肌细胞收缩和舒张的过程及机制

二、肌细胞收缩和舒张的过程及机制

（一）肌的收缩

在体骨骼肌受运动神经支配，当运动中枢发出的信息由神经纤维到达末梢时，通过神经肌接头处兴奋的传递，导致肌膜发生电变化。心室肌在窦房结发出冲动的控制下表现出兴奋的能力，该能力在在体情况下受交感神经、迷走神经和多种体液因素的影响。

肌收缩（muscle contraction）是肌纤蛋白和肌凝蛋白相互作用，将分解ATP释放的化学能转变为机械能的过程。肌的收缩过程如下：肌膜上的电变化沿横管系统迅速传到细胞内部，同时激活横管膜和肌膜上的L型钙通道，激活的L型钙通道通过变构作用（骨骼肌）或内流的Ca2＋（心肌），使连接肌质网膜上的ryanodine受体激活（该受体是一种钙释放通道），对Ca2＋的通透性增加，Ca2＋顺其浓度差由终池向肌浆中扩散，导致肌浆中Ca2＋浓度比安静时升高约100倍。Ca2＋迅速抵达粗细肌丝的交错区，并与肌钙蛋白的亚基C结合，引起肌钙蛋白分子构象的某些变化。通过肌钙蛋白与原肌凝蛋白间的某种信息传递，使原肌凝蛋白变构和位移，暴露出肌纤蛋白上的位点。当肌处于舒张时，同横桥结合的ATP被分解，ADP和无机磷酸保留在横桥头部，横桥处于高势能状态，且与肌纤蛋白亲和力极高。一旦肌纤蛋白上的位点暴露，横桥便与肌纤蛋白结合，横桥头部贮存的能量转变为克服后负荷的张力和（或）发生摆动使细肌丝滑行致肌小节缩短。在横桥摆动的同时，ADP和无机磷酸分离。在ADP解离的位点，横桥头部结合一分子ATP，同肌纤蛋白的亲和力降低并与之解离。解离后的横桥头部将结合的ATP分解为ADP和无机磷酸而处于高势能状态，再与肌纤蛋白上的另一位点结合，出现再次的划动，细肌丝继续向M线靠近，从而使肌细胞和整块肌缩短。

肌膜上的电兴奋传入细胞内，引起终池释放Ca2＋并触发肌丝滑行的过程称为兴奋收缩耦联（excitation－contraction coupling）。对于骨骼肌而言，肌膜上的一次电兴奋就可使终池释放足够的Ca2＋，并触发一次肌的收缩。心肌则由于肌膜上L型钙通道开放，在局部产生高强度的钙火星（Ca2＋Sparklet）作用于终池膜上的ryanodine受体，激活钙释放通道以钙火花（Ca2＋Spark）的形式释放Ca2＋，通过Ca2＋诱导Ca2＋释放（calcium－induced Ca2＋release）的机制使肌浆中Ca2＋浓度升高，进而导致收缩。

在体情况下，由于支配骨骼肌的神经传出的冲动是连续性的，且频率较高，故骨骼肌的收缩都属于强直收缩，这同其执行的功能是相适应的。而心肌细胞，由于在一次兴奋后的有效不应期长，故不会发生强直收缩，总是收缩和舒张交替出现，以保证心的泵血功能（见心肌自律细胞和非自律细胞的电活动及生理特性）。收缩力的大小同肌浆中的Ca2＋量和ATP分解提供的能量有关。在一定程度上，肌浆中的Ca2＋浓度高，肌纤蛋白上的位点暴露的数量就多，横桥与之结合的数目多，瞬时的肌张力就高。在每一横桥与一个位点结合和脱开的循环过程中，就有一分子的ATP分解。横桥发生活动的数量多，ATP分解就多，收缩力相应增大；横桥激活过程加快，单位时间内划动的频率增多，肌的缩短速度加快。横桥同肌纤蛋白上的位点结合、摆动、复位和再结合的过程称为横桥周期（crossbridge cycling）。

（二）肌的舒张

在体肌舒张（muscle relaxation）是随神经冲动停止后发生的。神经冲动停止，肌细胞膜及横管膜电位复还，肌浆网膜蛋白构型亦恢复原状，Ca2＋的释放停止。肌浆中的Ca2＋被肌浆网膜上的Ca2＋泵回收。心肌细胞在收缩后，肌浆中的Ca2＋部分由肌浆网上的Ca2＋泵回收，部分（10%～20%）则由胞膜上的2Na＋－Ca2＋交换机制和肌膜上的钙泵转运至胞外。肌浆中的Ca2＋浓度迅速下降到10－7　mol／L。Ca2＋与肌钙蛋白亚基C分离，肌钙蛋白和原肌凝蛋白恢复原构象，原肌凝蛋白又回到横桥与肌纤蛋白分子之间的位置，横桥与肌纤蛋白上的位点脱开且不能与之再发生结合，肌转为舒张。

肌的收缩和舒张受许多因素的影响。例如，高血钾时，K＋外流减少，肌细胞静息电位减小，使Na＋通道失活，不能产生动作电位，出现肌麻痹。家族性低钾周期性麻痹是一种常染色体显性遗传病，发作时出现血钾降低和骨骼肌瘫痪。其机制是肌膜上电压依赖性钙通道的基因点突变，使一个组氨酸被精氨酸取代，致Ca2＋内流受阻，肌兴奋收缩耦联出现障碍。婴儿维生素D缺乏，导致血钙降低至1．75～1．88mmol／L时，由于神经肌肉的兴奋性增高而出现手足抽搐、喉痉挛、甚至全身性惊厥，临床称之为维生素D缺乏性手足抽搐症。(https://www.daowen.com)

（三）骨骼肌与心室肌的结构和功能特点比较

尽管骨骼肌与心室肌参与收缩和舒张的成分以及发生机制等是基本相同的，但二者还具有各自的结构和功能特点（表4－1）。

从上可见，肌原纤维，肌管系统，Ca2＋和ATP是肌收缩和舒张的形态学和物质基础。肌管系统在肌进行快速的收缩和舒张过程中均起重要作用。Ca2＋是兴奋和收缩间的耦联剂。两种调节蛋白对横桥和肌纤蛋白结合的阻遏作用导致肌舒张，Ca2＋通过解除这种阻遏作用实现对收缩的激活。因为肌的收缩和舒张都需要ATP提供能量才能进行，故均是主动过程。

肌的收缩和舒张是矛盾着的两个方面，相互转化的条件取决于肌浆中的Ca2＋浓度。肌膜上的去极电位变化引起肌浆网内Ca2＋的释放和细胞外Ca2＋内流（心室肌），使肌浆中的Ca2＋浓度升高，肌产生收缩；随着肌浆中的Ca2＋重新摄入肌浆网中贮存（骨骼肌和心肌）和通过钙泵以及Na＋－Ca2＋交换机制被转运至细胞外（心室肌），肌浆中的Ca2＋浓度降低，则使收缩过程终止而转为舒张。