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1、Section 4 肌细胞的收缩肌细胞的收缩横纹肌横纹肌（striated muscle)平滑肌平滑肌（smooth muscle)1How is information transmitted from nerve to the muscle?ExperimentContents:神经神经-骨骼肌接头处（骨骼肌接头处（neuromuscular junction，NMJ）的兴奋传递；）的兴奋传递；横纹肌细胞的微细结构；横纹肌细胞的微细结构；横纹肌收缩的分子机制；横纹肌收缩的分子机制；横纹肌细胞的兴奋横纹肌细胞的兴奋-收缩偶联（收缩偶联（excitation-contraction coupl
2、ing)；影响横纹肌收缩效能的因素；影响横纹肌收缩效能的因素；4Transmission of excitation at the neuromuscular junctionl1 神经神经-骨骼肌接头处的结构骨骼肌接头处的结构l2 神经神经-骨骼肌接头处兴奋传递过程骨骼肌接头处兴奋传递过程l3 神经神经-骨骼肌接头处兴奋传递的特征骨骼肌接头处兴奋传递的特征51.Structure of the neuromuscular junction678Neuromuscular junction的结构特点（1）接头前膜）接头前膜（prejunctional membrane)：内有内有synapti
3、c vesicle；synaptic vesicle内含有内含有ACh。（2）接头间隙）接头间隙(junctional cleft)：宽约宽约50nm；（3）接头后膜）接头后膜(postjunctional membrane)：又叫终板膜又叫终板膜(endplate membrane)，有皱褶；有皱褶；N2-型乙酰胆碱受体；型乙酰胆碱受体；是特殊的化学门控通道；是特殊的化学门控通道；胆碱酯酶。胆碱酯酶。92 Process of excitation transmission at the NMJ11Ca2+-+传递过程传递过程()AP传至神经末梢传至神经末梢Ca2+通道开放，通道开放，Ca2
4、+离子内流离子内流12Ca2+-传递过程传递过程()突触小泡移向接头突触小泡移向接头前膜，释放前膜，释放AChACh扩散通过扩散通过接头间隙接头间隙ACh和接头后膜和接头后膜N2-型型ACh受体结合受体结合13Ca2+Na+K+-传递过程传递过程()Na+内流内流K+外流外流受体蛋白通道开放受体蛋白通道开放接头后膜去极化接头后膜去极化终板电位终板电位（EPP）14Ca2+K+-+-传递过程传递过程(4)Na+邻邻近近膜膜去去极极化化至至阈电位阈电位电压门控的电压门控的Na+通道开放通道开放形成肌细胞形成肌细胞膜动作电位膜动作电位15Ca2+Na+K+-传递过程传递过程(5)Ach被胆碱酯酶降解
5、被胆碱酯酶降解16Electricalchemicalelectrical17终板电位终板电位（endplate potential，EPP）u定义：局限于终板膜上的去极化电位。定义：局限于终板膜上的去极化电位。u特点：特点：去极化的大小与去极化的大小与AChACh的释放量有关，非的释放量有关，非“全全或无或无”；无不应期；无不应期；可以总和可以总和以电紧张扩布的形式扩布以电紧张扩布的形式扩布18Distinguish an EPP and an AP in the Skeletal MusclelAP propagate in a manner without decrement.lalon
6、g the skeletal muscle membrane ultimately stimulating contractionlAP generated is due to opening Na+channel on the muscle membrane.lEPPs conduct by electrotonic propagation lEPPs depolarize the adjacent skeletal muscle membrane to threshold to generate an AP.lEPPs generated in the vicinity of the ne
7、uromuscular junction by the opening of ligand-gated channels.两个概念u量子释放量子释放（quantal release）:以一个囊泡为单以一个囊泡为单位释放位释放ACh；u微终板电位微终板电位（miniature endplate potential,MEPP）:由一个囊泡内的由一个囊泡内的ACh引起的终板膜电位变化引起的终板膜电位变化叫做叫做MEPP，幅度为，幅度为0.4mV。20Acetylcholine synthesis,storage and release胆碱乙酰转移酶胆碱酯酶胆碱 乙酰辅酶A胆碱 乙酸ACh is co
8、ncentrated and stored in synaptic vesicles.Each vesicle stores 104 molecules.These loaded vesicles are released as the basic quanta(量子释放量子释放)in the transmission process.21ACh is broken down by AChE22Acetylcholine synthesis23Acetylcholine receptor24 3 Properties of excitation transmission at the NMJl
9、1:1 transmission:A chemical transmission which is designed to assure that every presynaptic action potential results in a postsynaptic onel An unidirectional processl Has a time delay.20nm/0.5-1msl Is easily affect by drugs and some factors25Factors That disturb transmission in NMJlThe factors that
10、decrease ACh release:decreaseCa2+O or increase Mg2+O;Botulism toxin(肉毒杆菌毒素）肉毒杆菌毒素），阻止ACh释放。l Decrease number of cholinergic receptors：myasthenia gravis（重症肌无力）（重症肌无力）.lAChR is blocked by some toxin(箭毒、蛇毒）箭毒、蛇毒）lDecrease or damage AChE enzymatic activity:有机磷中毒：有机磷中毒：ACh过多积聚于接头间隙过多积聚于接头间隙横纹肌细胞的微细结构横纹肌细
11、胞的微细结构27Skeletal MuscleHuman body contains over 400 skeletal muscles40-50%of total body weightFunctions of skeletal muscleForce production for locomotion and breathingForce production for postural supportHeat production during cold stress28横纹肌的结构29Striated muscle细胞的微细结构细胞的微细结构u肌原肌原纤维纤维 MyofibrilLigh
12、t bandDark band肌肌节节 Sarcomere肌肌丝丝 myofilamentu肌管系肌管系统统 sarcotubular system3031肌原纤维肌原纤维 Myofibril1)Myofibril：平行平行排列、纵贯肌纤维排列、纵贯肌纤维全长、一个细胞上全长、一个细胞上千条。千条。2)2)规则的明、暗交替：规则的明、暗交替：明带明带(light band)和暗带和暗带(dark band)；3233Microstructure of Skeletal Muscle(myofibril)Light band：长度可变，正中的暗线为长度可变，正中的暗线为Z线线Dark band：
13、长长度度固固定定，正正中中相相对对透透明明区区为为H带带，H带带中中央央的暗线称为的暗线称为M线。线。肌节肌节（sarcomere）：）：两条两条Z线间的区域线间的区域长度长度=2=2个个1/21/2明带明带+暗带暗带肌肉收缩和舒张的最基本单位肌肉收缩和舒张的最基本单位34肌丝肌丝 myofilamentu肌丝：明带和暗带中细的、纵向平行排列的肌丝：明带和暗带中细的、纵向平行排列的丝状结构。丝状结构。u肌丝肌丝:thick filament和和thin filamentuDark band中含有中含有thick filament和和thin filamentuLight band中含有中含有t
14、hin filament35uThick filament：直直径径约约10nm，长长度度与与暗暗带带相相同同,1.6um；uThin filament：直直径径约约5nm，由由Z线线向向两两侧侧暗暗带带伸出，每侧的长度都是伸出，每侧的长度都是1.0um；u暗暗带带中中粗粗肌肌丝丝未未与与细细肌肌丝丝重重叠叠的的相相对对透透明明的的区区域域，叫叫H带。带。36肌丝的分子组成37（1）粗肌丝：由）粗肌丝：由300-400肌凝蛋白肌凝蛋白(myosin)构成。构成。Myosin：杆状部和球状部。杆状部和球状部。杆状部：聚合成束，形成粗肌丝的主干杆状部：聚合成束，形成粗肌丝的主干球球状状部部：突突出
15、出粗粗肌肌丝丝主主干干的的表表面面，形形成成横横桥。桥。38横横桥桥（cross-bridge）的特性：的特性：a.具具有有与与肌肌纤纤蛋蛋白白结结合合的位点。的位点。b.具有具有ATP酶的活性。酶的活性。3940Thin filamentsv原肌球蛋白原肌球蛋白v肌钙蛋白肌钙蛋白v肌动蛋白肌动蛋白41（2）细肌丝：）细肌丝：thin filament肌动蛋白，又叫肌纤蛋白（肌动蛋白，又叫肌纤蛋白（actin）原肌凝蛋白（原肌凝蛋白（tropomyosin）肌钙蛋白（肌钙蛋白（troponin）42a、Actin:球状，聚合成双螺旋状，为细肌丝的主干；球状，聚合成双螺旋状，为细肌丝的主干；具有
16、与横桥结合的位点；具有与横桥结合的位点；43b、Tropomyosin:双双螺螺旋旋结结构构，和和肌肌纤蛋白双螺旋并行。纤蛋白双螺旋并行。肌肌肉肉安安静静时时，阻阻碍碍肌肌纤纤蛋蛋白白和和横横桥桥结结合；合；肌钙蛋白结合位点。肌钙蛋白结合位点。44C、肌肌钙钙蛋蛋白白（troponin）：球球形形，含含有有三三个个亚单位。亚单位。C 亚单位：结合亚单位：结合Ca2+；T 亚单位亚单位:结合原肌凝蛋白分子；结合原肌凝蛋白分子；I 亚单位亚单位:与肌动蛋白结合与肌动蛋白结合 TnC 与与Ca2+结结合合原原肌肌凝凝蛋蛋白白构构象象改改变变TnI与与肌肌动动蛋白蛋白结结合减弱合减弱暴露暴露结结合位点
17、合位点4546Structure of Myofilament Myofilament肌原纤维肌原纤维Thick filament:(粗肌丝粗肌丝)Myosin（肌球蛋白（肌球蛋白)Head,consists of 4 light,two heavy chain(头部)Tail,consist of two heavy chains(杆状部分）Thin filament(细肌丝）细肌丝）Trponin(肌钙蛋白)has affinities for actin,tropomyosin and Ca2+RCTropomyosin(原肌球蛋白）Actin：has binding sites of
18、myosin48收缩蛋白：收缩蛋白：肌凝蛋白与肌动蛋白肌凝蛋白与肌动蛋白调节蛋白调节蛋白：原肌凝蛋白和肌钙蛋白：原肌凝蛋白和肌钙蛋白49肌管系统（sarcotubular system）（1）横管（）横管（transverse tubule，），）（2）纵纵管（管（longitudinal tubule，）（肌，）（肌质质网，网，Sarcoplasmic reticulum，SR）：）：5051（1）横管）横管（transverse tubule，T）：肌细胞的表面膜向内凹入肌细胞的表面膜向内凹入形成形成。位位于于明明带带和和暗暗带带交交界界处处(skeletal muscle)、Z线的附近（
19、心肌）。线的附近（心肌）。走行方向和肌原纤维相垂直，简称走行方向和肌原纤维相垂直，简称T管。管。与细胞外液相通。与细胞外液相通。横管上有横管上有-型钙通道（电压门控钙通道）。型钙通道（电压门控钙通道）。525354（2）纵管）纵管（longitudinal tubule，L）（肌质网，（肌质网，Sarcoplasmic reticulum，SR）：包包绕绕肌原肌原纤维纤维周周围围的的SR，称，称为纵为纵行行SR（LSR），膜上有），膜上有钙泵钙泵calcium pump；终终末池：末池：SR在接近横管在接近横管时时管腔出管腔出现现膨大，膨大，称称为为或或连连接肌接肌浆浆网网(Junctiona
20、l Sarcoplasmic Reticulum,JSR),膜上有膜上有钙释钙释放通道，或称放通道，或称ryanodine receptor，RYR。u肌浆网和终未池的作用：通过钙离子的贮存、肌浆网和终未池的作用：通过钙离子的贮存、释放和再积聚，触发肌节的收缩和舒张；释放和再积聚，触发肌节的收缩和舒张；5556三联管（三联管（triad)：由每一横管和来自两侧肌小节的纵管终末池构成。由每一横管和来自两侧肌小节的纵管终末池构成。作用：把横管传来的信息和终池作用：把横管传来的信息和终池Ca2+释放联系起来。释放联系起来。575859横纹肌收缩的分子机制u肌丝滑行学说肌丝滑行学说（myofilame
21、nt sliding theory)：肌细胞收缩时肌原纤维缩短，肌细胞收缩时肌原纤维缩短，是细肌丝向粗肌丝滑行的结果。是细肌丝向粗肌丝滑行的结果。6061Myofilament sliding theoryuHuxley等在等在50年代初期提出。年代初期提出。u滑滑行行结结果果：肌肌小小节节长长度度变变短短，造造成成整整个个肌肌原原纤维、肌细胞乃至整条肌肉长度的缩短。纤维、肌细胞乃至整条肌肉长度的缩短。uEvidence:肌肉收缩时暗带长度无变化；肌肉收缩时暗带长度无变化；明带长度缩短；明带长度缩短；暗带中央暗带中央H H带变窄。带变窄。62肌丝滑行的基本过程肌丝滑行的基本过程1.横桥头部横桥
22、头部ATP酶分解酶分解ATP，横桥处于高势能。，横桥处于高势能。2.肌浆中肌浆中Ca2+升高升高 Ca2+与肌钙蛋白结合与肌钙蛋白结合原肌凝原肌凝蛋白的双螺旋结构发生扭转蛋白的双螺旋结构发生扭转肌纤蛋白的横桥结肌纤蛋白的横桥结合位点暴露合位点暴露横桥和肌纤蛋白横桥和肌纤蛋白结合结合。3.横桥横桥扭动扭动细肌丝向细肌丝向M线方向移动线方向移动 肌肉收缩肌肉收缩。4.横桥头部结合横桥头部结合ATP，横桥与，横桥与actin解离解离分解分解ATP 复位复位。6364肌丝滑行的基本过程1.肌浆中肌浆中Ca2+降低降低 Ca2+与肌钙蛋白分离与肌钙蛋白分离2.原肌凝蛋白的双螺旋结构复原原肌凝蛋白的双螺旋
23、结构复原遮盖肌纤蛋白遮盖肌纤蛋白的横桥结合位点的横桥结合位点3.横桥和肌纤蛋白分开横桥和肌纤蛋白分开细肌丝依靠弹性回位细肌丝依靠弹性回位 肌肉舒张肌肉舒张。6566Cross-bridge cycling：横桥与横桥与actin结合、扭动、复位的过程。结合、扭动、复位的过程。67Cross-bridge cycling68横纹肌细胞的兴奋-收缩耦联Excitation-contraction Coupling：把肌细胞的兴把肌细胞的兴奋和收缩联系起来的中奋和收缩联系起来的中介过程。介过程。6970兴奋兴奋-收缩耦联的过程收缩耦联的过程1肌肌膜膜动动作作电电位位经经管管传传向向肌肌细细胞胞的的深
24、处，激活管的深处，激活管的-型钙通道。型钙通道。2、-型钙通道（通过变构，或内流型钙通道（通过变构，或内流Ca2+）激活）激活RYR受体，使受体，使JSR内的内的Ca2+流流入胞质。入胞质。3、胞质、胞质Ca2+内浓度增高，与肌钙蛋白内浓度增高，与肌钙蛋白结合，触发肌丝滑行，肌肉收缩。结合，触发肌丝滑行，肌肉收缩。4、LSR上的钙泵活动上的钙泵活动,将将Ca2+泵回泵回SR，肌肉舒张。，肌肉舒张。71uRyanodine 受体受体(ryanodine receptor,RyR)是细胞内质网膜上的钙离子通道之一是细胞内质网膜上的钙离子通道之一,能能与一种植物碱与一种植物碱ryanodine 进行
25、高亲和性结合进行高亲和性结合,故得名故得名ryanodine受体。受体。u肌肉的肌肉的excitation-contraction coupling过程过程中中,RyR 介导了肌质网介导了肌质网(SR)内内Ca2+的快速释的快速释放放,故又称为钙释放通道故又称为钙释放通道(calcium release channel)。u由由4个分子量为个分子量为560kD 的相同亚单位组成的相同亚单位组成,是是分子量很大的膜蛋白。分子量很大的膜蛋白。u1989 年年,Takeshima 等克隆并测序了兔的等克隆并测序了兔的RyR 基因。基因。72u三种不同的类型三种不同的类型:RyR1 即骨骼肌型即骨骼肌
26、型;RyR2即心肌型即心肌型;RyR3 又称为脑型。又称为脑型。u三种类型的三种类型的RyR 并非完全是组织特异性表达并非完全是组织特异性表达的的。RyR1 和和RyR2、RyR1 和和RyR3、RyR2 和和RyR3 之间的同源性分别是之间的同源性分别是67%、67%和和70%。73Where intracellular Ca2+comes from during contraction?74Summary:Excitation-Contraction Coupling75兴奋-收缩耦联过程中，骨骼肌和心肌的不同点分类分类 Ca2+的来源的来源Ca2+的释放机制的释放机制Ca2+的回收的回收
27、骨骼肌骨骼肌大部分来自大部分来自SRL-钙通道激活，变构钙通道激活，变构 RYR激活激活 JSR释放释放Ca2+Ca2+大部分被大部分被SR的的钙泵回收钙泵回收心肌心肌80%90%来自来自SR，10%20%经经L-钙通道内流钙通道内流L-钙通道激活钙通道激活 Ca2+内流内流 激活激活RYR JSR释放释放Ca2+（对细胞（对细胞外液外液Ca2+（的高度依赖）（的高度依赖）Ca2+大部分被大部分被SR的的钙泵回收，钙泵回收，10%20%经经Na+Ca2+交换和肌交换和肌膜上的钙泵到胞外膜上的钙泵到胞外76影响横纹肌收缩效能的因素影响横纹肌收缩效能的因素肌肉的收缩形式肌肉的收缩形式:等等 长长
28、收收 缩缩(isometric contraction)：等等 张张 收收 缩缩(isotonic contraction)：77张力不变，长度减小张力不变，长度减小长度不变，张力增加长度不变，张力增加Isometric contractionisotonic contraction78负荷的形式负荷的形式(1)前负荷前负荷（preload）：肌肉收缩前遇到的负荷，决定肌肉的肌肉收缩前遇到的负荷，决定肌肉的初长度；初长度；(2)后负荷后负荷（afterload）：）：肌肉收缩后方能肌肉收缩后方能“感觉感觉”到的负荷；到的负荷；79TransducerSMove up or down to ch
29、ange preload(initial length)Initial length&preload80uPreload is a load on the muscle before muscle contraction.Determines the initial length of the muscle before contraction.Initial length is the length of the muscle fiber before its contraction.It is positively proportional to the preload1 1 前负荷或肌肉
30、初长度对肌肉收缩前负荷或肌肉初长度对肌肉收缩的影响：的影响：81长度长度-张力关系张力关系前负荷对肌收缩的影响前负荷对肌收缩的影响最适前负荷（初长）最适前负荷（初长）82Passive tension(被被动动张张力力)is the tension developed by simply stretching a muscle to different lengths(think of a rubber band).Passive tension is determined by preload and the elasticity of the muscle itself.被动张力指改变初长
31、而尚未收缩的肌肉的张力改变总张力是在已有被动张力的基础上肌肉收缩时产生的主动张力与前者之和。uTotal tension(总张总张力力)is the tension developed when a muscle is stimulated to contract.uIt is the sum of the active tension developed by contractile elements of the sarcomeres and the passive tension caused by stretching the muscle.uActive tension(主主动张动张
32、力力)is determined by subtracting the passive tension from the total tension(total T-passive T).l肌肌肉肉收收缩缩产产生生最最大大主主动动张张力力时时的的前前负负荷荷，称称最适前负荷。最适前负荷。l最适前负荷作用下的初长度，叫最适初长度。最适前负荷作用下的初长度，叫最适初长度。l未未至至最最适适前前负负荷荷时时，随随前前负负荷荷的的增增加加，肌肌肉肉每次收缩所产生的主动张力增大；每次收缩所产生的主动张力增大；l前前负负荷荷超超过过最最适适前前负负荷荷后后，反反而而使使主主动动张张力力减小，以致最后下降到
33、零。减小，以致最后下降到零。85l最适前负荷或初长度时，肌小节的长度最适前负荷或初长度时，肌小节的长度2.2um。粗肌丝上的每个横桥都能与细肌丝相互粗肌丝上的每个横桥都能与细肌丝相互作用作用，作功效率最高。，作功效率最高。肌张力最大，收缩速度最快，缩短的长肌张力最大，收缩速度最快，缩短的长度最大。度最大。862 后负荷对肌肉收缩的影响：u后负荷（后负荷（after-load）：）：肌肉开始收缩时才肌肉开始收缩时才能遇到的负荷或阻力。能遇到的负荷或阻力。u不增加肌肉的初长度，但能阻碍收缩时肌肉不增加肌肉的初长度，但能阻碍收缩时肌肉的缩短。的缩短。u肌肉在有后负荷的情况下收缩时，总是张力肌肉在有后
34、负荷的情况下收缩时，总是张力产生在前，肌肉缩短出现在后。产生在前，肌肉缩短出现在后。87Afterload 张力-速度曲线）88在有后负荷的情况下，肌肉能否缩在有后负荷的情况下，肌肉能否缩短、其缩短速度，取决于肌肉收缩短、其缩短速度，取决于肌肉收缩产生的张力与负荷的力量对比。产生的张力与负荷的力量对比。Effects of afterload on fiber shorteningTension transducerabAfterloadcExperimentpreload89后负荷对肌肉收缩的影响后负荷对肌肉收缩的影响 后负荷越大，肌肉收缩时负荷越大，肌肉收缩时:u出现缩短的时间越晚出现缩短
35、的时间越晚u缩短的程度越小缩短的程度越小u缩短的速度越小缩短的速度越小u如果后负荷超过了肌肉收缩所能如果后负荷超过了肌肉收缩所能产生的最大张力，出现等长收缩。产生的最大张力，出现等长收缩。90913 肌肉收缩能力的改变对肌肉收缩的影响u肌肉收缩能力：与肌肉负荷无关的、决定肌肉收缩效能的内部特性（contractility）。u影响因素：收缩蛋白对钙离子的敏感性，Myosin的的ATP酶的活性等u缺氧、酸中毒、肌肉中能源物质缺乏，都可能降低肌肉收缩能力。u钙离子、咖啡因、肾上腺素等因素则可提高肌肉的收缩能力。92u正性肌力：正性肌力：Adr、Ca+等等u负负性肌力：缺氧、酸中毒等性肌力：缺氧、酸
36、中毒等LengthForce93The difference of muscle fiberu运动单位数量的总和：运动单位数量的总和：size principleu频率效应的总和。频率效应的总和。收缩的总和收缩的总和95收缩的总和收缩的总和单单收收缩缩复合收缩twitch不完全强直收缩不完全强直收缩incomplete tetanus96完全强直收缩完全强直收缩(complete tetanus)收缩的总和收缩的总和97收缩特点收缩特点:u体内肌收缩多为复合体内肌收缩多为复合收缩。收缩。u复合收缩幅度高于单收缩。复合收缩幅度高于单收缩。u收收缩缩可可以以发发生生复复合合，但但APAP是是分离的。分离的。u单单收收缩缩可可以以是是等等长长收收缩缩，也也可以是等张收缩。可以是等张收缩。u骨骨骼骼肌肌收收缩缩的的强强度度与与参参与与的的肌肌纤纤维维数数目目和和单单个个肌肌纤纤维维的的收缩幅度有关。收缩幅度有关。98