相較於骨骼肌,平滑肌收縮的過程緩慢且持久,主要的原因是:
詳細解析
本題觀念:
本題探討的是「平滑肌 (Smooth muscle)」與「骨骼肌 (Skeletal muscle)」在收縮生理學上的差異。平滑肌廣泛分佈於消化道、呼吸道、血管壁等處,負責維持器官的張力與推動內容物。其重要特徵為收縮與舒張的速度非常緩慢,且能以極少的能量消耗維持長時間的收縮張力(即所謂的閂鎖機制,Latch mechanism)。造成平滑肌收縮緩慢且持久的原因,主要與其獨特的細胞內鈣離子處理機制,以及肌凝蛋白 (Myosin) 的 ATPase 活性較低有關。
選項分析
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(A) 鈣離子移除速度較慢(正確): 平滑肌細胞的肌漿網 (Sarcoplasmic reticulum, SR) 較不如骨骼肌發達。平滑肌收縮後若要舒張,必須仰賴鈣離子幫浦 (Calcium pump) 將細胞質內的鈣離子打回肌漿網,或經由細胞膜上的鈣離子幫浦及鈉鈣交換體 (Na⁺/Ca²⁺ exchanger) 將鈣離子排出細胞外。平滑肌的鈣離子移除機制運作速度遠慢於骨骼肌,導致鈣離子在細胞質內停留的時間大幅延長,因此收縮過程更為持久且舒張緩慢。
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(B) 流入的鈣離子延長了動作電位的高原期(錯誤): 動作電位的「高原期 (Plateau phase)」主要是心室肌細胞 (Cardiac muscle) 的典型特徵,其用意是延長不反應期以避免心肌發生強直收縮 (Tetanus)。雖然少部分平滑肌(例如輸尿管或子宮平滑肌)也有高原期,但這並非所有平滑肌收縮緩慢且持久的共同主因。
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(C) 橫橋的密度高,循環速度較慢(錯誤): 平滑肌的肌凝蛋白 ATPase 活性較低,因此橫橋循環 (Cross-bridge cycling) 速度確實比骨骼肌慢。然而,本選項前半段「橫橋的密度高」是錯誤的。實際上,平滑肌的肌動蛋白 (Actin) 比例極高(肌動與肌凝蛋白比例約為 10~15:1),而肌凝蛋白 (Myosin) 的含量與密度反而「低於」骨骼肌(骨骼肌約為 2~4:1)。
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(D) 神經軸突結節釋放傳遞物質的擴散速度較慢(錯誤): 自主神經支配平滑肌時,是透過神經軸突上的靜脈瘤/結節 (Varicosities) 釋放神經傳導物質(形成瀰漫性接合,Diffuse junctions)。雖然擴散距離較骨骼肌的神經肌肉接合處 (Neuromuscular junction) 來得遠,這只會導致平滑肌受刺激後的「潛伏期 (Latent period)」較長,與其收縮持續時間(長達數秒至數分鐘)的關聯性極低。
答案解析
綜合以上分析,平滑肌收縮緩慢且持久的兩大生理基礎為:(1) 細胞內鈣離子濃度上升與移除的速度極慢;(2) 橫橋循環速度慢(但橫橋密度並不高)。(A) 選項精確點出了平滑肌鈣離子幫浦作用緩慢的特性,使鈣離子能長時間維持在可驅動收縮的濃度,進而造就了其緩慢且持久的收縮特性。因此,正確答案為 A。
核心知識點
醫事放射師及其他醫事人員在生理學常考的肌肉生理比較,需熟記以下重點:
- 鈣離子結合位置:骨骼肌與心肌的鈣離子與旋轉素 C (Troponin C) 結合;平滑肌缺乏旋轉素,其鈣離子是與運鈣蛋白 (Calmodulin, CaM) 結合。
- 收縮酵素:平滑肌的鈣-運鈣蛋白複合體會活化 MLCK (Myosin light-chain kinase),使肌凝蛋白輕鏈磷酸化而產生橫橋結合。
- 閂鎖機制 (Latch mechanism):平滑肌獨特的節能機制,即使在去磷酸化的狀態下,橫橋脫離的速度極慢,因此可以用極低的 ATP 消耗量來維持長時間的器官張力(如血管阻力)。
- 結構差異:平滑肌無橫紋(無 Z-line),其肌動蛋白是附著於緻密體 (Dense bodies) 上,且肌凝蛋白/橫橋的相對密度較低。
參考資料
- Hall, J. E., & Hall, M. E. (2020). Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology (14th ed.). Elsevier. (Chapter 8: Excitation and Contraction of Smooth Muscle).
- Signaling in Muscle Contraction - PMC - NIH
- Calcium-calmodulin-dependent mechanisms accelerate calcium decay in gastric myocytes - PMC