骨骼肌收縮機(jī)制

1、骨骼肌收縮機(jī)制肌細(xì)胞的興奮表現(xiàn)為細(xì)胞膜上出現(xiàn)可傳導(dǎo)的動(dòng)作電位(AP)，而肌細(xì)胞的收縮 則是細(xì)胞內(nèi)部肌絲滑行的結(jié)果。肌細(xì)胞的興奮不能直接引起肌肉收縮，二者之間 存在一個(gè)耦聯(lián)過(guò)程。將肌細(xì)胞的電興奮和機(jī)械收縮聯(lián)系起來(lái)的一系列過(guò)程，稱為 興奮-收縮耦聯(lián)(excitation-contraction coupling)。實(shí)現(xiàn)橫紋肌興奮-收縮耦聯(lián)的組 織結(jié)構(gòu)是肌管系統(tǒng)，起關(guān)鍵作用的物質(zhì)是Ca2+。而橫紋肌細(xì)胞收縮和舒張的基 本單位是肌節(jié)(sarcomere)。接下來(lái)將介紹骨骼肌收縮機(jī)制的三個(gè)重要方面：1) 骨骼肌細(xì)胞的微細(xì)結(jié)構(gòu)；2)骨骼肌收縮分子機(jī)制；3)骨骼肌的興奮-收縮耦聯(lián)。骨骼肌細(xì)胞的微細(xì)結(jié)構(gòu)肌原纖

2、維(myofibril)橫紋肌細(xì)胞的胞質(zhì)內(nèi)含有大量的肌原纖維(myofibril)，平行排列，直徑在12 pm之間，縱貫肌細(xì)胞全長(zhǎng)。肌細(xì)胞的收縮成份就存在于肌原纖維上。肌原纖維 沿長(zhǎng)軸呈現(xiàn)整齊交替的明、暗排列，被稱為明帶(light band)和暗帶(dark band)。 在肌肉處于舒張狀態(tài)時(shí)，暗帶中央有一段相對(duì)較亮的區(qū)域，稱為H帶，H帶的 中央有一條橫線，稱為M線(M line)。明帶中央也有一條線，稱為Z線(Z line)。 肌節(jié)是橫紋肌細(xì)胞收縮和舒張的基本功能單位。肌小節(jié)=1/2明帶+暗帶+1/2 明帶=2條Z線間的區(qū)域。肌原纖維呈現(xiàn)明帶和暗帶相間是由于肌原纖維由兩套粗細(xì)不同的肌絲：粗

3、肌 絲和細(xì)肌絲組成，以及它們之間又存在不同程度的重疊。明帶只有細(xì)肌絲(thin filament)，直徑約5 nm，長(zhǎng)度約1 pm，一端固定于Z線，另一端游離形式插入 暗帶的粗肌絲之間。暗帶主要是粗肌絲(thick filament)，直徑約10 nm，長(zhǎng)度約 1.6 pm，兩端游離，中間固定于M線。在安靜情況下，M線兩側(cè)沒(méi)有細(xì)肌絲的 插入，形成較為明亮的H帶，H帶兩次則是粗、細(xì)肌絲重疊區(qū)。安靜情況下， 肌節(jié)的長(zhǎng)度約為22.2 pm。粗肌絲組成和結(jié)構(gòu)粗肌絲是眾多肌球蛋白(myosin)分子組成的。每個(gè)肌球蛋白由兩條纏繞在一 起的重鏈(heavy chain)、兩條堿性輕鏈(alkali lig

4、ht chain)和兩條調(diào)節(jié)輕鏈 (regulatory light chain)共同組成。兩條重鏈分為三個(gè)區(qū)域：1)尾部(tail region), 呈桿狀，以螺旋纏繞相互形成肌球蛋白分子的主體；2)鉸鏈部(門(mén)9 region)， 由桿部伸出，連接到頭部，也稱橋臂；3)頭部(head)，也稱橫橋(cross-bridge)， 重鏈分開(kāi)后形成的兩個(gè)球形結(jié)構(gòu)。兩個(gè)頭部分別和一條堿性輕鏈和調(diào)節(jié)輕鏈形成 復(fù)合物。堿性輕鏈的作用是穩(wěn)定肌球蛋白的頭部，而調(diào)節(jié)輕鏈的作用是調(diào)節(jié)橫橋 ATP酶活性。橫橋的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)每個(gè)粗肌絲上伸出的橫橋約有300400個(gè)，沿長(zhǎng)軸排成6列，分別于粗肌 絲周?chē)?條細(xì)肌絲對(duì)應(yīng)。橫

5、橋的特點(diǎn)：1)能與細(xì)肌絲上的結(jié)合位點(diǎn)發(fā)生可逆 性結(jié)合；2)具有ATP酶的作用，與結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合后，分解ATP提供橫橋扭動(dòng)(肌 絲滑行)和作功的能量。細(xì)肌絲組成和結(jié)構(gòu)細(xì)肌絲由三種蛋白分子組成：1)肌動(dòng)蛋白(actin):表面有與橫橋結(jié)合的位 點(diǎn)，與肌絲滑行直接相關(guān)，與肌球蛋白一起被稱為收縮蛋白；靜息時(shí)該位點(diǎn)被原 肌球蛋白掩蓋；2)原肌球蛋白(tropomysin):位于肌動(dòng)蛋白和橫橋之間，將肌 動(dòng)蛋白上的橫橋結(jié)合位點(diǎn)遮蓋，阻止橫橋與肌動(dòng)蛋白的結(jié)合，具有阻滯效應(yīng)，被 稱為調(diào)節(jié)蛋白；3)肌鈣蛋白(troponin)：也是調(diào)節(jié)蛋白，由三個(gè)亞單位：TnT、 TnI和TnC組成。TnT：與原肌球蛋白結(jié)合，將

6、肌鈣蛋白分子和原肌球蛋白連在 一起；TnI:抑制性亞單位，與肌動(dòng)蛋白結(jié)合，使原肌球蛋白能夠保持在肌動(dòng)蛋 白的雙螺旋溝壁上，保持其阻滯效應(yīng)；TnC： Ca2+結(jié)合亞單位，與Ca2+結(jié)合后 肌鈣蛋白構(gòu)象發(fā)生變化，使TnI與肌動(dòng)蛋白結(jié)合減弱，原肌球蛋白移動(dòng)，暴露出 肌動(dòng)蛋白上的橫橋結(jié)合位點(diǎn)，使肌動(dòng)蛋白與橫橋結(jié)合。肌管系統(tǒng)是橫紋肌細(xì)胞實(shí)現(xiàn)興奮-收縮耦聯(lián)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)肌管系統(tǒng)(Muscular Tubular System)：包繞在每條肌原纖維周?chē)哪夜軤罱Y(jié) 構(gòu)，有兩組來(lái)源和功能都不同的獨(dú)立管道系統(tǒng)。橫管系統(tǒng)(transverse tubular system)： T管，肌膜內(nèi)凹而成；內(nèi)含細(xì)胞外液，肌膜AP

7、沿T管傳導(dǎo)；縱管系 統(tǒng)(longitudinal tubular system)： L 管，也稱肌質(zhì)網(wǎng)(SR)；對(duì) Ca2+進(jìn)行儲(chǔ)存、釋 放、再聚集。肌節(jié)兩端的SR (靠近T管)，形成膨大，稱終池，富含Ca2+ (稱 為細(xì)胞內(nèi)的Ca2+庫(kù))；三聯(lián)管：T管+終池X2。兩類肌管的膜各自具有不同的功能蛋白分子。T管膜上除了有同肌膜一樣的 電壓門(mén)控Na+、K+兩種離子通道外，還有一種特殊的電壓門(mén)控L型鈣通道(DHP 受體)。SR終池膜上則有另外一種鈣通道(RyR)，其參與SR內(nèi)Ca2+向胞質(zhì)內(nèi)釋 放；SR膜還有存在許多鈣泵，消耗能量的情況下，可逆濃度梯度將胞質(zhì)內(nèi)的 Ca2+主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)到SR中儲(chǔ)存。骨骼肌

8、收縮機(jī)制骨骼肌收縮分子機(jī)制-肌絲滑行理論(myofilament sliding theory)肌絲滑行理論(myofilament sliding theory)由20世紀(jì)50年代初期Huxley 等提出，主要內(nèi)容是：橫紋肌的肌原纖維由兩種粗細(xì)不等且相互平行排列的肌絲 所構(gòu)成，肌肉的縮短和伸長(zhǎng)是通過(guò)粗細(xì)肌絲在肌節(jié)內(nèi)的相互滑動(dòng)發(fā)生的，而肌絲 本身長(zhǎng)度沒(méi)有發(fā)生改變或扭曲。這一理論的直接證據(jù)來(lái)源于肌肉收縮時(shí)肌節(jié)長(zhǎng)度 變化的觀察。具體過(guò)程：終池內(nèi)的Ca2+進(jìn)入肌漿-Ca2+與肌鈣蛋白TnC結(jié)合一 原肌球蛋白位移，暴露肌動(dòng)蛋白上的橫橋結(jié)合位點(diǎn)一橫橋與結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，將水 解ATP產(chǎn)生的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能一橫

9、橋向M線方向擺動(dòng)一牽拉細(xì)肌絲朝肌節(jié)中央 滑行一肌節(jié)縮短=肌細(xì)胞收縮。橫橋周期(cross-bridge cycling)肌肉收縮的實(shí)質(zhì)是將水解ATP產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，這種能力轉(zhuǎn)換 發(fā)生在肌球蛋白的橫橋與肌動(dòng)蛋白反復(fù)作用的過(guò)程中。橫橋周期指橫橋與肌動(dòng)蛋 白結(jié)合、擺動(dòng)、復(fù)位與再結(jié)合的過(guò)程。周期的長(zhǎng)短決定肌肉的縮短速度。主要包 括：1)橫橋與細(xì)肌絲肌動(dòng)蛋白結(jié)合；2)橫橋扭動(dòng)；3)橫橋與細(xì)肌絲解離；4) 橫橋水解ATP獲能并復(fù)位。每次橫橋扭動(dòng)產(chǎn)生的移動(dòng)距離(或稱步長(zhǎng))約515nm。骨骼肌的興奮-收縮耦聯(lián)(excitation-contraction coupling把肌細(xì)胞的電興奮和肌細(xì)胞的機(jī)械收縮連接起來(lái)的中介過(guò)程稱為興奮-收縮 耦聯(lián)(excitation-contraction coupling)。最關(guān)鍵的因素是細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度升高。 過(guò)程：AP擴(kuò)布至橫管系統(tǒng)；三聯(lián)管處的信息傳遞；終池膜上鈣通道開(kāi)放， 觸發(fā)肌絲滑行。骨骼肌舒張機(jī)制當(dāng)胞質(zhì)中的Ca2+被鈣泵轉(zhuǎn)運(yùn)回SR內(nèi)后，胞質(zhì)內(nèi)的Ca2+濃度降低，Ca2+與 肌鈣蛋白分離，原肌球蛋白的構(gòu)象和“位阻效應(yīng)”恢復(fù)，橫橋周期停止，