第三节 肌细胞的收缩功能
一、神经–肌肉接头的兴奋传递
（一）神经–肌肉接头的微细结构
由脊髓前角发出的躯体运动神经到达末梢处时，脱去髓鞘，神经元的轴突进一步分支形成数目多寡不一的多个膨大末梢，每个末梢嵌入骨骼肌细胞肌膜上的凹陷处，与之形成所谓的神经–肌肉接头。神经–肌肉接头是由轴突末梢形成的接头前膜，肌膜形成的接头后膜，以及存在于二者之间的接头间隙构成的。接头前膜内有含乙酰胆碱（ACh）的囊泡，又称为接头小泡。接头后膜称为运动终板，简称终板，终板膜上存在N型乙酰胆碱受体。接头前膜和后膜之间充满着细胞外液的间隙即接头间隙。此外在接头后膜还存在有胆碱酯酶，它可以将ACh分解为胆碱和乙酸而灭活。
（二）神经–肌肉接头处的兴奋传递过程
当运动神经元兴奋，神经冲动到达轴突末梢时，末梢处的细胞膜发生去极化，使得接头前膜上的钙离子通道开放，钙离子由接头间隙进入前膜内，诱发囊泡中ACh的释放进入接头间隙；ACh扩散到达接头后膜，与N2受体结合，引起Na+内流，终板膜去极化产生终板电位。当终板电位去极化达到阈电位，爆发动作电位，使整个骨骼肌细胞兴奋。
二、骨骼肌的兴奋–收缩耦联
骨骼肌细胞的兴奋表现为肌细胞膜产生动作电位的电活动，而肌细胞的收缩是肌细胞内部肌丝相互滑行的机械过程。将肌细胞的兴奋和收缩耦联起来的中间过程称为肌细胞的兴奋–收缩耦联。
（一）肌管系统
骨骼肌细胞内部存在两套相互独立的肌管系统，分别是横管和纵管。横管是肌细胞膜向内凹陷形成的，横管内部的液体为细胞外液。纵管的走行方向与肌细胞的纵轴平行，相互交织成网。纵管的终末端膨大形成终池，也称为钙池，其中含有大量的钙离子。在骨骼肌细胞内，横管与存在于其两侧的终池形成三联管（图2-11）。三联管结构是骨骼肌细胞兴奋–收缩耦联的结构基础。
（二） 骨骼肌细胞的兴奋–收缩耦联过程
骨骼肌细胞的兴奋–收缩耦联过程主要由三个环节构成的：1. 肌细胞膜的动作电位沿肌膜及横管膜向细胞深部传导至三联管处，激活横管膜上存在的钙离子通道；2. 钙离子通道使得终池的钙离子大量快速地释放入胞质，引发肌细胞的收缩；3.钙泵以主动转运的方式将兴奋–收缩耦联中释放的钙离子重新转运到终池内贮存，肌细胞发生舒张。
三、骨骼肌细胞的收缩机制
骨骼肌细胞的结构中，含有大量的肌原纤维，肌原纤维是由粗肌丝和细肌丝构成的。
（一） 肌原纤维和肌小节
在显微镜下观察，肌原纤维呈现明显的明、暗交替的分布，分别被称为明带和暗带（图2-12）。明带中央有一条与肌纤维长轴垂直的横线称为Z线。暗带中央也同样存在一条横线称为M线。暗带中央相对透亮的区域称为H带。两条Z线之间的区域构成一个肌节，也称肌小节。肌小节是肌肉收缩的基本结构单位，包括一条位于中央的完整暗带和两侧各1/2的明带。研究发现，骨骼肌细胞收缩时，两种肌丝的各自长度并不缩短，只是细肌丝向着M线方向滑行，使得粗、细肌丝相互重叠程度发生了增加，这就是骨骼肌细胞收缩的肌丝滑行学说。
（二）肌丝的分子组成
粗肌丝由肌球蛋白分子构成的。肌球蛋白分子外观呈杆状，杆的一端有两个球形的头，称为横桥。横桥从粗肌丝中向外伸出，并在被激活后向M线方向扭动，是肌丝滑行的动力。每条粗肌丝上大约有数百个横桥（图2-13）
细肌丝由三种蛋白分子构成，即肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白。肌动蛋白分子呈球形，大量的肌动蛋白分子首尾相连构成细肌丝双螺旋结构的主体。肌动蛋白上有与粗肌丝横桥结合的位点。原肌球蛋白呈长条状，由两条肽链构成双螺旋结构。
（三）肌肉的收缩过程
肌肉收缩的过程实质上就是粗、细肌丝相互滑行的过程。如前所述，当骨骼肌肌细胞发生兴奋，在兴奋–收缩耦联过程中，大量的钙离子从终池释放入肌浆内。进入肌浆的钙离子与细肌丝上的肌钙蛋白结合，肌钙蛋白构象改变，从而暴露出肌动蛋白上与粗肌丝横桥可以结合的位点，使得处于高势能状态的粗肌丝横桥得以和细肌丝的肌动蛋白发生结合并向M线方向扭动，从而拉动Z线向M线靠近，肌小节缩短。当纵管膜上的钙泵将肌浆中的钙离子主动转运回肌质网内后，肌浆钙离子浓度下降，肌钙蛋白和原肌球蛋白恢复原来构象和位置，“位阻效应”重现，肌肉发生舒张。
四、骨骼肌的收缩效能及其影响因素
骨骼肌的收缩效能表现为收缩时所产生的张力的大小、肌肉缩短的程度，以及产生张力和（或）肌肉缩短的速度。
（一）骨骼肌收缩的表现形式
1. 等长收缩 肌肉收缩时长度不变，张力增加称为等长收缩。
2. 等张收缩 肌肉收缩时张力保持不变，长度缩短称为等张收缩。
在一定后负荷基础上收缩时，肌肉张力从零开始逐渐增加，常先表现为等长收缩，当张力增加至与负荷相等时转为等张收缩。
（二）单收缩和强直收缩
1. 单收缩 当骨骼肌受到一次适当的刺激而发生一次动作电位时，产生一次收缩，称为单收缩
2.强直收缩 如果在前一次收缩的过程中，舒张还没有完全结束，即给予肌肉第二次刺激，肌肉就可以在第一次收缩的基础上，发生第二次收缩。这种在连续刺激情况下，连续多次单收缩的总和称为强直收缩。强直收缩的过程中，如果后一次收缩发生在前一次收缩的舒张期，所出现的收缩张力曲线呈锯齿状，称为不完全强直收缩；如果前一次收缩尚处于收缩期，还未开始舒张，肌肉即接受新的刺激发生收缩，则会在收缩期发生收缩的叠加，张力曲线呈光滑上升的形状，称为完全强直收缩。与单收缩比较，强直收缩的强度可以达到单收缩的3~4倍。
骨骼肌神经-肌接头处的兴奋传递与临床的相关
骨骼肌神经-肌接头处的兴奋传递中有神经递质的参与，它是一个电-化学-电传递的过 程，因而成为许多药物和病理因素作用的靶点，是临床相关疾病的发生和治疗用药的重要环 节。
（一）去运动神经导致骨骼肌神经-肌接头处兴奋传递的改变 研究表明，肌肉去运动神经支配后，由于正常的接头结构改变和兴奋传递停止，导致骨 骼肌神经-肌接头处兴奋传递的一系列变化。首先是由于骨骼肌神经-肌接头处兴奋传递的停 止，微终板电位消失，但过一段时间后，又可记录到频率较低的微终板电位。一般认为，尽 管存在去运动神经支配的肌肉对ACh敏感性升高的因素，但不是对血液ACh敏感性升高的结 果，而可能是施万细胞释放ACh所致。这在正常和去神经的大鼠肌肉运动终板，通过运动终 板的电镜观察和微终板电位记录的结合研究得到证明，即电镜能观察到运动终板结构，就能 记录到微终板电位，反之则不能，特别是去神经时间过久，由于施万细胞不能与肌纤维接触， 微终板电位就消失。进一步研究还发现，施万细胞可能也存在乙酰胆碱酯酶。尽管施万细胞 可能有ACh释放，但与运动神经末梢的释放机制不同，如细胞外Ca2+浓度升高能抑制施万细 胞释放ACh，细胞外高K+可导致施万细胞去极化，也不能增加ACh释放。另外，肌肉去运动 神经后，对ACh敏感的区域不再局限在原来的运动终板区，而是其余肌细胞膜也能接受ACh 的作用，并产生反应，说明原来的运动终板范围扩大或N2型ACh受体阳离子通道的分布范围 扩大。
（二）药物对骨骼肌神经-肌接头处兴奋传递的影响 事实上，凡能影响运动神经末梢动作电位的产生和传导的因素，如神经递质ACh的合成、 储存、释放、消除、与受体的作用，以及肌细胞的生物电活动的药物，均可影响骨骼肌神经 -肌接头处的兴奋传递，比如使用河豚毒（TTX）可通过阻断运动神经末梢动作电位的产生 和传导，低钙可降低ACh的释放，进而阻断兴奋的传递，这是实验研究中常用的方法。不过， 通常所说的药物对骨骼肌神经-肌接头处兴奋传递的影响，主要是指通过影响ACh及N2型 ACh受体阳离子通道的药物或毒素。 能影响N2型ACh受体阳离子通道的药物或毒素，主要有两类，一类是筒箭毒碱 （tubocurarine）、阿曲库铵（atracurium），以及α-银环蛇毒等，可特异性阻断终板膜中的N2 型ACh受体阳离子通道，抑制骨骼肌神经-肌接头处的兴奋传递而松弛肌肉，不仅常用作实 验研究中的工具药，筒箭毒碱和阿曲库铵等也在临床上作为非去极化肌松剂使用，原因在于 其能与ACh竞争结合N2型ACh受体阳离子通道，但没有激活该受体通道的作用。进一步研究 表明筒箭毒碱是降低了N2型ACh受体阳离子通道的开放频率。另一类是临床上使用的琥珀酰 胆碱（suxamethonium）、氨酰胆碱（imbretil）等肌松剂，它们与筒箭毒碱不同，属于去极化 肌松剂，原因在于其具有与ACh类似的N2型ACh受体阳离子通道的激动作用，激活受体通道 后可引起终板膜去极化，作用初始可以出现不协调的肌纤维成束收缩甚至痉挛，但该类药物 又不同于ACh，可持续作用于N2型ACh受体阳离子通道，产生持续的明显去极化（可达 40mV），导致钠通道失活，肌细胞兴奋性降低，不能产生动作电位，运动神经末梢释放的 ACh不能发挥兴奋传递作用，最终阻断骨骼肌神经-肌接头的兴奋传递，导致肌肉松弛。能影响N2型ACh受体阳离子通道的还有乙醇，它能缩短通道的开放时间，局麻药能阻滞离子通 道，而蛇毒类、贝类、甲壳类等中毒亦可阻滞N2型ACh受体阳离子通道。 在影响 ACh 的药物中，最主要的是胆碱酯酶抑制剂。如新斯的明等可通过抑制胆碱酯 酶，减少 ACh 的水解，进而增加 ACh 在接头间隙的浓度，改善肌无力病人的症状。研究表 明，胆碱酯酶抑制剂能显著延长微终板电位的时程，但不改变离子通道的开放时间，提示由 ACh 的反复作用所致。另外，有机磷农药、毒扁豆碱、神经毒气等中毒则是由于胆碱酯酶 被强烈抑制，如有机磷农药使胆碱酯酶磷酸化而丧失活性，造成 ACh 在接头间隙内大量蓄 积，引起中毒症状。此外，通过影响 ACh 而阻滞骨骼肌神经-肌接头处兴奋传递的还有红霉 素等多种抗生素、奎尼丁、维拉帕米等药物，以及肉毒毒素主要抑制 ACh 的释放，密胆碱 （hemicholinium）则干扰胆碱的摄取而降低 ACh 的合成等，均可阻滞骨骼肌神经-肌接头处 的兴奋传递。
（三）骨骼肌神经-肌接头处兴奋传递障碍性疾病 骨骼肌神经-肌接头处兴奋传递障碍常与一些疾病的发生有关。在一些自身免疫性疾病， 如重症肌无力（myasthenia gravis），由于体内的自身抗体使终板膜中的N2型ACh受体阳离子 通道遭受破坏，结果使ACh的作用被阻断，导致骨骼肌神经-肌接头处兴奋传递障碍。重症 肌无力的临床特征是骨骼肌活动后容易疲劳，休息或用胆碱酯酶抑制剂可以缓解。重症肌无 力的病理特征是终板膜面积减小，N2型ACh受体阳离子通道含量降低。另一种自身免疫性疾 病称肌无力综合征（又称Lambert-Eaton综合征），是一种离子通道病，是体内的自身抗体破 坏轴突末梢膜中的钙通道，当运动神经上的动作电位到达末梢时不能激活足够的钙通道而产 生Ca2+内流，导致突触囊泡的递质释放发生障碍，进而产生骨骼肌神经-肌接头处兴奋传递 的阻滞，出现肌无力症状。
