肌細(xì)胞的收縮功能
人體各種形式的運(yùn)動，主要是靠一些肌細(xì)胞的收縮活動來完成的。例如，軀體的各種運(yùn)動和呼吸動作由骨骼肌的收縮來完成；心臟的射血活動由心肌的收縮來完成；一些中空器官如胃腸、膀胱、子宮、血管等器官的運(yùn)動，則由平滑肌的收縮來完成。不同肌肉組織在功能和結(jié)構(gòu)上各有特點(diǎn)，但從分子水平來看，各種收縮活動都與細(xì)胞內(nèi)所含的收縮蛋白質(zhì)，主要與肌凝蛋白和肌纖蛋白的相互作用有關(guān)；收縮和舒張過程的控制，也有某些相似之處。本節(jié)以研究zui充分的骨骼肌為重點(diǎn)，說明肌細(xì)胞的收縮機(jī)制。
骨骼肌是體內(nèi)zui多的組織，約占體重的40%。在骨和關(guān)節(jié)的配合下，通過骨骼肌的收縮和舒張，完成人和高等動物的各種軀體運(yùn)動。骨骼肌由大量成束的肌纖維組成，每條肌纖維就是一個(gè)肌細(xì)胞。成人肌纖維呈細(xì)長圓柱形，直徑約60μm，長可達(dá)數(shù)毫米乃至數(shù)十厘米。在大多數(shù)肌肉中，肌束和肌纖維都呈平行排列，它們兩端都和由結(jié)締組織構(gòu)成的腱相融合，后者附著在骨上，通常四肢的骨骼肌在附著點(diǎn)之間至少要跨過一個(gè)關(guān)節(jié)，通過肌肉的收縮和舒張，就可能引起肢體的屈曲和伸直。我們的勞動、各種體力活動等，都是許多骨骼肌相互配合的活動的結(jié)果。每個(gè)骨骼肌纖維都是一個(gè)獨(dú)立的功能和結(jié)構(gòu)單位，它們至少接受一個(gè)運(yùn)動神經(jīng)末梢的支配，并且在體骨骼肌纖維只有在支配它們的神經(jīng)纖維有神經(jīng)沖動傳來時(shí)，才能進(jìn)行收縮。因此，人體所有的骨骼肌活動，是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的控制下完成的。
一、神經(jīng)-骨骼肌接頭處的興奮傳遞
運(yùn)動神經(jīng)纖維在到達(dá)神經(jīng)末梢處時(shí)先失去髓鞘，以裸露的軸突末梢嵌入到肌細(xì)胞膜上稱作終板的膜凹陷中，但軸突末梢的膜和終板膜并不直接接觸，而是被充滿了細(xì)胞外液的接頭間隙隔開，其中尚含有成分不明的基質(zhì)；有時(shí)神經(jīng)末梢下方的終板膜還有規(guī)則地再向細(xì)胞內(nèi)凹入，形成許多皺褶，其意義可能在于增加接頭后膜的面積，使它可以容納較多數(shù)目的蛋白質(zhì)分子，它們zui初被稱為N-型乙酰*受體，現(xiàn)已證明它們是一些化學(xué)門控通道，具有能與ACh特異性結(jié)合的亞單位。在軸突末梢的軸漿中，除了有許多線粒體外還含有大量直徑約50nm的無特殊構(gòu)造的囊泡（圖2-19）。用組織化學(xué)的方法可以證明，囊泡內(nèi)含有ACh；此ACh首先在軸漿中合成，然后貯存在囊泡內(nèi)。據(jù)測定，每個(gè)囊泡中貯存的ACh量通常是相當(dāng)恒定的，且當(dāng)它們被釋放時(shí)，也是通過出胞作用，以囊泡為單位“傾囊”釋放，被稱為量子式釋放。在神經(jīng)末梢處于安靜狀態(tài)時(shí)，一般只有少數(shù)囊泡隨機(jī)地進(jìn)行釋放，不能對肌細(xì)胞產(chǎn)生顯著影響。但當(dāng)神經(jīng)末梢處有神經(jīng)沖動傳來時(shí)，在動作電位造成的局部膜去極化的影響下，大量囊泡向軸突膜的內(nèi)側(cè)面靠近，通過囊泡膜與軸突膜的融合，并在融合處出現(xiàn)裂口，使囊泡中的ACh全部進(jìn)入接頭間隙。據(jù)推算，一次動作電位的到達(dá)，能使大約200～300個(gè)囊泡的內(nèi)容排放，使近107個(gè)ACh分子被釋放。軸突末梢處的電位變化引起囊泡排放的過程十分復(fù)雜，但首先是軸突末梢膜的去極化，引起了該處*的電壓門控式Ca2+通道開放，引起細(xì)胞間隙液中的Ca2+進(jìn)入軸突末梢，觸發(fā)了囊泡移動以至排放的過程。Ca2+的進(jìn)入量似乎決定著囊泡釋放的數(shù)目；細(xì)胞外液中低Ca2+或（和）高M(jìn)g2+，都可阻礙ACh的釋放而影響神經(jīng)-肌接頭的正常功能。已故馮德培院士在30年代對神經(jīng)-肌接頭的化學(xué)性質(zhì)傳遞進(jìn)行過重要的研究。
當(dāng)ACh分子通過接頭間隙到達(dá)終板膜表面時(shí)，立即同集中存在于該處的特殊通道蛋白質(zhì)的兩個(gè)α-亞單位結(jié)合，每分子的通道將結(jié)合兩個(gè)分子的ACh，由此引起的蛋白質(zhì)分子內(nèi)部構(gòu)象的變化會導(dǎo)致它的通道結(jié)構(gòu)的開放。這種通道開放時(shí)，孔道的橫截面比前面提到的Na+通道的面積為大，可允許Na+、K+甚至少量Ca2+同時(shí)通過；由于這幾種離子正常時(shí)在膜內(nèi)處的分布特點(diǎn)，實(shí)際出現(xiàn)的是Na+的內(nèi)流和K+的外流，其總的結(jié)果是使終板膜處原有靜息電位減小，向零值靠近，亦即出現(xiàn)膜的去極化；這一電變化，稱為終板電位，它的出現(xiàn)約較神經(jīng)沖動到達(dá)接頭前膜處晚0.5～1.0ms。有人曾在運(yùn)動神經(jīng)無沖動到達(dá)末梢時(shí)，記錄到由于個(gè)別囊泡的自發(fā)釋放在終板膜上引起的微小的電變化，稱為微終板電位。終板電位與前述的局部興奮電反應(yīng)有類似的性質(zhì)：不表現(xiàn)“全或無”特性，其大小與接頭前膜釋放的ACh的量成比例；無不應(yīng)期，可表現(xiàn)總和現(xiàn)象等，如我們一般記錄到的終板電位就是多數(shù)微終板電位總和的結(jié)果。終板電位產(chǎn)生時(shí)，它將以電緊張性擴(kuò)布的形式影響終板膜周圍一般肌細(xì)胞膜。一般的肌細(xì)胞膜與神經(jīng)軸突的膜性質(zhì)類似，其中主要含電壓門控式Na+通道和K+通道；因而當(dāng)同終板膜鄰接的肌細(xì)胞膜的靜息電位由于終板電位的影響而去極化到該處膜的閾電位水平時(shí)，就會引發(fā)一次向整個(gè)肌細(xì)胞膜作“全或無”式傳導(dǎo)的動作電位，后者再通過所謂“興奮-收縮耦聯(lián)”，引起肌細(xì)胞出現(xiàn)一次機(jī)械收縮。
正常情況下，一次神經(jīng)沖動所釋放的ACh以及它所引起的終板電位的大小，大約超過引起肌細(xì)胞膜動作電位所需閾值的3～4倍，因此神經(jīng)肌接頭處的興奮傳遞通常是1對1的，亦即運(yùn)動纖維每有一次神經(jīng)沖動到達(dá)末梢，都能“可靠地”使肌細(xì)胞興奮一次，誘發(fā)一次收縮；這一點(diǎn)與將來要講的神經(jīng)元之間的興奮傳遞有明顯不同（見第十章）。接頭傳遞能保持1對1的關(guān)系，還要靠每一次神經(jīng)沖動所釋放的ACh能夠在它引起一次肌肉興奮后被迅速清除，否則它將持續(xù)作用于終板而使終板膜持續(xù)去極化，并影響下次到來的神經(jīng)沖動的效應(yīng)。已知，ACh的清除主要靠膽鹼酯酶的降解作用來完成，此酶主要分布在接頭間隙中和接頭后膜上，它們大約可以在2.0ms的時(shí)間內(nèi)將一次神經(jīng)沖動所釋放的ACh清除掉。許多藥物可以作用于接頭傳遞過程中的不同階段，影響正常的接頭功能。例如，美洲箭毒和α-銀環(huán)蛇毒可以同ACh競爭終板膜的ACh受體亞單位，因而可以阻斷接頭傳遞而使肌肉失去收縮能力；有類似作用的藥物稱為肌肉松弛劑；有機(jī)磷農(nóng)藥和新斯的明對*酯酶有選擇性的抑制作用，可造成ACh在接頭和其他部位的大量積聚，引起種種中毒癥狀。重癥肌無力是由于體內(nèi)骨骼肌終板處的ACh門控通道數(shù)量不足或功能障礙所引起。
二、骨骼肌細(xì)胞的微細(xì)結(jié)構(gòu)
骨骼肌細(xì)胞在結(jié)構(gòu)上zui突出之點(diǎn)，是含有大量的肌原纖維和豐富的肌管系統(tǒng)，且其排列高度規(guī)則有序。肌細(xì)胞是體內(nèi)耗能作功，完成機(jī)體多種機(jī)械運(yùn)動的功能單位。
（一）肌原纖維和肌小節(jié)
每個(gè)肌纖維含有大量直徑1～2μm的纖維狀結(jié)構(gòu)，稱為肌原纖維，它們平行排列，縱貫肌纖維全長，在一個(gè)細(xì)胞中可達(dá)上千條之多（圖2-20）。每條肌原纖維的全長都呈現(xiàn)規(guī)則的明、暗交替，分別稱為明帶和暗帶；而且在平行的各肌原纖維之間，明帶和暗帶又都分布在同一水平上；暗帶的長度比較固定，不論肌肉處于靜止、受到被動牽拉或進(jìn)行收縮時(shí)，它都保持1.5μm的長度；在暗帶*，有一段相對透明的區(qū)域，稱為H帶，它的長度隨肌肉所處狀態(tài)的不同而有變化；在H帶*亦即整個(gè)暗帶的*，又有一條橫向的暗線，稱為M線。明帶的長度是可變的，它在肌肉安靜時(shí)較長，并且在一定范圍內(nèi)可因肌肉所受的被牽引而變長；但明帶在肌肉收縮時(shí)可變短。明帶*也有一條橫向的暗線，稱為z線（或z盤）。目前已經(jīng)肯定，肌原纖維上每一段位于兩條z線之間的區(qū)域，是肌肉收縮和舒張的zui基本單位，它包含一個(gè)位于中間部分的暗帶和兩側(cè)各1/2的明帶，合稱為肌小節(jié)（sarcomere）。由于明帶的長度可變，肌小節(jié)的長度在不同情況下可變動于1.5～3.5μm之間；通常在體骨骼肌安靜時(shí)肌小節(jié)的長度約為2.0～2.2μm。
注意肌小節(jié)能的組成和不同部位肌小節(jié)橫斷布粗、細(xì)肌絲的幾何排列
用X-線衍射等更精密的方法進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，肌小節(jié)的明帶和暗帶包含有更細(xì)的、平行排列的絲狀結(jié)構(gòu)，稱為肌絲。暗帶中含有的肌絲較粗，直徑約10nm，稱為粗肌絲，其長度與暗帶相同；實(shí)際上暗帶的形成就是由于粗肌絲的存在，M線則是把成束的粗肌絲固定在一定位置的某種結(jié)構(gòu)。明帶中的肌絲較細(xì)，直徑約5nm，稱為細(xì)肌絲；它們由z線結(jié)構(gòu)向兩側(cè)明帶伸出，每側(cè)的長度都是1.0nm，它的游離端在肌小節(jié)總長度小于3.5nm的情況下，必然有一段要伸入暗帶，和粗肌絲處于交錯(cuò)和重疊的狀態(tài)；如果由兩側(cè)z線伸入暗帶的細(xì)肌絲未能相遇而隔有一段距離，這就形成了H帶。肌肉被拉長時(shí)，肌小節(jié)長度增大，這時(shí)細(xì)肌絲由暗帶重疊區(qū)拉出，使明帶長度增大，H帶也相應(yīng)地增大。
粗、細(xì)肌絲相互重疊時(shí)，在空間上也呈現(xiàn)規(guī)則排列，這可從肌原纖維的橫斷面上看出。圖2-20下方表示在肌小節(jié)的不同位置將肌原纖維橫節(jié)時(shí)，斷面上所能看到的兩種肌絲的分布情況。在通過明帶的橫斷面上只有細(xì)肌絲，它們的所在位置相當(dāng)于一個(gè)正六邊形的各頂點(diǎn)；在通過H帶的橫斷面上只有粗肌絲，它們都處于正三邊形的各頂點(diǎn)上；而在H帶兩側(cè)的暗帶的橫斷面上，則可看到粗、細(xì)肌絲交錯(cuò)存在的情況，這里，每一條粗肌絲正處在以六條細(xì)肌絲為頂點(diǎn)的正六邊形的*，而這就為收縮時(shí)粗細(xì)肌絲之間的相互作用準(zhǔn)備了條件。
（二）肌管系統(tǒng)
肌管系統(tǒng)指包繞在每一條肌原纖維周圍的膜性囊管狀結(jié)構(gòu)，由來源和功能都不相同的兩組獨(dú)立的管道系統(tǒng)組成。一部分肌管的走行方向和肌原纖維相垂直，稱為橫管系統(tǒng)或稱T管，是由肌細(xì)胞的表面膜向內(nèi)凹入而形成；它們穿行在肌原纖維之間，并在z線水平（有些動物是在暗帶和明帶銜接處的水平）形成環(huán)繞肌原纖維的管道；它們相互交通，管腔通過肌膜凹入處的小孔與細(xì)胞外液相通。將標(biāo)記物加入到細(xì)胞的浸浴液中，這些物質(zhì)可以很快在每一條環(huán)繞肌小節(jié)的橫管系統(tǒng)中出現(xiàn)，但不能進(jìn)入肌漿和肌漿網(wǎng)中去。肌原纖維周圍還有另一組肌管系統(tǒng)，就是肌漿網(wǎng)，它們的走行方向和肌小節(jié)平行，稱為縱管系統(tǒng)或稱為L管；縱管系統(tǒng)或肌漿網(wǎng)主要包繞每個(gè)肌小節(jié)的中間部分，這是一些相互溝通的管道，但是在接近肌小節(jié)兩端的橫管時(shí)管腔出現(xiàn)膨大，稱為終末池，它使縱管以較大的面積和橫管相靠近。每一橫管和來自兩側(cè)肌小節(jié)的縱管終末池，構(gòu)成了三聯(lián)管結(jié)構(gòu)。據(jù)研究，橫管和縱管的膜在三聯(lián)管結(jié)構(gòu)處并不接觸，中間尚隔有約12nm的間隙，說明兩
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