细胞的基本功能4节.ppt

第四节第四节 肌细胞的收缩肌细胞的收缩 骨骼肌骨骼肌 横纹肌横纹肌 肌肉肌肉 （功能特性）功能特性）心肌心肌(形态特点形态特点)平滑肌平滑肌1可编辑版一、骨骼肌细胞的微细结构一、骨骼肌细胞的微细结构肌原纤维和肌节肌原纤维和肌节:每条肌原纤维每条肌原纤维(myofibril)的全长都呈现规则的明暗交替的全长都呈现规则的明暗交替,分别为明带和暗带分别为明带和暗带;明带的中央有一条横向的暗线明带的中央有一条横向的暗线,称为称为Z线。线。2可编辑版肌节肌节(sarcomere)肌肉进行收缩和舒张的最基本功能单位。基本功能单位。电镜下肌小节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3可编辑版 粗肌丝粗肌丝 肌球蛋白肌球蛋白(亦称肌凝蛋白，亦称肌凝蛋白，myosin)杆状部分由两条重链的尾部相互缠绕形成，头部由两条杆状部分由两条重链的尾部相互缠绕形成，头部由两条重链的末端分别结合一对轻链。重链的末端分别结合一对轻链。4可编辑版原肌凝蛋白原肌凝蛋白原肌凝蛋白原肌凝蛋白（tropomyosin）肌纤蛋白肌纤蛋白肌纤蛋白肌纤蛋白（actin）肌钙蛋白肌钙蛋白肌钙蛋白肌钙蛋白（troponin）细肌丝细肌丝:肌纤蛋白肌纤蛋白（actin）原肌凝蛋白原肌凝蛋白（tropomyosin）肌钙蛋白肌钙蛋白（troponin）（收缩蛋白质）（收缩蛋白质）调节蛋白质调节蛋白质5可编辑版肌管系统肌管系统6可编辑版 横管（横管（T管）管）肌管系统肌管系统 纵管（肌质网纵管（肌质网,SR）在肌原纤维周围的在肌原纤维周围的SR也称为纵行肌质网也称为纵行肌质网（L SR）L SR：有有Ca2+泵泵 Ca2+SR连接内质网（连接内质网（JSR、终池）、终池）:SR末端膨大与末端膨大与T管膜接触管膜接触部分。部分。JSR膜上有钙释放通道（膜上有钙释放通道（ryanodine受体，受体，RYR）。）。三联管：三联管：T管与两侧管与两侧终池（兴奋收缩终池（兴奋收缩-耦联过程）。耦联过程）。T管膜、肌膜有管膜、肌膜有L型钙通道。型钙通道。7可编辑版肌管的作用肌管的作用横横 管：管：传动作电位至肌细胞深部传动作电位至肌细胞深部纵纵 管：管：贮存、释放、聚积钙贮存、释放、聚积钙三联管：三联管：兴奋兴奋-收缩耦联部位收缩耦联部位8可编辑版二、二、骨骼肌的兴奋骨骼肌的兴奋-收缩耦联过程收缩耦联过程1.概念概念:将膜的电变化为特征的兴奋过程和以肌纤维将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联系起来的中机械变化为基础的收缩过程联系起来的中介机制称为兴奋介机制称为兴奋-收缩耦联收缩耦联(excitation-contraction coupling)。2.结构基础结构基础:肌管系统肌管系统,关键部位为三联管结构。关键部位为三联管结构。9可编辑版10可编辑版3.兴奋兴奋-收缩耦联基本过程收缩耦联基本过程电兴奋通过横管(T管)系统传向肌细胞深处，激活激活T管膜和肌膜的管膜和肌膜的L型钙通道型钙通道（不开放）。三联管结构处的信息传递：L型钙通道变构，型钙通道变构，激活连接肌质网（junctional sarcoplasmic reticulum,JSR）膜上的ryanodine受体受体（RYR或称钙释放通道）开开放放，使JSR内的Ca2+释放入胞质释放入胞质。11可编辑版12可编辑版胞质内Ca2+浓度升高，肌钙蛋白与Ca2+结合引发肌肉收缩。胞质内Ca2+浓度升高，激活纵行肌质网（longitudinal sarcoplasmic reticulum,LSR）膜上的钙泵，将Ca2+回收入肌质网，肌肉舒张。13可编辑版14可编辑版Ca2+在兴奋在兴奋-收缩耦联过程中的关键作用收缩耦联过程中的关键作用 L L型钙通道引导骨骼肌型钙通道引导骨骼肌SRSR释放释放CaCa2+2+的的过程过程 中，中，作作为一个电位变化敏感信号转导分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。子，而不是作为离子通道发挥作用。15可编辑版三、骨骼肌细胞的收缩机制三、骨骼肌细胞的收缩机制肌丝滑行理论肌丝滑行理论(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。带相应变窄。16可编辑版 主要内容：主要内容：横纹肌的肌原纤维由粗、细两组走向平行的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。本身的长度不变。17可编辑版肌肉舒张状态，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2.肌肉收缩的过程肌肉收缩的过程18可编辑版19可编辑版当肌质中当肌质中Ca2+浓度增浓度增高高;肌钙蛋白与肌钙蛋白与Ca2+结合结合后发生构像改变；后发生构像改变；肌钙蛋白与肌动蛋白肌钙蛋白与肌动蛋白结合减弱，原肌球蛋白结合减弱，原肌球蛋白向肌动蛋白的双螺旋沟向肌动蛋白的双螺旋沟内移动内移动,暴露出肌动蛋白暴露出肌动蛋白的横桥结合位点；的横桥结合位点；20可编辑版肌动蛋白与横桥头部结合肌动蛋白与横桥头部结合,导致横桥头部构像导致横桥头部构像改变，头部向桥臂方向摆动，并托动细肌丝向改变，头部向桥臂方向摆动，并托动细肌丝向M线方向滑动，横桥头部贮存的能量转变为肌丝线方向滑动，横桥头部贮存的能量转变为肌丝滑动引起肌节缩短，同时横桥头部的滑动引起肌节缩短，同时横桥头部的ADP和无和无机磷酸与之分离。机磷酸与之分离。21可编辑版ADP解离的位点上，横桥头部结合一个解离的位点上，横桥头部结合一个ATP分子后，横桥头部与肌动蛋白解离。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解离后的横桥头部迅速将其结合的ATP分解分解为为ADP和无机磷酸，恢复垂直于细肌丝的高势和无机磷酸，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。新位点的再结合的过程，称为横桥周期。22可编辑版横桥周期横桥周期23可编辑版四、影响骨骼肌收缩效能的因素四、影响骨骼肌收缩效能的因素肌肉收缩效能表现为：肌肉收缩效能表现为：收缩时产生的收缩时产生的 张力或张力或/和长度缩短程度和长度缩短程度 张力或张力或/和长度缩短速度和长度缩短速度等张收缩等张收缩（isotonic contraction）肌肉作等张收缩时长度缩短肌肉作等张收缩时长度缩短,张力不变。张力不变。等长收缩等长收缩（isometric contraction）肌肉作等长收缩长度不变，张力增加。肌肉作等长收缩长度不变，张力增加。24可编辑版根据肌肉的长度或张力变化分为两种形式：根据肌肉的长度或张力变化分为两种形式：等张收缩等张收缩 实验条件下，肌肉一端固定，另一端处于游实验条件下，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。缩短的整个过程中张力始终保持不变。25可编辑版等长收缩等长收缩在实验条件下，将肌肉的两端在实验条件下，将肌肉的两端固定，当肌肉收缩时长度不能固定，当肌肉收缩时长度不能缩短，而肌肉收缩过程中只有缩短，而肌肉收缩过程中只有张力升高。张力升高。如体操中的如体操中的“十字支撑十字支撑”“直角支撑直角支撑”武术中的站桩武术中的站桩 26可编辑版(2)单收缩和强直收缩单收缩和强直收缩单收缩单收缩(single twitch)：骨骼肌受到一次短促刺激骨骼肌受到一次短促刺激,可产生一次动作电可产生一次动作电位位,随后会出现一次机械收缩随后会出现一次机械收缩.称为单收缩。称为单收缩。27可编辑版分为三个时期分为三个时期 潜伏期潜伏期 收缩期收缩期 舒张期舒张期在一次单收缩中动作电位时程近在一次单收缩中动作电位时程近12ms（相（相当于绝对不应期），而收缩过程可达几十当于绝对不应期），而收缩过程可达几十或几百毫秒，因而在收缩过程中有可能接或几百毫秒，因而在收缩过程中有可能接受新的刺激，发生新的兴奋和收缩。受新的刺激，发生新的兴奋和收缩。28可编辑版剌激频率较高时,剌激间隔时间短于单个单收缩持续的时间,肌肉发生收缩复合,称为复称为复合收缩合收缩。肌肉发生复合收缩时,出现了收缩形式的复合,但引起收缩的动作电位仍是独立存在的。复合收缩复合收缩 不完全强直收缩不完全强直收缩 完全强直收缩。完全强直收缩。29可编辑版不完全强直收缩不完全强直收缩(incomplete tetanus):(incomplete tetanus):每次新的收缩都与前次尚未结束的收缩过程每次新的收缩都与前次尚未结束的收缩过程的舒张期发生总和的舒张期发生总和,表现为锯齿形的收缩曲表现为锯齿形的收缩曲线。线。完全强直收缩完全强直收缩(complete tetanus):(complete tetanus):提高剌激频率时提高剌激频率时,使总和过程发生在前一次收使总和过程发生在前一次收缩的收缩期缩的收缩期,表现为会出现完全强直收缩。表现为会出现完全强直收缩。在等长收缩条件下，强直收缩的张力比单在等长收缩条件下，强直收缩的张力比单收缩强收缩强3434倍。倍。30可编辑版31可编辑版概念：概念：前负荷前负荷(preload):在肌肉收缩之前所承受的负荷。决定初长度在肌肉收缩之前所承受的负荷。决定初长度初长度（初长度（initial length）:肌肉收缩之前的长度。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。度条件下进行收缩。初长度是前负荷的观测指标。初长度是前负荷的观测指标。32可编辑版1.前负荷前负荷(preload)：实验装置使肌肉只产生张力实验装置使肌肉只产生张力.可观察在不同的初长度时可观察在不同的初长度时,同一肌肉产生的同一肌肉产生的张力张力.绘制成长度绘制成长度-张力曲线。张力曲线。影响收缩因素影响收缩因素33可编辑版长度长度-张力曲线张力曲线测定等长收缩的张力的装置：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，会产生一定的肉中结缔组织的回弹，会产生一定的被动张力。被动张力。施加刺激，可记录到一个收缩后的张施加刺激，可记录到一个收缩后的张力力（总）（总）=被动张力被动张力+主动张力主动张力肌肉固定于不同的初长度进行测量，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、肌肉长度可得到静息张力、总张力、肌肉长度的关系曲线。的关系曲线。34可编辑版主动张力曲线中，随前负荷主动张力曲线中，随前负荷的增加，收缩时产生的主动的增加，收缩时产生的主动张力先随之加大，达到一最张力先随之加大，达到一最大值后又逐渐减小直到大值后又逐渐减小直到 0 值值.存在最适前负荷和相应的最存在最适前负荷和相应的最适初长度适初长度.最适初长度下产生最大张力最适初长度下产生最大张力.35可编辑版长度长度-张力曲线与肌节长度的变化有关张力曲线与肌节长度的变化有关在一定范围内，在一定范围内，前负荷越大，前负荷越大，初长度越长，粗细肌丝的初长度越长，粗细肌丝的有效重叠越多，肌肉收缩有效重叠越多，肌肉收缩越强。越强。粗肌丝上的每个横桥都有与粗肌丝上的每个横桥都有与细肌丝相互作用的位置，细肌丝相互作用的位置，因而出现最佳收缩效果。因而出现最佳收缩效果。当肌肉收缩达到最大时所对当肌肉收缩达到最大时所对应的为应的为最适前负荷最适前负荷和和最适最适初长度初长度 主主动动张张力力36可编辑版最适初长度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最适初长度粗肌丝的长度是粗肌丝的长度是1.5m1.5m，在，在M M线两侧各线两侧各0.1m0.1m的范的范围内没有横桥围内没有横桥,因此在因此在M M线两侧有横桥的粗肌丝长线两侧有横桥的粗肌丝长度各为度各为0.65m0.65m，这样当每侧细肌丝伸入暗带，这样当每侧细肌丝伸入暗带0.65m,0.65m,每个肌小节的长度每个肌小节的长度2.02.02.2m2.2m。减少前负荷减少前负荷使肌小节长度小于使肌小节长度小于2.2m2.2m，增加前负荷增加前负荷大于最适前负荷使肌小节的长度将大于大于最适前负荷使肌小节的长度将大于2.2m2.2m。37可编辑版前负荷对肌肉收缩的影响前负荷对肌肉收缩的影响1 1、在一定范围内，前负荷愈大，、在一定范围内，前负荷愈大，初长度愈长，收缩力愈大；初长度愈长，收缩力愈大；2 2、最适初长度时，、最适初长度时，肌肉收缩能使肌肉产生最大张力；肌肉收缩能使肌肉产生最大张力；3 3、前负荷过大，初长度过长，收缩力降低。、前负荷过大，初长度过长，收缩力降低。38可编辑版2.后负荷后负荷(after-load):肌肉在收缩过程中所承受的负荷。肌肉在收缩过程中所承受的负荷。*张力张力-速度曲线：速度曲线：前负荷固定不变条件下前负荷固定不变条件下,给予不给予不同后负荷同后负荷,通过刺激观察肌肉张通过刺激观察肌肉张力和缩短的时间、程度力和缩短的时间、程度.39可编辑版 后负荷影响后负荷影响1.先产生张力，后出现缩短，缩短发生后先产生张力，后出现缩短，缩短发生后 张力不再增加。张力不再增加。2.后负荷愈大，后负荷愈大，在克服后负荷阻力后肌肉在克服后负荷阻力后肌肉 收缩的收缩的张力愈大，缩短出现张力愈大，缩短出现时间也越时间也越晚，缩短的初速度和总长度愈小缩短的初速度和总长度愈小。40可编辑版等长收缩等长收缩(isometric contraction):后负荷如果超过肌肉收缩所能产生的最大张后负荷如果超过肌肉收缩所能产生的最大张力，肌肉收缩时不再表现缩短，这种不出力，肌肉收缩时不再表现缩短，这种不出现肌肉长度变短而只有张力增加的收缩过现肌肉长度变短而只有张力增加的收缩过程。程。等张收缩等张收缩(isotonic contraction)：收缩时止发生肌肉缩短而张力保持不变。收缩时止发生肌肉缩短而张力保持不变。41可编辑版张力张力-速度曲线速度曲线由图可见由图可见:在在后后负负荷荷下下收收缩缩,产产生生的的最最大大张张力力和和收收缩缩速度呈反变速度呈反变后后负负荷荷=0=0时时，产产生生最大收缩速度最大收缩速度主主动动张张力力最最大大时时,收收缩速度缩速度=0=0后后负负荷荷为为最最大大张张力力的的30%30%时时,肌肌肉肉的的输输出出功率最大功率最大曲线曲线2后负荷后负荷(主动张力主动张力)缩缩短短速速度度（V）最大缩短速度最大缩短速度最大缩短速度最大缩短速度V V0 0曲线曲线1输输出出功功率率42可编辑版 张力张力-速度曲线速度曲线43可编辑版张力大小张力大小：取决于活化的横桥数目；取决于活化的横桥数目；收缩速度收缩速度：取决于能量释放速率和肌球蛋取决于能量释放速率和肌球蛋白白ATPATP酶活性，与活化的横桥数目无关。酶活性，与活化的横桥数目无关。44可编辑版3.肌肉的收缩能力肌肉的收缩能力(contractility)1）概念：）概念：指与负荷无关的，决定肌肉收缩效能的内在特性。指与负荷无关的，决定肌肉收缩效能的内在特性。收缩所产生的张力收缩所产生的张力影响肌肉收缩的效率：影响肌肉收缩的效率：缩短时的程度缩短时的程度 速度速度 胞质内胞质内CaCa2+2+的水平的水平内在特性内在特性主要取决于：主要取决于：肌球蛋白的肌球蛋白的ATPATP酶活性。酶活性。神经系统调节：神经系统调节：参与肌肉收缩的的运动单位的数量参与肌肉收缩的的运动单位的数量 肌肉收缩的的频率肌肉收缩的的频率45可编辑版2)影响肌肉收缩能力的因素影响肌肉收缩能力的因素 降低降低 缺氧、酸中毒、缺氧、酸中毒、能源物质能源物质 加强加强 钙离子、咖啡因、肾上腺素钙离子、咖啡因、肾上腺素46可编辑版