第四節　肌細胞的收縮功能

人體各種形式的運動，主要是靠一些肌細胞的收縮活動來完成的。例如，軀體的各種運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、血管等器官的運動，則由平滑肌的收縮來完成。不同肌肉組織在功能和結構上各有特點，但從分子水平來看，各種收縮活動都與細胞內所含的收縮蛋白質，主要與肌凝蛋白和肌纖蛋白的相互作用有關；收縮和舒張過程的控制，也有某些相似之處。本節以研究最充分的骨骼肌為重點，說明肌細胞的收縮機制。

骨骼肌是體內最多的組織，約占體重的40%。在骨和關節的配合下，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動。骨骼肌由大量成束的肌纖維組成，每條肌纖維就是一個肌細胞。成人肌纖維呈細長圓柱形，直徑約60μm，長可達數毫米乃至數十厘米。在大多數肌肉中，肌束和肌纖維都呈平行排列，它們兩端都和由結締組織構成的腱相融合，后者附著在骨上，通常四肢的骨骼肌在附著點之間至少要跨過一個關節，通過肌肉的收縮和舒張，就可能引起肢體的屈曲和伸直。我們的生產勞動、各種體力活動等，都是許多骨骼肌相互配合的活動的結果。每個骨骼肌纖維都是一個獨立的功能和結構單位，它們至少接受一個運動神經末梢的支配，并且在體骨骼肌纖維只有在支配它們的神經纖維有神經沖動傳來時，才能進行收縮。因此，人體所有的骨骼肌活動，是在中樞神經系統的控制下完成的。

一、神經-骨骼肌接頭處的興奮傳遞

運動神經纖維在到達神經末梢處時先失去髓鞘，以裸露的軸突末梢嵌入到肌細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，而是被充滿了細胞外液的接頭間隙隔開，其中尚含有成分不明的基質；有時神經末梢下方的終板膜還有規則地再向細胞內凹入，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目的蛋白質分子，它們最初被稱為N-型乙酰膽堿受體，現已證明它們是一些化學門控通道，具有能與ACh特異性結合的亞單位。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的無特殊構造的囊泡（圖2-19）。用組織化學的方法可以證明，囊泡內含有ACh；此ACh首先在軸漿中合成，然后貯存在囊泡內。據測定，每個囊泡中貯存的ACh量通常是相當恒定的，且當它們被釋放時，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。在神經末梢處于安靜狀態時，一般只有少數囊泡隨機地進行釋放，不能對肌細胞產生顯著影響。但當神經末梢處有神經沖動傳來時，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側面靠近，通過囊泡膜與軸突膜的融合，并在融合處出現裂口，使囊泡中的ACh全部進入接頭間隙。據推算，一次動作電位的到達，能使大約200～300個囊泡的內容排放，使近10[SB]7[/SB]個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雜，但首先是軸突末梢膜的去極化，引起了該處特有的電壓門控式Ca[SB]2+[/SB]通道開放，引起細胞間隙液中的Ca[SB]2+[/SB]進入軸突末梢，觸發了囊泡移動以至排放的過程。Ca[SB]2+[/SB]的進入量似乎決定著囊泡釋放的數目；細胞外液中低Ca[SB]2+[/SB]或（和）高Mg[SB]2+[/SB]，都可阻礙ACh的釋放而影響神經-肌接頭的正常功能。已故馮德培院士在30年代對神經-肌接頭的化學性質傳遞進行過重要的研究。

圖2-19 神經-肌接頭處的超微結構示意圖

當ACh分子通過接頭間隙到達終板膜表面時，立即同集中存在于該處的特殊通道蛋白質的兩個α-亞單位結合，每分子的通道將結合兩個分子的ACh，由此引起的蛋白質分子內部構象的變化會導致它的通道結構的開放。這種通道開放時，孔道的橫截面比前面提到的Na[SB]+[/SB]通道的面積為大，可允許Na[SB]+[/SB]、K[SB]+[/SB]甚至少量Ca[SB]2+[/SB]同時通過；由于這幾種離子正常時在膜內處的分布特點，實際出現的是Na[SB]+[/SB]的內流和K[SB]+[/SB]的外流，其總的結果是使終板膜處原有靜息電位減小，向零值靠近，亦即出現膜的去極化；這一電變化，稱為終板電位，它的出現約較神經沖動到達接頭前膜處晚0.5～1.0ms。有人曾在運動神經無沖動到達末梢時，記錄到由于個別囊泡的自發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有類似的性質：不表現“全或無”特性，其大小與接頭前膜釋放的ACh的量成比例；無不應期，可表現總和現象等，如我們一般記錄到的終板電位就是多數微終板電位總和的結果。終板電位產生時，它將以電緊張性擴布的形式影響終板膜周圍一般肌細胞膜。一般的肌細胞膜與神經軸突的膜性質類似，其中主要含電壓門控式Na[SB]+[/SB]通道和K[SB]+[/SB]通道；因而當同終板膜鄰接的肌細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，就會引發一次向整個肌細胞膜作“全或無”式傳導的動作電位，后者再通過所謂“興奮-收縮耦聯”，引起肌細胞出現一次機械收縮。

正常情況下，一次神經沖動所釋放的ACh以及它所引起的終板電位的大小，大約超過引起肌細胞膜動作電位所需閾值的3～4倍，因此神經肌接頭處的興奮傳遞通常是1對1的，亦即運動纖維每有一次神經沖動到達末梢，都能“可靠地”使肌細胞興奮一次，誘發一次收縮；這一點與將來要講的神經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的關系，還要靠每一次神經沖動所釋放的ACh能夠在它引起一次肌肉興奮后被迅速清除，否則它將持續作用于終板而使終板膜持續去極化，并影響下次到來的神經沖動的效應。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的時間內將一次神經沖動所釋放的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；有機磷農藥和新斯的明對膽堿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骨骼肌終板處的ACh門控通道數量不足或功能障礙所引起。

二、骨骼肌細胞的微細結構

骨骼肌細胞在結構上最突出之點，是含有大量的肌原纖維和豐富的肌管系統，且其排列高度規則有序。肌細胞是體內耗能作功，完成機體多種機械運動的功能單位。

（一）肌原纖維和肌小節

每個肌纖維含有大量直徑1～2μm的纖維狀結構，稱為肌原纖維，它們平行排列，縱貫肌纖維全長，在一個細胞中可達上千條之多（圖2-20）。每條肌原纖維的全長都呈現規則的明、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、受到被動牽拉或進行收縮時，它都保持1.5μm的長度；在暗帶中央，有一段相對透明的區域，稱為H帶，它的長度隨肌肉所處狀態的不同而有變化；在H帶中央亦即整個暗帶的中央，又有一條橫向的暗線，稱為M線。明帶的長度是可變的，它在肌肉安靜時較長，并且在一定范圍內可因肌肉所受的被牽引而變長；但明帶在肌肉收縮時可變短。明帶中央也有一條橫向的暗線，稱為z線（或z盤）。目前已經肯定，肌原纖維上每一段位于兩條z線之間的區域，是肌肉收縮和舒張的最基本單位，它包含一個位于中間部分的暗帶和兩側各1/2的明帶，合稱為肌小節（sarcomere）。由于明帶的長度可變，肌小節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肌小節的長度約為2.0～2.2μm。

圖2-20 骨骼肌細胞的肌原纖維和肌管系統

注意肌小節能的組成和不同部位肌小節橫斷布粗、細肌絲的幾何排列

用X-線衍射等更精密的方法進一步發現，肌小節的明帶和暗帶包含有更細的、平行排列的絲狀結構，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構。明帶中的肌絲較細，直徑約5nm，稱為細肌絲；它們由z線結構向兩側明帶伸出，每側的長度都是1.0nm，它的游離端在肌小節總長度小于3.5nm的情況下，必然有一段要伸入暗帶，和粗肌絲處于交錯和重疊的狀態；如果由兩側z線伸入暗帶的細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，肌小節長度增大，這時細肌絲由暗帶重疊區拉出，使明帶長度增大，H帶也相應地增大（圖2-20，下）。

粗、細肌絲相互重疊時，在空間上也呈現規則排列，這可從肌原纖維的橫斷面上看出。圖2-20下方表示在肌小節的不同位置將肌原纖維橫節時，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肌絲，它們的所在位置相當于一個正六邊形的各頂點；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上；而在H帶兩側的暗帶的橫斷面上，則可看到粗、細肌絲交錯存在的情況，這里，每一條粗肌絲正處在以六條細肌絲為頂點的正六邊形的中央，而這就為收縮時粗細肌絲之間的相互作用準備了條件。

（二）肌管系統

肌管系統指包繞在每一條肌原纖維周圍的膜性囊管狀結構，由來源和功能都不相同的兩組獨立的管道系統組成。一部分肌管的走行方向和肌原纖維相垂直，稱為橫管系統或稱T管，是由肌細胞的表面膜向內凹入而形成；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胞外液相通。將標記物加入到細胞的浸浴液中，這些物質可以很快在每一條環繞肌小節的橫管系統中出現，但不能進入肌漿和肌漿網中去。肌原纖維周圍還有另一組肌管系統，就是肌漿網，它們的走行方向和肌小節平行，稱為縱管系統或稱為L管；縱管系統或肌漿網主要包繞每個肌小節的中間部分，這是一些相互溝通的管道，但是在接近肌小節兩端的橫管時管腔出現膨大，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肌小節的縱管終末池，構成了三聯管結構（圖2-20，上）。據研究，橫管和縱管的膜在三聯管結構處并不接觸，中間尚隔有約12nm的間隙，說明兩組管道的內腔并不直接溝通，但這樣的結構顯然有利于細胞內外之間某種形式的信息傳遞。目前普遍承認的看法是，橫管系統的作用是將肌細胞興奮時出現在細胞膜上的電變化沿T管膜傳入細胞內部，肌漿網和終末池的作用是通過對鈣離子的貯存、釋放和再積聚，觸發肌小節的收縮和舒張；而三聯管結構是把肌細胞膜的電變化和細胞內的收縮過程銜接或耦聯起來的關鍵部位。

三、骨骼肌的收縮機制和興奮-收縮耦聯

Huxley等在50年代初期就提出了用肌小節中粗、細肌絲的相互滑行來說明肌肉收縮的機制。這一被稱為滑行理論（sliding theory）的主要內容是：肌肉收縮時雖然在外觀上可以看到整個肌肉或肌纖維的縮短，但在肌細胞內并無肌絲或它們所含的分子結構的縮短，而只是在每一個肌小節內發生了細肌絲向粗肌比之間的滑行，亦即由z線發出的細肌絲在某種力量的作用下主動向暗帶中央移動，結果各相鄰的z線都互相靠近，肌小節長度變短，造成整個肌原纖維、肌細胞乃至整條肌肉長度的縮短。滑行現象最直接的證明是，肌肉收縮時并無暗帶長度的變化，而只能看到明帶長度的縮短；并且與此同時也看到暗帶中央H帶相應地變窄。這只能說明，細肌絲在肌肉收縮時也沒有縮短，只是它們更向暗帶中央移動，和粗肌絲發生了更大程度的重疊。這種變化只能用粗、細肌絲之間出現了相對運動即滑行現象來解釋。滑行理論需要進一步說明的問題是：肌肉收縮時究竟是什么力量促使細肌絲向粗肌絲之間滑行，以及怎樣把這些過程和肌肉膜的興奮過程聯系起來。近年來，由于肌肉生物化學及其他細胞生物學技術的發展，肌絲滑行的機制已基本上從組成肌絲的蛋白質分子結構的水平得到闡明，對于與滑行的開始和終止有關的各種控制因素，也有了較較深入的了解。

（一）肌絲的分子組成和橫橋的運動

滑行現象的引起與組成肌絲的蛋白質分子結構和它們的特性有直接的關系。粗肌絲主要由肌凝蛋白（亦稱肌球蛋白）所組成，它們的分子在粗肌絲中呈獨特的有規則的排列。一條粗肌絲大約含有200～300個肌凝蛋白分子，每個分子長150nm，呈長桿狀而在一端有球狀膨大部。在組成粗肌絲時，各桿狀部朝向M線而聚合成束，形成粗肌絲的主干，球狀部則有規則地裸露在M線兩側的粗肌絲主干的表面，形成橫橋（圖2-21，左）。當肌肉安靜時，橫橋與主干的方向相垂直，由粗肌絲表面突出約6nm。用X-線衍射法證明，橫橋在粗肌絲表面的分布位置也是嚴格有規則的，即在粗肌絲的同一周徑上只能有兩個相隔180°的橫橋突出；在與此周徑相隔14.3nm的主干上又有一對橫橋突出，但與前一對有60°的夾角；如此反復，到第四對橫橋出現時，其方向正好與第一對橫橋相平行，且與第一對橫橋相隔42.9nm（圖示-21，右）。上述橫橋的分布情況，正好與一條粗肌絲為6條細肌絲所環繞的情況相對應，亦即在所有橫橋出現的位置，正好有一條細肌絲與之相對；而對于每條細肌絲來說，粗肌絲表面每隔42.9nm就伸出一個橫橋與之相對（圖2-21）。這種對應關系，對于粗、細肌絲之間的相互作用顯然是十分有利的。

圖2-21 粗肌絲中肌凝蛋白分子的排列示意圖

左、肌凝蛋白分子的長桿狀部橫向聚合，形成粗肌絲主干，球狀部裸露在表面，形成橫橋

右、橫橋在粗肌絲表面的幾何排列

現已證明，橫橋所具有的生物化學特性對于肌絲的滑行有重要意義。橫橋的主要特性有二：一是橫橋在一定條件下可以和細肌絲上的肌纖蛋白分子呈可逆性的結合，同時出現橫橋向M線方向的扭動，繼而出現橫橋和細肌絲的解離、復位，然后再同細肌絲上另外的點結合，出現新的扭動，如此反復，使細肌絲繼續向M線方向移動；二是橫橋具有ATP酶的作用，可以分解ATP而獲得能量，作為橫橋擺動和作功的能量來源。由此可見，橫橋和細肌絲的相互作用，是引起肌絲滑行的必要條件。

細肌絲至少由三種蛋白質組成，其中60%是肌纖蛋白（亦稱肌動蛋白）。肌纖蛋白與肌絲滑行有直接的關系，故和肌凝蛋白一同被稱為收縮蛋白質。肌纖蛋白分子單體呈球狀，但它們在細肌絲中聚合成雙螺旋狀，成為細肌絲的主干（圖2-22）。細肌絲中另外有兩種蛋白質，它們不直接參與肌絲間的相互作用，但可影響和控制收縮蛋白質之間的相互作用，故稱為調節蛋白質；其中一種是原肌凝蛋白，也呈雙螺旋結構，在細肌絲中和肌纖蛋白雙螺旋并行，但在肌肉安靜時原肌凝蛋白的位置正好在肌纖蛋白和橫橋之間（圖2-23，左）這就起了阻礙兩者相互結合的作用；另一種調節蛋白質稱為肌鈣蛋白（亦稱原寧蛋白），肌鈣蛋白在細肌絲上不直接和肌纖蛋白分子相連接，而只是以一定的間隔出現在原肌凝蛋白的雙螺旋結構之上。肌鈣蛋白的分子呈球形，含有三個亞單位（圖2-22）：亞單位C中有一些帶雙負電荷的結合位點，因而對肌漿中出現的Ca[SB]2+[/SB]（以及其他可能出現的兩價正離子和H[SB]+[/SB]）有很大的親和力；亞單位T作用是把整個肌鈣蛋白分子結合于原肌凝蛋白；而亞單位I的作用是在亞單位C與Ca[SB]2+[/SB]結合時，把信息傳遞給原肌凝蛋白，引起后者的分子構象發生改變，解除它對肌纖蛋白和橫橋相互結合的阻礙作用。

圖 2-22 細肌絲的分子組成

I、T、C分別代表肌鈣蛋白的三個亞單位

肌絲滑行的基本過程一般公認為：當肌細胞上的動作電位引起肌漿中Ca[SB]2+[/SB]濃度升高時，作為Ca[SB]2+[/SB]受體的肌鈣蛋白結合了足夠數量的Ca[SB]2+[/SB]，這就引起了肌鈣蛋白分子構象的某些改變，這種改變“傳遞”給了原肌凝蛋白，使后者的構象也發生某些改變，其結果是使原肌凝蛋白的雙螺旋結構發生了某種扭轉，這就把安靜時阻止肌纖蛋白和橫橋相互結合的阻礙因素除去，出現了兩者的結合。在橫橋與肌纖蛋白的結合、扭動、解離和再結合、再扭動構成的橫橋循環過程中，使細肌絲不斷向暗帶中央移動；與此相伴隨的是ATP的分解消耗和化學能向機械能的轉換，完成了肌肉的收縮（圖示2-23）。

圖2-23 Ca[SB]2+[/SB]通過和肌鈣蛋白的結合，誘發橫橋和肌纖蛋白之間的相互作用

上述的橫橋循環在一個肌小節以至整個肌肉中都是非同步地進行的，這樣才可能使肌肉產生恒定的張力和連續的縮短。至于能參與循環的橫橋數目以及橫橋循環的進行速率，則是決定肌肉縮短程度、縮短速度以及所產生張力的關鍵因素，這將在分析肌肉收縮的力學表現時再作討論。下面敘述正常條件下引發和終止橫橋循環的肌漿中Ca[SB]2+[/SB]濃度的突然升高和快速下降是怎樣發生的。

（二）骨骼肌的興奮-收縮耦聯

在整體情況下，骨骼肌總是在支配它的軀體傳出神經的興奮沖動的影響下進行收縮的；直接用人工刺激作用無神經支配的骨骼肌，也可引起收縮。但不論何種情況，刺激在引起收縮之前，都是先在肌細胞膜上引起一個可傳導的動作電位，然后才出現肌細胞的收縮反應。這樣，在以膜的電變化為特征的興奮過程和以肌絲的滑行為基礎的收縮過程之間，必然存在著某種中介性過程把兩者聯系起來，這一過程，稱為興奮-收縮耦聯。目前認為，它至少包括三個主要步驟：電興奮通過橫管系統傳向肌細胞的深處；三聯管結構處的信息傳遞；肌漿網（即縱管系統）對Ca[SB]2+[/SB]釋放和再聚積。

橫管系統對正常肌細胞的興奮-收縮耦聯是十分必要的。用含有甘油的高滲任氏液浸泡肌肉一段時間，再把它放回到一般任氏液中，這樣的處理可以選擇性地破壞肌細胞的橫管系統；這時如果再給肌肉以外加刺激，雖然仍可在完好的肌細胞膜上引起動作電位，但不再能引起細胞收縮。近年來證明，橫管膜和一般肌細胞膜有類似的特性，又是后者的延續部分，因而它也可以產生以Na[SB]+[/SB]內流為基礎的膜的去極化甚或動作電位；當一般細胞膜因興奮而產生動作電位時，這一電變化可沿著凹入細胞內部的橫管膜傳導，深入到三聯管結構和每個肌小節的近旁。

實際測定還證明，肌肉安靜時肌漿中的Ca[SB]2+[/SB]濃度低于10[SB]-7[/SB]mol/L，但在膜開始去極化的很短時間內，可以在1～5ms內升高到10[SB]-5[/SB]mol/L的水平，亦即增高100倍之多。這樣多的Ca[SB]2+[/SB]由何而來？用放射性[SB]45[/SB]Ca自顯影等技術證明，肌肉安靜時Ca[SB]2+[/SB]主要停留和聚積在z線附近，相當于肌漿網的終末池部位；肌肉收縮時，Ca[SB]2+[/SB]由這里向暗帶區擴散，觸發橫橋循環。這樣問題就歸結為：當肌膜上的電變化沿橫管系統到達三聯管部分時，一定有某種因子把橫管膜上發生的變化傳遞給了相距不遠的肌漿網膜上的類似Ca[SB]2+[/SB]通道的結構，引起后者分子的變構作用，使通道開放，于是肌漿網內高濃度的Ca[SB]2+[/SB]就不需耗能而靠易化擴散進入肌漿，到達肌絲區。傳遞這一信號的因子，有人認為是橫管膜上存在的一種特殊蛋白，平時對肌漿網Ca[SB]2+[/SB]通道外側開口有機械堵塞作用，但在橫管膜有電變化時發生變構作用，使原來的堵塞作用解除；也有人認為橫管膜可因電變化而產生了第二信使類物質IP[XB]3[/XB]（見本章第二節），由后者作用于Ca[SB]2+[/SB]通道使之開放。由于三聯管外有關的膜和膜中蛋白質幾乎可以相互接觸，因而第一種控制形式還是有可能的。

釋放到肌漿中的Ca[SB]2+[/SB]怎樣被迅速除去，目前已證明是由于肌漿網膜結構中存在的一種特殊的離子轉運蛋白質即鈣泵活動的結果。鈣泵是一種Ca[SB]2+[/SB]依賴式ATP酶，目前已被分離提純，它占肌漿網膜蛋白質總量的60%；在肌漿中Ca[SB]2+[/SB]增高情況上，它可以分解ATP獲得能量，將Ca[SB]2+[/SB]在逆濃度差的情況下由肌漿轉運到肌漿網內腔中去；由于肌漿中Ca[SB]2+[/SB]濃度的降低，和肌鈣蛋白結合的Ca[SB]2+[/SB]也解離，引起肌肉舒張。

四、骨骼肌收縮的外部表現和力學分析

骨骼肌在體內的功能，就是它們在受刺激時能產生縮短或（和）張力，藉以完成軀體的運動或（和）抵抗外力的作用。當肌肉克服某一外力而縮短，或肌肉因縮短而牽動某一負荷時，肌肉就完成了一定量的機械功，其數值等于它所克服的阻力（或負荷）和肌肉縮短長度的乘積；如以縮短速度乘以負荷，則得出肌肉的輸出功率。但肌肉在收縮時究竟以產生張力為主或縮短為主，以及收縮時能作多少功，則要看肌肉收縮時所遇到的負荷條件和肌肉本身的功能狀態。

肌肉在體內或實驗條件下可能遇到的負荷主要有兩種：一種是在肌肉收縮前就加在肌肉上的，如把一條肌肉順著它的肌原纖維的走行方向懸掛起來而把上端固定，再在另一端懸掛一定數量的重物，后者就是前負荷。前負荷使肌肉在收縮前就處于某種程度的被拉長狀態，使它具有一定的長度，這稱為初長度；這樣由于前負荷的不同，同一肌肉就要在不同的初長度條件下進行收縮。另一種負荷稱為后負荷，它是在肌肉開始收縮時才能遇到的負荷或阻力，它不增加肌肉的初長度，但能阻礙收縮時肌肉的縮短。可以理解，對于某一具體的肌肉來說，實驗中所加負荷、特別是前負荷不應當過大，因為后者在肌肉收縮前就可能因過度的牽拉而損傷肌肉本身的結構；至于后負荷，它在大到一定程度就足以抵抗肌肉收縮所產生的最大張力，因而肌肉不再表現縮短，出現等長收縮，亦即這時肌肉雖進行了收縮，并未有長度改變；在這種情況下繼續增加后負荷，顯然不會對肌肉的收縮有什么影響。

據上述，能影響肌肉收縮時作功能力或其力學表現的因素至少有三個，即前負荷、后負荷和肌肉本身的功能狀態（即肌肉收縮能力）。要分析某一因素影響的最簡單辦法，就是使其他因素保持在某一恒定值而改變要觀察因素的值，得到一組數據并作成一條座標曲線來進行分析。

（一）前負荷或肌肉初長度對肌肉收縮的影響棗長度-張力曲線

為了保持在實驗過程中肌肉本身的功能狀態基本保持不變，通常選用代謝速度較慢的兩棲類如蛙腓腸或縫匠進行實驗，實驗布置如圖2-24A所示。肌肉在下方被固定，并且邊了一個靈敏的張力換能器來記錄肌肉收縮前和收縮后的張力產生情況；肌肉的上方連一個可移動的按鈕，可以上下移動而改變肌肉的初長度，但不論初長度固定在什么長度，同旋鈕相連的固定桿是不能動的，這就意味著把后負荷固定在無限大時的位置，肌肉在收縮時不可能縮短而只能產生張力（即前面所說的等長收縮），于是就可以觀察初長度不同時對同一肌肉所能產生張力的影響了。

圖2-24 肌肉初長度對肌肉收縮的影響

A：在實驗布置中，下方是張力換能器，它位置固定，能把所受張力轉變為相應的

電信號，上方旋鈕可將肌肉初長在給肌肉刺激前固定于預定長度

B：3條曲線分別代表肌肉在初長度改變時的張力改變情況，被動張力指改變初長而尚未收縮的

肌肉的張力改變，總張力是在已有被動張力的基礎上肌肉收縮時產生的主動張力與前者之和

圖2-24B的長度-張力曲線反映了在依次改變肌肉的初長度時（橫座標）在張力換能器上記錄到的肌肉的張力產生的情況（縱座標）。曲線1是只改變肌肉初長度并不刺激肌肉收縮時肌肉所受的拉力，稱為被動張力曲線，它反映安靜肌肉具有某種彈性，在受到牽拉時產生某種回彈力，但牽拉超過某種程度，達到了彈性限度，被動張力急速增大，有可能造成組織損壞，其過程有如拉長一個彈簧時類似。曲線2是肌肉在具有不同前負荷即已具有被動張力的條件下進行一次收縮時記錄到的張力變化，曲線的每一點都代表那個初長度時肌肉已有的被動張力和收縮時新產生的張力之和，故整個曲線稱為總張力曲線；因此，由曲線2代表的不同初長度時的總張力減去同一初長度時的被動張力，就能得到曲線3，它表示肌肉在不同前負荷時進行收縮所能產生的張力，故稱為主動張力曲線，它反映了本實驗中要觀察的內容，即不同前負荷或初長度對肌肉收縮所能產生的張力影響：當前負荷開始增加時，每次收縮所產生的主動張力也相應地增大，但在超過某一限度后，再增加前負荷反而使主動張力越來越小，以致于為零，如曲線3右端所示。這個結論也可以表達為，對于肌肉在等長度收縮條件下所產生的主動張力大小，存在著一個最適前負荷和與之相對應的最適初長度，相當于圖2-24B橫座標上L[XB]o[/XB]的位置，在這樣的初長度情況下進行收縮，產生的張力最大。

肌肉在最適初長度條件下進行收縮何以能產生最大的張力，很容易根據肌肉被前負荷拉長時對每一肌小節中粗、細肌絲相互關系的改變來解釋。已知，肌肉產生張力和縮短，靠的是粗肌絲表面的橫橋和細肌絲之間的相互作用；肌肉初長度的大小，決定著每個肌小節的長度，亦即細肌絲和粗肌絲重疊的程度，而后者又決定于肌肉收縮時有多少橫橋可以與附近的細肌絲相互作用。從理論上分析，粗肌絲的長度是1.5μm，但在M線兩側各為0.1μm的范圍內正常時沒有橫橋，因此在M線兩側有橫橋的粗肌絲長度各為0.65μm，這樣當每側細肌絲伸入暗帶0.65μm（尚未于明帶的細肌絲長度為0.35μm），亦即肌小節總長度為2.2μm時，粗肌絲上的每個橫橋都能與細肌絲作用，因而收縮時能出現最佳的效果。當肌肉處于最適前負荷或最適初長度時，每個肌小節的長度正是2.2μm，如圖2-25箭頭3所示。如果稍稍減少前負荷使肌小節長度2.0μm（箭頭2），盡管每側細肌絲又多伸入暗帶0.1μm（這時兩側細肌絲正好相遇），但這一段正是粗肌絲上無橫橋伸出的部分，因而肌肉收縮時起作用的橫橋數目并未增多（相當于圖2-25中的箭頭2）。至于再減小肌小節的長度，則細肌絲可能穿過M線或兩側肌絲相互重合和卷屈，因而造成收縮張力下降（圖中箭頭1）。反之，如果前負荷超過最適前負荷，收縮前肌小節的長度將大于2.2μm，細肌絲和粗肌絲相互重合的程度逐漸變小，使得肌肉收縮時起作用的橫橋數也減少，造成所產生張力的下降；當前負荷使肌小節長度增加到3.5μm時，細肌絲將全部由暗帶拉出，這時肌肉受刺激時不再產生主動張力（圖中箭頭4）。由此可見，通過前負荷對肌小節中粗、細肌絲重合程度的影響，可以說明骨骼肌長度-張力曲線的特點。

圖2-25 不同初長度時粗、細肌絲重合程度和產生張力的關系示意圖

用肌小節在不同前負荷時粗、細肌絲相對位置的改變，來說明不同前負荷時所產生的主動張力的不同：在箭頭1所指的初長度時，每個肌小節中兩側細肌絲伸入暗帶過多，互相重疊或發生卷屈，不利于與橫橋間的相互作用；在箭頭2和3所指的情況下，肌小節中全部橫橋都可與細肌絲相互作用，產生出最大主動張力；在箭頭4的情況下，細肌絲相互全部由暗帶被拉出，失去產生張力的條件

圖2-26 肌肉的張力-速度關系曲線

在肌肉前負荷固定在適當值的條件下，改變后負荷對肌肉產生張力（橫座標）

和速短速度（左側縱座標）相互關系的影響，這稱為張力-速度關系曲線（曲線1），

由此曲線可以算出不同后負荷時的輸出功率（右側縱座標），組成了曲線2

（二）肌肉后負荷對肌肉收縮的影響－張力-速度曲線

據前述，如在實驗室裝置的設計中使一條骨骼肌的前負荷固定不變而可以人為地改變后負荷，即可觀察不同后負荷對肌肉收縮的影響。一般情況下，可以把肌肉的前負荷固定在它的最適前負荷（這時出現的被動張力極小（見圖2-24B），然后，在逐次改變后負荷的情況下觀察肌肉收縮時的情況。不論在任何前負荷的情況下，如果所加后負荷超過了肌肉收縮時所能產生的最大張力（注意負荷的重量值和肌肉產生的張力的值可以用相同的物理單位度量，而且有相同的值），那么肌肉收縮時將只產生張力而不出現肌肉長度的改變。因此，在改變后負荷的實驗中所加的后負荷都應小于這個最大張力，那么肌肉在收縮時產生的主動張力超過這個后負荷的值時，它將會出現一定程度的長度縮短，使移動酌相同的距離，并且由于后者也可以算出一個縮短速度來（可以是初速度或平均速度）。后負荷愈小，肌肉產生的張力將較早地超過這個負荷，并且出現較大的縮短長度和縮短速度，但相當于負荷值的肌肉張力卻在縮短的過程中保持不變。這樣就得到了改變后負荷時，肌肉產生張力和其縮短速度變化的關系曲線（為了計算輸出功率，一般只分析縮短速度和張力的關系），即圖2-26曲線1，稱為張力-速度曲線。該曲線類似一條雙曲線，橫座標表示肌肉所產生的張力，縱座標表示收縮速度，雙曲線的性質則說明這二者大致呈反比的關系，即后負荷減小時，使肌肉產生的張力減小，但可得到一個較大的縮短速度；在曲線同縱軸相交的點，說明后負荷理論上為零時，可以得到該肌肉在當時的功能狀態下的最大收縮速度，在圖2-26中用V[XB]0[/XB]表示；但這時因無負荷，肌肉并未作功，亦無功率輸出。在曲線同橫軸相交的點，后負荷的值相當于肌肉所能產生的最大張力，這時不能移動負荷，也沒有作功和功率輸出；在這兩個極端之間，在不同的后負荷時都能看到肌肉在產生與負荷相同的張力的情況下使負荷移動一定距離，這種類型的收縮，稱為待張收縮，都可作功和有功率輸出，但以后負荷相當于最大張力的30%左右時，肌肉的輸出功率最大，如圖2-26中曲線2所示。

（三）肌肉收縮能力的改變對肌肉收縮的影響

上述的前、后負荷的改變對肌肉收縮時張力產生、縮短速度以及作功能力等力學表現的影響，顯然是在肌肉功能狀態恒定的情況下對所處負荷條件改變所作的不同反應。但肌肉的狀態也是可以改變的，它也可以影響肌肉收縮的效率。例如，缺氧、酸中毒、肌肉中能源物質缺乏，以及其他原因引起的興奮-收縮耦聯、肌肉蛋白質或橫橋功能特性的改變，都可能降低肌肉收縮的效果，而鈣離子、咖啡因、腎上腺素等體液因素則可能通過影響肌肉的收縮機制而提高肌肉的收縮效果。將影響肌肉收縮效果的肌肉內部功能狀態的改變，定義為肌肉收縮能力（contractility）的改變，以區別于肌肉收縮時外部條件即前、后負荷改變所導致的收縮效果的改變。這樣的區分雖然在概念上比較容易，但在具體情況下要區分哪些改變是由于肌肉收縮能力的改變所引起，哪些是由于負荷條件的改變所引起，常常十分困難。例如，一個肌肉的最大張力變大了，可能是由于肌肉收縮能力的提高，但也可能是由于在這次收縮前它處于最適初長度；一個肌肉等張收縮時的收縮速度增大了，可能是由于后負荷的減小，也可能是它處于最適初長，但也可能是由于肌肉收縮能力的提高，或三者兼而有之。這就是說，很難簡單地根據肌肉某項力學指標的改變，確定是否發生了肌肉收縮能力的改變。從理論上講，肌肉收縮能力的改變對肌肉收縮的各力學表現的影響是“非選擇性”的，即收縮能力的提高可使圖2-24B中的長度-張力曲線（主動張力）和圖2-26中的張力-速度曲線的位置都升高。顯然，為了檢查收縮能力是否改變而再繪制一條條座標曲線是十分復雜的；為了簡便，如果能讓同一肌肉所處的前、后負荷條件不變而發現有肌肉收縮速度的改變，或使肌肉維持最適初長度而有最大張力的改變，則都表示肌肉收縮能力發生了改變；因為在這些條件下可以肯定，這些收縮效果的改變并不是由于前、后負荷的改變所引起，因而只能是由于肌肉的內在性能的改變引起的。

（四）肌肉的單收縮和單收縮的復合

整塊骨骼肌或單個肌細胞受到一次短促的刺激時，先是產生一次動作電位，緊接著出現一次機械收縮，后者稱為單收縮；根據收縮時肌肉所處的負荷條件不同，單收縮可以是等長的，也可以是等張的。前面敘述的肌肉收縮時各種力學表現，就是以單收縮為觀察對象而進行分析的。但在正常體內，當骨骼肌在運動神經的支配下進行自然收縮時，幾乎是無例外地接受來自神經的連續刺激，因此有必要進一步分析肌肉有受到不同頻率的連續刺激時可能發生的情況。為了便于分析，先觀察一下肌肉單收縮時電變化和機械變化在時間上的關系。圖2-27是貓脛前有一次等長單收縮時張力變化的全過程，同時記錄了肌肉的動作電位。注意圖中電反應的開始要較張力增加的開始為早，而且電變化在張力達到頂點以前早已結束；以張力最高點為界，收縮全過程可分為收縮期和舒張期，前者持續時間較后者為短。整個單收縮的時間因肌肉不同而有顯著差異，如人的眼外肌的一次單收縮不超過10ms，而腓腸肌可達100ms以上。

圖2-27 貓脛前肌的等長單收縮曲線

M：肌肉收縮時的張力變化曲線

E：肌肉的雙相動作電位記錄時標每 格相當于0.01s

如果給肌肉以連續的脈刺激，肌肉的收縮情況將隨刺激的頻率而有不同。如圖2-28所示，在刺激的頻率較低時，因每一個新的刺激到來時由前一次刺激引起的單收縮過程（包括舒張期）已經結束，于是每次刺激都引起一次獨立的單收縮；當刺激頻率增加到某一限度時，后來的刺激有可能在前一次收縮的舒張期結束前即到達肌肉，于是肌肉在自身尚處于一定程度的縮短或張力存在的基礎上進行新的收縮，發生了所謂收縮過程的復合，這樣連續進行下去，肌肉就表現為不完全強直收縮，其特點是每次新的收縮都出現在前次收縮的舒張期過程中，在描記曲線上形成鋸齒形；如果刺激頻率繼續增加，那么肌肉就有可能在前一次收縮的收縮期結束以前或在收縮期的頂點開始新的收縮，于是各次收縮的張力或長度變化可以融合而疊加起來，使描記曲線上的鋸齒形消失，這就是完全強直收縮。

圖2-28 不同頻率的連續刺激對骨骼肌收縮的影響

每組曲線中，上方曲線是肌肉等長收縮的記錄，下方曲線是肌肉動作電位的記錄，

注意由上而下當刺激頻率依次增加時，機械收縮可出現逐漸融合，

表現不完全和完全強直收縮，但動作電位始終彼此分離，不發生融合和疊加

由于正常體內由運動神經傳到骨骼肌的興奮沖動都是快速連續的，體內骨骼肌收縮幾乎都屬于完全強直收縮，只不過強直收縮的持續時間可長可短。強直收縮顯然可以產生更大的收縮效果，例如，強直收縮所能產生的最大張力可達單收縮的4倍左右。這是因為肌肉在只接受一次刺激時，釋放到肌漿中的Ca[SB]2+[/SB]很快被肌漿網上的Ca[SB]2+[/SB]泵回收入肌漿網，而連續刺激可使肌漿中的Ca[SB]2+[/SB]維持在一個飽和的高濃度水平。不同肌肉單收縮的持續時間不同，因而能引起肌肉出現完全強直收縮的最低臨界頻率在不同肌肉也不同，例如，單收縮快速的眼球內直肌需要每秒約350次的高頻刺激才能產生完全強直收縮，而收縮緩慢的比目魚肌只需每秒約30次的頻率就夠了。但不論在不完全強直收縮或完全強直收縮，伴隨每次刺激出現的肌肉動作電位只出現頻率加快，卻始終各自分離而不會發生融合或總和；這是由于肌肉的動作電位只持續1～2ms，當刺激頻率加速到下一次刺激落于前一次刺激引進起的動作電位持續期間時，組織又正好處于興奮的絕對不應期，這時新的刺激將無效，既不能引起新的動作電位產生，也不引起新的收縮。

五、平滑肌的結構和生理特性

平滑肌廣泛分布于人體消化道、呼吸道以及血管和泌尿、生殖等系統；它和骨骼肌不同，不是每條肌纖維（即肌細胞）的兩端都通過肌腱同骨骼相連；平滑肌細胞互相連接，形成管狀結構或中空器官；在功能上可以通過縮短和產生張力使器官發生運動和變形，也可產生連續收縮或緊張性收縮，使器官對抗所加負荷而保持原有的形狀，前者如胃和腸，后者如動脈血管、括約肌等。此外，也不能像在骨骼肌和心肌那樣，把分布在不同器官的平滑肌看作具有相同功能特性和調節機制的組織，例如有些器官的平滑具有和心臟一樣的自動節律性，有些則像骨骼肌那樣，只有在支配它的神經纖維有神經沖動到來時才出現收縮，而在這兩個極端之間，還存在著各種的過渡形式，致使平滑肌的分類困難。

（一）平滑肌的微細結構和收縮機制

平滑肌雖然也具有同骨骼肌類似的肌絲結構，但由于它們不存在像骨骼肌那樣平行而有序的排列（平滑肌的肌絲有它自己的“有序的”排列），圖2-29是根據最近觀察提出的平滑肌細胞內部假想結構圖，它的特點是細胞內部存在一個細胞骨架，包含一些卵圓形的稱為致密體的結構，它們也間隔地出現于細胞膜的內側，稱為致密區，并且后者與相鄰細胞的類似結構相對，而且兩層細胞膜也在此處連結甚緊，因而共同組成了一種機械性耦聯，藉以完成細胞間張力的傳遞；細胞間也存在別的連接形式，如縫隙連接，它們可以實現細胞間的電耦聯和化學耦聯。在致密體和致密區中發現有同骨骼肌Z帶中類似的蛋白成分，故認為這兩種結構可能是與細肌絲連接的部位。另外，在致密體和致密區之間還有一種直徑介于粗、細肌絲之間的絲狀物存在，它們是一種稱為結蛋白（desmin）的聚合體。這樣由絲狀物聯結起來的致密體和膜內側的致密區就形成了完整的細胞內構架。

平滑肌細胞中的細肌絲有同骨骼肌類似的分子結構，但不含肌鈣蛋白；同一體積的平滑肌所含肌纖蛋白的量是骨骼肌的2倍，推測平滑肌肌漿中有大量細肌絲存在，它們的排列大致與細胞長軸平行。與此相反，胞漿中肌凝蛋白的量卻只有骨骼肌的1/4。估計連接在致密體上的3～5根細肌絲會被較少數目粗肌絲包繞，形成相互交錯式的排列，這可能就是類似于骨骼肌中肌小節的功能單位。

圖2-29平骨肌內部結構和相互關系模式圖

一般平滑肌細胞呈梭形，直徑2～5μm；其長度可變性很大，大約長度為400μm時是產生張力的最適長度。它們沒有骨骼肌（和心肌）那樣發達的肌管系統。肌細胞膜只有一些縱向排列的袋狀凹入，但其功能尚不清楚，不過這使得細胞膜表面積和細胞體積之比更為加大，因此和肌絲靠近的不是橫管或肌漿網系統，而是肌膜。細胞被激活時，細胞外Ca[SB]2+[/SB]進入膜內，但平滑肌細胞中靠近膜的肌漿網也構成了細胞內Ca[SB]2+[/SB]貯存庫。一些興奮性遞質、激素或藥物同肌膜受體結合時，通過G-蛋白在胞漿中產生第二信使，引起Ca[SB]2+[/SB]庫中的Ca[SB]2+[/SB]釋出。因平滑肌的細肌絲中不存在肌鈣蛋白，因而Ca[SB]2+[/SB]引起平滑肌細胞中粗、細肌絲相互滑行的橫橋循環的機制與骨骼肌不同。目前認為，橫橋的激活開始于它的磷酸化，而這又依賴一稱為肌凝蛋白激酶的活化；其過程是Ca[SB]2+[/SB]先結合于胞漿中一種稱為鈣調蛋白（calmodulin）的特殊蛋白質，后者結合4個Ca[SB]2+[/SB]之后才使肌凝蛋白激酶活化，使ATP分解，由此產生的磷酸基結合于橫橋并使橫橋處于高自由狀態。比起平滑肌來，平滑肌橫橋激活的機制需要較長的時間，這和平滑肌收縮的緩慢相一致。

（二）平滑肌在功能上的分類

盡管體內各器官所含平滑肌在功能特性上判別很大，但一般可分為兩大類：一類稱為多單位（multi-unit）平滑肌，其中所含各平滑肌細胞在活動時各自獨立，類似骨骼肌細胞，如豎毛肌、虹膜肌、瞬膜肌（貓）、以及大血管平滑肌等，它們各細胞的活動受外來神經支配或受擴散到各細胞的激素的影響；另一類稱為單位（single-unit）平滑肌，類似心肌組織，其中各細胞通過細胞間的電耦聯而可以進行同步性活動，這類平滑肌大都具有自律性，在沒有外來神經支配時也可進行近于正常的收縮活動（由于起搏細胞的自律性和內在神經叢的作用），以胃腸、子宮、輸尿管平滑肌為代表。還有一些平滑肌兼有兩方面的特點，很難歸入哪一類，如小動脈和小靜脈平滑肌一般認為屬于多單位平滑肌，但又有自律性；膀胱平滑肌沒有自律性，但在遇到牽拉時可作為一個整體起反應，故也列入單位平滑肌。

（三）平滑肌活動的控制和調節

和平滑肌本身的特性具有多樣性一樣，它們活動所受的調控也是多種多樣的，不象骨骼肌那樣單純。大多數平滑肌接受神經支配，包括來自自主神經系統的外來神經支配，其中除小動脈一般只接受交感系統一種外來神經支配外，其他器官的平滑肌通常接受交感和副交感兩種神經支配。平滑肌組織、特別是消化管平滑肌肌層中還有內在神經叢存在，后者接受外來神經的影響，但其中還發現有局部傳入性神經元，可以引起各種反射。平滑肌的神經-肌接頭有些類似骨骼肌，但不具有后者那樣特殊結構形式。支配平滑肌的外來神經纖維在進入靶組織時多次分支，分支上每隔一定距離出現一個膨大，呈念珠狀，稱為曲張體，其中含有分泌囊泡，它們在神經沖動到達時可以釋放其中遞質或其他神經活性物質；每個曲張體和靶細胞的距離亦不固定，平均約為80～100nm，這說明由神經末梢釋放出來的遞質分子要擴散較遠距離才能達到靶細胞，而靶細胞和神經末梢的關系也不可能是固定的；凡是遞質分子可以到達而又具有該遞質受體的平滑肌細胞，都可能接受外來神經的影響。

平滑肌細胞約保持－55～－60mV的靜息電位，產生機制和骨骼肌類似。單位平滑肌細胞有產生動作電位的能力，而且通過細胞間通道可使相鄰細胞也產生動作電位。

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