称为配体门控通道或递质门控通道，而这些离子通道本身也常被认为是特殊受体,（,receptor,）,。,由神经递质乙酰胆碱,(acetylcholine,，,ACh),激活的,N,2,型,ACh,受体阳离子通道就是一个典型的化学门控通道。,N,2,型,Ach,受体是由,4,种不同的亚单位组成的,5,聚体蛋白质，总分子量约为,290kd,；每种亚单位都由一种,mRNA,编码，所生成的亚单位在膜结构中通过氢键等非共价键式的相互吸引，形成一个结构为,2,的梅花状通道样结构，而其中的两个,-,亚单位正是同两分子,ACh,相结合的部位，这种结合可引起通道结构的开放。,（一）横纹肌细胞的结构（二）横纹肌的兴奋,-,收缩耦联（三）横纹肌收缩的相关蛋白与收缩机制,（四）影响横纹肌收缩效能的因素,二、横纹肌的收缩,（一）,横纹肌细胞的结构,1.,肌原纤维和肌节（肌小节）,心肌,骨骼肌,2.,横纹肌细胞有两套独立的肌管系统,在以膜的电变化为特征的兴奋过程和以肌纤维机械变化为基础的收缩过程之间，存在着某种中介性过程把二者联系起来，这一过程称为兴奋,-,收缩耦联。,（,excitation-contraction coupling,）,（二）横纹肌的兴奋,-,收缩耦联,目前认为，它至少包括三个主要步骤：,电兴奋通过横管系统传向肌细胞的深处；三联管结构处的信息传递；肌质网（,SR,）中的,Ca,2+,释放入胞浆以及,Ca,2+,由胞浆向肌质网的再聚积。,钙释放通道或称,Ryanodine,受体,（三）骨骼肌收缩的相关蛋白与收缩机制,原肌球蛋白,肌动蛋白,横纹肌的收缩机制,在每一个肌节内发生了细肌丝向粗肌丝之间的滑行，亦即由,Z,线发出的细肌丝在某种力量的作用下主动向暗带中央移动,结果各相邻的,Z,线都互相靠近，肌小节长度变短,造成整个肌原纤维、肌细胞乃至整条肌肉长度的缩短。,肌丝滑行,肌钙蛋白与钙结合而变构，原肌球蛋白变构、解抑，横桥与肌动蛋白结合并分解,ATP,，横桥内扭、解离、复位、再结合而不断循环的将细肌丝拖向,M,线，肌节缩短（收缩）；在,SR,膜上钙泵的作用下，肌浆中的钙减少，肌钙蛋白脱下钙而变构，致原肌球蛋白变构并重建阻抑，细肌丝滑回原位（舒张）。,横桥周期,横桥头部与杆状部之间的桥臂具有弹性，当肌肉在长度保持不变的情况下收缩时，横桥的扭动可使具有弹性的桥臂伸长，从而产生张力。因而肌肉收缩时，可通过桥臂的伸长产生张力，也可由于肌丝滑动而发生缩短,。,肌肉收缩有两种形式，如果收缩时肌肉的长度保持不变而只有张力的增加，则这种收缩的形式称为,等长收缩,（,isometric,contraction,）,；收缩时只发生肌肉缩短而张力保持不变，称为,等张收缩,（,isotonic contraction,）,。,骨骼肌收缩的实验装置,等长收缩,骨骼肌收缩的实验装置,等张收缩,（四）,影响横纹肌收缩效能的因素,肌细胞最本质的功能是将化学能转变为机械功，产生张力和缩短。,肌肉收缩效能,（,performance contraction,）,表现为收缩时产生的张力,（,force,）,和（或）缩短程度,(,shortening,),，以及产生张力或缩短的速度,（,velocity,）,。,横纹肌的收缩效能是由收缩前或收缩时承受的负荷、自身的收缩能力和总和效应等因素决定的。,1,、前负荷,2,、后负荷,3,、肌肉的收缩能力,4,、收缩的总和,前负荷：,肌肉收缩前所承受的负荷。,1,、前负荷,肌肉等长收缩时的长度,-,张力关系,（肌小节长度,a:1.5um,；,b:2.0um,；,c.2.2um,；,d:3.5um,）,前负荷或肌肉初长度过大或过小，肌肉收缩都将减弱。,前负荷的影响：,在一定范围内，前负荷愈大，初长度愈长，收缩力愈大；,最适初长度时，肌肉收缩能使肌肉产生最大张力；,前负荷过大，初长度过长，收缩力降低。,2,、后负荷,肌肉在收缩过程中所承受的负荷称之为后负荷。,横桥与肌动蛋白结合、摆动、复位和再结合的过程，称为横桥周期,(cross-bridge cycling),，横桥周期的长短决定了肌肉的缩短速度。,后负荷的影响：,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 。,3,肌肉的收缩能力,肌肉收缩能力（,contractility,）是指与负荷无关的、决定肌肉收缩效能的内在特性。很明显，肌肉收缩能力提高后，收缩时产生的张力和（或）缩短的程度，以及产生张力和缩短的速度都会提高，表现为长度,-,张力曲线上移和张力,-,速度曲线向右上方移动。肌肉收缩能力降低时则发生相反的改变。,肌肉这种内在的收缩特性主要取决于兴奋,-,收缩耦联过程中胞质内,Ca,2,的水平和肌球蛋白的,ATP,酶活性。许多神经递质、体液物质、病理因素和药物，都是通过上述途径来调节和影响肌肉收缩能力的，特别是对心肌，有着重要的生理意义。但对骨骼肌而言，影响其收缩效能的因素主要是外源性的，即通过神经系统调节参与收缩的运动单位,（,motorunit,）,的数量和肌肉收缩的频率。,4,、收缩的总和,骨骼肌通过收缩的总和（,summation,）可快速调节收缩的强度。总和的发生是在神经系统调节下完成的，它有两种形式，即运动单位数量的总和以及频率效应的总和。,（,1,）运动单位数量的总和,脊椎动物骨骼肌运动单位的示意图,弱收缩时，仅有少量的和较小的运动单位发生收缩；随着收缩的加强，可有越来越多和越来越大的运动单位参加收缩，产生的张力也随之增加；舒张时，停止放电和收缩的首先是最大的运动单位，最后才是最小的运动单位。骨骼肌这种调节收缩强度的方式称为大小原则。,（,2,）,频率效应的总和,刺激频率对骨骼肌收缩的影响,A.,单收缩,B.,强直收缩,动作电位,胞浆钙浓度,收缩张力,三、平 滑 肌,平滑肌,（,smooth muscle,）细胞是气道、消化道、血管、泌尿生殖器等器官的主要构成成份，它收缩时产生张力和缩短，为这些器官的运动提供动力，或改变这些器官的形态。此外，平滑肌还可产生持续性,（,sustained,）,或紧张性,（,tonic,）的收缩，以对抗外加的负荷，保持器官的形状。平滑肌的功能特点反映了它在细胞结构和收缩机制方面与横纹肌有许多不同之处。,（,一）平滑肌的微细结构,平滑肌细胞呈细长的纺锤形，长约,40,60m,，中间部的最大直径为,2,10m,，细胞内充满肌丝。与横纹肌不同的是，平滑肌中细肌丝的数量明显多于粗肌丝，二者之比最高可达,15:1,（横纹肌为,2:1,）,，且没有肌原纤维和肌节的结构，肌细胞没有横纹，但是肌丝在细胞内的排列仍然是有序的。平滑肌细胞内没有,Z,线,（盘）,，与收缩功能有关的类似结构是胞质中的致密体,(dense body),和细胞膜上的致密斑,(dense area),，它们是细肌丝的附着点和传递张力的结构。,平滑肌细胞中未发现有肌原纤维，而是肌动蛋白丝锚定在质膜和胞质中的致密体上。肌凝蛋白与肌动蛋白丝的相互作用引起细胞收缩。平滑肌细胞不含,T,管，小凹起类似,T,管的功用，且为细胞外Ca,2,进入细胞的部位。平滑肌的功能范围很广，即使在同一器官内，也可能因环境需要而改变其形态学（例如肥大，或在某些情况下缝隙连接数量的改变）。,平滑肌内还有一种直径介于粗、细肌丝之间的中间丝,(intermediate filament),，它把致密体和致密区连接起来，形成细胞网架。粗、细肌丝的走行大致与细胞的长轴相一致，大约,3,5,根粗肌丝被周围许多细肌丝包绕，形成相互交错的排列，两侧细肌丝的末端连接于致密体或致密区，形成相当于横纹肌肌节的结构。,缝隙连接,缝隙连接是细胞间电传递的结构基础。神经细胞间的缝隙连接也称电突触。,连接体：,6,个连接子单体蛋白形成的同源六聚体。,连接体通道，通常是开放的，允许水溶性的分子和离子通过，形成细胞间的低电阻区。,相邻细胞膜,（二）平滑肌的电活动,动作电位,慢波,膜电位,肌肉收缩,上图曲线为细胞内电极记录的基本电节律（慢波），在笫,2-4,个慢波期间，出现数目不等的动作电位；下图曲线为肌肉收缩张力，收缩波出现在动作电位时，动作电位数目越多，收缩幅度也越大。,实验证明，平滑肌与横纹肌具有相似的长度,-,张力关系，因而推测平滑肌内的粗、细肌丝也构成类似横纹肌肌节的结构，并通过相互滑动来实现肌肉收缩。但是在平滑肌，引起兴奋,-,收缩耦联的机制和肌丝滑动的机制与横纹肌有很大不同。平滑肌收缩时细胞内的肌丝滑行同样是由于胞质内,Ca,2,浓度升高引起的，但,Ca,2,的来源与骨骼肌不同。骨骼肌的收缩几乎不受细胞外,Ca,2,浓度的影响，胞质内增加的,Ca,2,几乎全部是从肌质网,（,SR,）,释放的。而在平滑肌，当细胞外,Ca,2,浓度降低到一定水平时，其收缩几乎完全停止。,（,三,）,平滑肌的收缩机制,平滑肌的收缩蛋白也是由胞内,Ca,2,浓度升高激活的。平滑肌收缩对细胞外,Ca,2,浓度的依赖性很大。由于平滑肌肌质网不发达，兴奋,-,收缩耦联期间增加的,Ca,2,有相当多的部分是经肌膜流入的，它与由,SR,释放入胞质的,Ca,2,构成平滑肌兴奋,-,收缩耦联期间胞质内,Ca,2,浓度升高的两个主要途径。,1.,胞质内钙浓度的调控,诱发平滑肌细胞内,Ca,2,浓度升高也有两个途径,:,1.,平滑肌细胞可在不产生动作电位的情况下接受化学信号而诱发胞内,Ca,2,浓度升高，这一途径也称为,药物,-,机械耦联,。例如化学信号可经,G,蛋白耦联受体,-,磷酯酶,C,途径生成,IP,3,，,IP,3,作用于,SR,上的,IP,3,R,，,IP,3,R,是,SR,膜上与,RYR,结构相似的钙释放通道，结合,IP,3,后通道开放，引发,SR,释放,Ca,2,和胞内游离,Ca,2,升高。,2.,平滑肌细胞也可在化学信号或牵张刺激作用下产生动作电位，通过兴奋,-,收缩耦联的途径升高胞内,Ca,2,浓度并引起肌肉收缩，这一途径也称为,电,-,机械耦联,。,平滑肌,Ca,2,触发收缩的作用位点主要在粗肌,丝。,平滑肌的细肌丝没有肌钙蛋白，主要是由肌动蛋白和原肌球蛋白构成的；粗肌丝由肌球蛋白构成，与横纹肌的相似，也是由一对重链和两对轻链构成。平滑肌收缩时，横桥与细肌丝中肌动蛋白的结合是由胞质中的肌球蛋白轻链激酶（,MLCK,）使横桥头部的轻链磷酸化而引起的。,2.,平滑肌的收缩,其主要过程包括：胞质内,Ca,2,浓度升高时，,Ca,2,与钙调蛋白,（,CaM,）,结合，生成钙与钙调蛋白的复合物,(4Ca,2,CaM,复合物,),。,4Ca,2,CaM,与,MLCK,结合，并使之激活。活化的,MLCK,使肌球蛋白的一对轻链（,MLC,）磷酸化。,MLC,磷酸化引起肌球蛋白头部的构象改变，从而导致横桥与细肌丝肌动蛋白的结合。进入与横纹肌相似的横桥周期并产生张力和缩短。胞质内,Ca,2,浓度下降时，,MLCK,失活，,MLC,在磷酸酶作用下脱磷酸，横桥便与细肌丝的肌动蛋白解离，肌肉舒张。,MLCK:,肌球蛋白轻链激酶；,CaM:,钙调蛋白；,MLC,20,:20KD,的肌球蛋白轻链；,MLCP:,肌球蛋白轻链磷酸酶；,Pi:,无机磷酸,SR,：,肌质网；,Ca-CaM,：,Ca-,钙调蛋白,细胞外和肌质网释放的,Ca,2,，均调节平滑肌收缩。当细胞内,Ca,2,浓度较高时，肌凝蛋白轻链激酶（肌凝蛋白激酶）将肌凝蛋白磷酸化，使肌动蛋白与肌凝蛋白发生相互作用。肌动蛋白和肌凝蛋白在收缩期的滑行与骨骼肌相似。只要细胞内,Ca,2,浓度较高，收缩周期就能持续进行。但当肌凝蛋白与肌动蛋白连接时，如果收缩周期减慢，肌凝蛋白便会在磷酸酶的作用下发生脱磷酸作用，从而导致进入,“,抓住状态,”,（即无,ATP,水解的紧张性收缩）。,（四）平滑肌的分类,不同器官和不同部位平滑肌的功能特性有相当大的差异，因此很难对平滑肌作明确的分类。通常根据兴奋传导的特征将平滑肌分为单个单位平滑肌,（,single-unit smooth muscle,）,和多单位平滑肌,（,multi-unit smooth muscle,）,两类，但许多平滑肌的特性介于二者之间。,单个单位平滑肌也称内脏平滑肌,(visceral smooth muscle),，包括小血管、消化道、输尿管和子宫的平滑肌，其功能活动的形式类似于心肌，即肌肉中所有的肌纤维作为一个单位对刺激发生反应，所有细胞的电活动和机械活动近于同步。这是由于肌细胞间存在有大量缝隙连接，电活动可以由一个肌细胞直接传播到其他肌细胞。这类平滑肌中还有少数细胞具有自动节律性，或称自律性,(autorhythmicity),，可以成为起步点,(pacemaker),，带动整个肌肉的电活动和机械活动。单个单位平滑肌的另一特征是牵张刺激可引发肌肉的收缩反应。,多单位平滑肌主要包括睫状肌、虹膜肌、竖毛肌以及气道和大血管的平滑肌，肌细胞之间很少缝隙连接，因此每个肌细胞的活动都是彼此独立的。这种平滑肌一般没有自律性，肌细胞的收缩活动受支配它们的自主神经的控制，收缩强度取决于被激活的肌纤维数目和神经冲动的频率；牵张刺激通常不能引起这类平滑肌产生收缩反应。,无论哪种类型的平滑肌，都可以产生两种形式的收缩，即位相性收缩,（,phasic contraction,）和紧张性收缩,（,tonic contraction,）,。时相性收缩是一种间断的或节律性的收缩，如胃肠道的蠕动就是管壁环行平滑肌的时相性收缩引起的。紧张性收缩是一种持续性的收缩活动，如血管张力就是血管壁平滑肌的紧张性收缩引起的。,乙酰胆碱,（五）平滑肌活动的神经调控,骨骼肌的收缩活动完全依赖于神经系统的控制，而平滑肌则有所不同。许多平滑肌（主要是单个单位平滑肌）具有自律性，外源性的神经冲动并不是发动肌肉收缩的必要条件，仅具有调节平滑肌兴奋性和影响收缩强度与频率的作用；另一些不具自律性的平滑肌（主要是多单位平滑肌）则与骨骼肌相似，由支配它们的神经纤维控制其收缩。,大多数平滑肌接受自主神经的支配，而且除了小动脉平滑肌只接受交感神经一种纤维的支配外，其他器官的平滑肌大多接受交感和副交感神经的双重支配。支配平滑肌的神经纤维在进入肌组织后多次分支，分支上形成许多念珠样的曲张体,（,varicosity,）,，内含大量分泌囊泡，是递质释放的部位。曲张体与邻近的平滑肌细胞形成神经,-,平滑肌接头，在形式上类似骨骼肌的神经,-,肌肉接头，但有很多不同之处。,在多数平滑肌，曲张体与肌细胞之间相距较远，平均为,80,100nm,；肌细胞膜上也无类似骨骼肌终板样的结构，神经兴奋以非突触性化学传递,（,non-synapticchemicaltransmission),的方式传递至平滑肌细胞。,