生理學｜肌肉生理

(1) 從肌肉到肌原纖維

一條骨骼肌由許多肌纖維（muscle fiber）組成，每一條肌纖維就是一個多核、細長的骨骼肌細胞。肌纖維內充滿平行排列的肌原纖維（myofibril），肌原纖維再由重複的收縮單位串接而成。

• 肌纖維膜：肌細胞的細胞膜（sarcolemma），可傳導動作電位。
• 橫小管：橫小管（transverse tubule, T tubule）是肌纖維膜向細胞內凹入的管道，把膜上的動作電位快速送到細胞深處。
• 肌漿質網：肌漿質網（sarcoplasmic reticulum, SR）是特化的平滑內質網，包圍肌原纖維，儲存並釋放鈣離子；靠近橫小管的膨大部分稱終池（terminal cisterna）。
• 三聯體：一條橫小管加上兩側終池，稱為三聯體（triad），是興奮－收縮偶聯發生的位置。

(2) 肌節（sarcomere）與明暗帶

肌節是兩條 Z 線（Z line）之間的部分，是骨骼肌與心肌最小的收縮單位。在顯微鏡下，粗、細肌絲重疊的方式造成橫紋：

(3) 參與收縮的蛋白質

• 肌球蛋白：肌球蛋白（myosin，試題也寫作肌凝蛋白）構成粗肌絲。分子頭部向外突出形成橫橋（cross-bridge），頭部具有與肌動蛋白結合的位置，並具 ATP 酶（ATPase）活性，可水解 ATP 取得能量。
• 肌動蛋白：肌動蛋白（actin）為細肌絲的主幹，球狀單體串成雙股螺旋，上面有供肌球蛋白頭部結合的位置。
• 旋轉肌凝素：旋轉肌凝素（tropomyosin，試題也寫作原肌球蛋白）是纏繞在肌動蛋白上的長條蛋白；肌肉放鬆時遮住肌動蛋白上的結合位置。
• 旋轉素：旋轉素（troponin，試題也寫作肌鈣蛋白）是附在旋轉肌凝素上的複合體，含 3 個次單位：TnC 結合鈣離子、TnI 抑制肌動蛋白與肌球蛋白結合、TnT 連結旋轉肌凝素。

細肌絲因此由肌動蛋白、旋轉肌凝素、旋轉素三者組成；粗肌絲則由肌球蛋白組成。攜鈣素（calmodulin）是平滑肌與多數細胞的鈣結合蛋白，不屬於骨骼肌的收縮蛋白。

(1) 神經肌肉接頭的傳遞步驟

神經肌肉接頭（neuromuscular junction）是運動神經元軸突末梢與骨骼肌纖維之間的化學性突觸，肌纖維膜在此處形成皺褶，稱為運動終板（motor end plate）。

1. 動作電位到達軸突末梢，打開電位閘控鈣離子通道，鈣離子流入末梢。
2. 鈣離子促使含有乙醯膽鹼（acetylcholine, ACh）的突觸小泡以胞吐作用釋放 ACh。
3. ACh 擴散過突觸間隙，與終板上的菸鹼型乙醯膽鹼受體（nicotinic ACh receptor）結合；此受體本身就是配體閘控陽離子通道。
4. 通道打開後以鈉離子內流為主（鉀離子少量外流），終板產生去極化，稱為終板電位（end-plate potential, EPP）。
5. 終板電位使旁邊的肌纖維膜達到閾值，產生動作電位並沿肌纖維膜與橫小管傳播。
6. 乙醯膽鹼酯酶（acetylcholinesterase, AChE）在間隙中迅速分解 ACh，訊號隨即終止。

① 終板電位的性質

終板電位是一種興奮性突觸後電位：它是局部、分級的去極化，本身不是動作電位，也不是抑制性電位。與中樞神經系統的突觸不同的是，正常情況下一次神經衝動所產生的終板電位幅度很大，遠超過閾值，因此神經肌肉接頭是「一對一」的可靠傳遞，每一個運動神經動作電位都會引起一次肌纖維動作電位。

(2) 重症肌無力（myasthenia gravis）

重症肌無力是一種自體免疫疾病：病人產生對抗終板上菸鹼型乙醯膽鹼受體的抗體，使受體被阻斷、被內吞分解，終板皺褶也遭補體破壞。結果每次釋放的 ACh 雖然正常，可用的受體卻減少，終板電位變小，部分肌纖維無法產生動作電位。

• 病因核心：與乙醯膽鹼及其受體的異常最相關，不是腎上腺素、血清素或組織胺。
• 臨床特徵：肌肉容易疲勞，反覆使用後無力加重、休息後改善；眼瞼下垂與複視常為早期表現。
• 相關構造：常合併胸腺增生或胸腺瘤。
• 治療方向：使用 AChE 抑制劑如 pyridostigmine，延長 ACh 作用時間；再配合免疫抑制或胸腺切除。

其他會干擾此接頭的因素也常被拿來比較：臘腸毒桿菌毒素（botulinum toxin）抑制 ACh 釋放；箭毒類（curare）競爭性阻斷受體；有機磷抑制 AChE，使 ACh 堆積。藥物細節請見自律神經系統藥物單元。

(1) 興奮－收縮偶聯（excitation-contraction coupling）

興奮－收縮偶聯是指「肌纖維膜上的電訊號」如何轉換成「肌絲的機械滑動」，骨骼肌的關鍵是兩種鈣離子相關通道的機械性連結：

1. 動作電位沿著肌纖維膜傳入橫小管。
2. 橫小管膜上的二氫吡啶受體（dihydropyridine receptor, DHPR）是電壓感應器（屬 L 型鈣通道），感受到去極化後改變構形。
3. DHPR 以機械方式直接拉開肌漿質網膜上的雷恩諾鹼受體（ryanodine receptor, RyR），此為肌漿質網的鈣釋放通道。
4. 鈣離子從肌漿質網大量釋放到肌漿中。
5. 鈣離子與旋轉素 C（troponin C）結合，旋轉素改變構形，把旋轉肌凝素拉離肌動蛋白上的結合位置。
6. 肌球蛋白頭部得以與肌動蛋白結合，開始橫橋週期。

(2) 滑動絲理論（sliding filament theory）

滑動絲理論說明肌肉縮短的方式：肌動蛋白與肌球蛋白反覆結合、拉動、分離，使細肌絲沿著粗肌絲向肌節中央滑動。粗、細肌絲本身沒有變短，只是重疊程度增加，因此肌節變短、整條肌肉跟著縮短。旋轉素與旋轉肌凝素是「開關」，鈣離子是「打開開關的鑰匙」，真正產生拉力的是兩種收縮蛋白之間的作用。

(3) 橫橋週期（cross-bridge cycle）

1. 預備：肌球蛋白頭部已把 ATP 水解成 ADP 與無機磷酸（Pi），兩者仍附著在頭部，頭部處於「上膛」的高能狀態。
2. 結合：鈣離子使結合位置暴露後，頭部與肌動蛋白結合形成橫橋。
3. 力擊：力擊（power stroke）由 Pi 釋出觸發頭部擺動，把細肌絲拉向 M 線；接著 ADP 釋出，橫橋處於緊密結合狀態。
4. 分離：新的 ATP 與肌球蛋白頭部結合，使頭部與肌動蛋白分離。
5. 復位：頭部再次水解 ATP，回到上膛狀態；只要鈣離子仍在，週期就會重複。

ATP 在這個週期中有兩個角色：水解 ATP 提供頭部擺動的能量；ATP 結合則讓橫橋脫離。此外，肌漿質網上的鈣幫浦（SERCA）也要消耗 ATP，把鈣離子送回肌漿質網，肌肉才能放鬆。

① 死後僵直（rigor mortis）

人死後細胞無法再產生 ATP，肌漿質網漏出的鈣離子讓橫橋形成，卻沒有 ATP 讓橫橋分離，肌球蛋白頭部便卡在肌動蛋白上，肌肉呈現僵硬。主要原因是缺乏 ATP，不是乳酸堆積或缺少鈣離子。之後隨著蛋白質被分解，僵直會逐漸消失。

(4) 放鬆

運動神經停止放電後，AChE 分解 ACh，肌纖維膜再極化；雷恩諾鹼受體關閉，SERCA 把鈣離子回收進肌漿質網，鈣離子離開旋轉素，旋轉肌凝素重新遮住結合位置，肌肉便放鬆。

(1) 運動單位（motor unit）

一個運動神經元與它所支配的全部肌纖維合稱一個運動單位。需要精細動作的肌肉（如眼外肌、手指肌）每個運動單位所含肌纖維少；負責粗大動作的肌肉（如大腿肌）則每個運動單位含大量肌纖維。

• 全有全無：單一肌纖維受到閾值以上刺激就完整收縮一次，不會「收縮一半」。
• 徵召：要增加整條肌肉的力量，中樞神經會徵召（recruitment）更多運動單位，通常先徵召小而耐疲勞的單位，再徵召大而有力的單位。

(2) 單一收縮、加成與強直

• 單一收縮：一次動作電位引起一次收縮與放鬆，稱單一收縮（twitch），分為潛伏期、收縮期、放鬆期。
• 加成：骨骼肌動作電位與不反應期很短，但收縮持續較久；前一次收縮尚未完全放鬆就再受刺激時，張力會疊加上去，稱為加成（summation）。
• 強直：刺激頻率夠高時，各次收縮融合成持續的最大張力，稱為強直收縮（tetanus）。

因此，對單一骨骼肌纖維而言，刺激頻率越高，張力越大（直到完全強直）。心肌則因不反應期很長、幾乎涵蓋整個收縮期，不會發生加成與強直，以確保心臟有放鬆充血的時間。

(3) 長度－張力關係（length-tension relationship）

肌節在某一個最適長度時，粗、細肌絲的重疊最適當，可形成的橫橋最多，主動張力最大。

• 過度拉長：重疊太少，可形成的橫橋減少，張力下降。
• 過度縮短：細肌絲互相重疊、粗肌絲撞到 Z 線，張力也下降。
• 體內情形：骨骼肌附著在骨骼上，靜止長度大致就在最適長度附近。

(4) 等長收縮與等張收縮

判斷原則很簡單：看肌肉有沒有改變長度。只要「施力但靜止不動」，就是等長收縮。離心收縮能產生的力量最大，但也最容易造成運動後延遲性肌肉痠痛。

(1) 三條 ATP 供應途徑

肌細胞內儲存的 ATP 很少，只夠維持極短時間的收縮，必須不斷再生。依速度由快到慢有三條途徑：

• 初期能量：收縮一開始、極短時間內最主要的 ATP 再生來源是磷酸肌酸，不是葡萄糖或脂肪酸。
• 無氧能源：無氧呼吸的燃料是葡萄糖；乳酸是無氧糖解的產物，不是主要燃料。
• 休息時：肌肉恢復期以有氧代謝產生的 ATP 把肌酸重新磷酸化，補回磷酸肌酸，並補充肝醣。
• 安靜時燃料：靜止與低強度活動時，骨骼肌主要以脂肪酸氧化供能。

(2) 肌纖維類型

介於兩者之間的是快縮氧化糖解型（第 IIa 型），速度快且兼具相當的有氧能力。訓練可改變纖維的代謝特性，例如耐力訓練增加粒線體與微血管密度。

(3) 肌肉疲勞

肌肉疲勞是持續活動後肌肉產生張力的能力下降，原因是多方面的：無機磷酸與氫離子累積干擾橫橋與鈣離子釋放、磷酸肌酸與肝醣耗竭、離子分布改變影響興奮性，長時間運動時中樞驅動也會下降。運動後耗氧量在一段時間內仍高於安靜值，用來補回磷酸肌酸、清除乳酸並恢復體溫，稱為運動後過量耗氧（excess post-exercise oxygen consumption, EPOC），舊稱「氧債」。

(4) 肌肉是主要的產熱器官

肌肉收縮把化學能轉換成機械功的效率不高，大部分能量以熱的形式散出，因此骨骼肌是身體產生大量熱的主要組織。安靜時肝臟等內臟器官的產熱比例也不小，但活動時骨骼肌產熱可大幅增加，是身體最能調節的產熱來源。寒冷時的顫抖（shivering）就是骨骼肌不自主地反覆收縮，以增加產熱維持體溫。體溫調節的中樞機轉屬於其他單元，這裡只要記住「肌肉產熱」即可。

(1) 平滑肌的構造特色

平滑肌細胞呈梭形、單核，肌絲不排成肌節，所以沒有橫紋，也沒有旋轉素。細肌絲錨定在緻密體（dense body）上，收縮時細胞整體變短、變得較為圓胖。平滑肌沒有發達的橫小管，肌漿質網也較不發達。

• 單一單位型：單一單位（single-unit）平滑肌以間隙接合相連，像一個整體同步收縮，常有自發節律，見於消化道、子宮、膀胱與多數小血管。
• 多單位型：多單位（multi-unit）平滑肌各細胞獨立受神經支配，見於虹膜、睫狀肌、豎毛肌與大動脈。

(2) 平滑肌的收縮機轉：攜鈣素與 MLCK

平滑肌收縮同樣由鈣離子啟動，例如消化道平滑肌的收縮主要就靠細胞內鈣離子濃度調節。鈣離子來源有兩處：經細胞膜電位閘控或配體閘控鈣通道從細胞外流入，以及經 IP₃ 受體或雷恩諾鹼受體從肌漿質網釋出。

1. 細胞內鈣離子上升，與攜鈣素結合，形成鈣－攜鈣素複合體。
2. 複合體活化肌球蛋白輕鏈激酶（myosin light chain kinase, MLCK）。
3. MLCK 磷酸化肌球蛋白的調節性輕鏈，使肌球蛋白頭部的 ATP 酶活化，能與肌動蛋白形成橫橋。
4. 鈣離子下降後，肌球蛋白輕鏈磷酸酶（myosin light chain phosphatase）去除磷酸，肌肉放鬆。

簡言之，平滑肌的鈣調節作用在粗肌絲的肌球蛋白，骨骼肌則作用在細肌絲的旋轉素。平滑肌橫橋週期較慢、耗能少，並可形成「閂鎖狀態」（latch state），以很少的 ATP 長時間維持張力，適合血管張力與括約肌。

(3) 骨骼肌、心肌、平滑肌比較

骨骼肌與心肌的共同點是都有肌節、都靠橫小管把動作電位帶進細胞內、鈣離子都結合旋轉素；差別在於心肌需要細胞外鈣作為觸發、不會強直，且長度－張力關係表現為法蘭克－史達林定律。心肌動作電位的各期與傳導系統，請見循環生理單元。