四、骨骼肌收縮的外部表現(xiàn)和力學(xué)分析

　　骨骼肌在體內(nèi)的功能，就是它們在受刺激時能產(chǎn)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(dāng)肌肉克服某一外力而縮短，或肌肉因縮短而牽動某一負(fù)荷時，肌肉就完成了一定量的機(jī)械功，其數(shù)值等于它所克服的阻力（或負(fù)荷)和肌肉縮短長度的乘積；如以縮短速度乘以負(fù)荷，則得出肌肉的輸出功率。但肌肉在收縮時究竟以產(chǎn)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(fù)荷條件和肌肉本身的功能狀態(tài)。

　　肌肉在體內(nèi)或?qū)嶒灄l件下可能遇到的負(fù)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(shù)量的重物，后者就是前負(fù)荷。前負(fù)荷使肌肉在收縮前就處于某種程度的被拉長狀態(tài)，使它具有一定的長度，這稱為初長度；這樣由于前負(fù)荷的不同，同一肌肉就要在不同的初長度條件下進(jìn)行收縮。另一種負(fù)荷稱為后負(fù)荷，它是在肌肉開始收縮時才能遇到的負(fù)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�？梢岳斫�，對于某一具體的肌肉來說，實驗中所加負(fù)荷、特別是前負(fù)荷不應(yīng)當(dāng)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(jié)構(gòu)；至于后負(fù)荷，它在大到一定程度就足以抵抗肌肉收縮所產(chǎn)生的最大張力，因而肌肉不再表現(xiàn)縮短，出現(xiàn)等長收縮，亦即這時肌肉雖進(jìn)行了收縮，并未有長度改變；在這種情況下繼續(xù)增加后負(fù)荷，顯然不會對肌肉的收縮有什么影響。

　　據(jù)上述，能影響肌肉收縮時作功能力或其力學(xué)表現(xiàn)的因素至少有三個，即前負(fù)荷、后負(fù)荷和肌肉本身的功能狀態(tài)（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(shù)據(jù)并作成一條座標(biāo)曲線來進(jìn)行分析。

　�。ㄒ�)前負(fù)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(tài)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(jìn)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(chǎn)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(fù)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(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)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(yù)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(chǔ)上肌肉收縮時產(chǎn)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(biāo))在張力換能器上記錄到的肌肉的張力產(chǎn)生的情況（縱座標(biāo))。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(chǎn)生某種回彈力，但牽拉超過某種程度，達(dá)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(fù)荷即已具有被動張力的條件下進(jìn)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(chǎn)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(fù)荷時進(jìn)行收縮所能產(chǎn)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(nèi)容，即不同前負(fù)荷或初長度對肌肉收縮所能產(chǎn)生的張力影響：當(dāng)前負(fù)荷開始增加時，每次收縮所產(chǎn)生的主動張力也相應(yīng)地增大，但在超過某一限度后，再增加前負(fù)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(jié)論也可以表達(dá)為，對于肌肉在等長度收縮條件下所產(chǎn)生的主動張力大小，存在著一個最適前負(fù)荷和與之相對應(yīng)的最適初長度，相當(dāng)于圖2-24B橫座標(biāo)上L_o的位置，在這樣的初長度情況下進(jìn)行收縮，產(chǎn)生的張力最大。

　　肌肉在最適初長度條件下進(jìn)行收縮何以能產(chǎn)生最大的張力，很容易根據(jù)肌肉被前負(fù)荷拉長時對每一肌小節(jié)中粗、細(xì)肌絲相互關(guān)系的改變來解釋。已知，肌肉產(chǎn)生張力和縮短，靠的是粗肌絲表面的橫橋和細(xì)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(jié)的長度，亦即細(xì)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(xì)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(cè)各為0.1μm的范圍內(nèi)正常時沒有橫橋，因此在M線兩側(cè)有橫橋的粗肌絲長度各為0.65μm，這樣當(dāng)每側(cè)細(xì)肌絲伸入暗帶0.65μm（尚未于明帶的細(xì)肌絲長度為0.35μm)，亦即肌小節(jié)總長度為2.2μm時，粗肌絲上的每個橫橋都能與細(xì)肌絲作用，因而收縮時能出現(xiàn)最佳的效果。當(dāng)肌肉處于最適前負(fù)荷或最適初長度時，每個肌小節(jié)的長度正是2.2μm，如圖2-25箭頭3所示。如果稍稍減少前負(fù)荷使肌小節(jié)長度2.0μm（箭頭2)，盡管每側(cè)細(xì)肌絲又多伸入暗帶0.1μm（這時兩側(cè)細(xì)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(shù)目并未增多（相當(dāng)于圖2-25中的箭頭2)。至于再減小肌小節(jié)的長度，則細(xì)肌絲可能穿過M線或兩側(cè)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(fù)荷超過最適前負(fù)荷，收縮前肌小節(jié)的長度將大于2.2μm，細(xì)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(shù)也減少，造成所產(chǎn)生張力的下降；當(dāng)前負(fù)荷使肌小節(jié)長度增加到3.5μm時，細(xì)肌絲將全部由暗帶拉出，這時肌肉受刺激時不再產(chǎn)生主動張力（圖中箭頭4)。由此可見，通過前負(fù)荷對肌小節(jié)中粗、細(xì)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(xì)肌絲重合程度和產(chǎn)生張力的關(guān)系示意圖

　　用肌小節(jié)在不同前負(fù)荷時粗、細(xì)肌絲相對位置的改變，來說明不同前負(fù)荷時所產(chǎn)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(jié)中兩側(cè)細(xì)肌絲伸入暗帶過多，互相重疊或發(fā)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(jié)中全部橫橋都可與細(xì)肌絲相互作用，產(chǎn)生出最大主動張力；在箭頭4的情況下，細(xì)肌絲相互全部由暗帶被拉出，失去產(chǎn)生張力的條件

圖2-26 肌肉的張力-速度關(guān)系曲線
在肌肉前負(fù)荷固定在適當(dāng)值的條件下，改變后負(fù)荷對肌肉產(chǎn)生張力（橫座標(biāo))
和速短速度（左側(cè)縱座標(biāo))相互關(guān)系的影響，這稱為張力-速度關(guān)系曲線（曲線1)，
由此曲線可以算出不同后負(fù)荷時的輸出功率（右側(cè)縱座標(biāo))，組成了曲線2

　�。ǘ�)肌肉后負(fù)荷對肌肉收縮的影響－張力-速度曲線

　　據(jù)前述，如在實驗室裝置的設(shè)計中使一條骨骼肌的前負(fù)荷固定不變而可以人為地改變后負(fù)荷，即可觀察不同后負(fù)荷對肌肉收縮的影響。一般情況下，可以把肌肉的前負(fù)荷固定在它的最適前負(fù)荷（這時出現(xiàn)的被動張力極�。ㄒ妶D2-24B)，然后，在逐次改變后負(fù)荷的情況下觀察肌肉收縮時的情況。不論在任何前負(fù)荷的情況下，如果所加后負(fù)荷超過了肌肉收縮時所能產(chǎn)生的最大張力（注意負(fù)荷的重量值和肌肉產(chǎn)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(chǎn)生張力而不出現(xiàn)肌肉長度的改變。因此，在改變后負(fù)荷的實驗中所加的后負(fù)荷都應(yīng)小于這個最大張力，那么肌肉在收縮時產(chǎn)生的主動張力超過這個后負(fù)荷的值時，它將會出現(xiàn)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(fù)荷愈小，肌肉產(chǎn)生的張力將較早地超過這個負(fù)荷，并且出現(xiàn)較大的縮短長度和縮短速度，但相當(dāng)于負(fù)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(fù)荷時，肌肉產(chǎn)生張力和其縮短速度變化的關(guān)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(guān)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(biāo)表示肌肉所產(chǎn)生的張力，縱座標(biāo)表示收縮速度，雙曲線的性質(zhì)則說明這二者大致呈反比的關(guān)系，即后負(fù)荷減小時，使肌肉產(chǎn)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(fù)荷理論上為零時，可以得到該肌肉在當(dāng)時的功能狀態(tài)下的最大收縮速度，在圖2-26中用V₀表示；但這時因無負(fù)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(fù)荷的值相當(dāng)于肌肉所能產(chǎn)生的最大張力，這時不能移動負(fù)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(fù)荷時都能看到肌肉在產(chǎn)生與負(fù)荷相同的張力的情況下使負(fù)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(fù)荷相當(dāng)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(fù)荷的改變對肌肉收縮時張力產(chǎn)生、縮短速度以及作功能力等力學(xué)表現(xiàn)的影響，顯然是在肌肉功能狀態(tài)恒定的情況下對所處負(fù)荷條件改變所作的不同反應(yīng)。但肌肉的狀態(tài)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(zhì)缺乏，以及其他原因引起的興奮-收縮耦聯(lián)、肌肉蛋白質(zhì)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(jī)制而提高肌肉的收縮效果。將影響肌肉收縮效果的肌肉內(nèi)部功能狀態(tài)的改變，定義為肌肉收縮能力（contractility)的改變，以區(qū)別于肌肉收縮時外部條件即前、后負(fù)荷改變所導(dǎo)致的收縮效果的改變。這樣的區(qū)分雖然在概念上比較容易，但在具體情況下要區(qū)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(fù)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(fù)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(jù)肌肉某項力學(xué)指標(biāo)的改變，確定是否發(fā)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(xué)表現(xiàn)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(biāo)曲線是十分復(fù)雜的；為了簡便，如果能讓同一肌肉所處的前、后負(fù)荷條件不變而發(fā)現(xiàn)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(fā)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(fù)荷的改變所引起，因而只能是由于肌肉的內(nèi)在性能的改變引起的。

　�。ㄋ�)肌肉的單收縮和單收縮的復(fù)合

　　整塊骨骼肌或單個肌細(xì)胞受到一次短促的刺激時，先是產(chǎn)生一次動作電位，緊接著出現(xiàn)一次機(jī)械收縮，后者稱為單收縮；根據(jù)收縮時肌肉所處的負(fù)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(xué)表現(xiàn)，就是以單收縮為觀察對象而進(jìn)行分析的。但在正常體內(nèi)，當(dāng)骨骼肌在運動神經(jīng)的支配下進(jìn)行自然收縮時，幾乎是無例外地接受來自神經(jīng)的連續(xù)刺激，因此有必要進(jìn)一步分析肌肉有受到不同頻率的連續(xù)刺激時可能發(fā)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(jī)械變化在時間上的關(guān)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(yīng)的開始要較張力增加的開始為早，而且電變化在張力達(dá)到頂點以前早已結(jié)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(xù)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(dá)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(biāo)每 格相當(dāng)于0.01s

　　如果給肌肉以連續(xù)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(jīng)結(jié)束，于是每次刺激都引起一次獨立的單收縮；當(dāng)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(jié)束前即到達(dá)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(chǔ)上進(jìn)行新的收縮，發(fā)生了所謂收縮過程的復(fù)合，這樣連續(xù)進(jìn)行下去，肌肉就表現(xiàn)為不完全強(qiáng)直收縮，其特點是每次新的收縮都出現(xiàn)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(xù)增加，那么肌肉就有可能在前一次收縮的收縮期結(jié)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(qiáng)直收縮。

圖2-28 不同頻率的連續(xù)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(dāng)刺激頻率依次增加時，機(jī)械收縮可出現(xiàn)逐漸融合，
表現(xiàn)不完全和完全強(qiáng)直收縮，但動作電位始終彼此分離，不發(fā)生融合和疊加

　　由于正常體內(nèi)由運動神經(jīng)傳到骨骼肌的興奮沖動都是快速連續(xù)的，體內(nèi)骨骼肌收縮幾乎都屬于完全強(qiáng)直收縮，只不過強(qiáng)直收縮的持續(xù)時間可長可短。強(qiáng)直收縮顯然可以產(chǎn)生更大的收縮效果，例如，強(qiáng)直收縮所能產(chǎn)生的最大張力可達(dá)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Ca²⁺很快被肌漿網(wǎng)上的Ca²⁺泵回收入肌漿網(wǎng)，而連續(xù)刺激可使肌漿中的Ca²⁺維持在一個飽和的高濃度水平。不同肌肉單收縮的持續(xù)時間不同，因而能引起肌肉出現(xiàn)完全強(qiáng)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(nèi)直肌需要每秒約350次的高頻刺激才能產(chǎn)生完全強(qiáng)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(qiáng)直收縮或完全強(qiáng)直收縮，伴隨每次刺激出現(xiàn)的肌肉動作電位只出現(xiàn)頻率加快，卻始終各自分離而不會發(fā)生融合或總和；這是由于肌肉的動作電位只持續(xù)1～2ms，當(dāng)刺激頻率加速到下一次刺激落于前一次刺激引進(jìn)起的動作電位持續(xù)期間時，組織又正好處于興奮的絕對不應(yīng)期，這時新的刺激將無效，既不能引起新的動作電位產(chǎn)生，也不引起新的收縮。

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