对于大多数人来说,肌肉再平常不过了,但是它们的重要性却令人难以置信,原因主要有两个:
在本文中,我们将了解人体的不同肌肉类型及其令人惊叹的工作机理。 谈到“肌肉”时,大部分人想到的都是可见的肌肉。例如,大多数人都知道胳臂中有二头肌。但实际上,所有哺乳动物体内均有三种特殊类型的肌肉:
骨骼肌也称为横纹肌,因为在偏振光下观察或者用指示剂染色后,骨骼肌上会有明暗交错的条纹。
骨骼肌具有一套复杂的结构,对于收缩非常重要。我们将从骨骼肌最大的结构看起,依次到最小的结构。 任何肌肉的基本动作都是收缩。例如,当您想要用二头肌移动胳臂时,您的大脑会发送信号给指示二头肌收缩的神经细胞。肌肉产生的力量大小是不同的,肌肉可以根据发送的信号来小幅或大幅收缩。肌肉所做的就是产生收缩力。 一块肌肉就是一束称为纤维的细胞,而且细胞的数量很多。您可以把肌纤维看作是长的圆柱体。与体内的其他细胞相比,肌纤维相当大,长度约为1至40微米,直径约为10至100微米。相比而言,一根头发的直径约为100微米,而体内一般细胞的直径约为10微米。 肌纤维包含许多肌原纤维,它们是肌肉蛋白质组成的圆柱体。这些蛋白质使得肌肉细胞能够收缩。肌原纤维包含两种类型的平行于纤维长轴方向的肌丝,这些肌丝以六边形模式排列,分为粗肌丝和细肌丝。每根粗肌丝周围有六根细肌丝。 粗肌丝和细肌丝都附着在称为Z盘或Z线的另一个结构上,该结构垂直于纤维的长轴(从一个Z线到另一个Z线的肌原纤维称为肌小节)。与Z线垂直的是称为横小管或T小管的结构,它实际上是延伸至纤维深部的细胞膜的一部分。在纤维内部,沿T小管间的长轴伸展的是称为肌质网的膜系统,用来存储和释放激发肌肉收缩的钙离子。 粗肌丝和细肌丝负责完成肌肉的实际工作,而且工作方式相当有趣。粗肌丝由称为肌球蛋白的蛋白质组成。在分子层次上,粗肌丝是由排列成圆柱体的肌球蛋白分子组成的轴状物。细肌丝由另外一种称为肌动蛋白的蛋白质组成,看起来像两串彼此缠绕的珍珠。 收缩过程中,肌球蛋白粗肌丝通过形成横桥抓住肌动蛋白细肌丝。粗肌丝将细肌丝拉过来,使肌小节变短。在肌肉纤维内,指示收缩的信号在整个纤维层次上同步,使构成肌小节的所有肌原纤维同时缩短。 每个细肌丝的凹槽内都有两个能够让细肌丝沿粗肌丝滑动的结构:一个长的杆状蛋白质,称为原肌球蛋白;一个较短的珠状蛋白复合体,称为肌钙蛋白。原肌球蛋白和肌钙蛋白是收缩过程中控制肌动蛋白和肌球蛋白相互作用的分子开关。 收缩过程中,细肌丝滑过粗肌丝,使肌小节缩短。 虽然肌丝滑动解释了肌肉是如何缩短的,但没有解释肌肉如何产生缩短所需要的力。为了了解这一过程,想像一下您用绳索向上拉物体时的情形:
肌肉通过循环形成肌球蛋白横桥来产生力。 让我们借用绳索的例子来说明肌肉是如何产生力的。 肌球蛋白分子形如高尔夫球杆。在本例中,肌球蛋白杆头(以及它形成的横桥)相当于您的胳臂,而肌动蛋白肌丝相当于绳索:
所有肌肉的收缩都是由电脉冲触发的,但不必理会这些电脉冲是由神经细胞传送的、内部产生的(如用起搏器)还是外部施加的(如用电击刺激)。电信号引发一系列活动,在肌球蛋白和肌动蛋白之间形成横桥循环,从而产生力。骨骼肌、平滑肌和心肌中的类似活动会稍有不同。让我们首先来看骨骼肌中的活动。 骨骼肌中从电信号发出(刺激)到收缩的耦合过程 下面让我们来了解从刺激到收缩再到松弛的过程中骨骼肌内发生了什么:
可以看出,肌肉收缩由细胞质内的钙离子水平进行调节。在骨骼肌内,钙离子在肌动蛋白的层次工作(肌动蛋白控制的收缩)。它们将肌钙蛋白-原肌球蛋白复合体移离结合位置,使得肌动蛋白和肌球蛋白能够相互作用。
肌肉混合了两种基本类型的肌肉纤维:快速颤搐和缓慢颤搐。快速颤搐纤维能够产生较大的力、较快的收缩和较强的无氧代谢能力。相反,缓慢颤搐纤维产生力的速度较慢,可以维持较长时间的收缩且具有较强的有氧代谢能力。训练可以通过改变肌肉纤维的大小和数量(但不是纤维类型)来增加肌肉重量。有些运动员还使用体能增强药物(尤其是合成代谢类固醇)来强化肌肉,但是这种做法非常危险而且被大多数竞赛项目禁止。 其他肌肉细胞 虽然大多数过程类似,但骨骼肌、心肌和平滑肌的行为仍有一些显著差异。 心肌细胞是有条纹的,很像骨骼肌细胞,不过心肌内的纤维是互连的。心肌细胞的肌质网不像骨骼肌细胞那样发达。心肌收缩是肌动蛋白控制的,意味着钙离子同时来自肌质网(如骨骼肌)和细胞外部(如平滑肌)。另外,心肌收缩中发生的一系列活动类似于骨骼肌收缩。 与骨骼肌相比,平滑肌细胞较小。它们是纺锤形的,长约50至200微米,直径只有2至10微米。它们没有条纹或者肌小节。相反,它们具有许多束与肌原纤维对应的细肌丝和粗肌丝(与发达的肌肉带相反)。在平滑肌细胞中,中间肌丝在细胞中交织,很像鱼网或丝袜上的细丝。中间肌丝固定细肌丝并对应于骨骼肌的Z盘。与骨骼肌细胞不同,平滑肌细胞没有肌钙蛋白、原肌球蛋白或有组的肌质网。
与骨骼肌细胞中的收缩一样,平滑肌细胞中的收缩也包括形成横桥以及细肌丝滑过粗肌丝。但是,由于平滑肌不像骨骼肌那样组织严密,它在所有方向均会发生缩短现象。收缩过程中,平滑肌细胞的中间肌丝帮助拉紧细胞,就像关闭束带囊那样。 钙离子控制平滑肌内的收缩,但是作用方式与在骨骼肌中的稍有不同:
这个过程称为肌球蛋白控制的收缩。
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