结构生物化学/细胞信号通路/肌肉系统
肌肉系统
肌细胞由肌原纤维组成，肌原纤维又由重复的亚单位——肌节组成。每个肌节包含两个 Z 带，构成肌节的壁，肌动蛋白分子连接到 Z 带上。在每对肌动蛋白带之间，有一个肌球蛋白分子。当肌节收缩时，肌球蛋白和肌动蛋白将两个 Z 带拉得更近，缩短了肌节的总长度。肌节能够收缩的距离称为 I 带，它是肌节的 Z 带壁之间以及肌球蛋白分子开始的区域之间的空间。
当肌肉受到压力，例如运动时，每个肌细胞中肌节和肌原纤维的数量会增加，而不是肌细胞本身的数量增加。这使得每个肌细胞的收缩力更强，而不会增加总的细胞数量。
主要有三种肌肉类型：心肌、平滑肌和骨骼肌。
心肌：只存在于心脏中，并在整个身体中非自主地工作。这些肌肉受延髓控制，延髓位于人脑的下部。心肌细胞呈长条状，每个细胞只有一个细胞核。它们位于心脏壁上。它们的主要功能是将血液推入循环系统。心肌组织的收缩是由延髓发送到位于心脏右心房的 SA 神经的脉冲引起的。
平滑肌：非自主地工作。我们体内器官的肌肉主要由平滑肌组成，例如胃、喉咙和小肠。在体内维持体内平衡。只有心脏不是平滑肌。平滑肌呈球形，包含一个细胞核。
骨骼肌：也称为横纹肌组织。该结构涉及肌动蛋白和肌球蛋白的平行纤维网络以及肌动蛋白肌球蛋白横桥的形成。骨骼肌的运动可以用滑动丝理论来描述，该理论认为，在收缩过程中，肌动蛋白丝沿着肌球蛋白头部滑动。能量是由肌球蛋白头部在滑动过程中释放的 ATP 提供的，肌球蛋白头部从“起动”状态变为“静止”状态。这个过程也被称为动力冲程。当肌浆网中的钙离子水平很高且 ATP 可用时，肌肉收缩会持续进行。在体内自主地工作。它们是移动骨骼并表现出外部运动的肌肉。骨骼肌包含多个细胞核，这说明它们体型较大。骨骼肌细胞也包含多个细胞核，以便有效地合成肌动蛋白和肌球蛋白。它们的长度可以达到几英尺。
骨骼肌并不单独工作。当肌肉连接到骨骼时，这种连接将决定肌肉收缩产生的力量、速度和运动范围，并且可以通过将肌肉连接到杠杆来改变。杠杆是一个刚性物体，例如骨骼，它在称为支点的固定点上移动。每根骨头都是一个杠杆，每个关节都是一个支点。支点有助于支撑杠杆。当身体运动时，杠杆可以改变施加力的方向，施加力的运动距离和速度，以及施加力的有效强度。因此，肌肉的运动取决于关节的类型。关节帮助骨骼肌伸展或收缩肌肉。
1. 骨骼 2. 肌周膜 3. 血管 4. 肌纤维 5. 肌束 6. 肌内膜 7. 肌外膜 8. 肌腱
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(1) 乙酰胆碱在突触末梢释放，扩散穿过突触间隙，并与受体蛋白结合 (2) 动作电位沿质膜传播，并向下传递到 T 小管 (3) 动作电位触发钙离子从肌浆网释放 (4) 钙离子与细丝中的肌钙蛋白复合物结合 (5) 沿肌动蛋白链结合的蛋白质改变位置 (6) 肌球蛋白结合位点暴露 (7) 肌球蛋白横桥交替地连接到肌动蛋白并分离，将细丝拉向肌节的中心；ATP 为细丝滑动提供能量 (8) 动作电位结束后，肌质中的钙离子被主动运输回肌浆网 (9) 肌球蛋白结合位点的肌动球蛋白阻断恢复 (10) 收缩结束，肌纤维放松
肌球蛋白的重要结构域包括运动区域、杠杆和尾部。重链亚基形成运动区域、杠杆和尾部的主要结构单元，轻链亚基则起到稳定肌球蛋白功能单元主要组分的功效。35 种以上的肌球蛋白亚类的每一种都具有这种主题的微小结构变异，但在大多数情况下，轻链只是起到稳定结构的功效。
顾名思义，运动功能赋予肌球蛋白运动域运动能力，并参与强制移动杠杆域。结合肌动蛋白的区域被一个裂隙隔开，当裂隙闭合时，会启动与肌动蛋白元素的牢固结合。在活跃的动力冲程中，肌球蛋白从向上构象转变为向下构象。一个被称为换能器区域的中心区域在某些条件下会拉伸，这种拉伸的放松有助于产生动力冲程。
动力冲程的顺序包括几个步骤。首先，肌球蛋白头部与肌动蛋白丝结合，然后，从向上到向下的构象转变完成，然后，磷酸基团释放，触发返回向上构象。ATP 只能在向上构象中水解，这一步会导致杠杆启动和触发。构成动力冲程基础的杠杆构象转变被认为是限速步骤，这一过程在没有与肌动蛋白结合时不会发生。
(1) 乙酰胆碱在突触末梢释放，扩散穿过突触间隙，并与受体蛋白结合 (2) 动作电位沿质膜传播，并向下传递到 T 小管 (3) 动作电位触发钙离子从肌浆网释放 (4) 钙离子与细丝中的肌钙蛋白复合物结合 (5) 沿肌动蛋白链结合的蛋白质改变位置 (6) 肌球蛋白结合位点暴露 (7) 肌球蛋白横桥交替地连接到肌动蛋白并分离，将细丝拉向肌节的中心；ATP 为细丝滑动提供能量 (8) 动作电位结束后，肌质中的钙离子被主动运输回肌浆网 (9) 肌球蛋白结合位点的肌动球蛋白阻断恢复 (10) 收缩结束，肌纤维放松
骨骼通过肌腱与肌肉相互作用。当肌肉收缩并拉动连接的骨骼弯曲关节时，就会发生运动。脊椎动物有三种肌肉
骨骼肌 也被称为横纹肌。它们与骨骼系统相关联，主要参与随意运动。脊椎动物可以有意识地控制这些肌肉。每个骨骼肌细胞包含许多细胞核。它们构成了身体大部分肌肉，约占总体重 40%。它们负责定位和移动骨骼。骨骼肌通常通过由胶原蛋白组成的肌腱连接到骨骼上。肌肉的起点是指连接到躯干或更静止骨骼的肌肉末端。肌肉的附着点是指更远端或更活动的附着点。
当连接到肌肉的骨骼通过灵活的关节连接时，肌肉的收缩会移动骨骼。如果连接的骨骼中心在肌肉收缩时靠得更近，则该肌肉被称为屈肌，运动被称为屈曲。如果骨骼在肌肉收缩时彼此远离，则该肌肉被称为伸肌，运动被称为伸展。身体中的大多数关节都有屈肌和伸肌，因为收缩的肌肉只能在一个方向上拉动骨骼，而不能将其推回。屈肌-伸肌对被称为拮抗肌群，因为它们产生相反的效果。
肌肉作为一个单位共同发挥作用。骨骼肌是肌细胞或肌纤维的集合，就像神经是神经元的集合一样。每个骨骼肌纤维都是一个长而圆柱形的细胞，其表面有多达数百个细胞核。骨骼肌纤维是人体最大的细胞，由许多单个胚胎肌细胞融合而成。
给定肌肉中的纤维以其长轴平行排列，并且每个骨骼肌纤维都包裹在结缔组织中。相邻的纤维群被捆绑在一起，形成称为肌束的单元。胶原蛋白、弹性纤维、神经和血管存在于肌束之间。整个肌肉被包在一个结缔组织鞘中，该鞘与肌肉纤维和肌束周围的结缔组织以及将肌肉固定到下层骨骼的肌腱相连。
平滑肌 存在于内脏器官的壁中。这些器官包括胃、肠和膀胱。它是一种不随意肌。尽管骨骼肌在人体中拥有最多的肌肉质量，但心肌和平滑肌在维持稳态方面更为重要。平滑肌主要存在于空腔器官和管道的壁中，其收缩会改变器官的形状。平滑肌通常会产生力来将物质通过器官的腔移动。例如，肠道中平滑肌收缩的连续波会将摄入的物质从食道移动到结肠。
平滑肌在产生张力的方式上明显不同于横纹肌。在平滑肌抽搐中，收缩和放松发生得比骨骼肌或心肌慢得多。同时，平滑肌使用更少的能量来产生给定的力，并且它可以长时间保持其力。例如，据估计，平滑肌细胞可以使用仅 25~30% 的横桥活性来产生最大张力。
此外，平滑肌的耗氧量低，但可以在不疲劳的情况下长时间持续收缩。这种特性使膀胱等器官能够在持续负荷的情况下保持张力。它还使一些平滑肌能够持续收缩并长时间保持张力。食道和膀胱括约肌是持续收缩的肌肉的例子，它们的功能是关闭空腔器官的开口。这些括约肌在需要让物质进入或离开器官时会放松。
直到最近，平滑肌还没有像骨骼肌那样被广泛研究，原因有很多：1. 平滑肌种类更多。2. 平滑肌的解剖结构使得功能研究很困难。3. 平滑肌收缩除了神经递质外，还受到激素和旁分泌因子的控制。4. 平滑肌具有可变的电学特性。5. 多条通路影响平滑肌的收缩和放松。
平滑肌与骨骼肌 平滑肌是小的纺锤形细胞，只有一个细胞核，与骨骼肌的大而多核纤维形成对比。在神经控制的平滑肌中，神经递质从自主神经元变异体释放到靠近肌纤维表面的位置。平滑肌缺乏专门的受体区域，例如骨骼肌突触中发现的运动终板。相反，神经递质只是扩散到细胞表面，直到找到受体。
大多数平滑肌是单一单位平滑肌（单一平滑肌），之所以这样称呼，是因为单个肌细胞作为一个单位收缩。单一单位平滑肌也称为内脏平滑肌，因为它形成内脏器官（内脏）的壁，例如血管和肠道。单一单位平滑肌的所有纤维都通过电连接在一起，因此一个细胞中的动作电位会通过间隙连接迅速传播，使整个组织片收缩。由于每次收缩时所有纤维都会收缩，因此没有剩余的储备单元来招募以增加收缩力。相反，进入细胞的钙量决定了收缩力。
多单位平滑肌由没有电连接的细胞组成。因此，每个单个肌细胞必须与轴突末端或变异体密切相关并独立刺激。这种排列允许通过选择性激活单个肌细胞来精细控制这些肌肉的收缩。与骨骼肌一样，增加收缩力需要招募额外的纤维。
多单位平滑肌存在于眼睛的虹膜和睫状体中，存在于男性生殖道的部分区域中，以及存在于子宫中，除了临产和分娩之前。有趣的是，子宫的多单位平滑肌在妊娠的最后阶段会发生变化并变成单一单位。间隙连接连接蛋白合成基因被打开，显然是在妊娠激素的影响下。在子宫肌细胞中添加间隙连接会同步电信号，使子宫肌在排出婴儿时更有效地收缩。
心肌 构成心脏。这些肌肉也是不随意的，可以在没有来自神经系统的刺激的情况下收缩。心肌与平滑肌和骨骼肌都有共同特征。与骨骼肌纤维一样，心肌纤维也是横纹的，并且具有肌节结构。然而，心肌纤维比骨骼肌纤维短，可能是分支的，并且只有一个细胞核（不像多核的骨骼肌纤维）。与单一单位平滑肌一样，心肌纤维通过电连接在一起。间隙连接包含在称为闰盘的特殊细胞连接中。一些心肌，就像一些平滑肌一样，表现出起搏器电位。此外，心肌受到交感神经和副交感神经的控制，以及激素的控制。
可以将肌肉视为神经系统中的参与者。神经会通过随意冲动或不随意本能向肌肉发送信息。肌肉接收这些信息并将它们转化为运动，通过收缩或放松来实现。
坎贝尔和里奇著《生物学》（第八版）
骨骼肌的神经肌肉接头
[edit | edit source]骨骼肌具有神经肌肉接头，它是运动神经元轴突末端的突触。NMJ 负责将动作电位跨神经元移动以引发肌肉的物理反应。该过程从运动神经元 α 的突触小泡释放乙酰胆碱到突触间隙开始。含有乙酰胆碱的小泡与细胞膜融合，并通过胞吐作用释放化学物质。乙酰胆碱然后扩散到整个突触间隙，并与位于运动终板上的乙酰胆碱受体结合。这些是烟碱受体，是配体门控离子通道，这意味着它们在配体结合时会做出反应。乙酰胆碱的结合信号打开通道，钠离子流入，钾离子流出。这会导致神经元去极化，并蔓延到肌纤维的 T 小管。去极化会激活 T 小管膜中的电压门控钙通道（二氢吡啶受体）。二氢吡啶受体与肌浆网中的钙释放通道（瑞诺丁受体）相互作用。这会导致钙离子从肌浆网释放，肌浆网是钙的储存细胞。当钙与骨骼肌的肌钙蛋白结合时，钙的释放会导致肌肉收缩。称为乙酰胆碱酯酶的酶通过水解降解乙酰胆碱，并且神经递质扩散。这会导致配体门控受体关闭。
骨骼肌收缩的调节
[edit | edit source]当接收到信号时，靠近肌纤维的突触末端会释放乙酰胆碱 (ACh) 到突触间隙。这种神经递质与肌纤维质膜上的受体蛋白结合，产生动作电位。此动作电位沿膜发送，并通过存在于膜上和膜内的 T 小管发送。动作电位触发肌浆网 (SR) 将 Ca2+ 释放到肌肉的胞质溶胶中。当质膜去极化并将动作电位沿膜扫过时，就会发生这种情况，去极化移动到 T 小管并激活集中在骨骼肌纤维 T 小管膜中的整合膜蛋白。被激活的蛋白质被称为二氢吡啶受体（DHP 受体），它们与肌浆网膜中的特定蛋白质发生机械相互作用。这些 ER 膜中的蛋白质称为瑞诺丁受体。
这些瑞诺丁受体是 Ca2+ 通道，当被 DHP 受体激活时，会打开并允许 Ca2+ 从 SR 扩散到胞质溶胶中，在那里它可以与肌钙蛋白结合。在肌原纤维内，钙离子与肌钙蛋白复合物结合，导致覆盖肌球蛋白结合位点的肌动蛋白发生移动，从而暴露细丝的肌球蛋白结合位点。在 ATP 的帮助下，肌球蛋白能够通过与肌动蛋白结合来形成横桥。与肌动蛋白的附着和分离会导致细丝滑动，从而导致肌肉收缩。当运动输入停止，肌肉需要放松时，细丝会滑回其原始位置，肌动蛋白会阻挡肌球蛋白结合位点。钙离子通过转运蛋白被泵回 SR。钙离子积累在 SR 中，直到需要响应下一个动作电位。
当 Ca2+ 能够与肌纤维上的肌钙蛋白结合时，就会发生“滑行丝”理论。该理论描述了肌肉收缩的机制。在这个理论中，肌丝在肌球蛋白与肌动蛋白结合并沿着细丝（肌动蛋白）“滑动”时，会彼此滑过。当肌球蛋白与肌动蛋白结合时，肌球蛋白分子头部与直棒之间的铰链会弯曲，这反过来会释放 ADP 和 Pi。由于这种弯曲，肌球蛋白分子会沿着肌动蛋白拉动自身，但肌动蛋白与 Z 线相连，因此当肌动蛋白沿着肌球蛋白移动时，它们会将 Z 线相互拉近，缩短肌节，导致整个肌肉收缩。当肌肉要放松时，ATP 会再次附着到肌球蛋白头上，这会打破细丝与粗丝之间的结合。因此，ATP 结合是肌肉放松的基础。
结合的 ATP 被水解成 ADP 和 Pi，使肌球蛋白头部和棒之间的铰链恢复到其原始构象，继续肌肉收缩和放松的循环。在任何时间点，许多肌球蛋白头部都附着在每个肌动蛋白丝上。收缩期间施加的张力与肌动蛋白和肌球蛋白头部之间连接的数量成正比。
肌肉纤维对刺激的单一反应称为抽搐（短暂收缩）。抽搐是由于肌肉膜去极化引起的，无论是对电刺激的反应，还是作为神经肌肉接头处兴奋性突触后电位的反应。这些抽搐叠加起来，在它们的破伤风点产生长时间的强力收缩。随着刺激频率的增加，抽搐频率也增加到最大值。每次叠加的抽搐都会增加收缩幅度，因为肌肉的弹性特性不足以在两次抽搐之间的时间内使肌肉恢复到静止长度。刺激之间没有时间放松时的最大收缩称为破伤风。因此，整个肌肉收缩的强度取决于肌肉中纤维的数量，因为更多的纤维会带来更强的收缩，活跃的神经元数量以及收缩频率。
肌肉收缩机制总结
当动作电位到达神经递质连接点时，乙酰胆碱被释放到突触间隙中。这会导致烟碱型乙酰胆碱受体打开，钠离子进入。在 T 管中产生动作电位，然后钙从肌浆网中释放出来。这标志着收缩发生的步骤。
亮点
钙被钙泵去除，这些钙泵将离子泵回肌浆网。这时会发生松弛。T 管包含对去极化做出反应而打开的电压门控蛋白通道。
肌浆网有几个钙通道，当 T 管刺激时会打开。此外，它包含许多钙泵，这些钙泵在细胞内维持高浓度的钙，以便离子能够在收缩过程中流出。钙的流动激活肌钙蛋白，这会刺激动力冲程，并导致肌节收缩。
有两种类型的收缩
A- 等张收缩发生在肌肉收缩等于肌肉负荷时。例如，当你举起一个物体并将其固定在适当的位置时。B- 等容收缩发生在肌肉负荷超过收缩力时。例如，当你试图举起一个非常重的物体（肌肉以最大速率收缩）时。
氧化纤维和糖酵解纤维
[edit | edit source]氧化纤维主要依赖于有氧呼吸。这样做是为了确保稳定的能量供应。它有许多线粒体，丰富的血液供应和大量的血红蛋白。糖酵解纤维使用糖酵解作为其主要的 ATP 来源。它具有比氧化纤维更大的直径和更少的血红蛋白，并且更容易疲劳。
快缩纤维和慢缩纤维
[edit | edit source]快缩纤维用于短暂、快速、强有力的收缩。快缩纤维由白肌肉组成，这些肌肉依赖于无氧糖酵解获得能量。虽然糖酵解非常快，但它在产生 ATP 方面的效率也很低。糖酵解产生乳酸作为副产品，这会导致疲劳。糖原循环的使用是快缩肌肉迅速疲劳的原因。慢缩纤维用于维持姿势。慢纤维的肌浆网较少，而且比快纤维泵送钙的速度慢。由于钙在胞质溶胶中停留的时间更长，因此慢纤维中的肌肉抽搐持续时间大约是快纤维中肌肉抽搐的五倍。慢缩纤维通常存在于红肌肉中。红肌肉使用氧化磷酸化来获得 ATP。氧化磷酸化发生在红肌肉中，因为该过程需要大量氧气，而红肌肉含有大量肌红蛋白。该过程比糖酵解慢，但效率更高，这就是为什么慢缩肌肉不易疲劳的原因。尽管仍在争论中，但科学家认为，个体天生就具有固定数量的快缩纤维和慢缩纤维。每天冲刺不会将一些慢缩肌肉转化为快缩肌肉，反之亦然。马拉松运动员之所以成为马拉松运动员，是因为他们天生就有更多的慢缩纤维，这使他们在这项运动中表现出色。同样，短跑运动员天生就比其他人拥有更多的快缩肌肉。尽管这可能是真的，但运动可以使快缩和慢缩肌肉都变得更大，从而带来更好的健身效果。
参考
[edit | edit source]<http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/martinidemo/chapter11/medialib/CH11/html/ch11_2_2.html>
Dee Unglaub Silverthorn 的《人体生理学：整合方法》（第四版）