怎樣講授肌細(xì)胞的收縮功能

呂愛軍

怎樣講授肌細(xì)胞的收縮功能

呂愛軍

認(rèn)真講好每一節(jié)課是每一位教師的天職，如何講好每一節(jié)課是每一位教師終生都在探索的課題。肌細(xì)胞的收縮功能是生理學(xué)中較難理解的一節(jié)內(nèi)容，怎樣才能講好此節(jié)課的內(nèi)容是筆者一直在思考的問題，經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐，筆者認(rèn)為從以下幾個(gè)方面著手才能更好地讓學(xué)生理解本節(jié)課的內(nèi)容：創(chuàng)設(shè)畫面情景及問題情境，導(dǎo)入新課，設(shè)計(jì)新課，課堂小結(jié)。希望以此和各位同仁分享，共同提高教學(xué)質(zhì)量。

神經(jīng)-肌接頭；興奮；終板電位；興奮-收縮耦聯(lián)；肌絲滑行學(xué)說

肌細(xì)胞的收縮功能是生理學(xué)中較難理解的一節(jié)內(nèi)容，怎樣才能講好此節(jié)課的內(nèi)容是每位老師一直在思考的問題。經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐，認(rèn)為從以下幾個(gè)方面講解能更好地讓學(xué)生理解本節(jié)課的內(nèi)容：創(chuàng)設(shè)畫面情景及問題情境，導(dǎo)入新課；設(shè)計(jì)新課；課堂小結(jié)。希望以此和各位同仁分享，共同提高教學(xué)質(zhì)量。

1 創(chuàng)設(shè)畫面情景及問題情境，導(dǎo)入新課

如圖1所示，左側(cè)這幅圖片為我國奧運(yùn)健兒在2008年奧運(yùn)會上，展現(xiàn)出的力量與柔美相結(jié)合的高難度運(yùn)動動作，體現(xiàn)出完美的肌肉運(yùn)動畫面；中間這幅圖片是破傷風(fēng)患者被疾病折磨的畫面；右側(cè)這幅圖片為重癥肌無力患者的面部表情。正常人體為何能做出優(yōu)雅迷人的動作？破傷風(fēng)患者為何會出現(xiàn)角弓反張的狀態(tài)？重癥肌無力患者又為何會出現(xiàn)面無表情的冷漠樣子?這些均是本節(jié)課要解答的問題。要解答這些問題，就必須認(rèn)真學(xué)習(xí)本節(jié)課的內(nèi)容。

圖1 骨骼肌正?；顒优c異常活動對照

2 設(shè)計(jì)新課

2.1 神經(jīng)-肌接頭處的興奮傳遞

要了解運(yùn)動神經(jīng)是如何將興奮傳遞給骨骼肌細(xì)胞的，首先要知道神經(jīng)向骨骼肌傳遞興奮的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，也就是神經(jīng)-肌接頭的結(jié)構(gòu)。

2.1.1 神經(jīng)-肌接頭的微細(xì)結(jié)構(gòu) 如圖2所示，運(yùn)動神經(jīng)的軸突末梢在靠近骨骼肌細(xì)胞膜時(shí)脫去髓鞘，形成一個(gè)膨大稱為接頭小體，與之相對應(yīng)的骨骼肌細(xì)胞向內(nèi)形成一個(gè)與接頭小體相適應(yīng)的凹陷，該結(jié)構(gòu)就稱為神經(jīng)-肌接頭。接頭小體末端的面稱接頭前膜，骨骼肌細(xì)胞向內(nèi)凹陷的面稱接頭后膜，亦叫作終板膜或者運(yùn)動終板，位于接頭小體與骨骼肌細(xì)胞膜之間的縫隙稱接頭間隙，間隙內(nèi)的液體為細(xì)胞外液。神經(jīng)-肌接頭的基本組成包括接頭前膜、接頭間隙和運(yùn)動終板。另外，在接頭小體內(nèi)有包含傳遞信息的化學(xué)物質(zhì)的小泡稱接頭小泡或者囊泡，接頭小泡內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)為乙酰膽堿（ACh）；在運(yùn)動終板上存在著能與乙酰膽堿結(jié)合的N2型受體，其本質(zhì)是一種化學(xué)門控通道，該通道的作用是在開放時(shí)允許Na+內(nèi)流進(jìn)入肌細(xì)胞內(nèi)；運(yùn)動終板上有膽堿酯酶，其作用是能把乙酰膽堿失活[1]。

圖2 神經(jīng)-肌接頭結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 神經(jīng)-肌接頭處興奮傳遞的過程 中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)出的信息以動作電位的形式傳播至軸突末梢的接頭前膜，使前膜發(fā)生去極化，導(dǎo)致前膜上鈣通道打開，Ca2+在電-化學(xué)梯度的作用下進(jìn)入接頭小體，使接頭小體內(nèi)的Ca2+數(shù)量增大，從而觸發(fā)接頭小泡的出胞過程。接頭小體內(nèi)高濃度的鈣離子促使囊泡接近接頭前膜，并與之融合，最終導(dǎo)致其破裂，使得接頭小泡內(nèi)的乙酰膽堿釋放，ACh經(jīng)擴(kuò)散與運(yùn)動終板上的N2受體相遇結(jié)合，使得接頭后膜上的鈉離子通道打開，Na+在濃度梯度的作用下從細(xì)胞外向細(xì)胞內(nèi)流動，從而產(chǎn)生終板電位，終板電位為局部電位，當(dāng)其達(dá)到閾電位時(shí)，肌細(xì)胞即刻產(chǎn)生動作電位（AP），AP隨即傳導(dǎo)至橫管，激活終池膜上Ca2+通道，Ca2+由終池釋放進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，從而觸發(fā)骨骼肌收縮[2-3]。至此，中樞發(fā)出的一次興奮經(jīng)神經(jīng)-肌接頭傳遞完成。

由于進(jìn)入接頭間隙的ACh發(fā)揮完作用后很快被接頭后膜和接頭間隙內(nèi)的膽堿酯酶滅活，分解為乙酸和膽堿而失去活性，所以終板電位極其短暫，這就保證了從中樞發(fā)出的一次興奮，只會導(dǎo)致肌細(xì)胞收縮一次，中樞停止發(fā)放沖動，肌細(xì)胞立即停止收縮，二者步調(diào)完全一致[4]。為了使同學(xué)們更好地理解興奮是如何通過神經(jīng)-肌接頭的，將該過程以圖示來總結(jié)，如圖3所示。

2.2 骨骼肌的興奮-收縮耦聯(lián)

神經(jīng)沖動從接頭前膜傳遞到接頭后膜，引起接頭后膜產(chǎn)生動作電位屬于生物電活動，而骨骼肌的收縮屬于機(jī)械活動，生物電活動是不能直接引起機(jī)械活動的，這就需要一個(gè)中間步驟，此中間步驟就是興奮-收縮耦聯(lián)。何為興奮-收縮耦聯(lián)？就是把肌細(xì)胞的電活動與機(jī)械活動串聯(lián)在一起的中間步驟。如何才能完成興奮-收縮耦聯(lián)呢？

圖3 神經(jīng)-肌接頭處興奮傳遞過程

圖4 骨骼肌細(xì)胞的肌原纖維和肌管系統(tǒng)模式圖

2.2.1 肌管系統(tǒng) 肌管系統(tǒng)由什么組成呢？如圖4所示，（1）橫管也稱T管，它是肌膜發(fā)生凹陷形成的，環(huán)繞在Z線周圍，橫管與肌原纖維呈垂直關(guān)系，其內(nèi)部充滿細(xì)胞外液，肌細(xì)胞膜產(chǎn)生的AP能擴(kuò)布到橫管；（2）縱管亦稱L管或肌質(zhì)網(wǎng)，它位于肌質(zhì)內(nèi)肌節(jié)的中部，交織成網(wǎng)，其兩端融合在一起形成終池（鈣池），終池內(nèi)儲存有大量鈣離子，濃度大約是基質(zhì)中鈣離子的上千倍。研究表明，一般情況下，在橫管的兩側(cè)各有一個(gè)終池，把一個(gè)橫管加上它周圍的兩個(gè)終池叫作三聯(lián)管或三聯(lián)體[5]。由于三聯(lián)管中橫管與終池并不相通，所以肌細(xì)胞產(chǎn)生的AP只能先傳播至橫管，而不能傳遞到終池，這就需要通過三聯(lián)管將橫管的動作電位轉(zhuǎn)換成終池膜上鈣離子通道的開放，從而引起鈣離子釋放入肌質(zhì)中，進(jìn)而引起肌細(xì)胞收縮。

2.2.2 骨骼肌興奮-收縮耦聯(lián)的過程 骨骼肌從興奮到收縮要經(jīng)歷以下幾個(gè)階段：（1）AP從接頭后膜處傳導(dǎo)至三聯(lián)管的T管處；（2）鈣池內(nèi)的鈣離子在鈣池內(nèi)外強(qiáng)大濃度差的作用下，迅速大量外流，致使細(xì)胞質(zhì)中的Ca2+顯著增加，從而觸發(fā)肌肉收縮；（3）鈣泵將鈣離子重新泵回鈣池，使得肌漿中鈣離子減少，從而引起肌肉舒張。

從以上興奮-收縮耦聯(lián)的過程中不難發(fā)現(xiàn)，三聯(lián)管和鈣離子發(fā)揮著極其重要的作用。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果肌質(zhì)中缺乏鈣離子，即使接頭后膜產(chǎn)生了AP，但因鈣離子數(shù)量不足，肌細(xì)胞仍不會產(chǎn)生收縮[6]。

2.3 骨骼肌的收縮原理

結(jié)構(gòu)決定功能，既然肌細(xì)胞能夠收縮，其必然有與收縮相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)。

2.3.1 肌原纖維和肌節(jié) 如圖4所示，肌原纖維是肌節(jié)的組成部分，一個(gè)肌細(xì)胞包含有上千條肌原纖維，這些肌原纖維排列規(guī)則。在光鏡下觀察可以看到，肌原纖維上有著極其規(guī)律的橫紋。色澤較暗處被稱作暗帶或A帶，其中央的一條橫線為M線，M線兩側(cè)色澤較淺的暗帶稱為H帶；暗帶兩側(cè)色澤較亮處被稱為明帶或I帶，明帶中央的一條橫線為Z線。最近兩條Z線之間的部分叫作肌節(jié)。

進(jìn)一步通過電鏡觀察，可以看到每個(gè)肌節(jié)均是由粗肌絲和細(xì)肌絲構(gòu)成。暗帶中的H帶僅為粗肌絲，粗肌絲由中間的M線聯(lián)結(jié)在一起，暗帶的其余部分由相互嵌插的粗、細(xì)兩種肌絲組成；明帶中只有細(xì)肌絲，細(xì)肌絲由中間的Z線聯(lián)結(jié)在一起[7]。

2.3.2 肌絲的分子組成

粗肌絲由肌球（凝）蛋白組成。如圖5所示，肌球蛋白包括橫橋和桿部，橫橋有兩個(gè)主要生理特性：（1）活化后可分解ATP，肌細(xì)胞可利用其釋放的能量收縮；（2）橫橋能夠與細(xì)肌絲上的位點(diǎn)結(jié)合，然后牽拉細(xì)肌絲向M線靠近，使肌肉收縮。眾多肌球蛋白的桿部則規(guī)則的排列在一起呈束狀，它們都朝向M線，橫橋由聚集成束的桿部伸出，在空間上與細(xì)肌絲呈現(xiàn)高度的規(guī)律性。

圖5 肌絲分子組成示意圖

細(xì)肌絲的組成是：如圖5所示，（1）肌動（纖）蛋白，形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，雙螺旋結(jié)構(gòu)上有能與肌凝蛋白結(jié)合的點(diǎn)位；（2）原肌球（凝）蛋白，大量的原肌球蛋白分子首尾相續(xù)形成一條長鏈，恰好位于橫橋與肌動蛋白的位點(diǎn)之間，阻隔了橫橋與位點(diǎn)的結(jié)合，這種現(xiàn)象稱為原肌球蛋白的位阻效應(yīng)；（3）肌鈣蛋白分子呈現(xiàn)球形，其功能是與Ca2+結(jié)合后能促使原肌凝蛋白從位點(diǎn)移開，此稱為位阻效應(yīng)解除，位阻效應(yīng)解除后橫橋便能與位點(diǎn)結(jié)合，從而觸發(fā)肌細(xì)胞收縮[8]。

2.3.3 骨骼肌收縮過程 關(guān)于肌細(xì)胞的收縮機(jī)制，現(xiàn)在普遍采用的為肌絲滑行理論，該理論是上世紀(jì)50年代由Huxley等提出的，理論認(rèn)為肌細(xì)胞收縮的本質(zhì)是肌絲之間出現(xiàn)相對位移形成的。

那么肌細(xì)胞收縮的具體過程又是怎樣的呢?當(dāng)肌細(xì)胞處于舒張狀態(tài)時(shí)，在細(xì)肌絲上的位點(diǎn)被原肌球蛋白遮擋，產(chǎn)生位阻效應(yīng)，使得粗肌絲上的橫橋無法與細(xì)肌絲肌動蛋白上的位點(diǎn)結(jié)合。當(dāng)興奮傳導(dǎo)至三聯(lián)管時(shí)，通過興奮-收縮耦聯(lián)，促使終池大量釋放Ca2+進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，Ca2+通過與肌鈣蛋白作用，位阻效應(yīng)解除。于是橫橋便與肌動蛋白上的位點(diǎn)結(jié)合，繼而發(fā)生擺動，牽拉著細(xì)肌絲向粗肌絲中間的M線方向滑行。橫橋擺動一次后，再次水解ATP，使自身復(fù)位并處于高勢能狀態(tài)。如果細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的Ca2+仍處于高濃度狀態(tài)，那么橫橋再次與另外一個(gè)位點(diǎn)結(jié)合，繼續(xù)牽拉細(xì)肌絲內(nèi)移。結(jié)果便是肌細(xì)胞不斷縮短。當(dāng)鈣池上的鈣泵啟動，Ca2+便被運(yùn)回鈣池，原肌球蛋白位阻效應(yīng)重新產(chǎn)生。肌節(jié)恢復(fù)到原來長度，肌肉恢復(fù)到原先的舒張狀態(tài)[9]。

2.4 環(huán)境因素對骨骼肌收縮的影響機(jī)制

通過以上內(nèi)容的學(xué)習(xí)，就可以解釋本文開頭提到的一些骨骼肌異常收縮的現(xiàn)象。比如破傷風(fēng)患者為何會出現(xiàn)角弓反張現(xiàn)象？是由于破傷風(fēng)外毒素能促進(jìn)囊泡釋放ACh，導(dǎo)致接頭間隙遞質(zhì)含量增加，從而使骨骼肌持續(xù)收縮而痙攣；重癥肌無力患者的致病機(jī)理為自身免疫性抗體毀壞了運(yùn)動終板上的N2型乙酰膽堿受體，使得遞質(zhì)不能和運(yùn)動終板上的乙酰膽堿受體結(jié)合，因而骨骼肌無法收縮[10]；肉毒桿菌致病機(jī)制為肉毒桿菌毒素能夠抑制遞質(zhì)的釋放，使得接頭后膜上N2型ACh受體不能與遞質(zhì)ACh結(jié)合，結(jié)果使肌細(xì)胞無法收縮；筒箭毒可作為肌肉松弛劑，是因?yàn)槠淇梢院虯Ch競爭接頭后膜上的N2型ACh受體，從而阻礙了遞質(zhì)ACh與N2型ACh受體結(jié)合而導(dǎo)致的骨骼肌無法收縮；有機(jī)磷農(nóng)藥中毒的機(jī)制是，有機(jī)磷可以使膽堿酯酶磷?；荒馨l(fā)揮作用，致使接頭間隙內(nèi)遞質(zhì)的積存而使骨骼肌強(qiáng)直收縮形成自發(fā)性纖顫；碘解磷定可作為特效解毒藥，是因?yàn)槠淇墒故セ钚缘哪憠A酯酶重新復(fù)活，從而使接頭間隙內(nèi)蓄積的遞質(zhì)ACh被復(fù)活的膽堿酯酶滅活分解為乙酸和膽堿，骨骼肌恢復(fù)正常的收縮功能。

3 課堂小結(jié)

通過前面系統(tǒng)詳細(xì)的講解，同學(xué)們已經(jīng)基本理解了本節(jié)課的內(nèi)容。此時(shí)，可以通過對肌細(xì)胞收縮功能的簡要概括和總結(jié)，使同學(xué)們所學(xué)到的知識更加鞏固。

中樞神經(jīng)沖動→接頭前膜→前膜Ca2+通道開放→Ca2+進(jìn)入接頭小體→促使囊泡釋放ACh→ACh與接頭后膜上N2受體結(jié)合→后膜上Na+通道開放→Na+向肌細(xì)胞內(nèi)流→產(chǎn)生終板電位→肌細(xì)胞膜產(chǎn)生AP→AP傳導(dǎo)至三聯(lián)管→終池釋放Ca2+→Ca2+與肌鈣蛋白結(jié)合→原肌球蛋白空間位置改變→位阻效應(yīng)解除→橫橋與位點(diǎn)結(jié)合→橫橋發(fā)生擺動，細(xì)肌絲向粗肌絲間滑行→肌肉收縮→終池膜上鈣泵啟動→將肌漿中Ca2+重新攝回→位阻效應(yīng)恢復(fù)→細(xì)肌絲從粗肌絲間滑出→肌節(jié)長度復(fù)原→肌肉恢復(fù)原先舒張狀態(tài)。

認(rèn)真講好每一節(jié)課是每一位教師的天職，如何講好每一節(jié)課是每一位教師終生都在探索的課題。只有在教學(xué)過程中不斷探索、不斷總結(jié)、不斷創(chuàng)新，才能使每一節(jié)課的內(nèi)容結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，講授方法更加合理，教學(xué)效果更加令學(xué)生滿意。教師要力求作到常講常新，而不能一成不變。唯有如此才能使教學(xué)質(zhì)量真正提高。

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How to Teach the Contraction Function of Muscle Cell

LV Aijun
Teaching and Research Room of Physiology, Linfen Vocational and Technical College, Linfen Shanxi 041000, China

Speaking well every lesson carefully is the duty of every teacher. How to teach every lesson well is an explored topic for every teacher along all his/her life. It is diきcult to understand the lesson about contraction of muscle cells in physiology. I have been thinking about the problem about how to speak this lesson. After several years of teaching practice, I think that that makes the students understand the contents of the class can be proceed from the following aspects: creating the situation of picture and problem, leading into new courses, designing curriculum,making the classroom summary. I hope to share with your colleagues and improve the quality of teaching together.

neuromuscular junction; excited; end-plate potential;excitation-contraction coupling; myofilament theory

G642

A

1674-9308（2017）29-0032-04

10．3969/j．issn．1674-9308．2017．29．016

臨汾職業(yè)技術(shù)學(xué)院生理教研室，山西 臨汾 041000